DE4341675C1 - Kompensationswaage sowie zugehöriges Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents
Kompensationswaage sowie zugehöriges Verfahren zu deren BetriebInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kompensationswaage nach dem
Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein zugehöriges Verfah
ren zu deren Betrieb.
Bei einer Kompensationswaage handelt es sich um eine sog.
"Nullwaage", bei der jeweils über eine Kompensations-Meß
einrichtung die notwendige Kraft außermittig zum Aufhäng- und
Drehpunkt des Waagebalkens aufgebracht wird, um diesen
stets in seiner horizontalen Ausgangsstellung, also seiner
sog. "Nullage" zu halten. Durch das Maß der von der Kom
pensations-Meßeinrichtung aufgebrachten Kraft kann dann
mit hoher Genauigkeit und Präzision das Gewicht des zu
messenden Gegenstandes ermittelt werden (wobei am gegen
überliegenden Arm des Waagebalkens bereits ein Ausgleichs
gewicht zu der zu wiegenden Probe zur Grobjustierung vor
gesehen sein kann).
Insbesondere bei chemischen Prozessen soll
mit derartigen Kompensationswaagen über eine Langzeitpe
riode hinweg eine bestimmte Probe gewogen
werden. Man spricht in diesem Falle nicht nur von einer
Null- oder Kompensationswaage im allgemeinen, sondern von
einer "Thermowaage" im besonderen, da bei derartigen Lang
zeitmessungen bei nur geringsten Gewichtsänderungen an der
zu wiegenden Probe diese auf konstanter Temperatur gehal
ten werden muß. Die zu messenden Gewichtsänderungen bewe
gen sich dabei sogar im Bruchteilbereich eines Milli
gramms.
Anhand von Fig. 2 wird der grundsätzliche Aufbau einer
derartigen, nach dem Stand der Technik bekannten Kompensa
tions- oder Thermowaage erläutert, wie sie u. a. auch aus der
DE 24 55 550 B2 bekannt ist.
In Fig. 2 ist dabei nur schematisch eine Prinzipdarstel
lung einer derartigen, nach dem Stand der Technik bekann
ten Kompensations- oder Thermowaage gezeigt.
Diese bekannte Thermowaage umfaßt einen Waagebalken 1, der
an seinem Drehpunkt (Drehachse) 3 gegenüber seinem Chassis
5 mit minimalster Reibung drehbar aufgehängt ist. Mit
anderen Worten befindet sich also der Schwerpunkt der Waa
gebalken-Konstruktion wie üblich unterhalb dessen Dreh
punktes.
An der einen Seite des Waagebalkens-Armes 1′ wird
eine zu untersuchtende Probe 7 je nach Konstruktionsprin
zip einer derartigen Thermowaage aufgelegt bzw. angehängt,
deren genaues Gewicht ermittelt werden soll.
Zum Grobausgleich des Waagebalkens 1 wird in der Regel am
gegenüberliegenden Waagebalkenarm 1′′ ein entsprechendes
Gegengewicht 9 aufgelegt bzw. am Waagebalken angehängt.
Je nach Gewichtsdifferenz zwischen dem Gewicht der zu
untersuchenden Probe 7 und dem Gegengewicht 9 würde an
sich der Waagebalken 1 aus seiner in Fig. 2 angedeuteten
Neutral-, d. h. Horizontal- oder "Null"-Lage heraus ver
dreht werden.
Dies wird im Falle einer Kompensations- oder Thermowaage
unter Verwendung eines Sensors (Sensoreinrichtung) 11, eines nachgeordneten
Regelverstärkers 13 sowie einer Kraftkompensations-Ein
richtung 15 verhindert.
Eine Auslenkung des Waagebalkens aus seiner Horizontal- oder
Nullage wird nämlich durch den in Fig. 2 nur
schematisch gezeigten Sensor, in der Regel einem indukti
ven Wegaufnehmer, erfaßt. Der Sensor 11 sitzt dabei auf
dem Chassis 5 und mißt stets eine Relativlagenveränderung
des Waagebalkens an einem betreffenden Referenzpunkt R
außerhalb des Drehpunktes des Waagebalkens gegenüber seiner
"Null-Lage".
