DE1902192B2 - Elektronische mikrowaage - Google Patents

Description

Trotz der bekannten Vorteile, die die Spanndrahtaufhängung für einen Waagebalken im Vergleich zu einer Schncidenlagerung bietet, nämlich Fehlen von Reibung, widerstandsfähige Konstruktion und kein Verziehen der Drehachse (jede Schneide entspricht im Grunde einer Rolle), hat sich diese Art der Aufhängung bisher noch nicht in größerem Umfang durchsetzen können. Der hauptsächliche Grund hierfür liegt darin, daß beim Ausschlag des Waagebalkens infolge von Torsion des Spanndrahtes ein dem Ausschlag proportionales Moment auftritt, das dem Waagebalken-Ausschlag entgegenwirkt und die Empfindlichkeit der Waage verringert.

Bekanntlich läßt sich die Empfindlichkeit einer Balkenwaage steigern, wenn man den Schwerpunkt des Waagebalkens und der mit ihm verbundenen Teile möglichst dicht an seine Schwenkachse heranbringt. Dies erfolgt in vielen Fällen mit Hilfe einer Stellschraube, mit der die Waage nivelliert wird.

Nachteilig hierbei ist jedoch, daß eine genaue Nivellierung nur unter Zuhilfenahme einer Wasserwaage möglich ist.

Bei einer bekannten elektronischen Mikrowaage der eingangs genannten Art ist am Waagebalken eine Drehspule befestigt, welche mit einer feststehenden Wechselstromfeldspule zusammenwirkt, um bei Ausschlägen des Waagebalkens ein Kompensationsmoment zu erzeugen. Dabei ist eine Stromzufuhr sowohl zur beweglichen Drehspule als auch zur ortsfesten Wechselstromfeldspule vorgesehen. Eine derartige Mikrowaage hat auch die oben angegebenen Nachteile und ist wegen der doppelten Stromzufuhr verhältnismäßig kompliziert (vgl. Chemiker-Zeitung, chemische Apparatur, Heft 8/65, Sonderdruck, Abb. 2 mit Beschreibung).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine vereinfachte elektronische Mikrowaage mit an einem Spanndraht aufgehängtem Waagebalken zu schaffen, die außerordentlich empfindlich ist und zur Nivellierung keine mechanischen Einrichtungen benötigt.

Diese Aufgabe wird bei einer Mikrowaage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der am Waagebalken befestigte Teil ein Teil einer zweiteiligen magnetischen Vorrichtung ist und mit deren ortsfesten zweiten Teil in der Weise zusammenwirkt, daß bei jeder Stellung des Waagebalkens ein dem vom Spanndraht ausgeübten Torsionsmoment entgegengerichtetes Moment auf den Waagebalken wirkt.

Auf diese Weise kann ein indifferentes Gleichgewicht erzielt werden, ohne daß der Waagebalken zusätzlich belastet und ohne daß hierzu die Schwerkraftwirkung benutzt wird. Daher kommen die Vorteile der Spanndrahtlagerung voll zur Geltung. Auch entfällt eine Stromzufuhr zu wenigstens einem Teil der Mikrowaage und vorzugsweise zu deren beweglichen Teilen.

Die Erfindung kann in sehr unterschiedlichen Ausführungsformen verwirklicht werden, welche alle darin übereinstimmen, daß sich der am Waagebalken befestigte Teil der magnetischen Vorrichtung bei Gleichgewichtslage des Waagebalkens in labilem Gleichgewicht befindet.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann der am Waagebalken befestigte Teil ein Magnet oder Weicheisenstück sein, der zwischen zwei gleich starken,

in Abstand einander gegenüberliegenden Magnetpolen von entgegengesetzter Polarität angeordnet ist. Diese Anordnung kann auch umgekehrt werden, in der Weise, daß die durch einen Abstand voneinander getrennten Magnetpole am Waagebalken und der Magnet oder das Weicheisenstück ortsfest außerhalb ά·-Λ Balkens angeordnet sind.

Der Magnet, dessen Pole durch einen Abstand voneinander getrennt sind, kann entweder ein Dauermagnet oder ein Elektromagnet sein. Es ist auch möglich, ein entsprechend geformtes Weicheisenstück zu verwenden. Der zwischen den Magnetpolen angeordnete Teil der Vorrichtung kann in den beiden erstgenannten Fäller, entweder ein Weicheisenstück, ein Dauermagnet oder ein Elektromagnet sein, im letztgenannten Fall kann er als Dauermagnet oder Elektromagnet ausgebildet sein.

