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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wägevorrichtung
und im Besonderen eine Waage mit oben befindlicher Waagschale,
die eine Roberval-Kette und einen Hebelmechanismus für die
Kraftübertragung hat. Es ist zu beachten, dass die vorliegende
Erfindung nicht nur auf eine sogenannte elektronische Waage
mit einem Kraftmessteil der Art mit elektromagnetischem
Gleichgewicht angewendet werden kann, sondern auch auf eine
sogenannte Waage mit einer Wägezelle oder dergleichen, die als
ein Kraftmessteil dient.
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Fig. 7 (A) und Fig. 7 (B) sind eine Draufsicht bzw.
Seitenansicht einer konventionellen Waage mit oben
befindlicher Waagschale, wie aus EP-A-0 291 258 bekannt, und
Fig. 8 zeigt ihren Mechanismus. In einer solchen Waage mit
oben befindlicher Waagschale wird eine Probenwaagschale 20 zum
Aufnehmen des zu wiegenden Stoffes von einer Roberval-Kette 10
getragen (die auch Parallelführung genannt wird). Dies hindert
die Probenwaagschale 20 daran, transversal verschoben und/oder
geneigt zu werden, so dass die Probenwaagschale 20 ohne
horizontale Bewegung vertikal bewegt wird (d. h. ihre Position
in der waagerechten Ebene bleibt erhalten). Das verhindert das
Auftreten eines Fehlers, der auf dem versetzten Ablegen einer
Probe auf die Probenwaagschale 20 beruht, d. h. eines
sogenannten Versatzpositionsfehlers (der auch Viereckfehler
genannt wird).
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Die Roberval-Kette 10 hat eine Struktur, bei der ein
beweglicher Ständer 13 durch zwei parallele horizontale
Glieder verbunden ist, d. h. einem oberen und einem unteren
horizontalen Glied 11, 12, die jeweils an ihren beiden Enden
mit flexiblen Teilen 11a, 11b, 12a, 12b versehen sind, die als
Gelenkteile dienen. Die Probenwaagschale 20 wird von dem
beweglichen Ständer 13 getragen. Eine auf die Probenwaagschale
20 wirkende Last wird durch einen Hebel 30, der mit dem
beweglichen Ständer 13 verbunden ist, auf einen Kraftmessteil
40, wie z. B. eine Wägezelle, einen elektromagnetischen
Gleichgewichtsmechanismus oder dergleichen, übertragen.
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Der Hebel 30 wird allgemein von einem elastischen
Hebelpunkt 31 getragen und ist an seinem einen Ende mit einem
Kraftpunkt 32 versehen, der durch ein Verbindungsstück 50 mit
dem beweglichen Ständer 13 verbunden ist. Die auf die
Probenwaagschale 20 ausgeübte Kraft wird von dem beweglichen
Ständer 13 über das Verbindungsstück 50, das an dem
sogenannten Kraftpunkt 32 eine Kraft auf den Hebel ausübt, auf
den Hebel 30 übertragen. Der Hebel 30 ist an seinem anderen
Ende so mit dem Kraftmessteil 40 verbunden, dass eine zu
messende und auf die Probenwaagschale 20 wirkende Last auf den
Kraftmessteil 40 übertragen wird (im Maßstab von 1 : mehreren
- 1 : Hundert und Dutzenden reduziert). Der Kraftpunkt 32 des
Hebels 30 ist in den durch die Pfeile R in Fig. 8 gezeigten
Richtungen flexibel (in den Schwingungsrichtungen des Hebels
30). Zum Verbinden des Verbindungsstücks 50 und des
beweglichen Ständers 13 wird ein elastischer
Verbindungshebelpunkt 51 gebildet. Es ist daher dafür gesorgt,
dass der elastische Verbindungshebelpunkt 51 und der flexible
Kraftpunkt 32 nicht nur eine leichte Verschiebung des
beweglichen Ständers 13 in der Hin- und Herbewegungsrichtung
absorbieren, die auf dem Ausüben einer Last auf die
Probenwaagschale 20 beruht, sondern auch eine leichte
Verschiebung des Kraftpunkts 32 in der Hin- und
Herbewegungsrichtung, die auf der Neigung des Hebels 30
beruht.
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In der Roberval-Kette 10 mit der oben genannten Anordnung
ist es wichtig, dass das obere und das untere horizontale
Glied 11, 12 parallel sind, wenn Versatzfehler minimiert
werden sollen. Im Besonderen kann der Versatzpositionsfehler
einer Last auf der Probenwaagschale 20 nur dann, wenn das
obere und das untere horizontale Glied 11, 12 genau parallel
zueinander sind, aufgehoben werden. Das heißt, dass ein
Versatzpositionsfehler erzeugt wird, wenn die horizontalen
Glieder 11, 12 nicht präzise eingestellt sind, so dass die
Abstände H, H' in Fig. 7 (B) einander genau gleich sind. Im
Besonderen erfordert eine präzise elektronische Waage der Art
mit elektromagnetischem Gleichgewicht oder dergleichen eine
solche Präzision, dass die Abstände innerhalb einer
Größenordnung von höchstens um übereinstimmen. Eine derartige
präzise Einstellung kann durch Messen der Abstände H, H' nicht
erreicht werden. In einer tatsächlichen Einstellung wird die
Parallelität zwischen den horizontalen Gliedern 11, 12
feineingestellt, so dass, wenn an jeder der Vielzahl von
Positionen der Probenwaagschale 20 eine Last auf sie ausgeübt
wird, der gemessene Wert der Last an jeder der Positionen eine
Änderung erfährt.
