Grundlagen der DMS-Technologie

Es sollen im Folgenden einige grundsätzliche Informationen zum Technologiebereich DMS/ Wägezellen als metrologisches Instrument gegeben werden. Diese sind von allgemeiner Natur, es ist vom Anwender zu prüfen, inwieweit diese Hinweise auf seine Applikation zutreffen.

• Dehnungsmessstreifen (DMS, engl. strain gauge) dienen dazu, unmittelbar durch Fixierung auf einem Körper dessen statischen (0 bis wenige Hz) oder dynamischen (bis mehrere kHz) Dehnungen, Stauchungen oder Torsionen aufzunehmen. Oder sie erfassen mittelbar als Teil eines Sensors verschiedene Kräfte oder Bewegungen zu erfassen (z. B. Wägezellen/ Kraftaufnehmer, Wegaufnehmer, Schwingungssensoren). Die ausgewertete Größe ist die Änderung der DMS‑Eigenschaft (z. B. der elektrische Widerstand).
• Bei optischen DMS (z. B. Bragg‑Gitter) bewirkt eine Krafteinwirkung auf eine als Sensor genutzte Faser eine proportionale Veränderung derer optischen Eigenschaften. Es wird Licht mit einer bestimmten Wellenlänge in den Sensor geleitet. Je nach Verformung des in den Sensor eingelaserten Gitters wird durch die mechanische Beanspruchung ein Teil des Lichts reflektiert und mit einem geeigneten Messwertaufnehmer (Interrogator) ausgewertet.

Das am weitesten verbreitete Prinzip im industriellen Umfeld ist der elektrische DMS. Es sind viele Begriffe für diese Art von Sensoren üblich: Wägezelle, Lastmessdose, Wiegebrücke etc.

Aufbau elektrischer DMS

Ein DMS besteht aus einem Trägermaterial (z. B. eine dehnbare Kunststofffolie) mit aufgebrachter Metallfolie, aus welchem –je nach Anforderung in sehr verschiedenen geometrischen Formen - eine Struktur zu einem verformbaren, elektrischen Dünnschicht‑Widerstand herausgearbeitet wird.

Dabei wird das Verhalten ausgenutzt, dass z. B. bei Dehnung eines metallischen Widerstandsleiters seine Länge zu- und der Durchmesser abnimmt, wodurch sein elektrischer Widerstand messbar steigt:

ΔR/R = k · ε.

Dabei entspricht ε = Δl/l der relativen Längenänderung, die Dehnungsempfindlichkeit wird als k‑Faktor bezeichnet. Daraus resultiert auch die charakteristische Bahnführung des leitfähigen Materials innerhalb des DMS: Die Widerstandsbahn wird mäanderförmig (in Schlangenlinien) verlegt, um eine möglichst lange Strecke der Dehnung auszusetzen und gleichzeitig die Selektivität der Kraftrichtungseinwirkung heraufzusetzen.

Beispiel:

Die Dehnung von ε = 0,1 % eines DMS mit k‑Faktor 2 bewirkt eine Widerstandserhöhung um 0,2 %. Typische Widerstandsmaterialien sind Konstantan (k ≈ 2) oder Platin‑Wolfram (92PT, 8W mit k ≈ 4). Bei Halbleiter‑DMS wird eine Siliziumstruktur auf ein Trägermaterial geklebt. Die Leitfähigkeit wird primär durch Deformation des Kristallgitters verändert (piezoresistiver Effekt), es können k‑Faktoren bis 200 erreicht werden.

Messung von Signalen

Die Widerstandsänderung eines einzelnen DMS kann grundsätzlich durch Widerstandsmessung (Strom-/ Spannungsmessung) in 2/3/4‑Leitermessung ermittelt werden.

Üblicherweise werden 1/2/4 DMS in einer wheatstoneschen Brücke angeordnet (Viertel‑/Halb‑/Vollbrücke), dabei ist der Nennwiderstand bzw. Impedanz R₀ aller DMS (und der ggf. verwendeten Ergänzungswiderstände) üblicherweise gleich, R1 = R2 = R3 = R4 = R₀. Im unbelasteten Zustand sind typische Werte R₀ = 120 Ω, 350 Ω, 700 Ω oder 1 kΩ.

