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Die Erfindung betrifft eine Wiegeeinrichtung zur Ermittlung eines Gewichts eines Wiegeobjekts, mit einem Grundkörper, der eine erste Lagerkomponente umfasst, und mit einem Wiegebalken, der eine zweite Lagerkomponente umfasst, die mit der ersten Lagerkomponente ein Schwenklager für eine schwenkbewegliche Lagerung des Wiegebalkens gegenüber dem Grundkörper bildet, wobei am Wiegebalken ein Aufnahmebereich für die Aufnahme eines Wiegeobjekts ausgebildet ist.
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Aus dem Stand der Technik ist die Balkenwaage bekannt, bei der das Gewicht, genauer gesagt die Gewichtskraft, eines Wiegeobjekts dadurch ermittelt wird, dass das Wiegeobjekt in einer ersten Waagschale aufgenommen ist, die an einem ersten Endbereich eines Wiegebalkens angebracht ist. In einer zweiten Waagschale, die an einem zweiten Endbereich des Wiegebalkens angebracht ist, werden anschließend so lange Gewichte mit bekannter Masse aufgenommen, bis der schwenkbeweglich an einem Grundkörper gelagerte Wiegebalken horizontal ausgerichtet ist. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Wiegebalken genau mittig mit einem Schwenklager versehen ist und dass die beiden Waagschalen und die Aufhängungen der Waagschalen am Wiegebalken jeweils die gleiche Masse aufweisen und dass der Wiegebalken eine homogene Massenverteilung bezogen auf das mittig angebrachte Schwenklager aufweist.
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Aus der
JP 2002-350 222 A ist eine Balkenwaage bekannt, bei der eine magnetisch schwimmende Lagerstruktur genutzt wird, die in der Lage ist, eine Fehlausrichtung in einer axialen Richtung eines Waagebalkens zu beseitigen, wobei der Waagebalken eine Probe trägt und eine Stützwelle vorgesehen ist, die den Waagebalken in einem magnetischen Schwebezustand drehbar trägt, wobei ein Positionssensor für die Stützwelle zum Erfassen einer Positionsänderung der Stützwelle in der axialen Richtung ausgebildet ist, mit dem die Positionserfassungsgenauigkeit der Stützwelle und damit die Positioniergenauigkeit der Stützwelle erhöht werden kann.
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Die
US 3 685 604 A offenbart einen schwenkbar gelagerten Wiegenbalken, der so konstruiert und angeordnet ist, dass er seine Pendeleigenschaften aufhebt, indem er die Momente der Masse sowohl parallel als auch senkrecht zur Balkenebene entsprechend verteilt und ausbalanciert, so dass beim Herausschwenken der Balkenbezugsebene aus der Horizontalen alle Wägefehler, die durch Neigung und Vibration des Rahmens der Wägevorrichtung entstehen, minimiert werden.
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Aus der
DE 25 40 863 A1 ist eine Laufgewichts-Bodenwaage mit einer automatischen Tarawägeeinrichtung zum Befüllen von Behältern mit fließfähigem Gut bekannt, bei der ein auf einem Wiegebalken reiterartig aufgesetztes Laufgewicht sowie ein reiterartig aufgesetztes Feinlaufgewicht und einer Steuereinrichtung zur Umschaltung von Grob- auf Feinwägung vorgesehen sind und wobei ein Tariergewicht und eine Wiegebalkenschwingungsaufhebungseinrichtung vorgesehen sind.
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Gemäß der
DE 10 2016 205 377 B3 ist eine Messanordnung zur Ermittlung einer Krafteinwirkung auf einen Messkörper bekannt, bei der einem Messkörper eine erste Magnetanordnung zugeordnet ist und bei der einem Messaufnehmer eine zweite Magnetanordnung zugeordnet ist, die für eine gegenseitige magnetische Wechselwirkung zur kontaktlosen Kraftkopplung zwischen Messkörper und Messaufnehmer ausgebildet sind, wobei die eine der Magnetanordnungen einen Supraleiter umfasst und wobei die andere der Magnetanordnungen einen Permanentmagneten umfasst und wobei dem Messaufnehmer eine Sensoreinrichtung für eine Ermittlung einer physikalischen Größe für die Kraftkopplung zwischen Messkörper und Messaufnehmer zugeordnet ist, sowie mit einer Auswerteeinrichtung zur Verarbeitung eines von der Sensoreinrichtung bereitgestellten Sensorsignals.
