CH391315A - Verfahren und Vorrichtung zur Wägung in geschlossenen Versuchsgefässen - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren und Vorrichtung zur Wägung in geschlossenen
Versuchsgefässen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wägung in geschlossenen Versuchsgefässen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Versuchsgefässe können evakuierbar oder mit Schutzgas füllbar sein.



   Wägungen unter diesen Bedingungen sind für Forschung und Technik von grösstem Interesse. Bisher war es erforderlich, die vielfach für diesen Zweck speziell entwickelte Waage in das Versuchsgefäss einzubauen. Die konstruktiven Möglichkeiten für derartige Wägesysteme sind begrenzt, und vor allem ist es schwierig, bei der Konstruktion die Vorbedingungen für ein gutes Hochvakuum zu erfüllen. Daher war es bis heute noch nicht möglich, eine ausheizbare Feinwaage mit genügender Tragkraft zu bauen.



   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dass Werkstoffvolumen der in das Versuchsgefäss einzubauenden Waagenteile auf ein Minimum zu begrenzen, so dass zwangsläufig der Umfang der gasabgebenden Flächen klein gehalten werden kann. Wenige Bauteile lassen sich auch hinsichtlich ihrer Oberflächenreaktion im Vakuum viel besser auswählen.



   Erfindungsgemäss wird zur Wägung in abgeschlossenen Räumen der untere in dem Versuchsgefäss befindliche Teil (Untergehänge) des in zwei mechanisch nicht verbundene Teilgehänge unterteilten lastseitigen Gehänges allein durch magnetische Zugkraft von dem oberen ausserhalb des Versuchsgefässes angeordneten Teil (Obergehänge) frei in einem stabilen Schwebezustand gehalten und Abstandsänderungen zwischen Unter- und Obergehänge wird durch automatisch wirkende Mittel entgegengewirkt. Auf das Gehängesystem wirken ausser dem Zug der Last und der Reaktionskraft am Waagebalken dann keine äusseren Kräfte ein.



   Der herrschende stabile Gleichgewichtszustand wird beispielsweise dadurch ermöglicht, dass das im Versuchsgefäss frei schwebende Untergehänge die magnetische Zugkraft des im Obergehänge befindlichen Magnetsystems derart steuert, dass der Abstand (Luftspalt) zwischen den   Gehängeteilen    konstant bleibt, d. h. ein stabiler Schwebezustand eingestellt wird. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen. Bei einer Ausführungsform derartiger Vorrichtungen wird der magnetische Fluss einer am Obergehänge angeordneten Steuerspule durch Induktivitätsänderungen einer ebenfalls dort angeordneten Indikatorspule unter Zwischenschaltung elektronischer Hilfsmittel gesteuert, wobei die Induktivität der Indikatorspule selbst durch den unterschiedlichen Abstand einer am Untergehänge befestigten Metallplatte beeinflusst wird.



   Ferner kann man zur Steuerung des Magnetflusses der am Obergehänge angeordneten Steuerspule ein lichtelektrisches System vorsehen, welches diese Steuerspule unter Zwischenschaltung elektronischer Mittel steuert, wobei das lichtelektrische System auf Abstandsänderungen zwischen Obergehänge und Untergehänge anspricht.



   Auch kann der Magnetfluss einer am Obergehänge angeordneten Steuerspule über ein Kondensatorsystem unter Zuhilfenahme elektronischer Hilfsmittel gesteuert werden.



   Hierbei wird ein Belag des Kondensatorsystems am Obergestänge ein zweiter am freischwebenden Untergehänge in der Weise angebracht, dass sich die Kapazität des Kondensatorsystems mit dem Abstand der   Gehängeteile ändert und eine entsprechende Veränderung des magnetischen Flusses bewirkt.



   Zur Unterdrückung von   Abstand sschwingungen    der magnetisch gekoppelten Teile werden in den elektronischen Steuerungshilfsmitteln zweckmässig Zeitglieder, z. B. RC-Glieder eingeschaltet, wie sie in der Regelungstechnik üblich sind.



   Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist erfindungsgemäss eine Vorrichtung vorgesehen, welche ein am Obergehänge angeordnetes, aus einem Magneten mit Polschuh, Kern und Steuerspule bestehendes Magnetsystem, einen am Untergehänge angeordneten von einer Metallplatte abgedeckten Magneten und ein Abstandsmess- und Regelmesssystem umfasst.



   Die Metallplatte beeinflusst die Induktivität der Indikatorspule. Diese kann in eine Induktivitätsmessbrücke eingegliedert oder an einen Oszillator angeschlossen werden und über Gleichrichter, Verstärker, Zeitglieder und einen Leistungsverstärker mit der Steuerspule verbunden sein.



   Wird der Magnetfluss in der Steuerspule lichtelektrisch gesteuert, so kann hierzu am Gehänge eine Blende angeordnet sein, die einen Lichtstrom beeinflusst, der auf eine Photozelle trifft. Die Photozelle wird dann über elektronische Schaltmittel mit der Steuerspule verbunden.



   Lässt man den Magnetfluss über ein Kondensatorsystem steuern, so wird das Kondensatorsystem, dessen beweglicher Belag an dem freischwebenden Untergehänge angeordnet ist, über elektronische Steuerungsmittel mit der Magnetspule am Obergehänge verbunden.



   Zur Inbetriebnahme der Waage aus dem Ruhestand, wobei das Untergehänge entweder aus dem Bereich der magnetischen Anziehung herausgefallen oder aber nach oben angezogen sein kann, können besondere Mittel im Vakuumgehäuse vorgesehen sein.



  Diese können mechanischer, magnetischer oder elektrischer Natur sein. Um das Vakuum nicht zu beeinträchtigen, müssen sie ferner von aussen, gegebenenfalls auch durch einen Servomotor mit Batteriebetrieb, bedienbar sein. Im letzten Fall wäre eine vakuumdichte Stromdurchführung möglich. Die für die Inbetriebnahme der Waage vorgesehenen Mittel können gleichzeitig so ausgebildet sein, dass sie eine Arretierung ermöglichen.



   Die Erfindung ist in den Zeichnungen in mehreren Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 das Gehänge der ausserhalb des Versuchsgefässes aufgestellten Waage im Schnitt, bestehend aus dem äusseren Obergehänge und dem im Versuchsgefäss befindlichen Untergehänge.



   Fig. 2 Blockschaltbild der automatischen, induktiven Abstand steuerung mittels elektronischer SchalteIemente.



   Fig. 3 Untergehänge mit eingebauter Lichtschranke.



   Fig. 4 Blockschaltbild der automatischen fotoelektrischen Abstandssteuerung.



   In Fig. 1 ist mit 1 der Waagebalken bezeichnet.



  Das Obergehänge. das in herkömmlicher Weise mittels Schneide 2 und Pfanne 3 am Waagebalken befestigt ist, enthält das Magnetsystem, bestehend aus dem Magnetkern 4, mit Polschuh 5, dem Kern 6 und einem Weicheisentopf 7. Mit 8 ist die Indikatorspule und mit 9 die Steuerspule bezeichnet.



   Das im abgeschlossenen Versuchsgefäss 10 freischwebende Untergehänge enthält den Magneten 11, der sich in dem vorzugsweise aus weichmagnetischem Werkstoff bestehenden Topf 12 befindet. Dieser ist mit der   Kupierplatte    13 hochvakuumdicht verlötet.



  Am Boden von Topf 12 ist ein Stab 14 befestigt, der an dem Haken 15 die Schale 16 mit der zu wägenden Substanz trägt.



   Das zum induktiven Steuersystem gehörende Blockschaltbild nach Fig. 2 lässt erkennen, dass die Indikatorspule   8' des    Obergehänges (Magnetsystems) in eine Induktivitätsmessbrücke oder eine ähnliche Messvorrichtung eingeschaltet ist. 17 ist ein Oszillator, 18 ein Gleichrichter-Verstärker und 19 ein Leistungsverstärker. Mit 20 sind in der Regeltechnik übliche Zeitglieder, z. B. RC-Glieder bezeichnet.



