In diesem Artikel befassen wir uns mit der Messung von Gewichtskräften mit Hilfe von Wägezellen, und zwar so detailliert, dass Sie:

  • sehen, wie Wägezellen funktionieren;
  • lernen, wie Gewichtsmessungen in Wissenschaft und Industrie durchgeführt werden;
  • verstehen, wie Sie die Messung in Ihre Tests einbinden können.

Was ist eine Wägezelle?

Eine Wägezelle ist im Wesentlichen ein Kraftwandler oder Kraftsensor. Sie wird hauptsächlich zum Messen von Gewichtskräften eingesetzt. Und obwohl sie darüber hinaus auch zum Messen anderer Kräfte wie Drehmoment, Druck usw. verwendet werden kann, werden wir uns in diesem Artikel auf Anwendungen zur Gewichtsmessung konzentrieren. 

An example load cell sensorBeispiel einer Wägezelle
Bildquelle: Daraceleste / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Obwohl die Schwerkraft (Gravitation) die schwächste der vier Grundkräfte der Physik oder fundamentalen Wechselwirkungen ist, die das Universum zusammenhalten, ist sie die einzige, die wir direkt wahrnehmen können. Auf der Erde wirkt die Schwerkraft auf alles, was Masse hat, und zieht es zum eisernen Kern unseres Planeten. Gewichtskraft (Gewicht) und Masse sind durch die Schwerkraft miteinander verbunden. 

Die internationale Maßeinheit für Gewicht ist das Kilogramm (kg). Sogar in den USA, wo das angloamerikanische Maßsystem für Gewicht, Entfernung und Volumen noch immer allgemein verbreitet ist, werden diese Einheiten inzwischen auf das metrische Internationale Einheitensystem (SI) bezogen. 

So ist das US-amerikanische pound (Handelsgewicht) nicht mehr durch eine andere angloamerikanische Maßeinheit, sondern offiziell als 0,45359237 Kilogramm definiert. 2019 beschloss das Internationale Büro für Maß und Gewicht neue Verfahren für die Bestimmung der Masse des Kilogramms über die Plancksche Konstante; dabei wurde die Bezugnahme auf ein physisches Referenznormal (Urkilogramm) gestrichen.

Hebt man die Schwerkraft auf, dann wiegt ein Körper buchstäblich nichts, seine Masse jedoch bleibt unverändert. Wenn Sie etwas wiegen, messen Sie tatsächlich die Gewichtskraft, die unter den auf der Erde herrschenden Bedingungen auf diese Masse wirkt. Analog dazu bestimmt auch eine Wägezelle zwar eigentlich eine Masse, stellt dabei aber die sich aus der physikalischen Realität auf unseren Planeten ergebende Gewichtskraft fest.

Wägezellen können auf verschiedenen Funktionsprinzipien basieren. Im Bereich der Eigensicherheit etwa werden oft pneumatische Wägezellen verwendet, und hydraulische Wägezellen, die keinen Strom benötigen, kommen häufig an abgelegenen, schwer zugänglichen Orten zum Einsatz. Darüber hinaus gibt es zum Beispiel auch noch piezoelektrische Wägezellen, die ein hohes (jedoch nicht lineares) Ausgangssignal liefern.

Wir werden uns hier jedoch auf Wägezellen mit Dehnungsmessstreifen (DMS) konzentrieren, die weltweit am weitesten verbreitet sind. Sie sind kostengünstig, sehr zuverlässig und für zahlreiche verschiedene Krafteingangssignale verfügbar. Mit ihrer Genauigkeit von 0,25 % und besser über den gesamten Messbereich sind sie heute De-facto-Standard in der Wägeindustrie.

