Wägetechnik Teil 3: Physikalische Einflüsse

07 Februar 2016

Speziell Semimikro-, Mikro- und Ultramikrowaagen arbeiten so präzise, dass sie auch physikalische Einflüsse erkennen und als Gewichtsveränderung anzeigen. Die Ursachen von falschen oder instabilen Wägeergebnissen lassen sich daher oft auf physikalische Einflüsse zurückführen. Dazu gehören Beeinflussungen durch die Umgebung des Standorts der Waage, Temperaturunterschiede zwischen Wägegut und Behälter, ebenso Auf- und Abnahme von Feuchtigkeit durch die Wägematerialien und nicht zuletzt Einflüsse durch elektrostatisch geladene oder magnetische Wägegefäße bzw. -güter.

Temperatur

Ein Problem beim Wägen ist, dass die Gewichtsanzeige in eine Richtung driftet und die Ergebnisse unerwartet und schlecht reproduzierbar sind. Eine mögliche Ursache stellt ein  Temperaturunterschied zwischen Wägegut und Umgebung dar, welcher Luftströmungen auslöst und so das Wägeresultat verfälscht. Dieser sogenannte dynamische Auftrieb lässt sich nur durch Ausgleichen des Temperaturgefälles verhindern.

Dem dynamischen Auftrieb kann durch verschiedene Maßnahmen abgeholfen werden: Zum Wägen sollten zunächst keine Gefäße verwendet werden, die direkt aus dem Kühlschrank oder dem Trockengerät kommen. Gegebenenfalls müssen das Wägegut und das Wägegefäß der Raumtemperatur angeglichen werden. Der Wägebehälter sollte nur mit einer Zange gehalten werden und es sollte ebenso nicht mit bloßen Händen in den Wägeraum gegriffen werden. Am besten wählt man außerdem ein Gefäß mit möglichst kleiner Öffnung.

Feuchtigkeitsaufnahme/Verdunstung

Eine weitere Ursache für ein Driften der Gewichtsanzeige beim Wägen kann im Gewichtsverlust bzw. Gewichtszunahme durch Verdunstung bzw. Feuchtigkeitszunahme des Wägeguts liegen.

Dieser Effekt kann durch folgende Maßnahmen vermieden werden: Die Wägegefäße sollten vor der Verwendung trocken und sauber sein und auch die Wägefläche muss frei von Schmutz und Flüssigkeiten sein. Ebenfalls ist hier auf Gefäße mit Deckel oder kleiner Öffnung zu achten. Für Rundkolben sollten keine Unterlagen aus Kork oder Karton verwendet werden, da diese eine große Menge an Feuchtigkeit aufnehmen oder abgeben können. Um Verdunstung vorzubeugen, kann der Behälter außerdem mit einer Petrischale abgedeckt werden. Sowohl die Probe als auch das Probegefäß sollte nicht mit den Fingern berührt werden, da Fingerabdrücke hygroskopisch wirken.

Elektrostatik

Wird bei der Wägung jedes Mal ein anderer Wert angezeigt und lässt sich die Gewichtsanzeige kaum wiederholen, können elektrostatische Einflüsse der Grund dafür sein. Bei Materialien mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit wie Glas, Kunststoff, Pulver und Granulat fließen elektrostatische Ladungen nur sehr langsam oder gar nicht ab. Wägegefäße oder Wägeproben können sich während des Transports oder der vorherigen Behandlung elektrostatisch aufladen. Dieser Effekt kann durch trockene Raumluft, etwa ab einer Luftfeuchtigkeit von unter 40%, verstärkt werden. Vor allem die Wägeergebnisse von Semimikro-, Mikro- und Ultramikrowaagen werden durch Elektrostatik beeinflusst.

Diesem Effekt kann folgendermaßen vorgebeugt werden: Generell vor allem durch Erhöhung der Luftfeuchtigkeit im Raum. Besonders im Winter sollte darauf geachtet werden, dass klimatisierte Räume nicht zu trocken sind, zum Beispiel durch Einstellung der Klimaanlage auf eine relative Feuchtigkeit von 45-60%. Zudem sollten die Proben vor elektrostatischen Kräften geschützt werden, etwa durch einen Metallbehälter oder Metallfolie. Dazu sollten Wägegefäße aus anderen Materialien als Glas oder Kunststoff benutzt werden – besser geeignet sind Behälter aus Metall. Auch Ionisationsgebläse können eingesetzt werden, um statisch geladene Materialien durch einen Luftstrom zu neutralisieren.

Magnetismus

Bleibt die Anzeige stabil, werden aber trotzdem je nach Position der Probe auf der Waagschale unterschiedliche Ergebnisse angezeigt, kann es an magnetischer Kraft liegen. Materialien und Behälter aus Nickel, Eisen, Stahl sind stark magnetisch permeabel und erzeugen Kraftfelder, die auf andere Materialien und die Waagschale wirken und so die Wägeresultate beeinflussen.

Dies kann durch eine vorherige Entmagnetisierung verhindert werden. Zusätzlich kann der magnetische Effekt verringert werden, indem man den Abstand zur Waage mit nichtmagnetischen Gegenständen, zum Beispiel einem umgestülpten Becherglas, vergrößert. Das Wägematerial kann auch mithilfe von Mu-Metall-Folie von magnetischen Kräften abgeschirmt werden.

 

Statischer Auftrieb

Das Gewicht eines Wägeguts ist vom Luftdruck abhängig. Nach dem Gesetz des Archimedes («Das Gewicht eines Körpers ist gleich dem Gewicht des von ihm verdrängten Mediums») besitzt ein Material an der Luft nicht das gleiche Gewicht wie im Vakuum. Wenn die Luftdichte des Wägeguts sich von der Luftdichte des Gewichts, mit dem es eingewogen wird, unterscheidet, dann entsteht ein Luftauftriebsfehler.

Um exakte Messergebnisse zu erreichen, sollte das Gewicht entsprechend der Luftdichte des Wägeguts korrigiert werden. Bei Rückwägungen oder Vergleichswägungen an verschiedenen Tagen sollte besonders auf den Luftdruck geachtet werden.

Gravitation

Zuletzt ist die Gravitation eine der wesentlichen störenden Einflüsse. Dabei ist zu beachten, dass bei einer Veränderung des Aufstellungsortes der Waage andere Wägeresultate erzielt werden. Wird die Waage zum Beispiel in ein anderes Stockwerk gebracht, ändern sich die Ergebnisse auf der Gewichtsanzeige durch die Veränderung der Höhe. Die Waage misst die Gravitationskraft zwischen der Erde und dem Wägegut, und diese ist abhängig vom Breitengrad des Standortes und der Höhe über dem Meeresspiegel. Daher ist auch das Wägeergebnis abhängig von der Höhe und der geografischen Breite des Wägestandorts.

Aus diesem Grund sollte die Waage bei Neuaufstellung oder bei einem Wechsel des Standortes nivelliert und justiert werden, bevor sie verwendet wird.

Armin Krause - post author

Armin Krause ist Gründer und Geschäftsführer der GREIF Laborlösungen GmbH und betreut Kunden beim Thema Laboreinrichtungen.

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