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Was ist eine Wägezelle?
Eine Wägezelle ist ein elektromechanischer Sensor, der zur Messung von Kraft oder Gewicht verwendet wird. Ihr einfaches, aber effektives Design beruht auf der bekannten Übertragung zwischen einer aufgebrachten Kraft, einer Materialverformung und dem Stromfluss.
Es handelt sich um äußerst vielseitige Geräte, die in einer Reihe von Anwendungen präzise und robuste Leistungen erbringen. Es überrascht nicht, dass sie für viele industrielle und kommerzielle Prozesse unverzichtbar geworden sind, von der Automatisierung der Automobilherstellung bis zum Wiegen Ihrer Einkäufe an der Kasse. Im Zuge des technologischen Fortschritts entstehen viele neue und interessante Anwendungen, die ebenfalls vom Einsatz von Wägezellen profitieren können. Neue Fortschritte in der Robotik, der Haptik und bei medizinischen Prothesen, nur um einige zu nennen, benötigen allesamt effektive Methoden zur Messung von Kräften und Gewichten. Es werden kontinuierlich neue Arten von Wägezellen entwickelt, um den Anforderungen dieses sich ständig verändernden Marktes gerecht zu werden.
Wie Wägezellen funktionieren
Hier ist eine schrittweise Anleitung zur Arbeitsweise und Funktion von Wägezellen:
- Befestigung der Wägezelle: Ein Ende der Wägezelle ist in der Regel an einem Rahmen oder einer Grundplatte befestigt, während das andere Ende frei ist, um das Gewicht oder das gewichtstragende Element anzubringen.
- Anwendung von Kraft: Wenn die Kraft auf den Körper der Wägezelle ausgeübt wird, verformt sie sich leicht unter der Belastung. Dies ist vergleichbar mit einer Angelrute, die sich biegt, wenn ein Angler einen Fisch am Haken hat.
- Proportionale Biegung: Wie eine Angelrute, die sich bei einem größeren, stärkeren Fisch stärker biegt, so verformt sich auch eine Wägezelle unter größerer Kraftanwendung stärker.
- Erfassung der Verformung: Obwohl die Verformung sehr subtil ist und mit bloßem Auge nicht sichtbar ist, wird sie doch von den Dehnungsmessstreifen erkannt.
- Messung der Verformung: Um die Verformung zu messen, werden Dehnungsmessstreifen fest an bestimmten Punkten am Körper der Wägezelle befestigt, sodass sie sich im Einklang mit dem Körper verformen. Die resultierende Bewegung ändert den elektrischen Widerstand der Dehnungsmessstreifen proportional zur durch die aufgebrachte Last verursachten Verformung.
- Messung der Last: Mit Hilfe von Signalaufbereitungselektronik kann der elektrische Widerstand der Dehnungsmessstreifen gemessen werden, und das resultierende Signal wird als Gewichts- oder Kraftwert ausgegeben.
Wie Wägezellen funktionieren
Bei der Nutzung von Wägezellen ist ein Ende in der Regel an einem Rahmen oder einer Grundplatte befestigt, während das andere Ende frei ist, um das Gewicht oder das gewichtstragende Element anzubringen.
Wenn auf den Wägezellenkörper Kraft ausgeübt wird, biegt sich dieser unter der Belastung leicht durch. Dies ist vergleichbar mit dem, was mit einer Angelrute passiert, wenn ein Angler einen Fisch am Haken hat. Der Angler hält die Angelrute fest in der Hand, während der Fisch eine Zugkraft auf das andere Ende der Angelschnur ausübt. Das Ergebnis dieser Kraft ist, dass sich die Angelrute biegt, wobei ein größerer, stärkerer Fisch die Biegung extremer ausfallen lässt.
