Ratgeber
Häufig unverzichtbare Kraftmessgeräte haben wohl die meisten von Ihnen zu Hause: die Koffer- und die Personenwaage. Beide Geräte registrieren offensichtlich Gewichte.
Warum es dabei dennoch um das Messen von Kräften geht, erfahren Sie in diesem Ratgeber. Sie lesen außerdem, welche Typen und Bauarten von Kraftmessgeräten im Handel sind, wie sie funktionieren und worauf Sie bei der Beschaffung achten sollten.
Wie die Bezeichnung schon verrät, messen diese Kraftmessgeräte Kräfte, und zwar sowohl Kräfte zwischen zwei Körpern als auch Gewichtskräfte und Drehmomente. Gewichtskräfte beispielsweise lassen sich als Zug oder Druck messen – wie bei der Koffer- und Personenwaage. Im ersten Fall „zieht“ der Koffer an der Messvorrichtung, im zweiten „drückt“ das menschliche Gewicht auf die Waage. Angezeigt wird das Messergebnis von Zug und Druck üblicherweise in Kilogramm und Gramm. Diese geläufigen Gewichtseinheiten haben allerdings nicht direkt etwas mit Kraft zu tun. Kraft wird laut internationaler SI-Norm vielmehr in Newton (N) ausgedrückt. Dazu ein kurzer Ausflug in die Physik:
Ein Newton ist die Kraft, die benötigt wird, um ein Kilogramm Masse mit einer Geschwindigkeit von einem Meter pro Quadratsekunde linear zu beschleunigen. Die Einheit "Meter pro Quadratsekunde" kann als Änderung der Geschwindigkeit pro Zeit verstanden werden. Das heißt beispielsweise, pro Sekunde nimmt die Geschwindigkeit eines aus großer Höhe herabfallenden Gegenstands um einen Meter pro Sekunde zu.
Die durchschnittliche Schwerkraft auf der Erde beträgt rund 9,81 Meter pro Quadratsekunde. Ein Kilogramm unbewegter Masse übt somit eine Druckkraft von etwa 9,81 Newton auf den Erdboden aus. Zum Vergleich: Ein mittelgroßer Apfel liegt bei rund einem Newton, ein 60 Kilogramm schwerer Erwachsener bei etwa 608 Newton.
Diese kurze Erklärung ist deshalb wichtig, weil der Messbereich bei Kraftmessgeräten in erster Linie in Newton und nicht etwa in Kilogramm angegeben wird. Für den praktischen Gebrauch gibt es aber häufig doppelte Skalen oder – bei digitalen Kraftmessgeräten – eine Umschaltmöglichkeit für die LED- beziehungsweise LCD-Anzeige.
Für die Kraftmessung generell zu unterscheiden sind analoge und digitale Kraftmessgeräte. Ein typisch analoges Gerät ist die Federwaage. Sie enthält im Inneren eine Stahlfeder, an die über einen Haken das zu wiegende Objekt befestigt wird. Je schwerer der Gegenstand, desto mehr wird die Feder gedehnt. Es handelt sich somit um das Messen der Gewichtskraft. Die Anzeige erfolgt meist über ein direkt mit der Feder verbundenes Zeigerinstrument, häufig zeigt die Skala sowohl die Zugkraft in Newton als auch das Gewicht in Kilogramm.
In der Praxis inzwischen wesentlich häufiger als analoge sind digitale Kraftmessgeräte anzutreffen. Sie basieren auf die Umsetzung von Kräften in elektrische Werte. Gängige Sensoren sind zum Beispiel Dehnungsmessstreifen für Zugkräfte und Piezo-Kristalle für Druckkräfte. Die Messstreifen nutzen den Effekt, dass sich der Widerstand einer elektrischen Leitung erhöht, wenn diese in die Länge gezogen, sie also dünner wird. Piezo-Sensoren wiederum erzeugen bei Drücken auf ihre Oberfläche eine elektrische Spannung. Beide Effekte lassen sich durch eine nachgeschaltete Elektronik zum Messen verwenden.
Größter Vorteil digitaler Kraftmessgeräte ist ihr hohes Auflösungsvermögen sowie die Möglichkeit, erfasste Daten weiter zu bearbeiten. Minimale und maximale Werterfassung sind ebenso möglich wie programmierbare Alarme bei Über- oder Unterschreitung definierter Werte, Messdatenspeicherung oder Schnittstellen für die Anbindung an Datenerfassungssysteme. Hinzu kommen je nach Bauart unterschiedliche, zum Teil grafikfähige Displays oder LED-Anzeigen.
