DE68906149T2

DE68906149T2 - Inertialwaage mit gefesselter linearbewegung.

Info

Publication number: DE68906149T2
Application number: DE89903615T
Authority: DE
Inventors: Harvey Patashnick; Georg Rupprecht
Original assignee: Rupprecht and Patashnick Co Inc
Current assignee: Thermo Environmental Instruments Inc
Priority date: 1988-01-22
Filing date: 1989-01-06
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 2009-01-07
Also published as: US4838371A; EP0402409B1; JPH03502369A; DE68906149D1; WO1989006784A1; EP0402409A4; EP0402409A1

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft allgemein Inertialwaagen, die zum Messen von Masse verwendet werden, und spezieller ein Aufhängungssystem für eine Inertialwaage, die die Meßgenauigkeit von solchen Geräten verbessert.

Stand der Technik

Inertialwaagen können Masse in Abwesenheit von Schwerkraft messen und sind deshalb besonders gut geeignet für Anwendungen im Raum und auch in industriellen Umgebungen, in denen Schwerkraftwaagen nicht praktisch sind. Eine Trägheitsmeßeinrichtung stellt eine Beziehung zwischen der Kraft auf eine Probe zu der Geschwindigkeit, die die Probe erfährt, her, um ihre Masse zu bestimmen. In der Praxis verursachen die meisten Inertialwaagen Kraft und Beschleunigung durch Schwingungseinrichtungen.
In dem US-Patent 3,926,271 wird eine solche Inertialwaage beschrieben, bei der ein freies Ende eines sich verjüngenden rohrförmigen Elementes, das mit seinem anderen Ende eingeklemmt ist, entlang eines Bogens zum Schwingen gebracht wird, um die Masse einer Probe zu bestimmen, die auf dem freien Ende getragen wird. Die Masse der Probe wird bestimmt durch Messen der Resonanzfrequenz des sich verjüngenden rohrförmigen Elementes, die sich in Übereinstimmung mit der Massenbelastung ändert. Diese früher entwickelte Inertialwaage ist gekennzeichnet durch extrem hohe Empfindlichkeit und wurde deshalb in weitem Maße als eine Mikrowaage verwendet, das heißt zum Messen der Masse von kleinen Teilchen. Eine Anpassung des Gerätes zum Messen der Masse von Materie, die innerhalb eines fluiden Mediums aufgehängt ist, wird im US-Patent 4,391,338 beschrieben.
Obgleich die Mikrowaage mit dem schwingenden sich verjüngenden Element, die oben beschrieben wurde, hohe Empfindlichkeit zeigt, ist ihre Meßgenauigkeit begrenzt. Bei solch einem Gerät hängt die Empfindlichkeit davon ab, wieviel Frequenzverschiebung bei einer bestimmten Änderung der Probenmasse erhalten wird. Andererseits bezieht sich Genauigkeit auf die Korrelation zwischen den Ergebnissen, die durch das Gerät erhalten werden im Vergleich zu einem eingerichteten Standardgewicht, zum Beispiel auf eines das auf das "National Bureau of Standards" zurückgeht. Die niedrige Masse und die besondere Konfiguration des früher entwickelten Gerätes führt zu seiner hohen Empfindlichkeit. Unglücklicherweise kann jedoch die Verschiebung des Massenmittelpunktes des zu wiegenden Gegenstandes einen Fehler in die Meßergebnisse einführen. Mit anderen Worten, eine einfache Umorientierung einer Testprobe auf der Wiegeplattform kann unterschiedliche Massenablesungen hervorrufen. Dieser Verlust an Genauigkeit aufgrund von Verschiebungsfehlern ist nicht besonders signifikant, wenn kleine Teilchen gemessen werden, bekommt jedoch eine große Bedeutung, wenn die Größe der Probe ansteigt. Darüberhinaus scheint dieses Problem den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Inertialwaagen eigen zu sein.
In dem US-Patent 3,595,329 wird eine Inertialwägevorrichtung beschrieben, bei der beabstandete Faltenbälge oder beabstandete Paare von Blattfedern eine nachgiebige Halterung für einen axial zur Schwingung gebrachten Schaft, der eine konische Wiegeschale hält, bilden. Diese Aufhängungsanordnung würde, obgleich sie für bestimmte Anwendungszwecke geeignet ist, signifikante Meßfehler zeigen, wenn der Massenschwerpunkt der zu wiegenden Masse von der Mittellinie der Vorrichtung verschoben wird.
Das US-Patent 4,158,395 betrifft eine Wiegeeinrichtung unter Verwendung eines Resonanz-Massen-Federsystems, bei dem Versuche unternommen werden, die Bewegung einer oszillierenden Meßplattform auf einen Freiheitsgrad zu begrenzt. Die Meßplattform ist durch zwei Paare flexibler Streben aufgehängt, die an einer relativ schweren Zwischenmasse verankert sind, die an einer Seite der Meßplattform gelegen ist. Die Zwischenmasse ist selbst durch Streben auf gehängt, die ihre Bewegung im wesentlichen nur in einem Freiheitsgrad gestatten sollen. Die relativ schwere Zwischenmasse wirkt als Dämpfungsreduktionssystem, um Energieverlust von der oszillierenden Meßplattform zu minimalisieren. In der Praxis bewirkt das einseitige Aufhängungssystem für die Meßplattform, das in diesem Patent beschrieben ist, daß sich die Probe entlang eines Bogens bewegt und Meßfehler und eine Massenauflösungsungenauigkeit einführt.
Es besteht deshalb weiterhin eine Notwendigkeit für eine Inertialwaage, die hohe Meßgenauigkeit bei vernünftiger Empfindlichkeit und Auflösung aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Notwendigkeit erfüllt und es werden die Mängelvom Stand der Technik beseitigt durch die Schaffung eines Aufhängungssystems, das eine schwingende Wiegeplattform zwingt, eine gleichmäßige lineare Bewegung durchzuführen. Das Aufhängungssystem umfaßt ein tragendes Stabwerk und eine erste Vielzahl von wenigstens drei langgestreckten Traggliedern, die an ihren äußeren Enden an dem Stabwerk befestigt sind, um die Wiegeplattform aufzuhängen. Die inneren Enden der Tragglieder konvergieren in Richtung auf einen ersten gemeinsamen Punkt und die Tragglieder sind vorzugsweise symmetrisch um diesen ersten gemeinsamen Punkt angeordnet. Die Wiegeplattform ist angebracht, um sich gemeinsam mit diesem ersten Punkt zu bewegen. Die Tragglieder liegen in einer ersten gemeinsamen Ebene, wenn sich die Wiegeplattform in Ruhe befindet, und diese Ebene ist rechtwinklig zu der Richtung entlang der die Wiegeplattform zum Schwingen angeregt wird. Das so auf gebaute Aufhängungssystem dient dazu, die Bewegung der oszillierenden Plattform auf eine gleichförmige lineare Bewegung entlang dieser Richtung einzuschränken.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind vier um 90º voneinander beabstandete Tragglieder in der ersten gemeinsamen Ebene angeordnet. Die Tragglieder sind elastisch und arbeiten hauptsächlich in einer Biegemode. Die Tragglieder sind auch vorzugsweise hohl und aus Glasmaterial aufgebaut, das einen im wesentlichen temperaturunabhängigen Elastizitätsmodul über den Arbeitstemperaturbereich der Inertialwaage aufweist. Außerdem können die Tragglieder spitz zulaufend sein und/oder eine elliptische, rechtwinklige oder andere längliche Querschnittskonfiguration aufweisen.
In einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine zweite Vielzahl von länglichen Traggliedern, die in einer zweiten gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wenn sich die Plattform in Ruhe befindet, vorgesehen. Die zweite gemeinsame Ebene ist parallel zu der ersten gemeinsamen Ebene und von dieser beabstandet, und die Tragglieder in dieser zweiten gemeinsamen Ebene haben jeweils auch ein äußeres Ende an dem Stabwerk befestigt und haben ein inneres Ende, das in Richtung auf einen zweiten gemeinsamen Punkt konvergiert. Ein steifer Mittelstab verbindet vorzugsweise den ersten und den zweiten gemeinsamen Punkt und trägt auch die Wiegeplattform und erleichtert die Anregung und Aufrechterhaltung der Schwingung der Wiegeplattform bei einer Resonanzfrequenz, die von der Massenbeladung abhängt. Zusätzliche Tragstreben können zwischen dem Mittelstab und der Wiegeplattform vorgesehen sein, um die letztere weiter zu stabilisieren.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann jedes Tragglied nahe seines äußeren Endes an dem Stabwerk durch einen zugeordneten Halterungsstab befestigt sein, der rechtwinklig zu diesem Glied und koplanar mit diesem Glied ist, wenn sich die Plattform in Ruhe befindet. Eine Verlängerung ist auf jedem der Tragglieder vorgesehen, die sich radial nach außen bis jenseits des zugeordneten Halterungsstabs hinaus erstreckt, und ein Gegengewicht ist an einer jeden solchen Verlängerung befestigt. Die Gegengewichte dienen dazu, den Massenmittelpunkt der Wiegeplattform aufrechtzuerhalten und die Aufhängevorrichtung in bezug auf das tragende Stabwerk während der Plattformoszillation fixiert zu halten.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das tragende Stabwerk mit einer Fluidöffnung versehen werden und wenigstens ein Abschnitt des Mittelstabes, ein Tragglied und ein Abschnitt des Stabwerks hohl sein und miteinander verbunden sein, um einen kontinuierlichen Fluiddurchflußweg von der Wiegeplattform zu der Öffnung zu schaffen. Bei diesem Aufbau kann die Wiegeplattform einen fluiddurchlässigen Filter umfassen.
Demzufolge ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die Meßgenauigkeit von Inertialwaagen zu verbessern.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein verbessertes Aufhängungssystem für eine frequenzabhängige Massenmeßeinheit zu schaffen.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Erreichen einer gleichmäßigen linearen Bewegung an der Wiegeplattform einer Inertialwaage sicherzustellen.
Noch eine weitere Aufgabe ist es, eine Inertialwaage zu schaffen, die es erlaubt, Filter an der Wiegeplattform zu verwenden, oder gestattet, Proben auf der Plattform durch eine Druckdifferenz zu halten.
Noch eine weitere Aufgabe ist es, einen Aufbau für eine genaue Inertialwaage zu schaffen, der so zugeschnitten werden kann, daß die Neigung zu Schwingungsmoden höherer Ordnung reduziert wird, die sich bewegende Masse der Waage reduziert wird und dadurch ihre Empfindlichkeit erhöht wird, Dämpfungsverluste an die Außenseite minimalisiert werden und/oder ein besser temperaturstabiles System geschaffen wird.
Schließlich ist noch eine weitere Aufgabe, ein im hohen Maße genaues Massenmeßgerät zu schaffen, das leicht und kosteneffektiv gebaut werden kann und das für breite Anwendungszwecke geeignet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können leichter aus der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden werden, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen erfolgt, in denen:
Figur 1 - eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Inertialwaagen-Aufhängungssystems der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 2 - eine vereinfachte schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Aufhängungssystems der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 3 - eine perspektivische Zeichnung einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform der Inertialwaage der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 4 - eine Zeichnung eines Feedback-Systems ist, das mit Vorteil bei der Inertialwaage der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann;
Figur 5 - eine Draufsicht auf ein Aufhängungssystem der vorliegenden Erfindung ist, bei dem Gegengewichte verwendet werden;
Figur 5A - eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Traggliedes ist, das bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
Figur 5B - eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform eines Tragglieds ist, das bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
Figur 6 - eine schematische Darstellung ist, die nützlich zum Verständnis einer Dämpfungsverringerungseigenschaft der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 7 - eine perspektivische Teilansicht eines wahlweisen Strebenhalterungsaufbaues für eine Wiegeplattform ist und
Figur 8 - eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform des Aufhängungssystems der vorliegenden Erfindung ist.

