DE2553638C2 - Vorrichtung zur Messung von Massen - Google Patents
Vorrichtung zur Messung von MassenInfo
- Publication number
- DE2553638C2 DE2553638C2 DE2553638A DE2553638A DE2553638C2 DE 2553638 C2 DE2553638 C2 DE 2553638C2 DE 2553638 A DE2553638 A DE 2553638A DE 2553638 A DE2553638 A DE 2553638A DE 2553638 C2 DE2553638 C2 DE 2553638C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- hollow tube
- mass
- tube
- devices
- elastic element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01G—WEIGHING
- G01G3/00—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
- G01G3/12—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
- G01G3/16—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing measuring variations of frequency of oscillations of the body
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen von Massen der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 genannten Art.
Es wurden bisher zwei Arten von Vorrichtungen zur Messung von Massen entwickelt, die eine hohe Empfir.diichkeit
aufweisen und deren Betriebsweise nicht von der Schwerkraft abhängt. Bei der ersten Art wird
ein Quarzkristallresonator verwendet und die Vorrichtung ist als QCM oder Quarzkristall-Mikrowaage bekannt
Sie wird zur Messung dünner gleichmäßig abgeschiedener Schichten verwendet Bei der zweiten Art
wird eine schwingende Faser verwendet und diese Mikrowaage wird zur Massenbestimmung einzelner
Kleinstteilchen verwendet Daher dienen diese beiden Vorrichtungen völlig verschiedenen Zwecken.
Quarzkristall-Mikrowaagen (QCM) sind in der Literaturstelle »Ultra Micro Weight Determination in Controlled
Environments« von Wolsky und Zdanuk, Seite 137 bis !61, Verlag J. Wiley & Sons, beschrieben. Im
wesentlichen besteht eine Quarzkristall-M'krowaage zum Wägen von kleinsten Massen aus einer Quarzplatte
mit einer mechanischen Resonanzfrequenz, die umgekehrt proportional zu ihrer Dicke ist Wegen des sehr
hohen Gütefaktors (d. n. der geringen inneren Reibung) von Quarz kann die Resonanzfrequenz elektrisch durch
den piezoelektrischen Effekt gemessen werden. Wenn eine zu messende Masse auf den Resonator aufgebracht
wird, z. B. in Form eines dünnen Films, so hat das auf die Frequenz nahezu die gleiche Wirkung wie eine äquivalente
Vergrößerung der Quarzmasse. Die zugefügte Masse kann dadurch bestimmt werden, daß Frequenzänderungen
in eine äquivalente Dicke des Quarzes und dann mit Hilfe der bekannten Dichte des Quarzes in
Masse umgerechnet werden. Die Verbrauchbarkeit der Quarzkristall-Mikrowaage ist jedoch auf die Massenbe-Stimmung
festhaftender Filme beschränkt, wobei außerdem eine gleichmäßige Verteilung der niedergeschlagenen
Probenmasse erforderlich ist, und aufgrund von Sättigungseffekten ist die Möglichkeit der Messung dikam
anderen Ende frei schwingen kann. Diese dünne Glas- oder Quarzfaser wird durch elektrostatische Ansteuerung
in Schwingungen versetzt. Wenn die Frequenz der Ansteuerspannung verändert wird, so durchläuft
die Faser verschiedene Schwingungszustände, wobei die Frequenzen, bei denen die verschiedenen
Schwingungszustände auftreten, zum Teil von den physikalischen Parametern der Faser abhängen. Die Massenbestimmung
wird so durchgeführt, daß eine Masse an dem freien Ende der Faser befestigt wird, wodurch
die Resonanzfrequenz entsprechend der Größe der Masse erniedrigt wird. Die Masse wird aus der Änderung
der Resonanzfrequenz bestimmt, die durch die Massenänderung am Ende der Faser hervorgerufen
wird. Jede Faser hat eine charakteristische Kraftkonstante, die die Resonanzfrequenz beeinflußt, und Änderungen
der Faserlänge und des Querschnitts führen bei verschiedenen Fasern zu verschiedenen Empfindlichkeiten.
Aus diesem Grund hat jede Faser für die Massenbestimmung von Teilchen einen optimalen Bereich.
Die zur Zeit bekannten Mikrowaagen mit einer schwingenden Faser weisen jedoch gewisse Verluste auf, die
den mechanischen Gütefaktor begrenzen. Insbesondere wird der mechanische Gütefaktor hauptsächlich durch
Einspannungsverluste begrenzt, die durch die Verformung des die Faser einklemmenden Materials und auch
durch die elastischen Eigenschaften der Faser selbst hervorgerufen werden. Ein hoher Gütefaktor ist dehalb
wünschenswert, weil er eine höhere Genauigkeit der Frequenzmessung und damit der Massenbestimmung
ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei
einfachem Aufbau eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
kerer Schichten stark eingeschränkt Weiterhin führt die 40 der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Schwingungserregung in dem Quarzkristall zu einer Die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt einen sehr
Schwingungserregung in dem Quarzkristall zu einer Die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt einen sehr
Temperaturerhöhung der als Unterlage für die abge- hohen Gütefaktor des schwingenden Elementes, so daß
schiedene Schicht dienenden Oberfläche, so daß es für sich bei einfachem Aufbau eine hohe Genauigkeit erviele
Anwendungen notwendig wird, durch Kühlung gibt. Die Vorrichtung ermöglicht die Messung der Mas-
und/oder die Verwendung angepaßter Kristallpaare die 45 se sowohl von dünnen Filmen als auch von Teilchenmasthermischen
Schwankungen zu kompensieren. Die Ein- sen, wobei sowohl konstante Massen als auch Massen
führung von Kühlungsmaßnahmen zieht jedoch die Einführung von Temperaturgradienten nach sich, die möglicherweise
die Massenverteilung auf der Oberfläche des Quarzkristalls verändern und damit beträchtliche
Fehler in der Massenbestimmung hervorrufen, weil die Massenempfindlichkeit der Quarzkristalloberfläche
nicht gleichmäßig ist. Ein weiteres Problem kann sich dadurch ergeben, daß die Quarzkristall-Mikrowaagen
nicht für Anwendungen geeignet sind, bei denen die Haftkräfte der abgeschiedenen Masse nicht stark genug
sind, um den hohen Oberflächenbeschleunigungen standzuhalten. Quarzkristall-Mikrowaagen sind außerdem
ziemlich teuer und können im allgemeinen nur einmal verwendet werden.
Es ist weiterhin eine Vorrichtung der eingangs genannten Art aus der Literaturstelle »Review of Scientific
Instruments, Vol. 40, No. 8, Seiten 1008 bis 1011, August
1969« von H. Patashnick und C. L. Hemenway bekannt.
Diese Mikrowaage weist ein langgestrecktes elastisches Element in Form einer dünnen Glas- oder
Quarzfaser mit einem im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt auf, die an einem Ende eingespannt ist und
änderungen gemessen werden können. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung verglichen mit Quarzkristall-Mikrowaagen
wiederverwendbar und es ist keine gleichförmige Verteilung der Masse auf dem die
Masse tragenden Substrat erforderlich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet im Kilohertzbereich oder
in einem nidrigeren Frequenzbereich, wobei der Probenhalter thermisch von der aufgrund des physikalischen
Grundprinzips erzeugten Wärme isoliert ist.
Aufgrund der Ausbildung des elastischen Elementes als hohles Rohr, das sich ausgehend von dem eingespannten
ersten Ende zum zweiten Ende hin verjüngt, schwingt dieses Element vorzugsweise in der Grundfrequenz-Mode.
