Drehfederwaage.
Die Erfindung betriff. t eine Drehfeder- waage. Unter der Bezeichnung Drehfederwaage wird ein Gerät verstanden, das nicht nur zur Gewichtsbestimmung, sondern auch zur Messung irgendwelcher anderer Kräfte geeignet ist.
Die Drehfederwaage zeichnet sich gemäss der Erfindung dadurch aus, dass das bewegliche System, auf das die zu messenden Kräfte wirken, von einer besonderen, aus mindestens einer Blattfeder bestehenden Federanordnung getragen ist, die sowohl in der Nullstellung als auch in der mit dieser identischen Messstellung des beweglichen Systems auf dieses keine Richtkraft ausübt.
Die Messfeder als solche wird also durch das Gewicht des beweglichen Systems in keiner Weise belastet.
Als Messfeder ist jede Feder verwendbar, die durch Verdrehen gespannt wird. Sie kann demnaeh aus einer Spiral-oder Schrauben- feder oder aus einem Draht oder Stab oder dergleichen bestehen, soweit die zur Verdrehung aufzuwendende Kraft dem Verdrehungswinkel proportional ist. Als Tragfeder fiir das bewegliche System dient zweckmässig eine einzige Blattfeder oder eine Kombination parallel geschalteter Blattfedern.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung in Anwendung auf Drehfederwaagen zeigt die Zeiehnung, und zwar sind :
Fig. 1 eine Vorderansicht einer Drehfederwaage,
Fig. 2 eine Seitenansicht derselben,
Fig. 3 eine Vorderansicht einer andern Ausführung der Drehfederwaage,
Fig. 4 eine Vorderansicht einer weiteren Ausgestaltung der Drehfederwaage nach Fig. 1 und 2.
Bei der Drehfederwaage gemäss Fig. 1 und 2 ist das innere Ende der hier als Messfeder dienenden Spiralfeder D in der Mitte einer mit der Gewichtsskala versehenen Skalenscheibe S befestigt, die in dem Lager B drehbar gelagert ist. Das äussere Ende der Spiralfeder D ist mit einem Kreuzfedergelenk ver bunden, das aus den Blattfedern Fl und P'2 und dem als Waagebalken dienenden Winkel- hebel A besteht. Der Winkelhebel A trägt den Zeiger Z, die Waagschale W sowie das Taragewicht T. Der Aussehlag des Winkelhebels A wird durch die Anschläge O und U begrenzt.
Zur Drehung der Skalenscheibe S in beiden Richtungen dient in bekannter Weise ein Getriebe C. Zwischen dem Zeiger Z und der Skalenscheibe S ist eine feste Bezugsmarke M angeordnet.
Zur Justierung, das heisst Einstellung des Waagezeigers Z auf den Anfangsstrich der Skala, dient das Taragewicht T. In dieser Anfangsstellung muss der Waagebalken A zwi schen den festen Anschlägen 0 und frei spielen, und der Zeiger Z muss mit der festen Marke M und dem Anfangsstrich der Skala in einer Ebene liegen, die auf der Skalenseheibe S senkrecht steht. In dieser Stellung soll die Blattfeder Fl nur auf Zug, die Blattfeder P2 und die Messfeder nicht beansprucht sein ; letztere kann jedoch unter Umständen eine geringe Vorspannung erhalten.
Beim Auflegen einer Last auf die Waagschale W spannt ein Drehmoment die Blattfedern Fl und F2 und die Spiralfeder D.
Gleichzeitig legt sich der Waagebalken A gegen den untern Anschlag U. Die Ermittlung des Lastgewichtes erfolgt nun in der Weise, dass die Skalenscheibe S entgegen der Rich- tung der Lastkraft so weit gedreht wird, bis der Zeiger Z mit der festen Marke M überein- stimmt, worauf hinter beiden der Gewichtsbetrag auf der Skala abgelesen wird. In dieser Gleichgewichtslage wird dem durch die Last erzeugten Drehmoment allein durch das von der Spiralfeder erzeugte Drehmoment, welches gegenüber dem ersten gleich gross und entgegengesetzt gerichtet ist, das Gleichgewicht gehalten.