Detaillierte Beschreibung

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, daß die Meßgenauigkeitsmängel, die den bestehenden Inertialwaagen eigen sind, von der nicht-linearen Bewegung herrühren, die die Probe auf der Wiegeplattform solcher Waagen erfährt. Um dieses Problem zu beseitigen, schränkt die vorliegende Erfindung die oszillatorische Bewegung der Wiegeplattform und dementsprechend der Probe auf eine gleichförmige lineare Bewegung ein. Diese Lösung erzeugt eine wesentliche Verbesserung der Genauigkeit der Inertialwaage.
Eine erste Ausführungsform eines auf eine lineare Bewegung eingeschränkten Aufhängungssystems für eine Inertialwaage ist in vereinfachter Form in Figur 1 gezeigt. Ein Probentisch oder eine Wiegeplattform 12 ist an dem Schnittpunkt von vier symmetrisch angeordneten, langgestreckten elastischen Tragelementen 14, 16, 18 und 20, die in einer Kreuzkonfiguration oder -anordnung 10 angeordnet sind, befestigt. Wie gezeigt, sind die äußeren Enden der Tragglieder ihrerseits in gleichen Abständen von dem Schnittpunkt auf eine Weise gehaltert, die ihren Betrieb in einer Biegemode gestattet (wie es durch die gestrichelten Linien angezeigt ist) . Die vier Tragglieder liegen in einer gemeinsamen Ebene, wenn sich die Wiegeplattform in Ruhe befindet. Eine Schwingung der Plattform wird in einer Richtung rechtwinklig zu der Ebene, die die Tragglieder enthält, eingeleitet, wie es durch den Doppelpfeil V angegeben ist. Als Ergebnis der dynamischen Beschränkungen, die der symmetrischen Anordnung der Tragglieder 14, 16, 18 und 20 auferlegt wird, ist die Wiegeplattform 12 gezwungen, gleichförmige lineare Bewegung zu durchlaufen.
Die Anzahl, Form und Orientierung der Tragglieder in dem Aufhängungssystem kann von der in Figur 1 gezeigten abweichen, solange wie die Wiegeplattform 12 gebunden ist, gleichförmige lineare Bewegung durchzuführen. Es ist beispielsweise möglich, ein symmetrisches Aufhängungssystem zu konstruieren mit drei oder sogar zwei langgestreckten Traggliedern. Wenn jedoch die Anzahl dieser Glieder abnimmt, wächst die Möglichkeit für die Anregung von nicht-linearer Bewegung. Dies kann gedämpft werden, in dem hoch elliptische oder flache elastische Elemente als Tragglieder verwendet werden, wie dies noch später eingehender diskutiert wird. In einigen Fällen kann es sogar möglich sein, eine geometrisch unsymmetrische Anordnung der Tragglieder zu verwenden und doch Arbeitssymmetrie zu erzielen, das heißt im wesentlichen gleichförmige lineare Bewegung der Wiegeplattform. Eine geometrisch symmetrische Anordnung von vier identischen Traggliedern, die voneinander um 90º entfernt sind, wird jedoch gegenwärtig bevorzugt.
Die Massenmessungsgenauigkeit einer Schwingungs-Inertialwaage ist abhängig von der Präzision, mit der lineare Bewegung an der Wiegeplattform aufrecht erhalten wird, die die Oszillation durchführt. Andererseits unterstützt ein hohes mechanisches Q die Massenauflösung des Systems. Die bewegende Masse des Meßsystems bestimmt seine Empfindlichkeit, denn je niedriger die schwingende Systemmasse ist, desto größer ist die Verschiebung in der Frequenz für eine vorgegebene Probenmasse. Der Hauptzweck dieser Erfindung ist es, die Massenmessunggenauigkeit einer Inertialwaage zu maximalisieren. Weitere Verfeinerungen, die im einzelnen später beschrieben werden, gestatten gleichzeitige Optimalisierung der Auflösung und der Empfindlichkeit des Geräts.
