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Dokumentenidentifikation DE3807212A1 14.09.1989
Titel Magnetische Kupplung zur Übertragung der Gewichtskraft aus einem Hochdruck-Reaktionsraum auf eine registrierende Waage
Anmelder Gast, Theodor, Prof. Dr.-Ing., 1000 Berlin, DE
Erfinder Gast, Theodor, Prof. Dr.-Ing.;
Pahlke, Wolfgang, Dipl.-Ing., 1000 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 02.03.1988
DE-Aktenzeichen 3807212
Offenlegungstag 14.09.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.09.1989
IPC-Hauptklasse G01G 7/02
Zusammenfassung Das Prinzip der frei schwebenden magnetischen Aufhängung wurde zur Trennung von Probe und Meßgerät bei thermogravimetrischen Untersuchungen eingesetzt. Die Last wird dabei über ein sich anziehendes Magnetpaar durch die Wandung des Meßraumes hindurch an die Waage angekoppelt. Die bisher entwickelten Schwebesysteme erlaubten jedoch nur die Anwendung verhältnismäßig geringer Drücke auf die zu untersuchende Probe. Außerdem wirkte sich das hohe Eigengewicht der Kupplung verschlechternd auf die relative Genauigkeit der Messung aus. Zur Einregelung des Schwebezustandes wird jetzt eine gehäusefest angebrachte Statorspule eingesetzt. Das Eigengewicht der Kupplung reduziert sich so auf das Gewicht von Schwebe- und Gegenmagneten. Um eine Verdrehsicherung um die Längsachse zu erreichen, werden zwei parallel angeordnete Magnetpaare verwendet. Für die zur Schweberegelung erforderliche Positionsmessung des Magnetpaares im Druckraum durch die trennende Wand hindurch ist ein magnetostatischer Sensor vorgesehen. Die elektrischen Komponenten der Kupplung sind damit nicht den Bedingungen im Druckraum ausgesetzt; auch kann die Trennwand aus unmagnetischen, metallischen Werkstoffen bestehen, wodurch der Druckbereich wesentlich erweitert wird. Thermoanalyse, Sorptionsmessung, Reaktionskinetik.

Beschreibung[de]

Gegenstand der Erfindung ist eine magnetische Kupplung zur Übertragung der Gewichtskraft von einer Waagschale mit Probe zu einer registrierenden Waage. Die Kupplung ermöglicht die gravimetrische Beobachtung physikalischer und physikalisch-chemischer Prozesse in kontrollierten Atmosphären ohne Gefahr der Schädigung oder Kontamination der Waage durch aggressive oder radioaktive Medien. Sie verhindert gegebenenfalls auch die nachteilige Rückwirkung der Waage auf die Güte des für die Untersuchung erforderlichen Vakuums oder die Reinheit der erforderlichen speziellen Atmosphäre. Außerdem schützt sie die Waage vor Sorption von Gasen und Dämpfen aus dem Reaktionsraum, die zu erheblichen Meßfehlern führen kann.

Einrichtungen zur Thermogravimetrie und gravimetrischen Sorptionsanalyse sind von großer Bedeutung für wissenschaftliche Untersuchungen und Qualitätsüberwachung an den verschiedensten Stoffen. Solche Apparaturen enthalten als Kernstück eine registrierende, im allgemeinen elektronisch arbeitende Feinwaage in einem hermetisch verschließbaren Gehäuse, ferner eine Vorrichtung zur Beheizung oder Kühlung der am Lastgehänge der Waage befestigten Waagschale oder des Tiegels mit der Probe und eine Anordnung zur programmierten Erzeugung von Atmosphären gewünschter Drücke und Zusammensetzungen. Ein Rechner steuert den Ablauf der Untersuchung, verarbeitet die anfallenden Daten und erstellt das Protokoll.

Zum Schutz der Waage gegen schädliche oder kontaminierende Atmosphären wird üblicherweise zwischen Waagengehäuse und Reaktionsraum ein enger Durchgang für den Aufhängedraht oder -faden der Probe angeordnet und das Waagegehäuse mit inertem Gas unter solchem Druck gefüllt, daß in der Engstelle eine Strömung zum Reaktionsraum besteht. Diese Maßnahme gewährt jedoch keinen sicheren Schutz und erzeugt außerdem tangentiale, auf den Gehängedraht wirkende Kräfte, die zu Meßfehlern Anlaß geben können.

Aus diesem Grund hat Gast vorgeschlagen (1) den Kraftfluß von der Probe zur Waage mittels einer magnetischen Kupplung durch die Wand des Reaktionsraumes zu führen, wobei der untere, mit der Probe verbundene Teil der Kupplung von dem oberen, mit der Waage verbundenen in freien magnetischen Schwebezustand gehalten wird. Auf eine solche Kupplung wurde das Schweizer Patent CH 3 91 315 erteilt und nach diesem Prinzip sind zahlreiche Waagen gefertigt worden.

Der freie Schwebezustand wird durch einen Regelvorgang erreicht. Hierbei beobachtet ein induktiver Sensor den Abstand der Polflächen zweier übereinander angeordneter Stabmagnete. Das Abstandssignal wird mit einem Sollwert verglichen. Die Differenz steuert über einen Regler den Strom in einer um den oberen Magneten gelegten Wicklung und beeinflußt damit die Anziehungskraft im Sinne einer Abstandsregelung.

