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Wägezelle Kalibrieren

Warum ist es wichtig, Wägezellen und Drehmomentsensoren zu kalibrieren?

Die Wägezellenkalibrierung ist eine Einstellung oder eine Reihe von Korrekturen, die an einer Wägezelle oder einem Instrument (Verstärker) vorgenommen werden, um sicherzustellen, dass der Sensor so genau oder so fehlerfrei wie möglich arbeitet.

Jeder Sensor ist anfällig für Messfehler. Diese strukturellen Unsicherheiten sind die einfache algebraische Differenz zwischen dem vom Sensorausgang angezeigten Wert und dem tatsächlichen Wert der Messgröße oder bekannten Referenzlasten. Messfehler können durch viele Faktoren verursacht werden:

Ein Offset bedeutet, dass der Sensorausgang bei Kraft Null (echter Nullpunkt) höher oder niedriger ist als der ideale Ausgang. Darüber hinaus bezieht sich die Nullpunktstabilität auf das Ausmaß, in dem der Aufnehmer seinen Nullpunktabgleich beibehält, wenn alle Umgebungsbedingungen und andere Variablen konstant bleiben.

Nur wenige Sensoren haben eine vollständig lineare Kennlinie, d. h. die Ausgangsempfindlichkeit (Steilheit) ändert sich über den gesamten Messbereich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Einige sind über den gewünschten Bereich hinreichend linear und weichen nicht von der (theoretischen) Geraden ab, aber einige Sensoren erfordern komplexere Berechnungen, um den Ausgang zu linearisieren. Die Nichtlinearität eines Kraftsensors ist also die maximale Abweichung der tatsächlichen Kalibrierkurve von einer idealen Geraden zwischen dem drucklosen und dem Nenndruckausgang, ausgedrückt in Prozent des Nennausgangs.

Die maximale Differenz zwischen den Ausgangsmesswerten des Aufnehmers für dieselbe aufgebrachte Kraft; ein Messwert ergibt sich, wenn die Kraft von Null aus erhöht wird, der andere, wenn die Kraft von der Nennleistung aus verringert wird. Sie wird normalerweise bei halber Nennleistung gemessen und als Prozentsatz der Nennleistung ausgedrückt. Die Messungen sollten so schnell wie möglich durchgeführt werden, um das Kriechverhalten zu minimieren.

Die maximale Differenz zwischen den Ausgangsmesswerten des Aufnehmers bei wiederholten Eingaben unter identischen Kraft- und Umgebungsbedingungen. Sie gibt die Fähigkeit des Kraftaufnehmers an, bei wiederholter Aufbringung der gleichen Kraft eine gleichbleibende Leistung zu erbringen.

Die Änderung des Ausgangs- bzw. Nullpunktabgleichs aufgrund einer Änderung der Messwertaufnehmertemperatur.

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Abb. 1: Kalibrierungskurve des Kraftaufnehmers.

Jeder Kraftsensor verfügt über eine "Kennlinie" oder eine "Kalibrierkurve", die die Reaktion des Sensors auf einen Eingang definiert. Bei einer regelmäßigen Kalibrierung (wägezelle kalibrieren) mit der Kraftaufnehmer-Kalibrierungsmaschine überprüfen wir die Nullpunktverschiebung und die Linearität des Sensors, indem wir den Sensorausgang unter Referenzkräften vergleichen und die Reaktion des Sensors an einen idealen linearen Ausgang anpassen. Die Kalibrierungsausrüstung für Kraftsensoren prüft auch Hysterese, Wiederholbarkeit und Temperaturverschiebung, wenn Kunden dies für einige kritische Kraftmessanwendungen verlangen.

Wenn Sie weitere Fragen zu Kalibrierungsbegriffen und -definitionen haben, lesen Sie bitte unser Glossar zu Sensorkalibrierungsbegriffen.

Möchten Sie wissen, welche Kalibrierungsdienste wir für Ihren Sensor und/oder Ihr System anbieten?

Kontaktieren Sie uns, um mehr zu erfahren!


Wie oft sollte ein Kraftmesssensor neu kalibriert werden (i.e. wägezelle kalibrieren)?

Da Dehnungsmessstreifen-Wägezellen ständigem Gebrauch, Alterung, Ausgangsdrift, Überlast und unsachgemäßer Handhabung ausgesetzt sind, empfiehlt FUTEK dringend eine jährliche Rekalibrierung. Häufige Rekalibrierung hilft zu bestätigen, ob der Sensor seine Genauigkeit im Laufe der Zeit beibehalten hat, und liefert ein Kalibrierungszertifikat, das zeigt, dass der Sensor immer noch den Spezifikationen entspricht.

