Konstruktive Ausführung von Behälterwägesystemen

1. Vorbetrachtungen

Bei der Ausrüstung von Behältern mit Wägezellen sind einige wesentliche Grundregeln zu beachten. So sind Behälter häufig witterungsbedingten oder produktionsspezifischen Einflüssen unterworfen. Bei der Neuerrichtung von im Freien stehenden Behältern (Silos, Kohlenbunker o.ä.) handelt es sich um Bauwerke, für die einschlägige baurechtliche Vorschriften zu beachten sind. Aber auch beim nachträglichen Einbau einer Wägevorrichtung sieht das Baurecht dies eventuell als eine “wesentliche Veränderung” an. In diesen Fällen ist die Beratung durch einen Baustatiker zu empfehlen. Baurechtliche Vorschriften definieren bei Sicherheitsbetrachtungen in der Regel den “Stand der Technik”. Das ist zum Beispiel für Windlasten die DIN 1055 Teil 4 “Lastannahmen bei Bauten”.

Der Projekteur einer Behälteranordnung sollte sich gleichfalls über spezielle, oft firmeninterne Festlegungen informieren. So müssen Behälter auch in überdachten Bereichen häufig gegen Abheben gesichert sein, wenn sie mit gefährlichen Inhalten gefüllt sind und beispielsweise Gabelstaplerbetrieb vorgesehen ist.

2. Lastaufteilung

Eine optimale Anordnung der Wägezellen bei der Gewichtsbestimmung von Behältern ist dann erreicht, wenn der Behälter auf drei Auflagepunkten steht und an jedem Auflager eine Wägezelle angeordnet ist. Diesen Zustand bezeichnet man als statisch bestimmt. Dabei sollte sich die Gesamtbelastung möglichst gleichmäßig auf die drei Wägezellen verteilen. Bei stehenden oder hängenden zylindrischen Behältern wird diese Forderung am besten erfüllt, wenn die drei Wägezellen mit gleichem Abstand von der vertikalen Behälterachse und in einer Ebene um 120° gegeneinander versetzt angeordnet sind. Bei liegenden Behältern wird die Anordnung der Auflagepunkte entsprechend Bild 1 festgelegt.

Sind in einer Anlage nicht alle Auflager mit Wägezellen ausgerüstet, so empfiehlt sich eine ungleichmäßige Verteilung der Auflagerbelastung. Die Auflager mit Wägezellen sollten dabei höher belastet werden als die Auflager ohne Wägezellen. Durch diese Maßnahme kann die Gesamtgenauigkeit der Wägevorrichtung verbessert werden. Bei der Konzeption der Anlage und der Auswahl der Wägezellen sollte eine möglichst gleich große Belastung der verwendeten Wägezellen angestrebt werden.

Abbildung 1 Anordnung der Auflagepunkte A, B und C bei liegendem Behälter

Wird ein Behälter an vier oder mehr Punkten abgestützt, so liegt eine statisch überbestimmte Auflagerung vor. Für diesen Anwendungsfall müssen alle Auflagepunkte mit Wägezellen versehen sein. Die gleichmäßige Aufteilung der Belastung auf die einzelnen Aufnehmer lässt sich dabei nur bei der Montage erreichen. Zu diesem Zweck müssen die Aufnehmerbelastungen einzeln gemessen und bei unzulässigen Differenzen die betroffenen Wägezellen in ihrer Höhenlage (zum Beispiel durch Ausgleichsbleche) verändert werden. In der Regel befinden sich Wägezellen mit zu geringer Belastung diagonal gegenüber.

Abbildung 2 Schwerpunktverteilung eines Behälters mit schrägem Auslaufboden in Abhängigkeit von der Füllmenge

3. Schwerpunktlage eines Behälters

Der Schwerpunkt eines gefüllten Behälters sollte im Idealfall nicht höher liegen als die Auflagepunkte des Behälters, was aber häufig nicht umzusetzen ist.

Aus Gründen der Stabilität ist es dann vorteilhaft, wenn sich der Schwerpunkt unterhalbder Auflagepunkte befindet. Die Lage des Schwerpunktes als Funktion der Füllstandshöhe hat maßgeblichen Einfluss auf die Anzahl der zu verwendenden Wägezellen. Bei einer zur Anordnung der Wägezellen symmetrischen Befüllung ist der Aufbau einer Wägevorrichtung ggf. mit einer Wägezelle möglich, da sich die Lage des Schwerpunktes auf einer vertikalen Linie bewegt (s. hierzu auch 6.3). Wandert der Schwerpunkt bei Änderung der Befüllmenge auch seitwärts, so sind alle Auflager mit Wägezellen zu versehen. Kipp- und Festlager kommen für derartige Anwendungen nicht in Frage!

