CH627842A5

CH627842A5 - Gewichts- und kraftmesseinrichtung.

Info

Publication number: CH627842A5
Application number: CH506278A
Authority: CH
Inventors: Hartmut Dr Gruetzediek; Joachim Dr Scheerer; Erich Knothe; Franz-Josef Melcher
Original assignee: Gruetzediek Hartmut; Scheerer Joachim; Sartorius Gmbh
Priority date: 1977-05-16
Filing date: 1978-05-10
Publication date: 1982-01-29
Also published as: US4420055A; DE2722093B1; GB1603580A; DE2722093C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Gewichts- und Kraftmesseinrichtung mit einem Lastaufnahmeteil, der auslenkbar am festen Teil des Wäge- und Kraftmesssystems angeordnet ist und eine in einem konstanten Magnetfeld befindliche Kompensationsspulenanordnung besitzt, mit mindestens einem Lagesensor, der belastungsabhängige Auslenkungen des Lastaufnahmeteils aus einer vorgegebenen Lage feststellt und ein Sensorsignal einem elektrischen Regelkreis zuführt, der den Strom durch die Kompensationsspulenanordnung so regelt, dass der Lastaufnahmeteil in seine vorgegebene Lage zurück gebracht wird.

Derartige Gewichts- und Kraftmesseinrichtungen, die im weiteren kurz als Waagen bezeichnet werden, sind bereits mehrfach vorgeschlagen worden, wobei meist ein Gleichstrom durch die Kompensationsspulenanordnung geschickt wurde, um aufgrund der elektromagnetischen Kraftwirkung des Gleichstroms den Lastaufnahmeteil bei einer abgefühlten oder abgetasteten Auslenkung in seine vorgegebene Lage zurück zu bringen. Nachteilig ist bei derartigen, mit Gleichstrom kompensierten Waagen insbesondere, dass der durch die Kompensationsspulenanordnung fliessende Gleichstrom lastabhängig ist. Durch diese Lastabhängigkeit des kompensierenden Gleichstroms in den Kompensationsspulen machen sich Hysterese-Effekte des Per

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manentmagneten nachteilig bemerkbar. Darüber hinaus ist die Verlustleistung in einem im allgemeinen zur Strommessung verwendeten Strommesswiderstand lastabhängig, wodurch ein Driften der Anzeige hervorgerufen wird. Bei Verwendung dieser bekannten, mit Gleichstrom kompensierenden Anordnung in einer Hebel- oder Balkenwaage stört ausserdem die Lagerreibung, da die Lager nicht ständig in Bewegung sind. Ferner entstehen auch in der den Gleichstrom liefernden Endstufe lastabhängige, relativ hohe Verluste, da die aktiven Bauelemente der Endstufe im Normalbetrieb und nicht im Schaltbetrieb arbeiten.

AusderDE-PS2 233 850 ist ferner eine derartige Waage mit einem weiteren Referenzteil bekannt, wobei Lastteil und Referenzteil unabhängig voneinander vertikal beweglich am festen Teil der Waage aufgehängt sind und je eine in einem gemeinsamen Magnetfeld angeordnete Kompensationsspule aufweisen. Detektoren stellen die belastungsabhängigen Auslenkungen von Last- und Referenzteil aus einer Nullage fest und regeln über Regelkreise die Ströme in den Kompensationsspulen, durch deren elektromagnetische Kraftwirkung Last- und Referenzteil jeweils für sich in die Nullage zurückgeführt werden. Dieses bekannte Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel vorgesehen sind, welche den durch die Referenzspule fliessenden Gleichstrom abhängig vom Detektorsignal des Lastteils entweder der Lastspule oder einem Blindverbraucher zuleiten. Bevorzugt enthalten die Schaltmittel einen elektronischen Schalter, dessen Steuerung durch einen Pulslängenmodulator vorgenommen wird. Der Strom durch die Kompensationsspulenanordnung besitzt dabei entweder den Wert des durch die Referenzspule fliessenden Gleichstroms oder den Wert null.

