So funktionieren digitale Waagen

Eine Waage hat etwas so Alltägliches, dass man ihre tiefere Bedeutung leicht vergisst. Wie die leicht schiefe Federwaage, die um den Warengang hängt, uns daran erinnert, dass die Waage den Menschen lange Zeit als Hauptarbiter des Handels, als unabdingbare Voraussetzung für die Schifffahrt und als Utility-Player der pharmazeutischen Bank gedient hat. Von der kleinsten, am feinsten abgestimmten Laborwaage bis hin zu den 10 x 120 Fuß (3 x 37 Meter) großen Gruben- und Trägermonstern, die Eisenbahnwaggons und Sattelzugmaschinen wiegen, machen Waagen das moderne Leben möglich.

Waagen – oder genauer gesagt Waagen – lasteten schwer auf den Köpfen alter Baumeister, Erfinder und Wirtschaftsberater. Kleine Unruhgewichte aus dem frühen vierten Jahrtausend v. Chr. liefern einige der ersten Hinweise auf das sich entwickelnde Zahlenverständnis der Menschheit. Die grundlegendste überlebende Waage in Ägypten stammt aus der Zeit vor der dynastischen Zeit und wurde vor 3000 v . Petruso ].

Waagen, die ein Objekt wiegen, indem sie es mit einem oder mehreren Referenzgewichten vergleichen, haben eine feine Note und werden immer noch in Labors verwendet. Waagen verwenden etwas andere physikalische Prinzipien und mechanische Komponenten, um Gewicht und andere Kräfte zu messen (Gewicht ist einfach die Kraft auf ein Objekt aufgrund der Schwerkraft). Federwaagen messen beispielsweise das Gewicht nach dem Hookeschen Gesetz , das die Kraft (das Gewicht) mit der Dehnung oder Kompression einer aus einem bestimmten Material hergestellten Feder in Beziehung setzt.

Nicht alle Waagen verwenden Federn, aber alle messen das Gewicht mit mechanischen Komponenten. Mechanische und digitale Waagen unterscheiden sich also nur darin, wie sie das Gewicht anzeigen – mechanisch oder elektronisch. Im letzteren Fall verwendet die Waage einen Analog-Digital-Wandler, der die kontinuierlich ausgelesenen Daten von der Waage in diskrete digitale Informationen übersetzt, ähnlich wie ein CD- oder MP3-Codierungsschema die Wellenformen von Musik digitalisiert.

Im Allgemeinen erfordern digitale Waagen weniger Fachwissen als solche mit mechanischer Anzeige und sind in der Lage, eine höhere Präzision und schnellere Verarbeitung zu erreichen. Dennoch können die Fähigkeiten bestimmter Geräte variieren, insbesondere wenn die Gewichte in Tonnen gemessen werden [Quellen: Camarda ; Steuermann ; Crowley ].

"It depends," says Derrick Mashaney, director of product development at Fairbanks Scales Inc., which specializes in large industrial scales. "Several master scales are mechanical. They're tweaked to be so extremely accurate that there is nothing out there that compares to them."

Just as a roadside carjack might lift a car via mechanical advantage -- the leverage of a handle or the inclined plane of a screw -- while a mechanic's hoist might use hydraulic pressure, different scales weigh objects using a variety of operational principles, like hydraulics, pneumatics or bending beams.

Whatever makes them stretch, compress or sway, however, most modern scales share one component in common: a load cell.

1. Turn and Face the Strain (Ga-ga-gauges)
2. You're Gonna Carry That Weight
3. Economies of Scale(s)

Scales come in all shapes, sizes and configurations, but the basic component doing the measuring is nearly always a load cell.

A load cell is a kind of transducer, a device that converts one form of energy into another. Through load cells, digital scales change mechanical energy -- the smooshing or stretching caused by a sitting or hanging load -- into an electrical effect. The widely used strain gauge (you'll also see it as strain gage), for example, reads compression or tension as tiny changes in electrical resistance in a Wheatstone bridge [sources: Mashaney ; Omega].

Lassen Sie uns das am Beispiel eines Kompressions-Dehnungsmessstreifens aufschlüsseln.

Kompression tritt auf, wenn eine ausgeübte Kraft das Volumen eines Objekts reduziert, aber es kann sich auch auf eine allgemeinere Verringerung der Größe entlang einer oder mehrerer Dimensionen beziehen. Tatsächlich ändert das Quetschen eines elektrisch leitfähigen Materials seinen elektrischen Widerstand, da längere und schmalere Drähte widerstandsfähiger sind als kürzere, breitere [Quelle: Craig ]. Stellen Sie sich das wie Wasser vor, das durch ein Rohr drückt: Je länger und schmaler das Rohr ist, desto schwieriger ist es, Wasser hindurchzupressen.

