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Torsionswaage zur Bestimmung kleinster
Gewichtsänderungen an Proben
Vorliegende Erfindung betrifft eine Drehwaage zur genauesten Bestimmung geringster Gewichtsänderungen an zu untersuchenden Materialproben, wie z. B. Gewichtsveränderungen durch Einwirkung elektromagnetischer Kräfte, wie sie bei Messung der magnetischen Suszeptibilität von Gesteinsbrocken auftreten, Änderungen der archimedischen Auftriebskraft, die auf in gasförmigen Medien befindliche Körper wirkt, Gewichtsänderungen durch Wasserverlust bei Dehydratisierung der Proben oder solchen durch Gasabsorption an den Proben.
Zu solchen Zwecken benützt man gewöhnlich besondere Mikrowaagen, wobei die Gewichtsveränderung aus der Differenz zweier genauer Wägungen erhalten wird. Oft muss jede Gewichtsbestimmung mit einem relativen Fehler von nur 0, 001 % und noch weniger vorgenommen werden, um einen Endfehler von ungefähr 1 bis 2 Ufo zu erhalten.
Die solchen Messungen entsprechenden. Mikrowaagen sind teuer und empfindlich, so dass zu ihrer Handhabung geschultes Personal erforderlich ist ; anderseits sind die mit diesen Waagen ausgeführten Bestimmungen sehr zeitraubend.
Gleicherweise können Drehwaagen benützt werden, die den Vorteil haben, die Gewichtsdifferenz direkt anzuzeigen. Die üblichen Drehwaagen sind aber für derartige Zwecke nicht geeignet, da sie bei grosser Empfindlichkeit nur relativ kleine Belastbarkeit haben ; die zu messenden Kräfte, die von den auf der Waage befindlichen Proben ausgelöst werden, sind viel zu klein, um selbst mittels einer Drehwaage grosser Empfindlichkeit gemessen zu werden.
Bei der Drehwaage gemäss der vorliegenden Erfindung sind die oben angegebenen Nachteile dadurch beseitigt, dass der Torsionsfaden von dem Gewicht des beweglichen Waagensystems einschliesslich der Last und des Gegengewichtes durch Ausnutzung des Auftriebes eines andiesem System befestigten Schwimmers entlastet ist, der gänzlich in eine Flüssigkeit eintaucht, deren freie Oberfläche sich in der Höhe des Torsionsfadens befindet, und dass Mittel vorgesehen sind, um den Schwerpunkt des beweglichen Waagensystems einschliesslich der Last und des Gegengewichtes in die unmittelbare Nähe des Auftriebszentrums des Schwimmers zu bringen. Da der Drehfaden von den Gewichten des spielenden Waagenteiles und der Probe entlastet ist, kann er sehr dünn ausgeführt werden, die Empfindlichkeit der Waage aber sehr gross sein, dass sie unabhängig von der Belastbarkeit ist.
Um eine maximale Empfindlichkeit zu realisieren, ist das stabilisierende, aus dem Gewicht des spielenden Waagenteiles und der archimedischen Auftriebskraft gebildete Kräftepaar dadurch auf einen Wert, der praktisch Null ist, vermindert worden, dass der Druckmittelpunkt mit dem Schwerpunkt des spielenden Waagenteiles zusammenfällt.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Zeichnung zeigt eine schematische Ansicht der Drehwaage.
Die erfindungsgemässe Waage besitzt einen beweglichen Teil, der aus einem Hebel l besteht, welcher von zwei in ihrer Verlängerung liegenden Armen al und a gebildet wird, die an einem zentralen Ring b befestigt sind. Die Achse der Arme a,a gsht durch den Mittelpunkt des Ringes b. Am Ende des Armes al befinden sich zwei Blättchen 2 und 3, aus hartem Material, die konische Ausnehmungen besitzen, in welche die Spitzen 4 und 5 eintreten, so dass der aufgesetzte Teil 6, der die Wiegeprobe trägt, sich auf den Waagearm al abstützt. Auf dem andern Arm a2 des Hebels kann ein Gegengewicht 7 verschoben werden. Der Hebel 1 ist mit einem Nullstellungsanzeiger versehen, z.
B. einem konkaven Spie-
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gel 8, befestigt am Hebelarm 32. Der konkave Spiegel 8 wirft auf eine graduierte Skala 9 eine, von einer Lichtquelle 10 ausgehende Lichtmarke.
An dem Ring b ist ein senkrechter, rechtwinkeliger Rahmen 11 befestigt, mittels welchem eine Verbindung zwischen dem beweglichen Teil und den tragenden Elementen, nämlich einem Schwimmer 12, einem Torsionsfaden 13 und einem Spannfaden 14 erzielt wird.
