Wägezellen sind Sensoren, mit denen Kräfte gemessen und mithilfe eines entsprechend kalibrierten elektronischen Systems die Masse eines Gegenstands oder Materials bestimmt werden kann. Sie sind wesentliche Bestandteile industrieller Wägesysteme und werden in Waagen, Plattformen, Behältern, Silos, Trichtern und Dosiersystemen eingesetzt.
Doch wie funktionieren Wägezellen? Welche Bauarten gibt es und welche Faktoren beeinflussen ihre Genauigkeit? Um ihre Eigenschaften zu verstehen, ist es sinnvoll, zunächst die physikalischen Messprinzipien und die Technologien zur Umwandlung mechanischer Belastungen in elektrische Signale zu betrachten.
Was sind Wägezellen?
Eine Wägezelle ist ein Kraftaufnehmer, also ein Gerät, das eine einwirkende Kraft in ein messbares Signal umwandelt. Bei den meisten industriellen Anwendungen besteht der Sensor aus einem metallischen Körper, der sich unter Belastung innerhalb bestimmter Grenzen elastisch verformt.
Diese Verformung ist äußerst gering und mit bloßem Auge normalerweise nicht erkennbar. Sie wird von empfindlichen Messelementen erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Das Signal wird anschließend von einem Anzeigegerät, Messumformer oder elektronischen Steuerungssystem verarbeitet. Dadurch kann der Messwert angezeigt und für Wägeprozesse genutzt werden.
Wägezellen messen nicht unmittelbar das Volumen eines Materials, sondern die durch die Last ausgeübte Kraft. Nach entsprechender Kalibrierung kann das Wägesystem das Ergebnis als Masse in Kilogramm oder Tonnen ausgeben.
Wie funktionieren Wägezellen?
Das Funktionsprinzip einer Wägezelle hängt von der verwendeten Technologie ab. Eine der am weitesten verbreiteten Lösungen in der industriellen Wägetechnik sind Dehnungsmessstreifen-Wägezellen, die auf der elastischen Verformung eines Metallkörpers beruhen.
Wirkt eine Kraft auf den Körper der Wägezelle, verformt er sich innerhalb seines vorgesehenen Messbereichs proportional zur Belastung. Diese Verformung wird durch Dehnungsmessstreifen erfasst, deren elektrischer Widerstand sich bei einer Formänderung verändert.
Die Funktion von Dehnungsmessstreifen
Dehnungsmessstreifen, häufig mit DMS abgekürzt, sind empfindliche Messelemente, die auf der Oberfläche des metallischen Wägezellenkörpers angebracht werden.
Wenn sich das Metall verformt, verändert sich auch die Geometrie der Dehnungsmessstreifen. Dadurch ändert sich ihr elektrischer Widerstand. Obwohl diese Veränderung sehr klein ist, kann sie erfasst und in ein auswertbares Signal umgewandelt werden.
Die Wheatstone-Brücke
Bei Dehnungsmessstreifen-Wägezellen werden die Messelemente in der Regel zu einer Wheatstone-Brücke zusammengeschaltet. Dabei handelt es sich um eine elektrische Schaltung zur Erfassung kleiner Widerstandsänderungen.
Im unbelasteten Zustand weist die Schaltung einen bestimmten Gleichgewichtszustand auf. Durch das Einwirken einer Kraft ändern sich die Widerstandswerte und damit das elektrische Ausgangssignal.
Dieses Signal wird verstärkt, umgewandelt und von der Wägeelektronik verarbeitet. Nach der Kalibrierung kann das System dem Signal einen entsprechenden Lastwert zuordnen.
Die einzelnen Schritte der Messung
- Aufbringen der Last: Eine Kraft wirkt auf das Messelement der Wägezelle.
- Elastische Verformung: Der Metallkörper verformt sich innerhalb der konstruktiv vorgesehenen Grenzen.
- Elektrische Widerstandsänderung: Die Dehnungsmessstreifen erfassen die Verformung.
- Signalverarbeitung: Die Elektronik wandelt das Signal in einen auswertbaren Messwert um.
- Anzeige: Je nach Anwendung und Kalibrierung gibt das System einen Kraft- oder Massewert aus.
Was messen Wägezellen?
Aus physikalischer Sicht messen Wägezellen eine Kraft. Ihre Einheit im Internationalen Einheitensystem ist Newton (N).
