So funktioniert ein digitaler Drehmomentschlüssel: Vom Sensor zum Display

Ein digitaler Drehmomentschlüssel misst das aufgebrachte Drehmoment elektronisch und stellt das Ergebnis auf einem Bildschirm dar. Bei einem gängigen, auf Dehnungen basierenden Design führt die Belastung des Schraubenschlüssels zu einer kleinen elastischen Verformung eines Sensorelements. Dehnungsmessstreifen reagieren auf diese Verformung und erzeugen ein elektrisches Signal, das die Elektronik aufbereitet, digitalisiert und in einen Drehmomentwert umwandelt. Die Anzeige ist der letzte Schritt dieses Messvorgangs. Die Zieleinstellung, der Live-Messwert und der gespeicherte Spitzenwert können unterschiedliche Dinge beschreiben. Wenn Sie also wissen, woher die einzelnen Werte stammen, können Sie besser erklären, was das Tool tatsächlich anzeigt.

Wie ein angelegtes Drehmoment ein Sensorsignal erzeugt

Elastische Verformung im Werkzeug

Durch die Krafteinwirkung auf den Griff entsteht ein Drehmoment um die Achse des Befestigungselements. Innerhalb des Schraubenschlüssels führt diese Last auch zu einer kleinen Verformung der sie tragenden Struktur. Ein Sensorelement ist so konzipiert, dass es innerhalb seines Betriebsbereichs vorhersehbar reagiert, sodass das Instrument seine Reaktion auf das ausgeübte Drehmoment beziehen kann.

Dabei handelt es sich um eine elastische Verformung: Das Element neigt dazu, bei Entlastung wieder in seine ursprüngliche Form zurückzukehren. Das bedeutet nicht, dass sich der Schraubenschlüssel sichtbar verbiegen muss. Die für die Messung erforderliche Bewegung kann zu klein sein, um sie sehen zu können.

Die mechanische Anordnung variiert je nach Ausführung. Ein Sensor kann auf Biege- oder Torsionsbelastung reagieren, je nachdem, wie das Werkzeug die Last trägt und erkennt. Das Sensorelement und die Platzierung des Messgeräts folgen diesem mechanischen Design.

Wie ein Dehnungsmessstreifen diese Verformung erkennt

Ein geklebter Dehnungsmessstreifen ändert den elektrischen Widerstand, wenn sich die darunter liegende Oberfläche ausdehnt oder zusammendrückt. Durch die Anordnung von Messgeräten in einer Brückenschaltung kann die Messelektronik kleine Widerstandsänderungen als Spannungsdifferenz erkennen.

Der Brückenausgang ändert sich mit der Belastung des Sensorelements. Durch die Messung dieser Reaktion kann die Elektronik dem ausgeübten Drehmoment folgen. Das Messgerät selbst benötigt keinen Zeiger oder eine sichtbare Bewegung, um die Änderung anzuzeigen.

Zu diesem Zeitpunkt reagiert das Werkzeug elektrisch auf die Belastung. Es gibt noch keine fertige Zahl, ausgedrückt in N·m.

Wie die Elektronik das Signal in digitale Daten umwandelt

Brückenanregung, Verstärkung und Filterung

Ein brückenbasierter Sensor benötigt eine elektrische Erregung, damit seine Widerstandsänderungen eine messbare Ausgabe erzeugen können. Das resultierende Signal muss dann für die nächste Stufe des Messsystems geeignet sein.

Durch die Verstärkung wird ein kleines Signal in einen für die Messung nutzbaren Bereich gebracht. Die Filterung hilft dabei, unerwünschte Signalkomponenten wie elektrisches Rauschen zu kontrollieren, die das Ergebnis beeinträchtigen könnten. Zusammen mit der Anregung bereiten diese Funktionen den Sensorausgang für die Umwandlung vor.

Hierbei handelt es sich um Funktionsstufen, nicht unbedingt um separate Komponenten auf einer Leiterplatte. Manche Geräte vereinen mehrere Funktionen innerhalb eines integrierten Schaltkreises. Bei der Implementierung müssen auch die Reaktionsgeschwindigkeit und das Rauschen ausgewählt werden, sodass eine klare Anzeige allein nicht erkennen lässt, wie die zugrunde liegende Elektronik eine sich ändernde Last verarbeitet.

Analog-Digital-Umwandlung

Ein Analog-Digital-Wandler oder ADC stellt das aufbereitete elektrische Signal als numerische Daten dar. Der Prozessor kann diese Daten dann verwenden, um einen Drehmomentwert zu berechnen und die Anzeige zu verwalten.

