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Noch wichtiger als ein bestimmtes Funktionsprinzip, wie Messung der Biegekraft, Scherkraft, Druckkraft oder Ringtorsion ist bei der Auswahl von Wägezellen die Beachtung der richtigen Nennlast, Genauigkeitsklasse und des Schutzes gegenüber den Umgebungseinflüssen.
Gleichzeitig muß berücksichtigt werden, welches Meßprinzip bestimmte Vorteile hinsichtlich Überlastung bzw. einfacher Montage bietet. Aus diesem Grunde muß kurz auf die verschiedenen Funktionsprinzipien eingegangen werden.
Hauptkomponente des Wägezellenaufbaus ist das Meßelement. Aufgrund seiner Konstruktionsweise ruft eine auf dieses Meßelement wirkende Kraft eine dieser Kraft proportionale Verformung hervor. Die Meßelemente sind normalerweise aus (zum Schutz vor Umwelteinflüssen vernickelten) hochwertigen Stahllegierungen, wärmebehandelten Edelstählen, wärmebehandelten Aluminiumlegierungen bzw. Berylliumkupferlegierungen hergestellt. Die auf den Meßkörper aufgeklebten Dehnungsmeßstreifen messen die einwirkende Kraft in Form einer Widerstandsänderung. Die DMS, normalerweise vier bzw. ein Vielfaches von vier, sind elektrisch als Wheatstone-Brücke geschaltet, welche die mikroskopisch kleine Widerstandsänderung in ein verwentbares elektrisches Signal umformt. Für die Kompensation und Kalibrierung des Wägezellenausgangssignales werden passive Bauteile wie Widerstände und temperaturabhängige Drähte eingesetzt.
Meßelemente, die eine Biegekraft messen, werden in vielen Konfigurationen als industrielle Aufnehmer eingesetzt. Biegestäbe ermöglichen hohe Dehnungen bei relativ kleinen Kräften und eignen sich deshalb ideal für niedrige Laststufen.
Bei Biegestäben mit symmetrischem Querschnitt der Biegeachse sind immer zwei Flächen gleichen Dehnungen mit umgekehrtem Vorzeichen ausgesetzt. Dies ermöglicht den Aufbau einer Vollbrückenschaltung und vereinfacht die Temperaturkompensation.
Die meisten nach dem Biegekraftprinzip arbeitenden Wägezellen haben parallelogrammförmige Meßelemente bzw. sind Doppelbiegestäbe. Bei momentunempfindlichen Plattformwägezelle bildet das Meßelement ein einfaches Parallelogramm.
Das Prinzip der Biegekraftmessung bietet ausgezeichnete Linearität. Biegestäbe ermöglichen im Vergleich zu anderen Meßprinzipien relativ hohe Dehnungen und größere Verformungen. Dies wiederum bedeutet, dass die Wägezelle zwar höheren statischen Überlastungen ausgesetzt ist, mechanische Begrenzungen jedoch einfacher realisierbar sind. Die dynamische Überlastbarkeit ist wegen der typischen hohen Verformung ausgezeichnet.
Scherstabwägezellen werden zunehmend populärer für die Messung mittlerer und hoher Nennlasten bei Anwendungen aller Art. Das Prinzip der Scherkraftmessung ermöglicht ein Standardprofil für eine gegebene Nennlast, hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Seitenkräften und relativ geringe Empfindlichkeit gegenüber dem Belastungspunkt.
Prinzip eines Scherstegmeßelementes:
Im Schnitt A-A ist der Stab auf beiden Seiten mit einer
Vertiefung versehen. Dazwischen bleibt ein relativ dünner
Steg stehen. Wie beim Aufbau eines I-Trägers wird
der größte Teil der durch die Last verursachten Scherkraft
von dem Steg getragen, während die Flansche
vorwiegend einen Widerstand gegen das Biegemoment
bilden. An der neutralen Achse, an der nur eine
vernachlässigbare Biegekraft wirkt, bildet die
Stegbelastung eine vertikal und horizontal wirkende
reine Scherkraft.
Folglich verlaufen die Hauptachsen in einem Winkel von 45° zur Längsachse des Stabes, wobei die entsprechenden Hauptdehnungen von gleicher Stärke mit umgekehrtem Vorzeichen sind. Auf beiden Seiten des Steges befinden sich paarweise aufgeklebte, als Vollbrücke geschaltete Dehnungsmeßstreifen. Obwohl es schwieriger ist, Dehnungsmeßstreifen in einer Vertiefung anzubringen, können sie auf diese Weise gut durch Vergießen gegen Umwelteinflüsse geschützt werden.
