Wie funktioniert eine Wägezelle?

Veröffentlicht am Januar 25, 2022 von As-Wägetechnik

In der Wägetechnik spielt die Wägezelle als Waagenbaustein eine zentrale Rolle. Sie ist eine spezielle Art von Kraftaufnehmer (auch Kraftsensor) und kommt in verschiedensten Arten von Waagen zum Einsatz. Im Gegensatz zum üblichen Kraftaufnehmer, der in Newton (N) kalibriert ist, kann über die Wägezelle mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers und eines entsprechenden Anzeigegerätes das Gewicht in Gramm, Kilogramm und gar Tonnen abgelesen werden. Da diese Maßeinheiten im Alltag verwendet werden, ist die Wägezelle weit häufiger verbreitet als der Newton anzeigende Kraftaufnehmer.

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.

FAQ zum Thema Wägezellen

Was sind Federkörper?

Diese kommen als zentrale Bauteile in Wägezellen und auch Kraftaufnehmern vor. Der Federkörper ist ein je nach Waagengröße und ‑art gestaltetes und geformtes Metallstück, dessen Form sich durch Gewichtseinwirkung messbar verändert. Die Formänderung wird durch einen Dehnungsmesstreifen registriert und für Gewichte im Bereich weniger Gramm bis mehreren 1000 Tonnen in ein elektronisches Signal umgewandelt.

Was sind typische Federkörperformen in einer Wägezelle?

Die Federkörperformen richten sich nach zu erwartender Last und Wägeart:

Für geringe Lasten werden Doppelbiegebalken, für große Lasten werden Scherstäbe oder Ringtorsionsfederkörper verbaut. Für sehr hochwertige Waagen und präzise Messergebnisse kommen Multibiegebalkenfederkörper zum Einsatz.
Für sehr dynamische Vorgänge wie etwa in Sortier- und Abfüllanlagen ist eine gute Dämpfung wichtig, die bislang mit Öldämpfern, seit Neuestem durch Verwendung einer Wägezellenkombination aus steifen Materialien mit nachgeschalteten elektronischen Filtern erreicht wird.

Was ist ein Dehnungsmessstreifen, auch DMS?

Der Federkörper reagiert auf mechanische Belastungen wie Druck, Gewicht oder Zug mit Dehnung, Verformung oder Versatz. Der mit dem Federkörper geeignet verbaute Dehnungsmessstreifen wandelt diese Materialänderungen in Änderungen des elektrischen Widerstands um und macht sie so messbar. Durch eine geeignete Kalibrierung ergibt sich ein der Waage und dem Einsatzgebiet entsprechender Messbereich von Gramm bis Tonnen.

Was ist eine Drucklast-Wägezelle?

Sie wird sowohl für hohe als auch für geringe Lasten sehr häufig verbaut und meist als modifizierte mechanische Balkenwaage unter dem zu wiegenden Gegenstand angeordnet. Während ein Hebelarm die Drucklast aufnimmt, ist die andere Seite des Hebelarms in einer Tauchspule fixiert und wandelt die Last in elektronische Messdaten um.

Was ist eine Zuglast-Wägezelle?

Ein hierfür konzipiertes Modell einer Wägezelle misst im Vorgang analog zur erwähnten Drucklast-Wägezelle entweder angehängte oder durch Zug entstehende Lasten. Einsatz sind überwiegend statische Wägevorgänge in der Prozessindustrie sowie Förderanwendungen bei notwendigerweise sehr präzisen Dosiervorgängen.