In diesem Artikel erläutert Stefan Schmidt, wie eine Wägezelle funktioniert. Was er mit Wägezellen verbindet:
"Immer wieder neue, interessante Aufgaben! Es wird nicht langweilig."
1. Aufbau und Funktionsweise
Wägezellen dienen dazu, Gewicht zu messen und sie sind ein fester Bestandteil unseres täglichen Lebens. „Ob in Personenwaagen oder an der Käsetheke im Supermarkt – Wägezellen begegnen uns überall“, sagt HBM-Produktmanager Stefan Schmidt. Natürlich sind sie meist nicht sofort zu erkennen, weil sie sich im Innenleben der Geräte verstecken.
In der Regel bestehen Wägezellen aus einem Federkörper, auf dem Dehnungsmessstreifen angebracht wurden. Der Federkörper besteht meist aus Stahl oder Aluminium. Dadurch ist er sehr robust, allerdings auch minimal elastisch. Wie der Name „Federkörper“ schon sagt, wird der Stahl bei Belastung geringfügig verformt, findet danach jedoch wieder in seine Ausgangsposition zurück – er federt also bei jeder Belastung. Diese kleinsten Veränderungen können mit Dehnungsmessstreifen (kurz: DMS) erfasst werden. Mithilfe einer Auswerteelektronik lässt sich dann schließlich von der Verformung des DMS auf das Gewicht schließen.
Um das zu verstehen, ist ein kurzer Exkurs zu den DMS nötig: Das sind elektrische Leiter, die mäanderförmig auf einer Folie aufgebracht und mit dieser fest verbunden sind. Zieht man an dieser Folie, wird sie – mitsamt dem Leiter – länger. Staucht man sie, wird sie kürzer. Dies führt zu einer Widerstandsänderung im elektrischen Leiter, aus der sich die Dehnung ableiten lässt, da der Widerstand bei Dehnung größer und bei Stauchung kleiner wird.
Die DMS sind fest mit dem Federkörper verbunden und machen so jede seiner Bewegungen mit. Dabei sind sie in einer sogenannten Brückenschaltung, genauer gesagt, der Wheatstone-Brücke, angeordnet (siehe Grafik). Das bedeutet, vier DMS sind „im Ring“ geschaltet und die Messgitter der zu messenden Kraft entsprechend ausgerichtet.
Wird ein Gegenstand auf die Wägezelle gelegt oder daran aufgehängt, lässt sich dessen Gewicht bestimmen. Bei einer Wägezelle ist die gewünschte Belastung immer in Richtung des Erdmittelpunkts, in Richtung der Schwerkraft orientiert. Nur dieser Kraftanteil der Belastung soll erfasst werden. Bei den ganz ähnlich aufgebauten Kraftaufnehmern ist das nicht der Fall: Sie sind meistens für die Erfassung der auftretenden Belastung in alle Richtungen konstruiert worden. Die Richtung der Erdanziehung ist für deren Einbau nicht relevant.
1.1 Auf die Anwendung kommt es an
Für unterschiedliche Anwendungen gibt es unterschiedliche Wägezellen-Typen. Gängig sind unter anderem:
- Plattformwägezellen, d.h. es befindet sich eine Wägezelle unter einer Plattform, die von oben mit einem Gewicht belastet werden
- Biegestabwägezellen, d.h. es befinden sich mehrere Wägezellen unter einer Stahlkonstruktion, die von oben mit einem Gewicht belastet werden
- Druckkraft-Wägezellen, d.h. es befinden sich mehrere hochlastige Wägezellen unter einer Stahlkonstruktion, die von oben mit einem Gewicht belastet wird
- Zuglast-Wägezellen, d.h. es wird an einer oder mehreren Wägezellen ein Gewicht aufgehängt
Außerdem punkten manche Wägezellen mit besonderen Eigenschaften, etwa durch ein spezielles Design oder Materialeigenschaften. Das kann je nach Branche wichtig sein, zum Beispiel, wenn Anlagen täglich intensiv gereinigt werden müssen. Einige Wägezellen halten solchen Belastungen problemlos stand, ohne beschädigt zu werden, andere nicht.
