Hoe werkt een weegschaal?

De load cell: een balkje dat mag doorbuigen

Het hart van elke digitale weegschaal is de load cell, in het Nederlands krachtopnemer: een blokje aluminium of staal dat aan de ene kant vastzit aan de behuizing en aan de andere kant de belasting draagt. In het midden is materiaal weggefreesd, meestal in de vorm van twee ronde uitsparingen, zodat het blokje op een voorspelbare plek buigt. Die doorbuiging is klein — bij volle belasting enkele honderdsten van een millimeter — en groter mag hij niet worden, want dan vervormt het metaal blijvend.

Rekstrookjes: weerstand die met de rek meebeweegt

Op de load cell zijn rekstrookjes gelijmd: stukjes dun folie met daarop een geleider die in een lange lus heen en weer loopt. Rekt het folie mee met het metaal, dan wordt die geleider iets langer en dunner en stijgt zijn weerstand; wordt hij samengedrukt, dan daalt de weerstand. De verandering is minuscuul, in de orde van een tiende procent bij volle belasting.

De wheatstonebrug maakt het verschil zichtbaar

De oplossing is een schakeling van vier weerstanden in een ruitvorm: de wheatstonebrug. Twee rekstrookjes zitten op de kant van het metaal die uitrekt, twee op de kant die wordt ingedrukt. Je zet een spanning over de ruit en meet de spanning dwars daarop. Zonder belasting is die dwarsspanning nul; onder belasting stijgt hij evenredig met de kracht. De uitgang van zo'n brug wordt uitgedrukt in millivolt per volt voedingsspanning, met 2 mV/V als gangbare waarde. Bij 5 volt voeding levert een volbelaste cel dan ongeveer 10 millivolt.

De brug doet nog iets belangrijks. Warmt de weegschaal op, dan verandert de weerstand van alle vier de strookjes ongeveer evenveel, en die verandering valt tegen elkaar weg. Zonder die opzet zou je op een warme badkamervloer een ander gewicht lezen dan in een koude keuken.

Vier sensoren onder een badkamerweegschaal

In een personenweegschaal zit onder elke hoek een aparte sensor. De elektronica telt de vier signalen bij elkaar op, waardoor het niet uitmaakt of je precies in het midden staat of iets naar links. Dat is ook de reden dat de ondergrond zo zwaar telt: draagt een van de vier voetjes niet mee omdat de vloer hol ligt of omdat de weegschaal in tapijt wegzakt, dan mist er een deel van het signaal. Meer daarover staat bij de juiste plek voor je weegschaal. Goedkope keuken- en bagagemodellen hebben vaak maar één load cell; die zijn wel gevoelig voor waar de last precies ligt.

Van millivolt naar een getal op het display

Het brugsignaal gaat naar een analoog-digitaalomzetter, meestal een chip die voor weegtoepassingen is gemaakt en intern met 24 bits werkt. Dat klinkt als miljoenen stappen, maar ruis vreet een flink deel daarvan op; bruikbaar blijven doorgaans enkele tienduizenden stappen over. Daarom rekent de software fijner dan wat je ziet en toont hij afgeronde stappen van 100 gram of 1 gram. De chip meet ook vele malen per seconde en middelt die metingen; pas als een reeks waarden binnen een smalle marge blijft, klikt het display vast. Dat verklaart de twee seconden wachten.

Waarom een veerweegschaal anders werkt

Een analoge weegschaal heeft geen elektronica. Een stalen veer wordt ingedrukt, en die indrukking is over een groot deel van het bereik recht evenredig met de kracht; via een tandheugel of een lint draait die beweging de wijzerplaat. Robuust en zonder batterij, maar je betaalt met hysterese: de veer keert niet exact langs dezelfde lijn terug, dus na een zware belasting staat de nul iets verschoven. Reken bij een mechanische personenweegschaal op een afleesfout van rond de 500 gram, bij een keukenmodel op 10 tot 25 gram.

De onderste rij kom je alleen tegen bij analytische balansen, zoals beschreven bij precisieweegschalen. Daar houdt een spoel de weegpan met een magnetisch veld op zijn plaats, en de stroom die daarvoor nodig is, is de meting.

Wat hiervan vaststaat en wat schatting is

Het meetprincipe zelf is gedocumenteerde techniek: rekstrookjes, brugschakeling en A/D-omzetting werken in elke digitale weegschaal op dezelfde manier. De getallen die we noemen voor brugspanning, doorbuiging en bruikbare resolutie zijn gangbare orden van grootte, geen specificatie van jouw model. Hoe sterk een fabrikant filtert, wanneer het display vastklikt en hoe fijn er intern wordt gerekend, verschilt per toestel en staat zelden in de handleiding. Wat dit meetprincipe betekent voor wat je dagelijks afleest, werken we per onderwerp uit in de kennisbank. Wil je weten hoe zo'n aflezing zich verhoudt tot de werkelijke afwijking, lees dan nauwkeurigheid en afleesbaarheid. Wijkt je toestel af, begin dan bij de acht oorzaken van een weegschaal die niet klopt, en pas daarna bij een nieuwe weegschaal kopen.