Ratgeber
Wägezellen sind wesentliche Bestandteile der Wägetechnik und Herzstück elektronischer und elektromechanischer Waagen. Sie ermöglichen es, das Gewicht von Objekten zu messen, und werden für zahlreiche industrielle und wirtschaftliche Prozesse gebraucht. Wie Wägezellen funktionieren, welche Bauformen es gibt und wofür sie sich eignen, erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Wägezellen sind ein wesentlicher Bestandteil der Wägetechnik. Sie sind in Waagen und Wiegesystemen unterschiedlicher Art zu finden und machen es überhaupt erst möglich, das Gewicht von Objekten zu messen. Bei Wägezellen handelt es sich eine Sonderform von Kraftaufnehmern, auch Kraftsensoren genannt, die speziell für den Einsatz in Wägevorrichtungen konzipiert sind. In Aufbau und Funktionsweise ähneln sie klassischen Kraftaufnehmern, sind jedoch nicht in Newton, sondern in Gramm, Kilogramm, Tonnen, Pfund oder Unzen kalibriert.
Anwendung finden Wägezellen im Grunde genommen überall dort, wo das Gewicht von Objekten zuverlässig bestimmt werden soll. In der Industrie kommen sie beispielsweise in Verbindung mit Plattform-, Abfüll-, Band- oder Verpackungswaagen zum Einsatz und spielen unter anderem eine wichtige Rolle in lebensmittelproduzierenden und -verarbeitenden Bereichen, beispielsweise beim Abpacken von Fisch und Fleisch in bestimmten Mengen oder beim Erstellen von Gebinden. Auch im Alltag werden Wägezellen vielfältig genutzt – sei es beim Abwiegen an der Supermarktkasse oder beim Kochen und Backen mit der Küchenwaage.
Wägezellen sind Sensoren, die Lasten mit hoher Genauigkeit bestimmen. Sie sind sowohl die wichtigsten als auch die empfindlichsten Bestandteile der Messtechnik in elektronischen und elektromechanischen Waagen und Wiegesystemen. Im Wesentlichen handelt es sich bei Wägezellen um Messgrößenumformer. Sie wandeln eine mechanische Eingangsgröße, also eine Last, auf Basis von Materialverformung in eine elektrische Ausgangsgröße (Spannung) um. Zu diesem Zweck sind die meisten Wägezellen mit einem Federkörper aus Metall ausgestattet, der sich verformt, sobald ein Gewicht darauf einwirkt. Die Verformung wird mithilfe eines Dehnungsmessstreifens erfasst, der auf dem Federkörper aufgebracht ist. Der Dehnungsmesstreifen besteht aus dünnen, elektrisch leitfähigen Drähten oder Metallfolien, die meist zickzack- oder gitterförmig angeordnet sind, und ist mit einer elektronischen Schaltung verbunden. Sobald sich der Federkörper biegt, dehnt oder staucht, überträgt sich die Bewegung auf das Gitter, das daraufhin seinen elektrischen Widerstand ändert – und zwar proportional zur Verformung. Der entstehende elektrische Impuls wird dann an eine Kontrolleinheit weitergeleitet, die daraus ein Gewicht errechnet.
Die Funktionsweise von Wägezellen ist prinzipiell immer die gleiche. Je nach Bauart unterscheiden sich Wägezellen jedoch in ihren mechanischen Eigenschaften und eignen sich dementsprechend für spezifische Anwendungen. Zu den gebräuchlichsten Arten von Wägezellen zählen Biegestab-Wägezellen, Scherkraft-Wägezellen, Single-Point-Wägezellen, Druckkraft-Wägezellen und Zugkraft-Wägezellen.
Biegestab-Wägezellen heißen so, weil sich Teile ihres Zellenkörpers biegen oder krümmen, wenn eine Last darauf wirkt. Schon kleine Kräfte können relativ große Dehnungen hervorrufen, was bei Anwendungen mit geringeren Nennlasten vorteilhaft ist. Sie werden in einem Bereich von wenigen Kilogramm bis 5 Tonnen eingesetzt und eignen sich beispielsweise gut für Aufgaben, die der Überlastkontrolle dienen (bspw. in Aufzügen). Scherkraft-Wägezellen sind eher für Anwendungen mit mittleren und hohen Lasten geeignet. Sie sind widerstandsfähiger gegenüber Seitenkräften, unempfindlicher hinsichtlich des Belastungspunkts und werden beispielsweise in Bandwaagen oder zum Zweck der Füllstandsüberwachung eingesetzt.
Single-Point-Wägezellen werden häufig in Verbindung mit Plattformwaagen genutzt, weswegen man sie auch Plattform-Wägezellen nennt. Sie sind wie Biegestab- und Scherkraft-Wägezellen mit einem metallischen Federkörper und einem Dehnungsmessstreifen ausgestattet, haben aber einen Hohlraum im Inneren, dessen Größe und Form je nach Ausführung variiert. Der Hohlraum ermöglicht es, selbst bei ungleichmäßiger Belastung Messungen von hoher Präzision vorzunehmen. Ecklastkompensierte Single-Point-Wägezellen liefern sogar ein exaktes Messergebnis, wenn die Last nur auf eine Ecke der Plattform wirkt. Generell eignen sich Single-Point-Wägezellen hervorragend für Anwendungen, bei denen es zu ungleichmäßiger Lastenverteilung kommen kann. Sie werden unter anderem in Verkaufs- und Ladenwaagen sowie mobilen Wägesystemen verbaut. Wie Biegestab-Wägezellen sind sie für geringe bis mittlere Kapazitäten (2 Kilogramm bis 2 Tonnen) ausgelegt.