Wenn der Sensor jedoch in kritischen Anwendungen und rauen Umgebungen eingesetzt wird, müssen die Wägezellen unter Umständen noch häufiger kalibriert werden. Bitte wenden Sie sich an unseren technischen Support, der Ihnen helfen wird, das wirtschaftlichste Kalibrierungsintervall für Ihren Kraftsensor zu ermitteln.

Möchten Sie mehr über Dehnungsmessstreifen-Wägezellen erfahren? Besuchen Sie die Seite "Wie eine Kraftmessdose funktioniert"! wägezelle kalibrieren Drehmomentsensor kalibrieren kraftsensor kalibrieren


Ist eine Rekalibrierung fällig?

 

Da unsere Produkte in kritischen Anwendungen eingesetzt werden, die genaue Spezifikationen erfordern, haben wir ein Rekalibrierungsprogramm entwickelt, das den Bedarf unserer Kunden an Verifizierung und Ausrichtung kontinuierlich unterstützt. Wir bieten auch Rekalibrierungsdienste für Kunden an, die Test- und Messprodukte von den folgenden Herstellern erworben haben:

  • Honeywell/Sensotec/Lebow
  • Interfaceforce
  • Omega
  • Transducer Techniques

Kontaktieren Sie uns, um Ihren Kraftaufnehmer neu zu wägezelle kalibrieren


 

Was versteht man unter Systemkalibrierung (Sensor plus Verstärker/Instrument)?

Eine Systemkalibrierung liefert die Signatur der Leistung von Sensor und Instrument zusammen ("Kalibrierkurve") und stellt sicher, dass die Kombination der Ergebnisse den Spezifikationen entspricht. Ein Kraftmesssystem umfasst in der Regel den Gewichtssensor, das Messgerät oder den Signalaufbereiter (z. B. Wägezellenanzeige oder Signalaufbereiter), die Verkabelung und die Anschlüsse. Eine vollständige Systemkalibrierung stellt sicher, dass das gesamte System die erwartete Leistung erbringt.

Sehen Sie sich hier ein Video über die "Vorteile der Systemkalibrierung" an:

Wenn Sie sich für eine vollständige Systemkalibrierung entscheiden, können Sie Ihre Messkette sofort einsetzen. Eine Systemkalibrierung schafft eine Plug & Play-Lösung, bei der alle Anschlüsse, Kabel und Geräteeinstellungen übernommen werden.

Als A2LA-zertifiziertes Kalibrierlabor bietet FUTEK eine vollständige Systemkalibrierung für Sensoren mit digitalen Anzeigen, digitalen Wägezellenverstärkern und/oder USB-Lösungen an und wendet Kalibrierverfahren an, die den ISO 17025-Normen entsprechen. Die Zertifizierung von FUTEK umfasst die Akkreditierung nach ANSI/NCSL Z540-1.

Möchten Sie mehr über die Rekalibrierung Ihres Wägezellen-, Drehmoment- oder Mehrachsensensors erfahren?

Kontaktieren Sie uns für ein Angebot!


Welche verschiedenen Arten der Kalibrierung von Kraftaufnehmern gibt es?

Die Ein-Punkt-Kalibrierung ist die einfachste Art der Kalibrierung und wird für Anwendungen empfohlen, die nur eine genaue Messung bei einer einzigen Last oder einem einzigen Drehmoment erfordern. Wenn bekannt ist, dass der Kraftsensor linear und wiederholbar ist und die richtige Steigung über den gewünschten Messbereich aufweist, kann eine Ein-Punkt-Kalibrierung angewendet werden, um den Nullpunktverschiebungsfehler (Nullabgleich) einzustellen. 

Eine Ein-Punkt-Kraftaufnehmer-Kalibrierung hilft auch bei der Überprüfung der "Ausgangsdrift", um eine Verschlechterung der Sensorleistung im Laufe der Zeit zu korrigieren.

Eine Zwei-Punkt-Kalibrierung ist etwas komplizierter und präziser als eine Ein-Punkt-Kalibrierung. Bei einer Zweipunktkalibrierung wird der Sensor-Offset bei zwei verschiedenen Ausgangswerten eingestellt, was zu einer einigermaßen genauen Geraden über die gesamte Kraftmessskala führt. In der Regel wird empfohlen, als zwei Punkte den Nullpunkt und den Skalenendwert (Nennleistung) zu verwenden.

Es ist bekannt, dass Wägezellen und Drehmomentsensoren über den Messbereich (oder die Nennleistung) einigermaßen linear sind. Daher wird häufig eine Zweipunktkalibrierung empfohlen, da eine Zweipunktkalibrierung im Wesentlichen die Ausgabe neu skaliert, indem sowohl die Steigung (Wägezellenempfindlichkeit) als auch der Offset (Nullpunktabgleich) korrigiert werden.