Die zu messende Masse wird entweder direkt an dem freien Ende des Elementes befestigt oder
durch einen Halter am freien Ende getragen. Durch die verjüngte Ausführung werden weiterhin die Einspannverluste
soweit wie möglich verringert und die mechanischen Verluste sind gleichförmig über die gesamte Länge
des Elementes verteilt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Genauigkeit und Empfindlichkeit auf, die mit eine schwin-
gende Faser verwendenden Mikrowaagen und mit
Quarzkristall-Mikrowaagen vergleichbar ist, wobei die
Nachteile dieser beiden Mikrowaagen vermieden sind. Die Beschleunigung der zu messenden Teilchen ist um
mehrere Größenordnungen kleiner als die Beschleunigung, die auf der Oberfläche einer Quarzkristall-Mikrowaage
auftritt. Daher sind die Haftkräfte, die benötigt werden, um ein Teilchen an der Faser oder auf dem
Substrat zu verankern, relativ klein. Weiterhin ist der Halter, der die Proben trägt, wirksam von dem aktiven
elastischen Element, an dein die Wärmeerzeugung aufgrund einer elastischen Verformung auftritt, thermisch
entkoppelt. Die zu messende Masse wird daher nicht durch die erzeugte Wärme beeinflußt.
Das hohle Rohr verjüngt sich ausgehend von dem eingespannten ersten Ende zum freien Ende hin in einer
speziellen Weise derart, daß ein im wesentlichen konstanter Krümmungsradius entlang des aktiven Teils dieses
Rohres; auftritt, wenn dieses dynamisch gebogen wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung in Form einer Mikrowaage, die weiterhin
Einrichtungen zur Schwingungserregung zeigt.
F i g. 2, 3 und 4 Ausführungsformen eines Mikrowaagen-Systems unter Verwendung einer Ausführungsform
der Vorrichtung.
F i g. 5 eine abgeänderte Ausführungsform.
F i g. 6 eine typische Eichkurve.
Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung ist die sonst üblicherweise verwendete massive Faser mit im wesentlichen gleichförmigem Querschnitt durch ein hohles Rohr ersetzt, das sich ausgehend von dem eingespannten ersten Ende zum zweiten Ende hin in spezieller Weise verjüngt, so daß sich eine Vergrößerung des Gütefaktors und damit der Genauigkeit der Vorrichtung ergibt. Durch die spezielle Verjüngung des hohlen Rohres wird ein im wesentlichen konstanter Krümmungsradius entlang des aktiven Teils dieses Rohres erzielt, wenn dieses dynamisch gebogen wird. Das Rohr hat gemäß einer Ausführungsform einen runden, d. h. ringförmigen Querschnitt und der aktive schwingende Teil hat einen !nnendurchmesser von kapillaren Dimensionen, insbesondere in der Größenordnung von 0,5 bis 2 mm.
Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung ist die sonst üblicherweise verwendete massive Faser mit im wesentlichen gleichförmigem Querschnitt durch ein hohles Rohr ersetzt, das sich ausgehend von dem eingespannten ersten Ende zum zweiten Ende hin in spezieller Weise verjüngt, so daß sich eine Vergrößerung des Gütefaktors und damit der Genauigkeit der Vorrichtung ergibt. Durch die spezielle Verjüngung des hohlen Rohres wird ein im wesentlichen konstanter Krümmungsradius entlang des aktiven Teils dieses Rohres erzielt, wenn dieses dynamisch gebogen wird. Das Rohr hat gemäß einer Ausführungsform einen runden, d. h. ringförmigen Querschnitt und der aktive schwingende Teil hat einen !nnendurchmesser von kapillaren Dimensionen, insbesondere in der Größenordnung von 0,5 bis 2 mm.
Ein Vorteil in der Verwendung eines hohlen sich verjüngenden Rohres im Vergleich zu einem vollen sich
verjüngenden Element liegt darin, daß dadurch der Gütefaktor der Mikro-Waage verbessert wird. Die Erklärung
oder der Grund für diese Zunahme des Gütefaktors ist wahrscheinlich dadurch gegeben: Wenn ein massiver
Stab leicht gebogen wird, so kann man innerhalb des Stabes eine »neutrale Faser« identifizieren, bei der
die Dehnung des Materials im wesentlichen verschwindet und die deshalb nicht oder nur sehr wenig zur rücktreibenden
Kraft des Stabes beiträgt. Das Konzept der neutralen Faser ist von Joos in »Theoretische Physik«,
3. Auflage. Seite 177, Hafner Publishing Co., beschrieben
worden. Die rücktreibende Kraft nimmt in erster Näherung mit dem Quadrat des Abstandes von der neutralen
Faser zu. Während das elastische Material in der Umgebung der neutralen Faser zu den mechanischen
Verlusten beiträgt leistet es keinen Beitrag zur rücktreibendeii
Kraft. Aus diesem Grunde verbessert die Elimination von Teilen des Stabes mit geringer Wirksamkeit
den mechanischen Gütefaktor. Ein weiterer Vorteil, ein hohles Rohr zu benützen, beruht auf der Möglichkeit,
Frequenzänderungen zu kompensieren, wie sie durch Temperaturänderungen verursacht werden. Diese Veränderungen
werden durch eine Kombination von Länge und Durchmesseränderungen und eine Änderung der
elastischen Eigenschaften des Rohrmaterials verursacht. Durch passende Wahl der Länge, des Durchmessers und
der Wandstärke des Rohres wird in erster Näherung eine Reduktion der Frequenzänderung bei einer Temperaturänderung
erzielt.
Mehrere weitere Vorteile werden dadurch erzielt, daß man die volle Faser von im wesentlichen einheitlichem
Querschnitt durch ein hohles Rohr ersetzt, das sich in einer Weise verjüngt, wie das im folgenden beschrieben
werden soll. Zum einen werden durch die sich verjüngende Konstruktion die Einspannverluste minimal.
Zum zweiten ergibt die sich verjüngende Konstruktion eine gleichmäßige Verteilung der mechanischen
Verluste über die gesamte Länge des aktiven Elements, wobei der Wärmefluß der in dem aktiven Element
durch die Verluste erzeugt wird, wesentlich geringer ist als der wie er in einem soliden Stab oder einer
Faser von nahezu gleichbleibendem Querschnitt und vergleichbarer Größe erzeugt wird. Drittens kann die
Verjüngung als Feinjustierung für die oben erwähnten Temperatureffekte verwendet werden. Darüber hinaus
bewirkt eine richtig hergestellte Verjüngung eine Unterdrückung für Schwingungszustände höherer Ordnung,
was von wesentlichem Interesse für die Stabilität und Zuverlässigkeit des Gerätes ist, wenn unzweideutige
Resultate erzielt werden sollen. Um von einer Verjüngung wirkungsvoll Gebrauch zu machen, müssen jedoch
gewisse Bedingungen angenähert erfüllt werden, die einem funktionellen Zusammenhang zwischen
Durchmesser (und Wandstärke im Falle einer Röhre) des aktiven Elements und dem Abstand von der Basis,
d. h. von dem festgelegten Ende des aktiven Elements entsprechen. Das Flächenträgheitsmoment kann in der
Form definiert werden
wo /das Flächenträgheitsmoment des aktiven Elements in einer Ebene dargestellt, die senkrecht zur Krümmungsebene
und senkrecht zur Längsachse der Faser liegt, wo das Produkt Ay dx ein rechteckiges Flächenelement
des aktiven Elements in dieser Ebene repräsentiert, und wo y den Abstand des Flächenelements von
der neutralen Faser bedeutet. Die Integration ist dabei über den gesamten Querschnitt des aktiven Elements zu
erstrecken. Die neutrale Faser repräsentiert jene Linienelemente in der oben erwähnten Ebene, wo die
Dehnung bei den für dieses Gerät charakteristischen Deformation verschwindet.