Wenn der Massenmittelpunkt einer auf der Wiegeplattform 12 gelegenen Probe mit einer Achse zusammen fällt, die durch den Schnittpunkt der Tragglieder hindurchgeht und parallel zu der Richtung der gleichförmigen Bewegung der Plattform verläuft, dann ist es ausreichende eine einzige Anordnung von Traggliedern zu verwenden, wie es in Figur 1 gezeigt ist, für die Zwecke der Aufhängung der Plattform. Bei den meisten Anwendungen muß man jedoch davon ausgehen, daß der Massenmittelpunkt "M" der Probe nicht auf dieser Achse liegt. Als Folge davon wird ein Drehmoment erzeugt, das die gewünschte lineare Bewegung der Wiegeplattform beeinträchtigt. Um dieses Problem zu lösen, kann eine Beseitigung des Drehmoments erzielt werden durch die Verwendung eines steifen Mittelstabes, der durch eine zweite Anordnung 10' aus langgestreckten elastischen Traggliedern 14', 16', 18' und 20' verspannt ist, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Die zweite Verspannungsanordnung von Traggliedern kann identisch zu der der ersten Anordnung 10 sein oder kann irgendeine der verschiedenen Alternativformen annehmen, die hier diskutiert werden. Die Tragglieder der Anordnung 10' sind koplanar, wenn sich die Wiegeplattform 12 in Ruhe befindet, und sie schneiden sich in einem gemeinsamen Punkt P2. Die gemeinsame Ebene der Anordnung 10' ist parallel zu der gemeinsamen Ebene der Anordnung 10 und ist von dieser beabstandet. Ein steifes Mittelglied 22 verbindet den gemeinsamen Schnittpunkt P2 der Anordnung 10' mit dem gemeinsamen Schnittpunkt P1 der Anordnung 10. Wie in Figur 2 gezeigt ist, erstreckt sich das Verbindungsglied 22 entlang einer Achse, die parallel zu der Richtung ist, entlang der lineare Bewegung der Wiegeplattform erfolgt. Obgleich diese Orientierung bevorzugt wird, ist es denkbar, daß P2 verschoben in bezug auf P1 ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Inertialwaage mit erzwungener linearer Bewegung, die entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, ist in Figur 3 gezeigt. Ein tragendes Stabwerk 24 liefert die gesamte bauliche Halterung für die langgestreckten Tragglieder, die die Wiegeplattform 12 auf hängen. Das Stabwerk 24 kann aus irgendeinem geeigneten Material, zum Beispiel Glas oder Metallrohren hergestellt sein und kann irgendeine der verschiedenen Formen annehmen, zum Beispiel einen rechtwinkligen Aufbau besitzen, wie es in Figur 3 gezeigt ist. In ähnlicher Weise kann die Wiegeplattform 12, die zum Halten der Probe verwendet wird, deren Masse gemessen werden soll, einen Tisch, einen Träger, ein Filter oder dergleichen mit verschiedenartigen Formen und Aufbauten in Abhängigkeit von der besonderen Anwendung umfassen.
Langgestreckte elastische Tragglieder 14, 16, 18 und 20 sind symmetrisch in einer ersten Kreuzkonfiguration angeordnet und liegen in einer ersten gemeinsamen Ebene, wenn sich die Wiegeplattform in Ruhe befindet. Die Tragglieder 14', 16', 18' und 20' sind in ähnlicher Weise in einer zweiten Kreuzform angeordnet und liegen in einer zweiten gemeinsamen Ebene, wenn sich die Wiegeplattform in Ruhe befindet. Diese zweite gemeinsame Ebene ist parallel zu aber beabstandet von der ersten gemeinsamen Ebene.
Jedes Tragglied der ersten Kreuzkonfiguration (die oben in Figur 3 gezeigt ist) ist nahe seines äußeren Endes an dem Stabwerk 24 durch einen zugeordneten Halterungsstab 26 befestigt, der rechtwinklig zu diesem Glied und koplanar mit dem Glied ist, wenn sich die Plattform in Ruhe befindet. Die Halterungsglieder der zweiten Kreuzkonfiguration (die nahe dem Boden von Figur 3 gezeigt ist) sind in ähnlicher Weise an dem Stabwerk 24 durch Stäbe 26' befestigt.
Die Schnittpunkte von zwei Kreuzkonfigurationen von Traggliedern sind durch einen steifen Mittelstab 22 aneinander befestigt, der sich rechtwinklig zu den Ebenen der Kreuzkonfigurationen erstreckt, wenn sich die Wiegeplattform 12 in Ruhe befindet. Der Mittelstab 22 erstreckt sich über die obere Kreuzkonfiguration, um die Wiegeplattform 12 zu halten. Der Mittelstab kann sich auch bis unter die untere Kreuzkonfiguration erstrecken, um Wechselwirkung mit einem Positionssensor und einem Schwingungsantrieb von einem Feedback-System zu gestatten, das die Oszillation der Wiegeplattform 12 durch die Wirkung des Mittelstabs 22 einleitet und aufrecht hält. Ein Detektor des Positionssensors und eine Antriebsspule des Schwingungsantriebs des Feedback-Systems sind vorzugsweise in einer festen Stellung durch herkömmliche (nicht gezeigte) Mittel an dem tragenden Stabwerk 24 befestigt.
