DE3842328C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwingungswaage der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Eine derartige Schwingungswaage ist aus der Literaturstelle "Ein Beitrag zur schnellen Massenbestimmung durch Fre­ quenzvariationen" von Prof. Gast und Dr. Schmitt in der Zeitschrift "messen prüfen automatisieren", Juni 1987, Seiten 354 bis 359 bekannt. Diese bekannte Konstruktion erlaubt genaue und schnelle Wägungen insbesondere auch kleiner Massen mit dem Vorteil des Ersatzes aufwendiger mechanischer Aufbauten durch elektronischen Meßaufwand, wodurch die Konstruktion einfach und kostengünstig gehalten werden kann.

Nachteilig bei der bekannten Schwingungswaage sind system­ bedingte Fehler, die nur schwierig beherrschbar sind und die durch Phasenfehler bei der elektromechanischen Umfor­ mung in den beiden verwendeten Umformern entstehen. Solche Phasenfehler können durch mechanische Beschädigung oder auch durch thermische Veränderungen der Umformer sogar wäh­ rend des Betriebes entstehen und direkt die gemessene Schwingungsperiode, also das Wägeergebnis verändern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine insbe­ sondere für chemische Analysezwecke geeignete Schwingungs­ waage der eingangs genannten Art zu schaffen, die zuver­ lässigere Messungen erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird nur ein Umformer in Form eines elektrodynamischen Linearmotors verwendet, der nach Art ei­ nes Tauchspulensystemes, wie es beispielsweise aus Lautsprechern bekannt ist, kostengünstig und konstruktiv einfach aufgebaut sein kann. Dieser Umformer wirkt in einer Richtung als Antriebsumformer zur Schwingungsanregung des mechanischen Schwingsystemes. Der elektromechanische Umfor­ mer dient also dazu, daß ein elektrischer Oszillator auf der elektrischen Seite des Umformers durch Leistungsumfor­ mung das Schwingsystem antreibt. In der umgekehrten Rich­ tung wird von dem Umformer das mechanische Schwingungssy­ stem in Form eines völlig äquivalenten elektrischen Schwingkreises auf die elektrische Seite abgebildet. Das mechanische Schwingsystem dient somit nach Umwandlung als frequenzbestimmendes Glied für den elektronischen Oszilla­ tor und bestimmt dessen Frequenz mit der Eigenschwingung des mechanischen Schwingsystemes. Der wesentliche Vorteil ist hieran, daß derselbe Umformer in beiden Richtungen lei­ stungsumformend eingesetzt wird. Phasenfehler des Umformers wirken sich dabei in beiden Richtungen gegensinnig aus und heben sich im Endergebnis heraus. Das Meßergebnis wird also unabhängig von Phasenfehlern des Umformers. Einfach und ohne Rücksicht auf Phasenstarrheit aufgebaute Umformer der genannten Art ergeben somit höchste Meßzuverlässigkeit. Bei sehr einfachem mechanischem und elektronischem Aufbau er­ gibt sich daher eine hochpräzise Schwingungswaage.

Bei der eingangs bekannten Konstruktion ist eine Ankoppe­ lung des Wägegutes an den Schwinger erforderlich. Freilie­ gende Wägegüter oder insbesondere Flüssigkeiten in offenen Behältern lassen sich daher nicht wägen. Um dies zu vermei­ den, sind vorteilhaft die Merkmale des Anspruches 2 vorge­ sehen. Bei dieser Ausführung kann das Wägegut ohne irgend­ welche Ankoppelungsmechanismen frei auf eine Waagschale ge­ legt werden, wobei die Erdschwerkraft die Ankoppelung über­ nimmt, ohne daß im angegebenen Schwingbeschleunigungsbe­ reich Meßfehler auftreten. Insbesondere vorteilhaft ist dies bei der Wägung von Flüssigkeiten, insbesondere von kleinen Flüssigkeitsmengen, die auf diese Weise in offenen Behältern gewogen werden können. Hieraus ergibt sich die äußerst vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit zur Bestimmung von kleinen Flüssigkeitsmengen in chemischen Analysegerä­ ten, wobei die Flüssigkeitsproben während der Wägung in den systemüblichen Küvetten verbleiben können.

