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Wägezellen: erklärt

Wägezellen-Systeme für Tanks und Wiegebehälter

Industrielle Waagen für Tanks und Wiegebehälter

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Abschnittszusammenfassung
1. Was ist eine Wägezelle? Wie funktioniert sie?
2. Welche verschiedenen Arten von Wägezellen gibt es?
3. Genauigkeit von Wägezellen
4. Kalibrierung von Wägezellen
5. Wichtige Punkte
6. Kauf von Wägezellen: Wägezellen-Hersteller

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Diese Seite behandelt die verschiedenen Typen und Konstruktionen von Wägezellen, die in der Prozessindustrie eingesetzt werden können.

1. Was ist eine Wägezelle? Wie funktioniert sie?

Wägezellen sind Messinstrumente, die eine auf sie ausgeübte Kraft (z. B. durch einen Tank oder einen Behälter) in ein elektrisches Signal umwandeln können.Je größer die Kraft (Gewicht) ist, desto höher ist das erzeugte elektrische Signal. Ein ordnungsgemäß kalibrierter Regler kann dann den elektrischen Strom in eine für den Benutzer verständliche Gewichtseinheit umsetzen.

Wägezellen spielen eine zentrale Rolle in vielen Pulverprozessen, da sie die Messung des Gewichts der verarbeiteten Feststoffe ermöglichen. Wägezellen werden für folgende Zwecke eingesetzt: Dosierung Massenbilanz oder Mengenermittlung.

Die korrekte Spezifikation, Kalibrierung und Wartung von Wägezellen-Systemen ist entscheidend, um sicherzustellen, dass der Prozess wie geplant abläuft, innerhalb der Qualitätsvorgaben produziert wird und die Kosten kontrolliert bleiben.

Abbildung 1: Typische Konstruktion und Installation einer Wägezelle

2. Welche verschiedenen Arten von Wägezellen gibt es?

Auswahl einer Wägezelle nach Typ

Es gibt verschiedene technologische Prinzipien für Wägezellen, aber die meisten sind Dehnungsmessstreifen-Wägezellen. Das bedeutet, dass Dehnungsmessstreifen am Körper der Wägezelle angebracht sind. Wenn der Körper durch die Kraft oder das Gewicht der darauf montierten Ausrüstung verformt wird, verformt sich auch der Dehnungsmessstreifen, was zu einer Änderung seines Widerstands führt. Diese Widerstandsänderung kann dann über die Spannung gemessen und als digitales Signal an einen Regler gesendet werden – dank eines Analog-Digital-Wandlers (z. B. HX711). Die Spannung ist proportional zur Verformung und damit zur ausgeübten Kraft.

Die verschiedenen Wägeprinzipien für Dehnungsmessstreifen-Wägezellen sind nachstehend zusammengefasst:

Tabelle 1: Die verschiedenen Prinzipien von Wägezellen

Druck-Wägezellen (Druckknopf-Typ)

Zug-/Druck-Wägezellen

Biegebalken-Wägezellen

S-förmige Wägezellen

Einpunkt-Scherbalken-Wägezellen Doppelend-Scherbalken-Wägezellen

Ring-Torsions-Wägezellen

Zylinder-Wägezellen

Es gibt auch piezoelektrische Wägezellen, die keine Dehnungsmessstreifen verwenden, sondern ein piezoelektrisches Material, das in Abhängigkeit von der darauf einwirkenden Kraft eine Spannung erzeugt.

Industrielle Wägezellen können an vielen Stellen in Schüttgutprozessen installiert werden. Häufige Anwendungen sind Tank- und Behälterwaagen, die zur Dosierung (Wiegebehälter auf Wägezellen) oder zur Bestimmung des Produktbestands zu einem bestimmten Zeitpunkt (Tanks oder Silos auf Wägezellen) eingesetzt werden.