In Wägesystemen wird das Ergebnis jedoch normalerweise als Masse in Kilogramm (kg) oder Tonnen (t) angezeigt. Die entsprechende Umrechnung erfolgt durch die Elektronik auf Grundlage der Kalibrierung des Systems.
Dabei sind drei Größen zu unterscheiden:
- Kraft: Die mechanische Einwirkung auf den Sensor.
- Masse: Die Menge an Materie, üblicherweise in Kilogramm angegeben.
- Gewichtskraft: Die durch die Gravitation auf eine Masse ausgeübte Kraft.
Beim Wiegen industrieller Behälter und Konstruktionen muss außerdem die Tara berücksichtigt werden. Sie entspricht der Masse des leeren Behälters. Durch Abzug der Tara von der gemessenen Gesamtmasse ergibt sich die Nettomasse des Materials.
Welche Arten von Wägezellen gibt es?
Es gibt verschiedene Arten von Wägezellen, die für unterschiedliche Einsatzbedingungen entwickelt wurden. Eine häufig verwendete Einteilung orientiert sich an der Richtung der einwirkenden Kraft und der Verformungsart des Messelements.
Druckkraft-Wägezellen
Druckkraft-Wägezellen sind für die Messung von Kräften ausgelegt, die das Messelement zusammendrücken. Sie werden häufig in Wägesystemen für Tanks, Behälter, Silos und Konstruktionen mit mehreren Auflagepunkten eingesetzt.
Bei der Auswahl müssen die erforderliche Nennlast, die Lastverteilung und mögliche Querkräfte berücksichtigt werden.
Zugkraft-Wägezellen
Zugkraft-Wägezellen erfassen Kräfte, die das Messelement auf Zug beanspruchen. Sie kommen beispielsweise bei hängenden Lasten und in Systemen zur Messung von Zugkräften zum Einsatz.
Biegebalken-Wägezellen
Biegebalken-Wägezellen nutzen die Verformung eines Balkens unter Belastung. Sie werden in unterschiedlichen Waagen, Plattformen und industriellen Wägesystemen verwendet.
Die Geometrie des Sensors und seine Befestigung sind entscheidend für zuverlässige Messergebnisse.
Scherstab-Wägezellen
Scherstab-Wägezellen erfassen Verformungen, die durch Scherkräfte entstehen. Sie werden in zahlreichen industriellen Anwendungen eingesetzt, darunter auch Wägesysteme mit höheren Nennlasten.
Wie wählt man die richtige Wägezelle aus?
Die Auswahl einer Wägezelle hängt nicht ausschließlich von der maximal zu messenden Last ab. Ebenso wichtig sind die Eigenschaften der Anwendung, die Betriebsbedingungen und die Anforderungen an die Messgenauigkeit.
Zu den wichtigsten Auswahlkriterien gehören:
- Nennlast: Die Belastung, für die der Sensor ausgelegt ist.
- Belastungsart: Druck, Zug, Biegung oder Scherung.
- Anzahl der Auflagepunkte: Besonders wichtig bei Systemen mit mehreren Wägezellen.
- Erforderliche Genauigkeit: Abhängig von den Mess- und Prozessanforderungen.
- Umgebungsbedingungen: Temperatur, Feuchtigkeit, Staub und mögliche korrosive Stoffe.
- Dynamische Belastungen: Vibrationen, Stöße und schnelle Änderungen der einwirkenden Kräfte.
- Elektronische Kompatibilität: Anschluss an Anzeigegeräte, Messumformer und Steuerungssysteme.
Bei der Dimensionierung müssen außerdem das Eigengewicht der Konstruktion, die Lastverteilung und mögliche Überlastungen berücksichtigt werden. Die endgültige Auswahl sollte anhand der technischen Sensordaten und der Auslegung des gesamten Wägesystems erfolgen.
Wie genau sind Wägezellen?
Die Genauigkeit von Wägezellen hängt sowohl von den Eigenschaften des Sensors als auch von seinen Einsatzbedingungen ab.
Zu den wichtigsten technischen Parametern gehören:
- Linearität: Sie beschreibt, wie stark die tatsächliche Sensorantwort von der idealen Beziehung zwischen Kraft und Ausgangssignal abweicht.
- Hysterese: Sie bezeichnet Unterschiede im Messverhalten beim Be- und Entlasten.
- Wiederholbarkeit: Sie beschreibt die Fähigkeit, bei wiederholter Anwendung derselben Kraft unter gleichen Bedingungen übereinstimmende Ergebnisse zu liefern.
