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Waage, insbesondere für chemisch-analytische Zwecke, zum selbsttätigen
Einwägen kleiner Mengen von vorzugsweise nicht pulverförmigen festen Substanzen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Waage, insbesondere für chemisch-analytische
Zwecke, zum Einwägen kleiner Mengen von vorzugsweise nicht pulverförmigen, festen
Substanzen mit elektronisch gesteuerter Vibrationszuführung des Wägegutes zur Lastschale
und einer Einrichtung (z. B. Federn) zur Begrenzung der Waagebalkenneigung, die
auch die auf die Lastschale aufzubringende Schüttgutmenge reguliert. Die Einwägungen
bewegen sich in der Regel zwischen O,IOO bis 5 g, meist sind es I g, wobei der Wägefehler
kleiner als + o,5/o sein soll.
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Die zu analysierenden festen Substanzen liegen nicht immer in pulverförmiger
Beschaffenheit vor.
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Es handelt sich sehr häufig um Substanzen, die wegen ihrer Härte oder
aus anderen Gründen nicht ohne weiteres zerkleinert werden können. Sie liegen dann
in Spanform oder als Kristalle usw. vor, von denen sogar jedes einzelne Teilchen
häufig wesaentlich mehr wiegt als o,5°/o der obengenannten Einwaage.
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Die bekanntgewordenen Vorrichtungen der vorstehend genannten Art
zum Einwägen oder Abfüllen versagen hier, denn sie gestatten keinen Austausch solcher
Partikel, die einmal auf die Lastschale derartiger Waagen gefallen sind, gegen andere,
gewichtsmäßig besser passende.
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Bisher arbeitet jedes Laboratorium noch mit von Hand hergestellten
Einwaage an normalen, nicht automatisierten Analysenwaagen.
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Demgegenüber bezweckt die Erfindung und macht es überhaupt erst möglich,
daß auch solche
Substanzen der obengenannten Beschaffenheit selbsttätig
eingewogen werden können. Sie besteht im wesentlichen darin, daß bei einer Waage
der vorstehend genannten Art auch die Lastschale selbst mit einem eigenen, elektronisch
gesteuerten und bei Übergewicht auf der Lastschale eingeschaltetenVibrationssystem
versehen ist. Dieses tritt mit der bekannten Zuführschütte durch einen ebenfalls
bekannten Potozellensteuerungsvorgang in Wechselwirkung. Wirft die Zuführschütte
zuviel Gut bzw. einen zu großen Körper auf die Lastschale ab, so reagiert die Lastschalenschütte
so, daß sie einen anderen abwirft, weil die Auftreffstelle des von der Zuführschütte
ausfließenden Gutes auf die Lastschalenschütte nicht mit der Abwurfstelle der letzteren
identisch ist.
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Zur Erzielung eines schnellen, einwandfreien Zusammenspiels beider
Schütten und damit einer schnellen, einwandfreien Einwaage sind gewisse Hilfsvorrichtungen
nötig, die nachstehend beschrieben werden. Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Auf der Grundplatte 1 befindet sich die senkrechte Säule 2, die den
Waagebalken 3 trägt, auf dessen Enden die Tragschalensysteme 4 und 5 auf gehängt
sind. Die Waage ist mit dem allgemein üblichen Arretierungsmechanismus ausgerüstet,
bei welchem durch ein Hebelsystem die Schneiden des Waagebalkens und der Tragschalengehänge
von ihren Unterlagen abgehoben werden können, sobald der Wägungsvorgang beendet
ist. Zur besseren Übersichtlichkeit ist diese allgemein bekannte Arretierungsvorrichtung
in der Zeichnung fortgelassen worden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird
der Arretierungsmechanismus nicht von Hand, sondern durch einen Elektromotor betrieben,
der noch andere, nachstehend beschriebene Funktionen zu erfüllen hat. Der Balken
3 ist durch den Metallstab 6 verlängert und trägt an seinem Ende die Metallfahne
7, die im Lichtweg der Fotozellen 29, 30 und 34 liegt und gegenüber der Fotozelle
34 eine z. B. kreisförmige Öffnung 37 hat.
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Oberhalb des Balkens 3 befinden sich die Blattfedern 8 und 9. Das
eine Ende jeder Blattfeder 8 und g ist starr mit der Grundplatte I durch die teilweise
eingezeichneten Träger 35 und 36 verbunden.
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Das freie Ende jeder Feder 8 und 9 liegt etwa I bis 2 mm oberhalb
der Nasen 10 und I I des Balkens 3. Dieser Abstand von den Nasen 10 und II ist verstellbar.
