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Wiegevorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Wiegevorrichtung,
bei der die Kraftwirkung eines Magnetfeldes auf einen Anker zum Lastausgleich dient.
Bei den bekannten Einrichtungen dieser Art wird ein ferromagnetischer Anker, welcher
an einem Waagebalken angreift, in ein von Gleichstrom durchflossenes Solenoid hineingezogen.
Die hierzu erforderliche Stromstärke dient dabei als Vergleichswert für die zu wiegende
Last.
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Bei einer anderen bekanntgewordenen elektromagnetischen Wiegevorrichtung
werden durch die Bewegungen des in einem Solenoid angeordneten Kernes, der unmittelbar
Träger der Last ist und ari einem Wiegebalken hängt, elektrische Kontakte gesteuert,
die je nach der Auf- oder Abwärtsbewegung des Kernes die Stromkreise für in entgegengesetzten
Richtungen laufende Elektromotore schließen. Diese Elektromotore betätigen einen
elektrischen Widerstand, durch welchen der durch die Solenoidspule fließende Strom
in seiner Stärke beeinflußt wird. Der durch das Solenoid fließende Strom ist wieder
ein Maß für den auf den Kern ausgeübten Lastzug; er wird daher mittels eines Strommessers
zur Anzeige des Gewichtes benutzt.
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Bei einer anderen elektromagnetischen Waage sind beiderseits eines
Waagebalkens Solenoidspulen angeordnet, deren Kerne mit dem Balken in Verbindung
stehen. Diese elektrische Anordnung dient aber nur als Ergänzung der Abwägung durch
Gewichte, wobei die Gewichtsbestimmung durch 1Tessung des die Spule durchfließenden
Stromes erfolgt. Diese unter Zuhilfenahme einer Solenoidspule arbeitenden elektrisch
gesteuerten Wiegeeinrichtungen haben sämtlich den Nachteil, daß eine elektrische
Stromquelle benötigt wird, so daß die Messung nicht unmittelbar, sondern nur durch
Vergleich mit der Stromstärke erfolgen kann. Derartige Einrichtungen sind aber-
nicht nur umständlich und wegen des Stromverbrauches unwirtschaftlich, sondern sie
bergen außerdem eine Reihe von Fehlerquellen in sich, wie z. B. die Inkonstanz des
Netzstromes, die Erwärmung des Salenoids bei längerem Gebrauch sowie fehlerhafte
Kontakte, welche die Gewichtsbestimmung fälschen oder gar Stromunterbrechungen hervorrufen.
Hinzu kommen die Nachteile, wie sie jeder mit Waagebalken, Schneiden und Pfannen
ausgerüsteten Waage eigen sind und wovon mit der wesentlichste die Trägheit des
ganzen Systems ist. Bei den mit Elektromotoren arbeitenden Waagen wird die Gewichtsanzeige
außerdem dadurch verzögert, daß die Trägheit der umlaufenden Massen besonders groß
ist.
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Man hat auch schon vorgeschlagen, einen Hufeisenmagneten zur Gewichtsbestimmung
in der Weise zu benutzen, daß man bei einer Dezimalwaage den Magneten unter dem
längeren, mit einer ferromagnetischen Unterlage
versehenen Arm eines
Waagebalkens auf einer festen Führung verschiebbar anordnete. Ein Wiegen ist mit
dieser Einrichtung jedoch praktisch nicht durchführbar, da der Waage-r; Balken erhebliche
Ausschläge macht und da=; her den Wirkungsbereich des Kraftfeldt@ verläßt. Außerdem
wird hier wiederum mit einem Waagebalken gearbeitet, dessen Lagerung die Wiegegenauigkeit
beeinträchtigenden Abnutzungen unterworfen ist.
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Diese Nachteile werden bei der erfindungsgemäßen Wiegevorrichtung
vermieden, die gekennzeichnet ist durch Anordnung eines Dauermagneten mit einem
zwischen dessen Polen innnerhalb. des Bereiches, in dem eine merkliche Spaltvergrößerung
nicht eintritt, lediglich durch die magnetischen Kräfte gehaltenen Anker, der im
Kraftlinienfeld durch Führungsrollen o. dgl. auf gleichem Abstand von den Magnetpolen
einstellbar ist.
