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Torsionsfederwaage
In grösseren Fabrikationsbetrieben ist häufig eine ständige Kontrolle des Produktes oder der Ware er- forderlich, die in vielen Fällen durch Wägung von Proben vorgenommen wird. Sofern nicht alle Einhei- ten einzeln gewogen werden können, ist die Kontrolle umso verlässlicher, je mehr Wägungen in kurzer
Zeit ausgeführt und je sicherer Messfehler vermieden werden können. Laufende Kontrollmessungen durch
Wägung können z. B. in Spinnereien eine Prüfung der Fadendicke ermöglichen. Zu diesem Zweck eignen sich Waagen für Gewichte von einigen Milligramm besonders gut. Ein für solche Messungen brauchbarer und häufig benutzter Waagentyp ist die Torsionswaage.
Laufende Messungen mit Torsionswaagen erfordern Zeit und ständige Aufmerksamkeit des Prüfers, wobei die Messergebnisse durch individuelle Fehler verfälscht werden können. Die Weitergabe der Mess- ergebnisse zur Auswertung, z. B. durch Eintragung in Listen, ist ebenfalls oft mit Fehlern verbunden, die nachträglich nicht mehr einfach zu kontrollieren sind. Diese Nachteile lassen sich nur ausschalten, wenn der Messvorgang vollautomatisch abläuft und wenn die Ergebnisse automatisch registriert oder in Lochkarten gestanzt werden.
Die Automatisierung von Torsionswaagen für kleine Gewichte, z. B. für Messbereiche von 0 bis
100 mg oder 0 bis 1000 mg, konnte bisher nicht in einfacher Weise durchgeführt werden, da das Drehmoment, das durch ein aufgelegtes Zusatzgewicht am Waagebalken erzeugt wird, durch ein zweites, an einer Torsionsfeder durch den Beobachter eingestelltes Drehmoment kompensiert werden muss. Ausserdem sind wegen der Empfindlichkeit der Messeinrichtung nur solche automatische Abtast- und Steuereinrichtungen möglich, die keine messbaren Kräfte auf das System ausüben.
Es sind automatische Mikrowaagen bekannt, bei denen die Gleichgewichtslage des Waagebalkens nach einseitiger Belastung durch magnetische Kräfte wiederhergestellt wird, indem durch eine Spule, die das magnetische Kompensationsfeld erzeugt, ein Strom fliesst, der der Auslenkung des Waagebalkens aus der Gleichgewichtslage proportional ist. Je grösser der Proportionalitätsfaktor ist, umso geringer wird der Unterschied zwischen der Gleichgewichtslage im belasteten Zustand und der Gleichgewichtslage im unbelasteten Zustand. Dieser Unterschied muss klein sein, weil sich mit ihm die Länge des belasteten Hebelarmes ändert. Bei Gewichten von 100 mg oder 1000 mg erfordert eine solche Steuerung einen sehr grossen apparativen Aufwand, so dass man bei diesen Belastungen zunächst den grössten Teil des Gewichts durch Ausgleichgewichte und nur den Rest elektrisch kompensiert.
Nun ist schon eine Torsionsfederwaage bekannt, bei welcher der Gewichtsausgleich mittels eines Stellmotors vorgenommen wird, der selbsttätig bei Auslenkung des Waagebalkens aus der Nullage eingeschaltet und bei Wiedererreichen der Nullage abgeschaltet wird. Das Rückstellgetriebe läuft dabei stets mit gleicher Geschwindigkeit. Folglich werden entweder die Ruckstellzeiten oder aber die Ungenauigkeiten bei der Messung zu gross.
Bekannt sind ferner selbsttätig arbeitende Lastausgleichsvorrichtungen, insbesondere für Laufgewichtswaagen mit zwei Geschwindigkeitsstufen, wobei die Rückstellung ausgangs mit grosser Geschwindigkeit erfolgt und bei Annäherung an die Nullage auf eine kleinere Einfahrgeschwindigkeit herabgeschaltet wird.
