{"id":5042,"date":"2025-02-21T12:25:42","date_gmt":"2025-02-21T11:25:42","guid":{"rendered":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/?p=5042"},"modified":"2025-02-21T12:25:42","modified_gmt":"2025-02-21T11:25:42","slug":"temperaturabhaengigkeit-von-waegezellen-fuer-bienenstockwaagen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/temperaturabhaengigkeit-von-waegezellen-fuer-bienenstockwaagen\/","title":{"rendered":"Zur Temperaturabh\u00e4ngigkeit von W\u00e4gezellen f\u00fcr Bienenstockwaagen – Messungen und Berechnungen"},"content":{"rendered":"

Eine Bienenstockwaage steht auf der Wunschliste viele Imker. Der Selbstbau ist nicht schwierig und manche Imker konstruieren ihre eigene Stockwaage. Die Physik der W\u00e4gezellen\u00a0 – hier werden ausschlie\u00dflich W\u00e4gezellen betrachtet, die das Gewicht mit Dehnungsmessstreifen ermitteln – h\u00e4lt jedoch ein paar \u00dcberraschungen parat, die die Zuverl\u00e4ssigkeit von Wiegeeinrichtungen einschr\u00e4nken. Dieser Beitrag „Temperaturabh\u00e4ngigkeit von W\u00e4gezellen f\u00fcr Stockwaagen“ untersucht insbesondere die St\u00f6reinfl\u00fcsse „Temperatur“ und „mechanische Konstruktion“ einer Bienenstockwaage.<\/em><\/p>\n

Vorl\u00e4ufiges (Zwischen-)Ergebnis: Es zeigt sich, dass Konstruktionen mit zwei parallelgeschaltete W\u00e4gezellen mit Wheatstonschen Br\u00fccken in Verbindung mit dem HX711 temperaturabh\u00e4ngig sind. Preiswerte Flach-W\u00e4gezellen sind nicht so schlecht, wie der oft niedrige Preis vermuten l\u00e4sst.<\/em><\/p>\n

Die Untersuchungen wurden im Fr\u00fchjahr ab 15.Februar 2025 unternommne sind noch nicht abgeschlossen. dieser Beitrag stellt jedoch schon begleitend Zwischenerbnisse zur Verf\u00fcgung, so dass „Maker“ sie in ihre \u00dcberlegungen mit einflie\u00dfen lassen k\u00f6nnen.<\/em><\/p>\n

Das Titelbild zeigt den Aufbau im Freiland – mit Testgewichten aus dem Bodybuilding-Studio.<\/em><\/p>\n

Stand: 21.02.2025, Work in Progress<\/em><\/strong><\/p>\n

Ziel der Untersuchungen zur Temperaturabh\u00e4ngigkeit von W\u00e4gezellen f\u00fcr Stockwaagen<\/h2>\n

Ziel der Untersuchungen ist, die Temperaturabh\u00e4ngigkeit von Messanordnungen f\u00fcr das Bienenstockgewicht (Bienenstockwaage, Trachtwaage) und den Einfluss der Konstruktion auf die Handhabbarkeit der Wiegeeinrichtung zu beschreiben. Insbesondere zur Temperaturabh\u00e4ngigkeit sollen M\u00f6glichkeiten entwickelt werden, den Einfluss der Temperatur auf die Messergebnisse algorithmisch (durch Software)\u00a0 zu minimieren (Temperaturkompensation).<\/p>\n

Untersuchungsdesign<\/h2>\n

Es werden unterschiedliche Anordnung von W\u00e4gezellen mit unterschiedlichen Gewichten im Freiland und im trockenen und beheitzten Haus aufgestellt. Jede 15 Minuten wird die Temperatur und ein Messwert zum Gewicht ermittelt und \u00fcber das Internet in einer Datenbank mit geschrieben.<\/p>\n

Die Analog-Digitalwandlung der W\u00e4gezellenmesswerte erfolgt mit einem handels\u00fcblichen HX711-Board, die Daten werden erfasst und als Rohdaten (24 Bit Ausgang des HX711, Temperatur auf 0,1\u00b0C gerundet) \u00fcber WLAN \u00fcbertragen. Der Zeitstempel f\u00fcr jeden Messwert wird auf dem Webserver ermittelt. Der zeitliche Fehler liegt unter 5 Sekunden und ist f\u00fcr diese Untersuchungen ohne Bedeutung. Als Microcontroller werden ESP8266 und Attiny84 eingesetzt.<\/p>\n

Zu beachten Ist, dass immer das Gesamtsystem aus W\u00e4gezellen, Analogverst\u00e4rker und Analog-Digitalwandler betrachtet wird.<\/p>\n

In einer speziellen Messsequenz wird versucht, den Einfluss der Temperatur auf das HX711-W\u00e4gemodul zu isolieren. Dazu werden Festwiderst\u00e4nde in Br\u00fcckschaltung verwendet. Die Temperatur der Festwiderst\u00e4nde wird konstant gehalten, die Temperatur des HX711 wird variiert.<\/p>\n

