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8 Tipps für den Kauf eines Messverstärker für die Dehnungsmessung
Tips & Trends | 6 Minuten Lesezeit |

8 Tipps für den Kauf eines Messverstärker für die Dehnungsmessung

Der Dehnungsmessstreifen ist eines der wichtigsten Werkzeuge der elektrischen Messtechnik zur Messung mechanischer Größen. Wie ihr Name schon sagt, werden sie zur Messung von Dehnungen verwendet.

Dehnung werden für unzählige Prüf- und Überwachungsanwendungen eingesetzt. Holen Sie das meiste Signal aus Ihrem Stammverstärker heraus? In diesem Blog geben wir acht Tipps, die Ihnen bei der Auswahl des richtigen DMS-Verstärkers für Ihr Datenerfassungssystem helfen.

Für welche Anwendungen können Dehnungsmessstreifen eingesetzt werden?

Die Dehnung hat praktisch unbegrenzte Einsatzmöglichkeiten in der Strukturprüfung und -überwachung, z. B. bei der Prüfung der Lebensdauer von Strukturkomponenten in der Automobil- und Schienenfahrzeugindustrie. Der Einsatz von Dehnungsmessstreifen in der Luft-, Militär- und Raumfahrttechnik hat eine lange Tradition. Dehnungsmessstreifen werden für statische und Ermüdungsprüfungen an Bauteilen und Unterbaugruppen direkt auf tragende Bauteile geklebt. In der Branche der erneuerbaren Windenergie werden Dehnungsmessstreifen (DMS) eingesetzt, um die strukturelle Leistung von Windturbinenblättern und -lagern zu prüfen und den Zustand von Windturbinen im Feld zu überwachen. Dehnung können auch zur Überwachung von Bauwerken des Hoch- und Tiefbaus (Brücken, Tunnel, Eisenbahnen, Dämme), Öl- und Gaspipelines oder Kernkraftwerken eingesetzt werden.

Bauwerksüberwachung des Viadukts von Millau durch Gantner Instruments
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Warum ist die Wahl des richtigen Verstärkers so wichtig?

Die gebräuchlichste Art der Dehnungsmessung ist die Verwendung eines einzelnen Dehnungsmessstreifens in einer Dreidraht-Viertelbrücken-Konfiguration. Diese Viertelbrücken-Konfiguration stellt besondere Anforderungen an die richtige Signalverarbeitung. Es kann nicht genug betont werden, wie wichtig es ist, bei der Auswahl eines Dehnungsverstärkers sorgfältig vorzugehen – eine falsche Wahl könnte in Zukunft viel Zeit und Geld kosten.

Im Folgenden finden Sie acht Tipps, die Ihnen bei der Wahl des richtigen DMS-Verstärkers für Ihr Datenerfassungssystem helfen.

1. So holen Sie das meiste Signal aus Ihrem Stammverstärker heraus

Eine Viertelbrückenschaltung ist eine Single-Ended-Eingangsmessung, d. h. es wird die Spannung zwischen dem Eingangssignal und der analogen Masse gemessen. Diese Differenz wird dann verstärkt, bevor sie durch den Analog-Digital-Wandler (ADC) geleitet wird. Single-Ended-Eingänge können durch Rauschen beeinträchtigt werden, da die Leitung, die das Signal überträgt, jedes elektrische Hintergrundrauschen aufnimmt. Das Signal an einem Single-Ended-Eingang kann auch zu Masseschleifen führen. Zu den bewährten Verfahren gehört die Verwendung eines foliengeschirmten, paarweise verdrillten Kabels für die Verdrahtung mit dem Dehnungsmessstreifen. Verbinden Sie die Kabelabschirmung an einem Ende mit der Gehäusemasse des Signalaufbereiters. Erwägen Sie, die Amplitude der Erregerspannung zu erhöhen. Mit der Erhöhung der Erregungsspannungsamplitude sind jedoch Kompromisse verbunden, auf die wir später in diesem Blog eingehen werden. Schließlich sollten Sie einen Dehnungsverstärker mit einem 24-Bit-Sigma-Delta-A/D-Wandler wählen – eine höhere Auflösung führt zu einem geringeren Quantisierungsrauschen und damit zu einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Darüber hinaus verwenden Sigma-Delta-ADCs Oversampling, Filterung und Rauschformung, um die höchste Auflösung zu erreichen. Man kann sogar kleine Signalspannungen genau verstärken.

Die Dreileiter-Viertel-Brückenschaltung

2. Der Messbereich ist wichtig

Messverstärker bieten sowohl Genauigkeit als auch Stabilität für die Signalverarbeitung. Dehnung benötigen Messverstärker, um die schwachen Messsignale der Wheatstone-Brücke zu verstärken, bevor sie den ADCs zugeführt werden. Die Verstärkung des Verstärkers sollte so eingestellt werden, dass sie den vollen Ausgangswert des Dehnungsmessstreifens über den gesamten Bereich des ADC liefert. Die Genauigkeit wird durch den Messbereich und die Verstärkungsgenauigkeit des Verstärkers beeinflusst. Modernere Messverstärker bieten einstellbare Messbereiche mit einer Verstärkungsgenauigkeit von ± 0,05 %. Bei einem Messbereich von ± 2000 µm/m ergibt sich ein Skalenendwertfehler von nur 1 µm/m. Und ein breiter Messbereich von ± 20.000 µm/m für die Risserkennung würde einen Gesamtfehler von nur 10 µm/m aufweisen. Daher ist die Verstärkungsgenauigkeit in Kombination mit einem einstellbaren Messbereich eine der Spezifikationen, auf die man bei der Auswahl eines Dehnungsverstärkers achten sollte.

