Prüf- & Kalibriergewichte: Gewichtsklassen E1 bis M3, Bauformen, Materialien und Kalibrierung im Überblick

Prüf- und Kalibriergewichte (auch Gewichtsstücke, Kalibriergewichte oder Prüfgewichte) sind Massenormale, mit denen Waagen geprüft, kalibriert und justiert werden. Sie verkörpern eine bekannte Masse mit definierter Messunsicherheit und bilden das Bindeglied zwischen dem SI-Kilogramm und der alltäglichen Wägung in Labor, Industrie und Handel.

Inhaltsverzeichnis

1. Grundlagen
2. Geschichte
3. Gewichtsklassen nach OIML R 111
4. Bauformen und Arten
5. Materialien
6. Kennzeichnung und Nennwertreihen
7. Kalibrierung, Justierung und Eichung
8. Rückführbarkeit und Messunsicherheit
9. Anwendungsgebiete
10. Auswahlkriterien
11. Handhabung, Reinigung und Lagerung
12. Kalibrierintervalle
13. Normen und Regelwerke

1. Grundlagen

Physikalisch verkörpert ein Gewichtsstück eine Masse (Einheit: Kilogramm), kein Gewicht im Sinne einer Kraft. Der Begriff „Gewicht“ ist im Alltag und im Fachhandel dennoch üblich.

Eine Waage misst im Grunde eine Gewichtskraft und rechnet sie über Justierfaktoren in eine Masse um. Diese Umrechnung hängt vom Aufstellort ab (Erdbeschleunigung), vom Luftauftrieb und von Temperatur- und Alterungseinflüssen. Gewichtsstücke dienen dazu, diese Abweichungen aufzudecken und auszugleichen.

Drei Begriffe werden häufig verwechselt:

• Prüfen (Überprüfen): Feststellen, ob die Waage innerhalb der Toleranz anzeigt, ohne einzugreifen.
• Kalibrieren: Ermitteln der Abweichung der Anzeige vom richtigen Wert unter dokumentierten Bedingungen, ebenfalls ohne Eingriff.
• Justieren: Eingreifen in das Messgerät, um die Abweichung zu minimieren.

2. Geschichte

Schon in der Antike waren Massenormale aus Stein, Bronze oder Blei in Gebrauch. Über Jahrhunderte unterschieden sich die Einheiten regional stark (Pfund, Mark, Lot, Zentner). Die Meterkonvention von 1875 schuf die Grundlage für ein einheitliches Maßsystem. 1889 wurde der Internationale Kilogrammprototyp (IPK), ein Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung, als Definition des Kilogramms festgelegt.

Seit dem 20. Mai 2019 ist das Kilogramm nicht mehr an einen Artefakt gebunden, sondern über die Planck-Konstante (h = 6,62607015 × 10⁻³⁴ J·s) definiert. In Deutschland realisiert und verbreitet die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) die Einheit. Über akkreditierte Kalibrierlaboratorien gelangt die Rückführung bis zum einzelnen Gewichtsstück im Labor.

3. Gewichtsklassen nach OIML R 111

Die internationale Empfehlung OIML R 111-1 definiert Genauigkeitsklassen, die in der Praxis weltweit verwendet werden. Je höher die Klasse, desto kleiner sind die zulässigen Fehlergrenzen (maximum permissible error, MPE).

Klasse	Typische Anwendung	Typisches Material und Merkmale
E1	Referenznormale für Kalibrierlabore, Kalibrierung von E2-Gewichten, Mikro- und Ultramikrowaagen	Edelstahl, monolithisch, hochpoliert, nichtmagnetisch, Kalibrierschein obligatorisch
E2	Kalibrierung von F1-Gewichten, Prüfung von Analysen- und Präzisionswaagen höchster Auflösung	Edelstahl, sehr geringe Toleranz
F1	Analysen- und Präzisionswaagen im Labor, Pharma, Qualitätssicherung	Edelstahl, glatte Oberfläche
F2	Präzisionswaagen, Kalibrierung von M1-Gewichten, Labor- und Industrieanwendung	Edelstahl oder Messing, teils mit Justierhohlraum
M1	Industriewaagen, Handelswaagen, Werkstattgebrauch	Edelstahl, Messing, lackiertes Eisen, teils Gusseisen
M2	Einfache Industrie- und Handelswaagen	Gusseisen, Messing
M3	Grobe Wägeaufgaben, Schwerlastwaagen	Gusseisen
M1-2, M2-3	Große Massen, Schwerlast- und Fahrzeugwaagen	Gusseisen, Stahl

