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Elektrische Präzisionswaage
Die Erfindung hat eine elektrische Prazisionswaage,
insbesondere eine sog. Feinwaage für kleinste Gewichte, zum Gegenstand, bei der
ein mit dem Ausschlag des Waagebalkendrehsystems wachsendes Gegendrehmoment auf
elektromagnetischem Wege erzeugt wird und bei der ferner der Abgleichvorgang selbsttätig
vor sich geht, so daß nach dem Auflegen des Wägegutes ohne eine Regelung oder Einstellung
von Hand sofort das gesuchte Gewicht abgelesen werden kann.
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Die Präzisionswaage nach der Erfindung besitzt ein Waagebalkendrehsystem
mit beleuchtetem Spiegel und das Gegendrehmoment erzeugender Elektromagnetspule,
an die eine vorzugsweise mit Stromverstärker ausgerüstete Fotozellenanordnung angeschlossen
ist, die beim Auflegen des Wägegutes mit wachsendem Ausschlag des Drehsystems infolge
sich dabei ändernder Belichtung durch den wandernden Spiegelstrahl der Magnetspule
einen selbsttätig bis zur Herstellung des Gleichgewichtszustandes anwachsenden Strom
zuführt, der durch einen zwecksmäßig in Gewichtseinlheiten geeichten Strommesser
angezeigt bzw. registriert oder für Steuerzwecke benutzt wird.
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Ist beispielsweise die Fotozellenanordnung so ausgebildet, daß ein
breiter Spiegellichtstrahl in der
Ausgangsstellung des Waagebalkendrehsystems
nur den Randteil und dann mit wachsendem Ausschlag eine immer größere Fläche der
lichtempfindlichen Zelle belichtet, so wird bei Belastung des Waagebalkens mit zunehmender
Verdrehung des Systems der über die Magnetspule fließende Strom so lange anwachsen,
bis schließlich das Waagebalkendreh: moment gleich groß ist wie das Gegendrehmoment
der Magnetspule. Der über die Magnetspule dann fließende, von der Fotozellenanordnung
hervorgerufene Strom ist daher ein Maß für das gesuchte Gewicht. Die Einstellung
auf den Gleichgewichtszustand erfolgt mit großer Genauigkeit in Bruchteilen einer
Sekunde. Eine bisher meist übliche Abgleichung von Hand fällt weg. Es ist lediglich
das Wägegut aufzulegen. Die Arbeitsleistung der neuen Waage übersteigt die der bisher
gebräuchlichen um ein Vielfaches.
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Ein wesentlicher Vorteil der neuen Waage liegt ferner darin, daß
die Empfindlichkeit bzw. der Meßbereich innerhalb weiter Grenzen auf einfachste
Weise nach Belieben eingestellt werden können, beispielsweise durch Parallelschaltung
eines Nebenschlußwiderstandes zur Magnetspule. Mittels eines solchen Nebenschlußwiderstandes
kann ferner leicht erreicht werden, daß bei Verwendung üblicher vorhandener Strommesser
die Werte der dortigen Skaleneinteilung jeweils dem Gewichtswert entsprechen, daß
beispielsweise ein 50 mg Gewicht den Strommesserzeiger auf den Skalenwert 50 bringt.
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Die Gewichts-S trom-Öharakteristik der neuen Waage läßt sich ebenfalls
nach Belieben einstellen, etwa linear gestalten, z. B. durch geeignete Aus bildung
des elektromagnetischen Drehsystems bzw. durch geeignete Gestaltung der Magnetpole.
iDas elektromagnetische Gegendrehmoment kann auf irgendeine der bei eTektrischen
Meßinstrumenten bekannten Arten erzielt werden. Es kann beispielsweise die von der
Fotozellenanordnung gesteuerte Magnetspule auf dem beweglichen System oder am ortsfesten
Teil der Waage angeordnet sein und mit einem auf dem anderen Teil der Waage sitzenden
Weicheisenkern, wDauermagneten oder Elektromagneten mit konstanter Stromstärke zusammenwirken.
Desgleichen sind auch die Lagerung, federnde Halterung oder Aufhängung des beweglichen
Waagebalkendrelisystems nach verschiedenen, an sich bekannten Möglichkeiten ausführbar.
Insoweit zur Festlegung einer bestimmten Ausgangsstellung- des Drehsystems oder
zur Stromzuführung Hilfsfedern Verwendung finden, empfiehlt es sich, deren Richtkraft
möglichst gering zu halten, so daß beim Wiegen die Abgleichung praktisch ausschließlich
durch das freie Gegenspiel des Waagebalkendrehmoments und des Magnetspuldrehmoments
erfolgt.
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In der Zeichnung ist als Ausfithrungsbeispid eine nach der Erfindung
ausgebildete Präzisionswaage schematisch dargestellt.
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Zwischen den beiden Polen des Dauermagneten I ist die waagerecht
liegende Systemachse 21 mit dem Waagebalken 3, dem Spiegel 4 und der Elektromagnetspule
5 angeordnet, die bei Stromfluß über die beiden Spiralfedern 6 ein dem belasteten
Waagebalken entgegenwirkendes Drehmoment erzeugt.