Mit der neuen Nullpunktverschiebung und der Steigung (Empfindlichkeit der Wägezelle) kann man die lineare Gleichung bestimmen, die den Sensorausgang charakterisiert (Vout =Empfindlichkeit*Last + Nullpunktverschiebung).

Einige kritische Anwendungen erfordern ein hohes Maß an Genauigkeit über einen sehr spezifischen Messbereich des Kraftsensors. In diesen Fällen sind eine Fünf-Punkt-Kalibrierung der Wägezelle und eine Kurvenanpassung erforderlich, um die Kalibrierungskurve zu charakterisieren und eine Messleistung über den angegebenen Leistungsbereich zu erzielen.

Normalerweise wird eine Fünf-Punkte-Kalibrierung durchgeführt, indem der Ausgang bei 0 %, 20 %, 40 %, 60 %, 80 % und 100 % des erforderlichen Messbereichs gemessen wird:

  • 0%: Nullabgleich (oder Nullsumme);
  • 20%, 40%, 60%, 80%: Anpassung der Linearität;
  • 100%: Einstellung der Spanne oder der Steigung (Empfindlichkeit).

Bei der Fünf-Punkt-Kalibrierung des Kraftsensors werden die Ausgangsmesswerte in der oberen und unteren Skala erfasst, um die Wiederholbarkeit und Hysterese des Kraftmesssystems (Sensor + Signalaufbereiter) zu bestimmen.

 

Da die meisten Wägezellen oder Drehmomentaufnehmer (Drehmomentsensor kalibrieren) mit einer Anzeige oder einem Signalaufbereiter gekoppelt sind, um ein schlüsselfertiges Kraft- oder Drehmomentmesssystem zu bilden, sollte die Instrumentierung immer mit dem Sensor verbunden und zusammen als System kalibriert werden (siehe diese Anwendung zur Drehmomentkalibrierung). Nehmen wir zum Beispiel eine LSB205 Miniatur-S-Beam-Wägezelle (oder eine andere Mikro-Wägezelle), gepaart mit einem IAA200 4-20mA Stromausgangsverstärker und einem 3 m langen Kabel. Wenn der Kunde es wünscht, werden die Fünf-Punkt-Ausgangsmesswerte genommen, wenn der Sensor einer Last von 0 (keine Last), 10 lbs, 20 lbs, 30 lbs, 40 lbs und 50 lbs aufwärts und abwärts ausgesetzt ist.

% DER VOLLEN SKALA ANGEWANDTE LAST (lbs.) VERSTÄRKERAUSGANG (mA)
0% - Ohne belastung Ohne belastung 4 mA
20% 10 lbs 7.2 mA
40% 20 lbs 10.4 mA
60% 30 lbs 13.6 mA
80% 40 lbs 16.8 mA
100% - Vollen skala 50 lbs 20 mA
80% 40 lbs 16.8 mA
60% 30 lbs 13.6 mA
40% 20 lbs 10.4 mA
20% 10 lbs 7.2 mA
0% - Ohne belastung Ohne belastung 4 mA
Tabelle 1: Wägezelle 5 - Punkte Kalibrierung und Mehrpunktanpassung.

Je nach den Anforderungen der Anwendung wird dieser Vorgang zwei- oder mehrfach wiederholt. Die Differenz der Ergebnisse wird zur Berechnung der Nichtwiederholbarkeit (oder Wiederholbarkeit) und der Linearität (Genauigkeit) herangezogen.

Wir werden häufig gefragt: Wie kalibriert man einen Drehmomentschlüssel? Dies kann durch die Verwendung des TDF-Drehmomentsensors von FUTEK als Kalibrierwerkzeug für Drehmomentschlüssel erreicht werden, um die Präzision eines Drehmomentschlüssels zu überprüfen.

Sind Sie bereit, Ihre Wägezelle, Ihren Drehmomentsensor oder Ihren mehrachsigen Kraftsensor zu kalibrieren?

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Wie eine Wägezelle funktioniert (Arbeitsprinzip eines Kraftsensors)

Zunächst müssen wir die zugrunde liegende Physik und Materialwissenschaft verstehen, die hinter dem Arbeitsprinzip der Dehnungsmessstreifen-Wägezellen stehen, d.h. die Dehnungsmessstreifen. Ein Dehnungsmessstreifen aus Metallfolie ist ein Sensor, dessen elektrischer Widerstand sich mit der aufgebrachten Kraft ändert. Mit anderen Worten, er wandelt (oder überträgt) Kraft, Druck, Drehmoment, Gewicht usw. in eine Änderung des elektrischen Widerstands um, die dann gemessen werden kann. 

