CH622888A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch kompensie- Schwierigkeiten (1) und (3) überwunden werden, da diese Ein-

rende Kraftmess- oder Wägevorrichtung der im Oberbegriff flüsse auf die beiden Systeme in gleicher Weise einwirken und des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. damit durch die Quotientenbildung eliminiert werden können.

Bei einer solchen elektromagnetischen Kraftkompensation Die Schwierigkeiten nach Punkt 2 bleiben aber bestehen, da die wird die von der zu messenden Last beaufschlagte Arbeitsspule 65 Messwiderstände für beide Systeme getrennt sind. Ausserdem durch Regelung des durch die Spule fliessenden Stroms in einer hat eine solche Vorrichtung einen sehr komplizierten Aufbau,

Nullage gehalten, so dass der durch die Spule fliessende Strom da alle Einzelteile zweimal vorhanden sein müssen. Und

J nach der Formel schliesslich können Nullpunktänderungen des zweiten Systems

J 622888

nicht erkannt oder gar erfasst werden, so dass sie das Messer- Bei Verwendung eines solchen Hall-Generators können gebnis verfälschen können. sowohl die Fehler des Magnetsystems als auch die Fehler des

Bei einer Modifikation dieser Quotientenmessung wird Messwiderstands vermieden werden, so dass sich insoweit eine zusätzlich eine Digitalisierung vorgenommen, indem der Tra- Verbesserung im Vergleich mit der ober erläuterten, herkömm-gestrom, d.h. der durch die Arbeitsspule fliessende Strom J, in 5 liehen Kraftmess- oder Wägevorrichtung ergibt.

dem ersten System in Impulse aufgeteilt wird. Dabei ist bei der Andererseits müssen jedoch die Fehler eines Hall-Genera-

Ausgestaltung nach der DE-PS1 194167 Impulshäufigkeit pro- tors in Kauf genommen werden, insbesondere seine starke portional zur aufgelegten Masse, während bei der Modifikation Temperaturabhängigkeit, die etwa in der gleichen Grössenord-nach der CH-PS 529 999 die Impulslänge proportinai zur aufge- nung wie der Temperaturkoeffizient von AINiCo, den üblicherlegten Masse ist. io weise für Wagen verwendeten, magnetischen Werkstoff, und Dadurch kann zwar auch die oben erwähnte Schwierigkeit der Temperaturkoeffizient von üblichen Messwiderständen, (2) beseitigt werden, die gesamte Vorrichtung hat jedoch auf- nämlich bei etwa 10~4 bis 10~5/K, liegt. Diese Ausschaltung der grund der Verwendung des zweiten Systems einen sehr kompli- Temperaturstabilität des Messwiderstandes muss also durch zierten Aufbau. Ausserdem können Nullpunktänderungen des die relativ hohe Temperaturempfindlichkeit des Hall-Genera-zweiten Systems nicht erkannt oder erfasst werden und verfäl- i s tors erkauft werden, wodurch sich insgesamt eine ungünstige sehen damit das Ergebnis. Und schliesslich ist eine komplizierte Beeinflussung der Genauigkeit ergibt.

und temperatur- und alterungsanfällige elektronische Schal- Eine Erhöhung der Genauigkeit ist bei Verwendung von tung erforderlich, um die Impulsform konstant zu halten. Insbe- Hall-Generatoren nicht möglich, da die Eigenschaften der sondere die Flankenform ändert sich stark bei geringen Ande- üblicherweise als Hall-Generatoren verwendeten Halbleiterrungen der Bauteile. Wird die Impulsform nicht konstant gehal- 20 materialien zeitlich im allgemeinen nicht stabil sind; ausserdem ten, so ist keine genaue Messung mehr möglich. hat die Hall-Spannung nur eine äusserst geringe Grösse, so dass

Ausserdem kann noch gemäss DE-AS 2511 103 eine Digita- die Auswertung und Erfassung sehr kompliziert ist; und lisierung im Regelkreis vorgenommen werden. Dadurch kön- schliesslich ändert sich die Temperatur des Hall-Generators nen jedoch nur die Schwierigkeiten nach den oben erläuterten ständig, da der Steuerstrom von der Belastung abhängt.