Unterhalb der Tragschale 4 ist in bekannter Weise der Dämpfungstopf I2 angebracht,
der mit einem solehen Spiel in den unten geschlossen Topf I3 eintaucht, daß die
Schwingungen der Waage aperiodisch gedämpft werden. Die Tragschale 4 dient zur Aufnahme
des Gewichtes I4, das der gewünschten Einwaagemenge entspricht. Das Tragschalensystem
5 besteht aus dem Gehänge I5, an dem über einen Metallkörper I6 und zwei Zugfedern
17 ein Vibrationssystem hängt, bestehend aus der schwingfähigen Zunge I8 mit der
leicht geneigten Schale 19 und dem kleinen Elektromagnet 20. Die Stromzuführungen
der Magnetspule 20 in Form von dünnen Platindrähten tauchen itl zwei mit Quecksilber
gefüllte Tröge 2I und 22 ein, die auf der Grundplatte I befestigt sind. Oberhalb
der Schale I9 befindet sich die Schale 23, die mit der Zunge 24 und dem Elektromagnet
25 ebenfalls zu einem Vibrationssystem vereinigt ist, das an der senkrechten Wand
26 befestigt ist. Die Wand 26 ist auf der Grundplatte Isaufgeschraubt und besitzt
eine Öffnung, durch die der Schlitten 27, auf dem das Gefäß 28 steht, mit Hilfe
des schon erwähnten, jedoch nicht eingezeichneten Motors der Arretierungsvorrichtung
bewegt wird. Zwischen Schale 19 und Schale 23 befindet sich im arretierten Zustand
der Waage eine ausgezogen gezeichnete horizontale flache Schale 33, deren Fiihnrng
nicht gezeichnet ist, und die im entarretierten Zustand sich in der Zeichnung mit
der eingezeichneten Neigung dort befindet, wo sie gestrichelt gezeichnet ist. Sie
wird ebenfalls durch den erwähnten Motor der Arretierungsvorrichtung bewegt.
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In Fig. 2 ist senkrecht zur Bildebene von Fig. I die Anordnung der
Fahne 7, der Fotozellen 29, 30 und 34 im Lichtweg dargestellt, der von der Glühlampe
31 über die Sammellinse 32 ausgeht. Zwischen der Fahne 7 und den Fotozellen 29,
30 und 34 sind mehrere veränderliche Blenden angebracht.
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In Fig. 3 ist die Anordnung dieser Blenden dargestellt. Die Blende
38 besitzt die kreisförmige Öffnung 39, die sich mit der gleich großen Öffnung 37
der Fahne 7 deckt, sofern die Waage sich im Gleichgewicht befindet, Die Fotozelle
29 hat eine Blen!de, die aus dem festen Teilstück 40 und den einstellbaren Teilstücken
41 und 42 besteht. Die Fotozelle 30 besitzt die Blenden 43, 44 und 45 in der gleichen
Anordnung. In der Zeichnung sind die von den Blenden freigelassenen Lichtwege für
die Fotozelle schraffiert gezeichnet.
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Der elektrische Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im Schaltbild
Fig. 4 dargestellt.
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In dem Anodenkreis der Elektronenröhre 46, die von der Sekundärwicklung
47 eines Netztransformators mit Wechselstrom von 50 Hz gespeist wird, liegen die
Spulen des Elektromagneten 25 und des Relais 48. In. gleicher Art sind die Elektronenröhre
49 mit dem Elektromagnet 20 und Relais 50 geschaltet. Die parallel zu dem Relais
48 liegende Kombination von Kondensator 51 und Widerstand 52 dient zur Regelung
der Ansprechempfindlichkeit desselben. Der Kondensator 53 und Widerstand 54 dienen
dem gleichen Zweck bei Relais 50. Von der Netztrafospule 47 werden über den Spannungsteiler
55 und 56 die Fotozellen 29 und 30 gespeist.
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Die Gittervorspannungen für die Röhren 46 und 49 werden der Sekundärwicklung
57 des Netztransformators über die Spannungsteiler 58 und 59 entnomimen. Die Widerstände
60 und 6I sind mit den Fotozellen 30 und 29 Spannungsteiler für die Steuergitter
der Röhren 49 und 46. Die Kombination der Widerstände62 und 63 über die Schalter
64 und 65, sowie die Kombination der Widerstände 66 und 67 über die Schalter 68
und 69 dienen je nach Betätigung der genannten Schalter zur Herabsetzung der negativen
Gittervorspannungen der
Röhren 46 und 49, wodurch ein verstärkter
Anodenstrom fließt.
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Die Kombination aus Relais 70 und Kondensator7I mit den Schaltern
73 und 74, sowie Relais 75 mit Widerstand 76, wobei Schalter 73 Ruhekontakt des
Relais 75 und Schalter 74 Ruhekontakt des Relais 70 sind, dient zur Steuerung der
Zeit, in welcher die Elektromagnete 25 und 20 in Tätigkeit sind mit Hilfe des Arbeitskontaktes
77 von Relais 75, des Ruhekontaktes 78 von Relais 70 über Ruhekontakt 79 von Relais
48 und über Ruhekontakt 80 von Relais 50.
