„Uff, ich habe gar nicht zugenommen“: Sind Sie auch erleichtert, wenn Ihre Waage das anzeigt? Vermutlich – doch eigentlich misst Ihre Personenwaage Ihr Gewicht gar nicht direkt. Stattdessen formt die darin verbaute Wägezelle die Gewichtskraft in eine Wegstrecke um. In vielfältigen industriellen Anwendungen werden für solche Messungen häufig Biegestäbe und Scherstäbe eingesetzt.
Hintergrund: Wie wird Gewicht gemessen?
Ob bei Ihrer Personenwaage im Badezimmer, in einer feinkalibrierten Laborwaage oder bei der gravimetrischen Füllstandsüberwachung eines Silos: In allen Fällen handelt es sich um Messgeräte, die eine Masse bestimmen. In der Regel messen sie dazu die auftretende Gewichtskraft. Doch anders als etwa eine Balkenwaage oder eine Federwaage ermitteln die dabei genutzten Wägezellen die Gewichtskraft indirekt. Dazu formen diese Kraftaufnehmer die Gewichtskraft in eine Wegstrecke um.
Das Prinzip: In der Wägezelle verformt sich durch die Gewichtskraft eine eingebaute Feder oder ein Biegebalken. Die Intensität dieser Verformung gibt dann zum Beispiel Auskunft über Ihr Gewicht (genauer gesagt über Ihre Gewichtskraft). Und damit beantwortet sie auch die Frage, ob Sie ganz entspannt noch einen Nachtisch bestellen dürfen oder vielleicht anfangen, über eine Diät nachzudenken.
Das „Herzstück“ von Biegestab und Scherstab
Die unterschiedlichen Ausführungsstufen von Kraftaufnehmern in der Wägetechnik: Scherstab, Biegestab, Single-Point- und S-Kraftaufnehmer.
Wie lässt sich ermitteln, wie weit sich die Messkörper einer Biegestab- oder Scherstab-Wägezelle verformen? An diesem Punkt kommen spezielle Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Dünnfilmsensoren ins Spiel. Diese sind an bzw. in den Messkörpern angebracht. Im Messprozess fungieren sie als mechanische Zwischenstufe.
Beispiel Dehnungsmessstreifen: Diese werden am Messkörper aufgeklebt. Verformt sich der Messkörper, überträgt sich das auf die Messstreifen. Diese wandeln die elastischen Verformungen proportional in elektrische Signale um. Solche Widerstandsänderungen lassen sich einfach und sehr genau messen: mit einer Messgenauigkeit zwischen 0,01 % und 0,05 % Fnom. Die Kalibrierung wird dabei in Gramm, Kilogramm oder Tonnen vorgenommen.
Als Alternative zu diesen geklebten Folien-DMS gibt es Kraftaufnehmer mit eingeschweißten Dünnfilmsensoren: eine Technologie, die die WIKA Gruppe auszeichnet und mit der sie im Bereich der Kraftmesstechnik der einzige Anbieter am Markt ist. Die Dünnfilmtechnik bietet eine konstant hohe Qualität, eine exakte Messung direkt im Kraftfluss, ein sehr gutes Temperaturverhalten und eine hohe Langzeitstabilität. Bei den Biegestäben und Scherstäben wird dabei der standardisierte Sensor mittels Laser in das Messelement eingeschweißt, was eine automatisierte Serienfertigung ermöglicht.
Anwendungsgebiete von Biegestab und Scherstab
Biegestäbe und Scherstäbe werden in der Wägetechnik zur Gewichtserfassung von kleinen und mittelgroßen Behältern eingesetzt und finden auch in der Kraftmessung häufig Verwendung. In der Agrar- und Landtechnik etwa sind solche Wägezellen häufig anzutreffen: zum Beispiel beim Verwiegen von Vieh, der Dosierung von Futtermitteln, der gravimetrischen Füllstandsüberwachung von Behältern und Silos oder zur Verwiegung der Stroh- oder Heuballen direkt in der Ballenpresse.
