Präzisionsbalkenwaage
Die Erfindung betrifft eine Präzisionsbalkenwaage zur Schnellwägung für den Milligrammbereich. Es ist bekannt, bei elektronischen Balkenwaagen die Abtastung der Auslenkung des z. B. durch Spannband- oder Luftlagerung reibungsarm gelagerten Waagebalkens durch photo elektrische Messwertumformer, insbesondere durch photoelektrische Wegmesser vorzunehmen.
Hierbei dient das aus der Auslenkung abgeleitUte Signal der unmittelbaren Anzeige des Gewichtes.
Bekannt sind weiterhin Mikrowaagen nach dem Prinzip der automatischen Kompensation, bei denen ein aus der Balkenlage abgeleitetes HF-Signal mittelbar ein Drehmoment erzeugt, welches den Waagebalken wieder in seine ursprünflgliche Nullstellung zurückführt. Es wird hierbei das von der Last hervorgerufene Drehmoment durch ein elektrisches Gegendrehmoment kompensiert, wobei der hierfür erforderliche Kompensationsstrom ein Mass für die am Waagebalken angreifende Kraft (Gewicht) ist. Für die Erzeugung des Drehmomentes wird eine an Spannbändern zwischen den Polen eines Magnetsystems aufgehängte Drehspule benutzt, die gleichzeitig den Waagebalken trägt.
Es ist auch insbesondere bei registrierenden Mikrowaagen bekannt, aus der Balkenstellung über eine photo elektrische Abfragung eine Drehmomenterzeugung vorzunehmen, wobei der Strom für die in einem Magnetfeld angeordnete spannbandgelagerte Drehspule (Drehmomentenmotor) ein Mass für das Drehmoment ist.
In der Tabakwaren-Industrie, in der Pharmazeutischen Industrie und anderen Industriezweigen sind für die Produktionskontrollen täglich viele tausend Wägungen erforderlich, weil Übergewichte einerseits den Gewinn am Fabrikat zunichte machen können, anderseits Untergewichte z. B. die Wirksamkeit einer Droge in Frage stellen können. In jedem Falle kommt es neben der (meist relativen) Wäge-Genauigkeit auf eine sehr kleine Wägezeit an. Sie hängt ab von der zu bewegenden Masse und dem Weg, den diese Masse zurücklegen muss, bis der Wegaufnehmer die Verlagerung des Waage-Balkens bemerkt und ein entsprechendes Gegendrehmoment erzeugt wird. Hierbei kommt es zu einem Überschreiten der Nullage und damit zu einem Einpen dem in den Abgleichnullpunkt.
Durch eine geeignete Phasenverschiebung zwischen Messgrösse und Stellgrösse lässt sich dieses Überschwingen zwar in Grenzen halten, beeinflusst aber die Abgleichzeit dennoch in zweiter Ordnung.
Mit der Verkleinerung der Tara-Masse (Waagebalken, Schale, Gegengewicht) kommt man recht schnell an die Grenze der mechanischen Stabilität, somit bleibt lediglich die Möglichkeit der Reduzierung des Weges der bewegten Masse.
Bei den bekannten Fein- und Schnellwaagen mit photoelektrischer Abtastung sind hohe Empfindlichkeit und kleine Einstellzeit bereits sehr weit entwickelt; sie finden jedoch ihre Begrenzung darin, dass bei allen für die Abtastung der Auslenkung des Waagebalkens zur Anwendung kommenden photoelektrischen Umformern (Photodiode, Phototransistor usw.) bedingt durch Aufbau des Umformers und Grösse seiner lichtempfindlichen Schicht eine volle Ausnutzung ihrer gegebenen Empfindlichkeit nur dann erreicht wird, wenn eine bestimmte, zwar relativ kleine, für die Erzielung einer schnellen Einstellzeit und damit kurzen Wägezeit jedoch grosse Auslenkung des Waagebalkens vorgegeben wird.