Ein typisches Feedback-System 30 für die Verwendung mit einer Inertialwaage mit erzwungener linearer Bewegung ist in Figur 4 dargestellt. Eine Antriebsspule 32, die über den Verstärker 34 mit Energie versorgt wird, steht in Wechselwirkung mit einem Permanentmagneten 36, der an dem Mittelstab 22 befestigt ist, um Schwingung des Stabs 22 und der daran befestigten Wiegeplattform 12 zu induzieren. Ein optischer Aufnehmer, der zum Beispiel eine Fotodiode 38, die von einer Stromversorgung 40 mit Energie versorgt wird, und einem Fotodetektor 42 umfaßt, steht in Wechselwirkung mit einem durchsichtigen Blatt 41, das an dem Stab 22 befestigt ist, um kontinuierlich die Stellung des Stabs 22 zu überwachen. Ein Ausgangssignal von dem Fotodetektor 42 wird an einen Verstärker 34 zurückgespeist, der eine automatische Verstärkungsregelung für Start- und Amplitudenstabilisierung enthält, und dient zum Gewährleisten, daß der Stab 22 bei einer Resonanzfrequenz, die von der Massenbeladung abhängt, in Oszillation gehalten wird. Eine Datenverarbeitungseinheit 44 ist mit dem Verstärker 34 verbunden und bestimmt in bekannter Weise Änderungen der Resonanzfrequenz der Oszillation und zeigt eine entsprechende Massenbeladung der Wiegeplattform an. An Stelle der optischen Sensoreinheit können andere Bewegungsdetektoreinrichtungen, zum Beispiel magnetische, in dem Feedback-System verwendet werden. In ähnlicher Weise können andere Schwingungsantriebsarten verwendet werden, und Variationen in der Schaltung des Feedback-Systems sind denkbar. Die Antriebs- und Sensorelemente des Feedback-Systems können in gleicher Weise so eingestellt werden, daß sie mit anderen Abschnitten des Stabes 22 zusammenwirken.
Es wird nun wieder auf Figur 3 Bezug genommen, die dargestellte Ausführungsform demonstriert die wichtigsten Merkmale für eine empfindliche und genaue Masseninertialwaage. Von größter Wichtigkeit ist das Erzielen gleichförmiger linearer Bewegung an der Wiegeplattform 12. Diese lineare Bewegung wird durch die Zwänge gewährleistet, die durch die symmetrische Anordnung der langgestreckten Tragglieder auferlegt werden. Wie bereits diskutiert wurde, dient die Doppelkreuzanordnung dazu, Drehmomente auszuschalten, die erzeugt werden, wenn der Massenmittelpunkt der Probe nicht auf der Längsachse liegt, die durch den Mittelstab 22 definiert ist.
Idealerweise ist zum Erzielen der höchsten Empfindlichkeit der Inertialwaage mit erzwungener linearer Bewegung das Gerät so aufgebaut, daß die sich bewegenden Teile, das heißt die langgestreckten Tragglieder, der Mittelstab und die Wiegeplattform, eine so minimale Masse aufweisen, wie es praktisch verträglich mit den Spannungen ist, die durch die Masse der zu wiegenden Proben erzeugt werden.
Sowohl in der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform als auch in den anderen Figuren wird die Oszillation der Wiegeplattform eingerichtet und erzwungen auf eine gleichförmige lineare Bewegung durch das Biegen der langgestreckten Tragglieder. Obgleich andere Nicht-Biegemoden verwendet werden können, wird Biegen wegen der hohen Stabilität in bezug auf seitliche Verschiebung, die dadurch erfolgt, bevorzugt.
Eine weitere Verfeinerung der Inertialwaage mit erzwungener linearer Bewegung gemäß der vorliegenden Erfindung kann erzielt werden, indem hohle langgestreckte Tragglieder verwendet werden. Dies hat den Vorteil, daß die bewegte Masse der Waage reduziert wird, wodurch ihre Empfindlichkeit erhöht wird. Dies hat auch den Vorteil, daß dadurch Transport von Gasen oder anderen Fluiden durch die Tragglieder möglich wird. Bei Kombination mit hohlen Endstäben 26, 26', einem hohlen Mittelstab 22 und einem hohlen tragenden Stabwerk 24 kann eine Saugwirkung an der Wiegeplattform eingerichtet werden, indem eine (nicht gezeigte) Pumpe an einer Fluidöffnung oder einem Auslaß 44 befestigt wird. Dies gestattet die Verwendung von Filtern an der Wiegeplattform oder das Halten von Proben auf der Plattform durch eine Druckdifferenz.
