Magnetschwebewaagen

Eine der grundlegenden und genauesten Messmethoden bei experimentellen Untersuchungen ist die Wägetechnik. Bei zahlreichen Anwendungen ist es jedoch nicht möglich oder zweckdienlich, eine Waage oder ein Wägesystem direkt im Messraum selbst anzuordnen (z. B. bei aggressiven Atmosphären, hohen Drücken oder Vakuum, hohen oder tiefen Temperaturen). In vielen dieser Fälle können Magnetschwebewaagen eine geeignete Lösung sein.

Mit Magnetschwebewaagen können präzise Wägungen von zu untersuchenden Proben in geschlossenen Behältern aus Metall oder Glas ausgeführt werden. Die Waage (handelsübliche Analysen- oder Mikrowaage) befindet sich dabei außerhalb des Messraumes bei normalen Umgebungsbedingungen und es wird „durch die Wand hindurch” gewogen. Das Funktionsprinzip einer solchen Magnetschwebewaage ist im folgenden Bild dargestellt:

Funktionsprinzip einer Magnetschwebewaage.

Ein an der Waage aufgehängter Elektromagnet hält einen innerhalb des Messraumes angeordneten Permanentmagneten in einem freien Schwebezustand. Die Regelung des Schwebezustandes erfolgt mit Hilfe einer Sensorspule, die die Lageänderung des Schwebemagneten erfasst. An dem Permanentmagneten hängt, über eine Abkoppelvorrichtung verbunden, die Messprobe (Messpunktlage). Mit Hilfe der Magnetschwebekupplung wird jede Gewichtsänderung der Probe berührungsfrei auf die Waage übertragen. Zur Erfassung der Nullpunktdrift der Waage kann die Messlast durch Herabfahren des Schwebemagneten in eine ca. 5 mm niedrigere Nullpunktlage (Taralage) abgekoppelt werden. Da dann allein der Schwebemagnet mit Kopplungsstab gewogen wird, kann auf diese Weise jederzeit eine einfache und schnelle Nullpunktkontrolle bzw. -korrektur durchgeführt werden. Alle Bewegungen des Schwebemagneten und der Probe erfolgen hierbei elektronisch geregelt und erschütterungsfrei. Die Messgenauigkeit der Waage wird durch die Magnetschwebekupplung nicht beeinflusst.

Obwohl das Prinzip der berührungsfreien Kraftmessung bereits vor über 50 Jahren entwickelt wurde, konnten bis Mitte der 80er Jahre nur Messinstrumente mit sehr eingeschränktem Anwendungsbereich realisiert werden. Erst durch eine entscheidende Änderung des Regelprinzips ist es gelungen, einen neuen, universell einsetzbaren Typ von Magnetschwebewaagen zu entwickeln [25, 26]. Diese neuen Magnetschwebewaagen ermöglichen erstmals die Anwendung gravimetrischer Messverfahren in weiten Druck- und Temperaturbereichen mit nahezu beliebigen Probemassen. Das Funktionsprinzip und die Anwendungsgebiete der neuen Magnetschwebewaage sind in zwei Artikeln [25, 26] näher beschrieben. An unserem Lehrstuhl werden diese Magnetschwebewaagen insbesondere zur Messung der Dichte und der Viskosität von Fluiden eingesetzt (siehe Dichtemessapparaturen, Viskositäts-Dichte-Messapparatur und Forschungsprojekte für die Industrie). Das zweite Bild zeigt zwei Fotos eines funktionsfähigen Schnittmodells einer Magnetschwebewaage (hier mit einem Senkkörper aus Glas zur Messung der Dichte von Fluiden), das zur anschaulichen Demonstration der Funktionsweise einer Magnetschwebewaage aufgebaut wurde.

Schnittmodell einer Magnetschwebewaage.

Da die neuen Magnetschwebewaagen für viele verschiedene Anwendungszwecke geeignet sind und ein großes Interesse von Seiten anderer Forschungseinrichtungen sowie der Industrie bestand, sind Magnetschwebewaagen heute auch kommerziell in vielen verschiedenen Ausführungen und für ein breites Anwendungsgebiet erhältlich (Fa. Rubotherm Präzisionsmesstechnik, Bochum, www.rubotherm.de). Mittlerweile sind Magnetschwebewaagen daher auch weltweit in zahlreichen Forschungsinstituten und Industrieunternehmen im Einsatz.