DE4223981C2

DE4223981C2 - Prüfkörper zur Messung der Gasdichte, insbesondere der Luftdichte, mittels einer hochauflösenden elektronischen Waage mit Digitalanzeige

Info

Publication number: DE4223981C2
Application number: DE19924223981
Authority: DE
Inventors: Walter E F Soedler
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2012-07-22
Also published as: DE4223981A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Prüfkörper zur Messung der Gasdichte, insbesondere der Luftdichte, mittels einer hochauflösenden elektronischen Waage mit Digitalanzeige.

In den Rechentafeln für die Chemische Analytik von 1894, 103. Auflage 1985, ist auf S. 82 unter 3.3 die "Korrektion des Laufauftriebes bei genauen Wägungen" beschrieben. Erläutert werden Massenbestimmungsfehler, die durch Luftauftrieb entstehen, wenn die Dichte des Wägegutes von der Dichte 8000 kg/m³ des Normwägestückes abweicht. Die Ausführungen gehen jedoch wegen der bisher sehr umständlichen Luftdichtebestimmung von einer mittleren Luftdichte mit 1,2 g/L aus, so daß die dort gegebenen Empfehlungen für die allgemeine Praxis mit der hier beschriebenen sehr einfachen Messung der Variation der Luftdichte angehoben werden können.

Die DE 31 06 564 A1 beschreibt eine elektronische Waage, die neben den üblichen Bedienelementen eine Stelleinrichtung haben soll, die entsprechend der Dichte des Wägegutes eingestellt wird. Zugehörig zu dieser Einstellung wird die Empfindlichkeit der Waage dabei so verändert, daß die Masse schon mit erheblich weniger Luftauftriebsfehler bestimmt werden kann.

Aus der DE 31 06 534 A1 ist weiterhin bekannt, bei einer solchen Waage mit elektromagnetischer Lastkompensation einen Druckaufnehmer für den Druck der Luft vorzusehen und daß dieser Druckaufnehmer das magnetische Feld des Permanentmagnetsystems druckabhängig verändert, um so den Einfluß des Luftauftriebes zu berücksichtigen. Diese Maßnahmen sind bautechnisch relativ aufwendig und auch bei einer bereits existierenden Waage nicht nachträglich anwendbar. Wie bekannt, ist der Druck nicht allein maßgebend für die Dichte der Luft bzw. eines Gases.

Es ist auch bekannt (DD-PS 2 82 292), einen gasdichten und hohlen Prüfkörper zur Gasdichtemessung zu verwenden. Der Prüfkörper ist dabei aus zwei ungleichen Teilkörpern jedoch mit im wesentlichen gleicher Masse und Volumen zusammengesetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln für den Benutzer einer hochauflösenden Waage einen Prüfkörper zur Verfügung zu stellen, der mit ganz geringem Zeitaufwand allgemein einsetzbar ist und hohe Genauigkeit der Luftdichtemessung garantiert.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Die Lösung der Aufgabe wird im wesentlichen durch einen geschlossenen, gasdichten hohlen Prüfkörper erreicht, dessen Volumen V und Dichte ρ_P so dimensioniert sind, daß bei jeder zugrunde gelegten Luftdichte ρ_L der angezeigte Wägewert des Körpers im Vergleich zu einem massiven Wägestück von m=1 kg der Fehlergrenzklasse E1, mindestens jedoch E2 gemäß OIML IR20, eine Waagenanzeige ergibt, deren absoluter Zahlenwert dem der Luftmasse je Liter entspricht; die variable Luftdichte kann also ohne Dimension unmittelbar als Wägeergebnis abgelesen werden.

Haben wir beispielsweise eine Luftdichte von
ρ_L = 1,211 g/L,

- legen ein 1 kg Massestück auf eine zuvor kalibrierte Waage mit geeigneter Auflösung,
- tarieren,
- entfernen die Masse m = 1000 g und
- legen dann den hohlen Prüfkörper auf, so wird an der Anzeige -1,211 g ablesbar sein. Das Minuszeichen gibt an, daß die Luftdichte eine der Massenkraft entgegen wirkende Auftriebskraft erzeugt.

Der hohle Prüfkörper ist also so gestaltet und abge stimmt, daß die jeweilige Luftdichte oder Gasdichte als Zahlenwert unmittelbar auf der Digitalanzeige der Waage ablesbar wird und somit auch über einen Datenausgang einer elektronischen Waage sofort verfügbar ist.

Die genauen Messungen von Temperatur, Druck und relativer Feuchte der Luft in Verbindung mit Berechnungsmethoden zur Bestimmung der Luftdichte können entfallen, es sei denn, man will den hohlen Prüfkörper als Vergleichsnormal selbst überprüfen.

Die Einfachheit der Anwendung ermöglicht es, jedem Labor, welches z. B. hochgenaue Massenbestimmungen vornimmt, ohne besondere Vorkehrungen den vorgenannten Prüfkörper auf einer der vorhandenen Waagen unmittelbar zu verwenden.

