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Dokumentenidentifikation DE3842328C2 23.05.1991
Titel Schwingungswaage
Anmelder Eppendorf - Netheler - Hinz GmbH, 2000 Hamburg, DE
Erfinder Horn, Klaus, Prof. Dr.-Ing., 3300 Braunschweig, DE;
Schmidt-Rabenau, Hartmut, Dipl.-Ing., 2000 Hamburg, DE
Vertreter Schaefer, K., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 2000 Hamburg
DE-Anmeldedatum 16.12.1988
DE-Aktenzeichen 3842328
Offenlegungstag 21.06.1990
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.05.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.05.1991
IPC-Hauptklasse G01G 3/16
IPC-Nebenklasse G01L 1/10   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schwingungswaage der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Eine derartige Schwingungswaage ist aus der Literaturstelle "Ein Beitrag zur schnellen Massenbestimmung durch Frequenzvariationen" von Prof. Gast und Dr. Schmitt in der Zeitschrift "messen prüfen automatisieren", Juni 1987, Seiten 354 bis 359 bekannt. Diese bekannte Konstruktion erlaubt genaue und schnelle Wägungen insbesondere auch kleiner Massen mit dem Vorteil des Ersatzes aufwendiger mechanischer Aufbauten durch elektronischen Meßaufwand, wodurch die Konstruktion einfach und kostengünstig gehalten werden kann.

Nachteilig bei der bekannten Schwingungswaage sind systembedingte Fehler, die nur schwierig beherrschbar sind und die durch Phasenfehler bei der elektromechanischen Umformung in den beiden verwendeten Umformern entstehen. Solche Phasenfehler können durch mechanische Beschädigung oder auch durch thermische Veränderungen der Umformer sogar während des Betriebes entstehen und direkt die gemessene Schwingungsperiode, also das Wägeergebnis verändern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine insbesondere für chemische Analysezwecke geeignete Schwingungswaage der eingangs genannten Art zu schaffen, die zuverlässigere Messungen erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird nur ein Umformer in Form eines elektrodynamischen Linearmotors verwendet, der nach Art eines Tauchspulensystemes, wie es beispielsweise aus Lautsprechern bekannt ist, kostengünstig und konstruktiv einfach aufgebaut sein kann. Dieser Umformer wirkt in einer Richtung als Antriebsumformer zur Schwingungsanregung des mechanischen Schwingsystemes. Der elektromechanische Umformer dient also dazu, daß ein elektrischer Oszillator auf der elektrischen Seite des Umformers durch Leistungsumformung das Schwingsystem antreibt. In der umgekehrten Richtung wird von dem Umformer das mechanische Schwingungssystem in Form eines völlig äquivalenten elektrischen Schwingkreises auf die elektrische Seite abgebildet. Das mechanische Schwingsystem dient somit nach Umwandlung als frequenzbestimmendes Glied für den elektronischen Oszillator und bestimmt dessen Frequenz mit der Eigenschwingung des mechanischen Schwingsystemes. Der wesentliche Vorteil ist hieran, daß derselbe Umformer in beiden Richtungen leistungsumformend eingesetzt wird. Phasenfehler des Umformers wirken sich dabei in beiden Richtungen gegensinnig aus und heben sich im Endergebnis heraus. Das Meßergebnis wird also unabhängig von Phasenfehlern des Umformers. Einfach und ohne Rücksicht auf Phasenstarrheit aufgebaute Umformer der genannten Art ergeben somit höchste Meßzuverlässigkeit. Bei sehr einfachem mechanischem und elektronischem Aufbau ergibt sich daher eine hochpräzise Schwingungswaage.

Bei der eingangs bekannten Konstruktion ist eine Ankoppelung des Wägegutes an den Schwinger erforderlich. Freiliegende Wägegüter oder insbesondere Flüssigkeiten in offenen Behältern lassen sich daher nicht wägen. Um dies zu vermeiden, sind vorteilhaft die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Bei dieser Ausführung kann das Wägegut ohne irgendwelche Ankoppelungsmechanismen frei auf eine Waagschale gelegt werden, wobei die Erdschwerkraft die Ankoppelung übernimmt, ohne daß im angegebenen Schwingbeschleunigungsbereich Meßfehler auftreten. Insbesondere vorteilhaft ist dies bei der Wägung von Flüssigkeiten, insbesondere von kleinen Flüssigkeitsmengen, die auf diese Weise in offenen Behältern gewogen werden können. Hieraus ergibt sich die äußerst vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit zur Bestimmung von kleinen Flüssigkeitsmengen in chemischen Analysegeräten, wobei die Flüssigkeitsproben während der Wägung in den systemüblichen Küvetten verbleiben können.

