DE4223981A1 - Prüfkörper zur Messung der Luftdichte mittels einer hochauflösenden elektronischen Waage und seine Verwendung in einer Waage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Prüfkörper zur Messung der Luftdichte oder der Dichte irgendeines Gases in Verbindung mit einer hochauflösenden Waage und einem genauen Normwäge­ stück.

In den Rechentafeln für die Chemische Analytik von 1894, 103. Auflage 1985, ist auf S. 82 unter 3.3 die "Korrektion des Luftauftriebs bei genauen Wägungen" beschrieben. Er­ läutert werden Massenbestimmungsfehler, die durch Luft­ auftrieb entstehen, wenn die Dichte des Wägegutes von der Dichte 8,000 kg/m³ des Normwägestückes abweicht. Die Ausführungen gehen jedoch wegen der bisher sehr umständ­ lichen Luftdichtebestimmung von einer mittleren Luftdichte mit 1,2 g/L aus, so daß die dort gegebenen Empfehlungen für die allgemeine Praxis mit der hier beschriebenen sehr einfachen Messung der Variation der Luftdichte angehoben werden können.

Die DE 31 06 564 A1 beschreibt eine elektronische Waage, die neben den üblichen Bedienelementen eine Stelleinrich­ tung haben soll, die entsprechend der Dichte des Wägegutes eingestellt wird. Zugehörig zu dieser Einstellung wird die Empfindlichkeit der Waage dabei so verändert, daß die Masse schon mit erheblich weniger Luftauftriebsfehler bestimmt werden kann.

Aus der DE 31 06 534 A1 ist weiterhin bekannt, bei einer solchen Waage mit elektromagnetischer Lastkompensation einen Druckaufnehmer für den Druck der Luft vorzusehen und daß dieser Druckaufnehmer das magnetische Feld des Perma­ nentmagnetsystems druckabhängig verändert, um so den Ein­ fluß des Luftauftriebes zu berücksichtigen. Diese Maßnahmen sind bautechnisch relativ aufwendig und auch bei einer bereits existierenden Waage nicht nachträglich anwendbar. Wie bekannt, ist der Druck nicht allein maßgebend für die Dichte der Luft bzw. eines Gases.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln für den Benutzer einer hochauflösen­ den Waage einen Prüfkörper zur Verfügung zu stellen, der mit ganz geringem Zeitaufwand allgemein einsetzbar ist und hohe Genauigkeit der Luftdichtemessung garantiert.

Die Lösung der Aufgabe wird im wesentlichen durch einen geschlossenen, gasdichten hohlen Prüfkörper erreicht, dessen Volumen (V) und Dichte (ρ_P) so dimensioniert sind, daß bei jeder zugrunde gelegten Luftdichte (ρ_L) der angezeigte Wägewert des Körpers im Vergleich zu einem massiven Wägestück von m = 1 kg der Fehlergrenzklasse E1, mindestens jedoch E2 gemäß OIML IR20 beziehungsweise in direktem Verhältnis zum Teilungswert der verwendeten Waage eine Waagenanzeige ergibt, deren absoluter Zahlenwert dem der Luftmasse je Liter entspricht; die variable Luftdichte also ohne Dimension unmittelbar als Wägeergebnis abgelesen werden kann.

Haben wir beispielsweise eine Luftdichte von ρ_L = 1,211 g/L,

• - legen ein 1 kg Massestück auf eine zuvor kalibrierte Waage mit geeigneter Auflösung,
• - tarieren,
• - entfernen die Masse m = 1000 g und
• - legen dann den hohlen Prüfkörper auf, so wird an der Anzeige -1,211 g ablesbar sein. Das Minuszeichen gibt an, daß die Luftdichte eine der Massenkraft entgegen­ wirkende Auftriebskraft erzeugt.

Der hohle Prüfkörper ist also so gestaltet und abge­ stimmt, daß die jeweilige Luftdichte oder Gasdichte als Zahlenwert unmittelbar auf der Digitalanzeige der Waage ablesbar wird und somit auch über einen Datenausgang einer elektronischen Waage sofort verfügbar ist.

Die genauen Messungen von Temperatur, Druck und relativer Feuchte der Luft in Verbindung mit Berechnungsmethoden zur Bestimmung der Luftdichte können entfallen, es sei denn, man will den hohlen Prüfkörper als Vergleichsnormal selbst überprüfen.

Die Einfachheit der Anwendung ermöglicht es, jedem Labor, welches z. B. hochgenaue Massenbestimmungen vornimmt, ohne besondere Vorkehrungen den vorgenannten Prüfkörper auf einer der vorhandenen Waagen unmittelbar zu verwenden.

