Wägezellen
Eine Wägezelle dient zur Bestimmung von Masse: Die vom Wägegut ausgeübte Gewichtskraft wird durch die Wägezelle in ein elektrisches Signal umgewandelt. Damit sind Wägezellen die wichtigsten Komponenten einer elektronischen Waage. Eine der am weitest verbreiteten Technologien basiert auf der Dehnungsmessstreifen-Technologie: Eine analoge Wägezelle besteht aus einem Messelement (sogenannten Federkörper) aus Stahl oder Aluminium, auf diesem ist ein Dehnungsmessstreifen (Wheatstonesche Brücke) angebracht. In jeder elektronischen Waage ist eine Wägezelle integriert, die dafür sorgt, dass ein Gewicht gemessen werden kann. Abgesehen davon werden Wägezellen in Industrieanlagen verbaut, wie etwa bei Abfüllanlagen, bei der Verwiegung von Silos oder für die Füllstandskontrolle von Tanks.
DMS-Wägezellen sind am weitesten verbreitet, aber es gibt noch andere Technologien zur Gewichtsbestimmung in der Wägetechnik wie etwa die EMFC, elektromagnetische Kraftkompensation, bei der die Massebestimmung komplett ohne Reibungsverlust abläuft.
Häufige Fragen
Was für Arten von Wägezellen gibt es und wie werden sie eingesetzt?
Es gibt viele unterschiedliche Arten von Wägezellen, die sich nach der Anwendung richten für die sie konzipiert wurden. Biegestab- oder Scherstabwägezellen werden oft z. B. in Plattformwaagen eingesetzt. Druckkraftwägezellen hingegen werden meist unter einer Konstruktion (Behälter, Silo usw.) installiert, die von oben mit einem Gewicht belastet wird und sind oft für höhere lasten vorgesehen. Bei Zuglast-Wägezellen hingegen wird ein Gewicht an die Wägezelle angehängt. Wägezellen sind der wichtigste Bestandteil einer Waage, sei es Plattform-, Boden- oder Tischwaage.
Wie funktioniert eine Wägezelle?
Das Material des Federkörpers ist zwar stabil, aber auch minimal elastisch. Das bedeutet: Wenn auf die Waage ein Gewicht gelegt wird, wirkt diese Kraft auf den Federkörper ein. Die Bezeichnung Federkörper rührt daher, weil sich das Material durch diese Einwirkung minimal verformt, aber wieder in die ursprüngliche Form zurückkehrt – beziehungsweise „federt“, sobald keine Kraft mehr auf ihn einwirkt. Es handelt sich um eine elastische Verformung des Messelements.
Diese Änderung wird durch die Dehnungsmessstreifen erfasst, der auf der Wägezelle angebracht ist. Unter einem Dehnungsmessstreifen, oder kurz „DMS“, versteht man einen elektrischen Leiter. Durch die feste Anbringung auf dem Federkörper wirkt sich jede Krafteinwirkung direkt auf den Messtreifen aus und verlängert oder verkürzt diesen. Bei Dehnung des Messtreifens wird der elektrische Widerstand größer, bei Stauchung hingegen kleiner. Diese Veränderung des Widerstandes verändert das Ausgangssignal der Wägezelle und ermöglicht damit zu bestimmen, welche Kraft auf die Wägezelle einwirkt – also welches Gewicht gerade verwogen wird.
Wichtige Eigenschaften von Wägezellen
Neben den verschiedenen Typen von Wägezellen unterscheiden sich diese bei den Herstellungsmaterialien, zumeist wird Aluminium und rostfreier Edelstahl verwendet. Neben dem Material gilt es aber auch die Umgebung, in der die Zelle zum Einsatz kommt, zu beachten: Besonders die Umgebungstemperaturen sind ein wichtiger Faktor: Jedes Material verändert sich durch Wärme oder Kälte, was auch für Wägezellen und Dehnungsmesstreifen gilt. Damit das exakte Gewicht angezeigt wird, muss die Wägezelle äußere Störeinflüsse ausgleichen können.
Besonders wichtig ist beim Thema Verwiegung die Genauigkeit: Wägezellen werden in unterschiedliche Genauigkeitsklassen klassifiziert. Diese werden in die Klassen A bis D unterteilt, wobei A die bestmögliche Klasse darstellt. DMS-Wägezellen werden meistens in den Klassen C und D produziert. Je nach Anwendungsgebiet sind die Anforderungen für die geforderte Genauigkeit unterschiedlich: So ist in der Pharmaindustrie etwa eine andere Genauigkeiten und Prozessmessunsicherheiten gefordert als bei Recycling oder Einzelhandel. Für spezielle Anforderungen bietet Minebea Intec zudem besondere Lösungen.
Für viele Produktionsanlagen ist zudem die sogenannte Eichfähigkeit wichtig: Eine eichfähige Wägezelle wird in Deutschland für den Einsatz im gewerblichen Bereich für alle eichpflichtige Anwendungen gefordert und sorgt dafür, dass die eingesetzte Wägetechnik auch die gesetzlichen Anforderungen erfüllt.
Wie sind die Dehnungsmessstreifen innerhalb einer Wägezelle angeordnet?
