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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftmessvorrichtung mit elektromagnetischer Kraftkompensation sowie eine Kraftmessvorrichtung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 10.
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Bei derartigen Verfahren und Kraftmessvorrichtungen wird die auf einen Kraftaufnehmer wirkende Kraft unmittelbar oder mittelbar, z.B. über ein Hebelwerk, einer Kraftkompensationseinheit zugeleitet. Die Kraftkompensationseinheit umfasst einen Magneten und eine im Magnetfeld des Magneten befindliche elektrische Spule. Mittels einer Regeleinheit wird der elektrische Strom durch die Spule so eingestellt, dass die Spule relativ zum Magneten eine bestimmte, von einem Sensor überwachte, Messposition einnimmt. Die aufzubringende Stromstärke ist dabei direkt abhängig von der auf den Kraftaufnehmer wirkenden Kraft, so dass letztere über die Stromstärke bestimmbar ist. Derartige Kraftmessvorrichtungen werden z.B. als Waagen eingesetzt, um die Gewichtskraft einer Last zu bestimmen, welche auf die Kraftaufnahme wirkt.
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Der in der Spule eingesetzte Strom führt dort zu einer Wärmeerzeugung, die Messfehler bewirken kann. Es ist daher bekannt, einen Temperatursensor am Magneten zu befestigen und Temperaturkoeffizienten zur Kompensation einer temperaturbedingten Messabweichung zu bestimmen.
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Eine Kraft- oder Laständerung hat aufgrund des Konzeptes der Kraftkompensation eine Stromänderung in der Spule zur Folge und damit auch eine Änderung der Wärmeerzeugung durch die Spule. Die Wärmeänderungen führen zu einer positiven oder negativen thermischen Ausdehnung in der Spule und können eine Veränderung in der Lage der Windungen im Feld des Magneten bewirken, durch die sich der Übertragungsfaktor aufgrund des in der Regel nicht perfekt homogenen Magnetfeldes verändert. Aufgrund solcher sich zeitlich verändernden Temperaturverhältnisse bildet ein bestimmter Temperaturkoeffizient des Gesamtsystems die maßgeblichen Temperaturverhältnisse nicht gut ab, so dass eine Messabweichung sich so nicht vollständig vermeiden lässt. Es liegt in der Regel keine konstante Temperaturverteilung vor.
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Aus der
DE 31 36 171 C2 sind eine Kraftmessvorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei denen das angesprochene Problem der sich ändernden Temperaturverhältnisse dadurch gelöst werden soll, indem die Spule derart mit Strom versorgt wird, dass im Betrieb dauerhaft eine gleichbleibende Verlustwärme unabhängig von der Größe der auf die Lastaufnahme wirkenden Last erzeugt wird. Hierfür ist vorgesehen, der Spule zusätzlich zu dem zur Kraftkompensation dienenden Gleichstrom mindestens noch einen Wechselstrom zuzuführen, der in Abhängigkeit von der zu kompensierenden Kraft derart eingestellt wird, dass die in der Kraftkompensationseinheit anfallende Gesamt-Verlustwärmeleistung von der Größe der Kraft unabhängig ist. Dabei sind zwei Wicklungen der Spule derart gestaltet, dass sich die Wechselströme in Bezug auf die durch sie erzeugten Magnetfelder kompensieren.
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Im genannten Stand der Technik wird z. B. vorgeschlagen, für den Wechselstrom einen Rechteckverlauf mit konstanter Impulshöhe einzusetzen und für die Regelung des Wechselstromes die Impulsdauer in Abhängigkeit vom Mess-Gleichstrom, der durch dieselbe Spule geführt wird, zu variieren. Alternativ zum rechteckförmigen zeitlichen Verlauf des Wechselstromes und zur Pulsweitenmodulation wird ein sinusförmiger Verlauf vorgeschlagen, dessen Amplitude in Abhängigkeit von der Stärke des Mess-Gleichstroms geregelt wird. Außerdem können auch drei Wicklungen der Spule vorgesehen werden, die mit einer steuerbaren Drehstromquelle verbunden sind. Als Frequenzbereich für den Wechselstrom werden mindestens 100 Hz und höchstens etwa 10 bis 20 kHz angegeben. Nachteilig ist, dass in der Spule mindestens eine zusätzliche Wicklung benötigt wird.