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Diese Wiegevorrichtung hat gegenüber den bekannten elektromagnetischen
Waagen den Vorteil, daß eine Stromquelle nicht benötigt wird und daß ferner die
bei elektrischen Anordnungen durch die Verwendung von Kontakten und Meßinstrumenten
bedingten Fehlerquellen vermieden werden. Außerdem wird im Gegensatz zu der bekannten
Waage mit Hufeisenmagneten ohne Waagebalken gearbeitet. Auch gegenüber den gebräuchlichen
Federwaagen zeichnet sich die Wiegevorrichtung gemäß der Erfindung vorteilhaft durch
eine weitgehende Unabhängigkeit in Bezug auf Materialveränderungen aus. Ferner ist
das zur Gewichtsabgleichung benutzte elastische Mittel, nämlich das Magnetfeld,
vollkommen masse- und trägheitslos, so daß die Gewichtsanzeige schnell erfolgt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der im Magnetfeld frei
schwingende Anker allein unmittelbar Träger der Last, so daß die Bewegungsausschläge
des Ankers ein Maß für die Größe der Last darstellen. Diese schwebende Aufhängung
des Ankers vermeidet die sonst übliche Anordnung von Waagebalken mit Schneiden und
Pfannen, durch welche die Masse des Systems und damit auch die Empfindlichkeit der
Waage wesentlich beeinträchtigt würde.
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In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform nach der Erfindung
wird ein aus Stabmagneten und Weicheisenplatten zusammengesetztes - Magnetsystem
verblendet, an dessen Weicheisenplatten Polschuhe verstellbar angeordnet sind, zwischen
welchen der durch Rollen parallel geführte Anker schwingt. Diese Einrichtung ermöglicht
einerseits die Erzeugung eines sehr starken, auf die ganze Länge der Pole annähernd
homogenen und streuungslosen Magnetfeldes und andererseits gleichzeitig die genaue
Einstel-Jung des Luftspaltes zwischen Anker und Polschuhen und damit auch der Feldstärke.
Ferner kann aus dem bbenerwähnten Grunde der Anker die gleiche Höhe erhalten wie
die 'Polschuhe, so daß der zur Messung zur Verfügung stehende Hub: annähernd der
Gesamthöhe der Polschuhe entspricht. Dieser wesentlich größere Hub gestattet eine
leichtere Ablesung der Gewichtseinheiten auf der entsprechend längeren Gewichtsskala.
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In Weiterverfolgung des Gedankens der Mehrfachmagnetanordnung sind
erfindungsgemäß die Magnete so ausgebildet, daß gleichnamige Pole kranzförmig die
entgegengesetzt gleichnamigen Pole umgeben, so daß ein ringförmiges Magnetfeld entsteht,
in welches der als Hohlzylinder ausgebildete Anker hineintaucht. Magnetsystem und
Anker können beliebigen Querschnitt haben. Aus Gründen der einfacheren Herstellung
und Bearbeitung wird man jedoch die kreiszylindrische Querschnittsform vorziehen.
In diesem Sinne hat also der Anker die Gestalt eines kurzen Rohres. Der Vorteil
dieser Anordnung liegt in der günstigen Ausnutzung des Eisenquerschnittes des Ankers,
die sich in einer erheblichen Gewichtsersparnis bemerkbar macht. Eine naturgemäße
weitere Folge dieser Bauweise ist die Verringerung der schwingenden Massen der Waage.
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Anstatt die Pole zwecks Regulierung der Feldstärke durch
-Verengung oder Erweiterung des Luftspaltes zu verstellen, kann nach der
Erfindung auch so verfahren werden, daß ein veränderlicher magnetischer Nebenschluß
an der Magnetanordnung vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Feldstärke im Hauptfeld
beeinflußt werden kann. Diese Maßnahme ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit
der Mehrfachmagnetanordnung insofern, als das Nachstellen mehrerer Pole vermieden
wird.
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Während im allgemeinen bei Waagen zur Erleichterung der Ermittlung
des angezeigten Gewichtes besondereDämpfungseinrichtungen vorgesehen sind, um die
Schwingungen zu bremsen, wird bei der beschriebenen Anordnung diese Dämpfung in
sehr wirksamer und verlustloser Weise durch das Magnetfeld selbst und den schwingenden
Anker bewirkt, indem die durch die Bewegung entstehenden Wirbelströme einer Fortsetzung
der Schwingungen entgegenwirken. Die an sich vorhandene Dämpfung des M.agnetsysterims
kann aber in vorteilhafter Weise durch Auflegen von Platten oder in sich geschlossenen
Ringen aus Kupfer, Aluminium o. dgl. auf den Anker noch vergrößert werden.
