Waage

Geschichte

Die ältesten „Waagen“ waren sicherlich die menschlichen Arme, mit denen sich Lasten mehr oder weniger genau abschätzen ließen. Gewichtssteine, also entsprechende Vergleichsmassen, sind in Ägypten schon vor über 9 000 Jahren verwendet worden. Dort wurden auch die ersten gleicharmigen Balkenwaagen vor 4600 Jahren genutzt. Elektronische Feinwaagen mit denen Massedifferenzen im Mikrogramm-Bereich bestimmt werden können, wurden seit der Mitte des vorigen Jahrhunderts entwickelt.

Waagetypen

Aus der Zielstellung heraus z. B. die Masse eines Sacks Getreide oder die Masse eines Goldrings zu bestimmen, entwickelten sich nach und nach eine Vielzahl von Waagen, z. T. mit sehr engen Einsatzzielen.

Diese Waagen lassen sich z. B. einteilen nach:

  • Bauart
  • zu bestimmender Höchstlast
  • Ablesbarkeit

Wählen wir die Bauart als Gliederungsprinzip so können wir unterscheiden zwischen:

Balken- oder Hebelwaagen

dazu gehören Laufgewichtswaagen, Tafel- und Neigungswaagen (Briefwaage) und Brückenwaagen zur Bestimmung großer Massen (Lokomotiven)


Waagen mit elastischer Messvorrichtung

dazu gehören Feder- und Torsionswaagen, elektromagnetische bzw. elektromechanische Waagen, bei denen die Wirkung der Last durch elektromechanische Kräfte kompensiert wird oder die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes eines Dehnungsstreifens von der Belastung als Messprinzip genutzt wird.

Für spezielle Aufgaben sind besondere Waagen entwickelt worden.

Bandwaage, für Schüttgüter
Dosierwaage, für automatisch ablaufende industrielle Prozesse
Thermowaage, zur Ermittlung von Massedifferenzen bei Änderung der Temperatur
Magnetwaage, zur Bestimmung des Einflusses eines Magnetfeldes auf eine Substanzprobe

Man unterscheidet je nach Aufgabe der Wägung verschiedene Genauigkeitsklassen, wobei mit einer Waage meist über den Bereich von 4-5 Dekaden gewogen werden kann.

Genauigkeit von Waagen
BezeichnungWägebereichAuflösung
Grobwaage1 kg - 10 000 kg1 g - 1 kg
Handelswaage10 g - 1 000 kg0,1 g - 100 g
Präzisionswaage1 g - 10 kg1 mg - 10 g
Feinwaage0,1 mg - 500 g0,1 mg

Zu den Feinwaagen gehören die Analysenwaagen, die maximal mit 200 g belastet werden können. Auch die Ultramikrowaagen gehören zu den Feinwaagen. Bei einer maximalen Belastbarkeit von 5 g lassen sich Masseänderungen von 1 x 10 7 g ermitteln.

Konstruktion einer Feinwaage

Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit einer Feinwaage (Empfindlichkeit, Ablesbarkeit, Reproduzierbarkeit, Genauigkeit) sind ständig gestiegen. Welche Sachverhalte und Einflüsse mussten beachtet werden?

Schon frühzeitig wurden die Feinwaagen mit einem Gehäuse mit seitlichen Schiebefenstern versehen um Einflüsse durch Luftbewegung oder Feuchtigkeit zu minimieren. Da Waagen auf Erschütterungen empfindlich reagieren wurden diese auf Platten aufgestellt, die sich in einem dämpfenden Sandbad befinden. Heute werden dazu Federdämpfungen genutzt.

Die Waagebalken der Hebelwaagen sind auf speziellen Vorrichtungen reibungsarm gelagert (Pfanne und Schneide aus hartem Halbedelstein). Da diese sehr hohen Belastungen auch nicht Stand halten, war eine Beschränkung der Belastung auf 100 oder 200 g Wägegut erforderlich. Der Waagebalken musste also auch aus einer besonders stabilen aber leichten Legierung hergestellt werden.

