Waage, bei welcher die zu bestimmende Masse im wesentlichen durch eine Gegenmasse im Gleichgewicht gehalten wird
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Waage, bei welcher die zu bestimmende Masse im wesentlichen durch eine Gegenmasse im Gleichgewicht gehalten wird und nur kleine Fehlbeträge mit Vorzeichen und Grösse durch den Ausschlag eines Waagbalkens, z. B. auf einer Einteilung, vergrössert angezeigt werden.
Solche Waagen haben in der Regel drei Schneiden, nämlich immer eine Stützschneide und eine Schneide mit Schale für die zu bestimmende Masse. Eine dritte Schneide mit Schale für die Gegenmasse ist in der Regel vorhanden, kann aber auch durch eine fest auf dem Waagbalken angebrachte Gegenmasse ersetzt werden.
Sogenannte Neigungswaagen, d. h. solche, bei weI- chen die ganze zu bestimmende Masse oder ein erhebli- cher Teil derselben durch den Ausschlag des Waagbalkens angezeigt wird, sind somit nicht Gegenstand der Erfindung.
Die Einteilung kann unabhängig von der Belastung genau bestimmter Gewichtseinheiten, z. B. je einem Gramm entsprechen oder sie kann, in Abhängigkeit von der Grösse der zu vergleichenden Massen, verschieden grossen Wert anzeigen, Für höchstpräzise Waagen zum Vergleichen von Normalgewichten oder für physikalische Messungen wird die letztgenannte Ausführung oft bevorzugt.
Der Ausschlag der genannten Waagen wird im allgemeinen direkt an einem fest mit der Waage verbundenen Zeiger und einer am Gestell angebrachten Einteilung ohne oder mit optischer Vergrösserung abgelesen.
Hochpräzises Wägen mit den beschriebenen üblichen Waagen ist mühsam und zeitraubend. Die Schwingfrequenz solcher Waagen ist sehr niedrig (etwa 0,2 bis 0,02/s), und in der Regel müssen zwecks Mittelwertbildung mehrere Schwingungen abgewartet werden.
Dämpfungsvorrichtungen haben bei solchen Waagen nicht allgemein Eingang gefunden.
Mit starken optischen oder mechanischen Vergrö sserungen des Waagbalkenaussehlages gegenüber der Auflage (Gestell) kann die Schwingfrequenz erhöht werden. Eine fünf- bis zwanzigfach höhere Schwingfrequenz ist erwünscht. Vereinfachend kann gesagt werden, dass eine hundertfache Übersetzung eine bis etwa zehafach höhere Schwingfrequenz ergeben kann, woraus folgt, dass eine Vergrösserung des Waaghebelausschlages um das fünfundzwanzig- bis vierhundertfache erwünscht ist.
Jede derart grosse Übersetzung hat zur Folge, dass bei der Aufstellung solcher Waagen grosse bis extreme Anforderungen in bezug auf die Nachgiebigkeit des Tisches, des Bodens usw. gestellt werden müssen. Es kann z. B. das Auflegen der Hand auf den Tisch oder das Hinzutreten einer Person an den Tisch bzw. die Waage die Anzeige fälschen. Da aber öfter Waagen in Gebäuden aufgestellt werden müssen, welche z. B. infolge laufender Maschinen oder des Strassenverkehrs Erschütterungen ausgesetzt sind, muss die Aufstellung der Waagen mit einer Schwingungsisolierung erfolgen. Unter anderem müssten sie gegenüber dem Gebäude elastisch aufgestellt werden, was in direktem Widerspruch zur Forderung der Unnachgiebigkeit des Aufstellungsortes steht. Gegenpendelanordnungen können die Empfindlichkeit von Waagen in bezug auf Nachgiebigkeit bzw.
Schiefstellung aufheben, haben sich aber auf dem Gebiet der Fein- und Feinstwaagen nicht durchgesetzt. Jedenfalls wäre eine präzise Gegenpendelanordnung mit verhältnismässig hohem Aufwand verbunden.
