DE10326469A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Kräften aus Kraftmesser und Positioniervorrichtung - Google Patents

Abstract

Kraftmessungen werden zur Bestimmung von Mengen (Gewicht), Größen (z. B. Dichte) und Zuständen (z. B. Druck) eingesetzt. Beispielsweise jedoch kann in der Prozessmesstechnik z. B. die hydrostatische Dichtemessung (mit einer Waage) nicht eingesetzt werden, weil die Nullpunktsdrift binnen kurzer Betriebszeit eine korrekte Anzeige verhindert und auch das Probengefäß offen ist. Zudem steht bei selbstjustierenden Waagen, die durch Justiergewichtsschaltungen bedingte Baugrößen, eine Miniaturisierung entgegen. DOLLAR A Durch entsprechende Kombinationen von Kraftmesser (37) und Positioniervorrichtung (10) wird mit deren Bewegung der Lastträger vom Kraftsensor mechanisch abgetrennt bzw. wird eine Last, z. B. ein Messkörper (28), abgehoben sowie eine Messkammer (24) abgedeckt. Weitere Bewegung führt zur Kompression eines Federelements (43), wodurch Referenzkräfte erzeugt werden, über die der Kraftmesser justiert werden kann. Alternativ können zur Justierung auch Prüfgewichte vermittels der Positioniervorrichtung (10) aufgelegt werden. DOLLAR A Ermöglicht werden langzeitstabile Kraftmessungen durch Justierbarkeit im Einsatz. So kann z. B. die hydrostatische Dichtemessung zur Prozessüberwachung eingesetzt werden und die Justierung über Richtkräfte anstatt über Masse erlaubt drastische Miniaturisierungen.

Description

• Technisches Gebiet
• Die meisten Eigenschaften von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen, viele Körpereigenschaften und Zustandsgrößen, sind durch Kräfte bedingt oder können direkt oder indirekt über Kraftmessungen bestimmt werden.
• Die Erfindung bezieht sich auf Maßnahmen zur Sicherstellung der Richtigkeit einer Kraftanzeige bzw. auf Kraftmessung beruhenden Größenanzeige mittels einachsiger Robotik, insbesondere bei automatisch gesteuerten, kontinuierlichen und längere Zeiträume währenden Kraftmessungen, wobei die Dauer und der zeitliche Abstand zum Start eines Messablaufs, nicht mehr die der Kraftmessung zuzuordnende Messunsicherheit erhöht. Es werden Vorrichtung und Verfahren zur Verfügung gestellt, um mittels einer Kraftmessvorrichtung und einer uniaxsialen Aktorik, Kräfte wie die Gewichtskraft von Körpern, die Dichte, die Viskosität, die Grenz- und Oberflächenspannung, Sedimentations-, Sorptions-, Trocknungs-, thermogravimetrische und gravimetrische Eigenschaften in einem zeitnah justierten Zustand, ggf. unter gesicherten äußeren Bedingungen (Atmosphäre, Temperatur etc.) messen zu können und schlägt insbesondere Methoden zur Justierung des Kraftmessers unter Ausnutzung der Aktorik vor.
• Stand der Technik
• Dort, wo elektronische Kraftmesser oder Wägegeräte z.B. in Form von resistiven, induktiven, kapazitiven oder piezoelektronischen Aufnehmern zum Einsatz kommen, gleich, ob Wägeaufnehmer als Dehnmessstreifen, durch elektromagnetische Kraftkompensation, Tauchspulen, schwingende Saiten ausgeführt sind, stets trifft man auf die Fragestellung der Kalibrierung bzw. Justierung derselben Kraftmessvorrichtungen, als auch der Schwierigkeit einer Nullpunktsdrift wirksam zu begegnen. Dieses Problem tritt verstärkt dann in den Vordergrund, wenn eine Kraft bzw. Kräfte über längere Zeiträume hinweg gemessen werden sollen. Bemühungen, durch genaues Abgleichen der Messbrücken, Einsatz von Temperatursensoren, Kompensationsberechnungen in Auswerteeinheiten, mechanische Teile von Wägezellen aus einem Stück („Monoblock"), angeglichene Temperaturgänge der Bauteile, Gegenmaßnahmen zu Effekten der Alterung usw. können das Problem verkleinern, doch nicht grundsätzlich lösen. Atmosphärische Einflüsse, Luftdruck, Feuchtigkeit, Kondensation, Netzschwankungen, Temperaturänderung und ungleiche Temperaturverteilung bzw. -Änderungen in der Elektronik und Mechanik liefern Beiträge zur Drift des Nullpunktes (Tara) und zur Endlichkeit der Gültigkeit einer Justierung. Es ist bei Laborwaagen Stand der Technik, dass sich diese nach vorgegebenem Zeitintervall und/oder nach Temperaturänderung selbst justieren, indem automatisch ein internes Justiergewicht aufgelegt wird. Während der Selbstjustage darf die Last des Justiergewichts zusammen mit eventuellen Lasten auf der Waagschale nicht die Maximallast der Wägeeinheit überschreiten.
• Selbsttätige Wägesysteme, wie sie beispielsweise in Bandwägeanlagen zum Einsatz kommen, können im laufenden Betrieb nicht justiert werden, wenn man einmal von Verfahren der theoretischen Justierung absieht („SIWATOOL", Wz. der Fa. Siemens, erlaubt eine sog. theoretischen Justage über den Kennwert und die Nennlast der Wägezellen, dabei werden keine Justiergewichte benötigt.). Eine „theoretischen Justage" über Kennwerte eines Kraftmessers, kann nicht wirklich für Präzisionsmessungen verwendet werden. Genauso gut mag vielleicht ein Widerstandsthermometer über tabellierte Temperatur-Wiederstandswerte justiert werden können – also eigentlich wohl kaum. Viele auf Kraftmessung beruhende Geräte und Verfahren, wie Thermogravimetrie-Messgeräte, Feuchtigkeitsbestimmungsgeräte, Tensiometer, Auftriebsdichtemessgeräte usw. können in jedem Fall nur vor oder nach einer Messung justiert werden. Unwägbarkeiten durch eine mögliche Drift des Nullpunktes – die bei längeren oder lang andauernden Messvorgängen kaum zu unterdrücken sind, liefern wesentliche Beiträge zur Erhöhung der Messunsicherheit.
• Es wäre sehr wünschenswert, entsprechende kraftbasierte Messungen ohne zeitliche Begrenzung durchführen zu können, die über unbegrenzte Zeiträume stets einen definierten und rückverfolgbaren Bezug zum Messnormal bieten und dadurch die Messunsicherheit verkleinern. Gleichermaßen wünschenswert wäre es, könnten insbesondere längerwährende Kraftmessungen unter definierten thermischen und atmosphärischen Bedingungen ausgeführt werden, dass eine fortwährende Messung – inline bzw. online – sinnvoll ermöglicht wird.
• Als etwas vertieft ausgeführtes Beispiel sei die Dichtemessung nach dem Archimedischen Prinzip (Auftriebsmethode) herausgegriffen, da die technisch-wissenschaftlichen Anwendung hinsichtlich der Genauigkeit besonders anspruchsvoll ist. Bei dieser Dichtemessung wird – für die Messung an Flüssigkeiten und Gasen – die Auftriebskraft eines definierten Volumens (Messkörper) in dem zu untersuchenden Medium bestimmt. Methode und Verfahren sind einfach und robust und dennoch findet man in der Prozessmesstechnik, zur Überwachung der Dichte in Herstellprozessen diese Methode praktisch nicht. Stattdessen haben sich hier andere Messprinzipien, allen voran die Methoden des Biegeschwingers, etabliert. Dabei ist die Biegeschwingermethode durchaus nicht unproblematisch; man hat elektromechanisch belastete Teile, eine Justierung muss auf die zu messende Flüssigkeit eingestellt werden, höher viskose oder mehrphasige Flüssigkeiten können i.d.R. nicht gemessen werden, Gasbläschen die zu falschen Resultaten führen, können meistens kaum detektiert werden, und möglicherweise spielt auch noch eine Querempfindlichkeit zur Kompressibilität eine Rolle. Auch sollte der Schwinger im Vakuum oder unter definierten Umgebungsbedingungen vibrieren, um Schwankungen durch variable Reibungseffekte entgegenzuwirken. Ferner ist fraglich, ob der dissipative Energieeintrag in die Messflüssigkeit, nicht bereits so hohe Unsicherheiten über die Temperatur nach sich zieht, dass, auch wenn feine Änderungen bei Messflüssigkeiten angezeigt werden, es fraglich ist, ob es wahre Werfe sind, die ausgegeben werden.
• Der Vorteil der klassischen Methode, auch etwa in der Variante der magnetischen Flotation (Magnetschwebewaage), ist, dass mit dieser die höchste Genauigkeit erreicht wird. Sie ist die Definitions- und Normalmethode und wird beispielsweise bei der Physikalisch Technischen Bundesanstalt angewandt. Warum also, wird nicht dieses Verfahren in der Prozessmesstechnik eingesetzt?
• Der Summenparameter Dichte und selbstverständlich auch andere physikalische Eigenschaften, wie Viskosität, Grenzflächenspannung, Brechungsindex, Schallgeschwindigkeit, sind Größen, die Stoffänderung (bei konstant Temperatur, Druck etc.) anzeigen.
• Stellt man der physikalischen Stoff- bzw. Produktprüfung andere Verfahren, mehr spezifisch analytische, wie insbesondere spektroskopische (IR, NMR, UV) oder chromatographische (HPLC, GC, IC, DC etc.) mit passenden Detektoren (MS, UV, FID, ECD, IC, IR, RI, LS) gegenüber, so besteht der Hauptunterschied darin, dass nachgenannte im wesentlichen auf bekanntes, erwartetes und mit der Methode überhaupt detektierbares ansprechen, Summenparameter hingegen, Aussagen über die Probe insgesamt ermöglichen. Sieht man einmal von Spurenstoffen ab, so wird anhand der Dichte mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit jegliche Stoffveränderung bis in den ppm-Bereich angezeigt. Ggf. kombiniert mit Viskosität und Grenzflächenspannung, wie in DE 199 63 686 beschrieben, dürfte sich die Notwendigkeit weitergehender Analytik für viele Produktgruppen oftmals erübrigen.
• Eine unbekannte Verunreinigung, die natürlich auch unbekannte spektroskopische Eigenschaften hat und dadurch nicht nachweisbar sein mag, kann in Stoffen, wie pharmakologischen Substanzen verheerend wirken, da natürlich die physiologischen Eigenschaften unvorhersehbar wären.
• Es ist nun insbesondere die Dichte, die ausgezeichnet geeignet ist, bei kontinuierlicher Produktion, Qualitätsfehler frühzeitig anzuzeigen. Und zwar die Dichte, die, gemessen nach der Auftriebsmethode, z.B. durch Viskositätseffekte nicht beirrbar ist. Die Kopplung der simultanen Bestimmung von Viskosität, Dichte und Oberflächenspannung, z.B. mit entsprechend konfigurierten spektroskopischen Apparaten, die z.B. kontinuierlich die relative Absorption (oder Emission) charakteristischer Wellenlängen von Ausgangsprodukten, Produkten, Nebenprodukten und/oder Spurenstoffen verfolgt, würde hohe Sicherheit bieten. Durch Vorrichtungen, wie Strahlenteiler oder durch einen inneren Intensitätsvergleich verschiedener Wellenlängen, benötigen spektroskopische Messgeräte oft keine weitere Justierung. Dies entspricht einer optimalen und vollständigen Problemlösung bei der Qualitätsüberwachung bei Fluiden, sofern die mechanische Messtechnik unbeschränkt justiert vorliegen würde.
• Bei kontinuierlichen Herstellverfahren oder der Anwendung flüssiger Stoffe erbringt eine zeitlich unbegrenzte Dichtemessung gewichtige Vorteile, z.B. bei der Verarbeitung von Erdöl und der Prüfung kontinuierlich anfallender Fraktionen, in Raffinerien der Petrochemie, bei der Produktion und Anwendung von Formulierungen (Lacke, Tinten, Beschichtungsmassen, Pflegemittel, Textilhilfsmittel), bei der Überwachung von im Kreislauf geführten Betriebsstoffen wie Schneid- und Räumölen bei der Metallbearbeitung, Galvanische Bäder, Textilflotten, Brennstoffe, Schmieröle in Großanlagen der Energiegewinnung, Hilfs- und Lösemittel extremer Reinheit und geschmolzene Lötmittel in der Mikroelektronikfertigung, bis hin zum Monitoring von Klärschlämmen, Brauch-, Trink- und Abwässern der Wasser- und Abfallwirtschaft etc., die Liste ließe sich fortführen. Außerdem ist die Dichte für viele Produkte die preisgebende Eigenschaft.
• Es wäre sehr hilfreich, könnten die Vorzüge der hochgenauen Kraftmessung, wie z.B. für die exakte Dichtemessung notwendig, in korrekt justierter Art, über unbegrenzte Zeit zur Verfügung gestellt werden. Dann würde so der Zugang zu einer dauerhaft genauen messtechnischen Lösung geschaffen, und zwar in einer Qualität, die für andere Messgeräte prinzipiell nicht zur Verfügung steht. So gibt es bislang natürlich keine Temperaturmessgeräte, die zur Selbstjustage ihren Sensor z.B. in eine Tripelpunktmesszelle (Temperaturkalibrator zur Realisierung der Temperatur des Trippelpunktes von Wasser bei 0,01 °C) einführen. Demzufolge wird die Präzision von Messwerten entsprechend der Drift- und Zeiteffekte sehr viel weiter herabgesetzt, als es technisch notwendig wäre, wenn die Justierintervalle kürzer sein könnten.
• So gibt es keine automatischen Dichte-, Grenzflächenspannungs-, (Viskositäts-) Messgeräte, die die Richtigkeit der Sensoreinstellung selbst sicherstellen können. Sie finden sich – auch da ihr Nullpunkt zu sehr wandert – nicht in der Prozesskontrolle. Es ist eine aus der Extrapolation der historischen Entwicklung begründbare Prognose, dass die zunehmend genauere, auf einheitlichen Standards – wie dem Kilogramm-Prototyp – rückführbare Messtechnik, gravierende betriebs- und volkswirtschaftliche Entwicklungschancen beinhaltet. Bedeutende, positive ökologische Seiteneffekte würden zugleich durch Qualitätssteigerung, Ausschussunterdrückung und geringen Prüfaufwand bewirkt, falls der Einsatz vertretbar ist.
• Die Justierung oder Einmessung einer Messkette zur Kraftmessung, wie sie durch Prüflaboratorien und Eichämter durchgeführt wird, besteht vereinfacht im Auflegen definierter Gewichte. Damit Anzeige und wahrer Wert (in vordefinierten Grenzen) koinzidieren, wird entsprechend korrigierend eingegriffen, also justiert. Durch Vergleich von angezeigten Wägewerten bei verschiedenen aufgelegten, in ihrer Teilung über den Messbereich der Waage verteilten Gewichtsstücken, kann der Linearitätsfehler der Messkette ermittelt werden. Um mit Wägezellen Kräfte zu bestimmen, ist selbstverständlich der am Aufstellort gültige Wert der Fallbeschleunigung zu berücksichtigen. Moderne Waagen und Wägezellen, als Komponenten ohne vordefinierten Einsatz, wie von einigen Herstellern heute zur Verfügung gestellt werden, verfügen oft über interne Justiermechanismen. Dabei kann, durch Knopfdruck eines Bedieners, Befehl über die Datenschnittstelle, oder automatisch nach Zeit oder Temperaturänderung sich die Waage/Wägezelle selbst justieren. Dabei wird die Aufgabe, die sonst ein Anwender, durch manuelles Auflegen eines Justiergewichts und Abstimmung der Anzeige übernehmen musste, durch einen Automatismus ausgeführt. Es wird ein internes, motorgetriebenes Justiergewicht aufgelegt und die Justierung automatisch durchgeführt. Auf der „Waagschale" darf sich dabei natürlich keine Last befinden, die zusätzlich mit dem Justiergewicht den Messbereich der Wägezelle überschreitet. Weil die Wägezelle das Justiergewicht „kennt" (vereinfachend für: „in irgendeinem Datenspeicher ist ein passender Zahlenwert eingetragen"), kann also die Anzeige entsprechend korrekt eingestellt werden. Das Verwenden von eichbaren Gewichten zur Justierung von Kraftmessern ist unbezweifelbar die einfachste und sicherste Methode. Gleichwohl wären Justierautomatiken für Hochlastwaagen, selbst beim Einsatz etlicher Hebel zur Kraftübersetzung, an entsprechend voluminöse und schweren Vorrichtungen gebunden. Außerdem, und das gilt für alle Waagentypen und Kraftmesser, bringen Justiermassen auch (Masse-)Trägheit in das System und in den Justiervorgang. Problemlösend wäre die Justierung durch Erzeugung einer Referenzkraft, z.B. durch Richtkräfte von Spiralfedern.