Zur Orientierung: Für ein 1-kg-Gewicht liegen die zulässigen Fehlergrenzen nach OIML R 111 bei etwa ±0,5 mg (E1), ±1,6 mg (E2), ±5 mg (F1), ±16 mg (F2) und ±50 mg (M1). Die verbindlichen Werte aller Nennwerte entnehmen Sie bitte direkt der Norm.

Als Faustregel für die Auswahl gilt: Das Gewichtsstück sollte mindestens eine Klasse genauer sein als die Anforderung an die zu prüfende Waage, idealerweise so, dass die erweiterte Messunsicherheit des Gewichts höchstens ein Drittel der zulässigen Fehlergrenze beträgt.

Weitere Klasseneinteilungen

Neben OIML sind im Umlauf: die ASTM-E617-Klassen (000, 00, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7), die vor allem im nordamerikanischen Raum verwendet werden, sowie Anforderungen aus Arzneibüchern (z. B. USP), die für pharmazeutische Waagen relevant sind. Die Klassen sind grob vergleichbar, aber nicht identisch. Bei Auditvorgaben sollte stets die geforderte Norm geprüft werden.

4. Bauformen und Arten

4.1 Zylindrische Gewichte

Zylindrische Gewichte (Standardform) sind die verbreitetste Bauform in den Klassen E1 bis M1. Bis etwa 50 g haben sie einen Knopf als Greifhilfe, größere Gewichte oft einen Knauf oder Handgriff.

Typische Ausprägungen:

• Knopfgewichte: Zylinder mit aufgesetztem Knopf, für Laborwaagen.
• Zylindergewichte ohne Knopf: vor allem bei hochgenauen Einzelnormalen und großen Nennwerten.
• Flaschengewichte: Flaschenförmig für den Industriegebrauch (Kalibrierung großer Waagen).

4.2 Blättchengewichte

Kleine Nennwerte im Milligrammbereich (bis ca. 1 g) werden als Plättchen oder Blättchen aus Aluminium oder Neusilber gefertigt. Die Form (z. B. Polygon) kennzeichnet den Nennwert, sodass sich Werte auch ohne Aufschrift unterscheiden lassen.

4.3 Drahtgewichte

Drahtgewichte sind gebogene Drahtstücke mit sehr kleinen Nennwerten und werden meist für Mikrowaagen und in der Feinanalytik genutzt.

4.4 Blockgewichte

Blockgewichte (auch Quader- oder Barrengewichte) sind quaderförmig und stapelbar. Sie sind kompakter als Zylinder, einfach zu lagern und kommen vor allem bei größeren Massen zum Einsatz.

4.5 Rechteckgewichte und Barrengewichte

Rechteckgewichte (bis etwa 20 oder 50 kg) besitzen oft integrierte Griffe und lassen sich so auch von Hand zu Waagen bewegen. Sie werden vor allem in der Industrie verwendet.

4.6 Scheibengewichte und Plattengewichte

Scheibengewichte (Hantelscheiben-Form) und Plattengewichte werden mit Gabelstapler oder Hebezeug bewegt und dienen der Kalibrierung großer Plattformwaagen.

4.7 Ringgewichte

Ringgewichte sind ringförmig und werden häufig als Satz geliefert. Sie lassen sich übereinanderstapeln und sind für die Kalibrierung von Waagen mit größerem Wägebereich geeignet.

4.8 Gewichtssätze

Im Labor werden Gewichte meist als Gewichtssätze in einem Etui mit Schaumstoff- oder Holzeinlage verwendet. Typische Sätze:

• 1 mg bis 100 g (Feinwaagen, Analytik)
• 1 g bis 100 g, 1 g bis 200 g
• 1 g bis 500 g, 1 g bis 1 kg, 1 g bis 2 kg, 1 g bis 5 kg

Dazu gehören meist Pinzette oder Gewichtsheber und Prüfprotokoll.

