DE4341675C1 - Kompensationswaage sowie zugehöriges Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kompensationswaage nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein zugehöriges Verfah­ ren zu deren Betrieb.

Bei einer Kompensationswaage handelt es sich um eine sog. "Nullwaage", bei der jeweils über eine Kompensations-Meß­ einrichtung die notwendige Kraft außermittig zum Aufhäng- und Drehpunkt des Waagebalkens aufgebracht wird, um diesen stets in seiner horizontalen Ausgangsstellung, also seiner sog. "Nullage" zu halten. Durch das Maß der von der Kom­ pensations-Meßeinrichtung aufgebrachten Kraft kann dann mit hoher Genauigkeit und Präzision das Gewicht des zu messenden Gegenstandes ermittelt werden (wobei am gegen­ überliegenden Arm des Waagebalkens bereits ein Ausgleichs­ gewicht zu der zu wiegenden Probe zur Grobjustierung vor­ gesehen sein kann).

Insbesondere bei chemischen Prozessen soll mit derartigen Kompensationswaagen über eine Langzeitpe­ riode hinweg eine bestimmte Probe gewogen werden. Man spricht in diesem Falle nicht nur von einer Null- oder Kompensationswaage im allgemeinen, sondern von einer "Thermowaage" im besonderen, da bei derartigen Lang­ zeitmessungen bei nur geringsten Gewichtsänderungen an der zu wiegenden Probe diese auf konstanter Temperatur gehal­ ten werden muß. Die zu messenden Gewichtsänderungen bewe­ gen sich dabei sogar im Bruchteilbereich eines Milli­ gramms.

Anhand von Fig. 2 wird der grundsätzliche Aufbau einer derartigen, nach dem Stand der Technik bekannten Kompensa­ tions- oder Thermowaage erläutert, wie sie u. a. auch aus der DE 24 55 550 B2 bekannt ist.

In Fig. 2 ist dabei nur schematisch eine Prinzipdarstel­ lung einer derartigen, nach dem Stand der Technik bekann­ ten Kompensations- oder Thermowaage gezeigt.

Diese bekannte Thermowaage umfaßt einen Waagebalken 1, der an seinem Drehpunkt (Drehachse) 3 gegenüber seinem Chassis 5 mit minimalster Reibung drehbar aufgehängt ist. Mit anderen Worten befindet sich also der Schwerpunkt der Waa­ gebalken-Konstruktion wie üblich unterhalb dessen Dreh­ punktes.

An der einen Seite des Waagebalkens-Armes 1′ wird eine zu untersuchtende Probe 7 je nach Konstruktionsprin­ zip einer derartigen Thermowaage aufgelegt bzw. angehängt, deren genaues Gewicht ermittelt werden soll.

Zum Grobausgleich des Waagebalkens 1 wird in der Regel am gegenüberliegenden Waagebalkenarm 1′′ ein entsprechendes Gegengewicht 9 aufgelegt bzw. am Waagebalken angehängt.

Je nach Gewichtsdifferenz zwischen dem Gewicht der zu untersuchenden Probe 7 und dem Gegengewicht 9 würde an sich der Waagebalken 1 aus seiner in Fig. 2 angedeuteten Neutral-, d. h. Horizontal- oder "Null"-Lage heraus ver­ dreht werden.

Dies wird im Falle einer Kompensations- oder Thermowaage unter Verwendung eines Sensors (Sensoreinrichtung) 11, eines nachgeordneten Regelverstärkers 13 sowie einer Kraftkompensations-Ein­ richtung 15 verhindert.

Eine Auslenkung des Waagebalkens aus seiner Horizontal- oder Nullage wird nämlich durch den in Fig. 2 nur schematisch gezeigten Sensor, in der Regel einem indukti­ ven Wegaufnehmer, erfaßt. Der Sensor 11 sitzt dabei auf dem Chassis 5 und mißt stets eine Relativlagenveränderung des Waagebalkens an einem betreffenden Referenzpunkt R außerhalb des Drehpunktes des Waagebalkens gegenüber seiner "Null-Lage".

