Elektrostatik beim Wiegen

Symbolbild alte Waage zum Thema Elektrostatik beim Wiegen

Elektrostatik stört beim Wiegen

Feldlinien üben mechanische Kräfte aus



Zahlreiche Störfaktoren können ein korrektes und konstant bleibendes Wägeergebnis negativ beeinflussen. Temperaturschwankungen, Unterschiede der Luftfeuchtigkeit, Luftströmungen und Turbulenzen, Vibrationen und Schwingungen sind nur einige der beeinflussenden Störfaktoren. Durch negative Einflüsse der Elektrostatik auf das Wägeergebnis wird das Arbeitsergebnis und die Produktionseffizienz beeinträchtigt und oftmals werden höhere Ausschussquoten generiert.

An Laborwaagen, Analysewaagen wie auch an integrierten OEM Wägezellen an denen kleine und kleinste Mengen gewogen werden müssen, kann es tatsächlich zu sehr starken Beeinträchtigungen durch Elektrostatik kommen. Die von der elektrostatischen Ladung des Wägeguts oder des Wägegefäßes ausgehenden Feldlinien beeinträchtigen das Wägeergebnis. Diese Feldlinien drücken, schieben oder ziehen je nach Polarität. Die Feldlinien üben eine mechanische Kraft auf Wägegut und/oder Füllgefäß aus und sorgen so für Abweichungen. Die Wägewerte sind nicht stabil sie schwanken und driften.

Mit jeweils unterschiedlich festzustellender Auswirkung auf Ihr Wägeergebnis werden Sie bei genauerem Hinsehen mindestens ein oder zwei der möglichen Störfaktoren in den nachfolgenden Schilderungen in Ihrem speziellen Problemfall wieder finden. Sehr oft treten leider aber auch mehrere dieser Störfaktoren in Kombination miteinander auf.




Von den ruhenden Ladungsfeldern elektrostatisch geladener Oberflächen gehen Feldlinien in den Raum heraus. In der kleinen Animation links sehen Sie am Beispiel eines geladenen Vials wie die unsichtbaren Feldlinen sich an Gegenständen in unmittelbarer Nähe abstoßen oder anziehen können und damit das Wiegeergebnis zum Schwanken bringen. Es spielt keine Rolle welche Polarität die Ladung dabei hat. Die Polarität bestimmt lediglich ob die kraftwirkenden Feldlinien an ihrem Gegenüber ziehen oder sich von ihm abstossen. Egal wie, das Wägeergebnis läuft davon. Die Feldlinien können sich an allem abstossen das sich in direkter Nähe des Wägebereiches befindet. Bei Analysewaagen können sich diese kraftwirkenden Feldlinien an der Innenwand oder den Schutzscheiben der Waage abstoßen oder hinziehen. Bei OEM Wägezellen finden die Feldlinien in Leitelementen, Greifern oder Füllstutzen dankbare Gegner. Befindet sich ein Wägegefäß auf einer sehr sensiblen Wägezelle, sind bereits extrem geringe Ladungen die ihre Feldlinien in den Raum heraus schicken durch Abweichungen des Wägeergebnisses feststellbar. Dann genügt es nicht, dass das Wägegefäß nur von einer Seite entladen wird wie es in vielen Fällen vorkommt. Oberflächen sollten zwingend immer komplett entladen werden. Dies gilt umso mehr je sensibler der Wägevorgang ist. Beachten Sie hierzu bitte auch die Seite Tipps für Profis.




Das Wägegut oder das Wägegefäß besteht häufig aus Material das elektrisch nicht leitfähig ist. Über die Oberfläche dieses elektrisch isolierenden Materials kann die darauf ruhende elektrische Ladung sich nicht zum Erdpotential hin ausgleichen. Es können keine Elektronen hinzu oder abfließen. Es nützt dabei auch nichts, wenn Sie die den Wägebereich umgebenden Flächen elektrisch leitfähig ausgestalten oder erden. Wir sprechen hier ja von statischer, ruhender Ladung die von den isolierenden Oberflächen nicht in Richtung dieser elektrisch leitfähigen Flächen fließen kann. Mit diesen genannten Maßnehmen erreichen Sie lediglich, dass sich diese Oberflächen nicht auch noch selbst elektrostatisch aufladen und damit zusätzlich das Wägeergebnis beeinträchtigen.




