Welcher Zusammenhang besteht zwischen Messkraft, Sensorausgangssignal und Verstärkerausgangsspannung?

1. Einheiten

Messkraft [N, kN bzw. MN]
Sensorausgangssignal [mV]
Verstärkerausgangsspannung [V]

2. Sensorausgangssignal bezogen auf die Messkraft

Für die Bestimmung des Sensorausgangssignals ist die Angabe der Nennkraft [N, kN bzw. MN], des Nennkennwertes [mV/V] und der Brückenspeisespannung [V] notwendig.

Bei einer Belastung des Sensors mit der Nennkraft (100%), steht am Ausgang des Sensors folgende Spannung an:

USig [mV]=Brückenspeisespannung [V]* Nennkennwert [mV/V]

Beispiel:
Ein Kraftaufnehmer mit einem Nennkennwert von 1,0 mV/V liefert bei 10 V Brückenspeisung und bei Belastung mit Nennkraft (100%) ein Ausgangssignal von 10 mV. Da das Ausgangssignal des Sensors proportional zur anliegenden Belastung ist, lässt sich die Signalspannung mit Hilfe einer einfachen Verhältnisgleichung (Dreisatz) lösen.

Beispiel:
Hat der oben genannte Sensor eine Nennkraft von 1000N, so steht am Ausgang des Sensors, bei einer Messkraft von 500N, eine Signalspannung von 5 mV (10mV / 1000N * 500N) an.

Alternativ kann die Signalspannung auch in einem Schritt errechnet werden:

USig [mV] =
Brückenspeisespg. [V] * Nennkennwert [mV/V] * Messkraft[N,kN bzw.MN] / Nennkraft [N,kN bzw.MN]

Beispiel:     
               USig = 10V* 1,0 mV/V * 1000N / 500N = 5mV 

3. Verstärkerausgangspannung bezogen auf das Sensorausgangsignal (Verstärkereingangssignal)

Die Verstärker sind standardmäßig passend auf die Sensoren eingestellt. Es wird davon ausgegangen, dass am Verstärkerausgang 10V anstehen soll, wenn der Sensor zu 100% belastet wird.

Wenn der zugehörige Sensor, wie im obigen Beispiel, einen Nennkennwert von 1,0 mV/V hat, dann ist die Verstärkung auf 1000 voreingestellt.

Die Berechnung hierzu ist wie folgt:

Verstärkung [V/V]  

=  Verstärkerausgangspannung bei 100% [V] / Sensorausgangssignal bei 100%  [V]  

= 10V / 0,01V  

Durch Umstellen der obigen Gleichung kann auch die Verstärkerausgangspannung bei gegebenem Sensorausgangssignal berechnet werden:

Verstärkerausgangsspannung [V] = Sensorausgangssignal [V] * Verstärkung [V/V]

Im obigen Beispiel:

Verstärkerausgangsspannung [V] = 0,005V * 1000 = 5V 

4. Verstärkerausgangsignal bezogen auf die Messkraft

Bei standardmäßig eingestellten Verstärkern lässt sich das Verstärkerausgangsignal auch ohne die obigen Formeln mit Hilfe einer einfachen Verhältnisgleichung (Dreisatz) berechnen.

Verstärkerausgangsspannung [V] = (10V * Messkraft [N,kN bzw.MN]) / (Nennkraft [N,kN bzw.MN])  

Im obigen Beispiel wäre dies:
Verstärkerausgangsspannung [V] = (10V * 500N) / 1000N = 5V

Wie unter Punkt 2. beschrieben wird davon ausgegangen, dass am Verstärkerausgang 10V anstehen soll, wenn der Sensor zu 100% belastet wird. Ist eine andere Zuordnung gewünscht, so kann das Sensorausgangssignal mit Hilfe einer Verhältnisgleichung (Dreisatz) neu berechnet werden, da das Ausgangssignal des Sensors proportional zur anliegenden Kraft ist. Die Verstärkung kann dann mit obiger Formel bestimmt werden.