DE970648C - Precision beam balance - Google Patents
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Description
Balkenfeinwaage Die Erfindung bezieht sich auf eine Balkenfeinwaage, bei der der Waagebalkenausschlag in eine ihm proportionale elektrische Größe (z. B. Spannung oder Strom) umgewandelt und mittels dieser auf elektrostatischem Wege (Kondensator-Rückstellvorrichtung) eine auf den Waagebalken wirkende Rückstellkraft erzeugt wird. Der Zweck der Erfindung besteht darin, gegenüber den bekannten bzw. vorgeschlagenen Waagen dieser Art, die als Torsionswaagen mit einseitig wirkender Rückstellkraft ausgebildet sind, eine hohe Genauigkeit und größere Unempfindlichkeit gegen Netzspannungsschwankungen und äußere Störungen zu erreichen.Precision beam balance The invention relates to a balance beam, in which the balance beam deflects into an electrical quantity proportional to it (e.g. B. voltage or current) converted and by means of this in an electrostatic way (Capacitor resetting device) a resetting force acting on the balance beam is produced. The purpose of the invention is, compared to the known or proposed scales of this type, which act as torsion scales with unilateral action Restoring force are formed, high accuracy and greater insensitivity against mains voltage fluctuations and external disturbances.
Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß bei an sich bekannter Ausbildung des Waagebalkens als zweiarmiger schneidengelagerter Balken, der mit beiderseits von seiner Lagerung symmetrisch angeordneten und entgegengesetzt auf den Balken einwirkenden Rückstelleinrichtungen (Kondensatoren) mit gleichzeitig umgekehrt zueinander änderbaren Rückstellkräften versehen ist, die diese Rückstellkraft erzeugenden zugehörigen Umwandlungseinrichtungen symmetrisch zur durch die Balkengleichgewichtslage bestimmten Mittellage angeordnet und mit zugeordneten, im Gegentakt arbeitenden elektrischen Regelschaltmitteln versehen sind.According to the invention, this object is achieved in that at known design of the balance beam as a two-armed blade-mounted beam, the one arranged symmetrically on both sides of its storage and opposite Resetting devices (capacitors) acting on the beam at the same time inversely mutually changeable restoring forces are provided that this restoring force generating associated conversion devices symmetrical to the beam equilibrium position arranged in a certain central position and with associated, push-pull working electrical control switching means are provided.
Die Waage gemäß der Erfindung hat den weiteren Vcrteil, daß ihre Dämpfung und ihre Empfindlichkeit z. B. auch durch Fernsteuerung leicht ver- ändert und der jeweiligen Wägearbeit angepaßt werden kann. Man kann den Waagebalken sogar -indifferent oder nahezu indifferent lagern, was eine hohe Empfindlichkeit verbürgt. The balance according to the invention has the further advantage that its Attenuation and its sensitivity z. B. can also be easily controlled by remote control changes and can be adapted to the respective weighing work. You can even use the balance beam - store indifferently or almost indifferently, which guarantees a high level of sensitivity.
Die Waage kann, was ihren allgemeinen Aufbau anbelangt, einer der bekannten Analysen- oder Mikrowaagen entsprechen. As far as its general structure is concerned, the balance can be one of the known analytical or microbalances.
Der Waagenausschlag kann auf elektrostatischem, elektromagnetischem oder elektrodynamischem Wege in eine elektrische Größe umgewandelt werden. Ferner kann die Umwandlung desWaagenausschlages in die elektrische Größe auch durch einen von der Waage gesteuerten Lichtstrahl erfolgen, der mehrere in der Ausschlagrichtung versetzte lichtelektrische Zellen jeweils mehr oder weniger aus leuchtet, die dann die elektrische Größe liefern oder ihre Erzeugung veranlassen. The scale deflection can be due to electrostatic, electromagnetic or electrodynamically converted into an electrical quantity. Further The conversion of the scale deflection into the electrical quantity can also be done by a The light beam controlled by the scales takes place in the direction of deflection offset photoelectric cells each more or less lit up, which then supply the electrical quantity or cause it to be generated.
Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes zeigt die Zeichnung, und zwar ist Abb. 1 eine schematische Darstellung einer Waage gemäß der Erfindung, Abb. 2 ein Schaltbild einer Anordnung zur mehrstufigen Verstärkung der unter Verwendung von Photozellen erzeugten elektrischen Größe vor Erzeugung der Rückstellkraft und Abb. 3 ein Schaltbild wie Abb. 2, wobei die elektrische Größe jedoch unter Verwendung von Sperrschichtzellen erzeugt wird. For example, shows embodiments of the subject matter of the invention the drawing, namely Fig. 1 is a schematic representation of a balance according to of the invention, Fig. 2 is a circuit diagram of an arrangement for multi-stage amplification the electrical quantity generated using photocells before generation the restoring force and Fig. 3 a circuit diagram like Fig. 2, with the electrical quantity however, is created using junction cells.
Gemäß Abb. I fällt ein Teil des von der Lichtquelle I ausgehenden Lichtstromes über eine nicht gezeichnete Optik auf einen in der Drehachse des Waagebalkens angebrachten Spiegel 3 auf zwei Photozellen 4, 5, die bei der Nullstellung des Waagebalkens in gleicher Weise ausgeleuchtet werden. Die an den Photozellen entstehende Spannung wird über die Verstärker 6, 7 zwei festen Kondensatorplatten 8, 9 zugeführt, die den am Waagebalken befindlichen Platten I0, II gegenüberstehen In vielen Fällen lassen sich die am Waagebalken befindlichen Dämpfungszylinder als Kondensatoren verwenden. Durch die entstehenden elektrostatischen Kräfte, die als Rückstellkräfte wirken, stellt sich die Waage in eine Gleichgewichtslage ein. Mit dem Meßinstrument 12 wird dann zweckmäßig in dieser Gleichgewichtslage die Spannung zwischen 8 und g gemessen, welche ein Maß für das aufgelegte Gewicht ist. Das Meßinstrument 12 kann in Gewichtseinheiten geeicht sein. According to Fig. I, a part of the light emanating from the light source I falls Luminous flux through optics (not shown) on one in the axis of rotation of the balance beam attached mirror 3 on two photocells 4, 5, which at the zero position of the balance beam be illuminated in the same way. The voltage generated by the photocells is fed through the amplifier 6, 7 to two fixed capacitor plates 8, 9, the the plates I0, II on the balance beam face in many cases the damping cylinders on the balance beam can be used as capacitors use. Due to the resulting electrostatic forces, which act as restoring forces act, the balance adjusts itself to a position of equilibrium. With the measuring instrument 12 is then appropriate in this equilibrium position, the voltage between 8 and g measured, which is a measure of the weight placed on it. The measuring instrument 12 can be calibrated in weight units.
Die Anordnung hat bei dem symmetrischen Aufbau gemäß Abb. I den besonderen Vorzug, daß sie als Gegentaktschaltung arbeitet. Die auf den Waagebalken wirkenden Kräfte sind bei Vorhandensein einer Gleichspannung an den Kondensatorplatten und richtiger Bemessung der Verstärker der Auslenkung des Balkens direkt proportional. The arrangement is special in the symmetrical structure according to Fig. I. Advantage that it works as a push-pull circuit. The ones acting on the balance beam Forces are in the presence of a DC voltage on the capacitor plates and Correct dimensioning of the amplifiers is directly proportional to the deflection of the beam.
Die Dämpfung der Waage auch imVakuum wird dadurch erreicht, daß auf die Kondensatorplatten jeweils eine Kraft wirkt, welche die Bewegung des Waagebalkens zu hemmen sucht. Statt Photozellen können auch Sperrschichtzellen Verwendung finden. The damping of the balance in a vacuum is achieved by opening the capacitor plates each have a force that causes the movement of the balance beam seeks to inhibit. Junction cells can also be used instead of photocells.