Über ein entsprechendes Ausgangssignal des Sensors wird
über den erwähnten Regelverstärker 13 eine Kraftkompensa
tions-Einrichtung entsprechend angesteuert. Diese besteht
in der Regel aus einem Linearmotor, der nunmehr an dem zur
wiegenden Probe 7 gegenüberliegenden Waagearm 1′′ eine ent
sprechende Kraft außerhalb des Drehpunktes 3 auf den Waa
gebalken 1 zum Ausgleich des Drehmomentes ausübt, und zwar
nur so stark, bis der Waagebalken wieder in seine Nullage
zurückverschwenkt ist und der Sensor das Erreichen der
"Null-Lage" ermitteln und ein entsprechendes Steuersignal
abgeben kann. Durch diese stets vorgenommene Kompensation
wird also der Waagebalken in seiner Neutrallage gehalten.
Der Kompensationsstrom wird über eine Meßstrecke 17 mit
einem Fühlerwiderstand 19 der Kraftkompensations-Einrich
tung 15 zugeführt, so daß der Spannungsabfall am Fühlerwi
derstand 19 zwischen den beiden Anschlüssen 21/23 beidsei
tig des Fühlerwiderstandes 19 als Maß für die Kompensa
tionskraft erfaßt werden kann.
Mit derartigen Kompensationswaagen können also Langzeitge
wichts-Untersuchungen durchgeführt werden. Dazu werden die
Proben auf konstanter Temperatur gehalten, da ansonsten
durch Temperaturveränderung in die dadurch bewirkten Volu
menveränderungen auch Auftriebseffekte entstehen können,
die das Meßergebnis verfälschen.
Obgleich derartige Kompensations- und insbesondere Ther
mowaagen zur Messung geringer Gewichte bzw. Gewichtsver
änderungen geeignet sind, ist es Aufgabe der vorliegen
den Erfindung, eine derartige Kompensations
waage noch weiterzuentwickeln, daß sich mit dieser
auch Gewichte und Gewichtsveränderungen mit gegenüber dem
Stand der Technik noch deutlich höherer Genauigkeit messen
lassen, wobei die Gewichtsveränderungen beispielsweise
sogar im Nanogramm-Bereich liegen können.
Die Aufgabe wird bezüglich der Kompensations
waage entsprechend den im Anspruch 1 und bezüglich des
Verfahrens zum Betrieb der Kompensationswaage
entsprechend den im Anspruch 6 angegebenen Merkmalen ge
löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben.
Es muß als durchaus überraschend bezeichnet werden, daß
durch die vorliegende Erfindung der Einsatz- und Meßbe
reich derartiger Thermowaagen nochmals deutlich hin zu
kleineren Gewichtsbereichen verschoben werden konnte, und
daß dabei eine Meßgenauigkeit erzielbar ist, wie sie bis
her für unmöglich gehalten wurde.
Dabei ist auch das Lösungsprinzip als solches höchst über
raschend. Denn diese deutliche Verbesserung gegenüber dem
Stand der Technik wird dadurch erzielt, daß die Nullage
des Waagebalkens nicht mehr relativ zum Waagenchassis,
sondern relativ zur Richtung des Gravitationsvektors er
mittelt wird. Die jeweils aktuelle Lage des Gravitations
vektors kann dabei mittels eines separat am Chassis aufge
hängten Pendels ermittelt werden.
Denn es hat sich erfindungsgemäß gezeigt, daß schon die
unterschiedliche Mondstellung zu einer Veränderung des
Gravitationsvektors, d. h. einer Lageveränderung des Gravi
tationsvektors führt, und daß diese zwar nur höchst ge
ringe Lageveränderung des Gravitationsvektors in Abhängig
keit der Mondstellung (und gegebenenfalls weiterer Ein
flüsse) zu einer Verfälschung des Wägeergebnisses führen
kann.
Eine Lageveränderung des Gravitationsvektors bedeutet
nämlich, daß der Waagebalken automatisch mit seinem gegen
über seinem Drehpunkt tieferliegenden Schwerpunkt dieser
Lageveränderung des Gravitationsvektors folgt. Dies hat
bei herkömmlichen Kompensations- und Thermowaagen zur
Folge, daß mittels des Sensors eine geringe "Auslenkung"
gegenüber der scheinbaren "Null-Lage" ermittelt und eine
entsprechende Kompensations-Gegenbewegung durch die Kraft
kompensations-Einrichtung ausgelöst wird, obgleich gar
keine Gewichtsveränderung bei der zu untersuchenden Probe
stattgefunden hat.
Erfindungsgemäß wird keine "absolute" Lagever
änderung im Falle einer Auslenkung des Waagebalkens, son
dern nur noch eine "Relativlagen-Veränderung" ermittelt.
Bevorzugt wird die Messung der Nullage des Waagebalkens
relativ zum Waagenchassis durchgeführt, beispielsweise
unter Verwendung eines eine beliebige Form aufweisenden
Referenzpendels.
