Lastzelle

Geschichte der Lastzellen

Bevor Lastzellen mit Dehnungsmessstreifen in industriellen Wägeapplikationen Einzug hielten, waren mechanische Waagen weit verbreitet. Mit diesen mechanischen Waagen wurde alles, von Tabletten bis hin zu Güterwaggons gewogen, und das mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit, sofern die Waagen richtig kalibriert und gewartet wurden. Das Funktionsprinzip basierte entweder auf dem Gleichgewicht von Gewichten und Last oder der Messung der an mechanischen Hebeln wirkenden Kraft. Frühe Kraftaufnehmer aus der Zeit vor den Dehnungsmessstreifen basieren auf hydraulischen oder pneumatischen Funktionsprinzipien. In Jahre 1843 erdachte der englische Physiker Sir Charles Wheatstone eine Brückenschaltung zur Messung des elektrischen Widerstands. Die nach ihm benannte Wheatstone'sche Brücke eignet sich ideal zur Messung von Widerstandsänderungen, die in Dehnungsmessstreifen auftreten. Die ersten Dehnungsmessstreifen, bei denen Widerstandsdraht auf eine Fläche aufgeklebt war, wurden bereits in den 1940er Jahren entwickelt. Wirtschaftliche Bedeutung hat diese neue Technologie allerdings erst mit Aufkommen moderner Elektronik erlangt. Seitdem sind Dehnungsmessstreifen jedoch aus mechanischen Waagen und Lastzellen nicht mehr wegzudenken.

Wheatstone'sche Brücke mit Kompensation

Funktionsprinzip von Lastzellen

Kraftaufnehmer können nach ihrem Ausgangssignal (pneumatisch, hydraulisch, elektrisch) oder nach ihrer Messgröße (Biegelast, Schublast, Druck, Zug, usw.) unterschieden werden.

Hydraulische Lastzellen basieren auf einem Gleichgewicht der Kräfte, bei dem das Gewicht als Druckänderung eines internen Füllmediums gemessen wird. Bei einer hydraulischen Lastzelle mit einer beweglichen Membran wird die auf den Lastkopf wirkende Kraft auf einen Kolben übertragen, der dann wiederum ein in der Membrankammer eingeschlossenes Füllmedium komprimiert. Bei zunehmender Belastung steigt der Druck der Hydraulikflüssigkeit. Dieser Druck kann lokal angezeigt werden oder zur externen Anzeige oder Regelung übertragen werden. Das Ausgangssignal ist linear und wird durch die Menge der Füllflüssigkeit oder ihre Temperatur kaum beeinträchtigt. Bei korrekter Installation und Kalibrierung der Lastzellen können Genauigkeiten von 0,25 % des Endwerts oder besser erreicht werden. Für die meisten industriellen Wägeanwendungen ist diese Genauigkeit ausreichend. Da dieser Sensor keine elektrischen Bauteile aufweist, ist er für explosionsgefährdete Bereiche ideal geeignet. Zu den typischen Anwendungsbereichen hydraulischer Lastzellen gehören Tanks, Behälter und Dosierstationen. Für eine maximale Genauigkeit sollte das Gewicht des Tanks ermittelt werden, indem eine Lastzelle an jedem Auflagepunkt angebracht wird und ihre Ausgangssignale summiert werden.

Pneumatische Lastzellen nutzen ebenfalls das Prinzip des Kräftegleichgewichts zur Messung. Diese Geräte nutzen mehrere Dämpfungskammern und bieten dadurch eine höhere Genauigkeit als ein hydraulisches Gerät. Bei einigen Ausführungen wird die erste Dämpfungskammer als Tara-Gewichtskammer verwendet. Pneumatische Lastzellen werden häufig zum Messen von relativ kleinen Gewichten in Branchen eingesetzt, in denen es primär um Sauberkeit und Sicherheit geht. Zu den Vorteilen dieser Art von Lastzellen gehören ihre inhärente Explosionssicherheit und ihre Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen. Zudem enthalten Sie keine Flüssigkeiten, die den Prozess bei einem Membranriss verunreinigen könnten. Zu den Nachteilen zählen eine langsame Ansprechgeschwindigkeit sowie die Abhängigkeit von einer sauberen, trockenen und geregelten Versorgung mit Luft oder Stickstoff.

DMS-Lastzellen wandeln die auf sie wirkende Belastung in elektrische Signale um. Der Dehnungsmessstreifen ist auf einen Träger aufgebracht, der sich unter Krafteinwirkung verformt. Meist werden vier Dehnungsmessstreifen verwendet, um eine maximale Empfindlichkeit und Temperaturkompensation zu erreichen. Zwei der Messgeräte stehen in der Regel unter Zuglast und zwei unter Drucklast und sind mit Kompensationsanpassungen verbunden, wie in Abbildung 7-2 dargestellt. Wenn Gewicht zugeführt wird, ändert sich mit der veränderten Dehnung der elektrische Widerstand proportional zur Last. Aufgrund der höheren Genauigkeit und geringeren Stückkosten verdrängen Lastzellen mit Dehnungsmessstreifen zunehmend andere Lastzellenarten.

