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Waagen |
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Waagen allgemein
Mit einer Waage ermittelt
man das Gewicht oder die Masse
eines Gegenstandes in
Abhängigkeit der
Erdanziehungskraft. Das Gewicht
lässt sich dann auf Messskalen
(auch Waagenanzeige) in
Gewichtseinheiten wie
Milligramm (mg), Gramm (g),
Kilogramm (kg) oder –
wie im Fall von Kranwaagen –
in Tonnen (t) darstellen.
Mechanische Waagen, wie sie
früher benutzt wurden,
ermittelten das
Gewicht entweder durch
Kraftmessung (Federwaage) oder
durch
Massenvergleich (Tafelwaage,
Balkenwaage).
Heute arbeitet fast jede Waage
elektronisch. Das Gewicht wird
dabei
ermittelt wie seinerzeit bei
der Federwaage über einen Weg
oder per
Verformung. Diese Verformung
wird über eine Wägezelle in
dem ein
Dehnungsmessstreifen (DMS)
integriert ist, übertragen.
Andere Methoden, das Gewicht
zu bestimmen, sind die Methode der
elektromagnetischen
Kraftkompensation und das
Prinzip der Stimmgabel.
Diese beiden Messmethoden
finden sich in Waagen, die für
sehr
empfindliche Gewichtsmessungen
konzipiert sind (Laborwaagen,
Analysewaagen).
Geschichte der Waage
Die Geschichte der Waage
kann man bis zu den alten Ägyptern
zurückverfolgen. In einem
7.000 Jahre alten ägyptischen
Grab fand man
eine einfache Balkenwaage.
Diese Waage wurde mit einem
Seil in der
Mitte z.B. an einem Baum
befestigt. An den Enden
befanden sich die
Waagschalen. Auch Bilder von
Waagen wurden in Ägypten
gefunden. Diese
einfachen mechanischen Waagen
waren sehr ungenau und
unpraktisch. So
verbesserten die Römer die
Waage um Christi Geburt durch
Neuerungen wie
z.B. durch
ungleichschenkeligen Waage .
Dabei befindet sich auf der
einen Seite ein verschiebbares
Gewicht und Strichmarkierungen
die das
genaue Gewicht anzeigten.
Damit stieg die Genauigkeit
der Waage enorm.
Später wurde die Präzision der
Waagen immer mehr verbessert.
Übrigens:
Als Gewicht für Arabische
„Feinwaagen“ wurden früher die
Samen des
Granatapfelbaums verwendet.
Wegen dem relativ konstantem
Gewicht der
Kerne waren sie eine
Maßeinheit für Gold und
Edelsteine. So entstand
die Maßeinheit "Karat" (von
Kirat: arabisch=Kern).
1779 erfand der Franzose G.P.
de Roberval die Tafelwaage.
Diese hatten
den Vorteil, dass die Position
des zu wiegenden Gutes das
Ergebnis
nicht beeinflusste.
Im Jahr 1939 erfanden zwei
Amerikaner Arthur C. Ruge und
Edward E.
Simmons die elektronische
Waage und läuteten damit das
Zeitalter der
heute gebräuchlichen
Digitalwaage ein. Sie
funktionierte damals über
die Änderung von Widerständen.
Technik
Alle
elektrischen/elektronischen
Waagen haben die nötige
Umwandlung der
Gewichtskraft, welche sich
nicht unmittelbar messen
lässt, in eine
Verformung bzw. einen Weg, als
Gemeinsamkeit. Dies wird fast
immer über
eine Feder oder einen sog.
Biegebalken gelöst, wobei die
"Feder" in
einer Kranwaage
ein
verhältnismäßig massiger
Metallblock ist. Das
direktere System misst die
Verformung der Feder / des
Biegebalkens über
den Dehnungsmessstreifen. Die
umständlichere Messung des
Weges kann
z.B. über die
Kapazitätsänderung eines
Kondensators bei Veränderung des
Plattenabstandes erfolgen.
Die drei wichtigsten
Messverfahren heutzutage sind:
Dehnungsmessstreifen
Mit dem Dehnungsmessstreifen
fing das Zeitalter der
elektronischen
Waage an. Das Prinzip ist
einfach: Dehnungsmessstreifen
ändern schon
bei geringen Verformungen
ihren elektrischen Widerstand.
Wird ein DMS
gedehnt, so nimmt sein
Widerstand zu. Wird er
gestaucht (negative
Dehnung), so nimmt sein
Widerstand ab. Diese
Veränderung kann man
mittels elektronischer
Schaltungen auslesen und zu
brauchbaren
Informationen verarbeiten. DMS
sind das Kernstück von Waagen
aller
Größenordnungen, von
Haushaltswaagen bis hin zu
Kranwaagen.
Stimmgabelprinzip
Das Stimmgabelprinzip ist ein
neues Messverfahren und
geeignet für
Präzisionswaagen.
Das
Kernstück sind zwei
stimmgabelähnliche
Metallstücke, die miteinander
verbunden sind. Wird nun eine der
Stimmgabeln durch das Gewicht
auf der Waagschale belastet,
ändert sich
die Schwingung. Aus der
Differenz der Schwingungen
ergibt sich dann das
Gewicht. Vorteil dieses
Messverfahrens: sehr hohe
Stabilität der
Messergebnisse, sehr schnelle
Messdaten, präzise Messdaten.
Kraftkompensation
Viele Präzisionswaagen
arbeiten nach dem Prinzip der
elektromagnetischen
Kraftkompensation. Dabei wird
durch eine Spule in
einem Permanentmagneten eine
Gegenkraft erzeugt, welche der
Last der zu
messenden Probe auf der
Waagschale entspricht. Mit
dieser Gegenkraft
wird das Gleichgewicht
gehalten. Dies wird durch
einen Lagesensor und
einen Regelverstärker
bewerkstelligt, die für die
Einhaltung des
Gleichgewichtszustandes
notwendig sind. Über ein
Hebelsystem ist es
möglich, dass mit einer
kleineren Gegenkraft eine
größere Kraft auf der
Waagschale im Gleichgewicht
gehalten werden kann. Der
Spulenstrom wird
als Spannungsabfall an einem
Messwiderstand gemessen und
von einem
Analog-Digital-Wandler
weiterverarbeitet und
angezeigt.
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