Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftmess- oder Wägevorrichtung mit elektromagnetischer Kraftkompensation, mit einem auslenkbaren, durch biegeelastische Lenker parallelgeführten Lastaufnehmer und einer mit dem Lastaufnehmer verbundenen, im Arbeitsluftspalt einer ortsfesten Magnetanordnung beweglichen Arbeitsspule, ferner mit einem die Gleichgewichtslage des Lastaufnehmers erfassenden elektrooptischen Positionsdetektor, der ein als Mass für die Lageabweichung des Lastaufnehmers aus der Gleichgewichtslage dienendes Fehlersignal zur Regelung des Kompensationsstroms in der Arbeitsspule erzeugt und mit einer den Bewegungsbereich des Lastaufnehmers in beiden Auslenkrichtungen begrenzenden, verstellbaren Anschlagvorrichtung.
Bei der Auslenkung des Lastaufnehmers aus seiner Gleichgewichtslage entstehen Biegespannungen an den Biegestellen der Lenker, welche die Parallelführungen bilden. Es hat sich gezeigt, dass diese Biegespannungen bei der Rückstellung des Lastaufnehmers in seine Gleichgewichtslage nicht restlos verschwinden, sondern durch eine Art Hysteresewirkung zum Teil aufrechterhalten bleiben. Die daraus resultierenden Restkräfte werden bei der nächsten Wägung von der Kraftmessanordnung miterfasst und können das angezeigte Wägeresultat unter Umständen erheblich verfälschen. Insbesondere davon betroffen sind hochauflösende Waagen, bei denen die Resultatabweichungen ein Vielfaches der Anzeigeeinheit betragen können, wobei sich der Anzeigefehler je nach Grösse und Richtung der vorangegangenen Auslenkung des Lastaufnehmers jeweils verändert.
Um den beschriebenen Mangel zu beseitigen, ist man bestrebt, den Bewegungsbereich des Lastaufnehmers mit einer geeigneten Anschlagvorrichtung zu begrenzen. Dieser Absicht stellt sich jedoch, vor allem bei balkenlosen Waagen, eine andere Schwierigkeit in den Weg. Um die genannten Restkräfte in hochauflösenden Waagen hinreichend klein zu halten, muss der Bewegungsbereich des Lastauf nehmers auf eine Wegstrecke begrenzt werden, deren Mass (z.B. 0,1 mm) mit den Toleranzwerten des Positionsdetektors vergleichbar ist. Dies bedeutet, dass die durch den Positionsdetektor definierte Gleichgewichtslage des Lastaufnehmers (Fehlersignal des Positionsdetektors = Null) von der Mitte eines für den Lastaufnehmer festgelegten Bewegungsbereichs so stark abweichen kann, dass der Lastaufnehmer in der einen Auslenkrichtung viel mehr Bewegungsraum hat als in der anderen Auslenkrichtung.
Infolgedessen ergeben sich unterschiedliche Einschwingzeiten des Lastaufnehmers, je nachdem dieser in der einen oder anderen Richtung ausgelenkt worden ist. Für den Wägebetrieb ist es jedoch von Nachteil, wenn z.B. das Einschwingen der Waage bei Belastung derselben viel länger dauert als bei Entlastung derselben oder umgekehrt.
Diesem Umstand kann durch die Verstellbarkeit der Anschlagvorrichtung in gewissem Mass Rechnung getragen werden, die es erlaubt, den Bewegungsbereich des Lastaufnehmers mit der durch den Positionsdetektor definierten Gleichgewichtslage des Lastaufnehmers zu koordinieren.
Aus der US-A 3 955 638 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, welche Mittel aufweist, die es grundsätzlich ermöglichen, die zuvor beschriebenen Probleme zu lösen. Es handelt sich dabei um eine Präzisionswaage, die einen mit dem Lastaufnehmer gekoppelten Über setzungshebel aufweist, an dessen dem Lastaufnehmer abgewandten Ende die Kompensationskraft wirksam ist. Das die Kompensationskraft erzeugende Magnetsystem besteht aus einem auf der Konsole ruhenden Tauchmagneten, der einen permanentmagnetischen Kern und einen ringförmigen Mantel besitzt, und einer in den ringförmigen Arbeitsluftspalt zwischen Kern und Mantel eintauchenden Arbeitsspule, deren Spulenkörper am Übersetzungshebel befestigt ist. Auf der oberen Stirnseite des Magnetmantels ist der Positionsdetektor befestigt, in dessen Strahlengang eine am Übersetzungshebel angebrachte Fahne eintaucht.
Ebenfalls an der oberen Stirnseite des Magnetmantels befindet sich die Anschlagvorrichtung, welche aus einer in den Magnetmantel stirnseitig eingeschraubten Stellschraube mit zwei im Abstand voneinander angeordneten Bünden besteht, wobei die Bünde den Übersetzungshebel zwischen sich einschliessen und so dessen Bewegungsbereich begrenzen. Positionsdetektor und Anschlagvorrichtung sind in der Höhe verstellbar. Die Einstellung dieser Organe ist allerdings nicht kritisch, da der Bewegungsbereich des Übersetzungshebels begrenzt wird und dieser Bewegungsbereich um die Übersetzung grösser ist als der zugelassene Bewegungsbereich des Lastaufnehmers.
