Waage

Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Waage (Begriffsklärung) aufgeführt.

Eine Waage ist ein Messgerät zur Bestimmung einer Masse. Üblicherweise erfolgt dies über die Gewichtskraft, die entweder

1. direkt gemessen wird, oder
2. mit der Gewichtskraft einer bekannten Masse verglichen wird.

Bei Waagen der ersten Art hängt die Messung vom Ortsfaktor ab. Bei beiden Arten wird der Wägewert durch den Auftrieb beeinflusst. Abhängig von der Anwendung und der benötigten Genauigkeit werden diese Einflüsse vernachlässigt oder durch geeignete Maßnahmen berücksichtigt.

Eine besondere Form ist die Zählwaage, die aus der Masse eines oder mehrerer Einzelstücke die Anzahl vieler gleicher Objekte bestimmt.

• Siehe auch: Balkenwaage, speziell zur Waage als Symbol für Marktrecht und für Gerechtigkeit.

Zusammenhang von Masse und Erdbeschleunigung

Bei hohen Anforderungen an die Präzision müssen Waagen der ersten Art (Gewichtskraftmessung) am jeweiligen Ort justiert werden, da die Erdbeschleunigung unterschiedlich ist. Es gilt der Zusammenhang

$ {\text{Masse in kg}}={\frac {\text{Gewichtskraft in N}}{{\text{Erdbeschleunigung in }}{\frac {\mathrm {m} }{\mathrm {s} ^{2}}}}} $

Die Abweichung der Erdbeschleunigung an verschiedenen Punkten der Erdoberfläche beträgt jedoch weniger als 1 Prozent, so dass bei Haushaltswaagen dieser Effekt vernachlässigt wird.

Eigenschaften

• Wägebereich
• Ablesbarkeit
• Genauigkeit
• Reproduzierbarkeit
• Linearität^[1]

Geschichte

Ein Waagebalken aus dem 5. Jahrtausend v. Chr. wurde in einem prähistorischen Grab in Ägypten entdeckt. Früheste ägyptische Abbildungen einfacher Balkenwaagen stammen um 2000 v. Chr. Die Aufhängung des Waagebalkens bestand aus einem Seil, an seinen äußeren Enden hingen die Waagschalen. Um 500 v. Chr. verbesserten Etrusker die Genauigkeit der Balkenwaage. Die Römer kannten auch ungleicharmige Waagen, der längere Arm trug ein verschiebbares Wägestück sowie eine Strichmarkierung. In der Renaissance kamen in alchimistischen Labors hochempfindliche Analysewaagen zum Einsatz.

1669 erfand der Franzose Joachim Rosentahl de Romeé die Tafelwaage. Sie hatte den Vorteil, dass die Position der zu wägenden Last auf den Waagschalen das Ergebnis nicht beeinflusste. 1763 baute der schwäbische Pfarrer Philipp Matthäus Hahn eine Neigungswaage mit direkter Gewichtsanzeige. Dezimal- und Küchenwaagen entstanden in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Um 1850 wurden Versuche unternommen, das Wägeergebnis automatisch zu drucken. 1895 kamen in den USA Waagen mit gleichzeitiger Preisanzeige auf (preisrechnende Waagen). 1939 leiteten zwei amerikanische Ingenieure mit der Nutzung elektrischer Widerstandsänderungen das Zeitalter der elektronischen Waagen ein.

Im Jahre 1927 wurde die Schreibung zur besseren Unterscheidung zu Wagen von Wage auf Waage geändert.^[2]

Mechanische Waagen

Bei den mechanischen Waagen unterscheidet man die oben genannten beiden Grundprinzipien, Gewichtskraftmessung und Massenvergleich.

Wägen: Gewichtskraft

Bei der einfachsten Form der Federwaage wird das Wägeobjekt an eine Schraubenfeder gehängt und die Verlängerung gemessen. Anhand der Federkonstante wird dadurch die Gewichtskraft ermittelt und mit der entsprechenden Skala auf die Masse abgebildet. Verwandte Messprinzipien basieren ebenfalls auf Verformungsmessung, beispielsweise mit Membranen, Kraftsensoren, Kraftmessdosen, Piezoeffekt oder Ringtorsion.