Bei der Verwendung von Elektromagneten ergibt sich der Vorteil, daß die Magnetkraft äußerst genau auf den erforderlichen Wert eingestellt werden kann. Außerdem können die Magnetspulen eine sehr geringe Masse bilden, was beim Gebrauch kernloser Spulen am Waagebalken von großer Bedeutung ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß am Waagebalken eine Spule und außerhalb des Waagebalkens ein fester Magnet angeordnet ist, wobei die Richtung des die Spule durchfließenden Stroms so auf die Polarität des Magneten abgestimmt ist, daß die auf die Spule einwirkende Kraft mit dem Ausschlag des Waagebaikens aus der Ruhelage zunimmt und in der gleichen Richtung wirkt, in der sich der Waagebalken bewegt.

Befindet sich die Spule in größerem Abstand vom Spanndraht, so hat das von der Spule auf den Waagebalken wirkende Moment einen weitaus größeren Hebelarm als dann, wenn die Spule nahe am Spanndraht angebracht ist, wo sich zumeist die Meßspule befindet. Es ergibt sich dadurch eine einfachere und leichtere Konstruktion sowie die Möglichkeit zu sehr genauer Einstellung.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, daß die Spule in einem zwischen den Polen des ortsfesten Magneten gebildeten Luftspalt angeordnet ist, dessen seitliche Begrenzungen tangential zum Waagebalken bzw. parallel zu Tangenten an den Waagebalken verlaufen, und aus zwei Spulenteilen besteht, die vom Strom in zueinander entgegengesetzten Richtungen durchflossen werden.

Dringt einer der Spulenteile weiter in den Spalt ein, so steigert sich die auf diesen Teil wirksame Magnetkraft, während gleichzeitig der andere Spulenteil aus dem Spalt teilweise austritt und sich die auf dinsen Teil wirkende Magnetkraft entsprechend verringert. Da die Kräfte gegeneinander gerichtet sind, wird die Bewegung der Spule unterstützt, und zwar mit einer mit dem Ausschlag des Waagebalkens zunehmenden Kraft.

Nach einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Spule an zwei dicht nebeneinander angeordneten Magnetpolen von entgegengesetzter Polarität entlang bewegbar ist, wobei die Bewegungsrichtung der Spule senkrecht zu der die beiden Magnetpole voneinander trennenden Ebene verläuft. Die Stromrichtung in der Spule wird dabei so gewählt, daß die Kräfte in den Spulenteilen nach einander entgegengesetzten Richtungen wirken. Bewegt sich die Spule aus ihrer fts Mittelstellung vom Spalt weg, so erhöht sich die auf diesen Teil wirkende Kraft, während der andere Snulenteil sich auf den Spalt zubewegt und dadurch die auf diesen Teil wirksame Kraft abnimmt.

Ausgehend von diesem Prinzip sind mehrere Ausführungsformen möglich. Die Spule ist vorzugsweise ringartig ausgebildet und weist einen rechtwinkligen oder zylindrischen Querschnitt auf. Der Luftspalt kann dann im Inneren der Spule liegen und im Querschnitt rechteckig sein. Er kann auch die Form eines Ringes aufweisen, der von der Spule umschlossen ist.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform sind die entgegengesetzt geschalteten Spulenteile und die Magnetpole konzentrisch zum den Waagebalken lagernden Spanndraht angeordnet. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß jeder der beiden Spulenteile mit einem Polpaar des Magneten zusammenwirkt.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Waage nach der Erfindung in schematisierter, perspektivischer Darstellung,

F i g. 2 eine erste Ausführungsform de: erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der der am Waagebalken befestigte Teil zwischen zwei gleich starken Magnetpolen angeordnet ist,

Fig. 3 eine Ausführungsform, bei der eine zylindn sehe, am Waagebalken befestigte Spule in den Luftspalt eines ortsfesten Topfmagneten eingreift,

Fig.4 einen Schnitt quer zur Erstreckung des Waagebalkens durch eine Flachspule, die im Luftspalt eines ortsfesten Magneten liegt,

F i g. 5 eine andere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Spule an einem ortsfesten flachen Magneten entlang bewegbar ist,

Fig. 7 einen vergrößerten senkrechten Teilschnitt durch Fig. 1,

Fig. 8 einen Schnitt durch Fig. 7 auf der Linie VlIl-VIIl,

F i g. 9 einen vergrößerten Teilschnitt durch F i g. 7,

F i g. 10 eine Einzeldarstellung des Spulenhalters nach F i g. 7 und 8 in Derspektivischer Darstellung und

Fig. 11, 12 und 13 die einzelnen Bestandteile des Spulenhalters nach Fig. 10.

