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Verfahren zur Empfindlichkeitssteigerung einer Meß- oder Anzeigevorrichtung,
beispielsweise einer Waage, und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Zahlreiche
Meßinstrumente beruhen auf der Herstellung eines statischen Gleichgewichts von Kräften,
in welche die Reibungskräfte eingehen, wobei das bewegliche Organ des Instruments
bei einer gegebenen zu messenden Größe nicht immer an demselben genauen Punkt stehenbleibt,
sondern an einem beliebigen Punkt einer Zone, welche zwischen zwei entsprechend
der Empfindlichkeit des Instrumentes mehr oder weniger nahe beieinanderldegenden
Grenzen liegt und »Empfindlichkeitszonea genannt sei, wobei die Lage dieses Punktes
als eine Angabe des Ergelbnisses der Messung angesehen wird.
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Je sorgfältiger ein Meßgerät ausgeführt ist, um so kleiner sind die
Reibungskräfte und um so länger braucht das Meßgerät, um in der das Ergebnis der
Messung anzeigenden Stellung stehenzubleiben. In diesem Fall kann man sagen, daß
die Ausführung der Messung um so länger dauert, je empfindlicher das Meßgerät ist.
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Wenn dagegen diese Kräfte größer sind, und zwar entweder wegen eines
Konstruktionsfehlers des Gerätes oder dank des Eingreifens einer Bremsvorrichtung,
erhält man das statische Gleichgewicht schneller; die Genauigkeit der Messung wird
jedoch durch die Unsicherheit der Wirkung dieser
Reibungskräfte
beeinflußt, welche von einem Augenblick zum andern in unvorhersehbarer oder unter
kannter Weise veränderlich sein kann. Diese Reibungskräfte verringern außerdem die
Empfindli kieit des Meßgerätes.
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Es ist bekannt, zur Verbesserung der Empfindlichkeit von Meßeinrichtungen
unabhängig von der mechanischen Ausführungsform zusätzliche leichte Erschütterungen
einzuführen, die bewirken, daß sich das wirkliche Gleichgewicht dem idealen Gleichgewicht
im Bereich der Empfindlichkei tszone nähert. Diese Erschütterungen sind jedoch meistens
unregelmäßig und ungleichmäßig und bewirken ebenfalls eine Ungewißheit über die
Richtigkeit des Ergebnisses der Messung, d. h. seiner Genauigkeit. Anders ausgedrückt,
man würde hierdurch die Empfindlichkeit vergrößern, jedoch auf Kosten der Genauigkeit.
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Es sind auch sogenannte Kompensationsverfahren bekannt, welche eine
schnellere Einstellung des schwingungsfähigen Organs der Meßvorrichtung in die Gleichgewichtsstellung
bezwecken. Bei diesen Kompensationsverfahren wird ein Meßinstrument mit einem Relais
gekoppelt, wobei ein mit dem beweglichen Organ des Melßinstrumentes verbundenes
Teil das Relaissystem steuert, das wiederum einen Servomechanismus in dem einen
oder anderen Sinne steuert, so daß eine ziemlich schnelle Einstellung des beweglichen
Organs des Instrumentes in die Gleichgewichts stellung stattfindet. Diese Verfahren
weisen hinsichtlich der Meßgenauigkeit und der Empfindlichkeit erhebliche Nachteile
auf, die um so größer werden, je schneller sich die Ruhelage einstellt.
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Ferner ist es in der M.eßtechnik üblich, die Grenzausschläge der
freien und gedämpften Schwningungen um die Gleichgezvichtsendlage zur Ermittlung
der letzteren zu benutzen. Dies erfordert jedoch eine komplizierte Auswertung dieser
Sch!wingungsamplitude, ohne daß die in diesen Fällen anzw strebende Genauigkeit
erreicht werden kann.
