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Automatische Waage Die vorliegende Erfindung betrifft eine automat
tische Waage mit einer den lastabhängigen Waage balkenausschlag zur Verringerung
der Empfindlichkeit der Waage vermindernden elektromagnetischen Gegenkraft, welche
über einen Rückkopplungskreis steuerbar ist.
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Derartige Waagen sind bereits bekanntgeworden und haben besonders
bei solchen Messungen Anwendung gefunden, welche eine fortlaufende Aufnahme der
Meßwerte in Abhängigkeit von anderen Meßgrößen, wie z. B. der Zeit und/oder der
Temperatur verlangen. Durch Anwendung von Rückkopplungsschaltungen ist bei diesen
Waagen eine Linearisation und Stabilisation der Aufzeichnungen der Gewichtsänderungen
erreicht worden, da dadurch die Abhängigkeit dieser Aufzeichnungen einerseits von
den Eigenschaften der betreffenden Stromkreise und andererseits von der Eingangsspannung
beträchtlich herabgesetzt worden ist. Die bekanntgewordenen Vorrichtungen weisen
jedoch den Nachteil auf, daß bei Anwendung von induktiven oder kapazitiven Meßwertaufnehmern
die betreffenden Stromkreise recht kompliziert und sehr empfindlich sind, wogegen
bei Anwendung von fotoelektrischen Meßwertaufnehmern wiederum eine Verdunkelung
notwendig ist. Als Meßwertaufnehmer kann ein veränderbarer elektrischer Kondensator,
z. B. ein Tauchkondensator, dienen, dessen bewegliche Platten mit dem Anker gekuppelt
sind, oder eine elektrische Spule veränderbarer Induktivität, z. B. eine Tauchkernspule,
deren beweglicher Teil ebenfalls mit dem Anker gekuppelt ist. Die der jewelligen
Stellung des Ankers entsprechende Kapazität bzw. Induktivität kanil mittels einer
Brückenschaltung gemessen werden, wobei der Meßwert zur Steuerung eines in der Gewichtsteinheit
geeichten elektrischen Anzeigeinstruments und gegebenenfalls eine Registriereinrichtung
benutzt werden kann.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist als elektrischer Geber ein
übertrager mit wenigstens zwei Wicklungen vorgesehen, deren Kopplung entweder durch
einen beweglichen, mit dem Anker verbundenen Kern oder durch gegenseitige Verschiebung
verändert wird. Die eine Wicklung wird mit einer konstanten Wechselspannung gespeist,
und in der anderen Wicklung wird abhängig von der Stellung des Ankers eine Spannung
induziert, die ein Anzeige- bzw. Registriergerät steuert. Ferner kann als elektrischer
Geber ein Widerstand veränderbarer Größe, z. B. ein Potentiometer, dienen, dessen
beweglicher Abgriff mit dem Anker verbunden ist. Der
abgegriffene Widerstandswert
wird zur Steuerung der +-Anzeigeeinrichtung herangezogen.
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Bei einigen der eingangs erwähnten Messungen ist es erforderlich,
die Empfindlichkeit der Waage im Verlauf des Wiegevorganges stufenweise zu ändern,
und zwar in einem recht großen Bereich. So arbeitet man z. B. bei der thermogravimetrischen
Analyse zuerst mit einer niederen Empfindlichkeitsstufe (bei der Wasserverdampfung
und ähnlichen Gewichtsänderung) und nachfolgend mit immer höheren Empfindlichkeitsstufen.
Bei der Waagengattung, welcher auch der Erfindungsgegenstannd angehört, sind die
stufenweise im Verlauf des Wiegevorganges einzustellenden Empfindlichkeitsänderungen
keinesfalls mit jenen bei üblichen Waagen feststellbaren Empfindlichkeitsveränderung
vergleichbar, welche in dem Umstand des verminderten Waagebalkenausschlages implizit
inbegriffen ist.
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Eine stufenweise Empfindlichkeitsänderung wäre bei den bekanntgewordenen
Waagen mit elektromagnetischem Rückkopplungskreis zwar theoretisch denkbar, doch
stößt ihre praktische Durchführung auf derartige Schwierigkeiten im Aufbau der Vorrichtung,
daß ein konkreter Realisationsversuch bisher noch nicht bekanntgeworden ist.