Wenn dies bei einem Kraftsensor geschieht, ist die Verformung sehr subtil und mit dem bloßen Auge nicht sichtbar. Um die Verformung zu messen, werden Dehnungsmessstreifen (DMS) an bestimmten Punkten fest mit dem Wägezellenkörper verbunden, so dass sie sich im Einklang mit dem Körper verformen. Durch die daraus resultierende Bewegung ändert sich der elektrische Widerstand der Dehnungsmessstreifen proportional zur Verformung durch die aufgebrachte Last.
Mit Hilfe von Signalaufbereitungselektronik kann der elektrische Widerstand der Dehnungsmessstreifen gemessen werden, wobei das resultierende Signal als Gewichts- oder Kraftwert ausgegeben wird.
Schutz vor Umgebungseinflüssen
Je nach Situation kann sich eine Wiegezelle unter sehr unterschiedlichen Umgebungsbedingungen befinden. Natürlich unterscheidet sich ein Reinraum in einem medizinischen Labor stark von der Unterseite eines Tagebaulastwagens, aber beide können unterschiedliche Wägezellentypen einsetzen. Es ist daher wichtig, dass sie angemessen vor der äußeren Umgebung geschützt sind, um ihre dauerhafte Leistungsfähigkeit für den vorgesehenen Verwendungszweck zu gewährleisten.
Die meisten Wägezellen werden vergossen. Das bedeutet, dass die Hohlräume mit einem Epoxid- oder Harzmaterial gefüllt sind, welches die elektronischen Komponenten vollständig bedeckt. Dies trägt dazu bei, die Schaltkreise vor äußeren Beschädigungen und Feuchtigkeit zu schützen und Wärme abzuleiten.
Einige Wägezellen verfügen über hermetische Dichtungen für den umfassendsten Schutz vor Umgebungseinflüssen. Eine vollständig verschweißte Dichtung bietet ein luftdichtes und robustes Gehäuse, das auch den anspruchsvollsten Umgebungen standhält.
Für einige Wägezellen sind ATEX- und FM-Bescheinigungen erhältlich. Diese Bescheinigungen weisen darauf hin, dass die Wägezellen für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen ohne die Gefahr von Funkenbildung geeignet sind. Dies ist ideal für Tätigkeiten, die brennbare Gase oder Dämpfe freisetzen, wie z.B. das Sprühen von Fahrzeuglacken oder für Arbeitsplätze, die mit feinen organischen Stäuben wie Getreidemehl oder Holz hantieren.
Wägezellengenauigkeit
Unterschiedliche Aufgaben erfordern unterschiedliche Genauigkeitsgrade. Eine medizinische Waage, die Arzneimitteldosierung misst, muss eine höhere Auflösung haben, als eine industrielle Waage, die große Mengen an Kies oder Sand wiegt. Als solches finden Sie verschiedene Arten von Wiegezellen, die unterschiedliche Genauigkeits- und Nennlastwerte bieten, um diesen unterschiedlichen Anwendungen gerecht zu werden.
Es gibt internationale Regelungen und Vereinbarungen, die darauf abzielen, eine gewisse Qualitätskontrolle über Wäge- und Kraftmessgeräte durchzuführen. Die Idee ist, dass eine solche Regelung dazu beitragen wird, die Harmonie zwischen den verschiedenen Rechtsordnungen zu fördern und den Handel und die Wirtschaftstätigkeit zu erleichtern.
International regelt die International Organization of Legal Metrology (OIML) diese messtechnischen Vorschriften, und in den USA macht das National Type Evaluation (NTEP) Committee dies ebenfalls.
Viele kommerzielle Aktivitäten, bei denen Produkte nach Gewicht verkauft werden, erfordern Waagen. Dies sind Geräte, die von den zuständigen Behörden (OIML, NTEP oder nationale Normen) für den Einsatz in solchen Anwendungen zertifiziert wurden. Typischerweise sind sie für gewerbliche Waagen gemäß OIML nach einer C3-Klasse zertifiziert.
Wägezellen mit OIML- oder NTEP-Zertifizierung sind für eichpflichtige Anwendungen geeignet. Manchmal verfügen sie sowohl über eine OIML- als auch eine NTEP-Zertifizierung, andere über nur eine, je nach Markt oder Region, an die sie verkauft werden.