Verschiedene Materialien erfahren unterschiedliche Widerstandsänderungen unter Verformung, eine Eigenschaft, die als Dehnungsfaktor bekannt ist . Der k-Faktor kann sich auch als Reaktion auf die Temperatur ändern. Folglich hat sich eine Konstantanlegierung (55 Prozent Kupfer und 45 Prozent Nickel), die bei Raumtemperatur gut funktioniert, als bevorzugtes Material für Dehnungsmessungen etabliert [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; Craig ; Nationale Instrumente ; Pratt ].

Um die durch Gewichtskompression verursachte Widerstandsänderung aufzunehmen, werden ein oder mehrere Dehnungsmessstreifen in einer Wheatstone-Brücke platziert . Eine Wheatstone-Brücke ist eine elektrische Schaltung, die einen unbekannten elektrischen Widerstand erkennen kann, indem sie ihn mit bekannten Widerständen an anderer Stelle in der Schaltung ausgleicht. In gewisser Weise ist es wie eine Waage für den elektrischen Widerstand: Das "Gewicht" (Widerstand) auf der einen Seite sagt Ihnen das unbekannte "Gewicht" (Widerstand) auf der anderen [Quellen: Craig ; Nationale Instrumente ; Pratt ].

Eine gegebene Brücke kann 1-4 Dehnungsmessstreifen enthalten. Wenn mehrere Messgeräte verwendet werden, sind sie in entgegengesetzten Richtungen angeordnet, um die Empfindlichkeit zu verbessern und Temperatureffekte abzuschwächen. Da die Widerstandsänderung in einem Dehnungsschaltkreis winzig sein kann, muss das Signal häufig verstärkt werden [Quellen: Craig ; Nationale Instrumente ; Pratt ].

Wenn eine Wägezelle die Änderung des Druckwiderstands misst, überträgt sie ein Signal an die CPU, die es in eine Eingabe für eine Anzeigetafel umwandelt, die dann das Ergebnis auf einem digitalen Bildschirm anzeigt. Dieses Prinzip gilt unabhängig davon, ob Sie einen Dehnungsmessstreifen oder ein anderes Messgerät verwenden.

Wir bieten ... Hebelwirkung

Hebel sind praktisch zum Wiegen großer Gegenstände, da die Hebelwirkung große Kräfte in kleine umwandelt. Bei einigen großen LKW-Waagen, wie z. B. den von Fairbanks hergestellten Grubenwaagen, wird jeder Gewichtszuwachs von 400 Pfund (181 Kilogramm) auf einem Teil des Hebels in nur 1 Pfund (0,45 Kilogramm) auf dem anderen umgewandelt. Daher muss die Wägezelle nur einen Bruchteil des Gesamtgewichts messen können, und die Waage kann problemlos zwischen 50.000 und 100.000 Pfund (22.679 und 45.359 Kilogramm) handhaben [Quelle: Mashaney ].

Forschung, Industrie und Handel benötigen die Fähigkeit, Gewichte unter einer scheinbar grenzenlosen Vielfalt von Umgebungsbedingungen und Platzbeschränkungen zu messen und gleichzeitig mögliche Fehler zu kontrollieren. Obwohl Dehnungsmessstreifen der am weitesten verbreitete Typ von Wägezellen sind, sind sie bei weitem nicht das einzige Design, das heute verwendet wird [Quellen: Eilersen ; Omega ].

Industrien, die mehr Sicherheit und Sterilität erfordern, wenden sich häufig pneumatischen Wägezellen zu , die das Gewicht eines Objekts ableiten, indem sie den Luftdruck messen, der zum Ausbalancieren erforderlich ist. Diese Blowhards eignen sich gut für die Lebensmittelindustrie oder in Gefahrenbereichen, da sie keine Flüssigkeiten enthalten, die in die Umgebung sickern, tropfen oder spritzen könnten. Pneumatische Zellen können eine Vielzahl von Gewichten mit hoher Genauigkeit heben, benötigen jedoch eine saubere, trockene Atmosphäre und neigen dazu, sich Zeit zu nehmen, um zu reagieren [Quelle: Omega ].

