CN110631667B - 用于求取称量对象的重量的称量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于求取称量对象的重量的称量装置，称量装置具有基体（2）和称量杆（6），基体包括第一支承部件（3），称量杆包括第二支承部件（4），第二支承部件与第一支承部件（3）共同形成摆动支承部（11），摆动支承部用于相对于基体（2）以能够摆动运动的方式支承称量杆（6），其中，在称量杆（6）处构造有用于接收称量对象的接收区域（7）。根据本发明设置，支承部件（3、4）中的至少一个支承部件包括超导体（20）并且支承部件（3、4）中的至少一个支承部件包括永磁体（23），以便实现在摆动支承部（11）中的无接触的力传递。

Description

用于求取称量对象的重量的称量装置

技术领域

本发明涉及一种用于求取称量对象的重量的称量装置，所述称量装置具有基体和称量杆，所述基体包括第一支承部件，所述称量杆包括第二支承部件，所述第二支承部件与所述第一支承部件共同形成摆动支承部，所述摆动支承部用于相对于所述基体以能够摆动运动的方式支承所述称量杆，其中，在所述称量杆处构造有用于接收称量对象的接收区域。

背景技术

现有技术已公开了天平杠秤，在所述天平杠秤中，通过下述方式来求取称量对象的重量、尤其是重力：所述称量对象接收在第一天平托盘中，所述第一天平托盘安装在称量杆的第一端部区域处。然后，在安装在该称量杆的第二端部区域处的第二天平托盘中一直接收具有已知质量的重块，直到以能够摆动运动的方式支承在基体处的称量杆水平地定向。在这种情况下认为，所述称量杆恰好在中间配备有摆动支承部，并且两个天平托盘和所述天平托盘在所述称量杆处的悬挂件分别具有相同的质量，并且所述称量杆关于布置在中间的摆动支承部具有均匀的质量分布。

发明内容

本发明的任务在于提供具有改善的准确性的称量装置。

利用权利要求1的特征为开头提到的类型的称量装置解决上述任务。在这种情况下设置，所述支承部件中的至少一个支承部件包括超导体并且所述支承部件中的至少一个支承部件包括永磁体，以便实现在所述摆动支承部中的无接触的力传递。

因此，根据本发明的称量装置与现有技术中已公开的天平杠秤的区别在于该称量杆的无接触的支承，由此消除了所述基体与所述称量杆之间的支承摩擦，如在已公开的称量装置中应当考虑的那样。更确切地说，为了相对于所述基体位置固定地并且能够摆动运动地支承该称量杆，设置有无接触的力传递，在所述力传递中利用超导体的性能，所述超导体优选构造为Ⅱ类超导体（高温超导体）。为了执行称量过程，所述超导体保持在材料特定的转变温度并且尤其保持低于该材料特定的转变温度。此外，在冷却到低于所述材料特定的转变温度的冷却过程期间利用外部磁场加载（钉扎）所述超导体，该外部磁场这样配置，使得相应地另外的支承部件相对于该超导体仅能够实施围绕恰好一个摆动轴线的摆动运动，所述另外的支承部件尤其构造为永磁体或者永磁体组件。由于该超导体的磁场施加，而将所述支承部件的线性运动和所述支承部件围绕其它摆动轴线的摆动运动排除在外。

本发明的有利的扩展方案是从属权利要求的对象。

优选设置，在所述称量杆与所述基体之间布置有力测量装置。所述力测量装置实现自动化的称量过程，因为与已公开的天平杠秤不同，不必通过放上重块而补偿该称量对象的重力，而是能够根据该称量杆作用到所述力测量装置上的力作用和由此产生的传感器信号在配属的评估装置中推断出该称量对象的重力。优选地，所述力测量装置配属于该称量杆的端部区域，并且布置在该称量杆的端部区域与所述基体之间。

适宜的是，所述力测量装置包括磁性部件，所述磁性部件用于在所述称量杆与所述布置在所述基体处的力接收器之间的无接触的力传递。为了避免在所述称量杆与所述力测量装置之间的不期望的摩擦效果，设置在所述称量杆与所述力接收器之间的无接触的力传递，该力传递能够借助于磁性部件实现。这个磁性部件示例性地能够包括两个相互反方向地并且同轴地定向的条形磁体，其中，第一条形磁体布置在所述称量杆处，并且第二条形磁体布置在所述力接收器处。替代地，所述磁性部件也能够包括多个定向得和/或成形得和/或极化得不同的永磁体和/或电磁线圈，以便确保期望的无接触的力传递。