Vielleicht benutzen Sie sogar jeden Morgen ein auf DMS-Wägezellen basierendes Gerät, ohne sich dessen bewusst zu sein. Dieses könnte in etwa so aussehen:

The digital bathroom scale is a strain gage-based load cell deviceDie digitale Badezimmerwaage ist ein auf Dehnungsmessstreifen basierendes Wägezellengerät

Während klassische mechanische Waagen Hebel verwenden, um die aufgebrachte Last zu verteilen und eine Feder zu bewegen, die mit einer mechanischen Skala verbunden ist, nutzen die meisten modernen Digitalwaagen mehrere DMS-basierte Wägezellen zur Kalkulation des Gewichts.
Wenn Sie die Wägeplatte mit dem Fuß antippen, wird der eingebaute Mikrocontroller aktiviert und führt eine Nullpunktkalibrierung der Dehnungsmessstreifen durch. Nun zeigt das Digitaldisplay 0,0 kg an, und Sie können auf die Waage steigen und sich wiegen.
Hochwertige digitale Badezimmerwaagen sind an allen vier Ecken mit DMS-Wägezellen ausgestattet, wobei diese oft in den „Füßen“ der Waage untergebracht sind. Zwei dieser Wägezellen sind im Zugmodus und die beiden anderen im Druckmodus positioniert. 
Wenn Sie die Waage betreten, erfasst der Mikrocontroller die Ausgangssignale der Wägezellen, wandelt sie in einen Gesamtgewichtswert in der gewählten Maßeinheit um und zeigt diesen auf einer Messanzeige an. Da Dehnungsmessstreifen als Widerstandssensoren temperaturempfindlich sind, messen einige Waagenmodelle mithilfe eines Thermoelements sogar die Umgebungstemperatur und berücksichtigen diese bei der Gewichtskalkulation.
Wenden wir uns nun aber der Verwendung von Wägezellen für wissenschaftliche Datenerfassungsanwendungen zu.

Wie funktioniert eine Wägezelle mit Dehnungsmessstreifen?

Ein Dehnungsmessstreifen (DMS) misst Dehnungen anhand von Widerstandsänderungen. Dazu wird eine Messgitterfolie aus Widerstandsdraht auf einem flexiblen Träger angebracht, der auch als Isolator dient. Durch den Widerstandsdraht wird ein Strom geleitet. Wird der Prüfling nun belastet (also gestaucht oder unter mechanische Spannung gesetzt), dann kommt es zu einer Widerstandsänderung, die proportional zum Ausmaß der Durchbiegung ist.

Full bridge strain gage sensor schematicVollbrücken-Dehnungsmessstreifen

Bei einer Dehnung erhöht sich der Widerstand eines Leiters. Wird er hingegen gestaucht, dann nimmt sein Widerstand ab. Diese Widerstandsänderung kann mithilfe einer Wheatstoneschen Brücke gemessen werden, bei der vier Dehnungsmessstreifen-Sensoren auf bestimmte Weise angeordnet sind.

Strain gage operation (bending exaggerated for clarity)Funktionsweise eines Dehnungsmessstreifens (Biegung zur Verdeutlichung übertrieben)
Bild mit freundlicher Genehmigung von WikiCommons
Wheatstone bridge diagram by DewesoftSchematischer Aufbau einer Wheatstoneschen Brücke

Wenn mit allen vier Sensoren gemessen wird, spricht man von einer Vollbrückenkonfiguration. Im obigen Vollbrückendiagramm wird die Ausgangsspannung des Sensors an C und B gemessen, während die Erregerspannung an A und D zugeführt wird.

Bringen wir also einen Dehnungsmessstreifen auf einen Messkörper (mechanisches Gehäuse) auf und setzen diesen Messkörper anschließend einer Spannung oder Kraft – etwa einer Gewichtskraft – aus, dann misst der Messstreifen den relativen Druck oder Zug, den diese Kraft ausübt. Die Kombination aus Messkörper und darauf aufgebrachtem Dehnungsmessstreifen bezeichnet man als Wägezelle. 

Betrachten wir nun die verschiedenen Formen und Größen solcher Wägezellen und wie sie verwendet werden.

