Prüfsysteme

Wer die Wahl hat...

Die Anforderungen an Längenänderungs-Aufnehmer sind so vielfältig wie die Anwendungen, für die sie eingesetzt werden. Diese können daher nicht von einem, sondern nur von mehreren Aufnehmern erfüllt werden – eine universelle Lösung gibt es also nicht. Aber wie findet der Anwender die am besten geeigneten Aufnehmer und welche Kriterien müssen hierbei angelegt werden?

Der Aufnehmer LaserXtens misst ohne Messmarke.

Die Anforderungen an Längenänderungs-Aufnehmer (nachfolgend Aufnehmer genannt) sind vor allem abhängig von den Eigenschaften des zu prüfenden Materials, den Formen und Abmessungen der daraus gefertigten Proben und den zu erfüllenden Prüfvorschriften beziehungsweise Normen. Sie definieren unter anderem den Ablauf der Prüfung, die zu bestimmenden Kenngrößen mit Genauigkeiten und die Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel die Prüftemperatur.

Die Materialeigenschaften Steifigkeit, Festigkeit, Verformbarkeit und Probenabmessungen sind nicht nur bestimmend für die Anfangs-Messlänge und Messwege. Sie geben auch Auskunft darüber, welche Aufnehmer oder Messfühler direkt an der Probe angesetzt werden können, ohne dass aufgrund der verursachten Belastung die Kraftmessung verfälscht oder die Probe beschädigt wird. Sehr dünne Proben sind meist klemmempfindlich (zum Beispiel Folien); drahtförmige Proben bieten für die berührungslose Messung keine ausreichend breite Sichtfläche. Eine hohe Steifigkeit im Anfangsbereich, gefolgt von einer hohen Verformbarkeit, erfordert gegebenenfalls eine Kombination von Aufnehmern: Einen, der im Anfangsbereich hochgenau misst und einen zweiten, der einen großen Messweg erfassen kann. Proben mit sehr glatten, spiegelnden Oberflächen oder aus transparenten oder durchsichtigen Materialen sind beispielsweise nicht für die berührungslose optische Messung ohne Messmarken geeignet.
Von besonderer Bedeutung ist auch das Verhalten bei Probenbruch. Die Probenreste eigensteifer Proben mit relativ geringer Rückverformung (zum Beispiel Metalle und harte Kunststoffe) rutschen durch die Messschneiden angesetzter Aufnehmer oder Fühler, ohne diese zu beschädigen. Kippbare Messschneiden vermeiden Aufnehmerschäden auch dann, wenn die Proben-oberfläche relativ rau ist. Bei hochdehnbaren und biegeweichen Proben können dagegen die Messschneiden oder Aufnehmer von den sich rückverformenden und dabei seitlich ausweichenden oder aufspleißenden Probenresten beschädigt oder zerstört werden. Wie beispielsweise bei Drahtseilen. Für diese Anwendungen ist die berührungslose optische Messung ein Muss.

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Bei berührend messenden Aufnehmern ist der Messweg meist ein konstruktionsbedingter, fester Wert, der vom Messweg des Sensors und bei Drehpunkt gelagerten Messfühlern von deren Hebelverhältnissen abhängt. Die (Anfangs-) Messlänge wird manuell oder automatisch über einen größeren Bereich in festen Stufen oder kontinuierlich eingestellt. Bei berührungslos messenden Aufnehmern mit Videokamera muss deren Sichtfeld größer sein als die Summe aus Messweg und Anfangs-Messlänge. Weil sich die Probenteile außerhalb der Messlänge und die Maschinenkomponenten in Belastungsrichtung verformen, ändern sich auch die Positionen der zu verfolgenden Messmarken. Für größere zu erwartende Messwege oder Messlängen müssen eventuell Objektive gewechselt oder der Abstand zwischen Probe und Videokamera vergrößert werden. Alle diese Maßnahmen verringern die Messgenauigkeit. Außerdem muss jede geänderte Messanordnung neu justiert werden. Die „Genauigkeit“ ist ein gebräuchlicher, aber qualitativer Begriff. Zur Kennzeichnung der „Güte“ des Messsignals werden in den Normen quantitative Begriffe, wie Auflösung, Abweichung oder Unsicherheit verwendet, und dafür Zahlenwerte angegeben. Anforderungen an die Genauigkeit der Längenänderungs-Messung sind meist in den spezifischen Prüfvorschriften und Normen enthalten. Einige Prüfnormen, wie etwa jene für Zugversuche an Metallen und Kunststoffen, beziehen sich auf Normen zur Kalibrierung von Längenänderungs-Messsystemen und den darin definierten (Genauigkeits-) Klassen.
Einfaches Ein- und Umrüsten und weitgehend automatische Prüfabläufe reduzieren den Personal- und Zeitaufwand und erhöhen zugleich die Qualität der Prüfungen, weil subjektive Einflüsse minimiert werden. Das gilt besonders für Serienprüfungen. Höhere Beschaffungskosten können sich dadurch schnell amortisieren, insbesondere dann, wenn der Aufnehmer für ein größeres Anwendungsspektrum eingesetzt werden kann. Für die berührungslose Messung mit Videoaufnehmer oder Laserscanner sind auch der Zeitaufwand für die Probenmarkierung – und gegebenenfalls die Kosten für Einweg-Messmarken – zu berücksichtigen.