Punkten (1) und (2) beseitigt werden, während die Schwierig- 25 Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine keit (3) bestehen bleibt. Dies kann wiederum nur durch die Ver- elektromagnetisch kompensierende Kraftmess- oder Wägevor-wendung der Quotientenmessung umgangen werden, wodurch richtung der angegebenen Gattung zu schaffen, die bei einfa-sich jedoch die oben erwähnten Nachteile ergeben würden. chem mechanischem Aufbau eine äusserst empfindliche, zeit-Ausserdem stellen die Kennlinie und die Hysterese des verwen- lieh stabile Messung der Last ermöglicht.

deten weichmagnetischen Werkstoffes kritische Grössen dar. 30 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kenn-

Weiterhin ist aus der DE-OS 2317 756 eine elektromagne- zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale tisch kompensierende Kraftmess- und Wägevorrichtung gelöst.

bekannt, mit der das folgende Problem gelöst werden soll: Der Zweckmässige Ausführungsformen sind in den abhängigen

Strom ] durch die Arbeitsspule beeinflusst im allgemeinen das Ansprüchen zusammengestellt.

Magnetfeld des Permanentmagneten, so dass für die Kraftfluss- 35 Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbeson-dichte B im allgemeinen der folgende Ansatz gemacht wird: dere darauf, dass die sonst übliche, mit den erwähnten Fehlern behaftete Ermittlung des durch die Arbeitsspule fliessenden B = Bo(l-c»J) Stroms durch eine Magnetfeldmessung ersetzt wird, die eine zu dem Spulenstrom proportionale Grösse liefert. Für eine solche Die Konstante c hängt nur von der Geometrie der Magnet- 40 Magnetfeldmessung stehen sehr genaue, langzeitstabile Messanordnung ab. Dadurch ergibt sich in der Gleichung für die methoden zur Verfügung, insbesondere die Kerndipolresonanz Kraft F ein J2-Term: oder die Spinresonanz. Bei diesen Verfahren kann die Messung und ihre Auswertung auf atomare Konstanten zurückgeführt F = B'J*n«2nr = Bo*n'2jtr«J-Bo-n'2OT-c-J2 werden, so dass sich eine mit anderen Verfahren im allgemei-

45 nen nicht zu erreichende Genauigkeit ergibt.

Die Korrektur dieses J2-Terms erfolgt gemäss der DE-OS Weiterhin wird auch der komplizierte mechanische Aufbau

2 317 756 mittels Korrekturspule um den aktiven Kern der vermieden, wie er bei einigen herkömmlichen Kraftmess- oder

Magnetanordnung; diese Korrekturspule wird vom Strom Wägevorrichtungen eingesetzt wird.

durch die Arbeitsspule durchflössen und ist so dimensioniert, Ausserdem wird mit diesem Verfahren die magnetische dass sich die Wirkung der Arbeitsspule und der Korrekturspule 50 Kraftflussdichte B direkt gemessen, so dass die oben erwähnte auf die magnetische Kraftflussdichte B aufheben, also die Kompensation des J2-Terms mittels einer Korrekturspule nicht magnetische Kraftflussdichte B nicht mehr von dem Strom J mehr erforderlich ist. Auch dies führt also zu einer Vereinfa-durch die Arbeitsspule abhängt. chung des Messaufbaus unter gleichzeitiger Genauigkeitsstei-

Nachteilig ist bei einer solchen Lösung, dass ein weiteres, gerung.

zusätzliches, wärmeempfindliches Bauelement verwendet wer- 55 Und schliesslich kann durch die weitere, im Luftspalt der den muss. Magnetanordnung vorgesehene Messsonde auch eine etwaige

Schliesslich ist aus der DE-PS 1 276 931 noch eine elektro- Änderung des Magnetfeldes des Permanentmagneten erfasst magnetisch kompensierende Kraftmess- oder Wägevorrich- und bei der Messung berücksichtigt werden, wodurch sich eine tung der angegebenen Gattung bekannt Dabei ist im magneti- weitere Erhöhung der Genauigkeit ergibt.

sehen Kreis ein Hall-Generator angeordnet, dessen Betriebs- 60 Zweckmässigerweise wird die Messsonde für die Magnet-grössen zur Kraftmessung benutzt werden. feldmessung im Innern der Spule angeordnet, wo sie weitge-

Dieser Hall-Generator dient also sowohl zur Überwachung hend gegen äussere Einflüsse geschützt ist.

des Magnetfeldes als auch zur Berechnung der Grösse B x J, um Um eine Mittelung über den Gesamtverlauf des Magnetfel-auch bei veränderlicher magnetischer Kraftflussdichte die des zu erreichen, können im Luftspalt zwei Messsonden vorge-

elektromagnetisch erzeugte Kraft zu ermitteln. Denn sowohl 65 sehen sein, deren Ergebnisse gemittelt werden, die Hall-Spannung als auch die Kraft auf eine Spule im Magnet- Auch dadurch ergibt sich eine Verbesserung der Genauig-feld sind proportional zu dem Produkt aus magnetischer Feld- keit.

stärke und Strom. Damit im Innern der Spule ein etwa homogenes Magnet-

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feld entsteht, sollte der Durchmesser der Spule, mit deren Hilfe der Spulenstrom J bestimmt wird, kleiner als ihre Länge sein.

