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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur vergleichenden Massebestimmung
eines Prüflings, mit
einer Waage, deren Waagschale im Wechsel mit dem Prüfling und
einem Vergleichsnormal bekannter Masse bestückbar ist.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur vergleichenden Massebestimmung
eines Prüflings,
bei dem eine Waagschale einer Waage im Wechsel mit dem Prüfling und
einem Vergleichsnormal bekannter Masse bestückt und durch Vergleich ihrer
Gewichtskräfte
die Masse des Prüflings
bestimmt wird.
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Aus
der
DE 101 59 418
B4 ist eine Vorrichtung zur vergleichenden Massenbestimmung
eines Prüflings
bekannt. Die Waagschale einer Waage ist dabei im Wechsel von einer
Beladevorrichtung mit dem Prüfling
und einem Vergleichsnormal bekannter Masse bestückbar.
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Nachteilig
bei der bekannten Vorrichtung zur vergleichenden Masse- und auch
Volumenbestimmung eines Prüflings
ist, dass wegen des Komparatorprinzips (immer gleiche Lasten auf
der Waage) für Prüflinge unterschiedlichen
Nenngewichts unterschiedliche Vergleichsnormale benötigt werden.
Dies hat zur Folge, dass entweder Masse-Komparatoren mit durchgängigem Wägebereich
und eingeschränkter
Auflösung
oder unterschiedliche an die Prüflinge angepasste
Masse-Komparatoren
mit begrenztem elektrischen Wägebereich
(Fenster-Komparator) eingesetzt werden müssen. Weiterhin nachteilig
ist, dass bei Prüflingen
mit sehr kleinen Massen, diese nicht direkt mit einem wesentlich
schwereren Referenzgewicht verglichen werden können.
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Aus
der internationalen Empfehlung OIML R 111-1 der International Organization
of Legal Metrology, sind empfohlene Methoden zur Dichtebestimmung
bzw. Volumenbestimmung bekannt. Als genaueste Methode wird dabei
angesehen, den Prüfling
mit einem Referenzgewicht bzw. Vergleichsnormal sowohl in Luft als
auch in einer Flüssigkeit
mit bekannter Dichte zu vergleichen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bekannten Vorrichtungen
so zu verbessern, dass praktisch jeder beliebige Masse-Komparator
mit einem geringen elektrischen Wägebereich und hoher Auflösung verwendet
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1
dadurch gelöst,
dass in einem vertikalen Abstand parallel zur ersten Waagschale
eine mit der ersten Waagschale verbundene zweite Waagschale angeordnet
ist, die im Wechsel mit unterschiedlichen Substitutionsgewichten
bekannter Massen, so genannten Referenzgewichten oder Gewichtsnormalen,
bestückbar
ist.
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Durch
die Verwendung einer zweiten Waagschale bzw. zweiten Waagschalenebene
kann der Prüfling
durch das Substitutionsgewicht bekannter Masse zur Masse des Vergleichsnormals
ergänzt werden
bzw. zur Summe des Vergleichsnormals plus Masse eines zweiten Substitutionsgewichts
bekannter Masse ergänzt
werden. Dadurch kann jeder beliebige Masse-Komparator bzw. Waage
mit einem geringen elektrischen Wägebereich verwendet werden. Auch
können
so sehr kleine Massen direkt mit einer wesentlich schwereren Siliziumkugel
als Vergleichsnormal verglichen werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die Waagschalen über
ihnen zugeordnete Wechsler bestückbar.
Die Wechsler sind dabei miteinander zu einer Beladevorrichtung verbunden, über die
die beiden Waagschalen gleichzeitig bestückbar sind. Dadurch lässt sich
eine schnelle, präzise
und automatische wechselnde Bestückung der
Waagschalen erreichen.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die beiden Waagschalen in unterschiedlichen Medien
anordenbar. Durch unterschiedliche Medien mit unterschiedlicher
Dichte kann bei der Volumen- oder Dichtebestimmung die unterschiedliche
Dichte der Medien zur Bestimmung der Dichte von Prüflingen
in diesen zwei Medien benutzt werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die erste in vertikaler Richtung unten angeordnete
Waagschale in einem Behälter
mit einem flüssigen Medium
eintauchbar, während
die darüber
liegende zweite Waagschale von einem gasförmigen Medium umgeben ist.
Damit lässt
sich relativ kostengünstig
die in der OIML R 111 empfohlene Methode A des direkten Vergleichs
unterschiedlicher Massen/Volumina mittels hydrostatischer Wägung durchführen. Aus
einem einzigen Dichtenormal (z.B. Siliziumkugel) beliebiger Masse, bei
bekannter Masse und bekanntem Volumen, kann auf das Volumen und
somit die Dichte des Prüfkörpers, bei
dem nur die Masse bekannt ist, geschlossen werden. Durch den direkten
Anschluss an ein primäres
Dichtenormal (z. B. Siliziumkugel) ergeben sich sehr geringe Volumenunsicherheiten.
