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Aufbauanleitung: Waage mit Halbbrückensensoren

Getestet wurden exemplarisch Wägezellen mit der Typenbezeichnung ‘YZC-161E’ welche zu einem Preis von ca. 10€ und weniger für 4 Stück zu erstehen sind. In ähnlicher Bauweise sind eine Vielzahl an Wägeelementen im Internet zu finden, die vermutlich die gleichen Eigenschaften aufweisen.

beelogger gewichtssensor

Diese einfachen Wägeelemente sind für viele Anwendungen ausreichend. Das Messsystem liefert auch mit diesen Wägelementen durchaus Messwerte im Grammbereich.
Diese Sensoren sind von der Gesamtkonstruktion aber für den Innenbereich und nicht für andauernde Lasten ausgelegt. Belastbare technische Daten sind eher selten verfügbar. Sie sind aus einer hochfesten Aluminium-Legierung gefertigt, die mit einer Oberflächenbehandlung versehen ist. Ein Schutz gegen massive Witterungseinflüsse ist nur bedingt gegeben.
Es empfiehlt sich ein oder zwei Sensoren mehr zu kaufen als benötigt. Damit können Exemplare bei denen die Abdeckung der Anschlussverdrahtung oder des eigentlichen Messelements nicht einwandfrei ist, aussortiert werden. Auch sind die Sensoren in der Handhabung relativ empfindlich. Die Anschlußdrähte sind sehr dünn. Ziehen oder Verbiegen führt schnell zum Defekt.

Handelsübliche Waagen mit diesen Wägeelementen liefern zumeist Anzeigewerte in 100gr Schritten. Fortwährende Belastung führt bei diesen Wägezellen zu einer merklich schleichenden Veränderung der Nullposition der Wägeeinrichtung. Innerhalb eines Jahres kann diese sich um einige hundert Gramm verschieben. Im Ergebniss sind alle Messwerte um diesen Wert verändert.
Im realen Betrieb stört dies eher weniger, denn ob die Bienen noch Futterreserven von 11,5kg oder 12kg haben, sollte für die imkerliche Arbeit nicht relevant sein. Ein Zuwachs im Honigraum von 19,5kg oder 20kg erfolgt zumeist innerhalb weniger Wochen und ist im Messergebnis vergleichsweise genau, weil das Kriechen über einen längeren Zeitraum erfolgt.

Unsere aktuellen Aufbauten sind mit den Wägeelementen mit rundum geschlossenem Ring und einer Größe vo ca. 34x34mm erstellt. Auch abgebildet im Abschnitt mit den Haltelementen weiter unter auf dieser Seite.
Systeme damit laufen bereits seit mehreren Jahren zuverlässig, wenn auch mit den zuvor dargestelllten Schwächen.

Wesentlicher Vorteil dieses Aufbaus ist neben den niedrigen Kosten die sehr stabile Vier-Punkt Auflage der Wägeplatte.

 

Beschaltung

Diese Wägezellen sind als Halbbrücken aufgebaut. In der Verschaltung von vier Wägezellen funktionieren sie als Vollbrücke. Es entsteht eine Wheatstonesche Messbrücke.

Anordnung der vier Wägezellen

Anordnung der vier Wägezellen

Verschaltung der vier Wägezellen

Verschaltung der vier Wägezellen

Aufbau

Zum Aufbau der Wägekonstruktion werden zwei Platten benötigt, welche für einen sicheren Aufbau mindestens genau so groß wie die Grundfläche der Beute sein sollten. Auf der Unterseite der oberen Platte, auf der die Beute zu stehen kommt, werden die Wägeelemente befestigt. Die untere Platte dient als fester, ebener Untergrund. Gut verfügbar und einfach zu bearbeiten ist Holz, welches mit entsprechender Beschichtung, Lackierung (ungiftig!) oder einer dicken Folie vor dem Wetter geschützt wird. Auch ein Unterstand bietet Schutz gegen direkte Witterunseinflüsse und hat den weiteren Vorteil, dass Messwerte, beispielsweise durch eine Schneedecke, nicht verfälscht werden.
Für diese Anleitung wurden zwei 500×500 mm große und 16mm starke Siebdruckplatten verwendet, die im Baumarkt direkt zugeschnitten pro Stück für ca. 8€ zu beziehen waren.
Beim Aufbau werden die glatten Seiten der Siebdruckplatten innen zueinander verwendet.

