Wägezellen unterscheiden sich u. a. nach Bauform (Federkörper, DMS-Anordnung) und Anwendung (Zug, Druck, Scher). Typische Bauformen sind Plattform/Single Point, Scherstab, Doppelscherstab, Biegestab, S-Form, Druckkraft sowie Spezial- und Miniaturbauformen.
Was ist eine Wägezelle?
Eine Wägezelle ist ein elektromechanischer Messgrößenumformer zur Bestimmung der Masse, bei dem die vom Wägegut ausgeübte Gewichtskraft in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Sie bildet das zentrale Messelement nahezu jeder industriellen Waage.
Technisch betrachtet misst eine Wägezelle nicht direkt das Gewicht, sondern die wirkende Kraft. Diese Kraft entsteht durch die Erdanziehung und wird über einen mechanischen Federkörper aufgenommen. Die dabei entstehende minimale Verformung wird mithilfe von Dehnungsmessstreifen (DMS) erfasst und in ein proportionales elektrisches Ausgangssignal (meist in mV/V) umgewandelt.
Mit Hilfe einer Wägezelle lassen sich somit sowohl das Gewicht in Kilogramm (kg) als auch Kräfte in Newton (N) bestimmen. Je nach Bauform und Ausführung kommen Wägezellen in Plattformwaagen, Tank- und Siloverwiegungen, Förderbandwaagen, Kontrollwaagen oder im Maschinenbau zum Einsatz.
Wie funktioniert eine Wägezelle?
Eine Wägezelle besteht aus einem Federkörper und einem Dehnungsmessstreifen "DMS". Der Federkörper kann aus Aluminium, legiertem Stahl oder auch Edelstahl bestehen. Diese Metalle haben verschiedene Materialeigenschaften und beeinflussen wesentlich das Verhalten, den Anwendungsbereich sowie die Funktion der Wägezelle. Der Federkörper verformt sich durch Belastung, bzw. durch die auf die Wägezelle einwirkende Kraft. Es gibt verschiedene Arten von Kräften – siehe Krafteinwirkungen auf eine Wägezelle.
Der Dehnungsmessstreifen ist mit dem „Federkörper“ fest verbunden (verklebt). Das bedeutet: Streckt oder staucht sich das Material, passiert das gleiche mit dem DMS der Wägezelle. Durch diese Verformung verändert sich der Widerstand des Dehnungsmessstreifens.
Wer sich für den genauen Aufbau einer Wägezelle interessiert findet dies unter diesem separaten Link. Aufbau einer Wägezelle
Wie verhält sich ein DMS?
Das Verhalten eines Dehnungsmessstreifens kann man anhand eines einfachen Beispiels erklären: Ein Dehnungsmessstreifen (bzw. der Widerstand eines Dehnungsmessstreifens) verhält sich im Grunde wie ein Wasserschlauch. Staucht man einen Wasserschlauch, so dass sich der Querschnitt erhöht (die Fläche wird größer), kann mehr Wasser durchfließen. Wird der Schlauch gestreckt, verringert sich der Querschnitt (die Fläche wird kleiner) und es kann weniger Flüssigkeit hindurchfließen. Dieses physikalische Phänomen macht sich der DMS zu Nutze und verändert mit seiner Form auch seine elektrische Leitfähigkeit. Hier spricht man vom elektrischen Widerstand (Wasser und Strom verhalten sich proportional zueinander). Mit Änderung des elektrischen Widerstands, verändert sich auch das elektrisch gemessene Signal am Ausgang der Wägezelle.
Es gibt verschiedene Anordnungen von Dehnungsmessstreifen. Je nach verwendeter Messbrücke und Anwendungsgebiet der Wägezelle, werden die DMS auf der Wägezelle bzw. auf dem Federkörper angebracht.
Was ist eine Messbrücke?
Als Messbrücke wird eine nach dem Wheatstoneschen Prinzip zur Messung von elektrischen Widerständen ohmscher Art angelegte Messeinrichtung für DMS Widerstände bezeichnet.
Fazit: Wie funktioniert eine Wägezelle?
Eine Wägezelle mit DMS arbeitet elektromechanisch und wird durch eine Verformung des s.g. Federkörpers beeinflusst. Durch diese Verformung ändert sich der elektrische Widerstand des Dehnungsmessstreifens. Durch diese Widerstandsänderung verändert sich auch das Ausgangssignal. Es entsteht ein s.g. Messwert. Mit Hilfe von DMS Messverstärkern lassen sich die Messwerte beliebig weiterverarbeiten und in physikalischen Einheiten wie Kraft (Newton) oder Gewicht (Kilogramm) umwandeln.
In Kurzform lautet die Antwort auf: Wie funktioniert eine Wägezelle?
Eine Wägezelle funktioniert elektrisch durch eine Widerstandsänderung des Dehnungsmesstreifens, der fest mit dem Federkörper (Wägezelle) verbunden ist.
Ist eine Wägezelle ein Kraftaufnehmer?
Ja eine Wägezelle ist eine besondere Form der Kraftaufnehmer.
Kraftaufnehmer werden unterschieden. Eine Wägezelle ist eine besondere Form der Kraftaufnehmer. Wir beziehen uns nur auf DMS-Kraftaufnehmer, bzw. DMS-Wägezellen. Diese nehmen, wie in der "Funktion einer Wägezelle" beschrieben, die auf den Federkörper wirkenden Kräfte auf und wandeln sie in ein elektrisches Signal um. Mehr über Kraftaufnehmer erfahren?