3. Dehnung messen, nicht Temperatur

Die aus einer Messung bei Raumtemperatur gewonnene Dehnung gilt als genau, wenn sie unter unveränderten Umgebungsbedingungen durchgeführt wird. Wenn sich jedoch die Temperatur ändert, dehnt sich das Probenmaterial aus, was zu einer unerwünschten Dehnungsmessung führt. Die Temperaturänderung wirkt sich auch auf das Metallgitter und den Wärmekoeffizienten des Dehnungsmessstreifens aus, ein Prozess, der als Wärmeleistung oder temperaturinduzierte scheinbare Dehnung bezeichnet wird. Die Wahl eines selbsttemperaturkompensierten Dehnungsmessstreifens (STC), der so konzipiert ist, dass er den Wärmekoeffizienten des Messstreifens an den Ausdehnungskoeffizienten des Probenmaterials anpasst, kompensiert die Wärmeleistung weitgehend, aber nicht vollständig. Es verbleibt eine scheinbare Restdehnung in Form eines Dehnungsoffsets. Wenn die DMS-Temperatur und die scheinbare Dehnungskennlinie bekannt sind, kann dieser Offset berechnet und der Dehnungswert entsprechend kompensiert werden. Zwei gängige Techniken zur Korrektur oder Kompensation von Fehlern aufgrund der Wärmeleistung sind (a) die Verwendung einer unbelasteten Dummy-Lehre zur Kompensation oder (b) Anwendung einer rechnerischen Korrektur auf der Grundlage der gemessenen Messgerätetemperatur.

4. Auswahl der optimalen Brückenspeisespannung

Die thermische Drift aufgrund der Selbsterhitzung der Dehnungsmessstreifen führt zu einer scheinbaren Veränderung der Dehnung, die nicht tatsächlich auf die Verformung der Probe zurückzuführen ist. Je höher die dem Messgerät zugeführte Erregerspannung ist, desto größer ist die Leistung und desto mehr Wärme wird durch den Strom in den Drähten erzeugt. Bei Proben mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Verbundwerkstoffen, oder bei der Verwendung sehr kleiner Dehnungsmessstreifen ist die Senkung der Erregerspannung oder die Verwendung eines Dehnungsmessstreifens mit höherem Widerstand von entscheidender Bedeutung. Bei der Auswahl einer geeigneten Brückenspeisespannung gibt es zwei gegensätzliche Überlegungen: 1) Eine höhere Brückenerregerspannung verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des Messgeräts, 2) Eine niedrigere Brückenspeisespannung reduziert thermisch bedingte Fehler bei der DMS-Messung. Die Erregerspannung muss auf das Messgerät und das Material, auf das es geklebt wird, abgestimmt sein. Die meisten Hersteller von Dehnungsmessstreifen stellen Datenkurven zur Verfügung, die allgemeine Empfehlungen oder Ausgangspunkte für die Bestimmung optimaler Anregungspegel darstellen. Bei der Messung von Dehnungen in einer Tieftemperatur- oder kryogenen Umgebung ist die Minimierung übermäßiger Energie zur Vermeidung von Wärmeverlusten des Sensors noch wichtiger. Eine Reduzierung der Erregung auf ein absolutes Minimum ist wegen des geringeren Signal-Rausch-Verhältnisses keine Lösung. In diesem Fall hilft ein Dehnungsverstärker, der eine Impulsbrückenanregung liefert, den Fehler aufgrund der Selbsterhitzung des Sensors zu minimieren.

5. Achten Sie auf die Stabilität des Abschlusswiderstandes

Unabhängig davon, ob es sich um einen Ermüdungsversuch oder eine Anwendung zur Überwachung des Strukturzustands handelt, kann eine Dehnungsmesskampagne mehrere Wochen bis hin zu mehreren Monaten dauern. Oft bei Tag und bei Nacht. Schwankungen der Umgebungstemperatur gehören zu den häufigsten Ursachen für Messfehler bei der Verwendung einer Viertelbrückenschaltung. Da der aktive Dehnungsmessstreifen und der passive Brückenabschlusswiderstand in Reihe geschaltet sind, wirkt sich die Widerstandsdrift direkt auf die Messgenauigkeit aus. Eine temperaturbedingte Widerstandsänderung von nur 0,1 % kann zu einer Dehnung von 500 µm/m führen. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR) ist einer der am häufigsten verwendeten Parameter zur Charakterisierung der Stabilität eines Brückenabschlusswiderstands. Der TCR definiert die Änderung des Widerstands in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Üblicherweise wird der TCR in ppm/K ausgedrückt, was für Teile pro Million pro 1 Kelvin Temperaturänderung steht. Allzu oft werden Widerstände mit einem hohen TCR-Wert verwendet, um Kosten zu sparen, was zu unerwünschten Fehlern führt oder Sie zur Programmierung komplexer Temperaturkorrekturkurven zwingt. Sie wollen vermeiden, dass Ihre Dehnungsmessung zu einer Temperaturmessung wird!