Druckkraft-Wägezellen sind in zwei Bauformen erhältlich: als Säulen-Wägezellen und als Kompakt-Wägezellen. Säulen-Wägezellen sind im Inneren mit einer tragenden Säule ausgestattet, weswegen sie sich sehr gut für hohe Nennlasten eignen. Sie kommen in Waagen mit Kapazitäten von 250 kg bis mehreren Hundert Tonnen zum Einsatz, beispielsweise LKW-Waagen, Tankwaagen, Silowaagen oder Gleiswaagen. Kompakt-Wägezellen zeichnen sich durch eine flache Bauweise und kleine Abmessungen aus. Sie werden immer dann verwendet, wenn wenig Platz zur Verfügung steht.
Zugkraft-Wägezellen sind für Messungen von hängenden Lasten konzipiert. Da sie sich auf einer Linie mit dem zu wiegenden Objekt befinden müssen, das meist fest mit der Aufhängungsvorrichtung verbunden ist, sind Zugkraft-Wägezellen oft S-förmig oder Z-förmig gestaltet. Dementsprechend verfügen sie über einen oberen und einen unteren Arm, die beim Ausrichten der Befestigungspunkte helfen. Aufgrund ihres mittigen Innengewindes können S-förmige Wägezellen, auch als S-Typ-Wägezellen bezeichnet, die Last optimal einleiten. Sie sind für Kapazitäten von 25 Kilogramm bis 10 Tonnen geeignet. Genutzt werden sie in Verbindung mit Kranwaagen, hängenden Lastenträgern oder Wägebändern. Zugkraft-Wägezellen können auch als kombinierte Zug- und Druck-Wägezellen realisiert sein, die noch mehr Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.
Wägezellen werden nicht nur nach ihrer konkreten Bauform oder ihrem Anwendungsbereich unterschieden, sondern auch nach der Art ihres Ausgangs. Hier lassen sich analoge und digitale Wägezellen differenzieren. Analoge Wägezellen benötigen eine externe Einheit, um analoge Signale zu verstärken und in digitale Signale umzuwandeln. Digitale Wägezellen sind dagegen bereits mit einem elektronischen System zur Signalverarbeitung und A/D-Umwandlung ausgestattet. Das System ist in vielen Fällen auch in der Lage, den Zustand der Wägezellen zu überwachen, Diagnosen zu erstellen und Fehler zu lokalisieren, was die Wartung erheblich vereinfacht. Fällt ein analoges Wägezellensystem aus, müssen jede einzelne Wägezelle, jedes angebundene Kabel und jeder Anschlusskasten auf Fehler überprüft werden, was mit Zeit und Aufwand verbunden ist.
Bei der Auswahl von Wägezellen sind mehrere Kriterien zu berücksichtigen. Ein wichtiger Faktor ist zunächst einmal die Kapazität: Mit welchen Lasten muss die Wägezelle umgehen können, damit sie die höchstmögliche Genauigkeit bietet? Von der Kapazität hängt im Wesentlichen ab, welcher Wägezellentyp am besten geeignet ist. Bei geringeren Lasten sind Biegestab-Wägezellen zu bevorzugen, bei hohen Lasten sind Druckkraft-Wägezellen die bessere Lösung. Im Fall von Zuglastanwendungen sind S-Typ-Wägezellen die richtige Wahl.
Des Weiteren ist wichtig, dass eine Wägezelle alle erforderlichen Normen erfüllt und eine geeignete IP-Schutzart aufweist. Für Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und schnellen Temperaturwechseln sind hermetisch abgedichtete Wägezellen aus rostfreiem Material wie Edelstahl empfehlenswert. Wichtig ist auch, das Wägezellensystem zu kalibrieren, und zwar nicht nur zum Zeitpunkt der Erstinstallation. Wägezellen müssen in regelmäßigen Abständen neu kalibriert werden, was mit Kosten einhergeht, wenn beispielsweise aus Gründen der Qualitätssicherung eine unabhängige Kalibriereinrichtung gefordert ist.
Bei der Installation von Wägezellen sollten unbedingt abgeschirmte Kabel verwendet werden. Sind die Kabel nicht geschirmt, kann es zu Störungen bei der Übertragung des Wägezellensignals kommen, erst recht, wenn es eine geringe Spannung aufweist. Die Kabel sollten außerdem möglichst kurz sein, um lange Übertragungswege zu vermeiden. Behalten Sie im Hinterkopf, dass sich der spezifische Widerstand von Kupferadern bei zunehmender Temperatur vergrößert. Bei niedrigen Temperaturen sinkt der Widerstand, was die Leitfähigkeit verbessert.
Bedeutet eine höhere Auflösung bei Wägezellen automatisch eine höhere Genauigkeit?
Nein. Die Auflösung referiert auf die Anzahl der Stellen, die nach dem Komma angezeigt werden. Das suggeriert zwar eine höhere Genauigkeit, ist aber nur eine Angabe zur Darstellung. Die Genauigkeit beschreibt, wie exakt die Messung erfolgt bzw. wie wahr das Messergebnis ist. Zeigt eine Wägezelle viele Nachkommastellen an, heißt das nicht, dass sie automatisch genauer arbeitet. Verlässliche Angaben zur Genauigkeit zu machen, ist ohnehin schwierig, da sie von der Umgebungstemperatur, der Messdauer und vielen weiteren Faktoren beeinflusst wird.
Was sind Wägemodule?
Wägemodule sind Einheiten, auf denen die Sensoren bereits mit allen mechanischen Komponenten zum Zwecke einer gleichmäßigen Lasteinleitung ausgestattet sind. Sie vereinfachen die Integration und Installation von Wägezellen deutlich.