• Im modernen Waagenbau sind gemäß DE 3218943 im Zusammenhang mit Wägezellen, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation arbeiten, zwar (Spiral-)Federn im Einsatz – jedoch nicht zur Justierung, sondern zur Entlastung der Wägeeinrichtung, damit die durch die Spule fließenden Kompensationsströme kleiner gehalten werden können.
• Das moderne Analysen- und Mikrowaagen eine Justierautomatik haben, die nur dann funktioniert, wenn die Waagschale nicht nennenswert belastet ist, legt den Gedanken nahe, die Waagschale vorher zu entlasten. Die bloße Entlastung einer Wägeeinheit, zum Zwecke diese eventuell automatisiert tarieren oder justieren zu können ist zwar eine vergleichsweise triviale Aufgabe, die jeder Fachmann ohne weitere Belehrung, freiwillig einsetzen würde, hätte er sie denn und hätte er einen Zweck dafür. Andererseits gilt offenbar die unantastbare Kontinuität einer Kraftmessung als dogmatische oder paradigmatische Grenze, deren zugehörige Denkhürde impliziert, dass, um einen Kraftmesser zu justieren, es zwingend notwendig sein muss, ein laufendes Kontinuum von Kraftmessprozessen zu beenden. Der Gedanke „Unterbrechung und Neueinstellung statt Abbruch", ist ein somit ein Fortschritt. Dies wird in der Offenlegungsschrift DE 100 05 972 erkannt und eine längerfristige Wägung durch Justierintervalle vorgeschlagen, ohne jedoch einen konkreten Zweck zu offenbaren und ohne mit einer Aktorik mehr, als nur eine stur, zeitgesteuerte Entlastung einer Mikrowaage zu bewerkstelligen. Weitergediehen ist ein anderer Entwicklungsaspekt zu einer einachsigen Bewegungseinrichtung in JP 1270622 . Dort wird ein Wägeapparat in einer so bezeichneten Vakuumkammer vorgestellt, dessen Aktorik eine Waagschale entlastet und zugleich eine Justierung bewirkt, indem durch die selbe Bewegevorrichtung ein Justiergewicht aufgelegt wird. Im Unterschied zu den kennzeichnenden Ansprüchen der Erfindung, wird hierbei kein anderer Zweck als eine Wägung erzielt, wobei letztendlich das Problem behoben wird, die Gewichtsbestimmung im Vakuum oder evtl. bei anderen atmosphärischen Bedingungen zu ermöglichen. Denn unter Luft mit Justiergewichten justierte Waagen zeigen Wägewerte an, die nur bei Justierluftdichte (Temperatur, Fallbeschleunigung) eine Gültigkeit haben. So ist klar, dass endlich nur der Zweck einer Wägung unter besonderen Umständen verfolgt wird. Es wird keine Messeinrichtung angedeutet, im Übrigen legt die überproportionale Darstellung der benötigten Rechen- und Steuereinrichtungen zum Betrieb des Aktors mehr Augenmerk auf eine elektronische Regelung der Bewegungsvorgänge, als auf irgendwelche, darüber hinaus deutende Zwecke.
• Merkmale der Bauart beim bekannten Stand der Technik sehen keinen Einsatz für automatische, mechanische Justiervorrichtungen bei Inline/Onlinemessung, bei Gewichtsprüfung oder automatischen Dosiersystemen, oder Produktströmen bei Bandwägeeinrichtungen vor. Dabei bietet ein Kraftmesser ganz besonders reichhaltige Möglichkeiten die Eigenschaften von Körpern, Zuständen und Stoffen zu prüfen und zu analysieren, sei es für Zwecke der Qualitätskontrolle oder für wissenschaftliche Fragestellungen. Anders als bei der kaum bezifferbaren Anzahl von Messgeräten für werkstoffkundliche Zwecke, liefern heutige Wägezellen die Möglichkeit einer zeitnahen, bisweilen sogar automatischen, Justierung, mit Prüfgewichten, deren Bezug zum internationalen Kilogramm-Prototyp durch eine ununterbrochene Kette definierter Vergleichsnormale im allgemeinen gegeben ist.
• Auf den Stand der Technik soll im Falle der Schriften DE 4412405 und DE 199 63 686 Bezug genommen werden, insofern diese Gegenstände, wie auch verschiedene Arten von Kraftmesseinrichtungen, als gegeben vorausgesetzt werden. Die in DE 4412405 und DE 199 63 686 beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen werden in dieser Erfindung durch neue Merkmale wesentlich erweitert und vorteilhaft weitergebildet. In DE 4412405 wird eine Kombination aus Kraftmesser und Aktorik ausführlich zu messtechnischen Zwecken der Ermittlung der korrekten Eigenschaften von festen und flüssigen Stoffen dargestellt und in DE 199 63 686 wird ein wissensbasiertes Messsystem, mit komplexer, fallsensitiver und freiprogrammierbarer Steuerung, das mit vor- und nachbestimmten Größen arbeitet, um automatisch und in prozessartiger Weise, selbstverständlich unter zu Hilfenahme einer Recheneinheit, Dichte, Viskosität und Oberflächenspannung simultan zu ermitteln erlaubt. Diese bilden die Grundlagen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Verfahren, die, soweit zur Erhellung der vorliegenden Erfindung nötig, an entsprechender Stelle, vornehmlich in den Beispielen, erläutert werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die gesicherte Messung von Stoff- und Körpereigenschaften durch Kraftmessung ermöglicht, indem der Kraftmesser auch innerhalb eines Messprozesses nach vordefinierten Kriterien automatisch tariert und justiert werden kann und die Aktorik zur Entlastung des Wägesystems zugleich eine Messkammer verschließt und/oder die Justierung selbst bewirkt, wobei eine alternative Justierung durch Richtkräfte vorgeschlagen wird, die eine massefreie Kraftjustierung erlaubt. Zusätzlich wird eine Mehrpunktjustierung mit besagten Richtkräften als auch mit Justiergewichten bei simultaner Mitermittlung der Luftdichte vorgeschlagen.
• Zeichnungen
• Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens dienen in ersten Ausführungsbeispielen 10 Zeichnungen, Teilweise in Schnittdarstellung und 9 Zeichnungen als Diagramme zu den Beispielen.
• 1 skizziert die erfindungsgemäße Vorrichtung im Einsatz zur kontinuierlichen Messung von Viskosität, Dichte und Oberflächenspannung als Prozessmessgerät. Die Messkammer kann geschlossen werden, und es ist die Möglichkeit zur wiederkehrenden Einmessung der Kraftmesseinrichtung durch eine Spiralfeder-Richtkraftjustierung gegeben. Mit 2 werden die Stellungen des Aktors für die Stadien Messung, Tarieren und Justieren im Hinblick auf den Kraftfluss deutlich gemacht. 3. zeigt eine Möglichkeit für einen einfachen Mechanismus zum Einsetzen und Halten eines Körpers beim oberschaligen Messen. In 4 wird ein Vorschlag zur Ausführung für einen zweiteiligen Deckel gegeben. 5 stellt eine Möglichkeit zur verbesserten Abdichtung eines Messraumes vor. 6 zeigt eine Möglichkeit, den Aktor mittels einer Steuerscheibe zu bewegen.
• 7 gibt eine Skizze zur oberschaligen Wägung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und Verfahren mit Justierung einer Wägezelle per Spiralfeder.
• 8 legt dar, wie durch den Aktor eine Justierung durch einfaches Gewichtauflegen funktioniert. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Messung der Luftdichte und zur Mehrpunktjustierung mit Justiergewichten durch akkumulierende Auflage auf den Kraftsensor. 10 stellt eine Möglichkeit zur Dichtebestimmung von Feststoffen in einer Bildfolge dar, wobei gezeigt wird, wie der erfindungsgemäße Mechanismus zur Messung der Flüssigkeitsdichte verwendet werden kann.
• Alle Zeichnungen tragen gleiche Bezugszeichen für gleiche Bauteile bzw. Bauteilfunktionen und es wurden teilweise bewusst verschiedene Textbezeichnungen in der Erläuterung für gleiche Bauteile gewählt, um das Verständnis zu verbessern. Einige der Elemente finden im Erläuterungstext nur einmalige Erwähnung. Mehrfachauszeichnungen mit verschiedenen Bezugszeichen versehener Teile, ähnlicher Funktion oder bei Gruppierungen werden im Text zur Vereinfachung durch das Zeichen „|" verbunden; „|" bedeutet an diesen Stellen „und".
• Beschreibung der Erfindung
• Die technischen Vorteile der Erfindung betreffen ein sehr weites Anwendungsfeld von Kraftmessern, gleichwohl soll die konkret anwendungsnahe Beschreibung des Erfindungsgedankens auf ein vergleichsweise kleines Gebiet beschränkt bleiben, um – Pars pro Toto – Variationstiefe, Möglichkeiten, Zusatznutzeffekte und Ausführungsbeispiele wenigstens an einigen Anwendungen hinreichend konkret erläutern zu können.
• 1 stellt in einem ersten Ausführungsbeispiel wesentliche Teile der Erfindung zusammengefasst in einer Skizze dar, wobei mit Augenmerk auf das mechanische Funktionsprinzip andere funktionale Elemente lediglich andeutungsweise dargestellt sind.
• Der in dem Gehäuse 1 untergebrachte Motor 3 betreibt über ein Getriebe 2 eine gehäusefest 7 gelagerten Spindeltrieb 5, der über die Gewindehülse 4 die damit verbundene Schubstange 10 in horizontaler Richtung bewegt. An der Schubstange, dem „Aktor", 10 ist der Mitnehmer bzw. Auslöser 39 für die Justierfunktion und ein Hebel oder Adapter 12, der eine Parallelführung 13 für das Gefäß 24 trägt. Das Gefäß 24 ist mit einer Haltewulst 14 versehen. So hält die Führung 13 das Behältnis in exakter Position. Durch Positionierung des Behältern ganz unten, wird jedoch der Behälter 24 durch den Bodenkontakt auf der Schale 30 aus der Führung 13 gehoben. So kann das Gefäß durch die Behälterverjüngung 6 frei auf der Schale 30 stehen und aus der bekannten Tara des Behälters 24, und ebenfalls bekannten Gewichten der anderen auflastenden Teile, kann eine Füllmenge bestimmt werden. Im Innern des Behältnisses 24 ist eine Flüssigkeit 25 dargestellt. Der Behälter hat einen Einbau 26, der eine zufällige Zerstörung der unteren Messkörperpartie verhindert und zur Reduzierung des benötigten Flüssigkeitsvolumens beiträgt. In diesem Einbau münden optionale Zu- und Ableitungen einer Inlinestrecke 38 mit Pumpe(n) und Ventilen) für eine (semi-)kontinuierliche Flüssigkeitsprüfung. Im Behälter 24 ist der Messkörper 28 untergetaucht gezeichnet, der über einen dünnen Draht mit Öse 23 und einem Haltestück 22 an einer Platte 20 befestigt ist, die ihrerseits über einen Steg mit dem Halteknauf 18 verbunden ist. Dieser wirkt im dargestellten Zustand auf die Kraftmesseinrichtung 37, bzw. deren Sensor 42. Auf den Sensor wirkt so das Messkörpergewicht abzüglich seines Auftriebs in der Flüssigkeit (und des Auftriebs der tauchenden Haltedrahtlänge und die Meniskuskraft) und es wirkt das Gewicht der Halteelemente 18|20|22 und das des Rahmens, der sich aus oberem Querträger 16, den Haltestangen 15 und der Bodenpartie 29 zusammensetzt. Zudem wirkt die Gewichtskraft der Schale 30 und die des Verbindungsstabes 44 auf den Kraftsensor 42. Die Stange 10 wird durch die beiden Führungsbuchsen 9, die über eine Haltevorrichtung 8 an einem gehäusefesten Ort 7 fixiert sind, in Position gehalten.
• Bewegt sich die Aktorstange 10 ein Stück weit nach oben, dann setzt der obere Teil des Gefäßes 21 an der Platte 20 an und hebt über diese den Halteknauf 18 aus der Bohrung 19, die sich in der Mitte des Querträgers 16 befindet. Dadurch ist die von Messkörper und Halteelementen verursachte Gewichtskraft von der Wägeeinrichtung abgetrennt und die Platte 20 verschließt zugleich das Gefäß. So kann die konstante Last der übrigen Elemente austariert werden, da die informationstragende, variable Last des Messkörpers von der Kraftmesseinrichtung getrennt ist.
• In diesem Entlastungszustand können – ohne das Wägesystem zu beeinträchtigen – Operationen durchgeführt werden, wie Mischen, Dosieren, Änderung der Flüssigkeit, Gasaustausch, Prüf- oder Messkörperaustausch, Austausch eines Wägegutes, Änderung der Temperatur, Einwirkung anderer, zusätzlicher Instrumente, Manipulationen durch Gebläse, Strahlung, Feldwirkungen etc., die ohne Einnahme des Tarierniveaus bzw. des später beschriebene Justierniveaus, das Wägesystem durch Überbelastung stören oder durch starke Lastschwankung zur Nullpunktverschiebung oder gar zur Zerstörung an der Kraftmesseinrichtung 37 führen würden. Irgendwelche Beeinflussungen der Kraftmessung z.B. durch schleichende Verschmutzungen werden so in jedem Fall austariert, genauso, wie die Drift des Nullpunktes der Kraftmesseinrichtung.
• Wird in die Ausgangslage zurückgefahren, oder der Behälter weiter nach unten bewegt, so wird nach dem Tarieren nur die Kraft durch den Messkörper und die Halteelemente 18|20|22 angezeigt. Das Zurückfahren in die aktive Lage, kann vorsichtig tastend erfolgen, um nach Lastwechseln eine Überbelastung zu vermeiden. Zweckmäßigerweise werden die nicht zum Messkörper gehörenden Teile 18|20|22 in möglichst kleiner Bauart ausgeführt und mit adäquaten, am Gehäuse oder dem Behälter angeordneten Abschirmungen geschützt, da kraftwirksame Veränderungen (Verschmutzung, Kondensation, Korrosion) an diesen Teilen Messergebnisse verfälschen würden. Diese Teile sollten im Prinzip aus dem selben Material sein, wie die Justiergewichte. Andernfalls sind Massen und Dichten dieser Mittel mit der Mediumdichte im Gehäuse 11|1 so zu verrechnen, dass deren Kraftbeitrag berechenbar ist. Ist das Medium in den Gehäusen Luft, dann kann die Dichte der Luft über die Eingabegrößen Luftdruck, Temperatur und Luftfeuchte berechnet werden. Daher bietet es sich z.B. bei hochgenauen, selbstständig Dichtemessgeräten an, solche Sensoren in dem System zu integrieren. 1 stellt die gemeinsame Gehäuseunterbringung im Unterbau 1 dar, wobei der Computer 35 diese und andere Daten nach entsprechenden Rechenvorschriften verarbeitet.