Hochgenaue Waagen der gattungsgemäßen Art sind insbesondere für chemische Analysezwecke geeignet. Dabei müssen in der Regel aber Flüssigkeiten gewägt werden. Diese werden in ihrem Behälter aber in Schwingungen versetzt. Dadurch ver­ formt sich der Flüssigkeitskörper, so daß der Schwerpunkt der Flüssigkeit sich gegenüber dem mechanischen Schwing­ system bewegt. Dadurch entstehen Meßwertverfälschungen. Zur Lösung dieses Problemes sind vorteilhaft die Merkmale des Anspruches 3 vorgesehen. Durch Immobilisierung der Flüssigkeit im Behälter werden die genannten Probleme beseitigt.

Dabei kann nach Anspruch 4 im Behälter ein von Hohlräumen durchsetzter Körper vorgesehen sein, der in seinen Hohlräu­ men die Flüssigkeit netzartig umschließt und an Schwingun­ gen hindert. Vorteilhaft ist dabei der Körper in sich starr ausgebildet und am Behälter befestigt. Beispielsweise kann ein offenporiger Hartschaumklotz verwendet werden.

Es kann aber auch gemäß Anspruch 5 die Flüssigkeit chemisch immobilisiert werden durch Zugabe einer chemischen Sub­ stanz, die mit der Flüssigkeit zu einem festen, also star­ ren Körper reagiert. Als chemische Substanz kann bei­ spielsweise ein Geliermittel verwendet werden.

Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 6 vorgesehen. Auf diese Weise wird die Konstruktion vereinfacht und durch Fortfall zusätzlicher, das Schwingverhalten beeinträchti­ gender Anschlußleitungen die Meßpräzision verbessert.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und sche­ matisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 den mechanischen und elektronischen Aufbau einer Flüssigkeitsschwingungswaage und

Fig. 2 das Ersatzschaltbild des Umformers mit angeschlossenem mechanischem Schwingsystem.

Die in Fig. 1 dargestellte Schwingungswaage besteht in ih­ ren wesentlichen Komponenten aus einem mechanischen Schwingsystem 1, einem elektrodynamischen Linearmotor 2, einem elektrischen Oszillator 3 und einer Auswert- und An­ zeigeeinrichtung 4.

Das mechanische Schwingsystem 1 weist eine Stange 5 auf, die mit zwei parallelführenden Blattfedern 6 an einer sta­ tionären Gehäusewand 7 in Pfeilrichtung schwingungsfähig aufgehängt ist. Auch andere Federungssysteme sind verwend­ bar. Die Stange 5 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel einer Flüssigkeitswaage lotrecht stehend angeordnet und trägt an ihrem oberen Ende eine Klemmaufnahme 8 zur klem­ menden Halterung einer offenen Küvette 9 mit einer zu wä­ genden Flüssikgeitsmenge 10.

Der elektrodynamische Linearmotor 2 weist einen in seiner Grundform aus dem Lautsprecherbau her bekannten Permanent­ magneten 11 auf, in dessen Ringspalt 12 eine Schwingspule 13 auf einem am unteren Ende der Stange 5 des mechanischen Schwingsystemes 1 befestigten Spulenträger 14 angeordnet ist. Die Spule 13 ist über flexible Anschlußleiter 15 mit dem Eingang 16 des elektrischen Oszillators 3 verbunden. Als Anschlußleiter können besonders vorteilhaft auch die beiden Blattfedern 6 verwendet werden, die dann in entspre­ chender Weise elektrisch isoliert vorzusehen und an die Schwingspule 13 anzuschließen sind.

Der elektrische Oszillator 3 ist im Ausführungsbeispiel als einfache Brückenschaltung ausgebildet. Zwischen den Strom­ versorgungspunkten (also im üblichen Zeichenschema den obe­ ren und unteren Punkten 17 und 18) der Brücke liegen die beiden oberen Zweige 19 und 20 und die heiden unteren Zweige 16 und 21. Zwischen den oberen und unteren Zweigen wird zwischen den Punkten 22 und 23 die Brückenspannung abgegriffen.

Die beiden übereinanderliegenden Zweige 20 und 21 sind als ohmsche Widerstände ausgebildet, die somit keinen Fre­ quenzbeitrag liefern. Der obere linke Zweig 19 stellt eben­ falls einen rein ohmschen Widerstand dar, der noch näher zu erläutern ist. Der einzige frequenzbestimmende Brückenzweig ist der Zweig 16, an den der elektrodynamische Linearmotor 2 angeschlossen ist.