Außerdem sind
keine weiteren Gewichte als Volumenreferenzen nötig.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung bilden die beiden Waagschalen ein frei hängendes
Gehänge,
das zur Übergabe
von Prüflingen
und/oder Vergleichsnormalen und/oder Substitutionsgewichten auf
die Beladevorrichtung in einer Zwangsposition arretierbar ist. Durch
das Gehänge
bzw. die beiden hängenden Waagschalen
ist sichergestellt, dass die Krafteinleitung in die Waage immer
gleichförmig
exakt in vertikaler Richtung erfolgt. Damit können Fehlmessungen durch ungleichförmige Krafteinleitung
(Ecklastfehler) verhindert werden. Die Position der Gewichte auf
der hängenden
Waagschale hat somit praktisch keinen Einfluss auf das Wägeergebnis.
Um eine präzise
Gewichts- bzw. Massenübergabe
durchführen
zu können,
wird das Gehänge
unmittelbar vor der Gewichtsübergabe
zwangspositioniert und dabei arretiert. Die Arretierung erfolgt
mechanisch durch einen Hubmechanismus der Beladevorrichtung. Erst
unmittelbar vor der Wägung
erfolgt dann die Freigabe des Gehänges und somit die Aufhebung
der Arretierung. Zur Übergabe
der Gewichte weisen die Wechsler der Beladevorrichtung und die Waagschalen
des Gehänges gabelförmig ineinander
greifende Auflagebereiche auf. Derartige Auflagebereiche haben sich
bewährt und
sind beispielsweise aus der
DE 103 00 626 B3 bekannt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist zur Volumenbestimmung des Prüflings das Vergleichsnormal
ein bekanntes Volumen auf, wobei Vergleichsnormal und Prüfling in
einem flüssigen
Medium abwechselnd auf die erste Waagschale auflegbar sind. Das
Vergleichsnormal kann dabei beispielsweise als eine Siliziumkugel
mit bekannter Masse und bekanntem Volumen ausgebildet sein.
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Das
aus der
DE 101 59
418 B4 bekannte Verfahren weist die oben geschilderten
Nachteile auf.
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Weitere
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannten Verfahren so zu
verbessern, dass sie einfach und kostengünstig mit jedem beliebigen
Masse-Komparator verwendet werden können.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 10
dadurch gelöst,
dass parallel zur ersten Waagschale eine mit der ersten Waagschale
verbundene zweite Waagschale im Wechsel mit Substitutionsgewichten
bestückt
wird, und dass jeweils die Gewichtskraft des Prüflings plus der Gewichtskraft
des ihm zugeordneten Substitutionsgewichtes ermittelt und mit der
Gewichtskraft des Vergleichsnormals oder der Gewichtskraft des Vergleichsnormals
plus der Gewichtskraft eines dem Vergleichsnormal zugeordneten zweiten
Substitutionsgewichts ermittelt wird.
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Dadurch,
dass jeweils die Gewichtskraft des Prüflings plus der Gewichtskraft
des ihm zugeordneten Substitutionsgewichtes als Summe ermittelt
und mit der Gewichtskraft des Vergleichsnormals bzw. mit der Summe
der Gewichtskraft des Vergleichsnormals plus eines dem Vergleichsnormal
zugeordneten zweiten Substitutionsgewichts ermittelt wird, kann
jeder geeignete Komparator mit kleinem Wägebereich (Fensterkomparator)
oder jede Waage verwendet werden. Die Gewichtskraft des Prüflings kann
somit niedriger sein als die Gewichtskraft des Vergleichsnormals.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird die Gewichtskraftsumme von Prüfling und zugeordnetem Substitutionsgewicht
annährend
gleich der Gewichtssumme von Vergleichsnormal und zugeordnetem Substitutionsgewicht
gewählt,
wobei die Gewichtskraftsummen jeweils im elektrischen Wägebereich
der Waage liegen. Durch die Summenbildung auf der Seite des Vergleichsnormals
und zugeordnetem Substitutionsgewicht ist man relativ frei in der
Wahl der Masse des Vergleichsnormals.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Substitutionsgewichte in einem anderen Medium
angeordnet als Vergleichsnormal und Prüfling. Insbesondere werden dabei
die Substitutionsgewichte in einem gasförmigen Medium, beispielsweise
der Raumluft, und das Vergleichsnormal und der Prüfling in
einem flüssigen Medium,
beispielsweise Wasser, angeordnet. Dadurch lassen sich insbesondere
die internationalen Empfehlungen der OIML R 111 zur Dichte- bzw.
