DE102009015029A1

DE102009015029A1 - Oberschalige Waage mit Ecklastsensor

Info

Publication number: DE102009015029A1
Application number: DE102009015029A
Authority: DE
Inventors: Jochen DÖRNER; Dennis GRÖSCHE; Christian Schrader
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius Lab Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: DE102009015029B4

Abstract

Für eine oberschalige elektronische Waage mit einer Waagschale, die sich auf einem durch einen oberen (3) und einen unteren (4) Lenker parallelgeführten Lastaufnehmer abstützt, mit mindestens einem Ecklastsensor, der bei außermittiger Lage des Wägegutes auf der Waagschale ein Signal abgibt, und mit einer Waagenelektronik, in der Ecklastfehler der Parallelführung mit Hilfe des Signals des Ecklastsensors rechnerisch korrigierbar sind, wird vorgeschlagen, dass der Ecklastsensor ein optischer Sensor ist, der die Verschiebung des Lastaufnehmers (2) oder mindestens eines Lenkers (3, 4) bei außermittiger Lage des Wägegutes auf der Waagschale erfasst, und dass der optische Sensor aus einer Strahlungsquelle (22; 23), einem ortempfindlichen Strahlungsempfänger (32; 33), die beide gehäusefest angeordnet sind, und einer Blende (12; 13) bzw. einem Reflektor, die/der am Lastaufnehmer (2) oder an einem der Lenker (3, 4) angeordnet ist, besteht. Dadurch lässt sich der Ecklastsensor ohne zusätzlichen Raumbedarf in vorhandene Wägesysteme integrieren und es sind keine elektrischen Zuleitungen zu beweglichen Teilen der Waage notwendig, wodurch sich der Ecklastsensor auch für Waagen geringer Höchstlast einsetzen lässt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine oberschalige elektronische Waage mit einer Waagschale, die sich auf einem durch einen oberen und einen unteren Lenker parallelgeführten Lastaufnehmer abstützt, mit mindestens einem Ecklastsensor, der bei außermittiger Lage des Wägegutes auf der Waagschale ein Signal abgibt, und mit einer Waagenelektronik, in der Ecklastfehler der Parallelführung mit Hilfe des Signals des Ecklastsensors rechnerisch korrigierbar sind.
Eine Waage dieser Art ist z. B. aus der DE 30 03 862 A1 bekannt. Dort sind Dehnungsmessstreifen als Ecklastsensoren vorgesehen. In einer ersten Ausgestaltung detektieren die Dehnungsmessstreifen die ecklastabhängige Verbiegung eines vertikalen, zwischen Lastaufnehmer und Waagschale angeordneten Stabes. In einer zweiten Ausgestaltung sind die Dehnungsmessstreifen am gehäusefesten Ende eines Lenkers der Parallelführung angeordnet und messen dort die ecklastabhängigen Kräfte im Lenker.
Diese Lösungen sind jedoch beide für Waage mit geringer Höchstlast (≦ 300 g) und hoher Auflösung schlecht geeignet: Bei geringer Höchstlast muss die Strebe mit den Dehnungsmessstreifen relativ dünn und lang gemacht werden, um ein genügend großes Dehnungsmessstreifen-Signal zu erzielen. Dadurch vergrößert sich aber die Bauhöhe der Waage und die Waagschale kippt bei Ecklast deutlich sichtbar. Außerdem führen die elektrischen Zuleitungen zu den Dehnungsmessstreifen leicht zu variablen Kräften auf den Stab und verfälschen dadurch das Wägeergebnis. Bei der zweiten Ausgestaltung mit Dehnungsmessstreifen am gehäusefesten Ende eines Lenkers sind die Kräfte bei geringer Höchstlast zu klein, um ein auswertbares Dehnungsmessstreifen-Signal zu erhalten.
Ein ähnliches System wie die erste Ausgestaltung der DE 30 03 862 A1 ist auch aus der EP 055 633 A2 bekannt. Wieder ist ein verbiegbarer vertikaler Stab zwischen Lastaufnehmer und Waagschale vorgesehen, dessen Verbiegung kapazitiv, fotoelektrisch oder mittels Dehnungsmessstreifen gemessen wird. Bei der kapazitiven und der fotoelektrischen Messung werden zwar keine elektrischen Kontaktierungen des beweglichen Teils des Sensors benötigt, es bleibt aber der Nachteil der vergrößerten Bauhöhe und der kippenden Waagschale.
Weiterhin ist es aus der DE 38 11 942 A1 bekannt, als Ecklastsensor eine nachgiebige Unterschale zu benutzen, deren ecklastabhängige vertikale Verbiegung gegenüber einer Referenzplatte durch beliebige Abstandssensoren, z. B. nach dem Wirbelstromverfahren oder optische Abstandssensoren, gemessen wird. Auch in dieser Lösung sind elektrische Zuführungen zu beweglichen Teilen des Wägesystems nötig, sodass bei geringer Höchstlast die Gefahr der Verfälschung des Wägeergebnisses besteht. Außerdem sind zusätzliche Baugruppen außerhalb des eigentlichen Wägesystems für den Ecklastsensor notwendig, sodass die äußeren Abmessungen der Waage steigen.