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Weiterhin sind Meßverfahren bekannt, bei denen Meßsysteme Verwendung
finden, bei denen überhaupt kein Gleichgewichtswert definiert ist, sondern bei denen
ein Schwingungsvorgang, der unter dem Einfluß von zu messenden Größen stattfindiet,
Wirkungen ausübt, die durch geeignete Maßnahmen (z. B. Integration unter Ausnutzung
von »Gleichrichterwirkungen«) einemittelbareAnzeige desMeßwertes ermöglicht. So
ist z. B. eine solche Meßvorrichtung bekannt, - welche zur Fernsteuerung dient und
einen Geber enthält, der erzwungene Schwingungen erzeugt und kontaktdauerabhängige
Stromstöße an ein Meßinstrument von der Form eines normalen Aufspulinstrumentes
weitergibt, welches viel zu träge ist, um den vom Geber erzeugten rechteckigen Stromimpulsen
schnell folgen zu können. Ein solches Instrument führt also die Mittelung eines
Stromwertes durch und gestattet die Ablesung des ermittelten Gleichge richtswertes.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Empfindlichkeitssteigerung
einer Maß- oder Anzeigevornchtung, beispielsweise einer Waage, die ein bewegliches
Organ aufweist, welches sich normalerweise nach einem gedämpften Schw«ingungsvorgang
in einen Gleichgewichtszustand einstellt, der entsprechend der Meßgenauigkeit der
Einrichtung die Meßgröße anzeigen würde. Die vorliegende Erfindung dient zur Vermeidung
der Nachteile der bekannten Anordnungen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch
gekennzeichnet, daß das bewegliche Organ durch eine zusätzlich zur Einwirkung gebrachte
Hilfskraft dauernd in Bewegung gehalten wird, deren Richtung von der Stellung des
Organs zu zwei benachbarten abgegrenzten Bereichen seiner Bewegung dadurch bestimmt
ist, daß eine Richtungsänderung der Zusatzkraft eingeleitet wird, wenn das bewegliche
Organ die Grenze dieser Bereiche, beispielsweise die Lage eines Umsterlerkontaktes,
überschreitet, und daß die genannten Bereiche sowie die Richtung und die Größe der
Zusatzkraft so bemessen werden, daß das bewegliche Organ, in jeder halben Schwingungsperiode
von dem einen zum anderen Bereich übfergehend, ständig in einem Bereich oszilliert,
welcher die sich normalerweise einstellende Gleichgewichtslage einschließt.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses erfindungsgemäß en Verfahrens
weist beispielsweise einen Servomechanismus auf, der auf das bewegliche Organ des
Meßinstrumentes eine Zusatzkraft ausübt, wobei die Zusatzkraft in ihrer Wirkrichtung
durch eine andere Vorrichtung umsteuerbar ist, von der ein Teil an dem beweglichen
Organ angeordnet ist und die, in Abhängigkeit von der Einstellung des beweglichen
Organs betätigt, so mit dem 5 ervomechan ismus zusammenwirlct, daß dessen Wirkrichtung
immer dann geändert wird, wenn das Organ von dem einen zum anderen der genannten
Bereiche übergeht und daß die mittlere geometrische Lage eines mit dem Servomechanismus
verbzundenen Anzeigegliedes den zu messenden Wert angibt.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine gemäß der Erifindung ausgerüstete Waage;
Fig. 2 ist ein lotrechter Schnitt einer Waage, welche die Dichteänderungen eines
Gases zu verfolgen gestattet und gemäß der Erfindung ausgerüstet ist; Fig. 3 ist
ein Schnitt längs der LinieIII-III der Fig. 2; Fig. 4 ist eine Seitenansicht einer
Einzelheit der auf Fig. 2 und 3 dargestellten Gas waage.
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Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Waage hat einen Waagebalken
1 und zwei Schalen 2 und 3.