- Temperatureinflüsse: Temperaturschwankungen können das Signal und das mechanische Verhalten des Systems beeinflussen.
- Kalibrierung: Sie stellt die Beziehung zwischen dem erfassten Signal und dem tatsächlichen Lastwert her.
Die für eine einzelne Wägezelle angegebene Genauigkeit entspricht nicht zwangsläufig der Genauigkeit des vollständigen Wägesystems.
Ungleichmäßige Lastverteilung, starre mechanische Verbindungen, Vibrationen und Montagefehler können das Messergebnis beeinflussen, selbst wenn die verwendeten Sensoren hohe technische Anforderungen erfüllen.
Wie werden Wägezellen richtig eingebaut und positioniert?
Die Positionierung von Wägezellen muss auf die zu wiegende Konstruktion und die an ihren Auflagepunkten wirkenden Kräfte abgestimmt werden.
In industriellen Wägesystemen werden die Sensoren üblicherweise an den konstruktiv vorgesehenen Auflagepunkten installiert. Dabei kommen Montageeinheiten zum Einsatz, die für die jeweilige Wägezellenbauart und die Betriebsbedingungen geeignet sind.
Bei der Planung sind folgende Faktoren zu berücksichtigen:
- die Gewichtsverteilung auf die einzelnen Auflagepunkte;
- die Masse der leeren Konstruktion und die maximal vorgesehene Belastung;
- mögliche Querkräfte und außergewöhnliche Belastungen;
- Rohrleitungen und mechanische Verbindungen;
- die thermische Ausdehnung der Konstruktion;
- Vibrationen und Umgebungsbedingungen;
- die Anforderungen an Inspektion und Wartung.
Eine nicht ausreichend berücksichtigte starre Verbindung kann einen Teil der Kräfte außerhalb des vorgesehenen Messpfads übertragen und dadurch die Zuverlässigkeit der Verwiegung beeinträchtigen.
Aus diesem Grund müssen Planung und Prüfung der Installation durch qualifiziertes Fachpersonal unter Beachtung der Herstellervorgaben erfolgen.
Wie kann man die Funktion von Wägezellen überprüfen?
Wägezellen und die zugehörige Elektronik sollten regelmäßig überprüft werden, um eine gleichbleibende Messleistung sicherzustellen.
Zu den möglichen Prüfmaßnahmen gehören:
- Sichtprüfung: Kontrolle des Zustands von Sensor, Auflagern und Befestigungselementen.
- Überprüfung der Anschlüsse: Kontrolle von Kabeln, Steckverbindungen und Schutzvorrichtungen.
- Nullpunktprüfung: Überprüfung des Systemverhaltens unter bekannten Bedingungen.
- Wiederholbarkeitsprüfung: Vergleich der Messwerte bei wiederholtem Aufbringen derselben Last.
- Prüfung mit Referenzlasten: Vergleich des angezeigten Messwerts mit einem bekannten Referenzwert.
Dabei ist zwischen der Prüfung eines einzelnen Sensors und der Überprüfung des gesamten Wägesystems zu unterscheiden. Messabweichungen können auch durch die Elektronik, mechanische Verbindungen oder die Betriebsbedingungen verursacht werden.
Kalibrierungs- und Wartungsarbeiten müssen entsprechend den geltenden Verfahren durch fachkundiges Personal ausgeführt werden.
Wie funktionieren Wägezellen für Silos?
Bei Silowägesystemen erfassen Wägezellen die Kräfte, die über die Auflagepunkte der Konstruktion übertragen werden. Die Elektronik verarbeitet die Signale und ermöglicht nach Abzug der Tara die Bestimmung der Masse des gelagerten Materials.
Die Messgenauigkeit hängt außerdem von der Lastverteilung, den mechanischen Verbindungen und den Einbaubedingungen ab.
Weitere Informationen zur Überwachung gelagerter Materialmengen und zu industriellen Anwendungen finden Sie im Beitrag Wozu dienen Wägezellen?.
Wägezellen für Trichter: Verwiegung und Dosierung
In industriellen Trichtern ermöglichen Wägezellen die Messung der enthaltenen Materialmasse und ihrer Veränderungen während der Befüllung und Entleerung.
Diese Messwerte können in gravimetrischen Dosiersystemen genutzt werden, beispielsweise durch die Erfassung der Gewichtsabnahme während des Materialaustrags.
Die Inline-Trichter der Baureihe TM von Poggi können mit elektronischen Wäge- und Dosiersystemen mit Wägezellen und Austragsförderband ausgestattet werden.
