Schüler-Waage mit wechselbaren Biegebalken

Technische Daten

Arbeitszeit:

• Vorbereitungszeit: 3 Wochen (Konstruktion, 1 Muster bauen, Funktion prüfen)
• Praktikumszeit: 1 Woche (1 Waage nach Anleitung bauen)

Gerät mitsamt Kalibrier-Massestück in Funktion

Schaltung

Schaltplan (klicke für Vektorgrafik), hier Quelle (Eagle)

Der Schaltkreis INA126P wurde als kostenloses Muster von Texas Instruments beschafft.

Alle anderen Bauteile sind bei H.-J. Schneider oder in gängigen Bastelkisten auf Lager. R₅ ist das vorn zugängliche Potenziometer.

Funktion

 
Dehnmessstreifen-Anordnung zum Doppel-Biegebalken; Leiterplatten-Bestückung

Die Ausgangsspannung der Brücke wird über den Instrumentationsverstärker IC₁ einstellbar verstärkt und auf das Potenzial COM des Paneelvoltmeters umgesetzt. Die Verstärkungseinstellung erfolgt ebenfalls über zwei Potenziometer, R₁₄ (grob) und R₆ (fein).

Das Paneelvoltmeter hat einen Eingangsspannungsbereich von ± 200 mV. Außerdem stellt es eine Referenzspannung von ca. 2,5 V zwischen Anschluss 9V (Betriebsspannung +) und COM bereit, wobei der Strom in COM max. 50 mA betragen darf. Als Stromquelle darf der Anschluss COM nicht dienen.
→ Diese Referenzspannung ist die Brückenspeisespannung.

Die Vollbrücke der DMS ist der Haupt-Stromverbraucher dieser Schaltung. Sie schluckt ca. 20 mA. Ein 9-V-Block mit typischerweise 0,5 Ah Kapazität (Quelle: Conrad, Datenblatt zu Bestell-Nummer 650153-62) ist nach 25 Betriebsstunden verbraucht. Daher erscheint es sinnvoll, den Strom zusätzlich für die Beleuchtung des Einschalters zu verwenden, als deutliche Einschalt-Anzeige.
→ Deshalb befindet sich der Wippschalter S₁ mit eingebauter Leuchtdiode am negativen Pol der Batterie. Die LED wurde im Schalter umgepolt. Der Widerstand R₁₁ sorgt dafür, dass der LED-Strom niemals größer als der DMS-Brückenstrom ist, d. h. der Stromfluss in den Anschluss COM ist stets positiv.

Stückliste

Blechteile

1. 1 Stück Bodenblech / Chassis (Stahl 1,5 mm)
2. 2 Stück Balkenkopf (Stahl 10 mm, 1x mit, 1x ohne Querbohrungen)
3. 4 Stück Balkenkopf-Unterleger (Stahl 4 mm, 2x mit, 2x ohne Gewinde)
4. 2n Stück Biegebalken (Stahl verschiedene Dicken, 200 g: 0,8 mm, 2 kg: 3 mm, nicht verzinkt)
5. 1 Stück Batteriehalter (Stahl 0,8 mm)
6. 1 Stück Potenziometer-Halter (Stahl 1,5 mm)
7. 1 Stück Waagschale (Plexiglas 6 mm)

Elektronik

• Schalter mit (oder ohne) LED und Widerstand
• Batterieclip
• Paneelvoltmeter
• Schaltkreis INA126P (www.ti.com)
• Einstellregler 100 Ω (mit oder ohne Spindel)
• Einstellregler 1 kΩ (mit Spindel)
• Einstellregler 100 kΩ (mit Spindel)
• Potenziometer 1 kΩ, Achse 6 mm (im Schaltplan 2,2 kΩ – egal)
• Drehknopf für 6-mm-Achse
• 2 Stück Widerstand 47 kΩ
• Stiftleiste 6polig, hier System „PSK“ (kann auch 4polig sein)
• n Stück Buchenleiste 6polig
• 6n Stück Crimpkontakte
• 4n Stück Dehnmessstreifen 120 .. 150 Ω (paarweise gleich)
• 9-V-Blockbatterie 6F22
• Lochrasterplatten-Zuschnitt ODER Leiterplatte (zu konstruieren)
• Litzedraht in den Farben schwarz, rot, blau, gelb
• Schaltdraht (für Lochrasterplatten-Verdrahtung, im Foto rot-weiß)
• Dünner Draht (zur Kontaktierung der DMS, im Foto gelb)

