CH666353A5 - Elektrische waage. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Waage mit einem an einem Spannband gelagerten Balken, an dessen beiden Armen je eine Waagschale zur Aufnahme des Wägegutes bzw. der Gegengewichte beweglich angebracht ist, mit einem Kompensationssystem, das das bei Übergewicht des Wägegutes oder der Gegengewichte auftretende Drehmoment am Balken zu kompensieren gestattet, und mit zwei Lagensensoren, die an den beiden Armen des Balkens dessen Lageänderung erfassen.

Elektrische Waagen dieser Art sind allgemein bekannt und beispielsweise in der US-PS 3 305 035 beschrieben. Das Kompensationssystem arbeitet dabei im allgemeinen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Krafterzeugung durch eine strom-durchflossene Spule im Feld eines Permanentmagneten. Der zweiarmige, vorzugsweise symmetrische Balken zeichnet sich durch sehr gute Stabilität gegenüber Änderungen der Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchte, Luftdruck, etc.) aus. Die Spannbandlagerung verursacht nur geringe Rückstellmomente und erlaubt daher eine hohe Auflösung.

Nachteilig an dieser Bauart ist nur, dass je nach Grösse des Wägegutes und der entsprechenden Grösse der Gegengewichte die Spannbandlagerung des Balkens verschieden grosse senkrechte Kräfte aufnehmen muss, so dass das waagerechte Spannband belastungsabhängig mehr oder weniger durchhängt. Dadurch verändert sich die Lage der Kompensationsspule gegenüber dem Permanentmagnetsystem, was zu einer Empfindlichkeitsänderung der Waage führt, falls das Permanentmagnetsystem nicht über einen grösseren Bereich sehr konstanter Feldstärke verfügt.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine elektrische Waage der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, dass die Nachgiebigkeit der Spannbandlagerung zu keinerlei Empfindlichkeitsveränderungen der Waage führt, ohne dass besondere Ansprüche an die Homogenität des magnetischen Feldes des elektromagnetischen Kompensationssystemes gestellt werden müssen.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass Schaltmittel vorhanden sind, die die Differenz und den Mittelwert der Ausgangssignale der beiden Lagensensoren bilden und das eine dieser so erhaltenen Signale dem Eingang des Regelverstärkers für das Kompensationssystem zuführen und das andere dieser so erhaltenen Signale einer Korrektureinheit für die Empfindlichkeit der Waage zuführen.

Neben der Differenz der Ausgangssignale der beiden Lagensensoren, die — gleichartige Orientierung der beiden Lagensensoren vorausgesetzt — als Mass für die Winkellage des Balken in bekannter-Weise den Regelverstärker des Kompensationssystems steuert, wird auch der Mittelwert (also die halbe Summe) der Ausgangssingnale der beiden Lagensensoren gebildet und dies Signal als Mass für den Durchgang des Spannbandes zur elektrischen Korrektur der durch eben diesen Durchgang des Spannbandes verursachten Empfindlichkeitsfehler der Waage benutzt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel einer Mikro-waage mit einem elektromagnetischen Kompensationssystem und mit induktiven Lagensensoren beschrieben. Dabei zeigen die schematischen Figuren:

Fig. 1 die für die Erfindung wesentlichen Teile einer elektrischen Mikrowaage in Draufsicht;

Fig. 2 eine Seitenansicht zu Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltbild der wesentlichen Teile der Elektronik der Mikrowaage aus Fig. 1 und 2 und

Fig. 4 in einer anderen Ausgestaltung die für die Erfindung wesentlichen Teile einer elektrischen Mikrowaage in Draufsicht.

Die elektrische Mikrowaage in Fig. 1 besteht aus einem Balken 1, der durch ein waagrechtes Spannband 2 drehbar gelagert ist. An den nicht gezeichneten Enden des Balkens 1 sind in bekannter Weise die beiden Waagschalen zur Aufnahme des Wägegutes und der Gegengewichte angebracht. Weiter ist am Balken 1 eine etwa rechteckige Kompensationsspule 3 befestigt, die sich mit zwei Schenkeln im Feld eines ortsfesten Permanentmagnetsystems 4 befindet. Weiter sind zwei Lagensensoren in Form von zwei senkrecht stehenden, ortsfesten Spulen 5 und 6 zu erkennen.