Erfahren Sie mehr über Dehnungsmessstreifen und Dehnungsmessung:

Dehnungs- und Druckmessung mit Dehnungsmessstreifen
Dewesoft PRO-Training -> Dehnungsmessung

 

Anwendungen der Wägezellenmessung

Es gibt eine praktisch unbegrenzte Anzahl möglicher Anwendungen für große wie kleine Wägezellen. Hier eine kleine Auswahl:

  • Materialprüfung – Messung des Gewichts von Bauteilen während der Produktion zur Einhaltung von Fertigungstoleranzen
  • Luft- und Raumfahrt – Schubtests an Düsentriebwerken, Messung von Rad- und Fahrwerklasten
  • Schifffahrt – Überwachung der Spannungen bei Festmacherleinen unter der Last sich im Wasser bewegender Schiffe
  • Verkehrswesen – Drehmomentmessung an Elektro-, Benzin- und Dieselmotoren, Achslastüberwachung, Radlastmessung bei Zügen und Lkw, Messung von Ladungsgewichten an Autobahn-Wiegestationen
  • Industrie – Kraftmessung an Getrieben und Pumpen, Spannungsmessung bei Unterwasser-Rohrverlegung, Spannungs- und Kraftmessung in Papierfabriken und Stahlwerken, Trichter- und Behälterwägung
  • Medizin/Gesundheitswesen – Patientenbettwaagen für Krankenhäuser, Präzisionswaagen für Säuglings- und Kleinkindinkubatoren, Belastungsmessung an Physiotherapie- und Trainingsgeräten
  • Bauwesen – Seilkräfte in Aufzügen, Kraftmessung nach internationalen Normen an Gerüsten. Hier finden sie eine interessantes Anwendungsbeispiel.
  • Unterhaltung – Montage von S-Beam-Wägezellen zur Gewährleistung der Einhaltung vorgeschriebener Belastungsgrenzen in Stahlseilen, die zum Heben von Akrobaten und Schauspielern dienen
  • Petrochemie – Kraftmessung an Öl- und Gasbohrgeräten
  • Landwirtschaft und Viehzucht – Messung des Lebendgewichts von Nutztieren auf Viehrampen, Kraftmessung an Kabeln und Hebezeugen, Trichter-, Kannen- und Silowägung
  • Haushalt/Verbraucher – digitale Badezimmerwaagen

Wenn wir die Vielfalt betrachten, die sich bereits anhand von nur rund einem Dutzend Anwendungsbereichen erkennen lässt, wird deutlich, dass Kraft- und Gewichtsmessungen ähnlich wie Temperaturmessungen für Zehntausende von Anwendungen in praktisch allen Industriezweigen von wesentlicher Bedeutung sind.

Erwägungen zur Verwendung von Wägezellen

Maximale Tragfähigkeit

Es ist wichtig, eine Wägezelle zu verwenden, die nicht nur der Art oder Richtung der Last entspricht, die Sie messen wollen, sondern die auch für die zu erwartende maximale Last bemessen ist.
Wägezellen werden zum Beispiel nach ihrer maximalen Tragfähigkeit in kg (oder lbs) klassifiziert. Um ein Gewicht bis 1000 kg zu messen, sollten Sie natürlich eine Wägezelle verwenden, die mindestens für das Anderthalb- bis Zweifache ausgelegt ist.

Zweipunkt-Kalibrierung und Nullabgleich

Das Kalibrierblatt, das mit allen Wägezellen geliefert wird, informiert Sie über die bevorzugte Erregerspannung und die Empfindlichkeit der verwendeten Dehnungsmessstreifen. Sie benötigen diese Angaben, um die Software so einzurichten, dass das Ausgangssignal in der gewünschten Maßeinheit (normalerweise kg oder lbs) akkurat gemessen wird. 

