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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetisch kompensierende Balkenwaage, umfassend
- - eine drehbar an einer Basis gelagerte, zweiarmige Balkenanordnung, deren jeder Hebelarm eine ihm zugeordnete Lastaufnahme trägt, wobei eine erste der Lastaufnahmen mittels einer Parallellenkeranordnung auf Bewegungen unter Beibehaltung einer vertikalen Ausrichtung beschränkt ist, und
- - eine mit der Balkenanordnung gekoppelte Kompensationseinheit, umfassend eine mit der Balkenanordnung bewegbare, elektromagnetische Tauschspule im Magnetfeld eines basisfest angeordneten Permanentmagneten.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Kalibrierung einer solchen Waage sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines Testgewichts mittels einer solchen Balkenwaage.
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Stand der Technik
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Waagen, deren Waagenbalken parallel geführt werden, sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. Beispiele hierfür finden sich in der
DE 441 483 A sowie der
US 2 170 798 A .
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Die
DE 23 65 460 A1 zeigt eine elektromagnetisch kraftkompensierte Balkenwaage mit zwei über das Hebelverhältnis der Waagenbalken realisierten Lastbereichen und zusätzlichen Kompensationsspulen.
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Insbesondere im Bereich der Präzisions-Komparatoren, d.h. im Bereich von Präzisionswaagen zum unmittelbaren Vergleich zweier Gewichte miteinander, finden Balkenwaagen Anwendung. Aus der vorgenannten Druckschrift ist eine solche Balkenwaage mit einem einfachen Wägebalken bekannt, der über ein Schwenkgelenk an einer feststehenden Basis aufgehängt ist. Der einfache Wägebalken ist asymmetrisch, d.h. mit unterschiedlich langen Balkenarmen, ausgebildet. Auf dem längeren Balkenarm ist eine oberschalige Lastaufnahme zur festen Aufnahme eines Gegengewichts vorgesehen. Am kürzeren Balkenarm ist über ein weiteres Gelenk eine unterschalige Lastaufnahme angehängt. Diese ist mit einer elektromagnetischen Kompensationseinheit verbunden. Unter einer Kompensationseinheit sei hier allgemein eine Anordnung aus elektromagnetischer Tauchspule und basisfestem Permanentmagneten verstanden. Eine solche Kompensationseinheit stellt den Kern jeder elektromagnetisch kompensierenden Waage dar. Die fest oder über ein Hebelsystem mit der Lastaufnahme verbundene Tauchspule ist im Magnetfeld des Permanentmagneten eingetaucht angeordnet. Die Tauchspule ist mit einem Kompensationsstrom bestrombar, der von einer Steuereinheit so geregelt wird, dass jedweder Auslenkung der Tauchspule, insbesondere solchen, die durch Kraftbeaufschlagung der zugeordneten Lastaufnahme bedingt sind, ein entsprechendes Magnetfeld gegengeschaltet wird, sodass die Waage insgesamt in ihrer „Nullstellung“ verbleibt. Der für diese Kompensation erforderliche Kompensationsstrom ist ein direktes Maß für die auslenkende Kraft. Der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Kompensationsstrom und der auslenkenden Kraft kann beispielsweise durch Kalibrierung der Waage mit bekannten Testgewichten bestimmt werden.
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Da die Balkenenden eines einfachen, um eine Drehachse schwenkbaren Wägebalkens eine teilkreisförmige Bewegung beschreiben, würde auch eine fest mit dem Balkenende verbundene Tauchspule eine entsprechend geschwungene Bewegung beschreiben. Um dies zu verhindern, ist die Tauchspule der bekannten Vorrichtung nicht mit dem Balkenende selbst, sondern mit der gelenkig mit diesem verbundenen Lastaufnahme verbunden, wobei zusätzlich eine Parallellenkeranordnung vorgesehen ist, welche die Lastaufnahme und die Tauchspule in eine lineare Bewegung zwingt. Hierzu sind zwei vertikal übereinander angeordnete Lenker über Gelenke mit der Basis gekoppelt und parallel zueinander erstreckt. An ihren freien Enden weisen die Lenker jeweils ein weiteres Gelenk auf, über welches sie mit einem starren Koppelstück verbunden sind, welches seinerseits starr mit der Tauchspule verbunden ist. Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist, dass die Gelenke am Wägebalken, insbesondere dessen Schwenkgelenk, bei der Wägung großer Gewichte hohen Kräften ausgesetzt sind und daher entsprechend stark ausgebildet sein müssen, was der Messpräzision abträglich sein kann.