Um die Beeinflussung durch Fremdfelder so gering wie möglich zu halten, sollte diese Spule weiterhin durch eine weichmagnetische Abschirmung umgeben sein. 5

Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann das Magnetfeld in der Spule durch weichmagnetische Leitstücke verstärkt sein, die in das Innere der weiteren Spule reichen.

Dabei sollte das Material eine lineare Magnetisierungskennlinie haben und keine Hysterese aufweisen. 10

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze des magnetischen Kreises einer 15 erfindungsgemässen elektromagnetisch kompensierten Wägeoder Kraftmesseinrichtung, in welcher der mechanische Teil nur schematisch angedeutet ist;

Fig. 2 einen Schnitt längs der angedeuteten Pfeile A und B durch die Magnetanordnung und die Arbeitsspule; 20

Fig. 3 einen Schnitt durch die weitere Spule und die Messsonde;

Fig. 4 eine Ausführungsform der weichmagnetischen Leitstücke und der Abschirmung; und

Fig. 5 ein Blockschaltbild des elektromagnetischen Teils der25 Vorrichtung.

Wie sich insbesondere aus den Fig. 1 und 5 ergibt, weist die elektromagnetisch kompensierende Wäge- oder Kraftmessvorrichtung nach der Erfindung eine Magnetanordnung 6 auf, die im allgemeinen durch eine Permanentmagneten gebildet wird. 30 In dem Luftspalt 6a der Magnetanordnung 6 ist eine Arbeitsspule 5 angeordnet.

Wie in Fig. 1 und 5 schematisch angedeutet wird, ist die Arbeitsspule 5 über eine Führung 7 mit einer Waagschale 8 verbunden, auf welche die zu messende Masse gelegt werden kann. 35

Ausserdem ist mit Arbeitsspule 5 ein Lagenindikator 9 mechanisch verbunden, der anzeigt, ob sich die Arbeitsspule 5 in einer vorbestimmten Gleichgewichtslage in dem Luftspalt 6a der Magnetanordnung 6 befindet oder unter der Einwirkung der Kraft, die eine auf die Waagschale 8 gelegte Masse 40

erzeugt, aus dieser Gleichgewichtslage ausgelenkt ist.

Wenn die Arbeitsspule 5 durch diese Kraft in dem Luftspalt 6a nach unten - gemäss der Darstellung in den Figuren - ausgelenkt wird, zeigt der Lagenindikator 9 diese Auslenkung an, d.h. er liefert ein Signal, das über eine Regelverstärker 10 den der 45 Arbeitsspule 5 zugeführten Strom solange verändert, bis die Gleichgewichtslage wieder erreicht ist. Wie oben erläutert wurde, ist die dabei erzeugte elektromagnetische Kraft proportional zu dem Gewicht der auf die Waagschale 8 aufgelegten Masse, so dass der für die Erhaltung der Gleichgewichtslage 50 notwendige Strom ein Mass für das zu messende Gewicht ist Wie in Fig. 5 dargestellt ist, liegt elektrisch in Reihe zu der Arbeitsspule 5 eine weitere Spule 1, so dass das Magnetfeld dieser Spule 1 proportional zu dem durch die Arbeitsspule 5 fliessenden Strom ist 55

Der Aufbau dieser Spule 1 ist im einzelnen in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Im einfachsten Fall kann diese Spule 1 aus einem zylindrischen Hohlkörper 13 bestehen, der mit einer üblichen Wicklung 2 versehen ist Der Durchmesser dieser Spule 1 ist also wesentlich kleiner als ihre Länge.

In der Mitte des zylindrischen Hohlkörpers 13 befindet sich eine Messsonde 3, welche die Grösse des von der Spule 1 erzeugten Magnetfeldes, d.h. die magnetische Kraftflussdichte der Spule 1 ermitteln kann.

Die so gemessene Kraftflussdichte ist proportional zu den durch die Arbeitsspule 5 fliessenden Strom, so dass aus dem gemessenen Wert für die Kraftflussdichte der Spule 1 anhand der oben angegebenen Formel das Gewicht der auf die Waagschale 8 aufgelegten Masse berechnet werden kann.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist diese Spule 1 mit einer weichmagnetischen Abschirmung 17 gegen Fremdfelder sowie weichmagnetischen Leitstücken 11 zur Verstärkung des Magnetfeldes der Spule 1 versehen. Das Material für die magnetischen Leitstücke bzw. die magnetische Abschirmung soll eine lineare Magnetisierungskennlinie haben und keine Hysterese aufweisen.