Dort werden wiederum zum Einschalten, Abschalten und Umschalten gesonderte, mechanisch mit dem Waagebalken zusammenwirkende Schaltvorrichtungen benötigt, die komplizierte mechanische und elektrische Steuervorrichtungen erfordern.
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Erfindungsgemäss wird eine Folgeschaltung vorgeschlagen, die durch in der Nullage des Waagebalkens ansprechende Schaltelemente betätigt wird. Dabei wird die Drehrichtung des Stellmotors umgekehrt und die kleinere Geschwindigkeitsstufe eingeschaltet, wenn der Waagebalken zum ersten Mal die Nullage durchfährt. Der Motor wird dagegen erst stillgesetzt, wenn der Waagebalken zum zweiten Mal die Null- lage erreicht hat. Hiebei wird durch schnelle Rückstellung die Wägezeit verkürzt und durch langsames
Einfahren in die Nullage auch eine grosse Messgenauigkeit erzielt. Die Lage des Waagebalkens wird aber lediglich in der Nullage abgetastet, d. h. der Aufwand an Abtastvorrichtungen ist verhältnismässig klein.
Vor allem bei Verwendung einer berührungsfreien Abtastung, z.
B. wenn man als Schaltelemente in an sich bekannter Weise optische Systeme verwendet, die aus einer oder mehreren Lichtquellen und einer oder mehreren Photozellen bestehen, lassen sich ohne Ausgleichsgewichte Messbereiche von 0 bis 100 mg oder 0 bis 1000 mg mit beachtlicher Messgenauigkeit erzielen. Um die Richtung der Auslenkung feststel- len zu können, benötigt man in der Regel zwei Photozellen, die in der Nullage ihre zugeordneten Steuer- organe gerade entweder beide zum Ansprechen bringen oder abschalten.
Die Drosselung der Stellgeschwindigkeit kann auf beliebige bekannte Weise erfolgen. Bewährt hat sich vor allem, beim ersten Durchfahren der Nullage selbsttätig eine Bremse, insbesondere eine Wirbel- strombremse, einfallen zu lassen. -
Nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes wird durch die photoelektrische Abtastung beim Ab- schalten des Motors ein Kontakt geschlossen, der die Beendigung der Messung z. B. über ein Zählwerk anzeigt und die Durchgabe des Messergebnisses über ein Aufzeichnungswerk, etwa eine mechanisch an- gekoppelte Druckeinrichtung oder einen Kontaktgeber für einen Kartenlocher einleitet. Zu Beginn des beschriebenen Messvorganges wird die Waage elektrisch entarretiert und mit Hilfe des am Ende der Mes- sung geschlossenen Kontaktes automatisch arretiert, so dass das Auswechseln des Gewichtes ohne Störung erfolgen kann.
Die Zeichnung gibt verschiedene Ausführungsformen der Erfindung wieder. Es zeigen Fig. 1 in rein schematischer Darstellung die prinzipielle Anordnung einer erfindungsgemäss ausgebildeten Torsions- waage, Fig. 2 die zugehörige optische Steueranordnung, Fig. 3 die Waagebalkenanordnung einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 4 die spezielle optische Anordnung zu Fig. 3, Fig. 5 die wesentlichen Teile einer erfindungsgemäss ausgebildeten Torsionswaage in räumlicher Darstellung und Fig. 6 ein zugehöriges Schaltbild.
Der Waagebalken 1 ist an der Auflage 4 drehbar gelagert und kann innerhalb eines Bereiches, der durch die beiden Anschläge 13 und 14 mechanisch begrenzt wird, frei schwingen. Die Gleichgewichtslage wird durch die Begrenzungslichtstrahlen 11 und 12 (Fig. 2) kontrolliert, die von den Lichtquellen 5 und 7 ausgehen und auf die gegenüberliegenden Photozellen 6 und 8 (Photoelemente oder Photoleiter) auftreffen. Von diesen Zellen wird über Verstärkervorrichtungen bekannter Bauart (nicht dargestellt) der Stellmotor 2 gesteuert.