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Im Zuge der allgemeinen Bemühungen, mechanische Standardgrößen auf elektromagnetische Größen zurückzuführen, ist das Prinzip der sogenannten Watt-Waage entwickelt worden. Bei der Watt-Waage handelt es sich im Prinzip um eine herkömmliche, elektromagnetisch kompensierende Waage mit einer zusätzlichen Auslenkungseinheit, die prinzipiell wie eine der oben beschriebenen Kompensationseinheiten aufgebaut und mit der Lastaufnahme der Waage gekoppelt ist. Es ist bekannt, dass die Kompensationskraft, die mittels einer der oben beschriebenen Kompensationseinheiten erzeugt wird, proportional zum Kompensationsstrom ist. In den entsprechenden Proportionalitätsfaktor geht der Faktor BI ein, d.h. das Produkt aus dem magnetischen Feld des Permanentmagneten und der Länge der in dieses eingetauchten Spule. Beide Größen sind nicht direkt mit der für Präzisionswägungen erforderlichen Genauigkeit messbar. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, dass der Faktor BI auch über die Spannung berechnet werden kann, welche ein sich änderndes Magnetfeld in die Spule induziert. Insbesondere ist der Faktor BI gleich dem Quotienten aus der induzierten Spannung und der Geschwindigkeit, mit welcher sich die Tauchspule im Feld des Permanentmagneten bewegt.
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Bei den vorgenannten Watt-Waagen wird daher die Auslenkungseinheit genutzt, um das Wägesystem und insbesondere die Tauchspule der Kompensationseinheit in eine periodische Schwingung zu versetzen, deren Geschwindigkeit beispielsweise mittels eines Interferometers präzise bestimmt werden kann. Wird zugleich die in die Tauchspule induzierte Spannung präzise gemessen, lässt sich für jeden Zeitpunkt der Quotient aus induzierter Spannung und Tauchspulen-Geschwindigkeit berechnen, der theoretisch für sämtliche Zeitpunkte gleich sein sollte, nämlich insbesondere dem Faktor BI entspricht.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen hochpräzisen Komparator sowie ein Verfahren zu dessen Kalibrierung und ein Verfahren zu dessen Betrieb zur Verfügung zu stellen.
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Darlegung der Erfindung
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Die Aufgabe wird zunächst in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Balkenanordnung einen Oberbalken und einen parallel zu diesem angeordneten, gleich langen Unterbalken aufweist, die jeweils mittig um eine von zwei vertikal übereinander liegenden, zueinander parallelen und senkrecht zur Balkenerstreckung ausgerichteten Drehachsen drehbar gelagert sind und deren jeweils paarweise vertikal übereinander liegenden Balkenenden über je ein Gelenk mit einem zugeordneten, vertikal erstreckten, starren Koppelstück, welches die jeweils zugeordnete Lastaufnahme trägt, gekoppelt sind.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist es, die asymmetrische und speziell die Kompensationsanordnung zu einer Linearbewegung zwingende Parallellenkeranordnung in eine symmetrische Parallellenkeranordnung abzuwandeln, bei die Wägebalken selbst als Parallellenker wirken. Hierdurch werden zugleich beide Lastaufnahmen in symmetrischer Weise zu rein linearen, vertikal ausgerichteten Bewegungen gezwungen. Ober- und Unterbalken bilden somit gemeinsam mit den beiden Koppelstücken ein in „Nulllage“ symmetrisches Parallelogramm, dessen über die Gelenke an den Balkenenden angekoppelte Koppelstücke unabhängig von der Schwenklage der beiden Balken stets exakt vertikal ausgerichtet sind.