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Auf die Schale 2 werden bei 5 dargestellte Gewichte gelegt, um dem
Gewicht eines Körpers 4 das Gleichgewicht zu halten. Gemäß einer be kannten Vorrichtung
trägt der Waagebalken 1 ein bei 9 befestigtes Kettchen 6, dessen Länge nach Belieben
verändert werden kann. Das Ketfthen ist an seinem anderen Ende 7 an einer Schnur
befertigt, welche sich auf eine Trommel ii aufrollt, die auf einer Achse 12 angebracht
ist, welche in
der einen Richtung 13 oder in de!r anderen Richtung
I4 durch einen von zwei Motoren 15 und I6, deren Wicklungen gegensinnig sind, angetrieben
werden kann. Diese Motoren werden durch eine Stromquelle I7 über einen Schalter
18 gespeist, welcher den einen oder den anderen dieser beiden Motoren einschaltet,
je nachdem, ob er sich in der Stellung I9 oder der Stellung 20 befindet. Dieser
Schalter vvird in der Ruhestellung du.rch eine Feder 21 in der Stellung 19 gehalten
und kann durch die Anziehung eines Elektromagneten 22 in die Stellung 20 gebracht
werden, wenn dieser durch einen ihn durchfließenden Strom erregt wird. Der von derselben
Strnmquelle 17 kommende, durch einen Transformator 23 auf geringere Spannung gebrachte
und durch die Zelle 51 gleichgeflchtete Strom durchfließt den Elektromagneten 22,
wenn e;n durch zwei Kontakte 24 und 25 gebildeter Schalter geschlossen ist. Der
Kontakt 24 ist fest, während der Kontakt 25 m.it dem Waagebalken I der Waage verbunden
ist. Schließlich trägt die Achse 12 eine Trnmmel 26, auf welche sich eine Schnur
27 aufrollt, welche mit einem Schreibstift 28 verbunden ist, der sich vor einem
sich um eine Achse 30 drehenden Zylinder 29 verstellt.
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Wenn bei einer d!erartigen Waage das Gewicht 4 kleiner ist als das
Gewicht 5, senkt sich der Waagebalken I auf der Seite des Gewichts 5, und der Elektromagnet
22 wird durch die Schließung des Schalters 24, 25 erregt und zieht die bewegliche
Zunge des Schalters I8 in die Stellung 20. Der Motor IG ist somit eingeschaltet
und treibt die Achse I2 in der Richtung I3 an und ebenso die Trommel II, SO daß
ein Zusatzgewicht des Kettchens 6 in das Gleichgewicht eingeführt wird.
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Dieser Vorgang bewirkt nach einer gewissen Zeit eine Schwenkbewegung
des Waagebalkens 1 und eine Unterbrechung des Kontakts 24-25. Da der EleFktro,magnet
22 nun nicht mehr erregt ist, geht die unter der Einwirkung der Feder 21 stehende
Zunge IS in die Stellung I9, wodurch der Motor I5 eingeschaltet wird, der die Achse
12 sowie die Trommel II in der Richtung 14 antreibt, so daß das aktive Gewicht des
Kettchens 6 verkleinert wird und der umgekehrte Vorgang stattfindet usf.
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Die den Schwingungen des Waagebalkens I entsprechenden Bewegungen
der Achse 12 werden über die Trommel 26 und die Schnur 27 auf den Schreibstift 28
übertragen, der sie auf dem Zylinder 29 aufzeichnet.
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Der Waagebalken , steht beständig unter der Einwirkung einer äußeren
Kraft, welche auf ihn in der einen oder dler anderen Richtung wirkt.
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Hierdurch erhält man eine beträchtlich gesteigerte Empfindlichkeit
der Waage. Die auf dem Registrierzylinder 29 aufgezeichnete Wellenkurve stellt p
raktisch eine sehr feine Sinuslinie dar, deren Amplitude und Periode natürlich von
der Trägheit des elektrischsen Systems und der Feinheit des Kontakts 24-25 abhängen.
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Man erhält so leicht Empfindlichkeiten, die ungefähr zehnmal größer
sind als die bei derartigen Waagen übliche Empfindlichkeit. Diese Vorrichtung kann
weitere praktische Anwendung finden, z. B. bei einer Dichtewaage für Gase, wie aus
Fig. 2, 3 und 4 ersichilich ist.
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In diesen Figuren ist eine Präzisionswaage zur Bestimmung und Aufzeichnung
der Dichteände rungen eines Gases dargestellt, welche mit der oben beschriebenen
Vorrichtung ausgerüstet ist.
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Diese Waage umfaßt einen Waagebalken I, der um eine Schneide 47 schwingt
und an einem Ende einen geschlossenen Ballon 43 trägt, der sich in einem gas dichten
Hohlkörper 3 befindet. Auf der anderen Seite des Waagebalkens I ist ein Volumen
44 angeordnet, welches so bemessen ist, daß es den Einfluß der Temperatur- und Druckschwankungen
ausgleicht. Der Hohlkörper 3 besteht hier aus zwei durch eine Dichtung 45 vereinigten
Halbkugeln.