Die in Abb. 2 dargestellte Schaltung gilt für den Fall, daß die notwendige Verstärkung nicht mit einer Verstärkerstufe erreicht werden kann und eine zweistufige Verstärkereinrichtung notwendig ist. Zweckmäßig ist auch hier ein symmetrischer Aufbau. An die Photozellen I3, 14 wird über die Gitterableitwiderstände I5, I6 der Elektronenröhren I7, I8 eine Wechselspannung gelegt, deren Frequenz gegenüber der Eigenfrequenz des Waagebalkens verhältnismäßig groß ist. Dies ist bei der normalen Wechselspannung (50 bis 6o Hz) der Fall. Die notwendige Gittervorspannung wird mit den Widerständen I9, 20 und den Kondensatoren 2I, 22 hergestellt, wobei die Anordnung z. B. von einem der üblichen Netzanschlußgeräte mit den Betriebsspannungen versorgt wird. Die Anodenspannungszuführung erfolgt über den Widerstand 23, der am besten als Spannungsteiler geschaltet ist. The circuit shown in Fig. 2 applies in the event that the necessary Amplification cannot be achieved with one amplifier stage and a two-stage Amplifier device is necessary. A symmetrical one is also useful here Construction. The photocells I3, 14 are connected to the grid discharge resistors I5, I6 Electron tubes I7, I8 put an alternating voltage, the frequency of which compared to the Natural frequency of the balance beam is relatively large. This is normal AC voltage (50 to 60 Hz) is the case. The necessary grid tension is with the resistors I9, 20 and the capacitors 2I, 22 made, the arrangement z. B. supplied with the operating voltages by one of the usual power supply units will. The anode voltage is supplied via resistor 23, which is best is connected as a voltage divider.
Parallel zu ihm liegt eine Schwungradschaltung, bestehend aus der Primärwicklung des tSbertragers 24 und dem Kondensator 25, die auf die Betriebsfrequenz der Photozellen abgestimmt ist. Die Außenklemmen der Sekundärwicklung des Ubertragers 24 liegen an den Gleichrichtern 26, 27. Um eine der Auslenkung des Waagebalkens 28 auch dem Vorzeichen nach richtige Spannung an den s Gittern der Verstärkerröhren 29, 30 der zweiten Stufe zu, erhalten, erfolgt in den Gleichrichtern 26, 27 in an sich bekannter Weise unter Zuhilfenahme des Übertragers 3I, der ebenfalls vom Netz betrieben wird, eine phasenabhängige Gleichrichtung. A flywheel circuit consisting of the Primary winding of the transformer 24 and the capacitor 25, which are based on the operating frequency the photocells is tuned. The external terminals of the secondary winding of the transformer 24 are on the rectifiers 26, 27. To one of the deflection of the balance beam 28 also the correct voltage according to the sign on the grids of the amplifier tubes 29, 30 of the second stage to be obtained takes place in the rectifiers 26, 27 in an known way with the help of the transmitter 3I, which is also from the network is operated, a phase-dependent rectification.
Die gleichgerichteten Spannungen werden durch die Kondensatoren 32, 33 geglättet. Die beiden Gleichspannungen liegen an den Widerständen 34, 35 und 36, 37. Parallel zu den Widerständen 34 und 37 sind die Kondensatoren 38, 39 gelegt. Die Verstärkerröhren 29, 30 werden über den Spannungsteiler 46 mit Gleichspannung versorgt. An den festen Kondensatorplatten 40, 41 der Waage liegt die Anodenspannung der Röhre; 29, 30. Auf die am Waagebalken 28 angebrachten beweglichen Kondensatorplatten 42, 43 werden elektrostatische Kräfte ausgeübt. Die Differenzkraft, der der Waagebalken unterliegt, wird in der Gleichgewichtslage der Waage mit dem Gleichstrominstrument 44 gemessen, das möglichst hochohmig ausgeführt wird. The rectified voltages are generated by the capacitors 32, 33 smoothed. The two DC voltages are applied to resistors 34, 35 and 36, 37. The capacitors 38, 39 are placed in parallel with the resistors 34 and 37. The amplifier tubes 29, 30 are supplied with direct voltage via the voltage divider 46 provided. The anode voltage is applied to the fixed capacitor plates 40, 41 of the balance the tube; 29, 30. On the movable capacitor plates attached to the balance beam 28 42, 43 electrostatic forces are exerted. The differential force that the balance beam is subject to, is in the equilibrium position of the balance with the direct current instrument 44 measured, which is carried out with as high a resistance as possible.
