DE2338272A1 - Praezisionslaborwaage - Google Patents

Description

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The Torsion Balance Co., Clifton, New Jersey / USA

Präzisionslaborwaage

Die Erfindung bezieht sich auf eine Präzisionslaborwaage mit einem Rahmen, einem am Rahmen in einer im allgemeinen vertikalen Ebene um einen ersten horizontalen Drehpunkt drehbar gelagerten Waagebalken, einer im allgemeinen horizontalen Waagschale, einer am Waagebalken angrenzend an sein eines Ende über einen zweiten horizontalen Drehpunkt angelenkten Strebe, wobei die Waagschale von der Strebe getragen wird, und einem an der Strebe über einen dritten horizontalen Drehpunkt und am Rahmen über einen vierten horizontalen Drehpunkt so angelenkten Lenker, daß

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die vier horizontalen Drehpunkte so angeordnet sind, daß sie zweckmäßig die Ecken eines Prallelogramms bilden, wodurch die Waagschale bei einer Schwenkbewegung des Waagebalkens in einer im allgemeinen horizontalen Ebene gehalten wird. Die Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich von oben belastete Präzisionswaagen.

Bei allen von oben belasteten Präzisionswaagen ist ein Waagebalken drehbar um einen Haupt- oder mittleren Drehpunkt gelagert, der eine hohe Torsionssteifigkeit quer zur Drehachse aufweist. Eine Schneiden- und Pfannenanordnung wird am häufigsten als mittlerer Drehpunkt verwendet, jedoch ist die Verwendung eines Biegedrehpunkts oder aus gekreuzten Federn gebildeten Drehpunkts ebenfalls bekannt. Eine Skalenscheibe oder eine mit Maßeinteilung versehene Einrichtung, die elektronisch sein kann, ist an einem Ende des Waagebalkens so befestigt, daß bei Auslenkungen des Waagebalkens aufgrund von Gewichten auf der Waagschale der kleine Drehwinkel gemessen werden kann. Bei einigen Waagen ist diese, mit Teilung versehene Einrichtung durch eine elektronische Anordnung ersetzt, die eine Kraft erzeugt, welche den Waagebalken in einer horizontalen oder Null-Lage hält. Das andere Ende des Waagebalkens ist mit einem, die Waagschale tragenden Teil oder einer Strebe versehen, die gewöhnlich von einem zweiten Drehpunkt vertikal herunterhängt, der eine hohe Torsionssteifigkeit quer zur Drehachse aufweist und eine Schneiden- und Pfannenanordnung oder ein Biegedrehpunkt sein kann. Im Betrieb erfolgt die Bewegung der Strebe so, daß die Waagschale ungeachtet der Belastung immer in einer horizontalen Ebene gehalten wird.

Die US-Patentschriften 2 812 935 und 3 412 8l8 zeigen zwei frühere Beispiele von oben belastbarer Waagen, bei denen ein, die Waagschale tragendes Teil oder eine Strebe eine Waagschale mittels eines Lenkers und zusätzlicher unterer Drehpunkte,

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die mit den zwei oberen Drehpunkten zusammen ein Parallelogramm mit vier Drehpunkten bilden, in einer waagrechten Ebene hält. In beiden oben genannten US-Patentschriften wird eine Schneiden- und Pfannenanordnung als mittleres Drehlager für den Waagebalken verwendet und das die Waagschale tragende, vertikale Teil ist am Waagebalken ebenfalls mittels eines Schneiden- und Pfannenlagers aufgehängt. Nach der US-Patentschrift 2 812 935 sind jedoch die unteren Drehlager, welche die Verbindung zum Parallelogramm bilden, Universal-Kugellager, während in der US-Patentschrift 3 412 8l8 die unteren Drehpunkte durch kurze Schneidenlager gebildet werden, zwischen denen flexible Spanndrähte gespannt sind. Derartige Anordnungen für die unteren Lager wurden entworfen,·um Schwierigkeiten fehlender oder mangelhafter Ausrichtung mit den oberen Schneiden- und Pfannen-Lagern zu überwinden, die sehr- hohe Torsionssteifigkeit quer zu ihren Drehachsen aufweisen, weil es praktisch unmöglich ist, eine Waage herzustellen, die eine steife Parallelogrammverbindung von beispielsweise Schneiden- und Pfannen-Lagern aufweist, die während des Betriebs der Waage immer genau ausgerichtet bleiben. Diese bekannten Anordnungen sind jedoch ziemlich teuer in der Herstellung und außerdem ist eine aufwendige Einstellung der unteren Lager notwendig, damit sie sich mit den oberen Drehpunkten im Betrieb·wirksam ausrichten können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Präzisionslaborwaage der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfacher und damit wirtschaftlicher herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest einer der dritten und vierten Drehpunkte aus einem elastischen Torsionselement besteht, das eine niedere Torsionssteifigkeit sowohl um seine Schwenkachse als auch quer zu derselben aufweist.

