Präzisionswaage
Bei Analysen- oder Mikrowaagen und allgemein bei Präzisionswaagen ist der Waagebalken mit einer Messplatte versehen, vermittels welcher die sich jeweils ergebende Neigung des Waagebalkens oder des Messgliedes der Waage bestimmt wird. Zu diesem Zweck hat die Messplatte üblicherweise eine mit Zahlen beschriftete Strichskala, und es ist eine Vergrösserungsoptik angebracht, um das im Strahlengang befindliche Teilstück der Messplatte optisch vergrössert auf eine Mattscheibe oder einen anderen Bildschirm abzubilden. Die letzten Gewichtsdezimalen des zu wägenden Gegenstandes werden sodann durch Interpolation zwischen den Abbildern der Teilstriche der Strichskala erhalten. Hierzu kann auf dem Bildschirm eine Noniusteilung angebracht sein, welche mit den Abbildern der Teilstriche zusammenwirkt.
Die Interpolation kann ferner mit Hilfe eines optischen Mikrometers durchgeführt werden, wobei im Strahlengang der Vergrösserungsoptik das strahlengangversetzende Element einer Einstellvorrichtung angebracht ist. An der mitbewegten Skalenscheibe des optischen Mikrometers werden die letzten Gewichtsdezimalen des zu wägenden Gegenstandes abgelesen, sobald das Abbild eines der als Einstellmarke dienenden Teilstriche der Strichskala durch entsprechende Verstellung des strahlengangversetzenden Elementes in einer auf dem Bildschirm bezeichneten Ablesestelle zentriert worden ist. Diese Ablesestelle wird dabei meistens durch zwei kurze Balken markiert, in deren Zwischenraum das Abbild des betreffenden Teilstriches der Strichskala zu zentrieren ist.
Die Verwendung von Noniusteilungen oder optischen Mikrometern setzt jedoch voraus, dass die Abstände zwischen den aufeinanderfolgenden Abbildern der Teilstriche der Strichskala konstant sind. Auf der Strichskala selbst sind jedoch die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Teilstrichen grundsätzlich nicht konstant, sondern nehmen mit wachsendem Neigungswinkel des Waagebalkens ab. Nur innerhalb sehr geringer Neigungswinkel von etwa 1 2 Bogengrade können die Abstände zwischen den aufeinanderfolgenden Teilstrichen noch als genügend konstant betrachtet werden, sofern eine lineare Interpolation anzuwenden ist. Bei grösseren Neigungswinkeln des Waagebalkens gegenüber seiner Horizontallage ergeben sich daher erhebliche Fehler, wenn die Interpolation mittels einer Noniusteilung oder eines optischen Mikrometers vorgenommen wird.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist, diese Fehlerquelle zu beseitigen.
Demgemäss befasst sich die vorliegende Erfindung mit einer Präzisionswaage mit einer an ihrem Waagebalken befestigten und mit Zahlen und zugeordneten Marken beschrifteten Messplatte, bei welcher vermittels einer Vergrösserungsoptik das jeweils im Strahlengang befindliche Teilstück der Messplatte optisch vergrössert wird, und bei welcher ferner im Strahlengang der Vergrösserungsoptik Ablesemittel angeordnet sind, welche in Verbindung mit den optischen Abbildern der Marken die letzten Gewichtsdezimalen des zu wägenden Gegenstandes zu ermitteln gestatten.
Erfindungsgemäss sind nun am Waagebalken der Waage zusätzliche optische Abbildungsmittel befestigt, welche in den Strahlengang der Vergrösserungsoptik eintauchen und in Abhängigkeit von der jeweiligen Neigung des Waagebalkens den optischen Vergrösserungsfaktor der Vergrösserungsoptik gesetzmässig ändern.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt, und zwar zeigt:
Fig. 1 eine vereinfachte Draufsicht auf die Montageplatte einer Analysenwaage, welche insbesondere den Strahlengang der Vergrösserungsoptik mit Einschluss eines optischen Mikrometers erkennen lässt,
Fig. 2 eine gegenüber der Fig. 1 in mehrfach vergrössertem Massstab wiedergegebene perspektivische Ansicht der Messplatte, welche am Waagebalken der Analysenwaage befestigt ist, und
Fig. 3 eine Frontansicht auf die Mattscheibe und auf den Bedienungsknopf des optischen Mikrometers in einem der Fig. 1 gleichen Massstab.