Der Waagebalken 28 wird zur Vermeidung von Streufeldern zweckmäßig geerdet. The balance beam 28 is useful to avoid stray fields grounded.
Durch den Spiegel 45 werden die beiden Photozellen beleuchtet. Sind die beiden Photozellen gleich und fällt auf beide derselbe Lichtstrom, so ist bei Nullstellung des Waagebalkens 28 und gleicher Verstärkung durch die Röhren I7, I8 die Differenzspannung am Parallelresonanzkreis 24, 25 Null. Die Gitter der Röhren 29, 30 erhalten also in diesem Falle keine Steuerspannung, und es werden auf den Waagebalken durch die Kondensatoren 40, 42 und 4I, 43 keine einseitigen Kräfte übertragen. Ist der Waagebalken 28 jedoch aus seiner Nullstellung herausgedreht, so werden die lichtelektrischen Zellen I3, 14 ungleich ausgeleuchtet, und am Parallelresonanzkreis 24, 25 tritt eine Spannung auf, die durch die Gleichrichter 26, 27 gleichgerichtet und in den Röhren 29, 30 verstärkt wird. Diese Spannung wirkt auf die Kondensatoren 40, 42 und 4I, 43 so, daß die entstehenden Kräfte auf den Balken in rückstellendem Sinne wirken. Der Ausschlag des Instruments 44 ist der Differenzspannung und damit der wirksamen rückstellenden Kraft proportional und gibt in der Gleichgewichtslage der Waage das Wägeergebnis an. The two photocells are illuminated by the mirror 45. Are the two photocells are the same and the same luminous flux falls on both, so is at Zero setting of the balance beam 28 and the same gain through the tubes I7, I8 the differential voltage at the parallel resonance circuit 24, 25 is zero. The grids of the tubes 29, 30 do not receive any control voltage in this case, and the Balance beam through the capacitors 40, 42 and 4I, 43 do not transmit unilateral forces. However, if the balance beam 28 is rotated out of its zero position, the photoelectric cells I3, 14 unequally illuminated, and on the parallel resonance circuit 24, 25 a voltage occurs which is rectified by the rectifiers 26, 27 and reinforced in the tubes 29,30 will. This tension affects the capacitors 40, 42 and 4I, 43 so that the resulting forces act on the beam act in a restoring sense. The deflection of the instrument 44 is the differential voltage and thus proportional to the effective restoring force and gives in the equilibrium position the weighing result on the balance.
Um die Dämpfung des Waagebalkens 28 auch im Vakuum herbeizuführen, muß den Kondensatorplatten eine der Winkelgeschwindigkeit des Waagebalkens 28 proportionale Spannung zugeführt werden. Da die Winkelgeschwindigkeit des Waagebalkens sich durch zeitliches Differenzieren des Ausschlages des Balkens ergibt, muß auch auf elektrischem Wege ein Differenzieren der Spannung erfolgen, die an den Kondensatorplatten 40, 42 bzw. 41, 43 liegt. Dazu dienen die Kondensatoren 38, 39, die mit dem Widerstand 34 bzw. 37 parallel liegen, wodurch durch die Widerstände 34 bzw. 37 ein von der Lage des Waagebalkens abhängiger Anteil des von den Gleichrichtern 26 bzw. To bring about the damping of the balance beam 28 also in a vacuum, the capacitor plates must be one of the angular velocity of the balance beam 28 proportional Voltage can be supplied. Since the angular velocity of the balance beam is through time differentiation of the deflection of the bar results, must also on electrical Ways to differentiate the voltage that is applied to the capacitor plates 40, 42 and 41, 43 respectively. The capacitors 38, 39, which are connected to the resistor, are used for this purpose 34 and 37 are parallel, whereby one of the resistors 34 and 37 respectively Position of the balance beam dependent portion of the rectifiers 26 resp.