Biegebalken-Wägezellen werden sehr häufig zur Gewichtsbestimmung von Behältern verwendet:

Abbildung 2: Biegebalken-Wägezelle

Eine weitere Wahl für eine ähnliche Anwendung sind Zug-/Druck-Wägezellen (Pancake-Wägezellen):

Abbildung 3: Zug-/Druck-Wägezelle (Pancake-Typ)

3. Genauigkeit von Wägezellen: Wie genau sind Wägezellen?

Um eine gute und zuverlässige Messung zu gewährleisten, ist es zunächst erforderlich, die Wägezellen-Sensoren basierend auf dem **Messbereich der Wägezellen** und der **Überlast**, die während des Betriebs auf die Wägezellen einwirken kann, auszuwählen.

Der Prozessverantwortliche muss den **Messbereich** bestimmen, der die normalen Betriebsbedingungen der Wägezellen darstellt und für den eine bestimmte Genauigkeit erforderlich ist. Dieser Bereich definiert den **Nennmessbereich der Wägezellen**. Ausgehend von diesem Bereich müssen verschiedene Sicherheitsfaktoren berücksichtigt werden, um Schäden an den Wägezellen durch Überlastung zu vermeiden.

Die nachstehenden Werte stellen einen allgemeinen Ansatz dar. Es muss jedoch eine Bewertung durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Wägezellen nach der Installation keinen höheren Belastungen ausgesetzt sind (z. B. während bestimmter Wartungsarbeiten).

Tabelle 2: Definitionen der Wägezellen-Kapazitäten

Kapazitätsvariable	Definition
Messbereich der Wägezelle	Bereich, in dem die Ablesung innerhalb des maximal zulässigen Fehlers liegen sollte. Dies ist das zu erwartende Gewicht, das vom Prozess gemessen werden soll (z. B. das maximale Dosiergewicht für eine Rezeptur).
Sichere Belastungsgrenze	Maximale Belastung, die auf die Wägezellen aufgebracht werden kann, ohne Schäden zu verursachen. Faustregel: 150 % des Messbereichs
Ultimative Belastung	Maximale Belastung, die aufgebracht werden kann, ohne zu physischen Schäden zu führen. Die Genauigkeit kann jedoch beeinträchtigt werden, wenn solche Belastungen erreicht werden. Faustregel: 300 % des Messbereichs
Sichere Seitenbelastung	Maximale Belastung, die im 90-Grad-Winkel (seitlich) aufgebracht werden kann, ohne Schäden zu verursachen. Faustregel: 100 % des Messbereichs

Einige Hersteller bieten auch Zugmodule an. Dabei zieht die Last an der Wägezelle, anstatt wie in den meisten Anwendungen darauf zu drücken.

Ereignisse, die zu Überlastung führen können, sind: Stoßbelastung, bewegte Rührwerke (dynamische Last), exzentrische Belastung, Überlastung einer Waage.

Berechnungsformeln müssen angewendet werden, um die Situation zu berücksichtigen, in der die Wägezelle installiert wird, und dann die richtigen Wägezellen-Kapazitäten auszuwählen.

Abbildung 4: Kapazitäten und Belastungen – grafische Darstellung

In einem industriellen Prozess und einer industriellen Umgebung kann eine Genauigkeit von 0,1 % des aufgebrachten Gewichts erreicht werden. Hochpräzisions-Wägezellen können eine Genauigkeit von etwa 0,03 % der Nennkapazität (maximaler Messbereich) erreichen.

Der Fehler der Waage setzt sich aus Kalibrierungs-, Linearitäts-, Hysterese- und Wiederholbarkeitsfehlern zusammen. Es ist möglich, eine Kalibriersequenz durchzuführen, sodass der Kalibrierfehler auf nahe 0 reduziert wird. Auch Wiederholbarkeitsfehler sollten sehr minimal sein (weniger als 0,03 % der Nennkapazität). In der Praxis entspricht die Genauigkeit des Waagensystems dem kombinierten Fehler.

Kombinierter Fehler = Nichtlinearität + Hysterese = 0,02 bis 0,03 % der Nennkapazität (für 1 Wägezelle).

Alle Ablesungen – von 0 kg bis zur Nennkapazität – sollten innerhalb der Genauigkeit (kombinierter Fehler × Nennkapazität × Anzahl der Wägezellen) liegen. Das bedeutet, dass der Fehler (als % des aufgebrachten Gewichts) bei niedrigen Lasten höher ist als bei hohen Lasten.

