Eine Wägezelle ist ein Wandler, der mechanische Kraft in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses Signal kann gemessen und standardisiert werden und ermöglicht so eine genaue Überwachung und Steuerung in einer Vielzahl von industriellen und kommerziellen Anwendungen. Wägezellen sind wesentliche Komponenten in Systemen, die eine präzise Kraftmessung erfordern, z. B. in Wägesystemen, bei Strukturtests, Materialermüdungsanalysen und bei der Kraftüberwachung in der Robotik und Automatisierung.
Arbeitsprinzip von Wägezellen
Das gängigste Funktionsprinzip von Wägezellen basiert auf Dehnungsmessstreifen (DMS). Eine Dehnungsmessstreifen-Wägezelle besteht aus einem elastischen Element (häufig aus Stahl oder Aluminium), auf das Dehnungsmessstreifen geklebt sind. Wenn eine Kraft aufgebracht wird, verformt sich das elastische Element. Diese Verformung führt zu einer Änderung des elektrischen Widerstands der Dehnungsmessstreifen, der proportional zur aufgebrachten Kraft ist.
Diese Widerstandsänderung wird mit einer Wheatstone-Brückenschaltung gemessen. Das Ausgangssignal der Brücke ist ein kleines Spannungssignal (typischerweise in Millivolt), das durch einen Wägezellenverstärker verstärkt werden muss, um für digitale Systeme verwendbar zu sein. Die grundlegende Gleichung, die diese Beziehung beschreibt, lautet:
Wobei:
ist die Ausgangsspannung,- ist die Erregerspannung,
- ist die Änderung des Widerstands,
- ist der Nennwiderstand.
ist die Ausgangsspannung,
ist die Erregerspannung,
ist die Änderung des Widerstands,
ist der Nennwiderstand.Arten von Wägezellen
Druckkraftmessdosen sind für die Messung von Druckkräften ausgelegt. Sie werden typischerweise in Anwendungen wie der Pressenüberwachung, Gewichtsmessungen unter Plattformen und industriellen Automatisierungssystemen eingesetzt.
Zugkraft-Wägezellen messen Kräfte, die versuchen, die Zelle auseinander zu ziehen. Sie werden häufig in Kranwägezellen, Hängewaagen und strukturellen Zugprüfungen eingesetzt.
Knopf-Kraftmessdosen sind kompakte, flache Geräte, die dort eingesetzt werden, wo nur wenig Platz zur Verfügung steht. Sie verfügen oft über eine kuppelförmige Oberfläche zum Aufbringen der Druckkraft und werden häufig in Prüf- und Messanwendungen eingesetzt.
Digitale Wägezellen integrieren die Signalaufbereitungselektronik in die Wägezelle selbst. Sie geben digitale Signale direkt aus, so dass keine externen Verstärker oder Analog-Digital-Wandler erforderlich sind.
Hydraulische Wägezellen arbeiten, indem sie eine Kraft auf einen Kolben ausüben, der eine eingeschlossene Flüssigkeit komprimiert. Die Druckänderung in der Flüssigkeit ist proportional zur ausgeübten Kraft und wird von einem Druckmesser abgelesen. Sie sind robust, ideal für gefährliche Umgebungen und benötigen keine Energie für die Signalerzeugung.
Pneumatische Kraftmessdosen funktionieren ähnlich wie hydraulische Versionen, verwenden jedoch Luftdruck anstelle von Flüssigkeit. Sie eignen sich für saubere, explosionsgefährdete Umgebungen und bieten eine geringere Präzision, aber hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit.
Induktive und Reluktanz-Wägezellen nutzen Änderungen der Induktivität oder der magnetischen Reluktanz, um die durch eine angelegte Last verursachte Verschiebung zu messen. Induktive Typen erfassen Änderungen der Spuleninduktivität, während Reluktanztypen Änderungen der magnetischen Reluktanz aufgrund der Kernbewegung messen. Sie werden im Allgemeinen dort eingesetzt, wo berührungslose Messungen von Vorteil sind oder elektrische Störfestigkeit erforderlich ist.
Merkmale und Spezifikationen
Zu den wichtigsten Parametern, die die Leistung einer Wägezelle bestimmen, gehören:
Die Nennkapazität: Die maximale Kraft, die die Zelle genau messen kann.
Empfindlichkeit: Das Verhältnis von Ausgangssignal zu angelegter Last, normalerweise in mV/V.