• Die Darstellung in Funktionsblöcken der elektronischen und elektromechanischen Einrichtungen, Wägezelle 37, Sensoreinheit 31, Steuermodul 33 und Computer 35 stellt den effektiven Zusammenhang der Teile Sensorik, Aktorik und Recheneinheit etwas ungünstig dar. Bei diesem kompakten Aufbau ist insbesondere darauf zu achten, dass die Kraftmessung durch die Abwärme der Geräte nicht beeinträchtigt wird. Das zentrale Glied, der Mittler zwischen der analogen Sensorenwirklichkeit und der digitalen Verarbeitungsebene, der A/D-Wandler (hoher Auflösung), sollte aus ökonomischen Gründen nur in einer Ausfertigung mit Mehrfacheingängen eingesetzt werden. Es dürften neben den Sensordaten zu Kraft, Luftdruck, Luftfeuchte auch mehrere Temperaturmessstellen zu digitalisieren. Beispielsweise sind Kraftmesser und oft der A/D-Wandler selbst mit Temperaturkoeffizienten behaftet, die berücksichtigt werden müssen. Gleichermaßen betrifft das Vereinfachungsprinzip auch Steuerausgänge (für Ventil- und Pumpensteuerung 38, Temperaturregelung, Mischer etc.), wo ebenfalls möglichst ein einziger, gemultiplexter D/A-Wandler einzusetzen ist. Weiterhin wird vorgeschlagen, bei der sensorischen und aktorischen Peripherie, Waage und Positioniersteuerung eingeschlossen, weitgehend auf den Einsatz intelligenter Komponenten zu verzichten und letztlich alle höheren Aufgaben durch Software der Recheneinheit darzustellen, so dass sich im Endeffekt die Peripherie des Rechners quasi als Reizleitung bzw. Organ der Software darstellt – von elementaren Reflexen abgesehen (elektromechanische Sicherheitsmechanismen, die ggf. bei gravierenden Fehlfunktionen, Bedienfehlern oder Softwareproblemen greifen). Die Sensorleitungen 32 würden somit über den Wandler zum Rechner führen, ebenso die Steuer- und Regelanschlüsse 34. Die Repräsentanz der Eigenschaften und Methoden der verschiedenen Komponenten eines Messsystems kann dann – nach Denkweisen der Softwaretechnologie und zur Vereinfachung der Kommunikation einer arbeitsteiligen Apparateentwicklung – stringent so gehandhabt werden, dass Maschinenteile mit jeweiligen Eigenschaften und Methoden, als „reale" Gerätetreiber (analog zu sogenannten „dll"-, „vxd"-, „ocx" – Dateien bei Microsoft^® Windows und virtuellen Treibern) begriffen werden.
• Bei Wägezellen in Funktion der Kraftmessvorrichtung 37 ist oft eine variable Vorlast einstellbar, die es ermöglicht, dass eine über die Lastaufnahme geringfügig zusätzlich belastete Wägezelle auch justiert werden kann. Überschreitet das Gewicht der Vorlast und das des Justiergewichts die Maximallast, so kann, wie eingangs bereits erwähnt, keine Justierung erfolgen. Die in 1 mit Ausnahme des Justiermechanismus gegebene Darstellung ist kompatibel mit heute üblichen Laborwaagen (Präzisions-, Analysen-, Halbmikro- und Mikrowaagen), diese verfügen in der Regel über eingebaute, motorgetriebene Justiergewichte. Eine Justierung erfordert in diesem Fall die Entfernung des Halterahmens 15|16|29. Indem der Aktor 10 über das vorbeschriebene Tarierniveau weiter hinauf gehoben wird, wird eben der Halterahmen von der Wanne 30 gehoben, die in diesem Falle korrekter mit Waagschale zu benennen ist. Die unbelastete Waagschale 30 erlaubt nun die Ausführung der Justierung.
• Selbst wenn ein großer Vorlastbereich ohne Probleme aus nicht exakt linearer Mechanik der Wägezelle – diese sind voller Hebel und Träger – keine Nachteile mit sich brächte, ist es für den Justiervorgang von Nachteil, wenn große Massen/Volumen daran teilnehmen. Denn die an Aufbauten bereits durch Konvektion verursachten und schwankenden Luftströmungen beeinträchtigen die Präzision einer Justierung. Eine mechanische Abtrennung ist daher unbedingt vorteilhaft. Anders als in 1 kann die Waagschale 30 bei der vollständigen Entlastung des Wägesystems ebenfalls mit abgehoben werden, besonders wenn diese unmittelbar als Bodengruppe 29, auch etwa zum Schutz der unteren Baugruppen, verwendet wird, wie in 1 gezeigt.
• 2, zeigt zur Erleichterung des Verständnisses die Stadien „Messen", „Tarieren" und „Justieren" in einer so bezeichneten Bildsequenz. Das Gefäß 24 ist doppelwandig 46 als Temperiergefäß ausgeführt. Die Rahmenstangen 15 werden zur Stabilisierung auf verbreiterten Rahmenendstücken 45 gehalten. Als Messkörper ist eine Kugel 46 dargestellt. 3 zeigt einen zu 2 passenden Mechanismus zum Entfernen und Einsetzen eines Messkörpers, indem eine Seite des Rahmenquerträgers 16 drehbar gelagert ist und im geschlossenen Zustand den gesamten Rahmen, symmetrisch, bei der Bewegung zum Justierniveau anzuheben erlaubt. Die scheibenförmigen Rahmenkopfstücke 49 tragen und führen den Rahmen beim Justieren.
• Die Oberseite des Behältnisses 21 wird in diesem Fall durch einen Deckel 48 gebildet und die Öffnung 17 dadurch verkleinert. Die Platte 20 ist haubenartig ausgeführt und schließt beim Tarieren und Justieren das Gefäß. Um Konvektion oder Gasaustausch insgesamt zu vermindern ist der Deckel 48 mit einer Röhre ausgestattet. 4 stellt dafür einen aus zwei Teilen zusammengesetzten Deckel 48 dar, mit Nut für die Gefäßwand. So wird ein unkomplizierter Austausch von Messkörper oder Probe ermöglicht. Natürlich kann der Deckel auch über große Öffnungen verfügen – so dass letztlich nur ein Halterahmen verbleibt, der die Mitnehmerfunktion erfüllt. Dabei ein solcher Halterahmen auch direkt durch den Aktor 10 – ohne Umweg über eine Gefäßauflage – bewegt werden. Eine Variation zum schließenden Deckel bietet 5 für Platte 20 und Gefäßoberseite 21 bzw. Deckel 48, wobei diese Elemente mit weit ineinandergreifenden Zähnen strukturiert sind, um auch in Messpositionen Austauschwirkungen von Probe und Umgebung zu reduzieren, indem die Verzahnung auch in diesen Stadien teilweise verschränkt bleiben. Diese Maßnahme erlaubt z.B. Gasdichtemessungen.
• Die als Messkörper 46 gezeichnete Kugel ist übrigens bestens geeignet ebenfalls mehrere flüssigkeitsanalytische Methoden zugleich zu erfüllen. Als Dichtemesskörper kann durch die perfekte Kugelgeometrie, die bei Sedimentationsvorgängen beobachtbare Dichteänderung (zusammen mit Füllstand und Schwebeniveau), sehr viel einfacher mathematisch beschrieben werden. Indem die Sedimentationskinetik so zurückgeführt werden kann, ist sie und zeitgemäßer, als bei dem empirische Weg, mit Auffangplatte oder Pfanne zur Sammlung und „Auswägung" des absinkenden Sediments. Mit Rührer und Temperatursteuerung kann die Dimension „Wiederholung und Temperaturänderung" für Zeit- und Temperaturwirkungen hinzugefügt werden.
• Zur Viskositätsmessung mit der Kugel, kann ausgehend vom Stokeschen Gesetz, die entsprechend 2 anhängende Kugel 46 durch rasches Anheben des Behälters zum „freien Fall" in der Flüssigkeit gebracht werden. Die Zeitmessung, unter Berücksichtigung der wiederholungskonstanten Bewegung, wird dazu mit dem Endzeitpunkt der Bewegung getriggert. Die Viskositäts- (und Dichtedifferenz-) abhängige Fallzeit wird beispielsweise durch ein elastisches Element in der Messkörperaufhängung, so detektierbar, dass während des Vorgangs die Kraftmesswerte registriert werden und die elastisch bedingte Kraftzunahme am Ende des Falls, ein – nach Kriterien auswertbares Kraft-Zeit-Diagramm – liefert. So kann daraus die genaue Geschwindigkeit und damit die Viskosität auch bei diskreten und unregelmäßigen Kraftmessintervallen bestimmt werden. Bei einer zweiten Möglichkeit zur Anwendung der Stokeschen Beziehung wird die Kugel – immer verbunden mit dem Kraftmesser – mit konstanter Geschwindigkeit durch die Flüssigkeit nach obern gezogen, wobei die Kraft gemessen wird, die im Idealfall einen konstanten Betrag annimmt. Nützlich ist, dass die Dichte bzw. Dichtedifferenz unmittelbar und hochgenau zur internen Verrechnung zur Verfügung steht. (In Beispiel 1 werden entsprechende, algorithmische Vorgehensweisen zu DE 199 63 686 erläutert) Es ist dabei sehr wohl gangbar, relativ große Kugel 46 zu verwenden, wobei die Wandnähe als nicht-Stokes-konforme Gegebenheit hingenommen wird, analog und ebenso, wie bei Kugelfall- und Kugelroll-Viskosimetern (Höppler-Viskosimeter). Dieser Aufbau ist auch für Messungen an Gasen geeignet. Als Messkörper kommen ggf. zylindrische, tonnenförmige, oder rotations-ellipsoide, -hperboloide oder -paraboloide, sowie toren- und kreissektorenartige Körperformen in Frage. Mit einer Kugeloberfläche) kann mit der Vorrichtung in 2 zudem auch noch die Grenzflächenspannung bestimmt werden [J. of Colloid and Surface Sci., Vol. 176, 17-30 (1995)].
• Aus 1 ist ersichtlich, dass ein Niveau, welches den Halterahmen anhebt im Gehäuse 1 vermittels des Justierauslösers 39 noch weiteres bewirkt: Der unelastische Hebel 40 drückt über die Achse 41 die Justierfeder 43 auf den Kraftsensor 42. Die Druckfeder 43 ummantelt den Lastträger 44 berührungsfrei und wird im unbetätigten Zustand durch die Rückstellfeder 27 kontaktlos entfernt zur Sensoroberfläche gehalten. Eine vordefinierte Niveaulage der Achse 10 drückt die Justierfeder 43 um einen gewissen und kleinen Betrag auf den Sensor. Die Justierfeder wird dabei etwa soweit komprimiert, dass das mechanische Spiel der beteiligten Komponenten unter der Federspannung zur Ruhe kommt, damit ein weiter zunehmender Federdruck kein unstetiges Nachgeben der Bauteile bewirkt. Die Feder ist somit in ihrem linearen Arbeitsbereich befördert, der durch strenge Gültigkeit des Hookeschen Gesetzes gekennzeichnet ist. Die so erhaltene erste Anzeige des Kraftmessers wird abgespeichert, dann wird die Feder um eine sehr genau definierte, oder hochgenau ablesbare Wegstrecke gestaucht. Die Differenz der sich dann ergebenden Kraft zum zuvor erhaltenen Kraftmesswert ist durch die Richtkraft, Federkonstante, bzw. Federhärte und die Wegstrecke der dabei hinzugekommenen Stauchung definiert. Eine sukzessive, definierte Stauchung und Kraftmessung kann fortgesetzt über den linearen, vollelastischen Bereich der Feder ausgeführt werden, bis die Maximallast des Kraftsensors erreicht wird. Mit den dabei erhaltenen vorläufigen Kraftmesswerten und absoluten Wegdifferenzen kann der Kraftmesser – i.A. unter Beachtung der herrschenden Temperatur – justiert werden. Es ist also besonders zu beachten, dass sich mit der Temperatur die Richtkraft im Allgemeinen verändert; Dehnen, Stauchen, Tordieren einer Feder kann deren Temperatur geringfügig ändern. Auch deshalb sollten Temperaturfühler in der Wägevorrichtung und insbesondere auch nah an den elastischen Teilen sein, um diesen Effekt in der Auswerteeinheit 35 nach empirischen Daten oder auf theoretischer Basis berücksichtigen zu können.
• Die Justierfeder 43 in 1 (und 7) kann gegen den Sensor 42 drehfrei sein und ggf. ein Drehlager an der Unterseite tragen, bzw. könnte ein Drehlager auf dem Sensor 42 angeordnet sein. Vorzuziehen ist es jedoch, die durch Elongation bedingte Torsion der Feder durch entsprechende Lagerung zu unterbinden, wobei die Torsionskraft eventuell nicht streng linear auf die axiale Richtkraft der Feder einwirkt.
• Statt einer Justierung ist eine Kalibrierung zweckmäßiger – wobei die Abweichung also lediglich notiert wird. Denn so können die Werte außerhalb des Kraftmessers entsprechend korrigiert, verarbeitet werden. Nach dem Aufbau in 1 ist es günstiger, rechnerintern mit Kalibrierungen zu arbeiten, statt den anzeigewirksamen Eingriff auf der Seite der Kraftmessvorrichtung vorzunehmen. Von außen gesehen entspricht dies natürlich ebenso einer Justierung.
• Das oben beschriebene Verfahren verwirklicht eine Mehrpunktjustierung. Der Effekt ist, dass die Auflösung verbessert wird, indem die Linearität der Kraftmessung in kleinen Teilschritten den gesamten Messbereich abdecken kann. Elektromechanische Komponenten müssen nicht mehr mit allergrößter Sorgfalt möglichst lineare Eigenschaften haben, denn eine empirische Kalibrier- bzw. Justiergleichung, z.B. ein Polynom höherer Ordnung, kann ein nicht-lineares Verhalten der Bauteilzusammenwirkung insgesamt kompensieren. Die Trägheitslose Kraftaufbringung – ohne kinetische Energie – erlaubt bei synchroner Bewegung, während einer Spannungsänderung, noch die Geschwindigkeit der Kraftmesskette zu prüfen oder zu evaluieren.
• Ob zur Justierung Hebelmechanismen, Unter- und Übersetzungen verwendet werden, mehrere Justierelemente miteinander kombiniert zum Einsatz kommen, Blatt-, Balken oder Spiralfeder oder andere elastische Körper oder Stoffe, wie entropieelastische Elastomere, oder die Kompressibilität von Gasen oder Flüssigkeiten genutzt wird, ist gleichbedeutend, ebenso, wie die Erzeugung mechanischer Spannung durch Zugspannungen oder auf elektrostatischem (geladene Kondensatorplatten i.B. für kleinste Kräfte) oder auf elektromagnetischem Wege, z.B. zwischen stromdurchflossenen Spulen. Definierte Kräfte könnten auch durch direkte Temperaturwirkung z.B. mit Bimetallen als Federwerkstoff erzeugt werden. Um Größenordnungen höhere Kräfte, über E-Modul und Poissonzahl definiert, können direkt durch thermische Ausdehnung bei Erwärmung bzw. Abkühlung erzeugt werden. Ein besonders günstiges, elastisches, langzeitstabiles Verhalten weisen dahingehend optimierte Legierungen und kristallisierte Materialien hoher Schmelztemperaturen auf, metallische, mineralische und keramische Werkstoffe, z.B. Federstahl, Edelstähle, Titan, (Sinter)Keramik, Quarz, Diamant, reines Silizium. Die notwendige Berücksichtigung der Temperatur ist selbstverständlich. Daneben stellen die durch entsprechende Torsionsfedern erzeugten Richtkräfte bzw. Richtmomente geeignete Justiermittel dar, die durch den Aktor bei entsprechendem Anschluss an eine rotierende Achse oder z.B. unter Zuhilfenahme mechanischer Wandler (Zahnstange – Zahnrad) erzeugt werden können. Torsionsfedern werden teilweise noch heute und insbesondere zur Messung sehr kleiner Kräfte eingesetzt. Die Proportionalität von Kraft und Elongation überdeckt umso größere Bereiche, je mehr Windungen eine Spiralfeder hat und je länger die Feder ist. Bei vorgegebenem Federmaterial steigt die Auflösung mit dem Durchmesser, die Richtkraft mit der Querschnittsfläche. Länge, Durchmesser bzw. Dicke sind entsprechende Parameter zur Einstellung auch bei Balken, Band-, Blatt- und Torsionsfedern.