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Eine andere Gattung automatischer elektromagnetischer Waagen, die
auch bereits bekanntgeworden ist, arbeitet nach dem sogenannten Nullpunktausgleichsprinzip,
bei welchem der Waage balkenausschlag nicht nur vermindert, sondern völlig aufgehoben
wird. Hierbei wird als Meßwertaufnehmer
ein Differentialumformer,
vorzugsweise in Spulenform, verwendet. Bei einer anderen bekanntgewordenen Ausführungsform
der gleichen Gattung wird als Meßwertaufnehmer ein Transduktor mit veränderlicher
Permeabilität angewandt und als Erzeuger der den Waagebalkenausschlag aufhebenden
Kraft ein Solenoid.
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Die mit Nullpunktausgleich arbeitenden Geräte sind im allgemeinen
den Rückkopplungsgeräten unterlegen, da die hierbei zu verwendende servomechanische
Ausgleichsvorrichtung recht kompliziert und störanfällig ist. Auch wachsen mit steigenden
Genauigkeitsanforderungen die Schwierigkeiten beim Bau und beim Einregeln stark
an. Ferner weist die Ausgleichvorrichtung in der Nähe der Gleichgewichtslage des
Waagebalkens, in der sich dieser in seiner Ruhelage befindet, einen gewissenUnempfindlichkeitsbereich
auf, innerhalb dessen ein Waagebalkenausschlag zu keinem Ansprechen führt. Die bewegten
Schwungmassen der Ausgleichvorrichtung können Verlängerungen der diversen Zeitkonstanten
und ferner infolge von Schwingungen der ganzen Vorrichtung weitere störende Auswirkungen
herbeiführen.
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1111 Waagenbau wurde ein Differentialübertrager als Meßwertgeber
auch bei einer registrierenden Mikrowaage verwendet, welche weder nach dem Nullpunktausgleichprtnzip
oder mit vermindertem Waagebalkenausschlag arbeitet, noch mit einem Rückkopplungskreis
versehen ist.
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Die Empfindlichkeit einer gebräuchlichen Analysenwaage kann mittels
einer verhältnismäßig einfachen elektrischen Zusatzeinrichtung um das 10 000fache
vergrößert werden. Ein Differentialübertrager mit einem beweglichen Kern als Meßwertgeber,
ein elektromechanischer Gleichrichter und ein selbstabgleichendes registrierendes
Millivoltmeter ergeben zunächst ohne VerstärkungeineEmpfindlichkeitssteigerung um
das 100fach. Mit Hilfe eines zusätzlichen Verstärkers mit Elektronenröhren läßt
sich die Empfindlichkeit nochmals um den Faktor 100 vergrößern.
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Die Empfindlichkeit der Waage kann man mit Hilfe eines Präzisions-Spannungsteilers
einregelt und die Waage durch Auflegen von Standardgewichten eichen.
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Bei den mit einem Differentialumformer versehenen und nach dem Nullpunktausgleichprinzip
arbeitenden Waagen ist eine Empfindlichkeitsänderung auf elektromagnetischem Wege
nicht möglich.
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Die Empfindlichkeitsänderung könnte hier z. B. mechanisch herbeigeführt
werden, doch würde die zur Lageänderung des Balkenschwerpunktes unvermeidliche zusätzliche
Masse eine Vergrößerung der Gesamtmasse des Waagebalkens herbeiführen. Dies hätte
zwangläufig eine Steigerung des Trägheitsmomentes und Vergrößerung des spezifischen
Druckes bei der Mittenschneidenlagerung zur Folge, also durchaus ungünstige Begleiterscheinungen.
Geräte dieser Art sind auch in der Praxis bisher nicht aufgekommen.
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Schließlich muß noch der Dauer einer jeden stufenweisen Empfindlichkeitsänderung
und der Abklingdauer des -Meß- und/oder Registriergerätes Beachtung gewidmet werden.
Bei den bisherigen Geräten dauert jede Empfindlichkeitsänderung mindestens einige
Minuten. Eine während dieser Zeitspanne eventuell stattfindende sprunghafte Gewichtsänderung
der Last bleibt daher unvermerkt. Je
länger dann die Abklingdauer des Meß- und/oder
Registriergerätes bei einer sprunghaften Gewichtsänderung ist, desto größer ist
die zeitliche Verzerrung der Registrationskurve. Beide erwähnten Zeitkonstanten
sollten daher so kurz wie nur möglich sein. Dabei ist jedoch die Abklingdauer bei
den bekanntgewordenen Geräten mit Differentialumformer gerade besonders groß.