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Die Ablesung der Gewichte kann in an sich bekannter Weise mittels
eines über einer geeichten Skala spielenden Zeigers erfolgen, der mittels Zahnrad
und Zahnstange unmittelbar
von der an dem Anker befestigten Führungsstange
angetrieben wird. Da jedoch die Anziehungskraft zwischen Polen und Anker annähernd
einem quadratischen, mindestens aber einem Gesetz höherer Ordnung folgt, so muß
bei unmittelbarer Übertragung der Bewegung des Ankers auf den Zeiger die Skala entsprechend
dieser Funktion zweiten oder höheren Grades geeicht werden. Da die hieraus sich
ergebende ungleichmäßige Skaleneinteilung für den praktischen Gebrauch unzweckmäßig
ist, so kann man die Bewegung des Ankers in bekannter Weise mittels über Kurvenscheiben
laufender Federbänder auf die Anzeigevorrichtung übertragen, wobei die Kurvenscheiben
solche Begrenzungslinien haben, daß die einem Gesetz höherer Ordnung folgenden Bewegungen
des Ankers infolge des durch die Kurvenscheiben bedingten Ausgleiches die Gewichtsangaben
auf der Anzeigevorrichtung direkt proportional zur Belastung anzeigen, so daß die
Skaleneinteilung, wie es die Eichordnung fordert, eine gleichmäßige ist.
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Anstatt den Ausgleich' der nichtlinearen Ankerbewegungen durch Kurvenscheiben
zu vermitteln, kann dieser Ausgleich erfindungsgemäß auch dadurch erfolgen, daß
der Luftspalt zwischen den Polschuhen des Magneten und dem Anker durch Abrundung
der äußeren Begrenzungsflächen der Polschuhe und oder des Ankers sich mit zunehmender
Bewegung des Magneten aus seiner Nullage verbreitert. Dadurch wird erreicht, daß
das Feld nach dem Ende der Bewegung des Magneten zu in der Stärke nachläßt, so daß
demgemäß auch die Anziehung des Ankers nicht in dem Maße zunimmt, wie das bei parallelem
Verlauf der Begrenzungsflächen des Luftspaltes der Fall wäre.
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Eine weitere Möglichkeit, die Kraftwirkung des Magneten auf den Anker
zu beeinflussen, besteht erfindungsgemäß darin, daß der Anker an der dem Ende des
Magneten abgewandten Seite etwa paraboloidförmig ausgehöhlt ist, so daß infolge
Überschreitens des Sättigungswertes des Eisens an den geschwächten Stellen des Ankers
dieser mit zunehmender Abwärtsbewegung einer entsprechend verminderten Anziehungskraft
unterliegt, und zwar derart, däß die resultierende Kraftwirkung des Magneten auf
den Anker in linearem Verhältnis zur Last steht. In a11 diesen Fällen kann also
eine gleichmäßig eingeteilte Gewichtsskala benutzt werden. .
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigen: Fig. i einen senkrechten Längsschnitt durch eine unter Verwendung
eines Glockenmagneten hergestellte Waage, 'Fig. i a einen Teilschnitt durch die
Magnetwaage mit eingezeichneten Kraftrichtungen, Fig. i b Vektordiagramme für zwei
verschiedene Stellungen des Ankers, Fig. z einen senkrechten Ouerschnitt nach der
Linie A-B der Fig. i, Fig. 3 und d. Magnetanordnungen, bei welchen die Kanten. der
Polschuhe bzw. die des Ankers abgerundet sind, Fig. 5 eine Magnetanordnung, bei
-welcher der Anker ausgehöhlt ist, Fig. 6 einen senkrechten Längsschnitt durch eine
Waage mit einem zusammengesetzten Magnetsystem, Fig.7 einen senkrechten Querschnitt
nach der Linie C-D der Fig. 6, Fig. 8 einen senkrechten, gegenüber Fig. 6 um 9o°
verdrehten Längsschnitt, Fig. g die magnetische Wiegevorrichtung in Verbindung mit
einer Dezimalbrückenwaage, Fig. io einen Längsschnitt und Fig: i i eine Draufsicht
auf eine' Magnetanordnung mit haubenförmigem Anker. Zwischen den Polschuhen i (Fig.