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Eine weitere Kombination, bestehend aus dem Kondensator 8I, dem Relais
82, den Widerständen 83 und 84, betätigt die hereits genannten Schalter 65 und 68.
Diese letztere Kombination, sowie die vorgenannte zur Steuerung der Zeit werden
durch Schließen des Kontaktes 85, der mit dem Entarretierungsvorgang gekoppelt ist,
in Tätigkeit gesetzt und umgekehrt durch Öffnen desselben Schalters 85 sowie Schließen
des Schalters 86, wobei beide mit'dem Arretierungsvorgang gekoppelt sind, außer
Betrieb gesetzt. Ebenso werden die genannten Schalter 64 und 69 durch den Arretierungsmechanismus
geschlossen bzw. beim Entarretieren geöffnet.
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Die schon genannte Fotozelle 34 ist mit einem handelsüblichen Verstärker
zum Betrieb des die Arretierung und Entarretierung betreibenden Motors zusammengeschaltet,
auf dessen Beschreibung hier verzichtet wird. Der Verstärker ist so bemessen, daß
er nach Ablauf derjenigen Zeit schaltet, die der zweifachen Schwingungsdauer der
Waage gleich ist. Bei der nachfolgenden Beschreibung der Funktion der Waage ist
dieser Verstärker als »Verstärker Fotozelle 34« bezeichnet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die an Hand von Fig. I bis 4 vorstehend
beschrieben wurde, arbeitet vollautomatisch wie folgt: Nachdem das zur Einwaage
kommende Material auf die obere feste Schiale 23 in genügender, die geforderte Einwaage
um etwa das Zweifache oder mehr überschreitender Menge gebracht ist, wird die Waage
entarretiert durch Betätigung eines Druckknopfes, der den »Verstärker Fotozelle
34« auslöst. Dieser Entarretierungsvorgang Ibetätigt über Schalter 85 den Zeitsteuerteil
und das Relais 82 über Kondensator 81.
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Die Kontakte 68 und 65 schließen sich für etwa 2 Sekunden, wodurch
über die Widerstände 62, 63 und 66, 67 die Gittervorspannungen der Röhren 46 und
49 positiver werden. Es fließt nun für diese Zeit ein verstärkter, mit 50 Hz welliger
Anodenstrom durch die Elektromagnete 25 und 20. Dadurch gerät die Schale 23 in Vibrationen,
wodurch das Gut kontinuierlich auf die Tragsohale 19 geschüttelt wird. Ebenso wird
die Schale 19 in Vibration versetzt, wodurch sie sich bis zur Abwurfstelle mit Material
füllt. Nachdem etwa 2 Sekunden verstrichen sind, steuert die Fotozelle 29 den weiteren
Vorgang. In der Nähe der richtigen Einwaage erfolgen die Vibrationen der Schale
23 durch Steuerung der Fotozelle 29 schwächer und erreichen schließlich einen unteren
Schwellwert, wodurch Relais 48 abfällt und Ruhekontakt 79 geschlossen wird.
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Der Ruhekontakt 78 von Relais 70 bewirkt jetzt ein intermittierendes,
dem Arbeiten des Zeitsteuerteils (Relais 70, Kondensator 7I, Relais 75, Widerstand
76) entsprechendes Vibrieren der Schale 23. Diese durch den intermittierenden Vorgang
hervorgerufenen Pausen, die maximal gleich der aperiodischen Schwingungsdauer des
Waagensystems sind, sorgen für ein freies Einpendeln der Waage.
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Ist nun zuviel Gut auf die Schale 19 gelangt, so setzt sich diese,
nachdem die Tätigkeit der Schale 23 durch die Fotozelle 29 gesperrt wurde, in Tätigkeit
und schüttet durch Steuerung der Fotozelle 30 überschüssiges Material durch eine
Öffnung in der Grundplatte ab in der gleichen Weise wie bei der Schale 23 beschrieben,
d. h. ist wesentlich zuviel Gut aufgebracht worden, so vibriert sie also proportional
der zuviel aufgebrachten Menge mehr oder weniger stark, in der Nähe der richtigen
Einwaage wieder nur kurzzeitig mit den gleichen Pausen wie oben. Hat sie etwa zuviel
abgeworfen, so setzt sich Schale 23 wieder in Tätigkeit, während Schale 19 gesperrt
wird. Auf diese Weise kann Gut ausgetauscht werden, was besonders bei gröberem Material
wichtig ist, da es ja in den seltensten Fällen auf Anhieb gelingen wird, ein solches
Teilchen auf die Schale 19 zu bringen, daß es ein bestehendes Defizit im Gewicht
gerade ausgleicht. Manipulationsmäßig tut also die Waage genau das gleiche, was
der Laborant bei der durch Hand getätigten Einwaage macht, indem er das eine Teilchen
heruntern;immt und durch ein anderes ersetzt.
