CH696709A8 - Plattform fuer erschuetterungsempfindliches System. - Google Patents

Description

CH 696 709 A8

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Plattform, die von am Aufstellungsort vorhandenen Erschütterungen weitgehend entkoppelt und deshalb vor allem für die Aufnahme von erschütterungsempfindlichen Messsystemen geeignet ist. Eine solche Plattform kann mit rein passiven Elementen realisiert werden. Varianten mit aktiven Elementen verwenden Lage- und Beschleunigungssensoren sowie aktive Kraftgeber, um die Plattform so zu stabilisieren, dass einerseits am Aufstellungsort vorhandene Erschütterungen von ihr ferngehalten werden und andererseits zeitlich veränderliche Kräfte, welche auf das Messsystem einwirken, kompensiert werden, und so die Plattform annähernd in Ruhe bleibt.

[0002] Systeme dieser Art sind schon seit langem bekannt, vor allem für die Aufnahme von Wägesystemen, welche bekanntlich auf Erschütterungen besonders empfindlich reagieren. Die Plattform wird meist als sehr schwere Platte - häufig eine schwere Stein- oder Betonplatte - ausgeführt, welche auf Dämpfungselementen gelagert wird. Das System Platte-Dämpfungselemente bildet ein schwingfähiges Gebilde mit einer Resonanzfrequenz im Hertz-Bereich. Für Frequenzen deutlich über einem Hertz stellt dieses System einen guten Isolator gegenüber Vibrationen dar. Ein Nachteil ist, dass durch niederfrequente Schwingungen, zum Beispiel Gebäudeschwingungen, die Plattform im Resonanzbereich angeregt werden kann; in diesem Fall verstärkt die Vorrichtung die Vibrationen - bewirkt also genau das Gegenteil des ursprünglichen Zweckes. Ein weiterer Nachteil ist, dass solche Vorrichtungen meistens sehr schwer sind; dies schränkt ihren Anwendungsbereich ein oder bedingt - damit das Messsystem in eine Anlage integriert werden kann - aufwendige Konstruktionen mit AbStützungen auf dem Boden oder an einer Wand.

[0003] Abhilfe schaffen aktive Systeme. Sie arbeiten mit Beschleunigungssensoren, die auf der zu stabilisierenden Plattform angebracht sind. Es werden bis zu sechs Beschleunigungsgeber verwendet, wenn gegenüber allen sechs möglichen Translations- und Rotationsvibrationsarten entkoppelt werden muss. Die Signale der Beschleunigungssensoren werden zu diesem Zweck einem Regler zugeführt, der über aktive Kraftgeber dafür sorgt, dass die Plattform möglichst in Ruhe bleibt. Die Kraftgeber sollten so ideal wie möglich sein, das heisst der Output - die Kraft - sollte möglichst nur von der Stellgrösse abhängig sein. Auf diese Art und Weise wird ein Durchgriff der Vibrationen am Aufstellungsort auf die zu stabilisierende Plattform unterbunden.

[0004] Überlagert zu diesem System muss ein Lageregelsystem, basierend auf Lagesensoren, verwendet werden, damit die Plattform gegenüber der Umgebung eine definierte Lage einnehmen kann.

[0005] Wenn die Kraftgeber nahezu ideal sind und die einzigen kräftemässig wirksamen Verbindungen zwischen der Plattform und ihrer Umgebung sind, dann entkoppeln solche Systeme gegenüber der Umgebung in hervorragenderweise, und Resonanzüberhöhungen gibt es nicht oder sind klein. Die Grenzfrequenz solcher Schwingungsisolationssysteme hängt allein von der Geschwindigkeit des Lageregelsystems ab; je träger dieses ist, desto tiefer ist die Grenzfrequenz. Allerdings sind der Geschwindigkeit des Lageregelsystems in der Praxis Grenzen nach unten gesetzt, denn die Plattform soll beim Einschalten oder nach einer Störung die Soll-Lage in einer bestimmten Zeit erreichen können.

[0006] Neben der Entkopplung der Plattform vom Aufstellungsort hinsichtlich Vibrationen haben solche Systeme eine weitere erwünschte Eigenschaft: Wirkt auf die zu stabilisierende Plattform eine zeitlich veränderliche Kraft, so wird diese Kraft über den Wirkungskreis Beschleunigungssensoren - Regler - Kraftgeber kompensiert, so dass die Plattform annähernd in Ruhe bleibt.