Die Blattfedern Fl und F2 des Auf- hängesystems übertragen, ebenso wie bei unbelasteter Waage, keine Richtkraft auf den Waagebalken.
Nach Wegnahme der Last legt sich der Waagebalken A gegen die obere Begrenzung 0, worauf durch Zurückdrehen der Skalenseheibe S die Waage in ihre Anfangsstellung gebracht wird, die erreicht ist, wenn der Zeiger Z die Marke H und der Anfangsstrich der Skala genau hintereinander liegen. Bei den bisher bekanntgewordenen Torsionswaagen wird das Wiegesystem so leicht wie möglich ausgeführt, da es ganz oder teilweise von der Messfeder getragen werden muss. Deshalb kann die Messfederkraft nur zum Teil für die eigentliche Wägung ausgenutzt werden, nämlich so weit, wie zwischen Belastung und Verdrehungswinkel Proportionalität besteht, was bis zu einem Verdrehungswinkel von etwa 250 der Fall ist.
Bei der beschriebenen Waage kann dagegen, je naeh der Länge des Spiralfederbandes, Proportionalität über 360 oder sogar 2 X 360 und mehr erzielt werden. Die Messfederstärke ist dabei so zu wählen, dass der zu wiegenden Hochstlast eine Verdrehung der Messfeder um 360 bezw. 2 X 360 und mehr entspricht.
Der Umstand, dass die Messfeder bei den bekannten Waagen das Messsystem tragen oder wenigstens mittragen muss, bestimmt auch die obere Grenze des Wiegebereiches, für den diese Waagen gebaut werden können. Ihr Wiegebereich liegt zwischen einigen mg und einem g. Entsprechend der Belastung steigt die Reibungskraft in den Lagern der Waage, und diese Reibung darf bei Lasten über 1 g nicht mehr vernachlässigt werden.
Da bei der beschriebenen Drehfederwaage die Messfeder wie gesagt nur dazu dient, der Last das Gleich- gewicht zu halten, während die Tragfeder anordomg, bei dem Ausführungsbeispiel also das Federgelenk, die tote Last trägt und somit keine Lagerreibung auftritt, so können Waa- gen gemäss der Erfindung zum Beispiel auch für grössere Belastungen hergestellt werden.
Die Erweiterung des Wiegebereiches kann in der Weise wie bei Neigungs-Tafelwaagen mit Gewichtssehale erfolgen. In Fig. 3 ist eine Drehfederwaage mit auf solche Weise erweitertem Wiegebereich gezeigt, die sich von der oben beschriebenen Drehfederwaage nur durch die Anordnung der Blattfedern des Federgelenkes und durch die Verwendung eines gleicharmigen Hebels als Waagebalken unterscheidet. Gemäss Fig. 3 sind die das Wiegesystem tragenden, schräg zum Waagebalken verlaufenden und je eine Seite desselben unterstützenden Blattfedern F1 und F2 vorgesehen ; sie können aber auch aufgehängt werden.
In allen Stellungen der Waage übertragen die Federn daher auf beide Seiten des Waagebalkens bezüglich des Drehpunktes der Spiralfeder symmetrische, entgegengesetzt wirkende Drehmomente, so dass auch hier die Federn F1 und F2 keine Richtkraft auf den Waagebalken ausüben, wenn dieser in Gleich- gewichtslage ist. Der Waagebalken A trägt an seinen Enden eine Schale W zur Aufnahme der Last und eine Schale G zur Aufnahme der Zusatzgewichte. Soll eine Last gewogen werden, welche die der Grundhöchstlast von zum Beispiel 1 g entsprechende Kraft der Messfeder übersehreitet, so wird ein Zusatzgewicht, das vorzugsweise ein ganzes Vielfaches der Grund-Hoehstlast betragen kann, auf die Sehale G gesetzt.