Volumenmessung einfach, sicher und kostengünstig einhalten.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird das Volumen des Prüflings unter Verwendung des
Vergleichsnormals als Volumennormal mit bekanntem Volumen bestimmt. Insbesondere
lässt sich
dabei eine Siliziumkugel als Volumennormal mit bekanntem Volumen
und bekannter Masse einsetzen. Die Masse des Volumennormals kann
dabei wegen der o.g. Summenbildung wesentlich größer als die Masse des Prüflings sein.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird durch die Wechsler einer automatischen Beladevorrichtung
gleichzeitig die erste Waagschale und die zweite Waagschale als Teile
eines Gehänges
beladen. Dabei können
Prüfling,
Vergleichsnormal und Substitutionsgewichte vollautomatisch, schnell
und sicher auf den Waagschalen gewechselt werden.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beispielhaft veranschaulicht sind.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur vergleichenden
Massebestimmung,
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2:
eine Vorderansicht einer Vorrichtung zur vergleichenden Massebestimmung
mit geöffneter Gehäusetür,
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3:
eine räumliche
Darstellung der Vorrichtung von 2 ohne Gehäuse aus
Richtung III der Vorrichtung von 4 und
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4:
eine räumliche
Darstellung der Vorrichtung von 3 aus Richtung
IV
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Eine
Vorrichtung 1 zur vergleichenden Massebestimmung eines
Prüflings 2 besteht
im Wesentlichen aus einer Waage 3, einer ersten Waagschale 4,
einer zweiten Waagschale 5, einer Beladevorrichtung 6 und
einem Flüssigkeitstank 7.
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Die
Vorrichtung 1 ist insbesondere zur Volumen- bzw. Dichtebestimmung
des Prüflings 2 mittels hydrostatischer
Vergleichswägung
in Flüssigkeit 8 zwischen
einem Volumen- bzw.
Vergleichsnormal 9 mit bekanntem Volumen und bekannter
Masse und dem Prüfling 2,
einem Festkörper,
unter Verwendung zusätzlicher
Substitutionsgewichte 10, 11 geeignet.
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Die
Krafteinleitung in die Waage 3 erfolgt über ein Gehänge 12, welches sich
in vertikaler Richtung unterhalb der Waage 3 befindet und
die untere erste Waagschale 4 mit der darüberliegenden
zweiten Waagschale 5 fest miteinander verbindet. Die erste
Waagschale 4 taucht in den mit Flüssigkeit 8 gefüllten Flüssigkeitstank 7 ein,
so dass die erste Waagschale 4 in der Flüssigkeit
mit dem Prüfling 2 oder dem
Vergleichsnormal 9 über
die Beladevorrichtung 6 bestückbar ist.
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Die
Beladevorrichtung 6 weist zum Bestücken bzw. Beladen der Waagschalen 4, 5 einen
ersten Wechsler 13 auf, der der ersten Waagschale 4 zugeordnet
ist, und einen zweiten Wechsler 14 auf, der der zweiten
Waagschale 5 zugeordnet ist. Die Wechsler 13, 14 sind
dabei als an einer Hub- und Drehachse 15 angeordnete Revolvermagazine
ausgebildet, die radial zur Hub- und
Drehachse 15 angeordnete gabelförmige Gewichtablagefinger 16 als Auflagebereiche
für Vergleichsnormal 9 und
Prüflinge 2 bezüglich des
ersten Wechslers 13 und für die Substitutionsgewichte 10 bezüglich des
zweiten Wechslers 14 aufweisen. Die Waagschalen 4, 5 weisen
zu den Gewichtablagefingern 16 korrespondierende Gewichtablagefinger 18 auf,
die jeweils einen Auflagebereich für den Prüfling 2 bzw. das Vergleichsnormal 9 im
Fall der ersten Waagschale 4 und für das Substitutionsgewicht 10, 11 im
Fall der zweiten Waagschale 5 bilden.
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Unmittelbar
vor der Gewichtsübergabe,
bzw. der Auswechslung von Prüflingen 2 und/oder
Vergleichsnormal 9 und/oder Substitutionsgewichten 10, 11,
wird das Gehänge 12 über einen
Hubmechanismus 20 zwangspositioniert und mechanisch fixiert. Erst
unmittelbar vor der Wägung
folgt dann die Freigabe des Gehänges 12 und
somit die Aufhebung seiner Fixierung.