Gemäss der Erfindung werden diese Nachteile dadurch vermieden, dass der photoelektrische Wegmesser eine Halbleiter-Photowechseldiode ist. Durch diese Ausbildung kann die maximal mögliche Auslenkung des Waagebalkens auf einen Wert begrenzt werden, der in der Grössenordnung der in dem Halbleiterkristall eindiffundierten Grenzschichten liegt, wodurch sehr kleine Wägezeiten im Millisekunden-Bereich erreicht werden.
Photoempfindliche Diskriminatoren, die Photowechseldiode mit Grenzfrequenzen im MHz-Gebiet enthalten, sind bekannt (Prospekt der Fa. Raytheon-Elsi, Palermo, Italien, z. B. Typ REP-liD). Sie werden in speziellen elektronischen Schaltungsanordnungen verwendet und bestehen aus einem hochdotierten Germanium Halbleiter-Bauelement, das zwei in einem Abstand von etwa 0,05 mm eindiffundierte Emitter auf einem gemeinsamen Kollektor besitzt. Die beiden aus den getrennten Emittern und dem gemeinsamen Kollektor gebildeten Photogeneratoren geben eine EMK unterschiedlicher Polarität ab, wobei bei gleichstarker Beleuchtung der beiden Photogeneratorflächen die Summe der äusseren Spannung gleich Null ist.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels gemäss der Erfindung, die Fig. 2 den Kennlinienverlauf der Photowechseldiode bei tÇber- streichung mit einem Lichtspalt.
Der Waagebalken 1 aus Quarz oder Aluminiumrohr trägt die innerhalb des Magnetkreises 2 angeordnete Drehspule 3. Waagebalken und Spule, ausgelegt für ein Eigengewicht von etwa 20 mg, werden durch zwei Spannbänder 4, z. B. aus Platiniridium, getragen, die beispielsweise über Halterungen 5 und Spannfedern 6 verankert sind. Die Spannbänder 4 dienen zugleich der Stromzuführung für die Drehspule 3.
Der Waagebalken trägt an seinem einen Ende die Lastschale 7 und läuft am anderen Ende in eine Schlitzblende 8 aus. Letztere ist Teil der aus Lampe 9, Optiksystem 10 und Photowechseldiode 11 bestehenden Lichtschranke. Die Photowechseldiode 11 besteht aus zwei durch eine Trennfiäche 12 unterteilte Photogeneratoren 13, 14; sie besitzt die Überstreichung mit einem Lichtspalt eine Auspreeliempfindliclikeit von wenigen Mikron. Der Photowechseldiode ist bei Gegeneinanderschaltung ihrer beiden Photo generatoren ein Differenzverstärker 15 und diesem ein Servoverstärker 16 zur Erzeugung des Stromes für die Drehspule 3 nachgeschaltet. Die Wirkungsweise der optischen Abtastanordnung geht aus dem Kennlinienverlauf nach Fig. 2 hervor.
Ein Lichtspalt überstreiche in einer Breite von etwa 0,1 mm die Photowechseldiode 11 von oben nach unten (von -X bis +X) und parallel zu ihrer Trennfläche 12.
Hierbei erzeugt zuerst der obere Photogenerator 13 eine EMK, die ein Maximum (positives Potential +E) durchläuft, wenn die vordere Lichtspaltkante die Trennfläche 12 erreicht. Greift nun der Lichtspalt auf den zweiten Photogenerator 14 über, so erzeugt dieser eine EMK mit entgegengesetztem Vorzeichen, was zur Kompensation führt (Kurvenzug 17, 18). Sind beide Photogeneratorflächen intensitätsgleich beleuchtet, ist das Potential Null. Läuft jetzt der Lichtspalt weiter nach unten, so überwiegt die EMK des unteren Photogenerators 14 (negatives Potential -E2). Sie wächst linear mit der Bewegung des Lichtspaltes an und erreicht ihr Maximum, wenn die hintere Lichtspaltkante die Trennfläche 12 verlässt.
In der Umgebung des Nullpunktes (Kreisgebiet 20 der Fig. 2, in Fig. 3 vergrössert dargestellt) stehen schon bei Änderungen von wenigen Mikrons relativ grosse und richtungsabhängige Spannungsänderungen zur Verfü gung, die nach entsprechender Verstärkung eine sofortige Rückführung des Waagebalkens in seine Nullstellung bewirken.