Abbildung 5: Leistungsdiagramm von Wägezellen

Zusätzlich muss der Wiederholbarkeitsfehler, der sehr gering sein sollte, nach der Installation kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass keine Probleme vorliegen.

Eine weitere wichtige Kenngröße ist das **minimale Prüfintervall (v_min)**. Dies ist die Mindestmenge an Masse, die auf die Wägezellen aufgebracht werden muss, ohne den maximal zulässigen Fehler zu überschreiten. Es steht im Zusammenhang mit dem kombinierten Fehler, der als % der Nennkapazität ausgedrückt wird. Bei der Auslegung muss überprüft werden, ob (v_min = E_max/γ < h; minimales erwartetes Gewicht auf der Waage).

Auch die Auflösung der Waage muss definiert werden. Sie hängt mit der Anzahl der Stellen zusammen, die die Waage anzeigt, obwohl sie nicht direkt mit der Genauigkeit der Wägezellen zusammenhängt (es ist eine Täuschung, mehr Stellen zu verlangen, als die Waage an Genauigkeit bietet).

Zusammenfassung: Wichtige Charakteristiken von Wägezellen-Sensoren, die bei der Auslegung einer Anlage definiert werden müssen

Tabelle 3: Definition der Auslegungswerte für Wägezellen

Auslegungsparameter	Definition
Kombinierter Fehler	Der kombinierte Fehler gibt die beste Genauigkeit an, die von ordnungsgemäß kalibrierten Wägezellen erwartet werden kann. Für einzelne Wägezellen sollte er im Bereich von 0,03 % der Nennkapazität (Emax) liegen. Folglich ist eine höhere Genauigkeit bei hoher Last als bei niedriger Last zu erwarten.
Mindestprüfintervall (v_min)	Dies ist das Mindestgewicht, das auf die Wägezellen aufgebracht werden muss, um die Auslegungsgenauigkeit zu gewährleisten.
Auflösung	Dies ist die Anzahl der Stellen, die von den Wägezellen angezeigt werden können. Sie steht in keinem Zusammenhang mit der Genauigkeit.

4. Überprüfung der Kalibrierung von Wägezellen

Zur Durchführung der Kalibrierung von Wägezellen ist ein Referenzwert erforderlich. Dieser wird in der Regel durch Prüfgewichte bereitgestellt, die von anerkannten Instituten kalibriert wurden.

Es ist dann erforderlich, ein vom Hersteller definiertes Verfahren zu befolgen, um die Waage mit einer definierten Masse zu belasten, die Anzeige zu überprüfen und aufzuzeichnen und anschließend mögliche Fehler zu korrigieren. In bestimmten Situationen, insbesondere bei sehr großen Waagen, kann es notwendig sein, die Waage mit Wasser zu füllen, um die Kalibrierung durchzuführen.

Die Wägezellen müssen anschließend mit den folgenden Tests in der angegebenen Reihenfolge überprüft werden:

Tabelle 4: Definition der Kalibrierungstests für Wägezellen

Test	Definition
Reibungstest	Der Test wird durchgeführt, indem mehrmals dasselbe Gewicht auf die Waage aufgebracht und wieder entfernt wird. Die angezeigten Werte müssen identisch sein und dürfen sich um nicht mehr als 0,02 % der Nennkapazität der Waage unterscheiden. Der Reibungstest stellt sicher, dass es durch Umwelteinflüsse (z. B. Reibung der Waage mit einem anderen Bauteil) zu keiner Abweichung der Wiederholgenauigkeit (siehe oben) kommt.
Kriechtest	Der Test wird durchgeführt, indem ein Gewicht auf die Waage aufgebracht und eine definierte Zeit abgewartet wird. Während der Wartezeit darf sich die Anzeige um nicht mehr als 0,01 % der Nennkapazität der Waage ändern. Der Kriechtest erkennt Spannungen, die sich durch das Aufbringen des Gewichts entspannen (z. B. Spannung in einem flexiblen Element).
Linearität und Hysterese (= kombinierter Fehler)	Gewichte werden schrittweise auf die Waage aufgebracht und anschließend wieder entfernt. Die abgelesenen Werte werden mit den kalibrierten Werten der Gewichte verglichen. Damit werden Abweichungen der Linearität oder Hysterese erkannt, die auf eine falsche Kalibrierung der Wägezellen oder Wechselwirkungen der Umgebung mit der Waage hindeuten können. Falls es nicht möglich ist, die gesamte Waage zu testen, sollte mindestens eine Prüfung mit 10 % der Nennkapazität durchgeführt werden.