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Als ein Mechanismus zum Einstellen der Parallelität der
Roberval-Kette 10 ist allgemein der in Fig. 9 gezeigte
Mechanismus bekannt. Im Besonderen hat ein Einstellarm 71,
dessen eines Ende federnd an dem festen Ständer 14 befestigt
ist und dessen anderes Ende frei ist, eine Einstellschraube 72
nahe an seinem freien Ende und einen Anbringungsteil F nahe an
dem festen Ständer 14. Die vertikale Bewegung des Arms 71 wird
durch Drehen der Einstellschraube 72 eingeschränkt, wodurch
der Anbringungsteil F des horizontalen Glieds 11 oder 12 fein
bewegt wird (z. B. offengelegte japanische
Gebrauchsmusterschrift Nr. 63308522). Wenn die
Einstellschraube 72 einen Abstand d1 und der Anbringungsteil F
einen Abstand d2 zum Drehpunkt des Einstellarms hat, bewegt
die Bewegung der Einstellschraube 72 um eine Entfernung x den
Anbringungsteil F um eine Entfernung x.d2/d1.
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Andere bekannte Einstellungsverfahren beinhalten einen
Mechanismus, in dem eine Differentialschraube als die
Einstellschraube 72 verwendet wird (offengelegte japanische
Gebrauchsmusterschrift Nr. 63-35924), einen Mechanismus, bei
dem der Anbringungsteil F der horizontalen Glieder mit Hilfe
eines Keilprinzips im Verhältnis zum festen Ständer 14
feinverschoben wird (offengelegte japanische
Gebrauchsmusterschrift Nr. 62-40531), und dergleichen.
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Auf Grund der kürzlichen Nachfrage nach kleineren und
dünneren Wägevorrichtungen oder Waagen wird es notwenig, das
Hebelverhältnis im Vergleich zur Waage vom Stand der Technik
so zu vergrößern, dass eine große Last mit einem kleinen
Mechanismus gemessen werden kann. Wenn jedoch eine
konventionelle Anordnung so, wie sie ist, übernommen angepasst
wird und das Hebelverhältnis einfach vergrößert wird, um die
Waage zu verkleinern, wird der Versatzpositionsfehler groß.
Die Mechanismen für Waagen vom Stand der Technik eignen sich
nicht für kleine Präzisionswaagen, da eine Vergrößerung des
Hebelverhältnisses zu großen Versatzfehlern führt und die
Wägevorrichtung dann die Waagenspezifikationen nicht erfüllt.
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Im Besonderen variiert der Versatzpositionsfehler
besonders in der Hin- und Herbewegungsrichtung je nach der
Größe der Last, wenn das Hebelverhältnis vergrößert wird, um
den Abstand L1 zwischen dem elastischen Hebelpunkt 31 und dem
Kraftpunkt 32 des Hebels 30 auf 1 mm oder weniger zu
verkürzen. Dementsprechend wird selbst dann, wenn der
Versatzpositionsfehler mit Hilfe des Einstellmechanismus, wie
oben erwähnt, für eine bestimmte Last genau eingestellt wird,
für eine andere Last ein Versatzpositionsfehler produziert.
Das verhindert, dass eine derartige Waage praktische
Verwendung findet.
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Die Erfindung in ihren verschiedenen Aspekten wird in den
unabhängigen Ansprüchen unten definiert, auf die im Folgenden
Bezug zu nehmen ist. Vorteilhafte Merkmale der Erfindung
werden in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Im Folgenden werden Ausgestaltungen der Erfindung unter
Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
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Fig. 1 eine Seitenansicht eines Mechanismus, der eine
Ausgestaltung illustriert, bei der die Erfindung auf eine
elektronische Waage von der Art mit elektromagnetischem
Gleichgewicht angewendet wird;
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Fig. 2 eine Ansicht, die die Anordnung eines spezifischen
Beispiels illustriert, bei dem das obere horizontale Glied 11
eine geringere Steifigkeit hat als das untere horizontale
Glied 12 in der Ausgestaltung in Fig. 1;
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Fig. 3 eine Ansicht, die den Vorgang veranschaulicht, der
zu dem Zeitpunkt stattfindet, an dem eine versetzt abgelegte
Last auf den Mechanismus in Fig. 1 ausgeübt wird;
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Fig. 4 eine Ansicht, die die Bedingungen geometrisch
illustriert, unter denen der Betrag der Bewegung des
elastischen Verbindungshebelpunkts 51 auf Grund einer versetzt
abgelegten Last in dem Mechanismus von Fig. 1 auf null
gebracht wird;
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Fig. 5 eine Ansicht, die die Funktionsweise einer
weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung illustriert,
in der der elastische Verbindungshebelpunkt 51 und der
Kraftpunkt 32 des Hebels 30 als positionsmäßig von der
senkrechten Linie, die entsprechende flexible Teile 11a, 12a
des oberen bzw. unteren horizontalen Glieds miteinander
verbindet, verschoben angeordnet sind;
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Fig. 6 (A) und Fig. 6 (B) Ansichten, die die spezifische
Anordnung einer Änderung der Erfindung illustrieren;
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Fig. 7 (A) und Fig. 7 (B) eine Draufsicht und eine
Seitenansicht der allgemeinen Anordnung einer Waage mit oben
befindlicher Waagschale, die eine Roberval-Kette und einen
Hebel hat;
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Fig. 8 eine Seitenansicht, die den Mechanismus der Waage
in Fig. 7 illustriert;
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Fig. 9 eine Darstellung eines konventionellen Mechanismus
zum Einstellen der Parallelität einer Roberval-Kette mit Hilfe
eines Einstellarms und
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Fig. 10 eine vergrößerte Ansicht der Hauptteile des
Mechanismus in Fig. 8 und veranschaulicht, wie eine Vielfalt
von Bauelementen durch eine versetzt abgelegte Last verschoben
wird.