Nachteilig ist bei dieser bekannten Waage insbesondere, dass ebenso wie bei den Waagen mit einem kompensierenden Gleichstrom in den Kompensationsspulen die Verlustleistung in der Kompensationsspulenanordnung lastabhängig ist, wodurch eine lastabhängige Erwärmung des Magnetsystems hervorgerufen wird, die ein Driften der Anzeige bewirkt. Darüber hinaus geht eine Änderung der Schaltflanken des Stroms durch die Kompensationsspulen schon in erster Näherung ein, so dass eine sehr hohe Konstanz der Schaltflanken und der damit verbundene relativ hohe Schaltungsaufwand erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Gewichtsund Kraftmesseinrichtung zu schaffen, bei der die Verlustleistung, die durch den Strom in der Kompensationsspulenanordnung hervorgerufen wird, lastunabhängig ist, und bei der darüber hinaus die Form der Schaltflanken in erster Näherung nicht in das Messergebnis eingeht.

Die erfindungsgemässe Gewichts- und Kraftmesseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis Schaltungseinheiten aufweist, die dem durch die Kompensationsspulenanordnung fliessenden Strom durch die Belastung vorgegebene, abwechselnd positive und negative Werte geben.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass keine Zeitintervalle vorhanden sind, in denen der Strom durch die Kompensationsspulenanordnung null ist, sondern dass in diesen Intervallen der Strom seine Flussrichtung in der Kompensationsspulenanordnung umkehrt, so dass auch in diesen Intervallen aufgrund der quadratischen Abhängigkeit der Verlustleistung vom Strom eine von null verschiedene Verlustleistung vorhanden ist. Über alle Zeitintervalle hinweg sind daher die Schwankungen in der Verlustleistung wesentlich kleiner als bei den bekannten Waagen. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemässe Waage das dynamische Verhalten verbessert, da ein Regelkreis, bei dem Kräfte in beiden Richtungen erzeugt werden, einfacher aufzubauen ist. Ferner geht die Form des Stromverlaufs im Übergangsbereich zwischen positiven und negativen Werten (Schaltflanken) in erster Näherung nicht in das Messergebnis ein. Erst in einer höheren Näherung machen sich Änderungeii des speziellen Verlaufs des Übergangsbc ; ;;chs des

Stromes bemerkbar, wenn sich durch die Formänderung des Stromverlaufs die Leistungsaufnahme des Magnetsystems so stark ändert, dass auch die Magnettemperatur stärker variiert.

Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform der 5 Erfindung verleihen die Schaltungseinheiten des Regelkreises den positiven und den negativen Werten des durch die Kompen-sationsspulenanordnungfliessenden Stromes nach Abschluss der mit einer Richtungsänderung des Tragteils verbundenen Änderung des Stromes dieselben Maximalamplituden. Der zeitliche io Beginn des Stromflusses in einer bestimmten vorgegebenen Richtung wiederholt sich bevorzugt in fest vorgegebenen Zeitabständen.

Obwohl der zeitliche Verlauf der Richtungsänderung des Stromes durch die Kompensationsspulenanordnung nach einer 15 beliebigen Funktion erfolgen darf, wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein breitenmoduliertes Pulssignal als Strom durch die Kompensationsspulenanordnung geschickt, wobei im stationären Zustand der Betrag des positiven Stromwertes dem Betrag des negativen Stromwertes 20 gleich ist.

Der Vorteil dieser besonders bevorzugten Ausführungsform liegt darin, dass die Verlustleistung in den Zeitintervallen positiven Stromflusses gleich der Verlustleistung während der Zeitintervalle negativen Stromflusses in der Kompensationsspulenan-25 Ordnung ist. Eine lastabhängige Erwärmung des Magnetsystems wird also vermieden, das Driften der Anzeige wird dadurch beseitigt. Ferner wird die Verlustleistung in der Endstufe zur Erzeugung des Stroms verringert, da die Transistoren als Schalttransistoren betrieben werden und durchgesteuert sind. 30 Die Schaltungseinheiten sind bevorzugt einer Serienschaltung aus Lagesensoren, einer Anpassungsschaltung und einem Regler nachgeschaltet und enthalten einen Pulsbreitenmodulator, der am Ausgang eine pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannung abgibt, deren Tastverhältnis in Abhängigkeit von der 3S Ausgangsspannung des Reglers, d. h. der Ausgangsspannung der Lagesensoren steuerbar ist und einer Endstufe zugeführt wird, die den pulsbreitenmodulierten Strom durch die Kompensationsspulenanordnung treibt. Der pulsbreitenmodulierte Strom durch die Kompensationsspulen besitzt bevorzugt eine 40 feste Periode. Die Periodendauer und die Aufeinanderfolge der positiven und negativen Stromwerte innerhalb dieser Pulsperiode ist dabei so bemessen, dass das Wäge- und Kraftmesssystem aufgrund seiner Trägheit den ständigen Stromrichtungsänderungen nicht folgen kann, sondern einer integralen Kompensa-45 tionskraft ausgesetzt ist, die dem Gleichanteil des pulsbreitenmodulierten Stroms durch die Kompensationsspulen entspricht. Während also über eine Änderung des Tastverhältnisses der pulsbreitenmodulierten Stromimpulse der Gleichwert dieses Stroms und damit die auf das Wäge- und Kraftmesssystem 50 wirkende Kraft veränderlich ist, bildet sich über die gesamte Zeit in der Kompensationsspulenanordnung eine konstante Verlustleistung aus, da die Verlustleistung proportional zum Quadrat des durch die Kompensationsspulen fliessenden Stromes ist.