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Nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes, das eine einstelllare
Fehlerbreite kleiner als + 3 mg hat, schaltet sich die Waage durch den Motor über
»Verstärker Fotozelle 34« ab und wird von diesem arretiert.
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Die erfolgte Arretierung löst durch den elektrischen Teil nach Fig.
4 eine stärkere Vibration beider Schalen aus. Dieser Vorgang kommt dadurch zustande,
daß Schalter 85 geöffnet und 86 geschlossen wird,. wodurch Kondensator 8I über Relais
82 und Widerstand 84 entladen wird. Relais 82 zieht etwa 8 Sekunden lang und betätigt
die auf ihm angebrachten Arbeitskontakte 68 und 65, wobei die Schalter 69 und 64
geschlossen sind. Wie beim Entarretieren findet jetzt ein verstärktes Vibrieren
der Schalen 19 und 23 statt, das durch Kurzschluß der Widerstände 67 und 63 stärker
ist, als beim Beginn des Wägevorganges nach erfolgter Entarretierung.
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Dadurch schüttet die Schale 19 das eingewogene Gut in das auf dem
Schlitten 27, der mit der Arretierung an die Tragschale 19 herangeführt wird und
die Öffnung in der Grundplatte verdeckt, stehende Gefäß 28, während die Schale 23
ihr überschüssiges Gut auf die ebenso durch den Arretierungsvorgang herangebrachte
flache Schale 33 schüttet, die dann zwischen beiden Schalen 19 und 23 steht.
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Danach kann neues Gut auf die Schale 19 aufgebracht werden. Beim
Entarretieren gibt der Schlitten 27 die Öffnung in der Grundplatte wieder frei und
bringt gleichzeitig das Gefäß 28 mit der
vorherigen Einwaage an
einen der Hand des Laboranten zugänglicheren Ort nach außen und ebenso die die beiden
Schalen trennende Schale 33 an den anderen Ort, wo der auf ihr von der vorigen Einwaage
ülbriggebliebene Überschuß in die Öffnung der Grundplatte geschüttet wird. Es setzt
sich gleichzeitig der neue Einwägungsvorgang in der oben beschriebenen Weise wieder
in Gang.
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Betreffs der Wirkungsweise und Wichtigkeit der in einem gewissen
Abstand von der Nullpunktlage des Balkens 3 erst wirksam werdenden, zusätzlich auf
den Balken 3 drückenden Blattfedern 8 und 9 sei betont, daß ohne solche zusätzlich
auf den Balken 3 ausgeübten mechanischen Kräfte bei der jeweiligen Empfindlichkeit
der zur Verwendung gelangenden Waagentype sehr leicht der Neigungswinkel des Balkens
3 und damit die Belichtung der jeweiligen Fotozelle 29 oder 30 das Maximum erreichen
würde, wodurch ein kontinuierliches Steuern der Vibrationsamplitude entsprechend
den Gewichtsdifferenzen nicht möglich wäre. Da die Federn 8 und 9 den Balken 3 bei
seiner Nullpunktlage jedoch nicht berühren, behält die Waage im Abschaltbereich
die volle, uneingeschränkte und ihrer Konstruktion entsprechende Empfindlichkeit.
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Für solche Fälle, bei denen von ein und demselben Probegut eine beliebige
Zahl von Wägungen hintereinander selbsttätig durchgeführt werden sollen, kann die
erfindungsgemäße Vorrichtung, sofern der mit dem Vibrationssystem 24 verbundene
Wägegutvorratsbehälter 23 genügend groß bemessen ist, durch eine Transporteinrichtung
in Form eines Förderbandes, Drehtellers od. dgl. zur Aufnahme der mit der abgewogenen
Substanz zu füllenden Gefäße ergänzt werden. Die Steuerung dieser zusätzlichen Einrichtung
geschieht dann wieder durch den beschriebenen Entarretierungs-und Arretierungsmechanismus,
wobei der Entarretierungsmechanismus dann nicht von Hand, sondern in bekannter Weise
durch ein weiteres Zeitrelais und Motorkraft bewerkstelligt wird. Es ist weiterhin
ohne Schwierigkeit möglich, die Automatisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mittels der zuletzt erwähnten Transporteinrichtungen auf solche Fälle auszudehnen,
bei welchen verschiedenartiges Probegut hintereinander zur Einwaage gelangen soll.
In analoger Weise ist hier das Heranführen von Substanzbehältern an den Wägegutvorratsbehälter
23 und das Entleeren oder Teilentleeren in denselben in bekannter Weise mit Hilfe
selbsttätig arbeitender Transporteinrichtungen möglich.