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Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine automatische
Waage zu schaffen, deren Balkenanschlag mittels elektromagnetischer Rückkopplungskompensation
verringert wird, wobei auch eine Möglichkeit der spontanen Empfindlichkeitsänderung
vorzusehen war.
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Die vorliegende Erfindung geht zur Lösung dieser Aufgabe aus von
einer automatischen Waage mit einer den lastabhängigen Waageb alkenausschlag zur
Verringerung der Empfindlichkeit der Waage vermindernden elektromagnetischen Gegenkraft,
welche über einen Rückkopplungskreis steuerbar ist.
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Diese Waage wird nun so ausgebildet, daß erfindungsgemäß ein in an
sich bekannter Weise als Meßwertaufnehmer für den Waagebalkenausschlag dienender
Differentialumformer im Eingang des Rückkopplungskreises angeordnet ist und daß
eine einen forromagnetischen Kern aufweisende, mit paarweise gewickelten Spulen
versehene Differentialspule die elektromagnetische Gegenkraft erzeugt.
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Der ferromagnetische Kern ist ein Dauermagnet aus magnetisch hartem
Ferrit. Die Empfindlichkeit der Waage ist einerseits durch an sich bekanntes Andern
der Eingangsspannung des Differentialumformers und andererseits durch Andern der
Windungszahlen der Primärwicklung des Differentialumformers zu verändern. Aber auch
durch einen einstellbaren Widerstand im Rückkopplungskreis ist die Empfindlichkeit
der Waage zu verändern.
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Die Erfindung vereinigt demnach zwei bei automatischen Waagen an
sich bekannte, bisher jedoch nur sich gegenseitig ausschließend angewandte Elemente,
nämlich die elektromagnetische Rückkopplungskompensation und den Differentialumformer,
mit einem dritten neuen Element, der Differentialspule.
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Der ferromagnetische Kern der Differentialspule kann als Dauermagnet
aus magnetisch hartem Ferrit hergestellt sein, wodurch der Vorteil eines Dauermagneten,
die Funktionslinearität des Krafterzeugers, mit dem technologischen Vorteil einer
einfachen Herstellung durch Pressen vereinigt wird.
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Die Empfindlichkeit der Waage kann beispielsweise wie folgt geändert
werden: entweder durch Einwirkung auf das Eintrittsglied, d. h. auf den Differentialumformer,
oder durch eine Einwirkung auf das Austrittsglied, d. h. auf die Differentialspule.
Es erfolgt jeweils die Empfindlichkeitsänderung im Gegensatz zu den bekannten Methoden
augenblicklich, z. B. durch Einstellen eines Drehknopfes. Im zuerst angeführten
Fall kann man wieder zwischen zwei Möglichkeiten wählen. Man ändert entweder die
Eingangsspannung oder aber die Windungszahl der Primärwicklung des Differentialumformers.
Im zweiten Fall stellt man einen Rheostaten im Rückkopplungskreis ein.
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Die Erfindung bringt somit eine bedeutende Vereinfachung und gleichzeitig
Genauigkeitssteigerung bei Rückkopplungskreisen zur Registration von Gewichtsänderungen
und bei Empfindlichkeitsänderungen
einer Waage mit sich. Die Genauigkeit
und Übersichtlichkeit gravimetrischer Registrationen wird durch die Erfindung gesteigert.
Je niedriger die eingestellte Empfindlichkeitsstufe und je höher daher der Gewinn
in der Rückkopplung ist, desto höher ist die Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, Linearität
und Stabilität der Registration. Dies ermöglicht, daß auch Aufzeichnungen, welche
bei einer niederen Empfindlichkeitsstufe aufgenommen wurden, mit hoher Genauigkeit
und Reproduzierbarkeit ausgewertet werden können.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
erläutert. Es stellt dar F i g. 1 eine Schaltung gemäß der Erfindung, Fig.2 eine
Schaltung mit Elektronenverstärker, welche Empfindlichkeitsänderungen in einem weiten
Bereich zuläßt, und F i g. 3 eine weitere Schaltung mit Elektronenverstärker, welche
Empfindlichkeitsänderungen in einem noch weiteren Bereich zuläßt.
