IoT Use Case

Kraftsensoren für industrielle IoT-Anwendungen

Ein Kraftsensor misst einwirkende statische oder dynamische Kräfte wie Zug, Druck oder Biegung. Zur Kategorie gehören Kraftaufnehmer, Drehmomentsensoren und Wägezellen. Meist arbeiten sie mit Dehnungsmessstreifen und geben mV/V, 4–20 mA oder IO-Link aus. Im IoT-Stack liefern sie Daten für Prozessüberwachung, Qualitätsnachweis und Lastanalyse.

  • CFL-Wartungsleiter, Société Nationale des Chemins de Fer Luxembourgeois
  • Gärtnermeister, Dercks Gartenbau

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Kraftsensoren im Praxiseinsatz

1 Hersteller aus unserem Partnernetzwerk mit 9 Lösungsbeispielen. Zuerst die, deren Einsatz in dieser Kategorie am häufigsten belegt ist.

Wofür es eingesetzt wird

Wofür und womit sie eingesetzt werden

Ausgewertet aus den Lösungsbeispielen dieser Hersteller: die häufigsten Use Cases und die Technologien, die ihre Lösungen sprechen.

Use Cases

Worauf du achtest

Messprinzip und Bauformen

Die meisten Kraftsensoren arbeiten mit Dehnungsmessstreifen, kurz DMS. Ein Verformungskörper aus Stahl oder Aluminium dehnt sich unter Last minimal, die aufgeklebten DMS ändern dabei ihren elektrischen Widerstand. In einer Wheatstone-Brücke verschaltet, ergibt sich ein Signal im Bereich weniger Millivolt pro Volt Speisespannung, das ein Messverstärker aufbereitet. Viele Sensoren haben diesen Verstärker bereits integriert und geben 4–20 mA, 0–10 V oder IO-Link aus. Für hochdynamische Vorgänge gibt es piezoelektrische Kraftsensoren, die sehr steif sind und schnelle Kraftverläufe erfassen.

Je nach Einbausituation unterscheidet man Zug- und Druckkraftaufnehmer, Ringkraftaufnehmer, Biegebalken und Scherstäbe. Drehmomentsensoren erfassen Drehmomente an rotierenden Wellen oder als Reaktionsmoment an feststehenden Bauteilen.

Kraftsensor, Wägezelle oder Drehmomentsensor

Wägezellen sind Kraftaufnehmer, die speziell für das Wiegen ausgelegt und kalibriert sind. Für eichpflichtige Anwendungen beschreibt OIML R 60 die Genauigkeitsklassen. Kraftmessgeräte, die als Referenz für die Prüfung von Werkstoffprüfmaschinen dienen, werden nach DIN EN ISO 376 kalibriert und klassifiziert. Wer Prozesskräfte überwachen will, etwa beim Einpressen oder Fügen, greift zum Kraftaufnehmer. Wer Gewicht oder Füllmengen bestimmt, nimmt eine Wägezelle. Für Antriebe, Schrauber und Prüfstände ist der Drehmomentsensor die richtige Wahl.

Auswahl und Einsatz in der Praxis

Bei der Auswahl hilft die Frage, ob die Kraft statisch oder dynamisch wirkt, in welche Richtung sie angreift und wie viel Platz zur Verfügung steht. Seitenkräfte und Biegemomente verfälschen die Messung, deshalb gehört eine saubere Krafteinleitung zur Planung. Ein Überlastschutz verhindert Schäden bei Fehlbedienung oder Kollision.

Entscheidend sind Nennkraft, Genauigkeitsklasse, Überlastfestigkeit, Bauform und Ausgangssignal. WIKA bietet Kraftaufnehmer für industrielle Anwendungen an. igus integriert mit i.Sense EC.P einen Kraftsensor am Mitnehmer einer Energiekette, der Zug- und Schubkräfte kontinuierlich erfasst und so Blockaden und Fehlausrichtungen frühzeitig erkennt. Weitere Lösungsbeispiele sind die Einpressüberwachung in der Montage, die Seilkraftmessung an Hebezeugen und die Behälterverwiegung mit Wägezellen. Über IO-Link oder einen Analogausgang gelangen die Kraftwerte parallel zur Steuerung in eine IoT-Plattform, wo sie sich je Bauteil speichern und für den Qualitätsnachweis auswerten lassen.

Häufige Fragen zu Kraftsensoren

Was ist der Unterschied zwischen Kraftsensor und Wägezelle?

Eine Wägezelle ist ein Kraftsensor, der speziell für das Wiegen konstruiert und kalibriert ist. Sie misst die Gewichtskraft einer Last, meist mit hoher Genauigkeit und Langzeitstabilität. Kraftsensoren im weiteren Sinn erfassen auch dynamische Prozesskräfte, etwa beim Einpressen, Biegen oder Ziehen. Für eichpflichtige Waagen müssen Wägezellen die Genauigkeitsklassen nach OIML R 60 erfüllen.

Wie funktioniert ein DMS-Kraftsensor?

Ein DMS-Kraftsensor besteht aus einem Verformungskörper, auf den Dehnungsmessstreifen geklebt sind. Unter Last verformt sich der Körper minimal, die Streifen dehnen oder stauchen sich und ändern ihren Widerstand. Vier DMS in einer Wheatstone-Brücke wandeln das in ein Spannungssignal um, angegeben in mV/V. Ein Messverstärker macht daraus ein Normsignal oder einen digitalen Wert.

Was ist eine Kraftmessdose?

Kraftmessdose ist ein gängiger Begriff für einen kompakten Kraftaufnehmer, häufig in runder Bauform für Druckkräfte. Sie wird zwischen zwei Bauteile gesetzt und misst die übertragene Kraft, etwa in Pressen, Prüfständen oder Fügestationen. Es gibt Varianten für Druck, für Zug oder für beides. Die meisten arbeiten mit Dehnungsmessstreifen, einige hydraulisch oder piezoelektrisch.

Was misst ein Drehmomentsensor?

Ein Drehmomentsensor misst das Drehmoment, das an einer Welle oder einem Bauteil wirkt, in Newtonmeter. Rotierende Drehmomentsensoren sitzen im Antriebsstrang und übertragen das Signal meist berührungslos. Reaktionsmomentsensoren sind fest montiert und messen das Gegenmoment. Eingesetzt werden sie an Prüfständen, Schraubern, Rührwerken und Antrieben, um Belastung und Wirkungsgrad zu überwachen.

Wann eignet sich ein piezoelektrischer Kraftsensor?

Piezoelektrische Kraftsensoren eignen sich für schnelle, dynamische Kraftverläufe, etwa beim Stanzen, Einpressen oder bei Schlagvorgängen. Ein Kristall erzeugt unter Last eine elektrische Ladung, die ein Ladungsverstärker auswertet. Die Sensoren sind sehr steif und kompakt. Für lang andauernde statische Messungen sind DMS-Sensoren besser geeignet, weil das piezoelektrische Signal mit der Zeit abklingt.

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