CH660082A5 - Elektrische federwaage. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Waage mit einem Lastaufnehmer und mit einer mit diesem Lastaufnehmer mechanisch gekoppelten Messfeder, deren Auslenkung in senkrechter Richtung lastproportional ist.

Um bei diesen Federwaagen ein elektrisches Ausgangssignal zu erhalten, ist es üblich, auf die Messfeder eine Dehnungsmessstreifen-Brücke zu kleben. Diese Dehnungsmessstreifen geben aber nur ein kleines Signal ab, ausserdem zeigen sie wegen der Kleberschicht zwischen Dehnungsmessstreifen und Messfeder Kriecherscheinungen und sind stark feuchteempfindlich. Dadurch lässt sich mit diesen Federwaagen nur eine für Waagen verhältnismässig geringe Auflösung von vielleicht 10 000 Schritten erzielen. Dies gilt ähnlich auch für aufgedampfte Dehnungsmessstreifen.

Daneben sind Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation bekannt, die leicht Auflösungen von mehr als 500 000 Schritten erlauben. Will man dies Prinzip jedoch für Waagen mit einer Höchstlast von 1 kg und mehr anwenden, so ergibt sich bei direkt kompensierenden Waagen wegen der Grösse der elektromagnetisch zu erzeugenden Kraft ein hoher Leistungsbedarf, so dass sich thermische Probleme einstellen; ausserdem ist ein Batteriebetrieb nicht möglich. Diese Nachteile sind zwar bei Waagen mit einer mechanischen Kraftuntersetzung, beispielsweise in Form eines Hebelwerkes, umgangen, diese Hebelwerke erfordern jedoch viele aufwendige Lagerstellen und sind empfindlich gegenüber mechanischen Verspannungen, die bspw. durch Temperaturgradienten oder durch schlechte Aufstellung oder durch ausmittige Belastung verursacht sein können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Federwaage so weiterzubilden, dass das bewährte Verfahren der elektromagnetischen Kraftkompensation zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignales herangezogen werden kann; weiter ist es Aufgabe der Erfindung, mit einer geringen elektromagnetisch erzeugten Kraft auszukommen und trotzdem keine störanfälligen mechanischen Kraftuntersetzungen zu benötigen ; weiter ist es Aufgabe der Erfindung, beliebige Taralasten ohne elektromagnetisch erzeugte Kraft kompensieren zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in einer Waage mit einem Lastaufnehmer und mit einer mit diesem Lastaufnehmer mechanisch gekoppelten Messfeder, deren Auslenkung in senkrechter Richtung lastproportional ist, mindestens ein drehfedernd gelagerter Hebel vorhanden ist, der mit dem Lastaufnehmer mechanisch nicht verbunden ist und der eine Spule trägt, die in den Luftspalt eines Permanentmagnetsystems hineinragt, dass ein Lagenindikator vorhanden ist, der die Lage des Hebels relativ zum Lastaufnehmer in senkrechter Richtung rückwirkungsfrei abtastet, und dass dieser Lagenindikator den Strom durch die Spule so steuert, dass die Lage des Hebels relativ zum Lastaufnehmer möglichst unverändert bleibt.

Dadurch ergibt sich eine Kraftuntersetzung im Verhältnis der Federkonstante der mit dem Lastaufnehmer mechanisch gekoppelten Messfeder zur Federkonstanten der Lagerung des Hebels. Dieses Verhältnis kann ohne konstruktiven Aufwand leicht sehr grosse Werte (è 1000) annehmen, so dass nur ein sehr kleines Permanentmagnetsystem und eine geringe elektrische Leistung notwendig ist. Weiter ist der Hebel mit dem Lastaufnehmer nur über den Lagenindikator verbunden, so dass bei geeigneter Ausbildung dieses Lagenindikators geringe waagerechte Verschiebungen zwischen Hebel und Lastaufnehmer nicht stören. Neben der Kraftuntersetzung lässt sich auch eine beliebige Taralastunterdrük-kung erreichen, indem die mechanische Null-Lage des Hebels entsprechend gewählt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Fig. 1 bis 3 beispielsweise beschrieben. Diese zeigen drei verschiedene Ausgestaltungen der elektrischen Federwaage, wobei die für die Erfindung wesentlichen mechanischen Teile jeweils im Längsschnitt und die wesentlichen elektronischen Baugruppen in Form eines Blockschaltbildes dargestellt sind.