Was ist der Unterschied zwischen volumetrischer und gravimetrischer Dosierung?
Schüttgüter können nach unterschiedlichen Messprinzipien dosiert werden. Zwei verbreitete Verfahren sind die volumetrische Dosierung und die gravimetrische Dosierung.
Volumetrische Dosierung
Bei der volumetrischen Dosierung wird die Materialmenge anhand des abgegebenen Volumens oder anhand betrieblicher Parameter geregelt, die mit dem Materialdurchsatz zusammenhängen, beispielsweise der Laufzeit einer Austragseinrichtung.
Dieses Verfahren wird insbesondere eingesetzt, wenn das Material relativ gleichmäßige Eigenschaften aufweist und keine direkte Messung der abgegebenen Masse erforderlich ist.
Gravimetrische Dosierung
Die gravimetrische Dosierung verwendet die gemessene Masse zur Steuerung der abgegebenen Materialmenge.
Bei Loss-in-Weight-Systemen, auch als Differenzialdosierung bezeichnet, wird die Materialmenge anhand der Abnahme der Behältermasse während des Austrags bestimmt.
Dieses Prinzip ermöglicht eine Kontrolle der tatsächlich entnommenen Materialmenge, auch wenn die Schüttdichte des Materials schwankt.
Welches Verfahren geeignet ist, hängt von den Materialeigenschaften, der erforderlichen Genauigkeit und den Prozessanforderungen ab.
Wägezellen und industrielle Wägesysteme
Wägezellen sind eine wesentliche Technologie für die Kraftmessung und die Realisierung industrieller Wägesysteme.
Die Wahl der geeigneten Sensorbauart, die richtige Dimensionierung, die Kalibrierung und die Einbaubedingungen sind entscheidend für zuverlässige Messergebnisse.
Poggi entwickelt und fertigt Produkte für die Lagerung und Förderung von Schüttgütern, die je nach betrieblichen Anforderungen mit Wäge- und Dosiersystemen ausgestattet werden können.
Zu den verfügbaren Lösungen gehören die Aufgabebunker der Baureihe TMP und die Inline-Trichter der Baureihe TM. Je nach Konfiguration können diese mit Wägezellen und Systemen zur Kontrolle der Materialmengen ausgestattet werden.
Für weitere Informationen zu verfügbaren Konfigurationen und Integrationsmöglichkeiten wenden Sie sich an Poggi unter info@poggi-spa.com.
Häufig gestellte Fragen zu Wägezellen
Messen Wägezellen Gewicht oder Masse?
Wägezellen erfassen eine Kraft. In Wägesystemen verarbeitet die Elektronik das Signal und ermöglicht nach entsprechender Kalibrierung die Anzeige eines Massewerts.
Welche Wägezellen werden am häufigsten verwendet?
Zu den verbreiteten Lösungen in der industriellen Wägetechnik gehören Dehnungsmessstreifen-Wägezellen für Druck-, Zug-, Biege- und Scherbelastungen. Die Auswahl hängt von der Konstruktion, der Kraftrichtung und der erforderlichen Nennlast ab.
Wie wird die Tragfähigkeit einer Wägezelle bestimmt?
Bei der Auswahl der Nennlast müssen die maximal vorgesehene Belastung, die Masse der Konstruktion, die Kraftverteilung, die Anzahl der Auflagepunkte und mögliche Überlastungen berücksichtigt werden. Die richtige Dimensionierung erfordert eine technische Bewertung des gesamten Systems.
Wie viele Wägezellen benötigt ein Silo?
Die Anzahl hängt von der Konstruktion und den Auflagepunkten des Silos ab. Eine allgemeingültige Anzahl gibt es nicht. Die Sensoren und ihre Montageeinheiten müssen während der Planung festgelegt werden.
Können Wägezellen zur Dosierung von Pulvern eingesetzt werden?
Ja. In Verbindung mit Austrags- und Steuerungssystemen können Wägezellen die gravimetrische Dosierung von Pulvern und anderen Schüttgütern ermöglichen, indem die entnommenen Materialmengen gemessen werden.
Welche Faktoren beeinflussen die Genauigkeit einer Wägezelle?
Zu den wichtigsten Faktoren zählen Temperatur, Vibrationen, Querkräfte, eine ungleichmäßige Lastverteilung, ungeeignete mechanische Verbindungen und Kalibrierungsfehler.