Fi g. 1 zeigt eine Feinwaage, deren Waagebalken 1 an einem waagerechten, quer zur Richtung des Balkens verlaufenden Spannband 2 aufgehängt ist. Anstelle des schmalen Bandes 2 kann auch ein Spanndraht verwendet werden. Das Spannband 2 ist zwischen nicht dargestellten Festpunkten gehaltert. Am Waagebalken 1 sind Schalen oder Gefäße 3, 4 zur Aufnahme von Gewichten bzw. des zu wiegenden Materials angeordnet. Ferner ist an dem Balken 1 eine in Fig. 1 nicht gezeigte Meßspule angeschlossen, die mit ortsfesten Magnetpolen zusammenwirkt. Die Teile der magnetischen Vorrichtung sind in einem Gehäuse 5 untergebracht, das an Hand der Fig. 7 bis 13 noch näher erläutert wird.

Durch die Meßspule wird mit Hilfe einer Meßvorrichtung 6 ein Strom geleitet, der den Waagebalken in der Gleichgewichtslage hält oder ihn in diese Lage bringt. Die Gleichgewichtslage wird durch eine Lichtquelle 7 und eine lichtempfindliche Zelle 8 festgestellt. Die Stärke des die Meßspule durchfließenden Stromes ist ein Maß für das zu ermittelnde Gewicht. Mit Hilfe einer solchen Waage lassen sich Gewichtsdifferenzen von 0,1 Mikrogramm nachweisen.

Die Meßspule braucht nicht konzentrisch zum Spannband 2 angebracht zu sein. Fig. 3 zeigt cir. Beispiel, bei dem sich die Meßspule am Ende des

Waagebalkens befindet. In diesem Falle ist das Spannband nicht in der Mitte, sondern an einem Ende des Waagebalkens befestigt.

Die der Auslenkung des Waagebalkens entgegenwirkenden Torsionsmomente der Spanndrähte- oder -bänder sowie der Stromzu- und -ableitungen werden erfindungsgemäß durch ein von Magnetkräften hervorgerufenes labilisierendes Moment ausgeglichen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist am Ende eines mittels eines Spannbandes 22 aufgehängten Waagebalkens 21 ein Teil 2.3 der magnetischen Einrichtung befestigt. Dieser Teil wird magnetisch von zwei ortsfest angeordneten Einrichtungen 24 und 25 in zueinander entgegengesetzten Richtungen angezogen. Die Einrichtungen 24 und 25 können die beiden Pole eines Dauermagneten sein. Der Teil 23 kann ein Weicheisenstück oder auch ein Dauermagnet sein, dessen Pole den jeweils benachbarten Polen der Einrichtung 24 und 25 entgegengesetzte Polarität aufweisen. Gerät der Waagebalken 21 aus der Gleichgewichtslage und bewegt sich mit seinem rechtsbefindlirhen Ende nach unten, so verringert sich der Abstand zwischen dem Teil 23 und der ortsfesten Einrichtung 25, während sich der Abstand zwischen dem Teil 23 und der anderen ortsfesten Einrichtung 24 vergrößert. Bei entgegengesetzter Bewegung des Waagebalkens ändern sich die Abstände in umgekehrtem Sinne. Das Gleichgewicht zwischen den von den Einrichtungen 24 und 25 auf den Teil 23 ausgeübten Kräfte wird dadurch gestört, und zwar derart, daß diejenige Kraft, die den Waagebalken in der Richtung seines Ausschlags zu bewegen sucht, zunimmt.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 ist ein Waagebalken 31 an einem Ende an einem Spannband 32 aufgehängt und trägt am anderen Ende eine Schale 33 zur Aufnahme des zu wiegenden Materials. Am freien Ende des Waagebalkens 31 ist ferner eine aus den Teilen 34, 35 und 36 bestehende zylinderringförmige Spule vorgesehen. Der Spulenteil 35 bildet die Meßspule, während die Spulenteile 34 und 36 eine erfindungsgemäße Indifferenzspule darstellen. Die Spule befindet sich in einem ringförmigen Luftspalt, der zwischen den zylindrischen Polschuhen eines Topfmagneten 37 gebildet ist.