Ein weiteres Problem ist bekanntlich der Einfluss der Wärme, die von der vom Kompensationsstrom durchflossenen Arbeitsspule ausgeht und zu Temperaturänderungen und wech selnden Temperaturgradienten in den verschiedenen Organen der Wägevorrichtung führt. Diese zum Teil schwer erfassbaren Auswirkungen können das Messverhalten einer Waage, insbesondere einer hochauflösenden Waage, ganz erheblich beeinflussen. Dies äussert sich vor allem in einer Änderung des angezeigten Messwerts infolge Verschiebung des Nullpunkts, und zwar je nach Mass und jeweiliger Dauer der Waagenbelastung.
Einen in dieser Beziehung empfindlichen Teil der Wägevorrichtung stellen die Lenker der Parallelführung dar. Durch ungleichmässige Erwärmung und entsprechende Längenänderung der Lenker wird die Geometrie der Parallelführung gestört. Infolgedessen entstehen zusätzliche Kräfte in den biegeelastischen Lenkern bzw. an deren Biegestellen, welche zu einer Nullpunktverschiebung führen können. Der Wärmeeinfluss auf die Lenker lässt sich bei einer Balkenwaage verhältnismässig klein halten, wenn die Parallelführung des Lastaufnehmers von der Wärmequelle verhältnismässig weit entfernt angeordnet ist, wie dies bei der Waage nach der US-A 3 955 638 der Fall ist. Diese Lösung führt jedoch bei einer balkenlosen Waage zu einer unerwünscht grossen Baulänge derselben.
Die Anordnung des Positionsdetektors und der Anschlagvorrichtung in unmittelbarer Nähe des Wärme entwickelnden Magnetsystems gemäss dem in der US-A 3 955 638 darge stellten Ausführungsbeispiel ist insofern ungünstig, als sich die achsiale Länge des Magnetmantels und damit die Höhenlage des Positionsdetektors unter Wärmeeinfluss verändert. Dies führt zu einer Verschiebung der vom Positionsdetektor definierten Gleichgewichtslage, also zu einer gewissen Auslenkung des Lastaufnehmers, verbunden mit einer entsprechenden, von den Lenkern ausgeübten Rückstellkraft, die das Messresultat beeinflusst. Im weiteren wird durch eine Längenänderung der Stellschraube der Bewegungsbereich des Übersetzungshebels verschoben. Wiederum werden aber die damit verbundenen Auswirkungen durch die Hebelübersetzung vermindert.
Ungünstiger liegen die Verhältnisse bei einer balkenlosen Wägevorrichtung, weil sich die empfindlichen Organe derselben in der Regel näher im Bereich der Wärmequelle befinden und die das Ausmass der Wärmewirkung dämpfende Hebelübersetzung entfällt. Um zu einer besonders kompakten Bauform zu gelangen, hat man bereits vorgeschlagen, das Magnetsystem im zentralen Bereich des von der Parallelführung eingenommenen Raumes anzuordnen, was die Beherrschung des Wärmeproblems unter Umständen zusätzlich erschwert.
Ein Beispiel für eine balkenlose Wägevorrichtung dieser Art zeigt die DE-OS 2 518 022. Bei dieser Wägevorrichtung befindet sich der Hauptteil der Magnetanordnung in dem von den Lenkern begrenzten Raum. Der Lastaufnehmer besteht aus einem Verbindungsglied, das die beiden Lenker ausserhalb der Magnetanordnung miteinander verbindet, und einem vom oberen oder unteren Ende des Verbindungsglieds ausgehenden starren Arm, der sich in den Bereich der Magnetanordnung erstreckt und an seinem freien Ende den Spulenkörper mit der Arbeitsspule trägt. Letztere taucht also von oben oder unten her in das einseitig offene Topfmagnetsystem ein.
Falls der die Arbeitsspule tragende Arm sich am unteren Ende des Verbindungsglieds befindet, kann am oberen Ende desselben ein weiterer, gleichartiger Arm für die Einleitung der zu messenden Kraft vorgesehen sein, wobei die Wirkungslinie dieser Kraft mit der Spulenachse zusammenfallen soll.
Die Arbeitsspule, welche im Betrieb der Vorrichtung Wärme entwickelt, ist bei der beschriebenen bekannten Vorrichtung in bezug auf die Parallelführung in deren vertikaler Ausdehnung unsymmetrisch angeordnet. Dieser Umstand kann eine ungleichmässige Erwärmung und Wärmeausdehnung der beiden Lenker zur Folge haben, wodurch die Geometrie der Parallelführung gestört und damit die Messgenauigkeit der Vorrichtung beeinträchtigt wird. Insbesondere bei höher auflösenden Waagen können sich solche Störungen unangenehm bemerkbar machen. Eine Erwärmung des die Arbeitsspule tragenden Arms oder im Falle zweier Arme eine ungleichmässige Erwärmung derselben kann sich ebenfalls ungünstig auf die Messgenauigkeit auswirken.
Für die Erwärmung der Lenker ist in erster Linie der Wärmeübergang durch Konvektion massgebend, die durch die offene Anordnung der Arbeitsspule ermöglicht wird, während für die Erwärmung der Arme ein Anteil an Wärmeleitung hinzukommt.