Der Pulsbreitenmodulator vergleicht bei einer bevorzugten 55 Ausführungsform der Erfindung zur Erzeugung der pulsbreitenmodulierten Ausgangsspannung eine periodische Sägezahnspannung mit der Ausgangsspannung des Reglers. Zu Beginn der Sägezahnperiode im Pulsbreitenmodulator besitzt der Strom durch die Kompensationsspulen eine solche Richtung, dass er 60 kraftkompensierend einem Gewicht auf der Waage entgegenwirkt. Dieser Zustand des Stromflusses dauert solange an, bis die Sägezahnspannung den gleichen Wert wie die lastabhängige Regelspannung aus dem bevorzugt als PID-Regler ausgebildeten Regler des Regelkreises erreicht hat. Dann wird die Stromfluss-65 richtung in den Kompensationsspulen bis zum Beginn der nächsten Sägezahnperiode umgekehrt.

Gem&:s einer v/eiteren bevorzugten Ausführungsform des

se« Wat-jr- sind die Beträge des Positiven Wer-

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tes und des negativen Wertes des Stromes durch die Kompensa- Fig. 2 den Kurvenverlauf der Ausgangsspannung des PID-

tionsspulen nach Abschluss der mit einer Richtungsänderung des Reglers, der Sägezahnspannung im Pulsbreitenmodulator, der Tragteils verbundenen Änderung dieses Stromes gleich gross, Ausgangsspannung des Pulsbreitenmodulators, und des Stroms und es sind elektrische Einrichtungen vorgesehen, um den durch die Kompensationsspulenanordnung einer erfindungsge-

Betrag dieses Stromes in Abhängigkeit von einem Temperatosi- 5 mässen Gewichts- und Kraftmesseinrichtung.

gnal zu regeln, das von einem Thermoelement geliefert wird, das Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel in Form einer oberschali-z. B. am Permanentmagneten der Waage angebracht sein kann. gen Waage, deren mechanischer Teil in den Grundzügen rota-Die elektrischen Einrichtungen enthalten bevorzugt einen weite- tionssymmetrisch aufgebaut ist. Die wesentlichen Teile des ren PID-Regler, der einerseits mit dem Thermoelement und Magnetsystems sind im Schnitt dargestellt. Der feste Teil der andererseits mit der Endstufe des Regelkreises verbunden ist. io Waage enthält den Permanentmagneten 1, wobei Teile dieses Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Permanentmagneten durch ein magnetisches Material ersetzt Erfindung wird ein dem Strom durch die Kompensationsspulen- sein können, und die fest damit verbundenen Säulen 2,2'. Das anordnung proportionales Signal einem mittelwertbildenden Gehäuse, in dem das ganze System untergebracht und befestigt Analog-Digital-Umsetzer zur weiteren Verarbeitung als Ein- ist, ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, gangssignal zugeführt. Zwischen der Kompensationsspulenan- 15 Im Luftspalt 3 des Permanentmagneten 1 ist eine in Richtung Ordnung und dem Analog-Digital-Umsetzer kann ein Strom- der Rotationssymmetrieachse bewegliche Kompensationsspu-