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Insbesondere bei hohen, miteinander zu vergleichenden Gewichten lastet auf besagten Gelenken eine hohe Gewichtskraft. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass ein zu dem Ober- und dem Unterbalken paralleler, dritter Balken mittig um eine vertikal zwischen und parallel zu den Drehachsen liegende, dritte Drehachse drehbar gelagert ist und jedes seiner Balkenenden gelenkig an das jeweils zugeordnete Koppelstück angekoppelt ist. Diese Ankopplung erfolgt vorzugsweise jeweils über ein mittels zweier Gelenke angekoppeltes, vertikal erstrecktes Koppelband. Mit anderen Worten wird also zwischen dem Ober- und dem Unterbalken ein Messbalken, der auch als Zwischenhebel bezeichnet werden kann, installiert. An diesem kann besonders bevorzugt eine Kompensationseinheit angreifen. In jedem Fall aber reduziert der Zwischenhebel die auf den Gelenken des Parallelogramms wirkenden Kräfte deutlich.
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Die Tauchspule der Kompensationseinheit ist günstiger Weise an einem vertikal erstreckten Ausleger angeordnet, der mittig an einem der Balken, besonders bevorzugt an vorgenanntem dritten Balken, festgelegt ist. Sie führt somit bei Verschwenkung der Balkenanordnung eine teilkreisförmige Bewegung aus, deren Tangente in der „Nulllage“ exakt waagerecht liegt. Wie oben erläutert besteht das Prinzip der elektromagnetischen Kompensation darin, jedwede Auslenkung möglichst unverzüglich zu kompensieren, sodass eine quasi wegfreie Messung möglich ist. Die theoretisch teilkreisförmige Bewegung der Tauchspule wird somit praktisch auf eine minimale, nahezu rein lineare Bewegung reduziert.
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Für die Regelung der Kompensation ist die exakte Positionsbestimmung des Balkensystems, insbesondere die „Nulllagen“-Detektion erforderlich. Hierfür ist bevorzugt vorgesehen, dass jedes der beiden Koppelstücke symmetrisch mit einem baugleichen Positionssensor verbunden ist. Der Fachmann wird erkennen, dass die Positionsbestimmung auch mit nur einem Positionssensor möglich wäre. Da das hier beschriebene System jedoch vor allem auf der Symmetrie der Gesamtanordnung basiert, wird die symmetrische Anordnung zweier baugleicher Positionssensoren als besonders günstig angesehen. Deren in der Praxis möglicherweise geringfügig unterschiedliche Signale können zur Verbesserung der Messgenauigkeit miteinander verrechnet, beispielsweise gemittelt werden. Alternativ zur Anordnung der Positionssensoren an den Koppelstücken kann, besonders bevorzugt, auch vorgesehen sein, dass der dritte Balken beidseitig seiner Drehachse symmetrisch mit je einem baugleichen Positionssensor verbunden ist. Hierdurch wird die gesamte Elektronik in den Zentralbereich der Waage verlegt, was eine kompaktere Bauweise ermöglicht.
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Bei einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eines der Koppelstücke mit einer Zusatz-Kompensationseinheit, umfassend eine starr mit ihm verbundene, erste elektromagnetische Zusatz-Tauchspule im Magnetfeld eines basisfest angeordneten Zusatz-Permanentmagneten gekoppelt ist. Im Hinblick auf die hier als besonders günstig angesehene Symmetrie der Gesamtanordnung ist bevorzugt sogar vorgesehen, dass das andere der Koppelstücke ebenfalls mit einer Zusatz-Kompensationseinheit, umfassend eine starr mit ihm verbundene, elektromagnetische Zusatz-Tauchspule im Magnetfeld eines basisfest angeordneten Zusatz-Permanentmagneten gekoppelt ist. Durch das Vorsehen einer oder mehrerer Zusatz-Kompensationseinheiten kann die erfindungsgemäße Balkenwaage als Watt-Waage Einsatz finden. Die zentrale, oben erstgenannte Kompensationseinheit kann dabei als Auslenkungseinheit genutzt werden. Die Zusatz-Kompensationseinheit bzw. die Zusatz-Kompensationseinheiten übernehmen dann die eigentliche Kompensationsaufgabe. Ihren Faktor BI gilt es somit präzise zu messen. Dies kann durch Messung der in ihre Tauchspulen induzierten Spannungen als Funktion ihrer Tauchspulen-Geschwindigkeiten bei periodischer Auslenkung durch die als Auslenkungseinheit fungierende, zentrale Kompensationseinheit erfolgen.