Der Positionsdetektor und die Anschlagvorrichtung gemäss der US-A 3 955 638 sinngemäss angewandt bei der Wägevorrichtung nach der DE-OS 2 518 022 würden mit dem Tragarm der Arbeitsspule zusammenarbeiten. Die zuvor beschriebenen Veränderungen, welche durch den Wärmeeinfluss auf den Positionsdetektor und die Anschlagvorrichtung herbeigeführt werden können, würden sich dabei mangels der die Wärmewirkung dämpfenden Übersetzung auf das Messverhalten der Wägevorrichtung voll auswirken und einerseits zu nicht mehr vernachlässigbaren Rückstellkräften der Parallelführung und andererseits zu einer nachteiligen Verschiebung des bei der Justierung der Wägevorrichtung eingestellten Bewegungsbereichs für den Lastaufnehmer führen.
Die Erfindung bezweckt, Wägevorrichtungen der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass allfällige, von den Lenkern der Parallelführung herrührende Restkräfte vernachlässigbar klein sind und praktisch keinen Einfluss auf die Anzeige des Wägeresultats haben und zudem ein auch unter Wärmeeinfluss ausgeglichenes Regelverhalten beim Einschwingen der Wägevorrichtung erzielt wird.
Um dieses Ziel zu erreichen, wird mit der Erfindung ein höhenmässig vollständig symmetrischer Aufbau der Kraftmess- oder Wägevorrichtung der eingangs genannten Art angestrebt, wobei die Erfindung darin besteht, dass die Magnetanordnung die Arbeitsspule praktisch vollständig umschliesst, dass der Lastaufnehmer als Träger der Arbeitsspule ausgebildet ist und Endflanschen aufweist, die sich ausserhalb der Magnetanordnung befinden und an denen die in zwei parallelen Ebenen angeordneten Lenker angreifen, dass im Strahlengang des Positionsdetektors eine aus zwei gegeneinander gerichteten Fahnen gebildete Spaltblende vorgesehen ist, wobei die Fahnen mit den Endflanschen des Spulenträgers verbunden sind und der Spalt zwischen den einander zugewandten Enden der Fahnen sich in der Symmetrieebene bezüglich der beiden Lenkerebenen erstreckt,
und dass an den Enden der Fahnen neben der Spaltblende zwei mit Abstand einander zugewandte Anschlagflächen gebildet sind, die mit einem an einem feststehenden Teil der Vorrichtung verstellbar angeordneten Gegenanschlag zusammenarbeiten.
Aus der CH-PS 530 624 ist zwar eine Kraftmessvorrichtung bekannt, bei der der Lastaufnehmer ebenfalls als Träger der Arbeitsspule ausgebildet ist. Zur Parallelführung des Lastaufnehmers dienen zwei runde Federscheiben, welche sich in ihrer Mitte auf der Konsole abstützen und an ihrem Umfang je mit einem Ende eines hohlzylindrischen Lastauf- nehmers verbunden sind. Parallelführungen dieser Art zeigen insbesondere unter Wärmeeinfluss ein unstabiles Verhalten. Sie sind ausserdem geometrisch nicht justierbar und daher für Waagen mit höherer Auflösung ungeeignet. Ferner ist bei dieser Kraftmessvorrichtung ein kapazitiver Positionsdetektor vorgesehen, der aus zwei in Differenzschaltung betriebenen Kondensatoren besteht, die höhenmässig symmetrisch zur Arbeitsspule angeordnet und je aus einer ortsfesten und einer mit dem Spulenträger verbundenen Ringelektrode gebildet sind.
Abgesehen von der ziemlich aufwendigen Herstellung und der verhältnismässig grossen Exemplarstreuung der Kapazitätswerte derartiger Positionsdetektoren, ist die Anordnung der Kondensatoren in unmittelbarer Nähe der Arbeitsspule und zudem innerhalb der Magnetanordnung aus thermischen Gründen ungünstig. Die von der Arbeitsspule erzeugte Wärme beeinflusst die beiden Kondensatoren infolge vertikaler Wärmeströmung nicht in gleichem Masse, wodurch die Symmetrie der Kondensatoranordnung gestört und damit die Gleichgewichtslage des Lastaufnehmers verändert wird. Die Folge davon sind Schwankungen des Nullpunktes in der Messwertanzeige.
Demgegenüber lassen sich mit der erfindungsgemässen Lösung folgende Vorteile erreichen:
Durch den Einschluss der Arbeitsspule wird praktisch verhindert, dass sich die von derselben erzeugte Wärme durch Konvektion ausbreiten kann. Die paarweise vorhandenen Teile der Parallelführung, des Positionsdetektors und der Anschlagvorrichtung sind gleich ausgebildet und symmetrisch bezüglich einer horizontalen Mittelebene angeordnet, in der das Zentrum der Wärmequelle liegt. Dadurch entsteht in bezug auf die im wesentlichen durch Wärmeleitung herbeigeführte Ausbreitung der Wärme ein nahezu symmetrisches Wirkungsfeld der Wärmequelle, dem die beiden Teile der verschiedenen Teilepaare jeweils in gleichem Masse ausgesetzt sind.