Die Erfindung
wird nachfolgend anhand eines
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen im
einzelnen:
Fig. 1: eine schematische Prinzipdarstellung der
erfindungsgemäßen Kompensations- oder
Thermowaage;
Fig. 2: eine entsprechende Darstellung bezüglich
einer nach dem Stand der Technik bekannten
Kompensations- oder Thermowaage.
In Fig. 1 sind die Teile der Kompensations- und Thermowaa
ge, die auch bei einer herkömmlich nach dem Stand der
Technik bekannten Thermowaage gemäß Fig. 2 verwendet
werden, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Abweichend von Fig. 2 ist nunmehr noch ein weiteres, sog.
Referenzpendel 27 vorgesehen, welches mit ebenfalls wiede
rum tieferliegendem Schwerpunkt gegenüber seinem höherlie
genden Dreh unkt bzw. seiner Drehachse 29 frei schwingbar
aufgehängt ist. Der Drehpunkt oder die Drehachse 29 sind, wie
dies mittels der Querstrebe 31 angedeutet ist, ebenfalls
gegenüber dem Chassis 5 abgestützt und gehalten.
Das schematisch wiedergegebene Gewicht des Referenzpendels
27 ist mit 33 bezeichnet.
Die Formgebung des Referenzpendels 27 ist unerheblich. Das
Referenzpendel kann dabei auch eine waagebalkenähnlich
Konstruktion aufweisen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der vorzugsweise in
Form eines induktiven Wegaufnehmers gebildete Sensor 11
wiederum gegenüber dem Chassis 5 der Waage abge
stützt. Der Sensor 11 weist im gezeigten Ausführungsbei
spiel zwei Eingänge 35′ und 35′′ auf, wobei über diese
beiden Eingänge jeweils ein erster Referenzpunkt R, der
außerhalb des Drehpunktes des Waagebalkens 1 liegt, mit
einem weiteren Referenzpunkt 39, der außerhalb des Dreh
punktes 29 des Referenzpendels liegt, erfaßt und eine
entsprechende Größe SR als Regeldifferenz- oder Relativ
größe erfaßt wird.
Diese Regeldifferenzgröße SR wird dann wieder dem Regel
verstärker 13 zugeführt, der, wie erläutert, die Kraft
kompensations-Einrichtung 15 ansteuert.
Kommt es im Falle einer Langzeitmessung zu einer wenn auch
geringen Lageverschiebung des Gravitationsvektors, so
führt dies zu einer entsprechenden automatisch geringfügi
gen Verschwenkung des Waagebalkens 1, da dessen Schwer
punkt unterhalb des Drehpunktes 3 liegt und der Waagebal
ken 1 frei drehbar aufgehängt ist. Da allerdings auch das
Referenzpendel 27 eine entsprechend geringfügige Lagever
änderung erfährt, führt eine zuvor durchgeführte Festle
gung der Referenzpunkte oder Eichung dazu, daß letztlich
über den Sensor 11 in diesem Falle kein Signal für eine
rein durch die Lageveränderung des Gravitationsvektors
bewirkte Auslenkung des Waagebalkens 1 ermittelbar ist.
Dies führt insoweit zu keiner Aktivierung der Kraft
kompensations-Einrichtung 15.
Nur wenn - unabhängig von irgendwelchen Gravitations
vektor-Richtungsänderungen - tatsächlich eine bei der
Probe selbst stattfindende Gewichtsveränderung (beispiels
weise durch einen bestimmten chemischen Prozeß) stattfin
det, so führt dies zu einer Lageveränderung des Waagebal
kens 1 ohne entsprechende Lageveränderung des Referenzpen
dels 27. In diesem Falle wird also tatsächlich ein ver
ändertes Ausgangssignal SR vom Sensor 11 abgegeben, wodurch
die Kraftkompensations-Einrichtung 15, in der Regel also
der darin eingebaute Linearmotor entsprechend angesteuert
wird, um zum Ausgleich des Drehmomentes auf den Waagebal
ken 1 eine entsprechende Krafteinleitung durchzuführen,
bis der Waagebalken 1 wieder seine gegenüber dem Bezugs
punkt des Referenzpendels 27 festgelegte Ausgangs- oder
Nullage eingenommen hat. Der hierfür erforderliche Kom
pensationsstrom kann wieder bei den Anschlüssen 21/23 als
Spannungsabfall am Fühlerwiderstand 19 abgegriffen werden.
Abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel ist natürlich
auch eine Sensorschaltung möglich, bei der der Sensor 11
entweder am Referenzpendel 27 oder am Waagebalken 1 zu
mindest mittelbar mit diesem mitbewegbar aufgehängt ist.