Die Vollbrücke besitzt die besten Eigenschaften wie erhöhte Linearität bei Strom‑/ Spannungsspeisung, bis zu vierfacher Empfindlichkeit gegenüber der Viertelbrücke, sowie systematische Kompensation von Störeinflüssen wie Temperaturdrift und Kriechen. Um die hohe Empfindlichkeit zu erreichen, werden dabei die vier einzelnen DMS auf dem zu vermessenden Objekt (dem Träger) so angeordnet, dass je zwei gedehnt und zwei gestaucht werden.

An dieser Stelle werden die drei wichtigen Spannungen im Umfeld einer Brücke definiert:

• U_Exc:
• das ist die Speisespannung der Brücke wie sie aus dem Messgerät oder einer externen Quelle kommt,
• üblicherweise im Bereich 1…12 V DC,
• sie wird über die Zuleitung zur Brücke geführt. Da dort Strom fließt, kommt es immer zu einem Spannungsabfall über die Zuleitung, die Brücke sieht also effektiv nur eine Spannung < U_Exc,
• andere Begriffe: U_V, U_S, Excitation, Erregung, Supply, Versorgung.
• U_Sense:
• das ist die Brückenversorgungsspannung wie sie das Messgerät „sieht“,
• üblicherweise im Bereich 1…12 V DC,
• ohne extra Sense‑Zuleitung (z. B. 6‑Leiter‑Betrieb der Vollbrücke) ist sie im Messgerät gleich der U_Exc,
• bei Betrieb der Brücke mit Sense‑Leitung (Vollbrücke: 6-Leiter-Betrieb, Halbbrücke: 5-Leiter-Betrieb, Viertelbrücke: 3/4‑Leiter-Betrieb) kommt U_Sense von der Brücke annähernd stromfrei zurück zum Messgerät, so kennt das Messgerät die „wahre“ U_Exc der Brücke.
• andere Begriffe: U_Ref, Reference, RemoteSense, Feedback, Compensation.
• U_Bridge:
• das ist die durch die Last in der Brücke „erzeugte“ sehr kleine differentielle Brückenspannung, die vom Messgerät gemessen werden soll,
• sie kommt von der Brücke annähernd stromfrei zurück zum Messgerät und liegt meist im Bereich 1..50 mV, je nach Höhe von U_Exc , Last und Brückenempfindlichkeit,
• andere Begriffe: U_D, U_Differential, Signal, AI.

Messbrücken können allgemein mit Konstantstrom, Konstantspannung oder aber mit Wechselspannung (z. B. beim Trägerfrequenzverfahren) betrieben werden.

Messverfahren Die Beckhoff Klemmen EL/KL335x und die Produktgruppe Messtechnik ELM35/37xx, EPP35xx unterstützen nur die Erregung mit Konstantspannung. Falls Erregung mit Wechselspannung benötigt wird, wenden Sie sich bitte an den Beckhoff Vertrieb.

Vollbrücken-DMS an Konstantspannung (ratiometrische Messung)

Da die relative Widerstandsänderung ΔR/R gering ist im Verhältnis zum Nennwiderstand R₀, wird für DMS in der wheatstoneschen Anordnung eine vereinfachte Gleichung angegeben:

U_Bridge/U_Exc= ¼ · (ΔR1-ΔR2+ΔR3-ΔR4)/R₀.

Bei Dehnung hat ΔR/R in der Regel ein positives, bei Stauchung ein negatives Vorzeichen.

Eine geeignete Messeinrichtung misst die Brückenversorgungsspannung U_Exc (bzw. U_V) und die resultierende Brückenspannung U_Bridge (bzw. U_D), und bildet den Quotienten aus beiden Spannungen, also das Verhältnis (lateinisch: ratio). Nach weiterer Berechnung und Skalierung erfolgt die Ausgabe des Messwertes z. B. in Form der wirkenden Masse in kg. Aufgrund der Division von U_Bridge und U_Exc ist die Messung grundsätzlich unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung.

Werden die Spannungen U_Bridge und U_Exc dabei simultan, d. h. im gleichen Moment gemessen und ins Verhältnis gesetzt, so spricht man von einer ratiometrischen Messung.

Der Vorteil liegt darin, dass (bei simultaner Messung) auch kurzzeitige Veränderungen der Versorgungsspannung (z. B. EMV-Einflüsse) oder eine allgemein nicht ganz exakte oder zeitlich instabile Versorgungsspannung ebenfalls keinen Einfluss auf das Messergebnis haben.