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Die JP H01- 173 837 A offenbart eine Wägeeinrichtung, bei der eine relative Verschiebung zwischen einem Magneten und einem Supraleiter, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, erfasst wird und eine Bestimmung des Gewichts eines zu messenden Körpers aus der relativen Verschiebung erfolgt. Hierbei ist vorgesehen, dass der Supraleiter und der Magnet einander gegenüberliegend angeordnet sind und dass der Magnet schwebend in einem Gehäuse gehalten wird, während er einen Spalt mit dem Supraleiter aufweist. Bei Bereitstellung eines zu messenden Körpers variiert der Spalt, was mit Hilfe von Elektroden ermittelt werden kann, so dass die Spaltweite als Maß für das Gewicht des Körpers genutzt werden kann.
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Gemäß dem Artikel Ries, Günter; Werfel, Frank: In der Schwebe: Supraleitende Magnetlager, in: Physik in unserer Zeit, Vol. 35(3), May 2004, pp. 134-140 (ISSN 0031-9252) sind unterschiedliche Bauformen von Magnetlagern bekannt, die unter Nutzung von Supraleitern und Permanentmagneten gebildet werden können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Wiegeeinrichtung mit verbesserter Genauigkeit bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird für eine Wiegeeinrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Lagerkomponenten einen Supraleiter umfasst und dass wenigstens eine der Lagerkomponenten einen Permanentmagneten umfasst, um eine kontaktlose Kraftübertragung im Schwenklager zu ermöglichen.
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Die erfindungsgemäße Wiegeeinrichtung unterscheidet sich somit von den aus dem Stand der Technik bekannten Balkenwaagen durch eine kontaktlose Lagerung des Wiegebalkens, wodurch eine Lagerreibung zwischen dem Grundkörper und dem Wiegebalken entfällt, wie sie bei bekannten Wiegeeinrichtungen zu berücksichtigen ist. Für die ortsfeste und schwenkbewegliche Lagerung des Wiegebalkens gegenüber dem Grundkörper ist vielmehr eine kontaktlose Kraftübertragung vorgesehen, bei der die Eigenschaften des, vorzugsweise als Typ-II-Supraleiters (Hochtemperatursupraleiters) ausgebildeten, Supraleiters ausgenutzt werden. Der Supraleiter wird für die Durchführung des Wiegevorgangs auf und insbesondere unterhalb einer materialspezifischen Sprungtemperatur gehalten. Ferner wird der Supraleiter während eines Abkühlungsvorgangs unter die materialspezifische Sprungtemperatur mit einem äußeren Magnetfeld beaufschlagt (Pinning), das derart konfiguriert ist, dass die jeweils andere, insbesondere als Permanentmagnet oder als Permanentmagnetanordnung ausgebildete, Lagerkomponente bezüglich des Supraleiters ausschließlich eine Schwenkbewegung um genau eine Schwenkachse ausführen kann. Lineare Bewegungen der Lagerkomponenten und Schwenkbewegungen der Lagerkomponenten um andere Schwenkachsen werden aufgrund der Magnetfeldprägung des Supraleiters ausgeschlossen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass zwischen dem Wiegebalken und dem Grundkörper eine Kraftmesseinrichtung angeordnet ist. Die Kraftmesseinrichtung ermöglicht einen automatisierten Wiegevorgang, da abweichend von der bekannten Balkenwaage keine Kompensation der Gewichtskraft des Wiegeobjekts durch Auflegen von Gewichten vorgenommen werden muss, sondern vielmehr anhand der Krafteinwirkung des Wiegebalkens auf die Kraftmesseinrichtung und eines daraus resultierenden Sensorsignals in einer zugeordneten Auswerteeinrichtung auf die Gewichtskraft des Wiegeobjekts geschlossen werden kann. Vorzugsweise ist die Kraftmesseinrichtung einem Endbereich des Wiegebalkens zugeordnet und zwischen dem Endbereich des Wiegebalkens und dem Grundkörper angeordnet.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Kraftmesseinrichtung eine Magnetanordnung für eine kontaktlose Kraftübertragung zwischen dem Wiegebalken und einem am Grundkörper angeordneten Kraftaufnehmer umfasst. Um unerwünschte Reibungseffekte zwischen dem Wiegebalken und der Kraftmesseinrichtung zu vermeiden, ist eine kontaktlose Kraftübertragung zwischen dem Wiegebalken und dem Kraftaufnehmer vorgesehen, die mit Hilfe einer Magnetanordnung verwirklicht werden kann. Diese Magnetanordnung kann beispielhaft zwei gegensinnig und koaxial zueinander ausgerichtete Stabmagnete umfassen, wobei ein erster Stabmagnet am Wiegebalken angeordnet ist und ein zweiter Stabmagnet dem Kraftaufnehmer zugeordnet ist. Alternativ kann die Magnetanordnung auch eine Vielzahl von unterschiedlich ausgerichteten und/oder geformten und/oder polarisierten Permanentmagneten und/oder elektrischen Magnetspulen umfassen, um die gewünschte kontaktlose Kraftübertragung zu gewährleisten. Entscheidend ist, dass die sich gegenüberliegenden Komponenten der Magnetanordnung ausreichend große Abstoßungskräfte erzeugen, die innerhalb eines für den bestimmungsgemä-ßen Gebrauch der Wiegeeinrichtung vorgesehenen Kraftintervalls stets einen Luftspalt und damit die gewünschte kontaktlose Kraftübertragung zwischen dem Wiegebalken und dem Kraftaufnehmer gewährleisten.