Es gibt Federwaagen und Kraftmesser für verschiedene Messbereiche. Beispiele:

• Haushaltswaage, ein Handgerät bis etwa 10 kg; die einfache Federwaage wird (volkstümlich) auch "Lumpenwaage" genannt.
• Küchenwaage und Babywaage, bis 5 oder 10 kg
• Personenwaage für das Körpergewicht (meist bis 130 oder 150 kg, Genauigkeit 0,1 bis 3 kg).
• Standgeräte für industrielle Zwecke oder im Handel (Wägebereich/Skalenteilung meist 25 kg / 50 g, 50 kg / 100 g oder 100 kg / 200 g, Genauigkeit 0,1 - 0,2 %).
• Membranwaagen und Barometer
• Mikrowaagen und Präzisions-Federwaagen für Labore, den Physikunterricht etc., Genauigkeiten 0,5 % bis 0,1 %.

Wägen: Massenvergleich

Die Masse eines Körpers wird durch den Vergleich mit Standardgewichten bestimmt. Auch diese Waagen arbeiten mit der Gravitation, müssen jedoch nicht auf die unterschiedlichen örtlichen Bedingungen eingestellt werden und könnten daher auch auf anderen Himmelskörpern, wie zum Beispiel dem Mond verwendet werden. Die Referenzgewichte beginnen bei 0,1 mg für Apothekerwaagen und enden bei 10 kg für Marktwaagen.

• Eine Balkenwaage misst die Balance zweier Gewichte. Im einfachsten Fall ist es ein im Drehpunkt gelagerter Waagebalken, der an den Enden zwei Schalen trägt. Eine früher in vielen Haushalten und Küchen anzutreffende Variante der Balkenwaage ist die Roberval-Waage, bei der die Waagschalen an einem Hebel-Parallelogramm befestigt sind. Ein mechanisch bedingter systematischer Messfehler kann bei Balkenwaagen dadurch ausgeglichen werden, dass die beiden zu vergleichenden Gewichte abwechselnd auf der gleichen Waagschale gegen fein dosierbaren Ballast auf der anderen Waagschale verglichen werden.
• Eine Zeigerwaage oder Neigungswaage misst die Auslenkung eines festen Gewichts an einem Hebelarm, dieses Prinzip wird bei vielen Briefwaagen verwendet.
• Eine Schnellwaage (Laufgewichtswaage, römische Waage, Besemer) besteht aus einem Stab mit Skala und zwei ungleichen Hebelarmen, wobei sich am einen das Ausgleichsgewicht, am anderen ein Haken zum Aufhängen des Wägegutes befindet. Das Verhältnis der Hebelarme kann mit einer Zunge und Handhabe verschoben werden, bis bei angehängtem Gegenstand Gleichgewicht eintritt.
• Eine Dezimalwaage arbeitet ähnlich wie eine Schnellwaage mit dem Unterschied, dass der Hebelarm für das Gewicht zehn mal so lang ist wie der für das Wägegut. Mit einem 10-kg-Referenzgewicht kann ein Körper von 100 kg ausgemessen werden (siehe auch Abb. Dezimalwaage).
  • Sonderformen sind die Straßenbrückenwaage für Lkw und Silotransporte, Gleisbrückenwaage für Eisenbahnwagen, Kranwaagen und Palettenwaagen.

Zählen: Anzahl

Zählwaagen drehen das Messprinzip des Gewichtsvergleichs um, indem sie aus dem Verhältnis des Gewichts einer Stückmenge zu einem einzelnen dieser Stücke deren Zählmaß bestimmt. Für größere Stückzahlen vergleicht man auch mit einer anderen Stückmenge bekannter Anzahl, etwa 100 Stück.