Unter diesen Umständen wird die Wirkungslage der dem Lastaufnehmer zugeordneten Organe, d.h. die Mitte der Spaltblende des Positionsdetektors bzw. die Mitte des von der Anschlagvorrichtung begrenzten Bewegungsbereiches des Lastaufnehmers unter Wärmeeinfluss nicht verändert.
Einzelheiten bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemässen Kraftmess- oder Wägevorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine balkenlose Wägevorrichtung, die als sog. Wägezelle in Waagen verschiedener Nennlast oder z.B. in Prozessstrassen zum Einsatz kommen kann. Die das Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 Draufsicht der Wägevorrichtung, ohne Abdeckung;
Fig. 2 Vertikalschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 Vertikalschnitt nach der Linie III-III in Fig. 1;
Fig. 4 Frontalansicht der Wägevorrichtung, von links in Fig. 1; und
Fig. 5 Positionsdetektor der Wägevorrichtung nach Fig. 1, im Horizontalschnitt.
Die gezeigte Wägevorrichtung hat eine Konsole 1 in Form eines quaderförmigen Leichtmetallblocks, der diverse Ausnehmungen aufweist, in denen die verschiedenen Organe der Wägevorrichtung angeordnet sind, welche dadurch von Teilen der Konsole 1 weitgehend umschlossen sind. Diese raumfüllende, massive Konstruktion der Konsole 1 soll dazu beitragen, die Temperaturgradienten innerhalb der Wägevorrichtung auf einem möglichst tiefen Wert zu halten.
An der Front- und Oberseite der Konsole 1 sind deren Abschlussflächen 2 bzw. 3 bis auf eine verbleibende Randleiste 4 bzw. 5 zurückgesetzt. Auf diese Abschlussflächen kommt eine abgewinkelte Abdeckung (nicht dargestellt) zum Schutz vor äusseren Einflüssen zu liegen.
Im Zentrum der Konsole 1 befindet sich der ortsfeste Topfmagnet 6, der ein geschlossenes, symmetrisch aufgebautes Magnetsystem darstellt. Dieses besteht gemäss Fig. 2 aus einem Kern, der durch zwei scheibenförmige Permanentmagnete 7, 8 und eine dazwischenliegende Polscheibe 9 gebildet ist, und einem Mantel, der durch einen Polring 10 mit dem ringförmigen Polschuh 11 und zwei Jochplatten 12 und 13 gebildet ist. Zwischen dem Polschuh 11 und der Polscheibe 9 befindet sich der Arbeitsluftspalt, in welchem die Arbeitsspule 14 achsial beweglich angeordnet ist. Die untere Jochplatte 13 ist rund und hat den gleichen Aussendurchmesser wie der Polring 10, während die obere Jochplatte 12 quadratische Form hat und als Befestigungsflansch zur Befestigung des Topfmagneten 6 an der Konsole 1 ausgebildet ist.
Das ganze Paket aus den das Magnetsystem bildenden Teilen 7 bis 13 ist durch Schrauben 15 zusammengehalten, von denen in Fig. 1 nur zwei sichtbar sind. Der Topfmagnet 6 ist in eine durchgehende Bohrung 16 der Konsole 1 eingelassen und ruht mit der quadratischen Jochplatte 12 auf einer abgesetzten, durch die Kontur 17 begrenzten Montagefläche 18, an der die Jochplatte 12 an deren vier Ecken mit Schrauben 19 befestigt ist.
Der auslenkbare Lastaufnehmer der Wägevorrichtung ist als Träger der Arbeitsspule 14 ausgebildet und besteht aus einem hohlzylindrischen Spulenkörper 20, den der Topfmagnet 6 vollständig umschliesst, und zwei senkrecht zur Achse des Spulenkörpers verlaufende, rechteckförmige Endflanschen 21 und 22. An den achsialen Enden des Spulenkör pers 20 sind je zwei Stege 23, 24 bzw. 25, 26 vorgesehen, welche den Spulenkörper 20 mit den Endflanschen 21 und 22 verbinden und an den letzteren mit Schrauben 27 befestigt sind.
An den beiden Jochplatten 12 und 13 des im Raum zwischen den beiden Endflanschen angeordneten Topfmagneten 6 sind durch je zwei seitliche Ausnehmungen 28, 29 bzw. 30, 31, die bis an den Kern des Magnetsystems reichen, \ffnungen gebildet, durch welche die vom Spulenkörper ausgehenden Stege 23, 24 bzw. 25, 26 zu dem betreffenden Endflansch 21 bzw. 22 des Lastaufnehmers geführt sind.
Der Lastaufnehmer 20, 21, 22 ist durch zwei Lenker 32 und 33, die eine Parallelführung bilden, mit der Konsole 1 verbunden. In Fig. 1 ist der obere Lenker 32 durch Flächenschraffur visuell hervorgehoben. Die in zwei parallelen Ebenen angeordneten, an sich starren Lenker 32 und 33 sind T-förmig ausgebildet und je an einer Stelle durch elastische Biegegelenke 34 bzw. 35 mit den Endflanschen 21 und 22 des Lastaufnehmers und je an zwei Stellen durch elastische Biegelemente 36 bzw. 37 mit der Konsole 1 verbunden. Zur Befestigung der Biegegelenke 34 bis 37 dienen an der Konsole 1, an den Lenkern 32, 33 und an den Endflanschen 21, 22 angeschraubte Klemmplättchen 38, 39 bzw. 40, 41, 42, 43 bzw. 44, 45.