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Lagerkomponenten rotationssymmetrisch zu einer Schwenkachse des Wiegebalkens ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, dass bei der Schwenkbewegung des Wiegebalkens gegenüber dem Grundkörper keine unerwünschte Veränderung des magnetischen Flusses zwischen den beiden Lagerkomponenten eintritt. Eine derartige Flussänderung könnte ansonsten zu einer schwenkwinkelabhängigen Kraftübertragung im Schwenklager führen, wodurch die Genauigkeit der Wiegeeinrichtung beeinträchtigt würde. Wahlweise kann vorgesehen sein, dass die beiden Lagerkomponenten in vertikaler Richtung beabstandet zueinander angeordnet sind. In diesem Fall ist es im Hinblick auf die üblicherweise erforderliche Kühlung für den Supraleiter bevorzugt vorgesehen, dass die dem Wiegebalken zugeordnete Lagerkomponente ausschließlich Permanentmagnete umfasst und dass die dem Grundkörper zugeordnete Lagerkomponente den Supraleiter und gegebenenfalls weitere Permanentmagnete umfasst. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Lagerkomponenten koaxial zur Schwenkachse angeordnet sind. Eine derartige Ausgestaltung der Lagerkomponenten ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Wiegeeinrichtung in einer Umgebung betrieben wird, in der Temperaturen unterhalb der materialspezifischen Sprungtemperatur des Supraleiters vorliegen, so dass eine unmittelbare Kühlung des Supraleiters nicht erforderlich ist. Beispielhaft kann hierfür vorgesehen sein, dass vom Wiegebalken längs der Schwenkachse in einander entgegengesetzte Richtungen jeweils Ausleger abragen, die endseitig jeweils mit einer koaxial zur Schwenkachse ausgebildeten, insbesondere kreisscheibenförmigen, Lagerkomponente versehen sind und dass jeweils gegenüberliegend zu dieser Lagerkomponente die dem Grundkörper zugeordnete Lagerkomponente angeordnet ist.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Lagerkomponenten mehrere, vorzugsweise koaxial zueinander angeordnete, insbesondere koaxial zur Schwenkachse angeordnete, kreisscheibenförmig oder kreisringförmig ausgebildete Permanentmagnete umfasst. Durch eine Verwendung mehrerer Permanentmagnete, die kreisscheibenförmig oder kreisringförmig ausgebildet sind, können eventuell vorhandene Inhomogenitäten hinsichtlich der Magnetisierung des jeweiligen Permanentmagneten ausgeglichen werden. Dies gilt insbesondere für eine koaxiale Anordnung der Permanentmagneten zueinander, die vorzugsweise alle den gleichen Außendurchmesser und insbesondere eine identische Erstreckung längs einer gemeinsamen Achse, insbesondere der Schwenkachse, aufweisen. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass benachbart angeordnete Permanentmagnete gegensinnig in axialer Richtung oder in radialer Richtung magnetisiert sind, um gegenüber dem Supraleiter eine vorteilhafte ortsfeste und ausschließlich in genau einer Raumrichtung schwenkbewegliche Lagerung für den Wiegebalken zu gewährleisten.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass am Wiegebalken ein beweglich angeordnetes, insbesondere mit einer Antriebseinrichtung für eine Positionsveränderung längs des Wiegebalkens versehenes, Ausgleichsgewicht vorgesehen ist. Mit Hilfe des Ausgleichsgewichts, das beweglich am Wiegebalken angeordnet ist, kann eine Kompensation unterschiedlicher Gewichtskräfte, die von unterschiedlichen Wiegeobjekten auf den Wiegebalken eingeleitet werden, vorgenommen werden. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Kraftmesseinrichtung von Bedeutung, die im Interesse einer möglichst hohen Genauigkeit nur innerhalb eines vorgegebenen Kraftintervalls belastbar ist. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass der Wiegebalken vor Auflegen des Wiegeobjekts durch eine geeignete Anordnung des Ausgleichsgewichts auf einem dem Grundkörper zugeordneten Anschlag anliegt und anschließend ein Auflegen des Wiegeobjekts erfolgt, wobei die Anlage des Wiegebalkens an dem Anschlag zunächst aufrechterhalten bleibt. Anschließend erfolgt eine Verlagerung des Ausgleichsgewichts längs des Wiegebalkens, wodurch eine Kompensation der Gewichtskraft des Wiegeobjekts erfolgt, bis der Wiegebalken sich von der Anlage entfernt und die gewünschte kontaktlose Kraftübertragung zwischen dem Wiegebalken und dem am Grundkörper angeordneten Kraftaufnehmer vorliegt. Wahlweise kann die Verlagerung der Position des Ausgleichsgewichts längs des Wiegebalkens manuell oder durch eine Antriebseinrichtung vorgenommen werden, wobei die Antriebseinrichtung vorzugsweise am Wiegebalken festgelegt ist und aufgrund ihrer Gewichtskraft ebenfalls eine Ausgleichsfunktion zur Kompensation der Gewichtskraft des Wiegeobjekts leistet. Wahlweise kann vorgesehen sein, dass eine stufenlose Einstellung der Position des Ausgleichsgewichts längs des Wiegebalkens vorgesehen ist oder dass das Ausgleichsgewicht eine oder mehrere Vorzugspositionen längs des Wiegebalkens einnehmen kann, so dass, insbesondere bei einer manuellen Verstellung der Position des Ausgleichsgewichts, eine rasche Durchführung des Wiegevorgangs gewährleistet ist. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen werden, dass der Aufnahmebereich beweglich am Wiegebalken angeordnet ist, vorzugsweise synchron mit dem Ausgleichsgewicht verschoben werden kann, insbesondere starr mit dem Ausgleichsgewicht gekoppelt ist, um eine synchrone Zwangsbewegung des Aufnahmebereichs mit dem Ausgleichsgewicht zu gewährleisten. Ferner kann ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass der Wiegebalken in der Art eines Teleskops verlängert werden kann, um eine Anapassung der Empfindlichkeit der Waage zu erzielen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass dem Ausgleichsgewicht eine Positionsmesseinrichtung zugeordnet ist, die für eine Ermittlung einer Position des Ausgleichsgewichts längs des Wiegebalkens ausgebildet ist. Mit dieser Positionsmesseinrichtung, die beispielsweise als optisches System unter Verwendung eines Glasmaßstabes oder auf Basis einer optischen Entfernungsbestimmung, insbesondere kontaktlos, vorgenommen wird, erfolgt die Positionsermittlung für das Ausgleichsgewicht. Das von der Positionsmesseinrichtung bereitgestellte Positionssignal kann an eine Auswerteeinrichtung bereitgestellt werden, die unter Einbeziehung eines Signals der Kraftmesseinrichtung die Gewichtskraft des Wiegeobjekts bestimmen kann.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Grundkörper eine erste Koppeleinrichtung zugeordnet ist und dass dem Wiegebalken eine zweite Koppeleinrichtung zugeordnet ist, die eine Koppelstrecke für eine kontaktlose, insbesondere induktive und/oder kapazitive und/oder optische, Energieübertragung und/oder Informationsübertragung bilden. Die beiden Koppeleinrichtungen ermöglichen beispielsweise eine kontaktlose Energiezufuhr vom Grundkörper auf den Wiegebalken, was insbesondere bei einer Verwendung einer Antriebseinrichtung für das Ausgleichsgewicht und/oder einer Positionsmesseinrichtung für das Ausgleichsgewicht von Interesse ist. Ergänzend oder alternativ kann die von den Koppeleinrichtungen gebildete Koppelstrecke auch zur Informationsübertragung, insbesondere zur Übertragung von Sensorsignalen genutzt werden, was insbesondere bei der Verwendung einer Positionsmesseinrichtung am Wiegebalken zur Ermittlung der Position des Ausgleichsgewichts von Interesse ist. Beispielhaft ist eine induktive Energieübertragung zwischen der ersten Koppeleinrichtung und der zweiten Koppeleinrichtung vorgesehen, hierzu umfasst die erste Koppeleinrichtung eine Anregungsspule, die mit elektrischem Strom beaufschlagt wird, um ein Magnetfeld, insbesondere ein magnetisches Wechselfeld, an eine Empfängerspule bereitstellen zu können, die der zweiten Koppeleinrichtung zugeordnet ist. Alternativ kann die erste Koppeleinrichtung als Lichtquelle und die zweite Koppeleinrichtung als optoelektronischer Energiewandler in der Art einer Solarzelle ausgebildet sein. Für eine Informationsübertragung kann ergänzend oder alternativ auch eine Funkstrecke, insbesondere nach einem üblichen Funkstandard wie beispielsweise Bluetooth oder ZigBee vorgesehen sein, wobei eine unidirektionale oder bidirektionale Informationsübertragung vorgesehen sein kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Lagerkomponente den Supraleiter umfasst und dass die zweite Lagerkomponente mehrere kreisscheibenförmig oder kreisringförmig ausgebildete und koaxial zur Schwenkachse ausgerichtete Permanentmagnete umfasst und dass dem Supraleiter eine Kühleinrichtung zugeordnet ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Permanentmagnete jeweils eine kreiszylindrische Außenoberfläche aufweisen und jeweils benachbart angeordnete Permanentmagnete eine gegensinnige, insbesondere eine radiale oder eine axiale, Magnetisierung aufweisen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass alle Permanentmagnete den gleichen Außendurchmesser aufweisen. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Permanentmagnete eine identische, insbesondere axiale oder radiale, Magnetisierung aufweisen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
- 1: eine rein schematische und nicht maßstäbliche Seitenansicht einer Wiegeeinrichtung, und
- 2: eine Schnittdarstellung der Wiegeeinrichtung gemäß der 1 in einer Vorderansicht.