4.9 Spezielle Kalibriergewichte

• Taragewichte: zur Einstellung des Nullpunkts oder als Ausgleichsmasse.
• Kontrollgewichte: für die tägliche oder wöchentliche Routineüberwachung nach QS-Vorgaben.
• Kundenspezifische Gewichte: Sonderanfertigungen für bestimmte Anwendungen.
• Fahrzeugwaagengewichte: große Normmassen für Brückenwaagen.
• Prüfgewichte für Lasttests: für Kranwaagen und Kraftmessungen.

5. Materialien

Das Material beeinflusst Dichte, Magnetismus, Korrosionsbeständigkeit und Langzeitstabilität. Nach OIML R 111 gelten für die Dichte Grenzwerte, die vom Luftauftrieb abhängen. Als Referenz dient eine konventionelle Dichte von 8000 kg/m³ und eine Luftdichte von 1,2 kg/m³.

Material	Eigenschaften	Typische Klassen
Edelstahl (austenitisch, z. B. 1.4404/1.4301)	Korrosionsbeständig, gering magnetisch, langzeitstabil	E1 bis M1
Messing (vernickelt oder verchromt)	Kostengünstig, Oberflächenbeschichtung nötig	F2, M1
Neusilber	Kupfer-Nickel-Zink-Legierung, gut verarbeitbar	Kleine Nennwerte
Aluminium	Sehr leicht, für Plättchen und Mikrogewichte	Milligramm-Bereich
Gusseisen	Robust, günstig, lackiert oder gestrichen	M1 bis M3
Stahl (lackiert)	Große Massen, hohe Belastbarkeit	M-Klassen, Schwerlast
Platin-Iridium	Historische Primärnormale	Nationale Metrologieinstitute

Wichtige Qualitätsmerkmale sind eine geringe magnetische Suszeptibilität und Restmagnetisierung sowie eine definierte Oberflächenrauheit, damit sich keine Verschmutzungen festsetzen.

6. Kennzeichnung und Nennwertreihen

Gewichtsstücke tragen den Nennwert (z. B. „100 g“), bei höheren Klassen oft zusätzlich eine Seriennummer. Gängige Nennwertreihen folgen dem Schema 1-2-5 (z. B. 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500 g). Ein häufiger Satzaufbau ist 1-2-2-5.

Wichtig: Gewichte ab Klasse E2 sollten ein individuell zugeordnetes Kalibrierzertifikat besitzen, das den konventionellen Wägewert und die zugehörige Messunsicherheit ausweist.

7. Kalibrierung, Justierung und Eichung

Kalibrierung von Gewichtsstücken

Das Gewichtsstück wird auf einem Massenkomparator gegen ein Referenznormal höherer Genauigkeit verglichen. Das Ergebnis ist ein Kalibrierschein mit Angabe von:

• Konventionellem Wägewert
• Erweiterter Messunsicherheit (üblicherweise k = 2, entspricht rund 95 % Überdeckungswahrscheinlichkeit)
• Messbedingungen und Rückführbarkeit

Es gibt zwei übliche Arten von Scheinen:

• DAkkS-Kalibrierschein: Ausgestellt von einem nach ISO/IEC 17025 akkreditierten Labor. Er ist der höchste Standard und wird bei Audits (z. B. nach GMP oder ISO 9001) häufig gefordert.
• Werkskalibrierschein: Vom Hersteller ausgestellt, rückgeführt auf nationale Normale, jedoch ohne Akkreditierungssymbol.

Eichung

Die Eichung ist eine amtliche Prüfung für Messmittel im gesetzlichen Messwesen (z. B. Handel). Sie ist keine Kalibrierung, sondern eine Konformitätsbewertung mit Kennzeichnung. Die Grundlage in Deutschland bildet das Mess- und Eichgesetz (MessEG) mit der Mess- und Eichverordnung (MessEV). Eichfristen sind dort geregelt.

Justierung der Waage

Die eigentliche Justierung der Waage erfolgt mit einem geeigneten Gewichtsstück. Moderne Waagen bieten dafür interne (eingebaute Justiergewichte) oder externe Justierung an.

8. Rückführbarkeit und Messunsicherheit

Rückführbarkeit bedeutet eine lückenlose, dokumentierte Kette von Vergleichsmessungen bis zum SI-Kilogramm. Jede Stufe trägt zur Gesamtunsicherheit bei, daher hat ein Arbeitsnormal immer eine größere Unsicherheit als das darüberliegende Referenznormal.