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Wägevorrichtung der
Art mit oben befindlicher Waagschale vor, die die oben
erwähnten Probleme der konventionellen Waagen mit oben
befindlicher Waagschale lösen kann und bei der eine Änderung
der Größe der ausgeübten Last eine kleine Veränderung des
Versatzpositionsfehlers bewirkt, obwohl der Mechanismus in
kompakter und dünner Ausführung mit einem größeren
Hebelverhältnis hergestellt ist. Die Anordnung der
vorliegenden Erfindung macht die Herstellung einer Waage
möglich, die eine kompakte und dünne Ausführung hat und
hochgenau mit einem verringerten Versatzpositionsfehler ist,
der im Verhältnis zur Größe der Last auf der Waagschale oder
Probenwaagschale der Wägevorrichtung nicht wesentlich
variiert.
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Wägevorrichtung vor,
die Folgendes aufweist, wie in Fig. 1 gezeigt: eine Roberval-
Kette 10 mit einem oberen und einem unteren parallelen
horizontalen Glied 11, 12, die jeweils an ihren beiden Enden
mit flexiblen Teilen versehen sind, einen beweglichen Ständer
13 und einen festen Ständer 14, der durch die horizontalen
Glieder mit dem beweglichen Ständer 13 verbunden ist, eine von
dem beweglichen Ständer 13 getragene Probenwaagschale 20,
einen Hebel 30, der einen elastischen Hebelpunkt 31 und einen
Kraftpunkt 32 hat, wobei der Kraftpunkt 32 durch einen
Verbindungshebelpunkt 51, der zwischen dem oberen und dem
unteren horizontalen Glied 11, 12 angeordnet ist, mit dem
beweglichen Ständer 13 verbunden ist, und einen Kraftmessteil
40, auf den eine Last auf der Probenwaagschale 20 durch den
Hebel 30 übertragen werden kann, wobei die Waage dadurch
gekennzeichnet ist, dass von dem oberen und dem unteren
horizontalen Glied 11, 12 das horizontale Glied, das sich
näher an dem elastischen Verbindungshebelpunkt 51 befindet (in
Fig. 1 das untere horizontale Glied 12), eine größere
scheinbare Steifigkeit (d. h. ein größeres Elastizitätsmodul)
hat als das andere horizontale Glied (in Fig. 1 das obere
horizontale Glied 11).
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Die scheinbare Steifigkeit des horizontalen Glieds 11
oder 12 beinhaltet auch die Steifigkeit von jedem der an
seinen Enden geformten flexiblen Teile 11a, 11b bzw. 12a, 12b
und beinhaltet im Besonderen auch die Steifigkeit des
beweglichen oder des festen Ständers 13 bzw. 14 in der
horizontalen Richtung. Dementsprechend weist die oben erwähnte
Erfindung auch eine Anordnung auf, bei der die Steifigkeiten
der horizontalen Glieder 11, 12, die selbst die Steifigkeiten
der flexiblen Teile 11a, 11b, 12a, 12b an ihren Enden
beinhalten, weitgehend gleich zu einander sind und bei der
entweder der bewegliche oder der feste Ständer 13 oder 14 oder
beide, die mit dem Ende des horizontalen Glieds 11, 12
verbunden sind, geschwächt ist, so dass die Steifigkeit der
Kombination von horizontalem Gliedflexiblen Teilen/Ständern,
die weiter vom elastischen Verbindungshebelpunkt 51 entfernt
ist (in Fig. 1 das obere horizontale Glied 11), verglichen mit
der Steifigkeit des anderen horizontalen Glieds (in Fig. 1 das
untere horizontale Glied 12) geschwächt ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der
Erkenntnis dessen erreicht, dass der Versatzpositionsfehler in
einer konventionellen Waage der Art mit einer Probenwaagschale
oben auf einem mit einem Balken verbundenen beweglichen
Ständer vergrößert wird, wenn das Hebelverhältnis einen
bestimmten Grenzwert überschreitet, weil eine Änderung der
versetzt abgelegten Last eine Änderung des Hebelverhältnisses
bewirkt. Diese Änderung des Hebelverhältnisses im Verhältnis
zu der aufgelegten versetzten Last bedeutet, dass der
Versatzfehler im Verhältnis zur Größe der versetzt abgelegten
Last variiert und deshalb schwer auszugleichen ist.