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Die Lagerung der Systemachse 2 ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
Statt einer Spitzenlagerung empfiehlt sich für kleinste Meßbereiche eine Spannbandaufhängung
oder die Refestigung der Drehachse an den freien inneren Enden von zwei in gleichem
Sinn gewickelten, gegebenenfalls auch zur Stromzuführung dienenden Spiralfedern.
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Blei dem dargestellten Gleichgewichtszustand belichtet der von der
Lichtquelle 7 bestrahlte Spiegel 4 etwa die Hälfte der lichtempfindlichen Fläche
der im Gitterkreis eines Röhrenverstärkerst 8 liegenden Fotozelle 9 und bewirkt
einen vom Strom messer 10 angezeigten, teilweise iiber die Magnetspule 5 fließenden
Strom. Der Nebenschlußwiderstand ii dient zur Erzielung des gewünschten Meß bereiches.
Bei der dargestellten Waage ist die Fotozellenanordnung so getroffen, daß der Ver
stärkerstrom zunimmt, wenn die Fotozellenbelichtung abnimmt; infolgedessen ist die
Fotozelle so gestellt, daß beim Verdrehen des Systems durch den belasteten Waageballçen
die Belichtung geringer wird. Je mehr durch Auflegen von immer schwereren Gewichten
der Waagebalken nach abwärts verdreht wird, um so mehr geht die Blelichtung der
Fotozelle zurück und steigt der Magnetspulenstrom an. Im Gleichgewichtszustand gibt
dann der Strommesser das Gewicht des Wägegutes 12 von beispielsweise 2 mg an.
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Die neue Waage gestattet eine vielseitige Verwendung. Sie kann beispielsweise
auch zur Überwachung bzw. dauernden Registrierung von irgendwelchen physikalischen
oder chemischen Größen dienen, die das Gewicht eines am Waagebalken hängenden Prüfkörpers
beeinflussen; etwa zur Registierung der Luftfeuchtigkeit durch Verwendung eines
hygroskopischen Prüfkörpers.
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Für feinste Wägungen, bei denen die Abmessungen und Massen des Waagebaikendrehsystems
außerordentlich gering gehalten werden müssen, ist von großer Bledeutung, daß bei
der neuen, gegebenenfalls nur einen feinen Quarzfaden als Waagebalken aufweisenden
Waage lediglich am Achsendrehpunkt ein winziges Spiegelchen angeordnet werden muß,
das die Möglichkeit bietet, bei entsprechend großer Lichtstrahllänge große Lichtflächenwanderungen
an der Fotozelle zu erreichen, und zwar bei derart kleinen Winkelausschlägen, daß
ein Tangentenfehler der Hebelarmbewegung nicht in Erscheinung tritt und das Drehsystem
innerhalb seines winzigen Ausschlagbereiches in homogenen Feldverhältnissen spielt.
Der Versuch, unter Verwendung von Fotozellen auf andere Weise, etwa durch Blenden
u. dgl., gleich gute Ergebnisse zu erzielen, führt in keinem Falle zum Erfolg, weil
dann unvermeidlich erhebliche Blendenwege notwendig werden, die nur durch große
Systemausschläge oder umständliche, das Systemgewicht unzulässig vergrößernde mechanische
Anordnungen, etwa Hebelgestänge u. dgl., zu erreichen sind.
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Es hat sich ferner als- besonders vorteilhaft her-
ausgestellt,
den Röhrenverstärker mit einer an sich bekannten Brückenschaltung zu kombinieren,
und zwar derart, daß die Röhre in einem der vier Brückeazweige liegt, während die
anderen drei ,3rüclienzweige übliche feste Widerstände enthalten.
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In der einen Dliagonalverbindung der Brücke wird das zur Gewichtsanzeige
dienende Mleßinstrument in Reihe mit der Magnetspule gelegt. In die andere Diagonalleitung
wird die Anodenbatterie der Röhre eingeschaltet. Die Brücke ist nun so abgeglichen
und die Fotozelle so eingestellt, daß bei der Nullstellung des Waagebalkens bereits
eine gewisse Vorbelichtung der Fotozelle stattfindet und demgemäß schon ein gewisser
Vorstrom durch die Röhre fließt, aber dabei die das Meßinstrument enthaltende Diagonalleitung
noch vollkommen stromlos bleibt. Erst beim Auflegen eines Gewichts auf den Waagebalken
tritt in dieser Diagonalleitung ein Strom auf. Durch eine derartige Anordnung läßt
sich erreichen, daß beim Wiegen immer nur im oberen, geradlinig verlaufend:en Teil
der Röhrenkennlinie gearbeitet wird. Es läßt sich dann leichter die Gewichtsanzeige
mit der linearen Skaleneinteilung eines Präzisionsinstrumentes von höchster Ablesegenauigkeit
in tbereinstimmung bringen. Günstig ist dabei auch, daß die beim Auflegen und Abheben
der Gewichte unvermeidlich auftretenden Pendeierscheinungen des Waagebalkendrehsystems,
bei denen der Waagebalken auch nach oben hin über seine Nullstellung hinausschwingt,
schneller gedämpft werden, weil beim Nachobeuschwingen des Waagebalkens jetzt in
der Diagonal leitung und damit in der Magnetspule ein entgegengesetzt gerichteter
Strom auftritt, der den Waagebalken zur Nullstellung hin nach unten drückt.