27 kommenden Stromes und in den Kondensatoren 38 bzw. 39 ein um go0 phasenverschobener Anteil dieses Stromes fließt. Der um go0 phasenverschobene Anteil stellt dabei ein zeitliches Differenzieren der in den entsprechenden Photozellen I3 bzw. I4 erzeugten bzw. fließenden Ströme dar. Die Gitter der Röhren 29 bzw. 30 erhalten somit ein Potential, das sich aus der Überlagerung der durch 34 und 38 bzw. 37 und 39 fließenden Ströme ergibt. Bei schwingendem Waagebalken ist also in der Nullstellung (größte Winkelgeschwindigkeit) die durch 38 bzw. 39 fließende, eine Dämpfung der Balkenschwingung bewirkende Stromkomponente gegenüber der Stromkomponente in der Umkehrstellung des Balkens (kleinste Winkelgeschwindigkeit) groß, während die die Rückstellkräfte liefernde Stromkomponente in 34 bzw. 37 gegenüber der Stromkomponente in der Umkehrstellung des Balkens klein ist.27 coming current and in the capacitors 38 and 39 a to go0 phase-shifted portion of this current flows. The portion shifted in phase by go0 provides a time differentiation in the corresponding photocells I3 and I4 represent generated or flowing currents. The grids of the tubes 29 and 30, respectively thus obtain a potential that results from the superposition of the values indicated by 34 and 38 or 37 and 39 flowing currents results. When the balance beam is vibrating, in the zero position (greatest angular velocity) the flowing through 38 or 39, a current component causing damping of the beam oscillation compared to the current component in the inverse position of the beam (smallest angular velocity) large, while the current component supplying the restoring forces in 34 or 37 compared to the current component is small in the inversion of the beam.
Natürlich kann z. B. auch eine der bekannten Wirbelstrombremsen zur Dämpfung dienen. Of course, z. B. also one of the well-known eddy current brakes for Serve cushioning.
Versuche mit einer Schaltung gemäß Abb. 2 ergaben, daß man eine Dämpfung der Waage erhält, die etwa viermal so groß ist wie die einer luftgedämpften Mikrowaage. Dies ist im allgemeinen nicht notwendig. Durch Weglassen der Luftdämpfung und Änderung des auf die lichtelektrischen Zellen fallenden Lichtstromes ist die Dämpfung in weiten Grenzen regelbar. Ebenso kann die Empfindlichkeit der Waage durch Änderung der den Lichtstrahl liefernden Lichtquelle und/oder durch Änderung der Widerstände 34, 35 bzw.- 36, 37 bequem verändert werden. Dies bedeutet einen großen Vorteil gegenüber den bisher bekannten Waagen, bei denen die Empfindlichkeit durch Verändern des Abstandes Drehpunkt-Schwerpunkt auf mechanischem Wege variiert wurde. Experiments with a circuit according to Fig. 2 showed that there is an attenuation the balance that is about four times as large as that of an air-cushioned microbalance. This is generally not necessary. By omitting the air cushioning and changing it of the luminous flux falling on the photoelectric cells is the attenuation in adjustable within wide limits. Likewise, the sensitivity of the balance can be changed by changing it the light source delivering the light beam and / or by changing the resistances 34, 35 or -36, 37 can be easily changed. This is a great advantage compared to the previously known scales, in which the sensitivity by changing the distance between the pivot point and the center of gravity was varied mechanically.
Eine ähnliche Ergebnisse liefernde Schaltung zeigt Abb. 3. A circuit showing similar results is shown in Fig. 3.