Die Lenker 32, 33 weisen in ihrem Mittelsteg 46 je eine längliche \ffnung 47 bzw. 48 für den Durchlass des Lastaufnehmers auf, wobei die Endflanschen 21, 22 des Lastaufnehmers und die diesen mit den Lenkern 32, 33 verbindenden Biegegelenke 34 bzw. 35 je in der betreffenden Lenkerebene verlaufen und sich innerhalb der genannten \ffnung 47 bzw. 48 erstrecken. Die Arbeitsspule 14 befindet sich in der Mitte des Spulenkörpers 20 und ist bezüglich der Endflanschen 21, 22 und damit auch bezüglich der beiden Lenkerebenen symmetrisch angeordnet. Sämtliche Biegegelenke 34 bis 37 weisen, von den Lenkern ausgehend, gegen den zentralen Bereich des von der Parallelführung begrenzten Raumes hin, in dem der Lastaufnehmer 20, 21, 22 und der Topfmagnet 6 angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine äusserst kompakte Bauform der Wägevorrichtung.
Die beschriebene Wägevorrichtung verfügt über einen elektrooptischen Positionsdetektor für die Erfassung der Position des Lastaufnehmers. Dieser Positionsdetektor besteht in an sich bekannter Weise aus einer stationären Detektoroptik mit Lichtquelle und Photozelle sowie einer am beweglichen Teil der Wägevorrichtung angebrachten Fahne, die in den Strahlengang der Detektoroptik hineintaucht und durch ihre Eintauchtiefe das Mass der Lichtübertragung bestimmt. Im vorliegenden Beispiel befindet sich die Detektoroptik an einem Träger 49, der an der Frontseite der Wägevorrichtung innerhalb eines Hohlraumes 50 mittels Schrauben 51 an der Konsole 1 befestigt ist. Zugleich damit ist eine vor dem Träger 49 angeordnete Leiterplatte 52 befestigt, welche einen insbesondere dem Positionsdetektor zugeordneten Teil der elektronischen Ausrüstung (nicht dargestellt) der Wägevorrichtung trägt.
Der Träger 49 besitzt zwei nach innen gerichtete Tragarme 53 und 54, die sich in einen Durchgang 55 erstrecken, der die Bohrung 16 mit dem Hohlraum 50 der Konsole 1 verbindet. In passenden Bohrungen der Tragarme 53 und 54 sitzen eine Lichtquelle 56 und eine Photozelle 57. Im Strahlengang der Detektoroptik befindet sich eine aus zwei gegeneinandergerichteten Fahnen 58 und 59 gebildete Spaltblende, wobei die Fahne 58 mit dem Endflansch 21 und die Fahne 59 mit dem Endflansch 22 des Lastaufnehmers verbunden ist bzw. mit diesem jeweils aus einem Stück besteht. Der Spalt 60 zwischen den einander zugewandten Enden der Fahnen 58, 59 erstreckt sich in der Symmetrieebene bezüglich der beiden Lenkerebenen.
Zur Begrenzung des Bewegungsbereichs des Lastaufnehmers 20, 21, 22 in beiden Auslenkrichtungen sind an der Spaltblende 58, 59 zwei mit Abstand in Auslenkrichtung einander zugewandte Anschlagflächen 61, 62 vorhanden. Am Träger 49 des Positionsdetektors ist ein Stellzylinder 63 drehbar gelagert, der einen exzentrisch zur Drehachse des Stellzylinders 63 angeordneten zylindrischen Ansatz 64 aufweist. Der Ansatz 64 ragt mit dem für die Auslenkung des Lastaufnehmers erforderlichen Spiel in den Raum zwischen den genannten Anschlagflächen 61, 62. Durch Drehen des Stellzylinders 63 kann der Mittelpunkt des Bewegunsgbereichs des Lastaufnehmers in vertikaler Richtung verscho ben und auf die durch den Positionsdetektor definierte Gleichgewichtslage des Lastaufnehmers eingestellt werden.
Durch eine zentrale Bohrung in der Leiterplatte 52 ist ein geschlitzter Kopf 65 des Stellzylinders 63 geführt, so dass der Stellzylinder 63 von der Frontseite der Wägevorrichtung aus durch Ansetzen eines Schraubenziehers am Kopf 65 leicht betätigbar ist.
Am oberen Endflansch 21 des Lastaufnehmers ist ein Gewindeansatz 66 vorgesehen, an den, wie in Fig. 2 angedeutet, ein Kraftübertragungsbolzen 67 angeschraubt werden kann, welcher beispielsweise eine Lastschale (nicht dargestellt) trägt.
The present invention relates to a force measuring or weighing device with electromagnetic force compensation, with a deflectable load receiver, which is guided in parallel by flexible links, and a work coil connected to the load receiver and movable in the working air gap of a stationary magnet arrangement, and also with an electro-optical position detector which detects the equilibrium position of the load receiver generated as a measure of the position deviation of the load receiver from the equilibrium position for controlling the compensation current in the work coil and with an adjustable stop device limiting the range of motion of the load receiver in both deflection directions.