Fig. 2 zeigt dessen elektrisches Ersatzschaltbild. Darin stellt sich der elektrodynamische Linearmotor 2 als Trans­ formator dar, während das mechanische Schwingsystem 1 sich als elektrischer Schwingkreis darstellt, bestehend aus einer Induktivität 24, einer Kapazität 25 und einem ohm­ schen Widerstand 26. Die Induktivität 24 wird durch die Nachgiebigkeit des mechanischen Schwingsystems 1 bestimmt, also durch die Blattfedern 6. Die Kapazität 25 wird durch die Gesamtmasse bestimmt, also einschließlich der variablen zu wägenden Masse. Der Widerstand 26 stellt die nicht vermeidbare mechanische Dämpfung dar.

Wie das elektrische Ersatzschaltbild der Fig. 2 zeigt, stellt der Brückenzweig 16 also das einzige frequenzbestim­ mende Glied dar.

Über den mittleren Punkten 22 und 23 der Brücke wird die Brückenspannung abgegriffen und den Eingängen eines Diffe­ renzverstärkers 27 zugeführt, der, wie dargestellt, an eine Gleichstromversorgung angeschlossen ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers 27 speist den oberen Brückenpunkt 17.

Die dargestellte Brückenschaltung wirkt also als Oszilla­ tor, dessen Schwingungsfrequenz allein bestimmt wird durch die in dem elektrischen Ersatzschaltbild der Fig. 2 darge­ stellten mechanischen Werte des mechanischen Schwingsyste­ mes 1, das über den elektrodynamischen Linearmotor 2 als Umformer angeschlossen ist. Ändert sich die Masse des me­ chanischen Schwingsystems, also die Flüssigkeitsprobe 10, so verändert sich die Resonanzfrequenz des Schwingsystems und somit die Frequenz des Oszillators. Die beispielsweise an den Punkten 17 und 18 angeschlossene Auswert- und Anzei­ geeinrichtung 4 kann die Periodendauer der Schwingung be­ stimmen und als Maß der zu wägenden Masse nach erforderli­ cher Umrechnung anzeigen.

Die dargestellte Schwingungswaage kann beliebige an der Klemmaufnahme 8 eingeklemmte Körper in ihrer Masse bestim­ men. Im dargestellten Ausführungsbeispiel soll eine Flüs­ sigkeitsmenge 10 in der offenen Küvette 9 bestimmt werden. Dazu ist vorteilhaft die Schwingbeschleunigung unter etwa 1 g gehalten. Dann kann die Flüssigkeitsmenge 10 bei Ab­ wärtsbewegung nicht aus der Küvette abheben, was zu Meß­ verfälschungen führen würde. Bei derartig geringer Schwingbeschleunigung kann auch ein zu wägender Körper frei auf einer Waagschale liegend bestimmt werden, die an Stelle der Klemmaufnahme 8 vorgesehen ist.

Vorteilhaft wird die Schwingbeschleunigung in dem elektri­ schen Oszillator 3 begrenzt. In dem einfachen Ausführungs­ beispiel der Fig. 1 mit einer sehr einfachen Brückenschal­ tung ist zu diesem Zweck der Brückenzweig 19 als Kaltleiter ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird hierzu eine Glühlampe eingesetzt, die bei Stromanstieg durch Vergrößerung ihres Widerstandes die Brücke entspre­ chend derart nachstimmt, daß die Schwingungsamplitude ver­ ringert wird. Besser sind aber elektronische Regelschaltun­ gen vorzusehen, die vorteilhaft derart ausgelegt sind, daß sie das Zeitdifferential der an die Tauchspule 13 angeleg­ ten Spannung derart stabilisieren, daß auch bei unter­ schiedlicher Belastung der Waage das mechanische Schwingsy­ stem stets bei konstanter Beschleunigung betrieben wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Schwingungswaage ist insbeson­ dere vorteilhaft zur Bestimmung sehr kleiner Flüssigkeits­ mengen einsetzbar. Dann hat die dargestellte Küvette 9 einen sehr kleinen Durchmesser und der in der Figur er­ sichtliche Flüssigkeitsspiegel der Oberfläche weist die dargestellte Miniskusform mit Randkrümmung auf. Bei lot­ rechter Schwingung des schwingfähigen Systems, also auch der Küvette 9, kann die Flüssigkeitsmenge 10 gegenüber der Küvette 9 in Schwingungen geraten, wobei der Oberflächenmi­ niskus entsprechend schwingt. Dadurch schwingt der Massen­ schwerpunkt der Flüssigkeitsmenge 10 gegenüber dem schwing­ fähigen System, und es kommt zu Fehlwägungen.