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Aus der
DE 27 22 093 C2 ist eine Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation bekannt, bei der die in der Spule der Kompensationseinheit abfallende Leistung durch eine Pulsweitenmodulation des Tragestroms konstant gehalten wird. Der Tragestrom ist in der Spule alternierend. Der Mittelwert des Tragestroms erzeugt aufgrund der Massenträgheit des Systems und einer geeignet hohen Frequenz die für die Kompensation der auf die Lastaufnahme wirkenden Last notwendige Kraft im Magnetfeld. Die bei einem derartigen System sinnvollen Frequenzen befinden sich im hörbaren Bereich, weshalb mit dem beschriebenen System der Nachteil eines sehr hohen Geräuschpegels verbunden sein kann.
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Aus der
EP 2 253 944 A1 ist eine Kraftmessvorrichtung mit Kraftkompensation bekannt, bei der für die Spule der Kraftkompensationseinheit eine doppelte Wicklung vorgesehen ist. Die Wicklungen werden im Gegensinn jeweils mit einem Gleichstrom durchströmt, wobei die Stromstärken derart geregelt werden, dass zum Einen eine resultierende Kraftwirkung im Magnetfeld erzeugt wird, die dem gewünschten Kompensationsstrom entspricht und zum anderen aber unabhängig von der zu kompensierenden Kraft eine gleichbleibende Wärmeleistung erzeugt. In einer alternativen Variante werden pulsweitenmodulierte Ströme für die beiden Wicklungen vorgesehen.
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Der hier betroffenen Erfindung liegt die technische Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftmessvorrichtung sowie eine Kraftmessvorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine Alternative zum Stand der Technik darstellen und die es ermöglichen, eine konstante Gesamtwirkleistung des durch die Spuleneinheit fließenden Stromes zu erreichen, ohne dass hierfür mehr als eine Wicklung erforderlich ist.
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Die vorgenannte Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bei einer Kraftmessvorrichtung in der eingangs genannten Art durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 10 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Kernpunkt der Erfindung ist demnach, dass der Tragestrom und der Spulenwechselstrom durch eine einzige gemeinsame Spule fließen, deren sämtliche Windungen denselben Umlaufsinn aufweisen. Es findet somit keine Kompensation der Wechseldurchflutungen durch eine bifilare Wicklung statt. In der gemeinsamen Spule im Sinne der Erfindung sind sämtliche Windungen der Spule gleich ausgerichtet. Der die Spule durchfließende Wechselstrom trägt über eine Periode gemittelt nicht zur Kompensationskraft bei. Dabei kann die Frequenz des Wechselstromes so gewählt werden, dass das System aus Spule und Magnetfeld aufgrund der gegebenen Massenträgheit nicht gestört wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass zur Anpassung des Wirkungsleistungsanteils des Spulenwechselstroms an der Gesamtwirkleistung der Spulenwechselstrom in seiner Amplitude verändert wird. Dies stellt eine weniger aufwendige Alternative zur Pulsweitenmodulation dar.