Trotzdem biegen sich die Waagebalken mit zunehmender Belastung in geringem Maß durch, was zu einer unzulässigen Veränderung der Empfindlichkeit der Waage mit der Belastung führt. Dieses Durchbiegen ist auch mit besonders konstruierten trapezförmigen Balken, wie man sie bei älteren Analysenwaagen in Apotheken oder Museen sieht, nicht zu vermeiden.

Es wurden deshalb sogenannte Einschalenwaagen konstruiert, bei denen ein Waagearm, im Gehäuse verdeckt, mit z. B. einem 100 g – Massestück versehen war. Am anderen Waagearm befindet sich die Waagschale für das zu bestimmende Wägegut und ein Satz von Wägestücken (Massenormale). Beim Wägevorgang wurden durch Hebel Vergleichsmassen vom Waagearm abgehoben, die genau der Masse des Wägegutes entsprachen. So war über den gesamten Belastungsbereich von 100 g eine gleichmäßige Empfindlichkeit gewährleistet.

Reibungsarm gelagerte Waagebalken schwangen sehr oft bis zum Stillstand (Gleichgewicht), so dass der Wägevorgang sehr zeitaufwändig war. Abhilfe schafften Dämpfungssysteme wie z. B. die Dosendämpfung, bei Luft in sich nicht berührenden Zylindern komprimiert wurde, und zur Dämpfung der Schwingungen führte.

Wie in Wasser, so erleiden Körper auch in Luft einen Auftrieb. Das Wägegut wird scheinbar um die Masse der verdrängten Luft leichter.

Für sehr genaue Messungen wurden Vakuumwaagen konstruiert bei denen die Massebestimmung auftriebslos erfolgen konnte. Heute kann die Auftriebskorrektur bei speziellen Waagen elektronisch erfolgen.

Einige Waagen im Detail betrachtet

Hebelwaagen

Der einfachste und älteste Wägemechanismus ist der einer gleicharmigen Hebelwaage. Dieser Waagetyp wurde bereits um 2500 v. Chr. erstmals durch die Ägypter verwendet.
Der Aufbau solch einer gleicharmigen Hebel- oder Balkenwaage ist einfach. Sie besteht aus einem Balken mit zwei an den Enden des Balkens aufgehängten Schalen und einem Fuß, auf dem dieser Balken ruht. Der Balken ist auf dem Fuß in der Mitte (also am sogenannten Hebeldrehpunkt) drehbar aufgehängt. Dadurch kann er beim Wägevorgang ausbalancieren. Diesem Typ von Waage liegt das Hebelgesetz als physikalisches Gesetz zu Grunde. Dieses besagt, dass bei gleich langen Armen die Kräfte, und damit die Massen, an beiden Seiten gleich sein müssen, damit die Waage im Gleichgewicht, also waagerecht ist.

Laufgewichtswaage

Genau wie die gleicharmige Hebelwaage besteht auch die Laufgewichtswaage aus einem drehbar aufgehängten Balken. Da bei diesem Waagetyp die beiden Arme nicht gleich lang sind, befindet sich der Drehpunkt bei der Laufgewichtswaage im Gegensatz zur gleicharmigen Hebelwaage allerdings nicht genau in der Mitte. Der Gegenstand, dessen Masse ermittelt werden soll, wird an den kürzeren Arm gehängt. An dem längeren Arm dagegen befindet sich ein bekanntes Wägegewicht, das entlang diesen Arms geschoben werden kann. Es wird auch als Laufgewicht bezeichnet, der gesamte Waagentyp als Laufgewichtswaage.

Nachdem der zu wiegende Gegenstand angehängt wurde, wird die Waage durch Verschieben des Laufgewichtes wieder ins Gleichgewicht gebracht. Durch das Hebelgesetz gibt es nun einen Zusammenhang zwischen der Länge des Arms und der Masse. Da die Masse des Laufgewichtes und die Länge des Arms, an dem das unbekannte Stück hängt, bekannt sind, müsste man jetzt nur noch die Länge des Armes, an dem das Laufgewicht hängt, messen, um die unbekannte Masse ausrechnen zu können. Diese Arbeit wird einem aber abgenommen, da die Masse über die Einteilung des Arms mithilfe der Stellung des Laufgewichtes abgelesen werden kann.
Dieser Typ von Waage wird auch als Römische Waage bezeichnet, da er bereits bei den Römern verwendet wurde.