   Das in Fig. 3 dargestellte System zur fotoelektrischen Steuerung enthält die Lampe 21, den Kondensor 22 und das Objektiv 23 sowie eine am Stab   14' des    Untergehänges befestigte Blende 24. Mit 25 ist ein Fotoempfänger bezeichnet. Die Teile 21, 22, 23 und 25 sind sämtliche starr mit dem Obergehänge verbunden, sofern man sie nicht gehäusefest anbringt und mit dem Obergehänge eine zweite in den Strahlengang eingreifende Blende verbindet.



   Das Blockschaltbild nach Fig. 4 gehört zum fotoelektrischen System. Darin bedeuten   25' den    Fotoempfänger, 26 einen Verstärker und 27 einen Endverstärker; mit 28 sind auch in diesem Falle Zeitglieder bezeichnet.



   Die Wirkungsweise der beschriebenen Wägeeinrichtung ist folgende: An den während des Wägevorganges freischwingenden Waagebalken 1 ist das zweiteilige Gehänge in bekannter Weise über Schneide 2 und Pfanne 3 angelenkt. Damit wird eine berührungslose Gewichtsbestimmung in einem Versuchsgefäss, beispielsweise einem Vakuumgefäss, durch mechanische Trennung des Gehänges in zwei Hälften erreicht.



  Anstelle der mechanischen Verbindung ist ein zwischen dem Ober- und Untergehänge aufrechterhaltenes Ma  gnetfeld    getreten, welches beide Gehängehälften in einem räumlich definierten Abstand voneinander hält.



  Dann ist die wägetechnisch ausnutzbare Schwingungsamplitude des Waagebalkens 1 gleich diesem Abstand (Luftspalt), verringert um die Dicke der zwischen Ober- und Untergehänge liegenden Wandung des Versuchsgefässes 9. Um ein störungsfreies Arbeiten zu gewährleisten, darf das Magnetfeld mit dem Vakuumgefäss nicht in Wechselwirkung treten, d. h. dieses darf nicht aus einem ferro- bzw. paramagnetischen oder elektrisch leitenden Werkstoff bestehen.



  Wie ferner leicht einzusehen ist, muss die Belastung der Waage, die sich aus dem Eigengewicht des Unter  gehänges und dem jeweiligen Gewicht der in der Schale 15 zur Wägung befindlichen Substanz zusammensetzt, stets kleiner sein als die von dem im Obergehänge befindlichen Magnetsystem maximal erzeugte Hubkraft.



   Die Wirkung der Schwebesteuerung wird am Beispiel einer induktiven Anordnung wie folgt beschrieben:
Die Indikatorspule 8 des Magnetsystems ist in eine Induktivitätsmessbrücke derart eingeschaltet, dass bei Abweichung der Induktivität von einem bestimmten, der Ruhelage des unteren Gehänges relativ zum oberen entsprechenden Wert am Ausgang der Messbrücke eine Wechselspannung auftritt. Diese wird in 18 verstärkt und gleichgerichtet und schliesslich dem Leistungsverstärker 19 zugeleitet, der die Steuerspule 9 speist.



  Die Polung wird so gewählt, dass die Steuerspule das Magnetfeld des Obergehänges schwächt, wenn sich das Untergehänge nähert.



   Dieser zum Pendeln neigende Vorgang wird durch RC-Glieder 20 zwischen Gleichrichter und Leistungsverstärker gedämpft. Unter diesen Voraussetzungen gelingt es, das Untergehänge in der Schwebe zu halten.



   Soll die Abstandssteuerung fotoelektrisch erfolgen, gelangt ein von der Lampe 21 ausgehender Lichtstrahl über einen Kondensor 22 und eine Optik 23 auf die lichtelektrische Zelle des Fotoverstärkers 25. Dessen Fotostrom wird von der am Gehänge 14' befestigten Blende 24 gesteuert. Das elektrische Signal der Fotozelle 25 wird schliesslich in einem Verstärker 26 verstärkt und nach nochmaliger Verstärkung in 27 zur Steuerung der Spule 9 verwendet. Es ist hierbei wesentlich, dass die gesamte Optik ausser der Blende 24 mit dem Obergehänge starr verbunden ist, oder wenigstens eine zweite, am Obergehänge befestigte Blende in den Strahlengang eingreift.