Hochgenaue Waagen der gattungsgemäßen Art sind insbesondere für chemische Analysezwecke geeignet. Dabei müssen in der Regel aber Flüssigkeiten gewägt werden. Diese werden in ihrem Behälter aber in Schwingungen versetzt. Dadurch verformt sich der Flüssigkeitskörper, so daß der Schwerpunkt der Flüssigkeit sich gegenüber dem mechanischen Schwingsystem bewegt. Dadurch entstehen Meßwertverfälschungen. Zur Lösung dieses Problemes sind vorteilhaft die Merkmale des Anspruches 3 vorgesehen. Durch Immobilisierung der Flüssigkeit im Behälter werden die genannten Probleme beseitigt.

Dabei kann nach Anspruch 4 im Behälter ein von Hohlräumen durchsetzter Körper vorgesehen sein, der in seinen Hohlräumen die Flüssigkeit netzartig umschließt und an Schwingungen hindert. Vorteilhaft ist dabei der Körper in sich starr ausgebildet und am Behälter befestigt. Beispielsweise kann ein offenporiger Hartschaumklotz verwendet werden.

Es kann aber auch gemäß Anspruch 5 die Flüssigkeit chemisch immobilisiert werden durch Zugabe einer chemischen Substanz, die mit der Flüssigkeit zu einem festen, also starren Körper reagiert. Als chemische Substanz kann beispielsweise ein Geliermittel verwendet werden.

Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 6 vorgesehen. Auf diese Weise wird die Konstruktion vereinfacht und durch Fortfall zusätzlicher, das Schwingverhalten beeinträchtigender Anschlußleitungen die Meßpräzision verbessert.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 den mechanischen und elektronischen Aufbau einer Flüssigkeitsschwingungswaage und

Fig. 2 das Ersatzschaltbild des Umformers mit angeschlossenem mechanischem Schwingsystem.

Die in Fig. 1 dargestellte Schwingungswaage besteht in ihren wesentlichen Komponenten aus einem mechanischen Schwingsystem 1, einem elektrodynamischen Linearmotor 2, einem elektrischen Oszillator 3 und einer Auswert- und Anzeigeeinrichtung 4.

Das mechanische Schwingsystem 1 weist eine Stange 5 auf, die mit zwei parallelführenden Blattfedern 6 an einer stationären Gehäusewand 7 in Pfeilrichtung schwingungsfähig aufgehängt ist. Auch andere Federungssysteme sind verwendbar. Die Stange 5 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel einer Flüssigkeitswaage lotrecht stehend angeordnet und trägt an ihrem oberen Ende eine Klemmaufnahme 8 zur klemmenden Halterung einer offenen Küvette 9 mit einer zu wägenden Flüssikgeitsmenge 10.

Der elektrodynamische Linearmotor 2 weist einen in seiner Grundform aus dem Lautsprecherbau her bekannten Permanentmagneten 11 auf, in dessen Ringspalt 12 eine Schwingspule 13 auf einem am unteren Ende der Stange 5 des mechanischen Schwingsystemes 1 befestigten Spulenträger 14 angeordnet ist. Die Spule 13 ist über flexible Anschlußleiter 15 mit dem Eingang 16 des elektrischen Oszillators 3 verbunden. Als Anschlußleiter können besonders vorteilhaft auch die beiden Blattfedern 6 verwendet werden, die dann in entsprechender Weise elektrisch isoliert vorzusehen und an die Schwingspule 13 anzuschließen sind.

Der elektrische Oszillator 3 ist im Ausführungsbeispiel als einfache Brückenschaltung ausgebildet. Zwischen den Stromversorgungspunkten (also im üblichen Zeichenschema den oberen und unteren Punkten 17 und 18) der Brücke liegen die beiden oberen Zweige 19 und 20 und die heiden unteren Zweige 16 und 21. Zwischen den oberen und unteren Zweigen wird zwischen den Punkten 22 und 23 die Brückenspannung abgegriffen.