Darüber hinaus kann man Wägezellen durch die Art der Signalübertragung unterscheiden: Digitale Wägezellen haben eine eingebaute Elektronik, die die Messergebnisse verarbeitet und in aufbereiteter Form weitergibt. Bei analogen Wägezellen ist dafür ein weiteres Gerät – ein Messverstärker – notwendig.
Auf den nachfolgend dargestellten Wägezellen sind vier DMS angebracht, jeweils an der Stelle mit der stärksten Verformung bei Krafteinleitung. Der Pfeil zeigt die Richtung der Krafteinleitung an.
1.2 Was bei Wägezellen außerdem wichtig ist
Eine Besonderheit bei Wägezellen ist, dass die Umgebung, in der sie genutzt werden, eine entscheidende Rolle spielt – in mehrfacher Hinsicht.
Umgebungstemperaturen
Jedes Material verändert sich mit der Temperatur, dehnt sich etwa bei Wärme aus und zieht sich bei Kälte zusammen. Das gilt natürlich auch für die Wägezellen und ihre Dehnungsmessstreifen. Dadurch ändert sich auch der elektrische Widerstand des Leiters. Dennoch sollen Wägezellen überall auf der Welt, egal bei welcher Temperatur, das richtige Gewicht messen. Um das zu gewährleisten, ist in jeder HBM-Wägezelle eine ausgeklügelte Temperaturkompensation eingebaut.
Wägezellen müssen einiges aushalten. „Man stelle sich eine LKW-Waage vor: Solche Waagen stehen im Freien. Ob Regen, Schmutz oder Hitze – Sie müssen den äußeren Umgebungsbedingungen standhalten. Und das weltweit: Eine Fahrzeugwaage in Sibirien zum Beispiel ist anderen Einflüssen ausgesetzt als eine in Südafrika. Aber eines haben sie gemein: Sie müssen für solche Umgebungen mit extremer Witterung ausgelegt und somit entsprechend robust sein“, sagt Stefan Schmidt.
Krafteinwirkungen in andere Richtungen („parasitäre Kräfte“)
Je nachdem, in welche technische Umgebung eine Wägezelle eingebaut werden soll – zum Beispiel in eine Anlage zur Behälterverwiegung oder in eine Waage unterm Fließband –, können neben dem Gewicht noch andere Belastungen auftreten. Von „parasitären Kräften“ spricht man, wenn die Wägezelle nicht nur in die gewünschte Hauptrichtung, sondern auch seitlich, von unten oder auf eine andere Art belastet wird. Dafür ist die Wägezelle nicht entwickelt und die Messergebnisse können ungenau oder schlichtweg falsch sein. Daher muss beim Einbau darauf geachtet werden, dass möglichst keine parasitären Kräfte wirken. HBM Wägezellen-Einbautteile und Wägemodule helfen dem Anwender, diese parasitären Kräfte zu minimieren und zu präzisen Messergebnissen zu gelangen.
2. Wägezellen im Einsatz
Natürlich werden Wägezellen oft in Waagen verbaut. Aber es gibt noch viele weitere Anwendungen. Man denke an Abfüllanlagen, bei denen Flaschen oder Dosen nach Gewicht befüllt werden – unter jeder eine Wägezelle. Oder Sortieranlagen, bei denen Süßigkeiten oder Kartoffeln so auf Tüten verteilt werden, dass am Ende überall das gleiche Gewicht drinsteckt.
"Es ist erstaunlich, wie viele Anwendungen eine Gewichtsmessung erfordern." - Stefan Schmidt
Und es gibt noch ungewöhnlichere Verwendungen für Wägezellen, wie Schmidt berichtet: „Unsere Plattformwägezelle PW15iA wird zum Beispiel zur Entwicklung von Hochleistungs-Triathlon- und Schwimmbekleidung eingesetzt: Sie misst den Wasserwiderstand von Anzügen für Weltklasseschwimmer.“
2.1 Genauigkeit
Ganz gleich, bei welcher Anwendung eine Wägezelle zum Einsatz kommt – die Genauigkeit spielt eine extrem große Rolle. Wägezellen sind in verschiedenen Nennlasten (die Nennlast bezeichnet die maximal vorgesehene Last) und Genauigkeitsklassen verfügbar. Mit der DMS-Technologie werden überwiegend die Klassen C und D erreicht. Bei einigen Waagen in höheren Genauigkeitsklassen werden DMS-Wägezellen mit elektronischer Korrektur eingesetzt.
