Kraftaufnehmer und Wägezellen kalibrieren: Ablauf, Klassen und Intervalle

Was eine Kalibrierung von Kraftaufnehmern prüft

Eine Kalibrierung bringt bekannte Kräfte auf das Kraftmessgerät auf und hält das Ausgangssignal bei jeder fest. Das Gerät kann der Kraftaufnehmer allein sein, der Aufnehmer mit seinem Messverstärker oder die ganze Messkette bis zur Anzeige. Die DKD-R 3-3 behandelt das als drei verschiedene Kalibriergegenstände (3.1), denn ein Kalibrierschein für einen ohne seinen Messverstärker kalibrierten Aufnehmer gilt unmittelbar nur mit einem identischen Verstärker (Abschnitt 8).

Das Ergebnis hängt davon ab, was kalibriert wurde. Ein Gerät mit eigener Anzeige erhält eine Messabweichung in Krafteinheiten. Ein Aufnehmer allein erhält einen Übertragungskoeffizienten, etwa in mV/V je Newton (DKD-R 3-3, Abschnitt 7). Derselbe Durchlauf zeigt auch, wie gut die Messwerte sich wiederholen, wie weit fallende von steigenden Kräften abweichen, wie das Signal unter gleichbleibender Kraft driftet und ob der Aufnehmer zum Nullpunkt zurückkehrt.

Diese Ergebnisse mit einer Grenze zu vergleichen und Bestanden oder Nicht bestanden festzuhalten, ist eine Verifizierung gegen eine Spezifikation. Ein Kalibrierschein kann sowohl die Messwerte als auch diese Aussage enthalten.

• Kalibrierung und Verifizierung im Vergleich

Die Normen: ISO 376, ASTM E74, OIML R 60 und DKD-R 3-3

Die ISO 376:2011 ist die internationale Norm für Kraftmessgeräte, mit denen Prüfmaschinen mit einachsiger Beanspruchung geprüft werden. Sie gilt für Geräte, die die Kraft aus der elastischen Verformung eines belasteten Körpers bestimmen, und legt fest, wie sie klassifiziert werden. Die ISO führt die Ausgabe 2011, Ausgabe 4, als aktuell.

Die ASTM E74-18(2026) ist die US-Praxis für die Kalibrierung von Kraftmessgeräten, mit denen Prüfmaschinen geprüft werden. Die meisten US-Kraftlabore arbeiten danach, und das NIST gibt an, dass es das ebenfalls tut. Das NVLAP-Akkreditierungshandbuch des NIST (HB 150-2e2024, D.1.2) verlangt von Kraftlaboren, nach ASTM E74, ISO 376 oder beiden zu arbeiten.

Die DKD-R 3-3 ist die Kalibrierrichtlinie des Deutschen Kalibrierdienstes, veröffentlicht von der PTB. Die Ausgabe 03/2024, Revision 1, ist kostenlos. Sie gilt für Geräte, die Kraft über elastische Verformung messen und auf- und abwärts belastet werden können, und enthält vier nach Aufwand abgestufte Kalibrierabläufe. Der umfassendste stützt sich auf die ISO 376. Eigene Klassen legt sie nicht mehr fest.

Die OIML R 60-1:2021 ist die Empfehlung des gesetzlichen Messwesens für Wägezellen in Waagen. Sie legt die Genauigkeitsklassen und Fehlergrenzen fest, die eine Bauart für die Zulassung einhalten muss. Sie ist also kein Verfahren für die laufende Kalibrierung.

Der EURAMET Calibration Guide Nr. 4, Version 3.0 (2022), behandelt die Messunsicherheit bei Kalibrierungen nach ISO 376 und bei anderen Kraftkalibrierungen. Der Guide to the Measurement of Force, verfasst von NPL und dem Institute of Measurement and Control und 2025 neu aufgelegt, ist ein kostenloses Praxisnachschlagewerk.