Die beiden übereinanderliegenden Zweige 20 und 21 sind als ohmsche Widerstände ausgebildet, die somit keinen Frequenzbeitrag liefern. Der obere linke Zweig 19 stellt ebenfalls einen rein ohmschen Widerstand dar, der noch näher zu erläutern ist. Der einzige frequenzbestimmende Brückenzweig ist der Zweig 16, an den der elektrodynamische Linearmotor 2 angeschlossen ist.

Fig. 2 zeigt dessen elektrisches Ersatzschaltbild. Darin stellt sich der elektrodynamische Linearmotor 2 als Transformator dar, während das mechanische Schwingsystem 1 sich als elektrischer Schwingkreis darstellt, bestehend aus einer Induktivität 24, einer Kapazität 25 und einem ohmschen Widerstand 26. Die Induktivität 24 wird durch die Nachgiebigkeit des mechanischen Schwingsystems 1 bestimmt, also durch die Blattfedern 6. Die Kapazität 25 wird durch die Gesamtmasse bestimmt, also einschließlich der variablen zu wägenden Masse. Der Widerstand 26 stellt die nicht vermeidbare mechanische Dämpfung dar.

Wie das elektrische Ersatzschaltbild der Fig. 2 zeigt, stellt der Brückenzweig 16 also das einzige frequenzbestimmende Glied dar.

Über den mittleren Punkten 22 und 23 der Brücke wird die Brückenspannung abgegriffen und den Eingängen eines Differenzverstärkers 27 zugeführt, der, wie dargestellt, an eine Gleichstromversorgung angeschlossen ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers 27 speist den oberen Brückenpunkt 17.

Die dargestellte Brückenschaltung wirkt also als Oszillator, dessen Schwingungsfrequenz allein bestimmt wird durch die in dem elektrischen Ersatzschaltbild der Fig. 2 dargestellten mechanischen Werte des mechanischen Schwingsystemes 1, das über den elektrodynamischen Linearmotor 2 als Umformer angeschlossen ist. Ändert sich die Masse des mechanischen Schwingsystems, also die Flüssigkeitsprobe 10, so verändert sich die Resonanzfrequenz des Schwingsystems und somit die Frequenz des Oszillators. Die beispielsweise an den Punkten 17 und 18 angeschlossene Auswert- und Anzeigeeinrichtung 4 kann die Periodendauer der Schwingung bestimmen und als Maß der zu wägenden Masse nach erforderlicher Umrechnung anzeigen.

Die dargestellte Schwingungswaage kann beliebige an der Klemmaufnahme 8 eingeklemmte Körper in ihrer Masse bestimmen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel soll eine Flüssigkeitsmenge 10 in der offenen Küvette 9 bestimmt werden. Dazu ist vorteilhaft die Schwingbeschleunigung unter etwa 1 g gehalten. Dann kann die Flüssigkeitsmenge 10 bei Abwärtsbewegung nicht aus der Küvette abheben, was zu Meßverfälschungen führen würde. Bei derartig geringer Schwingbeschleunigung kann auch ein zu wägender Körper frei auf einer Waagschale liegend bestimmt werden, die an Stelle der Klemmaufnahme 8 vorgesehen ist.

Vorteilhaft wird die Schwingbeschleunigung in dem elektrischen Oszillator 3 begrenzt. In dem einfachen Ausführungsbeispiel der Fig. 1 mit einer sehr einfachen Brückenschaltung ist zu diesem Zweck der Brückenzweig 19 als Kaltleiter ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird hierzu eine Glühlampe eingesetzt, die bei Stromanstieg durch Vergrößerung ihres Widerstandes die Brücke entsprechend derart nachstimmt, daß die Schwingungsamplitude verringert wird. Besser sind aber elektronische Regelschaltungen vorzusehen, die vorteilhaft derart ausgelegt sind, daß sie das Zeitdifferential der an die Tauchspule 13 angelegten Spannung derart stabilisieren, daß auch bei unterschiedlicher Belastung der Waage das mechanische Schwingsystem stets bei konstanter Beschleunigung betrieben wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Schwingungswaage ist insbesondere vorteilhaft zur Bestimmung sehr kleiner Flüssigkeitsmengen einsetzbar. Dann hat die dargestellte Küvette 9 einen sehr kleinen Durchmesser und der in der Figur ersichtliche Flüssigkeitsspiegel der Oberfläche weist die dargestellte Miniskusform mit Randkrümmung auf. Bei lotrechter Schwingung des schwingfähigen Systems, also auch der Küvette 9, kann die Flüssigkeitsmenge 10 gegenüber der Küvette 9 in Schwingungen geraten, wobei der Oberflächenminiskus entsprechend schwingt. Dadurch schwingt der Massenschwerpunkt der Flüssigkeitsmenge 10 gegenüber dem schwingfähigen System, und es kommt zu Fehlwägungen.