Ein Merkmal der Ausführungsform der Vorrichtung liegt in der Ausnützung einer funktionellen Beziehung,
die sich auf das Flächenträgheitsmoment bezieht. Um den fundamentalen Schwingungszustand herzustellen,
sollten die folgenden Beziehungen beachtet werden: Über die aktive Länge des aktiven Elements sollte die
Größe / gleichmäßig mit dem Abstand von der Basis abnehmen und zwar in der Weise, daß /in einem extrapolierten
effektiven Abstand /.'verschwindet, wobei U
etwas größer als die wirkliche Länge L des aktiven Elements ist, wenn diese von der besagten Basis aus gemessen
wird. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, nimmt das Flächenträgheitsmoment / im wesentlichen
linear mit zunehmendem Abstand von der Basis ab.
Man hat ebenfalls ermittelt, daß die sich verjüngende Konstruktion des aktiven Elements eine Unterdrückung
von höheren Schwingungszuständen in einem Ausmaß ergibt, daß für eine Verjüngung, bei der das Flächentrügheitsmoment,
den oben beschriebenen Verlauf hat, im wesentlichen nur die Grundschwingung angeregt
wird. Es kann jedoch, durch eine besondere Formgebung des aktiven Elements und andere Maßnahmen, wie
die örtliche Anpassung der Richtung der Anregung des aktiven Elements das Auftreten von anderen erwünschten
Resonanz-Schwingungen gefördert werden. Wenn daher für eine besondere Anwendung das Auftreten einer
besonderen ausgewählten Schwingungsform höherer Ordnung vorteilhaft erscheint, so kann das aktive
Element mit anderen spezifischen Verjüngungsfunktionen und/oder Anregungen so gewählt werden, daß die
gewünschte Schwingungsform unter dem Ausschluß aller anderen Schwingungsformen erscheint. Das »ich verjüngende
aktive Element kann auch entlang zweier orthogonaler Achsen angeregt werden und dabei zu linearen,
elliptischen oder kreisförmigen Bewegungen gebracht werden, wenn es zur Schwingung angeregt wird.
Jedoch ist es aus Gründen der Einfachheit vorzuziehen, das aktive Element entlang einer einzigen Achse anzuregen,
so daß es in einer Schwingungsebene in der Grundschwingung oszilliert.
Mehrere verschiedenartige Anordnungen können verwendet werden, das aktive Element anzuregen, d. h.
zu betreiben und die Schwingung in einem ausgewählten Schwingungszustand bei einer ausgewählten Amplitude
zu unterhalten. Ein bevorzugtes Anregungssystem besteht darin, einen Teil des sich verjüngenden Rohres,
das aus einem Nichtleiter, wie z. B. Quarz besteht, mit einer dünnen Schicht eines leitenden Materials, wie z. B.
Gold zu versehen. Eine Wechselspannung, die an der leitenden Schicht angelegt wird, ruft dann einen wechselnden
Aufladeeffekt hervor. Wenn nun ein statisches elektrisches Feld senkrecht zum Rohr erzeugt wird, das
mit der elektrischen Ladung, die dem sich verjüngenden Rohr zugeführt wird, in Wechselwirkung tritt, so wird
auf diese Weise dieses elektronisch in Schwingungen versetzt. Das gleiche Ergebnis kann dadurch erreicht
werden, daß der soeben beschriebene elektrostatische Antrieb in der Weise modifiziert wird, daß eine konstante
elektrische Ladung der leitenden Schicht auf dem Rohr zugeführt wird, während ein elektrisches Wechselfeld
senkrecht zu dem Rohr angelegt wird, das mit der konstanten Ladung in Wechselwirkung tritt. Während
ein elektrostatischer Antrieb vorteilhaft ist, ein sich verjüngendes Rohr in einer ausgewählten Schwingung zu
halten, da in diesem Fall nur eine sehr kleine Leistung pro Schwingung wegen des hohen mechanischen Gütefaktors
des hohlen sich verjüngenden Rohres, erforderlich ist, so kann aber auch eine anderweitige Anregung
dazu verwendet werden, die Schwingung in Gang zu setzen. So kann die ursprüngliche Anregung dadurch
erzielt werden, daß eine Stoßspannung an da:- System angelegt wird, oder durch mechanische Anregung. Sobald
das Gerät in Schwingung vesetzt ist, geht die Oszillation mit der natürlichen Eigenfrequenz des schwingenden
Systems vonstatten, die von den elastischen Eigenschaften des sich verjüngenden Rohres und der darauf
befindlichen Masse abhängt. Um die Resonanzschwingung in Gang zu halten, wird ein Rückkopplungssystem verwendet, das die natürliche Eigenschwingung
des vibrierenden Elements ermittelt und das Antriebssystem mit einer Wechselspannung der gleichen Frequenz
versorgt. Das Rückkopplungssystem kann dabei auf optischen, elektrischen, magnetischen oder anderen geeigneten
Effekten beruhen, die dem Fachmann gut bekannt sind und die es ermöglichen, die periodische Variation
der Position des sich verjüngenden Rohres durch das Rückkopplungssystem zu erfassen und in eine periodische
Anregung umzusetzen.
In F i g. 1 ist ein Gehäuse 2 gezeigt, in dem ein dünnwandiges
Quarzrohr untergebracht, das allgemein mit 4 bezeichnet ist. Das Rohr hat einen kreisförmigen Querschnitt
und umfaßt im wesentlichen zwei verschiedene Abschnitte, einen Endabschnitt 6 und einen schwingenden
Abschnitt 8. Der schwingende Abschnitt 8 ist mit einer Verjüngung versehen, wie sie weiter oben genauer
beschrieben ist. Der Endabschnitt 6 hat eine größere Wandstärke und die äußere Oberfläche hat eine allgemein
glockenförmige Gestalt. Der Einfachheit der Darstellung halber ist der Durchmesser des schwingenden
Abschnittes 8 gegenüber der Länge übertrieben gezeichnet. In der Praxis ist der durchschnittliche äußere
Durchmesser des schwingenden Abschnitts 8 vorzugsweise von der Größenordnung 100 bis lOOOmal so klein
wie seine Länge, und die Länge und der Durchmesser variieren gemäß der zu messenden Masse. Daher liegt
der Bereich für die Längen der schwingenden Abschnitte 8 für eine Massenbestimmung im Bereich von
10—5 bis 10-" Gramm typisch bei 2 bis 5 cm.
Der Endabschnitt 6 wird durch einen Flansch 10 am Umfang und durch eine flache Endfläche 12 begrenzt.
Der Flansch 10 erleichtert die Befestigung des Rohres 4 an der Grundfläche des Gehäuses durch einen Ring 14,
der aus elektrisch isolierendem Material hergestellt ist und dessen Lippe 16 den Flansch 10 überlappt. Der Ring
14 ist durch Schrauben 18 an der Grundfläche des Gehäuses befestigt, so daß er wieder entfernt werden kann.