Häufig kann man bei Wägegefäßen aus isolierendem Material beobachten, dass es sehr viel mehr Probleme gibt, wenn die Gefäße noch sehr neu sind oder frisch getrocknet aus der Reinigungsanlage kommen. Verstärkt negativ fallen hierbei Wägegefäße aus Kunststoff auf. Wobei es aber auch bei Wägegefäßen aus nicht leitfähig beschichtetem Glas zu diesen Problemen kommen kann. Gibt man diesen Oberflächen etwas Zeit sich bei ausreichend hoher Luftfeuchtigkeit ( > 55 % relative Feuchte) zu konditionieren, geht der elektrische Oberflächen-Widerstand aufgrund der zunehmenden Feuchtigkeit in die Knie und die entstehende Ladung kann kontinuierlich abfließen. Der gleiche Effekt stellt sich ein, wenn man die Oberfläche eines Wägegefäßes mit bloßen Händen, ohne Handschuhe berührt. Jeder hat stets etwas Feuchtigkeit auf der Haut, auch auf den Handinnenflächen. Bei der Berührung überträgt man diese Feuchtigkeit auf die vorweg elektrisch isolierende Oberfläche und hat damit den elektrischen Oberflächen-Widerstand hin zur Leitfähigkeit positiv beeinflusst.




In vielen Bereichen in denen beispielsweise feinste Pulver oder Granulate gewogen werden spielt die im Raum herrschende Luftfeuchtigkeit eine sehr große Rolle. Diese Luftfeuchtigkeit und auch die Zeit in der die Feuchtigkeit auf das Wägegut, das Pulver/Granulat einwirken kann, geben Ausschlag über die Höhe der elektrostatischen Ladung die sich während der Reibung der Pulver-/Granulatpartikel aneinander bildet. Gibt man einem sehr trockenen Pulver/Granulat eine lange Zeit sich innerhalb eines Bereiches mit relativ hoher Luftfeuchtigkeit ( > 55 % relative Feuchte) zu konditionieren, wird man feststellen, dass die Neigung zur elektrostatischen Aufladung deutlich nachgelassen hat. In der Praxis müssen pulverförmige Substanzen bzw. Granulate jedoch meistens sehr trocken verarbeitet werden. Nur im trockenen Zustand ist es gewährleistet, dass sich die Pulver- / Granulatpartikel nicht mit Feuchte vollsaugen, miteinander verklumpen oder verschmieren. Wird das Pulver/Granulat zu feucht lässt es sich dann kaum noch fördern.

Mit diesem Umstand kommt man dann in die Zwickmühle der Elektrostatik. Auf der einen Seite muss das Pulver/Granulat trocken bleiben damit es nicht verklumpt. Auf der anderen Seite verklumpt das Pulver/Granulat durch elektrostatische Ladung. Hier handelt es sich wirklich um eine kaum lösbare Problematik. Jedes einzelne Partikel ist elektrostatisch geladen. Die Partikel kleben nicht nur aneinander sondern überall. Dabei ist es unerheblich ob die Oberflächen an denen sie kleben bleiben elektrisch isolierend oder elektrisch leitfähig sind, die elektrostatisch geladenen Pulver-/Granulatpartikel kleben überall.

Man kann nun so einen Haufen Pulver/Granulat nicht so einfach elektrostatisch entladen, denn wie erwähnt ist jedes einzelne Partikel elektrostatisch geladen. Das bedeutet, jedes dieser geladenen Partikel müsste auch entladen werden. Und dies geht nur, wenn jedes dieser Partikel die Möglichkeit hat sich mittels Gasionen eines Ionisationsgerätes zu entladen. Bei einem Haufen Pulver/Granulat funktioniert dies zunächst nur an der sichtbaren Oberfläche dieses Haufens. Die verdeckten Partikel werden nicht entladen. Mehr Info hierzu finden Sie auf der Seite Tipps für Profis. In der Praxis ist es daher relativ schwierig bis unmöglich eine Menge Pulver/Granulat zu entladen.