Die in Fig. 1 gezeigte erste Ausgestaltung der elektrischen Federwaage befindet sich in einem Gehäuse 1, von dem nur die für die Befestigung des Wägesystems wichtigen Teile angedeutet sind. Der Lastaufnehmer 2 ist über zwei Lenker 4 und 5 in Form einer Parallelführung mit dem Gehäuse 1 verbunden; er trägt an seinem oberen Ende die Lastschale 3 zur Aufnahme des Wägegutes. Weiter ist der Lastaufnehmer 2 durch eine Messfeder 6 mit dem Gehäuse 1 verbunden. Ausserdem ist ein zweiarmiger Hebel 7 vorgesehen, der durch ein Federelement 8 drehbar am Gehäuse 1 befestigt ist. Dieser Hebel 7 trägt an seinem vorderen Ende die geerdete Platte eines kapazitiven Lagenindikators 11, dessen beide Gegenelektroden am Lastaufnehmer 2 isoliert befestigt sind. Am

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hinteren Ende trägt der Hebel 7 eine Spule 13, die in den Luftspalt eines ortsfesten Permanentmagnetsystems 10 hineinragt. Der kapazitive Lagenindikator 11 steuert nun über einen elektronischen Regel Verstärker 12 den Strom durch die Spule 13 so, dass sich die mit dem Hebel 7 verbundene geerdete Platte immer in der Mitte zwischen den beiden mit dem Lastaufnehmer verbundenen Gegenelektroden befindet.

Senkt sich beispielsweise der Lastaufnehmer 2 unter Belastung in senkrechter Richtung ab, so lässt der durch den Lagenindikator 11 gesteuerte Regelverstärker 12 einen Strom in der Richtung durch die Spule 13 fliessen, dass diese Spule 13 nach oben gedrückt wird. Die Stärke dieses Stromes wird dabei so geregelt, dass der Hebel 7 an seinem vorderen Ende gerade der Absenkung des Lastaufnehmers 2 folgt. Die durch den Strom in der Spule 13 elektromagnetisch erzeugte Kraft muss dabei nur die geringe Federkonstante der Feder 8 der Hebellagerung überwinden, sie kann also sehr klein sein ; trotzdem ist sie streng proportional zur Absenkung des Lastaufnehmers 2 in senkrechter Richtung und damit auch streng lastproportional. Die so erreichte Kraftuntersetzung ist in weiten Grenzen wählbar. Da der kapazitive Lagenindikator bei richtiger Gestaltung unempfindlich gegenüber kleinen seitlichen Verschiebungen oder Kippungen ist, stört eine geringe Deformation des Gehäuses sehr viel weniger als bei üblichen Hebelwerken.

Der Kompensationsstrom durch die Spule 13 durchfliesst weiter einen Widerstand 14 und erzeugt dort einen lastproportionalen Spannungsabfall. Dieser Spannungsabfall wird in einem Analog/Digital-Wandler 15 digitalisiert, von einer Recheneinheit 16 weiterverarbeitet und in einer Digitalanzeige 17 angezeigt.

Der Schwerpunkt des Hebels 7 kann durch ein verschiebbares Gewichtsstück 9 in seiner Höhe verändert werden.

Dies kann zum einen dazu benutzt werden, um den Schwerpunkt des Hebels in seinen Drehpunkt zu legen, damit das Eigengewicht des Hebels beispielsweise bei einer Schrägstellung der Waage kein Drehmoment auf den Hebel ausüben kann ; die Waage wird dadurch unempfindlich gegenüber Schrägstellungen. Zum anderen kann der Schwerpunkt aber auch ausserhalb des Drehpunktes gelegt werden und so die effektive Drehfederkonstante der Hebellagerung verändert werden ; dadurch ist eine einfache Justiermöglichkeit für das Kraftuntersetzungsverhältnis und damit für die Empfindlichkeit der Waage gegeben.