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Die Überlagerung des Tragestroms It mit dem Spulenwechselstrom Iw in der Spule geschieht vorzugsweise derart, dass die in der Spule abfallende elektrische Gesamtwirkleistung unabhängig von der Stärke des Tragestromes It konstant bleibt und weiter vorzugsweise der Wirkleistung eines maximalen Tragestromes It,max entspricht. Im letzteren Fall genügen der Effektivwert Iw,eff des Spulenwechselstroms Iw und der Tragestrom It der Gleichung (Iw,eff)2 = (It,max)2 - (It)2.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn eine Tragestrom-Stellgröße, in der Regel eine Stellspannung, für den Tragestrom It aus einem Spulenpositionssignal generiert wird, welches durch eine Position der Spule im Magnetfeld bestimmt ist, und die Tragestrom-Stellgröße in einem Summier-Operator mit einer Spulenwechselstrom-Stellgröße für den Spulenwechselstrom Iw überlagert wird. Die summierte Stellgröße wird dann z. B. einer steuerbaren Stromquelle zugeführt.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn für den Spulenwechselstrom Iw eine Frequenz von mindestens 16 kHz, bevorzugt von mindestens 20 kHz, weiter bevorzugt von mindestens 22 kHz eingesetzt wird. Damit befindet man sich in einem für das menschliche Ohr nur schwierig oder nicht mehr wahrnehmbaren Bereich, so dass der Betrieb der Kraftkompensationseinrichtung keine störende Geräuschentwicklung mit sich bringt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass für eine einzusetzende Frequenz des Spulenwechselstromes Iw die Impedanz der gemeinsamen Spule mittels eines Anpassnetzwerks angepasst wird. Das Anpassnetzwerk wird so gewählt, dass es bei der einzusetzenden Frequenz für den Spulenwechselstrom den Blindwiderstand in der Spule weitgehend kompensiert, so dass bei dieser Frequenz in einer die Spule versorgenden Treiberstufe nur noch im Wesentlichen der Wirkwiderstand gesehen wird. Durch das Anpassnetzwerk wird die zum Betrieb der Spule erforderliche Wechselspannung, vorzugsweise eine Sinusspannung, reduziert, wodurch sich der Wirkungsgrad der Treiberstufe erhöhen und insgesamt eine Kostenerniedrigung erreicht werden kann. Somit können für den Wechselstromanteil hohe Frequenzbereiche effektiv bei geringer Versorgungsspannung erreicht werden können
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Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Kraftkompensationsvorrichtung werden im Folgenden anhand von Figuren dargestellt.
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Es zeigt,
- 1: schematisch einen Teil einer Kraftkompensationseinrichtung kombiniert mit einem Blockschema eines Elektronikteils,
- 2: schematisch ein erstes Anpassnetzwerk für eine Spule der Kraftkompensationseinrichtung,
- 3: ein alternatives Anpassnetzwerk,
- 4: eine Darstellung ähnlich zu der 1, jedoch mit digitaler Regeleinrichtung im Elektronikteil,
- 5: eine Grafik diverser Kenngrößen in Abhängigkeit von der Wechselspannungsfrequenz zum Anpassnetzwerk gemäß 2 und
- 6: eine Grafik gemäß 5 bezogen auf das Anpassnetzwerk gemäß 3.
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1 zeigt schematisch im Querschnitt eine Kraftkompensationseinrichtung 1 einer hier nicht weiter dargestellten Waage. An einem Hebel 2 der Kraftkompensationseinrichtung 1 ist eine als Tauchspule ausgebildete Spule 3 fixiert, welche sich in einem Magnetfeld einer Magneteinheit 4 befindet. Die Spule 3 weist lediglich eine einzelne hier nicht näher dargestellte Wicklung auf, deren sämtliche Windungen denselben Umlaufsinn aufweisen, zu einem bestimmten Zeitpunkt also der Strom in sämtlichen Windungen der gesamten Spule 3 dieselbe Umlaufrichtung aufweist. Die Magneteinheit 4 ist vorzugsweise so gestaltet, dass die Wicklung der Spule 3 sich in einem möglichst homogenen Magnetfeld befindet. Wird ein hier nicht dargestellter Kraftaufnehmer der Waage belastet, wird über den Hebel 2 auf die Spule 3 eine mechanische Kraft ausgeübt, die die Position der Spule 3 relativ zur Magneteinheit 4 zu verändern sucht. Eine solche Veränderung wird mit einem Positionssensor 5, der z. B. Fotodioden umfasst, festgestellt.
