Messtechnik

Kraftmessung

Inhaltsübersicht

Das Prinzip Actio gleich reactio kennst du bestimmt schon aus der Mechanik. In diesem Artikel greifen wir die Frage auf, mit welcher Kraft eine Bewegung ausgeübt wird.

Die verschiedenen Methoden der Kraftmessung

Wie erfolgt also eine Kraftmessung? Diese kann nur indirekt gemessen werden. Wir betrachten dazu den Zugversuch. Dessen Prinzip ist dir noch nicht ganz klar? Dann schau dir doch dieses Video nochmal an. Wir nehmen jetzt an, dass wir die Kraft, die wir auf den Stab wirken lassen, nicht kennen. Beim Zugversuch werden Körper erst elastisch und dann plastisch verformt. Wir betrachten jetzt nur die elastische Verformung. Anhand dieser Verformung können wir sagen, wie groß die Kraft gewesen sein muss.

Zugversuch elastische Verformung Kraftmessung
Zugversuch

Wie man den Betrag einer solchen Kraft bestimmt, haben wir bereits im ersten Video der Playlist mithilfe der Balkenwaage und der Federwaage erklärt. Solche Waagen, die speziell zur Kraftmessung dienen, werden als Dynamometer bezeichnet.

Wie du bestimmt bemerkt hast, haben wir gerade nur die Zugkräfte betrachtet. Es können aber noch andere Kräfte existieren. Damit du das richtige Messgerät für den jeweiligen Fall verwendest, solltest du folgendes beachten:

  • die Messrichtung
  • Um welche Kräfte handelt es sich?
  • Spielen Umwelteinflüsse eine Rolle?
  • Wie ungenau ist das Messgerät und wie genau muss die Messung werden?

Wenn du diese Informationen verinnerlicht hast, dann schauen wir uns jetzt die elektrischen und mechanischen Verfahren an, die zur Kraftmessung verwendet werden.

Mechanische Verfahren

Bei der Mechanischen Methode wird vor allem die Federwaage benutzt. Bei dieser ist das Messergebnis nicht sehr genau, da hier viele Faktoren eine wichtige Rolle spielen. Dazu zählt die Reibung, die Klemmung am Gehäuse, die Skaleneinteilung, ungünstige Ablesemöglichkeit, und so weiter. Soll die Messung genauer werden, wird ein Kraftmessbügel verwendet. Dessen Messgenauigkeit beträgt 0,1 % nach DIN EN ISO 376. Kraftmessbügel werden für Höchstlasten von 1 kN bis 1000 kN hergestellt.

Kraftmessbügel Kraftmessung
Kraftmessbügel

Wie du sehen kannst, besteht der Kraftmessbügel aus einem ovalen Tragbügel. Wird nun eine Kraft geprüft, verformt diese den Tragbügel. Die Verformung wird mit Hilfe einer Messuhr gemessen und in Beziehung zur Kraft gebracht.
Reichen dir 1.000 kn nicht aus? Dann schauen wir uns jetzt eine andere Messmethode an, mit der du eine größere Kraft messen kannst. Mit einem hydraulischen Kraftmesser ist so etwas möglich. In diesem Verfahren wirkt eine Druckkraft auf den Kolben. Der Kolben presst die Flüssigkeit zusammen, wodurch Druck entsteht. Dieser Druck lässt sich mit Hilfe eines Manometers festhalten. Die Formel dazu lautet:

\rho=\ \frac{F}{A}

Diese lässt sich umschreiben zu: „Kraft ist gleich Fläche mal Druck“.

Hydraulischer Kraftmesser  Kraftmessung
Hydraulischer Kraftmesser

Die Mechanischen Methoden hast du jetzt kennengelernt. Du kannst dir bestimmt vorstellen, dass man mit elektrischen Verfahren sogar noch größere Kräfte messen kann.

Elektrische Verfahren

Dazu schauen wir uns jetzt als Beispiel einen Federkörper-Kraftaufnehmer an. Du siehst hier eine Welle und einen Federkörper, auf den Dehnungsmessstreifen aufgeklebt sind.

Federkörper - Kraftaufnehmer  Kraftmessung
Federkörper – Kraftaufnehmer

Auf diesen Federkörper wird nun eine Kraft ausgeübt. Dadurch wird er verformt und es entstehen Dehnungen oder Stauchungen an der Oberfläche. Die Dehnungsmesstreifen wandeln diese Verformung dann in Widerstandsänderungen um. Sie werden in der Wheatstonschen Brückenschaltung verschaltet. So können die Widerstandsänderungen als elektrische Spannungen gemessen werden. Das Ausgangssignal der Brückenschaltung zeigt also, wie stark die Verformung am Federkörper ist. So kannst du die einwirkende Kraft berechnen. Den Kraftaufnehmer hast du jetzt verstanden, möchtest dir aber das Prinzip von Brückenschaltungen nochmal genauer anschauen? Dann ist dieses Video das Richtige für dich.

Wenn du aber noch eine größere Kraft messen möchtest, dann versuchen wir das einmal mit einem Piezoelektrischem Verfahren. Denn dieses kann endlos messen. Hört sich doch spannend an, oder? Sogenannte Piezokristalle sind besondere Kristalle wie a-Quarze oder Rohrzucker.

Piezoelektrisches Verfahren  Kraftmessung
Piezoelektrisches Verfahren

Bei diesem Verfahren wird auf die Kristallscheiben eine Kraft ausgeübt. So wird eine elektrische Spannung in den Kristallen erzeugt und die Ladung verschiebt sich. Diese abgegebene elektrische Ladung ist proportional zur Kraft.


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