Die erfindungsgemässe Waage ist aus der Erkenntnis herausentwickelt worden, dass es technisch sinnvoller erscheint, Störungseinflüsse auszumerzen, als solche in Kauf zu nehmen und sie mit Gegenannahmen dann zu eliminieren. Die Waage nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch an dem Waagbalken angebrachte Wahr nehmungsorgane zum Messen und Anzeigen des Waagbalkenausschlages. Somit werden an sich bekannte, z.
B. bei Neigungswaagen gebräuchliche Mittel benützt, wie reibungsarme mechanische Getriebe oder optische Vergrösserungen des Waagbalkenausschlages, wobei jedoch nicht der Waagbalkenausschlag in Beziehung zum Gestell der Waage, sondern der Ausschlag des Waagbalkens direkt gegenüber der Richtung der Schwerkraft wahrgenommen wird, wobei zwecks Erreichung einer verhältnismässig hohen Schwingfrequenz, der Schwerpunkt des vom Waagbalken und den mitschwingenden Massen gebildeten Systems zweckmässig mindestens 1% der einfachen Hebellänge tiefer als die Stützschneide liegt.
Bei ungleicharmigen Waagbalken bezieht sich der genannte Prozentsatz auf den kürzeren Hebelarm.
Der Weg, der zur Erfindung geführt hat, weicht demnach völlig vom bekannten ab, da im Gegensatz zu den erfindungsgemäss vorgeschlagenen Massnahmen, die bisherigen Waagen gleicher Gattung einen Waagbalken aufweisen, dessen Ausschlag in Beziehung zum Gestell der Waage wahrgenommen wird und dessen massgebender Schwerpunkt erheblich weniger als 1% der einfachen Hebellänge (in der Regel 0,1X und weniger) unterhalb der Stützschneide liegt.
Tn der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsheispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Da vor allem die Gestaltung des Waagbalkens der Waage und der Wahrnehmungsorgane erheblich ist, hat man der Einfachheit halber auf eine vollständige Darstellung einer ganzen Waage verzichtet. Es zeigen: Fig. 1 einen Aufriss des Waagbalkens mit Stützlager,
Fig. 2 eine Variante,
Fig. 3 ein Detail einer Variante des Zeigerantriebes,
Fig. 4 eine Variante mit optischen Mitteln und
Fig. 5a-7 drei weitere Varianten.
Fig. 1 zeigt schematisch einen gleicharmigen Waagbalken 1 mit der Stützschneide 2, auf dem Stützlager 3 gelagert, das in nicht gezeichneter Weise auf Tisch oder Boden abgestützt ist. Der Waagbalken 1 könnte auch nach Art der sogenannten Handwaagen in einer Schere genannten Vorrichtung (z. B. an einem Kran) hängen, was für sehr schwere Normalgewichte (z. B. 5 t) die einfachste Wägemöglichkeit ergibt.
Mittels eines Halters 4 mit einem Bandgelenk 5 ist ein Pendelstab 6 mit einer Masse 7 am Waagbalken pendelnd aufgehängt. Das untere Ende des Pendelstabes 6 ist über ein weiteres Gelenk 8, eine Koppel 10 und ein weiteres Gelenk 11 an einem Zeiger 12 angelenkt, der bei 13 auf dem Hebel 1 gelagert ist.
Ein Gegengewicht 14 ist am unteren Ende des Zeigers unter dem Stützlager angebracht. Der Zeiger 12 spielt über der Einteilung 15, welche ebenfalls am Waagbalken 1 befestigt ist. Neigt sich der Waagbalken 1 beispielsweise infolge Überlast an der Schneide 16, so dreht sich der Pendelstab 6 zum Hebel 1 im Uhrzeigerdrehsinn und der Zeiger 12 im Gegenuhrzeigerdrehsinn.
An der Teilung 15 wird somit das Übergewicht an der Schneide 16 angezeigt. Die Masse des Waagbalkens ist vorwiegend unter die Mittelschneide 2 gelegt. Wenn notwendig, ist eine Zusatzmasse 17 vorgesehen, die zweckmässig an der tiefsten Stelle des Waagbalkens 1 angebracht ist.