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Vorzugsweise werden beide Drehpunkte des Lenkers durch bandförmige Torsionselemente gebildet, die sich jeweils zwischen zwei im Abstand zueinander befindlichen Vorsprüngen der Strebe bzw. des Rahmens befinden und die entsprechenden Enden des Lenkers sind an den bandförmigen Torsionselementen zwischen den zwei Vorsprüngen befestigt. Es versteht sich jedoch,daß die im Abstand angeordneten Vorsprünge stattdessen auch einen Teil des Lenkers bilden können, wobei dann die bandförmigen Torsionselemente vom Lenker getragen werden und ein Vorsprung der Strebe oder des Rahmens am bandförmigen Torsionselement zwischen den Vorsprüngen des Lenkers befestigt wäre.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der dritte und vierte Drehpunkt vertikal unterhalb des zweiten bzw. ersten Drehpunkts angeordnet und die Waagschale wird von der Strebe oberhalb des zweiten Drehpunkts in der Art einer von oben belastbaren Waage getragen.

Die Torsionselemente bestehen vorzugsweise aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung obwohl rostfreier Stahl ziemlich zufriedenstellend verwendbar ist. Elastische Materialien jeden Querschnittprofils können als Torsionselemente verwendet werden, z.B. Draht, jedoch werden Metallbänder bevorzugt. Bei sehr leichten, extrem genauen Waagen kann der Lenker vorteilhaft drehbar mit dem oder jedem Torsionselement derart verbunden sein, daß eine relative Drehung um eine Achse ermöglicht ist, die quer zur Drehachse des Torsionselements verläuft. Dies kann durch Verwendung von Kugellagern erreicht werden, die dem oder den entsprechenden Drehpunkten zugeordnet sind.

Ein mit der Anwendung von Torsionsdrehpunkten in einer erfindungsgemäßen Waage verbundener Vorteil besteht darin, daß solche Drehpunkte vergleichsweise einfach in der Auslegung sind, und daher die Herstellung der Waage relativ wirtschaftlicher gestalten. Ein weiterer Vorteil der Torsionsdrehpunkte

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besteht darin, daß sie mit niederer Torsionssteifigkeit sowohl quer als auch längs zur Drehachse ausgelegt werden können, was bedeutet, daß sie sich im Betrieb wiFksam selbst ausrichten und ihr Beitrag zur Gesamtempfindlichkeit der Waage minimal ist.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Waage anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Präzisionslaborwaage, bei welcher der Waagebalken auf einem aus Pfanne und Schneide bestehenden Drehpunkt gelagert ist,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer anderen Präzisionslaborwaage, bei welchem der Waagebalken mittels eines Biegedrehpunkts gelagert ist,

Fig. 3 eine schemätische Ansicht von einem Ende, welche den Aufbau einer auf die beiden Waagen der Fig. 1 und 2 anwendbaren Anordnung eines Lenkers und bandförmigen Torsionselementes zeigt, und

Fig. 4 einen Teil einer Seitenansicht, die schematisch eine Abwandlung der Anordnung von Lenker und bandförmigem Torsionselement darstellt.