6. Vermeiden von Messfehlern bei langen Kabelwegen

Lange Kabelwege sind manchmal unvermeidlich. Der Widerstand der Zuleitungsdrähte, die einen Dehnungsmessstreifen mit einer Wheatstone-Brücke verbinden, schwächt den Brückenausgang ab oder “desensibilisiert” den Messstreifen. Da die Dämpfung eine Funktion der Länge der Brückendrähte ist, wirkt sie sich mit zunehmender Kabellänge stärker aus. Bei herkömmlichen Dehnungsverstärkern muss vor Beginn der Messung eine manuelle Shunt-Kalibrierung durchgeführt werden. Der Shunt-Kalibrierungsprozess bestimmt den Leitungsdrahtwiderstand und den anschließenden Korrekturfaktor. Diese Methode ist zwar weit verbreitet, kompensiert aber nicht die Änderungen des Leitungswiderstands während der eigentlichen Messung, z. B. aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur. Eine bewährte Methode zur kontinuierlichen Korrektur des Leitungsdrahtwiderstands ist die ratiometrische Erfassung des internen Brückenabschlusswiderstands, die Messfehler aufgrund des Leitungsdrahtwiderstands automatisch korrigiert, sogar während der Messung selbst. Eine manuelle Shunt-Kalibrierung ist nicht erforderlich, so dass auch Bedienerfehler ausgeschlossen sind.

7. Rauschunterdrückung mit Trägerfrequenztechnik

Gibt es in der Nähe Ihrer Einrichtung Störgeräusche, vielleicht sogar einen Elektro- oder Wechselstrommotor? Diese sind bedeutende Quellen elektrischen Rauschens bei der Messung von Niederspannungssignalen wie Dehnungsmessstreifen oder dehnungsbasierten Sensoren. Dehnung sind mit Rauschen und einer Offset-Drift behaftet, die mit zunehmender Dauer der Messung steigt. Trägerfrequenzverstärker bieten in diesen Szenarien viele Vorteile. Ihr Vorteil gegenüber Gleichspannungsverstärkern ist die Eliminierung aller Frequenzen und nachfolgenden Oberwellen außerhalb der Trägerfrequenzbandbreite. Dadurch werden thermoelektrische Spannungsgeräusche, Netzfrequenzen und die Resonanzfrequenzen von Motoren in der Nähe eliminiert. Dies sind die wichtigsten Rauschsignale, die Messtechniker bei der ersten Nachbearbeitung vor der Analyse aus ihren Datensätzen herausfiltern. Die Eliminierung dieses Problems bei der Datenerfassung in Echtzeit verbessert die Qualität der Anzeige von Signalen während der Messung und verbessert die Signalintegrität, wenn sie für ein Steuersignal verwendet wird.

8. Optische Dehnungsmessstreifen in extremen Umgebungen einsetzen

Ein optischer Dehnungsmessstreifen oder faseroptischer Dehnungssensor auf der Basis von Faser-Bragg-Gittern (FBG) bietet eine alternative Methode zur Erfassung hochwertiger Dehnungsmessungen in rauen Umgebungen, die für resistive Dehnungsmessstreifen ungeeignet sind. Er erkennt Veränderungen in der Lichtdurchlässigkeit, wenn das an ihm befestigte Objekt einer Belastung ausgesetzt ist. Das Hauptmerkmal eines optischen Dehnungsmessstreifens besteht darin, dass er weder Strom noch eine Erregerspannung benötigt, so dass er sich für den Einsatz in Umgebungen eignet, in denen starke elektromagnetische Störungen auftreten. Optische Dehnungsmessstreifen sind von Natur aus galvanisch isoliert und daher ideal für Dehnungsmessungen an Hochspannungsstellen. Optische Dehnungsmessstreifen sorgen für langfristige Signalstabilität und Lebensdauer. Selbst bei hohen Vibrationsbelastungen sind sie weit weniger anfällig für mechanische Ausfälle. Da optische Sensoren nur eine minimale Signaldämpfung erfahren, bleibt die Integrität der Daten hoch, selbst wenn sich das Datenerfassungssystem mehrere Kilometer entfernt befindet, was optische Sensoren zu einer beliebten Wahl für die Überwachung von Zivil- und Eisenbahninfrastrukturen macht. Um das Signal eines optischen Dehnungssensors zu messen, benötigen Sie ein optisches Abfragegerät, das die Wellenlänge des vom optischen Sensor reflektierten Lichts misst und dann in verständliche technische Einheiten umwandelt.

Wie lässt sich vermeiden, dass Ihre Dehnungsmessung zu einer Temperaturmessung wird?

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