Der Schwimmer 12 kann durch Verschraubung der mit Gewinde versehenen Stange 15 in dem Teil 16 am Rahmen 11 in die erforderliche Höhe gebracht werden, und mittels einer Gegenmutter in dieser Stellung festgehalten werden. Auf der Stange 15 befindet sich ferner ein Gewicht 17, das zur Feineinstellung der Höhe des Schwerpunktes des beweglichen Waagenteiles dient.
Der Schwimmer 12 ist ganzlich versenkt in einer in dem Behälter 18 befindlichen Flüssigkeit, welche auch die Funktion eines Dämpfers der Schwingungen des beweglichen Waagenteiles erfüllt. Besteht der Schwimmer aus dünnem, deformierbarem Material, so wird die Stange 15 zum Zwecke des Druckausgleiches rohrförmig ausgehöhlt.
Der Torsionsfaden 13 hat zwei Einspannstellen 19 und 20. Die Einspannstelle 19 befindet sich am senkrechten Rahmen 11 und die Befestigung des Fadens erfolgt mittels eines konischen Stiftes 21. An der Einspannstelle 20 wird der Faden mittels eines Futters festgehalten, an dem ein Zeiger zur Angabe des Drehwinkels sitzt. Der Zeiger 23 kann ein vor einer Teilung 24 laufender Nonius sein. Der Spannfaden 14 hält den Torsionsfaden 13 gespannt mit konstanter Kraft, die von einer schwachen Feder 25 ausgeübt wird.
Beide Fäden 13 und 14 liegen in der gleichen Horizontalebene in Höhe des Meniskus der Flüssigkeit indem Behälter 18. Die Achse der Fäden geht durch den Mittelpunkt desjenigen Stangenquerschnittes, der mit dem Wasserspiegel zusammenfällt. Eine Vorkehrung, die den Effekt hat, die Fehlerquellen aus dem Kräftemoment der Oberflächenspannung auf ein Minimum herabzusetzen.
Die Waage ist je nach ihrer Bestimmung mit einer ein- oder zweiteiligen Waagschale 26 versehen.
Im Falle der Benützung zur Messung der magnetischen Empfindlichkeit ist die Waagschale zweiteilig ausgeführt, u. zw. wird auf den unteren Teil 26 die Wiegeprobe gelegt, im Felde einer Magnetspule 27, auf den oberen Teil 28 aber, der sich genügend weit entfernt von der Spule 27 befindet, wird praktisch unmagnetischer Ballast bis zur Komplettierung des Gewichtes des beweglichen Waagenteiles zum nötigen Wert aufgegeben, entsprechend dem Volumen des Schwimmers 12 und der Dichte der Flüssigkeit im Be-
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Beide Teile 26 und 28 sind auf einem gemeinsamen Träger 29 montiert, der am Aufhängesystem 6 der Probe gehaltert ist.
Die Waage ist ferner mit einer Sperrmechanik versehen, die aus einem Haken 30 besteht, der den beweglichen Waagenteil erfasst und auf die Schneiden 31 und 32 aufdrückt. Der Haken 30 sitzt auf einer Achse 36 des Gestells 33 für den Flüssigkeitsbehälter 18. Die Anpresskraft des Hakens 30 an den Rahmen 11 wird mittels einer Feder 34 konstant gehalten. Die Federkraft wird durch den Hebel 35 und die Welle 36 auf den Haken übertragen, so dass der Anpressdruck unabhängig ist von dem Kraftaufwand des die Sperrnocke 37 Betätigenden.
Das Verfahren der Voreinstellung der Waage, um das aus dem Gewicht des spielenden Waagenteiles und der archimedischen Auftriebskraft gebildete Kräftepaar entsprechend einem konstanten Gewicht auf ein Minimum zu reduzieren, ist folgendes :
Man hebt das Gewicht 17 gegen das obere Ende der mit Gewinde versehenen Stange 15 und senkt den Schwimmer 12 durch Verschrauben der Stange 15 in dem Teil 16, bis man durch Senkung des Druckzentrums unter das Gewichtszentrum zu einem Kippmoment gelangt. Das Auftreten des Kippmoments wird durch die Instabilität der Nullstellung des spielenden Waagenteiles dann festgestellt, wenn durch langsame, kontinuierliche und gleichförmige Drehung des Torsionsfadens oder langsame Verstellung des Gegengewichtes 7 der spielende Waagenteil plötzlich durch die Nullstellung geht, ohne dass er in dieser Stellung gehalten werden kann.
Nun wird der Schwimmer durch Verschrauben der Stange 15 langsam gehoben, bis die Stellung des spielenden Waagenteiles stabilisiert wird. Das Vorhandensein eines Kippmoments wird dadurch festgestellt, dass jeder Stellung des Gegengewichtes 7 und jedem Drehwinkel des Fadens 13 eine gewisse Stellung des spielenden Teiles entspricht, wobei eine dieser Stellungen die Nullstellung ist.
Nach Erreichung der ersten stabilen Stellung wird die Stange 15 neuerlich verschraubt, bis die vorhergehende unstabile Stellung erlangt wird, in welcher die Stange mittels der Gegenmutter festgehalten wird.
Hierauf erfolgt die Feineinstellung durch Drehung des Gegengewichtes 17, wobei als Kriterium der
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Regulierung die Stabilität oder Unstabilität der Nullstellung des spielenden Wagenteiles benutzt wird, bis eine Differenz zwischen der Stabilität und der Unstabilität nur schwer festgestellt werden kann. In dieser Situation befinden sich sowohl der Gewichtsmittelpunkt des spielenden Teiles, als auch der Mittelpunkt der Druckkräfte, welche den Auftrieb ergeben, auf einer zu den Achsen der Fäden 13 und 14 parallelen Geraden ; das aus dem Gewicht des spielenden Wagenteiles und der archimedischen Auftriebskraft gebildete Kräftepaar stellt nun infolge des Torsionsfadens ein Minimum, die Empfindlichkeit der Waage aber ein Maximum dar.
Zur Ausführung der Bestimmungen wird auf die Waagschale 26 der Waage die zu untersuchende Probe
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tes kann eine übliche Laboratoriumswaage mittlerer Empfindlichkeit benützt werden oder die Drehwaage selbst, die nur dann frei zu schwingen anfängt, wenn das Gewicht der Wiegeprobe auf der Waagschale ungefähr gleich dem Gewicht aus Probe und Ballast wird.
Nach Vervollständigung des Gewichtes bis zum erforderlichen Wert verdreht man den Torsionsfaden 13 derart, dass der-spielende Waagenteil in die Nullstellung gelangt und notiert die entsprechende Anzeige auf der Skala 24.
Man erzeugt sodann ein magnetisches Feld, indem ein elektrischer Strom durch die Spule 27 geschickt wird, der, dank der magnetischen Suszeptibilität der Probe auf der Waagschale 26, den spielenden Waagenteil zum Verlassen der Nullstellung zwingt. Um ihn wieder in diese Stellung zurückzubringen, wird der Torsionsfaden 13 wieder gedreht. Man notiert die neue Anzeige auf der graduierten Scheibe 24. Das erhaltene Ergebnis aus der Differenz der beiden Anzeigen ergibt die gemessene Kraft. Die Waage wird durch Vergleich mit markierten Gewichten (Milligramme) geeicht.
Die Waage gemäss der Erfindung besitzt folgende Vorteile :
Sie weist alle Vorteile der Drehwaage auf, nämlich hohe Empfindlichkeit und bequeme Ablesung selbst bei hoher Belastbarkeit (über 10 g) ; sie gewährleistet die Erreichung höchster Empfindlichkeit (minimales stabilisierendes Kräftepaar) durch einfache Voreinstellung, ohne dass eine besonders genaue Ausführung ihrer Bestandteile nötig wird ; die Schwingungen des spielenden Waagenteiles sind vorzüglich abgedämpft ; man kann leicht die kritische Dämpfung erreichen, indem eine Flüssigkeit mit entsprechender Viskosität gewählt wird oder die Ausmasse des Behälters 18 geändert werden ; die für den Schwimmer ge- brachte Flüssigkeit kann ein Öl mit sehr geringem Dampfdruck sein, das den Gebrauch der Waage im luftleeren Raum gestattet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Torsionswaage zur Bestimmung kleinster Gewichtsveränderungen an Proben, deren bewegliches Waagensystem mit einem waagrechten Torsionsfaden verbunden ist und ein Gegengewicht trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsfaden (13) von dem Gewicht des beweglichen Waagensystems (1) einschliesslich der Last (in 26, 28) und des Gegengewichtes (7) durch Ausnutzung des Auftriebes eines an diesem System befestigten Schwimmers (12) entlastet ist, der gänzlich in eine in einem Behälter (18) befindliche Flüssigkeit eintaucht, deren freie Oberfläche sich in der Höhe des Torsionsfadens (13) befindet und dass Mittel (15. 17 und 7) vorgesehen sind, um den Schwerpunkt des beweglichen W.
aagensystems (l) einschliesslich der Last (in 26, 28) und des Gegengewichtes (7) in die unmittelbare Nähe des Auftriebszentrums des Schwimmers (12) zu bringen.