messwiderstand angeordnet sein, von dem über einen Tiefpass lenanordnung 4 untergebracht. Die Kompensationsspulenanord-das Eingangssignal für den Analog-Digital-Umsetzer (ADU) nung4ist Bestandteil des Lastteiles 5, der durch elastische abgreifbar ist. Der zeitliche Verlauf des im mittelwertbildenden Aufhängungen 6,6' mit den Säulen 2,2' verbunden und parallel Analog-Digital-Umsetzers stattfindenden Analog-Digital- 20 zur Rotationssymmetrieachse geführt wird. Wandlungsvorgangs steht bevorzugt in einer konstanten Phasen- Am festen Teil der Waage sind ein oder mehrere Lagesenso-beziehung zum Strom durch die Kompensationsspulenanord- ren 7,7', beispielsweise optische Sensoren oder Ringkondensato-nung, wobei gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der ren befestigt, die bei Auslenkung des Lastteiles 5 aus einer Erfindung ein Analog-Digital-Umsetzer mit einem integrieren- vorgegebenen Lage ein Differenzsignal erzeugen, das in bekann-den Verstärker nach dem Mehrfach-Rampen-Verfahren gemäss 25 ter Weise in einer Anpassungsschaltung 8 umgeformt und einem der DE-PS 2 114 141 verwendet wird. Durch die konstante PID-Regler 9 zugeführt wird. Die Ausgangsspannung des PID-

Phasenbeziehungzwischen ADU und Kompensationsspulenan- Reglers 9 wird in einem Pulsbreitenmodulator 10 fortwährend Ordnung wird erreicht, dass genau eine ganzzahlige Anzahl von mit einer periodischen Sägezahnspannung verglichen, deren Perioden der Sägezahnspannung des Pulsbreitenmodulators und Frequenz von der Dekodierung 12 eines Analog-Digital-Umset-damit auch eine ganzzahlige Anzahl von Perioden der Impulse 30 zers (ADU) 15 gesteuert wird, wie noch in Verbindung mit Fig. 2 des Stroms durch die Kompensationsspulenanordnung während näher erläutert wird.

einer Messzeit des ADU ablaufen, wodurch bei der Messung des Die Ausgangsspannung u des Pulsbreitenmodulators 10 steu-Mittelwerts des Stroms im ADU eine optimale, theoretisch ert die Endstufe 11, deren Ausgang einen Strom i liefert. Dieser unendlich hohe Unterdrückung der Welligkeit des Stroms, und Strom i nimmt im Rhythmus der pulsbreitenmodulierten Aus-damit eine stehende Anzeige erzielt wird. Voraussetzung ist, dass35 gangsspannungu abwechselnd eine positive und eine negative die Frequenz der im Pulsbreitenmodulator zur Pulsbreitenmodu- Maximalamplitude an und fliesst zunächst durch die Kompensa-lation benötigten Sägezahnspannung von der Zeitbasis des ADU tionsspulenanordnung 4 und dann je nach Eingangswiderstand steuerbar ist. des Filters 13 und des integrierenden Analog-Digital-Umsetzers

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der (ADU) 15 ganz oder teilweise als i2 durch den Strommesswider-Erfindung ist ein elektrisches Referenzsystem vorgesehen, das 40 stand 14. Der Differenzstrom i-i2 fliesst über das Filter 13, das als eine Referenzspulenanordnung konzentrisch zur Kompensa- Tiefpass ausgebildet ist. Es ist auch eine Lösung möglich, bei der tionsspulenanordnung im Luftspalt der Permanentmagneten der der Strommesswiderstand 14 entfällt, das Filter 13 ebenfalls Waage aufweist, wobei die Referenzspulenanordnung durch eine entfällt oder in niederohmiger Ausführung den gesamten Strom i eigene elastische Aufhängung in Richtung der Auslenkung der zum ADU 15 weiterleitet und der gesamte Strom i im ADU 15 Kompensationsspulenanordnung auslenkbar ist und über Refe- 45 integriert wird.

renz-Lagesensoren und einen Referenzregelkreis mittels eines Ein Gewicht auf der Waage wird dadurch kompensiert, dass durch die Referenzspulenanordnung fliessenden Referenzgleich- der Strom i zu Beginn einer Sägezahnperiode im Pulsbreitenmostroms gegen eine Referenzlast in einer vorgegebenen, konstan- dulator 10 in diejenige Richtung umgeschaltet wird — über die ten Lage haltbar ist-. Wird eine dem Referenzgleichstrom propor- Schnelligkeit des Umschalters wird weiter unten gesprochen—, tionale Grösse dem ADU als Referenzstrom bzw. Referenzspan- so jn der er kraftkompensierend dem Gewicht entgegenwirkt. Dienung zugeführt, so führt dieser anhand dieser Referenzgrösse die ser Stromflusszustand dauert an, bis die Sägezahnspannung im vergleichende Messung des durch die Kompensationsspulenan- Pulsbreitenmodulator 10 den gleichen Wert wie die lastabhän-ordnung fliessenden Stromes aus, wodurch der Einfluss des gige Ausgangsspannung aus dem PID-Regler 9 erreicht hat.