In der Software Dewesoft X ist es recht einfach, eine NULL-Kalibrierung beliebiger Sensoren durchzuführen; z. B. indem man alle Lasten entfernt und dann in der Software auf NULL klickt (so, wie es Ihre Badezimmerwaage automatisch tut). Sie können auch eine Zweipunkt-Kalibrierung mit einer bekannten Referenzlast durchführen und auf diese Weise sicherstellen, dass Ihre Wägezelle korrekte, lineare Werte zwischen Null und der von Ihnen aufgebrachten Referenzlast ausgibt.

Strain gage load cell channel setup inside Dewesoft X DAQ softwareEinrichtung und Kalibrierung einer Wägezelle in der Datenerfassungssoftware Dewesoft X

Umgebungsaspekte

Soll eine Wägezelle in einer Umgebung eingesetzt werden, die korrosive Gase, Wasser, Dampf usw. enthält, dann ist eine als korrosionsbeständig eingestufte Ausführung zu verwenden. Für solche rauen Umgebungsbedingungen werden spezielle, abgedichtete Wägezellen aus Edelstahl (schauen Sie nach Schutzart IP65 und höher) hergestellt. Darüber hinaus müssen alle Sensoren oder Systeme, die in explosionsgefährdeten Atmosphäre zum Einsatz kommen sollen, natürlich den jeweiligen regulatorischen Anforderungen entsprechend als eigensicher und/oder explosionsgeschützt zertifiziert sein.

Wägezellentypen

Es gibt Wägezellen in unterschiedlichen Formen und Größen für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen. Hier sind die wichtigsten aktuell erhältlichen Typen:

  • Scherstab-/Plattformwägezellen
  • Kanisterwägezellen
  • S-Beam-Wägezellen
  • Ringwägezellen
  • Pancake-Kraftmessdosen 
Typ Scherstab/ Plattform Kanister S-Beam Ring Pancake
Abbildung Bar / Bending Beam type load cell Canister type Load cell S-Beam type load cell Through- Hole / Donut type load cell Pancake type load cell
Anwendung(en)

Zur Gewichtsmessung. Sehr gut für außermittige Messungen geeignet

Zur Messung von Druckbelastungen Geeignet für die Messung von Druck und Zug. Kann zu Messzwecken in ein Stahlseil eingefügt werden.  Robustester Typ, für hohe Druck- und Zugbelastungen. Die Durchgangsbohrung erlaubt es, die zu messende Struktur durch die Wägezelle hindurchzufûhren. Für höchste Druck- und Zugbelastungen (bis 100 kg und darüber)
Zur Messung von Zug und Druck Druck Zug und Druck Nur Druck ODER Zug und Druck Zug und Druck

Hier unterscheidet man zwischen Einzelpunkt-Wägezellen und Hochlastmodellen, bei denen die Last zur Erhöhung der Genauigkeit und/oder Kapazität auf vier oder mehr Dehnungsmessstreifen verteilt wird. Oben sind nur einige der wichtigsten Wägezellentypen genannt. Es gibt aber noch viele andere, darunter diverse Sondertypen für spezielle Anwendungen und Umgebungen, wie etwa Niedrigbau-, Miniatur- und Ultra-Miniatur-Wägezellen für sehr enge Räume oder – am anderen Ende des Spektrums – Wägezellen, die zur Messung von Hunderten von Tonnen geeignet und aus offensichtlichen Gründen ziemlich groß sind.

Scherstab-/Plattformwägezellen

Scherstab- oder Plattformwägezellen werden häufig für industrielle Wägeanwendungen verwendet. Dabei wird ein Ende der Wägezelle an einer Struktur befestigt und auf das freie Ende eine Kraft aufgebracht (siehe der orange Pfeil in der Grafik unten).
Diese Kraft bewirkt, dass sich die vier Dehnungsmessstreifen, die jeweils oben und unten in den beiden Ende der Wägezelle untergebracht sind, dehnen oder stauchen, je nachdem, wie stark die Wägezellenstruktur durch Aufbringen oder Entfernen der Kraft belastet wird. Die damit verbundenen winzigen Widerstandsänderungen der Dehnungsmessstreifen werden von unserer Datenerfassungssoftware Dewesoft X problemlos in Gewichtswerte umgewandelt. 