Hydraulische Wägezellen , die die Last als Änderung des Flüssigkeitsdrucks messen, sind häufig in Wägetanks, Behältern und Trichtern zu finden. Da sie ohne Strom funktionieren, funktionieren Hydraulikzellen gut an abgelegenen Orten, an denen Strom eine zweifelhafte Aussicht ist. Diese flüssigkeitsgefüllten Geräte sind teuer und kompliziert, aber robust und versagen oder versagen nicht, selbst unter Millionen-Pfund-Belastungen [Quellen: Eilersen ; Omega ; Takhirov et al. ].

Die Begriffe „Dehnungsmessstreifen“, „pneumatisch“ und „hydraulisch“ beschreiben Funktionsprinzipien – im Wesentlichen die physikalischen Gesetze, die jede Wägetechnik bestimmen. Aber ein Käufer, der nach einer Waage sucht, könnte auch die Größe, Form, Konfiguration, Materialien und andere physikalische Aspekte einer Zelle berücksichtigen, die auf den jeweiligen Arbeitsanforderungen basieren. Beispielsweise könnte ein Kunde, der Messungen in einer feuchten Umgebung durchführen muss, eine hermetisch abgedichtete Kanisterzelle wählen , während sich eine Einrichtung, die sich mit Abstandsproblemen beschäftigt, für eine dünnere Biegebalkenzelle entscheiden könnte [Quellen: Mashaney ; Omega ].

Formfaktoren werden auch aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, die Auswirkungen äußerer Kräfte zu minimieren. Waagen messen normalerweise die Kraft entlang einer einzigen Richtung, die als Hauptachse bezeichnet wird – was im Fall des Gewichts nach unten (in Richtung der Schwerkraft) bedeutet. Wägefehler entstehen hauptsächlich durch außeraxiale Kräfte, die parallel zur Last wirken, und durch Seitenlasten , die senkrecht dazu wirken [Quelle: Novatech ]. Dank ihres Zickzack-Designs zeichnen sich S-Beam-Wägezellen durch die Eliminierung der Seitenlast aus [Quelle: Omega ].

Innerhalb jeder dieser Kategorien und Unterkategorien gibt es Größen, Formen und Preisspannen für nahezu jeden erdenklichen Bedarf. Aber Waagen sind mehr als nur das Abwägen Ihrer Möglichkeiten. Die Kraftmessung ist mit technischen Schwierigkeiten ebenso behaftet wie jede Präzisionsmessung – keine Kleinigkeit, wenn man bedenkt, dass Menschenleben – und haufenweise Geld – auf dem Unterschied von ein paar Gramm beruhen können.

Alle Waagen groß und klein

Das Hookesche Gesetz gilt nicht nur für das Wiegen von Produkten; es liegt auch dem Betrieb eines der kleinsten Kraftmessgeräte der Welt zugrunde: dem Rasterkraftmikroskop , das in der Biochemie, Biologie und Werkstofftechnik eingesetzt wird. Solche Mikroskope verwenden einen Ausleger aus Silizium oder Siliziumnitrid im Mikrometermaßstab (ein federähnlicher Balken, der nur auf einer Seite gestützt wird), um Nanonewton- und Piconewton-Zugkräfte zu erkennen – Kräfte auf der Skala intermolekularer Anziehungen [Quellen: Cumpson et al. ; Cappella und Dietler ].

Ein altes Sprichwort besagt, dass ein Mann mit einer Uhr weiß, wie spät es ist, aber ein Mann mit zwei Uhren ist sich nie sicher. Waagen müssen mit einem ähnlichen Rätsel kämpfen: Wenn Sie denselben Gegenstand zweimal wiegen, erhalten Sie dasselbe Ergebnis? Wie wäre es an verschiedenen Tagen, bei wechselnden Wetterbedingungen? Wenn ja, kann die Waage trotz Verschleiß konstant bleiben?

Diese Faktoren – jeweils bekannt als Wiederholbarkeit , Reproduzierbarkeit und Justierung – sind alle wichtig, aber ein potenzieller Käufer muss auch grundlegendere Fragen berücksichtigen, wie z. B. den Gewichtsbereich der Waage , einschließlich ihrer minimalen und maximalen Kapazität [Quelle: AWS ].

Andererseits sind diese Statistiken wenig von Bedeutung, wenn einem Gerät die erforderliche Genauigkeit und Präzision für den Job fehlt. Obwohl die beiden Begriffe oft als Synonyme missbraucht werden, sind sie nicht austauschbar: Genauigkeit beschreibt, wie genau ein Instrument einen tatsächlichen oder erwarteten Wert misst, während sich Präzision darauf bezieht, wie granular oder genau diese Messung ist. Eine Speedgun, die einen 90,4213 mph Fastball mit 90 mph taktet, ist genau, aber nicht präzise; Eine Geschwindigkeitskanone, die denselben Fastball mit 88,3246 Meilen pro Stunde taktet, ist präzise, ​​aber nicht genau.