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Ein Ausgangssignal des Positionssensors 5 wird als Regelabweichung und damit als Eingangssignal für die Regeleinrichtung 6 verwendet. Ein Ausgangssignal der Regeleinrichtung 6 wird einer steuerbaren Stromquelle 7 zugeführt, die ein Anpassnetzwerk 8 sowie die Spule 3 mit Strom versorgt. Der durch die Spule 3 geführte Strom umfasst als einen ersten Anteil einen Tragestrom It in Form eines Gleichstromes, der in der Spule 3 im Magnetfeld der Magneteinheit 4 mittels der Lorentzkraft die gewünschte Kompensationskraft erzeugt, um die Spule 3 in eine gewünschte Messposition relativ zur Magneteinheit 4 zu bringen. Ist die Messposition stabil erreicht, liegt die gewünschte Kraftkompensation vor und der durch die Spule 3 geleitete Tragestrom It ist ein direktes Maß für die zu messende Gewichtskraft. Der Tragestrom wird an einem Messwiderstand 9 festgestellt und verarbeitet, so dass in einer Anzeigeneinheit 10 die zu messende Gewichtskraft angezeigt wird.
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Verändert sich der Tragestrom It, ändert sich dementsprechend die in der Spule 3 abfallende Wirkleistung des Tragestromes It und damit auch die durch den Tragestrom It in der Spule 3 abgegebene Wärme. Um eine Schwankung der Wärmeabgabe zu verhindern, wird der Tragestroms It mit einem Spulenwechselstrom Iw überlagert.
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Im Folgenden wird die Regelung des Stromeintrags in die Spule 3 dargestellt: Die Regeleinrichtung 6 umfasst einen Regler 11, vorzugsweise einen PID-Regler, an dem die vom Positionssensor 5 festgestellte Regelabweichung zugeführt wird. Der Regler 11 gibt eine Stellgröße ut für den Tragestrom It heraus. Die Tragestrom-Stellgröße ut wird zum einen einem Summierer 12 zugeführt und zum anderen einem Quadrierer 13. Der quadrierte Wert der Tragestrom-Stellgröße ut liegt an einem der Eingänge eines zweiten Summierers 14 an. Am zweiten Eingang des zweiten Summierers 14 liegt eine Konstant-Stellgröße uk an, die aus einer zugehörigen Quelle 15 stammt. Die Konstant-Stellgröße uk entspricht dem Quadrat einer Größe ut,max, die als Stellgröße an der steuerbaren Stromquelle 7 angelegt einen vorgegebenen maximalen Tragestrom It,max ergeben würde. Im zweiten Summierer 14 wird von uk der quadrierte Wert von ut subtrahiert und das Ergebnis einem Potenzierer 16 zugeführt. Das Ergebnis der Operation des Potenzierers 16 ist somit die Quadratwurzel aus (ut,max)2- (ut)2.
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An einem Multiplikationsoperator 17 ist zum einen der Ausgang des Potenzierers 16 und zum anderen der Ausgang eines Wechselspannungsgenerators 18 angelegt, wodurch eine Amplitude des Ausgangssignals des Wechselspannungsgenerators 18 in ihrer Höhe durch das Ausgangssignal des Potenzierers 16 gesteuert wird. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 17 geht nun an den zweiten Eingang des ersten Summierers 12 und überlagert dort die Tragestrom-Stellgröße ut addierend. Hieraus ergibt sich eine Steuerungsgröße für die steuerbare Stromquelle 7, mit der im folgenden Stromkreis ein mit dem Spulenwechselstrom Iw überlagerter Tragestrom It generiert wird. Der Effektivwert Iw,eff des Spulenwechselstroms Iw und der Tragestrom It genügen der Gleichung (Iw,eff)2 = (It,max)2 - (It)2, wobei It,max der maximal mögliche Tragestrom It ist.