Wäre der Sensor 11 beispielsweise am Referenzpendel 27 mit
diesem mitbewegbar aufgehängt, so würde nur noch eine
Lageveränderung bezüglich eines am Waagebalken 1 festge
legten oder mit diesem mitbewegbaren Referenzpunktes ge
messen und bei einer Lageveränderung des Waagebalkens 1
aus seiner Nullage relativ bezogen auf die entsprechende
"Null-Lage" des Referenzpendels erfaßt und ein entspre
chendes Ausgangssignal an den Regelverstärker abgegeben
werden. Genauso könnte umgekehrt der Sensor zumindest
mittelbar am Waagebalken 1 an entsprechender Stelle ange
bracht und mitbewegbar aufgehängt sein, wobei er dann mit
einem entsprechenden Referenzpunkt am Referenzpendel 27
gekoppelt wäre und hierzu eine Lageveränderung erfassen
würde.
Die Funktionsweise des Sensors 11 ist anhand eines induk
tiv arbeitenden Sensors beschrieben. Es können aber
grundsätzlich alle anderen Sensoren eingesetzt werden, mit
denen Winkel- und/oder Lageveränderungen des Waagebalkens
erfaßt werden können. Anstelle des erläuterten induktiv
arbeitenden Sensors sind deshalb auch Sensoren möglich und
einsetzbar, die Winkel- und/oder Lageveränderungen kapazi
tiv, elektromagnetisch und/oder beispielsweise auf opti
schem Wege ermitteln.
Ebenso kommen für die Kraftkompensations-Einheit 15 alle
nur denkbaren Varianten in Betracht, mit denen mit hoher
Präzision und Genauigkeit unter zumindest mittelbarer Er
zeugung oder Ausgabe eines entsprechenden Signales für die
aufgebrachte Kraft der Waagebalken in seiner Horizontal- oder
Neutralstellung gehalten wird.
Das Ausführungsbeispiel ist für den Fall erläutert worden,
daß ein feststehendes Chassis verwendet wird, an welchem
der Waagebalken 1 bzw. das Referenzpendel 27 aufgehängt
ist. Im Sinne des Chassis kann auch eine davon abweichende
verallgemeinerte Aufhäng- und Stützvorrichtung verstan
den werden, beispielsweise eine im Verhältnis zum Waage
balken bzw. Referenzpendel ortsfeste räumliche Abstützung
an einer Wand oder Decke eines Raumes etc.
Claims (10)
1. Kompensationswaage insbesondere Thermowaage mit
- - einem Waagebalken (1) der mit seinem Drehpunkt bzw. mit seiner Drehachse (3) gegenüber dem ihn tragenden Chas sis (5) aufgehängt ist,
- - einer außermittig zum Drehpunkt/zur Drehachse (3) des Waagebalkens (1) angreifenden Kraftkompensations-Ein richtung (15),
- - einer Sensoreinrichtung (11), mit der eine Lage- und/oder Winkelveränderung des Waagebalkens (1) versetzt zur Drehachse (3) des Waagebalkens (1) meßbar ist und
- - einem Regelverstärker (13), mit dem in der Kraftkompen sations-Einrichtung (15) ein Kompensationssignal zur Rückbewegung des Waagebalkens (1) in seine Ausgangs- oder Nullage erzeugbar ist, wobei das Maß der mit der Kraftkompensations-Einrichtung (15) erzeugten, auf den Waagebalken (1) einwirkenden Kraft als Ausgangsmeßgröße zur Erfassung des tatsächlichen Gewichtes der zu unter suchenden Probe erfaßbar ist,
gekennzeichnet durch die Merkmale
- - daß ein Referenzpendel (27) vorgesehen ist,
- - daß mit der Sensoreinrichtung (11) ein Relativsignal aus der Lage des Waagebalkens (1) bezogen auf die Lage des Referenzpendels (27) ermittelbar ist, und
- - daß das Relativsignal zur Aussteuerung der Kraftkompen sations-Einrichtung (15) dient.
2. Kompensationswaage nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Sensoreinrichtung (11) aus einem am
Referenzpendel (27) sitzenden Sensor besteht, mit dem ein
Relativsignal zwischen der Lage der Sensoreinrichtung (11)
und einem mit dem Waagebalken (1) mitbewegbaren Referenz
punkt ermittelbar ist.