Lastzellen für Druckbelastung
Die Lastzellen für Druckbelastung besitzen oft einen integrierten Knopf als Messpunkt. Damit eignen sie sich ideal für den Einbau unter beengten Platzbedingungen. Sie bieten eine hervorragende Langzeitstabilität.

Lastzellen für Druck/Zugbelastung
Lastzellen für Druck/Zugbelastung werden in Anwendungen eingesetzt, in denen die Kraftrichtung nicht konstant ist, d. h. wo sie von Zug zu Druck und umgekehrt wechselt. Sie eignen sich hervorragend für den Einbau unter beengten Platzbedingungen. Der Gewindeanschluss ermöglicht eine einfache und schnelle Installation.

S-förmige Lastzellen
Die S-förmigen Lastzellen haben ihren Namen aufgrund ihrer S-Form erhalten. Sie erzeugen ein Ausgangssignal bei Zug- oder Druckbelastung. Zu den Anwendungsgebieten gehören Tankfüllstand, Schütttrichter oder LKW-Waagen. Sie sind sehr unempfindlich gegen seitliche Belastungen.

Biegelastzellen
Die Biegelastzellen können in Anwendungen mit mehreren Kraftaufnehmern, Wiegen von Tanks und der Regelung von industriellen Prozessen eingesetzt werden. Durch ihre niedrige Bauhöhe eignen sie sich für den Einbau unter beengten Bedingungen.

Plattform-Lastzellen
Plattform-Lastzellen werden in kommerziellen und industriellen Wiegesystemen eingesetzt. Sie bieten eine hohe Genauigkeit, die von der Position der Last auf der Plattform unabhängig ist.

Zylindrische Lastzellen
Zylindrische Lastzellen werden für Einzel- und Mehrfach-Wägeapplikationen eingesetzt. Sie werden meist aus Edelstahl hergestellt und sind gekapselt, damit sie sich für Nassreinigung und Feuchtbereiche eignen.

Lastzellen mit niedriger Bauhöhe
Lastzellen mit niedriger Bauhöhe sind vom Prinzip her Lastzellen für Druckbelastung bzw. Lastzellen für Zug-/Druckbelastung.. Montagebohrungen und Innengewinde sorgen für eine einfache Installation. Typische Einsatzgebiete sind Forschung und Inline-Kraftüberwachung.

Lastzellen-Vergleichsübersicht

Typ	Gewichts- bereich	Genauigkeit (FS)	Anwendung	Stärken	Schwächen
Mechanische Lastzellen
Hydraulische Lastzellen	Bis zu 5.000.000 kg	0.25%	Tanks, Behälter und Schütttricher. Explosionsgefährdete Bereiche.	Schlagfest, unempfindlich gegenüber Temperatur.	Teuer, komplex.
Pneumatische Lastzellen	Breit	Hoch	Nahrungsmittel und Getränke, explosionsgefährdete Bereiche	Eigensicher. Enthält keine Flüssigkeiten.	Langsames Ansprechverhalten. Benötigt saubere, trockene Luft
DMS-Lastzellen
Biegelastzellen	5 bis 2.500 kg	0.03%	Tanks, Plattformwaagen,	Niedrige kosten, einfache Bauweise	Dehnungsmessstreifen liegen frei, benötigen Schutz
Scherbalken-Lastzelle	5 bis 2.500 kg	0.03%	Tanks, Plattformwaagen, versetzte Belastung	Unempfindlich gegen seitliche Belastungen, besserer Eindringschutz und Schutz
Zylindrische Lastzellen	bis 250.000 kg	0.05%	Truck, Tank- und Schütttrichterwaagen	Für bewegte Lasten geeignet	Kein horizontaler Lastschutz
Ring- und flache Lastzellen	2,5 bis 250.000 kg		Tanks, Zufuhrtrichter, Waagen	Vollständig aus Edelstahl	Keine Bewegung der Last zulässig
Knopf- und Scheiben- Lastzellen	0 bis 25.000 kg 0 bis 100 kg typ.	1%	Kleine Waagen	Klein, preiswert	Last muss mittig sein, kein Bewegung der Last zulässig
Andere Lastzellen
Spiralförmig	0 bis 18.000 kg	0.2%	Plattform, Gabelstapler, Radlast, Gewichtserkennung in PKW-Sitzen	Für versetzte Belastung, Überlast, Stöße geeignet
LWL		0.1%	Elektrische Übertragung Kabel, Gewindestift oder Schraubmontage	Unempfindlich gegenüber RFI/EMV und hohe Temperaturen, eigensicher.
Piezo- resistiv		0.03%		Extrem empfindlich, hohe Ausgangssignalpegel	Hohe Kosten, Ausgang nicht linear