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Um die Messung der Tauchspulengeschwindigkeit besonders präzise zu gestalten, ist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass wenigstens eine Zusatz-Tauchspule starr mit einem Reflektor eines Messarms eines wenigstens einen Messarm und einen Referenzarm aufweisenden Interferometers verbunden ist, dessen Referenzarm einen basisfesten Reflektor aufweist. Im Hinblick auf die bevorzugte symmetrische Ausgestaltung der Gesamtanordnung ist im Fall zweier Zusatz-Tauchspulen bevorzugt vorgesehen, dass das Interferometer zwei Messarme - deren Reflektoren jeweils einer der Zusatz-Tauchspulen zugeordnet sind - und einen gemeinsamen Referenzarm mit basisfestem Reflektor aufweist. Ein solches, dreiarmiges Interferometer erlaubt Differenz-Messungen zwischen den unterschiedlichen Messarmen sowie Messungen zwischen je einem Messarm und dem gemeinsamen Referenzarm. Solche Messungen können zur Reduzierung von Messfehlern geeignet miteinander verrechnet werden.
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Ein bevorzugtes Verfahren zur Kalibrierung einer erfindungsgemäßen Balkenwaage mit einer oder zwei Zusatz-Tauchspulen und einem zwei- oder dreiarmigen Interferometer sieht folgende Schritte vor:
- - Periodisches Bestromen der Tauchspule zur Erzeugung einer entsprechend periodischen Bewegung jeder Zusatz-Tauchspule,
- - Messen der induzierten Spannung in jeder Zusatz-Tauchspule sowie ihrer mittels des Interferometers gemessenen Geschwindigkeit,
- - Berechnen des jeweils resultierenden Spannung/Geschwindigkeits-Quotienten als Kalibrierfaktor und
- - Hinterlegen des jeweils berechneten Kalibrierfaktors in einer Speichereinheit einer Steuervorrichtung der Balkenwaage als Proportionalitätsfaktor zwischen einer zwischen den Lastaufnahmen wirkenden, vertikalen Differenzkraft und dem jeweiligen, zu deren Kompensation erforderlichen Kompensationsstrom durch jede Zusatz-Tauchspule.
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Mit anderen Worten wird das grundsätzlich von Watt-Waagen bekannte Kalibrierprinzip in besonders vorteilhafter Weise auf die erfindungsgemäße Balkenwaage angewendet. Möglich ist selbstverständlich auch die Nutzung einer oder beider der Zusatz-Kompensationseinheiten als Auslenkungseinheit zur Bestimmung des Kalibrierfaktors der zentralen Kompensationseinheit. Zur Anwendung der nachfolgend erläuterten Verfahren zur Bestimmung eines Testgewichts ist es jedoch erforderlich, die Kalibrierfaktoren der Zusatz-Kompensationseinheiten zu kennen.
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Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Balkenwaage mit nur einer Zusatz-Kompensationseinheit umfasst das Verfahren zur Bestimmung eines Testgewichts folgende Schritte:
- - Belasten der ersten Lastaufnahme mit einem Substitutionsgewicht, das geringer ist als das Testgewicht,
- - Bestromen der Zusatz-Tauchspule mit einem ersten Teil-Kompensationsstrom,
- - Bestimmen des Absolutbetrags des zur Kompensation der zwischen den Lastaufnahmen anliegenden, vertikalen Differenzkraft erforderlichen ersten Teil-Kompensationsstroms,
- - Belasten der zweiten Lastaufnahme mit dem Testgewicht,
- - Bestromen der Zusatz-Tauchspule mit einem zweiten Teil-Kompensationsstrom,
- - Bestimmen des Absolutbetrags des zur Kompensation der zwischen den Lastaufnahmen anliegenden, vertikalen Differenzkraft erforderlichen zweiten Teil-Kompensationsstroms,
- - Bestimmen eines für das Testgewicht repräsentativen Gesamt-Kompensationsstroms als Summe der Absolutbeträge der Teil-Kompensationsströme.