3. Kompensationswaage nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Sensoreinrichtung (11) aus einer am
Waagebalken (1) sitzenden Sensoreinrichtung (11) besteht,
mit der ein Relativsignal zwischen der Lage der Sensorein
richtung (11) und einem mit dem Referenzpendel (27) mit
bewegbaren Referenzpunkt ermittelbar ist.
4. Kompensationswaage nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Sensoreinrichtung (11) zwei Sensoren
umfaßt, die gegenüber einem Chassis (5) abgestützt und
gehalten sind, wobei mittels des einen Sensors die Lage
und/oder der Verschwenkwinkel des Waagebalkens (1) und mittels
des zweiten Sensors die Lage und/oder der Verschwenkwinkel des
Referenzpendels (27) meßbar ist und aus den beiden Meßsi
gnalen ein Relativ- oder ein Differenzsignal (SR) zur Ansteue
rung der Kraftkompensations-Einrichtung (15) ermittelbar
ist.
5. Kompensationswaage nach einem der Ansprü
che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorein
richtung (11) mindestens einen Sensor umfaßt, mit dem auf
induktivem, kapazitivem, elektromagnetischem und/oder op
tischem Wege eine Lage- und/oder eine Winkelabweichung des Waage
balkens (1) und/oder des Referenzpendels (27) meßbar ist.
6. Verfahren zum Betrieb einer Kompensations- und insbe
sondere Thermowaage, bei welcher mittels einer am Waage
balken angreifenden Kraftkompensations-Einrichtung außer
mittig zum Drehpunkt des Waagebalkens eine Kraft zur Aus
balancierung des Waagebalkens im Sinne einer Kompensation
einer an einer zu messenden Probe sich ergebenden Ge
wichtsveränderung eingeleitet wird, dadurch gekennzeich
net, daß zur Ansteuerung der Kraftkompensations-Einrich
tung die Auslenkung oder Nullage des Waagebalkens relativ
zur tatsächlichen Lage des Gravitationsvektors gemessen
oder hergeleitet und darüber die Kraftkompensations-Ein
richtung angesteuert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
mit der Sensoreinrichtung ein erstes Lage- oder Winkel
signal bezüglich der sich gegenüber einer in Form eines
Chassis ausgebildeten Stütz- oder Aufhängvorrichtung ein
stellenden oder verändernden Lage des Waagebalkens und ein
zweites Lage- oder Winkelsignal bezüglich der sich gegen
über der Stütz- oder Aufhängvorrichtung einstellenden oder
verändernden Lage des Referenzpendels zur Ermittlung der
Ausrichtung des Gravitationsvektors gemessen und/oder
ermittelt wird und daß die Kraftkompensations-Einrichtung
in Abhängigkeit von einem aus den beiden Meßsignalen ge
bildeten Relativ- oder Differenzsignal angesteuert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich
net, daß eine Relativ- oder Referenzmessung zwischen einem
außerhalb des Drehpunktes des Waagebalkens sitzenden Refe
renzpunkt und einem außerhalb des Drehpunktes des Refe
renzpendels liegenden Referenzpunkt durchgeführt wird, und
daß mit diesem Relativ- oder Differenzsignal die Kraftkom
pensations-Einrichtung angesteuert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung am Waagebalken
oder am Referenzpendel mitbewegbar aufgehängt wird und daß
mit der Sensoreinrichtung jeweils eine relative Winkel- und/oder
Lageveränderung zu einem Referenzpunkt am Refe
renzpendel oder am Waagebalken gemessen wird, mit der die
Kraftkompensations-Einrichtung angesteuert wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934341675 DE4341675C1 (de) | 1993-12-07 | 1993-12-07 | Kompensationswaage sowie zugehöriges Verfahren zu deren Betrieb |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934341675 DE4341675C1 (de) | 1993-12-07 | 1993-12-07 | Kompensationswaage sowie zugehöriges Verfahren zu deren Betrieb |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4341675C1 true DE4341675C1 (de) | 1995-04-20 |
Family
ID=6504381
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19934341675 Expired - Fee Related DE4341675C1 (de) | 1993-12-07 | 1993-12-07 | Kompensationswaage sowie zugehöriges Verfahren zu deren Betrieb |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4341675C1 (de) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2455550B2 (de) * | 1974-11-23 | 1978-01-19 | Batteile-Institut e.V., 6000 Frankfurt | Kompensationswaage mit elektrischem ausgangssignal |
-
1993
- 1993-12-07 DE DE19934341675 patent/DE4341675C1/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2455550B2 (de) * | 1974-11-23 | 1978-01-19 | Batteile-Institut e.V., 6000 Frankfurt | Kompensationswaage mit elektrischem ausgangssignal |
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Legal Events
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