Waagen drücken normalerweise die Genauigkeit als Prozentsatz des Skalenendwerts ( FS ) aus – der gesamte kalibrierte Bereich, den ein Gerät messen kann. Beispielsweise kann eine 1-prozentige FS-Genauigkeit +/- 5 Pfund für eine 500-Pfund-Waage bedeuten, aber +/- 1 Pfund auf einer 100-Pfund-Waage. Alternativ kann der Fehler als Prozentsatz des tatsächlichen Messwerts ( AR ) ausgedrückt werden: Für ein Objekt mit einem Gewicht von 100 Pfund auf einer solchen Waage würde ein AR von 2 Prozent einen Fehler von 2 Pfund bedeuten, unabhängig davon, ob die Waage einen Bereich von 10 Pfund oder 10.000 [ Quellen: AWS ; Busch ; Plint ].

The precision of a scale is similarly variable. By industrial standard, regardless of capacity, scales are split into a maximum of 10,000 divisions: Hence a 10,000-pound scale will divvy into one-pound increments, whereas a 500,000-pound scale will divide into 50-pound increments [sources: AWS; Crowley ; Mashaney ]. Weighing devices are grouped into categories based on these divisions (see sidebar).

With this in mind, always try to select a scale that is has a high enough capacity to handle what you are measuring, but not much higher. This will ensure you get the most precision possible, pound for pound.

Staying Within Your Weight Class

• Waagen der Klasse I , die üblicherweise beim Präzisionswägen im Labor verwendet werden, haben mindestens 50.000 Teilungen mit jeweils 1 Milligramm oder mehr.
• Waagen der Klasse II , die für größere Laborproben oder Edelsteine ​​verwendet werden, weisen 100–100.000 Teilungen von entweder 1–50 Milligramm oder 100 Milligramm und mehr auf [Quellen: AWS ; NIST ].
• Handelswaagen der Klasse III wiegen alles von Porto bis zu Tieren. Sie verfügen über 100-10.000 Teilungen in Schritten von 0,1-2,0 Gramm oder 5-Gramm-Schritten und größer.
• Geräte der Klasse IIIL bestehen aus Fahrzeugwaagen mit 2.000–10.000 Teilungen von jeweils 2 oder mehr Kilogramm.
• Waagen der Klasse IIII , die von der Straßenverkehrsbehörde zur Überprüfung der Rad- und Achslasten verwendet werden, haben 100-1.200 Teilungen von 5 Gramm oder mehr [Quellen: AWS ; NIST ].

Anmerkung des Autors: Wie digitale Waagen funktionieren

Eine der Freuden beim Schreiben für .com entspringt der Begegnung mit der überraschenden Zartheit, Schönheit und Komplexität, die man in Alltagsgegenständen findet. Allein die geschickte Technik und die aufwendig gefrästen Teile, die in diesen Artikeln stecken, sind genug, um jeden Technikbegeisterten zu inspirieren. Schauen Sie über das Zubehör und die Geräte hinaus auf das Herzstück eines jeden Geräts – insbesondere eines, das zum Messen verwendet wird – und Sie finden etwas noch Wunderbareres: ein physikalisches Gesetz, das auf raffinierte Weise für eine Reihe spezifischer und nützlicher Werkzeuge nutzbar gemacht wird.

Nirgendwo ist dies wahrer als in Waagen. Allein in diesem Artikel bin ich auf das Hookesche Gesetz für Federn gestoßen; Pascalsches Gesetz für Flüssigkeitsdruck; Gesetz von Boyle, Gesetz von Charles und Gesetz von Gay-Lussac, das das Verhalten von Gasen beschreibt; und das Ohmsche Gesetz für den elektrischen Widerstand – ganz zu schweigen von den verschiedenen unbenannten Gesetzen, die Spannung und Belastung regeln.

Wenn Sie also das nächste Mal auf einen Politiker treffen, der die naturwissenschaftliche Bildung im Namen des Haushaltsausgleichs kürzen will, sollten Sie bedenken, dass unsere beständigsten Steuererleichterungen, die Waage, durch einen jahrhundertealten Marsch wissenschaftlicher Entdeckungen ermöglicht werden.

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