关键的是，该磁体组件的对置的部件产生足够大的排斥力，所述排斥力在为该称量装置的按照规定的用途而设置的力间隔内始终确保气隙、进而确保在所述称量杆与所述力接收器之间的期望的无接触的力传递。

优选设置，所述支承部件中的至少一个支承部件相对于所述称量杆的摆动轴线旋转对称地构造。通过这个措施确保，在该称量杆相对于所述基体摆动运动时，不出现在两个支承部件之间的磁通量的不期望的改变。这样的通量变化此外还能够导致在所述摆动支承部中的取决于摆动角度的力传递，由此会妨碍该称量装置的准确性。可选地能够设置，所述两个支承部件在竖直方向上相互间隔开地布置。在这种情况下考虑到用于所述超导体的通常必需的冷却而优选设置的是，配属于所述称量杆的支承部件仅包括永磁体，并且配属于所述基体的支承部件包括所述超导体并且必要时包括其它永磁体。替代地能够设置，所述支承部件与所述摆动轴线同轴地布置。当所述称量装置在存在低于所述材料特定的超导体转变温度的温度的环境中运行，从而无需该超导体的直接冷却时，所述支承部件的这样的构型尤其是有利的。示例性地能够为此设置，悬臂分别从所述称量杆沿着所述摆动轴线在相反的方向上伸出，所述悬臂在端部侧分别配备有与所述摆动轴线同轴地构造的、尤其是圆盘形的支承部件，相应地与这个支承部件对置地布置配属于所述基体的支承部件。

特别优选地设置，所述支承部件中的至少一个支承部件包括多个永磁体，所述永磁体优选同轴地布置、尤其是与所述摆动轴线同轴地布置，所述永磁体圆盘形地或者圆环形地构造。通过使用多个圆盘形地或者圆环形地构造的永磁体，可能存在的在相应的永磁体的磁化方面的不均匀性能够被补偿。这尤其适用于所述永磁体的同轴的布置，所述永磁体优选都具有相同的外直径并且尤其是沿着共同的轴线、尤其是沿着所述摆动轴线具有相同的延伸范围。特别优选地设置，相邻布置的永磁体反方向地在轴向上或者在径向上磁化，以便相对于所述超导体为所述称量杆确保有利的位置固定的并且仅能够在恰好一个空间方向上摆动运动的支承。

在本发明的一种有利的扩展方案中设置，在所述称量杆处设置有平衡配重，所述平衡配重布置得能够运动，所述平衡配重尤其是配备有用于沿着所述称量杆改变位置的驱动装置。借助于以能够运动的方式布置在所述称量杆处的平衡配重能够补偿不同的重力，所述重力由不同的称量对象导入到所述称量杆上。就所述力测量装置而言尤其重要的是，所述力测量装置为了尽可能高的准确性而只能够在预先给定的力间隔内负载。示例性地能够设置，所述称量杆在放上称量对象之前通过适合地布置该平衡配重而贴靠在配属于所述基体的止挡部上，然后放上该称量对象，其中，首先该称量杆保持贴靠在所述止挡部处。然后，该平衡配重沿着该称量杆移位，由此补偿该称量对象的重力，直到所述称量杆离开贴靠处并且在所述称量杆与布置在所述基体处的力接收器之间存在期望的无接触的力传递。可选地，该平衡配重的位置沿着该称量杆的移位能够手动地或者通过驱动装置来进行，其中，所述驱动装置优选固定在所述称量杆处并且由于该驱动装置的重力同样提供用于补偿该称量对象的重力的补偿功能。可选地能够设置，设置有沿着该称量杆对该平衡配重的位置的无级调节，或者所述平衡配重能够沿着该称量杆占据一个或者多个优先位置，从而使得尤其是在手动调节该平衡配重的位置时确保该称量过程的快速执行。补充地或者替代地，能够设置，所述接收区域以能够运动的方式布置在所述称量杆处，优选能够与所述平衡配重同步被推移，尤其是与所述平衡配重刚性耦合，以便确保该接收区域与所述平衡配重同步的强制运动。补充地或者替代地，还能够设置，所述称量杆能够以望远镜的方式被延长，以便实现该天平灵敏度的调节。

优选设置，所述平衡配重配属有位置测量装置，所述位置测量装置构造用于求取所述平衡配重沿着所述称量杆的位置。利用这个位置测量装置进行用于所述平衡配重的位置求取，该位置测量装置例如实施为使用精密玻璃刻度尺的光学系统或者基于光学距离确定、尤其是无接触的光学距离确定的光学系统。由所述位置测量装置提供的位置信号能够提供给评估装置，该评估装置在考虑该力测量装置的信号的情况下能够确定该测量对象的重力。

在本发明的另一种构型方案中设置，所述基体配属有第一耦合装置，并且所述称量杆配属有第二耦合装置，所述第一耦合装置和所述第二耦合装置形成用于无接触的、尤其是感应式的和/或电容式的和/或光学的能量传递和/或信息传递的耦合路段。两个耦合装置例如实现从所述基体到所述称量杆上的无接触的能量供给，这尤其是在使用用于所述平衡配重的驱动装置和/或用于所述平衡配重的位置测量装置时有利。补充地或者替代地，由所述耦合装置形成的耦合路段也能够用于信息传递、尤其是用于传感器信号的传递，这尤其是在使用在所述称量杆处的用于求取该平衡配重的位置的位置测量装置时有利。示例性地，在所述第一耦合装置与所述第二耦合装置之间设置感应式的能量传递，为此，所述第一耦合装置包括励磁线圈，利用电流加载该励磁线圈，以便能够给接收线圈提供磁场、尤其是交变磁场，所述接收线圈配属于所述第二耦合装置。替代地，所述第一耦合装置能够构造为光源，并且所述第二耦合装置能够构造为太阳能电池式的光电能量转换器。为了进行信息传递，补充地或者替代地，也能够设置、尤其是根据常规的无线电标准（例如蓝牙或者ZigBee）设置无线电路段，其中，能够设置单向的或者双向的信息传递。

在本发明的另一种构型方案中设置，所述第一支承部件包括所述超导体，并且所述第二支承部件包括多个永磁体，所述永磁体圆盘形地或者圆环形地构造并且与所述摆动轴线同轴地定向，并且所述超导体配属有冷却装置。

优选设置，所述永磁体分别具有圆柱形的外表面，并且相应地相邻布置的永磁体具有反方向的、尤其是径向的或者轴向的磁化。优选设置所有永磁体具有相同的外直径。特别优选地设置，所述永磁体具有相同的、尤其是径向的或者轴向的磁化。

附图说明

在附图中示出本发明的一种有利的实施方式。在这里示出：

图1：称量装置的纯示意性的、未按比例的侧视图，和

图2：根据图1的称量装置的正视视角的剖面图示。

具体实施方式

在图1和2中示出的称量装置1构造用于求取未详细示出的称量对象的重量——更准确地说——重力，并且例如能够在实验室中使用，以便执行精确的称量过程。称量装置1原则上根据天平杠秤的原理来构造并且包括基体2，该基体示例性地构造为方形的底板，在下文中详细说明的第一支承部件3以及力接收器5安装在所述底板处。此外，称量装置1包括称量杆6，该称量杆纯示范性地构造为方形的板，该称量杆配属有第二支承部件4，该第二支承部件与第一支承部件3共同构成摆动支承部11。摆动支承部11具有围绕在图2中示出的摆动轴线12的运动的恰好一个旋转自由度，而围绕其它摆动轴线的摆动运动或者两个支承部件3、4相互的线性运动被禁止。此外，称量杆6还包括接收区域7和平衡配重8，该接收区域示例性地构造为天平托盘，该平衡配重配属有驱动装置9和位置测量装置10。

示例性地，力接收器5和称量杆6分别配属有磁性部件15、16，所述磁性部件纯示范性地构造为轴向磁化的并且相互反方向定向的条形磁体。磁性部件15、16以下文详细说明的方式用于称量杆6与力接收器5之间的无接触的力传递。磁性部件15、16与力接收器5共同形成力测量装置17。