Dann entspricht der Last die Summe aus dem aufgelegten Zusatzgewicht plus dem an der Skala abgelesenen Gewichts- betrag. Die erforderliche Dämpfung der Waage und die Nachstellung des Skalenanfangspunktes kann mit den bekannten Mitteln bewirkt werden. Die Temperaturkorrektion kann sich auf die Messfeder beschränken und durch Wahl eines Federmaterials mit kleinem Temperaturkoeffizienten erfolgen.
Soll die Ablesegenauigkeit der Waage nach den Fig. 1 und 2 oder 3 verbessert werden, so kann dies durch Verlängerung der Skala erfolgen. Zu diesem Zweeke erhält die Skalenscheibe S zum Beispiel an ihrem Rande einen Zahnkranz, in den ein Ritzel eingreift, das von dem Zahnkranz mit entsprechender tberset- zung angetrieben wird. Auf der Achse des Ritzels befindet sich der Gewichtsanzeiger, der sich vor einer über volle 360 erstreckenden Skala dreht. Die tbersetzung kann zum Beispiel so gewählt werden, dass bei einer Umdrehung der Scheibe S der Zeiger fünfmal umläuft. Durch geeignete Mittel ist dabei zweck- mässig kenntlich zu machen, wie viele Umläufe der Zeiger bis zur Erreichung der Anzeigestellung gemacht hat.
Der Zeiger kann ausser dem Gewichtsanzeiger Z vorhanden sein und der Feinablesung der Waage dienen, während mit dem Zeiger Z die Grobablesung erfolgen kann. Jedenfalls muss jedoch die Möglichkeit bestehen, mittels eines Zeigers, ähnlich dem Zeiger Z, die Null-bzw. Gleichgewichtslage der Waage an einer ortsfesten Marke M festzustellen, woraufhin dann die Ablesung an dem Ge- wiehtsanzeiger erfolgen kann.
Eine weitere Ausgestaltung der Waage nach den Fig. 1 und 2 bzw. 3 besteht darin, dass die Drehung der Seheibe S lad damit die Einstellung des Waagengleichgewichtes sowie gegebenenfalls auch die Riickfiihrung der Waage in die Nullstellung mit Hilfe eines Motors bewerkstelligt wird. Zweekmässig findet hierbei ein Gleichstrommotor Verwendung, der über ein Ritzel und einen Zahnkranz den Antrieb der drehbaren Scheibe S bewirkt. Der Motor kann mit einer selbsttätigen Steuerung versehen sein, die denselben beim Erreichen der Gleichgewichtslage bzw. der Nullstellung abschaltet.
Fig. 4 zeigt eine Waage im wesentlichen nach Fig. l und 2 mit einem solchen selbsttätig gesteuerten Motorantrieb. Selbstverständlich kann aber auch die Waage nach Fig. 3 mit einem entsprechenden Motorantrieb versehen werden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist der Rand der drehbaren Scheibe S mit einem Zahnkranz H versehen, in den das Ritzel R des dem Antrieb dienenden Gleichstrom- motors Gm eingreift. Der Stromkreis dieses Motors führt über den verlängerten Zeiger Z, welcher einen Kontakt XI trägt und bei unbelasteter Waage frei zwischen den festen Kontakten K2 und Z3 spielt. Die Kontakte K2, jE'3 stehen mit den Klemmen 3 bzw. 4 eines Polwendeschalters P in Verbindung, während an die Klemme 0 dieses Schalters der eine Pol des Motors H und an die lÇlem- men 1 und 2 die Gleichstromquelle G1 angeschlossen ist.
Vor der Wägung wird der Polwendeschal- ter P in die in ausgezogenen Linien gezeigte Stellung gebracht. Wird daraufhin die Waage belastet, so legt sich der Kontakt Kl gegen den Kontakt g2, wodureh der Stromkreis des Motors Gm gesehlossen und die Skalenscheibe S von diesem in der Pfeilrichtung gedreht wird. Beim Erreichen der Gleichgewichtslage löst sich der Kontakt K1 von dem Kontakt X2 o ab, so dass der Stromkreis unterbrochen wird und der Motor anhält.