i) `des Glockenmagneten 2 ist ein aus weichem Eisen bestehender Anker 3 mittels
der Führungsleisten ¢ zwischen den an j e zwei gegenüberliegenden Seiten angeordneten
nachstellbaren Führungsrollen 5 geführt. Die an dem Anker 3 befestigte, aus urmagnetischem
Stoff, wie z. B. Messing, bestehende Stange 6 wird gleichfalls zwischen mindestens
drei oder vier gegenüberliegenden nachstellbaren Rollen 7 gehalten und trägt die
zur Aufnahme der Last bestimmte Schale B. ;Mittels dieser oberhalb und unterhalb
des Magneten angeordneten Rollen kann das Ankergestänge derart ausgerichtet werden,
daß der Anker sich genau in der Mitte zwischen den Polschuhen befindet, so daß also
die Mittellinie von Anker und Stange mit genügender Genauigkeit mit der magnetischen
Mittelachse des Systems zusammenfällt und der Luftspalt auf beiden Seiten gleich
breit ist. In diesem Zustande werden von den beiden gegenüberliegenden Magnetpolen
i auf den magnetisch.. induzierten Anker 3 gleich große Kräfte ausgeübt, die in
der Ruhelage der Waage im wesentlichen horizontal verlaufen, weil sie mit den Kraftlinien
zusammenfallen. :Da nun die beiden Pole des Magneten genau einander gegenüberliegen,
so müssen sich die von ihnen ausgehenden Horizontalkräfte, da sie beide gleich groß
sind, gegenseitig aufheben. Diese vollständige Aufhebung der Horizontalkräfte ist
natürlich nur bei vollkommen symmetrischer Anordnung des ganzen Systems möglich.
Diese Symmetrie kann aber durch .Nachstellen der Stützrollen 5 und 7 leicht mit
genügender Genauigkeit vorgenommen und dadurch
erreicht werden,
daß an den Stützrollen etwa auftretende kraftverzehrende Reibungskräfte, die die
Empfindlichkeit der Waage vermindern würden, fast ganz aufgehoben -,verden.
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Die auf den Anker wirkende Horizontalkomponente H ist am größten,
wenn die Waage unbelastet ist und der Anker vollständig in das Magnetfeld eintaucht.
Diese Stellung des Ankers ist in den Fig. i, 3, 4 und 5 veranschaulicht. Bei Belastung
der Waage und herabsinkendem Anker vermindert sich diese Horizontalkraft nach einem
geometrischen Gesetz, und es tritt außerdem die Querkraft 0 des magnetischen Feldes
in Erscheinung, welche das Bestreben hat, den Anker wieder in das Magnetfeld zurückzuziehen,
wobei natürlich der gesamte Magnetfluß der gleiche bleibt, da die Bewegungen des
Ankers innerhalb eines Bereiches begrenzt sind, indem eine merkliche Spaltvergrößerung
nicht eintritt.
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Die Fig. ia veranschaulicht das Kräftespiel bei Belastung der Waage,
und Fig. ib zeigt die zwei verschiedenen Stellungen des Ankers entsprechenden Vektordiagramme.
Von dem Nord- und Südpol des Magneten geht in Richtung des Ankers eine Kraftwirkung
aus, die als die resultierende Kraft R bezeichnet ist. Diese Kraft läßt sich zerlegen
nach einer Querkraft 0 und einer Horizontalkraft H. Mit zunehmender Last bewegt
sich der Anker immer weiter aus seinem magnetischen Feld, wobei bei konstant bleibender
resultierender Kraft R die Querkraft 0 auf Kosten der Horizontalkraft H größer.
wird. Diese Querkraft D hält aber der Last L das Gleichgewicht. Man
sieht also, daß der Aus! schlag des Ankers unmittelbar ein Maß für das Gewicht der
Last darstellt. Diese Bewegung von Anker und Stange wird mittels der an der Stange
angebrachten Zahnstange 9 über Zahnrad io auf den Zeiger ii übertragen, der das
Gewicht den Last auf der geeichten Skala 12 anzeigt.
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Bei den Magnetanordnungen nach Fig. 3 und 4 sind die Polschuhe bzw.
der Anker abgerundet zum Ausgleich der nichtlinearen Gesetzen folgenden Bewegung
des Ankers. Der gleiche Zweck ist bei der Ausführung des Magnetsystems gemäß Fig.5
dadurch erreicht, -daß der Anker an der der Last zugekehrten Seite etwa paraboloidförmig
ausgehöhlt ist. Bei der Ausführung nach Abb. 6 bis 8 ist das Magnetsystem aus mehreren
Einzelmagneten 13 und zwei Platten 14 zusammengesetzt, wobei gleichnamige Pole miteinander
verbunden sind. Der Anker 15
schwingt in der Mitte des Systems zwischen den
die Platten 14 durchdringenden, nachsteilbaren Polen 16. Die Pole sind an Stangen
17 aus unmagnetischem Stoff befestigt, welche in an den Platten 14 angebrachten
Hauben oder Bügeln 18 verstellbar geführt sind. Um einen sicheren magnetischen Schluß
zwischen den Polen 16 und Befestigungsplatten 14 zu erzielen, sind an den Durchdringungsstellen
der Pole Gleitstücke i9 vorgesehen, welche unter dem Druck von Federn 2o stehen.