Der Magnet 37 kann auch flach ausgebildet sein, so daß sich zwei hintereinanderliegende Luftspalte ergeben. In diesem Falle hat die Spule einen rechteckigen Querschnitt und zwei einander gegenüberliegende Seiten der rechteckigen Spule befinden sich in je einem der Spalte.

Die Stromrichtung im Spulenteil 34 ist derjenigen im Teil 36 entgegengesetzt, und zwar derart, daß die auf diese Spulenteile wirkenden Kräfte gegeneinander gerichtet sind. Bewegt sich der Waagebalken aufwärts, so nimmt die Kraft auf den Spulenteil 36 zu, während die auf den Spulenteil 34 wirkende Kraft abnimmt. Die resultierende Kraft ist somit aufwärtsgerichtet.

Bei der in F i g. 4 schematisch dargestellten Ausführungsform ist eine Flachspule 42 senkrecht am Ende eines Waagebalkens 41 angebracht. Die Spule greift in einen flachen Luftspalt ein, der zwischen den Polen eines C-förmigen Magnets 43 liegt. Die 7wei einander gegenüberliegenden Seiten der in Fig.4 im Schnitt dargestellten, im wesentlichen rechteckigen Spule 42 bilden die wirksamen Teile, während die beiden 6s senkrecht verlaufenden Seiten der Spule, die in Fig.4 nicht erscheinen, an der Wirkung der Anordnung nicht beteiligt sind. Die Arbeitsweise der Vorrichtung nach F ig. 4 entspricht derjenigen gemäß Fig. 3. Die Meßspule befindet sich bei der Ausführungsform nach F i g. 4 an einer anderen Stelle.

Bei den in den Fig. 5, 6 und 9 dargestellten Anordnungen bewegt sich die Spule an zwei Polen von entgegengesetzter Polarität entlang.

Die Spule besteht aus einem Stück, weist aber dennoch einen Teil auf, der im wesentlichen jeweils von dem einen Pol, und einen anderen Teil auf, der im wesentlichen von dem anderen Pol beeinflußt wird. Die auf die Spule wirkenden Kräfte haben daher zueinander entgegengesetzte Richtungen. Kommt der Waagebalken aus der Gleichgewichtslage, so vergrößert sich der Einfluß des einen Pols auf den benachbarten Spulenteil, während der Einfluß des anderen Pols auf den ihm benachbarten Spulenteil sich verringert. Die resultierende Kraft wirkt somit auch hier in Richtung des Waagebalkenausschlags.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 5 ist eine zylindrische Spule 52 am Ende eines Waagebalkens 51 befestigt. Die Spule umschließt einen scheibenförmigen Luftspalt zwischen den Polen eines C-förmigen Magneten 53.

Bei der Anordnung nach Fig.6 bewegt sich ein Spulenteil 61, von dem einige Windungen im Schnitt schematisch dargestellt sind, an den Polen c^:ncs flachen Magneten 62 entlang. Ausbildung und Aufstellung der Spule entspricht derjenigen der Spule 17 in den F i g. 7 bis 13.

Das Gehäuse von F i g. 1 ist in den F i g. 7 und 8 in vergrößertem Maßstab wiedergegeben. Es besteht aus Weicheisen und ist auf einer Bodenplatte 9 befestigt. Im Gehäuse 5 ist ein zylindrischer Magnet angeordnet, der mit Polschuhen 11 und 12 versehen ist (siehe auch Fig. 9). Die Stellung des Magnets mit seinen Polschuhen kann durch Drehung eines Knopfes 13 geändert werden. Die einmal vorgenommene Einstellung des Magneten wird später nicht mehr verändert.

In dem Raum zwischen den Polschuhen 11 und 12 in dem Gehäuse 5 ist ein zylindrischer Spulenhalter 14 drehbar angebracht. Der aus Aluminium hergestellte Spulenhalter 14 ist mit seinem Boden am Waagebalken 1 befestigt. Ferner ist eine Büchse 15 vorgesehen, die sich frei in einer Öffnung des Magnets 10 drehen kann. Die Büchse 15 umgibt das Spannband 2 und ist mit Hilfe einer Klemme 16, die sich an einer nach außen vorstehenden Verlängerung der Büchse befindet, am Spannband 2 befestigt.