Als Testgewichte kommen zum Einsatz:<\/p>\n

    \n
  1. Zwei Stahl-Hanteln mit einer Masse von je 8,05 kg.<\/li>\n
  2. Ein sandgef\u00fclllter Futterkanister mit einer Masse von 17,8 kg<\/li>\n
  3. Milchpackungen vom Discounter im Tetra-Pack. Die Milchpackungen eigen sich zu Untersuchung der Linearit\u00e4t und weisen eine zuverl\u00e4ssige Masse von 1,080 kg auf<\/li>\n<\/ol>\n

    Probanden<\/h2>\n

    Probanden sind:<\/p>\n

      \n
    1. Doppel-W\u00e4gebalken<\/strong>: Ein W\u00e4gebalken aus einer kommerziellen Waage von beehivemonitoring.com mit zwei verschraubten W\u00e4gezellen CZL100, nominelle Gesamtbelastbarkeit 200 kg.<\/li>\n
    2. Einfach-W\u00e4gebalken<\/strong>: Ein modifizierter W\u00e4gebalken mit nur einer W\u00e4gezelle CZL100, nominale Belastbarkeit 100 kg.<\/li>\n
    3. Steel4Bees-Prototyp<\/strong>: Ein eigenes Konstrukt (aus dem Projekt Steel4Bees) mit preiswerten Flachw\u00e4gezellen, nominelle Gesamtbelastbarkeit 100 kg.<\/li>\n
    4. HX711-only<\/strong>: Eine spezielle Beschaltung des HX711, um Einfluss des Chips und Einfluss der W\u00e4gezellen isolieren zu k\u00f6nnen.<\/li>\n<\/ol>\n

      Erste Ergebnisse<\/h2>\n

      \"Die<\/a><\/p>\n

      Abb.: Temperaturabh\u00e4ngigkeit des Duo-W\u00e4gebalkens<\/strong>. Aufgetragen sind zwei Tage (Zeit auf der x-Achse) mit Gewichtsdaten (dunkelblau) und Temperaturdaten (rot). Auf der linken Seite ist ein Sprung des Gewichts zu sehen, Das wurde durch ein L\u00f6sen der Verschraubung der W\u00e4gezellen um eine Viertel Umdrehung verursacht. Die Verschraubung (der ansonsten mechanisch sehr pr\u00e4zise gefertigten Waage) alleine verspannt schon die beiden W\u00e4gezellen, was zu einer Verstimmung der Wheatstoneschen Br\u00fccke f\u00fchrt. Der Duo-W\u00e4gebalken war \u00fcber Nacht drau\u00dfen (Mitte des Bildes). Zu sehen ist, dass das gemessene Gewicht mit steigender Temperatur sinkt. Der temperaturinduzierte Messfehler betr\u00e4gt bis zu einem halben kg. Rechts im Bild steigt die Temperatur schnell an und das gemessene Gewicht sinkt. Die Messanordnung wurde aus dem kalten Garten in das warme Arbeitszimmer umgestellt.<\/p>\n


      \nAbb.: Laufende Messung mit einem der Steel4Bees Prototypen<\/strong>. Hier werden derzeit Flachzellen verwendet. Es ist eine Temperaturabh\u00e4ngigkeit zu beobachten.<\/p>\n

      Anhang<\/h2>\n

      Quellen und weitere Informationen zur Temperaturabh\u00e4ngigkeit von W\u00e4gezellen f\u00fcr Stockwaagen<\/h3>\n

      unboxing Bienenstockwage xs Gateway 2G Solar beehivemonitoring<\/a><\/p>\n

      unboxing Bienenstockwaage BeeConn<\/a><\/p>\n

      W\u00e4gezelle \u2013 wie funktionieren preiswerte Personenwaagen-Zellen<\/a><\/p>\n

      HX711 Modul f\u00fcr W\u00e4gezellen an Raspberry Pi anschlie\u00dfen und einrichten<\/a><\/p>\n

      Temperaturkompensation im Projekt Honey Pi<\/a><\/p>\n

      Abschlussbericht: Innovative Kraftmess- und W\u00e4getechnik durch Anwendung mechatronischer Konzepte, Ilmenau, 2011<\/a><\/p>\n

      Temperaturabh\u00e4ngigkeit des HX711 – eine Ausarbeitung im beelogger-Projekt<\/a><\/p>\n

