Wie funktioniert eine Wägezelle mit Biegebalken?
Bei einem Messvorgang wirkt die Gewichtskraft auf den metallischen Federkörper der Wägezelle und erzeugt eine elastische Verformung. Diese Dehnung (positiv oder negativ) wird vom Dehnungsmessstreifen (DMS), der auf den Federkörper geklebt ist, in ein elektrisches Signal umgesetzt. Eine Wägezelle einfachster Bauart kann beispielsweise aus einer Biegefeder mit DMS bestehen. Häufig kommen zu den (zwingend notwendigen) Grund- Bestandteilen Federkörper und DMS zusätzliche Elemente (Gehäuse, Abdichtungselemente...) zum Schutz der DMS-Elemente hinzu.
Wägezellen mit einfachen Biegebalken
Zu den für viele Messaufgaben am besten geeigneten Typen gehören die Biegebalken-Wägezellen. Dort ist das Signal grundsätzlich vom Biegemoment abhängig. Wenn sich der Lasteinleitungspunkt in Längsrichtung des Biegebalkens bei gleicher Last ändert, entstehen unterschiedliche Signale. Daher ist der einfache Biegebalken in Wägezellen selten, weil besondere Maßnahmen erforderlich sind, um den Lasteinleitungspunkt konstant zu halten (Einfluss des Hebelarmes).
Abbildung 1: Prinzip des Doppelbiegebalkens
Wägezellen mit Mehrfach-Biegebalken
Für Lasten bis zu 5 t werden häufig Mehrfach-Biegebalken als Federkörper eingesetzt. Dieser Wägezellentyp wird durch die Anordnung von vornehmlich zwei (Doppelbiegebalken) oder drei (Triple Beam) Biegebalken charakterisiert. Sie sind an der Einspannungs- und an der Lasteinleitungsseite durch starre Bauteile gekoppelt. Durch die starre Koppelung werden eine rein vertikale Absenkung des Lasteinleitungspunktes und eine S-förmige Verformung der beiden Balken erzwungen.
Dieses System ist wesentlich weniger empfindlich gegen Verschiebungen des Lasteinleitungspunktes als ein einfacher Biegebalken. Durch die S-förmige Verformung treten an den Oberflächen Zonen positiver und negativer Dehnung dicht beieinander auf, die das Anbringen und Verschalten der DMS erheblich vereinfachen. Abbildung 2 zeigt verschiedene Ausführungsformen von Doppel-Biegebalken.
Abbildung 2: Doppel-Biegebalken-Federkörper
Biegebalken-Wägezellen von HBM
Die HBM-Typenpalette an Wägezellen setzt unterschiedliche Modifikationen von Biegebalken ein. Sie kommen in der Behälterverwiegung, im Anlagenbau und der Prozessverwiegung zum Einsatz. Für eine Vielzahl dieser Wägezellen mit Mehrfach-Biegebalken liegen Zulassungen, z.B. von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB), zum Einbau in Waagen für den eichpflichtigen Verkehr und im Ex-Bereich vor. Für den weltweiten Einsatz sind ebenfalls entsprechende Zertifikate verfügbar. Typische Biegebalken-Wägezellen von HBM sind Z6 und HLC, die sich wie folgt unterscheiden:
Z6/Z6R Wägezellen
Diese Wägezellen sind zylinderförmig aufgebaut und sehr weit verbreitet. 1972 von HBM entwickelt, hat sich Z6 als Standard etabliert und wurde weltweit millionenfach produziert. Die Wägezelle mit Nennlasten von 5 kg bis 1 t kommt in Plattformwaagen und Bandwaagen für Dosierung und Füllstandsmessung zum Einsatz sowie in Wägemodulen, etwa zur Behälterverwiegung. Der charakteristische Metallfaltenbalg schützt den sensiblen Messbereich.
Die eichfähige Biegestabwägezelle Z6R ist für Nennlasten von 20 bis 200 kg ausgelegt und mechanisch sowie elektrisch kompatibel zur Z6. Sie wurde speziell für den Einsatz in hygienischen Anwendungen oder rauer Umgebung entwickelt. Im Gegensatz zu Z6 verfügt sie nicht über einen Faltenbalg, sondern über einen hermetisch verschweißten Messkörper ohne Spalten und Kanten, der besonders leicht zu reinigen ist.
Bei den Z6/Z6R-Wägezellen werden die DMS auf dem ebenen Bereich im Dehnungsbereich (oberhalb oder unterhalb der beiden Durchgangsbohrungen) aufgebracht (siehe Bild 1 oder 2 (Nennlastabhängig) von Abbildung 2). Dann wird der Dehnungsbereich durch einen aufgeschweißten Edelstahlmetallbalg (Z6) oder durch ein stabiles Edelstahlrohr (Z6R) hermetisch dicht verschlossen.
HLC Wägezellen
Diese Wägezellen sind quaderförmig aufgebaut und für Nennlasten von 110 kg bis 10 t ausgelegt. Sie kommen in Behälter-, Dosier- und Plattformwaagen zum Einsatz sowie bei Füllstandsüberwachungen. Bei den HLC-Wägezellen sind die DMS in der Durchgangsbohrung des Messbereichs angebracht (siehe letztes Bild von Abbildung 2). Dieser Bereich wird anschließend durch aufgeschweißte Näpfe aus Edelstahl hermetisch verschlossen.
Weitere Bauformen
Neben Biegebalken gibt es verschiedene andere Bauformen von Wägezellen. Dies sind u.a.:
Wägezellen mit Zug-/Druckbelastung
Mithilfe von Zuglastwägezellen können hängende Lasten, wie z. B. Behälter verwogen werden. Typische Anwendungen sind die gravimetrische Füllstandmessung oder Dosieranwendungen mit angehängten Prozessbehältern. Drucklastwägezellen messen aufgebrachte Lasten z. B. in Fahrzeugwaagen, in der Silo- und Gusspfannen-Verwiegung oder in Abfüllwaagen.
Wägezellen mit Schub-/Scherbelastung
Scherstabwägezellen bieten gute Stabilität gegen Seitenkräfte. Die Scherdehnungen ändern sich nicht, wenn sich der Lasteinleitungspunkt innerhalb eines gewissen Bereichs bewegt. Somit ist das lastproportionale elektrische Signal vom Lasteinleitungspunkt unabhängig. Jedoch können Sekundäreffekte das Messergebnis beeinflussen.
Sonderformen wie z. B. Ringtorsion
Ringtorsionswägezellen besitzen eine sehr geringe Baugröße und sind aus diesem Grund in vielen unterschiedlichen wägetechnischen Aufgabenstellungen anwendbar. Die robuste Bauweise ermöglicht günstige Einbau- und Betriebsbedingungen auch unter rauen Umgebungsverhältnissen (aggressive Medien, Störkräfte, Temperatureinwirkungen). Wägezellen nach diesem Prinzip halten höheren Querbelastungen stand.