Statt der Photozellen I3, 14 in Abb.2 finden hier eine oder mehrere Sperrschichtzellen oder Differentialsperrschichtzellen Verwendung. Durch einen vom Waagebalken 28 gesteuerten Lichtstrahl wird in den Sperrschichtzellen 47, 48 eine EMK erzeugt. Durch die Widerstände 50, 51 bzw. 52, 53 und den Kondensator 54 bzw. 55 fließt dadurch ein Strom, der das Potential am Gitter der Verstärkerröhre 56 bzw. 57 bestimmt. Die Schaltelemente 50, 5I, 54 bzw. 52, 53, 55 haben dabei dieselbe Funktion zu erfüllen wie die Schaltelemente 34, 35, 38 bzw. 36, 37, 39 in Abb. 2. Die Anodenspannungen der Röhren 56, 57 liefern mittels der Kondensatoren 58, 59 die Rückstellkräfte für den Waagebalken 28. Die Betriebsspannung für die Röhren 56, 57 wird über den Spannungsteiler 60 zugeführt. Instead of the photocells I3, 14 in Fig. 2 there are one or more Junction cells or differential barrier cells use. By one of the Balance beam 28 controlled light beam is in the barrier cells 47, 48 a EMF generated. Through the resistors 50, 51 or 52, 53 and the capacitor 54 or A current flows through this, which is the potential at the grid of the amplifier tube 56 or 57 determined. The switching elements 50, 5I, 54 and 52, 53, 55 have the same To fulfill the function as the switching elements 34, 35, 38 or 36, 37, 39 in Fig. 2. The anode voltages of the tubes 56, 57 are supplied by means of the capacitors 58, 59 the restoring forces for the balance beam 28. The operating voltage for the tubes 56, 57 is supplied via the voltage divider 60.
Die Differenzspannung zwischen den Anoden bei Gleichgewicht des Waagebalkens wird mit Hilfe des Meßinstruments 6I gemessen. Der Widerstand 62 macht den Eingang des Meßinstruments 6 hochohmig.The differential voltage between the anodes when the balance beam is in equilibrium is measured with the aid of the measuring instrument 6I. Resistor 62 makes the input of the measuring instrument 6 high resistance.
Die Waage selbst wird für den Betrieb zweckmäßig indifferent eingestellt. Sie wird erst durch die Verbindung mit dem elektrischen Teil einstellbar stabil. Man beobachtet also vor jeder Messung den indifferenten Zustand der Waage in dem sich die Schneidenreibung oder andere etwa auftretende Fehler besonders bemerkbar machen. Die Güte der Waage ist so ungleich besser als bisher zu überwachen, ohne daß man einen Eingriff in die Waage vornimmt. Die Anordnung eignet sich auch zur Untersuchung von Schneiden und Pfannen, die sich an dem Waagebalken befinden. Die Genauigkeit der Wägung hängt von der Art des verwendeten Meßinstrumentes ab. Bei einem Zeigerausschlag von mehr als go0 und sorgfältiger Unterteilung der Skala ist die erreichte Ablesegenauigkeit wesentlich größer als mit dem Zeiger einer gewöhnlichen Analysen- oder Mikrowaage, auch wenn man einen Lichtzeiger oder die Lupe verwendet. The balance itself is set to be indifferent for operation. It only becomes adjustable and stable when it is connected to the electrical part. Before each measurement, one observes the indifferent state of the balance in that the cutting edge friction or other errors that may occur are particularly noticeable do. The quality of the scales can be monitored much better than before without that one makes an intervention in the balance. The arrangement is also suitable for Examination of cutting edges and pans that are on the balance beam. the The accuracy of the weighing depends on the type of measuring instrument used. at a pointer deflection of more than go0 and careful subdivision of the scale the achieved reading accuracy is much greater than with the pointer of an ordinary one Analytical or microbalance, even if you use a light pointer or a magnifying glass.
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DES21686A DE970648C (en) | 1951-01-30 | 1951-01-30 | Precision beam balance |
Applications Claiming Priority (1)
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DES21686A DE970648C (en) | 1951-01-30 | 1951-01-30 | Precision beam balance |
Publications (1)
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DE970648C true DE970648C (en) | 1958-10-16 |
Family
ID=7476595
Family Applications (1)
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DES21686A Expired DE970648C (en) | 1951-01-30 | 1951-01-30 | Precision beam balance |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE970648C (en) |
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1951
- 1951-01-30 DE DES21686A patent/DE970648C/en not_active Expired
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