Auf der Montageplatte 4 ist eine kurze Säule 5 vorgeshen, die oben die Pfanne 6 für die Unterstützung der Mittelschneide 7 des unsymmetrischen Waagebalkens 8 aufweist. Der kürzere Arm des Waagebalkens 8 weist die Aussenschneide 9 auf, an welcher der die Waageschale und die Schaltgewichte aufnehmende Träger aufgehängt ist. Diese zuletzt genannten Teile sind jedoch aus Gründen der Über- sichtlichkeit nicht näher veranschaulicht. Der längere Waagebalkenarm ist mit einem Gegengewicht 10 und der Messplatte 11 versehen, welche aus Glas besteht.
Zwecks optischer Abbildung jeweils eines Teiles der Messplatte 11 ist auf der Montageplatte 4 eine Beleuchtungslampe 12 und eine Beleuchtungsoptik 13 aufgebaut. Ferner trägt die Montageplatte 4 eine Vergrösserungsoptik, welche die bikonvexe Objektivlinse 14 aufweist. Eine Mattscheibe 15 ist in einer Öffnung der an der Montageplatte 4 befestigten Stirnwand 16 eingelassen.
In dem in der Fig. 1 gestrichelt veranschaulichten Strahlengang der Vergrösserungsoptik ist noch das strahlengangversetzende Element 17 eines optischen Mikrometers eingefügt. Dieses kann aus einer planparallelen Glasplatte bestehen und in einem schwenkbaren Halter 18 befestigt sein. Der letztere ist um die Spitzen von zwei in der Montageplatte 4 befestigten Stifte 19 und 20 schwenkbar. Um eine genaue und spielfreie Verschwenkbarkeit des Halters 18 zu erhalten, hat dieser auf seiner Unterseite eine konische Bohrung 21, in welche die Spitze des Stiftes 19 eingreift. Die Spitze des anderen Stiftes 20 greift in eine keilförmige Ausnehmung 22 ein, die gleichfalls auf der Unterseite des Halters 18 angebracht ist. Der Halter 18 ist somit um die Achse schwenkbar, die durch die Spitzen der Stifte 19 und 20 geht und im übrigen parallel zur Mattscheibe 15 und horizontal verläuft.
Die Verschwenkung des Halters 18 wird mittels einer Einstellvorrichtung bewirkt, die den von Hand zu bedienenden Drehknopf 23 aufweist. Der letztere ist auf einer Welle 24 befestigt, die ihrerseits eine Kurvenscheibe 25 mit schraubenförmiger Leitfläche 26 trägt. An der Leitfläche 26 steht ein im Halter 18 befestigter Stift 27 an, der vermittels einer Feder 28 leicht angedrückt wird. Die Feder 28 ist eine Spiralfeder, deren oberes Ende am Stift 27 eingehängt und deren unteres Ende von einem in der Montageplatte 4 befestigten, in der Fig. 1 jedoch nicht sichtbaren Haken gehalten wird. Die auf Zug beanspruchte Spiralfeder 28 hat gleichzeitig das Bestreben, den Halter 18 an die Stifte 19 und 20 anzudrücken. Durch Drehung des Knopfes 23 wird demnach die Leitfläche 26 gedreht und damit der Halter 18 um einen dementsprechenden Betrag geschwenkt.
Um die jeweilige Verschwenkung des Halters 18 und damit auch des strahlengangversetzenden Elementes 17 messtechnisch zu erfassen, ist auf der Welle 24 noch eine Skalenscheibe 29 befestigt, die an ihrem Rand und auf ihrer der Mattscheibe 15 zugewendeten Oberfläche eine Zahlenfolge von beispielsweise 0 bis 100 aufweist, welche bei Bedienung des optischen Mikrometers sodann die beiden letzten Gewichtsdezimalen des zu wägenden Gegenstandes angeben. Diese beiden letzten Gewichtsdezimalen erscheinen in dem ganz rechts befindlichen Fenster 30.
Im links davon befindlichen Fenster 31 werden die beiden vorangehenden Gewichtsdezimalen zur Anzeige gebracht, welche durch die auf der Strichplatte 11 befindlichen Zahlen gegeben sind, die sich jeweils im Strahlengang der Vergrösserungsoptik 14 befinden.
Im weiteren Fenster 32 (Fig. 3) können die ersten Gewichtsdezimalen des zu wägenden Gegenstandes zur Anzeige gebracht werden, welche durch die aufgelegten oder abgehobenen Schaltgewichte bestimmt sind. Im ganz links befindlichen Fenster 33 erscheinen schliesslich die Abbilder der optisch vergrösserten Marken, welche den im Fenster 31 sichtbaren Zahlen zugeordnet sind.
Auf der dem Objektiv 14 zugewendeten Vorderseite 34 der Messplatte 11 sind die den verschiedenen Neigungen des Waagebalkens 8 zugeordneten Marken in einem zur Mittelschneide 7 konzentrischen Kreisringabschnitt 35 angeordnet. Diese Marken bestehen vorzugsweise aus kurzen Teilstrichen, deren Verlängerung jeweils durch die Schneidenkante der Mittelschneide 7 des Waagebalkens 8 führt. Die optischen Abbilder dieser Teilstriche sind in den Fig. 1 und 3 mit 35' bezeichnet; dabei sind im Fenster 33 nur die gerade im Strahlengang befindlichen Teilstriche sichtbar. Die den Teilstrichen zugeordneten Zahlen sind in einem weiteren konzentrischen Kreisringabschnitt 36 (Fig. 2) angebracht; die Abbilder der im Strahlengang befindlichen Zahlen erscheinen im Fenster 31 (Fig. 3) bzw. an der Stelle 36' der Mattscheibe 15 (Fig. 1).
Die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Teilstrichen oder Zahlen betragen in der praktischen Ausführung der Messplatte grössenordnungsmässig einige Hundertstelsmillimeter, in der Darstellung der Fig. 2 können sie daher einzeln nicht erkennbar wiedergegeben werden. Um Abstände zwischen den aufeinanderfolgenden Teilstrichen zu erhalten, wie dies die Fig. 3 zeigt, wird in der Regel eine wenigstens fünfzigfache optische Vergrösserung benötigt. In der Fig. 3 ist dabei derjenige Teilstrich, welcher der im Fenster 31 befindlichen Zahl zugeordnet ist, zwischen den beiden dreieckförmigen Ablesestellen 37 zentriert. Die letzteren sind zweckmässig unmittelbar auf der Mattscheibe 15 angebracht.
Um die Lage der Messplatte 11 gegenüber dem Waagebalken 8 zu veranschaulichen, ist die strichpunktierte Gerade N eingetragen, deren nach rechts führende Verlängerung (Fig. 2) durch die Schneidenkanten von Mittelschneide 7 und Aussenschneide 9 führt. In der Fig. 2 ist ferner angenommen, dass der Waagebalken 8 und damit auch die Messplatte 11 gegenüber der Horizontallage H um den Winkel a so geschwenkt ist, dass sich die Messplatte 11 anhebt. Schliesslich möge die optische Axe P des Objektivs 14 ebenfalls horizontal und in der durch die Gerade H gelegten horizontalen Ebene senkrecht zu H verlaufen.
Um nun konstante Abstände zwischen den Abbildern 35' der Teilstriche zu erhalten, obwohl die Teilstriche selbst auf der Messplatte 11 gegen ihren Rand hin stets abnehmende Abstände aufweisen, wird der Vergrösserungsfaktor der Vergrösserungsoptik gemäss der Beziehung Va = Vt, (1 + tg2 a) in Abhängigkeit vom jeweiligen Neigungswinkel a ver ändert. V,, bedeutet darin den optischen Vergrösserungsfaktor, wenn in der Fig. 2 die Gerade N in der durch H und P gehenden horizontalen Ebene liegt und somit der Waagebalken 8 seine Horizontallage (n = 0) einnimmt. Entsprechend ist Va die optische Vergrösserung bei einem um den Winkel a geneigten Waagebalken.
Die Änderung der optischen Vergrösserung als Funktion des Winkels a kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass die Messplatte 11 selbst als plankonkave Zerstreuungslinse ausgebildet ist. Ihre konkav gekrümmte Vorderseite 34 ist hierbei dem Objektiv 14 zugewendet, und die Ziffern und Teilstriche sind auf dieser konkaven Vorderseite 34 angebracht. Dementsprechend werden mit wachsendem Winkel a (Fig. 2) die Teilstriche näher an das Objektiv 14 herangebracht und dies führt zu einer Erhöhung des optischen Vergrösserungsfaktors, da der Abstand zwischen dem Objektiv 14 und dem Bildschirm 15 hierdurch nicht geändert wird. Bei einer solchen Ausführungsform erhält man die bestmögliche Annäherung an die oben genannte Beziehung dann, wenn die konkave Vorderseite 34 eine kreiszylindrische Krümmung aufweist.
Die Rotationsaxe dieser Kreiszylinderfläche 34 soll hierbei parallel zu N (Fig. 2) und durch die Verlängerung der Schneidenkanten von Mittelschneide 7 und Aussenschneide 9 verlaufen. Bei Verwendung üblicher Vergrösserungsfaktoren VO der Vergrösserungsoptik erhält man einen Krümmungsradius der konkaven Vorderseite 34, der in der Regel ein Mehrfaches der Länge des grösseren Waagebalkenarmes ist. Auch für grössere Winkel a von bis zu t 15 Bogengrade ergeben sich noch dünne und leichte Messplatten 11, und die verhältnismässig schwache Krümmung ihrer Vorderseite 34 bereitet der Aufbringung der Teilstriche und Zahlen gemäss den Kreisringabschnitten 35 und 36 keine nennenswerten Schwierigkeiten.