Eine Änderung von U_Exc um z. B. 1 % erzeugt nach der obigen Gleichung die gleiche prozentuale Änderung an U_Bridge. Durch die simultane Messung von U_Bridge und U_Exc kürzt sich der Fehler bei der Division vollständig heraus.

4-Leiter- vs. 6-Leiter-Anschluss

Bei Versorgung mit einer konstanten Spannung fließt ein nicht unerheblicher Strom von z. B. 12 V / 350 Ω ≈ 34,3 mA. Dadurch entsteht nicht nur Verlustwärme, wobei die Spezifikation des verwendeten DMS nicht überschritten werden darf, sondern es können Messfehler bei unzureichender Verdrahtung durch nicht berücksichtigte oder nicht kompensierbare Leitungsverluste entstehen.

Grundsätzlich kann eine Vollbrücke in 4‑Leiterschaltung betrieben werden (zwei Leitungen für die Versorgung U_Exc, und zwei Leitungen für die Messung der Brückenspannung U_Bridge).

Bei Verwendung von z. B. 25 m Kupferleitung (hin + zurück = 50 m), mit einem Querschnitt von q = 0,25 mm² vom Sensor bis zum auswertenden Messmodul, ergibt dies einen Leitungswiderstand von

R_L= l / (κ · q) = 50 m / (58 S · m/mm² · 0,25 mm²) = 3,5 Ω.

Bleibt dieser Wert konstant, so kann der dadurch entstehende Fehler herauskalibriert werden. Aber unter Annahme einer realitätsnahen Temperaturänderung von z. B. 30 °C ändert sich der Leitungswiderstand R_L um

ΔR_L = 30 K · 3,9 · 10^-3 1/K · 3,5 Ω = 0,41 Ω.

Bezogen auf eine Messbrücke mit 350 Ω Eingangsimpedanz bedeutet dies einen Messfehler von mehr als 0,1 %.

Abhilfe schafft besonders bei Präzisionsanwendungen ein 6-Leiter-Anschluss.

Dabei wird die Versorgungsspannung U_Exc an die Brücke herangeführt (ergibt das stromführende Leitungspaar, die Zuleitung). Erst direkt an der Messbrücke wird die Versorgungsspannung U_Exc als Referenzspannung U_Sense gleichartig wie die Brückenspannung U_Bridge mit je zwei nahezu stromlosen Rückleitern hochohmig gemessen (an Messgeräten oft als "Sense"-Eingang beschrieben). Manche Messverstärker erhöhen dann die Speisespannung automatisch so weit, dass an der Brücke trotz Spannungsabfall auf der Zuleitung die gewünschte Speisespannung ansteht. Durch die Rückmessung von U_Sense können in jedem Fall die leitungsbedingten Fehler kompensiert werden.

Da es sich um sehr kleine Spannungspegel im mV und µV-Bereich handelt, sollten alle Leitungen geschirmt sein.

Aufbau einer Wägezelle mit DMS

Eine Anwendung der DMS ist der Aufbau von Wägezellen (WZ).

Dabei werden DMS (in der Regel Vollbrücken) auf einen elastischen mechanischen Träger, z. B. Doppelbiegebalken-Federkörper, geklebt und gegen Umwelteinflüsse zusätzlich abgedeckt.

Die einzelnen DMS werden für maximale Ausgangssignale entsprechend der Beanspruchungsrichtung ausgerichtet (zwei DMS in Dehnungsrichtung und zwei in Stauchungsrichtung).

Die wichtigsten Kenndaten einer Wägezelle

Kenndaten Bitte informieren Sie sich beim Sensorhersteller über die genauen Kenndaten!

Nennlast E_max

Maximal zulässige Belastung für normalen Betrieb, z. B. 10 kg.

Nennkennwert mV/V

Der Nennkennwert beschreibt die Empfindlichkeit der Wägezelle bei Nennlast E_max. Dieser (einheitenlose) Wert gibt bei der Wheatstoneschen Messbrücke an, wie sich die Brückenspannung U_Bridge in Abhängigkeit von der Speisespannung U_Exc ändert, wenn die Brücke mit der Nennlast E_max belastet wird.

Ein Beispiel: ein Nennkennwert 2 mV/V bedeutet, dass bei einer Versorgung mit U_Exc =10 V und bei voller Belastung E_max der Wägezelle die maximale Ausgangsspannung U_Bridge = 10 V · 2 mV/V = 20 mV beträgt. Der Nennkennwert ist immer ein nomineller Wert - bei guten Wägezellen ist ein Herstellerprüfprotokoll beigegeben, das den für die einzelne Wägezelle ermittelten Kennwert mitteilt, z. B. 2,0782 mV/V.