Elektromechanische und elektronische Waagen

Mechanische Geräte sind heute weitgehend durch elektronische Waagen ersetzt. Sie sind robuster, genauer, schneller ablesbar und häufig preiswerter. Elektronische Analysenwaagen haben oft ein Gehäuse als Schutz vor Luftbewegungen, Programme zum Kalibrieren und spezielle Dämpfungen zur Verhinderung von Erschütterungen. Sie messen im Kilogrammbereich mit Empfindlichkeit bis etwa 0,1 mg, was einem Dynamikbereich von 10⁶ entspricht.

Funktionsweise elektronischer Waagen

Allen elektrischen Waagen gemein ist die notwendige Umformung der Gewichtskraft, die sich nicht direkt messen lässt, in eine Verformung bzw. einen Weg. Dies wird meist über eine Feder bzw. einen Biegebalken gelöst, wobei die Feder in einer Kranwaage ein verhältnismäßig massiver Metallblock sein kann.

Das direktere Verfahren misst die Verformung der Feder/des Biegebalkens über einen Dehnungsmessstreifen, die indirektere Wegmessung kann z. B. über die Kapazitätsänderung eines Kondensators bei Änderung des Plattenabstandes erfolgen.

Beispiele:

Elektromechanische Waagen für Industrie und Transport

• Plattform- und Fahrzeugwaagen: Wägebrücken (Brückenwaage) mit mehreren Messdosen, Messterminal und Programmen (beispielsweise Handtara, Festtara, Mehrfachmessung ...)
• Statische / Dynamische Achslastwaage
• Kranwaagen mit 10-20 Messbereichen à ± 0,2 %, Spitzenwertanzeige etc.
• Palettenwaagen (zum Beispiel 10 bis 1500 kg ± 0,5 kg)
• Sonderwaagen für Langgut, schweren Industrieeinsatz usw.
• Wägeterminals mit Abfüllsteuerung für Flüssigkeiten, Bigbag, Dosierung, Absackung, Stückzahlen, Annahme und Verladung ...
• Bodenwaage mit Funktions- und Zifferntastatur, Standardprogrammen wie Zählen, Kontrollieren, Dosieren ... (beispielsweise 10 kg ± 0,1 g).

Bei modernen elektromechanischen Waagen kommen vor allem zwei Sensor-Prinzipien zum Einsatz:

• Waagen mit Wägezellen, die mit Dehnungsmessstreifen (DMS, engl. Strain Gauge, Strain Gage) arbeiten
• Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation

Seltener findet man auch Waagen mit Sensorelementen, welche mit Schwingsaiten arbeiten oder bei welchen kapazitive oder piezoresistive Sensoren zum Einsatz kommen.

Tischwaagen

• Tischwaagen mit Batterie- und Netzbetrieb, Distanz Wägebrücke–Anzeigegerät bis einige Meter (zum Teil eichfähig). Untergruppen sind:
  • Kompakt- oder Universalwaagen
  • elektronische Tischwaagen für Großküche, Bäcker oder Labor
  • Spezialwaagen für Getreideproben, Eier, Sortierung usw.
• Zählwaagen: Kompaktwaagen zum Zählen, Wägen, Summieren und Kommissionieren, mit digitalen Filtern gegen Vibrationen etc.

Präzisions- und Laborwaagen

• Präzisionswaagen mit Genauigkeiten bis 0,01 % (Messbereiche 100 g bis 30 kg).
  • Laborwaagen, Mikro- und Analysenwaagen (zum Beispiel 200 g ± 0,0001 g)
  • Waagen zur Feuchtigkeitsmessung, z. B. Restfeuchte bei 40…250 °C