Damit das Wägeelement wie vorgesehen arbeiten kann, muss für ausreichend Spiel im Auslenkungsbereich des inneren Elements des Wägeelements gesorgt werden. Hierzu muss unter diesem 2-3 mm Material der Platte abgetragen werden.
Eine einfache Möglichkeit besteht unter Verwendung eines 17mm Forstnerbohrers. Zunächst wird eine wenige mm tiefe, runde Bohrung vorgenommen. Die zweite, ebenfalls nur wenige mm tiefe Bohrung, wird am äußeren Rand der ersten Bohrung angesetzt.

beelogger_Stockwaage_Aufbau_Forstnerbohrer   beelogger_Stockwaage_Aufbau_Bohrung

 

Aber auch mit einer Fräse lässt sich die Aussparung recht einfach realisieren.

beelogger_Stockwaage_Aufbau_Fraese   beelogger_Stockwaage_Aufbau_Fraesung

Beim Verschrauben darauf achten, dass das innere Element richtig positioniert ist. Die Schrauben dürfen nicht fest angezogen werden, damit keine Verspannungen auftreten. Die Wägelemente müssen sich noch frei bewegen können

Die Platte mit den angeschraubten Wägeelementen bildet die Deckplatte, welche mit den Sensoren nach unten auf die Bodenplatte gelegt wird. Dies bietet einen gewissen Schutz vor Regen, der andernfalls in die Ausfräsungen laufen könnte. Bei der Variante mit Halteelemente sind diese auf die Bodenplatte geschraubt.
Zusätzlich kann die Wägekonstruktion im Außeneinsatz mit einer dicken Folie, die einfach darüber gelegt wird, geschützt werden.

   beelogger_Stockwaage_Aufbau_Zusammenbau

 

Alternativ können die Wägezellen auch in Halter aus Hartplastik (z.B. Acryl) eingelegt werden. Die Halter müssen über den gesamten Temperaturbereich mechanisch stabil bleiben. Die Halter sind aus zwei je 3mm starken Elementen zusammengesetzt. Das obere Halteelement fixiert das Messelement gegen verrutschen und richtet nach der Größe des Sensors z.B 34x34mm. Der untere Halter stützt das Messelement, wobei der Ausschnitt dem belasteten Teil freie Bewegung erlaubt.  Es ist um die Auflagebereiche des Wägeelements kleiner.
Halteelemente aus 3-D-Druckern sind meist zu rauh oder haben abhängig vom verwendeten Kunststoff eventuell nicht die Notwendige Festigkeit.
Eine Zeichnung der Halter für eine typische Wägezelle stellen wir hier bereit.Download

Bei dieser Montage sind die Wägezellen auf der unteren Siebdruckplatte montiert.

 

Zur Verkabelung der Wägeelemente, müssen die Leitungen in der Regel verlängert werden. Um Fehlerquellen zu minimieren, sollten die Verlängerungen angelötet und die Lötstellen mit Schrumpfschlauch geschützt werden. Schließlich können die Leitungen noch mit Klebeband fixiert werden, um das Handling beim Zusammenbau zu vereinfachen. Eine Zugentlastung verhindert Beschädigungen beim Test und Transport.
Für die Verlängerung eignet sich sogenanntes Diodenkabel in vieradriger Ausführung, wie es auch im Hifi-Bereich für 5-polige DIN-Steckverbinder verwendet wird. Die Leitung sollte kurz, nicht über 0,75m, lang sein.
Beim Verlängern die farbliche Zuordnung  von E+, E-, S+,S- notieren,
z.B.: E+ = rot, E- = braun, S+ = grün, S- = gelb,  Schirm = “-” (einseitig am beelogger auflegen).

beelogger_Stockwaage_Komplett

Bei der Auswahl der Kabel und Zugentlastung muss darauf geachtet werden, dass diese nicht zu dick sind und so die Wägefunktion behindern.

Wenn die Verdrahtung abgeschlossen ist, die beiden Platten rundum bündig abschließend aufeinander legen. Eine Ecke beider Platten dauerhaft farblich markieren und die Anordnung gut belasten. Am einfachsten draufstellen. Dabei drücken sich die Wägezellen leicht in die aufgelegte Platte ein. Die beiden Siebdruckplatten müssen von jetzt an immer in gleicher Weise angeordnet sein, damit die Druckpunkte zu den Position der Wägezellen passen.

Für die Kalibrierung mindestens ein Gewicht von 10kg verwenden, damit alle vier Sensoren bei der Kalibrierung belastet werden. Bei kleinen Gewichten 1-2kg kann es vorkommen, dass das Gewicht nicht ausreicht um alle Sensoren zu belasten, weil z.B. die Siebdruckplatten nicht absolut plan sind oder kleinere Höhentoleranzen bei den Sensoren bestehen.
Bei der Kalibrierung sollte die Waage insgesamt auf einer ebenen Fläche stehen.
Im Kalibriersketch das verwendete Gewicht unter Referenzgewicht eintragen.

Nach dem Aufbau kann mit der Kalibrierung und nachfolgend Temperaturkompensation begonnen werden.