When the load receiver is deflected from its equilibrium position, bending stresses occur at the bending points of the handlebars, which form the parallel guides. It has been shown that these bending stresses do not completely disappear when the load receiver is returned to its equilibrium position, but are partly maintained by a kind of hysteresis effect. The resulting residual forces are also recorded by the force measuring arrangement during the next weighing and can, under certain circumstances, significantly falsify the weighing result displayed. High-resolution scales are particularly affected, in which the result deviations can be a multiple of the display unit, the display error changing depending on the size and direction of the previous deflection of the load receiver.
In order to eliminate the deficiency described, efforts are made to limit the range of motion of the load receiver with a suitable stop device. However, another difficulty stands in the way of this intention, especially with beamless scales. In order to keep the residual forces in high-resolution scales sufficiently small, the range of motion of the load receiver must be limited to a distance, the size (e.g. 0.1 mm) of which is comparable to the tolerance values of the position detector. This means that the equilibrium position of the load receiver (error signal of the position detector = zero) defined by the position detector can deviate so much from the center of a range of movement defined for the load receiver that the load receiver has much more movement space in one direction of deflection than in the other direction of deflection.
As a result, there are different settling times of the load receiver, depending on whether it has been deflected in one direction or the other. However, it is disadvantageous for weighing operation if e.g. it takes much longer for the scale to settle when it is loaded than when it is unloaded or vice versa.
This fact can be taken into account to a certain extent by the adjustability of the stop device, which allows the range of motion of the load receiver to be coordinated with the equilibrium position of the load receiver defined by the position detector.
From US-A 3 955 638 a device of the type mentioned is known, which has means which basically make it possible to solve the problems described above. It is a precision balance, which has a coupling lever coupled to the load receiver, on the end of which is remote from the load receiver, the compensation force is effective. The magnetic system that generates the compensating force consists of a plunger magnet resting on the console, which has a permanent magnetic core and an annular jacket, and a working coil that plunges into the annular working air gap between the core and jacket, the coil body of which is attached to the transmission lever. The position detector is attached to the upper face of the magnetic casing, and a flag attached to the transmission lever is immersed in the beam path.
Also on the upper end face of the magnetic jacket is the stop device, which consists of an adjusting screw screwed into the front of the magnetic jacket with two spaced-apart collars, the collars enclosing the transmission lever between them and thus limiting its range of motion. The height of the position detector and stop device can be adjusted. The setting of these organs is not critical, however, since the range of motion of the transmission lever is limited and this range of motion by the ratio is larger than the permitted range of motion of the load receiver.
Another problem is known to be the influence of the heat which emanates from the work coil through which the compensation current flows and which leads to temperature changes and changing temperature gradients in the various organs of the weighing device. These effects, some of which are difficult to grasp, can have a considerable influence on the measurement behavior of a balance, in particular a high-resolution balance. This manifests itself above all in a change in the displayed measured value due to a shift in the zero point, depending on the size and duration of the scale load.
The handlebars of the parallel guide represent a sensitive part of the weighing device in this respect. The geometry of the parallel guide is disturbed by uneven heating and a corresponding change in length of the handlebars. As a result, additional forces arise in the flexible links or at their bending points, which can lead to a zero point shift. The heat influence on the handlebars can be kept relatively small in a beam balance if the parallel guidance of the load receiver is arranged relatively far away from the heat source, as is the case with the balance according to US Pat. No. 3,955,638. However, this solution leads to an undesirably large overall length of the same in the case of a beamless scale.
The arrangement of the position detector and the stop device in the immediate vicinity of the heat-generating magnet system according to the embodiment shown in US Pat. No. 3,955,638 is unfavorable insofar as the axial length of the magnetic jacket and thus the height of the position detector changes under the influence of heat. This leads to a shift in the equilibrium position defined by the position detector, that is to say a certain deflection of the load receiver, combined with a corresponding restoring force exerted by the handlebars, which influences the measurement result. Furthermore, the range of motion of the transmission lever is shifted by changing the length of the adjusting screw. Again, the associated effects are reduced by lever translation.
The situation is less favorable in the case of a beamless weighing device, because the sensitive organs of the weighing device are generally closer to the area of the heat source and the lever ratio damping the extent of the heat effect is eliminated. In order to achieve a particularly compact design, it has already been proposed to arrange the magnet system in the central area of the space occupied by the parallel guide, which may make it even more difficult to master the heat problem.
DE-OS 2 518 022 shows an example of a beamless weighing device of this type. In this weighing device, the main part of the magnet arrangement is located in the space delimited by the handlebars. The load receiver consists of a connecting link that connects the two links outside of the magnet arrangement to one another, and a rigid arm extending from the upper or lower end of the connecting link, which extends into the region of the magnet arrangement and carries the bobbin with the work coil at its free end. The latter therefore dips from above or below into the pot magnet system, which is open on one side.
If the arm carrying the work coil is located at the lower end of the connecting link, a further, similar arm can be provided at the upper end of the same for the introduction of the force to be measured, the line of action of this force being intended to coincide with the coil axis.