Kraftkompensierte Wägezellen / Messzellen
Was sind kraftkompensierte Messzellen und wie funktionieren diese? Bei kraftkompensierten Wägezellen spricht man auch von elektromagnetisch kompensierten Messzellen. Diese Wägezellen arbeiten grundsätzlich auch elektromechanisch, allerdings wird das Ausgangssignal der kraftkompensierten Wägezellen nicht ohmsch ermittelt, sondern induktiv mit Hilfe eines Elektromagneten. Die Wägezelle ist im Inneren wie eine Balkenwaage aufgebaut, die auf der einen Seite die Kraft aufnimmt (eine Gewichtskraft wirkt auf die Wägezelle ein) und auf der Gegenseite wirkt eine Magnetspule. Diese ist im Ruhezustand "ausgeglichen" und wird über eine Art Hebel im Inneren der kraftkompensierten Wägezelle mit Hilfe eines zweiten Magneten im Ruhezustand gehalten. Durch Belastung der kraftkompensieren Wägezelle, verändert sich die induktive Last der Spule und dadurch erhöht sich die Stromstärke. Diese Veränderung führt zu einer Änderung des Ausgangssignals. Da sich Stromstärke und Gewichtskraft proportional zueinander verhalten, lassen sich auf diese Weise kleinste und feinste Messergebnisse erzielen. Anwendungsbereiche von kraftkompensierten Wägezellen in Waagen sind: Kontrollwaagen, Abfüllwaagen, Microwaagen und Analysewaagen.
BOSCHE Wägetechnik hat sich auf DMS Wägezellen spezialisiert. Diese sind preiswerter und lassen sich auf Grund ihrer Bauformen im Sondermaschinenbau und Waagenbau besonders gut einsetzen.
Passende Komponenten für DMS-Wägezellen
Für ein stabiles Wiege-Ergebnis braucht es neben der Wägezelle passende Auswerteeinheiten – je nach Anwendung als Anzeige, Terminal oder Messverstärker.
Abhängig von der Bauart einer Waage ist es möglich, dass mehr als eine Wägezelle verbaut wird. Während kleinere Plattformen mit entsprechend geringer Nennlast mit einer Plattform Wägezelle (Singlepoint) auskommen, werden in größeren Plattformwaagen, Bodenwaagen, Palettenwaagen und vielen anderen Wägesystemen oftmals 4 oder mehr Scherstabwägezellen verbaut.
Um die Ergebnisse beim Wiegen jederzeit ablesen und verarbeiten zu können, benötigt man entsprechende Wägeterminal und Waagenanzeigen. Je nach Art der Waage kann eine solche Anzeige variieren. Während man für eine Tischwaage meist nur die bereits integrierte Anzeige zum Ablesen des Wägeergebnisses nutzt, werden für Schwerlastwaagen häufig Großanzeigen verwendet, welche auch aus sicherer Entfernung abgelesen werden können. Man unterscheidet bei den Waagenanzeigen zwischen einer Wägeelektronik, die neben der Anzeige auch über die Kontrolleinheit zum Ermitteln des Gewichts verfügt, und einem reinen Anzeigeelement, welches als Zusatz- oder Zweitanzeige genutzt werden kann und keine Steuerfunktion beinhaltet. Mit einer Waagenelektronik wird die Funktion der Wägezelle gewährleistet.
Der digitale Anschluss- und Verteilerkasten ist eine Kombination aus Kabelkasten und einem Analog-Digitalwandler. Der integrierte, hochpräzise, digitale Messverstärker mit 24-Bit A/D-Wandler wandelt die Ausgangssignale der angeschlossenen Wägezellen in einen stabilen Gewichtswert um. Die Wägeelektronik versorgt die Wägezellen und digitalisiert das analoge Signal. An der Kabelbox DBC-11 kann eine analoge Wägezelle in Vier- oder Sechs-Leiter-Technik angeschlossen werden. An der Kabelbox DBC-14 und -44 können bis zu vier analoge Wägezellen parallel angeschlossen werden. Bei DBC-14 werden alle 4 Wägezellen auf einem Kanal zusammengeführt. Bei dem Wägezellen Anschlusskasten DBC-44 wird jede Wägezelle auf einem separaten Kanal ausgewertet. Dies stellt die einwandfreie Funktion der Wägezelle sicher. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein digitaler Eckenabgleich möglich ist.
Weiterführende Themen im Wissens-Hub
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Wägezellen: Funktion, Grundlagen & Auswahl
- Aufbau & Messprinzip einer Wägezelle
- Hilfe bei der Auswahl der Wägezellen
- Wägezellen Nennlast & Auslegung berechnen
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- Genauigkeitsklassen von Wägezellen nach OIML R60
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- Ecklastjustierung & Ecklastfehler bei Wägezellen
- Begriffserklärung Krauftaufnehmer / Wägezellen
Wägezellen: Einbau & Praxis
- Einbau: Krafteinleitung, Seitenkräfte, Überlastschutz
- Anschluss: Kabelfarben, Schirmung, Störquellen
- Schaltung einer Wägezelle
- Kalibrieren/Abgleichen: Nullpunkt, Lastpunkte, Spannungsabgleich
- Signale messen: mV/V, Diagnose, typische Fehlerbilder
- Auswertegeräte/Messverstärker: Signal verstärken & verarbeiten