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Die Erfinder haben zur Kenntnis genommen, dass die
aufgelegte Last Kräfte ausübt, die zu Änderungen der Länge des
Hebels und der horizontalen Glieder führen, und dass die
Beseitigung oder das Ausgleichen dieser Änderungen in
Dimensionen, die im Verhältnis zur ausgeübten Last varriieren,
die Variationen des Versatzfehlers bei verschiedenen Lasten
verringert. Die vorliegende Erfindung weist eine Anzahl von
Anordnungen auf, die die Hebelverhältnisänderung beseitigen,
die durch eine versetzt abgelegte Last verursacht wird,
wodurch die vorbestimmte Aufgabe gelöst wird.
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Bezug nehmend auf die Fig. 8 und 10, bespricht die
folgende Beschreibung, wie das Hebelverhältnis bei einer
konventionellen Waage der in den Fig. 7, 8 und 10
dargestellten Art im Verhältnis zu einer versetzt abgelegten
Last variiert und wie eine derartige Änderung des
Hebelverhältnisses aufgrund der versetzt abgelegten Last durch
die jeweilige Anordung der vorliegenden Erfindung eliminiert
werden kann.
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Fig. 8 ist eine Seitenansicht, die den Mechanismus einer
Waage darstellt, bei der ein beweglicher Ständer 13 einer
Roberval-Kette 10 durch einen elastischen
Verbindungshebelpunkt 51 mit einem Kraftpunkt 32 eines Hebels
30 verbunden ist, während Fig. 10 eine vergrößerte Ansicht der
Hauptteile in Fig. 7 ist.
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In Fig. 8 wird, wenn eine Last auf der Probenwaagschale
20 von Position a auf Position b bewegt wird, eine Zugkraft
auf das obere horizontale Glied 11 der Roberval-Kette 10
ausgeübt, die bewirkt, dass das horizontale Glied 11 gedehnt
wird. Andererseits wird auf das untere horizontale Glied 12
eine Druckkraft ausgeübt, die bewirkt, dass das horizontale
Glied 12 gestaucht wird. Wenn die Last auf eine Position c
bewegt wird, dann wird das obere horizontale Glied 11
gestaucht und das untere horizontale Glied 12 gedehnt.
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Bei einer konventionellen Waage mit oben befindlicher
Waagschale der oben erwähnten Art haben das obere und das
untere horizontale Glied 11, 12 weitgehend die gleiche
Steifigkeit und der Dehnungsbetrag des horizontalen Glieds 11
bzw. 12 ist weitgehend gleich dem Stauchbetrag des
horizontalen Glieds 12 bzw. 11. Ein derartiger Dehnungs-/
Stauchbetrag wird als 54 bezeichnet. Je nach der Position
einer versetzt abgelegten Last werden die Bauelemente um den
medianen Punkt P einer Linie herum, die einen flexiblen Teil
11a des oberen horizontalen Glieds 11 mit dem entsprechenden
flexiblen Teil 12a des unteren horizontalen Glieds 12
verbindet, wie in Fig. 10 gezeigt verschoben.
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Wie Präzision der Waage ist allgemein besser, je länger
der Abstand zwischen dem Kraftpunkt 32 und dem elastischen
Verbindungshebelpunkt 51 ist. Dementsprechend wird die
vertikale Position des elastischen Verbindungshebelpunkts 51
gewöhnlich so gewählt, dass sie unter der mittleren Position
zwischen dem oberen und dem unteren horizontalen Glied 11, 12
liegt. Das bedeutet, dass in den Fig. 8 und 10 A größer als
B ist. Dementsprechend, und wie in Fig. 10 gezeigt, wird der
elastische Verbindungshebelpunkt 51 von einer Position K an
dem Zeitpunkt, an dem die Last in der Mitte a der
Probenwaagschale 20 abgelegt wird, zu einer Position Kb an dem
Zeitpunkt, an dem die Last auf die Position b bewegt wird, und
auf eine Position Kc an dem Zeitpunkt, an dem die Last auf die
Position c bewegt wird, bewegt.
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Wenn der elastische Verbindungshebelpunkt 51 auf die
Position Kb bewegt wird, ist der Abstand L1' zwischen dem
Kraftpunkt und dem elastischen Hebelpunkt 31 des Hebels 30
kleiner als der Abstand L1 und das Hebelverhältnis ändert sich
von L1/L2 auf L1'/L2 (wobei L1' kleiner ist als L1).
