Die Bedeutung von Kraftmessdosen (Transducer)

von Henning Pedersen, Montalvo Anwendungsspezialist henning.pedersen@montalvo.com

Aufgrund des Trends zu schnelleren und breiteren Walzenanlagen sowie die Verarbeitung eines größeren Bereichs von Substraten gewinnen die Produkte für die Bahnspannungsregelung immer mehr an Bedeutung.

Ohne genaue Verfahren für die Messung und Regelung leiden die Produktqualität und die Produktivität. Verwerfungen im Material und Dehnungen durch eine zu große Spannung können genauso kontraproduktiv sein wie Falten und Knicke durch eine zu niedrige Spannung. Bahnrisse mit den dadurch entstehenden Stillstandszeiten sind eine teure Angelegenheit.

Zur Regelung der Bahnspannung muss die aktuelle Bahnspannung laufend und präzise in einem Format ermittelt werden, das mit dem Bahnspannungsregelsystem der Prozessanlage kompatibel ist. Das System regelt die Bahnspannung durch Antriebe oder Bremsen in den Zonen, die zur Ermittlung der Bahnspannung vorgesehen sind.

Elektronische Kraftmessdosen stehen am Anfang von jedem sequenziellen Messverfahren. Sie verwandeln die Bahnspannung in elektrische Signale. Die Qualität dieses Signals ist als Messwert der Bahnspannung der Hauptparameter zur Aufrechterhaltung einer stabilen Bahnspannung. Sind die Signale ungenau oder aufgrund schlechter Betriebsbedingungen mangelhaft, macht sich dieser Fehler sehr schnell bemerkbar.

Paired load cells connected to a roller in a web path send continuous signals to a tension controller

Nach Ansicht der Verarbeiter werden die Produktionsanforderungen immer strenger und die Kraftmessdosen gewinnen als ein unerlässliches Inline-Bauteil immer mehr an Bedeutung. Die Notwendigkeit größerer Material-Flexibilität und höherer Bahngeschwindigkeiten erfordert größere Messbereiche, Signalstabilität und langfristige Zuverlässigkeit.

Die Montalvo Kraftmessdosen (Transducer) werden auf einer Tast- oder Messwalze montiert, die sich in ständigem Kontakt mit dem Bahnmaterial befindet. Je nach Ausführung und Anwendungskriterien können sie unter einem Stehlager, an einem oder beiden Ende der Tastwalze oder direkt am Ende der Walzenachse montiert werden. Die Ausgangssignale des Systems werden an den Bahnspannungsregler oder Anzeiger weitergeleitet. Die Kraftmessdosen (Transducer) gibt es mit vielen verschiedenen Lastspektren und Montagearten. Die meisten Kraftmessdosen haben bei richtiger Größenauslegung einen Nennausgang pro Paar von 250 mV und somit einen großen Ausgangsbereich. Sie haben normalerweise eine hervorragende Linearität mit niedriger Hysterese selbst bei minimalem Ausgang.

Darüber hinaus sind die Montalvo Kraftmessdosen so ausgelegt, dass sie ohne elektronische Temperaturkompensation einen breiten Temperaturbereich überdecken. In anbetracht all dieser Merkmale kann die Gesamtauflösung des Systems mit einer Kraftmessdose (Transducer) eine Genauigkeit von 1-2% des Lastspektrums erreichen.

Die Kraftmessdosen (Transducer) sind das verwundbarste Teil eines Messsystems. Sie sind den Belastungen durch das Betriebsumfeld ausgesetzt und müssen superschnelle Resonanzänderungen ohne Signalstörungen aushalten.

Standard Mount Dead Shaft-Idler Load Cell

Standard Mount Dead Shaft-Idler Load Cell

Ein Fehler im von der Kraftmessdose (Transducer) kommenden Signal kann nicht durch irgendein anderes Teil des Systems kompensiert werden. Die Qualität des Signals beeinflusst direkt die Effizienz der Maschine und unzuverlässige Signale führen zu minderwertiger Qualität, erhöhtem Ausschuss und größeren Stillstandszeiten, da man  die Maschine für eine erneute Kalibrierung oder sogar zum Austausch fehlerhafter Sensoren anhalten muss.

Die Bedeutung der Kraftmessdosen (Transducer) drückt sich nicht in ihrer Größe aus.  Sie werden mit engsten Toleranzen hergestellt, müssen robust und haltbar sein und Stöße, Überlastungen, EMS-Störungen und auch gelegentlichen Bedienungsfehler aushalten. Sie müssen darüber hinaus empfindlich reagieren und unmittelbar auch die kleinsten Spannungsänderungen wahrnehmen und entsprechend reagieren. Es ist das Ziel von Montalvo, Kraftmessdosen herzustellen, die Signale hoher Qualität erzeugen und den Belastungen des Produktionsumfelds widerstehen. Die Kraftmessdosen bestehen aus Edelstahl und können selbst einem aggressiven Umfeld ausgesetzt sein. Sie sind für IP54 und höhere Schutzklassen ausgelegt.