Über ein entsprechendes Ausgangssignal des Sensors wird über den erwähnten Regelverstärker 13 eine Kraftkompensa­ tions-Einrichtung entsprechend angesteuert. Diese besteht in der Regel aus einem Linearmotor, der nunmehr an dem zur wiegenden Probe 7 gegenüberliegenden Waagearm 1′′ eine ent­ sprechende Kraft außerhalb des Drehpunktes 3 auf den Waa­ gebalken 1 zum Ausgleich des Drehmomentes ausübt, und zwar nur so stark, bis der Waagebalken wieder in seine Nullage zurückverschwenkt ist und der Sensor das Erreichen der "Null-Lage" ermitteln und ein entsprechendes Steuersignal abgeben kann. Durch diese stets vorgenommene Kompensation wird also der Waagebalken in seiner Neutrallage gehalten.

Der Kompensationsstrom wird über eine Meßstrecke 17 mit einem Fühlerwiderstand 19 der Kraftkompensations-Einrich­ tung 15 zugeführt, so daß der Spannungsabfall am Fühlerwi­ derstand 19 zwischen den beiden Anschlüssen 21/23 beidsei­ tig des Fühlerwiderstandes 19 als Maß für die Kompensa­ tionskraft erfaßt werden kann.

Mit derartigen Kompensationswaagen können also Langzeitge­ wichts-Untersuchungen durchgeführt werden. Dazu werden die Proben auf konstanter Temperatur gehalten, da ansonsten durch Temperaturveränderung in die dadurch bewirkten Volu­ menveränderungen auch Auftriebseffekte entstehen können, die das Meßergebnis verfälschen.

Obgleich derartige Kompensations- und insbesondere Ther­ mowaagen zur Messung geringer Gewichte bzw. Gewichtsver­ änderungen geeignet sind, ist es Aufgabe der vorliegen­ den Erfindung, eine derartige Kompensations­ waage noch weiterzuentwickeln, daß sich mit dieser auch Gewichte und Gewichtsveränderungen mit gegenüber dem Stand der Technik noch deutlich höherer Genauigkeit messen lassen, wobei die Gewichtsveränderungen beispielsweise sogar im Nanogramm-Bereich liegen können.

Die Aufgabe wird bezüglich der Kompensations­ waage entsprechend den im Anspruch 1 und bezüglich des Verfahrens zum Betrieb der Kompensationswaage entsprechend den im Anspruch 6 angegebenen Merkmalen ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Es muß als durchaus überraschend bezeichnet werden, daß durch die vorliegende Erfindung der Einsatz- und Meßbe­ reich derartiger Thermowaagen nochmals deutlich hin zu kleineren Gewichtsbereichen verschoben werden konnte, und daß dabei eine Meßgenauigkeit erzielbar ist, wie sie bis­ her für unmöglich gehalten wurde.

Dabei ist auch das Lösungsprinzip als solches höchst über­ raschend. Denn diese deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik wird dadurch erzielt, daß die Nullage des Waagebalkens nicht mehr relativ zum Waagenchassis, sondern relativ zur Richtung des Gravitationsvektors er­ mittelt wird. Die jeweils aktuelle Lage des Gravitations­ vektors kann dabei mittels eines separat am Chassis aufge­ hängten Pendels ermittelt werden.

Denn es hat sich erfindungsgemäß gezeigt, daß schon die unterschiedliche Mondstellung zu einer Veränderung des Gravitationsvektors, d. h. einer Lageveränderung des Gravi­ tationsvektors führt, und daß diese zwar nur höchst ge­ ringe Lageveränderung des Gravitationsvektors in Abhängig­ keit der Mondstellung (und gegebenenfalls weiterer Ein­ flüsse) zu einer Verfälschung des Wägeergebnisses führen kann.

Eine Lageveränderung des Gravitationsvektors bedeutet nämlich, daß der Waagebalken automatisch mit seinem gegen­ über seinem Drehpunkt tieferliegenden Schwerpunkt dieser Lageveränderung des Gravitationsvektors folgt. Dies hat bei herkömmlichen Kompensations- und Thermowaagen zur Folge, daß mittels des Sensors eine geringe "Auslenkung" gegenüber der scheinbaren "Null-Lage" ermittelt und eine entsprechende Kompensations-Gegenbewegung durch die Kraft­ kompensations-Einrichtung ausgelöst wird, obgleich gar keine Gewichtsveränderung bei der zu untersuchenden Probe stattgefunden hat.