• Einstellmöglichkeiten für Höchstlast, Auflösung und Linearität stehen bei Verwendung solidelastischer Körperkräfte durch passende Material- und Geometrieauswahl zur Verfügung. Durch vielfältige Maßnahmen können magnetische und elektrostatische Kräfte passend zur Verfügung gestellt werden und allgemein können auch Über- und Untersetzungshebel Anwendung finden. Das massefreie Justieren oder Kalibrieren mittels Federwirkung kann bedeutend schneller ausgeführt werden, da sie trägheitsfrei ist. Dabei ist es, ggf. durch Dämpfungsmittel, Eigenfrequenzoptimierung oder adäquate Sensoren zu vermeiden, dass ein mechanisch schwingfähiges Gebilde durch evtl. gegeneinander elastische Wirkungen erzeugt wird. 1 beschreibt somit eine nicht gewicht- bzw. massebasierte Justierung von Kraftmessern, sondern eine direkte Justierung durch erzeugte Referenzkräfte bzw. Momente.
• Es ergeben sich gravierende Auswirkungen i.B. dort, wo hochauflösende Waagen eingesetzt werden bzw. wegen der Massejustierung bisher nicht eingesetzt werden können. Der Weltraum ist weniger einschlägig, da Schwerelosigkeit ein seltener Anwendungsfall ist, mehr jedoch Orte, ohne festen Untergrund, die Beschleunigungen erfahren, z.B. auf Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen, oder andere Einbaustellen für (selbst-)justierbare Kraftmesser, die nicht unbedingt horizontal angeordnet sind. Das Prinzip der Kraftmessung wäre dem Anwendungsbereich anzupassen. So dürften sich nach dem heutigen Stand der Technik, besonders die altbekannten Dehnmessstreifen in Verbindung mit einer solchen Kraftjustierung eignen. Grundsätzlich sind Sensoren mit sehr kurzer Einschwingzeit oder möglichst ohne besonderen Einschwingvorgang ausgezeichnet geeignet. Wahrscheinlich ist der Einsatz von Piezosensoren hier besonders vorteilhaft.
• Kraftmesseinrichtungen 37, deren Lastaufnahmen durch Belastung in relevanter Weise auslenken können, wie insbesondere bei Dehnmessstreifen oder Federwaagen, kann die somit lastabhängige Niveaulage durch Rückkopplung der registrierten Kraft auf die Steuerung des Antriebs durch angepasste Positioniersteuerung so nachgeführt werden, dass vorgegebene Relativlagen z.B. von Messkörper und deren Bezug, z.B. einer Flüssigkeitsoberfläche in einem Behälter 24, eingehalten werden. Dies kann auch z.B. bei Kontaktwinkelmessungen an schweren Körpern auftreten oder bei entsprechenden anderen Messkörpern 28|46 oder Prüfkörpern 68, die sukzessive auch die Last durch Auftriebsänderung variieren, wobei die Elastizität der Haltevorrichtungen ebenso berücksichtigt werden muss. Ist ein aktiver Steuerungseingriff Korrektur nicht möglich oder sinnvoll, kann eine rechnerische Korrektur angewandt werden.
• Neben der durch eine Richtkraftjustierung ermöglichte Aufwandsreduzierung, i.B. in mechanischer Hinsicht, die eine Kraftmesseinrichtung kleiner, leichter und billiger macht, kann auch auf die bisweilen relativ große Justiermasse verzichtet werden, denn elastische Kraft ist in Federn an nur sehr wenig Gewicht und Volumen gebunden. Für Hochlastwaagen ist dieser Umstand besonders bedeutsam, da dort sehr große und schwere Justiergewichte, bzw. aufwändige Untersetzungen eingesetzt werden müssen. Der Miniaturisierung z.B. von Wägezellen wird gleichsam Tür und Tor geöffnet. Die Maßstabsverkleinerung komplexer Systeme, die bisweilen selbst-justierbare Kraftmesseinrichtungen benötigen würden, auch in Form von genauen Beschleunigungs-, Vibrations- und Drucksensoren, wird durch die so ermöglichte Miniaturisierung greifbar. Durch Mikrostrukturierung selbstjustabler Kraftmesser können wesentlich präzisere Messaufbauten zur Schwingungsanalyse von Bauteilen, etwa zur Lärmbekämpfung oder Schwachstellenanalyse, aufgebaut werden. Kleine, leichte Sensoren beeinträchtigen hierbei das Messgut kaum und durch die quasi Nullabweichung der Kalibrierung sind extrem differenzierte Untersuchungen im konzertierten Zusammenspiel einer Anzahl von Sensoren denkbar. Nullfehler-Sensorenfeldanalysen wären beim Aufbau z.B. aktiver Tragflächen oder Schiffshüllen nutzreich, die je nach Strömungsdruck Geschwindigkeit, Rückkopplungen zur Formoptimierung liefern.
• Eine besondere Erwähnung gilt der Frage, wie genau definierte Verstellwege zustandegebracht werden können, damit insbesondere bei einfacher Mechanik zumindest halbwegs eine der Massejustierung adäquate Einmessung möglich wird. Für die in 1 angedeutete Variante gilt es, zum Beispiel, die kaum vermeidbare Sinusschwingung durch die Umlaufbewegung der Spindel zu beachten, die der Vertikalbewegung des Mitnehmers 39 eine Schwingung überlagert. Dem kann so begegnet werden, dass die Spindel immer in eine Richtung betrieben wird, stets also eine Schubspannung an der Spindel anliegt und insbesondere, dass ausgehend von einer vordefinierten Winkelstellung der Spindel, nur ganzzahlige Spindelumdrehungen zur Betätigung der Feder angewandt werden, da bei einer genau mit 360 Winkelgraden gedrehten Spindel der Weg der Ganghöhe entspricht und die Sinusschwingung immer in gleicher Phase vorliegt. Dafür besonders geeignet ist ein Schrittmotorantrieb der auf einer Achse mit der Spindel verbunden ist, so kann sehr einfach eine hochreproduzierbare Strecke dargestellt werden, insbesondere mit Kugelgewindespindeln. Für den Zweck, allein die Richtkraft zu einer Kraftjustierung zu verwenden, bietet sich direkt der Einsatz von sog. Nanopositioniersystemen an, denn die Einstellung von Verstellwegen durch elektrische Spannung über Piezoaktoren erreicht besonders hohe Wegauflösung. Eine noch feinere Wegauflösung kann unter zu Hilfenahme des thermischen linearen Ausdehungskoeffizienten von Materialien erreicht werden. Für Verstellwege zur Justierung von Hochlast-Bandwägeeinrichtungen, Fahrzeug- und Gleiswaagen bieten sich hydraulisch betriebene Aktoren zur kraftbasierten Justierung bzw. Kalibrierung an. Bei Materialprüfmaschinen kann analog zu 1 die ohnehin verwendete Aktorik der Reiß-, Zug-, Druck oder Biegeprüfeinrichtung Verwendung finden. Eine andere Vorgehensweise besteht in der bereits erwähnten Ausmessung der jeweiligen Spannstrecke durch zusätzliche Mittel, wie Abstandsmesser, Positionssensoren, optische Triangulation, Laserinterferometrie.
• Die Ausmessung der Richtgrößen erfolgt (ggf.) in Analogie zu Verfahren bei der Herstellung von Waagen mit internem Justiergewicht, wobei die ganze Messkette, inklusive der nur ungefähr vordefinierten Masse des eingebauten Justiergewichts, mit geeigneten Prüfgewichten eingestellt wird. Oder die Ausmessung der Federkraft erfolgt durch interferometrische Bestimmung einer Längenänderung unter gleichzeitiger Ermittlung der Kraftänderung durch entsprechend geeichte Referenzkraftmesser. So werden beispielsweise Volumen bzw. Dichtenormale durch interferometrische Bestimmung ausgemessen (Siliziumzylinder, Kuben und Kugeln). Eine elektromagnetische Justierung kann auf die Definition der Stromstärkeneinheit Ampere über die Krafteinheit Newton im internationalen Einheitensystem (SI) bezogen werden.
• Während für Druck- und Beschleunigungs- und allgemeine Kraftmesser eine Justierung über direkt erzeugte Kräfte unproblematisch und durchweg vorteilhaft ist, ergibt sich bei Wägezellen eine Besonderheit, denn das Ergebnis einer normalen Wägung, der konventionelle Wägewert, ist an die Luftdichte und die Dichte des Justiergewichts gebunden:

  

  W Wägewert des Wägegutes (=die Anzeige der Waage)
  m Masse des Wägegutes
  ρ Dichte des Wägegutes
  ρ_Luft Luftdichte (bzw. Dichte des umgebenden Mediums bei Justierung und Messung)
  ρ_Cal Dichte des zum Justieren verwendeten Massenormals
• In der geläufigen Beziehung zwischen Masse und Kraft F ist die Fallbeschleunigung, g, die auf der Erde im Promillebereich variiert, der Proportionalitätsfaktor in der Gewichtskraft (m = F·g^-1).
• Natürlich möchte man bei Wägungen überall auf der Welt den gleichen Wägewert für den gleichen Körper und nicht etwa die Variation der Fallbeschleunigung im Wägeresultat finden. Und natürlich muss bei genauen Wägevorrichtungen der variable Auftrieb der Luft kompensierbar sein. Darum wird vorgeschlagen, die kraftjustierten Waagen am Aufstellort mit einem Gewichtsnormal – zur Kompensation der Fallbeschleunigung – einzumessen und abzugleichen, so dass auch eine solche Waage konventionelle Wägewerte liefert.
• Es soll nicht unerwähnt bleiben, dass im abgeleiteten messtechnischen Bereich durchaus Wägezellen direkt in Apparaten wie Tensiometern zum Einsatz kommen. Betrachtet man z.B. die Messung der Oberflächenspannung nach der Wilhelmy-Platten-Methode: Eine total benetzbare Platte wird in Kontakt mit der Flüssigkeitsoberfläche gebracht. Die dabei auftretende Zusatzkraft ist sowohl dem Umfang, als auch der Oberflächenspannung proportional. Es gilt also die Gleichung γ = F/U [Gleichung 2]γ Oberflächenspannung
  F Kraft durch die Benetzung
  U Umfang der Platte
• Nach dieser Gleichung wird die Kraft benötigt. Lokale Daten zur Fallbeschleunigung, wie sie bei Eichämtern erhalten werden können, helfen nicht unbedingt bei der Ermittlung der wirklichen Fallbeschleunigung, denn diese verringert sich pro Meter Meereshöhe nahezu im ppm-Bereich.
• Es ist daher wünschenswert, Maßnahmen vorzusehen, um aus dem Vergleich von Kraft und Masse die Fallbeschleunigung (g = F·m^-1) am Aufstellorf in der Recheneinheit 35 abzuspeichern oder, so auf den expliziten Rechner verzichtet wird, in einer Recheneinheit der Messzelle 37.
• Eine ähnliche Gleichung gilt für den Fall, dass keine totale Benetzung vorliegt und der analoge Ausdruck den Kontaktwinkel der Benetzung beschreibt [ DE 4412405 ].
• 6 zeigt ein einfaches, alternatives Antriebskonzept. Der beispielsweise durch eine Feder 53 mit einer Steuerscheibe 50 über die Tastspitze 52 in Kontakt gehaltene Aktor 10 führt durch deren Drehbewegung um die Achse 51, bzw. Aufenthalt in bestimmten Drehwinkeln der Scheibe 50, entsprechende Bewegungen bzw. Positionierungen aus. Die abgebildete Kodierscheibe bildet das simultane Messverfahren für Viskositäts- und Dichtemessung ab (mit einem Messkörper 28, bzw. einer Messkörperkomposition 28, die in Beispiel 1 noch eingehend besprochen wird, jedoch ohne Vorrichtung für die Messung Oberflächenspannung), wobei mit jedem Umlauf das Wägesystem über drei Kompressionsstufen einer Federreferenz justiert wird. Auf einer Motorachse 51 können leicht mehrere Steuerscheiben und Aktoren betrieben werden, z.B. auch zur Schaltung von Ventilen, Pumpen, Rührintervallen. Nachteilig an Steuerscheiben ist die Festlegung der Abläufe, so muss mit adäquaten Mitteln dafür gesorgt werden, dass bei der kontinuierlichen Prüfung (Inline-Messung) der durch den Behälter 24 strömenden Flüssigkeiten in den Messpositionen ein entsprechender Füllstand eingehalten wird. Dies kann über eine Pumpenregelung oder einfach durch Flüssigkeitsheber bewerkstelligt werden.
• Neben Antriebskonzepten, die auf der Rotation von Spindeln beruhen, oder über Steuerscheiben Bewerkstellung finden, kann mit Linearmotoren, elektromagnetischem Positionieren (Relaiskontakt), Piezoaktoren, hydraulischen oder pneumatischen Antrieben ganz analog verfahren werden.
• In 7 ist eine Skizze, die in erster Näherung eine erfindungsgemäße Vorrichtung für oberschaliges Wägen dargestellt. Im Unterschied zum in 1. vorgestellten Mechanismus, hebt der Aktor 10 durch einen Antrieb 3 über den Arm 73 die Waagschale bzw. Lastaufnahme 44, die mit irgendeiner Last 74 beschwert sein kann, aber auch einen Messaufbau wie in 1 aufweisen kann. Lastaufnehmer und Sensor werden durch die Aufwärtsbewegung des Aktors 10 mechanisch getrennt. Alternativ kann die Feder 43 mit ihrem konstanten, geringen Gewicht auch auf dem Sensor 42 liegend verbleiben, um dort durch den Hebel 40 zur Justierung gestaucht zu werden. Mit einem hydraulischen Antrieb 3 können auf diese Weise besonders große Lasten gehoben werden, so dass sich dieses Ausführungsbeispiel für Band-, Gleis- und Fahrzeugwaagen besonders eignet. Dabei kann es nützlich sein, zwischen der Lastaufnahme 44 und dem Arm 73 eine weiteres Federelement, wohldefinierter Richtkonstante anzubringen, das im Normalfall womöglich ungestaucht auf dem Arm 73 aufliegt. Zum Ausgleich größerer Lasten durch die Positioniervorrichtung 10 kann dieses Federelement gegen die Lastaufnahme gespannt werden und als variabler Gewichtsteiler über den Arm Kraft ableiten, also eine negative Vorlast aufbauen, und so den Wägebereich vergrößern.
• Genauso gut ist der kompakte Aufbau für allgemeine Wägezellen oder Kraftmesser der unterschiedlichsten Größenordnungen tauglich, wobei der Antrieb 3 meist nicht hydraulisch sein müsste.
• Die Erfindung bezieht sich auf die Mehrfachnutzung einer Aktorik im Zusammenwirken mit einer Einrichtung zur Kraftmessung. So kann weiterhin zur Justierung ein Justiergewicht 59 Verwendung finden. 8 skizziert dazu eine einfache Vorrichtung, die mit einer oberhalb der Lastaufnahme befindlichen Kraftmesseinrichtung/Wägezelle arbeitet. Der am Aktor befindliche Arm 12 trägt eine Bohrung zur Durchführung der Stange 22, über die eine Kraft 74 wirksam ist. Dabei ist mit dem Fühler 42 ein Ring oder Haken 55 verbunden. An diesem hängt die Haltevorrichtung mit einer Schlaufe oder Öse 56, die den Knauf 18 in 1 ersetzt. Die Positionierung des Aktors 10 weiter oben entlastet zuerst den Haken, sodass die Waage tariert werden kann. Die Positionierung des Aktors 10 noch weiter oben, durch die gepunktete Linien dargestellt, führt zur Auflegung des Justiergewichts 59 auf den Sensor 42. Der Mitnehmer 39 trifft auf einen Arm der Hebelplatte 60 und wippt diese über die Achse 57. Das in einer Bohrung 58 im Hebel 60 gehaltene, kugelförmige Justiergewicht 59 wird durch die Auflage auf der (entsprechend z.B. mit konkaver Auflage gestalteten) Sensoroberseite 42 aus der Bohrung 58 gedrückt und liegt berührungsfrei auf dem Sensor auf, so dass dieser eingestellt werden kann. Bewegt sich der Aktor 10 wieder nach unten, dann hebt die Druckfeder 54 das Justiergewicht 59 vom Sensor 42 ab. Für eine erfindungsgemäße Ausführung ist die Betätigung einer Lichtschranke oder eines elektromechanischen Kontakts zur Auslösung z.B. einer Waageninternen Justierung, z.B. durch den Hebel 39, ebenso möglich, wodurch auf andere Kausalsteuerungen mit Stellungsüberprüfungen verzichtet werden kann, weil die Position des Aktors 10 Bereitschaft zur Justage bzw. Kalibrierung signalisiert.