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Gemäß Fig. 1 liegen im Eingangsstromkreis des Differentialumformers
2 eine Wechselspannungsquelle 16 (Stromnetz), ein Potentiometer 17 und die Primärwicklungen
9, 10 des Differentialumformers. Der Austnttsstromkreis des Differentialumformers
2 ist durch eine Abschirmung 11 gegenüber dem Eingangsstromkreis abgeschirmt und
weist die Sekundärwicklungen 12, 13, Gleichrichter 14, 15 in Graetz-Schaltung, einen
Rheostaten 18, ein Meß- undloder Registriergerät 6 und die beiden WicklungenSa,
5 b einer Differentialspule auf. Der magnetisch weiche Kern 8 des Differentialumformers
2 ist an einem Arm des nicht dargestellten Waagebalkens aufgehängt, während der
ferromagnetische Kern 1 der Differentialspule 5 a, 5b entweder am gleichen oder
am anderen Arm dieses Waagebalkens aufgehängt ist.
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Die dargestellte Anordnung wirkt wie folgt: Wenn sich der Waagebalken
in seiner Nullage befindet, so befindet sich auch der Kern 8 in seiner Nullage,
d. h. in der Mitte der Spulen des Differentialumformers 2.
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In den Sekundärwicklungen 12, 13 werden gleiche Spannungen induziert,
die nach Gleichrichtung in den Gleichrichtern 14, 15 Ströme, i2 erzeugen, welche
die Wicklungen 5 a, 5b der Differentialspule durchfließen und dabei gegensinnig
gleiche magnetische Felder hervorrufen. Diese magnetischen Felder subtrahieren sich
gegenseitig zum Wert Null, so daß es zu keiner Einwirkung auf den ferromagnetischen
Kern 1 kommt. Auch im Meß- und/oder Registriergerät 6 subtrahieren sich die gegensinnig
gleichen Ströme in und i2, so daß das Gerät den Nullwert angibt. Schlägt jedoch
der nicht dargestellte Waagebalken aus seiner Nullage aus, so verläßt auch der Kern
8 seine Nullage, so daß sich die Austrittsspannung der Sekundärwicklungen 12, 13
in der bei einem Differentialumformer bekannten Weise ändert.
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Die Ströme und i2 sind nicht mehr gegensinnig gleich, da entsprechend
den Spannungen in den Sekundärwicklungen 12, 13 der eine größer und der andere kleiner
wird.
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Der ferromagnetische Kern 1 ist dem Einfluß der Differenz der in
den beiden Wicklungen 5 a, 5 b der Differentialspule erzeugten magnetischen Felder
ausgesetzt und setzt sich derart in Bewegung, daß die ursprüngliche Bewegung des
Kernes 8 teilweise kompensiert wird. Dadurch wird auch der ursprüngliche Waagebalkenausschlag
verringert, jedoch nicht gänz-
lich aufgehoben. Das Meß- und/oder Registriergerät
6 gibt dabei die Differenz der Ströme i1 und i2 an. Durch Einstellung des von beiden
Strömen ei und i2 durchflossenen Rheostaten 18 kann die Größe dieser Ströme und
dadurch auch die Größe der Rückkopplungskraft geändert werden, wodurch wiederum
die Empfindlichkeit der Waage geändert wird. Eine andere Möglichkeit der Anderung
der Größe der Ströme il, i2 und dadurch auch der andere rung der Empfindlichkeit
der Waage ist einmal die Änderung der Eingangsspannung der Primärwicklungen 9, 10
des Differentialumformers 2 mittels des Potentiometers 17 und zum anderen die Änderung
der Windungszahl dieser Wicklungen.
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Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Kombination eines Differentialumformers
als Eintrittsglied mit einer Differentialspule als Krafterzeuger in einem Rückkopplungskreis
in besonders günstiger Weise das Problem einer verlustlosen Phasendektion am Wechselstromaustritt
des Differentialumformers löst.
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Außer den bekannten Vorteilen eines Differentialumformers, wie der
kontaktlosen Wirkung oder der hohen Austrittsenergie bei kleinen am Kern angreifenden
Kräften, wird bei dieser Kombination durch Kopplung mit der Differentialspule die
Eigenschaft des Differentialumformers genutzt, daß dieser einen Wechselstromaustritt
von differentialem Charakter besitzt.
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Die beschriebene Anordnung enthält keine Röhren und ist ausschließlich
aus verschleißlosen Elementen zusammengestellt.
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Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung läßt einen weiteren Bereich
derEmpfindlichkeitsänderungen zu, weil in den Rückkopplungskreis eine Doppeltriode
21 als Verstärker geschaltet ist. Zur Gleichrichtung der Ströme il, i2 werden hier
einfache Gleichrichter 19, 20 verwendet, und das Potentiometer ist als Stufenpotentiometer
17' ausgebildet. Die anderen Elemente entsprechen den in Fig. 1 dargestellten und
Funktionsweise und Möglichkeiten zurEmpfindlichkeitsänderung sind die gleichen wie
bei der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung.