Bar or bending beam type load cellTypische Plattformwägezelle
Bildquelle: Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Bending beam load cell applicationVerwendung einer Plattformwägezelle

Kanisterwägezellen

Die auch als „Kanisterwägezelle“ bekannte Druckwägezelle ist der grundlegendste Wägezellentyp. Sie wird in erster Linie in industriellen Anwendungen zur Messung der Gewichtskraft einer aufgelegten Last eingesetzt und verdankt ihren Namen der kanisterähnlichen Form.

Canister type load cell sensoerTypische Kanisterwägezelle Daraceleste
[CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

S-Beam-Wägezellen

S-Beam-Wägezellen sind ebenfalls zur Messung von sowohl Druck- als auch von Zugkräften geeignet. Ihren Namen verdanken sie ihrer charakteristischen Form, und sie werden üblicherweise in Stahlseile eingefügt, die zum Heben schweren Lasten dienen. 

Typical s-beam type load cell sensorTypische S-förmige Zug- und Druckkraftwägezelle Daraceleste
[CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Ringwägezellen

Ringwägezellen sind manchmal nur für die Druckkraftmessung, in anderen Fällen für die Messung von Druck- und Zugkräften ausgelegt. Die Öffnung in der Mitte erlaubt es, bei Bedarf einen Teil der zu wiegenden Struktur direkt durch die Wägezelle hindurchzuführen. Bei einigen Modellen sind um die zentrale Öffnung herum noch weitere Öffnungen angeordnet, die zusätzliche mechanische Verbindungen ermöglichen.

Trough-hole or donat type load cell sensor
Typische Ringwägezelle
Bild mit freundlicher Genehmigung von Forsentek

Pancake-Kraftmessdosen

Pancake-Kraftmessdosen sind für Anwendungen konzipiert, bei denen sowohl Zug- als auch Druckkräfte (Zug und Schub) zu messen sind.

Pancake type load cell sensorTypische Pancake-Kraftmessdose Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Mit Wägezellen kompatible Datenerfassungssysteme von Dewesoft

SIRIUS-Datenerfassungssysteme

SIRIUS-Datenerfassungssysteme sind mit der DualCoreADC®-Technologie ausgestattet, die die Effizienz dualer 24-Bit-Delta-Sigma-A/D-Wandler mit einem Anti-Aliasing-Filter auf jedem Kanal verbessert und so einen außerordentlichen Dynamikumfang von 160 dB im Zeit- und Frequenzbereich und eine Abtastrate von bis zu 200 kS/s pro Kanal erreicht.

SIRIUS-Module weisen 8 oder 16 analoge Eingangskanäle auf. Jedes SIRIUS-DAQ-System umfasst die preisgekrönte Datenerfassungssoftware Dewesoft X für die komplette Konfiguration und Bedienung des Systems, die Anzeige, Speicherung und Analyse der Daten und die Erstellung von Berichten.

SIRIUS modular DAQ systems

Die folgenden SIRIUS-Verstärker sind mit Wägezellen kompatibel:

  • SIRIUS STG (8 Kanäle), 200 Ms/s, unterstützt alle DMS-Typen, großer Eingangsbereich
  • SIRIUS STGM (8 Kanäle) 200 kS/s, geringe Leistungsaufnahme, Sensor- und Verstärkerabgleich
  • SIRIUS-LV (8 Kanäle), 200 kS/s, unterstützt Vollbrückenschaltungen
  • SIRIUS-HD STGS (16 Kanäle) 200 kS/s, geringe Leistungsaufnahme, Sensor- und Verstärkerabgleich
  • SIRIUS-HS STG (8 Kanäle), 1 Ms/s, unterstützt alle DMS-Typen, großer Eingangsbereich
  • SIRIUS-HS-LV (8 Kanäle), 1 MS/s, unterstützt Vollbrückenschaltungen

Weitere Informationen finden Sie auf der Systemseite zu SIRIUS-Datenerfassungssystemen.