Die Außenfläche des schwingenden Abschnitts 8 ist auf einem Teil ihrer Länge mit einer Schicht oder einer
Lage 20 eines leitenden Materials, wie z. B. Gold, überzogen. Die Schicht 20 kann auf die Röhre durch Aufdampfen
oder andere geeignete Verfahren aufgebracht werden, die dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt
sind. Zusätzlich ist ein verlängertes Leiterelement 22 an der äußeren Oberfläche des Rohres 20 in Verbindung
mit dem Film 20 angebracht. Das Element 22 dient als leitende Verbindung und kann die Form einer leitenden
Metallschicht, wie z. B. Gold, annehmen, die auch durch Verdampfung oder andere geeignete Verfahren, wie sie
Experten bekannt sind, angebracht werden kann. Die Verbindung 22 erstreckt sich um den Flansch 10 des
Rohres und benützt eine leitende Anschlußstelle 24, die
so zentral und isoliert in einer Durchführung 26 in der Grundfläche des Gehäuses 2 angebracht ist. Die untere
Seite dieses Teils der Verbindung 22, die sich entlang der inneren Oberfläche der Grundfläche des Gehäuses
erstreckt, ist mit einem elektrisch isolierenden Material überzogen (es sei denn, der gegenüberliegende Teil der
inneren Oberfläche des Gehäuses ist mit einer isolierenden Schutzschicht versehen) um einen Kurzschluß der
Verbindung 22 zu verhindern.
Das äußerste Ende des schwingenden Abschnitts 8 des Rohres 4 ist in Form einer dünnwandigen Aufweitung
ausgebildet, wie sie in 28 gezeigt wird, die als eine Befestigung für eine Unterlage 30 dient, die die zu wägende
Massen hält, und die z. B. aus einem Stück einer Aluminiumfolie oder aus einer dünnen Glasplatte bestehen
kann. Die Unterlage 30 ist an dem aufgeweiteten Ende 28 des Rohres, z. B. mit Hilfe eines Klebstoffes
befestigt, und die zu ermittelnde Masse, wie sie in 32 gezeigt ist, wird auf der Unterlage z. B. als Aufdampf-
schicht plaziert und befestigt.
Es sind auch zwei Elektroden 34 und 36 in dem Gehäuse angebracht. Diese Elektroden sind vorzugsweise
in der Form von runden Stäben, können aber auch andere Querschnittsformen haben. So können z. B. die Elektroden
34 und 36 eine quadratische oder rechteckige Form haben. Diese Elektroden sind an isolierten Durchführungen
38 angebracht, die durch die Grundfläche des Gehäuses geführt sind. Die Elektroden 34 und 36 stehen
aus dem Gehäuse heraus, wo sie an eine Spannungsquelle mit Gleichstrompotential angeschlossen werden
können. In der gezeigten Anordnung ist die Elektrode 34 mit einem negativen Gleichstrompotential verbunden,
während die andere Elektrode mit einem positiven Gleichstrompotential verbunden ist. Ein Frequenzgenerator
40 für den Ton-Frequenzbereich ist mit der Anschlußstelle 24 verbunden.
Bei dieser Vorrichtung wird zwischen den Elektroden 34 und 36 ein elektrisches Gleichfeld angelegt während
eine Wechselspannung an die leitende Schicht 20 durch die Verbindung 22 angelegt wird.
Infolgedessen wird der obere Abschnitt 8 des Rohres 4 in transversale Schwingungen versetzt in Übereinstimmung
mit der Frequenz der angelegten Spannung als Folge der Wechselwirkung der periodisch sich verändernden
Ladung an der leitenden Schicht 20 mit dem elektrischen Gleichspannungsfeld, das zwischen den
Elektroden 34 und 36 besteht. Wenn man annimmt, daß die Unterlage 30 und die Masse 32 eliminiert werden,
wenn die Frequenz der Spannung wie sie von dem Signalgenerator angelegt wird, durch verschiedene Frequenzbereiche
abgestimmt wird, so wird das Rohr schwingen und die Frequenzen einer schwingenden
Blattfeder aufweisen, mit den Frequenzen, bei denen die Resonanzzustände auftreten, wie sie zum Teil von den
physikalischen Parametern des Rohres abhängen. Wenn nun eine Masse an dem freien Ende des Rohres hinzugefügt
wird, so wird die Resonanzfrequenz erniedrigt, wobei die Größenordnung der Frequenzänderung von der
Massenbeladung abhängt.
Die F i g. 2 bis 4 zeigen ein Mikrowaagen-System, das die Vorrichtung der F i g. 1 einbezieht, aber den Frequenz-Generator
40 durch Einrichtungen zur Erfassung und Unterhaltung der Schwingung des Rohres ersetzt.
Die Instrumentation erfordert im wesentlichen den Gebrauch (1) einer Bewegungsanzeige, die die Rohrschwingung
erfaßt und ein Signal liefert, das in Obereinstimmung mit der Position des Rohres variiert, d. h. eine
Frequenz in Übereinstimmung mit der Schwingungsfrequenz aufweist und (2) eine Rückkopplungsvorrichtung,
die es erlaubt, das hohle Rohr mit der Frequenz des von der Bewegungsanzeige erzeugten Signals zu betreiben.
Die Bewegungsanzeige kann dabei verschiedenartige Formen annehmen, wie das im folgenden ausführlicher
beschrieben wird. Vorzugsweise ist die Bewegungsanzeige so angepaßt, daß sie die oszillierende Bewegung
des hohlen Rohres optisch erfaßt und aus einem elektrooptischen Wandler 48 besteht, der sich auf der einen
Seite des hohlen Rohres befindet und einer Lichtquelle 50, die auf der gegenüberliegenden Seite des hohlen
Rohres so angebracht ist, daß sie einen Lichtstrahl zu dem Wandler sendet. Wandler und Lichtquelle sind orthogonal
zu den beiden Feldelektroden 34 und 36 befestigt, so daß das hohle Rohr quer zum Lichtstrahl
schwingt. Der Wandler 48 kann an dem Gehäuse 2 mit Hilfe verschiedener Einrichtungen befestigt werden,
wie z. B. mit Hilfe einer Klammer 52, die an der Wand des Gehäuses befestigt ist. Obwohl dies nicht dargestellt
ist, ist es verständlich, daß die Lichtquelle 50 ebenso mit einer Klammer an dem Gehäuse befestigt werden kann,
die der mit 52 bezeichneten Klammer entspricht. Die Ausgangsseite des Wandlers 48 ist mit einem geeigneten
Kabel 54 verbunden, das durch die Gehäuserückwand geführt und mit dem Rückkopplungssystem verbunden
ist. Die Lichtquelle 50 ist über ein (nicht gezeigtes) entsprechendes Kabel mit einer Stromquelle verbunden,
z. B. einer Gleichspannungsquelle 56 gem. F i g. 3.