Zur Messunsicherheit tragen unter anderem bei:

• Unsicherheit des Referenznormals
• Auflösung und Wiederholbarkeit des Komparators
• Luftauftriebskorrektur (Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchte)
• Magnetische Effekte
• Stabilität des Gewichts (Drift)

9. Anwendungsgebiete

• Analytik und Forschung: Prüfung und Justierung von Analysen-, Semi-Mikro- und Mikrowaagen
• Pharmazie und Medizin: GMP-konforme Waagenprüfung, Mindesteinwaage
• Lebensmittelindustrie: Kontrolle von Abfüll- und Dosierwaagen
• Chemie und Materialprüfung: Rezepturwaagen, Dichtebestimmung
• Qualitätssicherung: Prüfmittelüberwachung nach ISO 9001
• Kalibrierlabore: Referenznormale (E1/E2)
• Industrie und Logistik: Plattform-, Kran- und Fahrzeugwaagen
• Ausbildung und Lehre: Praktika, Demonstration

10. Auswahlkriterien

1. Auflösung der Waage: Je feiner die Ablesbarkeit, desto höher die benötigte Gewichtsklasse.
2. Wägebereich: Prüfpunkte sollten Mindestlast, mittleren Bereich und Höchstlast abdecken.
3. Normvorgabe: QS-Handbuch, Audit, GMP oder ISO 17025 legen die Klasse oft fest.
4. Zertifikat: Werkskalibrierschein oder DAkkS-Kalibrierschein.
5. Einsatzumgebung: Korrosive Atmosphäre oder Reinraum erfordern Edelstahl und glatte Oberflächen.
6. Einzel- oder Satzgewichte: Für Routineprüfungen genügen oft Einzelgewichte, für Linearitätsprüfungen werden Sätze benötigt.
7. Handhabung: Passendes Zubehör wie Pinzette, Gewichtsheber und Etui.

11. Handhabung, Reinigung und Lagerung

Der größte Feind eines Kalibriergewichts ist die unsachgemäße Handhabung. Schon ein Fingerabdruck kann bei kleinen Nennwerten die Masse messbar verändern.

• Nie mit bloßen Fingern anfassen. Handschuhe (puderfrei), Pinzette oder Gewichtsheber verwenden.
• Gewichte akklimatisieren, bevor sie verwendet werden. Temperaturunterschiede führen zu Strömungen und Messabweichungen.
• Stoß und Fall vermeiden: Bereits kleine Beschädigungen verändern die Masse.
• Reinigung nur bei Bedarf, mit fusselfreiem Tuch und geeignetem Lösungsmittel (z. B. Ethanol bzw. Isopropanol). Keine Schleifmittel oder aggressive Reiniger.
• Lagerung im Originaletui, trocken und staubfrei, abseits von Magnetfeldern und Chemikaliendämpfen.
• Keine Mischung von Sätzen: Gewichte eines Satzes gehören zusammen und tragen oft individuelle Kennzeichnung.

12. Kalibrierintervalle

Das Kalibrierintervall hängt von Klasse, Nutzungshäufigkeit und Umgebung ab. Üblich sind:

• E1/E2: meist 1 bis 3 Jahre, bei Referenznormalen mit guter Historie auch länger
• F1/F2: häufig 1 bis 2 Jahre
• M-Klassen: 1 bis 2 Jahre oder nach internen Vorgaben

Entscheidend ist die Historie der Gewichte: Zeigt die Folge der Kalibrierungen nur geringe Drift, kann das Intervall begründet verlängert werden. Bei Beschädigung oder Verdacht auf Verschmutzung sollte sofort neu kalibriert werden.

13. Normen und Regelwerke

• OIML R 111-1: Weights of classes E1, E2, F1, F2, M1, M1-2, M2, M2-3 and M3
• DIN EN ISO/IEC 17025: Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien
• ASTM E617: Standard Specification for Laboratory Weights and Precision Mass Standards
• Mess- und Eichgesetz (MessEG) und Mess- und Eichverordnung (MessEV)
• DIN EN ISO 9001: Qualitätsmanagementsysteme (Prüfmittelüberwachung)
• Arzneibuchkapitel zur Waagenprüfung (z. B. USP, Ph. Eur.)