Nach Ablesung des Gewichtsbetrages in der in Verbindung mit Fig. l und 2 beschriebenen Weise wird der Polwendesehalter in die durch gestrichelte Linien dargestellte Stellung umgelegt und die Last entfernt, wodurch der Zeiger Z infolge der Spannung der Feder D an dem Kontakt K3 zur Anlage kommt. Der Motor Gm läuft nunmehr in entgegengesetzter Richtung und dreht die Skalenscheibe S wieder in die Nullage zurück. Ist diese erreicht, so wird infolge Fortfalles der Spannung der Feder D der Kontakt KI von dem Kontakt Z3 wieder frei, so dass der Motor stehenbleibt.
Die Einstellmg der Skalenscheibe S entspre chend der aufgelegten Last und die Rückfüh- rung in die Nullstellung gehen also selbsttätig vor sich, und die Bedienungsperson hat nur das Sehalten und Ablesen zu besorgen.
Gegebenenfalls kann zwischen der Gleich- stromquelle Gl und dem Polwendesehalter P noch ein Aussehalter angeordnet sein.
Die in verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Drehfederwaage kann nicht nur für Wägezweeke, sondern auch ganz allgemein zur Messung, Kompensation oder Regelung von Kräften, also zum Beispiel auch zur Steue- rung von Drosseln, Ventilen, elektrischen und sonstigen Maschinen und Apparaten, benutzt ; werden. Auch bei Gravimetern zur Bestimmung der relativen Grosse der Erdbesehleunigung und bei Seismographen kann die Drehfederwaage gemäss der Erfindung Verwendung finden. In den letztgenannten Fällen wird das Messsystem durch ein Gewicht belastet, dessen Drehmoment dem von der Messfeder erzeugten Drehmoment in der Ausgangs- stellung das Gleichgewicht hält. Die Ablesung bzw. Registrierung kann dabei in an sich bekannter Weise mit Hilfe von Drehspiegeln, Photozellen oder dergleichen erfolgen.
Das Drehfedersystem stellt in diesen Fällen ein Vertikalfederpendel dar.
Die das bewegliche System tragende Fe- deranordnung kann auch nur aus einer einzigen Blattfeder bestehen, die in diesem Falle bei Gleichgewichtslage des Systems senkrecht verläuft, wobei der Schwerpunkt des bewegliehen Systems bei Gleichgewichtslage mit der Ebene der Blattfeder zusammenfällt. Dann ist die Blattfeder nur auf Zug beansprucht.
Torsion spring balance.
The invention concerns. t a torsion spring balance. The term torsion spring balance is understood to mean a device that is not only suitable for determining weight, but also for measuring any other forces.
The torsion spring balance is characterized according to the invention in that the movable system on which the forces to be measured act is carried by a special spring arrangement consisting of at least one leaf spring, which is in the zero position as well as in the measuring position which is identical to this moving system does not exert any directional force on it.
The measuring spring as such is not loaded in any way by the weight of the moving system.
Any spring that is tensioned by twisting can be used as a measuring spring. It can therefore consist of a spiral or helical spring or of a wire or rod or the like, provided that the force to be applied for rotation is proportional to the angle of rotation. A single leaf spring or a combination of leaf springs connected in parallel is expediently used as the suspension spring for the movable system.
Examples of embodiments of the invention applied to torsion spring balances are shown in the drawing, namely:
1 is a front view of a torsion spring balance,
Fig. 2 is a side view of the same,
3 is a front view of another embodiment of the torsion spring balance,
4 shows a front view of a further embodiment of the torsion spring balance according to FIGS. 1 and 2.