Was die Klassen der ISO 376 bedeuten

Die ISO 376 stuft ein Kraftmessgerät in die Klasse 00, 0,5, 1 oder 2 ein, wobei die Klasse 00 die beste ist. Die Klasse beruht auf mehreren Messgrößen zusammen, darunter Reproduzierbarkeit, Wiederholbarkeit, Interpolation, Nullpunktabweichung und Kriechen oder Umkehrspanne. Um eine Klasse zu halten, muss ein Gerät alle Kriterien dieser Klasse erfüllen.

Die Auswertung kann zwei Wege gehen (EURAMET Calibration Guide Nr. 4, 6.1). Ein für Interpolation klassifiziertes Gerät darf im gesamten Messbereich verwendet werden, wobei sich die Kraft aus einer angepassten Gleichung ergibt. Ein nur für bestimmte Kräfte klassifiziertes Gerät darf nur bei den Kalibrierkräften verwendet werden. Prüfen Sie, was Ihr Kalibrierschein angibt, bevor Sie den Aufnehmer zwischen Kalibrierpunkten ablesen.

EURAMET berechnet den ungünstigsten Fall für ein Gerät, das eine Klasse gerade noch erfüllt. Die Tabelle zeigt die zugrunde liegenden Grenzen und das Ergebnis, ohne den Temperaturbeitrag. Ein reales Gerät kann besser als diese Grenze sein.

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Lastbereiche der ASTM E74: Class AA und Class A

Die ASTM E74 geht anders vor. Sie passt eine Kalibriergleichung an die Daten an und berechnet einen Lower Limit Factor, kurz LLF, eine statistische Schätzung der Abweichung von Kräften, die aus dieser Gleichung errechnet werden. Der EURAMET-Leitfaden (6.2) beschreibt die beiden genormten Lastbereiche: Class AA beginnt beim 2.000-Fachen des LLF, Class A beim 400-Fachen des LLF.

Bei einem Aufnehmer mit einem LLF von 2 N beginnt der Bereich Class A bei 800 N und der Bereich Class AA bei 4.000 N. Kräfte unterhalb dieser Untergrenze liegen außerhalb des Lastbereichs für diese Klasse.

Totlast oder Vergleich: die Referenz wählen

Eine Totlastmaschine hängt bekannte Massen in das Schwerefeld der Erde. Die Kraft ist F = Mg(1 - ρa/ρw), wobei M die wahre Masse, g die örtliche Fallbeschleunigung und ρa und ρw die Dichten von Luft und Gewichten sind (NIST HB 150-2e2024, D.1.4.1.6). Ein Primärnormal nach ASTM E74 hat keine Hebel, hydraulischen Übersetzungen oder Gegengewichte zwischen den Gewichten und dem Gerät (D.1.4.1.2).

Eine Vergleichskalibrierung setzt den Aufnehmer in Reihe mit einem oder mehreren Referenzkraftaufnehmern und belastet sie gemeinsam, meist in einer Prüfmaschine oder einem Vergleichsrahmen. Das geht schneller und erreicht Kräfte, die eine Totlaststapelung nicht schafft, allerdings mit größerer Unsicherheit. Die Referenz braucht eine eigene gültige Kalibrierung. Das NIST arbeitet mit Totlastmaschinen bis 4,45 MN, der größten von sechs, und darüber mit Vergleich.

Wie gut muss die Referenz sein? Der Guide to the Measurement of Force (7.5.1) empfiehlt eine Unsicherheit der Kalibriermaschine, die dreimal besser ist als die vom System geforderte Genauigkeit. Die ISO 376 geht weiter und verknüpft jede Klasse mit einer maximalen Unsicherheit der aufgebrachten Kraft, wie in der Klassentabelle oben.

• TUR- und TAR-Rechner
• Interne oder externe Kalibrierung

Aufbau: ganze Messkette, Temperatur, Vorbelastungen und Ausrichtung

Kalibrieren Sie möglichst die ganze Messkette. Der Guide to the Measurement of Force (7.5.1) rät zu denselben Kabeln, Geräten und Netzteilen wie im Betrieb. Verwendet das Labor seine eigene Anzeige, muss der Kalibrierschein das angeben, und für die Austauschbarkeit ist der Eigentümer verantwortlich (DKD-R 3-3, Abschnitt 5).