Die Dimensionierung des hohlen Prüfkörpers hat die folgende Berechnungsgrundlage:
Da der Auftrieb sich proportional der Luftdichte ρ_LX ändert, muß die vorgenannte Bedingung für mindestens zwei Luftdichten ρ_L1 und ρ_L2 erfüllt sein. Daraus folgen zwei Gleichungen ähnlich den literaturbekannten, jedoch sind diese so variiert, daß die obigen Bedingungen dargestellt werden können. Daraus werden dann die beiden Unbekannten, nämlich das Volumen V_P und die mittlere Dichte ρ_P des Prüfkörpers bestimmt.

Es gelten folgende Gleichungen:

Die beiden Bestimmungsgleichungen lauten dann:

Die Lösung für Volumen und Dichte des hohlen Prüfkörpers ergibt sich durch Auflösung der beiden Gleichungen nach m_p und ρ_P, beispielsweise mit den folgenden Werten:

m_N = 1000 g
ρ_L1 = 1,300 kg/m³; ρ_L2 = 1,100 kg/m³
Δm_N1 = 1,300 g; Δm_N2 = 1,100 g
ρ_N = 8000 kg/m³.

Es läßt sich jedoch voraussagen, daß m_p ganz in der Nähe von 1 kg liegen muß. Die genaue Kalibrierung des Prüf körpers erfolgt durch Vergleich mit der augenblicklichen Luftdichte, die sich aus Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchte etc. genau genug für die Einsatzgebiete des Prüfkörpers errechnen läßt.

Die grundlegenden BIPM-Formeln und deren Vereinfachungen sind durch die "PTB-Mitteilungen" 89 - 4/79 und das "Hand buch des Wägens" von M. Kochsiek hinreichend bekannt.

Da bei jeder Luftdichte-Messung eine Differenzbildung mit einem hochgenauen Wägestück vorgenommen wird, werden Waagenfehler auch weitgehend eliminiert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der hohle Prüf körper auch passend zu standardisierten massiven Kalibrier gewichten von 100 g, 10 g, (4 g) und 1 g dimensioniert. Vorzugsweise ist der Prüfkörper ein gasdichter geschlos sener Hohlzylinder mit minimaler Oberfläche.

Ein solcher Hohlzylinder aus Metall ist fertigungstechnisch wegen der Möglichkeit, das Volumen sehr genau einzuhalten, am einfachsten herzustellen. Denkbar sind aber auch andere geometrische Formen wie Hohlkugel, Hohlring und auch Ver wendung anderer Materialien wie z. B. Glas.

Der Prüfkörper kann ein manuell bewegbarer Prüfkörper sein, welcher von Hand auf die Waagschale der Waage ge setzt wird, er kann aber auch ein Kalibriergewicht oder Bestandteil eines Kalibriergewichtsatzes in einer Waage sein, wobei die Kalibriergewichte einschließlich des hohlen Prüfkörpers motorisch zur Gewichtsauflage gebracht werden können, wie es bei sogenannten Komparatorwaagen oder auch bei einer Analysenwaage gemäß DE 33 30 988 A1 prinzipiell bekannt ist.

Der hohle Prüfkörper ist in einem bevorzugten Ausführungs beispiel anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt mit Teilansicht des zylin drischen hohlen Prüfkörpers,

Fig. 2 einen Detailschnitt Y und

Fig. 3 einen Detailschnitt Z gemäß Fig. 1.

Der Prüfkörper 1, 2 als geschlossener, zylindrischer Hohl körper für ein Vergleichswägestück, z. B. der Klasse E2 und 1000 g, hat gerundet ein theoretisches Volumen von 1124,700 cm³ und eine mittlere Dichte von 0,8891258 g/cm³. Oberflächenqualität, Form und Werkstoff entsprechen den internationalen Vereinbarungen für hochgegenaue Wägestücke.

Der Prüfkörper 1, 2 besteht in der bevorzugten Ausführung aus einem Unterteil 1 und einem Oberteil 2, welche zusammen mit einem Stabilisierungsring 3 luftdicht verklebt sind.

Vor dem Verkleben erfolgt die genaue Volumenabstimmung über ein Höhenmaß von Teil 1.

Teil 4 ist ein S-förmiges Federelement, das einerseits statische Aufladungen der beiden Schalen 1, 2 zueinander ausgleichen soll und andererseits zur groben Gewichts abstimmung geeignet ist. Zur Feinabstimmung kann Masse substanz 5 über eine Öffnung 6 zugeführt werden, die dann mittels einem geeigneten Pfropf 6′ luftdicht verschlossen wird.

