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Registriervorrichtung für eine Quarzwendel-Feinwaage Die Erfindung
betrifft eine Registriervorrichtung für eine Quarzwendel-Feinwaage (MacBain-Feinwaage)
mit einem am Ende der Wendel befestigten Magnetkern und einer diesen umgebenden,
koaxial zur Auslenkung der Feder liegenden Magnetspule, deren zur Rückführung des
gewichtsabhängig ausgelenkten Kernes in die Ausgangslage erforderlicher Strom, von
einer veränderbaren Spannungsquelle abgegriffen, die Registriervorrichtung beaufschlagt.
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MacBain-Feinwaagen lassen sich bekanntlich zur Messung der Gewichtsänderung
verwenden, die eine Substanz im Verlaufe einer chemischen Umsetzung unter Temperatureinfluß
erfährt. Diese Gewichtsänderungen wirken sich in einer Längenänderung der Wendelfeder
der Waage aus, an deren Ende eine die zu untersuchende Substanz enthaltende Schale
befestigt ist. Die zugehörigen Meßwerte können entweder durch eine direkte Ablesung
oder praktischer durch eine Registrierung erhalten werden, wobei optische und elektronische
Vorrichtungen für diesen Zweck bekannt sind.
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Bei den bekannten Vorrichtungen für diesen Zweck ist eine Magnetspule
vorgesehen, die einen an der Wendelfeder der Waage hängenden Magnetkern umgibt,
um diesen wieder in seine Ausgangslage zurückzuführen.
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Bei einer bekannten Registriervorrichtung der obengenannten Gattung
ist die Magnetspule mit einem Differentialtransformator verbunden, der mit einer
Wechselspannung fest vorgegebener Frequenz gespeist wird. Dem Ausgang des Differentialtransformators
nachgeschaltet sind ein Verstärker und ein Demodulator, an dessen Ausgang ein Gleichstrom
auftritt, dessen Betrag der Amplitude der von der Magnetspule an den Differentialtransformator
abgegebenen Wechselspannung proportional ist und dessen Vorzeichen der Phasenverschiebung
von 0 oder 1800 zwischen der Speisewechselspannung für den Differentialtransformator
und dessen Ausgangssignal entspricht. Dieser ausgangsseitige Gleichstrom dient als
Rückstellkraft für die Magnetspule zur Kompensation der Lageänderung des Kernes
unter dem Einfluß von Änderungen im Gewicht des gemeinsam mit dem Kern an der Feder
hängenden Wägegutes.
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Voraussetzung für eine einwandfreie Arbeitsweise einer solchen Vorrichtung
ist naturgemäß eine äußerst genaue Symmetrierung der Wicklung des Differentialtransformators,
da nur dann eine genaue Ausrichtung seiner Symmetrieebene auf die Mitte des Magnetkernes
und damit eine eindeutige Zuordnung der Lage des Differentialtransformators zu der
Stellung
des Magnetkernes wie auch zu der Gewichtsbelastung der Querzwendel zu erzielen
ist. Ein solchermaßen bemessener Differentialtransformator stellt jedoch einen sehr
kostspieligen Bauteil dar, so daß diese bekannte Vorrichtung insgesamt so teuer
ausfällt, daß sich ihr ausgedehnter Einsatz besonders in einfach ausgestatteten
Laboratorien verbietet.
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Eine andere bekannte Registriervorrichtung für Querzwendel-Feinwaagen
arbeitet mit einer den Magnetkern umschließenden Magnetspule mit vielen Windungen,
die von einer stabilisierten Gleichspannungsquelle mit einem regelbaren Strom versorgt
wird. Dieser Strom bzw. die von ihm ausgehende magnetische Wirkung dient dazu, den
an der Quarzwendel der Waage hängenden Magnetkern wieder in seine Ausgangslage zurückzuführen,
die er unter dem Einfluß der Gewichtsänderung des an der Quarzwendel hängenden Stoffes
verlassen hat. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist also eine doppelte Messung bzw.