Das Permanentmagnetsystem 10, das in der Figur 1 als zylindersymmetrischer Topf magnet gezeichnet ist, kann selbstverständlich bei gleicher Funktionsweise auch beliebig anders ausgeführt sein, z.B. in Form zweier C-förmiger, einander zugewandter Permanentmagnete mit einer Flachspule im Zwischenraum oder auch als drehmomenterzeugendes Drehspulsystem.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung der elektrischen Federwaage. Die Messfeder 26 ist hierbei so ausgebildet, dass sie gleichzeitig als Parallelführung für den Lastaufnehmer 22 wirkt. Dazu weist sie eine etwa rechteckige Durchbrechung 20 auf, so dass oben und unten je ein schmaler Steg 24 und 25 stehenbleibt. Diese beiden Stege wirken wie die Lenker einer Parallelführung. Befestigt ist die Messfeder 26 an einem Teil des Gehäuses 21. Der Lastaufnehmer 22 trägt an seinem oberen Ende die Lastschale 23 und an seinem unteren Ende die Leuchtdiode und die Fotoempfänger eines optischen Lagenindikators 31. Die Schlitzblende des optischen Lagenindikators ist mit einem Hebel 27 verbunden, der durch ein Federelement 28 drehbar mit einem Teil des Gehäuses 21 verbunden ist. Zusätzlich zum Federelement 28 verbindet eine Spiralfeder 29 mit gleicher Drehachse den Hebel 27 und das Gehäuse 21. Das gehäusefeste Ende der Spiralfeder 29 wird in einer beweglichen Hülse 39 gehalten, so dass die freie

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Länge der Spiralfeder 29 verändert werden kann. Dadurch lässt sich die Gesamtfederkonstante der Hebellagerung einstellen. Der Hebel 27 trägt an seinem vorderen Ende weiter eine Spule 33, die in den Luftspalt eines gehäusefesten Permanentmagnetsystems 30 hineinragt. Der Strom durch die Spule 33 wird - wie bereits erläutert - durch den Lagenindikator 31 über den Regelverstärker 32 so gesteuert, dass die Lage des Hebels 27 relativ zum Lastaufnehmer 22 am Ort des Lagensensors 31 möglichst unverändert bleibt. Dieser Strom durchfliesst den Widerstand 34, der dort auftretende Spannungsabfall wird im Analog/Digital-Wandler 35 digitalisiert, in der digitalen Recheneinheit 36 weiterverarbeitet und in der Digitalanzeige 37 angezeigt.

Der Hebel 27 trägt an seinem hinteren Ende ein Gegengewicht 38, das so bemessen ist, dass bei leerer Waagschale 23 der Strom durch die Spule 33 zu Null wird. Selbstverständlich können durch entsprechende Dimensionierung dieses Gegengewichtes oder durch eine entsprechende Null-Lage des Federelementes 28 und der Spiralfeder 29 auch feste Taralasten auf der Lastschale berücksichtigt werden, so dass der Strom durch die Spule 33 direkt proportional zur Nettobelastung ist.

Eine dritte Ausgestaltung der elektrischen Federwaage zeigt Figur 3. Die Messfeder besteht hier aus zwei Biegebalken 44 und 45, die zusammen mit einem Teil des Gehäuses 41 und mit dem Lastaufnehmer 42 die Parallelführung bilden. Der Hebel 47 ist ebenfalls als Biegebalken ausgebildet und wird durch einen zweiten Biegebalken 48 und ein Verbindungsstück 49 zu einer Parallelführung ergänzt. Bei einer lastabhängigen Absenkung des Lastaufnehmers 42 ergibt sich durch die Parallelführung sowohl des Lastaufnehmers 42 als auch des Verbindungsstückes 49 keine Winkeländerung zwischen diesen beiden Teilen und bei gleicher Lenkerlänge für beide Parallelführungen auch keine seitliche Verschiebung. Die mit dem Verbindungsstück 49 verbundene, geerdete Elektrode des kapazitiven Lagenindikators 51 führt dann keine seitliche Bewegung oder Kippung gegenüber den beiden mit dem Lastaufnehmer 42 verbundenen Gegenelektroden aus. Dasselbe gilt für die Spule 53 relativ zum Permanentmagnetsystem 50, das in dieser Ausgestaltung statt am Gehäuse am Lastaufnehmer 42 befestigt ist. In dieser Ausgestaltung ist damit die senkrechte, lastabhängige Relativbewegung der Spule 53 gegenüber dem Perman-entmagnetsystem 50 ausgeschaltet, so dass auf eine breite Zone homogener magnetischer Feldstärke im Luftspalt des Permanentmagnetsystems verzichtet werden kann; dadurch lässt sich das Permanentmagnetsystem noch kleiner dimensionieren. Dass dabei die an der Spule elektromagnetisch erzeugte Kraft als Reaktionskraft am Permanentmagnetsystem ebenfalls vom Lastaufnehmer und der Messfeder aufgenommen werden muss, stört nicht, da bei einer Kraftübersetzung von z.B. 1 :1000 die Reaktionskraft nur 1 Promille der vom Wägegut aufgebrachten Kraft beträgt. In der Ausgestaltung nach Fig. 3 wird die Federkonstante der Messfeder durch die Federkonstante der beiden Biegebalken 44 und 45 gegeben, entsprechend ist die Federkonstante der Drehlagerung des Hebels 47 durch die Federkonstante der beiden Biegebalken 47 und 48 gegeben. Eine Justierung einer Federkonstante ist in dieser Ausgestaltung nicht vorgesehen ; die Empfindlichkeitseinstellung kann in bekannter Weise dann z.B. am Widerstand 54 oder in der digitalen Recheneinheit 56 erfolgen. Die Funktion der elektrischen Komponenten 52 ... 57 entspricht der bereits beschriebenen Funktion der entsprechenden elektrischen Komponenten 12... 17 in Fig. 1 und 32... 37 in Fig. 2.