Die Dimensionierung des hohlen Prüfkörpers hat die folgende Berechnungsgrundlage:

Da der Auftrieb sich proportional der Luftdichte (ρ_Lx) ändert, muß die vorgenannte Bedingung für mindestens zwei Luftdichtezustände ρ_L1 und ρ_L2 erfüllt sein. Daraus folgen zwei Gleichungen ähnlich den literaturbekannten, jedoch sind diese so variiert, daß die obigen Bedingungen dargestellt werden können. Daraus werden dann die beiden Unbekannten, nämlich das Volumen (V_P) und die Dichte (ρ_P) des Prüfkörpers bestimmt.

Allgemein gilt, daß die Summe der parallelen Kraftvektoren dann gleich Null ist, wenn die jeweilige Gleichung erfüllt ist.

Die beiden Bestimmungsgleichungen lauten dann:

Die Lösung für Volumen und Dichte des hohlen Prüfkörpers ergibt sich durch Auflösung der beiden Gleichungen nach m_p und ρ_p mit den folgenden Werten:

m_N = 1,000 g
ρ_L1 = 1,300 kg/m³; ρ_L2 = 1,100 kg/m³
Δm_N1 = 1,300 g; Δm_N2 = 1,100 g
ρ_N = 8,000 kg/m³

Es läßt sich jedoch voraussagen, daß m_p ganz in der Nähe von 1 kg liegen muß. Die genaue Kalibrierung des Prüf­ körpers erfolgt durch Vergleich mit der augenblicklichen Luftdichte, die sich aus Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchte etc. genau genug für die Einsatzgebiete des Prüfkörpers errechnen läßt.

Die grundlegenden BIPM-Formeln und deren Vereinfachungen sind durch die "PTB-Mitteilungen" 89 - 4/79 und das "Hand­ buch des Wägens" von M. Kochsiek hinreichend bekannt.

Da bei jeder Luftdichte-Messung eine Differenzbildung mit einem hochgenauen Wägestück vorgenommen wird, werden Waagenfehler auch weitgehend eliminiert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der hohle Prüf­ körper auch passend zu standardisierten massiven Kalibrier­ gewichten von 100 g, 10 g, (4 g) und 1 g dimensioniert. Vorzugsweise ist der Prüfkörper ein gasdichter geschlos­ sener Hohlzylinder mit minimaler Oberfläche.

Solcher Hohlzylinder aus Metall ist fertigungstechnisch wegen der Möglichkeit, das Volumen sehr genau einzuhalten, am einfachsten herzustellen. Denkbar sind aber auch andere geometrische Formen wie Hohlkugel, Hohlring und auch Ver­ wendung anderer Materialien wie z. B. Glas.

Dieser Prüfkörper kann ein manuell bewegbarer Prüfkörper sein, welcher von Hand auf die Waagschale der Waage ge­ setzt wird, er kann aber auch ein Kalibriergewicht oder Bestandteil eines Kalibriergewichtsatzes in einer Waage sein, wobei die Kalibriergewichte einschließlich des hohlen Prüfkörpers motorisch zur Gewichtsauflage gebracht werden können, wie es bei sogenannten Komparatorwaagen oder auch bei einer Analysenwaage gemäß DE 33 30 988 A1 prinzipiell bekannt ist.

Der hohle Prüfkörper ist in einem bevorzugten Ausführungs­ beispiel anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt mit Teilansicht des zylin­ drischen hohlen Prüfkörpers,

Fig. 2 einen Detailschnitt Y und

Fig. 3 einen Detailschnitt Z gemäß Fig. 1.

Der Prüfkörper 1, 2 als geschlossener, zylindrischer Hohl­ körper für ein Vergleichswägestück, z. B. der Klasse E2 und 1000 g, hat gerundet ein theoretisches Volumen von 1124,700 cm³ und eine Dichte von 0,8891258 g/cm³. Oberflächenqualität, Form und Werkstoff entsprechen den internationalen Vereinbarungen für hochgenaue Wägestücke.

Der Prüfkörper 1;2 besteht in der bevorzugten Ausführung aus einem Unterteil 1 und einem Oberteil 2, welche zusammen mit einem Stabilisierungsring 3 luftdicht verklebt sind. Vor dem Verkleben erfolgt die genaue Volumenabstimmung über das Höhenmaß von Teil 1.

Teil 4 ist ein S-förmiges Federelement, das einerseits statische Aufladungen der beiden Schalen 1;2 zueinander ausgleichen soll und andererseits zur groben Gewichts­ abstimmung geeignet ist. Zur Feinabstimmung kann Masse­ substanz 5 über eine Öffnung 6 zugeführt werden, die dann mittels einem geeigneten Pfropf 6′ luftdicht verschlossen wird.