Bei konstantem Wert für die magnetische Kraftflussdichte B der Magnetanordnung 5 kann mittels des gemessenen Magnetfeldes der Spule 1 anhand der angegebenen Formel die elektromagnetische Kraft ermittelt werden.

Um den Temperaturkoeffizienten sowie etwaige Alterungserscheinungen der Magnetanordnung 6 berücksichtigen zu können, sind in dem Luftspalt 6a der Magnetanordnung zwei weitere Messsonden 4 und 4a angeordnet, die, wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sich auf einander gegenüberliegenden Punkten der kreisförmigen Magnetanordnung 6 befinden.

Mit Hilfe dieser Sonden 4 und 4a wird die magnetische Kraftflussdichte B der Magnetanordnung 6 gemessen.

Die von den beiden Messsonden 4 und 4a ermittelten Werte für die magnetische Kraftflussdichte der Magnetanordnung 6 werden gemittelt und auf die im folgenden zu erläuternde Weise weiterverarbeitet.

Die Messsonden 3,4 und 4a können beispielsweise entweder nach dem Prinzip der magnetischen Kerndipolresonanz oder nach dem Prinzip der Spinresonanz arbeiten. Aufbau und Funktionsweise solcher Messsonden sind in dem Artikel «Ein Rb-Magnetometer für einen weiten Feldbereich und mit hoher Empfindlichkeit» in PTB-Mitteilungen 4/74, Seite 241 ff, sowie in dem Buch von Kohlrausch «Praktische Physik», Band 2, 1968, Seite 274, unter dem Titel «Kernresonanz» beschrieben.

Der prinzipielle Aufbau des elektronischen Teils der Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt. Das die magnetische Kraftflussdichte B der Magnetanordnung 6 darstellende Ausgangssignal der Messsonde(n) 4 bzw. 4a wird über einen Resonanzoszillator 20 und einen Frequenzzähler 22 in ein digitales Signal umgewandelt während das Ausgangssignal der Spule 1, das dem Spulenstrom } der Arbeitsspule 5 proportional ist, über einen Resonanzoszillator 21 und einen Frequenzzähler 23 ebenfalls in ein digitales Signal umgewandelt wird. Die beiden Frequenzzähler beziehen ihre Zeitbasis aus einem gemeinsamen Quarzoszillator 21. Die Verknüpfung der beiden elektrischen Signale aus den Frequenzzählern erfolgt in einem Multiplizierglied 24, das gemäss der Gleichung F = konst. • B • J eine zu der elektromagnetischen Kraft proportionale Grösse bildet

Das Ausgangssignal des Multipliziergliedes 24 wird in einer Einheit 25 auf die übliche Weise weiterverarbeitet, beispielsweise tariert, gemittelt usw., so dass schliesslich in einer Anzeigeeinrichtung 26 das Messergebnis dargestellt werden kann.

G

2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

622888 2 PATENTANSPRÜCHE F = B.I.n-27tr

1. Elektromagnetisch kompensierende Kraftmess- oder Wägevorrichtungen mit einer im Luftspalt einer ortsfesten

Magnetanordnung beweglichen, durch die zu messende Last ein Mass für die elektromagnetisch erzeugte Kraft F und damit beaufschlagten Arbeitsspule, mit einem Indikator für die Lage s für die zu messende Last darstellt; dabei bedeuten B = magneti-

der Arbeitsspule, mit einem dem Indikator nachgeschalteten sehe Kraftflussdichte der Magnetanordnung, J = Spulenstrom,

Regelverstärker, wobei die Arbeitsspule durch das Ausgangs- n = Windungszahl der Arbeitsspule, und 2izr = Länge einer signal des Regelverstärkers gespeist und in die Nullage Windung.

gebracht wird, und mit einem elektrisch in Reihe zu der Dabei wird im allgemeinen vorausgesetzt, dass die magneti-

Arbeitsspule liegenden Wandler zur Bestimmung einer zu dem io sehe Kraftflussdichte konstant ist, also der Spulenstrom direkt

Spulenstrom proportionalen Grösse über ein elektromagneti- proportional zu der elektromagnetisch erzeugten Kraft ist. sches Feld, wobei das Ausgangssignal dieses Wandlers ein Im allgemeinen wird der Spulenstrom J in einem Mess-