• 9 zeigt eine Möglichkeit mit ähnlichem Aufbau wie in 8 für eine Mehrpunktjustierung mit zusätzlicher Einrichtung zur Luftdichtebestimmung, wobei unwesentliche Details ganz ausgelassen wurden, da sie aus 8 klar sind. Durch geeignete Positionierung des Aktors wird erreicht, dass durch Absenkung der Führung 62 zunächst der relativ großvolumige Hohlkörper 61 den Sensor 42 des Kraftmessers 37 belastet. Der Hohlkörper steht dabei berührungsfrei abgekoppelt von den übrigen zylinderrohrförmigen Justiergewichten 59. Zwischen den Gewichten, die am Rand gehalten, ineinander stehen, ist seitlich ein hinreichender Zwischenraum. Nach und nach werden durch schrittweise Absenkung der Führung 62 alle Gewichtsstücke auf dem Sensor abgeladen. So kann zuerst durch die Wägung des vakuumdicht geschlossenen Hohlkörpers 61 der Messwert zur Dichte des Mediums ausgelesen werden, in dem die Messungen ausgeführt werden. Dann werden die Justiermesswerte mit den schrittweise jeweils dazukommenden Gewichten der Justiermassen ermittelt. Die vier Rohmesswerte der jeweiligen Gewichtskräfte werden z.B. in der Recheneinheit 35 (1) zwischengespeichert. Es sind dies ρ_Medium, für den Körper 62 Und ρ_Medium+m₁, beim Auflegen des ersten Zylinders, ρ_Medium+m₁+m₂, ρ_Medium+m₁+m₂+m₃. für die nachfolgenden Positionierungen. Zur Auswertung wird zunächst von den letzten drei Werten der erste, ρ_Medium, abgezogen. Mit den Sollwerten, der Justiergewichtsmassen, die im Rechner (1) gespeichert sind, wird eine Mehrpunktjustierung durchgeführt. Der richtiggestellte erste Messwert wird zur Berechnung der Mediumdichte nach folgender Formel verwendet:

  

  m_h die Masse des Mediumdichtemesskörpers
  ρ_h die Dichte des Mediumdichtemesskörpers
  W_h der Wägewert des Mediumdichtemesskörpers (=der 1. Messwert gemäß 9)
  ρ_Medium die Dichte des Mediums
  ρ_mcal die Dichte des/der Justiergewichte
• Die wirklichen Größen m_h, ρ_h und ρ_mcal sind in der Recheneinheit gespeichert.
• An Stelle des Hohlkörpers könnten auch Justiergewichte verschiedener Dichten zur (z.B.) Luftdichtebestimmung eingesetzt werden. Die Verwendung von Stahl der Dichte 8,000 g/cm³ (bzw. 7,930 g/cm³), ggf. auch Messing, die als übliche Werkstoffe für Prüfgewichte verwendet werden, oder auch Köper aus Mischmaterialien und ggf. Schrotbefüllte Hohlkörper mit entsprechend getrimmter Körperdichte – als konventioneller Bezug – sollten jedoch für mindestens ein Justiergewicht 59 beibehalten werden. Das Oberflächen-Volumen-Verhältnis ist für die vorgeschlagenen Körper besonders ungünstig, daher sollten die Oberflächen der Referenzgewichte 59|62 nicht hygroskopisch und Korrosionsresistent sein und auch andere gewichtsteigernde Ab- oder Adsorptionen nicht auf sich ziehen. Dies kann durch geringe Rautiefen und Herabsetzung der Oberflächenenergie bewerkstelligt werden. Bei Fluorpolymerbeschichtung, z.B. PTFE, ETFE, FEP, PFA, Copolymere PFEP etc., ist zu beachten, dass die Passungen unbeschichtet bleiben, da die Reibung an diesen Stellen sonst elektrostatische Aufladung und somit Störkräfte erzeugt. Selbstverständlich sind sorgfältigste bauliche Maßnahmen zum Schutz vor Verschmutzung zu ergreifen und zugleich muss ein Druckausgleich mit der Messkammer 11 ungehindert möglich sein, da Justierung und Messung unter identischen Mediumdichten erfolgen muss. Es sei angemerkt, dass die mechanische Ausformulierung sich z.B. aus Gründen der Bauhöhen und sicheren Verwahrung, genau wie bei 8, einer Reihe von Hebeln und Zügen bedienen mag.
• Die Luftdichte spielt bei Präzisionswägungen und Dichtemessungen normalerweise eine bestimmende Rolle. Mit Luftdruck-, Luftfeuchte und Temperatursensoren 31 und der folgenden Gleichung kann ebenfalls die Luftdichte ermittelt werden [Jones, F. E., Journal of Research of the NBS, 83, (1978) , S.419-428]:

  

  ρ_Luft: die Luftdichte [kg/m³]
  P_Luft: der Luftdruck [kPa]
  t: die Lufttemperatur [°C]
  rH: die relative Luftfeuchte [%]
• Doch wäre der technische Aufwand dadurch vergrößert. Außerdem funktioniert diese Berechung nur mit Luft der normalen Zusammensetzung (80% Stickstoff 20% Sauerstoff), [Gleichung 3] hingegen ist sowohl im Vakuum gültig, auf dem Mars als auch unter Wasser.
• Eine Variante von 8 kann für hochgenaue Feststoffdichte-Messapparate appliziert werden. Bei der Bestimmung der Dichte fester Stoffe nach der Auftriebsmethode sind es vor allem zwei Einflussgrößen, die entscheidend die Präzision beeinträchtigen: die Kraft, die der Meniskus verursacht und die wirkliche Dichte der Flüssigkeit. Der Meniskus wird häufig nicht (korrekt) beachtet und die Dichte der Messflüssigkeit wird aus Tabellenwerken entnommen [z.B. Marsh, K.N., Recommended Reference Materials for the Realization of Physicochemical Properties, Blackwell Scientific Publications, Oxford, 1987]. Wird destilliertes Wasser verwendet, dann kann die gelöste Gasmenge zusammen mit der Unsicherheit der Isotopenzusammensetzung (¹H, ²H, ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O) zu Unsicherheiten im Bereich einiger 10 ppm führen [Goupta, C. W., Practical Density Measurement and Hydrometry, Institute of Physics Publishing, Bristol, (2002), S. 3].
• In 10 wird ein Aufbau vorgeschlagen, der, wie in 1, das oberschalige Wägeverfahren mit einer Rahmenkonstruktion appliziert. In einer Sequenz aus drei Teilfiguren werden die unabdingbaren Verfahrensschritte dargestellt. Der erste Abschnitt zeigt einen Festkörper 68, der auf einer Aufnahme 70 liegt, deren Halterung eine Tauchmarke 69 trägt. Damit hängt der Körper über einem dünnen Draht oder Faden 23 an der Stange 22, die über die Platte 20 und einen Steg mit dem Knauf 18 verbunden ist. Der Knauf 18 stützt sich über die Bohrung 19 auf dem Rahmenquerträger 16, der seinerseits als Lastaufnahme für die Wägezelle fungiert. Im Gefäß 24 befindet sich eine Flüssigkeit 25 und ein großvolumiger Dichtemesskörper 66, der in der Flüssigkeit 25 schwimmt und über steife Drähte 71 mit zwei Stoppern 63|65 verbunden ist. Das Verbindungsstück der Stopper 72 kann, den jeweils unteren Stöpsel 65 durchquerend, der gleiche Draht sein, wie der Messkörperhaltedraht 71. Die unteren Stopper 65 werden durch den Auftrieb des Messkörpers in die Bohrung 64 gedrückt und dort fixiert, wobei die Öffnungen 64 geschlossen werden können. Im ersten Teilbild „Gewicht" wird die Gewichtskraft des Prüflings 68 gemessen. Durch den am Gefäßrand 14 angreifenden Aktor wird der Behälter vertikal bewegt. Im zweiten Abschnitt, „Auftrieb", wird nach einer Aufwärtsbewegung die um die Auftriebskraft (+Meniskus) verringerte Gewichtskraft des nun untertauchenden Prüfkörpers 68 ermittelt. Mit der Positionierung des Behälters in weiter erhöhter Position, Bildteil „Flüssigkeitsdichte", wird der Messkörper unter die Flüssigkeitsoberfläche gedrückt, indem die Rahmenoberseite 16, die mit entsprechenden Passungen 67 versehen ist, über die oberen Stopper 63 einen Druck ausübt. Der Prüfkörper hingegen und seine Haltevorrichtungen wirken nicht mehr auf die Lastaufnahme, da sie nun von der Gefäßwand getragen werden.
• Für die exakte Bestimmung der Festkörperdichte nach der Auftriebs- bzw. Hydrostatischen- bzw. Archimedischen Methode gilt folgende Gleichung:

  

  ρ_FK: die Prüfkörperdichte
  ρ_FL: die Dichte der Flüssigkeit
  ρ_M: die Mediumdichte – normalerweise die Luftdichte
  W₁: der konventionelle Wägewert für den Prüfkörper abzüglich des konventionelle Wägewertes der Haltemittel 18|20|22|23 und evtl. zusätzlichem Gewicht zur Halterung/Beschwerung des Prüfkörpers
  W₂: der konventionelle Wägewert für den getauchten Zustand abzüglich des Auftriebs durch tauchende Beschwerungs- und/oder Befestigungsmaßnahmen 69|70 und unter Anrechnung der Meniskuskraft (=Kraft an der Phasengrenze, entsprechend [Gleichung 2], zuvor oder danach bestimmt, oder aus Oberflächenspannung und Umfang der dann vollständig benetzten Haltemaßnahme 23 im Durchstich von Flüssigkeit und darüber liegender Phase).
• Es ist unbedingt sinnvoll, in einer Recheneinheit, Massen und Dichten aller konstanten Körper, wie des Messkörpers und der Haltevorrichtung, zu speichern, um im Berechnungsfall eine theoretische Ermittlung des konventionellen Wägewertes unter der variablen Mediumdichte anwenden zu können. Möglichst dünne Drähte oder Stäbe 23|71 zur Halterung einzusetzen empfiehlt sich aus Gründen der Messunsicherheit, zumindest solange, als für diesen Zweck nicht Magnetschwebevorrichtungen eingesetzt werden und Flüssigkeiten hoher Oberflächenenergie verwendet werden, wie reines Wasser, Formamid, Ethylenglycol oder Glycerin, denn selbst, wenn die Oberflächenspannung bekannt ist oder mitgemessen wird, für einen rückwärtigen Kontaktwinkel an den Benetzungsstellen des Phasenübergangs gesorgt wird (Menisken) und die Drähte aus Platin(Legierung) gefertigt sind und frisch ausgeglüht wurden, kommt es mitunter zu gewissen Memoryeffekten, Hysteresewirkungen bzw. Unstetigkeiten bei den Menisken der Drähte 23|71 an den Stellen, die wechselweise – bei längeren Messungen – der Atmosphäre und der Flüssigkeit ausgesetzt sind. Es bietet sich an, möglichst eine Messflüssigkeit geringer Oberflächenspannung einzusetzen oder Netzmittel beizumengen.
• Insgesamt wird mit vergleichsweise geringem Aufwand ein Apparat realisiert, der automatisch die Dichte einer Probe ermittelt und zwar dadurch, dass die Kalibrierung des Messkörpers auf die Probe vermittels der Flüssigkeit übertragen wird. Die zeitnahe Messung der Flüssigkeitsdichte erlaubt es, die Flüssigkeit für die Messaufgabe zu optimieren. Die Fehlerrechnung oder einfach die Anschauung lehrt, dass die Dichte des Feststoffes umso genauer ermittelbar ist, je größer die Dichte der Messflüssigkeit ist. Wäre beispielsweise die Dichte von Glasproben zu ermitteln, dann kann man mit einer Natriumpolywolframatlösung der Konzentration 2,0 g/mL in Wasser (ergibt eine Dichte von ca. 2,1 g/cm³) und unter Zugabe von Tensiden erreichen, dass die Dichte der Lösung an die üblicher Gerätegläser (2,2 bis 2,6 g/cm³) heranreicht und dass die Meniskuskorrektur einen vor- oder nachbestimmbaren Wert reproduzierbar erreicht. Nach entsprechenden Vorkehrungen, dass Niveaulagen konstant eingehalten werden, verbleibt für die Messunsicherheit, die Unsicherheit der Messmittel zu Kraft und Temperatur und nur sehr reduzierte Beiträge aus evtl. mehr oder weniger tief tauchenden Haltemittellängen 23|71 (und deren Auftrieb), aus der Meniskuskraft, der Flüssigkeitsdichte und der Luftdichte (ggf. gemäß 9 mit-bestimmt). Mit normalen Analysenwaagen (220g Maximallast, Messunsicherheit 0,2mg) kann so eine Messunsicherheit für einen rd. 200g schweren Glaskörper im Bereich von etwa 10-15 ppm erzielt werden (einfacher Erweiterungsfaktor), was im Vergleich zu herkömmlichen Methoden (Pyknometer, normale hydrostatische Wägung) als überaus bedeutend angesehen werden kann. Mit Mikrowaagen werden die Messfehler durch kleinere Dimensionen wegen geringerer Temperaturgradienten ggf. noch geringer.