Bei Zugrundelegung einer Luftdichte von 1,200 kg/m³ soll ein Meßkörper für 1 kg, 100 g, 10 g (4 g) oder 1 g jeweils 998,800 g, 99,8000 g, 9,98000 (3,98800 g) und 0,998800 g Anzeige der Waage bewirken.

Neben der eingangs genannten Anwendung eines solchen Prüf­ körpers 1;2 für das Abgleichen von Kalibriergewichten oder für die Herstellung von Eichnormalen bzw. für die unmittel­ bare Messung der Luftdichte mit Hilfe einer Waage ergeben sich folgende weitere Anwendungsmöglichkeiten:

1. Bei Dichtebestimmung von festen Materialien wird ein Körper zunächst in Luft und dann in Wasser gewogen. Die im vorangegangenen beschriebene Meßmethodik erlaubt auch hier in einfacher Weise den variablen Auftrieb in Luft schnell und sicher zu erfassen und damit Qualität der Dichtebestimmung von festen Körpern anzuheben. Bisher wurde auch hier der Umständlichkeit der Erfassung der Luftwerte wegen meist nur ein Mittelwert der Luftdichte eingesetzt.

2. Die Verwendung eines definierten Luftdichte-Meßkörpers als Bestandteil der Gewichtsschaltung einer Waage, die nach der beschriebenen Methodik arbeitet, schafft die Voraussetzung, daß der Waage jederzeit der aktuelle Luftdichtewert verfügbar ist und bei Luftauftriebs­ korrekturen eines Wägegutes mit von 8,000 kg/m³ ab­ weichender Dichte die Korrekturen noch mit mindestens einer Stelle genauer bestimmt werden können.

Sobald einer elektronischen Waage mit geeignetem Rechner und der obengenannten Gewichtsschaltung die Dichte eines Wägegutes eingegeben ist, kann unmittelbar die exakte Massenangabe angezeigt werden.

Es ist selbstverständlich, daß mit der Verbindung zu einem Rechner die Hohlkörperdimensionierung variiert werden kann. Ein kleinerer Hohlkörper wird ungenauer messen und einen konstanten Multiplikationsfaktor benötigen. Die Subtraktion eines Gewichtswertes kann im Rechner erfolgen. Die Bindung an den augenblicklichen Luftdichtewert, also die Justierung kann über Rechenwerte angepaßt sein.

Im Hintergrund, wenn auch nicht unmittelbar sichtbar, steht jedoch die im vorangegangenen beschriebene Meßmethodik.

Claims (11)

1. Prüfkörper zur Messung der Luftdichte mittels einer hochauflösenden elektronischen Waage mit Digitalanzeige, gekennzeichnet durch einen geschlossenen, gasdichten hohlen Prüfkörper, dessen Volumen (V) und Dichte (ρ_P) so dimensioniert sind, daß bei jeder zugrunde gelegten Luftdichte (ρ_L) der angezeigte Wägewert des Körpers im Vergleich zu einem massiven Wägestück von m = 1 kg der Fehlergrenzklasse E1 eine Waagenanzeige ergibt, deren absoluter Zahlenwert dem der variablen Luftmasse je Liter entspricht.

2. Prüfkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Prüfkörper nach folgenden Bestimmungs­ gleichungen: und dimensioniert ist.

3. Prüfkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der hohle Prüfkörper (1;2) in Relation zu standardisierten massiven Kalibriergewichten dimensioniert ist.

4. Prüfkörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der hohle Prüfkörper (1;2) als geschlos­ sener Hohlzylinder aus zwei gasdicht miteinander ver­ bundenen Zylindertöpfen gebildet ist.

5. Prüfkörper nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Zylindertöpfe (1;2) über eine abgestufte Ringnut miteinander verklebt sind.

6. Prüfkörper nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in die Ringnut ein innenseitiger Ver­ steifungsring (3) eingeschlossen ist.

7. Prüfkörper nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Zylindertöpfe (1;2) innenseitig durch einen über die Zylinderdiagonale laufendes Federelement (4) elektrostatisch kurzgeschlossen sind.

8. Prüfkörper nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine gasdicht verschließbare Füll­ öffnung (6) für Justiermasse (5) vorgesehen ist.

9. Prüfkörper nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet als internes Kalibriergewicht einer Waage bzw. Wägeanlage, welches motorisch zur Gewichtsauflage bringbar ist.

10. Verwendung einer Waage mit Prüfkörper und Kalibrier­ gewicht nach den Ansprüchen 1 bis 8 als Gerät zur Luft­ dichtebestimmung.

11. Verwendung einer Waage mit Prüfkörper- und Kalibrier­ gewichtsschaltung nach Anspruch 1 bis 8 als Gerät zur Luftdichtebestimmung.