Bild 2 soll die Notwendigkeit der Verwendung von Wägezellen an allen Auflagepunkten bei einer Veränderung der Schwerpunktlage verdeutlichen.

Abbildung 3 Lange horizontale Rohrverbindung

4. Versorgungsanschlüsse an Behältern

Behälter benötigen häufig Versorgungsanschlüsse, zum Beispiel für die Zu- und Abführung des Inhaltes und für die elektrische, hydraulische oder pneumatische Versorgung der am Behälter befindlichen Zusatzaggregate.

Diese Versorgungsanschlüsse können zu Kraftnebenschlüssen führen, die sich als Fehler auf die Messgenauigkeit der Wägevorrichtung auswirken. Versorgungsanschlüsse müssen in vertikaler Richtung nachgiebig sein. In den Bildern 3 bis 7 sind einige Beispiele für die günstige Gestaltung von Versorgungsanschlüssen gezeigt. Diese Aspekte sollten auf jeden Fall bereits in der Konzeptions- und Projektierungsphase aus ökonomischen Gründen unter allen Umständen berücksichtigt werden.

Bei der Verwendung von starren Rohren ohne flexibles Zwischenglied empfiehlt es sich, den Behälter über ein möglichst langes waagerechtes Rohrstück anzuschließen, welches jedoch einen Dehnungsausgleich in Längsrichtung haben sollte (Bild 3). Das waagerechte Rohrstück wirkt in der Vertikalen federnd und mit zunehmender Länge weicher. Die ausgeübte mechanische Kraft des Rohres in Form einer Pseudolast (Zug oder Druck) auf die Wägezellen wird entsprechend klein und ist für die Messgenauigkeit nicht mehr relevant.

Anstelle einer langen Rohrführung können auch mehrere biegeweiche Kupplungen verwendet werden (Bild 4). Gute Ergebnisse werden im Hinblick auf die Vermeidung von Kraftnebenschlüssen mit Schlauchanschlüssen aus leicht verformbaren elastischen Werkstoffen erzielt. Hier ist die Verträglichkeit der elastischen Werkstoffe mit den Befüll- bzw. auch Reinigungsmaterialien (zum Beispiel in der Lebensmittel- bzw. Pharmatechnologie) des Behälters zu prüfen.

Eine weitere Möglichkeit zur Verringerung unerwünschter Kraftnebenschlüsse durch Anschlussrohre wird mit der Anordnung eines Rohrbogens (Bild 5) erzielt. Für Fälle, bei denen eine vertikale Rohrzuführung, also in Richtung der zu messenden Gewichtskraft, erforderlich ist oder Schlauchverbindungen nicht eingesetzt werden können, haben sich Rohranschlüsse über Kompensatoren (zum Beispiel Metallfaltenbälge) bewährt (Bild 6). Beim Einbau eines solchen Kompensators sind enge Einbautoleranzen einzuhalten. Beim Einsatz eines zweiten Metallfaltenbalges, der mit dem ersten über ein Rohrstück verbunden ist, lassen sich auch größere Toleranzen ausgleichen. Metallfaltenbälge sind in einigen reinigungsintensiven Bereichen der Lebensmittelindustrie nicht zulässig.

Der in Bild 7 dargestellte offene Anschlussstutzen stellt hinsichtlich der Verringerung von Kraftnebenschlüssen die beste Lösung dar. Beim offenen Anschlussstutzen wird eine Berührung zwischen Rohr und Behälter vermieden. In geschlossenen Systemen, beispielsweise bei Druckbehältern, ist diese Form nicht verwendbar.

Es ist stets darauf zu achten, dass auch das Material in den Anschlussleitungen anteilig mitgewogen wird. Der Füllzustand der zu- und abführenden Leitungen, die direkt mit dem Behälter verbunden sind, sollte deshalb bei der Wägung reproduzierbar sein. Das heißt: Die Leitungen sollten bei der Messwerterfassung entweder stets leer oder stets voll sein.

5. Druckbelastete Behälter

In geschlossenen Anlagen kann der Druck im System das Wägeergebnis beeinflussen. Besonders in der chemischen Industrie sind teils sehr hohe Überdrücke für den Prozess erforderlich. Absauganlagen bei staubförmigem Wägegut erzeugen dagegen Unterdrücke von 100 ... 300 mbar. Sind die Rohrleitungen vertikal an den Behälter angekoppelt, wie in den Bildern 5 und 6 dargestellt, dann entsteht eine Kraft, die direkt in das Messergebnis eingeht. Der Einfluss entspricht dem Produkt von Druck und Querschnittsfläche der Rohrleitung. Bei konstanten Druckverhältnissen während des Wägevorganges kann dieser Betrag bei der Messung berücksichtigt (verrechnet) werden. Eine horizontale Leitungsführung ist vorteilhafter und der vertikalen Rohranbindung in jedem Fall vorzuziehen. In diesem Fall werden die entstehenden parasitären Kräfte durch die Einbauhilfen aufgenommen.

