Lastmesszellen und Dynamometer in der Höhenarbeit (1/2)

Lastmesszellen und Dynamometer in der Höhenarbeit

1. Einleitung

Wo Kräfte wirken, lohnt es sich, genauer hinzusehen. In der Höhenarbeit, im Rigging und bei technischen Untersuchungen reichen Erfahrungswerte oder die reine Betrachtung von Nennlasten nicht immer aus. Eine Kraftmessung kann sichtbar machen, welche Belastungen tatsächlich in einem System auftreten.

Hier kommen Lastmesszellen und Dynamometer ins Spiel. Sie ermöglichen die Erfassung von Kräften und – abhängig von Bauart und Ausstattung – auch die Aufzeichnung von Spitzenwerten und vollständigen Kraftverläufen.

Die Einsatzmöglichkeiten reichen von einfachen Kontrollmessungen bis hin zu technischen Untersuchungen, bei denen Kräfte unter unterschiedlichen Bedingungen erfasst und miteinander verglichen werden.

Entscheidend ist dabei nicht allein die Leistungsfähigkeit des Messgerätes, sondern vielmehr die Frage, welche Aussage aus dem Messergebnis tatsächlich abgeleitet werden soll. Also die Aufgabenstellung und die Messbedingungen.

2. Grundlagen der Kraftmessung

2.1 Was ist eine Lastmesszelle und was ist ein Dynamometer?

Eine Lastmesszelle ist ein Kraftaufnehmer, der eine mechanische Belastung in ein elektrisches Signal umwandelt. Die Elektronik verarbeitet dieses Signal und gibt einen Kraftbetrag aus.

Als Dynamometer wird in der Praxis häufig das vollständige Kraftmessgerät bezeichnet, das neben dem Kraftaufnehmer auch Elektronik, Anzeige und – je nach Ausführung – Funktionen zur Speicherung oder Übertragung der Messdaten umfasst.

Vereinfacht gesagt:

Die Lastmesszelle erfasst die Kraft – das Dynamometer macht den Messwert nutzbar.

Für die Aussagekraft einer Messung ist dabei die Krafteinleitung entscheidend. Kraftaufnehmer sind für definierte Belastungsrichtungen ausgelegt. Querkräfte, Verkanten oder außermittige Belastungen können das Messergebnis beeinflussen und den Sensor zusätzlich beanspruchen.

Messgerät und Messaufbau bilden deshalb eine Einheit.

2.2 So funktioniert eine Lastmesszelle

Bei einer klassischen DMS-basierten Lastmesszelle (DMS: Dehnungsmessstreifen) wird die mechanische Belastung über die definierte Verformung des Messkörpers erfasst.

Wirkt eine Kraft auf den Messkörper, verformt er sich minimal. Diese Verformung ist im Regelfall nicht sichtbar, bildet aber die Grundlage der elektrischen Messung.

2.3 Der Messkörper – das Herzstück der Lastmesszelle

Der Messkörper ist so konstruiert, dass er sich unter einer definierten Belastung reproduzierbar verformt. Er muss die vorgesehene Kraft sicher aufnehmen und gleichzeitig eine ausreichende und  messbare elastische Verformung zulassen.

Solange die Belastung innerhalb der vorgesehenen Spezifikation bleibt, kehrt der Messkörper nach der Entlastung in seine ursprüngliche Form zurück. Eine Überlastung kann dagegen zu dauerhaften Verformungen und damit zu einer Veränderung der Messcharakteristik führen.

2.4 Dehnungsmessstreifen erfassen die Verformung

Bei klassischen DMS-Kraftaufnehmern befinden sich auf dem Messkörper Dehnungsmessstreifen (DMS). Durch die Verformung des Messkörpers verändert sich ihr elektrischer Widerstand.

Mehrere DMS werden typischerweise zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet. Dadurch lassen sich auch sehr kleine Widerstandsänderungen als elektrische Spannungsänderung erfassen.

2.5 Von der Widerstandsänderung zum Kraftbetrag

Vereinfacht läuft die Messung folgendermaßen ab:

Kraft → Verformung → Widerstandsänderung → elektrisches Signal → Kraftbetrag

Je nach Gerät wird dieses Signal anschließend digital verarbeitet, beispielsweise zur Filterung oder Erfassung von Spitzenwerten. Dabei wird auch eine Kompensation der Temperaturveränderung eingerechnet, die durch die Verformung des Metalls entsteht.  

Digitales Dynamometer in der Hand mit beleuchtetem Display, das den gemessenen Kraftbetrag anzeigt

2.6 Warum die Verformung so klein sein darf

Gerade die definierte elastische Verformung ist erforderlich, damit aus der aufgebrachten Kraft ein messbares Signal entsteht.

Entscheidend ist deshalb nicht, dass sich der Messkörper überhaupt nicht bewegt, sondern dass die Verformung definiert, reproduzierbar und innerhalb der vorgesehenen Grenzen stattfindet.