• Verschiedene Verfahren und inhärente Maßnahmen dürften dem Fachmann unmittelbar als zweckmäßige Möglichkeiten einleuchten, dazu gehören,
  dass entsprechend abnehmbare, hinreichend gewichtige Kreisringe – falls runde Gefäße 24 verwendet werden – als Teil der Behälteroberseite 21 unter Anschnitt der Bohrungen 64, das Einsetzen und Entnehmen der Flüssigkeitsdichtemesskörper erleichtern,
  dass die Oberseiten der Stopper 63|64 kegelförmig angelegt sind, um beim Einfahren in die Gegenpassungen 64|67 ein verkannten zu verhindern,
  dass in der Messflüssigkeit 25 ggf. schwimmende Prüfkörper 68 zur Messung des Auftriebs untergetaucht werden, indem das Untertauchen durch eine hinreichend schwere und dichte Haltevorrichtung 70 oder Stempelknäufe 18 bewerkstelligt wird, oder dass statt des Knaufes 18 entsprechende Druckstößel (wie 63) verwendet werden, oder eine gegen die Öffnung 19 sperrende Vorrichtung, wie eine Verdickung, ein Steg, ein Arm oder eine Platte das Aufschwimmen verhindern und die Kraft auf die Kraftmesseinrichtung übertragen, wobei die Adapter 22|23 steif sein müssen,
  dass eine zum Untertauchen ausreichende Gegenlast durch die Rahmenkonstruktion mit Querträger 16 oder dementsprechend eine Vorlast an Haken 55 oder Öse 55 fixiert ist,
  dass Prüfkörper ggf. aufgespießt, direkt an der Führung 22 oder einer Lanze (23) gehalten werden
  dass Prüfkörper ggf. magnetisch gehalten werden, wobei die tauchende Haltevorrichtung 70 einen magnetischen oder magnetisierbaren Anteil enthalten kann,
  dass in einer vertikalen Niveaulage in 10 zwischen „Auftrieb" und „Flüssigkeitsdichte", bevor die Stößel 63 den Rahmen 67 berühren und der Knauf 18 bereits berührungslos in der Bohrung 19 steht, das Nullstellen bzw. Tarieren ausgeführt wird,
  dass zyklische Messweisen aus Auftriebsmessungen, Tarierungen, Justierungen und Flüssigkeitsdichtemessungen, sowie Temperaturmessungen, Umwälzung in der Flüssigkeit 25 stattfinden können und dies auch für die Evaluierung von Sorptions-, Korrosions- oder Löseerscheinungen ausgeführt werden kann, wobei die Justierung nicht an einem zirkulärzyklus teilzunehmen braucht, wenn dafür Zeit- oder Mediumdichte- oder Temperaturwechsel-Indikationen hinreichend für den sicheren Bezug zum Justiermaß sind,
  dass bei zyklischer Messweise wiederholt auch die abgesenkte Position zu „Gewicht" eingenommen werden kann, wodurch sich der benetzte Prüfkörper 68 oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche befindet, um beispielsweise Effekte von Sorption, Quellung, Verdunstung oder Trocknung des Prüfkörpers durch Gewichtsbilanz untersuchen zu können,
  dass zusätzlich die als Messflüssigkeit fungierende Flüssigkeit 25 Gegenstand der Untersuchung ist, insbesondere wenn Dosier- und Flüssigkeitsaustauscheinrichtungen (38 in 1) eingesetzt werden, oder Änderungen am Prüfkörper 68, Dichteänderungen der Flüssigkeit 25 bewirken,
  dass eine Prüfkörperaufnahme 70 mit einer Messeinrichtung für die Oberflächenspannung (Bügel, Ring, Platte oder definierter Oberfläche) ausgerüstet sein kann, sodass durch diese und die Gefäßoberfläche die relative Niveaulage der Flüssigkeit insbesondere durch Antasten ermittelt wird und die Oberflächenspannung, durch entsprechende, zur jeweiligen Messvorrichtung gehörige Bewegungen, ermittelt, die Berechnungen der Meniskuskräfte an den Halterungen 23|71 erlaubt, sowie die Bestimmung der Eintauchtiefe der Teile durch Berücksichtigung der Niveaulage und der Bewegungen des Aktors 10,
  dass Marken 69 an den Haltedrähten 23 und ggf. optische Detektionsmaßnamen eine reproduzierbare Niveaulage zwischen Mess- und Prüfkörper und Flüssigkeitsoberfläche einstellen lassen,
  dass für die Probenaufnahme eine hinsichtlich Volumen und Ausdehnungskoeffizient definierte Tragevorrichtung 69|70 verwendet werden kann, die ggf. ein probenumschließendes Feinsieb für die Aufnahme von pulver- oder granulatförmigen Proben umfassen kann,
  dass statt der Haltewulst 14 das Behältnis 24 direkt durch den Aktor 10 getrieben wird, per Bohrung an einem Arm 12 oder mit einem Arm 12 mit Führung 13 (1) gehalten werden kann,
  dass die oberen Stoppmarken 63 mit wohldefinierten, elastischen Elementen über den Behälterdeckel 21 gestützt sein können, um so auch nicht-schwimmende Dichtemesskörper 66|46 verwenden zu können,
• Weitere, näherliegende Varianten mit nicht-schwimmenden Dichtemesskörpern und für die Unterflurwägung verstehen sich aus den bisher dargestellten Sachverhalten von selbst. Darauf, dass der Dichtemesskörper über entsprechende Hebel direkt an einer Lastaufnahme 55 (7) angebracht sein kann, oder über durchgeführte Drähte auch mit einer Justiergewichtsschaltung entsprechend 9 verbunden sein mag, indem der zugehörige Zug dem zuletzt aufgelegten Gewicht entspricht, soll hingewiesen sein.
• Wie bei den anderen, bereits erwähnten oder in den Beispielen nachfolgend erläuterten Methoden der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Verfahren, die lediglich Ausführungsbeispiele darstellen, ist der Begriff „Prüfkörper" analog durch „Messkörper" ersetzbar. Vielfach kann Flüssigkeit als Fluid verstanden werden und also auch irgendein Gas bezeichnen. Der Behälter 24 in 10 kann ein Ofen sein, wobei der Dichtemesskörper die Gasdichte, auch von Verbrennungsgasen bestimmt, oder der Dichtemesskörper sammelt durch eine unterhalb befindliche Fläche, herabfallendes vom Prüfkörper auf, auch etwa bei Trocknungsvorgängen. Mit entsprechenden Zusatzeinrichtungen wie IR- oder UV-Strahler, ggf. Ventilationseinrichtung, kann ein Trocknungs- d.h. Feuchtebestimmungsgerät dargestellt werden. Und natürlich entspricht der schematische Aufbau dem eines thermogravimetrischen Messgeräts bzw. eines Messgeräts für Thermodesorption und allgemeine oder Ab- oder Ad-Sorptionsvorgänge, wo genauso die Tarier- und Justierbarkeit äußerst hohe Bedeutung erfährt, da solche Messungen i.d.R. Langzeitmessungen sind. Ähnliches gilt für Messungen zur Pulverbenetzung, wobei die Gewichtszunahme durch das Ansaugen von Flüssigkeit in eine Probe, die mit dem Wägesystem verbunden ist, zur Evaluierung der Benetzungseigenschaften nach der Washburn-Gleichung dient. Kontaktwinkelmessungen an Festkörperoberflächen, die mit einer Flüssigkeit in Kontakt gebracht werden, wobei die Kraftmessung über den Festkörper stattfindet, gewinnen durch die Ermöglichung der langwährenden, genauen Messverfolgung die Dimension einer verlängerten Einwirkzeit. Nicht zuletzt ergeben sich für analytische Messungen bei extrem hochviskosem Fließen, Zeitstandversuchen zu Retardations- und Relaxationsvorgängen bei Teilkristallinen und amorphen Werkstoffen bedeutende Modifizierungen der bisherigen Messtechnik.
• Weil Zwecke und Mittel aber bisweilen durchaus erfinderisch aber nach Erwähnung dem durchschnittlichen Fachmann unmittelbar einleuchtend sind, dürften somit keine tiefergehenden Erläuterungen in den folgenden Punkten notwendig sein. Für Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Verfahren gilt somit in der Regel,
  dass volumetrische und ggf. oberflächenenergetische Eigenschaften von Messkörpern und Vorrichtungen für Proben/Prüfkörper – nach Kalibrierung, Justierung oder Eichung der Justiergewichte bzw. Federn, Temperatur-, Druck- und ggf. anderer beteiligter Messeinrichtungen – durch Normalproben und Normalflüssigkeiten bestimmt werden können (z.B. SMOW, Standard Mean Ocean Water, wobei anhand des für Wasser eindeutigen Temperatur-Dichteverlaufs auch eine Temperaturmessvorrichtung mitjustiert werden kann),
  dass als (Mess-)Flüssigkeit von flüssigem Helium (-272°C) bis zu geschmolzenem Wolfram (3400°C) jede Flüssigkeit eingesetzt werden kann,
  dass Messungen in allen möglichen gasförmigen oder flüssigen Medien, inklusive unter Vakuum und unter allen möglichen äußeren Drücken und/oder Temperatur- und/oder Strahlungs- und/oder Feldeinflüssen ausgeführt werden können,
  dass ein Kugel- oder Kegelkörper aus Stahl oder eine Diamantpyramide (insbesondere entsprechend der Härteprüfungen nach Rockwell-, Vickers-, Brinell-, Shore- Härte) auf einen Prüfkörper drückt, wobei der Prüfkörper oder der Härtemesskörper mit der Bewegungseinrichtung 10|12 verbunden ist und so insbesondere in dem Raum 24 die Eindringtiefe und Kraft gemessen werden kann, wodurch insbesondere eine zeitliche Dimension der Härteprüfung zugänglich wird,
  dass Biegebalken, Spannzangen etc. entsprechend dem Aufbau von Materialprüfmaschinen zwischen Bewegungseinrichtung 10|12 und Kraftmesssensor, insbesondere in dem Raum 24 angeordnet werden können, wodurch insbesondere E-Modul-, Zugfestigkeits-, Bruchdehnungs-, Relaxations- und Retardationsmessungen, zusätzlich unter besonderen atmosphärischen Gegebenheiten oder in Flüssigkeiten durchgeführt werden können,
  dass (Dichte)Messkörper 66|46 aus Vollmaterial, gemischten Stoffen zusammengesetzt und auch hohl, ggf. mit Füllmaterialien befüllt sein können und beliebig gestaltete Formen annehmen können,
  dass Messkörper- und Zubehörwerkstoffe wenn möglich mit reproduzierbaren Ausdehnungskoeffizienten, guter Wärmeleitfähigkeit, geringen elektrischen Oberflächenwiderstands, geringer Wärmekapazität und vor allem guter Korrosionsresistenz, günstige Eigenschaften zum Bau von Messkörpern 28|66|46 und Vorrichtungen 70 haben, worunter Zerodur (Wz., Glassorte der Fa. Schott-Glas), Kieselglas, Edelstähle, Titan bzw. vergoldete, platinierte, diamantbeschichtete Werkstoffe besonders zu erwähnen sind und dennoch auch PTFE, leitfähige und isolierende Kunststoffe (wegen geringer Oberflächenenergien), keramische Werkstoffe, sowie entsprechende Beschichtungen zu nennen sind,
  dass mehr als eine Wägezelle zur Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Verfahren verwendet werden kann,
  dass zur Kraftmessung oder Mess- bzw. Prüfkörperhalterung, -Bewegung und -Positionierung Magnetschwebekupplungen eingesetzt werden können,
  dass mehr als ein Aktor bzw. Bewegevorrichtung 10 zur Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Verfahren verwendet werden kann,
  dass Mess- oder Prüfkörper durch einen Probenwechsler (Autosampler) ausgetauscht werden können,
  dass Mess- oder Prüfkörper magnetisch gehalten werden können,
  dass Maßnahmen zur Temperierung oder zur Erzeugung von Temperaturgradienten eingesetzt werden (z.B. auch extern geregelte Thermostaten) und Mittel zur Temperaturmessung und Maßnahmen zur Umwälzung der Flüssigkeit durch Rührer, Mischer ergriffen werden, oder die Umwälzung durch Relativbewegung von Mess- oder Prüfkörpern, verursacht durch Auf- und Abbewegung des Aktors 10 bzw. des Behälters 24, zustande kommt,
  dass die Messsteuerung durch Beachtung von Beruhigungspausen, nach Misch-, Dosier-, Druck- oder Temperaturänderungsvorgängen entsprechend die Akquisition von stabilen Kraftmesswerten abwartet,
  dass die Medium- bzw. Luftdichteberücksichtigung nur bei entsprechend hoher Auflösung der Kraftmessung notwendig ist
  dass Zeit-, Temperatur-, Druckkoeffizienten etc. von zu prüfenden Stoffen aus Variationen der dazugehörigen Messumstände, Messdauer, Druck- oder Temperaturänderung, erhalten werden können, wobei begleitende Justierungen oder Kalibrierungen der Kraftmesseinrichtung 37, den gesicherten Bezug zur messtechnischen Kraft- oder Wägewerts- Einheiten ermöglichen,
  dass Messergebnisse unmittelbar ermittelt und ggf. grafisch auf Medien dargestellt werden und über ein mit der Recheneinheit 35 (1) verknüpften DV-Netzwerkanschluß 36 (1) oder Feldbussystem 36 (1) zur Verfügung gestellt werden,
  dass konstante Größen (geometrische Größen, Massen, Dichten, Oberflächenenergien, Temperaturkoeffizienten etc. z.B. bei 23|66|69|70 (9)) vorliegen können und mit den Messdaten in der Auswerteeinheit 35 entsprechend zugehöriger Rechenvorschriften oder Berechnungsalgorithmen verrechnet werden und
  dass von Erwartungswerten über einen vordefinierten Unterschied abweichende Messergebnisse zu einer automatischen, vorbestimmten Aktion, wie automatischen Ab- oder Zuschaltungen von Zusatzeinrichtungen (Pumpen, Ventile, Notabschaltung), automatischen Regelungseingriffen, z.B. einer adäquaten Dosierung, oder zur Signalauslösung und zum Eingriff durch Anwender auffordern.
• Als Werkstoff bei Messungen mit Flüssigkeitsbeteiligung eignet sich Quarzglas (Kieselglas) gut. Bei allen Gläsern und besonders bei Weichgläsern ist jedoch zu beachten, dass nach der Herstellung über längere Zeiträume ein Schwindungsprozess stattfindet. Dies ist insbesondere von Thermometergläsern bekannt [Henning, F., Moser, H. (Hg.), Temperaturmessung, 3.Aufl., J.A. Barth Leipzig (1977), S.51-52] und gilt auch für das Spezialglas Zerodur (Warenzeichen der Fa. Schott-Glas, Mainz). Zerodur ist dadurch ausgezeichnet geeignet, da es in der besten Dehnungsklasse, zwischen 0 und 100°C, keinen messbaren Ausdehnungskoeffizienten zeigt und somit bei raschen Temperaturwechseln keine Akkommodationsträgheit beachtet werden muss.
• Da es noch nicht hinreichend ausdrücklich betont wurde, erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung und Verfahren, ihre Integration in alle Arten von Wägevorrichtungen, selbsttätige und auch nicht selbsttätige. Ein Benutzer einer Waage kann so – eventuell während einer manuellen Ein- oder Auswägehandlung – durch den Justier- bzw. Kalibriervorgang unterbrochen werden. Wobei unmissverständliche Signalmeldungen der Waage diesen Vorgang für den Benutzer abbrechbar einleiten. Ergeben sich bemerkenswerte Abweichungen durch die Justierung bzw. Kalibrierung, indem der vorige Wägewert, dem nach der Einmessung nicht entspricht, dann ist darauf hinzuweisen. Das Gleiche gilt für die Justierung bzw. Kalibrierung, wenn die Sollwerte der Referenzkräfte gemäß der bis dahin gültigen Einstellung – vor einer neuen Linearisierung bzw. Anpassung des Justierfaktors oder Justierterms – grobe Abweichungen anzeigen. Sofern möglich sind diese Umstände z.B. über ein Ausgabegerät wie Drucker, Systemdatenbank, Logdatei oder Prüfberichtdatei zu protokollieren.
• Beispiele
• Der Anwendungsnutzen der Erfindung soll an zwei frühen messtechnischen Beispielen verdeutlicht werden. Beispiel 1 stellt Ergebnisse der kontinuierlichen Messung von Oberflächenspannung, Viskosität und Dichte (=OViD) über sieben Stunden hinweg an Wasser dar. Genau genommen muss die Messweise als quasi-kontinuierlich bezeichnet werden, denn die verschiedenen Mess-Phasen wechseln und werden durch Nullpunkteinstellungen unterbrochen. Das Beispiel 2, Dichtemessung an reinem Wasser, zeigt langzeitstabile Dichteunterschiede im Vergleich zwischen der Wasserdichte unter Heliumatmosphäre und nach einigen Stunden Luftkontakt, wobei vor jedem Messwert eine Nullstellung des Kraftmessers erfolgte.
• 1. Beispiel: OViD-Messung (Oberflächenspannung, Viskosität, Dichte)
• In 11, 12, 13 und 14 sind die Messresultate anhand des von der Software automatisch erzeugten Berichts dargestellt, wobei auf die Ausgabe der Rohdaten und Messwertelisten aus raumökonomischen Gründen verzichtet wurde. Die entsprechend beschrifteten Diagramme stellen den Temperaturverlauf, den Verlauf von Dichte, Oberflächenspannung und Viskosität in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur dar. Als Gefäß bzw. Messkammer diente ein dickwandiges, vernickeltes Aluminiumgefäß mit zweiteiliger Abdeckung (wie in 4 gezeigt). Der Pt100-Temperaturfühler steckte in einer Bohrung der Messkammer entsprechend dem Element 26 in 1. Der Messkörper mit einem angeklammerten Platin-Iridiumring (Ringradius 7.5mm, Drahtstärke 0.2mm) bestand aus vernickeltem Aluminium. Dabei muss noch in Betracht gezogen werden, dass die hier verwendete einarmige Haltevorrichtung ungenügend funktionierte, weil dies zu gewissen Schwankungen durch Wandkontakte des Messkörpers führte und dass die metallene Ausführung mit Nickel-, Aluminium- und Platinoberflächen für Messungen an Wasser nicht einwandfrei geeignet ist. Nichtsdestotrotz, wäre durch die Erfindung nicht die Möglichkeit geschaffen worden, die Waage zyklisch zu tarieren und den Flüssigkeitsbehälter abgedeckt zu halten, hätte die Qualität der dargestellten Resultate bei weitem nicht erreicht werden können.
