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Single Point Wägezellen: Mit nur einer Wägezelle zur präzisen Verwiegung

Single Points zählen zu den meist verbreitetsten Wägezellen weltweit. Im Gegensatz zu anderen Kraftsensoren kann bei diesen Produkten die Kraftaufnahme an verschiedenen Punkten erfolgen, ohne das Messergebnis zu verfälschen – dies wird durch das integrierte Parallelogramm sichergestellt. Mit nur einer Wägezelle sind so hochpräzise wägetechnische Anwendungen realisierbar.

Single Point Wägezellen eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen und werden primär von Anlagenbauern für produzierende Industriebereiche sowie für den Einbau in industriellen Waagen genutzt. Der Anwender profitiert dabei durch die einfache Auslegung von Wägeapplikationen aufgrund der Verwendung von nur einer Wägezelle. Doch wie kam es eigentlich zum Siegeszug des Produktes? Die Geschichte der Single Point Wägezelle hat ihren Anfang mit der Erfindung des Dehnungsmessstreifens.

Dehnungsmessstreifen: Die Basis jeder Wägezelle

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 DMS-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. Dehnungsmessstreifen zählen allerdings zu der am weltweit meist genutzten Technologie in der industriellen Verwiegung.

Was die Single Points jedoch im Vergleich zu anderen Wägezellen, wie sie etwa in der Verwiegung von Behältern und Silos zum Einsatz kommen, ist der spezielle Aufbau mit integriertem Parallelogramm und die damit verbundene Möglichkeit der exzentrischen Belastung. “Obwohl es Single Points bereits seit Jahrzehnten gibt, sind sie auch heute noch in der Industrie nicht mehr wegzudenken.” So Product Manager Yannick Salzmann. “Durch die Parallelogrammlenker und die daraus resultierende Möglichkeit, Lasten auch abseits der Plattformmitte präzise zu verwiegen, bieten Single Point Wägezellen einen großen Mehrwert für eine Vielzahl von Einsatzzwecken und Industriebereichen, sowohl für nicht-eichfähige als auch für eichfähige Anforderungen.” Erklärt Salzmann.

Exzentrische Belastung: Wie Single Points für hochpräzise Wägeergebnisse sorgen

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 typischerweise jeweils zwei Dehnungsmessstreifen aufgeklebt. Durch die Dünnstellen werden die Parallelogrammlenker bei Krafteinwirkung 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. Vor der Investition müssen allerdings noch grundlegende Fragen geklärt werden, um die passende Wägelösung zu finden.

Das Grundkörpermaterial: Aluminium oder Edelstahl?

Für den Einsatz in verschiedenen Applikationen mit unterschiedlichen Umgebungseinflüssen müssen die Materialen des Grundkörpers passend dazu ausgewählt werden. Es gibt grundsätzlich zwei Materialien, die hier zum Einsatz kommen: Aluminium oder Edelstahl.

Aluminium weist eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringen „Kriecheffekten“ (die zeit- und temperaturabhängige viskoelastische oder plastische Verformung) bei Belastung auf. In Verbindung mit den geringen Alterungseigenschaften bei typischen Einsatztemperaturen von -20° bis 65° C ist es damit für die Verwendung als Grundkörpermaterial am besten geeignet und bietet eine höhere Messgenauigkeit im Vergleich mit Edelstahl. Weitere Vorteile liegen im schnellen Ausgleich von Temperaturgradienten, da Aluminium gegenüber Edelstahl eine deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit besitzt und damit Temperaturunterschiede, gerade an den Dünnstellen der Parallelogrammlenker, schneller ausgleichen kann.

Aluminium ist andererseits nicht sehr korrosionsbeständig gegenüber Chemikalien. Deshalb werden Grundkörper eloxiert (kontrolliert eine dicke, schützende und äußerst harte Schicht über ein Aluminium-Werkstück mittels anodischer Oxidation zu erzeugen), um die Eigenschaften gegenüber Umwelteinflüssen zu verbessern. Der Bereich der Dünnstellen wird nach dem Applizieren zum Schutz der Folie vergossen, meist mit einem Silikon, sodass in diesem Bereich der Korrosionsschutz gewährleistet ist.

Edelstahl: Wenn es hart auf hart kommt

Muss der Korrosionsschutz aufgrund der Umgebung, wie etwa der Chemie- oder Pharmaindustrie, weiter erhöht werden, wird rostfreier Edelstahl als Grundkörpermaterial verwendet. Die Korrosionsbeständigkeit wird durch diese Materialien deutlich erhöht. Wird der Sensor durch ein Gehäuse geschützt, wie dies zum Beispiel bei einer Tischwaage der Fall ist, ist eine Wägezelle aus Aluminium in den allermeisten Fällen ausreichend. Ungeachtet der Wahl des Grundkörpermaterials ist allerdings auch wichtig, dass die Dehnungsmessstreifen geschützt sind, um akkurate Messergebnisse sicherzustellen. “Der Schutz der Dehnungssmesstreifen ist essentiell: Wir bei Minebea Intec stellen mit einem breiten Portfolio sicher, dass für jeden Anwendungszweck die richtige Wägezelle dabei ist.”

Schutz der Dehnungsmesstreifen: Silikonvergießung oder Metallverkapselung

Die Wahl zwischen Silikonvergießung und Metallverkapselung entscheidet sich primär nach der Umgebung, in der die Wägezelle zum Einsatz kommt. Wenn die Aluminium- oder Edelstahlwägezelle primär in trockener und mittels Gehäuse gekapselter Applikationen zum Einsatz kommen soll, oder wenn der Feuchteeinfluss eine untergeordnete Rolle spielt, reicht eine Silikonvergießung aus.