      Glossar<\/h3>\n

      HX711 Modul<\/h4>\n

      Das HX711 Modul ist eine kleine Breakout-Platine, wie es m\u00f6glich macht, eine analoge Widerstandsbr\u00fcckenschaltung an die digitalen Eing\u00e4nge eines Microcontrollers wie dem ESP8266 oder einem Klaiencomputer wie dem Raspberry Pi anzuschlie\u00dfen. Dazu beinhaltet der Chip HX711 einen Differenzverst\u00e4rker, eine Steuerung, um den Strom durch die Br\u00fcckenschaltung ein- und auszuschalten, und eine Regelschaltung, um die Spannung konstant zu halten. An einen Microcontroller wird das HX711-Modul mit GND, einer Datenleitung und einer Taktleitung angeschlossen. Die Aufl\u00f6sung des Moduls betr\u00e4gt 24 Bit. Der HX711 A\/D Wandler kann mit 2.6V bis 5.5V betrieben werden und ben\u00f6tigt weniger als 3mA, damit kann das Modul z.B an einen GPIO eines Microcontrollers angeschlossen werden.<\/p>\n

      Mikrocontroller<\/h4>\n

      Mikrocontroller sind leistungsf\u00e4hige, kompakte, programmierbare hochintegrierte digitale Schaltungen. Microcontroller enthalten einen Prozessor und alle ben\u00f6tigten Bausteine wie Speicher, Zeitgeber, digitale \/ analoge Ein- und Ausgabeger\u00e4te, usw. Alle Komponenten sind dabei auf einem Chip, deshalb bezeichnet man den Mikrocontroller auch als Ein-Chip-Mikrorechner (SoC). Beispiele f\u00fcr Microcontroller sind ESP8266, ESP32, Atmega328, Attiny84 (ein besonders einfacher und stromsparender Microcontroller), Raspberry Pico mit dem RP2040.<\/p>\n

      Ein Mikrocontroller hat folgende typische Eigenschaften: Er besitzt einen Programmspeicher (fr\u00fcher ROM, EPROM, EEPROM, heute FLASH) und einen Datenspeicher (RAM), eine Verarbeitungseinheit (CPU), (viele) digitale Eingabe- \/ Ausgabe- Ports (GPIO), oft analoge Eingabeports (ADC), einen oder mehrere Zeitgeber, Kommunikationsbausteine (COM, UART,\u2026), manchmal auch spezielle Bausteine f\u00fcr besondere Aufgaben,\u00a0 z.B. LCD-Treiber.<\/p>\n

      Microcontroller werden mit einer speziellen abgespeckten Python Variante oder mit einer C-\u00e4hnlichen Sprache mit der Arduino-IDE programmiert.<\/p>\n

      W\u00e4gezelle<\/h4>\n

      Eine W\u00e4gezelle ist der Umwandler eine Gewichts in ein elektrisches Signal. Oft wird eine Verformung durch die Gewichstkraft in eine \u00c4nderung eines elektrischen Widerstands umgesetzt (h\u00e4ufig). Es werden fl\u00e4chige Bauformen wie in preiswerten Personenwaagen oder balkenf\u00f6rmige Konstrukte verwendet. Die Wiederst\u00e4nde hei\u00dfen Dehnungsmessstreifen, durch die Verformung des Tr\u00e4germaterials \u00e4ndern sie ihren Widerstand. Die Widerstands\u00e4nderung ist sehr klein, die Messwiderst\u00e4nde werden daher in Form einer Br\u00fcckenschaltung angeordnet. Es gibt spezielle Messverst\u00e4rker und Analog-Digitalwandler f\u00fcr W\u00e4gezellen mit Dehnungsmessstreifen, z.B. Boards, die auf dem Chip HX711 basieren.<\/p>\n

      Eine weitere M\u00f6glichkeit besteht darin, mit der Gewichtskraft eine Stahlsaite zu spannen und die Frequenz zu messen (seltener).<\/p>\n

      Autor und F\u00f6rderung, Danksagung<\/h3>\n

      Die Untersuchungen mit unterschiedlichen W\u00e4gezellen erfolgt im Projekt Steel4Bees. Das Projekt wird gef\u00f6rdert von 10.2024 bis 02.2025 vom Bundesministerium f\u00fcr Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen des F\u00f6rderprogramms IGP.<\/p>\n

      \"F\u00f6rderlogo<\/a><\/p>\n

      Abb.: F\u00f6rderlogo des BMWK<\/p>\n

       <\/p>\n

      Die Technik der Temperaturmessung ist ein Ergebnis des von 2021 bis 2024 gef\u00f6rderten Projektes Biene40.<\/p>\n

      \"\"<\/a><\/p>\n

      Abb. : F\u00f6rderlogo BMEL und BLE<\/p>\n

       <\/p>\n

      Die Untersuchungen werden durch Vereinsmitglieder des Imkervereins Viersen Stadt<\/a> und des Imkervereins Krefeld<\/a> als Citizen Scientists unterst\u00fctzt. Hiermit sei daf\u00fcr Dank ausgesprochen.<\/p>\n

       <\/p>\n

      Autor:<\/strong> Prof. Dr. rer. nat. Claus Brell, Vita<\/a>
      \nLizenz:<\/strong>\u00a0CC BY<\/p>\n

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