Waage-Newtonmeter

Mit dem Modul HX711 (erhältlich um 2-3 Euro auf ebay) lässt sich in Kombination mit einem Biegebalken (engl. load cell) und dem Arduino sehr einfach eine Digitalwaage umsetzen. Bei Verwendung eines 100g-Biegebalkens liegt die Messgenauigkeit bei 0.01g. Möchte man die Messrate erhöhen, so muss man pin-15 des HX711 mit Vcc verbinden. Dann beträgt diese 80Hz. Eine Tara-Funktion habe ich mit einem Taster umgesetzt. Betätigt man diesen, so wird der aktuelle Messwert als offset eingelesen. Dies führt dazu, dass die Anzeige jederzeit auf 0 gestellt werden kann.

Variante 1:

Bei dieser einfachen Variante kommt ein 16×2 I2C display zum Einsatz.

 

 


Arduino-Code:


Variante 2:

Bei dieser Variante kommt anstelle des 16×2 displays ein 320×480 pixel display zum Einsatz. Damit lässt sich der Kraftverlauf F(t) graphisch darstellen. Erfasst werden bei meiner Variante rund 30 Sekunden. Der Messwert kann wieder jederzeit mittels Taster auf 0 gesetzt werden. Mit einem weiteren Taster startet man die Aufzeichnung. Im Moment ist ein 1kg-Biegebalken in Verwendung. Damit lassen sich Kräfte zwischen 0-10 N erfassen. Bei Verwendung eines anderen Biegebalkens können natürlich auch andere Bereiche erfasst werden.

Mit diesem Newtonmeter kann man einige physikalische Experimente durchführen. Zum Beispiel die Bestimmung der Oberflächenspannung mittels Ringmethode oder die Bestimmung der Haft- und Gleitreibung. Hier erkennt man schön, dass etwa die Haftreibung größer als die Gleitreibung ist und beide von der Masse/Normalkraft des zu ziehenden Objekts abhängen.

Hier die Bestimmung der Oberflächenspannung von Wasser mit der Ringmethode. Es ist darauf zu achten, den doppelten Kreisumfang in die Formel für die Oberflächenspannung σ einzusetzen, da die Oberflächenhaut sowohl auf der Ringinnenseite, als auch auf der Ringaußenseite angreift!

Ein Vergleich mit Tabellenwerten zeigt die recht gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment:

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Oberflächenspannung

Arduino-Code:


Variante 3:

Für die Erfassung des Schubs eines Raketentreibsatzes musste ich die Variante 2 ein wenig anpassen. Beim HX711-Modul habe ich nun den 80Hz Modus aktiviert und dafür die Zeitachse am Display auf ca. 0 – 8 Sekunden abgeändert.

Die Treibsätze gibt es bei der Firma Klima in Deutschland, wobei ich mich für den Typ C2-P entschieden habe. Dieser hat eine Schubkraft von ca. 2 N und eine Schubdauer von rund 5 Sekunden.

Der Treibsatz wird über Metallwinkel an die Wägezelle gekoppelt:

Da mir der Versuch in der Wohnung doch zu “brand”gefährlich erschien, ging ich zur Durchführung in den Hof. Beim ersten Durchgang kippte mir die Halterung aufgrund des doch recht beachtlichen Schubs um. Beim zweiten Versuch klappte dann alles wie gewünscht…

Hier der erhaltene Kraftverlauf, welcher sich sehr gut mit den Angaben des Herstellers deckt, Heureka 😉 Die anfängliche Spitzenkraft erreichte rund 6 N, danach betrug die Kraft für ca. 5 Sekunden 2 N…

Der leicht abgeänderte Arduino-Code: