Gleicharmige Balkenwaage
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gleicharmige Balkenwaage. Solche Waagen werden zur Bestimmung der Masse von Körpern verwendet, insbesondere zur Massenbestimmung bei wissenschaftlichen Untersuchungen und bei industrieller Kontrolle.
Bekannt ist eine gleicharmige Balkenwaage mit einem Waagebalken, einer Lastausgleichsvorrichtung und einer Messvorrichtung (siehe beispielsweise Canadian Journal of Physics , v. 30, Sept. 1952, Nr. 5 pp.
524-555). Bei dieser Waage wird die hohe Empfindlichkeit durch Anwendung elastischer Achsen mit niedriger Steifigkeit für Waagebalkenlagerung erreicht. Den Lastunterschied bestimmt man aus der Torsion der elastischen Fäden, die den Waagebalkenausschlag kompensiert. Die geringe Steifigkeit von elastischen Achsen wird durch grosse Länge von Aufhängungsfäden erreicht.
Dadurch werden aber gleichzeitig die Tragbarkeit und die Vibrationsfestigkeit der Waage stark vermindert. Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Waage liegt darin, dass ihre Kennwerte bei Laststeigerung nicht konstant bleiben und ihre Messgenauigkeit durch thermische Deformationen des Gehäuses beeinträchtigt wird.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochempfindliche gleicharmige Waage zu entwickeln, bei der hohe Tragfähigkeit der Waagebalkenachsen, Stabilität der Kennwerte und hohe Vibrationsfestigkeit durch Erhöhung der Steifigkeit des Fühlorgans erreicht werden.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Schaffung einer gleicharmigen Balkenwaage mit einem Waagebalken, einer Lastausgleichsvorrichtung und einer Messvorrichtung gelöst, welche Balkenwaage erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass die Lastausgleichsvorrichtung ein elastisches Element ist, dessen eines Ende mit der Messvorrichtung und dessen anderes Ende mit dem Waagebalken derart verbunden ist, dass bei Nullstellung des Fühlorgans die Wirkungslinie der am Waagebalken angreifenden Federkraft die Waagebalkendrehachse schneidet, während bei Auslenkung des Fühlorgans dieselbe Kraft den Waagebalken im Sinne des jeweiligen Ausschlags belastet.
Das elastische Element kann eine Zugfeder sein. Die Feder wird zweckmässigerweise so angeordnet, dass ihre Achse annähernd senkrecht steht, ihr am Waagebalken angreifendes Ende oberhalb und ihr anderes Ende unterhalb der Waagebalkendrehachse liegt.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung, in welcher die Balkenwaage mit einer annähernd senkrecht stehenden Lastausgleichszugfeder versehen ist, wird das am Waagebalken angreifende Federende dagegen unterhalb der Waagebalkenachse und das andere Federende oberhalb derselben angeordnet.
Als elastisches Lastausgleichselement kann nach der Erfindung auch eine Druckfeder dienen, die so angeordnet wird, dass ihre Achse wiederum annähernd senkrecht steht, ihre beiden Enden aber über der Waagebalkendrehachse liegen.
Eine günstige Lösung der Aufgabe kann erreicht werden, wenn man das Federende über einen federbelasteten, im Waagegehäuse auf elastischen Achsen gelagerten Hebel mit der Messvorrichtung verbindet.
Die Erfindung wird nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 das Gesamtschema der erfindungsgemässen gleicharmigen Waage,
Fig. 2 eine Ausführungsvariante für das Fühlorgan der erfindungsgemässen Balkenwaage,
Fig. 3 eine andere Ausführungsvariante für das Fühlorgan,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsvariante für das Fühlorgan.
Wie dies Fig. 1 erkennen lässt, enthält die erfindungsgemässe gleicharmige Balkenwaage zunächst ein Gehäuse 1, in dem Fühlorgan 2, Manipulatoren 3, Arretiervorrichtung 4, Messvorrichtung in Form einer Mikrometerschraube 5, Nullstell-Mikrometerschraube 6, Objektiv 7 der optischen Ablesevorrichtung und ther mische Isolierung 8 des Fühlorgans 2 untergebracht werden.
Das Fühlorgan 2 der Balkenwaage schliesst einen gleicharmigen Waagebalken 9 (Fig. 2) ein, der im Rahmen 10 auf elastischen Fäden 11 gelagert ist, die gleichzeitig als Waagebalkenachsen dienen. Der Rahmen 10 ist mit seinem einen Ende im Waagegehäuse 11 fliegend gelagert. Es sind weiter auch andere Lagerungen für den Waagebalken anwendbar, beispielsweise eine Schneidenlagerung.
Zum Fühlorgan der Balkenwaage gehört weiter eine Lastausgleichsvorrichtung, die ein in Form einer Schraubenzugfeder 12 ausgebildetes elastisches Element ist.
Die Achse der Feder 12 steht annähernd senkrecht und geht in der Nähe der Drehachse 11 des Waagebalkens durch. Das eine Ende der Feder 12 ist am Waagebalken 9 angebracht und befindet sich oberhalb der Drehachse 11. Das andere Federende liegt dagegen unterhalb der Drehachse 11 und greift am Hebel 13 an, der im Rahmen 10 durch Spannfäden 14 gelagert und einerseits über Messfeder 15 mit der Mikrometerschraube 5, anderseits über Messbereichs-Einstellfeder 16 mit der Nullstell-Mikrometerschraube 6 verbunden ist.
Durch eine solche Anordnung der Feder 12 wird erreicht, dass bei Nullstellung des Waagebalkens die Wirkungslinie der am Waagebalken 9 angreifenden Federkraft die Waagebalkenachse 11 schneidet, während bei Auslenkung des Fühlorgans dieselbe Kraft den Waagebalken im Sinne des jeweiligen Ausschlags belastet.
Das unterhalb der Waagebalkendrehachse liegende Federende kann mit der Mikrometerschraube unmittelbar oder über eine im Waagegehäuse befestigte Blattfeder verbunden werden.
Am Waagebalken sind der Spiegel 17 und die Teller 18 angebracht, wobei die Befestigungspunkte der Teller in einer Ebene mit der Drehachse 11 des Waagebalkens liegen. Anstelle des Spiegels 17 kann auch eine feine Strichmarke vorgesehen werden. Ebenfalls können die Befestigungspunkte der Teller unterhalb oder oberhalb der Drehachse 11 liegen.
Alle beschriebenen Teile des Fühlorgans 2 sind aus Quarz hergestellt und durch Schweissung miteinander verbunden. Sie können aber auch völlig oder teilweise aus Metall bestehen, wobei neben den Schweissverbindungen auch Verschraubungen und Klebverbindungen auftreten können.
Bei der Ausführungsvariante der Waage nach Fig. 3 ist das am Waagebalken 9 angreifende Ende der Lastausgleichsfeder 12 unterhalb und das andere Federende oberhalb der Drehachse des Waagebalkens 9 angeordnet.
Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 4 wird das elastische Lastausgleichselement in Form einer Schraubendruckfeder 19 ausgeführt. Die Feder wird derart angeordnet, dass ihre Achse annähernd senkrecht steht und in der Nähe der Drehachse 11 liegt. Die beiden Enden der Feder 19 befinden sich über der Drehachse 11, dabei liegt das am Waagebalken 9 angreifende Federende tiefer als das andere, am Hebel 13 angebrachte Federende. Am Waagebalken 9 ist weiter der Spiegel 17' angebracht.
Die Wirkungsweise der Balkenwaage nach der ersten Ausführungsvariante (Fig. 1,2) ist folgendermassen.
Man legt die zu wiegende Masse und die entsprechenden Gewichtsstücke mit Hilfe von Manipulatoren auf die Teller 18 der Waage. Unter der Wirkung der Lastdifferenz schlägt der Waagebalken um einen bestimmten Winkel aus, dabei versetzt sich der Angriffspunkt der Feder 12 am Waagebalken 9 und es entsteht ein zusätzliches Drehmoment, das den Ausschlag des Waagebalkens vergrössert. Jetzt misst man mit Hilfe der Mikrometerschraube 5 die Spannung der Messfeder 15, wobei der Hebel gedreht und der andere Angriffspunkt der Feder 12 so weit versetzt werden, dass der Waagebalken 9 in die Nullstellung zurückkehrt.
Diese Stellung wird durch den Spiegel 17, Objektiv 7 und Okular mit Leuchte (in der Zeichnung nicht gezeigt) visuell erkennbar. Die Feder 12 erfüllt also zwei Aufgaben: sie erhöht die Empfindlichkeit des Waagebalkens 9 und ermöglicht seine Rückkehr in die Nullage. Die Verstellung der Mikrometerschraube 5 ist ein Mass für die Lastdifferenz.
Für die Bestimmung der Lastdifferenz kann auch der Ausschlagswinkel benutzt werden, der an der Okularskala abgelesen werden kann. Man kann weiter die beiden Verfahren (Ausschlags- und Kompensationsverfahren) kombinieren.
Bei grösseren Belastungen steigt die Schwingungsperiode des Waagebalkens 9 infolge der Vergrösserung des Schwungmoments an. Gleichzeitig nimmt auch die Empfindlichkeit des Waagebalkens infolge der Durchbiegung der elastischen Fäden, auf denen der Waagebalken hängt, und der damit verbundenen Verminderung der Federvorspannung ab. Die resultierende Wirkung dieser beiden Faktoren lässt die Anderung der Schwingungsperiode des Waagebalkens in vorgegebenen Grenzen (insbesondere ihr Isochronismus) erreichen. Die Instrumentenkonstante der Waage bleibt dabei unver ändert.
Die Waage nach der 2. und 3. Ausführungsvariante (Fig. 3 und 4) hat etwa die gleiche Wirkungsweise wie die Ausführung nach Fig. 2.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Schaffung von gleicharmigen Balkenwaagen mit einer Tragfähigkeit bis auf mehrere von Gramm und darüber und mit einer Instrumentenkonstante in der Grössenordnung von 1.10-10 g und darunter. Dabei wird auch eine hohe Stabilität der Kenndaten und eine niedrige Vibrationsempfindlichkeit der Waage erreicht.