• Die in DE 199 63 686 vorgestellten Verhalte werden im Folgenden soweit erörtert, als es für das Verständnis notwendig ist. In Ergänzung dazu wird auf Umstände hingewiesen, die Voraussetzung für das Funktionieren in einer Langzeitmessung sind. Die simultane Messung von Oberflächenspannung, Viskosität und Dichte bedient sich einer Messkörperkomposition, die, wie beim Messkörper 28 in 1 angedeutet, entsprechende Strukturen aufweist, einen (DeNoüy-) Ring für die Oberflächenspannung, eine Kapillare, durch die Flüssigkeit kraftwirksam fließen kann und das Volumen des Körpers insgesamt, das zur hydrostatischen Dichtemessung verwendet wird. Mit der Positionierung des Messkörpers durch Bewegung des Aktors 10 wird erreicht, dass die entsprechende Struktur mit der Eigenschaft der Flüssigkeit wechselwirkt. Die Deformation der Oberfläche mit dem Ring (durch herausziehen des benetzbaren bzw. hineindrücken – bei unbenetzbarem Ring) erlaubt die Berechnung der Oberflächenspannung aus den dabei auftretenden Kräften. Wobei die in DE 4412405 dargestellte tatsächlich statische Messweise das hier zur Anwendung kommende, physikalisch korrekte Verfahren erläutert. Kurz gesagt, besteht das korrekte Messen unter anderem darin, dass da, wo statische Kraftmesswerte thermodynamisch erforderlich sind, Gleichgewichtswerte durch eine intelligente Messsteuerung abgewartet werden. Dadurch kann die Ring-, Platten- oder Bügelmethode [DIN 53914] auch für viskose Flüssigkeiten angewendet werden.
• Bei der quasi kontinuierlichen bzw. zyklischen Messung, mit einem so gestalteten Messkörper (28 in 1), sind natürlich ein paar Besonderheiten zu beachten. Am Messkörper ist nach dem ersten Durchlauf Flüssigkeit anhaftend, die die Gewichtskraft erhöht. Außerdem läuft aus dem Hohlraum evtl. Flüssigkeit nach. So steuert das Messprogramm, zur Vorbereitung der Oberflächenspannungsmessung, die Flüssigkeitsoberfläche nahe an die Auslauföffnung des Messkörpers und holt den Tropfen ab. Dann wird der Ring relativ zur Flüssigkeitsoberfläche so positioniert, dass er 1 bis 2mm tief eintaucht. Der hier abgelesene Messwert ist das Messkörpergewicht plus anhaftende Flüssigkeitsmenge, abzüglich des Volumenauftriebs des Ringes und der Ringhaltedrähte im Bezugsniveau und zuzüglich der daran angreifenden Meniskuskraft. Dieser Messwert ist die Bezugskraft deren vorläufig unbekannte Komponente, die Meniskuskraft ist. Das Gewicht der Menisken wird iterativ bzw. rekursiv mit der Ermittlung der Oberflächenspannung berechnet. Da es bei dieser Art der Messung der Oberflächenspannung nur auf die Maximalkraft ankommt, wird der Messkörper aus der beschriebenen Position soweit über die Flüssigkeitsoberfläche gehoben, dass der Ring bereits nahe am Niveau der Maximalkraft steht. Der Spannungszustand der Oberfläche kann dadurch zeitlich sehr kurz gehalten werden. Vom vorgespannten Zustand aus wird die Flüssigkeitslamelle bis zur Überschreitung der maximalen Spannung schrittweise ausgezogen. Es ergibt sich ein Kurvenstück aus diskreten Messpunkten, dessen drei größte Werte durch eine quadratische Regressionsgleichung abgebildet werden. Die Ableitung der Gleichung mit Nullsetzung ergibt den Ort und Wert der maximalen Kraft. Zusammen mit der Behälteroberfläche, dem anfänglichen Oberflächenniveau und dem fehlenden Volumen, das am Messkörper hängt, und der jeweiligen Kraft – alles bekannte Daten – wird die absolute Höhe des Rings über der Flüssigkeitsoberfläche berechenbar. Ausdehnungskoeffizienten) und dadurch bedingte Niveauveränderung sind in dem Beispiel jedoch noch nicht berücksichtigt. Fällt ein sich vom Messkörper ablösender Tropfen während der Bestimmung der Oberflächenspannung ab, so ignoriert der Auswertealgorithmus diese Messwertegruppe zur Oberflächenspannung. Der weitgehende Abschluss der Messkammer durch den Deckel unterdrückt eine gewichtswirksame Änderung am Messkörper während dieser Messung, da die Behälteratmosphäre dampfgesättigt ist. Außerdem ist die Dampfsättigung eine weitere Voraussetzung zur physikalisch einwandfreien Messung der Oberflächenspannung, die anders kaum erreicht werden kann. Die unterdrückte Verdunstung, aber auch die Durchmischung der Flüssigkeit durch die Messkörperbewegungen, führt dazu, dass die Oberflächentemperatur nicht allzu weit von der Massetemperatur abweicht. Wäre der Deckel durchweg dicht schließend, bzw. würde man eine Magnetschwebevorrichtung hier einsetzen, wären die Effekte nicht unbedingt positiv, denn dann müssten Drücke besonders beachtet werden.
• Der Ablauf der Messung in diesem Beispiel ist: 1. Prüfung und etwaige Korrektur der Justierung des Aktors 2. Antasten der Oberfläche mit der Ringunterseite indem der Behälter durch den Aktor angehoben wird – zur Etablierung des Bezugsniveaus. 3. Vollständiges Eintauchen des Messkörpers um die Oberflächen zu benetzen, wobei auf die Geometrie des Messkörpers (und der Flüssigkeitsoberfläche) Rücksicht genommen wird und das Eintauchen an kritischen Stellen – wo das Schwallen oder Schwappen der Flüssigkeit Blasen oder Schaum erzeugen könnte – entsprechend langsam erfolgt. 4. Durchmischen der Flüssigkeit durch Auf- Ab- Bewegungen des Messkörpers, um Temperaturgradienten zu zerstören und die Messfrequenz durch diese Pause zu verringern. 5. Tarieren, nach Bewegung des Aktors, wie zu 1 erläutert. 8. Dichtemessung. Dazu bewegt der Aktor den Behälter eine definierte Wegstrecke nach oben, so dass der Messkörper frei in der Flüssigkeit schwebt. Die Bewegung bewirkt einen rückwärtigen Flüssigkeitsmeniskus am Haltedraht. Dieser receiding-Meniskus ist hochreproduzierbar und der Kraftbeitrag leitet sich von der bekannten Oberflächenspannung her, die tauchende Haltedrahtlänge steht fest und natürlich das Volumen des Messkörpers bei der aktuellen Temperatur, so kann die Dichte genau bestimmt werden. 7. Konditionierung zum ersten Teil der Viskositätsmessung: Der Messkörper wird dabei soweit herausgezogen, dass das Flüssigkeitsniveau im Messkörper nach Nivellierung gerade den inneren Boden bedeckt. Dass nach einer Zeit des Auslaufens ein nivelliertes inneres und äußeres Flüssigkeitsniveau erreicht wird, wird anhand des Kraftverlaufs erkennbar. Außen am Messkörper findet sich ein vorwärts- bzw. Advancing- Kontaktwinkel, den die Flüssigkeit mit der Oberfläche bildet, innen, receiding- Kontaktwinkel. 8. Viskositätsmessung (a): Nun wird der Behälter rasch angehoben, der Messkörper also ein Stück weit untergetaucht, und die Flüssigkeit strömt durch die Kapillare, laminar in den Messkörper und außen fällt der Pegel ab. Dadurch wird der Messkörper in viskositätsbedingter Geschwindigkeit schwerer. Außen am Messkörper bildet sich ein receiding-Kontaktwinkel, innen, der vorwärts- bzw. advancing- Kontaktwinkel. 9. Viskositätsmessung (b): Der Messkörper wird danach wieder auf dem zuvor eingenommenen Niveau positioniert und v.v. wird durch den Flüssigkeitsaustritt und den Pegelanstieg der Messkörper leichter. Außen am Messkörper bildet sich ein advancing -Kontaktwinkel, innen, der vorwärts- bzw. receiding -Kontaktwinkel. Aus diesen hochsymmetrischen Vorgängen (auch an der inneren Gefäßwand) werden die Nebeneffekte, kinetische Energie Korrektion und Kontaktwinkelproblematik durch Zusammenfassung beider Viskositätsmessungen eliminiert. (Grundsätzlich erlaubte die Datenvollständigkeit – bei genau vermessenen Strömungskapillaren – auch eine ad-initio-Berechnung der Viskosität nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille, was wissenschaftlich durchaus nicht unbedeutend wäre. Auch sind äußerst kleine Schergefälle zugänglich und es kann überprüft werden, bei welcher Strömung Newtonsches Verhalten bei vermeintlich Newtonschen Flüssigkeiten beginnt oder aufhört). 10. Auslaufzeit: Der Messkörper wird dann noch einmal ganz untergetaucht und rasch (alle Beweggeschwindigkeiten sind genau definiert) soweit an die Oberfläche gebracht, dass die Düsenspitze die Flüssigkeitsoberfläche fast berührt. Das Ausfließen – nun ohne Gegendruck durch ansteigendes Niveau aber nicht ganz ohne Schaffung neuer Oberfläche – liefert in der Zeitdimension einen inneren Vergleich und weitgehendes Analogon zur Viskosität. Die nach der Auslaufzeit verbleibende Flüssigkeitsmenge, die sich aus der Gewichtsbilanz ergibt, liefert Parameter zur Kohäsion und Adhäsion der Flüssigkeit. 11. Mit der Messung der Oberflächenspannung, in der oben geschilderten Art, wird der Messzyklus beschlossen. Die Stationen zwischen 5. Tarieren und 11. Oberflächenspannung können beliebig oft durchlaufen werden. Ändert sich währenddessen die Temperatur, so ergeben sich Ausdehnungskoeffizient, Viskositäts-Temperaturabhängigkeit und der Temperaturkoeffizient der Oberflächenspannung. (Desgleichen sind Zeit-, Konzentrations-, Druck- oder irgendwie geartete Behandlungs- Koeffizienten bei isothermer Messung möglich etc..)
• Durch den Einsatz der erfindungsgemäße Vorrichtung und Verfahren in erster Näherung wurden nach einer automatischen 7-stündigen Messung mit dem OViD-Verfahren die in den Diagrammen 11 bis 18 dargestellten Resultate erhalten. Das Diagramm in 11 zeigt den Temperaturverlauf über die Messdauer. 12 stellt die Messwerte zur Oberflächenspannung in Temperaturabhängigkeit dar und enthält eine Legende zu den eingezeichneten Daten, die für die folgenden Diagramme bis 18 gültig ist. So sind die entsprechenden Verläufe der jeweiligen Größe von Wasser (SMOW) durch dick gestrichelte Linien eingetragen. Fehlerbereiche sind außer bei dem Diagrammen zur Zeitabhängigkeit der Dichte (14) und der Temperatur- und Zeitabhängigkeit der Viskosität (16, 17) durch feingestrichelte Linien abgebildet. Der jeweilige Angabewert ist in den Diagrammen durch eine Kugel symbolisiert. Für die Auslaufzeit (18) wird kein Angabewert gebildet und eine Fehlerberechnung findet nicht statt. Der nach drei Stunden einsetzende Anstieg der Viskosität ist aller Wahrscheinlichkeit nach auf eine Verengung der Fliesskapillare zurückzuführen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und Verfahren erlauben es nun endlich, Effekte, die ggf. erst nach längeren Behandlungszeiten auftreten, messtechnisch zu erfassen. Und dies betrifft nicht nur Effekte an Messgütern sondern auch die Chance zur Optimierung des Messinstrumentes selbst.
• Die folgende Tabelle fasst die Messergebnisse im Vergleich zu den Eigenschaften der Referenzflüssigkeit zusammen. Bei 25,51 °C sind die einzelnen Werte vom Literaturwert nicht signifikant verschieden. Der Temperaturkoeffizient der Viskosität (η -Δ1K) sticht durch eine Abweichung von mehreren 100% heraus.
• Referenzwert

  
• Die Angabe "Signifikanz" drückt aus, um wie viele Male die Messunsicherheit größer ist, als der Unterschied. Das Zeichen "@" zeigt an, dass bei der jeweiligen Größe kein signifikanter Unterschied von Mess- und Referenzwert auftritt, bzw. dass der Signifikanzwert kleiner als 0,5 ist. Die Aussagefähigkeit der Signifikanz bei der Bewertung der Temperaturabhängigkeit hängt sehr davon ab, dass ein hinreichend großes Temperaturintervall durchmessen wird.
• Die Aufgabe von Messgeräten ist Differenzierung der Messgröße, für die es gebaut ist. Wenn man dann sagt, ein Messgerät sei umso besser ist, je mehr Differenzierungen durch Messbereich und Auflösung möglich sind, dann ist ein OViD-Messgerät ungefähr 108 Fach besser, als ein Tensiometer, Dichtemessgerät oder Viskosimeter: Nimmt man für ein Tensiometer mit real auftretenden Oberflächenspannungen von 15 bis 100 mN/m eine Auflösung von 0,1 mN/m an (i.d.R ist die Messunsicherheit 0,5 mN/m), so erhält man 850 unterschiedliche Anzeigeeinstellungen. Für die Dichte von 0,6000 bis 2,5000 g·mL^-1 ergeben sich 19000 und für die Viskosität zwischen 0,300 bis 2000 mPa·s etwa 1000 Einstellungen; ergibt für eine OViD-Messung 1,6·10¹⁰ (1,6E 10) verschiedene Messwerteinstellungen. Mit der Berücksichtigung von Temperaturkoeffizienten beträgt die Zahl etwa 3·10¹⁴. Betrachtet man nun die Tatsache, dass die Messweise der Größen definitionsgleich oder -nah ist, an die Messung der jeweiligen Größe ist also keine Zusatzbedingungen gebunden sind (wie i.d.R. Durchsichtigkeit bei Glaskapillarviskosimetern) und Partikularergebnisse eingesetzt werden (die Dichte für die Berechnung der Oberflächenspannung, dynamischen/kinematischen Viskosität) bzw. sich alle notwendigen Korrekturen intern berechnen lassen (Meniskuskraft aus der Oberflächenspannung), so wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und Verfahren ein Normalmessgerät für Flüssigkeiten verwirklicht. Mit geeichter Justierung für Kraft bzw. Masse, einem geeichten Thermometer und einer Standardflüssigkeit lassen sich alle Messgrößen ableiten.
• Die Steuerung der Maschinerie und Zuschaltung externer Geräte, Kriteriumsteuerung der Messabläufe, Messung der Kräfte und Temperaturen erfolgt durch eine Programmierhochsprache, wobei das damit erstellte Steuerprogramm vorausschauend interpretiert wird um z.B. Bewegungsanweisungen für Geschwindigkeitsrampen an den Aktor zu glätten. Die Programmiersprache der Messprogramme enthält Schleifen mit Abbruchbedingungen und Wenndann- Konstrukte mit Sprunganweisungen, die auf – mit der Ausführung erst bekannt werdende – Verhalte bezogen werden können [Internet: www.imeter.de]. Die Bewertung der Abläufe zu Messdaten findet von Messprogrammen unabhängig statt, denn die Eindeutigkeit der Messdaten in Position, Zeit, Kraft (Temperatur) erlaubt mit den Daten zur Geometrie des Messkörpers und der Oberfläche des Messbehälters etc., klare Zuordnungen. Insgesamt wird also ein geschlossenes, semiotisch-semantisches System dargestellt, das keine festgelegten Abläufe benötigt, jedoch bloße Fiktion wäre, könnten nicht auf vertretbar einfache Art, wie es in der Erfindung beschrieben ist, die Voraussetzungen, durch Justierbarkeit und Messraumabschluss für physikalische Korrektheit geschaffen werden. Anlagebedingt sind Steuerungen für Dosierer, Pumpen, Niveauregulation, Rührer, Thermostaten etc. vorhanden und Sensordaten z.B. für Drucke, Luftfeuchte, pH, Leitfähigkeit, Redoxpotentiale, spezifische Stoffsensoren etc. sind integrierbar. Die Eigenschaften der Mittel (Aktor, Kraftmesser, Thermometer) mit Bereichen, Auflösung und Unsicherheiten dienen nebenbei zur Automatisierung eines Großteils der Berechnungen zur Fehlerfortpflanzung.