Die Digitalisierung macht die Messung für die numerische Verarbeitung verfügbar. Das Instrument kann aufeinanderfolgende Messungen verwenden, um eine Live-Anzeige zu aktualisieren, einen gemessenen Spitzenwert beizubehalten oder einen Messwert mit einem ausgewählten Ziel zu vergleichen. Der Konverter liefert die Daten; Die Verarbeitung bestimmt, wie diese Daten verwendet werden.

Wie aus digitalen Daten ein Drehmomentwert wird

Den Sensorausgang mit dem bekannten Drehmoment in Beziehung setzen

Bei der Ausgabe des Konverters handelt es sich grundsätzlich nicht um einen Wert in Newtonmetern. Das zusammengebaute Messsystem benötigt eine Beziehung zwischen seiner elektrischen Reaktion und dem bekannten Drehmoment.

Diese Beziehung ermöglicht es dem Instrument, Änderungen im Sensorausgang in Änderungen im angezeigten Drehmoment umzuwandeln. Bei der Kalibrierung werden die Anzeigen des Instruments mit Referenzwerten unter festgelegten Bedingungen verglichen. Wenn eine Anpassung erforderlich ist, handelt es sich um eine gesonderte Maßnahme. Durch die bloße Durchführung einer Kalibrierung wird ein Instrument nicht automatisch korrigiert.

Bei der Konvertierung können gespeicherte Koeffizienten oder andere für den Entwurf geeignete Verarbeitungen verwendet werden. Unabhängig von der Implementierung gilt der Zusammenhang für das gesamte Messsystem, vom belasteten Element bis zur Anzeige. Eine Rohkonverterzählung ist nur dann nützlich, wenn sie mit der gemessenen Menge in Zusammenhang steht.

Nullpunktverschiebung und technische Einheiten

Ein Messsystem kann einen Offset haben: einen Ausgang ungleich Null, selbst wenn die beabsichtigte aufgebrachte Last Null ist. Eine Nullungsfunktion stellt die Referenz für nachfolgende Messungen gemäß den Anweisungen des Werkzeugs her.

Nullstellung und Kalibrierung befassen sich mit unterschiedlichen Fragen. Die Festlegung eines unbelasteten Nullpunkts beweist nicht, dass das Instrument im gesamten Drehmomentbereich korrekte Messwerte anzeigt. Offset beschreibt den Startpunktfehler; Gain beschreibt das Ausmaß der Reaktion. Durch die Korrektur des Startpunkts allein lässt sich kein Zusammenhang über die Messspanne herstellen.

Sobald das Instrument das Drehmoment ermittelt hat, kann es diese Größe in einer unterstützten Einheit wie N·m oder ft·lb ausdrücken. Durch die Änderung der Einheit ändert sich die numerische Darstellung der Menge. Es entsteht kein anderes physikalisches Drehmoment am Gelenk.

Was das Display während und nach dem Anziehen anzeigt

Live-Drehmoment, Spitzendrehmoment und die Zieleinstellung

Eine Zieleinstellung ist der für einen Vorgang eingegebene Wert. Ein Live-Messwert stellt das gemessene Drehmoment dar, wenn sich die Last ändert. Ein Spitzenwert speichert den höchsten Messwert, der während des definierten Messzyklus des Instruments erfasst wurde.

Diese Werte dienen unterschiedlichen Zwecken. Das Ziel teilt dem Bediener mit, welcher Wert ausgewählt wurde; Es ist kein Beweis dafür, dass dieses Drehmoment bereits angewendet wurde. Ein erhaltener Peak kann nach Reduzierung der Kraft sichtbar bleiben, wohingegen eine Tracking-Anzeige die sich ändernde Messung verfolgt.

YouBar’s Digitaler Drehmomentschlüssel mit Ratsche listet die PEAK- und TRACK-Modi, die Drehmomentvoreinstellungen P0–P9 sowie akustische und visuelle Zielwarnungen auf. Diese Funktionen beschreiben, wie das Tool Messinformationen darstellt und verwendet. Eine Warnung sollte nicht als automatischer Stopp der ausgeübten Kraft interpretiert werden.

Bei der Überprüfung von YouBar’s digitale Drehmomentschlüssel-ReihePassen Sie diese Anzeigefunktionen an die Informationen an, die Ihr Betrieb benötigt. Für Anforderungen, die über die veröffentlichten Spezifikationen hinausgehen, Besprechen Sie die Mess- und Anzeigeanforderungen für das jeweilige Modell.