Wenn die langgestreckten Tragglieder einen Elastizitätsmodul haben, der temperaturabhängig ist, werden Frequenzänderungen mit Temperaturänderungen auftreten, selbst bei konstanter Masse. Demzufolge sind gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung die langgestreckten Tragglieder vorzugsweise aus einem Material aufgebaut, zum Beispiel einem Glas, mit einem temperaturunabhängigen Elastizitätsmodul über den Arbeitstemperaturbereich der Inertialwaage, was zu einem besser temperaturstabilen System führt.
Figur 5 zeigt eine Draufsicht von oben auf eine Ausführungsform der Inertialwaage mit erzwungener linearer Bewegung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der verschiedene zusätzliche Verbesserungen angebracht sind. Diese beinhalten das Verwenden von langgestreckten Traggliedern mit einer Querschnittskonfiguration, die länglich ist entlang einer Richtung rechtwinklig zu der Längsachse des Gliedes und der Richtung der linearen Bewegung der Plattform 12. Als Beispiel zeigt Figur 5A eine hohle elliptische Querschnittskonfiguration, und Figur 5B zeigt eine feste rechteckige Querschnittskonfiguration. Solche Konfigurationen liefern eine hohe mechanische Bindung für die Wiegeplattform mit niedriger Rückstellkraft für die Schwingung im Vergleich zu Elementen mit kreisförmigem Querschnitt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn niedrigere Resonanzfrequenzen der Inertialwaagen mit linearer Bewegung gewünscht werden, wie dann, wenn Proben mit niedrigem Elastizitätsmodul gemessen werden müssen.
In einer weiteren Ausführungsform kann eine Verlängerung 46 an jedem Tragglied vorgesehen werden, die sich radial nach außen bis jenseits des zugeordneten Halterungsstabes 26, 26' erstreckt, und es kann ein Gegengewicht 48 an jeder derartigen Verlängerung befestigt sein. Diese Gegengewichte sind ausgesucht und werden verwendet, um Verschiebung des Massenmittelpunktes von dem bewegten Abschnitt der Inertialwaage auszugleichen. Als Ergebnis bleibt während der Schwingung der Massenmittelpunkt des gesamten Systems fest in bezug auf das tragende Stabwerk 24, und deshalb wird keine Kraft durch dieses Stabwerk an die äußere Welt übertragen. Dämpfungsverluste nach außen werden somit minimalisiert. Diese Verbesserung ist am wirksamsten zum Erzielen hoher Massenauflösung für Proben mit Massen, die ein kleiner Bruchteil der effektiven Masse der bewegten Masse des Systems sind. Figur 6 zeigt schematisch, wie Gegengewichte 48 auf Verlängerungen 46 von einem Satz gegenüberliegender langgestreckter Tragglieder 14, 18, die durch Halterungsstäbe 26 an steif verbundenen Stabwerkabschnitten 24a, 24b, 24c und 24d befestigt sind, arbeiten, um Beseitigung von Drehmoment und Festlegung des Massenmittelpunktes des bewegten Abschnitts der Waage zu liefern.
Figur 7 zeigt eine weitere Verbesserung der vorliegenden Erfindung, bei der ein Satz von Streben 50 zwischen dem Mittelstab 22 und dem Umfang oder der Basis der Wiegeplattform 12 verbunden werden kann, um zusätzliche Halterung und Stabilisierung der Plattform zu liefern.
Figur 8 zeigt in Draufsicht eine andere Verbesserung der vorliegenden Erfindung, bei der die langgestreckten Tragglieder 14", 16", 18" und 20" von ihren äußeren Enden (die direkt mit dem Stabwerk verbunden sein können) sich verjüngend in Richtung auf ihre inneren Enden verlaufen. Diese Verjüngung reduziert die Neigung zu Schwingungsmoden höherer Ordnung und reduziert die bewegte Masse der Waage weiter.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß ein Aufhängungssystem für Inertialwaagen hiermit entworfen wurde, das signifikant die Meßgenauigkeit derartiger Geräte verbessert und auch die anderen vorstehend angegebenen Aufgaben löst.