Die Teilstriche und Zahlen können aber auch auf der ebenen Rückseite 38 der Messplatte 11 aufgebracht sein. In diesem Fall wirkt die Messplatte 11 als eigentliche Zerstreuungslinse, wobei die Verkürzung der optischen Distanz der Teilstriche vom Objektiv 14 durch den verschieden langen in der Messplatte 11 verlaufenden Lichtweg gegeben ist. Ferner kann eine planparallele Messplatte 11 vorgesehen werden, auf welcher die Teilstriche und Zahlen wie üblich aufgebracht sind. Zwischen dieser Messplatte und dem Objektiv 14 kann in geeignet geringem Abstand von der Messplatte 11 die der optischen Korrektur dienende Zerstreuungslinse angebracht werden, wobei ihre konkave Oberfläche im Fall einer plan konkaven Zerstreuungslinse ebenfalls dem Objektiv 14 zuzuwenden ist. Selbstverständlich ist diese vorgeschaltete Zerstreuungslinse am Waagebalken der Waage zu befestigen.
Infolge der an der vorgeschalteten Linse auftretenden Brechung ist die auf der Messplatte 11 angebrachte Strichskala entsprechend zu dehnen. Diese Dehnung ist vom Winkel a abhängig und beträgt unter normalen Umständen höchstens einige Prozent.
Schliesslich wäre es möglich, die Änderung des optischen Vergrösserungsfaktors V, als Funktion des Neigungswinkels a durch am Waagebalken befestigte optische Abbildungsmittel vorzunehmen, welche den Strahlengang im Bereich zwischen dem Objektiv 14 und der Mattscheibe 15 beeinflussen. Wird ein optischer Mikrometer verwendet, so wären diese zusätzlichen Abbildungsmittel zwischen dem Objektiv 14 und der planparallelen Platte 17 einzufügen. Die konsequente Anwendung des Erfindungsgedankens führt dann zu Sammellinsen, welche die Aufgabe haben, den optischen Abstand zwischen Objektiv 14 und Mattscheibe 15 mit wachsendem Winkel a zu vergrössern und auf diese Weise den optischen Vergrö sserungsfaktor zu erhöhen.
Wie die Durchrechnung solcher Varianten zeigt, sind hierfür verhältnismässig dicke und daher auch schwere Linsen erforderlich, welche nicht nur einen erheblichen Lichtverlust ergeben, sondern praktisch als zusammengesetzte Mehrfachlinsen ausgeführt werden müssen. Es ist aus diesen Gründen eine Ausführungsform überlegen, bei welcher wie im dargestellten Ausführungsbeispiel die zusätzlichen optischen Abbildungsmittel im Bereich zwischen der Beleuchtungsoptik 13 und dem Objektiv 14 in den optischen Strahlengang eintauchen.
Die der änderung des optischen Vergrösserungsfaktors dienenden Linsen werden meistens mit zylindrischen Linsenoberflächen d. h. als sog. Zylinderlinsen auszuführen sein. Sind jedoch die Krümmungsradien der betreffenden gekrümmten Oberflächen sehr gross und sind nur geringere Neigungswinkel a des Waagebalkens zu berücksichtigen, so können diese Zylinderlinsen durch die billigeren sphärischen Linsen ersetzt werden.
Die Bedienung der beschriebenen Präzisionswaage ist gleich wie bei den bisher üblichen und mit einem optischen Mikrometer versehenen Waagen. Nachdem die erforderlichen Schaltgewichte aufgesetzt oder abgehoben worden sind, wird der Knopf 23 des optischen Mikrometers so weit gedreht, bis das Abbild 35' eines der Teilstriche in den Ablesemitteln 37 genau zentriert erscheint. Das Resultat kann darauf in ziffernmässig richtiger Reihenfolge in den Fenstern 30 bis 32 abgelesen werden. Die Interpolation zur Bestimmung der letzten Gewichtsdezimalen kann auch vermittels einer im Fenster 33 sichtbaren Noniusteilung vorgenommen werden, welche an die Stelle der dreieckförmigen Ablesemittel 37 tritt. Der optische Mikrometer 17 bis 29 erübrigt sich unter diesen Umständen.
Der Hauptvorteil der beschriebenen Waage besteht vorwiegend in der Anwendbarkeit erheblich vergrösserter Neigungswinkel a des Waagebalkens 8, ohne dass bei linearer Interpolation zur Gewinnung der letzten Gewichtsdezimalen systematische Fehler auftreten. Es ist daher oft die Einsparung einer vollen dekadischen Stufe im Gewichtssatz der Schaltgewichte möglich, wodurch sich weitere Vereinfachungen ergeben.