Magnetfeldes des Permanentmagneten auf das Messergebnis Anschliessend wird die Flussrichtung des Stromes i bis zum einer Wägung bzw. Kraftmessung eliminiert wird. 55 Beginn der nächsten Sägezahnperiode umgekehrt, vergleiche

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Fig. 2.

wird der ADU so ausgelegt, dass der Strom durch die Kompensa- Bei entsprechender Änderung der Regelrichtung, beispiels-tionsspulenanordrtung und der Referenzgleichstrom durch die weise am PID-Regler 9, lassen sich die Richtungen des Stromes i Referenzspulenanórdnung direkt dem ADU zuführbar sind. Bei auch in umgekehrter Reihenfolge durch die Kompensationsspu-einem derartigen Aufbau liefert die Anzeige bei einer Wägung 60 lenanordnung 4 schicken, ohne den Rahmen der Erfindung zu dann einen direkten Massenvergleich zwischen der auf dem verlassen. Ebenso lässt sich das Umschalten der Flussrichtung

Trageteil angeordneten Masse und der auf dem Referenzsystem des Stromes in einem gewissen, konstanten Umfang gegenüber liegenden Masse. . den oben beschriebenen Zeitpunkten zeitlich verschieben.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung Je nach Vorhandensein und Grösse des Strommesswiderstan-

anhand der Zeichnüng näher erläutert. 65 des 14, je nach Eingangs- und Ausgangswiderstand des Filters 13

In den FigurenVzeigen: und je nach Eingangswiderstand des ADU 15 wird dann der

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Mittelwert des Stromes i durch die Kompensationsspulenanord-Gewichts- und Kraftmesseinrichtung, und nung 4 über den Mittelwert des Spannungsabfalls am Strommess-

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widerstand 14 oder als direkter Eingangsstrom ij in den ADU 15 gemessen. Im letzten Fall kann der Strommesswiderstand 14 bei entsprechender Beschaffenheit des Filters 13 auch als Shunt für den Eingangswiderstand des ADU 15 dienen, wenn der Strom i den Eingangsbereich des ADU 15 überschreitet.

Als ADU 15 ist in diesem Ausführungbeispiel ein ADU mit einem integrierten Verstärkernach dem Mehrfach-Rampen-Verfahren gemäss der DE-PS 2 114 141 gewählt worden, der sich sehr einfach bis zu Anzeigeumfängen von über 106 realisieren lässt. Die Verwendung dieses AD bietet dabei als Vorteile:

a) ein integrierendes, also mittelwertbildendes Messverfahren ohne Messpausen, d. h. die zur Verfügung stehende Zeit wird optimal genutzt; b) ein Minimum an kritischen Bauteilen; c) die in dem ADU enthaltene Zeitbasis, bestehend aus dem Impulsgenerator 16, dem ersten Impulszähler 17 und dem zweiten Impulszähler 18, lässt sich über die Dekodierung 12 gleichzeitig zur Frequenzsteuerung der im Pulsbreitenmodulator 10 benötigten Sägezahnspannung benützen. Es lässt sich daher, indem man beispielsweise den Ausgang des ersten Impulszählers 17 direkt zur Frequenzsteuerung der Sägezahnspannung im Pulsbreitenmodulator 10 heranzieht, auf einfache Weise erreichen, dass genau eine ganzzahlige Anzahl von Perioden dieser Sägezahnspannung und damit auch eine ganzzahlige Anzahl von Perioden der Impulse des Stromes i durch die Kompensationsspulenanordnung 4 während einer Messzeit des ADU 15 ablaufen. Es wird so bei der Messung des Mittelwertes des Stromes i im ADU 15 eine optimale, theoretisch unendlich hohe Unterdrük-kung der Welligkeit des Stromes i und damit eine stehende Anzeige erreicht.