The work coil, which develops heat during operation of the device, is arranged asymmetrically with respect to the parallel guide in its vertical extension in the known device described. This circumstance can result in uneven heating and thermal expansion of the two links, which disrupts the geometry of the parallel guide and thus impairs the measuring accuracy of the device. Such disturbances can make themselves noticeably noticeable, especially with higher-resolution scales. Heating the arm carrying the work coil or, in the case of two arms, uneven heating of the same can also have an unfavorable effect on the measurement accuracy.
For the heating of the handlebars, primarily the heat transfer by convection is decisive, which is made possible by the open arrangement of the work coil, while for the heating of the arms there is a portion of heat conduction.
The position detector and the stop device according to US Pat. No. 3,955,638 applied analogously to the weighing device according to DE-OS 2 518 022 would work together with the support arm of the work coil. The changes described above, which can be brought about by the influence of heat on the position detector and the stop device, would have a full effect on the measuring behavior of the weighing device due to the lack of a damping effect on the heat transfer, and on the one hand to non-negligible restoring forces of the parallel guide and on the other hand to a disadvantageous displacement the range of motion set for the load receiver when adjusting the weighing device.
The invention aims to improve weighing devices of the type mentioned in the introduction in such a way that any residual forces resulting from the handlebars of the parallel guide are negligibly small and have practically no influence on the display of the weighing result, and in addition a control behavior which is balanced even under the influence of heat is achieved when the weighing device swings in .
To achieve this goal, the invention strives for a completely symmetrical structure of the force measuring or weighing device of the type mentioned at the outset, the invention consisting in that the magnet arrangement practically completely surrounds the work coil, that the load receiver is designed as a carrier of the work coil and has end flanges which are located outside the magnet arrangement and on which the control arms arranged in two parallel planes engage, that a slit diaphragm is formed in the beam path of the position detector and is made up of two oppositely directed flags, the flags being connected to the end flanges of the coil carrier and the like Gap between the mutually facing ends of the flags extends in the plane of symmetry with respect to the two handlebar planes,
and that at the ends of the flags next to the slit diaphragm two mutually facing stop surfaces are formed, which cooperate with a counter stop adjustable on a fixed part of the device.
From CH-PS 530 624 a force measuring device is known in which the load receiver is also designed as a carrier of the work coil. Two round spring washers are used for parallel guidance of the load receiver, which are supported in the middle on the bracket and are connected at their circumference to one end of a hollow cylindrical load receiver. Parallel guides of this type show unstable behavior, particularly when exposed to heat. They are also not geometrically adjustable and are therefore unsuitable for scales with a higher resolution. Furthermore, in this force measuring device, a capacitive position detector is provided, which consists of two capacitors operated in a differential circuit, which are arranged symmetrically in height with respect to the work coil and are each formed from a fixed ring electrode and a ring electrode connected to the coil carrier.
Apart from the fairly complex production and the relatively large specimen scatter of the capacitance values of such position detectors, the arrangement of the capacitors in the immediate vicinity of the work coil and also within the magnet arrangement is unfavorable for thermal reasons. The heat generated by the work coil does not influence the two capacitors to the same extent as a result of vertical heat flow, as a result of which the symmetry of the capacitor arrangement is disturbed and the equilibrium position of the load receiver is changed. The consequence of this is fluctuations in the zero point in the measured value display.
In contrast, the following advantages can be achieved with the solution according to the invention:
The inclusion of the work coil practically prevents the heat generated by it from spreading through convection. The pair of parts of the parallel guide, the position detector and the stop device are of identical design and are arranged symmetrically with respect to a horizontal central plane in which the center of the heat source lies. This results in an almost symmetrical field of action of the heat source in relation to the heat propagation, which is essentially caused by heat conduction, to which the two parts of the different pairs of parts are each exposed to the same extent.
Under these circumstances, the effectiveness of the organs assigned to the load receiver, i.e. the center of the slit of the position detector or the center of the range of motion of the load receiver delimited by the stop device does not change under the influence of heat.
Details of preferred embodiments of the force measuring or weighing device according to the invention are defined in the dependent claims.
The exemplary embodiment of the invention described below relates to a beamless weighing device which is used as a so-called load cell in scales of different nominal loads or e.g. can be used in process lines. The drawings showing the exemplary embodiment show:
Fig. 1 top view of the weighing device, without cover;
Fig. 2 vertical section along the line II-II in Fig. 1;
Fig. 3 vertical section along the line III-III in Fig. 1;
Fig. 4 frontal view of the weighing device, from the left in Fig. 1; and
Fig. 5 position detector of the weighing device according to Fig. 1, in horizontal section.
The weighing device shown has a console 1 in the form of a cuboid light metal block which has various recesses in which the various organs of the weighing device are arranged, which are thereby largely enclosed by parts of the console 1. This space-filling, massive construction of the console 1 is intended to help keep the temperature gradients within the weighing device at the lowest possible value.
At the front and top of the console 1, its end faces 2 and 3 are set back to a remaining edge strip 4 and 5. An angled cover (not shown) is placed on these end faces to protect against external influences.