Auf dem Spulenhalter 14 sind drei Spulen angeordnet. nämlich eine erfindungsgemäße Indifferenzspule 17 eine Meßspule 18 und eine Dämpferspule 19. Diese Spulen sind in den Fig. U bis 13 wiedergegeben. Die Dämpferspule 19 hat die Aufgabe, einen zu schneller Ausschlag zu vermeiden und ist deshalb Teil einet Schaltung, zu der auch die Meßspule gehört.

Aus Fertigungsgründen liegen die Köpfe dei verschiedenen Spulen 17, 18 und 19 auf derr Spulenhalter 14 hinter einem radial nach außer vorstehenden Flansch 80 (Fig.8 und 10). Bein-Zusammenbau wird zunächst der Spulenhalter 14 übei die Polschuhe 11, 12 geschoben. Dann wird zui Verringerung des Luftspalts ein aus Weicheiser bestehender Ring 81 in das Gehäuse 5 eingelegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (9)

Patentansprüche:

1. Elektronische Mikrowaage mit an einem waagerecht verlaufenden Spanndraht schwenkbar aufgehängtem Waagebalken, der mit Hilfe eines an ihm befestigten Teiles und einer elektrischen Meßspule in Gleichgewichtslage gebracht und gehallen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der am Waagebalken (1; 21; 31; 41; 51) befestigte Teil (23; 34,35,36; 42; 52; 62; 17) ein Teil einer zweiteiligen magnetischen Vorrichtung ist und mit deren ortsfesten zweiten Teil (11,12; 24,25; 37; 43; 53; 61) in der Weise zusammenwirkt, daß bei jeder Stellung des Waagebalkens ein dem vom Spanndraht /2) ausgeübten Torsionsmoment entgegengerichtetes Moment auf den Waagebalken wirkt.

2. Waage nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der am Waagebalken (1) befestigte Teil ein Magnet oder Weicheisenstück (23) ist, der zwischen zwei gleichstarken, im Abstand einander gegenüberliegenden Magnetpolen (24, 25) von entgegengesetzter Polarität angeordnet ist.

3. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Waagebalken (31) eine Spule (34,35,36) und außerhalb des Waagebalkens ein fester Magnet (37) angeordnet ist, wobei die Richtung des die Spule durchfließenden Stroms so auf die Polarität des Magneten abgestimmt ist, daß die auf die Spule einwirkende Kraft mit dem Ausschlag des Waagebalkens aus der Ruhelage zunimmt und in der gleichen Richtung wirkt, in der sich der Waagebalken bewegt.

4. Waage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der am Waagebalken (31, 32, 41, 51) befestigte Teil (23; 34, 35, 36; 52; 62) der magnetischen Vorrichtung an einer vom Spanndraht (2) entfernten Stelle angeordnet ist.

5. Waage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (34, 35, 36, 42) in einem zwischen den Polen des ortsfesten Magneten (37, 43) gebildeten Luftspalt angeordnet ist, dessen seitliche Begrenzungen tangential zum Waagebalken bzw. parallel zu Tangenten an den Waagebalken verlaufen, und aus zwei Spulenteilen (34, 36; 42) besteht, die vom Strom in zueinander entgegengesetzten Richtungen durchflossen werden.

6. Waage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (34,35,36) zylinderringförmig und der Manget (37) topfartig ausgebildet ist.

7. Waage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (42) flach rechteckig ausgebildet ist und in zwei einander gegenüberliegende Teile unterteilt ist, die entgegengesetzt geschaltet sind.

8. Waage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dip Spule (52,61) an zwei dicht nebeneinander angeordneten Magnetpolen von entgegengesetzter Polarität entlang bewegbar ist, wobei die Bewegungsrichtung der Spule senkrecht zu der die beiden Magnetpole voneinander trennenden Ebene verläuft.

9. Waage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die entgegengesetzt geschalteten Spulenteile (17, 18) und die Magnetpole (11, 12) konzentrisch zum den Waagebalken (1) lagernden Spanndraht (2) angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft eine elektronische Mikrowaage mit an einem waagerecht verlaufenden Spanndraht schwenkbar aufgehängtem Waagebalken, der mit Hilfe eines an ihm befestigten Teiles und einer elektrischen Spule in Gleichgewichtslage gebracht und gehalten