Aufgabe der Erfindung ist nun, den Ecklastsensor für eine Waage der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass er auch bei Waagen geringer Höchstlast einsetzbar ist und dass er keine Vergrößerung des Raumbedarfes der Waage verursacht.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Ecklastsensor ein optischer Sensor ist, der die Verschiebung des Lastaufnehmers oder mindestens eines Lenkers bei außermittiger Lage des Wägegutes auf der Waagschale erfasst, und dass der optische Sensor aus einer Strahlungsquelle, einem ortsempfindlichen Strahlungsempfänger, die beide gehäusefest angeordnet sind, und einer Blende bzw. einem Reflektor, die/der am Lastaufnehmer oder an einem der Lenker angeordnet ist, besteht.
Durch die Benutzung eines optischen Sensors, von dem nur die Blende bzw. der Reflektor an den beweglichen Teilen der Waage angeordnet ist, wird jede verfälschende Kraft auf die beweglichen Teile der Waage vermieden, sodass der Ecklastsensor auch für Waagen geringer Höchstlast einsetzbar ist. Die Strahlungsquelle und der ortsempfindliche Strahlungsempfänger, die elektrische Anschlussleitungen erfordern, sind beide gehäusefest angeordnet. Als Strahlungsquelle kann vorteilhafterweise eine LED eingesetzt werden. Als ortsempfindlicher Strahlungsempfänger kann jeder Sensor eingesetzt werden, der ein vom Auftreffort der Strahlung abhängiges Signal abgibt; in der einfachsten Variante kann dies eine Doppelfotodiode sein. Durch die geringe Baugröße einer LED und eines optischen Sensors, sowie durch die Verschiebungsmessung am Lastaufnehmer bzw. an einem oder mehreren Lenkern kann der Ecklastsensor problemlos in das übliche Wägesystem integriert werden, sodass kein zusätzlicher Raumbedarf entsteht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren beschrieben.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung der oberschaligen Waage mit Parallelführung und optischen Ecklastsensoren,
2 eine perspektivische Darstellung des Wägesystems einer elektronischen Waage mit optischen Ecklastsensoren,
3 das Wägesystem aus 2 in einer anderen Perspektive und
4 eine beispielhafte Ausgestaltung des optischen Ecklastsensors in vergrößerter Darstellung.
In der schematischen Darstellung in 1 erkennt man eine Waagschale 5, die sich auf einem Lastaufnehmer 2 abstützt. Der Lastaufnehmer 2 ist dabei durch einen oberen Lenker 3 und einen unteren Lenker 4, die eine Parallelführung bilden, in senkrechter Richtung beweglich mit Fixpunkten eines gehäusefesten Bereiches 1 verbunden. Die Gelenkstellen an den Lenkern sind dabei durch kleine Kreise schematisch angedeutet und mit 10 bezeichnet. Weiter erkennt man einen Übersetzungshebel 6, der an einem weiteren Fixpunkt des gehäusefesten Bereiches 1 gelagert ist. Die Gewichtskraft eines Wägegutes auf der Waagschale 5 wird über ein Koppelelement 7 auf den kurzen Hebelarm des Übersetzungshebels 6 übertragen; die Gelenkstellen am Koppelelement 7 sind ebenfalls mit 10 bezeichnet. Am langen Hebelarm des Übersetzungshebels ist eine Spule 8 befestigt, die in den Luftspalt eines Permanentmagnetsystems 9 hineinragt. Die Lage des Übersetzungshebels 6 wird durch die Schlitzblende 11 eines optischen Lagensensors abgetastet und regelt den Strom durch die Spule 8 so, dass am Übersetzungshebel Gleichgewicht herrscht. – Oberschalige Waagen mit Lenkerparallelführung, Hebelübersetzung und elektromagnetischer Kraftkompensation sind allgemein bekannt und müssen daher hier nicht ausführlich erläutert werden.