Die Klassen geben eine Höchst- und Mindestgrenze für die Teilungswerte d vor:

• A: 50.000 – unbegrenzt,
• B: 5000 – 100.000,
• C: 500 – 10.000,
• D: 500 – 1000.

Der Teilungswert n_max = 4000 sagt aus, dass mit einer WZ mit einer Auflösung von E_min = 1 g eine eichfähige Waage gebaut werden kann, welche einen maximalen Messbereich von 4000 · E_min = 4 kg hat. Da E_min dabei eine Mindestangabe ist, könnte – wenn es die Anwendung zulässt – mit der gleichen WZ eine 8‑kg Waage gebaut werden, wobei dann die (eichfähige) Auflösung auf 8 kg / 4000 = 2 g sinkt. Anders betrachtet ist der Teilungswert n_max eine Maximalangabe, so könnte mit o. g. Wägezelle eine Waage mit Messbereich 4 kg, aber nur einer Auflösung von 2000 Teilen = 2 g gebaut werden, wenn dies für die jeweilige Anwendung ausreichend ist. Es unterscheiden sich auch die Klassen in bestimmten Fehlergrenzen bezogen auf Nichtwiederholbarkeit/Kriechen/TK.

Genauigkeitsklasse nach PTB

In fast gleichlautender Weise sind die europäischen Genauigkeitsklassen definiert (Quelle: PTB Braunschweig).

Mindestanwendungsbereich bzw. Mindestmessbereich % v. Nennlast

Unter Mindestanwendungsbereich bezeichnet man den kleinsten Messbereich oder kleinsten Abschnitt eines Messbereichs, den eine eichfähige Wägezelle bzw. Waage abdecken muss.

Beispiel:

Obige Wägezelle E_max = 10 kg, Mindestanwendungsbereich z. B. 40 % E_max.

Der genutzte Messbereich der WZ muss mindestens 4 kg sein. Der Mindestanwendungsbereich kann in einem beliebigen Bereich zwischen E_min und E_max liegen, z. B. zwischen 2 kg und 6 kg, wenn schon aufbaubedingt eine Taramasse von 2 kg vorliegt. Es ist dabei ebenfalls ein Zusammenhang mit n_max und E_min ersichtlich: 4000 · 1 g = 4 kg.

Es gibt andere wichtige Kennwerte, die weitestgehend selbsterklärend sind und daher hier nicht weiter besprochen werden, wie Nennkennwerttoleranz, Eingangs-/Ausgangswiderstand, Empfohlene Versorgungsspannung, Nenntemperaturbereich etc.

Parallelschaltung von DMS

Es ist üblich, eine Last mechanisch auf mehrere DMS-Wägezellen gleichzeitig zu verteilen. Damit kann z. B. eine 3-Punkt-Lagerung eines Silobehälters auf drei Wägezellen realisiert werden. Unter Berücksichtigung von Windlasten und Beladungsdynamik kann somit die Gesamtbeladung des Silos inkl. Behältereigenlast gemessen werden. Die mechanisch parallel geschalteten Wägezellen werden üblicherweise auch elektrisch parallel geschaltet und an ein Messwertaufnehmer angeschlossen, z. B. die EL3356. Dazu ist zu beachten:

• Die Eingangsimpedanz der Wägezellen (die in der Regel einige 10 Ω höher ist als die Ausgangs- oder Nenn-Impedanz) muss so beschaffen sein, dass die Stromspeisefähigkeit der Versorgung (kann integriert sein in die Aufnehmerelektronik) nicht überlastet wird und
• der Nennkennwert [mV/V] bleibt in der Rechnung dabei unverändert, die Nennlast der Wägezellen ist entsprechend zu addieren.

Shunt-Kalibrierung

Hinweise zur Shunt Kalibrierung

Hinweis: nicht alle Beckhoff DMS/Brückenmessgeräte unterstützen die Shunt-Kalibrierung.

Mit Shunt-Kalibrierung (auch: Nebenschlusskalibrierung) wird ein Verfahren bezeichnet, bei dem ein bekannter Widerstand einem Brückenwiderstand temporär parallelgeschaltet wird. Dies ist bei allen Brückenschaltungen möglich (Viertel/Halb/Vollbrücke), z. B. bei der Vollbrücke:

Dadurch wird eine Belastung der Messbrücke elektrisch simuliert, es stellt sich je nach Umständen ein Messsignalsprung von 0,1…einige mV/V ein. Das Interessante daran ist, dass der Sprung vorhersagbar ist und abhängig von allen beteiligten Elementen.