Das Gewicht der Spule 53 und des Verbindungsteiles 49 wird in dieser Ausgestaltung nicht durch ein Gegengewicht kompensiert, wie in der Ausgestaltung nach Fig. 2, sondern

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durch eine geringe Verbiegung der Biegebalken 47 und 48. Der Lagenindikator 51 wird dann so eingebaut, dass bei leerer Lastschale (einschliesslich ggf. zu berücksichtigender Taralasten) und ohne Spulenstrom gerade seine Null-Lage erreicht wird.

Der in Fig. 3 als getrennte Einheit gezeichnete kapazitive Lagenindikator 51 kann in dieser Ausgestaltung leicht in das

Permanentmagnetsystem 50 und die Spule 53 integriert werden, wie es in der DE-OS 3 012 979 beschrieben ist.

Die Erfindung wurde im vorstehenden anhand von drei Ausgestaltungen beschrieben. Weitere Ausgestaltungen kann s jeder Fachmann leicht angeben, indem die unterschiedlichen Details der beschriebenen Ausgestaltungen in anderer Weise kombiniert werden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

660082 PATENTANSPRÜCHE

1. Waage mit einem Lastaufnehmer und mit einer mit diesem Lastaufnehmer mechanisch gekoppelten Messfeder, deren Auslenkung in senkrechter Richtung lastproportional ist, dadurch gekennzeichnet,

- dass mindestens ein drehfedernd gelagerter Hebel (7,27, 47) vorhanden ist, der mit dem Lastaufnehmer (2,22,42) mechanisch nicht verbunden ist und der eine Spule (13,33, 53) trägt, die in den Luftspalt eines Permanentmagnetsystems (10, 30, 50) hineinragt,

- dass ein Lagenindikator ( 11 31,51) vorhanden ist, der die Lage des Hebels (7,27,47) relativ zum Lastaufnehmer (2, 22,42) in senkrechter Richtung rückwirkungsfrei abtastet

- und dass dieser Lagenindikator (11,31,51) den Strom durch die Spule (13,33,53) so steuert, dass die Lage des Hebels (7,27,47) relativ zum Lastaufnehmer (2,22,42) möglichst unverändert bleibt.

2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom durch die Spule (13,33,53) ein Mass für die aufgelegte Last darstellt.

3. Waage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagenindikator (31) ein optischer Lagenindikator ist.

4. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (9) vorgesehen sind, um den Schwerpunkt des Hebels (7) zu justieren.

5. Wage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (29,39) vorgesehen sind, um die Federkonstante der Hebellagerung zu justieren.

6. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Hebel (48) vorgesehen ist, der zusammen mit dem ersten Hebel (47) eine Parallelführung bildet.

7. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfeder (44,45) ein Teil der Parallelführung für den Lastaufnehmer (42) ist.

8. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfeder (26) so ausgebildet ist, dass sie als Parallelführung für den Lastaufnehmer (22) dient.

9. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Permanentmagnetsystem (50) mit dem Lastaufnehmer (42) verbunden ist.