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Wägezellen, Kraftsensoren zum Wiegen
Sie besitzen Federkörper, das sind Metallstücke, die sich unter Einwirkung von Gewicht leicht verformen, mit Dehnungsmessstreifen. Diese Verformung wird mit dem Dehnungsmessstreifen (DMS) aufgenommen und in ein elektrisches Signal transformiert. DMS sind extrem genau, langlebig und bieten eine gute Bandbreite für schnelle Messungen. Bei Wägezellen ist die beabsichtigte Belastung immer zum Erdmittelpunkt gerichtet, also in Richtung Schwerkraft aus. Für die meisten großen Messaufgaben in der Industrie stellen sie die beste Möglichkeit dar. Aber auch für hohe Präzision und als spezielle Einzellösungen ist diese Methode noch immer die beste Wahl. Rückführbarkeit mechanischer Größen auf nationale oder internationale Ebene mit äußerster Präzision macht diese Methode so wertvoll. Dabei spielen natürlich auch die Einfachheit sowie die niedrigen Kosten eine entscheidende Rolle. Wägezellen werden deswegen oft vom Ladentisch bis zum LKW-Waage eingesetzt. Der Messbereich reicht von ein paar 100 g bis zu mehreren 1000 Tonnen. Zu den Federkörpern zählen Doppelbiegebalken, Scherstab, Druckstab, Ringtorsionsfederkörper, Multibiegebalken-Federkörper und Membran-Federkörper.
Welche Eigenschaften haben Wägezellen?
Je nachdem, welcher Federkörper verwendet wird, haben auch die Wägezellen dementsprechende Charakteristika. Hohe Effizienz ist im Hinblick auf Abfüll- und Sortieranlagen unabdingbar, weil für das Verwiegen nicht viel Zeit bleibt. Ältere Wägezellen arbeiten mit Ölfüllungen als Dämpfung. Neuere Systeme bedienen sich einer Kombination aus mechanischen Wägezellen und elektronisch ausgerichteten Filtern im Messgerät, das nachgeschalten ist. Messtechnisch wird zwischen der Nennlast und der Grenzlast unterschieden. Erster ist jene Lastgrenze, bis zu der die Wägezelle verwendet werden soll. Unter Letzterer wird jene Last verstanden, unter deren Belastung der Aufnehmer bleibend zerstört wird. Der Kennwert ist das Ausgangssignal bei der Nennlast und beträgt meist 2 mV/V. Die Angabe einer Messabweichung erfolgt immer beim Einbau in eine Waage und gibt die Teilezahl an, die eine Waage mit dieser Wägezelle erzielen kann, z. B. 1000, 3000, 4000, 6000 oder 10000 Teile nach OIML. Bei Plattformwaagen ist die Eckenlastabhängigkeit wichtig. Dabei kommt es auf die Größe der auf die Wägezelle montierten Fläche an, wobei es zu keinen unzulässigen Abweichungen durch das Auflegen eines Gewichtes in einer der Ecken kommt. Belastungskriechen heißt, dass sich das Ausgangssignal während einer halben Stunde und Nennlast ändert. Das Verhältnis Ausgangswiderstand zu elektrischem Kennwert ist entscheidend.
Welche Arten von Wägezellen stehen zur Verfügung?
- Plattformwägezellen: Wägezelle unter einer Plattform; Belastung erfolgt durch Gewicht von oben
- Biegestabwägezellen: mehrere Wägezellen unter einer Stahlgestellt; Gewicht belastet von oben
- Druckkraft-Wägezellen: mehrere hochlastige Wägezellen unter einer Stahlgestellt; Gewicht belastet von oben
- Zuglast-Wägezellen: eine oder mehrere Wägezellen werden mit einem Gewicht belastet
Manche Wägezellen verfügen je nach Einsatzort und Anforderungen über ein außergewöhnliches Design oder Materialeigenschaften. Je nach Signalübertragung wird zwischen digitalen und analogen Wägezellen unterschieden. Digitale verfügen über eine eingebaute Elektronik. Analoge brauchen für die Verarbeitung der Messergebnisse zusätzlich einen Messverstärker.
Wägezellen und deren Dehnungsmessstreifen dehnen sich bei Wärme aus und ziehen sich bei Kälte zusammen. Es kommt zur Änderung des elektrischen Widerstands des Leiters, was für Messungen kontraproduktiv ist. Trotzdem sollen Wägezellen das richtige Messergebnis anzeigen. Deswegen hat jede Wägezelle eine Temperaturkompensation eingebaut. Wägezellen müssen allen Witterungseinflüssen, wie Regen, Eis, Schnee, Hitze, etc. trotzen. Darüber hinaus wirken noch andere Belastungen auf die Wägezellen, wie z. B. sogenannte „parasitäre Kräfte“. Das sind Kräfte, die von der Seite, von unten oder auf eine andere Art belasten. Dafür gibt es spezielle Einbauteile und Wägemodule, die diese parasitären Kräfte minimieren und trotzdem präzise Messergebnisse liefern.