• So können, dank der Erfindung, auf einfachste Art, Abläufe frei gestaltet werden, unterschiedlichste Messkörper eingesetzt und feine Abstimmungen auf einen Untersuchungsgegenstand und -Zweck verwirklicht werden; sowohl im Labor zur Prüfung und Optimierung, als auch in der Produktion bzw. der Produktüberwachung.
• 2. Beispiel: Isotherme Dichtemessung
• In 13 sind die Ergebnisse der isothermen Messung an Wasser über 1,5 bzw. 2 Stunden hinweg zusammen in Diagrammform dargestellt. Bei der Wasserprobe handelte es sich um sorgfältig destilliertes Wasser, das per angelegter Wasserstrahlvakuumpumpe in einem Kolben gasfrei gemacht wurde und mit Heliumüberdruck in das Messgefäß überführt wurde. In dem gläsernen Messgefäß, ein Temperiergefäß wie in 2 gezeigt, wurde zuerst unter einem schwachen Heliumstrom bei 24,98°C gemessen. Der dicht sitzende Deckel (21, 48) wurde dazu mit einer Bohrung und einem Schlauchanschluss für die Heliumzuführung ausgestattet. Die andere Messung, die bei 24,99°C, temperaturbereinigt, zu einer etwas geringeren Dichte führte, wurde an der selben Probe mit dem darin verbliebenen Messkörper, nach rund 15 Stunden mit Luftkontakt ausgeführt.
• Die Schwankung der Kraftmesswerte fand im Bereich von 0,1 mg, der Auflösung der hier eingesetzten Analysenwaage satt. Ohne die automatisch Nullstellung der Waage könnte die Standardabweichung der Messwerte kaum bei 1 ppm liegen.
• Das Diagramm in 19 stellt beide Messungen zusammen dar, wobei die Daten aus der Abweichung von Messwert und Referenzwert gebildet wurden. Die unter Helium ausgeführte Messung zeigte eine um 7 ppm geringerer Dichte an und die nachfolgende Messung unter Luft ergab eine um 32ppm geringere Dichte. Dabei betrug die theoretische Messunsicherheit insgesamt 50 ppm, weshalb aus diesen Daten keine definitiven Aussagen möglich sind.
• Die folgenden zwei kleinen Tabellen geben den Vergleich mit dem Literaturwert für Wasser (SMOW) bei der Messtemperatur wieder.
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• Der Messkörper, ein hohler vernickelter Aluminiumzylinder (Volumen 66,8...mL, Masse 153,5...g), wurde zur Messung an einem 50μm dicken Wolframdraht befestigt. Der Badthermostat (Julabo U3) ist mit einer Konstanz von ±0,02K spezifiziert. Die eingesetzte Waage hat eine Auflösung von 0,1 mg, die Linearität beträgt 0,2mg. Das Pt100-Thermometer wurde zeitnah von einem Eichamt kalibriert; bei einer Messunsicherheit von ±0,02K wurde für 25,00°C keine Abweichung gefunden.
• Wasser des SMOW-Standards bei 24,9 °C hat die Dichte 0,997 0735 g·mL^-1 und bei 25,0°C 0,997 0480 g·mL^-1 [Handbook of Chemistry and Physics, 75th Edition, Lide, D.R. (Ed), CRC Press, Boca Raton, Florida (1994), Kap.6, S.12]. Die Dichteänderung pro 1/10 K beträgt also etwa 0,000 25 g·mL^-1. Pro 1/100 K, der Auflösung des Thermometers und der halben Konstanzbreite der Temperaturregelung, wäre eine Dichteschwankung im Bereich von 0,000 025 g·mL^-1 zu erwarten gewesen. Tatsächlich beträgt die Standardabweichung 0,000 001 g·mL^-1 (1ppm) für beide Messungen. Die Auflösung der Dichteanzeige wurde durch Nullsetzung der Messunsicherheit für das Messkörpervolumen maximiert; die Auflösung schwankt wegen Rundungseffekten zwischen 0,000 001 und 0,000 002 g·mL^-1. Die Temperierung ist also wesentlich konstanter als spezifiziert, und die Auflösung des Thermometers ist eine begrenzende Größe. Es bietet sich an, mit der Vorrichtung und relativ großvolumigen (hohlen) Messkörpern, deren Dichte zur Optimierung der Auflösung nur etwas verschieden ist zur Normalflüssigkeit, Thermometer im Milli-Kelvin Bereich und ggf. darunter einzumessen, Anhand des eindeutigen Temperatur-Dichteverlaufs von Wasser (als primärem oder sekundärem Messnormal) kann so ein Temperaturmesser justiert werden. Der Dichtemesskörper sollte dazu mit einer Messeinrichtung für die Oberflächenspannung ausgerüstet sein sollte, um die Meniskuskorrektur berechnen zu können. Die Vorrichtung (Platte(n), Ring, Bügel), analog zu dem OViD-Verfahren, ist vorteilhaft oberhalb des Messkörpervolumens am Haltedraht 23 anzuordnen. Natürlich wären begleitende Maßnahmen zu beachten, dazu gehören Maßnahmen, wie z.B. bei Glaskörpern, Einsatz von Gläsern bester hydrolytischer Klassen, verspiegeln des Glasbehälters etc. Natürlich wäre eine entsprechende Waage, die mit Klasse E1 Prüfgewichten (OIML – Empfehlung R111) justiert ist, einzusetzen.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Messung von Kräften aus einer Kraftmesseinrichtung (37) und einer Positioniervorrichtung (10) zur Entlastung der Kraftmesseinrichtung durch mechanische Trennung der Kraftleitung zwischen Messgut (28,46,74) und Kraftmesseinrichtung (37), sodass diese tariert oder justiert bzw. kalibriert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniervorrichtung (10) über einen Arm (12) direkt, oder an einem Messraum (24) angreifend, dessen Oberseite (21) unmittelbar oder über einen Aufbau (48, 61), durch Positionierung, die reversible Wirkverbindung der Kraftleitung zwischen einem Lastträger (18,56,73) und einer Lastaufnahme (16,44) mechanisch öffnet, sodass der Kraftmesser (37) von der Messkraft getrennt wird, dass dieser tariert und/oder justiert bzw. kalibriert werden kann und wobei die Trennung der Kraftleitung über einen Mitnehmer (21,48,61) bewirkt wird, der als Abdeckung eines Messraumes (24) wirkt, indem er durch Auflage über die Öffnung (17) mit dem Anheben des Messraumes (24) durch die Positioniervorrichtung (10), diesen bedeckt, wodurch tariert und/oder justiert bzw. kalibriert werden kann oder nach weiterer Bewegung der Positioniervorrichtung (10), die die Elemente einer Haltevorrichtung, wie beispielsweise die Teile eines Tragerahmens (15,16,29), von der Lastaufnahme, wie beispielsweise einer Waagschale (30) einer oberschaligen Waage abhebt, der Kraftmesssensor (42) entlastet wird und somit tariert und/oder justiert bzw. kalibriert werden kann,
2. Vorrichtung zur Messung von Kräften mit einer Kraftmesseinrichtung (37) und einer Bewegungsvorrichtung (10) zur Justierung bzw. Kalibrierung der Kraftmessung, gekennzeichnet dadurch, dass die Justierung bzw. Kalibrierung der Kraftmesseinrichtung (37) durch Bewegung und Positionierung eines Aktors (10) bewerkstelligt wird, indem dessen weg- und/oder drehwinkelabhängige Einwirkung auf einen oder mehrere Körper definierter Richtgröße, Kräfte erzeugt, die auf den Kraftmesssensor (42) übertragen werden und zur Kalibrierung oder zur Justierung der Kraftmesseinrichtung (37) verwendet werden, wobei die Erzeugung der Kraft durch wegdefinierte Auslenkung, Stauchung, Dehnung und/oder Torsion einfach und auch in mehreren Stufen ablaufen kann, sodass aus einer Anzahl sukzessiver Kraftänderungen, Linearität und Auflösung des Kraftmessers aus mehreren Datenpaaren von Wegdifferenz und Kraftdifferenz bestimmt werden können und mechanische Elastizitäten, die aus der Kraftmesseinrichtung mitwirken, in einem Justier- bzw. -Kalibrierterm zusammengefasst und für die korrekte Anzeige berücksichtigt werden können und wobei auch aus den – während der Elongation erhaltenen Messwerten – auf die Geschwindigkeit der Kraftmessung geschlossen werden kann.
3. Vorrichtung zur Messung von Kräften mit einer Kraftmesseinrichtung (37) und einer Bewegungsvorrichtung (10) zur Justierung bzw. Kalibrierung der Kraftmessvorrichtung, gekennzeichnet dadurch, dass die Justierung bzw. Kalibrierung der Kraftmesseinrichtung (37) durch die Bewegungsvorrichtung (10) ermöglicht wird, indem mindestens zwei Prüfgewichte (59) aufeinanderfolgend, auf den Kraftsensor (42) einwirkend, angeordnet und deren Kraftwirkung zur Justierung bzw. Kalibrierung zwischengespeichert werden, wovon mindestens ein Prüfgewicht von für Prüfgewichte (59) üblicher Dichte ist und wovon eines oder mehrere Gewichte (61), definierten Volumens und Masse, von davon abweichender Dichte sein kann bzw. sein können, sodass eine Ein- oder Mehrpunktkalibrierung bzw. Justierung aus den zwischengespeicherten Werten vorgenommen werden kann, bzw. zusätzlich die Dichte des Mediums in dem die Gewichtauflage auf den Sensor zur Justierung bzw. Kalibrierung erfolgt, bei der Justierung bzw. Kalibrierung mitermittelt werden kann.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 2 oder nach Anspruch 1 und Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Bewegungsvorrichtung (10) sowohl den Mechanismus zur Erzeugung der Kraft zur Justierung bzw. Kalibrierung durch Richtkräfte oder durch Gewichtskräften bedient als auch die Kraftmesseinrichtung durch mechanisches entkoppeln entlastet, dass somit tariert und/oder justiert bzw. kalibriert werden kann, wobei damit der Vorgang zur Abdeckung eines Messraumes (24) verbunden sein kann.
5. Verfahren zur Messung von Körper- und Stoffeigenschaften unter Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass die mit einer Kraftmesseinrichtung (37) messbare Kraft durch ein Wägegut (74), einen Messkörper (46), eine Messkörperkomposition (28) oder einen Prüfkörper (68), die sich in einem mit der Bewegungseinrichtung (10) verbundenen Messraum (24) befinden können, hervorgerufen bzw. mithervorgerufen wird, wobei die messbare Kraft durch Bewegung und Positionierung der Bewegungseinrichtung (10) durch Wirkungen im Messraum (24) verändert werden kann, und wobei zur Quantifizierung der dabei auftretenden Kräfte, die Kräfte durch etwaige Förderbänder, Behälter, Lastaufnahmen oder Befestigungsmaßnahmen (18,20,22,23,68,69,70) berücksichtigt werden, indem die von diesen Mitteln ausgehenden Kräfte abgezogen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5 gekennzeichnet dadurch, dass die auf die Kraftmesseinrichtung wirkenden, durch Wägegüter (74), Messkörper, Messkörperkompositionen (28) oder Prüfkörper (68) hervorgerufen Kräfte, in vordefinierten Zeitabständen, zufällig oder durch Änderungen der Umgebungsbedingungen, mit der Positionierung der Bewegungsvorrichtung (10) in vordefinierten Niveaulagen vom Kraftmesssensor (42) mechanisch abgetrennt werden, so dass dieser tariert und/oder justiert bzw. kalibriert werden kann und wobei der dadurch unterbrochene Vorgang nach dem Tarieren und/oder Justieren bzw. Kalibrieren fortgesetzt werden kann.
7. Verfahren nach Anspruch 5 gekennzeichnet dadurch, dass die Dichte von einem Prüfkörper (68) nach der Auftriebsmethode in einem Fluid bestimmt wird, indem die Dichte des Fluids (25), die zur Volumenbestimmung des Prüfkörpers dient, durch Auftriebsmessung mit einem Messkörper (66) gemessen wird, wobei der Fluidbehälter (24) durch die Bewegungsvorrichtung (10) vertikal nach oben bewegt und positioniert wird und so zuerst den Prüfkörper (68) in das Fluid senkt, dass der Auftrieb des Prüfkörpers (68) durch die Kraftmesseinrichtung (37) gemessen werden kann und dass mit weiterer Aufwärtsbewegung die Kraftleitung von dem Prüfkörper und seiner Haltevorrichtung (18,20,22,23,69,70) vom Kraftmesser durch Unterbrechung abgetrennt wird, dass der Kraftmesser tariert werden kann und dass die Weiterbewegung und Positionierung, die Messung der Auftriebskraft des Messkörpers (66) durch Bildung einer Kraftleitung zum Kraftmesssensor (42) etabliert und somit die Messung der Flüssigkeitsdichte ermöglicht.
8. Verfahren nach Anspruch 5 gekennzeichnet dadurch, dass für Messungen an Flüssigkeiten, die Flüssigkeiten (25) einfach oder mehrphasig sein können, Schmelzen, echte und/oder kolloidale Lösungen, Pasten, Aerosole, Nebel, Dämpfe, Suspensionen, Emulsionen oder Schäume sein können, als Messkörper für Ober- bzw. Grenzflächenspannung, Ringe, Platten, Bügel oder Körperoberflächen eingesetzt werden, dass als Messkörper für die Dichte, beliebig geformte Volumenkörper eingesetzt werden, dass als Messkörper für die Viskosität, geometrische Körper, wie Kugeln, Ellipsoide, Kegel oder Hohlkörper mit Öffnungen eingesetzt werden und dass zur Messung der Sedimentation, kugelförmige Messkörper oder Auffangpfannen eingesetzt werden und dass insbesondere für Messungen an Flüssigkeiten als Messkörperkompositionen, Verbindungen von besagtem Volumenkörper mit besagten Messkörpern für die Ober- bzw. Grenzflächenspannung, sowie Verbindungen aus vorgenannten Viskositätsmesskörpern mit besagten Messkörpern für die Ober- bzw. Grenzflächenspannung eingesetzt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 5 gekennzeichnet dadurch, dass für Messungen an Feststoffen, ein Prüfkörper (68) als feuchter oder trockener Stoff, Gel, Staub, Pulver, Granulat, Gewebe, Faser, Schaum, Rauch, zähe Paste, als kompakter Körper oder als Beschichtung, Niederschlag, Kondensat, Haut oder Film auf einem Träger (70) vorliegt, und dessen Gewicht und Gewichtsänderungen durch Messumstände mit ermöglichtem Stoffaustausch, nämlich der Absorption, Adsorption und Desorption von Bestandteilen des Prüfkörpers bzw. der Umgebung, oder durch Messumstände mit ermöglichter Stoffveränderung, oder beidem, oder der Bildung von Benetzungsstellen zwischen Prüfkörper und einem Fluid, insbesondere in einer verschließbaren Kammer (24), durch Kraft- und Kraftänderung gemessen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 5 gekennzeichnet dadurch, dass für Messungen mechanischer Eigenschaften wie Härte, E-Modul, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Relaxation und Retardation unter Beteiligung entsprechender Kegelkörper, Pyramiden, Biegebalken, Spannzangen und ähnlicher Hilfsmittel, wobei der Prüfkörper zwischen Kraftmesseinrichtung und Bewegungsvorrichtung befestigt ist, bzw. der Prüfkörper mit der Bewegungsvorrichtung verbunden ist und die Hilfsmittel mit der Kraftmessung verbunden sind, oder umgekehrt und wobei insbesondere die Prüfungen in einer verschließbaren Kammer (24), die ein Fluid enthalten kann, anhand von Kraft- und Kraftänderung unter Beachtung von Weg und Zeit erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 2 gekennzeichnet dadurch, dass die Justierung bzw. Kalibrierung mit Richtkräften an Sensorgebilden für Gewichts-, Beschleunigungs-, Vibrations-, Zug- und Druckkräfte erfolgt und dass die Justierung bzw. Kalibrierung – der Richtkräfte erzeugenden Einheit – durch Prüfgewichte bewerkstelligt werden kann.