ίο Der in F i g. 2 gezeigte Wandler 48 umfaßt vorzugsweise
ein schematisch als Linse 58 dargestelltes Objektiv sowie eine Phototransistorschaltung 60, wobei das
Objektiv so angeordnet und ausgebildet ist, daß das Bild des hohlen Rohres 4 auf die lichtempfindliche Oberfläehe
des Phototransistors projiziert wird, wobei dieser eine Ausgangsspannung erzeugt, die sich entsprechend
der Position des Schattenbildes des hohlen Rohres ändert. Alternativ kann der Wandler 48 eine Photodiodenschaltung
anstelle einer Phototransistorschaltung verwenden, um ein Signal in Abhängigkeit von der Position
des Schattenbildes des hohlen Rohres zu erzeugen. Spezielle Einzelheiten des Objektivs und der Phototransistorschaltung
werden hier nicht angegeben, da solche Vorrichtungen dem Fachmann gut bekannt sind und da
auch andere Ausführungsformen von optischen Wandlern verwendet werden können. So kann der Wandler 48
einen lichtempfindlichen Schaltkreis enthalten, der in ähnlicher Weise aufgebaut ist, wie der Photo-Doppeldioden-Vorverstärker
oder der mit unterbrochener Lichtstrahlung arbeitende Detektor, der in der Literaturstelle
»Elektronic Circuits Manual« Seiten 574 und 581 von J. Markus, McGraw-Hill Verlag 1971 beschrieben
ist oder es kann der Detektor verwendet werden, der in der Literaturstelle »Electronic Circuit Designer's
Casebook«, Seite 65, McGraw-Hill-Verlag beschrieben
ist.
Wie es in F i g. 3 gezeigt ist, wird das Wechselspannungs-Ausgangssignal
des Wandlers 48 durch einen Vorverstärker 62 und einen Verstärker 64 verstärkt und
zu der Schicht 20 auf dem hohlen Rohr durch einen Kopplungs-Kondensator 68 und den leitenden Anschluß
24 rückgekoppelt, wodurch das hohle Rohr angeregt wird. Die Ausgangsspannung des Vorverstärkers
62 ist auch an ein Oszilloskop 66 angeschlossen. Entweder der Vorverstärker 62 oder der Verstärker 64 ist von
einer Bauart, die eine Abstimmung auf eine ausgewählte Frequenz zuläßt. Das hohle Rohr wird dabei durch eine
passende Wahl der Verstärkung in beiden Verstärkern im oszillierenden Zustand erhalten, wobei das Ausgangssignal
des Vorverstärkers 62 auf dem Bildschirm des Oszilloskops beobachtet werden kann. Die Frequenz
des Ausgangssignals des Verstärkers 64 wird in der Weise festgehalten, daß es einem die Perioden mittelnden
Frequenzzähler 70 zugeführt wird, dessen Ausgangssignal
von einem digitalen Registriergerät 72 abgedruckt und von einem geeigneten Lochstreifengerät
74 in Lochstreifen gestanzt wird. Wenn, wie später beschrieben werden soll, die Apparatur so angeordnet ist,
daß das hohle Rohr 4 sich horizontal erstreckt, so ist vorzugsweise ein hochohmiges Potentiometer 76 zu benützen,
das eine Gleichspannung an das hohle Rohr anlegt, so daß dieses zwischen den Elektroden 34 und 36
zentriert werden kann. Dabei wird das Widerstandselement des Potentiometers zwischen den Ausgangsan-Schlüssen
der Gleichstromquelle 56 angeschlossen, während der Abgriff mit der Anschlußstelle 24 zu verbinden
ist.
In Fig.4 ist die lichtempfindliche Oberfläche des
In Fig.4 ist die lichtempfindliche Oberfläche des
Phototransistors so abgedeckt, daß diese Fläche, die gegen das hohle Rohr und die Lichtquelle gerichtet ist,
vorzugsweise in der Form eines gleichseitigen Dreiecks 78 besteht, dessen eine Dreieckseite 80 parallel zu dem
sich in Ruhestellung befindlichen hohlen Rohr ist. Der Wandler 48 ist so angeordnet, daß das projizierte Schattenbild
des hohlen Rohres in Ruhestellung halbwegs zwischen der Seite 80 und der gegenüberliegenden Spitze
des Dreiecks 78 zu liegen kommt. Folglich fällt, wenn das hohle Rohr schwingt, weniger Licht auf die lichtempfindliche
Oberfläche des Wandlers, wenn das Rohr sich in Richtung der Seite 80 bewegt. Dagegen wird
mehr Licht empfangen wenn sich das Rohr von der Seite 80 weg — und sich auf die gegenüberliegende
Dreiecksspitze zubewegt. Die Ausgangsspannung des Phototransistors nimmt zu oder ab, je nachdem ob mehr
oder weniger Licht von der lichtempfindlichen Fläche des Phototransistors empfangen wird.
Es soll noch bemerkt werden, daß die Masse auch auf andere Weise angebracht werden kann, als das in F i g. 1
gezeigt ist. So muß z. B. das obere Ende des Rohres nicht aufgeweitet sein, wie es bei 28 gezeigt wird, sondern
die Verjüngung kann sich bis zum Ende des Rohres erstrecken, wobei das Rohr mit einer flachen Endoberfläche
endet und die Masse, die bestimmt werden soll, direkt an der Endfläche des Rohres angebracht ist. Es
kann auch die zu messende Masse je nach der Natur ihrer Zusammensetzung als dünne Schicht an der äußeren
Oberfläche des hohlen Rohres vorzugsweise so nahe wie möglich am Ende derselben angebracht werden.
Es soll auch die Bemerkung gemacht werden, daß das hohle Rohr keineswegs in einer vertikalen Stellung
montiert werden muß, sondern durchaus horizontal oder unter einem anderen Winke! ausgerichtet werden
kann. In diesem Zusammenhang soll noch bemerkt werden, daß es bei einem horizontalen Rohr möglich ist, wie
es in F i g. 5 gezeigt wird, das freie Ende des Rohres mit einem tassenförmigen Anhang 82 auszurüsten, der dazu
geeignet ist, die zu messende Masse aufzunehmen. Dabei kann der Anhang 82 ein integraler Teil des Rohres
sein oder aber als separat geformtes Element an dem Rohr befestigt sein.
Das Rohr, das vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt hat, kann aber auch einen Querschnitt von
anderer ι oriTi SU ι weisen, z. u. einen cniptiscnen Oucr
einen rechteckigen.
Das Rohr kann so ausgeführt sein, daß sowohl die innere als auch die äußeren Oberflächen sich verjüngen,
wie das in F i g. 1 gezeigt ist. Jedoch ist es auch möglich, ein Rohr zu verwenden, das nur an der Außenseite sich
verjüngt, aber einen konstanten inneren Durchmesser besitzt. Eine weitere mögliche Modifikation besteht darin,
das hohle Rohr aus einem elektrisch leitenden Material herzustellen und dabei die Notwendigkeit für die
Aufbringung der Schicht 20 und der Verbindung 22 zu erübrigen. Das Rohr kann auch aus Glas, Quarz oder
einem keramischen Material gemacht sein. Vorzugsweise ist das Rohr aus einem im wesentlichen einkristallinen
Material, wie z. B. einkristallinem Aluminiumoxyd, d. h. Saphir, hergestellt. Ein einkristallines Material hat niedrigere
mechanische Verluste und übelegene elastische Eigenschaften im Vergleich zu Quarz, Glas und dergleichen.
Wie oben erwähnt, braucht der die Bewegung registrierende Wandler keineswegs auf optischen Prinzipien
zu beruhen, sondern kann z. B. auf einer magnetischen oder elektrostatischen Anzeige basieren. Eine passende
magnetische Anzeige würde aus einem magnetischen oder einer permanent magnetisierenden Schicht bestehen,
die auf dem hohlen Rohr deponiert wird, und einer Empfangsspule, die so aufgestellt ist, daß eine Veränderung
der Röhrenposition eine elektromotorische Kraft in der Spule hervorruft (siehe H. N. Norton, »Handbook
of Transducers for Electronic Measuring Systems«, Seite 16 bis 21, Prentice-Hall, 1969, für magnetische, kapazitive
und andere Typen bewegungsempfindlicher Wandler). In gleicher Weise ist es möglich, das Rohr
durch magnetischen anstatt elektrostatischen Antrieb zu erregen, d. h. in Oszillation zu versetzen. Eine weitere
mögliche Methode, das Rohr anzuregen, besteht darin, ihr Material oder das vergrößerte Ende Luftstößen auszusetzen.