Ähnlich aufgebaut wie die Federwaage sind Handkraftmessgeräte. Sie dienen zur Erfassung und Beurteilung des Händedrucks, beispielsweise bei Personen auf Reha oder Sporttreibenden.
Die Kraftmessung erfolgt hier über die beiden unter Federspannung stehenden Gehäusehälften. Sie werden vom Probanden zusammengedrückt, die erreichte Kraft wird erfasst und angezeigt.
Eine Variation des Kraftmessers bezieht sich nicht auf das Messen von Zug oder Druck, sondern nutzt die vektorielle Größe Drehmoment. Dabei wird gemessen, wie viel Kraft nötig ist, um eine Last von einem Kilogramm einen Meter zu bewegen.
Die internationale SI-Bezeichnung lautet Newtonmeter, abgekürzt Nm. Es handelt sich also um eine Messung von mechanischer Arbeit. Bekanntester Messgerät für Drehmomente ist der Schraubenschlüssel für Autoräder, bei dem das maximale Drehmoment eingestellt werden kann.
Wichtigste Kenngröße ist der maximale nutzbare Messbereich. Er liegt üblicherweise zwischen einem und 500.000 Newton, wobei die meisten Messgeräte bis zu zehn oder bis zu 500 Newton abdecken.
Hinsichtlich der Frage „analog oder digital?“ kommt es auf den geplanten Anwendungsbereich an. Wenn keine besonders hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit gestellt werden, genügen oft schon analoge Geräte mit einer Rundskala.
Größte Vorteile eines rein mechanischen Kraftmessgeräts: Die Werte sind schnell ablesbar, sie sind einfach zu bedienen, robust und preisgünstig. Ein Nachteil ist allerdings, dass zum Messen der Druckkraft das Gerät umgedreht werden muss, da die weitaus meisten analogen Kraftmesser nur für den Zug nach unten konstruiert sind.
Für ein digitales Kraftmessgerät sollten Sie sich dann entscheiden, wenn Sie einerseits genaue und eindeutig ablesbare Messwerte, andererseits einen erweiterten Funktionsumfang bei der Kraftmessung benötigen. So lässt sich bei einigen Geräten die Messung von Zug- oder Druckkräften per Knopfdruck umschalten. Erfassen, Speichern und Hochladen von Daten – beispielsweise über die USB- oder RS-232-Schnittstelle – ist einfach realisierbar. Manche Messgeräte verfügen zudem über eine Track-Funktion mit kontinuierlicher Messanzeige.
Im professionellen Bereich sind Kraftmesser oft regelmäßig zu kalibrieren, beispielsweise nach der ISO-Norm. Deshalb sollte schon im Vorfeld der Beschaffung geprüft werden, ob das gewünschte Gerät überhaupt kalibrierfähig ist.
FAQ – häufig gestellte Fragen zu Kraftmessgeräten
Wie empfindlich sind Kraftmessgeräte gegenüber zu hoher Last?
Mechanische und digitale Kraftmessgeräte sind nur bis zu ihrer im angegebenen Messbereich spezifizierten Höchstlast zu verwenden. Selbst eine Überlastung von lediglich 20 oder 50 Prozent während der Messung kann zu irreparablen Schäden sowohl an der Messmechanik als auch an der Sensorik führen. Außerdem sollte bei Erweiterung der Messstelle aus Sicherheitsgründen nur das vom Hersteller empfohlene Originalzubehör für die Messung verwendet werden. Dies gilt besonders bei hohen Lasten.
Sind diese analoge oder digitale Messgeräte auch für Langzeitmessungen geeignet?
Für Langzeitmessungen sind Kraftmessgeräte weder konstruiert noch geeignet. Das liegt im Wesentlichen an der eingesetzten Messtechnik: Federn können im Lauf des Messvorgangs ausleiern, Dehnungsmessstreifen reißen oder die bei Piezo-Sensoren verwendeten Druckmembranen ihre Flexibilität verlieren. Temperaturschwankungen würden sich ohnehin negativ auf die Aussagekraft einer Langzeitmessung auswirken.