In Fig. 1 ist der Waagebalken Io dargestellt, wie er auf dem Rahmen 12 der Waage mittels eines aus Schneide und Pfanne bestehenden mittleren Drehpunkts 14 gelagert ist. Ein Ende des Waagebalkens trägt eine Einrichtung zum Anzeigen der Auslenkung des Waagebalkens. Wie zu sehen ist, hat diese Einrichtung die Form einer Skala 16, die im Zusammenhang mit einer nicht dargestellten Lichtquelle die Ablesung der Auslenkung des

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Waagebalkens ermöglicht. Das andere Ende des Waagebalkens ist mit einem zweiten Drehpunkt IS in Form einer Schneide versehen. Ein sich vertikal erstreckendes Teil oder eine Strebe 2o hängt vom zweiten Drehpunkt 18 nach unten. Eine Waagschale 22 ist starr am oberen Ende der Strebe 2o befestigt.

Das untere Ende der Strebe 2o trägt zwei mit Abstand zueinander angeordnete Arme oder Vorsprünge 24 und 26 (Fig. 3), zwischen denen sich ein bandförmiges Torsionselement 28 unter leichter Spannung erstreckt. Ein ähnliches, bandförmiges Torsionselement 3o erstreckt sich unter leichter Spannung zwischen den zwei, im Abstand angeordneten Vorsprüngen des Rahmens 12. Ein steifer Balken oder Lenker 32 ist angrenzend an jedes seiner Enden auf die zwei Torsionselemente 28 und Jo geklemmt.

Die vier, durch die Drehpunkte 14, 18 und Torsionselemente 28 und 5o gebildeten Drehpunkte schaffen alle eine Drehbewegung um die Horizontale. Das Torsionselement j5o liegt vertikal unterhalb des Drehpunktes 14, während das Torsionselement 28 vertikal unterhalb des Drehpunktes 18 liegt. So bilden die vier Drehpunkte die Ecken eines Parallelogramms. Wenn sich der Waagebalken um den Drehpunkt 14 dreht, ist zu sehen, daß die Strebe 2o so gehalten wird, daß sie sich in vertikaler Richtung bewegt und daher bleibt die Waagschale 22 horizontal. Die durch die bandförmigen Torsionselemente gebildeten Drehpunkte sind so ausgelegt, daß sie niedere Torsionssteifigkeit sowohl entlang ihrer Drehachsen als auch quer dazu aufweisen, wodurch die unteren Drehpunkte sich selbst genau mit den oberen Drehpunkten ausrichten können, wenn die Waage in Betrieb ist.

Bestimmte, weitere Merkmale, die nicht dargestellt sind, können in die Waage eingebaut sein, insbesondere um Herstellungsfehlern entgegenzuwirken. So können die Befestigung des bandförmigen Torsionselementes 3o in einer vertikalen Richtung und die wirksame Länge des starren Lenkers J>2 einstellbar sein. Darüber hinaus kann die Waage auch eine Vorkehrung zum Einstellen

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der Spannung In den bandförmigen Torsionselementen 28 und 3o aufweisen. Ihre Spannung beeinflußt die Torsionßsteifigkeit in den Verbindungen des Parallelogramms und daher die Empfindlichkeit der Waage.

Die In Fig. 2 gezeigte Torsionswaage weicht von der gerade beschriebenen nur soweit ab, als der Waagebalken 34 am Rahmen 56 der Waage mittels eines Biegedrehpunkts' 38 anstelle eines aus Schneide und Pfanne bestehenden Drehpunkts gelagert ist. Wie dargestellt ist, wird auch ein Biegedrehpunkt 4o für die Verbindung zwischen dem Waagebalken 34 und der sich vertikal erstreckenden Strebe 42 verwendet. Biegedrehpunkte haben den Vorteil, daß sie besser möglichen Erschütterungen beim Transport und rohem Betrieb widerstehen. Durch Pfannen und Schneiden gebildete Drehpunkte können im Lauf der Zeit verschoben oder lose werden. Der untere, aus Lenker und bandförmigen Torsionselementen bestehende Aufbau der in Fig. 2 dargestellten Waage ist ähnlich dem oben, unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Aufbau und die Bauteile sind daher mit denselben jedoch mit einem Strich versehenen Bezugszahlen bezeichnet.