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Liegt also der Grenzfall vor, dass der Tragestrom It seinen Maximalwert It,max einnimmt, hat der Spulenwechselstrom Iw den Wert Null. In diesem Fall gibt der Tragestrom It in der Spule 3 die maximal mögliche Wirkleistung ab. Der ohmsche Widerstand der Wicklung in der Spule 3 ist in den 1 bis 4 durch den Spulenwiderstand Rs symbolisiert.
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Der durch die Spule 3 fließende Strom wird über einen Tiefpassfilter 19 abgegriffen, durch den der Anteil des Spulenwechselstroms Iw herausgefiltert wird. Das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 19 wird über einen Analog/Digital-Wandler 20 einem digitalen Signalprozessor 21 zugeführt, der aus der ermittelten Stärke des Tragestroms It die auf die Waage wirkende Gewichtskraft berechnet und mittels der Anzeigeneinheit 10 darstellt.
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Zwischen der steuerbaren Stromquelle 7 und der Spule 3 ist das Anpassnetzwerk 8 geschaltet, welches durch einen ohmschen Widerstand RA, einer Induktivität LA und einer Kapazität CA symbolisiert ist. In 1 ist die Kapazität parallel zur Spule 3 und in Reihe zur Induktivität LA geschaltet. Diese Verschaltung ist in 2 vergrößert dargestellt. Der ohmsche Widerstand RA und die Induktivität LA symbolisieren gemeinsam eine reale Spule, weshalb diese in 2 von einer gestrichelten Umrandung umgeben ist. In entsprechender Weise sind der ohmsche Widerstand RS und die Induktivität LS der Spule 3 dargestellt.
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3 zeigt schematisch ein alternatives Anpassnetzwerk 39, bei dem die Kapazität CA zur Spule 3 in Reihe und zur Spule des Anpassnetzwerks 39 parallel geschaltet ist.
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4 zeigt eine alternative Kraftkompensationseinrichtung 22, welche zu der Variante in 1 lediglich den Unterschied aufweist, dass eine digitale Regeleinrichtung 23 eingesetzt wird. Hebel 2, Spule 3, Magneteinheit 4, Positionssensor 5, steuerbare Stromquelle 7 und Anpassnetzwerk 8 sind den entsprechenden Merkmalen der 1 gleich, weshalb auf die diesbezügliche Beschreibung verwiesen wird. Für die digitale Regeleinrichtung 23 wird das Ausgangssignal des Positionssensors 5 über einen Analog/Digital-Wandler 24 geführt, während das Ausgangssignal der Regeleinrichtung über einen Digital/Analog-Wandler 25 geführt ist. Der Digital/Analog-Wandler 25 kann auch Teil der steuerbaren Stromquelle 7 sein.
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Innerhalb der digitalen Regeleinrichtung 23 sind - in digitalisierter Form - die Bausteine vorgesehen, wie sie auch in der analogen Variante gemäß 1 vorhanden sind, nämlich eine Regeleinheit 3, vorzugsweise ein PID-Regler, ein erster Summierer 32, ein Quadrierer 33, ein zweiter Summierer 34, eine Quelle 35 für die Konstant-Stellgröße uk, die dann mit negativen Vorzeichen dem zweiten Summierer 32 zugeführt wird, dem Potenzierer 36, dem Multiplizierer 37 und einem Generator 38 für ein Wechselsignal.
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Wegen der mittels der Bausteine durchgeführten Operationen wird auf die Darstellung zur 1 verwiesen. Im Unterschied zur Variante gemäß 1 wird in der Kraftkompensationseinrichtung (22) gemäß Fig. (4) die Tragestrom-Stellgröße ut unmittelbar abgegriffen, umgerechnet und auf eine Anzeige (26) die festgestellte Gewichtskraft dargestellt.