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Mit anderen Worten werden zwei Messdurchgänge durchlaufen. Zunächst wird lediglich ein Substitutionsgewicht auf eine der Lastaufnahmen aufgelegt. Es resultiert eine vertikal gerichtete Differenzkraft zwischen den beiden Lastaufnahmen, die eine Auslenkung der Balkenanordnung aus ihrer „Nulllage“ bewirken sollte. Allerdings wird die Tauchspule der Zusatz-Kompensationseinheit gleichzeitig so bestromt, dass die Auslenkung kompensiert wird und die Balkenanordnung in ihrer „Nulllage“ verbleibt. Je nachdem, ob die (einzige) Zusatz-Kompensationseinheit mit dem Koppelstück der ersten Lastaufnahme (mit Substitutionsgewicht) oder dem Koppelstück der zweiten Lastaufnahme (leer) gekoppelt ist, bedarf es der Bestromung mit einem positiven oder einem negativen Kompensationsstrom. Dessen Absolutwert ist ein Maß für die zu kompensierende Differenzkraft.
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Im Anschluss wird eine weitere Messung durchgeführt, wobei das Testgewicht auf die zweite Lastaufnahme aufgelegt wird (wobei das Substitutionsgewicht auf der ersten Lastaufnahme verbleibt). Es resultiert erneut eine vertikal gerichtete Differenzkraft die von der Zusatz-Kompensationseinheit zu kompensieren ist. Hierzu ist ein zweiter Teil-Kompensationsstrom erforderlich, der in jedem Fall das umgekehrte Vorzeichen des ersten Teil-Kompensationsstroms aufweist. Sein Absolutwert hängt vom Massenverhältnis von Test- zu Substitutionsgewicht ab.
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Abschließend lassen sich die in den beiden Schritten ermittelten Teil-Kompensationsströme betragsmäßig aufaddieren, was zu einem Gesamt-Kompensationsstrom führt, der repräsentativ für die Gewichtskraft des Testgewichts ist. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt vor allem darin, dass mit vergleichsweise niedrigen Teil-Kompensationsströmen gearbeitet werden kann, da die Zusatz-Kompensationseinheit zu keinem Zeitpunkt mit dem vollen Testgewicht, sondern lediglich mit dem geringeren Substitutionsgewicht bzw. der Differenz zwischen Testgewicht und Substitutionsgewicht belastet wird. Hieraus ergibt sich eine reduzierte Erwärmung der Tauchspule beim Wägevorgang, was die Genauigkeit der Wägung verbessert.
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Besonders bevorzugt entspricht das Substitutionsgewicht in etwa dem halben Testgewicht. Dabei ist jedoch weder eine genaue Übereinstimmung noch eine präzise Kenntnis des Substitutionsgewichts erforderlich. Der Fachmann wird erkennen, dass bei einem Gewichtsverhältnis von etwa 1:2 von Substitutionsgewicht zu Testgewicht die Differenzkräfte bei beiden Messschritten (abgesehen vom Vorzeichen) in etwa gleich sind und daher in etwa (vom Vorzeichen abgesehen) gleiche Teil-Kompensationsströme erforderlich sind. Beide Messvorgänge werden somit im Hinblick auf die damit verbundene Wärmeentwicklung unter nahezu gleichen Bedingungen durchgeführt.