In besonderen Fällen, z. B. für Waagen zum Abgleichen grosser Normalgewichte können die Endschneiden, wie mit den Schneiden 16b, 1 6c angedeutet, erheblich tiefer (h) als die Stützschneide 2 angebracht werden, was den Gesamtschwerpunkt von Waagbalken mit Schalen und Gewichten erheblich senkt und im vorgenannten Fall den Vorteil hat, dass die Empfindlichkeit bei geringerer Last grösser als bei grösserer Last ist. Gewicht und Schwerpunkte der mitspielenden Elemente (Waagbalken, Gehänge und Schalen) können mit der Senkung der Lastschneiden (16b, 16c) so kombiniert werden, dass auf der Einteilung Proportionalteile (z. B. 1/100 000) der jeweiligen Last angezeigt werden.
Eine Dämpfung der Anzeigeelemente ist zweckmässig. Sie kann, wie bei Fig. 1 angedeutet, beispielsweise mit einem am Waagbalken 1 befestigten Dauermagnet 18 bewirkt werden, zwischen dessen Polschuhen ein am Pendel befestigtes Blech 19 liegt. Auch Öldämpfungen können verwendet werden. Eine weitere Dämpfung, nämlich diejenige des Waagbalkens gegen über dem Gestell, kann nützlich und in üblicher Weise angebaut sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 gezeigt. Der am nicht voll gezeichneten Hebel 1 befestigte Träger 4 mit Gelenk 5 trägt das als flache Platte 21 ausgebildete Pendel. Sie trägt das Zeigerlager 13 mit dem Zeiger 12, welcher über der ebenfalls fest an der Platte 21 angebrachten Einteilung 15 spielt. Die Platte 21 trägt am unteren Ende einen Dämpfungsflügel 19, der zwischen den Polen des am Waagbalken 1 fest angebrachten Magneten 18 liegt.
Eine Koppel 10 führt vom Gelenk 11 am Zeiger 12 zum weiteren, hier am Waagbalken 1 befestigten Gegengelenk 20.
Zu Fig. 1 und 2 sind Zeigerübersetzungen gezeichnet, bei welchen der Antriebsarm nur eine geringe Winkelbewegung des Zeigers zulässt. Dies ist für manche Zwecke ausreichend. Fig. 3 zeigt, dass es aber auch möglich ist, statt des Antriebhebelarms (d. h. statt des Abstandes zwischen dem Gelenk 11 und dem Drehpunkt 12 in Fig. 1) ein kleines Zahnrad 22 zu verwenden und das Koppelende der Koppel 10, das dem Zeiger 12 zugeordnet ist, als Zahnstange 23 auszubilden.
Die Einteilung 15 kann bei kleinen Winkelausschlägen von Pendel und Zeiger gleichmässig ausgeführt werden.
Für grössere Winkelausschläge kann nach bekannten Regeln eine gleichen Gewichtswerten entsprechende un- regelmässige Einteilung angebracht werden.
Fig. 4 zeigt beispielsweise den Anzeigeteil der Vorrichtung unter Verwendung optischer Vergrösserungen.
Auf dem Waagbalken 1 ist mittels dcs Trägers 4 und des Gelenkes 5 das Pendel 31 angebracht, dessen unteres Ende die Einteilung 15 trägt. Zwecks Ablesung der Einteilung 15 am Waagbalken 1 ist ein Mikroskop 32 mittels des Trägers 33 befestigt. Statt eines Mikroskops kann eine andere optische Vergrösserung, z. B. Projektionsvergrösserung, angewandt werden.
Wie auch in den Beispielen 1 und 2 sind auch hier ausser der Schwerkraftrichtung nur die zwei Bezugspunkte am Waagbalken für die Anzeige massgebend.
Jede Beeinflussung vom Auflager 3 (bzw. des Gestells, Tisches oder Bodens) her ist somit ausgeschlossen.
Statt materiellen Zeigern gemäss Fig. 1 bis 4 können auch Lichtzeiger verwendet werden.
Fig. 5, 5a, 6 und 7 zeigen je eine Anordnung von einem am Waagbalken angeordneten Gefäss, mit Flüssigkeit und einem freien, der Schwerkraft unterliegenden Flüssigkeitsspiegel. Sie zeigen ferner den Strahlengang eines Lichtstrahls zwecks Messung des Waagbalkenausschlages gegenüber dem Flüssigkeitsspiegel.