Beobachtung erforderlich, zum einen muß man den zur Rückführung des Magnetkernes
in seiner Ausgangslage erforderlichen Strom genau bestimmen, und zum anderen ist
man gleichzeitig gezwungen, den Magnetkern selbst zu beobachten, um feststellen
zu können, wann er seine Ausgangslage wieder erreicht hat. Die Ablesung des Wägeergebnisses
gestaltet sich also recht schwierig, da der Beobachter seine Aufmerksamkeit gleichzeitig
zwei Veränderungen zuwenden muß oder aber die beiden
änderungen
von zwei verschiedenen Personen zu beobachten sind, wobei sich dann schwierige Koordinationsprobleme
ergeben. Auf jeden Fall muß aber die Beobachtung unmittelbar durch eine Bedienungsperson
vorgenommen werden, eine Automatisierung der Messung ist also nicht mÖglich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einer
Registriervorrichtung der eingangs erwähnten Art diese so abzuwandeln, daß man einerseits
mit einfachen und dementsprechend preisgünstigen Bauteilen auskommt und andererseits
auch ohne weiteres eine Automatisierung des Meßvorganges möglich ist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Magnetspule
und eine gleiche Kennwerte aufweisende Induktionsspule in zwei benachbarten Zweigen
einer in den übrigen Zweigen Widerstände aufweisenden Wheatstone-Brücke angeordnet
sind, welche an dem zwischen der Induktionsspule und einem Widerstand liegenden
Diagonalpunkt von der mittels eines Stellmotors regelbaren Spannungsquelle speisbar
und bei welcher der zwischen den Widerständen liegende Diagonalpunkt mit einem Phasendetektor
und einem nachgeordneten Relais für den Stellmotor verbunden ist, derart, daß die
durch das Anziehen des Kernes in die Magnetspule bei deren Stromänderung auftretende
Impedanzänderung (Phasensprung) das Relais abschaltet.
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Die Grundlage für die Arbeitsweise der Registriervorrichtung ist
also eine genaue Bestimmung der Potentialdifferenz, die zum Anziehen des Kernes
durch die Magnetspule gerade ausreicht. Diese Potentialdifferenz ist eine Funktion
der Entfernung des Kernes von der Magnetspule, die ihrerseits von der Dehnung der
Quarzwendel unter dem Einfluß des Gewichts des Wägegutes abhängt. Man braucht also
nur die aufeinanderfolgenden Werte der Potentialdifferenz zu registrieren, um die
Längenänderungen der Quarzwendel und damit die änderungen im Gewicht des daran aufgehängten
Wägegutes zu bestimmen.
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Die interessierende Potentialdifferenz wird mit Hilfe der Wheatstoneschen
Brücke gemessen, in deren Zweigen die Magnetspule und die dieser in; den Kennwerten
gleiche Induktionsspule liegen. Solange sich diese Brückenschaltung im Gleichgewicht
befindet, d. h. der Kern außerhalb -der Magnetspuleliegt, schließt das an einen
Diagonalpunkt der Brückenschaltung angeschlossene Relais den Speisestromkreis für
den Stellmotor, und dieser läßt die an zwei anderen Diagonalpunkten der Brückenschaltung
anliegende Spannung so lange steigen, bis es zu einem Anziehen des Kernes durch
die Magnetspule kommt. Die damit verbundene Phasenänderung dies die Magnetspule
durchlaufenden Stromes bringt die Brückenschaltung aus dem Gleichgewicht, und das
Relais in der Stromversorgung für den Stellmotor wird blockiert. Damit wird die
in dem Augenblick des Anziehens des Kernes durch die Magnetspule herrschende Potentialdifferenz
festgehalten, und die Registrierung dieses Wertes gestattet nach vorheriger Eichung
der Vorrichtung die Bestimmung der Entfernung des Kernes von der Magnetspule und
damit der Dehnung der Quarzwendel und dementsprechend auch des Gewichtes des Wägegutes.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Es stellt dar
F i g. 1 einen schematischen Längsschnitt dadurch den
mechanischen Teil einer Registriervorrichtung, F i g. 2 das elektrische Schaltschema
der Vorrichtung.
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In Fig. 1 ist eine Wendelfeder 1 einer MacBain-Feinwaage veranschaulicht,
deren übrige, bekannte Teile in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Die aus Quarz
bestehende Wendel von beispielsweise 10 jnm Durchmesser verlängert sich um 1 mm,
wenn die Belastung um 21 mg zunimmt. Am unteren Ende der Wendel 1 ist als Magnetkern
ein kleiner Zylinder 2 aufgehängt, der aus magnetischem Material in Form eines Ferritstäbchens
besteht. Dieses Stäbchen ist vorher mit einer dünnen Glasschicht überzogen, um es
vor Korrosionsschäden zu schützen, wenn das Gerät in einer ätzenden Atmosphäre arbeitet.
Am Ende des Zylinders 2 ist an einem Haken3 eine Schale 4 aufgehängt, welche die
Probe der Substanz enthält, deren Gewichtserhöhung bestimmt werden soll. Die gesamte
aus Wendel, Zylinder 2 und Schale 4 bestehende Anordnung ist im Innern einer Glasschutzhülle
5 untergebracht, deren äußerer Durchmesser 24 mm beträgt, Um die Schutzhülle 5 ist
eine Magnetspule 6 angeordnet, deren innerer Durchmesser 25 mm beträgt und die 10000
Win dungen aus 0,15mm starkem Kupferdraht aufweist.