Lassen Sie alles das thermische Gleichgewicht erreichen. Die DKD-R 3-3 (Abschnitt 4) folgt der ISO 376: eine stabile Temperatur innerhalb von ±1 K irgendwo im Bereich von 18 °C bis 28 °C, wobei in Deutschland 19 °C bis 23 °C empfohlen werden. Das NVLAP-Handbuch des NIST empfiehlt 23 °C (D.1.3.2). Lassen Sie die Messkette eingeschaltet, bis sie stabil ist, und lesen Sie dann das Nullsignal des unbelasteten Aufnehmers in einer definierten Lage ab. Eine Änderung gegenüber der letzten Kalibrierung kann auf eine Überlastung hinweisen (Abschnitt 5).

Kalibrieren Sie jede Kraftrichtung getrennt. Belasten Sie nach jedem Einbau oder Richtungswechsel mindestens 1 Minute mit der Maximalkraft vor und lesen Sie den Nullpunkt etwa 30 Sekunden nach vollständiger Entlastung ab. Die DKD-R 3-3 verlangt drei Vorbelastungen, wenn der Aufnehmer für Zug und Druck ausgelegt ist, und zwei, wenn er nur in einer Richtung belastet wird oder der Eigentümer die Richtung der letzten Nutzung angeben kann (Abschnitt 5).

Belasten Sie den Aufnehmer in seiner Achse und mit den im Betrieb verwendeten Einbauteilen. Die Krafteinleitungsteile gehören zum Kalibriergegenstand und sollen ISO 376 Anhang A folgen oder die Einsatzbedingungen nachbilden (DKD-R 3-3, 3.3). Das NIST nennt die genaue Ausrichtung der Aufnehmerachse als erstes seiner grundlegenden Verfahren der Kraftkalibrierung.

Kraftstufen: wie viele und in welcher Reihenfolge

Verteilen Sie die Kraftstufen gleichmäßig über den Messbereich. Die DKD-R 3-3 (Abschnitt 5) verlangt mindestens 3 Stufen je Messreihe, Null nicht mitgezählt, oder mindestens 5, wenn eine Gleichung dritten Grades gewünscht ist, etwa bei 20, 40, 60, 80 und 100 %. Warten Sie an jeder Stufe gleich lange, mindestens 30 Sekunden, und lesen Sie frühestens 30 Sekunden nach Beginn der Kraftänderung ab. Halten Sie das unbelastete Signal vor und nach jeder Messreihe fest.

Die ISO 376 ist das umfassendste Verfahren. Der EURAMET-Leitfaden (6.1) stützt eine Klassifizierung für Interpolation auf mindestens 32 Ausschlagswerte, also vier steigende Messreihen mit acht Kraftstufen. Sein Rechenbeispiel in Anhang A verwendet 10 Stufen und sechs Messreihen, mit dem Gerät in den Lagen 0°, 120° und 240°.

Weniger Messreihen bedeuten, sich stärker auf anderes Wissen zu stützen, etwa auf eine frühere Kalibrierung nach ISO 376 oder das Datenblatt (DKD-R 3-3, Abschnitt 5). Die DKD-R 3-3 stellt klar, dass reduzierte Abläufe keine kleinere Unsicherheit ergeben können als das umfassendere Verfahren am selben Gegenstand (Abschnitt 1). Fahren Sie jede Kraft aus derselben Richtung an und lassen Sie sie sich stabilisieren. Haben Sie eine Stufe überfahren, gehen Sie über sie hinaus zurück und fahren sie erneut an (Guide to the Measurement of Force, 7.5.2).