In the center of the console 1 is the stationary pot magnet 6, which represents a closed, symmetrically constructed magnet system. 2 consists of a core, which is formed by two disc-shaped permanent magnets 7, 8 and an intermediate pole disc 9, and a jacket, which is formed by a pole ring 10 with the annular pole piece 11 and two yoke plates 12 and 13. The working air gap, in which the working coil 14 is arranged to be axially movable, is located between the pole shoe 11 and the pole disk 9. The lower yoke plate 13 is round and has the same outside diameter as the pole ring 10, while the upper yoke plate 12 has a square shape and is designed as a fastening flange for fastening the pot magnet 6 to the console 1.
The whole package of the parts 7 to 13 forming the magnet system is held together by screws 15, of which only two are visible in FIG. 1. The pot magnet 6 is inserted into a through bore 16 of the bracket 1 and rests with the square yoke plate 12 on a remote mounting surface 18 delimited by the contour 17, on which the yoke plate 12 is fastened at its four corners with screws 19.
The deflectable load receiver of the weighing device is designed as a carrier of the work coil 14 and consists of a hollow cylindrical coil body 20, which the pot magnet 6 completely encloses, and two rectangular end flanges 21 and 22 running perpendicular to the axis of the coil body. At the axial ends of the coil body 20 two webs 23, 24 and 25, 26 are provided, which connect the coil body 20 to the end flanges 21 and 22 and are fastened to the latter with screws 27.
On the two yoke plates 12 and 13 of the pot magnet 6 arranged in the space between the two end flanges, openings are formed by two lateral recesses 28, 29 and 30, 31, respectively, which extend as far as the core of the magnet system, through which openings are formed from the coil body outgoing webs 23, 24 and 25, 26 are guided to the relevant end flange 21 and 22 of the load receiver.
The load receiver 20, 21, 22 is connected to the console 1 by two links 32 and 33, which form a parallel guide. In Fig. 1, the upper link 32 is visually highlighted by hatching. The links 32 and 33, which are rigid in themselves and are arranged in two parallel planes, are T-shaped and each have elastic bending joints 34 and 35 at one point with the end flanges 21 and 22 of the load receiver and two points each by elastic bending elements 36 and 37 connected to the console 1. Clamping plates 38, 39 and 40, 41, 42, 43 and 44, 45, which are screwed onto the bracket 1, the links 32, 33 and the end flanges 21, 22, are used to fasten the bending joints.
The links 32, 33 each have an elongated opening 47 or 48 in their central web 46 for the passage of the load receiver, the end flanges 21, 22 of the load receiver and the bending joints 34 and 35 connecting them to the links 32, 33, respectively run in the relevant handlebar plane and extend within the opening 47 or 48 mentioned. The work coil 14 is located in the center of the coil body 20 and is arranged symmetrically with respect to the end flanges 21, 22 and thus also with respect to the two handlebar planes. All bending joints 34 to 37 point, starting from the handlebars, towards the central area of the space delimited by the parallel guide, in which the load receiver 20, 21, 22 and the pot magnet 6 are arranged. This results in an extremely compact design of the weighing device.
The weighing device described has an electro-optical position detector for detecting the position of the load receiver. This position detector consists in a known manner of a stationary detector optics with light source and photocell and a flag attached to the movable part of the weighing device, which plunges into the beam path of the detector optics and determines the amount of light transmission by its immersion depth. In the present example, the detector optics are located on a carrier 49, which is fastened on the front of the weighing device within a cavity 50 by means of screws 51 on the console 1. At the same time, a circuit board 52 arranged in front of the carrier 49 is fastened, which carries a part of the electronic equipment (not shown) of the weighing device which is in particular associated with the position detector.
The carrier 49 has two inwardly directed support arms 53 and 54 which extend into a passage 55 which connects the bore 16 with the cavity 50 of the console 1. A light source 56 and a photocell 57 are seated in suitable bores in the support arms 53 and 54. A slit diaphragm is formed in the beam path of the detector optics, the slit diaphragm being formed from two opposing flags 58 and 59, the flag 58 with the end flange 21 and the flag 59 with the end flange 22 the load receiver is connected or consists of one piece with this. The gap 60 between the mutually facing ends of the flags 58, 59 extends in the plane of symmetry with respect to the two handlebar planes.
In order to limit the range of motion of the load receiver 20, 21, 22 in both deflection directions, two stop surfaces 61, 62 facing one another at a distance in the deflection direction are provided on the gap diaphragm 58, 59. An actuating cylinder 63 is rotatably mounted on the carrier 49 of the position detector and has a cylindrical extension 64 arranged eccentrically to the axis of rotation of the actuating cylinder 63. The approach 64 protrudes with the play required for the deflection of the load receiver in the space between the abovementioned stop surfaces 61, 62. By rotating the actuating cylinder 63, the center of the range of movement of the load receiver can be shifted in the vertical direction and to the equilibrium position defined by the position detector Load receiver can be set.
A slotted head 65 of the actuating cylinder 63 is guided through a central bore in the printed circuit board 52, so that the actuating cylinder 63 can be easily actuated from the front of the weighing device by attaching a screwdriver to the head 65.
A threaded shoulder 66 is provided on the upper end flange 21 of the load receiver, to which, as indicated in FIG. 2, a force transmission bolt 67 can be screwed, which carries, for example, a load shell (not shown).