Silikon hat jedoch den Nachteil, für Wasserdampf durchlässig zu sein. Die meisten Trägerfolien (wie etwa aus 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 daher, die Dehnungsmessstreifen metallisch zu kapseln. Dies kann im Bereich der Parallelogrammlenker oder mit einem zusätzlichen Verformungskörper umgesetzt sein. Gekapselte Edelstahlzellen sind prädestiniert für Umgebungsbedingungen mit hohen Anforderungen an den Schutzgrad bis IP69 und aggressiven Medien. Die Folie der Dehnungsmessstreifen ist hierbei 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.

Anwendungsgebiete von Single Point Wägezellen

Single Point Wägezellen kommen in einer Vielzahl von Geräten zum Einsatz. Die häufigsten Anwendungsgebiete sind dabei der Verbau in dynamischen oder statischen Kontrollwaagen, die zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie für klassische Aufgaben wie Kontrollverwiegung genutzt werden.

So sind Single Point Wägezellen die Basis für Plattformwaagen jeglicher Art, von kleineren Tischwaagen bis zu Bodenwaagen mit einer Größe bis zu 800 x 800 mm. Sie bestehen aus einer Grundplatte, auf der die Wägezelle verschraubt ist und einer Lastplatte, mit der die Wägezelle auf der Lastseite montiert wird. Vorteilhafterweise sitzt die Wägezelle zentrisch mittig, im Idealfall ist das Zentrum der Lastplatte in der Mitte der Wägezelle um die auftretenden Momente symmetrisch zu halten. Zusammen mit der richtigen Wägeelektronik bieten Plattformwaagen hochgenaue Ergebnisse für manuelle und automatische Wägeprozesse.

Eine dynamische Kontrollwaage, auch Checkweigher oder In-Line Kontrollwaage genannt, hat im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Waagen keine Lastplatte, sondern ein Förderband. Das Produkt wird während des Überlaufs über dieses Förderband verwogen. Sie dient bei der Produktion von Stückgütern zum Beispiel dazu, diese nach Gewichtskriterien, wie etwa den Eichanforderungen zu überwachen, zu sortieren (klassieren) oder gar (gewichtmäßig) zu beeinflussen, etwa durch korrigierende Regelung (Tendenzregler) von Füllmaschinen. Dynamische Kontrollwaagen werden unter anderem eingesetzt bei der 100% Kontrolle eines Produktstroms zur Prüfung dieser Produkte gegenüber gesetzlichen Vorgaben, Erstellung von Produktionsreports und gegebenenfalls Ausscheidung von fehlgewichtigen Produkten. Die Wägezelle tastet dabei mit einer hohen Messfrequenz die Gewichtswerte ab und nimmt die Messwerte des Wägeguts kurz vor dem Übergang auf das abführende Förderband zur Bestimmung des Gewichts.

Multitalent: Single Point Wägezellen im Einsatz

Darüber hinaus finden Single Point Wägezellen in nahezu jeder Form der industriellen Verwiegung statt, da die Wägezellen sich einfach integrieren lassen. Zwei Maschinen, die besonders in der Lebensmittel- sowie Baustoffindustrie zum Einsatz kommen, sind Rotationsfüller und Bandwaagen: Bei einem Wägefüller findet die Abfüllung direkt in die Verpackung / Behälter statt. Es wird also in die finale Verpackung dosiert. Die Verpackung wird dabei auf eine Wägeplattform gestellt, die jeweils mit einer Wägezelle verbunden ist. Mehrere dieser Plattformen sind kreisförmig angeordnet und rotieren um den Kreismittelpunkt. Die gefüllte Verpackung wird danach weiter transportiert oder die Verpackung befindet sich auf einem Transportband, ähnlich einer Kontrollwaage und wird über dieses Transportband transportiert in einem Start/Stopp Zyklus. Möglich ist auch, dass die Wägezellen kreisförmig angeordnet sind und beim Abfüllen mit den jeweils einer Wägezelle zugeordneten Füllköpfen rotieren. Dabei werden in einem Kreissegment die leeren Verpackungen unterhalb des jeweiligen Füllkopfes eingeführt, der Füllkopf über einem Kreissegment gefüllt und dann, beispielsweise, nach einer 270° Drehung, der Füllkopfinhalt in die Verpackung abgeworfen (beispielsweise durch Öffnen von Klappen), sodass die Verpackung am Ende gefüllt herausgeführt wird.

Bandwaagen haben statt eines Förderbandes eine oder mehrere nicht aktiv angetriebene Rollen auf eine Wägezelle gebaut, welche in einem Gurtförderer installiert sind. Über diesen Gurt werden die Güter, meist Schüttgut gefördert, wodurch ein kontinuierlich der Massenstrom erfasst werden kann.

Neben diesen beiden Anwendungen gibt es noch zahllose weitere Anwendungsfälle, wie zum Beispiel Mehrkopfwaagen, Differenzialdosierwaagen oder In-Prozess Verweigung, was die Vielseitigkeit der Single Point Wägezellen unter Beweis stellt. „Single Point Wägezellen sind der ideale Alleskönner: Mit unserem Portfolio decken wir alle Laststufen zwischen 300 Gramm und 750 Kilogramm ab. Sämtliche Wägezellen sind in Schutzklassen zwischen IP65 und IP69 verfügbar und somit auch für den Einsatz bei herausfordernden Umgebungsbedingungen geeignet. Wir arbeiten beständig daran, unser Portfolio auszuweiten, um auch bei Single Point Wägezellen unserem Claim „the true measure gerecht zu werden.“ gibt Product Manager Salzmann einen kleinen Ausblick in die Zukunft.

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