Abbildung 13 Rechteckbunker auf vier Wägezellen

Abbildung 8 Stehender Behälter im starren Einbau mit einer Wägezelle

Abbildung 9 Stehender Tank mit zwei Festlagern und einer Wägezelle mit Ausgleich

Abbildung 12 Anordnung von Einbaumodulen bei einem Flanschbehälter

6.1 Ausführungsbeispiele für die Anordnung und den Einbau von Wägezellen

Typische Behälterkonstruktionen werden beispielhaft stilisiert dargestellt. Im Einzelfall erforderliche konstruktive Details und Hinweise zu Problemen können in den betreffenden Kapiteln detailliert nachgelesen werden.

6.1 Stehende Behälter

Bei Flüssigkeiten und Schüttgütern mit zentraler Befüllung sind Anordnungen mit zwei Festauflagen und einer Wägezelle möglich. Vorausgesetzt die Behälter sind symmetrisch aufgebaut, sodass die Schwerpunktlinie der Inhalte über den gesamten Füllstandsverlauf entsprechend der geforderten Genauigkeit näherungsweise eine vertikale Linie bildet. In allen anderen Fällen, insbesondere auch bei höheren Genauigkeiten, ist die Anordnung von bevorzugt drei, unter Umständen auch mehr Wägezellen erforderlich.

6.1.1 Starrer Einbau einer Wägezelle

Diese einfache Konstruktion auf Träger und starr eingebauter Wägezelle ist nicht zu empfehlen. Problematische Rückwirkungen auf die Wägezelle ergeben sich allein aus der Konstruktion. Denn infolge der Verformungen bei Änderung des Füllstands sowie bei Erschütterungen oder Temperaturänderungen können Beeinflussungen der Wägezellen im Allgemeinen nicht ausgeschlossen werden. Dennoch findet man sie in Einzelfällen vor.

6.1.2 Stehender Tank auf zwei Festlagern und Wägezelle mit Ausgleich

Diese Füllstandsmessung verwendet eine Wägezelle in pendelnder Anordnung und zwei Festlager, die zugleich die horizontale Behälterfesselung übernehmen. Diese preiswerte Konstruktion hält die Wägezelle von unzulässigen Einwirkungen frei.

6.1.3 Hoher Rundsilo auf drei oder vier Wägezellen

Genaue Füllstände werden meistens auf drei Wägezellen gemessen; doch sind sie in rechtecksymmetrischen Konstruktionen auch in Viereranordnungen zu finden, obgleich diese Anordnung der statischen Überbestimmtheit und des höheren Preises wegen prinzipiell ungünstiger sind. Andererseits sind sie leichter in die Konstruktion einzubringen. Die selbstzentrierenden Elastomerlager benötigen keine Lenker, sondern werden meist mit festen Anschlägen kombiniert. Bei sehr hohen Behältern sind jedoch im oberen Bereich zusätzliche Lenkerführungen erforderlich, die im Beispiel als Rundstabzuglenker mit lockerer Vorspannung und Konterung ausgeführt sind. Festanschläge würden an dieser Stelle bei geringster, unvermeidbarer Fehlstellung stets berührt und daher über die Berührungsreibung zu Kraftnebenschlüssen führen. Seltener werden alternativ Rollenanschläge oder Seillenker eingesetzt.

6.1.4 Rundsilo auf drei Einbaumodulen

Drei Einbaumodule, deren integrierte Lenker tangential am Umfang der Konstruktion angreifen, führen den Behälter ohne weitere Maßnahmen horizontal stabil. Die ebenfalls im Einbaumodul untergebrachte Abhebesicherung verhindert ein Umstürzen. Somit entfallen im äußeren Aufbau mehrere konstruktive Details. Zusätzlich sind typische Einbaumodule für kleinere, mittlere und größere Lasten hier beispielhaft angegeben. Diese Konstruktion vereinfachenden standardisierten Elemente können erheblichen konstruktiven Aufwand einsparen; doch konstruktive Sorgfalt bei Parallelität der Auflageflächen, Höhenausrichtung usw. muss gleichfalls aufgewandt werden.

