Wägezellen

Wägezellen

Die Wägezelle ist das „Herz“ jeder Waage und jedes  Wägesystems. Es handelt sich um hochgenaue Kraftaufnehmer, die dank modernster Technologie hochpräzise Ergebnisse ermitteln, die in vielen Branchen und Anwendungen nicht mehr wegzudenken sind.

Wägezellen dienen der Messung von Kraft und Gewicht in Zug- und Druckrichtungen. Sie sind nicht nur wichtigster, sondern auch empfindlichster Bestandteil elektronischer Wägesysteme. Um Wägezellen optimal einsetzen zu können muss der Anwender über Materie und Technologie genau informiert sein und deren Anwendungen verstehen. Wichtig ist zusätzlich, dass die richtige Wägezelle für den entsprechenden Anwendungsfall ausgewählt und verarbeitet wird.

Um eine langfristige Wägegenauigkeit der Zellen zu gewährleisten, müssen alle Faktoren, die Störungen bereiten können, berücksichtigt werden. Hierzu zählen Beanspruchung, Umgebung und Ausgabebedingungen. Schadhaft können für Wägezellen insbesondere mechanische Überlastung, Blitzeinschläge, elektrische Überlastung, eindringende Feuchtigkeit oder Chemikalien, Vibration oder Erschütterungen sein. Auch eine falsche Handhabung der Wägezellen wie zum Beispiel das Anheben am Kabel oder Fallenlassen können die Wägeergebnisse verfälschen.

Desweiteren ist bei der Auswahl von Wägezellen zu beachten, welche Nennlast, Genauigkeitsklasse, Ausgangssignal und Schutzklasse für Ihre Messung nötig ist. Hier sollten die Umgebungseinflüsse genauestens geprüft werden.

Zudem ist zu berücksichtigen welches Funktionsprinzip für Ihre Anwendung das Richtige ist. Aus diesem Grund gehen wir nachfolgend auf die Unterschiede der Wägezellen Typen ein:

DMS-Wägezellen (Dehnungsmessstreifen)

Um messbare Ergebnisse einer Wägezelle erhalten zu können muss ein Messelement in der Zelle verbaut sein. Dieses Messelement verformt sich proportional der wirkenden Kraft (Masse) und kann so elektrische Signale ausgeben. Die Messelemente sind standardmäßig aus vernickelten, hochwertigen Stahllegierungen, wärmebehandelten Edelstahl oder wärmebehandelten Aluminiumlegierungen hergestellt. Dehnungsmessstreifen messen die einwirkende Kraft in Form einer Widerstandsänderung. Die Dehnungsmessstreifen sind elektrisch als Wheatstone-Brücke geschaltet. Die Wheatstonesche Messbrücke ist eine Messeinrichtung zur Messung von elektrischen Wiederständen ohmscher Art und kleinen ohmschen Widerstandsänderungen. So ist es möglich die mikroskopisch kleinen Bewegungen in ein verwendbares Signal umzuformen. Für die Kalibrierung des Wägezellenausgangssignales werden passive Bauteile wie Widerstände und temperaturabhängige Drähte eingesetzt.

Scherstab-Wägezellen

Scherstab-Wägezellen sind die meist verwendete Art der Wägezellen. Sie werden für die Messung von mittleren bis hohen Lasten in sämtlichen Anwendungsbereichen eingesetzt. Solche Scherstab-Wägezellen sind bedeutend unempfindlicher gegenüber äußeren Einwirkungen, wie z.B. Seitenkräften, als Biegestab-Wägezellen.

Wie funktioniert eine Scherstab-Wägezelle?
Die Scherstab-Wägezelle ist auf den beiden seitlichen Oberflächen jeweils mit einem Sackloch versehen. Zwischen diesen Einkerbungen bleibt ein relativ dünner Steg stehen, auf dem die Dehnungsmessstreifen angebracht werden. Der Großteil der zu messenden Last wird von dem Steg getragen. An der neutralen Achse bildet die Belastung des Steges eine vertikale und horizontale reine Scherkraft.

Der Widerstandswert der Messstreifen, der durch die Scherkraft entsteht, ändert sich durch Dehnung bzw. Stauchung der Leiterbahn. Der Draht der Metallfolie wird länger, der Durchmesser kleiner und der Widerstand größer bzw. umgekehrt. Aus diesen Verformungswerten werden elektronische Signale gesendet, die durch Messumformer verarbeitet werden können.

Auf beiden Seiten des durch die Zylinderbohrungen entstandenen Steges befinden sich paarweise aufgeklebte, als Vollbrücke geschaltete Dehnungsmessstreifen. Da diese Messstreifen in den Vertiefungen aufwendig eingearbeitet wurden sind diese nach Vergießen optimal gegen Umwelteinflüsse geschützt.

Scherstab-Wägezellen für geringe Nennlasten sind besonders aufwendig herzustellen, da der Steg für präzise Wägeergebnisse sehr dünn sein muss. Scherstab-Wägezellen sind verhältnismäßig unempfindlich gegenüber dem Belastungspunkt und besonders widerstandsfähig gegenüber seitlich einwirkender Kräfte. Scherstab-Wägezellen besitzen eine sehr hohe Überlastsicherheit, da mechanische Begrenzungen wegen der geringen Verformung schwieriger realisierbar sind.

Biegestab-Wägezellen

Messelemente, die eine Biegekraft messen, werden in vielen Konfigurationen als industrielle Kraftaufnehmer eingesetzt. Biegestab-Wägezellen ermöglichen hohe Dehnungen bei relativ geringen Kräften und eignen sich deshalb ideal für niedrige Nennlasten.