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Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung läßt Empfindlichkeitsänderungen
in einem noch weiteren Bereich als die Anordnung nach F i g. 2 zu und unterscheidet
sich von dieser dadurch, daß die Spannungen der Sekundärwicklungl2, 13 gleich im
Differentialumformer2 subtrahiert werden und daß im Elektronenverstärker 22 lediglich
deren Differenz verstärkt wird. Dadurch können bedeutend geringere Anforderungen
an die Verstärkerdynamik gestellt werden, und die Empfindlichkeitsänderung sind
daher in einem weiteren Bereich möglich. Die verstärkte Spannungsdifferenz wird
über den Umformer 23 zwei gleichen Wicklungen 24, 25 zugeführt. Von den beiden gleichen
Wicklungen26, 27 des Netzumformers 33 werden über die Wicklungen 24 und 25 des Umformers
23 zwei gleiche, zueinander gegenphasige Spannungen den Gleichrichtern 28 und 29
zugeführt.
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Es entstehen so zwei gleich große Ströme i2, i4, die sich in ihrer
magnetischen Wirkung und der Differentialspule 5 a, 5b gegenseitig aufheben. Wenn
der Waagebalken aus seiner Nullage ausgeschwenkt wird, tritt am Ausgang des Differentialumformers
2 eine dem Ausschlag proportionale Spannung auf, welche nach Verstärkung den beiden
gleichen Sekundärwicklungen 24, 25 des Umformers 23 zugeführt wird. Die Spannungen
in den Sekundärwicklungen
24 und 25 sind zu einer der Spannungen
der Wicklungen 26, 27 gleichphasig und mit der anderen gegenphasig. Wenn der Waagebalken
z. B. nach einer solchen Richtung ausschwingt, daß die Spannung aus dem Differentialumformer
2 auf der Wicklung 24 gleichphasig mit der Spannung der Wicklung 26 ist, summieren
sich diese Spannungen, und der Strom 1.3 wird vergrößert. Die Spannungen aus den
Wicklungen25 und 27 sind dann gegenphasig, subtrahieren sich voneinander und der
Strom i4 sinkt. Die DifferentialspuleSa, 5b wirkt dann auf den Kern 1 mit einer
der Differenz der Ströme i3 und i4 proportionalen Kraft ein. Die Kraftrichtung hängt
davon ab, welcher der Ströme i8 und i4 größer ist. Schlägt der Waagebalken in entgegengesetzter
Richtung aus, so werden die Phasenverhältnisse umgekehrt, und die Differentialspule
5 a, 5b ruft eine Kraft in entgegengesetzter Richtung hervor. In die Stromkreise
der Ströme ii, i2 sind RC-Glieder 30, 31 geschaltet, welche als Differentiationsglieder
zur Dämpfung der Waagenschwingungen dienen. Das Meß- und/oder Registriergerät 6
mißt bei dieser Schaltung die Differenz der Austrittsspannungen der Gleichrichter
28, 29. Der Umschalter 34 dient zur Änderung der Eingangsspannung der Primärwicklungen
9, 10 des Differentialumformers 2 zwecks Empfindlichkeitsänderung, und der Rheostat
32 dient zur Empfindlichkeitsänderung durch Einwirkung am Austrittsglied, d. h.
an der Differentialspule 5 a, 5 b. Die übrigen Elemente entsprechen wieder denen
der F i g. 1, und es besteht natürlich auch die nicht dargestellte Möglichkeit einer
Empfindlichkeitsänderung durch eine Windungszahländerung bei den Primärwicklungen
9, 10.
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In den Schaltungen, die in den F i g. 2 und 3 dargestellt sind, können
zur Leistungsverstärkung der Rückkopplung auch Transistorverstärker, magnetische
Verstärker usw. verwendet werden.
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Die Waage nach der Erfindung kann bei allen gravimetrischen Messungen
verwendet werden und ist besonders zur thermogravimetrischen Analyse im Hüttenwesen,
in der Keramik, Geologie und Chemie geeignet. Die Erfindung ermöglicht eine fortlaufende
Aufzeichnung der Änderung auch anderer physikalischer Größen als des Gewichtes,
beispielsweise des Druckes, oder jeder anderen Größe, die in eine Kraft umgewandelt
werden kann.