[0007] Diese vorbekannten Systeme haben nun eine Eigenschaft, die in vielen Fällen störend sein kann: Weil die Beschleunigungsgeber so gebaut sind, dass der Sensormechanismus selbst ein schwingfähiges Gebilde ist, haben geeignete Sensoren Resonanzfrequenzen, welche im Bereich von einigen zehn oder hundert Hertz liegen. Die Regelung zur Kompensation der störenden Kraft oder Kräfte kann deshalb nicht sehr schnell sein. Einschwingzeiten von einigen zehn oder hundert Millisekunden sind die Folge. Diese Zeiten sind aber zu lange, wenn auf der Plattform eine Kontrollwaage, ein Checkweigher steht - und dies aus folgendem Grund: Durch das schnelle Belasten der Kontrollwaage mit dem Wägegut wird auf die Plattform beinahe schlagartig eine Kraft ausgeübt. Diese Kraft beschleunigt die Plattform. Sie wird von den Beschleunigungssensoren detektiert, und die angeschlossene Regelung bringt die Plattform wieder in ihre Ruhelage. Während dieses Vorgangs ist die Plattform - und damit die ganze Kontrollwaage - in Bewegung. Solange aber die Plattform in Bewegung ist, liefert der Checkweigher ein verfälschtes Messresultat. Schnelles Wägen mit genügender Genauigkeit ist nicht mehr möglich. Aus diesem Grund bieten Waagenhersteller keine aktiven Schwingungsisolationssysteme an und raten vom Gebrauch ab.

[0008] Die Erfindung zeigt nun einen Weg auf, wie das oben geschilderte Problem gelöst werden kann. An Stelle der Beschleunigungssensoren treten Kraftsensoren. Sie werden zwischen der Kontrollwaage - oder einem anderen Messsystem - und der zu stabilisierenden Plattform platziert und müssen den einzigen Kraftschluss zwischen diesen beiden Teilsystemen bilden. Wenn nun eine Störkraft - zum Beispiel das Gewicht des Wägegutes - auf das System einwirkt, dann kann diese Kraft unmittelbar gemessen werden. Die Messsignale der Kraftsensoren werden dann einem Regler zugeführt, und dieser sorgt dafür, dass in den oben erwähnten Kraftgebern zusätzliche, entgegengesetzt gleich grosse Kräfte erzeugt werden. Auf diese Art und Weise bleibt die Plattform in Ruhe. Da Kraftsensoren ein dynamisches Verhalten haben, das in etwa zwei Grössenordnungen besser ist als dasjenige von Beschleunigungssensoren, ist der Kraftkompensationsprozess um mindestens zwei Grössenordnungen schneller als bei herkömmlichen Systemen (die Resonanzfrequenz geeigneter Kraftsensoren liegt im Bereich von einigen zehn Kilohertz). Nach einer Laständerung kommt deshalb das erfindungsge-

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mässe System innerhalb weniger Millisekunden zur Ruhe. Diese Zeit ist aber kurz im Vergleich zu den Messzeiten von Kontrollwaagen - sie sind in der Grössenordnung von hundert Millisekunden. Mit andern Worten: Das Wägen mit Kontrollwaagen wird durch den Kraftkompensationsprozess kaum verzögert.

[0009] Trotz des Aufwandes für Sensoren, Regelgeräte und Kraftgeber kann eine erfindungsgemässe, aktiv stabilisierte Plattform wirtschaftlich vorteilhaft sein. Weil sie klein und leicht ist, lässt sie sich viel einfacher in übergeordnete Systeme, zum Beispiel eine Fliessfertigung, Sortier- oder Abfüllstrasse, integrieren. In vielen Fällen ist eine aufwendige Spezialkon-struktion mit Fundamentierung auf der Gebäudestruktur entbehrlich.

[0010] Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer vorteilhaften Ausführungsform erläutert.

[0011] Die Zeichnung Nr. 1 zeigt ein erfindungsgemässes System.

[0012] Eine zu stabilisierende Plattform (1) mit Kraftsensoren (3) und einem Messsystem (2) wird durch aktive Kraftgeber (4) in der Schwebe gehalten. Die Kraftgeber (4) sind in vertikaler Wirkungsrichtung die einzigen kräftemässig wirksamen Verbindungen zwischen dem Aufstellungsort und der zu stabilisierenden Plattform (1), und sie erzeugen in vertikaler Richtung Kräfte, die von der Regelung (5) vorgegeben werden. Kräfte, die vom Aufstellungsort auf die Kraftgeber (4) wirken, sollen möglichst keinen Einfluss auf den Ausgang der Kraftgeber haben. In den horizontalen Richtungen können die Kraftgeber (4) Kräfte zum Beispiel infolge eines Formschlusses übertragen; auf diese Art und Weise wird die Plattform