Kraftmessdosen-Kontrollverfahren  (Brücke)

Die Funktion einer Montalvo Kraftmessdose  beginnt mit einer Erregerspannung, die in einer Wheatstone-Brückenschaltung an der Kraftmessdose angelegt wird. Eine durch die Bahnspannung erzeugte Kraft lenkt den Kraftmessdosenträger aus und erzeugt Druck- und Zugspannungskräfte in den Trägern. Diese Auslenkung von normalerweise nur bis zu 0,13 mm (0.005 inch) ändert die Messgerät-Widerstandswerte über der Brücke. Das Ergebnis ist eine direkt zur Bahnspannung proportionale Ausgangsspannung.

Live Roller Load Cell in a Split Pillow Block Mount

Live Roller Load Cell in a Split Pillow Block Mount

Die Erregerspannung kann von einer Vielzahl elektronischer Schaltungen kommen, die größtenteils von der vorliegenden Aufgabe abhängen. Wenn zum Beispiel an Antrieb ein Spannungs-Trimmsignal erfordert, können preiswerte Verstärkermodule, wie ein Montalvo M-3200 oder Montalvo A-4 Kraftmessdosen-Verstärkermodul, die Erregerspannung und Kalibrierschaltung liefern. Eine solche Vorrichtung liefert auch die   Spannung und den Messgeräteausgang proportional zur Bahnspannung. Bei dem Einsatz von Kraftmessdosen bei Einsätzen, die eine PID-Reglereinheit benötigen, wie beim Abrollen mit Druckluftbremsen, sind Kraftmessdosenerregung, Kalibrier- und Summierschaltungen Teil der Regelung. Die Ersteinrichtung eines Kraftmessdosensystems kann normalerweise innerhalb von Minuten erfolgen. Ein einfaches Leergewicht-Nulleinstellverfahren ergibt einen Nullpunktabgleich. Die Kalibrierung erfolgt nach der Potentiometereinstellung.

Kraftmessdosen-Betrieb „Regelung einer Abrollbremse”

Die Erregerspannung wird wieder an einen Satz Kraftmessdosen (Transducer) aufgegeben. Die durch die Bahnspannung erzeugten Kräfte führen zu Änderungen des Ausgangs, die wieder zum Regler gehen. Der Regler vergleicht elektronisch die tatsächliche Bahnspannung mit dem gewünschten Einstellwert und sendet ein Korrektursignal an den I/P-Wandler zur Regelung des Brems-Luftdrucks, bei einer elektrischen Bremse zu einem Spannungswandler oder zum Drehmomenteingang eines Antriebs. Da die Bahnspannung selbst Teil der Rückkopplungsschleife ist,  kann die Regelung Geschwindigkeits- und Durchmesseränderungen kompensieren.

Beim der Verwendung von Antrieben zum Abrollen und Aufwickeln gelten die gleichen Voraussetzungen. Bei Zwischensystemen gibt es gewisse Unterschiede. Hier ist eine Geschwindigkeitsangabe von einem Tachometer auf dem ‚Master‘-Antrieb erforderlich, um ein Drehzahlverhältnis zwischen den ‚Master‘- und ‚Slave‘-Antriebsmotoren zu erzeugen. Zusammen mit dem Eingang von Kraftmessdosen (Transducer) wird ein Korrektur-Trimmsignal an den ‚Slave‘ zur Regelung der Bahnspannung geschickt.

Dead Shaft Idler Load Cell in a Flange Mount

Dead Shaft Idler Load Cell in a Flange Mount

Nach Feststellung von Montalvo ist die gebräuchlichste Montageart diejenige mit Leitwalzen mit feststehender Achse. Es gibt jedoch auch die Stehlagermontage und andere Befestigungen wie mit einem Flansch oder Schraubenbolzen durch die Maschine. Zum Ausgleich geringfügiger Fehler bei der Walzenausrichtung kompensiert eine Kugelkopfeinheit mit einem Lager die Achsenausdehnung. Am Ende der Kopfeinheit befindet sich eine Kupplung zur Befestigung der feststehenden Walzenachse. Andere Ausführungen von Kraftmessdosen sind solche für Leitwalzen ohne Achse, die es auch in verschiedenen Konfigurationen gibt sowie auch Stehlagereinheiten und rotierende Kopfausführungen für Hohlrollen ohne feststehende Achsen. Weiterhin gibt es einseitig befestigte sowie auch Flachprofil-Kraftmessdosen.


Henning Pedersen ist Montalvo Anwendungsspezialist und Ingenieur für Elektromechanik. Er ist bei Montalvo Europe für Vertrieb, Service und technischen Support verantwortlich.

Montalvo Europe, Jeppe Aakjaers Vej 18, DK-8700 Horsens, Dänemark.
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Email: henning.pedersen@montalvo.com

Pedersen war vorher 23 Jahre als Chef der Elektronik-Produktion in Montalvos ehemaligem Danarota Technic Office beschäftigt und danach als Vertriebsleiter für Skandinavien bei der ehemaligen Montalvo A/S in Dänemark. Pederson hat ein AF-Degree in Strategie & Management und ein AF-Degree in Einkauf & Management.


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