Federwaage und Neigungswaage

Weitere Formen von noch heute gebräuchliche Arten mechanischer Waagen sind die sogenannten Federwaagen und Neigungswaagen. Bei der Neigungswaage verbindet man eine Platte mit einem Pendelgewicht (Pendel). Wird dann eine Last auf die Platte gelegt, schwingt das Pendelgewicht zur Seite. Durch einen Zeiger, der am Pendel angebracht ist, kann man dann über eine Skala die Masse der Last ablesen.

Bei einer Federwaage ist die Platte im Gegensatz zur Neigungswaage mit einer genormten Feder verbunden. Diese Feder wird beim Auflegen einer Last auf die Platte entweder zusammengedrückt oder auseinandergezogen. Das unbekannte Gewicht der Last wird dann wieder durch einen Zeiger angezeigt, dessen Stellung sich danach richtet, wie stark die Feder verformt ist. Federwaagen sind heutzutage noch im Haushalt üblicherweise als Personenwaagen im Einsatz.

Elektronische Waagen

Neben den mechanischen Waagen, die schon seit Jahrhunderten ihre Anwendung finden, werden heutzutage auch immer mehr elektrische bzw. elektromechanische Waagen eingesetzt. Diese Waagen nutzen, wie der Name schon sagt, die Elektrizität zur Bestimmung einer unbekannten Masse. Die Vorteile solcher Waagen liegen klar auf der Hand. Sie sind meist schneller und genauer als rein mechanische Waagen. Sie können verbunden mit Computern im Rahmen von Computersystemen eingesetzt werden und benötigen somit kein Personal mehr zum Ablesen, wodurch wieder eine Fehlerquelle ausgeschlossen wird. Dadurch sind sie auch für viele Anwendungen besser geeignet als gewöhnliche mechanische Waagen, da ihre Messdaten gleich digitalisiert vorliegen. Ein weiterer Vorteil ist, dass sie nahezu wartungsfrei sind.

Bei einer häufig eingesetzten Form der elektromechanischen Waage wird die mechanische Messgröße in Wägezellen oder auch sogenannten Kraftmess- bzw. Druckdosen umgewandelt. Bei dieser Waage befindet sich eine Platte oben auf einem Ständer. An diesem Ständer ist ein dünner Draht, der Dehnungsmessstreifen, befestigt. Die besondere Eigenschaft des Dehnungsmessstreifen besteht darin, dass sich sein elektrischer Widerstand ändert, wenn er in irgendeiner Art und Weise verformt wird. Durch die Last, die auf die Platte gelegt wird, werden sowohl Ständer als auch Dehnungsmessstreifen zusammengedrückt. Anhand dieser Verformung ändert sich der Widerstand des Dehnungsmessstreifen. Aus dieser Widerstandsänderung des Drahtes kann nun die Masse der Last bestimmt werden.

Elektronische Waagen arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation. Die Waagschale mit dem Elektromagneten wird durch einen definierten Strom, der durch die Spule fließt, über dem Permanentmagneten im Gleichgewicht gehalten.
Ändert sich die Last, dann ändert sich die Eintauchtiefe des Elektromagneten in den Permanentmagneten. Der Nulldurchgangs-Detektor stellt eine Abweichung fest und sendet ein Fehlersignal an den Schaltkreis. Der Strom durch die Spule des Elektromagneten wird nun vom Schaltkreis so verändert, dass das Gleichgewicht wieder hergestellt wird und der Nulldurchgangs-Detektor keinen Fehler mehr anzeigt. Die Änderung der Stromstärke ist der Änderung der Last (Masse des Wägeguts) direkt proportional.

Waagen – die Bedeutung über das Messen hinaus

Da Waagen schon immer als unbestechlich galten und jeden Fehler anzeigten, wurden sie zum Symbol für Gerechtigkeit. Noch heute wird die Göttin Justitia mit einer Waage als Symbol für Gerechtigkeit und Gleichheit vor dem Gesetz abgebildet.

Stand: 2010
Dieser Text befindet sich in redaktioneller Bearbeitung.

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