(1) in den horizontalen Richtungen fixiert. Alternativ kann diese Aufgabe speziellen mechanischen Elementen übertragen werden. Die Plattform (1) trägt ein Messsystem (2), zum Beispiel eine Waage, oder den Teil eines Messsystems. Die einzigen kräftemässig wirksamen Verbindungen in vertikaler Wirkungsrichtung zwischen der Plattform (1) und dem System

(2) sind Kraftsensoren (3). Im Allgemeinen sind diese so ausgelegt, dass sie einzig die vertikal wirkende Kraftkomponente messen. In diesem Fall können sie auch die Aufgabe übernehmen, das System (2) in den horizontalen Richtungen zu fixieren. Andernfalls ist diese Aufgabe speziellen mechanischen Elementen zu übertragen.

[0013] Die zu stabilisierende Plattform (1) wird über ein Lageregelsystem in der Schwebe gehalten. Zu diesem Zweck misst ein Lagesensor (6) die vertikale Abweichung der Plattform (1 ) gegenüber der Umgebung. Das Lagesignal wird einem Regler (5) zugeführt, der via Kraftgeber (4) die Plattform (1) in der Schwebe hält. Je träger die Lageregelung ist, desto weniger wird die Plattform (1 ) dem durch Vibrationen zusätzlich erzeugten Lagesignal folgen. Dies ergibt den gewünschten Entkopplungseffekt gegenüber Erschütterungen am Aufstellungsort.

[0014] Auch die Signale der Kraftsensoren (3) werden der Regelung (5) zugeführt. Diese sorgt dafür, dass die Kraftgeber (4) zusätzliche Kräfte erzeugen, die den von den Kraftsensoren (3) gemessenen entgegenwirken. Auf diese Art und Weise werden Kräfte, die auf das System (2) wirken, kompensiert, so dass das ganze System, bestehend aus Messsystem (2) und Plattform (1), in Ruhe bleibt.

[0015] Im Allgemeinen sind mindestens drei Kraftsensoren (3), drei Lagesensoren (6) und drei Kraftgeber (4) notwendig, um die zu stabilisierende Plattform (1) in der Schwebe zu halten und gleichzeitig gegenüber drei von sechs möglichen Translations- und Rotationsvibrationsarten zu entkoppeln: der vertikalen translatorischen Erschütterung und den beiden Rotationsvibrationsarten mit horizontalen Rotationsachsen. Für Messsysteme, zum Beispiel Waagen, die nur auf diese drei Vibrationsarten empfindlich sind, genügt das geschilderte System. Für Systeme, die auf weitere Vibrationsarten empfindlich sind, muss pro Vibrationsart je ein zusätzlicher Kraftsensor, ein Lagesensor und ein Kraftgeber aufgewendet werden.

[0016] Wenn das System (2) ein Wägesystem sein soll und die Kraftsensoren über eine genügende Genauigkeit verfügen, dann können ihre Signale selbst für die Gewichtsmessung herangezogen werden; wenn die Wandlerkonstante aller Kraftsensoren gleich ist, können die Signale für diesen Zweck einfach addiert werden. Auf diese Art und Weise kann auf ein eigentliches Wägesystem verzichtet werden. Dies wäre dann eine besonders wirtschaftliche Lösung für ein schnelles Wägesystem in erschütterungsreicher Umgebung.

Claims (2)

Patentansprüche

1. Mit Hilfe von Lagesensoren, einer Regelung und aktiven Kraftgebern in der Schwebe gehaltene und dergestalt vom Aufstellungsort kräftemässig entkoppelte Plattform für die Aufnahme eines erschütterungsempfindlichen Systems, insbesondere Messsystems, dadurch gekennzeichnet, dass in den Wirkungsrichtungen der zu dämpfenden Erschütterungen die einzigen kräftemässig wirksamen Verbindungen zwischen dem erwähnten System und der erwähnten Plattform durch Kraftsensoren hergestellt werden, deren Sensorsignale dazu verwendet werden, um in den erwähnten Kraftgebern zusätzliche, entgegengesetzt gerichtete Kräfte zu erzeugen, die gleich gross sind wie die von den Kraftsensoren gemessenen.

2. Plattform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System selbst nur aus einer Waagschale besteht und die Signale der erwähnten Kraftsensoren für die Ermittlung des Gewichts des Wägegutes herangezogen werden.

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