Wägezellen und deren Anwendungen
Grundsätzlich wird zwischen eichpflichtigen und nichteichpflichtigen Bereichen unterschieden. Eichpflichtig sind alle Waagen im Handel, vor allem aber im Lebensmittelhandel. Wägezellen in diesem Bereich müssen vorgegebene Eigenschaften in Bezug auf Messabweichungen und Wiederholbarkeit vorweisen. Im Lebensmittelbereich ist es unabdingbar, dass die Wägezellen abwaschbar sind. In der chemischen Industrie müssen diese explosionsgeschützt sein.
Im nichteichpflichtigen Bereich werden Wägezellen bei Behälterwaagen oder Förderbandwaagen eingesetzt.
Für die industrielle Befüllung von Flaschen, Tüten oder Dosen werden ebenfalls Wägezellen genutzt. Natürlich trifft das auch auf das Befüllen von Tüten mit Süßigkeiten oder Chips zu. All das funktioniert mit präziser Gewichtsmessung. Wägezellen kommen aber immer mehr auch im Hochleistungssport zum Tragen. Triathlon- und Schwimmbekleidung werden mit Hilfe von Plattformwägezellen entwickelt. Diese messen den Wasserwiderstand von Schwimmanzügen bei Hochleistungssportlern.
Genauigkeitsklassen
Je nach Produkt kommt dem Gewicht mehr oder weniger Bedeutung zu. Bei Schüttgütern wie Sand oder Kies reicht die Genauigkeitsklasse D. Pharmazeutika müssen jedoch mit den weitaus höheren Klassen A oder B gewogen werden. Die meisten anderen Konsumgüter wie Fleisch oder Obst werden mit Genauigkeitsklasse C gewogen. Im Maschinenbau und bei Baustoffwaagen für Zusatzstoffe wird ebenfalls mit Klasse C gewogen. Je genauer die Wägetechnik funktioniert, desto größer die Produktivität der Füllprozesse. Die robuste, präzise und hygienische Wägezelle ist dabei die zentrale Komponente der Verwiege- und Verpackungsvorgänge.
Fazit
Wägezellen, die mit elektromagnetischer Kraftkompensation (EMK) arbeiten, punkten mit hoher Präzision gegenüber jenen, die auf Dehnungsmessstreifen basieren. Diese sind jedoch teuer, störanfällig und kompliziert, was die Inbetriebnahme betrifft. Deshalb werden Wägezellen, die mit Dehnungsmessstreifen arbeiten kontinuierlich weiterentwickelt. So konnte eine hohe Eigenresonanzfrequenz erzielt werden, die zur schnelleren Einschwingzeit führt. Das sogenannte Einlaufverhalten muss also nicht mehr berücksichtigt werden. Rauscharme und hochauflösende Messwerte sind das zufriedenstellende Ergebnis. Je nach Konstruktion und Nenngewicht sind sogar 100 bis 400 Messungen pro Minute möglich. Stecker garantieren einen einfachen und schnellen Austausch. Der Output wird bei hoher Präzision gesteigert, reduziert Überfüllungen in Bereichen, für die EMK-Wägezellen zu teuer sind. Das stabile Design sorgt für weniger Ausfälle. Die aktive Temperaturkompensation ist für die Überbrückung von Temperaturschwankungen in der Umgebung verantwortlich. Temperaturschwankungen beeinflussen Messprozesse in hohem Ausmaß. Deswegen ist die Temperaturkompensation enorm wichtig. Digitale Wägezellen ermöglichen den Einsatz von gravimetrischer anstatt volumetrischer Füllung von Behältern, was wiederum zu exakteren Füllergebnissen führt.
Das gravimetrische Prinzip besticht vor allem bei mikrobiologisch empfindlichen Gütern. Die hygienischen Voraussetzungen sind weitaus besser, weil der Sensor mit dem Füllprodukt nicht in direktem Kontakt kommt. Natürlich hängt der Einsatz der Methode von den bereits erwähnten Faktoren ab, aber dennoch führt nichts am Einsatz der Wägezellen vorbei. Ist die Technologie der Wägezellen, die auf Basis der Dehnungsmessstreifen arbeiten, nicht schon längst ausgereizt? Nein, noch lange nicht! Die Technologie erfreut sich weiterhin größter Beliebtheit, weil es momentan einfach nichts Besseres auf dem Markt gibt.