Claims

1. Ein Aufhängungssystem zum Aufhängen einer Wiegeplattform in einer Inertialwaage, bei der diese Wiegeplattform (12) zum Oszillieren bei einer Resonanzfrequenz gebracht wird und Änderungen in der Resonanzfrequenz der Oszillation aufgrund von Massenbeladung der Wiegeplattform (12) erfaßt werden, wobei das Aufhängungssystem ein tragendes Stabwerk (24) und Aufhängevorrichtungen zum Aufhängen der Wiegeplattform (12) an dem tragenden Stabwerk (24) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängevorrichtung die Plattform (12), wenn diese oszilliert, in der Bewegung bindet, damit sie gleichmäßige lineare Bewegung entlang einer gewünschten Richtung bezüglich des Stabwerks (24) ausübt, unabhängig von Massenorientierung und Stellung auf der Plattform (12) , daß die Aufhängevorrichtung rückstellende Kräfte in Richtungen orthogonal zu der gewünschten Richtung ausübt, wobei die rückstellenden Kräfte um Größenordnungen größer als rückstellende Kräfte sind, die durch die Aufhängevorrichtung in der gewünschten Richtung ausgeübt werden, daß die Aufhängevorrichtung eine erste Vielzahl (10) von n langgestreckten stabartigen Traggliedern (14, 16, 18) umfaßt, wobei n gleich oder größer als drei ist, wobei jedes dieser Tragglieder ein äußeres Ende aufweist, das an dem Stabwerk (24) befestigt ist, und ein inneres Ende hat, das in Richtung auf einen ersten gemeinsamen Punkft (P1 konvergiert, und die Tragglieder der ersten Vielzahl (10) symmetrisch um diesen ersten gemeinsamen Punkt (P1) angeordnet sind, wobei benachbarte Glieder um

Grad voneinander beabstandet sind, wodurch die Plattformbewegung auf die besagte gewünschte Richtung erzwungen wird.

2. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 1, bei dem n gleich vier ist.

3. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Tragglieder der ersten Vielzahl in einer ersten gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wenn die Wiegeplattform (12) in Ruhe ist, die gleichmäßige lineare Bewegung entlang einer vorherbestimmten Richtung erfolgt und die erste gemeinsame Ebene senkrecht zu der vorherbestimmten Richtung ist.

4. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 3, bei dem die Tragglieder (14, 16, 18, 20) elastisch sind und primär in einem Biege-Modus arbeiten.

5. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 4, bei dem wenigstens eines dieser Tragglieder sich von seinem äußeren Ende in Richtung auf sein inneres Ende verjüngt.

6. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 4, bei dem eines dieser Tragglieder sich entlang einer Längsachse erstreckt und eine Querschnittskonfiguration aufweist, die langgestreckt ist entlang einer Richtung, die senkrecht zu der Längsachse und der vorherbestimmten Richtung ist.

7. Das Aufhängungsystem nach Anspruch 6, bei dem das besagte eine Tragglied eine rechteckige Querschnittskonfiguration aufweist.

8. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 6, bei dem das besagte eine Tragglied eine elliptische Querschnittskonfiguration aufweist.

9. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 4, bei dem wenigstens eines dieser Tragglieder hohl ist.

10. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 4, bei dem die Tragglieder aus einem Material mit einem im wesentlichen temperaturunabhängigen Young-Modul über den Arbeitstemperaturbereich der Inertialwaage zusammengesetzt sind.

11. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 4, bei dem jedes Tragglied nahe seines äußeren Endes an dem Stabwerk durch einen zugeordneten Halterungsstab (26) angebracht ist, der rechtwinklig zu diesem Glied und koplanar mit diesem Glied ist, wenn sich die Plattform (12) in Ruhe befindet.

12. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 11, das weiterhin:

eine Verlängerung (46) an jedem Tragglied, die sich radial nach außen bis über den zugeordneten Halterungsstab (26) hinaus erstreckt, und

ein Gegengewicht (48), das an jeder derartigen Verlängerung (46) angebracht ist, umfaßt, wobei die Gegengewichte dazu dienen, den Massenmittelpunkt der Wiegeplattform (12) aufrecht zu halten und die Aufhängevorrichtung bezüglich des tragenden Stabwerks (24) während der Plattformoszillation fixiert zu halten.

13. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 3, das weiterhin eine zweite Vielzahl (10') von länglichen Traggliedern (14', 16', 18') umfaßt, die in einer zweiten gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wenn sich die Plattform (12) in Ruhe befindet, wobei diese zweite gemeinsame Ebene parallel zu und beabstandet von der ersten gemeinsamen Ebene ist, die Tragglieder der besagten zweiten Vielzahl (10') jeweils ein äußeres Ende aufweisen, das an dem Stabwerk (24) befestigt ist, und ein inneres Ende besitzen, das in Richtung auf einen zweiten gemeinsamen Punkt (P2) konvergiert; und steife Verbindungseinrichtungen zum Verbinden des ersten gemeinsamen Punktes (P1) mit dem zweiten gemeinsamen Punkt (P2) umfaßt.

14. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 13, bei dem die steife Verbindungseinrichtung einen steifen Mittelstab (22) umfaßt, der starr zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt befestigt ist, wobei der Mittelstab (22) parallel zu der besagten vorherbestimmten Richtung ist und die Wiegeplattform (12) trägt.

15. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 14, das weiterhin Schwingungsantriebseinrichtungen (32) und Lagesensoreinrichtungen (42) umfaßt, die in einem Feedback-System (30) verbunden sind, wobei das Feedback-System (30) in Wirkverbindung mit dem Mittelstab (22) steht, um die Wiegeplattform (12) in Oszillation bei einer Resonanzfrequenz, die von der Massenbeladung abhängt, zu bringen und zu halten.

16. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 15, das weiterhin eine Einrichtung (44) umfaßt, die mit dem Feedback-System (30) verbunden ist, zum Messen von Änderungen der Resonanzfrequenz der Oszillation und zum Anzeigen einer entsprechenden Massenbeladung der Wiegeplattform (12).

17. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 14, bei dem das Stabwerk (24) mit Fluid-Öffnungseinrichtungen (44) ausgestattet ist und wenigstens ein Abschnitt des Mittelstabes (22) ein Tragglied und ein Abschnitt des Stabwerks (24) hohl sind und so verbunden sind, daß ein kontinuierlicher Fluid-Strömungsweg von der Wiegeplattform (12) zu der Öffnungseinrichtung (44) geschaffen wird.

18. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 17, bei dem die Wiegeplattform (12) fluiddurchlässige Filtereinrichtungen umfaßt.

19. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 14, bei dem die erste und die zweite Vielzahl (10, 10') jeweils vier Tragglieder umfassen, die in radialer Symmetrie um den Mittelstab (22) angeordnet sind, und bei dem alle diese Tragglieder hohl und elastisch sind und primär in einem Biege-Modus arbeiten und aus einem Material aufgebaut sind, das im wesentlichen temperaturunempfindlich über den Arbeitstemperaturbereich der Inertialwaage ist.

20. Das Aufhängungssystem nach Anspruch 19, das weiterhin wenigstens eine Halterungsstrebe (50) umfaßt, die zwischen dem Mittelstab (22) und der Wiegeplattform (12) liegt und damit verbunden ist.