In der Seitenansicht in Fig. 2 erkennt man die Lage dieser beiden Sensorspulen 5 und 6 relativ zur Kompensationsspule 3 genauer. In Fig. 2 sind dabei der Übersichtlichkeit halber die Befestigungen 65 und 66 der beiden Sensorspulen 5 und 6 an der Grundplatte 7 nur angedeutet und die Befestigungselemente für das Spannband 2 ganz weggelassen.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

666 353

Das Permanentmagnetsystem 4 besteht aus einem aktiven Permanentmagneten 41, der in der Richtung links — rechts (in Fig. 1 und 2) magnetisiert ist, und einem Eisenrückschluss 42; der Stützkörper 43 ist unmagnetisch und dient nur der Halterung des aktiven Permanentmagneten 41. Ein Strom in der Kompensationsspule 3 erzeugt also in dieser ein Drehmoment und versucht, die Spule 3 und dei; Balken 1 um die durch das Spannband 2 gegebene Drehachse zu drehen.

Das elektrische Schaltbild der Mikrowaage ist in Fig. 3 wiedergegeben. Eine Wechselspannungsquelle 13 mit einer Frequenz in der Grössenordnung von 100 kHz speist über einen Übertrager 12 eine konstante Wechselspannung in die Kompensationsspule 3 ein. (Der Messwiderstand 14 ist für die Wechselspannung durch den Kondensator 15 kurzgeschlossen, der Ausgang des Regelverstärkers 11 durch den Kondensator 16.) Dadurch wird in den beiden Sensorspulen 5 und 6 eine von der Lage des Balkens 1 und der Kompensationsspule 3 abhängige Wechselspannung induziert. Diese beiden Wechselspannungen werden durch die beiden gleichen, aber entgegengesetzt gepolten Dioden 20 und die beiden gleichen Kondensatoren 21 in zwei Gleichspannungen Ui und U2 mit entgegengesetztem Vorzeichen umgeformt. Die beiden ebenfalls gleichen Widerstände 22 liefern dann an ihrem Verbindungspunkt 23 die Differenz der beiden Gleichspannungen Ui - U2 an den Eingang des Regelverstärkers 11.

Der Regelverstärker 11 liefert dann an seinem Ausgang einen Kompensationsgleichstrom, der in der Kompensationsspule 3 ein rücktreibendes Drehmoment erzeugt und so die Kompensationsspule 3 und den Balken 1 wieder in die Soll-La-ge, die durch die Bedingung Ui - U2 = 0 gegeben ist, zurückzudrehen versucht. Die Grösse dieses Kompensationsgleichstromes ist ein Mass für den Lastunterschied auf den beiden Seiten des Balkens 1 und wird an dem Messwiderstand 14 als analoge Spannung abgegriffen. Die Funktionsweise solch einer kompensierenden Waage ist allgemein bekannt und wurde daher hier nur ganz kurz erläutert.

Der Schaltungsteil 8 in Fig. 3 weist nun neben dem Differenzausgang 23 einen weiteren Ausgang 24 für den Mittelwert der Ausgangssignale der beiden Sensorspulen 5 und 6 auf. Bei der Bildung dieses Mittelwertes macht die Schaltung nach Fig. 3 davon Gebrauch, dass der Regelverstärker 11 integrales Verhalten aufweisen soll (beispielsweise ein PID-Regler) und somit seinen Ausgangsgleichstrom solange verändert, bis das Eingangssignal des Regelverstärkers, also Uj - U2, zu Null wird. Gemäss der Gleichung (Ui + U2)/2 = U2 + (Ux - U2)/2 ist aber für Ui - U2 = 0 der Mittelwert (Ui + U2)/2 gleich U2. Im eingeschwungenen Zustand der Waage ist also die am Ausgang 24 abgegriffene Spannung U2 gleich dem Mittelwert der beiden Sensorspulen 5 und 6 und gibt damit den Durchhang des Spannbandes 2 wieder.