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5 zeigt eine Grafik, welche die Wirkung des Anpassnetzwerks gemäß 2 darstellt, wobei dort folgende Werte zugrunde lagen: RA = 22 Ω, LA = 4,7 mH, CA = 10nF, RS = 140 Ω und LS = 30 mH. Im oberen Teil der Grafik zeigt mit der Eingangsspannungslinie 40 den Effektivwert der am Anpassnetzwerk 8 anliegenden Spannung in Abhängigkeit von der Frequenz des Spulenwechselstroms Iw und die Spulenspannungslinie 41 die an der Spule 3 abfallende Spannung (ebenfalls mit Effektivwerten), welche im Bereich von 25 kHz maximal ist und weit mehr als das Zehnfache des Wertes der Spannung im Bereich deutlich tieferer Frequenzen annimmt. Im unteren Teil der Grafik ist in einer Stromstärkenlinie 42 der Stromfluss durch die Spule 3 aufgetragen, der entsprechend zur Spannung einen Peak bei 25 kHz aufzeigt. Diese hohe Frequenz ist erstrebenswert, da diese außerhalb des menschlichen Hörbereichs liegt.
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6 zeigt eine zur 5 entsprechende Darstellung, jedoch auf der Grundlage des in 3 dargestellten Anpassnetzwerks mit folgenden Größen: RA = 47 Ω, LA = 30 mH, CA = 106,8 nF, RS = 140 Ω und LS = 30 mH. Der obere Teil der Grafik zeigt mit der Eingangsspannungslinie den Effektivwert der am Anpassnetzwerk anliegenden Spannung in Abhängigkeit von der Frequenz des Spulenwechselstroms Iw und die Spulenspannungslinie die an der Spule abfallende Spannung (ebenfalls mit Effektivwerten), welche im Bereich von 4 kHz maximal ist und etwas mehr als das Doppelte des Wertes der Spannung im Bereich deutlich tieferer Frequenzen annimmt. Im unteren Teil der Grafik ist in einer Stromstärkenlinie der Stromfluss durch die Spule aufgetragen, der entsprechend zur Spannung einen Peak bei 4 kHz aufzeigt. Der Peak bei einer Frequenz von etwa 4 kHz liegt in dem für den Menschen hörbaren Bereich. Mit einem geeigneten Anpassnetzwerk wäre es möglich und erstrebenswert, die Frequenz für den Spulenwechselstrom bei Werten oberhalb der menschlichen Hörschwelle, d.h. oberhalb 20 kHz, einzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftkompensationseinrichtung
- 2
- Hebel
- 3
- Spule
- 4
- Magneteinheit
- 5
- Positionssensor
- 6
- Regeleinrichtung
- 7
- steuerbare Stromquelle
- 8
- Anpassnetzwerk
- 9
- Messwiderstand
- 10
- Anzeigeneinheit
- 11
- Regler
- 12
- Summierer
- 13
- Quadrierer
- 14
- zweiter Summierer
- 15
- Referenzquelle für maximale Stellgröße
- 16
- Potenzierer
- 17
- Multiplikations-Operator
- 18
- Wechselspannungsgenerator
- 19
- Tiefpassfilter
- 20
- Analogdigitalwandler
- 21
- Digitaler Signalprozessor
- 22
- Kraftkompensationseinrichtung
- 23
- digitale Regeleinrichtung
- 24
- Analog/Digital-Wandler
- 25
- Digital/Analog-Wandler
- 26
- Anzeigeneinheit
- 31
- Regler
- 32
- Summierer
- 33
- Quadrierer
- 34
- zweiter Summierer
- 35
- Referenzquelle für maximale Stellgröße
- 36
- Potenzierer
- 37
- Multiplikations-Operator
- 38
- Wechselsignal-Generator
- 39
- Alternatives Anpassnetzwerk
- 40
- Eingangsspannungslinie
- 41
- Spulenspannungslinie
- 42
- Stromstärkenlinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3136171 C2 [0005]
- DE 2722093 C2 [0007]
- EP 2253944 A1 [0008]