Die Shunt-Kalibrierung wird deshalb z. B. angewendet, um

• bei der Inbetriebnahme Kabelbrüche oder Verdrahtungsfehler zu finden,
• die Erst-Kalibrierung der Messvorrichtung zu vereinfachen: ist eine Belastung des Sensors nicht möglich, kann die Verstärkung der elektrischen Messung durch die bekannte Verstimmung überprüft werden. Noch weitergehend wäre die Erfassung, wenn der Shunt nicht im Messgerät (hier: Beckhoff Messklemme) sondern vorne im Sensor bzw. in der Brücke verbaut ist,
• im laufenden Betrieb ohmsche Veränderungen (die Verstärkung/Gain ändern) an Kabeln, Steckern, Voll/Halb/Viertelbrücke zu detektieren,
• bei der Inbetriebnahme reale Leitungswiderstände zu kompensieren, ohne eine (teure) Kompensationsleitung legen zu müssen. Dazu wird die ermittelte mit der theoretisch erwarteten Verstimmung verglichen und ein entsprechender Verstärkungskorrekturfaktor in der PLC oder Klemme gerechnet (ein technisch besserer Weg in Bezug auf Leitungswiderstände wäre aber die Verwendung von Kompensationsleitungen, d.h. 3‑Leiter‑Modus bei Viertelbrücke, 5‑Leiter-Modus bei Halbbrücke, 6‑Leiter-Modus bei Vollbrücke).

Ablauf der Shunt-Kalibrierung

1. Bei der Inbetriebnahme den Messwert bei gleichbleibender Last, idealerweise ohne Last notieren.
2. Den Shunt schließen, die Abweichung zum vorherigen Messwert notieren. Es sollte sich ein Signalsprung in [mV/V] einstellen die der vorberechneten Höhe entspricht.
3. Im weiteren Anlagenbetrieb kann die Shunt-Kalibrierung regelmäßig wiederholt werden, der Signalsprung sollte sich nicht wesentlich ändern – ansonsten haben sich elektrisch relevante Komponenten unbeabsichtigt verändert.

Theoretisch sollte sich ein Signalsprung nach der Gleichung

für R = 350 Ω und Rs = 100 kΩ in der Höhe von 0,875 mV/V einstellen.

In hochwertiger Fachliteratur (Keil, Hoffmann) und punktuell bei Brücken-Herstellern (Vishay, HBM) finden sich Formeln und Informationen zum Shunt-Abgleich. Es muss an dieser Stelle aber der Hinweis gegeben werden, dass die reale Brückenausführung in handelsüblichen Messbrücken/DMS oft über die in einfachen Standardwerken beschriebenen Grundlagen mit R1…R4 = R hinausgeht. Dies zu wissen ist aber sehr wichtig, um den Signalsprung [mV/V] bei der Shuntkalibrierung vorausberechnen zu können. Deshalb soll im Folgenden auf einige Aspekte realer Messbrücken hingewiesen werden. Sie sind als Anregung zu verstehen, im Bedarfsfall sollte der Anwender, der in diesen Nutzungsbereich vordringt, Detailfragen - insbesondere mit dem gewählten Brückenhersteller diskutieren.

Input- vs. Output-Impedanz

Professionell hergestellte Messbrücken/Vollbrücken bestehen nicht nur aus den vier Brückenwiderständen R1, R2, R3, R4, sondern aus einer erheblichen Menge zusätzlicher Widerstände und anderer ausgefuchster Elemente, um z. B. Temperatur- und Nichtlinearitätseffekte zu kompensieren. Der sog. Nennwiderstand von 120 oder 350 Ω bezieht sich immer auf die Ausgangsimpedanz (Ausgangswiderstand) einer Brücke, also den Widerstand, den das Messgerät an U_Bridge sieht.