Außerhalb dieser Zertifizierungen werden Wägezellen mit der Bezeichnung General Purpose (GP) versehen. Diese sind nicht zertifiziert, können aber oft eine ähnliche Genauigkeit bieten. Einsatz finden diese Wägezellen überall dort, wo eine Eichung gesetzlich nicht vorgeschrieben ist.
Installation und Nutzung
Die Leistung einer Wiegezelle hängt von vielen Faktoren ab. Im Mittelpunkt steht dabei die richtige Installation und Ausrichtung. Es wird oft gesagt, dass eine Messdose nur so gut ist wie ihre Befestigung. Daher ist es wichtig, die Empfehlungen des Herstellers sorgfältig zu befolgen, um die besten Ergebnisse mit Ihrem Gerät zu erzielen und einen sicheren und langlebigen Gebrauch zu gewährleisten. Diese Empfehlungen beinhalten oft Informationen über die richtige Montage und Ausrichtung Ihrer Wägezelle, die richtige Wahl der Fixierung- und Befestigungselemente, die Verwendung von Zubehörteilen, elektronische Hilfsmittel und Kalibrierungsverfahren.
In enger Zusammenarbeit mit Ihrem Wägezellenlieferanten stellen Sie sicher, dass Sie die beste Strategie und das beste Produkt für Ihre speziellen Bedürfnisse wählen, und durch kontinuierliche Unterstützung können Sie darauf vertrauen, dass Ihre Lösung effektiv und langlebig ist.
Arten von Wägezellen
Wägezellen gibt es in verschiedene Formen und Konfigurationen, die für unterschiedliche Anwendungsbereiche bestimmt sein können. Im Allgemeinen werden Wägezellen in vier verschiedene Kategorien eingeteilt, wobei die Kerntechnologie jedoch gleich bleibt.
Die vier Hauptkategorien von Wägezellen sind:
Biege- und Scherstabwägezellen
Biegestab-Wägezellen und Scherstab-Wägezellen sind sehr vielseitige Sensoren, die in der Regel als Freischwinger arbeiten, bei denen ein Ende fixiert ist und sich das andere Ende bei Krafteinwirkung frei durchbiegen kann. Einige Wiegebalken können auch als doppelendig bezeichnet werden, da sie an beiden Enden befestigt und in der Mitte belastet werden.
Single Point-Wägezellen (Plattformwägezellen)
Typischerweise funktionieren Wägezellen so, in dem die Last an einem zentralen Punkt des Sensorkörpers aufgebracht wird. Eine Abweichung von der mittig aufgebrachten Kraft führt zu einem Verlust an Genauigkeit.
Single-Point-Wägezellen arbeiten anders, sie ermöglichen eine außermittige Belastung bei gleichbleibender Genauigkeit. Diese Fähigkeit macht sie zur idealen Wahl für Anwendungen, bei denen die Last mit einer gewissen Variabilität der Platzierung aufgebracht wird.
Druckkraft-Wägezellen
Wie der Name schon sagt, misst eine Druckkraft-Wägezelle eine Stauch-bzw. Druckkraft. Im Prinzip ahmt ihr Design eine Säule nach, was dem Sensor zusätzliche Stabilität für den Einsatz in statischen Anwendungen mit hoher Kapazität verleiht.
Zugkraft Wägezellen (Zuglast-Wägezellen)
Eine Zugkraft-Wägezelle wird in erster Linie zur Messung einer Ziehkraft verwendet, wobei die Last am Unterteil des Sensors aufgehängt wird, wodurch dieser sich dehnt.
Zugkraft-Wägezellen werden manchmal als S-Typ oder S-Zellen bezeichnet, da ihre Form dem Buchstaben S ähnelt. Manche Zugkraft-Wägezellen können auch zur Messung einer Druckkraft verwendet werden, was sie sehr vielseitig macht.