• Arbeitsblatt für Messwerte vor und nach der Justierung mit Prüfpunkten über den Bereich

Hysterese, Kriechen und Nullpunktrückkehr

Die Hysterese ist der Unterschied im Signal zwischen steigender und fallender Kraft bei gleicher Kraft. Sie ist meist in der Bereichsmitte am größten (Guide to the Measurement of Force, 3.5). Die ISO 376 nennt diese Größe Umkehrspanne. Ein nur bei steigenden Kräften verwendeter Aufnehmer braucht keinen Umkehrspannen-Beitrag in seiner Unsicherheit, einer, der auch abwärts misst, schon (EURAMET Calibration Guide Nr. 4, 7.1).

Kriechen ist die zeitliche Änderung des Signals nach einem Kraftsprung. Hersteller geben meist die größte Änderung über eine festgelegte Zeit nach dem Übergang von null auf die Nennkraft an, zum Beispiel 0,03 % des Nennsignals über 30 Minuten. Die Kriecherholung ist derselbe Effekt nach Wegnahme der Kraft (Guide to the Measurement of Force, 3.5). EURAMETs Kriechmaß für die ISO 376 ist die Signaländerung zwischen 30 und 300 Sekunden nach Aufbringen oder Wegnehmen der Maximalkraft, bezogen auf den Ausschlag bei Maximalkraft.

Die Nullpunktrückkehr vergleicht das Signal ohne Last vor und nach dem Aufbringen einer Kraft. Die ISO 376 gibt sie als Nullpunktabweichung an, die Differenz dieser Messwerte bezogen auf den Ausschlag bei Maximalkraft (EURAMET Calibration Guide Nr. 4, 6.1). Vergleichen Sie sie mit früheren Kalibrierungen. Nach NVLAP erfordert eine Überlastung, die das Signal bei Nullkraft um 1 % oder mehr verändert, eine Neukalibrierung vor der weiteren Verwendung (HB 150-2e2024, D.1.4.4.2).

• Die OIML R 60-1:2021 begrenzt das Kriechen von Wägezellen für Waagen: Über einen 30-minütigen Test bei Maximallast darf die Änderung das 0,7-Fache der Fehlergrenze für diese Last nicht überschreiten (5.5.1).
• Die Änderung zwischen 20 und 30 Minuten darf das 0,15-Fache dieser Grenze nicht überschreiten (5.5.1).
• Das Signal bei Mindestlast muss nach dem Kriechtest wieder innerhalb von 0,5 v des Anfangswerts liegen, wobei v der Eichwert der Wägezelle ist (5.5.2).

Wägezellen in Waagen: die Klassen der OIML R 60

Die OIML R 60-1:2021 ordnet Wägezellen für Waagen in vier Genauigkeitsklassen ein, A, B, C und D, nach der Zahl der Eichwerte, in die sie unterteilt werden dürfen (5.1.1, 5.1.2). Die übliche Bezeichnung verbindet die Klasse mit dieser Zahl in Tausend: C3 bedeutet Klasse C mit 3.000 Eichwerten.

Die Fehlergrenzen sind in Eichwerten angegeben und werden mit der Last weiter. Nach Tabelle 4 darf eine Wägezelle der Klasse C um 0,5 v bis zu einer Last von 500 v, um 1,0 v bis 2.000 v und um 1,5 v bis 10.000 v abweichen, jeweils multipliziert mit einem Aufteilungsfaktor von 0,7, sofern der Hersteller keinen anderen Wert erklärt. Diese Grenzen schließen die Hysterese ein und gelten daher bei steigender wie fallender Last (5.3).

Die OIML R 60 lässt die Bauart einer Wägezelle zu. Ist sie in einer Waage verbaut, wird die ganze Waage mit Prüfgewichten kalibriert oder verifiziert.

• Waagen kalibrieren

In der Maschine oder im Labor

Der Guide to the Measurement of Force (7.4) beschreibt drei Möglichkeiten. Die für geringe Unsicherheit bevorzugte lässt den Aufnehmer fest eingebaut und vergleicht ihn in Abständen mit einem in Reihe geschalteten Transfernormal. Ein ausbaubarer Aufnehmer kann stattdessen ins Labor gehen, was eine genaue Kalibrierung des Aufnehmers ergibt, aber Einflüsse der Einbausituation wie Reibung, Hebelverhältnisse und Ausrichtung nicht erfasst.