Messen direkt an der Probe

So genannte Ansetz-Aufnehmer werden - wie schon der Name sagt - direkt an die Probe angesetzt (Clip-on-Gauge). Die Messwegübertragung von der Probe über angelenkte Messschneiden zum Wegsensor ist kurz und steif. Das heißt, es gibt praktisch keine Relativbewegungen zwischen Probe und Aufnehmer. Seine Messgenauigkeit ist deshalb unübertroffen hoch. Der Messweg ist auf wenige Millimeter begrenzt, die Probe wird durch den angesetzten Aufnehmer belastet und seine Handhabung erfolgt meist manuell.

Es gibt diese Aufnehmer auch mit Gewichtsentlastung, mit doppelseitigem Messsystem zur Kompensation überlagerter Biegespannungen, und dies sogar in automatischer Ausführung.Fühleraufnehmer bieten den Vorteil der weitgehend automatischen Betätigung und eines für viele Anwendungen ausreichend großen Messweges mit hoher Messgenauigkeit. Ausführungen mit sehr leichtgängigen Messfühlern und Wegaufnehmern belasten die Probe kaum mehr als angeklemmte Messmarken für berührungslose optische Aufnehmer. Durch beidseitig angesetzte Fühler wird auch der Einfluss überlagerter Biegespannungen weitgehend kompensiert.

Berührungslos Messen

Ansetz- und Fühleraufnehmer stehen über quer zur Messlänge ausgerichtete Messschneiden im direkten mechanischen Kontakt mit der Probe. Die kleine Anpresskraft bewirkt durch eine mikrometerfeine Einprägung der Messschneiden in die Probenoberfläche eine leicht formschlüssige und damit präzise positionierte Kontaktstelle. Dies ist ein wesentlicher Faktor für die große Messgenauigkeit und kleine Streubandbreite der Messwerte. Durch den direkten Kontakt mit der Probe können Messfühler und Aufnehmer beim Bruch nicht eigensteifer oder hochdehnbarer Proben beschädigt oder sogar zerstört werden.

Der entscheidende Vorteil berührungslos messender Video-Aufnehmer und Laserscanner ist, dass sie ohne Beschädigungsgefahr auch bei entsprechend kritischen Proben bis zum Bruch eingesetzt werden können. Sie benötigen aber Messmarken auf der Probe, die sich optisch von der Umgebung möglichst deutlich abgrenzen. Die verwendeten Messmarken, nach den Eigenschaften der Probe ausgewählt, werden angeklemmt, eingesteckt, aufgeklebt oder mit Farbe markiert. In jedem Fall bedeutet das zusätzliche Elemente, die sich zur Probenoberfläche bei Verformung ganz oder partiell verschieben können. Das Anbringen der Messmarken erfordert einen zusätzlichen Arbeitsgang.

Die Messmarken-Position wird aus den Helligkeitswerten einer bestimmten Fläche um die Messmarken durch Bestimmung der optischen Mitte ausgewertet. Spezielle Beleuchtungselemente für Fläche und Hintergrund der Probe optimieren den Kontrast zu den Messmarken. Bei der Verformung der Probe können die bereits erwähnten Verschiebungen, Helligkeitsänderungen von Messmarken und Probe und Umgebungseinflüsse (Lichtreflexe etc.) die optische Mitte beeinflussen. Dies zeigt sich beispielsweise in einer größeren Streubandbreite der Messwerte. Die jüngste Aufnehmer-Entwicklung von Zwick, der Laser-X-tens, benötigt keine Messmarken. Er nutzt die wie ein Fingerabdruck einzigartige Struktur der Probenoberfläche zur Generierung virtueller Messmarken. Auf diese Messstellen gerichtete Laserstrahlen werden entsprechend der Oberflächenstruktur in unterschiedliche Richtungen reflektiert und bilden so für die beobachtende Videokamera ein spezifisches Muster von Fleckchen (engl. Speckle). Durch laufende Messung und Auswertung werden ausgewählte Messpunkte verfolgt. Dabei wird die Änderung der Oberflächenstruktur – und damit des Speckle-Musters – während der Probenverformung berücksichtigt.

Den universellen Aufnehmer gibt es nicht

Fazit: Berührend messende Aufnehmer messen sehr genau und sind kostengünstig. Berührungslos messende Aufnehmer sind immer dann unverzichtbar, wenn die Probe kritisch auf Messschneiden reagiert oder beim Probenbruch berührend messende Aufnehmer beschädigen würde. Sie sind auch (noch) relativ kostenaufwendig. Den universellen Aufnehmer gibt es nicht. Das große Anwendungsspektrum erfordert verschiedene Aufnehmer mit unterschiedlichen Funktionen und Eigenschaften. Für jede Anwendung muss deshalb der bestgeeignete Aufnehmer ausgewählt werden. Dies wird erleichtert, wenn ein breites Spektrum von Aufnehmern, eine fachkundige Beratung und gegebenenfalls auch Vorversuche im Anwendungslabor des Herstellers angeboten und genutzt werden.
Manfred Dripke, Ingenieurbüro/Dr. Peter Stipp

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