Die Eingangsimpedanz (Eingangswiderstand) ist theoretisch gleich, praktisch aber um bis zu 25 % größer als die Ausgangsimpedanz, da z. B. bei 350 Ω-Brücken gerne 2x ca. 32 Ω eingebaut werden (Hintergrund dazu siehe z. B. Stefan Keil, Beanspruchungsermittlung mit Dehnmessstreifen, 1995, Kap 5.3), die vom Sense auch erfasst werden:

Das ist bei Nicht-Shunt-Betrieb irrelevant, es senkt sogar die Belastung für die Versorgung. Bei Shunt-Betrieb ist diese Information aber entscheidend, wenn der Signalsprung korrekt vorhergesagt werden soll. Darüber hinaus werden Brücken weltweit je nach Hersteller und Preisklasse sehr unterschiedlich aufgebaut, es sind auch Brücken bekannt die asymmetrisch bzgl. U_Exc aufgebaut sind.

Leitungswiderstände

Der Shunt brückt beabsichtigt Zuleitungen, also muss auch ihr Widerstandseinfluss für eine Signalsprung-Vorhersage bekannt sein, zumindest ausgemessen. Formeln und Angaben über Widerstände von Leitungen, Steckern und Schaltern sind in der Literatur, Herstellerdatenblättern und Internet-Quellen zu finden. Üblich sind hier bei kurzen Längen Werte im Bereich einiger 10 bis 100 mΩ.

Sprungvorhersage

Aufgrund der unterschiedlichen Ausprägungen von Brücken und Umgebungen können hier keine umfassenden Werte oder Formeln für die Sprungvorhersage in [mV/V] gegeben werden. Aussagekräftiger ist die konkrete Berechnung nach den jeweiligen Gegebenheiten mit den für die Shunt-Kalibrierung wesentlichen Elementen. Es bieten sich dazu gängige Simulationswerkzeuge an, weitere Informationen dazu auf Anfrage unter measurement@beckhoff.com.

Fehlerquellen/Störgrößen

Elektrisches Eigenrauschen der Wägezelle

Elektrische Leiter besitzen ein sog. Wärmerauschen (thermisches/ Johnson Rauschen), welches durch unregelmäßige, temperaturabhängige Bewegungen der Elektronen im Leiterwerkstoff hervorgerufen wird. Bereits durch diesen physikalischen Effekt wird die Auflösung des Brückensignals beschränkt. Der Effektivwert e_n der Rausch-Spannung kann berechnet werden mit:

Bei einer Wägezelle mit R₀ = 350 Ω bei Umgebungstemperatur T = 20 °C (= 293 K) und einer Bandbreite des Messwert Aufnehmers von 50 Hz (und Boltzmannkonstante k = 1,38 · 10^-23 J/K) beträgt der Effektivwert e_n = 16,8 nV. Das peak-peak-Rauschen e_pp beträgt somit etwa e_pp ≈ 6,6 · e_n = 111 nV (thermisches Rauschen, 99,9 % Intervall der Standardabweichung).

Beispiel:

Für eine Brücke mit Nennkennwert 2 mV/V und einer Versorgung U_Exc = 5 V ergibt sich eine Ausgangsspannung von U_{Bridge_max} = 5 V · 2 mV/V = 10 mV (unter Nennlast) und damit eine maximale Auflösung von 10 mV / 111 nV = 90.090 digits. In Bit-Auflösung umgerechnet: ln(90090)/ln(2) ≈ 16 Bit. Interpretation: eine höhere digitale Messauflösung als 16 Bit ist für ein solches analoges Signal also im ersten Schritt nicht angebracht. Wird eine höhere Messauflösung eingesetzt, sind ggf. zusätzliche Maßnahmen in der Auswertekette zu treffen, um einen höheren Informationsgehalt aus der Nutz- und Rauschsignalüberlagerung zu gewinnen, z. B. Hardwaretiefpassfilter oder Softwarealgorithmen.

Diese Auflösung gilt allein für die Messbrücke ohne jegliche weiteren Störeinflüsse. Durch Reduzierung der Bandbreite der Messeinrichtung kann die Auflösung des Messsignals sinnvoll gesteigert werden.

Wird der DMS auf einen Träger aufgeklebt (Wägezelle) und verdrahtet, können sowohl elektrische Störungen von außen (z. B. Thermospannungen an Anschlussstellen) als auch in der näheren Umgebung vorhandene mechanische Schwingungen (Maschinen, Antriebe, Transformatoren und hörbare 50 Hz-Schwingung durch Magnetostriktion etc.) das Messergebnis zusätzlich beeinträchtigen.