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Eine in den 1 und 2 dargestellte Wiegeeinrichtung 1 ist zur Ermittlung des Gewichts, genauer gesagt der Gewichtskraft, eines nicht näher dargestellten Wiegeobjekts ausgebildet und kann beispielsweise in Labors eingesetzt werden, um präzise Wiegevorgänge durchzuführen. Die Wiegeeinrichtung 1 ist grundsätzlich nach dem Prinzip der Balkenwaage aufgebaut und umfasst einen Grundkörper 2, der beispielhaft als quaderförmige Grundplatte ausgebildet ist und an dem eine nachstehend näher beschriebene erste Lagerkomponente 3 sowie ein Kraftaufnehmer 5 angebracht sind. Ferner umfasst die Wiegeeinrichtung 1 einen rein exemplarisch als quaderförmige Platte ausgebildeten Wiegebalken 6, dem eine zweite Lagerkomponente 4 zugeordnet ist, die zusammen mit der ersten Lagerkomponente 3 ein Schwenklager 11 ausbildet. Das Schwenklager 11 weist genau einen rotatorischen Freiheitsgrad der Bewegung um eine in der 2 dargestellte Schwenkachse 12 auf, während Schwenkbewegungen um andere Schwenkachsen oder lineare Bewegungen der beiden Lagerkomponenten 3, 4 zueinander unterbunden werden. Ferner umfasst der Wiegebalken 6 einen beispielhaft als Waagschale ausgebildeten Aufnahmebereich 7 und ein Ausgleichsgewicht 8, dem eine Antriebseinrichtung 9 und eine Positionsmesseinrichtung 10 zugeordnet sind.
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Beispielhaft sind dem Kraftaufnehmer 5 und dem Wiegebalken 6 jeweils Magnetkomponenten 15, 16 zugeordnet, die rein exemplarisch als axial magnetisierte und gegensinnig zueinander ausgerichtete Stabmagnete ausgebildet sind. Die Magnetkomponenten 15, 16 werden in nachstehend näher beschriebener Weise für eine kontaktlose Kraftübertragung zwischen dem Wiegebalken 6 und dem Kraftaufnehmer 5 genutzt. Die Magnetkomponenten 15, 16 bilden zusammen mit dem Kraftaufnehmer 5 eine Kraftmesseinrichtung 17.
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Wie aus der schematischen Darstellung der 2 entnommen werden kann, umfasst die erste Lagerkomponente 3 eine nur schematisch und nicht im Detail dargestellte Kühleinrichtung 18, einen Isolierbehälter 19 sowie einen im Inneren des Isolierbehälters 19 aufgenommenen, rein exemplarisch quaderförmig ausgebildeten Supraleiter 20. Beispielhaft ist vorgesehen, dass der Supraleiter 20 aus Yttriumbariumkupferoxid (YBCO) hergestellt ist und damit einen Typ II-Supraleiter bildet, und dass der Supraleiter 20 über zwei mit der Kühleinrichtung 18 gekoppelte Kühlfinger 21, 22 im Isolierbehälter 19 gelagert ist. Über die Kühlfinger 21, 22 findet auch ein Wärmetransport vom Supraleiter 20 zur Kühleinrichtung 18, bei der es sich beispielsweise um einen nicht näher dargestellten, elektrisch betriebenen Stirling-Motor handeln kann, statt. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Isolierbehälter 19 evakuiert ist, so dass ein Wärmeeintrag aus der Umgebung der Wiegeeinrichtung 1 auf den im Isolierbehälter 19 aufgenommenen Supraleiter 20 minimal ist. Der Supraleiter 20 wird mit Hilfe der Kühleinrichtung 18 auf einer Temperatur gehalten, die unterhalb der materialspezifischen Sprungtemperatur des Supraleiters 20 liegt.