Dieses Signal wird einer Korrektureinheit 9 für die Empfindlichkeit der Waage zugeführt. Dass bei nicht eingeschwungener Waage der Korrektureinheit 9 ein falsches Signal zugeführt wird, stört nicht, da bei nicht eingeschwungener Waage der Messwert sich zeitlich schnell ändert und eine genaue Massenbestimmung sowieso nicht möglich ist.

Da die Ortsabhängigkeit der magnetischen Feldstärke eines Permanentmagnetsystems 4 meist durch ein Maximum mit einem etwa quadratischen Abfall nach oben und unten hin charakterisiert ist, und da man die Soll-Einschwinglage der Kom-pensatonsspule 3 üblicherweise in dieses Maximum legt, ist die Grösse der von der Korrektureinheit 9 durchzuführenden Empfindlichkeitskorrektur etwa proportional zum Quadrat des Spannbanddurchganges. Bei linearer Kennlinie der Lagensensoren 5 und 6 muss die Korrektureinheit 9 also eine etwa quadratische Kennlinie aufweisen. Dazu ist in Fig. 3 ein spannungsgesteuerter Oszillator 30 vorgesehen, dessen Frequenz proportional zum Eingangssignal ist. Der spannungsgesteuerte Oszillator 30 stösst einen Mono-Flop 31 an, der jeweils für eine konstante Zeit den mechanischen oder elektrischen Schalter 32 schliesst. Da der dem Integrator 34 über den Widerstand 33 zufliessende Strom proportional zum Eingangssignal auf der Leitung 24 ist, und da die Zeitdauer des Stromflusses ebenfalls proportional zu diesem Eingangssignal ist, ändert sich die dem Integrator 34 zugeführte Ladung quadratisch mit dem Eingangssignal auf der Leitung 24. Die hinter dem RC-Glied 35 anstehende, gemittelte Spannung ändert sich damit ebenfalls quadratisch mit der Eingangsspannung.

Die Empfindlichkeitsbeeinflussung durch die Korrektureinheit 9 wird in Fig. 3 durch eine Beeinflussung des Referenzstromes im Analog/Digital-Wandler 10 realisiert. Der Analog/Digi-tal-Wandler arbeitet in diesem Beispiel nach dem Mehrfachrampen-Prinzip, wie es in der DE-PS 2 114 141 im einzelnen beschrieben ist. Dabei wird die Messspannung über einen Widerstand 50 als Messstrom einem Integrator 51 zugeführt. Zu bestimmten Zeiten schaltet die Steuereinheit 55 über einen Schalter 54 die Referenzspannungsquelle 52 mit entgegengesetzter Polarität dazu, so dass über den Widerstand 53 ein Referenzstrom zum Integrator 51 fliesst. Der Referenzstrom ist dabei grösser als der Messstrom über den Widerstand 50, so dass sein Einfluss überwiegt und der Integrator 51 abintegriert. Die Schliess- und Öffnungszeit des Schalters 54 wird nun von der Steuereinheit 55 so geregelt, dass sich Auf- und Abintegration im zeitlichen Mittel gegeneinander aufheben. Die Schliesszeit ist dann proportional, zum Verhältnis Messstrom zu Referenzstrom und wird durch das Auszählen von Taktimpulsen aus einem Pulsgenerator 56 in einem Zähler 57 digitalisiert und in der Anzeige 58 angezeigt. Der normalerweise konstante Referenzstrom wird nun in Fig. 3 durch einen aus der Korrektureinheit 9 stammenden Strom geringfügig verändert. Dies geschieht über den Widerstand 36 für den quadratischen Anteil an der Empfind-lichkeitskorrektur und — falls nötig — über den Widerstand 37 für den linearen Anteil an der Empfindlichkeitskorrektur. Die Grösse der Korrektur kann jeweils durch die Wahl des Widerstandes an die durch den Spannbanddurchhang verursachte Empfindlichkeitsänderung im Messsystem angepasst werden, so dass sie in der Anzeige 58 nicht mehr in Erscheinung tritt.