Bei Biegestab-Wägezellen mit gleichförmigem Querschnitt der Biegeachse sind immer die Ober- und Unterfläche gleichen Kräften in unterschiedlicher Richtung ausgesetzt. Somit wird der Aufbau einer Vollbrückenschaltung ermöglicht, so dass die Temperaturkompensation vereinfacht wird.

Die meisten Wägezellen, die nach der Biegekraftmethode arbeiten, haben rechteckige Messelemente bzw. sind Doppelbiegestäbe. Bei Moment unempfindlichen Single-Point-Wägezellen bildet das Messelement ein einfaches Parallelogramm.

Die Methode der Biegekraftmessung bietet ausgezeichnete Linearität. Biegestab-Wägezellen ermöglichen im Vergleich zu anderen Messmöglichkeiten verhältnismäßig hohe Dehnungen und größere Verformungen. Das hat zur Folge, dass die Wägezelle zwar höheren statischen Belastungen ausgesetzt ist, mechanische Begrenzungen allerdings einfacher realisierbar sind. Die dynamische Überlastbarkeit ist wegen der typischen hohen Verformung der Biegestab-Wägezellen ausgezeichnet.

Druckkraft-Wägezellen

Druckkraft-Wägezellen können nach sämtlichen Methoden der Dehnungsmessung aufgebaut sein. Die säulenförmigen Wägezellen bestehen aus einem oder mehreren Gliedern, die die Verformungen messen. Um flache Druckkraft-Wägezellen herstellen zu können sind 3 oder mehr Säulen mit jeweils einem DMS-Satz zu verwenden, um die hohen Lasten tragen und messen zu können. Die entsprechenden Dehnungsmessstreifen aller Säulen sind in den jeweiligen Armen der Wheatstoneschen-Brücke in Reihe geschaltet. Als Resultat entsteht nicht nur ein niedrigeres Gesamtprofil, sondern auch eine bessere Leistung bei exzentrischen Lasten.

Säulenförmige Wägezellen unterliegen aufgrund der Durchmesser-Änderung bei der Verformung durch Belastung einem inhärenten Linearitätsfehler, den sogenannten Poissonschen Verhältnis. Dieses Poissonsche Verhältnis beschreibt das Verhältnis der Extension normal zum angelegten Stress und der Extension (Verkürzung) parallel der angelegten Kompression.

Aufgrund der relativ geringen Verformung dieser Druckkraft-Wägezellen sind diese sehr empfindlich gegenüber Schockbelastungen, verfügen aber gleichzeitig über verbesserte Spezifikationen hinsichtlich Kriechverhalten und Hysterese, da sie nicht dem für Biegestab- und Scherstab-Wägezellen typischen mechanischen Moment ausgesetzt sind.

Ringtorsions-Wägezellen

Ringtorsions-Wägezellen können durch ihren robusten und rotationssymetrischen Aufbau und ihrer besonders niedrigen Gesamthöhe in nahezu sämtlichen Anwendungen der Wägetechnik eingesetzt werden. In der Regel besteht solch eine Wägezelle aus rostfreiem Stahl und hermetisch dichter Kapselung durch Laserverschweißung. Für die Messung der Lasten ist eine Ringtorsions-Wägezelle mit vier in Vollbrückenschaltung angeordneten, kreisförmigen Dehnungsmessstreifen ausgestattet.

Aufgrund ihrer sehr geringen Verformung sind Ringtorsions-Wägezellen ideal für schnelles Wägen geeignet, jedoch auch empfindlicher gegenüber Schockbelastung. Ein mechanischer Überlastschutz ist durch den festen Abstand zwischen Lasteinleitungsring und Grundplatte gewährleistet.

Single-Point-Wägezellen

Single-Point-Wägezellen bzw. Plattform-Wägezellen fungieren nach dem Prinzip der Biegekraftmessung. Plattform-Wägezellen werden in Vier- oder Sechsleitertechnik hergestellt.

Nur Plattform-Wägezellen mit abgeglichenem Ausgang (Nennkennwert und Ausgangswiderstand) sind zur Parallelschaltung geeignet. Standardmäßig werden Plattform-Wägezellen auf Eckenlastempfindlichkeit geprüft und optimiert. So entstehen auch dann keine Messfehler, wenn die Plattform nur auf einer Ecke belastet wird.

Single-Point-Wägezellen eignen sich ideal für die einfache Montage von Plattformwaagen, Tisch/Kompaktwaagen, Ladenwaagen und dynamische Modelle.

Wartung von Wägezellen

Die Wartung von Wägezellen wird in vielen Firmen und bei den meisten Anwendern in den Hintergrund gestellt. Dabei kann regelmäßige Wartung der Wägezellen die Langzeitstabilität und –leistung erheblich erhöhen und mindert die Korrosionsanfälligkeit. Man unterscheidet zwischen routinemäßige Wartungen und der sogenannten  Ad-hoc-Wartung.

Routinemäßige Wartung

Eine in regelmäßigen Zeitabständen durchgeführte Wartung der Wägezellen und Komponenten. Schäden und Beeinträchtigung der Oberflächenbeschichtung sollten behoben und alle Kabel und Verbindungskästen geprüft werden.

Ad-hoc-Wartung

Wird nach unerwarteten Ereignissen wie z.B. Sturm, Überschwemmungen, Gewitter oder Erdbeben durchgeführt.