Das Wägesystem in 1 weist nun weiterhin am oberen Lenker 3 auf beiden Seiten je eine Schlitzblende 12 bzw. 13 auf. Diese Schlitzblenden sind jeweils Teil eines optischen Lagensensors. Die zugehörigen gehäusefesten Strahlungsquellen – z. B. LEDs – und ortsempfindlichen Strahlungsempfänger – z. B. Doppelfotodioden – sind der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht eingezeichnet. Diese beiden optischen Sensoren mit ihren Schlitzblenden 12 und 13 wirken als Ecklastsensoren: befindet sich das Wägegut z. B. links auf der Waagschale, so führt dies zu einer Zugbelastung – und damit zu einer Dehnung – im oberen Lenker 3 und zu einer Druckbelastung – und damit zu einer Stauchung – im unteren Lenker 4. Diese Dehnung im oberen Lenker 3 führt zu einer geringen Verschiebung der Blenden 12 und 13 nach links und ergibt damit ein gleiches Signal an den beiden zugehörigen ortsempfindlichen Strahlungsempfängern. In entsprechender Weise ergibt Wägegut auf der rechten Seite der Waagschale wieder gleiche Signale in beiden Strahlungsempfängern, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen. – Befindet sich das Wägegut dagegen z. B. hinter der Zeichenebene in 1, so ergibt sich ein Drehmoment auf die Lenker, sodass am oberen Lenker 3 sich an der Blende 12 eine geringer Verschiebung nach links und an der Blende 13 eine geringe Verschiebung nach rechts einstellt. An den beiden zugehörigen ortsempfindlichen Strahlungsempfängern entstehen also Signale mit entgegengesetztem Vorzeichen. – Aus den Gleichtaktsignalen der beiden, zu den Blenden 12 und 13 gehörenden optischen Sensoren kann also auf die Lage des Wägegutes auf der Waagschale in der einen Richtung (links/rechts in 1) geschlossen werden, und aus dem Gegentaktsignal auf die Lage in der dazu senkrechten Richtung.
In 2 und 3 ist nun ein realisiertes Wägesystem in perspektivischer Ansicht gezeigt, wobei in 3 im Vergleich zu 2 das Wägesystem um 180° um seine Hochachse gedreht gezeigt ist. Gleiche Teile wie in 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, auch wenn die zeichnerische Darstellung differiert. Man erkennt den gehäusefesten Bereich 1, den oberen Lenker 3, den unteren Lenker 4, den Lastaufnehmer 2 und das Permanentmagnetsystem 9. Der Übersetzungshebel 6 ist nur an einigen Stellen erkennbar, das Koppelelement 7 ist nicht erkennbar und die Spule 8 ist im Permanentmagnetsystem 9 verborgen. Die Waagschale 5 und der Lagensensor 11 sind nicht eingezeichnet. Man erkennt außerdem zwei Ecklasteinstellschrauben 14 und 15, mit denen über je einen Ecklasteinstellhebel 16 und 17 die Höhenlage des oberen Lenkers 3 geringfügig verändert werden kann. Diese Einstellmöglichkeit ist jedoch nicht so feinfühlig, wie es für eine exakte Ecklasteinstellung notwendig wäre, sondern dient nur als Grobeinstellung.
Die beiden optischen Ecklastsensoren sind in 2 und 3 mit etwas dickerer Strichstärke eingezeichnet, um sie deutlicher hervorzuheben. Der eine optische Ecklastsensor besteht aus der Strahlungsquelle 22 – z. B. einer LED – und dem ortsempfindlichen Strahlungsempfänger 32 – z. B. einer Doppelfotodiode –, die in einem gemeinsamen Block 42 befestigt sind, wobei der gemeinsame Block 42 durch Schrauben 24 am gehäusefesten Bereich 1 befestigt ist. Die eigentliche Blende 12 im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle 22 und dem Strahlungsempfänger 32 ist nicht direkt erkennbar; man erkennt nur den Blendenhalter 12', der mit seinem breiten Endbereich mittels der Schrauben 25 am oberen Lenker 3 festgeschraubt ist und dessen dünner, blechförmiger Bereich sich in den optischen Strahlengang zwischen Strahlungsquelle und Strahlungsempfänger hinein erstreckt. Die elektrischen Zuleitungen zur Strahlungsquelle und zum Strahlungsempfänger sind der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. Es wird noch einmal darauf hingewiesen, dass der Blendenhalter 12' mit der Blende 12 keine elektrischen Zuleitungen benötigt, sodass dadurch eventuell verursachte Kräfte auf den Lenker – und damit eine Beeinflussung des Wägeergebnisses – ausgeschlossen sind.
Der zweite optische Ecklastsensor auf der anderen Seite des Lenkers mit seiner Strahlungsquelle 23, seinem Strahlungsempfänger 33, seinem Block 43 und seiner Schlitzblende 13 ist in entsprechender Weise aufgebaut. Den Blendenhalter erkennt man in den Figuren nicht, nur die Schrauben 26, mit denen er am Lenker befestigt ist, sind erkennbar.
Die für die Weiterverarbeitung und Auswertung der Signale der optischen Ecklastsensoren notwendige Waagenelektronik ist nicht dargestellt, da sie allgemein bekannt ist und in den eingangs als Stand der Technik zitierten Schriften erläutert ist. Genauso ist das Gehäuse der Waage und die Anzeige des Wägeergebnisses nicht dargestellt, da diese Teile für die Erfindung unwesentlich sind.