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Dies stellt auch im Hinblick auf die Kalibrierung der erfindungsgemäßen Balkenwaage eine besonders günstige Situation dar. So ist bei einer bevorzugten Weiterbildung des zuvor erläuterten Messverfahrens vorgesehen, dass das Substitutionsgewicht in etwa die halbe Nominalmasse des Testgewichts hat und die Balkenwaage mittels des oben erläuterten Kalibrierverfahrens kalibriert wird, wobei die Zusatz-Tauchspule mit einem Kalibrierstrom bestromt wird, dessen Stromstärke so bemessen ist, dass er als Kompensationsstrom zur Kompensation einer vertikalen Differenzkraft zwischen den Lastaufnahmen, die gleich der Hälfte der der Nominalmasse des Testgewichts entsprechenden Gewichtskraft ist, geeignet wäre. Mit anderen Worten wird das Kalibrierverfahren zur Ermittlung des Faktors BI der Zusatz-Tauchspule bei bestromter Zusatz-Tauchspule durchgeführt, wobei der Kalibrierstrom in etwa den bei den nachfolgenden Messungen erforderlichen Teil-Kompensationsströmen entspricht. Diese sind aufgrund der speziellen Wahl des Substitutionsgewichts im Verhältnis zur Nominalmasse des Testgewichts, wie oben bereits erläutert, in etwa untereinander gleich und auch gut vorhersehbar. Die Kalibrierung kann also sehr genau in demjenigen Arbeitspunkt erfolgen, in dem auch die nachfolgenden Messungen stattfinden. Probleme mit in der Praxis häufig auftretenden Nicht-Linearitäten werden somit vermieden. Der Fachmann wird allerdings erkennen, dass die asymmetrische Bestromung einer (einzigen) Zusatz-Tauchspule mit dem Kalibrierstrom zu einer unerwünschten Auslenkung während des Kalibrierverfahrens führt. Es versteht sich daher, dass diese Auslenkung ihrerseits kompensiert werden muss. Dies kann beispielsweise durch Auflegen des Substitutionsgewichtes, durch entsprechende Bestromung der zentralen Tauchspule oder durch Bestromung einer eventuell vorgesehenen, bei den zuvor erläuterten Messungen jedoch nicht eingesetzten, weiteren Zusatz-Tauchspule erfolgen.
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Als noch günstiger, weil mit einer weiteren Reduzierung der erforderlichen Teil-Kompensationsströme verbunden, ist ein Verfahren mit den folgenden Schritten:
- - Belasten der ersten Lastaufnahme mit einem Substitutionsgewicht, das geringer ist als das Testgewicht,
- - Bestromen der Zusatz-Tauchspulen mit je einem ersten Teil-Kompensationsstrom gleichen Betrags und umgekehrten Vorzeichens,
- - Bestimmen der Absolutbeträge der zur Kompensation der zwischen den Lastaufnahmen anliegenden, vertikalen Differenzkraft erforderlichen ersten Teil-Kompensationsströme,
- - Belasten der zweiten Lastaufnahme mit dem Testgewicht,
- - Bestromen der Zusatz-Tauchspulen mit je einem zweiten Teil-Kompensationsstrom gleichen Betrags und umgekehrten Vorzeichens,
- - Bestimmen der Absolutbeträge der zur Kompensation der zwischen den Lastaufnahmen anliegenden, vertikalen Differenzkraft erforderlichen ersten Teil-Kompensationsströme,
- - Bestimmen eines für das Testgewicht repräsentativen Gesamt-Kompensationsstroms als Summe der Absolutbeträge sämtlicher Teil-Kompensationsströme.
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Im Unterschied zu dem vorgenannten Verfahren sind hier stets zwei Zusatz-Tauchspulen bei jeder Messung involviert. Sie werden einander ergänzend, d.h. mit unterschiedlichem Vorzeichen jedoch gleichem Absolutwert bestromt. In dem besonders bevorzugten Fall, dass das Substitutionsgewicht auch hier in etwa die halbe Nominalmasse des Testgewichts hat, muss jede Zusatz-Kompensationseinheit in jedem Messvorgang nur ein Viertel des Testgewichtes kompensieren. Entsprechend halbiert sich die erforderliche Stromstärke der Teil-Kompensationsströme im Vergleich zu dem zuvor erläuterten Verfahren.
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Auch bei der Kalibrierung der erfindungsgemäßen Balkenwaage, d.h. bei der Bestimmung der Faktoren BI jeder der beiden Zusatz-Kompensationseinheiten, kann ein geringerer Kalibrierstrom, nämlich insbesondere ein gegenüber dem zuvor erläuterten Kalibrierverfahren halbierter Kalibrierstrom verwendet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Balkenwaage in bevorzugter Ausführungsform
- 2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Balkenwaage in vereinfachter Ausführungsform
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Balkenwaage 10. Die Balkenanordnung der Balkenwaage 10 umfasst einen Oberbalken 12, der drehbar um eine basisfeste Drehachse 121, die senkrecht zu seiner Balkenerstreckung und waagerecht orientiert ist, gelagert ist. An seinen beiden Balkenenden, d.h. am jeweils freien Ende seiner gleich lang ausgebildeten Balkenarme, trägt der Oberbalken 12 Gelenke 122a, b, auf deren Bedeutung weiter unten näher eingegangen werden soll.