Andererseits wird, wenn der elastische Verbindungshebelpunkt
51 auf die Position Kc bewegt wird, L1 vergrößert und das
Hebelverhältnis ändert sich auf L1"/L2 (wobei L1" größer ist
als L1). Man betrachte die Situation, in der eine Last
innerhalb des Wägebereichs der Waage, z. B. eine Last von 2 kg,
wirklich auf die Probenwaagschale 20 gelegt wird. Bei der
Waage vom Stand der Technik wird dann der in Fig. 9 gezeigte
Einstellmechanismus betätigt, um die Parallelität der
Roberval-Kette 10 einzustellen, so dass der angezeigte Wert
des Gewichts beim Variieren der Position der Last auf der
Probenwaagschale keine Änderung erfährt. Es ist somit ein
Zustand bereitgestellt, in dem der Versatzpositionsfehler
gleich 0 ist. In diesem Fall bedeutet das, dass der durch die
Änderung des erwähnten Hebelverhältnisses bedingte Fehler
korrigiert wird, indem die Konfiguration der Roberval-Kette 10
geändert wird (d. h. die Parallelität der Kette außer Betrieb
gesetzt wird). Man betrachte dann die Situation, in der nach
Abschluss der oben beschriebenen Einstellung eine Last mit
einem anderen Gewicht, z. B. 4 kg, auf der Probenwaagschale 20
bewegt wird. In diesem Fall wird, wenn die Last von 4 kg um
einen Abstand bewegt wird, der gleich einer Hälfte des
Abstands ist, um den die Last von 2 kg bewegt wurde, das auf
die Probenwaagschale 20 ausgeübte Moment gleich dem für die
Last von 2 kg und die auf das obere und das untere horizontale
Glied 11, 12 ausgeübten Zug- und Druckkräfte werden gleich den
von der 2-kg-Last ausgeübten und der Bewegungsbetrag des
Punktes K ist auch gleich dem, der aus der Bewegung der 2-kg-
Last um das Zweifache der Entfernung resultiert. Da die Last
verdoppelt ist, verdoppelt sich aber auch der durch eine
Änderung des Hebelverhältnisses bedingte Fehler.
Dementsprechend reicht der Betrag der für die Last von 2 kg
vorgenommenen Korrektur nicht für die Last von 4 kg aus,
weshalb ein Fehler produziert wird. Darüber hinaus ist die
Versatzposition für die doppelte Last tatsächlich die gleiche
wie für die ursprüngliche 2-kg-Last und nicht nur die Hälfte
davon. Der Fehler für die Last von 4 kg wird somit weiter
vergrößert.
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Im Vorangehenden wurde der Grund dafür besprochen, warum
der Versatzpositionsfehler größer wird, wenn das
Hebelverhältnis groß wird und der Abstand L1 nur ungefähr 1 mm
oder weniger beträgt.
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Angesichts des Vorangehenden ist die vorliegende
Erfindung so angeordnet, dass die Bewegung des Punktes K
(elastischer Verbindungshebelpunkt 51) beim Auflegen einer
versetzt abgelegten Last eliminiert wird, um dadurch zu
verhindern, dass das Hebelverhältnis auf Grund der versetzt
abgelegten Last verändert wird.
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Im Besonderen wird in der Ausgestaltung der Erfindung
eine Anordnung verwendet, bei der der elastische
Verbindungshebelpunkt 51 näher an einem der horizontalen
Glieder angeordnet ist, als dies konventionell gemacht wird,
und bei der das näher am elastischen Verbindungshebelpunkt 51
liegende horizontale Glied eine größere scheinbare Steifigkeit
hat als das andere horizontale Glied. Dementsprechend
unterscheiden sich der Dehn- und Stauchbetrag des oberen und
des unteren horizontalen Elements bzw. des unteren und des
oberen horizontalen Elements von einander, so dass verhindert
wird, dass der Punkt K bewegt wird. Wenn das untere
horizontale Glied 12 näher an dem elastischen
Verbindungshebelpunkt 51 liegt wie in dem oben erwähnten
Beispiel, dann hat das untere horizontale Glied 12 eine höhere
Steifigkeit als das obere horizontale Glied 11. In diesem Fall
wird ein Verhältnis δ1 > δ2 aufgestellt, wie in Fig. 3
gezeigt, wobei Öl der durch eine versetzt abgelegte Last
bedingte Dehnungs- oder Stauchbetrag des oberen horizontalen
Glieds 11 und δ2 der durch eine versetzt abgelegte Last
bedingte Stauch- oder Dehnungsbetrag des unteren horizontalen
Glieds 12 ist. Der Betrag der Bewegung des Punktes K ist somit
klein. Theoretisch wird die Bewegung des Punktes K eliminiert,
wenn das Verhältnis zwischen δ1 und δ2 dem Verhältnis zwischen
A und B wie folgt gleich gemacht wird:
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δ1/δ2 = A/B ........................... (1)
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Die folgende Beschreibung beweist das Vorangehende.
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Wie in Fig. 4 geometrisch gezeigt, werden die folgenden
Beziehungen aufgestellt:
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δ = θ (C - B) (2)
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θ = δ1 + δ2 / H (3)
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wobei C der Abstand zwischen dem medianen Punkt P, der die
Verschiebungsmitte betreffender Bauelemente ist, und dem
unteren horizontalen Glied 11, θ der durch die versetzt
abgelegte Last verursachte Neigungswinkel der Linie, die einen
flexiblen Teil 11a des oberen horizontalen Glieds 11 an der
Seite des beweglichen Ständers 13 mit einem flexiblen Teil 12a
des unteren horizontalen Glieds 12 an der Seite des
beweglichen Ständers 13 verbindet, bezüglich der Normale, und
δ der Betrag der Bewegung des Punktes K an diesem Zeitpunkt
ist.