Kriechen

Bei konstanter Belastung können sich Federwerkstoffe weiter in Belastungsrichtung verformen. Dieser Vorgang ist reversibel, erzeugt aber während der statischen Messung einen sich langsam ändernden Messwert. Durch konstruktive Maßnahmen (Geometrie, Klebewerkstoffe) kann der Fehler im Idealfall kompensiert werden.

Hysterese

Erfolgt eine gleichmäßige Dehnung und Stauchung der Wägezelle, so durchläuft die Ausgangsspannung nicht exakt die gleiche Kennlinie, da u. a. bedingt durch den Klebwerkstoff und dessen Schichtdicke die Verformung von DMS und Träger unterschiedlich verläuft.

Temperaturdrift (Eigenerwärmung, Umgebungstemperatur)

Bei DMS-Anwendungen können relativ große Ströme fließen. Eine Vollbrücke mit vier 350 Ω-Widerständen hat beispielsweise eine Stromaufnahme von I = U_Exc/R₀ = 10 V / 350 Ω ≈ 28,6 mA. Die Verlustleistung der gesamten Vollbrücke beträgt somit P_Exc = U · I = 10 V · 28,6 mA = 286 mW. Je nach Anwendung (es findet eine Kühlung des DMS durch den Wärme-Abtransport in das Trägermaterial statt) und Umgebungstemperatur kann ggf. ein nicht unerheblicher Fehler entstehen, welcher als „scheinbare“ Dehnung bezeichnet wird. Deshalb werden DMS auf dem Sensormaterial des Herstellers häufig gegenkompensiert.

Unzureichende Schaltungstechnik

Wie bereits aufgezeigt, kann eine Vollbrücke Hysterese, Kriechen und Temperaturdrift systembedingt u. U. vollständig kompensieren. Verdrahtungsbedingte Messfehler werden durch die 6-Leiterschaltung umgangen.

Messkörper und Eigenfrequenz

Bei dynamischen Messungen von Kräften und Gewichten spielen der Aufbau und einige Eigenschaften des Messwertaufnehmers eine maßgebliche Rolle bei der erreichbaren Dynamik. Die Eigenfrequenz des gesamten Systems begrenzt die Dynamik der Anwendung und wird über die Federkonstante des Messkörpers sowie die angekoppelte Masse beeinflusst. Je weicher der Messkörper (= größere Verformung bei Nennlast), desto niedriger die Eigenfrequenz. Auch bei Messwertaufnehmern mit steifen Messkörpern ist immer die angekoppelte Masse mit einzubeziehen, wenn die Eigenfrequenz ermittelt werden soll.

Wägezellen sind im Vergleich zu Kraftaufnehmern technologisch ähnlich, sind aber weicher im Aufbau und werden meist kostenoptimiert hergestellt. Daraus folgen als Hinweise für den mechanischen Aufbau:

• Steife Messwertaufnehmer und möglichst leichte Anbauteile verwenden,
• die Eigenfrequenz des Systems sollte mindestens 2-5 mal so groß wie die Messsignalfrequenz (also der zu erfassende dynamisch bewegte Prüfling aus der Anwendung sein),
• Eigenfrequenzangaben in Datenblättern gelten nur für den Messwertaufnehmer ohne Anbauteile und sind deshalb in der Praxis nicht sinnvoll verwendbar. Besser ist es, mit dem Nennmessweg und Massen von Sensor plus Anbauteilen zu rechnen. Eine Kontrolle der realen Eigenfrequenz ist über eine Frequenz-Analyse der Stoßantwort per FFT oder manuell per Periodenbestimmung möglich.

Die Eigenfrequenz ist zu berechnen mit:

.

• f₀ = Eigenfrequenz des gesamten Aufbaus [Hz]
• F_nom = Nennkraft [N] bzw. errechnete Nennkraft aus Nennlast des Aufnehmers [kg] und Erdgravitation [m/s²]
• s_nom = Nennmessweg des Aufnehmers (Verformung bei Nennlast) [m]
• m = Summe aus Eigengewicht und angekoppelter Masse [kg]

Mit F_nom = 450,5 N (50 kg Nennlast und 9,81 m/s² Gravitation), s_nom = 0,18 mm ergibt beispielsweise die Abhängigkeit von der Masse grafisch:

