-
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.
-
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.
-
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.
-
Die Waage kann, was ihren allgemeinen Aufbau anbelangt, einer der
bekannten Analysen- oder Mikrowaagen entsprechen.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Der Waagebalken 28 wird zur Vermeidung von Streufeldern zweckmäßig
geerdet.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Natürlich kann z. B. auch eine der bekannten Wirbelstrombremsen zur
Dämpfung dienen.
-
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.
-
Eine ähnliche Ergebnisse liefernde Schaltung zeigt Abb. 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.
-
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.
-
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.