   Wird als Indikator schliesslich ein ausserhalb des Versuchsgefässes an Obergehänge angeordnetes Kondensatorsystem, d. h. eine variable Kapazität verwendet, bleibt zwar die beschriebene Messanordnung im wesentlichen bestehen, es wird aber die Messeinrichtung für die Induktivität in eine sonst analog aufgebaute Kapazitätsmesseinrichtung verwandelt werden müssen.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRüCHE I. Verfahren zur Wägung in geschlossenen Ver suchsgefässen, dadurch gekennzeichnet, dass der untere in dem Versuchgefäss befindliche Teil (Untergehänge) des in zwei mechanisch nicht verbundene Teilgehänge unterteilten lastseitigen Gehänges allein durch mag netische Zugkraft von dem oberen ausserhalb des Versuchsgefässes angeordneten Teil (Obergehänge) frei in einem stabilen Schwebezustand gehalten wird und Abstandsänderungen zwischen Untergehänge und Obergehänge durch automatisch gesteuerte Mittel ent gegengewirkt wird.

   II. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch ein am Obergehänge angeordnetes aus einem Magneten (4) mit Polschuh (5), Kern (6) und Steuerspule (9) bestehendes Magnetsystem, einen am Untergehänge angeordneten von einer Metallplatte (13) abgedeckten Magneten und durch ein Abstandsmess- und Regelsystem.

   UNTERANSPRüCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Einhalten eines stabilen Schwebezustandes freischwebende Untergehänge durch die magnetische Zugkraft des im Obergehänge befindlichen Magnetsystems derart automatisch gesteuert wird, dass der Abstand (Luftspalt) zwischen den beiden Gehängeteilen konstant bleibt.

   2. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels durch Abstandsänderungen zwischen freischwebendem Untergehänge mit Metallplatte (13) und Indikatorspule (8) hervorgerufene Induktivitätsänderungen die magnetische Zugkraft des Magnetsystems geregelt wird.

   3. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfluss einer am Obergehänge angeordneten Steuerspule (9) von der Indikatorspule (8) unter Zwischenschaltung elektronischer Hilfsmittel gesteuert wird.

   4. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfluss der Steuerspule (9) unter Zwischenschaltung elektronischer Mittel von einem lichtelektrischen System gesteuert wird, welches auf Abstandsänderungen zwischen Obergehänge und Untergehänge anspricht.

   5. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfluss der Steuerspule (9) unter Zwischenschaltung elektronischer Hilfsmittel von einem Kondensatorsystem her gesteuert wird, dessen beweglicher Kondensatorbelag an den freischwebenden Untergehänge in der Weise angebracht wird, dass eine Veränderung des Abstandes eine entsprechende Änderung der Kapazität und mithin des magnetischen Flusses bewirkt.

   6. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem und der Magnet (11) am Untergehänge in je einem Weicheisentopf (7 bzw. 12) untergebracht sind.

   7. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstandsmesssystem am Untergehänge (14') eine Blende (24) angeordnet ist, die in einem von einer Lampe (21) ausgehenden, zu einer Fotozelle (25) führenden Lichtstrahl, beweglich ist.

   8. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotozelle (25, 25') über einen Verstärker (26), Zeitglieder (28) und einen weiteren Verstärker (27) mit der Steuer spule (9, 9') verbunden ist.

   9. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Ab standsmess- und Regelsystem am Obergehänge eine in eine Vergleichs- und Verstärkeranordnung eingeschaltete Indikatorspule (8) vorgesehen ist.

   10. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unter anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikatorspule (8) in eine Induktionsmessbrücke eingeschaltet ist.

   11. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikatorspule (8) an einen Oszillator (17) angeschlossen ist und über einen Gleichrichterverstärker (18), Zeitglieder (20) und einen Leistungsverstärker (19) mit der Steuerspule (9) verbunden ist.

   12. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Untergehänge der bewegliche Kondensatorbelag eines Kondensators befestigt ist.

   13. Vorrichtung nach Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator über elektronische Mittel, wie Verstärker, Zeitglieder und dergleichen mit der Steuerspule (9) verbunden ist.