Nachteilig war das erhebliche Gewicht der Steuerwicklung, das die relative Genauigkeit des Meßsystems einschränkte. Spätere Überlegungen ergaben, daß die Steuerspule ohne Nachteil für die Meßgenauigkeit gehäusefest angeordnet werden darf, wenn die relativ schnelle Abstandsregelung bei Wahrung der Stabilität durch eine langsame Stromregelung auf Null unterlagert wird, denn eine stromlose Spule übt keine störenden Kräfte auf das Magnetpaar aus (2). Hierzu wird beispielsweise von der an der Steuerspule anliegenden Spannung das zeitliche Integral gebildet und zusätzlich zum Steuersignal auf den Eingang des Lagerreglers gegeben. Der Abstand der Magnete stellt sich in der Folge so ein, daß der zeitliche Mittelwert des Steuerstromes Null ist und nur noch transiente Anteile zur Stabilisierung des Schwebezustandes erforderlich sind. Die Haltekraft wird in diesem Gleichgewichtszustand ausschließlich durch die Permanentmagnete aufgebracht, deren augenscheinliche Anziehungskraft durch das überlagerte Feld der Steuerspule gesteuert wird.

Die bisher verwendeten optischen und induktiven Sensorsysteme waren auf eine dünne, möglichst dielektrische Trennwand im Polspalt zwischen den Magneten angewiesen. Dies begrenzte den möglichen Druck im Reaktionsraum oder machte konstruktiv aufwendige Druckentlastungen erforderlich. Außerdem bestand vom Prinzip her keine Verdrehsicherheit für Waagschale und Objekt. Diese Nachteile vermeidet der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung.

Die für die Schweberegelung erforderliche Positionsmessung des Schwebekörpers erfolgt, abweichend von früheren Ansätzen, durch einen magnetostatischen Sensor, der mit Hallsonden oder Feldplatten realisiert ist. Dies ermöglicht die Verwendung von relativ dicken unmagnetischen, metallischen Trennwänden, was bei Sensoren auf induktiver oder kapazitiver Basis wegen der Schirmwirkung des Metalles ausscheidet. Der zulässige Innendruck läßt sich hierdurch bei gleicher Wandstärke wesentlich steigern. Außerdem sind die elektrischen Komponenten der Kupplung nicht den Bedingungen im Druckraum ausgesetzt. Die Wahl der Gasatmosphäre wird nur noch durch das Material des Druckbehälters eingeschränkt.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben:

Die Schwebekupplung besteht aus zwei parallel angeordneten Magnetpaaren (1, 2) und (3, 4) und einer gemeinsamen Steuerspule (5). Durch die Ausbildung als zweiarmige Kupplung ist eine Sicherung gegen Verdrehungen um die Längsachse gegeben, wodurch sich - in Verbindung mit einem nach unten offenen Ofen zur Beheizung der Probe - eine quasi-oberschalige Lastaufhängung konstruktiv realisieren läßt. Die Magnete im unteren Teil der Kupplung sind durch ein U-förmiges leichtes Formstück parallel gehalten, das unten zwei Ösen zum Einhängen der Last besitzt. Diese ist somit verdrehungssicher mit der Waage verbunden, wobei die Drehachsen der Gelenke an der Waage einerseits und an der Kupplung andererseits aufeinander senkrecht stehen.

Der Lagesensor ist als magnetischer Differentialsensor mit zwei zusätzlichen Flachmagneten (6, 7) ausgeführt, die in den Träger unterhalb des Hauptmagneten eingesetzt sind.

Ihr Feld ist quer zur Längsachse des Schwebekörpers gerichtet. Zwei beidseitig angeordnete Hallsonden (8, 9) werden entsprechend ihrer Lage bzgl. des Körpers vom Fluß des oberen bzw. unteren Magneten durchsetzt. Das Lagesignal wird daher durch gleitende Mittelwertbildung der Feldstärke über die Länge der Hallsonde erzeugt. Der Einfluß von Abstandsänderungen zwischen Sonde und Magnet auf das Lagesignal - z. B. infolge von Pendelbewegungen - wird durch elektronische Differenzbildung zwischen den Einzelspannungen weitgehend unterdrückt. Da bei dieser Anordnung die Feldlinien des steuernden Magnetfeldes praktisch parallel zur aktiven Fläche der Sonden verlaufen und diese nicht durchsetzen, ist ein Übersprechen des Steuerstromes auf das Lagesignal auch bei kompaktem Aufbau des Schwebekörpers ausgeschlossen.

Zur Druckabsperrung dient ein Formstück aus CuBe mit zwei Längsbohrungen, das den Schwebekörper aufnimmt.


Anspruch[de]
  1. Magnetische Kupplung zur Übertragung der Gewichtskraft aus einem Hochdruck-Reaktionsraum auf eine registrierende Waage im durch Regelung erzeugten stabilen Schwebezustand, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    1. 1. Zur Erzeugung der Tragekraft und verdrehsicheren Aufhängung dient an der Waage aufgehängtes Paar von parallelen Stabmagneten gleicher magnetischer Richtung im Zusammenwirken mit einem entsprechenden unteren Magnetpaar.
    2. 2. Zur Steuerung der augenscheinlichen gegenseitigen Anziehungskraft der Paare dient eine gemeinsame, außerhalb des Druckraumes befindliche gehäusefeste Spule.
    3. 3. Für die zur Einregelung des stabilen Gleichgewichtes erforderliche Abstandsmessung ist ein magnetischer Sensor vorgesehen, der die Position der Kupplungsmagnete durch die unmagnetische Wand des Reaktionsraumes hindurch erfaßt.
    4. 4. Der Sensor ist mit Hallsonden oder Feldplatten ausgeführt, die auf die Verschiebung von zusätzlichen plattenförmigen Magneten ansprechen, welche unterhalb eines der Hauptmagneten an dessen Träger befestigt sind.






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