如能够从图2的示意图中得出的那样，第一支承部件3包括仅示意性的并且没有详细示出的冷却装置18、隔热容器19以及接收在隔热容器9的内部的超导体20，该超导体纯示范性地构造为方形。例如设置，超导体20由钇钡铜氧化物（YBCO）制成并且从而形成Ⅱ类超导体，并且超导体20通过两个与冷却装置18耦合的冷却指21、22支承在隔热容器19中。通过冷却指21、22也进行从超导体20到冷却装置18的热量输送，该冷却装置例如是未详细示出的电驱动的斯特林发动机。此外，还能够设置，隔热容器19被抽真空，从而使得从称量装置1的环境中输入到接收在隔热容器9中的超导体20上的热量输入最小。超导体20借助于冷却装置18保持在低于超导体20的材料特定的转变温度的温度。

当将超导体20从高于超导体20的材料特定的转变温度的温度冷却到低于所述材料特定的转变温度的温度时，设置的是，如果第二支承部件占据相对于超导体20的、在图1和2中示出的位置，则使得外部磁场能够作用到超导体20上，该外部磁场对应于第二支承部件4的磁场。由此，在超导体20中在未超过所述材料特定的转变温度的温度时形成所谓的量子化磁通量线，该量子化磁通量线反作用于从外部施加的磁场的变化，并且因此确保以期望的方式相对于第一支承部件3定位第二支承部件4。

为了即使在量子化磁通量线施加在超导体20中的情况下仍实现第二支承部件4相对于第一支承部件3围绕摆动轴线12的可摆动运动性，第二支承部件4的纯示范性地构造为圆盘形的永磁体23以均匀的方式关于摆动轴线12磁化。与此对应地，在第二支承部件4围绕摆动轴线12摆动运动时，由第二支承部件4发出的磁通量相对于超导体20不发生改变，从而确保称量杆6相对于基体2的无接触的并且完全无摩擦的支承。优选设置，永磁体23在轴向上沿着摆动轴线12磁化，因为由此能够成本有利地制造永磁体23。特别优选地设置，彼此相邻地沿着摆动轴线12布置的永磁体23反方向地磁化，以便相对于超导体20确保稳定的定位。永磁体23以未详细示出的方式固定在称量杆6的下侧处。

固定在基体2处的力接收器5纯示范性地构造为弯曲体24和应变计30的组合，该弯曲体示例性地构造为U形，该应变计安装在弯曲体24的外表面处。弯曲体24利用下侧25平放在形状稳定的支撑体26上，该支撑体自身固定在基体2上。在弯曲体24的上侧27处布置有第一磁性部件15。在称量杆6围绕摆动轴线12进行相对运动时，根据称量杆6的运动方向，磁性部件16相对于磁性部件15靠近或者远离，并且由此增加或者减小在两个磁性部件15、16之间传递的力。由此引起弯曲体24变形，在变形时，弯曲体24的两个臂28、29要么相互靠近、要么相互远离。在这种情况下，弯曲体24的外部几何形状也发生变化，由此引起应变计30变形。应变计30例如构造为具有取决于变形的电阻的电阻元件，并且能够借助于传感器线路31被评估装置32以电子的方式探测。应变计30的通过传感器线路31获取的传感器信号与导入到弯曲体24上的力有预先给定的关联，并且为了求取未详细示出的称量对象的重力，评估装置32考虑该传感器信号。

接收区域7纯示范性地布置在称量杆6的第一端部区域33处。在称量杆6的第二端部区域34处纯示范性地布置有构造为步进电动机的驱动装置9，该驱动装置通过未详细示出的螺纹传动件以运动学的方式与能够线性运动地支承在称量杆6处的平衡配重8耦接。因此，驱动装置9的未详细示出的驱动轴的和与所述驱动轴刚性耦接的螺纹杆的旋转运动引起平衡配重8的线性运动。平衡配重8包括发送元件35，该发送元件构造用于与位置测量装置10的相互作用，从而使得位置测量装置10能够根据平衡配重8的线性位置提供电的位置信号。