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Bei einer Abkühlung des Supraleiters 20 ausgehend von einer Temperatur, die oberhalb der materialspezifischen Sprungtemperatur des Supraleiters 20 liegt, auf eine Temperatur unterhalb der materialspezifischen Sprungtemperatur, ist vorgesehen, ein äußeres Magnetfeld auf den Supraleiter 20 einwirken zu lassen, das dem Magnetfeld der zweiten Lagerkomponente 4 entspricht, sofern diese die in den 1 und 2 gezeigte Position gegenüber dem Supraleiter 20 einnimmt. Hierdurch werden im Supraleiter 20 beim Unterschreiten der materialspezifischen Sprungtemperatur sogenannte Flussschläuche ausgebildet, die einer Veränderung des von außen aufgeprägtes Magnetfelds entgegenwirken und damit die gewünschte Positionierung der zweiten Lagerkomponente 4 gegenüber der ersten Lagerkomponente 3 gewährleisten.
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Um eine Schwenkbeweglichkeit der zweiten Lagerkomponente 4 gegenüber der ersten Lagerkomponente 3 um die Schwenkachse 12 trotz der im Supraleiter 20 eingeprägten Flussschläuche zu ermöglichen sind die rein exemplarisch kreisscheibenförmig ausgebildeten Permanentmagnete 23 der zweiten Lagerkomponente 4 in homogener Weise bezüglich der Schwenkachse 12 magnetisiert. Dementsprechend kommt es bei einer Schwenkbewegung der zweiten Lagerkomponente 4 um die Schwenkachse 12 nicht zu einer Veränderung des von der zweiten Lagerkomponente 4 abgegebenen magnetischen Flusses gegenüber dem Supraleiter 20, so dass eine kontaktlose und völlig reibungsfreie Lagerung des Wiegebalkens 6 gegenüber dem Grundkörper 2 gewährleistet ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Permanentmagnete 23 in axialer Richtung längs der Schwenkachse 12 magnetisiert sind, da hierdurch eine kostengünstige Herstellung der Permanentmagnete 23 ermöglicht wird. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass benachbart zueinander längs der Schwenkachse 12 angeordnete Permanentmagnete 23 gegensinnig magnetisiert sind, um gegenüber dem Supraleiter 20 eine stabile Positionierung zu gewährleisten. Die Permanentmagnete 23 sind in nicht näher dargestellter Weise an einer Unterseite des Wiegebalkens 6 festgelegt.
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Der am Grundkörper 2 festgelegte Kraftaufnehmer 5 ist rein exemplarisch als Kombination eines beispielhaft U-förmig ausgebildeten Biegekörpers 24 und eines Dehnungsmessstreifens 30, der an einer Außenoberfläche des Biegekörpers 24 angebracht ist, ausgebildet. Der Biegekörper 24 liegt mit einer Unterseite 25 auf einem formstabilen Stützkörper 26 auf, der seinerseits auf dem Grundkörper 2 festgelegt ist. An einer Oberseite 27 des Biegekörpers 24 ist die erste Magnetkomponente 15 angeordnet. Bei einer Relativbewegung des Wiegebalkens 6 um die Schwenkachse 12 kommt es in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Wiegebalkens 6 zu einer Annäherung oder Entfernung der Magnetkomponente 16 gegenüber der Magnetkomponente 15 und dadurch zu einer Zunahme oder zu einer Abnahme der zwischen den beiden Magnetkomponenten 15, 16 übertragenen Kräfte. Hierdurch wird eine Deformation des Biegekörpers 24 hervorgerufen, bei der sich die beiden Schenkel 28, 29 des Biegekörpers 24 entweder an einander annähern oder voneinander entfernen. Hierbei ändert sich auch die Außengeometrie des Biegekörpers 24, wodurch eine Deformation des Dehnungsmessstreifens 30 hervorgerufen wird. Der Dehnungsmessstreifen 30 ist beispielsweise als elektrisches Widerstandselement mit deformationsabhängigem elektrischem Widerstand ausgebildet und kann mittels einer Sensorleitung 31 von einer Auswerteeinrichtung 32 elektronisch abgetastet werden. Das über die Sensorleitung 31 ermittelte Sensorsignal des Dehnungsmessstreifens 30 steht in einem vorgegebenen Zusammenhang mit der auf den Biegekörper 24 eingeleiteten Kraft und wird von der Auswerteeinrichtung 32 für die Ermittlung der Gewichtskraft des nicht näher dargestellten Wiegeobjekts herangezogen.