Die dritte Möglichkeit, ein fest eingebauter Aufnehmer ohne regelmäßige Kalibrierung, setzt auf eine große Anfangsreserve. Regelmäßige Shunt-Kalibrierungen und die Kontrolle eines oder mehrerer Punkte einschließlich des Nullpunkts geben eine gewisse Sicherheit, doch jede Aussage zur Rückführbarkeit muss die Unsicherheit der Shunt-Kalibrierung berücksichtigen.

Ein Labor bietet stabile Referenzbedingungen. Eine Kalibrierung vor Ort wählt man aus Gründen des Aufwands oder der Kosten oder um unter den genauen Einsatzbedingungen zu kalibrieren (7.5.1). Bilden Sie in jedem Fall die Einspannbedingungen der Anwendung so genau wie möglich nach.

Messwerte vor der Justierung, Justierung und ein Kraftaufnehmer außerhalb der Toleranz

Kalibrierung und Justierung sind getrennte Vorgänge. Vereinbaren Sie vorab, ob das Gerät justiert werden darf, und verlangen Sie Ergebnisse vor und nach der Justierung, denn der Guide to the Measurement of Force (7.5.1) warnt, dass Angaben vor der Justierung für die Rückführbarkeit des Prozesses entscheidend sein können.

Liegt ein Ergebnis vor der Justierung außerhalb seiner Grenze, war der Aufnehmer für einen unbekannten Teil der Zeit seit seiner letzten einwandfreien Kalibrierung außerhalb der Toleranz. ISO 9001 Abschnitt 7.1.5.2 erwartet, dass Sie zurückschauen, was damit gemessen wurde, und alles klären, was falsch sein könnte. Sehen Sie sich bei einem Kraftaufnehmer die damit geprüften Prüfmaschinen an, die Prüfergebnisse dieser Maschinen und jede Wägung oder Produktentscheidung, die sich auf seine Messwerte stützte.

• Was tun, wenn ein Prüfmittel bei der Kalibrierung durchfällt
• Messwerte vor und nach der Justierung

Wie oft ein Kraftaufnehmer kalibriert werden sollte

Die ISO 376:2011 erlaubt bis zu 26 Monate, sobald die Stabilität nachgewiesen ist. Die ASTM E74-18 begrenzt das Intervall auf 24 Monate mit Stabilitätskriterien von 0,032 % für Class AA und 0,16 % für Class A, wie Kraftmetrologen des National Institute of Standards in Ägypten in einem Artikel von 2026 zur Gültigkeit von Kraftmessungen darlegen. Das sind Höchstgrenzen, keine Zielwerte.

Der Guide to the Measurement of Force (7.5.1) rät, von der Langzeitstabilitätsangabe des Herstellers auszugehen. Verlängern Sie die Frist, wenn mehrere Kalibrierungen keine nennenswerte Änderung der Empfindlichkeit zeigen, und verkürzen Sie sie bei deutlichen Änderungen. Raue Behandlung, häufiger oder langer Gebrauch und die Umgebung können ein kürzeres Intervall erfordern, die Entscheidung liegt beim Anwender.

Kalibrieren Sie unabhängig vom Datum früher neu, nach einer Reparatur oder Änderung, die die Kalibrierkurve verschieben kann, und nach einer Überlastung, die das Signal bei Nullkraft um 1 % oder mehr verschiebt (NIST HB 150-2e2024, D.1.4.4). Zwischen den Kalibrierungen empfiehlt der Guide regelmäßige Kontrollen des Nullpunkts und eines klar definierten Punkts. Dokumentieren Sie den Grund jeder Intervalländerung. ILAC-G24:2022 / OIML D 10:2022 nennt die zu berücksichtigenden Faktoren, darunter Drift und Beanspruchung (5.1).