Doch auch jenseits dieser Anwendungsgebiete lassen sich Biegestäbe und Scherstäbe vielfältig einsetzen: etwa im klassischen Waagenbau, der Plattformverwiegung (Plattformwaagen), der Verwiegung in Prozess- und Dosieranlagen, Behälterwaagen, Kranwaagen und LKW-Waagen. Besonders in Anwendungen der Baustoffindustrie, der chemischen Industrie, der Nahrungsmittelindustrie und der Medizintechnik werden Biegestäbe und Scherstäbe oft verbaut.
Praxisbeispiel: Füllstandsüberwachung mit Biegestab- oder Scherstab-Wägezellen
Füllstände kontrollieren, indem das Gewicht von Behälter und Inhalt gemessen wird: Aus den Messdaten dieser gravimetrischen Füllstandsüberwachung lässt sich die Füllhöhe eines Behälters oder Tanks berechnen. Diese Messmethode bietet eine Reihe von Vorteilen:
- Füllstand und exakte Masse lassen sich zur gleichen Zeit messen.
- Eingriffe in Tank oder Behälter sind nicht erforderlich (dadurch entfällt der Kontakt mit dem Medium).
- Die Messung ist unabhängig vom Material, dessen Eigenschaften und der Geometrie des Behältnisses.
- Der Biegestab oder Scherstab lässt sich bei Bedarf einfach austauschen.
Bei der Füllstandsmessung müssen die Wägezellen unabhängig von Art und Beschaffenheit der Medien funktionieren. Flüssig oder fest, aggressiv, leitend oder nicht leitend, Schaum oder Staub bildend, dampfend, heiß oder kalt, mit kleiner oder großer Korngröße, unabhängig davon, welche Geometrie der Behälter hat und ob das Medium im Behälter gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt ist: Solche Faktoren dürfen das Messergebnis und die dauerhafte Funktion nicht beeinträchtigen. Das gilt auch in temperaturkritischen Anwendungen und dort, wo Robustheit und hohe Standzeiten gefragt sind – etwa in der Stahlindustrie.
Scherstab und Biegestab in der Agrarindustrie
Auch in einem weiteren Praxisbeispiel blitzt der Edelstahl: in der Agrarindustrie sind Biegestäbe zur Verwiegung sehr gefragt. Denn beim Säen oder auch beim Düngen beispielsweise kann durch die exakte Verteilung der Güter viel Geld gespart werden. Grundlage dafür sind, wie immer in der Automatisierung, exakte Messwerte, weshalb sich die hochpräzisen Scherstäbe, die zudem unempfindlich gegenüber Seitenlast sind, perfekt eignen.
Biegstab, Scherstab und weitere Wägezellen: vielseitige Problemlöser
Biege- und Scherstäbe gehören zu den am häufigsten genutzten Wägezellen. Je nach Anwendungsgebiet gibt es weitere Kraftaufnehmer, die zum Einsatz kommen können. In unserem Programm finden sich Wägezellen, die für Bereiche zwischen 0,3 kg bis zu 300 t ausgelegt sind.
- Plattform-Wägezellen. Sie kommen in der Wägetechnik in Plattformwaagen mit kleineren und mittleren Größen zum Einsatz. Sie werden auch als sogenannte Single-Points bezeichnet und eignen sich auch für exzentrische Lasteinleitungen.
- Druckkraftwägezellen. Ebenso wie Hochlastwägezellen sind sie zugeschnitten auf die Verwiegung von mittleren und großen Behältern und Silos. Die Krafteinleitung ist dabei genauso einfach wie der Einbau, weiterhin ist die Ausführung robust.
- Zug-/Druckkraftwägezellen. Diese werden überwiegend zur Verwiegung hängender Lasten eingesetzt. Dabei wird direkt im Kraftverlauf gemessen, außerdem ist der Einbau unkompliziert.
Hinweis
Nähere Informationen zum Produktprogramm der Kraftmesstechnik finden Sie auf der WIKA-Website, wie zum Beispiel zu unseren Biegestäben und Scherstäben.
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