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Rein exemplarisch ist der Aufnahmebereich 7 an einem ersten Endbereich 33 des Wiegebalkens 6 angeordnet. An einem zweiten Endbereich 34 des Wiegebalkens 6 ist rein exemplarisch eine als elektrischer Schrittmotor ausgebildete Antriebseinrichtung 9 angeordnet, die über einen nicht näher dargestellten Gewindetrieb kinematisch mit dem linearbeweglich am Wiegebalken 6 gelagerten Ausgleichsgewicht 8 gekoppelt ist. Somit ruft eine Rotationsbewegung einer nicht näher dargestellten Antriebswelle der Antriebseinrichtung 9 und einer starr mit der Antriebswelle gekoppelten Gewindestange eine Linearbewegung des Ausgleichsgewichts 8 hervor. Das Ausgleichsgewicht 8 umfasst ein Geberelement 35, das für eine Wechselwirkung mit der Positionsmesseinrichtung 10 ausgebildet ist, so dass die Positionsmesseinrichtung 10 in Abhängigkeit von einer linearen Position des Ausgleichsgewichts 8 ein elektrisches Positionssignal bereitstellen kann.
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Beispielhaft ist vorgesehen, dass sowohl eine Übertragung von elektrischer Antriebsenergie von der Auswerteeinrichtung 32 an die Antriebseinrichtung 9 als auch eine Übertragung des Positionssignals von der Positionsmesseinrichtung 10 an die Auswerteeinrichtung 32 kontaktlos über eine Koppelstrecke 36 erfolgt. Rein exemplarisch ist die Koppelstrecke 36 für eine induktive Energieübertragung und Signalübertragung ausgebildet und umfasst eine elektrisch mit der Auswerteeinrichtung 33 verbundene erste Koppeleinrichtung 37 sowie eine rein exemplarisch an der Antriebseinrichtung 9 ausgebildete zweite Koppeleinrichtung 38. Dabei sind beide Koppeleinrichtungen 37, 38 für eine bidirektionale Übertragung von magnetischen Feldern ausgebildet, wobei über eine Modulation der magnetischen Felder auch die gewünschte Informationsübertragung, insbesondere die Übertragung des Positionssignals, verwirklicht werden kann.
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Eine Funktionsweise der Wiegeeinrichtung 1 kann wie folgt beschrieben werden:
- Zunächst weisen sämtliche Komponenten der Wiegeeinrichtung 1, insbesondere auch der Supraleiter 20, die gleiche Temperatur, beispielsweise eine Raumtemperatur von 20 Grad Celsius, auf. Zu diesem Zeitpunkt ist keine schwebende Lagerung des Wiegebalkens 6 gegenüber dem Grundkörper 2 vorgesehen, vielmehr wird der Wiegebalken 6 durch nicht näher dargestellte Abstandshalter in der Position fixiert, wie sie schematisch in der 1 dargestellt ist.
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Anschließend erfolgt eine Aktivierung der Kühleinrichtung 18, die über die Kühlfinger 21 und 22 einen Abtransport von Wärme aus dem Isolierbehälter 19 und insbesondere aus dem Supraleiter 20 bewirkt. Da der Wiegebalken 6 mit den Permanentmagneten 23 ausgerüstet ist und die Magnetfelder der Permanentmagnete 23 auf den Supraleiter 20 einwirken, kann dieser bei Erreichen bzw. Unterschreiten seiner materialspezifischen Sprungtemperatur in seinem Inneren ein sogenanntes „Pinning“ des von außen durch die Permanentmagnete 23 bereitgestellten Magnetfelds in Form von Flussschläuchen vornehmen. Ab dem Zeitpunkt der Unterschreitung der materialspezifischen Sprungtemperatur wirken die im Supraleiter 20 ausgebildeten Flussschläuche einer Veränderung des äußeren Magnetfelds entgegen, so dass ab diesem Zeitpunkt jede Veränderung des äußeren Magnetfelds, insbesondere eine räumliche Verlagerung der Permanentmagnete 23, zu Reaktionskräften führt, die dafür sorgen, dass dem Wiegebalken 6 seine Position gegenüber dem Grundkörper 2 beibehält.