Es lassen sich jedoch, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, auch andere geeignete Analog-Digital-Umsetzer als der oben erwähnte einsetzen. Es müssen dann, falls nicht im ADU enthalten, ein separater Impulsgenerator 16 und ev. auch ein oder mehrere separate Impulszähler 17 und 18 benutzt werden, um die Frequenzsteuerung der Sägezahnspannung im Pulsbreitenmodulator 10 zu erzeugen. Bei einem integrierten ADU wären dann die Frequenz des Impulsgenerators 16, das Teilerverhältnis des oder der Impulszähler 17 und 18 sowie die Dekodierung 12 sinnvollerweise so zu wählen, dass wiederum eine ganzzahlige Anzahl von Perioden der Impulse des Stromes i durch die Kompensationsspulenanordnung 4 während einer Messzeit des ADU 15 stattfinden. Ebenso kann auch bei entsprechender Gestaltung des Filters 13 ein nichtintegrierender ADU verwendet werden.

Der durch den ADU 15 bestimmte zeitliche Mittelwert des Stromes i durch die Kompensationsspulenanordnung 4 ist proportional der zu kompensierenden Kraft und damit bei diesem Ausführungsbeispiel auch proportional dem Gewicht von Totlast und Wägegut.

Die in der Kompensationsspulenanordnung 4 und ev. im Strommesswiderstand 14 frei werdende Wärme ist gewichtsunabhängig unter der Voraussetzung, dass sich der zeitliche Verlauf der Richtungsänderung des Stromes i durch die Kompensationsspulenanordnung 4 nicht oder entsprechend wenig mit der Last ändert. Es wird also keine oder nur eine geringe gewichtsabhängige Erwärmung des Magnetsystems und damit auch keine gewichtsabhängige Änderung der Eichung und kein langsames Einlaufen des Nullpunktes bei Wegnahme des Gewichtes erzeugt. Eine möglicherweise als Funktion der Zeit oder der Umgebungstemperatur ev. noch stattfindende Änderung des zeitlichen Verlaufs der Richtungsänderung des Stromes i durch die Kompensationsspulenanordnung 4 geht nicht direkt, sondern allenfalls indirekt über eine geringfügige Erwärmungsänderung des Magnetsystems in die Eichung und den Nullpunkt des Wägesystems ein. Ebenso gibt es keinen lastabhängigen, die Eichung verfälschenden Einfluss von Hysterese-Effekten des Permanentmagneten 1.

Die in den Ausgangstransistoren der Endstufe 11 frei werdende Verlustleistung ist gering, da die Transistoren bei richtiger Dimensionierung der Kompensationsspulenanordnung 4 und der Versorgungsspannung einfach ganz durchgeschaltet werden kön-5 nen. Ebenfalls sehr einfach lässt sich der PID-Regler 9 gestalten, da je nach Puls-Tast-Verhältnis der Ausgangsspannung u des Pulsbreitenmodulators 10 die auf den Lastteil 5 wirkenden, mittleren magnetischen Kräfte auch umgekehrt werden können.

Durch Anbringen eines Temperaturfühlers oder Thermoele-10 mentes 20 an der in Fig. 1 gezeigten Anordnung, beispielsweise am Permanentmagneten 1, und durch Herleitung eines Temperaturregelsignals über einen nachgeschalteten Messverstärker 21 und einen weiteren PID-Regler 22, der z. B. zwischen Thermoelement 2 und Endstufe des Regelkreises liegt, und mit dessen 15 Hilfe sich die Beträge des positiven und negativen Wertes des von der Endstufe 11 gelieferten Stromes i durch die Kompensationsspulenanordnung 4 nach Abschluss der mit einer Richtungsänderung dieses Stromes verbundenen Änderung gleichzeitig und in gleichem Masse verändern lassen, ist es möglich, eine einfache 20 Temperaturregelung des Magnetsystems gegenüber Einflüssen der Umgebungstemperatur aufzubauen.

An den Digitalausgang des ADU 15 ist eine Messwertverar-beitungseinrichtung 19 angeschlossen, die es gestattet, den Messwert zu speichern, Taragewichte und Totlasten zu speichern und 25 vom Messwert abzuziehen, eine digitale Anzeige anzusteuern und auch das digitale Messergebnis an einen Rechner zur weiteren Verarbeitung weiterzugeben.