Empfehlungen für DMS-Messung mit Beckhoff-Modulen

• Elektrischer Anschluss:
• Der Betrieb mit zusätzlicher Sense-Leitung für die Brückenspeisung wird empfohlen:
  Vollbrücke im 6-Leiter-Betrieb, Halbbrücke im 5-Leiter-Betrieb, Viertelbrücke im 3/4-Leiter-Betrieb.
• Der Einsatz von Vollbrücken statt Halb‑/ Viertelbrücken wird grundsätzlich empfohlen, um eine höhere Temperaturstabilität und höhere Messgenauigkeit zu erreichen.
• Auswahl der Speisespannung U_Exc:
• Eine Speisespannung von 5 V hat sich in vielen Fällen bewährt.
• Allgemein sollte diese im Rahmen des lt. Datenblatt zulässigen Bereichs so hoch wie möglich gewählt werden, um bei gegebenem Nennkennwert [mV/V] eine große Aussteuerung von U_Bridge zu erreichen und so den elektrischen Messbereich des Moduls maximal auszusteuern (SNR‑Erhöhung).
• Dabei sollte aber bedacht werden, dass die Erwärmung der Brücke in der Wägezelle in erster Näherung quadratisch mit U_Exc ansteigt. Dies kann bei hohen Speisespannungen und unzureichender Wärmeableitung des Sensors an der Maschine zu massiven Drifteffekten nach dem Einschalten führen.
• Ggf. kann eine Brücke mit höherem Nennkennwert [mV/V] oder höherem Innenwiderstand [Ω] gewählt werden.
• Auswahl der Nennlast der Wägebrücke:
• Sie sollte etwas größer aber so nah wie möglich an der Ziel-Last gewählt werden, damit der mechanische und somit auch der elektrische Messbereich möglichst gut ausgenutzt wird.
• Die Überlastfähigkeit der Wägezelle ist zu beachten. Es kann gerade bei schnellen Wiegevorgängen zu mechanischen Überbeanspruchungen kommen, dennoch sollte die Brücke (hinsichtlich E_max) wie o. a. nicht zu groß dimensioniert werden.
• Die mechanische Eigenfrequenz der Wägezelle (in der die Messbrücke/DMS eingebaut ist!) bzw. des gesamten Aufbaus ist in Relation zu den Wiegevorgängen zu betrachten (Anzahl Produktwechsel, Produktgeschwindigkeit, Produktgewichte); ggf. sollte eine gegenüber der Ziellast deutlich größere Nennlast gewählt werden, weil Sensoren mit höherer Nennlast kleinere Nennmesswege besitzen und damit mechanisch steifer sind. Mit steiferem Messkörper - meist dem weichsten Teil des gesamten Aufbaus - erhöht sich die Eigenfrequenz. Dadurch kann die Dynamik des Wiegevorgangs unverfälschter erfasst werden und Messfehler aufgrund von Eigenschwingungen der Wiegeeinrichtung werden vermieden.
• Kalibrierung/Abgleich der Brücke:
• Ein regelmäßiger Null-Abgleich „Tara“ wird empfohlen.
• Der Tara-Effekt sollte beobachtet werden, um eine ggf. beschädigte Messbrücke zu erkennen: Das Signal einer beschädigten Messbrücke wandert, kehrt nach Entlastung nicht auf den Ursprungswert zurück.
• Zur Kompensation eines Verstärkungsfehlers sollte bei der Inbetriebnahme und wenn möglich im laufenden Betrieb ein Abgleichpunkt nahe der Ziel-Last gewählt werden, insbesondere wenn diese deutlich unter der Nenn-Last liegt (Messungen im Teillastbereich).
• Ggf. Filterung der Messung, dynamische Effekte:
• Bei schnellen sequentiellen Wiegevorgängen (mehrere zu messende Objekte, z. B. Produkte je Sekunde) kann es mit angepassten digitalen Filtern möglich sein, trotz offensichtlich „schlechtem“ Messsignal eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen.
• Überschwingungseffekte können oft beobachtet werden, da sich z. B. eine Aufnahme‑Vorrichtung für Messobjekte (Produkte) eigentlich immer mechanisch bewegt (wenn auch nur im µm-Bereich).
• Ein Vorgang schneller sequentieller Wiegevorgänge kann auch abhängig von der Geschwindigkeit sein mit der die Messobjekte (Produkte) über den Wäge‑Bereich bewegt werden; ggf. sind Filter für das Messsignal dynamisch anzupassen.
• Die optimale Signalauswertung wird von Beckhoff mit diversen Produkten unterstützt: flexible Filter in den EtherCAT Modulen, TwinCAT Filter-Designer, TwinCAT Filter library, TwinCAT Analytics etc.