Kleinteile (mechanisch)

• 4 Stück Stehbolzen 2 x Innengewinde M3 Länge 5 mm (Leiterplatten-Träger)
• 4 Stück Zylinderkopfschraube M3 x 5 mm (Leiterplatten-Befestigung)
• 1 Stück Zylinderkopfschraube M5 x 45 mm (am Biegebalken rechts, Kopf unten)
• 1 Stück Zylinderkopfschraube M5 x 30 mm (am Biegebalken links, Kopf unten)
• 2 Stück Sechskantmutter M5 (am Biegebalken rechts, kontern, als Anschlag für Waagschale)
• 2 Stück Zylinderkopfschraube M4 x 10 mm (am Biegebalken links, Anschlag-Einstellung)
• 2 Stück Unterlegscheibe 4 mm Ø (für o. g. Schrauben)
• 1 Kalibrier-Massestück (hier: Schrott-Teil, ca. 60 g)

Hilfsmittel

• Kantbank, passender Kantklotz, Punktschweißzange
• Azeton + Rostschutz-Grundfarbe + Pinsel
• Sprühlack + Kiste
• Rostschutzfarbe + Pinsel
• Lackfarbe + Roller
• Zweikomponentenkleber Schnellfest
• spezieller Dehnmessstreifen-Kleber (Ampullen DDR, VEB Kraftwerksanlagenbau Pirna-Sonnenstein)
• Lötkolben + Tinktur + Lötzinn
• Crimpzange (notfalls löten)

Arbeitsgänge

Vorbereitende Arbeitsgänge (pro Waage)

• Blechteile zuschneiden (Quelldateien für Mechanical Desktop)
• Elektronik-Teile beschaffen (Crimpkontakte reichlich)
• Kleinteile beschaffen
• Hilfsmittel prüfen

Draufsicht, Waagschale abgenommen

Arbeitsgänge des Schülers

1. Tag
• Blechteile entgraten, nachbohren, prüfen, Gewinde schneiden
• biegen (siehe Rückseite der Konstruktionszeichnungen)
• entzundern (schleifen), entfetten (Azeton)
2. Tag
• Punktschweißen (Maß vom Potenziometer mit Drehknopf abnehmen)
• Teil 1 innen dünn spritzen (Farbe)
• Dehnmessstreifen applizieren, fixieren (Vorführung bei einem DMS)
• in Paneelvoltmeter Kommastelle richtig stellen, „Volt“-Anzeige abstellen, ggf. Widerstand auslöten
• nochmals innen spritzen
3. Tag
• Lochrasterplatte zuschneiden, bohren
• Schaltung aufbauen
• Schlagzahlen üben
• außen Rostschutz streichen/rollen/spritzen
4. Tag
• Dehnmessstreifen kontaktieren, bedecken (Spezial-Silikonkautschuk für DMS)
• Stehbolzen einkleben
• Kalibrier-Massestück auf Referenzwaage kalibrieren
• Massenangabe in Kalibrier-Massestück einschlagen
• Vorstreichfarbe anschleifen (eventuelle Nasen und Tropfen entfernen)
• Decklack rollen/spritzen
5. Tag
• Dehnmesstreifen zur Brückenschaltung mit Buchse konfektionieren
• Zusammenbau
• Probe, Fehlersuche, Zweipunkt-Kalibrierung
• Etikettierung / Beschriftung