Technik Wägezellen

Wägezelle | Kraftmessdose | Kraftsensor | Kraftaufnehmer

Unverzichtbar für jedes Wägesystem: Wägezelle (bzw. Kraftaufnehmer oder Kraftsensor)

Kernstück jeder Waage und jedes Wägesystems ist die Wägezelle. Sie sind hochgenaue Aufnehmer und liefern dem Anwender wichtige Informationen, die sich aus kommerziellen Gründen nicht ohne weiteres durch andere Technologien gewinnen lassen.

Wägezellen dienen der Messung von Kraft bzw. Gewicht in einem weiten Bereich schwieriger Umgebungseinflüsse. Sie sind auch der empfindlichste Teil elektronischer Wägesysteme. Um Wägezellen optimal nutzen zu können, muss der Anwender Technologie, Aufbau und Arbeitsweise dieser Komponente genau verstehen.

Dabei ist es wichtig, dass für den speziellen Anwendungsfall stets die richtige Wägezelle gewählt und während ihrer Nutzungsdauer ordnungsgemäß gepflegt wird. Um einen langfristig erfolgreichen Einsatz eines Wägesystems zu gewährleisten, muss jeder seiner Faktoren berücksichtigt werden. Wägezellen erleiden Schäden durch Blitzschlag, elektrische Überspannung, mechanische Überlastung, eindringende Chemikalien oder Feuchtigkeit, falsche Handhabung und sogar Vibration.

Neben der richtigen Nennlast, Genauigkeitsklasse und dem richtigen Schutz gegenüber Umgebungseinflüssen muss bei der Wahl für die richtige Wägezelle berücksichtigt werden, welches Messprinzip Vorteile hinsichtlich Überlastung bzw. einfacher Montage bietet.

Funktionsprinzipien

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 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 verwendbares elektrisches Signal umformt. Für die Kompensation und Kalibrierung des Wägezellen-Ausgangssignals werden passive Bauteile wie Widerstände und temperaturabhängige Drähte eingesetzt.

Biegestäbe ermöglichen hohe Dehnungen bei relativ kleinen Kräften und eignen sich deshalb ideal für niedrige Laststufen. 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.

Verformungskörper

Scherstabwägezellen werden für die Messung mittlerer und hoher Nennlasten bei Anwendungen aller Art zunehmend populärer. Das Prinzip der Scherkraftmessung ermöglicht ein Standardprofil für eine gegebene Nennlast, hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Seitenkräften und relativ geringe Empfindlichkeit gegenüber dem Belastungspunkt. 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.

Schersteg

Druckkraft-Wägezellen arbeiten nach dem Prinzip der Scherkraft-, Biegekraft-, Ringtorsions- oder Säulenmessung. Das verbaute Säulenelement besteht aus einem oder mehreren Gliedern. Für sehr hohe Nennlasten gebaute einfache Druckkraft-Wägezellen sind groß, schwer und somit schwieriger zu handhaben. 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.

Wägezelle

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 flach und aus rostfreiem Stahl mit vier in Vollbrückenschaltung angeordneten kreisförmigen DMS. Diese 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 Belastung 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.

Ringtorsion

Wartung von Wägezellen

Die Wartung der Wägezellen ist ein Punkt, der sowohl von Anwendern als auch von Wartungsdiensten häufig übersehen wird. Dabei ist diese wichtig, um die Langzeitstabilität und -leistung der Kraftaufnehmer erheblich zu erhöhen und deren Korrosionsfähigkeit zu mindern.

Wurde ein Ausfall der Wägezelle durch Eindringen von Wasser oder Chemikalien verursacht, ist mit einer bleibenden Leistungsminderung der übrigen Wägezellen im System und schließlich mit mechanischem Versagen zu rechnen. Dieser Ausfall kann ernste Folgen im Hinblick auf Sicherheit und Kosten haben. Ihr Aus- und Umbau sollte grundsätzlich nur von Fachpersonal durchgeführt werden.


Wartungstypen

Routinemäßige Wartung
Die routinemäßige Wartung wird in regelmäßigen Abständen durchgeführt und umfasst die Entfernung von Material und Rückständen von Wägezelle und Montagesatz. Durch Fehlfunktion des Montagesatzes kann schwerer Schaden an den Wägezellen entstehen. Schäden und Beeinträchtigungen der Oberflächenbeschichtungen sollten behoben und alle Kabel und Verbindungskästen geprüft werden. Um die Einflüsse etwaiger Überflutung möglichst gering zu halten, wird empfohlen, Entwässerungssysteme in der Grube von Geröll frei zu halten. Zur Verhinderung eventueller chemischer Korrosion sollte eine regelmäßige Reinigung vorgenommen werden.

Ad-hoc-Wartung
Die Ad-hoc-Wartung ist unmittelbar nach unerwarteten Ereignissen, wie Überschwemmungen, Sturm, Erdbeben oder Gewitter durchzuführen.

Weitere Informationen

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