Eine andere Ausgestaltung der elektrischen Mikrowaage zeigt Fig. 4. In dieser für höhere Lasten bestimmten Ausführung ist der Balken 1' aus zwei Streben aufgebaut, die an mehreren Stellen miteinander verbunden sind. Zwischen den Streben befinden sich zwei Spulen 3' und 3", die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Magnete 4' und 4' ' sind so aufgebaut, dass sich am mittleren Teil 44' bzw. 44' ' der eine Magnetpol befindet, während sich der andere Magnetpol an den beiden äusseren Teilen 45' bzw. 45' ' befindet. Dadurch entsteht an einer einzelnen Spule kein Drehmoment sondern eine Kraft und erst die beiden gleich grossen, aber entgegengesetzt gerichteten Kräfte der beiden Spulen 3' und 3' ' ergeben das Kompensations-Drehmoment. Die beiden Lagensensoren sind in dieser Ausführung wieder als zwei senkrecht stehende Spulen 5 und 6 ausgeführt, wobei jede Sensorspule einer Kompensationsspule zugeordnet ist. Die elektrische Schaltung ist dann wie in Fig. 3 aufgebaut. Wieder wird das Differenzsignal der beiden Sensorspulen 5 und 6 dem Regelverstärker zugeführt und das Mittelwertsignal der Korrektureinheit 9 zur Korrektur der durch den Spannbanddurchhang und die Ortsabhängigkeit der magnetischen Feldstärke in den beiden Permanentmagnetsystemen verursachten Empfindlichkeitsfehler.

Durch diese Korrekturmöglichkeit können einfach aufgebaute Permanentmagnetsysteme benutzt werden, ohne dass sich eine lastenabhängige Empfindlichkeitsänderung der Waage bemerkbar macht, so dass eine hohe Auflösung des Kompensationsbereiches möglich ist.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

V

2 Blätter Zeichnungen

Claims (8)

666 353

1. Elektrische Waage

— mit einem an einem Spannband gelagerten Balken, an dessen beiden Armen je eine Waagschale zur Aufnahme des Wägegutes bzw. der Gegengewichte beweglich angebracht ist,

— mit einem Kompensationssystem, das das bei Übergewicht des Wägegutes oder der Gegengewichte auftretende Drehmoment am Balken zu kompensieren gestattet,

— und mit zwei Lagensensoren, die an den beiden Armen des Balkens dessen Lageänderung erfassen, dadurch gekennzeichnet,

— dass Schaltmittel (8) vorhanden sind, die die Differenz und den Mittelwert der Ausgangssignale der beiden Lagensensoren (5, 6) bilden und das eine dieser so erhaltenen Signale dem Eingang des Regelverstärkers (11) für das Kompensationssystem zuführen und das andere dieser so erhaltenen Signale einer Korrektureinheit (9) für die Empfindlichkeit der Waage zuführen.

2. Elektrische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelverstärker (11) des Kompensationssystems integrales Verhalten besitzt, um die Differenz der Ausgangssignale der beiden Lagensensoren (5, 6) im eingeschwungenen Zustand der Waage zu Null zu regeln.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Elektrische Waage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Lagensensoren (5, 6) induktive Lagensensoren eingesetzt sind.

4. Elektrische Waage nach Anspruch 3 mit einem elektromagnetischen Kompensationssystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule(n) (3, 3', 3") des elektromagnetischen Kompensationssystems mit einer Quelle konstanter Wechselspannung verbunden ist/sind, die in den Lagensensoren (5, 6) eine lagenabhängige Wechselspannung induziert.

5. Elektrische Waage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel (8), die die Differenz und den Mittelwert der Ausgangssignale der beiden Lagensensoren (5, 6) bilden, aus zwei Dioden (20) mit nachfolgenden Ladenkondensatoren (21) bestehen.

6. Elektrische Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinheit (9) eine Schaltung (30 ... 35) zur Erzeugung einer nichtlinearen Kennlinie enthält.

7. Elektrische Waage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinheit (9) einen spannungsgesteuerten Oszillator (30), einen Schalter (32) und einen Mittelwertbildner (34, 35) zur Erzeugung einer quadratischen Kennlinie enthält.

8. Elektrische Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem Analog/Digital-Wandler (10) zur Digitalisierung des Wägeergebnisses, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinheit (9) die Referenzspannung bzw. den Referenzstrom des Analog/Digital-Wandlers beeinflusst.