Der Aufbau einer Single Point Wägezelle ist durch zwei sogenannte Parallelogrammlenker charakterisiert, die an den beiden Seiten vom Grundkörper fixiert werden. Auf die Parallelogrammlenker sind jeweils zwei Dehnungsmessstreifen aufgeklebt. Durch die Dünnstellen werden die Parallelogrammlenker S-förmig verformt – aus der rechteckigen Grundform wird ein Parallelogramm. Diese Parallelogrammlenkerstruktur sorgt dafür, dass außermittige Belastungen kompensiert werden und die Lasteinleitung stets senkrecht ausgeübt wird. Somit lassen sich Plattformwaagen bis zu einer gewissen Größe mit nur einer Wägezelle realisieren.
Welche Prüfvorschriften gibt es für Single Point Wägezellen?
Für Single Point Wägezellen gibt es in der OIML R60 keine Prüfvorschrift zur Messung des Ecklastfehlers, da Wägezellen hier mit punktueller Krafteinleitung geprüft werden. Deshalb wird in einem Datenblatt einer Single Point Wägezelle die maximale Plattformgröße gemäß der OIML R76, also der Prüfvorschrift für nichtselbsttätige Wägeeinrichtungen, angegeben.
Für Waagen mit Single Point Wägezellen ist hingegen eine Kontrolle der Ecklast notwendig. Dieses Verfahren ist unabhängig von der Anzahl der Wägezellen unter der Plattform und wird gemäß der OIML R76 durchgeführt.
Die Prüfung wird dabei mit einer Last von einem Drittel des Messbereichs vorgenommen. Die Exzentrizität wird so definiert, dass bei einer rechteckigen Lastplatte diese in vier gleich große Quadranten aufgeteilt wird und das Gewicht jeweils in die Mitte dieser Quadranten gesetzt wird. Der Messfehler muss dabei unter einem Eichwert-Digit bleiben. Sollte die Ecklastprüfung ergeben, dass die Fehlergrenzen überschritten werden, muss die Wägezelle ausgetauscht werden.
Wie werden DMS vor Umwelteinflüssen geschützt?
Üblich ist es, bei Zellen aus Aluminium die Dehnungsmessstreifen zum Schutz gegen Umwelteinflüsse mit Silikon zu vergießen. Diese Vergussmasse wird großflächig auf dem jeweiligen Lenker der Parallelogrammführung aufgebracht. Silikon hat jedoch den Nachteil, für Wasserdampf durchlässig zu sein. Die meisten Trägerfolien (wie Acrylharz, Epoxidharz, Phenolharz, Polyamid) sind hygroskopisch, ebenso manche verwendeten Klebstoffe. Die Trägerfolie quillt bei Aufnahme von Wasser auf, was eine Dehnung zur Folge hat und damit einen Messfehler bewirkt.
Eine Möglichkeit, dies zu verbessern, ist, die Dehnungsmessstreifen metallisch zu kapseln. Dies kann im Bereich der Parallelogrammlenker oder mit einem zusätzlichen Verformungskörper umgesetzt sein. Bekannt sind hier Zellen, die einen innenliegenden Ring aufweisen, der zur Lastaufnahme und zur Fixierung angekoppelt und innerhalb der Parallelogrammlenker angeordnet ist.
Das Parallelogramm übernimmt dabei die Aufgabe, das Drehmoment bei exzentrischer Belastung aufzunehmen. Der Verformungskörper ist ausschließlich für die Dehnungsmessstreifen und die Messung der Dehnung optimiert. Der Verformungsköper wird dann verschweißt und ist durch diese metallische Kapselung wasserdampfdicht.
Gekapselte Edelstahlzellen sind prädestiniert für Umgebungsbedingungen mit hohen Anforderungen an den Schutzgrad bis IP69 und aggressiven Medien. Die Folie der Dehnungsmessstreifen ist komplett metallisch gekapselt, wodurch es keinen Einfluss von Luftfeuchte auf das Messergebnis gibt. Die Anschlusskabel sind meist mittels einer Glasdurchführung angebunden, um dem Anspruch an die hermetische Dichtheit gerecht zu werden.
Für den Anwender bedeutet dies, dass Aluminium/Edelstahlwägezellen mit Silikonkapselung primär in trockener und mittels Gehäuse gekapselter Applikationen zum Einsatz kommen sollten oder wenn der Feuchteeinfluss eine untergeordnete Rolle spielt. Weiter muss neben dem IP Schutz die gegebenenfalls zum Einsatz kommenden Reinigungsmittel berücksichtigt werden, eine höhere Schutzklasse zeugt meist von Nassreinigung mit chemischen Zusätzen. Auch eloxierte Aluminiumzellen bieten hier nur einen einschränkten Schutz, da bestimmt Bereiche, beispielsweise Gewindelochbohrungen, nicht eloxiert werden können.
Seit wann gibt es die DMS-Technologie?
Bereits 1856 stellte Lord Kelvin fest, dass sich der elektrische Widerstand von Kupfer- und Eisendrähten erhöht, wenn sie Zugspannungen ausgesetzt werden. Damit legte er die Grundlage für die Dehnungsmessstreifen-Technologie, was die Grundlage für die heutigen Single Point Wägezellen ist. Als Väter des DMS gelten jedoch Edward E. Simmons und Arthur C. Ruge. Interessanter Fakt: Ruge reichte das Patent für einen DMS 1938 beim MIT ein, wo er arbeitete. Deren Urteil: Da diese Entwicklung als „kommerziell wenig einträglich“ eingeschätzt wurde, durfte er das Patent und Einnahmen daraus für sich alleine beanspruchen. Heutzutage gelten DMS als unerlässlicher Bestandteil weltweit für alles, was mit industrieller Verwiegung zu tun hat.
How-to Guide Single Point Wägezellen
Mit nur einer Wägezelle zu hochgenauen Messergebnissen