 

Dehnungsmessstreifen sind elektrische Leiter, die fest mit einer mäanderförmigen Folie verbunden sind. Wenn diese Folie gezogen wird, dehnt sie sich - und die Leiter - aus und verlängert sich. Wenn sie gedrückt wird, zieht sie sich zusammen und wird kürzer. Diese Formveränderung führt dazu, dass sich auch der Widerstand in den elektrischen Leitern ändert. Die in der Wägezelle aufgebrachte Dehnung kann auf der Grundlage dieses Prinzips bestimmt werden, da der Dehnungsmessstreifen-Widerstand mit der aufgebrachten Dehnung zunimmt und mit der Kontraktion abnimmt.

 

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Abb. 2: Metallfolien-Dehnungsmessstreifen. Quelle: ScienceDirect

 

Strukturell besteht eine Kraftsensor-Wägezelle (kraftsensor kalibrieren) aus einem Metallkörper, auf den Folien-Dehnungsmessstreifen geklebt sind. Der Sensorkörper besteht in der Regel aus Aluminium oder rostfreiem Stahl, was dem Sensor zwei wichtige Eigenschaften verleiht: (1) er ist robust genug, um hohen Belastungen standzuhalten, und (2) er ist elastisch genug, um sich nur minimal zu verformen und in seine ursprüngliche Form zurückzukehren, wenn die Kraft entfernt wird.

 

Wenn eine Kraft (Zug- oder Druckrichtung) ausgeübt wird, wirkt der Metallkörper wie eine "Feder" und verformt sich leicht, und wenn er nicht überlastet wird, kehrt er in seine ursprüngliche Form zurück. Wenn sich der Sensorkörper verformt, ändert sich auch die Form des Dehnungsmessstreifens und damit sein elektrischer Widerstand, der über eine Wheatstone-Brückenschaltung eine differentielle Spannungsänderung erzeugt. Die Spannungsänderung ist somit proportional zur physikalischen Kraft, die auf die Biegung ausgeübt wird und die über den Spannungsausgang des Wägezellenkreises berechnet werden kann.

Fig. 3: Dehnungsmessstreifen-Verformung bei Zug und Druck.

 

Diese Dehnungsmessstreifen sind in einer so genannten Wheatstone-Brückenschaltung (auch Wägezellenschaltung genannt) angeordnet. Das bedeutet, dass vier Dehnungsmessstreifen in einer Schleifenschaltung (Wägezellenschaltung) zusammengeschaltet sind und das Messgitter der zu messenden Kraft entsprechend ausgerichtet ist.

 

Die DMS-Brückenverstärker (oder Wägezellen-Signalaufbereiter) liefern eine geregelte Versorgungsspannung an die Wägezellen-Schaltung und wandeln das mv/V- Ausgangssignal in eine Signalform um, die für den Benutzer zur Auswertung besser geeignet ist. Das von der DMS-Brücke erzeugte Signal hat eine geringe Signalstärke und funktioniert möglicherweise nicht mit anderen Komponenten des Systems, wie SPS, Datenerfassungsmodulen (DAQ), Computern oder Mikroprozessoren. Zu den Funktionen der Signalaufbereitung für den Kraftsensor gehören daher Versorgungsspannung, Rauschfilterung oder -dämpfung, Signalverstärkung und Ausgangssignalumwandlung.

 

Darüber hinaus ist die Änderung der Ausgangsspannung des Verstärkers so kalibriert, dass sie linear proportional zur Newtonschen Kraft ist, die auf den Sensorkörper ausgeübt wird und die über die Spannungsgleichung des Wägezellenkreises berechnet werden kann.

Fig. 4: Dehnungsmessstreifen-Kraftsensor-Schaltung - Vollbrücken-Wheatstone-Schaltung.

 

Ein wichtiges Konzept bei Kraftaufnehmern ist die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Wägezellen. Die Genauigkeit eines Kraftsensors kann als der kleinste Kraftbetrag definiert werden, der auf den Sensorkörper ausgeübt werden kann, um eine lineare und wiederholbare Veränderung des Spannungsausgangs zu bewirken. Je höher die Genauigkeit der Wägezelle, desto besser, da sie konsistent sehr sensible Kraftschwankungen erfassen kann. In Anwendungen wie der hochpräzisen Fabrikautomation, der chirurgischen Robotik und der Luft- und Raumfahrt ist die Linearität der Wägezelle von größter Bedeutung, um das SPS- oder DAQ-Steuerungssystem mit der genauen Kraftmessung zu versorgen. Einige unserer Universal-Pancake-Kraftmessdosen weisen eine Nichtlinearität von ±0,1% (des Nennausgangs) und eine Nichtwiederholbarkeit von ±0,05% RO auf.

 

 

 

 

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