Bei dem in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der mit Hilfe des ADU 15 direkt oder indirekt 30 gemessene Strom i durch die Kompensationsspulenanordnung 4 im Grunde nicht nach seinem absoluten Wert bestimmt, sondern es wird in einem derartigen ADU gewöhnlich ein Vergleich mit einem Referenzstrom, der ev. wiederum aus einer Referenzspannung gewonnen wird, durchgeführt. Diesen vom ADU 15 benö-35 tigten Referenzstrom bzw. die Referenzspannung lässt sich über ein Referenzsystem 30 gewinnen, dessen Referenzspulenanordnung 31 sich konzentrisch zur Kompensationsspulenanordnung 4 ebenfalls im Luftspalt 3 befindet, und zwar ohne mechanisch mit dem Lastteil 5 verbunden zu sein. Das mit dem Referenzgewicht 40 beaufschlagte Referenzsystem 30 wird dann durch eigene elastische Aufhängungen 32 ebenfalls parallel zur Rotationssymmetrieachse geführt und über eigene Lagesensoren 33 und Regelkreise 34 mittels eines Gleichstroms durch die Referenzspulenanordnung 31 in einer konstanten, vorgegebenen Lage gehalten. 45 Dieser Gleichstrom bzw. ein aus ihm an einem Widerstand hergeleiteter Spannungsabfall dienen dann für den ADU 15 als Referenzstrom bzw. Referenzspannung. Hierdurch ist der Einfluss des Magnetfeldes des Permanentmagneten 1 auf das Messergebnis einer Wägung bzw. Kraftmessung eliminiert. Dimensio-50 niert man den ADU 15 dergestalt, dass der Strom i durch die Kompensationsspulenanordnung 4 den Referenzstrom durch das Referenzsystem direkt aufnehmen kann, dann ergibt sich bei einer Wägung ein direkter Massenvergleich.

Ferner lässt sich diese Erfindung auch bei Balken- bzw. 55 Hebelwaagen und sonstigen kraftübersetzenden Waagen und Kraftmesseinrichtungen verwenden, wobei die gepulste Form des Stromes i durch die Kompensationsspulenanordnung 4 ein leichtes Vibrieren des kraftübersetzenden Systems und damit einen verringerten Einfluss von Lagerreibungkräften bewirkt. 60 Voraussetzung ist bei allen Ausführungsbeispielen der Erfindung, dass die zeitliche Änderung des durch die Kompensationsspulenanordnung fliessenden Stroms von den positiven auf die negativen Stromwerte so rasch erfolgt, dass das Wäge- und Kraftmesssystem aufgrund seiner Trägheit diesem ständigen 65 Wechsel nicht folgen kann, so dass die aufgrund des Stroms i auf das Wäge- und Kraftmesssystem ausgeübte Kraft dem zeitlichen Mittelwert des pulsbreitenmodulierten Stroms entspricht.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Gewichts- und Kraftmesseinrichtung mit einem Lastauf-nahmeteil, der auslenkbar am festen Teil des Wäge- und Kraftmesssystems angeordnet ist und eine in einem konstanten 5 Magnetfeld befindliche Kompensationsspulenanordnung besitzt, mit mindestens einem Lagesensor, der belastungsabhängige Auslenkungen des Lastaufnahmeteils aus einer vorgegebenen Lage feststellt und ein Sensorsignal einem elektrischen Regelkreis zuführt, der den Strom durch die Kompensationsspu- 10 lenanordnung so regelt, dass der Lastaufnahmeteil in seine vorgegebene Lage zurückgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (7,8,9,10,11) Schaltungseinheiten (10, 11) aufweist, die dem durch die Kompensationsspulenanordnung (4) fliessenden Strom durch die Belastung vorgegebene, abwech-15 selnd positive und negative Werte geben.
2. Gewichts- und Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungseinheiten (10,11) den positiven und den negativen Werten des durch die Kompensationsspulenanordnung (4) fliessenden Stromes nach Abschluss 20 der mit einer Richtungsänderung des Tragteils (5) verbundenen Änderung des Stromes dieselbe Maximalamplitude verleihen.
3. Gewichts- und Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungseinheiten (10,11) den zeitlichen Beginn des Stromflusses in einer Richtung durch die Kompensationsspulenanordnung (4) in fest vorgegebenen Zeitabständen wiederholen.
4. Gewichts- und Kraftmesseinrichtungen nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungseinrichtungen (10,11) ein breitenmoduliertes Pulssignal als Strom durch die Kompensationsspulenanordnung (4) abgeben.
5. Gewichts- und Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungseinheiten (10,11) einer Serienschaltung aus Lagesensoren (7,7')> einer Anpassungsschaltung (8)-und einem Regler (9) nachgeschaltet sind und einen Pulsbreiten-Modulator (10) enthalten, der am Ausgang eine pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannung abgibt, deren Tastverhältnis in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Reglers (9) steuerbar ist und einer Endstufe (10) zugeführt wird, 40 die den pulsbreitenmodulierten Strom durch die Kompensationsspulenanordnung (4) liefert.
6. Gewichts- und Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (9) als PID-Regler ausgebildet ist.
7. Gewichts- und Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsbreitenmodulator (10) zur Erzeugung der pulsbreitenmodulierten Ausgangsspannung eine periodische Sägezahnspannung mit der Ausgangsspannung des Reglers (9) vergleicht und zum Zeitpunkt der Übereinstim- 50 mung der beiden Spannungen die pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannung von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert schaltet.
8. Gewichts- und Kraftmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der positive 55 Wert und der negative Wert des Stroms durch die Kompensationsspulenanordnung (4) nach Abschluss der mit einer Richtungsänderung des Tragteils (5) verbundenen Änderung dieses Stromes vom gleichen Betrage sind, und dass elektrische Einrichtungen (21 ; 22) vorgesehen sind, um den Betrag des Stromes 60 durch die Kompensationsspulenanordnung (4) in Abhängigkeit von an einem Thermoelement abnehmbaren Temperatursignal zu regeln.
9. Gewichts- und Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Einrichtungen 65 (21 ; 22) einen weiteren PID-Regler (22) enthalten, der einerseits mit dem Thermoelement (20) und andererseits mit der Endstufe (11) des Regelkreises (7 bis 11) verbunden ist.