In einem solchen Fall müßte jedoch die öffnung an dem freien Ende des Rohres unverstellt sein.
Noch andere Arten, das Rohr zum Schwingen anzuregen, sind für den Fachmann ohne weiteres zu erkennen.
Da Mikrowaagen, der beschriebenen Ausführungsformen in der Lage sind, sowohl die Masse einer Auf-
dampfschicht als auch die von Teilchen zu messen, sind dieselben besonders geeignet, Massenveränderungen
jeglicher Art zu messen. Aus diesem Grund ist ein Anwendungsfeld in der Registrierung von Vacuumverdampfungen
zu finden. Das Gerät kann auch dazu verwendet werden, Niederschlagsraten in gasförmigen
Umgebungen zu messen und als ein Beispiel, die Registrierung atmosphärischer Teilchen und Oberflächenverunreinigungen
zu erzielen. Das Gerät kann auch verwendet werden, die Verdampfungs- und Kondensationsraten
kleiner Massen zu ermitteln.
Die Eichung kann dadurch erreicht werden, daß passende Massen, wie z. B. Nickel oder Aluminium-Mikrokugeln
oder Drahtstückchen an dem hohlen Rohr befestigt werden, indem eine Reihe von Frequenzbestimmungen
für die verschiedenen Massen ausgeführt werden. Die Masse einer Mikrokugel kann leicht berechnet
werden, da die spezifischen Dichten der Massen bekannt sind und ihre Größe leicht unter dem Mikroskop
bestimmt werden kann. Demnach kann für jedes Rohr eine Eichkurve aufgezeichnet werden, worin die Frequenz
gegen die Masse aufgetragen ist. Danach kann dann eine Massenbestimmung einfach dadurch ausgeführt
werden, daß die Resonanzfrequenz des Rohres, die mit einer spezifischen Masse beladen ist, ermittelt wird
und aus der Eichkurve die Massenladung entnommen wird, die der beobachteten Resonanzfrequenz des beladenen
Rohres entspricht.
Bei einer praktisch ausgeführten Ausführungsform wurde ein Rohr, das in einer Grundschwingungs-Mode
so schwingt, aus einer zylinderförmigen Glaskapillare hergestellt,
deren innerer Durchmesser 1,0 mm, und deren äußerer Durchmesser 1,6 mm beträgt. Diese Kapillare
wurde mit einer monoton zunehmenden Verjüngung gezogen, wie sie oben spezifiziert ist. Der äußere Durchmesser
nimmt von 1,6 mm in der Höhe des festgelegten Endes auf 0,12 mm am freien Ende ab. Die Gesamtlänge
des Rohres war ungefähr 4 cm. Eine Aluminiumfolie war am freien Ende als bequeme Unterlage befestigt.
Das Rohr wurde elektrostatisch angetrieben und seine Schwingungen durch Maßnahmen optisch erfaßt, wie
sie in den Fig. 1 bis 4 gezeigt sind. Das Rohr wurde in einem Vacuum betrieben und eine Reihe von Gewichten
wurde auf der Unterlage befestigt und die Resonanzfrequenz für jede Ladung gemessen. Von den Ver-Suchsergebnissen
wurde eine Eichkurve der Masse als Funktion der Resonanzfrequenz erstellt, wie sie in
F i g. 6 gezeigt wird. Von dieser Eichkurve entnimmt man ein dm/df von ungefähr 2 χ 10-4 g/Hz bei einer
Frequenz von 25 Hz. Da die Resonanzfrequenz zuverlässig
bis auf einen Teil in 105 bestimmt werden kann,
ergibt sich eine Empfindlichkeit von 5 χ 10~8 g. Diese
Empfindlichkeit ist vergleichbar mit der für QCM-Geräte, und zwar deshalb, weil a priori keine Begrenzung für 5 die Fläche der die Masse unterstützenden Unterlage
besteht, die von dem Rohr getragen wird. Die Benützung eines Rohres, das aus einem Material mit einem
höheren mechanischen Gütefaktor wie z. B. Quarz oder
Saphire, hergestellt ist, führt sofort zu einer meßbaren 10 Verbesserung der Empfindlichkeit.
ergibt sich eine Empfindlichkeit von 5 χ 10~8 g. Diese
Empfindlichkeit ist vergleichbar mit der für QCM-Geräte, und zwar deshalb, weil a priori keine Begrenzung für 5 die Fläche der die Masse unterstützenden Unterlage
besteht, die von dem Rohr getragen wird. Die Benützung eines Rohres, das aus einem Material mit einem
höheren mechanischen Gütefaktor wie z. B. Quarz oder
Saphire, hergestellt ist, führt sofort zu einer meßbaren 10 Verbesserung der Empfindlichkeit.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Claims (21)
1. Vorrichtung zum Messen von Massen mit einem
langgestreckten elastischen Element mit einem eingespannten ersten Ende und einem zweiten Ende,
das frei schwingen kann und zur Halterung einer zu messenden Masse ausgebildet ist, mit Antriebseinrichtungen
zum Biegen des elastischen Elements derart, daß das freie Ende und die hiervon getragene
Masse mit einer Resonanzfrequenz schwingen, die sich als Funktion der Masse ändert, und mit Fühlereinrichtungen
einschließlich Einrichtungen zum Messen der Resonanzfrequenz der Schwingung des
zweiten Endes des elastischen Elements mit oder ohne Belastung durch die Masse, so daß die Größe
der Masse aus der Änderung der Resonanzfrequenz des zweiten Endes des elastischen Elements aufgrund
des Vorhandenseins der Masse bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische
Element (4) ein hohles Rohr ist, das ausgehend von dem eingespannten ersten Ende (6) zum
zweiten freien Ende (8) hin verjüngt ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element ein Flächenträgheitsmoment
aufweist, das durch die Gleichung
/= Jjydydx
definiert ist, das sich in festgelegter Weise als Funktion des Abstands von dem ersten Ende (6) ändert,
wobei /die Entfernung von der neutralen Faser des elastischen Elements (4) und das Produkt dydx ein
rechtwinkliges Element in einem Querschnitt des elastischen Elements in einer Ebene senkrecht zur
Achse des elastischen Elements ist, und wobei die Integration über den gesamten Bereich des Querschnitts
erstreckt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenträgheitsmoment / gleichmäßig
ausgehend von dem eingespannten ersten Ende (6) abnimmt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Querschnittsfläche
des hohlen Rohres (4) fortschreitend vom ersten Ende (6) bis zum zweiten Ende (8) hin
abnimmt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle
Rohr (4) aus Aluminiumoxyd besteht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Rohr (4) aus
Quarz besteht.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Rohr (4) aus
Glas besteht.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle
Rohr (4) einen vergrößerten relativ dicken Abschnitt am ersten Ende (6) aufweist, und daß ein Halterungsteil
und Einrichtungen zur Verankerung des ersten Endes (6) des hohlen Rohres (4) an dem Halterungsteil
vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite
Ende (8) des hohlen Rohrs (4) eine Probenhalteeinrichtung (28, 30; 82) zum Aufnehmen einer zu messenden
Massenprobe aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Probenhalteeinrichtungen durch einen vergrößerten Abschnitt am zweiten Ende
(8) des hohlen Rohres (4) gebildet sind
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der vergrößerte Abschnitt an dem zweiten Ende (8) des hohlen Rohrs (4) durch eine