Bei Belastung der Waage wird der Waagebalken 1 bis zum mechanischen Anschlag oder bei sehr kleinen Gewichten um einen kleineren Winkel aus der Gleichgewichtslage abgelenkt, wobei der Lichtstrahl 12 unterbrochen wird. Über die Photozelle 8 (bei Dunkelschaltung) wird dann der Stellmotor 2 eingeschaltet, der die Torsionsfeder so weit spannt, bis der Waagebalken 1 in die Gleichgewichtslage zurück schwingt und den Lichtstrahl 12 wieder freigibt. Dieser Ausgleichsvorgang wird auch in umgekehrter Richtung ausgeführt, wenn die Waage entlastet wird. Mit dem Spannen und Entspannen der Torsionsfeder 3 wird gleichzeitig eine Skala 9 an der Ablesemarke 10 vorbeigedreht, an der nach jeder Herstellung des Gleichgewichtszustandes das Gewicht abgelesen werden kann.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist in einem Waagebalkengehäuse 15 ein Waagebalken 16 über schwache Blattfedern 17, 18 gelagert. Beide Blattfedern sind über Anschlussstücke 19,20 mit dem Gehäuse und 21,22 mit dem Waagebalken verbunden. Die Blattfeder 17 trägt das Gewicht des Waagebalkens, und die Blattfeder 18 hält dessen Drehachse in der Mitte einer Stellwerkswelle 23 an, an der das innere Ende einer Torsionsfeder 24 befestigt ist. Das äussere Ende dieser Torsionsfedern ist über ein Verbindungsstück 25 mit dem Waagebalken verbunden. Die freien Enden 16a und 16b des Waagebalkens ragen durch Aussparungen 26,27 der Seitenwände 15a, 15b ins Freie. An einer Öse 28 kann ein Gegengewicht angehängt werden.
Kleinere Gewichtsdifferenzen werden über ein Laufgewicht 29 ausgeglichen, das entlang einer Stange 30 am Waagebalkenende 16b verschiebbar angeordnet ist. Die Last kann an einem Haken 31 eingehängt werden. Damit das Aufnahmemittel der jeweiligen Eigenart der Last angepasst werden kann, ist das Waagebalkenende 16a auswechselbar vorgesehen.
Der Waagebalken weist im Bereich seines Endes 16b einen Balkenabschnitt 16c mit oberen und unteren parallelen Kanten 32 und 33 auf. Dieser Balkenabschnitt ist durch einen Gehäusevorsprung 34 mit einem oberen Anschlag 35 und einem unteren Anschlag 36 hindurchgeführt. In den Gehäusevorsprung 34
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In der Zeichnung sind alle Relaiskontakte für stromlose Relais gezeichnet. Zu Beginn einer Wägung ist aber regelmässig der Waagebalken aus seiner Mittellage ausgelenkt, so dass der von einer der beiden Photozellen 6,8 gelieferte und verstärkte Strom ausreichen würde, das zugehörige Relais zum Ansprechen zu bringen. Meist ist die eingehängte Last grösser als die durch die Torsionsfeder 24 aufgebrachte Kompensationskraft. In diesem Fall ist bei Hellschaltung der Stromkreis für das Relais A vorbereitet.
Wenn jetzt einer der beiden Schalter D2 oder D1 kurzzeitig betätigt wird, so spricht das Relais D über den Ruhekontakt e2 an und hält sich über seinen Haltekontakt d2. Über den Kontakt dl wird dabei der Motor M2 eingeschaltet, der den Waagebalken entriegelt und sich nach einer halben Umdrehung über seinen Schalter S2 selbsttätig abschaltet. Gleichzeitig wird über den Kontakt d3 das Relais A eingeschaltet, das tiber seinen Kontakt al den Motor Ml beispielsweise im Rechtsdrehsinne einschaltet. Die Ansprechzeit des Relais A und auch des Relais B ist kleiner bemessen als die des Relais C, so dass dieses zunächst nicht anspricht. Gegebenenfalls kann auch der Kontakt d3 in die Verbindung des Motors MI mit der Leitung 66 eingeschaltet werden, da die Stromführung über die Schalter Sl, nicht ausreicht, den Motor zum Anlaufen zu bringen.