• Kalibrierintervalle festlegen
• Zwischenprüfungen zwischen Kalibrierungen
• Rechner für Kalibrierintervalle
• Rechner für Driftrate und Kalibrierintervall

Was Kalibrierschein und Aufzeichnung zeigen sollten

Ein Kalibrierschein für Kraft folgt ISO/IEC 17025:2017 Abschnitt 7.8 und ergänzt kraftspezifische Angaben, die in DKD-R 3-3 Abschnitt 8 und NVLAP HB 150-2e2024 D.1.6 aufgeführt sind. Halten Sie dieselben Angaben bei einer internen Kalibrierung fest, damit jemand anderes sie wiederholen kann.

• Die Identität des Aufnehmers oder der Messkette und die verwendeten Krafteinleitungsteile.
• Die angewandte Norm oder der Ablauf, etwa ISO 376 oder DKD-R 3-3 Ablauf B, und die Herkunft jedes aus Vorwissen übernommenen Beitrags.
• Die verwendete Kraftkalibriermaschine und ihre Unsicherheit.
• Die Kraftrichtung und die Temperatur mit ihren Grenzen während der Kalibrierung.
• Die Speisespannung, die Verdrahtung (4-Leiter oder 6-Leiter), die Kabellänge und die Verstärkereinstellungen.
• Die aufgebrachten Kräfte, die Ausschläge, die angepasste Gleichung mit ihren Abweichungen und die Unsicherheit.
• Das Nullsignal des unbelasteten Aufnehmers.
• Wenn eine Klasse oder Konformitätsaussage angegeben wird, die verwendete Regel und die Herkunft der Grenzen.
• Die Ergebnisse vor und nach der Justierung, das Datum, wer die Arbeit ausgeführt hat und das nächste Fälligkeitsdatum.

• Vorlage für den Kalibrierschein (Excel)
• Anforderungen an den Kalibrierschein

Wo Axiospec ins Spiel kommt

Axiospec ist eine Software für das Kalibriermanagement. Sie führt jeden Kraftaufnehmer mit seiner Kalibrierhistorie, seinen Kalibrierscheinen und dem nächsten Fälligkeitsdatum, und jede Kalibrierung nennt das verwendete Bezugsnormal. Eine Kalibrieraufzeichnung nimmt bis zu 100 Prüfpunkte auf. Jeder Punkt hat seinen Nennwert, seine Toleranz als absolutes Band, als Prozent vom Nennwert oder als Prozent der Messspanne, die Angabe, ob er aufwärts oder abwärts abgelesen wurde, und die Messwerte vor und nach der Justierung. Der Kalibrierschein, den Axiospec erstellt, führt diese Punkte auf.

Bei einer internen Kalibrierung setzt ein abschließender Messwert außerhalb seiner Toleranz das Ergebnis auf Nicht bestanden, und wer trotzdem Bestanden erfasst, muss eine schriftliche Begründung angeben. Ein Nicht bestanden sperrt den Aufnehmer. Ein Nicht bestanden oder ein Bestanden mit einem Messwert vor der Justierung außerhalb der Toleranz fordert Sie auf, festzuhalten, was der Aufnehmer seit seiner letzten einwandfreien Kalibrierung gemessen hat, und noch nicht dokumentierte Auswirkungen erscheinen unter Handlungsbedarf. Axiospec führt die Kalibrierung nicht durch, passt keine Kurve an und wählt weder die Klasse noch das Intervall. Das bleibt bei Ihnen oder Ihrem Labor.

Der Free-Tarif umfasst bis zu 50 aktive Messmittel. Ein neuer Arbeitsbereich startet mit einer 45-tägigen Testphase von Professional, mit Platz für 1.500 aktive Messmittel und ohne Kreditkarte. Wir übernehmen Ihre vorhandenen Aufzeichnungen für Sie kostenlos, in jedem Tarif.

• Kostenloses Arbeitsblatt für Messwerte vor und nach der Justierung
• Kostenlose Vorlage für den Kalibrierschein
• Live-Demo ansehen, ohne Anmeldung
• 45-tägige Testphase starten
• Tarife vergleichen