Vorteilhaft ist daher, was aus Gründen der zeichnerischen Vereinfachung in der Figur nicht dargestellt ist, eine ge­ eignete Einrichtung vorgesehen, mit der die Flüssigkeit in der Küvette 9 immobilisiert, also bewegungsunfähig festge­ halten wird. Die Flüssigkeit ist dann starr mit der Küvette 9 verbunden und wird an Eigenschwingungen gehindert. Zur Immobilisierung der Flüssigkeitsmenge 10 in der Küvette 9 können zwei vorteilhafte Wege gewählt werden.

Es kann im Inneren der Küvette 9 ein mit offenen Hohlräumen durchsetzter Körper angeordnet sein. Dieser kann beispiels­ weise als offenporiger Hartschaumkörper ausgebildet sein, der in die Küvette 9 eingesetzt und an dieser befestigt ist. Wird die Flüssigkeitsmenge 10 in die Küvette gegeben, so durchdringt sie die Hohlräume des Körpers und wird in diesem festgehalten und durch netzartige Umschließung an Bewegungen gehindert.

In alternativer Ausbildung der Küvette 9 kann diese mit ei­ ner chemischen Substanz versehen sein, die mit der zugege­ benen Flüssigkeit zu einem festen Körper reagiert. Als der­ artige Substanzen können beispielsweise Geliermittel ver­ wendet werden. Die Substanz kann vor Einfüllen der Flüssig­ keit im Behälter vorgesehen sein.

Eine weitere nicht dargestellte Möglichkeit zur lmmobili­ sierung der Flüssigkeitsmenge 10 in der Küvette 9 bestünde in der Vorsehung eines unmittelbar auf die Flüssigkeits­ oberfläche aufgesetzten Deckels. Hierbei ergeben sich aber eine Reihe mechanischer und manipulatorischer Probleme.

Claims (6)

1. Schwingungswaage mit einem von einem elektromechani­ schen Antriebsumformer angetriebenen, in Eigenresonanz schwingenden mechanischen Schwingsystem und einem elektromechanischen Rückkopplungsumformer zur Mitkopp­ lung des den Antriebsumformer treibenden elektrischen Oszillators sowie zur Messung der Periodendauer der Schwingung als Maß der zu wägenden Masse, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Antriebs- und Rückkopplungsum­ former ein elektrodynamischer Linearmotor (2) vorge­ sehen ist, der unter dem Einfluß des angekoppelten mechanischen Schwingungsystemes (1) das frequenzbe­ stimmende Glied (16) des elektrischen Oszillators (3) bildet, aus dessen Schwingungen die Periodendauer be­ stimmt wird.

2. Schwingungswaage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das mechamische Schwingsystem (1) mit seiner Schwingungs­ richtung im Bereich um die Lotrechte ausgerichtet ist und mit einer Schwingungsbeschleunigung unter etwa 1 g arbeitet.

3. Schwingungswaage für Flüssigkeiten in Behältern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Behälter zur mechanischen oder che­ mischen Immobilisierung der Flüssigkeit ausgebildet ist.

4. Schwingungswaage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Behälter einen mit offenen Hohlräumen durchsetzten Körper enthält.

5. Schwingungswaage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Behälter eine chemische Substanz enthält, die mit der zu wägenden Flüssigkeit zu einem festen Körper reagiert.

6. Schwingungswaage nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß als Rückstellfedern des mechanischen Schwingsystems (1) zwei Blattfedern (6) vorgesehen sind, die in elektrisch isolierter An­ ordnung als Anschlußleiter der Schwingspule (3) des elektrodynamischen Linearmotors (2) ausgebildet sind.