Die in Fig. 4 dargestellte Abwandlung bezieht sich auf die Art, In der der unten befindliche, steife Lenker 32, 32' an den bandförmigen Torsional, ementen 28, 28' bzw. 3°* 3ο¹ festgeklemmt ist. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, sind ein Paar Miniaturkugellager 44 und 46 an jedem Ende des Lenkers 32 angeordnet und an einem entsprechenden Paar Achsen 48 und 50 gelagert, die von Klemmplatten der Torsionselemente wegragen. Diese Kugellager erlauben keine relative Drehbewegung des unten befindlichen Lenkers um eine Achse, die parallel zu den Torsionselementen verläuft, sie ermöglichen jedoch eine relative Drehung um eine Achse quer zu den bandförmigen Torsionselementen, insbesondere um die vertikale Achse. Das Ergebnis besteht darin, daß eine geringere Beeinflussung der' Waage durch Herstellungstoleranzen erreicht wird. Diese

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Abwandlung ist so insbesondere zur Verwendung bei sehr leichten, extrem genauen Laborwaagen geeignet.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   Präzisionslaborwaage mit einem Rahmen, einem am Rahmen in einer im allgemeinen vertikalen Ebene um einen ersten horizontalen Drehpunkt drehbar gelagerten Waagebalken, einer im allgemeinen horizontalen Waagschale, einer am Waagebalken angrenzend an sein eines Ende über einen zweiten horizontalen Drehpunkt angelenkten Strebe, wobei die Waagschale von der Strebe getragen wird, und einem an der Strebe über einen dritten horizontalen Drehpunkt und am Rahmen über einen vierten horizontalen Drehpunkt so angelenkten Lenker, daß die vier horizontalen Drehpunkte so angeordnet sind, daß sie zweckmäßig die Ecken eines Parallelogramms bilden, wodurch die Waagschale bei einer Schwenkbewegung des Waagebalkens in einer im allgemeinen horizontalen Ebene gehalten wird, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest einer der dritten und vierten Drehpunkte aus einem elastischen Torsionselement (28, 28'j 30, 3o') besteht, das e ine niedere Torsionssteifigkeit sowohl um seine Schwenkachse als auch quer zu derselben aufweist.
2. 2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und vierte Drehpunkt beide aus bandförmigen Torsionselementen (28, 30; 28', 3°') bestehen, sich jedes bandförmige Torsionselement zwischen zwei im Abstand angeordneten Vorsprüngen (24, 26) der Strebe (2o; 42) bzw. des Rahmens (12; 36) erstreckt, und daß die entsprechenden Enden des Lenkers (32; 32') an den bandförmigen Torsionselementen (2£, 3°j 28', 3o') zwischen den zwei entsprechenden Vorsprüngen befestigt sind.
3. 3· ' Waage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Befestigung des oder jedes Torbionselements (28, 30; 28', 30¹) in einer Richtung quer zur Drehachse einstellbar ist.

   409807/OA10 - lo -

   - Io -
4. 4. Waage nach Anspruch 1, 2 oder 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung des oder jedes Torsionselements (28, 3o; 28', 3o') zur Veränderung der Torsion, in demselben einstellbar ist.
5. 5. Waage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Länge des Lenkers (32, 32') einstellbar ist.
6. 6. Waage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Torsionselement (28, 3oj 28', 3o') aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung oder rostfreiem Stahl besteht.
7. 7. Waage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurph gekennzeichnet , daß der Lenker (32, 32') durch ein Lager (44, 46) drehbar mit dem oder jedem Torsionselement (28, 3o; 28', 3o^!) verbunden ist, wobei das bzw. die Lager eine relative Drehung um eine Achse (48, 5o) ermöglicht (ermöglichen), die quer zur Drehachse des Torsionselements (28, 3o; 28', 3o') verläuft.
8. 8. Waage nach Anspruch 7/ dadurch gekennzeichnet , daß das Lager (44, 46) ein entsprechendes Kugellager umfaßt.

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