Fig. 5 zeigt in Normalstellung schematisch eine Anordnung mit Quecksilberspiegel. Am nichtgezeichneten Waagbalken ist ein Gefäss 41 mit Quecksilber 42 und Flüssigkeitsspiegel 43 befestigt. Das Gefäss 41 ist oben durch eine Glasplatte 44 abgeschlossen. Ebenfalls mit dem Waagbalken, bzw. dem Gefäss 41 fest verbunden ist eine Lichtquelle 45 und ein optisches System 46 zwecks Bündelung des Lichtes. In der Normalstellung von Waagbalken und Gefäss 41 wird der Strahl Lo als L1 in der Einfallsrichtung reflektiert und trifft entsprechend auf die Nullmarke 48 der Einteilung 47, welche ebenfalls mit dem Waagbalken fest verbunden sind.
Fig. 5a zeigt den Strahlengang derselben Einrichtung, jedoch in (stark übertrieben gezeichneter) geneigter Stellung des Waagbalkens. Der Lichtstrahl Lo wird entsprechend der Neigung a zur Vertikalebene N als L1 vom Quecksilberspiegel 43 reflektiert. Die Abweichung des Strahls L1 gegenüber dem Waagbalken bzw. der Nullmarke 48 beträgt somit 2 a.
Fig. 6 zeigt in geneigter Lage, eine ähnliche Anordnung. Der Boden 51 des Gefässes 41 besteht, wie auch der Deckel 54, aus Glas. Der Lichtstrahl Lo wird beim Durchgang durch den Flüssigkeitsspiegel 53 erstmals abgelenkt, trifft als L1 die Aussenseite des Glasbodens 51, wo er ein zweitesmal abgelenkt wird und als L2 die Ablenkung gegenüber der Nullmarke 48 anzeigt.
Fig. 7 zeigt eine weitere Anordnung (nur in normaler Lage). Ein Gefäss 61 aus (zweckmässig organischem) Glas mit horizontalem Boden 62, zwei schrägen Wänden 63, 64 und einem Deckel 65 ist teilweise mit durchsichtiger Flüssigkeit mit freiem Flüssigkeitsspiegel 67 gefüllt. Der Lichtstrahl Lo durchdringt die Seitenwand 63, wird am Flüssigkeitsspiegel 67 erstmals total reflektiert (L1), ein zweitesmal an der Aussenseite des Bodens 62 (als L2) wiederum nach oben geworfen und am Flüssigkeitsspiegel zum drittenmal reflektiert (als La).
Er verlässt die schräge Wandung 64 und trifft auf die Nullmarke 48. Wird das Gefäss 61 mit der Lichtstrahlführung durch den Ausschlag des Waagbalkens um einen Winkel a geneigt, so ändert sich die Richtung der Strahlenteile L1 und L2 gegenüber dem Waagbalken um 2 a, während der Strahlteil Lg um 4 a abgelenkt wird. Eine zusätzliche untergeordnete Ablenkung tritt bei Austritt aus der Aussenfläche der schrägen Wand 64 auf. Natürlich kann der Strahl auch mehr als zweimal am freien Flüssigkeitsspiegel reflektiert werden, wodurch die jeweilige Verdoppelung der Ablenkung sich öfters wiederholt.
Zweckmässig werden bei Fig. 6 und 7 Glas und Flüssigkeit so gewählt, dass deren Berechnungsindex gleiche Grösse aufweist. Es ist dann nicht notwendig, die Innenfläche des Glases optischeben zu bearbeiten, während dies für die Aussenflächen von 51, 62, 63 und 64 notwendig ist.
Die beispielsweise beschriebenen Strahlablenkungen mittels eines freien Flüssigkeitsspielgels können zwecks Erzielung hoher Übersetzung des Ausschlagwinkels mannigfaltig geändert werden oder mit optischen Vergrö sserungen kombiniert werden.
Vorstehend ist nur eine einfache Waage mit nur einem Waagbalken beschrieben. Selbstverständlich können auch aus mehreren Hebeln zusammengesetzte Waagen die dargelegten Elemente enthalten.