Ein großer Trost hierbei ist jedoch, dass es beim Wiegen nicht unbedingt notwendig ist jedes einzelne Pulver-/Granulatpartikel zu entladen. Es reicht vollkommen aus, wenn die vom geladenen Pulver, Granulat oder Wiegegefäß ausgehenden, mit mechanischen Kräften wirkenden Feldlinien gebrochen werden. Dann wird man feststellen, dass sich das Wägeergebnis schnell beruhigt und sich eine reproduzierbare Gleichmäßigkeit einstellen kann.




Den Herstellern der Waagen ist das Problem Elektrostatik durchaus bewusst. Es werden von ihnen unterschiedliche Maßnahmen genannt die man ergreifen kann.

Möglichkeit Erhöhung der Raumfeuchte

Das mag bei Wägegut funktionieren das nicht von der Feuchtigkeit in der Raumluft beeinflusst wird, wie das vorweg erwähnte Pulver. Ist man gezwungen das Pulver/Granulat sehr trocken zu verarbeiten bleibt einem kaum etwas anderes übrig als darauf zu achten das elektrostatisch geladene zu wiegende Gut nicht aus einer gewissen Zwangsführung zu entlassen und die von ihm ausgehenden Feldlinien abzuschirmen oder mit einem Ionisationsgerät zu eliminieren.

Das Wägegut und auch den Wägebehälter mit Metallfolie oder einem Metallbecher nach außen hin abschirmen

Sofern sich dies rein mechanisch realisieren lässt schirmt man damit wie mit einem Faradayschen Käfig die mit mechanischen Kräften nach außen wirkenden Feldlinien ab. Also handelt es sich um einen durchaus begehbaren, physikalisch sauberen Lösungsweg.

Ein Ionisationsgebläse einsetzen

Das sollte man etwas kritisch hinterfragen. Man sollte nicht unbedingt während des eigentlichen Wägevorgangs weder auf die Wägezelle noch auf den Wägebehälter oder das Wägegut blasen. Diese Luftströmung wird mit Sicherheit das Wägeergebnis zum Schwanken bringen. Also sollte darauf geachtet werden, dass vor dem eigentlichen Wägevorgang zunächst das Gebläse ausgeschaltet wird und sich die Strömungsturbulenzen beruhigen können.

Allerdings muss auch während des eigentlichen elektrostatischen Entladevorgangs darauf geachtet werden, dass die strömende ionisierte Luft die gesamte geladene Oberfläche erreichen kann. Dies funktioniert nicht, wenn die Luft lediglich aus einer Richtung heran strömt. Die Gefahr, dass im Windschatten einige Feldlinien übrig bleiben ist damit gegeben. Und diese Feldlinien wiederum können auch sensible Wägevorgänge beeinträchtigen.

Ein Ionisationsgerät im Wägebereich

Im Wägebereich oder direkt daneben lässt sich ein Ionisationsgerät ohne zusätzliche strömende Luft anbringen. Die elektrostatische Entladung findet dabei im Streufeld des Ionisationsgeräts statt, das dazu dicht genug an die zu entladende Oberfläche positioniert werden muss.

Grundsätzlich sind dabei ebenso alle Aspekte zu beachten wie sie vorab im Abschnitt „Ein Ionisationsgebläse einsetzen“ erwähnt wurden, aber natürlich ohne die strömende Luft aus einem Gebläse. Aber! Bei beiden Arten von Ionisationssystemen, mit und ohne Gebläse, sollte noch Weiteres beachtet werden wie Sie im nächsten Abschnitt lesen können.