In the torsion spring balance according to FIGS. 1 and 2, the inner end of the spiral spring D, which is used here as a measuring spring, is fastened in the center of a graduated disk S which is rotatably mounted in the bearing B and is provided with the weight scale. The outer end of the spiral spring D is connected to a cross-spring joint, which consists of the leaf springs F1 and P'2 and the angle lever A serving as a balance beam. The angle lever A carries the pointer Z, the weighing pan W and the tare weight T. The deflection of the angle lever A is limited by the stops O and U.
A gear C is used in a known manner to rotate the dial S in both directions. A fixed reference mark M is arranged between the pointer Z and the dial S.
The tare weight T is used for adjustment, i.e. setting the balance pointer Z to the starting line of the scale. In this starting position, the balance beam A must play between the fixed stops 0 and free, and the pointer Z must match the fixed mark M and the starting line of the scale lie in a plane that is perpendicular to the scale disk S. In this position the leaf spring Fl should only be subjected to tension, the leaf spring P2 and the measuring spring should not be stressed; however, the latter can be given a slight bias under certain circumstances.
When a load is placed on the weighing pan W, a torque tensions the leaf springs Fl and F2 and the spiral spring D.
At the same time, the balance beam A rests against the lower stop U. The load weight is now determined in such a way that the dial S is rotated against the direction of the load force until the pointer Z matches the fixed mark M , whereupon the weight is read off the scale behind both. In this equilibrium position, the torque generated by the load is kept in equilibrium solely by the torque generated by the spiral spring, which is equal to the first and directed in the opposite direction.
The leaf springs Fl and F2 of the suspension system do not transfer any straightening force to the balance beam, just like when the balance is unloaded.
After the load has been removed, the balance beam A lies against the upper limit 0, whereupon the balance is brought to its starting position by turning back the dial S, which is reached when the pointer Z the mark H and the start line of the scale are exactly one behind the other. In the torsion scales that have become known to date, the weighing system is made as light as possible, since it has to be carried entirely or partially by the measuring spring. For this reason, the measuring spring force can only be partially used for the actual weighing, namely to the extent that there is proportionality between the load and the angle of rotation, which is the case up to a rotation angle of about 250.
With the described scales, however, depending on the length of the spiral spring band, proportionality over 360 or even 2 X 360 and more can be achieved. The measuring spring thickness is to be selected so that the maximum load to be weighed causes a rotation of the measuring spring by 360 resp. 2 X 360 and more corresponds.
The fact that the measuring spring in known scales has to carry or at least carry the measuring system also determines the upper limit of the weighing range for which these scales can be built. Their weighing range is between a few mg and one g. The frictional force in the bearings of the balance increases in accordance with the load, and this friction must no longer be neglected for loads over 1 g.
Since, in the torsion spring balance described, the measuring spring only serves to keep the load in equilibrium, while the suspension spring is arranged, i.e. the spring joint in the exemplary embodiment, carries the dead load and therefore no bearing friction occurs of the invention, for example, can also be produced for greater loads.
The extension of the weighing range can be done in the same way as with inclination table scales with weight scales. 3 shows a torsion spring balance with a weighing range expanded in this way, which differs from the torsion spring balance described above only in the arrangement of the leaf springs of the spring joint and the use of an equal-armed lever as a balance beam. According to FIG. 3, the leaf springs F1 and F2 supporting the weighing system and running at an angle to the balance beam are provided; but they can also be hung up.
In all positions of the balance, the springs therefore transmit symmetrical, oppositely acting torques to both sides of the balance beam with respect to the center of rotation of the spiral spring, so that here too the springs F1 and F2 do not exert any straightening force on the balance beam when it is in equilibrium. The balance beam A carries at its ends a shell W for receiving the load and a shell G for receiving the additional weights. If a load is to be weighed which exceeds the force of the measuring spring corresponding to the basic maximum load of, for example, 1 g, an additional weight, which can preferably be a whole multiple of the basic maximum load, is placed on the shell G.