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Damit die durch die versetzt abgelegte Last
verursachte Bewegung des Punktes K gleich 0 ist, wird 0 in der
Gleichung (5) in δ gesetzt, und dann werden die folgenden
Gleichungen aufgestellt:
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δ2 = B / H (δ1 + δ2) (6)
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Dementsprechend wird die Bewegung des Punktes K
eliminiert, wenn der Gleichung (1) genügt wird.
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Durch Schwächen der Steifigkeit des beweglichen oder des
festen Ständers 13 bzw. 14 in der horizontalen Richtung kann
auch die scheinbare Steifigkeit des weiter vom elastischen
Verbindungshebelpunkt 51 entfernten oberen horizontalen Glieds
11 im Verhältnis zum unteren horizontalen Glied 12 gesenkt
werden. Wenn die Steifigkeit des beweglichen oder des festen
Ständers 13 bzw. 14 ohne Steifigkeitsunterschied zwischen dem
oberen und dem unteren horizontalen Glied 11, 12 absichtlich
geschwächt wird, werden dementsprechend Wirkungen erzeugt, die
denjenigen entsprechen, die durch die Anordnung erzeugt
werden, bei der das horizontale Glied 11 an sich im Vergleich
zum horizontalen Glied 12 an sich eine schwächere Steifigkeit
hat.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausgestaltungen der
Erfindung ausführlicher beschrieben.
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Fig. 1 ist eine Seitenansicht des Mechanismus einer
bevorzugten Ausgestaltung, bei der die Erfindung auf eine
elektronische Waage der Art mit elektromagnetischem
Gleichgewicht angewendet wird.
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Eine Roberval-Kette 10 hat eine Grundstruktur, die einer
in den Fig. 7 und 8 gezeigten konventionellen Struktur
entspricht, wobei ein beweglicher Ständer 13 durch ein oberes
und ein unteres horizontales Glied 11, 12, die jeweils an
ihren beiden Enden mit flexiblen Teilen 11a, 11b bzw. 12a, 12b
versehen sind, mit einem festen Ständer 14 verbunden ist und
wobei eine Probenwaagschale 20 von dem beweglichen Ständer 13
getragen wird.
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Wie bei der konventionellen Waage wird eine auf den
beweglichen Ständer 13 wirkende Last durch einen Hebel 30, der
von einem elastischen Hebelpunkt 31 getragen wird, auf eine
elektromagnetische Kraft erzeugende Vorrichtung 40 übertragen,
die als ein Kraftmessteil dient. Im Besonderen ist ein an
einem Ende des Hebels 30 angeordneter Kraftpunkt 32 über ein
Verbindungsstück 50 durch einen elastischen
Verbindungshebelpunkt 51 mit dem beweglichen Ständer 13
verbunden. Eine Kraftspule 42 der elektromagnetische Kraft
erzeugenden Vorrichtung 40 ist an einem Punkt an dem Hebel an
dem Teil des Hebels auf der anderen Seite des elastischen
Hebelpunktes 31 zu der, an dem sich der Kraftpunkt 32
befindet, an dem Hebel 30 befestigt. In der elektromagnetische
Kraft erzeugenden Vorrichtung 40 ist die an dem Hebel 30
befestigte Kraftspule 42 beweglich in einem statischen
magnetischen Feld angeordnet, das von einem magnetischen Kreis
41 erzeugt wird, der hauptsächlich einen Dauermagneten 41a
umfasst. Die Verschiebung des Hebels 30 wird von einem
Verschiebungssensor 34 zum Erfassen der Position eines im
anderen Ende des Hebels 30 befindlichen Schlitzes 33 erfasst.
Der in der Kraftspule 42 fließende elektrische Strom ist so
geregelt, dass das Ergebnis der Verschiebungserfassung
jederzeit null ist. Die Last auf der Probenwaagschale 20 wird
gemäß der Größe dieses elektrischen Stroms erfasst.
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Die vertikale Position des elastischen
Verbindungshebelpunktes 51 ist näher am unteren horizontalen
Glied 12 der Roberval-Kette 10 als am oberen horizontalen
Glied 11. Das heißt, dass A größer ist als B, wenn A der
vertikale Abstand zwischen dem oberen horizontalen Glied 11
und dem elastischen Verbindungshebelpunkt 51 ist und B der
vertikale Abstand zwischen dem unteren horizontalen Glied 12
und dem elastischen Verbindungshebelpunkt 51 ist.
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Das untere horizontale Glied 12 hat eine höhere
Steifigkeit als das obere horizontale Glied 11. Im Besonderen,
wie in Fig. 2 (A) gezeigt, ist die Dicke t1 des Hauptkörpers
beim oberen horizontalen Glied 11 kleiner als beim unteren
horizontalen Glied 12 oder die Dicke t2 jedes der flexiblen
Teile beim oberen horizontalen Glied 11 ist kleiner als beim
unteren horizontalen Glied 12. Des Weiteren ist die Breite des
Hauptkörpers beim oberen horizontalen Glied 11 schmäler als
beim unteren horizontalen Glied 12.
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Alternativ sind das obere und das untere horizontale
Glied 11, 12 einander bezüglich dieser Dicken t1 und t2 gleich
gemacht, wobei ein Schlitz S nur im oberen horizontalen Glied
11 eingeformt ist, um einen elastischen Teil E zu bilden, wie
in Fig. 2 (B) gezeigt, die eine teilweise Draufsicht des
oberen horizontalen Glieds 11 ist.
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Alternativ wird die Breite w jedes der flexiblen Teile
11a,
11b des oberen horizontalen Glieds 11 kleiner als die
jedes der flexiblen Teile 12a, 12b des unteren horizontalen
Glieds 12 gemacht (siehe Fig. 2 (B)).
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Das Steifigkeitsverhältnis zwischen dem oberen und dem
unteren horizontalen Glied 11, 12 ist so eingestellt, dass
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δ1/δ2 = A/B ..... (8)
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wobei δ1 der durch die versetzt abgelegte Last verursachte
Dehnungs-/Stauchbetrag des oberen horizontalen Glieds 11 und
δ2 der durch die versetzt abgelegte Last verursachte Dehnungs-
/Stauchbetrag des unteren horizontalen Glieds 12 ist.
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In der oben erwähnten Ausgestaltung wird jetzt
angenommen, dass der Gleichung (8) genügt wird. Wie in Fig. 3
gezeigt, wird der elastische Verbindungshebelpunkt 51 kaum
bewegt, obwohl das obere und das untere horizontale Glied 11,
12 auf Grund der versetzt abgelegten Last gedehnt oder
gestaucht werden. Somit wird die versetzt abgelegte Last nicht
vergrößert, obwohl das Hebelverhältnis größer wird und der
Abstand zwischen dem elastischen Hebelpunkt 31 und dem
Kraftpunkt 32 des Hebels 30 auf rund 1 mm oder weniger
reduziert wird.
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In der oben erwähnten Ausgestaltung befindet sich sowohl
der elastische Verbindungshebelpunkt 51 als auch der
Kraftpunkt 32 des Hebels 30 in der Normale, die den
entsprechenden flexiblen Teil 11a, 12a des oberen bzw. des
unteren horizontalen Glieds 11, 12 miteinander verbindet.
Diese Anordnung ist hinsichtlich der positionsmäßigen
Beziehung ideal. Die vorliegende Erfindung muss aber nicht
immer in der oben erwähnten Weise angeordnet werden. Der
elastische Verbindungshebelpunkt 51 und der Kraftpunkt 31
können nämlich in ihrer Position um E aus der Normalen
verschoben werden, die den entsprechenden oberen und unteren
flexiblen Teil 11a, 12a miteinander verbindet, wie in Fig. 5
gezeigt. Im Besonderen stellt jeder Waagenhersteller allgemein
Waagen bereit, die jeweils eine Vielfalt von
Hebelverhältnissen gemäß der Wägebereiche haben, um eine
Vielfalt von Waagenarten der gleichen Serie mit
unterschiedlichen Wägebereichen anzufertigen. Es ist deshalb
schwierig, die oben erwähnte ideale positionsmäßige Beziehung
jeweils auf alle Waagenarten anzuwenden. Es ist somit
vorzuziehen, eine solche positionsmäßige Beziehung
auszuwählen, wobei die Aufmerksamkeit darauf gelegt wird, die
gewünschte Auflösung von Wägebereich/Empfindlichkeit zu
erhalten, die die schwierigste zu erreichende Funktion ist.
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Es wird jetzt davon ausgegangen, dass die positionsmäßige
Beziehung, wie in Fig. 7 gezeigt, angenommen worden ist. Der
Punkt K, an dem der elastische Verbindungshebelpunkt 51
positioniert ist, wird vertikal um γ verschoben, wenn das
obere und das untere horizontale Glied 11, 12 auf Grund einer
versetzt abgelegten Last gedehnt/gestaucht wird. Da der Hebel
30 aber von der elektromagnetische Kraft erzeugenden
Vorrichtung 40 auf einer konstanten Haltung gehalten wird, ist
es der bewegliche Ständer 13, der vertikal bewegt wird. Wenn
der bewegliche Ständer 13 vertikal bewegt wird, dann werden
das obere und das untere horizontale Glied 11, 12 der
Roberval-Kette 10 in dem gleichen Winkel geneigt, so dass die
Parallelität zwischen den horizontalen Gliedern 11, 12 nicht
aus der Reihe kommt. Des Weiteren stehen die Rückstellkräfte
der flexiblen Teile 11a, 11b, 12a, 12b der Roberval-Kette 10
im Verhältnis zur Neigung der horizontalen Glieder 11, 12 und
werden vom Lastbetrag weniger beeinflusst. Schließlich kann,
gemäß dem Betrag der vertikalen Bewegung des beweglichen
Ständers 13 (der im Verhältnis zum Moment an der
Probenwaagschale 20 vergrößert wird), die Parallelität der
Roberval-Kette 10 so eingestellt werden, dass der Fehler auf
null gebracht wird. Das Vorangehende kann auch auf jede der
gezeigten Ausgestaltungen angewendet werden.