Die Größe der horizontalen Verschiebung, die die optischen Ecklastsensoren messen, ist sehr gering und wird im wesentlichem durch die Dehnung bzw. Stauchung der Materialdünnstelle/Gelenkstelle 10 zwischen Lenker 3 und gehäusefestem Bereich 1 bestimmt, da der restliche Lenker und der gehäusefeste Bereich deutlich stabiler sind. Die optischen Sensoren müssen also sehr empfindlich sein. Werden die Blenden der optischen Ecklastsensoren statt an einem Lenker am Lastaufnehmer 2 in der Nähe des oberen oder unteren Lenkers angebracht, so verdoppelt sich das Signal, da zusätzlich auch die Materialdünnstelle/Gelenkstelle 10 zwischen Lenker und Lastaufnehmer einen genauso großen Beitrag zur horizontalen Verschiebung liefert; dafür besteht aber die Gefahr, dass die Befestigung der Strahlungsquelle und des Strahlungsempfängers am gehäusefesten Bereich 1 in der Nähe des Lastaufnehmers bei außermittiger Last auf der Waagschale sich ebenfalls bewegt und damit das Ecklastsignal verfälscht. Je nach konstruktiven Gegebenheiten ist also mal die Messung am Lastaufnehmer, mal die Messung an einem Lenker vorteilhafter. – Selbstverständlich ist auch die Messung am unteren Lenker 4 möglich. Im in 2 und 3 gezeichneten Beispiel ist dort aber nicht genügend Platz für die Ecklastsensoren vorhanden, sodass beim gezeichneten Wägesystem die Messung am oberen Lenker 3 die gegebene Lösung ist. – Auch die Anordnung des ersten optischen Lagensensors am oberen Lenker und des zweiten optischen Lagensensors am unteren Lenker ist möglich.
Da der optische Ecklastsensor eine hohe Empfindlichkeit haben muss, sind in 4 zwei vorteilhafte Details gezeigt, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. 4 ist ein Schnitt durch den optischen Ecklastsensor aus 2 und 3 mit der Strahlungsquelle 22, der Blende 12 und dem Strahlungsempfänger 32. Der Abstand zwischen der Blende 12 und dem Strahlungsempfänger 32 ist dabei deutlich größer als der Abstand zwischen der Blende 12 und der Strahlungsquelle 22. Dadurch ergibt sich eine optische Vergrößerung: Bei einer gewissen Verschiebung der Blende 12 ist die Ortsänderung des Lichtzeigers 27 am Strahlungsempfänger 32 im Verhältnis der Abstände größer. – In 4 ist durch das Einzeichnen des Lichtzeigers 27 suggeriert, dass die Strahlungsquelle 22 punktförmig ist; dies ist natürlich nicht der Fall. Die endliche Größe der Strahlungsquelle, die in 4 nicht maßstäblich dargestellt ist, führt zu etwas verschwommenen Rändern des Bildes der Blende auf dem Strahlungsempfänger. Dies ist jedoch kein Nachteil, sondern erwünscht, da dadurch an der Doppelfotodiode eine etwa lineare Kennlinie des Sensors erreicht wird.
Weiter ist in 4 vor der Strahlungsquelle 22 eine Streuscheibe 28 eingezeichnet. Die Streuscheibe kann z. B. aus Milchglas oder aus einem Glas mit aufgerauter Oberfläche bestehen. Dadurch kann die Größe der leuchtenden Fläche unabhängig von der eigentlichen Strahlungsquelle gewählt werden. Außerdem wirken sich eventuell bei einer LED als Strahlungsquelle auftretende geringe Fluktuationen des Strahlungsschwerpunktes nur stark vermindert auf den Ecklastsensor aus.
In den 2 und 3 ist für beide optische Ecklastsensoren je eine gesonderte Strahlungsquelle 22 bzw. 23 vorgesehen. Selbstverständlich ist es in einer vorteilhaften Ausgestaltung auch möglich, die beiden Strahlungsquellen 22 und 23 durch eine einzige Strahlungsquelle zu ersetzen. Diese kann z. B. in der Mitte zwischen den beiden Ecklastsensoren in der Symmetrieebene des Wägesystems angeordnet sein. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann sie jedoch an beliebiger Stelle angeordnet sein und das Licht/die Strahlung wird durch zwei Lichtwellenleiter zu den jeweiligen Ecklastsensoren geführt.
Bisher ist immer ein geradliniger Strahlengang mit einer Blende zum Abschatten beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, statt einer teilweise lichtdurchlässigen Blende einen Reflektor zu benutzen, der in einem schmalen Bereich spiegelnd reflektiert und außerhalb dieses schmalen Bereiches absorbierend oder diffus reflektierend ausgebildet ist. Dadurch können die Strahlungsquelle und der Strahlungsempfänger direkt nebeneinander auf einer Seite des Reflektors angeordnet werden, was manchmal den Einbau erleichtert. Die beschriebene Funktionsweise ändert sich dadurch nicht.