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Er wird durch einen mit einem nachgiebigen Überzug3I überzogenen Stöpsel
46 verschlossen. Man führt Gas in den Hohlkörpe;r3 um den Ballon 43 durch Stutzen
32 ein, vor denen Ablenkschirme 33 angeordnet sind. An dem Volumen 44 ist ein Kontakt
aus Gold 25 befestigt, gegen welchen sich ein Platindraht 24 legen kann, welcher
an einer Stütze 42 des Waagebalkens I mittels des Winkels 48 befestigt und durch
einen nicht dargestellten Stromkreis mit einem System von elektrischen Relais I8
I9, 20 verbunden ist, welches durch einen Elektromagneten 22 gesteuert wird und
mittels eines nicht dargestellten Stromkreises einen Motor 15, I6 betätigt, der
eine Achse I2 in der einen oder der anderen Richtung antreiben kann. Auf dieser
Achse I2 sitzt eine Trommel 11, welche einen durch eine Schraube 49 festgezogenen
Be!lag 50 trägt, in dessen Rille 34 sich eine Schnur 7 aufwickelt, die durch ein
Kettchen 6 verlängerrt wird, dessen anderes Ende bei g an dem Waagebalken I befestigt
ist.
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In einer Rille 35 derselben Trommel, wobei die Rille 35 übrigens einen
anderen Durchmesser haben kann als die Rille 34, wickelt sich eine Schnur 27 auf,
deren Ende eine auf einer Stange 37 gleitende Masse 36 trägt. Ein Schreibstift 28
ist an dieser Masse befestigt und legt sich gegen eine sich um eine Achse 30 drehende
Trommel 29.
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Die ganze Vorrichtung i.st in einem Gehäuse 40 eingeschlossen, wobei
die Schneide 47 auf zwei Stützen 41 und 42 ruht, während der Waagebalken oberhalb
der Schneide 47 mit einem Satz von Einstellschrauben 38 und 39 versehen ist.
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Die Waage wird so eingestellt, daß sich in der Gleichgewichtsstellung
für die Anfangs dichte des Gasels die Schneide 25 und der Draht 24 gerade berühren.
In dieser Einstellung befindet sich das Relais 18 in der Stellung 20, wodurch der
Motor I5, I6 in der Richtung in Betrieb gesetzt wird, welche die Senkung des Kettchens
6 bewirkt. Hierdurch wird das Gleichgewicht gestört, und der Kontakt zwischen dem
Kontaktstift 25 und dem Draht 24 öffnet sich. Diese Unterbrechung betätigt das Relais,
welches in die Stellung 19 geht, wo durch die Drehrichtung des Motors und der Achse
12 umgekehrt und die Anhebung des Kettchens 6 bewirkt wird, bis zu dem Augenblick,
an welchem
der Kontaktstift 25 und der Draht 24 sich von neuem berühren
usf.
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Falls die Dichte des Gases, in welches der Ballon 43 eintaucht, sich
nicht ändert, folgen diese Bewegungen mit einer konstanten Periode der Größenordnung
von einigen Sekunden aufeinander, und die von der Schnur 27, der Masse 36 und dem
sich gegen den Zylinder 29 legenden Sclhieibstift 28 übertragene Aufzeichnungskurve
ist eine Sinus linie sehr kleiner Amplitude, die praktisch mit einer waagerechten
Geraden zusammenfällt. Sobald sich jedoch die Dichte des Gases ändert, wird die
Bewegung des Kettchens größer, und die durch den Schreibstift aufgezeichnete Kurve
folgt den tatsächlichen Dichteänderungen des Gases. Das vorstehend an einer Waage
als Ausführungsbeispiel erläuterte Verfahren ist im Bedarfsfall ohne weiteres auch
bei anderen Meß- und Anzeigeinstrumenten anwendbar, wobei die Kontakteinrichtung
(vgl. die Bezugszeichen 24 und 25) durch andere elektron mechanische, fotoelektrische
bzw. elektrische oder elektronische Mittel ersetzt werden kann.