Wie funktioniert eine Wägezelle?

Aufbau und Funktion der Wägezelle

Wägezellen als Herzstücke moderner Waagen arbeiten im Verborgenen, daher ist uns ihre Verbreitung im Alltag meist nicht bewusst: Ob die Personenwaage im Badezimmer, die Waage an der Fleischtheke im Einkaufsladen, die Kofferwage am Flughafen beim Check-in oder eine in die Straße eingelassene Pkw- und Lkw-Waage – überall dort sind Wägezellen im Einsatz.

Ein wichtiges Element der Wägezelle ist der Federkörper: Es besteht aus sehr robustem Stahl oder auch Aluminium. Je nach der zu erwartenden Last richtet sich die Größe und auch die Form des Federkörpers. Er muss auf die vorgesehene Belastung im Rahmen der vorgesehenen Messgrößen mit Verformung reagieren, bei Rücknahme der Last aber auch wieder in seine Ausgangsform zurückgehen. Er federt, wie der Ausdruck Federkörper zum Ausdruck bringt, ohne allerdings dabei immer noch wie eine klassische Feder auszusehen.

Die mechanische Feder-Wägetechnik gibt es schon lange, manche haben ja noch Küchen- oder auch Personenwaagen aus früheren Zeiten zu Hause, die keiner Batterie zur Stromversorgung bedürfen. Der Schritt hin zur Elektronisierung in der Wägetechnik erfolgt durch den sogenannten Dehnungsmessstreifen, auch mit DMS abgekürzt, der auf die Oberfläche eines modernen Federkörpers aufgebracht wird.

Dehnungsmessstreifen – durch Verformung zum elektronischen Signal

Genanntes Folien-Bauteil steht für den entscheidenden Schritt in das Zeitalter moderner und elektronischer Wägetechnik. Hierfür werden elektrische Leiter in Mäanderform auf eine Folie aufgetragen. Zieht sich die Folie auseinander oder wird sie durch Stauchung komprimiert, dann vergrößern oder verkleinern sich die Abstände der elektrischen Leiterbahnen. Die DMS werden meist in einer Viereranordnung, einer sogenannten Wheatstone-Brückenschaltung, im Ring geschaltet. Dabei werden die Messgitter der Leiterbahnen entlang der erwarteten Verformungen angeordnet.

Die Leiterbahnen machen eine entsprechende Formveränderung des Federkörpers unter Last analog mit. Dies wiederum führt zu messbaren Spannungsänderungen zwischen den Leiterbahnen. Durch Kalibrierungen werden diese Spannungsdifferenzen in Anzeigen der gewünschten Messeinheit gewandelt. Der dafür und für Anzeigen etc. notwendige Strom muss zugeführt werden, was erklärt, warum moderne Personen‑, Brief- oder Küchenwaagen mit integrierten Dehnungsmessstreifen heute mindestens Batterien brauchen.

Ob ein Gegenstand nun an eine Wägezelle gehängt oder auf einer solchen platziert wird, die erwartete Belastung soll sich stets Richtung Erdmittelpunkt an der Schwerkraft orientieren.

Verschiedene Wägezellen im speziellen Einsatz

Je nach Anwendung, zu erwartender Last und äußeren Bedingungen gibt es unterschiedliche Arten von Wägezellen. Die klassisch am häufigsten verbauten Wägezellen sind folgende:

• Biegestabwägezelle: Hier werden mehrere Wägezellen unter ein Stahlkonstrukt verbaut. Dieses wird senkrecht von oben mit Messgut belastet.

• Plattformwägezelle: Modelle dieser Art befinden sich z.B. unter einer befahrbaren Plattform. Die Belastung erfolgt erneut von oben: Bei der Lkw-Waage etwa wird das Fahrzeug für den Wägevorgang auf die Plattform gesteuert.

• Zuglast-Wägezelle: Hier wird zu erfassendes Gewicht an eine oder mehrere Zuglast-Wägezellen gehängt, beispielsweise bei einem Kran oder Ladearm.

• Druckkraft-Wägezellen werden wie Biegestabwägezellen so unter einer Fläche angeordnet, dass von oben die zu wiegende Last aufgelegt werden kann.

Je nach Art der Signalübertragung in den Waagebauteilen wird zwischen digitalen und analogen Wägezellen unterschieden: Erstere verfügen über eine integrierte Elektronik, die das Messergebnis verarbeitet und geeignet gewandelt weitergibt. Die analoge Wägezelle braucht dafür ein weiteres Gerätemodul – den Messverstärker.

Je nach Einsatz und Anforderung müssen Wägezellen sehr speziell designt werden. Manchmal kommen dabei auch ungewöhnliche Materialien und Schutzgehäuse zum Einsatz. Beispielsweise müssen auf einem Fleischmarkt eingesetzte Waagen ständig intensiv gereinigt werden. Dabei sollen sie natürlich keinen Schaden nehmen. Auch an weitere äußere Einflüsse muss beim Einsatz einer Wägezelle gedacht werden.

Was beim Einsatz von Wägezellen zu beachten ist

Wägezellen müssen in ihrem Einsatz auch ungewohnte äußere Einflüsse aushalten. Eine meist im Freien eingerichtete Lkw-Waage trägt stark zu unser aller Sicherheit im Straßenverkehr bei. Sie ist allerdings auch Nässe, Schmutz, Kälte und Hitze ausgesetzt. Gegen viele Umwelteinflüsse helfen robuste Gehäuse und gute Verbauung.

Die Umgebungstemperaturen sind aber das Hauptproblem: Hitze oder Kälte führen zu Ausdehnung oder Kontraktion von Materialien und auch zu Veränderungen der Widerstandswerte in den Leitern der Dehnungsmessstreifen. Das beeinflusst die Messergebnisse. Diese sollen aber in Eis und Schnee genauso zuverlässig bleiben wie in großer Hitze. Da Wägezellentechnik auch in Länder mit extremem Klima exportiert wird, sind in Wägezellen ausgetüftelte Techniken zur Temperaturkompensation eingebaut.

Ein weiterer Abweichungsfaktor können sogenannte “parasitäre Kräfte” sein. Der ungewöhnliche Ausdruck will sagen, dass sich zusätzliche Kräfte zur ausschließlich an der Schwerkraft orientierten und erwarteten Hauptkraft in die Wägezelle einschleichen können. Nehmen wir beispielsweise den Einsatz einer Waage unter einem Fließband: Hier können zusätzlich zur zu messenden Schwerkraft der Behälter weitere Kräfte seitlich oder von unten auftreten. Da solche die Messergebnisse einer Wägezelle komplett verfälschen und unmöglich machen können, müssen solche parasitären Kräfte vermieden werden. Diese werden durch entsprechend sachgerechten Einbau in spezielle Gehäuse und speziell ausgelegte dämpfende Module verhindert.

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