Vorteilhaft ist daher, was aus Gründen der zeichnerischen Vereinfachung in der Figur nicht dargestellt ist, eine geeignete Einrichtung vorgesehen, mit der die Flüssigkeit in der Küvette 9 immobilisiert, also bewegungsunfähig festgehalten wird. Die Flüssigkeit ist dann starr mit der Küvette 9 verbunden und wird an Eigenschwingungen gehindert. Zur Immobilisierung der Flüssigkeitsmenge 10 in der Küvette 9 können zwei vorteilhafte Wege gewählt werden.

Es kann im Inneren der Küvette 9 ein mit offenen Hohlräumen durchsetzter Körper angeordnet sein. Dieser kann beispielsweise als offenporiger Hartschaumkörper ausgebildet sein, der in die Küvette 9 eingesetzt und an dieser befestigt ist. Wird die Flüssigkeitsmenge 10 in die Küvette gegeben, so durchdringt sie die Hohlräume des Körpers und wird in diesem festgehalten und durch netzartige Umschließung an Bewegungen gehindert.

In alternativer Ausbildung der Küvette 9 kann diese mit einer chemischen Substanz versehen sein, die mit der zugegebenen Flüssigkeit zu einem festen Körper reagiert. Als derartige Substanzen können beispielsweise Geliermittel verwendet werden. Die Substanz kann vor Einfüllen der Flüssigkeit im Behälter vorgesehen sein.

Eine weitere nicht dargestellte Möglichkeit zur lmmobilisierung der Flüssigkeitsmenge 10 in der Küvette 9 bestünde in der Vorsehung eines unmittelbar auf die Flüssigkeitsoberfläche aufgesetzten Deckels. Hierbei ergeben sich aber eine Reihe mechanischer und manipulatorischer Probleme.


Anspruch[de]
  1. 1. Schwingungswaage mit einem von einem elektromechanischen Antriebsumformer angetriebenen, in Eigenresonanz schwingenden mechanischen Schwingsystem und einem elektromechanischen Rückkopplungsumformer zur Mitkopplung des den Antriebsumformer treibenden elektrischen Oszillators sowie zur Messung der Periodendauer der Schwingung als Maß der zu wägenden Masse, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebs- und Rückkopplungsumformer ein elektrodynamischer Linearmotor (2) vorgesehen ist, der unter dem Einfluß des angekoppelten mechanischen Schwingungsystemes (1) das frequenzbestimmende Glied (16) des elektrischen Oszillators (3) bildet, aus dessen Schwingungen die Periodendauer bestimmt wird.
  2. 2. Schwingungswaage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mechamische Schwingsystem (1) mit seiner Schwingungsrichtung im Bereich um die Lotrechte ausgerichtet ist und mit einer Schwingungsbeschleunigung unter etwa 1 g arbeitet.
  3. 3. Schwingungswaage für Flüssigkeiten in Behältern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter zur mechanischen oder chemischen Immobilisierung der Flüssigkeit ausgebildet ist.
  4. 4. Schwingungswaage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter einen mit offenen Hohlräumen durchsetzten Körper enthält.
  5. 5. Schwingungswaage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter eine chemische Substanz enthält, die mit der zu wägenden Flüssigkeit zu einem festen Körper reagiert.
  6. 6. Schwingungswaage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Rückstellfedern des mechanischen Schwingsystems (1) zwei Blattfedern (6) vorgesehen sind, die in elektrisch isolierter Anordnung als Anschlußleiter der Schwingspule (3) des elektrodynamischen Linearmotors (2) ausgebildet sind.






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