Bei Zugrundelegung einer Luftdichte von 1,200 kg/m³ soll ein Prüfkörper für Normwägestücke der Masse 1kg, 100 g, 10 g oder 1 g jeweils 998,800 g, 99,800 g, 9,9800 (3,98800 g) und 0,998800 g Anzeige der Waage bewirken.

Neben der eingangs genannten Anwendung eines solchen Prüf körpers 1, 2 für das Abgleichen von Kalibriergewichten oder für die Herstellung von Eichnormalen bzw. für die unmittel bare Messung der Luftdichte mit Hilfe einer Waage ergeben sich folgende weitere Anwendungsmöglichkeiten:

1. Bei Dichtebestimmung von festen Materialien wird ein Körper zunächst in Luft und dann in Wasser gewogen. Die im vorangegangenen beschriebene Meßmethodik erlaubt auch hier in einfacher Weise den variablen Auftrieb in Luft schnell und sicher zu erfassen und damit Qualität der Dichtebestimmung von festen Körpern anzuheben. Bisher wurde auch hier der Umständlichkeit der Erfassung der Luftwerte wegen meist nur ein Mittelwert der Luftdichte eingesetzt.
2. Die Verwendung eines definierten Luftdichte-Meßkörpers als Bestandteil der Gewichtsschaltung einer Waage, die nach der beschriebenen Methodik arbeitet, schafft die Voraussetzung, daß der Waage jederzeit der aktuelle Luftdichtewert verfügbar ist und bei Luftauftriebs korrekturen eines Wägegutes mit von 8000 kg/m³ ab weichender Dichte die Korrekturen noch mit mindestens einer Stelle genauer bestimmt werden können.

Sobald einer elektronischen Waage mit geeignetem Rechner und der obengenannten Gewichtsschaltung die Dichte eines Wägegutes eingegeben ist, kann unmittelbar die exakte Massenangabe angezeigt werden.

Es ist selbstverständlich, daß mit der Verbindung zu einem Rechner die Hohlkörperdimensionierung variiert werden kann. Ein kleinerer Hohlkörper wird ungenauer messen und einen konstanten Multiplikationsfaktor benötigen. Die Subtraktion eines Gewichtswertes kann im Rechner erfolgen. Die Bindung an den augenblicklichen Luftdichtewert, also die Justierung, kann über Rechenwerte erfolgen.

Im Hintergrund, wenn auch nicht unmittelbar sichtbar, steht jedoch die im vorangegangenen beschriebene Meßmethodik.

Claims

1. Prüfkörper zur Messung der Gasdichte, insbesondere der Luftdichte, mittels einer hochauflösenden elektronischen Waage mit Digitalanzeige, gekenn zeichnet durch einen geschlossenen, gasdichten hohlen Prüfkörper, dessen Masse m_p und mittlere Dichte ρ_P und damit Volumen V=m_P/ρ_P so dimensioniert sind, daß nach Tarierung der Waage mit einem zum Prüfkörper dazugehörigen massiven Normwägestück der Masse m_N und Dichte ρ_N bei einer aktuellen Luftdichte ρ_L die Wägung des Prüfkörpers in einem geeigneten Wiege- und Anzeigebereich eine Digitalanzeige ergibt, deren vorzeichenloser und dimensionsloser Zahlenwert dem Zahlenwert der aktuellen Luftdichte gleich ist, so mit die Luftdichte unmittelbar als Wägeergebnis ablesbar ist, und dies dadurch erreicht wird, daß sowohl die mittlere Dichte ρ_P als auch die Masse m_p des Prüfkörpers anhand dem nachfolgenden Gleichungen: ermittelt werden, in denen ρ_L1 und ρ_L2 zwei beliebig vorgebbare Luftdichten in der Maßeinheit kg/m³ und Δm_N1 und Δm_N2 Massen sind, die aus den beiden beliebig vorgebbaren Luftdichten ρ_L1 und ρ_L2 dadurch erhalten werden, daß in ihnen die Einheit von kg/m³ durch Gramm ersetzt wird.

2. Prüfkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Prüfkörper (1; 2) in Relation zu standardisierten massiven Kalibriergewichten dimensioniert ist.

3. Prüfkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Prüfkörper (1; 2) als geschlossener Hohlzylinder aus zwei gasdicht miteinander verbundenen Zylindertöpfen gebildet ist.

4. Prüfkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zylindertöpfe (1; 2) über eine abgestufte Ringnut miteinander verklebt sind.

5. Prüfkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Ringnut ein innenseitiger Versteifungsring (3) eingeschlossen ist.

6. Prüfkörper nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Zylindertöpfe (1; 2) innenseitig durch eine über die Zylinderdiagonale laufendes Federelement (4) elektrostatisch kurzgeschlossen sind.

7. Prüfkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine gasdicht verschließbare Füllöffnung (6) für Justiermasse (5) vorgesehen ist.

8. Prüfkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er als internes Kalibriergewicht der Waage motorisch zur Gewichtsauflage bringbar ist.