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Parallel zum Oberbalken 12 ist ein Unterbalken 14 angeordnet, der drehbar um eine basisfeste Drehachse 141, die vertikal unterhalb der Oberbalken-Drehachse 121 angeordnet und parallel zu dieser orientiert ist, gelagert ist. Der Unterbalken 14 trägt an seinen beiden Balkenenden, d.h. an den jeweils freien Enden seiner gleich lang ausgebildeten Balkenarme, Gelenke 142a, b. Diese Unterbalken-Gelenke 142a, b sind mit den jeweils zugeordneten Oberbalken-Gelenken 122a, b über jeweils ein starres Koppelstück 16a, b verbunden. Es resultiert ein schwenkbares Balken-Parallelogramm, dessen durch die Koppelstücke 16a, b realisierte Seiten stets vertikal ausgerichtet sind. Starr mit den Koppelstücken 16a, 16b verbunden sind zugeordnete Lastaufnahmen 18a, 18b, die bei der gezeigten Ausführungsform als oberschalige Lastaufnahmen ausgebildet sind. Der Fachmann wird verstehen, dass auch unterschalige Varianten im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisierbar sind.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst die Balkenanordnung noch einen hier als Messbalken 20 bezeichneten, dritten Balken, der in paralleler Ausrichtung zwischen dem Oberbalken 12 und dem Unterbalken 14 angeordnet und drehbar um eine basisfeste Drehachse 201, die vertikal zwischen den Ober- und Unterbalken-Drehachsen 121, 141 angeordnet und parallel zu diesen ausgerichtet ist, gelagert ist. Der Messbalken 20 ist über jeweils ein vertikal angeordnetes Koppelband 22a, b mit dem jeweils zugeordneten Koppelstück 16a, b gekoppelt. Dies erfolgt über paarweise vertikal übereinander angeordnete Koppelband-Gelenke 121a, b. Durch diese Anordnung werden die Balkengelenke 122a, b deutlich entlastet.
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Im Bereich der Messbalken-Drehachse 201 ist ein vertikal ausgerichteter Ausleger 24 starr mit dem Messbalken 20 verbunden. Am freien Ende des Auslegers 24 ist eine zentrale Kompensationseinheit 26 vorgesehen. Diese umfasst eine elektromagnetische Tauchspule 261, die starr am freien Ende des Auslegers 24 fixiert ist. Die Tauchspule 261 liegt im Feld eines gehäusefesten Permanentmagneten 262. Bestromung der Tauchspule 261 führt, je nach Vorzeichen und Stromstärke, zu einem auf den Messbalken 20 wirkenden Drehmoment. Umgekehrt führt eine asymmetrische Belastung der Lastaufnahmen 18a, b zu einer Verschwenkung des Messbalkens 20 und damit zu einer im Wesentlichen horizontalen Auslenkung der Tauchspule 261. Durch geeignete Bestromung der Tauchspule 261 kann somit eine asymmetrische Belastung der Lastaufnahmen 18a, b elektromagnetisch kompensiert werden, wobei der hierfür erforderliche Kompensationsstrom ein Maß für die vertikale Differenzkraft zwischen den beiden Lastaufnahmen 18a, b ist. Um das Erreichen der vollständigen Kompensation, d.h. das Halten der Balkenanordnung in der „Nulllage“ detektieren zu können ist der Messbalken 20 mit zwei baugleichen, symmetrisch beiderseits seiner Drehachse 201 angeordneten Positionssensoren 28a, b versehen. Deren Signal fließt in die Regelung des Kompensationsstroms ein.
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Insoweit wurde eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer symmetrischen, elektromagnetisch kompensierenden Balkenwaage beschrieben.