6.1.5 Flanschbehälter auf Einbaumodulen

Die äußere Hülle von in der Praxis häufig zu findenden Flanschbehältern reicht bis zum Boden und dient der Gesamtstandfestigkeit der Anordnung. Ein Aufstellen auf Wägezellen ist nicht ohne Weiteres möglich. Bild 12 zeigt eine Konstruktionsvariante, diese Behälter mittels Wägezellen zu verwiegen. Dieser Vorschlag ist auch bei schon bestehenden Anlagen relativ einfach umzusetzen.

Aussteifungen sind in die Behälterinnenwand montiert bzw. geschweißt. Über eine Pratze wird die Last biegesteif in die Wägezelle eingeleitet. Vorzugsweise sind auch hier Wägezelleneinbaumodule anzuwenden, da diese z. B. schon eine Abhebesicherung enthalten (im Bild 12 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt). Bereits eine geringe Anhebung der Konstruktion genügt, um die gesamte Gewichtskraft in die Wägezellen zu leiten. Die häufig geforderte Abdichtung des Systems wird durch einen kreisrunden Dichtungsring realisiert, der durch seine Flexibilität keinen Kraftnebenschluss bewirkt.

6.1.6 Rechteckbunker in Abfüllstation auf vier Wägezellen

Auf Abfüllstationen geht es infolge von Erschütterungen aus Transportanlagen, Schwingungen aus den angekoppelten Zufuhr- und Entnahmeeinrichtungen und, wenn der Wiegebunker Bestandteil beweglicher Anlagen ist, infolge von Beschleunigungen aus Fahrvorgängen sehr rau zu. Nicht zuletzt können grobe Schüttgüter beim Abwurf in den Behälter durch das Auftreffen auf schräge Seitenflächen erhebliche Querbeanspruchungen erzeugen. In solchen Fällen ist eine besonders stabile Lenkerfesselung vorzusehen, die fest vorgespannt werden muss. Gelegentlich wird der Wägebehälter außerhalb des Wägevorganges zusätzlich fixiert gehalten und nur zur Wägung freigegeben. Die Rechtecksymmetrie ist hier aus Stabilitätsgründen von Vorteil und wird deshalb auch meist in die Wägezellenanordnung übernommen. Zur Anwendung gelangen Wägezellen mit Elastomerlagern und wie im Beispiel Pendelwägezellen.

Abbildung 14 Hängender Behälter an drei Wägezellen

Abbildung 15 Hängender Behälter an einer Wägezelle

6.2 Hängende Behälter

An hängenden Behältern werden oft mit einfacheren biegeweichen Rundstabzugankern die Probleme der Zentrierung und Höhenjustage usw. beseitigt bzw. vereinfacht. Neben der stets erforderlichen Absturzsicherung sind jedoch Lenker gegen Pendeln und Verdrehung nötig.

6.2.1 Aufhängung an zwei oder drei Wägezellen

Die insgesamt einfache Konstruktion erfordert mehrere tangential angeordnete Lenker; in Fällen geringerer Beanspruchung kann deren Funktionen unter Umständen ein seitlicher unterer Rohrabgang übernehmen.

6.2.2 Zentrische Aufhängung an einer Wägezelle

In dieser Anordnung ist eine besondere Fesselung gegen Pendeln und Verdrehen unumgänglich.

6.3 Liegende Flüssigkeitsbehälter

In liegenden Flüssigkeitsbehältern ist die Bedingung, dass sich der Schwerpunkt des Inhalts in Abhängigkeit von der Füllmenge auf einer vertikalen Linie bewegt, meist mit genügender Annäherung erfüllt. Somit reicht die Anordnung einer Wägezelle unter dem einen Tanksattel und zwei Festlager unter dem anderen Tanksattel für einfachere Füllstandsmessungen aus.

Der idealisierte Tank liegt jeweils mit halbem Gewicht auf einer selbstzentrierenden Pendelwägezelle und auf zwei Festlagern auf. Weitere Fesselung ist unter normalen Umständen nicht erforderlich. Bei sehr langen Tanks können jedoch als zusätzliche Sicherung gegen das Umstürzen der Wägezelle durch seitlichen Stoß gegen den Tank Festanschläge zur Begrenzung der Seitenbewegungen an den beiden Enden des auf der Wägezelle aufliegenden Tanksattels vorgesehen werden.

In der Praxis wird jedoch die Verteilungssymmetrie des Inhalts oft durch eine bewusste geringe Neigung der Bodenlinie nach einer Seite und den dort angebrachten Auslauf gestört. Im Falle genauerer Wägungen löst eine selbstzentrierende Anordnung von drei Wägezellen die Aufgabe optimal, wobei die horizontale Fesselung am besten durch Festanschläge erfolgt.

Abbildung 16 liegender Flüssigkeitsbehälter mit einer Wägezelle C16 (schematisch)

HBM Wägezellen

Wägezellen von HBM