1: gehäusefester Bereich
2: Lastaufnehmer
3: oberer Lenker
4: unterer Lenker
5: Waagschale
6: Übersetzungshebel
7: Koppelelement
8: Spule
9: Permanentmagnetsystem
10: Gelenkstelle
11: Schlitzblende
12: Schlitzblende
12': Blendenhalter
13: Schlitzblende
14: Einstellschraube
15: Einstellschraube
16: Ecklasteinstellhebel
17: Ecklasteinstellhebel
22: Strahlungsquelle
23: Strahlungsquelle
24: Schraube
25: Schraube
26: Schraube
27: Lichtzeiger
28: Streuscheibe
32: Strahlungsempfänger
33: Strahlungsempfänger
42: Block
43: Block

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3003862 A1 [0002, 0004]
- EP 055633 A2 [0004]
- DE 3811942 A1 [0005]

Claims

Oberschalige elektronische Waage mit einer Waagschale, die sich auf einem durch einen oberen und einen unteren Lenker parallelgeführten Lastaufnehmer abstützt, mit mindestens einem Ecklastsensor, der bei außermittiger Lage des Wägegutes auf der Waagschale ein Signal abgibt, und mit einer Waagenelektronik, in der Ecklastfehler der Parallelführung mit Hilfe des Signals des Ecklastsensors rechnerisch korrigierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Ecklastsensor ein optischer Sensor ist, der die Verschiebung des Lastaufnehmers (2) oder mindestens eines Lenkers (3, 4) bei außermittiger Lage des Wägegutes auf der Waagschale (5) erfasst, und dass der optische Sensor aus einer Strahlungsquelle (22; 23), einem ortsempfindlichen Strahlungsempfänger (32; 33), die beide gehäusefest angeordnet sind, und einer Blende (12; 13) bzw. einem Reflektor, die/der am Lastaufnehmer (2) oder an einem der Lenker (3, 4) angeordnet ist, besteht.
Oberschalige Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (12, 13) die Form eines vertikalen Schlitzes aufweist.
Oberschalige Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor aus einer spiegelnden Fläche mit absorbierender oder diffus reflektierender Umgebung besteht, wobei die spiegelnde Fläche eine im Verhältnis zur Höhe geringe Breite hat.
Oberschalige Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (22; 23) aus einer Leuchtdiode besteht.
Oberschalige Waage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Streuscheibe (28) vor der Leuchtdiode angeordnet ist.
Oberschalige Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der Strahlungsquelle über einen Lichtwellenleiter zugeführt wird.
Oberschalige Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem ortsempfindlichen Strahlungsempfänger (32; 33) und der Blende (12; 13) bzw. dem Reflektor größer gewählt ist als der Abstand zwischen der Strahlungsquelle (22; 23) und der Blende (12; 13) bzw. dem Reflektor.
Oberschalige Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ortsempfindliche Strahlungsempfänger (32; 33) aus einer Doppelfotodiode besteht.
Oberschalige Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Ecklastsensoren vorhanden sind, aus deren Signalen die Ecklast in x- und y-Richtung ableitbar ist.
Oberschalige Waage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ecklastsensoren auf verschiedenen Lenkern (3, 4) der Parallelführung angeordnet sind.
Oberschalige Waage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ecklastsensoren auf verschiedenen Seiten eines Lenkers (3; 4) angeordnet sind.
Oberschalige Waage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ecklastsensoren eine gemeinsame Strahlungsquelle aufweisen.