Mass für die zu messende Last ist, dadurch gekennzeichnet, widerstand in eine Messspannung umgewandelt, die dann mit-

dass der Wandler als Spule (1) ausgebildet ist, deren Magnet- tels eines Analog/Digital-Wandlers im Vergleich mit einer feld durch eine Messsonde (3) bestimmt wird, dass im Luftspalt 15 internen Referenzspannung in digitale Grössen umgesetzt der Magnetanordnung (6) mindestens eine weitere Messsonde wird. Als Magnetanordnung wird ein Permanentmagnet

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, nentmagneten verändern die von der Magnetanordnung gelie-dass die erste Messsonde (3) im Innern der Spule (1) angeord- ferte magnetische Kraftflussdichte und verfälschen damit das net ist Messergebnis;

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch 25 2. auch der Temperaturkoeffizient und die Alterung des gekennzeichnet, dass zwei weitere Messsonden (4,4a) vorgese- Messwiderstandes verfälschen das Messergebnis. Der dadurch hen sind, die im Luftspalt der Magnetanordnung (6) an einander entstehende, systematische Fehler hat einen besonders starken gegenüberliegenden Stellen angeordnet sind, und dass die Aus- negativen Einfluss auf die Messung, da zur Kompensation von gangssignale dieser weiteren Messsonden (4,4a) gemittelt wer- wechselnden Lasten auch entsprechend variierende Ströme den. 30 verwendet werden müssen, wodurch sich wiederum eine

4,4a) nach dem Prinzip der Spinresonanz arbeiten. meiden, die ebenfalls die Messung in unkontrollierter Weise

4,4a) nach dem Prinzip der magnetischen Kerndipolresonanz 3. auch der Temperaturkoeffizient der Referenzdiode und arbeiten. damit der Referenzspannung sowie die Alterung der Referenz-

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch schwankende Wärmeerzeugung und damit unterschiedliche gekennzeichnet, dass die erste und die weiteren Messsonden (3, Temperaturerhöhungen ergeben;

(4,4a) zur Bestimmung der magnetischen Kraftflussdichte der benutzt, während die Referenzspannung mittels einer Referenz-

Magnetanordnung (6) angeordnet ist, und dass eine Schaltungs- diode (Z-Diode) geliefert wird.

anordnung (24,25,26) zur Bestimmung der zu messenden Last Bei einem solchen System treten folgende Schwierigkeiten aus den Ausgangssignalen der ersten und der weiteren Mess- 20 auf:

sonden (3; 4,4a) vorgesehen ist 1. Der Temperaturkoeffizient und die Alterung des Perma-

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch 35 diode verfälschen das Messergebnis. Ausserdem lassen sich bei gekennzeichnet, dass die erste und die weiteren Messsonden (3, der Referenzdiode statistische Spannungssprünge nicht ver-

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch beeinflussen können.

gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Spule (1) wesentlich Neben der einfachen Temperaturkompensation durch kleiner als die Länge der Spule (1) ist. 40 zusätzliche, temperaturabhängige Bauelemente sind verschie-

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch dene Möglichkeiten bekannt geworden, einzelne oder alle die-gekennzeichnet, dass die erste Messsonde (3) etwa in der Mitte ser Fehlermöglichkeiten systematisch auszuschliessen. Eine der Spule (I) angeordnet ist. Möglichkeit stellt die sogenannte «Quotientenmessung» dar.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn- Dabei wird gleichzeitig mit zwei herkömmlichen Systemen zeichnet durch eine weichmagnetische Abschirmung (17) für 45 gearbeitet, wobei das erste System mit der zu messenden Last die Spule (1). und das zweite System mit einer konstanten Masse beauf-

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekenn- schlagt wird. Dabei ersetzt das zweite System also die Refe-zeichnet durch weichmagnetische Leitstücke (11), die in das renzdiode.

Innere der Spule (1) reichen. Bei der Ausführungsform nach der DE-PS1 194167 sind

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch 50 diese beiden Systeme in zwei Spalten eines Permanentmagne-gekennzeichnet, dass die weitere(n) Messsonde(n) (4,4a) orts- ten angeordnet Bei der aus der US-PS 3 322 222 bekannten fest im Luftspalt angebracht ist (sind). Ausführungsform befinden sich diese beiden Systeme in dem

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch selben Luftspalt gekennzeichnet, dass die weitere(n) Messsonde(n) (4,4a) im Bei der Vorrichtung nach der CH-PS 521575 wird mittels

Luftspalt an der Arbeitsspule (5) befestigt ist (sind). 55 des zweiten Systems die magnetische Kraftflussdichte B nach geregelt

Weiterhin werden nach dem älteren Patent 25 35 758 der Anmelderin die beiden Systeme mit konzentrischen Zylindern mit Hilfe von Luftpolstern geführt 60 Durch diesen Lösungsweg können die oben erwähnten