2.7 Warum hochwertige Lastmesszellen präzise messen können

Die Messqualität entsteht nicht allein in der Elektronik. Entscheidend ist das Zusammenspiel von Messkörper, Werkstoff, DMS, Signalverarbeitung, Kalibrierung und Krafteinleitung.

Die Grundlage einer guten Messung entsteht damit bereits im mechanischen Aufbau des Sensors.

Praxishinweis: Eine Lastmesszelle erfasst zunächst eine mechanisch verursachte Veränderung ihres Messkörpers. Erst Sensorik, Elektronik und Kalibrierung machen daraus den angezeigten Kraftbetrag.

3. Bauformen von Lastmesszellen und Dynamometern

Lastmesszellen gibt es in zahlreichen Bauformen. Für die Höhenarbeit sind vor allem Zugkraftaufnehmer, Inline-Dynamometer und Lastmessschäkel relevant.

3.1 Zugkraftaufnehmer

Zugkraftaufnehmer sind für Kräfte ausgelegt, die entlang einer definierten Achse auf Zug wirken. Damit lassen sie sich direkt in bestehende Kraftflüsse integrieren.

3.2 Inline-Dynamometer

Inline-Dynamometer werden unmittelbar zwischen zwei Systemkomponenten eingesetzt. Je nach Ausführung können Anzeige, Peak-Load-Erfassung und Datenaufzeichnung integriert sein.

Für mobile Anwendungen in der Höhenarbeit bietet diese Bauform eine hohe Flexibilität.

3.3 Lastmessschäkel

Lastmessschäkel verbinden die Funktion eines Schäkels mit einem integrierten Kraftaufnehmer. Dadurch kann die Kraft direkt an einer ohnehin erforderlichen Verbindungskomponente erfasst werden.

3.4 Kraftmessende Riggingkomponenten

Bei einer weiteren Bauform ist die Kraftmessung direkt in eine funktionale Riggingkomponente integriert. Der Wireless Impact Block von DMM/Straightpoint ist ein Beispiel dafür.

Hier sind Messung und Riggingfunktion konstruktiv miteinander verbunden.

Studioaufnahme: Gerät im geöffneten Hardcase inkl. Displayschutz-Ringen und Bumper.

3.5 Welche Bauform passt zur Anwendung?

Entscheidend ist, wie das Dynamometer in den Messaufbau integriert werden soll und welche Funktion es darin übernimmt.

Praxishinweis: Neben dem Messbereich sind Kraftrichtung, Einbausituation, Verbindungsmöglichkeiten und Systemfunktion wichtige Auswahlkriterien.

4. Einsatzbereiche in der Höhenarbeit

Kraftmessung wird überall dort interessant, wo Belastungen nicht nur angenommen, sondern tatsächlich erfasst werden sollen.

4.1 Rigging und Lastenhandling

Beim Rigging können Dynamometer sichtbar machen, welche Kräfte tatsächlich im System auftreten. Seilwinkel, Umlenkungen, Reibung, Beschleunigung und die konkrete Systemkonfiguration beeinflussen die Belastung und führen dazu, dass diese nicht zwangsläufig der Gewichtskraft der bewegten Last entspricht.

4.2 Untersuchung von Seilsystemen

In der Seilzugangstechnik lassen sich unterschiedliche Systemkonfigurationen miteinander vergleichen und Kräfte während definierter Arbeitsabläufe erfassen.

Der Messwert beschreibt dabei die tatsächliche Belastung am Messpunkt. Seine sicherheitstechnische Bewertung ist davon getrennt.

4.3 Technische Versuche und Entwicklung

Wiederholbare Messungen ermöglichen es, verschiedene Systemaufbauten oder Arbeitsverfahren miteinander zu vergleichen und Kraftverläufe zu untersuchen.

4.4 Ausbildung und Schulung

Auch in der Ausbildung lassen sich physikalische Zusammenhänge wie Umlenkungen, Seilwinkel oder Flaschenzüge anhand realer Messwerte anschaulich darstellen.

4.5 Überwachung von Systemen mit eingeleiteten Anwenderkräften

Auch die Kräfte, die durch einen Anwender in ein technisches System eingeleitet werden, können Gegenstand einer Messung sein. Das kann beispielsweise bei der Untersuchung von Seilsystemen oder unterschiedlichen Arbeitspositionen relevant sein.

Welche Anforderungen das Dynamometer erfüllen muss, hängt dabei auch von seiner Funktion im Messaufbau ab.

Ende – Teil 1  

Ausblick auf „Lastmesszellen und Dynamometer in der Höhenarbeit – Teil 2“

Im zweiten Teil des Blogs geht es um die entscheidende Frage: Was sagt ein Kraftmesswert tatsächlich aus?

Wir schauen auf Messbereich, Genauigkeit, Auflösung und Abtastrate – und darauf, warum dieselbe Zahl je nach Messaufgabe etwas völlig anderes bedeuten kann.

Anschließend wird es konkret: Drei Dynamometer, drei Konzepte und die Frage, welches Gerät für welche Anwendung wirklich die Nase vorn hat.

Denn am Ende entscheidet nicht die größte Zahl auf dem Datenblatt.

Sondern was dahintersteckt