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.
Equal arm balance
The present invention relates to an equal arm balance. Such scales are used to determine the mass of bodies, in particular for determining the mass in scientific research and industrial control.
Known is an equal-arm beam balance with a balance beam, a load balancing device and a measuring device (see, for example, Canadian Journal of Physics, v. 30, Sept. 1952, No. 5 pp.
524-555). With this balance, the high sensitivity is achieved by using elastic axes with low rigidity for balance beam bearings. The load difference is determined from the torsion of the elastic threads, which compensates for the deflection of the balance beam. The low stiffness of elastic axes is achieved by the great length of suspension threads.
At the same time, however, this greatly reduces the portability and vibration resistance of the scale. Another disadvantage of the scales described is that their characteristic values do not remain constant when the load increases and their measurement accuracy is impaired by thermal deformation of the housing.
It is the aim of the present invention to overcome these drawbacks.
The invention is based on the object of developing a highly sensitive equal-armed balance in which the high load-bearing capacity of the balance beam axes, stability of the characteristic values and high vibration resistance are achieved by increasing the stiffness of the sensing element.
The object is achieved by creating an equal-armed beam balance with a balance beam, a load balancing device and a measuring device, which beam balance is characterized according to the invention in that the load balancing device is an elastic element, one end of which with the measuring device and the other end with the balance beam What is connected is that when the sensing element is in the zero position, the line of action of the spring force acting on the balance beam intersects the balance beam axis of rotation, while when the sensing element is deflected, the same force loads the balance beam in the sense of the respective deflection.
The elastic element can be a tension spring. The spring is expediently arranged in such a way that its axis is approximately vertical, its end engaging the balance arm is above and its other end is below the axis of rotation of the balance arm.
According to another embodiment of the invention, in which the balance beam is provided with an approximately vertical load compensation tension spring, the spring end acting on the balance beam is arranged below the balance beam axis and the other spring end above the same.
According to the invention, a compression spring can also serve as an elastic load compensation element, which is arranged in such a way that its axis is again approximately perpendicular, but its two ends are above the axis of rotation of the balance beam.
A favorable solution to the problem can be achieved if the spring end is connected to the measuring device via a spring-loaded lever, which is mounted on elastic axes in the balance housing.
The invention is explained in more detail below using a few exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. It shows
1 shows the overall diagram of the equal-arm balance according to the invention,
2 shows a variant embodiment for the sensing element of the beam balance according to the invention,
3 shows another embodiment variant for the sensing element,
4 shows a further variant embodiment for the sensing element.
As can be seen in Fig. 1, the inventive equal-arm balance beam initially contains a housing 1 in which the sensing element 2, manipulators 3, locking device 4, measuring device in the form of a micrometer screw 5, zeroing micrometer screw 6, lens 7 of the optical reading device and thermal insulation 8 of the sensing element 2 can be accommodated.
The sensing element 2 of the beam balance includes an equal-armed balance beam 9 (FIG. 2) which is mounted in the frame 10 on elastic threads 11, which simultaneously serve as balance beam axes. One end of the frame 10 is cantilevered in the balance housing 11. Other mountings for the balance beam can also be used, for example a knife-edge mount.
A load compensation device, which is an elastic element in the form of a helical tension spring 12, also belongs to the sensing element of the balance beam.
The axis of the spring 12 is approximately perpendicular and goes through in the vicinity of the axis of rotation 11 of the balance beam. One end of the spring 12 is attached to the balance beam 9 and is above the axis of rotation 11. The other end of the spring, however, lies below the axis of rotation 11 and engages the lever 13, which is supported in the frame 10 by tensioning threads 14 and on the one hand via measuring spring 15 with the Micrometer screw 5, on the other hand, is connected to the zero setting micrometer screw 6 via measuring range setting spring 16.
Such an arrangement of the spring 12 ensures that when the balance beam is in the zero position, the line of action of the spring force acting on the balance beam 9 intersects the balance beam axis 11, while when the sensing element is deflected, the same force loads the balance beam in the sense of the respective deflection.
The end of the spring lying below the axis of rotation of the balance arm can be connected to the micrometer screw directly or via a leaf spring fastened in the balance housing.
The mirror 17 and the plates 18 are attached to the balance beam, the attachment points of the plates being in one plane with the axis of rotation 11 of the balance beam. Instead of the mirror 17, a fine line mark can also be provided. The attachment points of the plates can also be below or above the axis of rotation 11.
All described parts of the sensing element 2 are made of quartz and are connected to one another by welding. However, they can also consist entirely or partially of metal, in which case screw connections and adhesive connections can also occur in addition to the welded connections.
In the embodiment variant of the balance according to FIG. 3, the end of the load balancing spring 12 engaging the balance beam 9 is arranged below and the other spring end above the axis of rotation of the balance beam 9.
In the embodiment variant according to FIG. 4, the elastic load compensation element is designed in the form of a helical compression spring 19. The spring is arranged in such a way that its axis is approximately perpendicular and is close to the axis of rotation 11. The two ends of the spring 19 are located above the axis of rotation 11, while the spring end engaging the balance beam 9 is lower than the other spring end attached to the lever 13. The mirror 17 'is also attached to the balance beam 9.
The mode of operation of the beam balance according to the first variant (Fig. 1,2) is as follows.
The mass to be weighed and the corresponding weights are placed on the plate 18 of the balance with the aid of manipulators. Under the effect of the load difference, the balance beam deflects through a certain angle, the point of application of the spring 12 on the balance beam 9 being displaced and an additional torque arises which increases the deflection of the balance beam. The tension of the measuring spring 15 is now measured with the aid of the micrometer screw 5, the lever being rotated and the other point of application of the spring 12 being displaced so far that the balance beam 9 returns to the zero position.
This position is visually recognizable through the mirror 17, objective 7 and eyepiece with lamp (not shown in the drawing). The spring 12 thus fulfills two tasks: it increases the sensitivity of the balance beam 9 and enables it to return to the zero position. The adjustment of the micrometer screw 5 is a measure of the load difference.
The deflection angle, which can be read off the eyepiece scale, can also be used to determine the load difference. The two methods (deflection and compensation methods) can also be combined.
In the case of greater loads, the period of oscillation of the balance beam 9 increases as a result of the increase in the moment of inertia. At the same time, the sensitivity of the balance arm also decreases as a result of the deflection of the elastic threads on which the balance arm hangs and the associated reduction in the spring preload. The resulting effect of these two factors allows the period of oscillation of the balance beam to change within given limits (especially its isochronism). The instrument constant of the balance remains unchanged.
The balance according to the 2nd and 3rd variant (FIGS. 3 and 4) has approximately the same mode of operation as the variant according to FIG. 2.
The present invention enables the creation of equal arm scales with a load capacity of up to several grams and above and with an instrument constant in the order of magnitude of 1.10-10 g and below. A high stability of the characteristic data and a low vibration sensitivity of the balance are also achieved.