Die oben genannten Tests und Referenzwerte sind allgemeine Empfehlungen; die Angaben der Hersteller können variieren. Sie dienen als erste Hinweise und zur Plausibilitätsprüfung. Die Spezifikationen und Handbücher der Hersteller müssen stets überprüft werden. Die drei oben genannten Tests sind das Mindestmaß; Hersteller können zusätzliche Tests verlangen, insbesondere für Präzisionsdosierer.

5. Wichtige Punkte

Installation von Wägezellen

Wägezellen sind sehr empfindlich gegenüber elektrischen Strömen. Ein besonders wichtiger Punkt ist die sichere elektrische Isolierung der Wägezellen, falls in ihrer Nähe Schweißarbeiten durchgeführt werden. Eine bewährte Praxis besteht darin, Wägezellen erst nach Abschluss aller Schweißarbeiten zu installieren. Wenn die Wägezellen nicht ordnungsgemäß isoliert sind oder die Erdung der Schweißstation nicht korrekt ausgeführt ist, können Streuströme diese beschädigen.

Wägezellen in rauen Umgebungen: Umgang mit Umweltbedingungen

In industriellen Prozessen sind Wägezellen oft herausfordernden Umweltbedingungen ausgesetzt, die ihre Leistung beeinträchtigen können. Faktoren wie Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und korrosive Substanzen können die Genauigkeit und Lebensdauer von Wägezellen beeinflussen. Ingenieure müssen diese Umweltbedingungen bereits in der Auslegungs- und Installationsphase berücksichtigen, um die Zuverlässigkeit des Wägesystems zu gewährleisten.

Ein wichtiger Aspekt ist die Abdichtung und der Schutz der Wägezellen gegen Staub, Feuchtigkeit und aggressive Chemikalien. Durch den Einsatz geeigneter Gehäuse und Schutzmaßnahmen, wie z. B. IP-Schutzarten, können Wägezellen vor äußeren Einflüssen geschützt werden. Zudem sollten Ingenieure Wägezellenmodelle mit erhöhter Umweltbeständigkeit in Betracht ziehen, die speziell für den Einsatz in korrosiven oder extremen Bedingungen ausgelegt sind.

Regelmäßige Wartungsroutinen sollten Überprüfungen der Schutzmaßnahmen und des allgemeinen Zustands der Wägezellen umfassen. Periodische Inspektionen helfen, potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen, Systemausfälle zu vermeiden und präzise Gewichtsmessungen langfristig sicherzustellen. Zusammenfassend ist der Umgang mit Umweltbedingungen entscheidend für die Aufrechterhaltung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Wägezellen in industriellen Anwendungen.

6. Kauf von Wägezellen: Hersteller von Wägezellen

Um ein präzises, zuverlässiges und langlebiges Wägesystem zu erhalten, ist es wichtig, auf bewährte Hersteller von Wägezellen-Sensoren zu setzen.

Der Leser kann sich für Informationen, Fachberatung und Kauf an das Unternehmen GAROS (www.garos.fr) wenden (Hinweis: PowderProcess.net steht in keiner Verbindung zu diesem Unternehmen).

Weitere Möglichkeiten sind Wägezellen von HBM, OMEGA, FLINTEC, Tedea-Huntleigh, Sensortronics, Mettler Toledo, Vishay und HARDY (Hinweis: PowderProcess.net steht in keiner Verbindung zu diesen Unternehmen).