Erweiterung des hohlen Rohrs (4) und eine Kantenoberfläche zur Abstützung eines Halters (30) Tür eine
zu messende Probe (32) gebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenhalteeinrichtungen
durch eine Schale (82) gebildet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenhalteeinrichtungen
thermisch von der durch die Schwingung des hohlen Rohrs erzeugten Wärme isoliert
sind.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle
Rohr (4) elektrisch leitende Einrichtungen (20) auf der Außenoberfläche zwischen den ersten und zweiten
Enden (6, 8) aufweist und daß die Antriebseinrichtungen zwei mit Abstand von dem hohlen Rohr
(4) angeordnete Elektroden (34,36) und Einrichtungen (40,56) zum Anlegen eines sich ändernden elektrischen
Potentials zwischen den Elektroden und den elektrisch leitenden Einrichtungen umfassen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Anlegen
eines sich ändernden elektrischen Potentials eine Wechselspannungsquelle (40), die mit den leitenden
Einrichtungen (20) verbunden ist, und Einrichtungen (56) zum Anlegen eines Gleichspannungspotentials
zwischen die beiden Elektroden (34,36) einschließen.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle
Rohr aus einem Material hergestellt ist, das keinen elektrischen Leiter bildet.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlereinrichtungen
(48) die Schwingungsbewegung des hohlen Rohrs (4) optisch messen.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlereinrichtungen
die Schwingungsbewegung des hohlen Rohrs (4) magnetisch messen.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenträgheitsmoment
des hohlen Rohrs gleichförmig mit zunehmendem Abstand von dem ersten Ende (6) des hohlen Rohrs (4) derart abnimmt, daß es an
einem Punkt L'zu Null würde, der eine extrapolierte Entfernung von dem ersten Ende (6) ist, die die Länge
L des hohlen Rohrs gemessen von dem ersten Ende (6) aus übersteigt.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einrichtungen
zum Betrieb der Antriebseinrichtungen in Abhängigkeit von der von den Fühlereinrichtungen festgestellten
Frequenz.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle
Rohr (4) ausgehend von dem eingespannten Ende (6) zum freien zweiten Ende (8) hin derart verjüngt ist,
daß sich eine im wesentlichen konstante Krümmung ergibt, wenn das hohle Rohr gegenüber dem eingespannten
Ende gebogen wird.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US546273A US3926271A (en) | 1975-02-03 | 1975-02-03 | Microbalance |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2553638A1 DE2553638A1 (de) | 1976-08-05 |
DE2553638C2 true DE2553638C2 (de) | 1986-06-12 |
Family
ID=24179646
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2553638A Expired DE2553638C2 (de) | 1975-02-03 | 1975-11-28 | Vorrichtung zur Messung von Massen |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US3926271A (de) |
DE (1) | DE2553638C2 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007041369A1 (de) | 2007-08-07 | 2009-02-12 | Wöhler Meßgeräte Kehrgeräte GmbH | Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Staubmassenanteils bei Feststofffeuerungen |
DE102009049955A1 (de) | 2009-10-19 | 2011-04-21 | Wöhler Meßgeräte Kehrgeräte GmbH | Vorrichtung für die Bestimmung des Staubmassenanteils bei Feststofffeuerungen |
DE102012006052A1 (de) | 2012-03-27 | 2013-10-02 | Wöhler Meßgeräte Kehrgeräte GmbH | Messvorrichtung |
Families Citing this family (44)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4050530A (en) * | 1976-05-14 | 1977-09-27 | Pitney-Bowes, Inc. | Method and apparatus for determining weight and mass |
US4212193A (en) * | 1978-12-06 | 1980-07-15 | Turley John W | Apparatus and method for determining the moment of inertia of golf clubs and like objects |
US4391338A (en) * | 1980-04-04 | 1983-07-05 | Harvey Patashnick | Microbalance and method for measuring the mass of matter suspended within a fluid medium |
DE3505165C2 (de) * | 1985-02-15 | 1986-12-04 | Danfoss A/S, Nordborg | Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer Kraft |
US4623030A (en) * | 1985-10-21 | 1986-11-18 | Alcor, Inc. | Piezoelectric ratio weighing device |
US4697657A (en) * | 1985-10-21 | 1987-10-06 | Alcor Inc | Piezoelectric weighing device |
US4696181A (en) * | 1986-04-10 | 1987-09-29 | Rupprecht & Patashnick Co., Inc. | Decoupling suspension system for an oscillating element microbalance |
US4778018A (en) * | 1987-07-13 | 1988-10-18 | Pitney Bowes Inc. | Apparatus and method of determining the mass of an article by measuring the shift in the period of harmonic motion |
US4838371A (en) * | 1988-01-22 | 1989-06-13 | Rupprecht & Patashnick Co., Inc. | Constrained linear motion inertial balance |
US4836314A (en) * | 1988-07-08 | 1989-06-06 | Rupprecht & Patashnick Co., Inc. | Novel glass elements for use in balances |
GB9218659D0 (en) * | 1992-09-01 | 1992-10-21 | Atomic Energy Authority Uk | Aerosol sampler |
US5442960A (en) * | 1993-07-28 | 1995-08-22 | Southwest Research Institute | Measurement of mass using angular simple harmonic motion |
US5488203A (en) * | 1993-11-05 | 1996-01-30 | Rupprecht & Patashnick Company, Inc. | Force compensator for inertial mass measurement instrument |
US5869763A (en) * | 1995-10-19 | 1999-02-09 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Method for measuring mass change using a quartz crystal microbalance |
US5684276A (en) * | 1995-12-12 | 1997-11-04 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Micromechanical oscillating mass balance |
US5902964A (en) * | 1996-08-22 | 1999-05-11 | Southwest Research Institute | Measurement of mass using simple harmonic motion with active spring and active damping |
US5900590A (en) * | 1996-08-22 | 1999-05-04 | Southwest Research Institute | Centrifugal measurement of mass |
JP4278181B2 (ja) | 1996-11-01 | 2009-06-10 | ビーピー オイル インターナショナル リミテッド | 検査装置と使用方法 |
US6494079B1 (en) | 2001-03-07 | 2002-12-17 | Symyx Technologies, Inc. | Method and apparatus for characterizing materials by using a mechanical resonator |
BR9814770A (pt) * | 1997-12-02 | 2000-10-03 | Allan L Smith | Sensor para medição de massa e fluxo de calor |
US5970781A (en) * | 1998-05-14 | 1999-10-26 | Rupprecht & Patashnick Company, Inc. | In-stack direct particulate mass measurement apparatus and method |
US6016688A (en) * | 1998-05-14 | 2000-01-25 | Rupprecht & Patashnick Company, Inc. | In-stack direct particulate mass measurement apparatus and method with pressure/flow compensation |
US6080939A (en) * | 1998-06-12 | 2000-06-27 | Rupprecht & Pataschnick Company, Inc. | Mass determination device having counterbalanced normalized temperature coefficients |