Sobald der Waagebalken durch seine Mittellage hindurchläuft, fällt das Relais A wieder ab, und das
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schlossen. Wenn der Waagebalken beim Weiterschwingen den Lichtspalt für die Photozelle 6 ausreichend freigibt, spricht jetzt das Relais B an, und der Motor Ml wird im Linksdrehsinne eingeschaltet. Der Magnet 62 ist so stark ausgebildet, dass sich der Waagebalken nur mit einer Kriechgeschwindigkeit seiner Nullage nähert. Vorher ist noch über den Kontakt c3 das Relais E eingeschaltet worden, das über den Kontakt e1 den Stromkreis für den Motor M3 vorbereitet. Dieses Relais E ist in bekannter Weise ansprechund abfallverzögernd ausgebildet oder gesteuert.
Wenn jetzt der Waagebalken zum zweiten Male in seine Nullage gelangt, wird auch das Relais B
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Dadurch wird über dl der Arretierungsmotor M2 eingeschaltet, der anschliessend sich selbst und das Re- lais C über seinen Schalter S2 von Spannung trennt. Weiterhin wird der Kontakt d4 für die Lampe L ge- öffnet. Diese brennt jedoch zunächst weiter, da e4 noch geschlossen ist. Auch das Relais E wird über den
Kontakt c3 abgeschaltet. Während der Abfallverzögerungszeit ist jedoch der Druckmotor M3 über die
Kontakte d2, el eingeschaltet, so dass das Messergebnis registriert werden kann. Erst nach Ende des Druckvorganges wird über den Kontakt e4 die Lampe L abgeschaltet und damit das Ende der gesamten Wägung angezeigt.
Es ist an sich gleichgültig, ob man für die Relais A, Beine Hell- oder Dunkelschaltung verwendet.
An Stelle der Photozellen können grundsätzlich alle beliebigen lichtelektrischen Wandler zur Anwendung kommen, und die Kanten 32,33 am Waagebalken können ebenfalls durch eine Aussparung ersetzt werden. Im letzteren Fall kommt man unter Umständen auch mit einer einzigen Lichtquelle aus. Die Wirbelstrombremse kann durch eine beliebige Bremse ersetzt werden, die möglichst jedoch elektrisch gesteuert werden soll.
Die Vorrichtung hat den grossen Vorteil, dass mechanische Registriergeräte, Potentiometer, Dekadenschalter, Drucker usw. ohne Rücksicht auf die zu ihrer Steuerung notwendigen Kräfte bzw. Momente, mechanisch an das von einem kräftigen Stellmotor angetriebene Steuersystem angeschlossen werden können. Weitere Vorteile sind hohe Stabilität, Betriebssicherheit, geringer Einfluss der Raumtemperatur und kurze Messzeiten. Durch die Folgeschaltung bzw. das Auslösen verschiedener Schaltvorgänge in einer Nullage kommt man mit insgesamt zwei Photozellen aus.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Torsionsfederwaage mit Gewichtsabgleich mittels eines Stellmotors, der selbsttätig bei Auslenkung des Waagebalkens aus der Nullage eingeschaltet und bei Wiedererreichen der Nullage abgeschaltet wird, gekennzeichnet durch eine über in der Nullage des Waagebalkens (l, 16) ansprechende Schaltelemente (5 - 8) betätigte Folgeschaltung (C, D), welche die Drehrichtung des Stellmotors (mol) umkehrt und eine kleinere Geschwindigkeitsstufe (61,62) einschaltet, wenn der Waagebalken (16) zum ersten Mal die Nullage durchfährt, und den Motor stillsetzt, wenn der Waagebalken die Nullage zum zweiten Mal erreicht hat.