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Die
Beladevorrichtung 6 ist über die zentrale Hub- und Drehachse 15 mit
einer Hubvorrichtung 21 verbunden. Über die Hubvorrichtung 21 lässt sich
die Hub- und Drehachse 15 um ihre Achse drehen, so dass
die Gewichtablagefinger 16 der Wechsler 13, 14 in
die vorgesehene Position zu den korrespondieren Gewichtablagefingern 18 der
Waagschalen 4, 5 gebracht werden. Durch Anheben
bzw. Absenken der Beladevorrichtung 6 kann dann die Übergabe
erfolgen.
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Die
Bestückung
des ersten Wechslers 14 mit dem Vergleichsnormal 9 und
Prüflingen 2 kann über eine
Liftvorrichtung 19 erfolgen.
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Die
Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 22 auf, das durch
eine Tür 23 an
seiner Vorderseite einen Zugang ermöglicht. In einem Rohrrahmen 24 mit
Einschüben
werden die einzelnen Komponenten integriert. Um thermisch bedingte
Einflüsse
gering zu halten, ist sowohl die Steuerung 25 als auch
die Leistungselektronik außerhalb
des Gehäuseinnenraumes 26 angeordnet.
Zur Vermeidung von störenden Magnetfeldern
ist das gesamte System vorwiegend aus nicht magnetischem Materialien
gefertigt. Während
der Messung wird der relevante Bereich der Beladevorrichtung 6 stromfrei
geschaltet. Die Temperatur der Flüssigkeit 8 wird über einen
Temperatursensor 27 gemessen. Zur Luftdichteberechnung
werden die Umgebungsbedingungen, wie Temperatur, Druck, und Feuchte,
gemessen, aufgezeichnet und verrechnet. Die Auswertung erfolgt entsprechend den
Formeln der OIML R 111. Ergebnis ist beispielsweise das Volumen
des Prüflings 2.
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Die
Temperatur der Flüssigkeit 8 in
dem Flüssigkeitstank 7 lässt sich über einen
Thermoregler 28 regeln.
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Im
Ausführungsbeispiel
zur Volumen- bzw. Dichtebestimmung des Prüflings 2 ergibt sich
folgender Messablauf:
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1. Die Bestimmung der
Flüssigkeitsdichte
mit Hilfe des Vergleichsnormals 9
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Dabei
wird die Gewichtskraft des Vergleichsnormals 9, das als
Volumennormal genutzt wird, in der Flüssigkeit 8 zu Substitutionsgewichten 11 mit bekannter
Masse in Luft, mit Hilfe der Waage 3 verglichen. Die so
ermittelte Differenz zwischen der tatsächlichen Masse des Vergleichs-
bzw. Volumennormals (lt. Kalibrierzertifikat) und der Gewichtskraft
des Vergleichsnormals bzw. Volumennormals in der Flüssigkeit 8 ist
Grundlage für
die Berechnung der Flüssigkeitsdichte.
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2. Messablauf bei der
Dichtebestimmung des Prüflings 2
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Das
Vergleichsnormal 9 und der Prüfling 2, bzw. unterschiedliche
Prüflinge 2,
werden auf die Auflagebereiche 17 des ersten Wechslers 13 in
der Flüssigkeit 8 abgelegt.
Der zweite Wechsler 14 in Luft wird so mit Substitutionsgewichten 10, 11 bestückt, das
bei jeder Position der Wechsler 13, 14 die Summe
der Gewichtskräfte
an der Waage 3 annähernd gleich
ist.
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Die
Dichte der Flüssigkeit 8 wurde
zuvor mit dem Vergleichsnormal 9 bestimmt (siehe Messablauf Pkt.
1). Die Temperatur der Flüssigkeit 8 wird
während
des automatischen Messablaufs überwacht
und Dichteänderungen
durch Temperaturänderungen werden
automatisch rechnerisch korrigiert. Nach Eingabe aller benötigten Daten
wird ein automatischer Prozess von Vergleichsmessungen gestartet.
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Dabei
wird abwechselnd das Vergleichsnormal 9 plus Substitutionsgewicht 11 gleich „A" mit dem Prüfling 2 plus
Substitutionsgewicht 10 gleich „B" in der Reihenfolge „ABBA" einmal oder mehrfach verglichen (siehe
ABBA-Verfahren OIML R 111).
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3. Berechnung
der Dichte
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Die
Dichte der Prüflinge 2 errechnet
sich aus:
- – der
Dichte der Flüssigkeit 8 (vor
dem Messablauf bestimmt und während
der Messung temperaturkorrigiert),
- – der
Masse und Dichte des Vergleichsnormals 9 (lt. Prüfzertifikat),
- – der
Masse der verwendeten Prüflinge 2 (die Substitutionsgewichte
auf der zweiten Waagschale in Luft),
- – der
Waagen- bzw. Komparatoranzeige.
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Die
Messunsicherheit dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ist deutlich
kleiner als 0,1 kg/m3.