Laborwaagen: gewohnt präzise mit einfacherer Technik

Es ist ein Aufstieg in die nächste Liga: Wägezellen, die in vielen Alltags-Waagen die Aufgabe haben, die Masse zu erfassen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln, können jetzt, in etwas anderer Form hergestellt, deutlich genauer messen.

Damit sind sie auch für Laborwaagen geeignet, die somit in Zukunft mit größeren Nennlastbereichen hergestellt werden könnten. Der in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) hergestellte Prototyp einer neuen Wägezelle aus einkristallinem Silicium (statt wie bei konventionellen Wägezellen aus Metall) und mit aufgesputterten (statt aufgeklebten) Dehnungsmessstreifen wartet jetzt gewissermaßen auf seinen Sprung in die industrielle Produktion.

Waagen gehören zu den wirtschaftlich wichtigsten Messgeräten. In Deutschland liegt der Umsatz der Wägetechnik bei ca. einer Milliarde Euro pro Jahr. Ein Großteil dieses Jahresumsatzes wird mit konventionellen Wägezellen für geringe bis mittlere Präzision erreicht. Sie bestehen aus metallischen Federkörpern mit aufgeklebten Dehnungsmessstreifen.

Auf diesem Prinzip beruht auch der von der PTB weiterentwickelte Sensor. Doch statt aus Metall besteht sein Federkörper aus Silicium. Da sich einkristallines Silicium bei Belastung ideal elastisch verformt, sind Zeitabhängigkeiten und Hysterese eines solchen Federkörpers vernachlässigbar. Die Kennlinien der Silicium-Wägezellen zeigen im Vergleich zu denen konventioneller Wägezellen bei Hysterese, Nullpunktverhalten und Reproduzierbarkeit der Messwerte jeweils um mehr als eine Größenordnung bessere Werte. Damit können digitale Kompensationsverfahren effektiv eingesetzt werden, um Temperaturverhalten und Linearität zu verbessern.

Zur Bewertung des Einsatzbereiches der neuen Wägezellen wurden die Messdaten in Anlehnung an die internationale OIML-Empfehlung R 60 zur Prüfung von Wägezellen für eichpflichtige Anwendungen ausgewertet. Die anhand der Kriech- und Richtigkeitsprüfung bewerteten Silicium-Wägezellen erreichen bis zu 50 000 Teilungsschritte für eichfähige Anwendungen und sind somit auch für präzise Wägungen, etwa bei Laborwaagen, geeignet.

Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Sascha Mäuselein, PTB-Arbeitsgruppe 1.12 Waagen, Tel.: (0531) 592-1189, E-Mail: sascha.maeuselein@ptb.de
Wissenschaftliche Veröffentlichungen dazu:
Mäuselein, S.; Mack, O.; Schwartz, R.: Investigations into the use of single-crystalline silicon as mechanical spring in load cells. Measurement, vol. 42, nº. 6, pp. 871-877, 2009
Mäuselein, S.; Mack, O.; Schwartz, R.; Jäger, G.: Investigations of new silicon load cells with thin-film strain gauges. XIX IMEKO World Congress: Fundamental and Applied Metrology. Lisbon, September 06-11, 2009. Proceedings (2009).

http://www.imeko.org/publications/wc-2009/IMEKO-WC-2009-TC3-374.pdf