Linearität und Hysterese: Maße dafür, wie genau der Ausgang der Eingangslast folgt.
Kriechverhalten und Nullpunktabgleich: Indikatoren für die Stabilität im Laufe der Zeit und bei anhaltender Belastung.
Wägezellen unterscheiden sich je nach Anwendung auch in Bezug auf Material (Edelstahl, Aluminium usw.), Umweltschutz (IP-Schutzart) und Montagekonfiguration.
Anwendungen von Wägezellen
Wägezellen sind in modernen technischen Systemen allgegenwärtig. In Industriewaagen sorgen sie für präzises Wiegen in Produktionslinien und in der Logistik. Wägezellen für Kräne werden in Hebesysteme integriert, um die Hubkräfte zu überwachen und die Sicherheit und Effizienz zu erhöhen. In Materialprüfmaschinen liefern sie Echtzeit-Feedback zu Spannung und Dehnung. In der Robotik ermöglichen Wägezellen eine Kraftrückmeldung, die für feinfühlige Manipulationen und automatisierte Montage unerlässlich ist. Darüber hinaus werden sie in der Luft- und Raumfahrt, bei Crash-Tests in der Automobilindustrie, in der Biomechanik und in der Landwirtschaft eingesetzt.
Preisspanne
Die Kosten für Wägezellen variieren stark je nach Typ, Kapazität, Genauigkeit und Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen. Einfache Dehnungsmessstreifen-Kraftmessdosen kosten zwischen 30 und 100 US-Dollar. Modelle mit hoher Kapazität oder hoher Genauigkeit können mehrere Hundert bis Tausend Dollar kosten, insbesondere für Spezialanwendungen wie Luft- und Raumfahrttests oder hochpräzise Messtechniken.
Allgemeine technische Fragen
Was ist eine Wägezelle? Eine Wägezelle ist ein Sensor, der mechanische Kraft in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt, wobei üblicherweise die Dehnungsmessstreifen-Technologie verwendet wird.
Wie funktioniert eine Wägezelle? Sie erkennt die Verformung eines Dehnungselements, die durch eine aufgebrachte Kraft verursacht wird, und wandelt diese in ein messbares elektrisches Signal um.
Was ist eine Dehnungsmessstreifen-Wägezelle? Es handelt sich um eine Wägezelle, die geklebte Dehnungsmessstreifen mit elektrischem Widerstand verwendet, um Änderungen in der Dehnung aufgrund angewandter Lasten zu erfassen.
Wie lautet die Gleichung für eine Wägezelle? Die typische Gleichung basiert auf der Wheatstone-Brücke und Widerstandsänderungen: .
Was ist eine Druckkraftmessdose? Eine Wägezelle, die speziell für die Messung von Druckkräften (Druckkraft) ausgelegt ist.
Was ist ein Wägezellenverstärker? Ein Gerät, das das Mikrovolt-Signal einer Wägezelle auf eine höhere, für digitale Systeme geeignete Spannung erhöht.
Was ist eine Knopfwägezelle? Eine kleine, scheibenförmige Druckkraftmessdose, die bei Anwendungen mit begrenztem Platzangebot eingesetzt wird.
Was ist eine Kranwägezelle? Eine hochleistungsfähige Zugkraft-Wägezelle, die zur Messung der Last auf Kränen und Hebezeugen verwendet wird.
Was ist eine digitale Wägezelle? Eine Wägezelle mit integrierter Elektronik, die ein digitales Signal ausgibt und so die Datenerfassung und -verarbeitung vereinfacht.
Was ist eine hydraulische Wägezelle? Eine Wägezelle, die einen Kolben verwendet, um eine Flüssigkeit zu komprimieren, wobei Druckänderungen die aufgebrachte Kraft widerspiegeln.
Was ist eine pneumatische Wägezelle? Eine Wägezelle, die die Kraft misst, indem sie sie gegen den Luftdruck ausgleicht.
Was ist eine induktive oder Reluktanz-Wägezelle? Eine Wägezelle, die elektromagnetische Prinzipien nutzt, um eine kraftbedingte Verschiebung zu erkennen, was in bestimmten Messumgebungen nützlich ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wägezellen grundlegende Komponenten in Systemen sind, die eine präzise Kraftmessung erfordern. Wenn Ingenieure ihre Prinzipien, Typen und Anwendungen verstehen, können sie fundierte Entscheidungen bei der Auswahl der geeigneten Wägezelle für ihre spezifischen Anforderungen treffen.