示例性地设置，将驱动电能从评估装置32传递到驱动装置9处和将所述位置信号从位置测量装置10传递到评估装置32处都无接触地通过耦合路段36实现。耦合路段36纯示范性地构造用于感应式的能量传递和信号传递，并且包括与评估装置32电连接的第一耦合装置37以及纯示范性地构造在驱动装置9处的第二耦合装置38。在此，两个耦合装置37、38构造用于双向传递磁场，其中，通过调制所述磁场也能够实现期望的信息传递、尤其是该位置信号的传递。

称量装置1的工作原理能够如下所述：

首先，称量装置1的全部部件、尤其是超导体20具有相同的温度，例如20度的室温。在这个时间点，不设置称量杆6相对于基体2的浮动支承，而是将称量杆6通过未详细示出的间隔保持件固定在如图1示意性示出的位置中。

然后，激活冷却装置18，该冷却装置通过冷却指21和22引起从隔热容器19中并且尤其是从超导体20中输送出热量。由于称量杆6配备有永磁体23并且永磁体23的磁场作用到超导体20上，这个超导体在达到或者未超过其材料特定的转变温度时在其内部对从外部通过永磁体23提供的、以量子化磁通量线的形式的磁场进行所谓的“钉扎（pinning）”。自不超过该材料特定的转变温度的时间点起，构造在超导体20中的量子化磁通量线抵抗外部磁场的改变，从而使得自这个时间点起该外部磁场的每个改变、尤其是永磁体23的空间移位都导致产生反应力，该反应力保证称量杆6相对于基体2的位置不变。

与此对应地，自超导体20不超过该材料特定的转变温度的时间点起，移除未详细示出的间隔保持件，并且所述称量杆通过由第一支承部件3和第二支承部件4形成的摆动支承部11以能够摆动运动并且其他方面位置不变地无接触的方式支承在基体2处。

然后，能够进行用于称量装置1的校准过程。为此，首先必须保证在接收区域7中未布置称量对象。然后，以如下方式操控驱动装置9，使得平衡配重8沿着称量杆6这样移位，使得在两个磁性部件15、16之间出现最小的、尤其是微不足道的力作用，该力作用以力测量装置17的最小信号电平的方式表现出来。为此，能量和操控信号通过耦合路段36从评估装置32以无接触的方式传递到驱动装置9处。

现在，评估装置32存储平衡配重8的位置，该位置借助于位置测量装置10求取并且以无接触的方式通过耦合路段36传递到评估装置32处。此外，评估装置32存储力测量装置17的信号电平，该信号电平能够通过传感器线路31传递。

在执行这个校准过程之后，现在将未示出的称量对象放置到构造为天平托盘的接收区域7上。基于该称量对象的质量和由此产生的重力，力导入到称量杆6上。由此导致第二磁性部件16与第一磁性部件15之间的靠近，所述第二磁性部件和所述第一磁性部件分别能够构造为条形磁体，其中，两个条形磁体的同名的极相互对置，以便提供排斥力，该排斥力实现在两个磁性部件15、16之间的无接触的力传递。磁性部件15、16之间的间距取决于两个条形磁体之间的排斥力以及能够无接触地传递的力。

如果该称量对象的重力不超过能够预先给定的值——在该值时保证的是两个条形磁体之间的排斥力能够维持两个条形磁体之间的气隙并且不超过力接收器5的量程——则能够设置，对于平衡配重8而言不改变位置。在这种情况下，该称量对象的重力仅根据由力测量装置17提供给评估装置32的传感器信号来确定。

相反，如果该称量对象的重力超过能够预先给定的值，则能够出现下述情况：两个磁性部件15、16之间的间距消失和/或弯曲体24的臂29与安装在臂28处的并且用作过载保护的封锁体39相贴靠。与此对应地，在评估装置32中出现用于力测量装置17的传感器信号的信号曲线，评估装置32能够根据该信号曲线推断出该称量对象的重力已超过所述预先给定的值。在这种情况下，评估装置32设置用于通过耦合路段36将电能以及操控信号提供给驱动装置9，以便引起平衡配重8的移位，从而使得这个平衡配重相对于接收区域7的间距更大。由此，由平衡配重8引起的作用到称量杆6上的扭矩发生改变，该扭矩抵抗由该称量对象的重力引起的作用到称量杆6上的扭矩。