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10. Gewichts- und Kraftmesseinrichtungen nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Strom durch die Kompensationsspulenanordnung (4) proportionales Signal einem mittelwert-bildenden Analog-Digital-Umsetzer (15) zur weiteren Verarbeitung als Eingangssignal zuführbar ist.
11. Gewichts- und Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsspulenanordnung (4) ein Strommesswiderstand (14) nachgeschaltet ist, an dem über ein Tiefpass (13) das Eingangssignal des Analog-Digital-Umsetzers (15) abgreifbar ist.
12. Gewichts- und Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Ablauf des im mittelwertbildenden Analog-Digital-Umsetzers (15) stattfindenden Analog-Digital-Wandlungsvorganges in einer konstanten Phasenbeziehung zum Strom durch die Kompensationsspulenanordnung (4) steht.
13. Gewichts-und Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der im Pulsbreiten-Modulator (10) zur Pulsbreitenmodulation benötigten Sägezahn-spannungvon der Zeitbasis (16,17,18) des mittelwertbildenden Analog-Digital-Umsetzers (15) steuerbar ist.
14. Gewichts- und Kraftmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 10bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Referenzsystem (30) vorgesehen ist, das eine Referenzspulenanordnung (31) konzentrisch zur Kompensationsspulenanordnung (4) im Luftspalt (3) des Permanentmagneten (1) aufweist, die durch eine eigene elastische Aufhängung (32) in Richtung der Auslenkung der Kompensationsspulenanordnung (4) auslenkbar ist und über Referenz-Lagesensoren (33) und einen Referenzregelkreis (34) mittels eines durch die Referenzspulenanordnung (31) fliessenden Referenzgleichstromes gegen eine Referenzlast in einer vorgegebenen, konstanten Lage haltbar ist.
15. Gewichts- und Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Referenzgleichstrom proportionale Grösse dem Analog-Digital-Umsetzer (15) zur vergleichenden Messung des durch die Kompensationsspulenanordnung (4) fliessenden Stromes zuführbar ist.
16. Gewichts-und Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Umsetzer (15) so ausgelegt ist, dass der Strom durch die Kompensationsspulenanordnung (4) und der Referenzgleichstrom durch die Referenzspulenanordnung (31) direkt dem Analog-Digital-Umsetzer (15) zuführbar sind.

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