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Die Spule 6 ist auf einer Halterung 7 aus unmagnetischem Material
befestigt, die längs einer Meßschiene 8 verstellbar und an dieser mittels eines
entsprechenden Feststellers 9 in einer genau bestimmten Stellung feststellbar ist.
Mit Hilfe der Meßschiene 8 soll, wie noch zu erläutern sein wird, einerseits eine
genaue Eichung der Entfernungen des Zylinders 2 von der Spule 6 als Funktion der
Zugkräfte, die durch das Fließen eines Stromes in dieser Spule auftreten, durchführbar
und andererseits die Möglichkeit zu einer vorherigen, variablen Einstellung der
Halterung 7 gegeben sein, wenn bei bestimmten Messungen der Zylinder 2 von der Spule
6 zu weit entfernt ist, um von ihr angezogen werden zu können.
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Fig. 2 veranschaulicht die mit der vorerwähnten Anordnung von Spule
9 und Zylinder 2 verbundene elektrische Schaltung. Die Spule 6 bildet zusammen mit
einer Induktionsspule 10 mit gleichen Kennwerten zwei benachbarte Zweige einer Wheatstoneschen
Brücke, deren Abgleich mit Hilfe eines Potentiometers 11 erfolgt und von einem hochempfindlichen
Galvanometer 12 überwacht wird. Zwischen den Diagonalpunkten 13 und 14 der Wheatstoneschen
Brücke ist eine Spannung angelegt, die sich mittels eines als regelbare Spannungsquelle
dienenden Transformators 15 linear von beispielsweise 0 auf 220 Volt ändern läßt.
Diese Spannungsänderung erfolgt durch eine Anderung des Übersetzungsverhältnisses
mittels eines Synchronmotors i6 mit Drehrichtungsumkehr.
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Eine Registriervorrichtung 17 dient zur Messung der zwischen den
Diagonalpunkten 13 und 14 der Brücke angelegten Spannung.
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Die beschriebene Anordnung wird durch einen Phasendetektor 18 vervollständigt,
dessen Ausgang über einen Verstärker 19 ein im Speisestromkreis für den Stellmotor
16 angeordnetes, empfindliches Relais 20 steuert.
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Die Arbeitsweise der Registriervorrichtung läßt sich aus der obenstehenden
Beschreibung ableiten, wobei der den Transformator 15 steuernde Motor 16 automatisch
außer Spannung gesetzt wird, wenn der Zylinder 2 von der Spule 6 angezogen oder
in sie
hineingezogen wird. In diesem Fall kommt es in dem Zweig,
der die Spule 6 enthält, zu einer Impedanzänderung, welche die Brücke aus dem Gleichgewicht
bringt. Die auf diese Weise hervorgerufene und von dem Phasendetektor 18 erfaßte
Phasenänderung wirkt auf den Stromkreis des Relais 20, das durch Öffnen die Stromzufuhr
zum Motor 16 unterbricht. Es genügt daraufhin, an dem Registriergerät 17 die auf
diese Weise bestimmte bzw. festgehaltene Spannung, welche das Anziehen des Zylinders
2 durch die Spule 6 bewirkt hat, direkt abzulesen.
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Es sei an dieser Stelle vermerkt, daß die praktische Ausnutzung der
Registriervorrichtung von einer vorherigen Eichung abhängig ist. Hierzu wird die
Spule 6 in bekannten Entfernungen von dem Zylinder 2 angeordnet, wobei diese Entfernungen
auf der Meßschiene 8 mittels eines Niveauhöhen-Meßgeräts gemessen werden. Die zur
Anziehung des Zylinders 2 erforderlichen Spannungen werden aufgezeichnet. Die Kurve
für die Werte dieser Spannungen als Funktion der Enfernungen des Zylinders 2 von
der Spule 6 gestattet es, die Werte für die Belastungsänderungen der Wendelfeder
1 abzuleiten.
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Die Registriervorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich durch
besonders einfache Bauweise und leichte Handhabung aus, wobei die zeitliche Folge
der Messungen selbstverständlich von der Stabilisierung der beweglichen Anordnung
abhängig ist.
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Es liegt auf der Hand, daß der elektrische Teil der Registriervorrichtung
sich leicht für das Arbeiten mit einer Gruppe von Waagen anpassen läßt, indem ein
drehbar gelagerter Wählschalter nacheinander jede der Magnetspulen 6 in die Wheatstonesche
Brücke einschaltet, bevor für die entsprechende Spule die dazugehörige Spannung
gemessen wird.