优选地，一直改变平衡配重8的位置，直到以最小的力来加载力测量装置17，该最小的力尤其是与在所述校准过程中求取的最小的力相同。

如果力测量装置17发射具有信号电平的信号——根据该信号电平能够推断出在两个磁性部件15、16之间的微不足道的力，则评估装置32能够仅根据现在由平衡配重8占据的并且借助于位置测量装置10求取的位置计算由所述称量对象施加到称量杆6上的重力。

如果力测量装置17发射具有信号电平的信号——该信号电平表明在两个磁性部件15、16之间的高于在所述校准过程期间存在的力水平的力传递，则评估装置32不仅根据作用到力测量装置17上的力作用还根据平衡配重8沿着称量杆6的位置计算该称量对象的重力，所述位置借助于位置测量装置19求取。

Claims (15)

1.用于求取称量对象的重量的称量装置，所述称量装置具有基体（2）和称量杆（6），所述基体包括第一支承部件（3），所述称量杆包括第二支承部件（4），所述第二支承部件与所述第一支承部件（3）形成摆动支承部（11），所述摆动支承部用于相对于所述基体（2）以能够摆动运动的方式支承所述称量杆（6），其中，在所述称量杆（6）处构造有用于接收称量对象的接收区域（7），其特征在于，所述第一和第二支承部件（3、4）中的至少一个支承部件包括超导体（20）并且所述第一和第二支承部件（3、4）中的至少一个支承部件包括永磁体（23），以便实现在所述摆动支承部（11）中的无接触的力传递。

2.根据权利要求1所述的称量装置，其特征在于，在所述称量杆（6）与所述基体（2）之间布置有力测量装置（17）。

3.根据权利要求2所述的称量装置，其特征在于，力测量装置（17）包括磁性部件，所述磁性部件用于在所述称量杆（6）与布置在所述基体（2）处的力接收器（24、30）之间的无接触的力传递。

4.根据权利要求1或者2所述的称量装置，其特征在于，所述第一和第二支承部件（3、4）中的至少一个支承部件相对于所述称量杆（6）的摆动轴线（12）旋转对称地构造。

5.根据权利要求3所述的称量装置，其特征在于，所述第一和第二支承部件（3、4）中的至少一个支承部件包括多个永磁体（23），所述永磁体圆盘形地或者圆环形地构造。

6.根据权利要求5所述的称量装置，其特征在于，所述永磁体同轴地布置。

7.根据权利要求4所述的称量装置，其特征在于，所述永磁体与摆动轴线（12）同轴地布置。

8.根据权利要求1所述的称量装置，其特征在于，在所述称量杆（6）处设置有平衡配重（8），所述平衡配重布置得能够运动。

9.根据权利要求8所述的称量装置，其特征在于，所述平衡配重配备有用于沿着所述称量杆（6）改变位置的驱动装置（9）。

10.根据权利要求8所述的称量装置，其特征在于，平衡配重（8）配属有位置测量装置（10），所述位置测量装置构造用于求取所述平衡配重（8）沿着所述称量杆（6）的位置。

11.根据权利要求1所述的称量装置，其特征在于，所述基体（2）配属有第一耦合装置（37），并且所述称量杆（6）配属有第二耦合装置（38），所述第一耦合装置和所述第二耦合装置形成用于无接触的能量传递和/或信息传递的耦合路段（36）。

12.根据权利要求11所述的称量装置，其特征在于，所述第一耦合装置和所述第二耦合装置形成用于感应式的和/或电容式的和/或光学的能量传递和/或信息传递的耦合路段（36）。

13.根据权利要求4所述的称量装置，其特征在于，所述第一支承部件（3）包括所述超导体（20），并且所述第二支承部件（4）包括多个永磁体（23），所述永磁体圆盘形地或者圆环形地构造并且与摆动轴线（12）同轴地定向，并且所述超导体（20）配属有冷却装置（18）。

14.根据权利要求13所述的称量装置，其特征在于，所述永磁体（23）分别具有圆柱形的外表面，并且分别相邻布置的永磁体（23）具有反方向的磁化。

15.根据权利要求14所述的称量装置，其特征在于，分别相邻布置的永磁体（23）具有反方向的径向的或者轴向的磁化。

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