US6205842B1 (en) | 1999-02-02 | 2001-03-27 | Rupprecht & Patashnick Company, Inc. | Differential particulate mass monitor with intrinsic correction for volatilization losses |
US6502450B1 (en) | 1999-05-10 | 2003-01-07 | Rupprecht & Patashnik Company, Inc. | Single detector differential particulate mass monitor with intrinsic correction for volatilization losses |
GB9925373D0 (en) * | 1999-10-27 | 1999-12-29 | Schlumberger Ltd | Downhole instrumentation and cleaning system |
WO2001033175A1 (en) * | 1999-11-01 | 2001-05-10 | The Johns Hopkins University | Self-monitoring controller for quartz crystal microbalance sensors |
US6465749B1 (en) | 2000-07-07 | 2002-10-15 | Los Robles Advertising, Inc. | Magnetostrictive mass sensing apparatus and method |
JP3764853B2 (ja) * | 2001-05-28 | 2006-04-12 | 喜萬 中山 | ナノ物質の質量計測方法及びその装置 |
US7302830B2 (en) * | 2001-06-06 | 2007-12-04 | Symyx Technologies, Inc. | Flow detectors having mechanical oscillators, and use thereof in flow characterization systems |
US6444927B1 (en) * | 2001-08-13 | 2002-09-03 | David Michael Korpi | Microbalance with reduced temperature and / or pressure sensitivity |
US6928877B2 (en) * | 2002-05-24 | 2005-08-16 | Symyx Technologies, Inc. | High throughput microbalance and methods of using same |
CA2442234A1 (en) * | 2002-09-29 | 2004-03-29 | D.A.T.A. Diamond Advanced Technology Ltd. | Apparatus for measuring the weight of small items |
US7043969B2 (en) | 2002-10-18 | 2006-05-16 | Symyx Technologies, Inc. | Machine fluid sensor and method |
WO2004036207A2 (en) | 2002-10-18 | 2004-04-29 | Symyx Technologies, Inc. | Environmental control system fluid sensing system and method comprising a sesnsor with a mechanical resonator |
US7721590B2 (en) | 2003-03-21 | 2010-05-25 | MEAS France | Resonator sensor assembly |
WO2004086027A2 (en) | 2003-03-21 | 2004-10-07 | Symyx Technologies, Inc. | Mechanical resonator |
DE102004005888A1 (de) * | 2004-02-05 | 2005-08-25 | Merck Patent Gmbh | Vorrichtung und Verfahren zur Kopplung von kapillaren Trennverfahren und Massenspektrometrie |
US7028535B2 (en) * | 2004-04-27 | 2006-04-18 | Intevep, S.A. | System and method for detecting and measuring liquid carry over in a gas stream |
CN100520402C (zh) * | 2004-09-30 | 2009-07-29 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 基于弹性质量系统的质量传感器及其测量质量的方法 |
US7947503B2 (en) * | 2005-06-17 | 2011-05-24 | The United States Of America As Represented By The Department Of Health And Human Services | Monitor and methods for characterizing airborne particulates |
CN103207004B (zh) * | 2013-04-12 | 2015-11-25 | 昆山禾信质谱技术有限公司 | 基于微振荡法测量颗粒物质量的装置 |
KR101664798B1 (ko) | 2015-04-07 | 2016-10-11 | 한양대학교 에리카산학협력단 | 미세질량측정시스템 |
GB2561865A (en) * | 2017-04-25 | 2018-10-31 | Univ Of The West Of Scotland | Apparatus and methods for depositing durable optical coatings |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3492858A (en) * | 1967-05-08 | 1970-02-03 | Trw Inc | Microbalance |
CH464549A (de) * | 1968-01-08 | 1968-10-31 | Wirth Walter | Verfahren zur digitalen Bestimmung einer Potenz des Verhältnisses einer variablen Messfrequenz zu einer konstanten Grundfrequenz |
US3555886A (en) * | 1968-05-20 | 1971-01-19 | Us Air Force | Nongravimetric mass determination system |
-
1975
- 1975-02-03 US US546273A patent/US3926271A/en not_active Expired - Lifetime
- 1975-11-28 DE DE2553638A patent/DE2553638C2/de not_active Expired
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007041369A1 (de) | 2007-08-07 | 2009-02-12 | Wöhler Meßgeräte Kehrgeräte GmbH | Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Staubmassenanteils bei Feststofffeuerungen |
DE102009049955A1 (de) | 2009-10-19 | 2011-04-21 | Wöhler Meßgeräte Kehrgeräte GmbH | Vorrichtung für die Bestimmung des Staubmassenanteils bei Feststofffeuerungen |
DE102009049955B4 (de) | 2009-10-19 | 2023-01-05 | Wöhler Technik GmbH | Vorrichtung für die Bestimmung des Staubmassenanteils bei Feststofffeuerungen |
DE102012006052A1 (de) | 2012-03-27 | 2013-10-02 | Wöhler Meßgeräte Kehrgeräte GmbH | Messvorrichtung |
WO2013143523A1 (de) | 2012-03-27 | 2013-10-03 | Wöhler Messgeräte Kehrgeräte Gmbh | Messvorrichtung |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2553638A1 (de) | 1976-08-05 |
US3926271A (en) | 1975-12-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE2553638C2 (de) | Vorrichtung zur Messung von Massen | |
DE68907800T2 (de) | Sensoren mit vibrierenden Elementen zum Detektieren von elektromagnetischen Parametern. | |
DE3878473T3 (de) | Wandler für Flüssigkeiten. | |
DE69610183T2 (de) | Piezoelektrische quarz-mikrowaage | |
DE1773815C3 (de) | Vorrichtung zur Feststellung des Erreichens eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter | |
DE3877913T2 (de) | Vibrationsrheometer. | |
DE69527548T2 (de) | Apparat zur härtekontrolle durch mikroeindrückung und oberflächenabbildung mittels mehrplattenkondensatorsystem | |
DE69325835T2 (de) | Elektrostatischer Voltmetermodulator mit einer einzelnen im Gleichgewicht gehaltenen Wippe | |
Corey et al. | Mechanical stimulation and micromanipulation with piezoelectric bimorph elements | |
DE112012004953B4 (de) | Oszillatorgerät und Verfahren zum Messen physikalischer Eigenschaften | |
DE1074882B (de) | Anordnung zur Bestimmung der mechanischen Konstanten eines nichtfesten Stoffes | |
CH686906A5 (de) | Rastersondenmikroskop mit gekoppelter Oszillatoranordnung | |
DE2844143A1 (de) | Vorrichtung zum messen der dichte einer fluessigkeit | |
DE1498548B2 (de) | Gerät zur Bestimmung der spezifischen Masse eines fließfähigen Mediums | |
DE2749077C2 (de) | Messfühler | |
DE3348119C2 (en) | Device for ascertaining and/or monitoring a predetermined filling level in a container | |
DE2712789B2 (de) | Vorrichtung zum Messen der Dichte flüssiger und gasförmiger Stoffe | |
DE1648338B2 (de) | Gerät zum Messen physikalischer Materialeigenschaften mit einseitig eingespanntem federndem Materialprüfelement | |
DE69117767T2 (de) | Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des anteils an paramagnetischen bestandsteilen in gasgemischen | |
DE2907904C2 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Quotienten aus Spannung und Flächengewicht eines bahnförmigen Material, insbesondere einer Papierbahn | |
DE2330477A1 (de) | Durchflussmessystem | |
DE102019116779B3 (de) | Messvorrichtung für schwache, langsam veränderliche Magnetfelder, insbesondere für biomagnetische Felder | |
EP2470880B1 (de) | Sensoranordnung zur messung von eigenschaften von fluiden | |
DE10053314B4 (de) | Vorrichtung zum Messen der Sauertoffkonzentration in Gasen | |
DE2831178C2 (de) | Vorrichtung zur Messung des statischen Druckes von Gasen |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition |