DE7427825U - Auftriebswaage - Google Patents

Description

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Mettler Instrumente AG, Greifensee (Schweiz)

Auftriebswaage

Geger.jtand der Erfindung ist eine Auftriebswaage mit einem in einer Flüssigkeit schwebenden Auftriebskörper und einer mit diesem gekoppelten Lastschale.

Derartige Waagen basieren auf der physikalischen Gesetzmässigkeit, dass ein in eine Flüssigkeit eintauchender Körper so viel an Gewicht veiliert, wie die von ihm verdrängte Flüssigkeit wiegt. Ein grosser Vorteil dieser Waagen liegt darin, dass man sie praktisch frei von mechanischer Reibung verwirklichen kann.

Waagen der hier betrachteten Art sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt geworden (vgl. z.B. die

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deutschen Patente 5931 oder 335 786 für oberschalige Waagen, das schweizerische Patent 74648 oder das US-Patent 2,544,032 für unterschalige Waagen). Allen bekannten Waagen ist ein Wesensmerkmal gemeinsam: Bei einer Bewegung der Lastschale, wie sie durch eine Aenderung der Last hervorgerufen wird, ändert sich die Eintauchtiefe eines Verdrängungskörpers so lange, bis die Lastzunahme durch den Auftriebsgewinn ausgeglichen ist. Der erwähnte Verdrängungskörper ist im allgemeinen ein den Auftriebskörper mit der Lastschale (direkt oder aber indirekt, d.h. über ein Gestänge) verbindendes Element, meist in Form einer eine Grenzfläche der Flüssigkeit durchstossenden Druckstange. Da dieses Element aus mechanischen Gründen (Festigkeit) einen vom Maximalgewicht (Totlast und Wägebereich) abhängigen Mindestquerschhitt aufweisen muss, ist die Empfindlichkeit der Waage, also die Aenderung der Eintauchtiefe je Einheit der Laständerung, vom Gesamtgewicht abhängig und daher relativ niedrig.

Aufgabe der Erfindung war es, die Empfindlichkeit wesentlich zu steigern, unabhängig vom Gesamtgewicht. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einer Waage der eingangs erwähnten Art Mittel vorgesehen sind, »eiche cLie durch die Bewegung der Lastschale hervorgerufene Aenderung des Auftriebs teilweise kompensieren. Hit anderen

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Worten: Der Auftriebsänderung aus dem veränderten Eintauchen eines Verdrängungskörpers wird eine entgegengerichtete Kraft/ verursacht durch die erfIndungsgemässen Mittel, zugeordnet, woraus bei einer gegebenen Laständerung ein grösserer Weg der Lastschale resultiert. Je nach der Wahl und Anordnung der Mittel lassen sich beliebige resultierende Auftriebskennlinien linearer oder nichtlinearer Gestalt erzeugen (wobei normalerweise eine lineare Kennlinie erwünscht sein wird), wodurch eine nahezu beliebig grosse Empfindlichkeit erreichbar ist. Durch Verwendung von Substitutionsgewichten kann dabei der Wägebereich über den eigentlichen Einstellbereich, der durch die ob e bzw. untere Grenzlage des Auftriebskörpers limitiert ist, hinaus wesentlich erweitert werden.

Die Wahl der Mittel zur teilweisen Kompensation der Auftriebsänderung ist grundsätzlich frei. So ist z.B. denkbar, mechanische Mittel vorzusehen. Diese würden jedoch sowohl einen gewissen "Umweg" als auch einen nennenswerten Aufwand bedeuten, zumal ja mechanische Reibung vermieden werden soll. Denkbar sind ferner magnetische Mittel, denen jedoch das Problem entgegensteht, dass diese im allgemeinen nur kleine Wege er lauben, wogegen hier relativ grosse Lageänderungen des Auftriebskörpers erwünscht sind; sie werden dabei nur für Spezialfälle in· Betracht kommen. Eine- hier

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bevorzugte Methode ist es, zur Erzielung der gewünschten Kompensationskraft wiederum den Auftrieb heranzuziehen. So können die Mittel beispielsweise ein mit dem Auftriebs körper verbundenes Gaspolster umfassen. Dieses Gaspolster wird beim Absenken deis Auftriebskörpers stärker zusammengedrückt und es resultiert ein Auftriebsverlust mi¹*·, etwa hyperbolischer Charakteristik. Eine Möglichkeit zur Erzielung eines linearen Auftriebsverlustes bein Absenken des Auftriebskörpers bildet die Anordnung eines eine Grenzfläche der Flüssigkeit durchstossenden Zusatzelemontes. Diese Möglichkeit lässt oich vorteilhaft insbesondere in der Form realisieren, dass dia Lastschale an einem Draht hängend unterhalb des Auftriebskörpers angeordnet ist und dass das Zusatzelement ein weiterer Draht ist/ wobei die beiden Drähte verschiedenen Querschnitte aufweisen. Eine solche Waage, die besonders für kleine Lasten geeignet ist, erlaubt extrem hohe Empfindlichkeiten durch Feinabstimmung der Drahtdurchmesser.

Eine andere bevorzugte Möglichkeit der Erzielung einer linearan Auftriebsgewinn- bzw. - verlustkennlinie ±st, insbesondere für Waagen mit von oben an den Auftriebskörper gekoppelten Druckstangen, dadurch gekennzeichnet, dass ausserhalb der Flüssigkeit ein separater flüssigkeitsgefüllter Behälter angeordnet ist und in diesen Behälter ein Rohr taucht, das mit einen zweiten Rohr in

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Verbindung steht, welches derart am Auftriebskörper befestigt ist, dass es sich ganz innerhalb der Flüssigkeit befindet.

Grundsätzlich kann bei der erfindungsgemässen Waage die Lastschaie ober- oder unterhalb oder auch neben dem Auftriebskörper angeordnet sein. Ist die Lastschale bei einer Waage mit Druckstange(n) unterhalb des Auftriebskörpers angeordnet, so wird sie vorzugsweise über ein Gelenk am Gestänge angekoppelt.

Bai höheren Anforderungen an die Genauigkeit und Empfindlichkeit der Waage beginnt sich die Oberflächenspannung der Flüssigkeit störend auszuwirken. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält daher die Flüssigkeit einen deren Oberflächenspannung verringernden Zusatz. Ferner besteht die Möglichkeit, die in die Flüssigkeit eintauchenden Elemente wenigstens teilweise mit einem Ueberzug zu versehen, der die Adhäsion der Flüssigkeit, an diesen Elementen Verändert.

Da der Auftrieb merklich von der Dichte der Flüssigkeit und damit von deren Temperatur abhängt, ist es insbesondere bei Absolutwägungen vorteilhaft, wenn die Flüssigkeit thermostatisiert wird. Für Relativmessungen (z.B. Gewichtsänderungen in Funktion der Zeit), spielen dagegen Temperaturänderungen häufig keine Rolle.

Die erfindungsgemässe Waage ist z.B. für die Erfassung von

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kleinen Gewichtsänderungen oder -differenzen bei grossem Absolutgewicht ttes Wägegutes hervorragend geeignet.

Einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Waage werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. In den nicht massstäblichen Zeichnungen stellen, dar

Figur 1 eine Ansicht, teilweise geschnitten, eines

ersten Ausführungsbeispiels, Figur 2 eine Ansicht,"teilweise geschnitten, einer

Variante zu Figur 1 und Figur 3 eine Ansicht, teilweise geschnitten, eines

weiteren Ausführungsbeispiels.

Gleiche oder ähnliche Teile sind in den einzelnen Figuren mit gleichen Zahlen bezeichnet.

Figur 1

Die Waage umfasst einen ortsfest angeordneten Behälter 10, weitgehend gefüllt mit Wasser (12). Im Wasser frei schwebend befindet sich als Auftriebskörper ein geschlossener Hohlkörper 14, der mittels einer Druckstange 16, die durch eine Oeffnung 18 geführt ist, mit einem Gestänge 20 starr verbunden ist. Unterhalb des Behälters 10 sind je eine Last- und eine Gewichtsschale (22 bzw. 24) angeordnet, getragen vom Gestänge 20.

Vor Beginn einer Wägung schwebt der Auftriebskörper 14 in seiner Nullage nahe seiner oberen Grenzstellung. Zur Wägung einer Last 26 werden so lange Gewichte 28 von der

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.Gewichtsschale 24 weggenommen, bis der Feinbereich wieder erreicht ist. Dieser ist bestimmt durch den Weg zwischen dem oberen und dem unteren Anschlag (nicht gezeichnet) des Auftriebskörpers 14 (und die damit verbundene Auftriebsänderung durch das unterschiedliche Eintauchen der Druckstange 16 sowie eines Teiles einer unten beschriebenen ^Einrichtung 33). Diesem Weg entspricht der Weg eines am Gestänge 20 befestigten Zeigers 30, der eine ortsfeste, in Gewichtseinheiten geeichte Skale 32 überstreicht. Das Gewicht der Last 26 ergibt sich in bekannter Weise 5US der lumme der entfernten Substitutionsgewichte 28 und der Anzeige auf der Skale 32.

Zur erfindungsgemässen Erhöhung der Empfindlichkeit dient folgende Einrichtung 33: Am Auftriebskörper 14 ist ein Rohrstück 32 befestigt. Dieses ist unten offen, und an seinem oberen, im übrigen geschlossenen Ende ist ein zweites, dünnes Rohr 36 angesetzt, das durch eine Oeffnung mit dem Inneren des Rohrstückes 34 kommuniziert. Das Rohr 36 ist durch eine Oeffnung 38 im Behälter 10 nac*> aussen geführt und mündet im im übrigen geschlossenen oberen Ende eines weiteren Rohrstückes 40. Dieses Rohrstück 40, unten offen, taucht vollständig in einen mit Wasser 42 gefüllten, oban offenen Behälter 44, der am Gestänge 20 angebracht ist.

Die Einrichtung 33 wirkt wie folge: Bei ^iner Gewichtszunahme (Last 26 abzüglich Wert der Substitutionsgewichte,

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di_ entfernt wurden) sinkt der Auftriebskörper 14 und mit ihm das Rohrstück 34 nach unten. Infolge des zunehmenden hydrostatischen Druckes steigt Wasser im Rohrstück nach oben und verdrängt etwas Luft aus dem Hohlraum 46 in den Hohlraum 48 des zweiten Rohrstückes 40, so dass der Auftrieb des Rohrstückes 34 sich verringert. Das Ausmass des daraus resultierenden Auftriebsverluster hängt ab vom Verhältnis der Innendurchmesser der Rohrstücke 34 und 40, wobei die Linearität von der Genauigkeit dieser Innendurchmesser bestimmt wird. Zweckmässigerweise ist der Innendurchmesser des Rohrstücks 40 merklich grosser als derjenige des Rohrstücks 34 zu wählen, um den die Linearität herabsetzenden Einfluss einer Aenderung des hydrostatischen Druckes -*αί das Luftvolumen (hyperbolische Charakteristik) zu verringern. Ferner ist es günstig, den Innendurchmesser des Verbindungsrohres (oder -Schlauches) 36 sehr klein zia halten, um den Einfluss von Temperaturänderungen auf das Luftvolumen zu reduzieren.

Das Wasser (12 und 42) enthält einen Zusatz von an sich bekanntem flüssigemEntspannungsmittei. Ferner können die Druckstange 16 und das Verhindungsrohr 36 mit einem Kunststoffüberzug versehen sein. Durch diese Massnahmen lässt.sich die Oberflächenspannung des Wassers und damit seine Adhäsion an den genannten Elementen so weit reduzieren, dass die Wägung hiervon praktisch nicht mehr beeinflusst wird.

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Eine Waage der hier vorgestellten Art wurde über längere Zeit als Patientenwaage eingesetzt. Die Lastschale 22 war als Patientensiti. gestaltet, und bei einem Wägebereich von 120 kg liessen sich die stoffwechselbedingten Gewichtsverluste in Funktion der Zeit bis auf etwa Io mg genau ermitteln. Hierzu wurde der Patient gewogen und dann, nach dessen Platzrahme auf der 'Lastschale' 22, in den Einstellbereich tariert und die genaue Zeigerstellu^.g (30/32) notiert. Sodann wurden 10 g auf der Gewichtsschale hinzugegeben. Hierauf wurde gewartet, bis die selbe Zeigerstellung wie vor der Zugabe des 10 g-Gewichtes wieder erreicht war, und die notwendige Zeit notiert. Aus diesen Angaben (Gewicht des Patienten und Abnahme seines Gewichts um 10 g in der ermittelten Zeit) konnte dann seine spezifische Gewichtsabnahme in mg pro kg Körpergewicht pro Minute errechnet werden, welche Zahl wervolle diagnostische Rückschlüsse erlaubt.

Es zeigte sich übrigens, dass die erwähnte Patientenwaage sehr robust und wartunsarm war. Die Wartung beschränkte sich im wesentlichen auf das Nachfüllen verdunsteten Wassers. Temperatureinflüsse spielten eine vernachlässigbar kleine Rolle. Ferner erwies sich, dass der Auftriebskörper 14 stets bestrebt war, frei zu schweben, d.h. nach einem etwaigen Anstossen an der Behälterwandlung nicht 'klebenblieb', sondern sich stets sofort wieder löste,

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Figur 2

Die hier dargestellte Waage ähnelt derjenigen nach Figur 1. Hier ist jedoch die Lastschale 22 über ein Gehänge 52 frei aufgehängt. Das Gelenk wird dJch einen am Gestänge 20 befestigten Haken 54 und eine Oese 56 am Gehänge 50 gebildet.

Die partielle Auftriebskompensation wird hier durch einen luftgefüllten, wasserdichten elastischen Ballon 58 bewirkt, der in einem zylindrischen Ansatz 60 am Auftriebskörper 3.4 gefangen ist. Bei einem Absinken des Auftriebskörpers 14 infolge einer Lastzunahme wird aufgrund des zunehmenden hydrostatischen Druckes das Volumen des Ballons 58 abnehmen, und somit die Auftriebszunähme der Druckstange 16 teilweise kompensiert werden. Das Mass der Kompensation hängt ab vom Volumen des Ballons 58 und dem Druck, unter dem die Luft darin steht.

Anstelle eines luft- bzw. gasgefüllten Ballons kann auch eine mit einer elastischen Membran abgeschlossene luftgefüllte oder evakuierte Kammer treten.

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Zur Eliminierung von Temperatureinflüssen auf Luftvolumen im Ballon 58 kann eine Thermostatisiervng vorgesehen werden.

Figur 3

Bei diesen Beispiel ist der Behälter 10 von einem Isoliersantel 62 umgeben. Der Behälter 10 ist oben geschlossen und unten versehen mit einer Blende 64, die mit vier

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Schrauben 66 am Behälter 10 fixiert ist. Durch eine zentrale Oeffnung 68 in dieser Blende tritt ein Draht 70, der die Verbindung zwischen dem Aufriebskörper 14 und dem Waagengehänge 50 bildet. Ein weiterer Draht 72, dessen Durchmesser geringfügig grosser ist als der des Drahtes 70, erstreckt sich vom Auftriebskörper 14 nach oben.

Bei einer Lastzunahme (26) wird sich der Auftriebskörper absenken, und ein Teil des Drahtes 70 tritt aus der Flüssigkeit 12 heraus (Auftriebsverlust), während gleichzeitig eine entsprechende Länge des Drahtes 72 in die Flüssigkeit hineintaucht (Auftriebsgewinn). Durch entsprechende Wahl der Durchmesser lassen sich somit höchste Empfindlichkeiten erzielen.

Wie ersichtlich ist, ist der Behälter 10 nicht ganz mit Flüssigkeit 12 gefüllt, so dass sich in seinem oberen Bereich eine unter unterdruck stehende Luftkammer 74 ausbildet. Dieser Unterdurck verhindert ein Auslaufen der Flüssigkeit 12 durch die Oeffnung 68.-

Es wurden einige Beispiele der erfindungsgemassen Waage beschrieben. Es wurde gezeigt, dass das Prinzip der teilweise kompensierten Auftriebsänderung die Möglichkeit bietet, hohe und höchste Emfnindlichkeiten bei grossest Wägebereich zu erzielen, was insbesondere für Vergleichsmessungen und die Ermittlungen von Gewichtsänderungen vorteilhaft ist.

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Die Erfindung kann auf mannigfache Art modifiziert werden. So kann es für manche Fälle zveckmässig sein, statt nur eines Auftriebskörpers d-».ren mehrere zu verwenden. Ausser Wasser kommen, je nach Aufgabenstellung, noch viele andere Flüssigkeiten in Betracht (v/enn auch Wasser in der Regel dij wirtschaftlichste Lösung darstellen dürfte), wobei von Fall zu Fall der Einfluss von Viskosität, Dichte (und deren Aenderung mit der Temperatur) und Oberflächenspannung zu berücksichtigen sind.

Anstatt nur einer Druckstange können, z.B, aus Stabilitätsgründen, deren mehrere vorgesehen sein. Auch können die Druckstangen sich ändernde Querschnitte aufweisen, um beispielsweise die Unlinearitäten der Kennlinie eines Gaspolste.s als Ausgleichselement zu kompensieren.

Die dargestellten Ausführungsformen sind neben ihrer • " prinzipiellen Robustheit verhältnismässig einfach herzu-■ stellen und damit, auch wegen ihrer weitgehenden Wartungsfreiheit, sehr wirtschaftlich. Natürlich lassen sich mancherlei Massnahmen zur Erhöhung das Bedienungskomforts treffen« so z.B. eine Mechanisierung der Operation der Gewichte oder eine Automatisierung der Anzeige, beispielsweise mit photoelektrischen Mitteln.

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Claims (7)

Schutzanspruehe

1. Auftriebswaage mit einem in einer Flüssigkeit schwebenden Auftriebskörper and einer mit diesem gekoppelten Lastschale, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (33ί 58; 72) vorgesehen sind, welche die durch die Biegung der Lastschale hervorgerufene Aenderung cies Auftriebs teilweise kompensieren.

2. Auftriebswaage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel ein mit dem Auftriebskörper verbundenes Gaspolster (58) umfassen.

3. Auftriebsvaage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel ein eine Grenzfläche der Flüssigkeit durchstossendes Züsatzelement (72) umfassen.

4. Auftriebswaage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastschale r.n einem Draht (70) hängend unterhalb des Auftriebskörpers (14) angeordnet ist und dass das Zusatzelement eine weiterer Draht (72) ist, wobei die beiden Drähte verschiedene Querschnitte aufweisen.

5. Auftriebswaage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausserhalb der Flüssigkeit ein separater flüssigkeitsgefüllter Behälter (44) angeordnet ist und in diesen Behälter ein Rohr (40) eintaucht, das mit einom zweiten Rohr (34) in Verbindung steht, welches derart am Auftriebskörper (14) befestigt ist, dass es sich ganz innerhalb der Flüssigkeit (12) befindet.

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-Z- 31« Oktober 1974

Akte: Qn 7772 amtliches Aktenzeichen: G 74 2? 825.4

6. Auftriebswaage nach Anspruch 1» bei welcher die Lastschale sich unterhalb des Agftriebskörpers befindet und über ein Gestänge mit diesem verbunden ist, dadurch gekennzei , hnet, daß die Lastschale über eir< Gelenk (52) air Gestänge (20) angekoppelt ist.

7. Auftriebswaage nach einem der Ansprüche 1 bis 6» d ε d u r c h

g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die in die Flüssigkeit eintauchenden Hemente wenigsten? teilweise mit einem Oberzug versehen sind, der die Adhäsion der Flüssigkeit an d-»psen Elementen verändert.

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