Ionenwind stört Wägeergebnis

Schauen Sie sich bitte mal die kleinen Animationen einer Ionisationsnadelspitze mit gezündeter Corona an. Hier sehen Sie vereinfacht dargestellt wie in der Hochspannungs-Korona die zunächst elektrisch neutralen Gasatome zu elektrisch wertigen Gasionen generiert werden. Diese Gasionen bewegen sich im Raum von der Ionisationsnadelspitze weg hin zum nächsten naheliegenden Gegenpotential. Und wie das nun mal naturgemäß so ist erzeugen sie dabei eine Strömung, den sogenannten Ionenwind. Diesen Ionenwind kann man sogar an manchen berührungssicheren Ionisationssystemen im Nahbereich der Ionisationsnadeln mit der leicht hautfeuchten Innenseite der Hand spüren. Dazu müssen Sie sich mit der Handinnenfläche sehr nahe, bis auf wenige Millimeter den Ionisationsnadelspitzen nähern. Sie werden eine leichte, kühlende Strömung spüren. Aber achten Sie dabei unbedingt darauf, dass Sie dies ausschließlich bei einem berührungssicheren Ionisationsgerät machen dürfen. Versichern Sie sich bei dem Hersteller des Systems inwiefern das System berührungssicher ist oder nicht. Bei allen anderen Systemen, oder wenn Sie sich im Unklaren sind, dürfen Sie auf keinen Fall in die Nähe der unter Hochspannung stehenden Ionisationsnadeln kommen! Es herrscht Lebensgefahr!

Auf jeden Fall ist die aus dem Ionenwind resultierende Strömung als Störfaktor des Wägevorgangs zu berücksichtigen. Diese Strömung wirkt im direkten Nahbereich der Ionisationsnadelspitzen. Das bedeutet, dass Sie bei der Positionierung des Ionisationsgerätes auch wegen des Ionenwindes darauf achten müssen dieses in wenigen Zentimetern Entfernung zur Wägezelle anzubringen. Erfahrungsgemäß genügen 50 mm Distanz zwischen Wägezelle und Ionisationssystem.




Um die durch elektrostatische Ladung verursachten Beeinträchtigungen des Wägeergebnisses zu beherrschen muss wie erwähnt von der gesamten Oberfläche des Wägeguts wie auch des Wägegefäßes die Ladung beseitigt werden. Beim manuellen Wiegen fällt dies relativ leicht wenn man direkt vor dem Wiegen, an der Analysewaage die Ladung mit einem geeigneten Ionisationssystem beseitigt, indem man alles miteinander in einem Feld das mit Gasionen angereichert ist, hin und her schwenkt. Beispiele für geeignete Geräte sehen Sie in den beiden folgenden Bildern. Bei diesen dargestellten Ionisationsgeräten handelt es sich um sogenannte U-Elektroden der Fa. HAUG GmbH & Co. KG©. Diese U-Elektroden können je nach abzuwiegendem Produkt stehend (Bild 1) oder liegend (Bild 2) neben einer Analysewaage positioniert werden.

In automatisierten Abfüllbereichen können vor einer integrierten OEM Wägezelle statt dieser U-Elektroden geeignete Ionisationsstäbe links und rechts neben der Förderstrecke platziert werden (Bild 3). Dabei ist unbedingt darauf zu achten, dass von der gesamten Oberfläche des zu wiegenden Gefäßes die Ladung beseitigt werden muss. Ist dies nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich, besteht stets die Gefahr, dass die von der übrig bleibenden Restladung ausgehenden Feldlinien das Wägeergebnis beeinträchtigen.

Oftmals erfordert die Erfüllung dieser Anforderung einen größeren Versuchsaufwand und den Einsatz mehrerer Ionisationsstäbe unmittelbar vor dem Wägebereich. Bei den Ionisationsstäben die im Bild 3 zu sehen sind, handelt es sich um Ionisationsstäbe Typ EI PRX der Fa. HAUG GmbH & Co. KG©. Herrschen in Ihrer Produktion besondere Reinraum-Anforderungen, können diese Ionisationssysteme ebenso in reinraumtauglicher Ausführung geliefert werden. Für den pharmazeutischen Bereich sind wischsterilisierbare und sogar autoklavierbare Ionisations-systeme lieferbar. Nähere Auskünfte zu den gezeigten Systemen erhalten Sie gerne über das Kontaktformular.



Weiterführende Informationen zum Thema elektrostatisch geladener Füllgefäße die aus dem Förderbereich einer Waage zugeführt werden finden Sie auch im Artikel "Elektrostatik im Förderbereich".


Stand 03.07.2019

Elektrisch nicht leitfähige Oberflächen

Feuchtigkeit und Konditionierung der Oberfläche

Spezialfall trockenes Pulver oder Granulat

Was kann man tun?

Abhilfe Ionisationssystem

Bild 1

Bild 2

Bild 3

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