Then the load corresponds to the sum of the additional weight placed plus the amount of weight read off on the scale. The necessary damping of the balance and the readjustment of the starting point of the scale can be effected by known means. The temperature correction can be limited to the measuring spring and can be carried out by choosing a spring material with a low temperature coefficient.
If the reading accuracy of the balance according to FIGS. 1 and 2 or 3 is to be improved, this can be done by extending the scale. For this purpose, the dial S is provided, for example, on its edge with a toothed ring in which a pinion engages, which is driven by the toothed ring with a corresponding gear ratio. On the axis of the pinion is the weight indicator, which rotates in front of a full 360 scale. The gear ratio can be selected, for example, so that the pointer revolves five times with one revolution of the disk S. Appropriate means should be used to indicate how many revolutions the pointer has made to reach the display position.
The pointer can be present in addition to the weight indicator Z and can be used for fine reading of the balance, while the pointer Z can be used for rough reading. In any case, however, it must be possible, by means of a pointer, similar to the pointer Z, to set the zero or. Determine the equilibrium position of the balance on a stationary mark M, whereupon the reading can then take place on the weight indicator.
A further embodiment of the balance according to FIGS. 1 and 2 or 3 consists in that the rotation of the disk S is achieved with the aid of a motor to set the balance and, if necessary, also to return the balance to the zero position. A direct current motor is used for this purpose, which drives the rotatable disk S via a pinion and a toothed ring. The motor can be provided with an automatic control which switches it off when the equilibrium position or the zero position is reached.
Fig. 4 shows a balance essentially according to Fig. 1 and 2 with such an automatically controlled motor drive. Of course, the balance according to FIG. 3 can also be provided with a corresponding motor drive.
In the embodiment according to FIG. 4, the edge of the rotatable disk S is provided with a toothed ring H, in which the pinion R of the direct current motor Gm used for the drive engages. The electric circuit of this motor leads over the extended pointer Z, which has a contact XI and plays freely between the fixed contacts K2 and Z3 when the balance is unloaded. The contacts K2, jE'3 are connected to terminals 3 and 4 of a pole reversing switch P, while one pole of the motor H is connected to terminal 0 of this switch and the direct current source G1 is connected to terminals 1 and 2.
Before weighing, the pole reversing switch P is brought into the position shown in solid lines. If the balance is then loaded, the contact Kl is placed against the contact g2, whereby the circuit of the motor Gm is closed and the dial S is rotated by it in the direction of the arrow. When the equilibrium position is reached, contact K1 becomes detached from contact X2 o, so that the circuit is interrupted and the motor stops.
After reading the weight in the manner described in connection with Fig. 1 and 2, the pole reversing holder is turned into the position shown by dashed lines and the load is removed, whereby the pointer Z comes to the contact K3 due to the tension of the spring D to the plant. The motor Gm now runs in the opposite direction and turns the dial S back into the zero position. If this is reached, then, as a result of the loss of the tension in spring D, contact KI is again free from contact Z3, so that the motor stops.
The adjustment of the dial S in accordance with the applied load and the return to the zero position thus take place automatically, and the operator only has to take care of viewing and reading.
If necessary, an outside switch can also be arranged between the direct current source Gl and the pole reversing holder P.
The torsion spring balance described in various embodiments can be used not only for weighing purposes, but also in general for measuring, compensating or regulating forces, for example also for controlling throttles, valves, electrical and other machines and apparatus; will. The torsion spring balance according to the invention can also be used in gravimeters for determining the relative magnitude of the acceleration due to gravity and in seismographs. In the latter cases, the measuring system is loaded by a weight, the torque of which balances the torque generated by the measuring spring in the starting position. The reading or registration can take place in a manner known per se with the aid of rotating mirrors, photocells or the like.
In these cases, the torsion spring system represents a vertical spring pendulum.
The spring arrangement carrying the movable system can also consist of a single leaf spring, which in this case runs vertically when the system is in equilibrium, the center of gravity of the movable system coinciding with the plane of the leaf spring when the system is in equilibrium. Then the leaf spring is only subjected to train.