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Des Weiteren wurde sichergestellt, dass im Bereich von ε
≤ ungefähr 3 mm kein Problem angetroffen wurde.
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Es ist selbstverständlich, dass die
Dehnungs-/Stauchbeträge δ1, δ2, δ3 des oberen und des unteren horizontalen
Glieds 11, 12 der Roverval-Kette 10 in den oben erwähnten
Ausgestaltungen nicht nur die Dehnung/Stauchung der
horizontalen Glieder 11, 12 selbst, sondern auch die Biegung
der flexiblen Teile 11a, 11b, 12a, 12b beinhalten müssen.
Dementsprechend schließen die Steifigkeiten des oberen und des
unteren horizontalen Glieds 11, 12 auch die Steifigkeiten der
flexiblen Teile 11a, 11b, 12a, 12b ein.
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Die wesentliche Steifigkeit jedes der horizontalen
Glieder 11, 12 schließt einen Einfluss der Steifigkeit des
beweglichen oder des festen Ständers 13, 14 ein, an dem die
horizontalen Glieder 11, 12 befestigt sind, wenn die
Steifigkeit des beweglichen oder des festen Ständers 13 bzw.
14 zu schwach ist, um außer Betracht gelassen zu werden.
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Als eine Änderung der ersten Ausgestaltung, bei der
zwischen dem oberen und dem unteren horizontalen Glied 11, 12
ein Steifigkeitsunterschied besteht, kann der bewegliche oder
der feste Ständer 13 bzw. 14 eine verringerte Steifigkeit
haben, so dass die Steifigkeit des horizontalen Glieds, das
weiter vom elastischen Verbindungshebelpunkt 51 entfernt ist,
d. h. in der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung die Steifigkeit
des oberen horizontalen Glieds 11, scheinbar schwächer als die
Steifigkeit des unteren horizontalen Glieds 12 gemacht wird.
Eine solche Änderung kann die Betriebseffekte erzeugen, die
den durch die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Anordnung
erzeugten entsprechen. Die Erfindung schließt auch eine solche
Anordnung ein.
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Fig. 6 (A) und Fig. 6 (B) zeigen die Anordnungen eines
spezifischen Beispiels, bei dem die Steifigkeit des oberen
horizontalen Glieds 11 verglichen mit dem unteren horizontalen
Glied 12 durch Schwächen der Steifigkeit des beweglichen
Ständers 13 scheinbar geschwächt ist.
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In Fig. 6 (A) ist ein Schlitz 13a in der Nähe des
Ständerteils, an dem das obere horizontale Glied 11 befestigt
ist, im beweglichen Ständer 13 senkrecht eingeformt. Das
schwächt die Steifigkeit des beweglichen Ständers 13 in einer
horizontalen Richtung.
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In Fig. 6 (B) ist der bewegliche Träger 13 in der Nähe
der Ständerteile, an denen das obere horizontale Glied 11
beziehungsweise das untere horizontale Glied 12 befestigt ist,
schlank geformt. In diesem Fall wird eine Beziehung L1 < L2
aufgestellt. Auch das schwächt die Steifigkeit des beweglichen
Ständers 13 in einer horizontalen Richtung.
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Es versteht sich, dass es noch andere Strukturen gibt,
die verwendet werden können, um die Steifigkeit eines
beweglichen Ständers 13 oder eines festen Ständers 14 zu
schwächen. Zum Beispiel wäre es mit einem beweglichen Ständer
13 oder einem festen Ständer 14, der entlang seiner ganzen
Höhe oder eines Teils davon schlank ist, möglich, die Bewegung
des Punktes K, wie oben besprochen, zu eliminieren.
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In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung der Erfindung
befindet sich der Hebel 30 an einer Position, die näher am
oberen horizontalen Glied 11 liegt als am unteren horizontalen
Glied 12. Der Hebel 30 kann aber auch an einer Position
angeordnet sein, die näher am unteren horizontalen Glied 14
liegt. In einer solchen Anordnung ist der elastische
Verbindungshebelpunkt 51, durch den der Kraftpunkt 32 mit dem
beweglichen Ständer 13 verbunden ist, vorteilhafterweise
hinsichtlich der Präzision an einer Position angeordnet, die
näher am oberen horizontalen Glied 11 liegt. Dementsprechend
muss das obere horizontale Glied 11 verglichen mit dem unteren
horizontalen Glied 12 eine höhere Steifigkeit erhalten. Es
versteht sich von selbst, dass die Erfindung eine solche
Anordnung auch einschließt.
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Des weiteren wird die vorliegende Erfindung in jeder der
oben erwähnten Ausgestaltungen auf eine elektronische Waage
der Art mit elektromagnetischem Gleichgewicht angewendet, die
die elektromagnetische Kraft erzeugende Vorrichtung 40 als
einen Kraftmessteil verwendet. Selbstverständlich kann die
vorliegende Erfindung auch auf eine elektronische Waage
angewendet werden, die einen Kraftmessteil einer anderen Art
hat,
wie z. B. einer Wägezelle oder dergleichen.