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Die in 1 dargestellte Ausführungsform ist jedoch noch um zwei Zusatz-Kompensationseinheiten 30a, b, die nicht zwingend erforderlich sind, erweitert. Deren Tauchspulen 301a, b sind starr mit dem jeweils zugeordneten Koppelstück 16a, b verbunden. Die zugeordneten Permanentmagnete 302a, b sind basisfest angeordnet. Zur hochpräzisen Positionsbestimmung bzw. zur hochpräzisen Bestimmung der Bewegungsgeschwindigkeit der Tauchspulen 301a, b ist ein Interferometer vorgesehen, welches einen Referenzarm und zwei Messarme aufweist. Der Reflektor 321 des Reflektorarms ist zentral und gehäusefest angeordnet. Die Reflektoren 322a, b sind in symmetrischer Weise mit jeweils einer der Tauchspulen 301a, b starr verbunden.
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Bei einem bevorzugten Kalibrierverfahren wird die zentrale Kompensationseinheit 26 als Auslenkungseinheit verwendet, wobei ihre Tauchspule 261 mit einem periodischen Strom bestromt wird. Dies führt zu einer periodischen Auslenkung der Balkenanordnung. Bevorzugt erfolgt die Auslenkung mit einer Frequenz im Resonanzbereich der Gesamtanordnung. Die periodische Auslenkung der Balkenanordnung führt über die Koppelstücke 16a, b zu einer periodischen Auslenkung der Zusatz-Tauchspulen 301a, b, die zu einer induzierten Spannung in den Tauchspulen 301a, b führt. Die induzierte Spannung ist proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit und zwar um den Kalibrierfaktor BI, d.h. dem Produkt aus eingetauchter Spulenlänge und Magnetfeld des jeweils zugeordneten Permanentmagneten 302a, b. Die Bewegungsgeschwindigkeit lässt sich hochpräzise mit dem zuvor beschriebenen Interferometer bestimmen.
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Ist auf diese Weise der Kalibrierfaktor jeder der Zusatz-Kompensationseinheiten 30a, b bekannt, lassen sich vertikale Differenzkräfte zwischen den Lastaufnahmen 18a, b ohne mechanisch angebundene Kalibrierung unmittelbar aus den zur Kompensation dieser Differenzkraft erforderlichen Kompensationsströmen in den Zusatz-Kompensationseinheiten 30a, b bestimmen. Die zentrale Kompensationseinheit 26 spielt bei diesen Messungen keine Rolle mehr.
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Bezüglich besonders bevorzugter Ausführungsformen der Kalibrier- und Messverfahren, die insbesondere eine Kalibrierung der Balkenwaage am Arbeitspunkt der nachfolgenden Messung sowie eine Messung bei minimierten Kompensationsströmen zum Ziel hat, wird auf die entsprechenden Erläuterungen im allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
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2 zeigt eine im Prinzip funktionsgleiche, jedoch deutlich vereinfachte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Balkenwaage 10'. Bei der Balkenwaage 10' wurde auf den Messbalken 20 und die Koppelbänder 22a, b verzichtet. Der Ausleger 24 ist bei dieser Ausführungsform unmittelbar am Oberbalken 12 und zwar vorzugsweise exakt mittig, fixiert. Die Positionssensoren 28a, b sind bei dieser Ausführungsform unmittelbar an den Koppelstücken 16a, b angeordnet. Im Übrigen kann auf die obige Erläuterung zu 1 verwiesen werden.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10'
- Balkenwaage
- 12
- Oberbalken
- 121
- Drehachse von 12
- 122a, b
- Gelenke von 12
- 14
- Unterbalken
- 141
- Drehachse von 14
- 142a, b
- Gelenke von 14
- 16a, b
- Koppelstück
- 18a, b
- Lastaufnahme
- 20
- Messbalken
- 201
- Drehachse von 20
- 22a, b
- Koppelband
- 221a, b
- Gelenk von 22a, b
- 24
- Ausleger
- 26
- zentrale Kompensationseinheit
- 261
- Tauchspule von 26
- 262
- Permanentmagnet von 26
- 28a, b
- Positionssensor
- 30a, b
- Zusatz-Kompensationseinheit
- 301a, b
- Tauchspule von 30a, b
- 302a, b
- Permanentmagnet von 30a, b
- 321
- Referenzarm-Reflektor
- 322a, b
- Messarm-Reflektor