Die Verstellung der Pole erfolgt mittels Handrädern 21. Zur Sicherung gegen Verdrehung
besitzen die Stangen 17 je eine Nase 22, welche in einer Nut 23 der Haube i8 gleitet.
Die Ankerstange besteht aus der eigentlichen Stange 24 aus unmagnetischem Stoff,
an deren Enden Rohrstücke 25 aus gehärtetem Stahl oder einem sonstigen harten und
verschleißfesten Stoff angeschraubt sind. In dem Zwischenraum zwischen Anker 15
einerseits und Stahlrohren 25 andererseits umschließen Hülsen 26 aus unmagnetischem
Stoff die Ankerstange. Die weitgehende Verwendung ünmagnetischer Stoffe für alle
außerhalb des Magnetfeldes liegenden Bauteile hat den Zweck, einen magnetischen
Nebenschluß für die Streulinien des Magnetfeldes nach Möglichkeit zu vermeiden,
da dadurch das Wiegeergebnis beeinflußt werden könnte. Um aber jede magnetischen
Nebenwirkungen auch dann auszuschließen, wenn Eisenlasten abzuwiegen sind, kann
man vorteilhaft zwischen Last und Magnetsystem Abschirmplatten aus Kupfer, Aluminium
oder einem sonstigen hierfür geeigneten Metall vorsehen. Die Ankerstange wird oberhalb
und unterhalb des Magnetsystems von in Kugeln gelagerten verstellbaren Rollen 7
geführt, die mit Rücksicht auf die Abnutzung in Höhe der Stahlrohre angeordnet sind.
Das obere Ende der Ankerstange trägt die zur Aufnahme der Last bestimmte Schale
B. Das untere Ende ist mit einem Federband 27 verbunden, welches über die Kurvenscheibe
28 gelegt ist. Diese Kurvenscheibe bildet mit einer zweiten Kurvenscheibe 29 einen
zweiarmigen Hebel 30, über welchen die Bewegung von dem Anker auf die Anzeigetrommel
3 i mittels des weiteren Federbandes 32 übertragen wird. Die Rückdrehung der Trommel
und die Entlastung des Hebels erfolgt durch das Gewicht 35.
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Die neue Wiegeeinrichtung kann nicht nur zum unmittelbaren Wiegen
von Lasten, sondern; wie Fig. 9 zeigt, auch in Verbindung mit einer Dezimal- oder
Zentesimalbrückenwaage benutzt werden, wobei dann der Wiegebereich entsprechend
erweitert wird.
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Als Werkstoffe für die Magnete der neuen Waage finden zweckmäßig hochwertige
magnetische Legierungen Verwendung, deren Koerzitivkraft erheblich über der der
gebräuchlichen Magnete liegt und die außerdem
den Vorzug haben,
daß sie nicht altern. Besonders letztere Eigenschaft macht die neue Waage zu einer
zuverlässigen Einrichtung für alle Zwecke. Aber auch bei Verwendung der herkömmlichen
Magnete kann etwaigen im Gebrauch auftretenden Alterungserscheinungen dadurch begegnet
werden, daß die Polschuhe entsprechend der Veränderung der Koerzitivkraft so weit
nachgestellt werden, bis die ursprüngliche Feldstärke im Luftspalt wieder erreicht
ist, oder durch entsprechende Regulierung eines den Polen parallel geschalteten,
einstellbaren magnetischen Nebenschlusses. Eine derartige Nachstellvorrichtung ist
in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fi,g. 6 bis 8 veranschaulicht. Sie kann bei dem
in Fig. i dargestellten Glockenmagneten in der Weise vorgesehen werden, daß mittels
Stellschrauben die Magnetenden beeinflußt werden.
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Die in Fig. io und i i dargestellte Magnetwaage besteht aus dem mittels
Stützen 38 auf dem Sockel 39 befestigten zentral angeordneten Magneten 35
mit den kreisförmig begrenzten Polschuhen 34, über welche der "locken- oder haubenförmig
gestaltete Anker 36 greift, wobei zwischen Polschuhen und Anker ein ringförmiger
Luftspalt frei bleibt. Dieser frei schwingende Anker ist in gleicher Weise wie bei
den vorbeschriebenen Ausführungsformen zwischen nachstellbaren Rollen 40 geführt,
so daß der Luftspalt einreguliert werden kann. Der Anker ist ferner zur Unterbrechung
des Magnetflusses mit zwei im Bereich der neutralen Zone des Magneten 35 liegenden
Ausnehmungen 37 versehen.