Besondere Waagen für Technik und Physik

• Sechs-Komponenten-Waage: Durch Messung der drei Kräfte und der drei Drehmomente in einem orthogonalen Koordinatensystem lassen sich mit einer solchen Waage beispielsweise in einem Windkanal alle Wirkungen der Luftströmung auf ein Modell messen.
• Gravimeter für Geophysik und Geodäsie: Präzisions-„Federwaage“ (Schrägbalken) oder mit Supraleitung, Messung des Erdschwerefeldes von 950 bis 990 Gal ± 0,001 mGal (1 Gal = 1 cm/s²).
• Cavendish-Waage zur Bestimmung der Gravitationskonstante (1798)
• Watt-Waage für Überprüfung des Ur-Kilogramms: sie vergleicht über eine Zeitmessung die mechanische mit der elektrischen Leistung.
• Komparatorwaage oder Massekomparator der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) zum Vergleich von Kilogrammprototypen. Das Gerät steht in einem druckfesten Gehäuse, erlaubt dadurch auch Messungen im Vakuum (0,005 mbar) und vermeidet daher weitestgehend den Einfluss des Luftauftriebs auf die Massebestimmung. Der derzeit genaueste Massekomparator der PTB hat eine Standardabweichung von 1*10^-10 kg. Er dient unter anderem auch der Forschung zur Umstellung des alten Kilogramm-Normals ("Ur-Kilogramm") auf eine Silizium-Kugel mit definierter Anzahl an Atomen.
• Cottonwaage (eine magnetische Waage) zur schnellen und genauen Gewichtsmessung von Münzen, erfunden von William Cotton (Bankier) während seiner Zeit als Direktor der Bank von England von 1842 bis 1845.
• Drehmomentwaage misst das Drehmoment laufender Motore (siehe Bild).

Arten von Waagen

Nach Anwendung

• Personenwaage
• Briefwaage
• Kranwaage
• Mehrkopfwaage
• Kombinationswaage
• Drehwaage
• Kontrollwaage
• Küchenwaage
• Radladerwaage
• Radlastwaage
• Achslastwaage
• Stützlastwaage

Nach Bauart

• Balkenwaage
• Dezimalwaage, oft als Sackwaage mit Plateau und Wand zum Anlehnen des Sacks
• Federwaage
• Neigungswaage
• Ringkraftmesser
• Tafelwaage
• Babywaage
• Personenwaage
• Apothekerwaage
• Körperfettwaage
• Handwaage
• Römische Schnellwaage mit Verschiebegewicht und 2 Messbereichen durch 2 Haken
• Mondwaage mit elliptisch gebogener Blattfeder-Ellipse, innerhalb davon der geschütze Zeiger und mondsichelförmige Skala

Nach Genauigkeit

• Mikrowaage, z. B. mit einem Ziffernschritt von 1 µg
• Analysenwaage, z. B. mit einem Ziffernschritt von 0,1 mg, seltener 0,01 mg
• Feinwaage, mit einem Ziffernschritt von 100 bis 1 mg
• Handelswaage
• Grobwaage

Waagen im weiteren Sinn

• Wasserwaage
• Schlauchwaage
• Tonabnehmerwaage
• Ringwaage, misst keine Massen, sondern Druckdifferenzen.
• Drachenwaage, die winkelbestimmende, zumindest zweischnürige Anbindung eines Flugdrachens an seine Leine.

Literatur

• Heinrich Böll: Die Waage der Baleks
• Karl Erich Haeberle: Zehntausend Jahre Waage. Aus der Entwicklungsgeschichte der Wägetechnik. Bizerba-Werke, Balingen 1967.
• Hans R. Jenemann, Arno M. Basedow, Erich Robens: Die Entwicklung der Makro-Vakuumwaage, Wirtschaftsverlag NW u. a., Bremerhaven 1992, ISBN 3-89429-214-8, (PTB-Bericht - TWD 38).
• Manfred Kochsiek (Hrsg.): Handbuch des Wägens. 2. bearbeitete und erweiterte Auflage. Vieweg, Braunschweig u. a. 1989, ISBN 3-528-18572-4.
• Roland Nater, Arthur Reichmuth, Roman Schwartz, Michael Borys, Panagiotis Zervos: Wägelexikon: Leitfaden wägetechnischer Begriffe, Springer, Berlin Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-75907-2.
• Richard Vieweg: Aus der Kulturgeschichte der Waage. Bizerba-Werke, Balingen 1966.

Weblinks

Vorlage:Commonscat/WikiData/Difference

• Information zum Kilogrammprototyp
• Das "neue" Kilogramm kommt näher

Einzelnachweise