KRYPTON-Datenerfassungssysteme

Die KRYPTON DAQ-Produktfamilie bietet robuste DMS-Module mit 1, 3 oder 6 Kanälen. Darüber hinaus sind viele weitere KRYPTON- und KRYPTON ONE-Module für andere Sensor- und Signaltypen erhältlich. Die KRYPTON-Datenerfassungsmodule haben die Schutzart IP67 und sind für raueste Betriebsumgebungen (mit Erschütterungen, Vibrationen und extremen Temperaturen) ausgelegt. Jedes KRYPTON-System umfasst die preisgekrönte Datenerfassungssoftware Dewesoft X für die komplette Konfiguration und Bedienung des Systems, die Anzeige, Speicherung und Analyse der Daten und die Erstellung von Berichten.

KRYPTON rugged DAQ modules

Die folgenden KRYPTON-Datenerfassungsmodule sind mit Wägezellen kompatibel:

  • KRYPTON-3xSTG und KRYPTON-6xSTG: 3- oder 6-kanalige Datenerfassungsmodule mit großem Eingangsbereich, unterstützen alle DMS-Typen
  • KRYPTONi-1xSTG: Isoliertes 1-kanaliges Datenerfassungsmodul mit großem Eingangsbereich, unterstützt alle DMS-Typen

Weitere Informationen finden Sie auf der Systemseite zu KRYPTON-Datenerfassungssystemen.

IOLITE-Datenerfassungs- und Steuerungssysteme

Das IOLITE-Datenerfassungs- und Steuerungssystem kombiniert eine leistungsfähige Datenerfassung mit einer Echtzeitsteuerung über zwei EtherCAT-Schnittstellen. Das IOLITE-6xSTG unterstützt DSI-Adapter und kann somit mit zahlreichen weiteren Sensoren verbunden werden. Es wird in einem rackkompatiblen 19"-Gehäuse oder in Benchtop-Ausfûhrung angeboten. Jedes IOLITE-System umfasst die preisgekrönte Software Dewesoft X für die komplette Konfiguration und Bedienung des Systems, die Anzeige, Speicherung und Analyse der Daten und die Erstellung von Berichten.

IOLITE DAQ and Control system

Die folgenden IOLITE-Datenerfassungsmodule sind mit Wägezellen kompatibel:

  • IOLITE-6xSTG (6 Kanäle), unterstützt alle DMS-Typen, großer Eingangsbereich

Weitere Informationen finden Sie auf der Systemseite zu IOLITE-Datenerfassungs- und Steuerungssystemen.

Datenerfassungssystem DEWE-43A

Das DEWE-43A ist ein tragbares 8-kanaliges Datenerfassungsmodul mit acht Vollbrücken-/Niederspannungseingängen mit DB9-Buchsen, acht Zähler-/Encodereingängen und zwei High-Speed-CAN-Bus-Schnittstellen. 

DEWE-43A DAQ system

Es kann mittels eines verriegelbaren USB-Steckers an jeden Windows-Computer angeschlossen werden. Die analogen Eingänge sind für Vollbrückenschaltungen ausgelegt, für die Verwendung mit Viertel- und Halbbrückenschaltungen werden entsprechende DSI-Adapter benötigt. 

Mit anderen DSI-Adaptern sind die einzelnen Eingänge auch für Signale wie IEPE, Ladung, LVDT, 200V, Ampere und Milliampere usw. geeignet. Jedes DEWE-43A-System umfasst die preisgekrönte Software Dewesoft X für die komplette Konfiguration und Bedienung des Systems, die Anzeige, Speicherung und Analyse der Daten und die Erstellung von Berichten.

  • DEWE-43A mit Analogeingängen (8 Kanäle), 200 kS/s, unterstützt Vollbrückenschaltungen (andere per DSI-Adapter)

Weitere Informationen finden Sie auf der Systemseite zum Datenerfassungssystem DEWE-43A.