Erfindungsgemäß wird keine "absolute" Lagever­ änderung im Falle einer Auslenkung des Waagebalkens, son­ dern nur noch eine "Relativlagen-Veränderung" ermittelt. Bevorzugt wird die Messung der Nullage des Waagebalkens relativ zum Waagenchassis durchgeführt, beispielsweise unter Verwendung eines eine beliebige Form aufweisenden Referenzpendels.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1: eine schematische Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Kompensations- oder Thermowaage;

Fig. 2: eine entsprechende Darstellung bezüglich einer nach dem Stand der Technik bekannten Kompensations- oder Thermowaage.

In Fig. 1 sind die Teile der Kompensations- und Thermowaa­ ge, die auch bei einer herkömmlich nach dem Stand der Technik bekannten Thermowaage gemäß Fig. 2 verwendet werden, mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Abweichend von Fig. 2 ist nunmehr noch ein weiteres, sog. Referenzpendel 27 vorgesehen, welches mit ebenfalls wiede­ rum tieferliegendem Schwerpunkt gegenüber seinem höherlie­ genden Dreh unkt bzw. seiner Drehachse 29 frei schwingbar aufgehängt ist. Der Drehpunkt oder die Drehachse 29 sind, wie dies mittels der Querstrebe 31 angedeutet ist, ebenfalls gegenüber dem Chassis 5 abgestützt und gehalten.

Das schematisch wiedergegebene Gewicht des Referenzpendels 27 ist mit 33 bezeichnet.

Die Formgebung des Referenzpendels 27 ist unerheblich. Das Referenzpendel kann dabei auch eine waagebalkenähnlich Konstruktion aufweisen.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der vorzugsweise in Form eines induktiven Wegaufnehmers gebildete Sensor 11 wiederum gegenüber dem Chassis 5 der Waage abge­ stützt. Der Sensor 11 weist im gezeigten Ausführungsbei­ spiel zwei Eingänge 35′ und 35′′ auf, wobei über diese beiden Eingänge jeweils ein erster Referenzpunkt R, der außerhalb des Drehpunktes des Waagebalkens 1 liegt, mit einem weiteren Referenzpunkt 39, der außerhalb des Dreh­ punktes 29 des Referenzpendels liegt, erfaßt und eine entsprechende Größe S_R als Regeldifferenz- oder Relativ­ größe erfaßt wird.

Diese Regeldifferenzgröße S_R wird dann wieder dem Regel­ verstärker 13 zugeführt, der, wie erläutert, die Kraft­ kompensations-Einrichtung 15 ansteuert.

Kommt es im Falle einer Langzeitmessung zu einer wenn auch geringen Lageverschiebung des Gravitationsvektors, so führt dies zu einer entsprechenden automatisch geringfügi­ gen Verschwenkung des Waagebalkens 1, da dessen Schwer­ punkt unterhalb des Drehpunktes 3 liegt und der Waagebal­ ken 1 frei drehbar aufgehängt ist. Da allerdings auch das Referenzpendel 27 eine entsprechend geringfügige Lagever­ änderung erfährt, führt eine zuvor durchgeführte Festle­ gung der Referenzpunkte oder Eichung dazu, daß letztlich über den Sensor 11 in diesem Falle kein Signal für eine rein durch die Lageveränderung des Gravitationsvektors bewirkte Auslenkung des Waagebalkens 1 ermittelbar ist. Dies führt insoweit zu keiner Aktivierung der Kraft­ kompensations-Einrichtung 15.

Nur wenn - unabhängig von irgendwelchen Gravitations­ vektor-Richtungsänderungen - tatsächlich eine bei der Probe selbst stattfindende Gewichtsveränderung (beispiels­ weise durch einen bestimmten chemischen Prozeß) stattfin­ det, so führt dies zu einer Lageveränderung des Waagebal­ kens 1 ohne entsprechende Lageveränderung des Referenzpen­ dels 27. In diesem Falle wird also tatsächlich ein ver­ ändertes Ausgangssignal S_R vom Sensor 11 abgegeben, wodurch die Kraftkompensations-Einrichtung 15, in der Regel also der darin eingebaute Linearmotor entsprechend angesteuert wird, um zum Ausgleich des Drehmomentes auf den Waagebal­ ken 1 eine entsprechende Krafteinleitung durchzuführen, bis der Waagebalken 1 wieder seine gegenüber dem Bezugs­ punkt des Referenzpendels 27 festgelegte Ausgangs- oder Nullage eingenommen hat. Der hierfür erforderliche Kom­ pensationsstrom kann wieder bei den Anschlüssen 21/23 als Spannungsabfall am Fühlerwiderstand 19 abgegriffen werden.

Abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel ist natürlich auch eine Sensorschaltung möglich, bei der der Sensor 11 entweder am Referenzpendel 27 oder am Waagebalken 1 zu­ mindest mittelbar mit diesem mitbewegbar aufgehängt ist. Wäre der Sensor 11 beispielsweise am Referenzpendel 27 mit diesem mitbewegbar aufgehängt, so würde nur noch eine Lageveränderung bezüglich eines am Waagebalken 1 festge­ legten oder mit diesem mitbewegbaren Referenzpunktes ge­ messen und bei einer Lageveränderung des Waagebalkens 1 aus seiner Nullage relativ bezogen auf die entsprechende "Null-Lage" des Referenzpendels erfaßt und ein entspre­ chendes Ausgangssignal an den Regelverstärker abgegeben werden. Genauso könnte umgekehrt der Sensor zumindest mittelbar am Waagebalken 1 an entsprechender Stelle ange­ bracht und mitbewegbar aufgehängt sein, wobei er dann mit einem entsprechenden Referenzpunkt am Referenzpendel 27 gekoppelt wäre und hierzu eine Lageveränderung erfassen würde.

Die Funktionsweise des Sensors 11 ist anhand eines induk­ tiv arbeitenden Sensors beschrieben. Es können aber grundsätzlich alle anderen Sensoren eingesetzt werden, mit denen Winkel- und/oder Lageveränderungen des Waagebalkens erfaßt werden können. Anstelle des erläuterten induktiv arbeitenden Sensors sind deshalb auch Sensoren möglich und einsetzbar, die Winkel- und/oder Lageveränderungen kapazi­ tiv, elektromagnetisch und/oder beispielsweise auf opti­ schem Wege ermitteln.

Ebenso kommen für die Kraftkompensations-Einheit 15 alle nur denkbaren Varianten in Betracht, mit denen mit hoher Präzision und Genauigkeit unter zumindest mittelbarer Er­ zeugung oder Ausgabe eines entsprechenden Signales für die aufgebrachte Kraft der Waagebalken in seiner Horizontal- oder Neutralstellung gehalten wird.

Das Ausführungsbeispiel ist für den Fall erläutert worden, daß ein feststehendes Chassis verwendet wird, an welchem der Waagebalken 1 bzw. das Referenzpendel 27 aufgehängt ist. Im Sinne des Chassis kann auch eine davon abweichende verallgemeinerte Aufhäng- und Stützvorrichtung verstan­ den werden, beispielsweise eine im Verhältnis zum Waage­ balken bzw. Referenzpendel ortsfeste räumliche Abstützung an einer Wand oder Decke eines Raumes etc.

Claims (10)

1. Kompensationswaage insbesondere Thermowaage mit

• - einem Waagebalken (1) der mit seinem Drehpunkt bzw. mit seiner Drehachse (3) gegenüber dem ihn tragenden Chas­ sis (5) aufgehängt ist,
• - einer außermittig zum Drehpunkt/zur Drehachse (3) des Waagebalkens (1) angreifenden Kraftkompensations-Ein­ richtung (15),
• - einer Sensoreinrichtung (11), mit der eine Lage- und/oder Winkelveränderung des Waagebalkens (1) versetzt zur Drehachse (3) des Waagebalkens (1) meßbar ist und
• - einem Regelverstärker (13), mit dem in der Kraftkompen­ sations-Einrichtung (15) ein Kompensationssignal zur Rückbewegung des Waagebalkens (1) in seine Ausgangs- oder Nullage erzeugbar ist, wobei das Maß der mit der Kraftkompensations-Einrichtung (15) erzeugten, auf den Waagebalken (1) einwirkenden Kraft als Ausgangsmeßgröße zur Erfassung des tatsächlichen Gewichtes der zu unter­ suchenden Probe erfaßbar ist,

gekennzeichnet durch die Merkmale

• - daß ein Referenzpendel (27) vorgesehen ist,
• - daß mit der Sensoreinrichtung (11) ein Relativsignal aus der Lage des Waagebalkens (1) bezogen auf die Lage des Referenzpendels (27) ermittelbar ist, und
• - daß das Relativsignal zur Aussteuerung der Kraftkompen­ sations-Einrichtung (15) dient.