Schersteg-Meßelemente gibt es nicht nur in stabförmigem Aufbau. Scherkraftwägezellen niedriger Laststufen sind schwierig herzustellen, weil der Steg zur Erzielung der erforderlichen Dehnungen sehr dünn sein muß. Scherkraftwägezellen hoher Laststufen haben normalerweise stabförmig konfigurierte doppelte Scherstege, da einseitige Scherstäbe teuer und umständlich zu installieren sind. Scherstab-Wägezellen sind relativ unempfindlich gegenüber dem Belastungspunkt und sehr widerstandsfähig gegenüber Seitenkräften. Dies erleichtert ihren Einsatz in vielen Wägeapplikationen. Die Überlastbarkeit ist normalerweise etwas besser als bei Biegestäben, obwohl mechanische Begrenzungen wegen der geringen Verformung schwieriger realisierbar sind.
Druckkraft-Wägezellen arbeiten nach dem Prinzip der Scherkraft-, Biegekraft-, Ringtorsions- oder Säulenmessung. Die Geschichte der säulenförmigen Wägezelle geht auf den ältesten DMS-Aufnehmer zurück. Wie unten beschrieben besteht das Säulenelement aus einem (bzw. mehreren) Gliedern.
Obwohl prinzipiell einfach, besitzt das Säulen- Meßelement eine Reihe spezieller Merkmale, die die Konstruktion und Herstellung dieser Wägezellentypen erschweren. Die Säule selbst sollte im Vergleich zu ihrem Querschnitt lang genug sein, damit ein unbegrenztes Dehnungsfeld ausreichender Länge entsteht. Da die Säulenkonfiguration dem Einfluß exzentrischer Lastnebenkomponenten unterliegt, erfordert sie Maßnahmen zu deren Minimierung, beispielsweise in Form zweier Membranen am oberen Säulenende.
Säulenförmige Wägezellen unterliegen wegen der Querschnittsänderung bei der Verformung während der Belastung einem inhärenten Linearitätsfehler (Poisson'sches Verhältnis). Dieser Linearitätsfehler kann durch den Einsatz von Halbleiter-Meßelementen in den Plus- und Minusspeiseleitungen kompensiert werden. Damit dient das Ausgangssignal von Halbleiter-Meßelementen als Rückführung für die Einstellung der Brückenspannung in umgekehrter Richtung zum Linearitätsfehler.
Für sehr hohe Nennlasten gebaute einfache säulenförmige Wägezellen sind groß und schwierig zu handhaben (hohes Gewicht). Flache Meßdosenzellen sind herstellbar, wenn die Last von drei oder mehr Säulen mit je einem DMS-Satz getragen wird. Die entsprechenden DMS aller Säulen sind in den jeweiligen Armen der Wheatstone-Brücke in Reihe geschaltet. Als Resultat entsteht nicht nur ein niedriges Gesamtprofil, sondern auch eine bessere Leistung bei exzentrischer Belastung.
Da Druckkraft-Wägezellen nicht dem für Biegestäbe typischen mechanischen Moment ausgesetzt sind, verfügen sie über eine ausgezeichnete Bruchlast. Aufgrund ihrer relativ geringen Verformung sind diese Wägezellen jedoch empfindlicher gegenüber Schockbelastung.
Das Ringtorsions-Meßprinzip ist relativ neu und ideal geeignet für Laststufen, für die normalerweise Scher und Biegestäbe eingesetzt werden. Die Wägezelle ist in der Regel eine flache Wägezelle aus rostfreiem Stahl mit vier in Vollbrückenschaltung angeordneten kreisförmigen DMS.
Die DMS sind auf einen ringförmigen Teil des Meßkörpers aufgeklebt, der sich bei Lasteinleitung verbiegt. Dabei wird der Durchmesser des Ringes oben kleiner, während er sich unten vergrößert. Das heißt, bei einer Belastungen werden zwei DMS zusammengedrückt und zwei gedehnt.
Der geometrische Aufbau des Meßelementes bietet im Vergleich zur Messung nach dem Prinzip der Scherkraft- bzw. Biegekraftmessung verbesserte Spezifikationen hinsichtlich Kriechverhalten und Hysterese.
Da die Belastung als Druckkraft wirkt, unterliegt die Ringtorsions-Wägezelle nicht dem für Biegestäbe typischen mechanischen Moment. Sie ist daher inhärent sicherer und trotzdem extrem flach. Ein mechanischer Überlastschutz ist durch den festen Abstand zwischen Lasteinleitungsring und Grundplatte gewährleistet. Aufgrund ihrer sehr geringen Verformung sind Ringtorsions-Wägezellen ideal für schnelles Wägen geeignet, jedoch auch empfindlicher gegenüber Schocküberlastung.