"Gewicht hat eine tragende Rolle in der Industrie, denn Güter werden vor allem über das Gewicht verkauft." - Stefan Schmidt
Die Verwiegung ist daher streng reguliert. Je nach Ware dürfen unterschiedliche Waagen verwendet werden: Bei Gütern mit geringerem Wert (wie zum Beispiel Sand oder Kies) muss die Waage nicht extrem präzise sein – der Einsatz einer Wägezelle mit Genauigkeitsklasse D ist ausreichend. Geht es hingegen um Pharmazeutika, sind die höchsten Genauigkeitsklassen A oder B erforderlich. Die meisten gängigen Konsumgüter wie Fleisch, Obst oder Gemüse werden mit der Genauigkeitsklasse C verwogen, die bereits hohe Anforderungen an die Genauigkeit des eingesetzen Wägesystems stellt. Aber auch im Maschinenbau oder bei Baustoffwaagen für Zusatzstoffe ist Genauigkeitsklasse C erforderlich.
Die strikten Regularien und Normen bei der Verwiegung stellen Wägezellenentwickler immer wieder vor Herausforderungen. Die Abweichung der Genauigkeit der Wägezellen darf in den höheren OIML-Genauigkeitsklassen nur einige millionste Teile (ppm = parts per million) des Messbereichs der Wägezelle betragen. „Es ist beeindruckend, wie genau man mit einem Stück Stahl und einem darauf aufgeklebten DMS messen kann“, so Stefan Schmidt. "Ohne das notwendige Know-how ist dies nicht zu erreichen. In den letzten Jahren konnte bei HBM systematisch eine Erhöhung der erzielten Genauigkeiten bei vielen Wägezellen erreicht werden. Ein kontinuierlicher Entwicklungsprozess, der sich stets fortsetzt."
2.2 Justage, Kalibrierung und Eichung
Um sicherzugehen, dass die Wägezelle vor Ort auch wirklich funktioniert wie sie soll, wird sie nicht nur im Werk justiert und kalibriert, sondern meist am Einsatzort geeicht. Bei der Kalibrierung und der Eichung wird die Wägezelle kontrolliert mit bekannten Gewichten belastet. Liegt ein Kilo auf der Wägezelle oder Waage, sollte sie das – je nach Genauigkeitsklasse – auch anzeigen. Und nicht etwa 857 Gramm. So können auch unerwünschte Einflüsse wie parasitäre Kräfte entdeckt werden.
Ausblick
Wägezellen auf Basis von Dehnungsmessstreifen sind vielfältig einsetzbar und zeichnen sich durch hohe Genauigkeit aus. Diese Präzision wird nur durch das entsprechende Know-how erreicht, das wiederum auf Erfahrung basiert. HBM blickt auf über 65 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Wägezellen zurück und arbeitet stets an neuen Lösungen, um den Anforderungen von morgen gerecht zu werden.
„Vor zehn Jahren wurden wir von Kunden oft gefragt, was nach der DMS-Wägezellen-Technologie kommen würde, da diese bewährte Technologie nun doch ausgereizt wäre. Diese Frage haben wir uns natürlich auch gestellt“, so Stefan Schmidt. „Im Rahmen unserer Untersuchungen haben wir jedoch festgestellt, dass die DMS-Technologie bei weitem noch nicht ausgereizt ist und noch unzählige weitere Möglichkeiten bietet, mit denen unsere Sensoren und damit die Produkte unserer Kunden entscheidend verbessert werden können.“ Präziser, robuster, schneller, intelligenter - ein Ende der technologischen Entwicklung von Wägezellen ist also nicht abzusehen.