2. Kompensationswaage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensoreinrichtung (11) aus einem am Referenzpendel (27) sitzenden Sensor besteht, mit dem ein Relativsignal zwischen der Lage der Sensoreinrichtung (11) und einem mit dem Waagebalken (1) mitbewegbaren Referenz­ punkt ermittelbar ist.

3. Kompensationswaage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensoreinrichtung (11) aus einer am Waagebalken (1) sitzenden Sensoreinrichtung (11) besteht, mit der ein Relativsignal zwischen der Lage der Sensorein­ richtung (11) und einem mit dem Referenzpendel (27) mit­ bewegbaren Referenzpunkt ermittelbar ist.

4. Kompensationswaage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensoreinrichtung (11) zwei Sensoren umfaßt, die gegenüber einem Chassis (5) abgestützt und gehalten sind, wobei mittels des einen Sensors die Lage und/oder der Verschwenkwinkel des Waagebalkens (1) und mittels des zweiten Sensors die Lage und/oder der Verschwenkwinkel des Referenzpendels (27) meßbar ist und aus den beiden Meßsi­ gnalen ein Relativ- oder ein Differenzsignal (S_R) zur Ansteue­ rung der Kraftkompensations-Einrichtung (15) ermittelbar ist.

5. Kompensationswaage nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorein­ richtung (11) mindestens einen Sensor umfaßt, mit dem auf induktivem, kapazitivem, elektromagnetischem und/oder op­ tischem Wege eine Lage- und/oder eine Winkelabweichung des Waage­ balkens (1) und/oder des Referenzpendels (27) meßbar ist.

6. Verfahren zum Betrieb einer Kompensations- und insbe­ sondere Thermowaage, bei welcher mittels einer am Waage­ balken angreifenden Kraftkompensations-Einrichtung außer­ mittig zum Drehpunkt des Waagebalkens eine Kraft zur Aus­ balancierung des Waagebalkens im Sinne einer Kompensation einer an einer zu messenden Probe sich ergebenden Ge­ wichtsveränderung eingeleitet wird, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Ansteuerung der Kraftkompensations-Einrich­ tung die Auslenkung oder Nullage des Waagebalkens relativ zur tatsächlichen Lage des Gravitationsvektors gemessen oder hergeleitet und darüber die Kraftkompensations-Ein­ richtung angesteuert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Sensoreinrichtung ein erstes Lage- oder Winkel­ signal bezüglich der sich gegenüber einer in Form eines Chassis ausgebildeten Stütz- oder Aufhängvorrichtung ein­ stellenden oder verändernden Lage des Waagebalkens und ein zweites Lage- oder Winkelsignal bezüglich der sich gegen­ über der Stütz- oder Aufhängvorrichtung einstellenden oder verändernden Lage des Referenzpendels zur Ermittlung der Ausrichtung des Gravitationsvektors gemessen und/oder ermittelt wird und daß die Kraftkompensations-Einrichtung in Abhängigkeit von einem aus den beiden Meßsignalen ge­ bildeten Relativ- oder Differenzsignal angesteuert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Relativ- oder Referenzmessung zwischen einem außerhalb des Drehpunktes des Waagebalkens sitzenden Refe­ renzpunkt und einem außerhalb des Drehpunktes des Refe­ renzpendels liegenden Referenzpunkt durchgeführt wird, und daß mit diesem Relativ- oder Differenzsignal die Kraftkom­ pensations-Einrichtung angesteuert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung am Waagebalken oder am Referenzpendel mitbewegbar aufgehängt wird und daß mit der Sensoreinrichtung jeweils eine relative Winkel- und/oder Lageveränderung zu einem Referenzpunkt am Refe­ renzpendel oder am Waagebalken gemessen wird, mit der die Kraftkompensations-Einrichtung angesteuert wird.