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Dementsprechend können ab dem Zeitpunkt des Unterschreitens der materialspezifischen Sprungtemperatur des Supraleiters 20 die nicht näher dargestellten Abstandshalter entfernt werden und der Wiegebalken wird durch das aus der ersten Lagerkomponente 3 und der zweiten Lagerkomponente 4 gebildete Schwenklager 11 schwenkbeweglich und ansonsten positionsunveränderlich kontaktlos am Grundkörper 2 gelagert.
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Anschließend kann ein Kalibriervorgang für die Wiegeeinrichtung 1 vorgenommen werden. Hierzu ist zunächst sicherzustellen, dass im Aufnahmebereich 7 kein Wiegeobjekt angeordnet ist. Daraufhin erfolgt eine Ansteuerung der Antriebseinrichtung 9 dahingehend, dass das Ausgleichsgewicht 8 längs des Wiegebalkens 6 derart verlagert wird, das sich eine minimale, insbesondere eine verschwindende, Kraftwirkung zwischen den beiden Magnetkomponenten 15 und 16 einstellt, die sich in einem minimalen Signalpegel der Kraftmesseinrichtung 17 äußert. Hierzu erfolgt eine kontaktlose Übertragung von Energie und Ansteuersignalen über die Koppelstrecke 36 von der Auswerteeinrichtung 32 an die Antriebseinrichtung 9.
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Die Auswerteeinrichtung 32 speichert nunmehr die Position des Ausgleichsgewichts 8, die mit Hilfe der Positionsmesseinrichtung 10 ermittelt und kontaktlos über die Koppelstrecke 36 an die Auswerteeinrichtung 32 übertragen wird. Ferner speichert die Auswerteeinrichtung 32 den Signalpegel der Kraftmesseinrichtung 17, der über die Sensorleitung 31 übertragen werden kann.
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Nach der Durchführung dieses Kalibrierungsvorgangs kann nunmehr ein nicht dargestelltes Wiegeobjekt auf den als Waagschale ausgebildeten Aufnahmebereich 7 aufgelegt werden. Aufgrund der Masse und der daraus resultierenden Gewichtskraft des Wiegeobjekts kommt es zu einer Krafteinleitung auf den Wiegebalken 6. Hieraus resultiert eine Annäherung zwischen der zweiten Magnetkomponente 16 und der ersten Magnetkomponente 15, die jeweils als Stabmagnete ausgebildet sein können, wobei sich gleichnamige Pole der beiden Stabmagnete gegenüberliegen, um Abstoßungskräfte bereitzustellen, die die kontaktlose Kraftübertragung zwischen den beiden Magnetkomponenten 15, 16 ermöglichen. Ein Abstand der Magnetkomponenten 15, 16 hängt von den Abstoßungskräften zwischen den beiden Stabmagneten sowie von der kontaktlos zu übertragenden Kraft ab.
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Sofern die Gewichtskraft des Wiegeobjekts einen vorgebbaren Betrag nicht übersteigt, bei dem sichergestellt ist, dass die Abstoßungskräfte zwischen den beiden Stabmagneten einen Luftspalt zwischen den beiden Stabmagneten aufrechterhalten können und ein Meßbereich des Kraftaufnehmers 5 nicht überschritten wird, kann vorgesehen werden, dass keine Positionsveränderung für das Ausgleichsgewicht 8 vorgenommen wird. In diesem Fall wird die Gewichtskraft des Wiegeobjekts ausschließlich anhand des von der Kraftmesseinrichtung 17 an die Auswerteeinrichtung 33 bereitgestellten Sensorsignals bestimmt.
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Übersteigt die Gewichtskraft des Wiegeobjekts hingegen einen vorgebbaren Betrag, so kann der Fall auftreten, dass der Abstand zwischen den beiden Magnetkomponenten 15, 16 verschwindet und/oder der Schenkel 29 des Biegekörpers 24 in Anlage an einen am Schenkel 28 angebrachten und als Überlastschutz dienenden Blockierkörper 39 kommt. Dementsprechend stellt sich in der Auswerteeinrichtung 32 ein Signalverlauf für das Sensorsignal der Kraftmesseinrichtung 17 ein, anhand dessen die Auswerteeinrichtung 32 den Rückschluss ziehen kann, dass die Gewichtskraft des Wiegeobjekts den vorgegebenen Betrag überschritten hat. In diesem Fall ist die Auswerteeinrichtung 32 dazu eingerichtet, elektrische Energie sowie Ansteuersignale über die Koppelstrecke 36 an die Antriebseinrichtung 9 bereitzustellen, um eine Verlagerung des Ausgleichsgewichts 8 zu bewirken, so dass dieses einen größeren Abstand gegenüber dem Aufnahmebereich 7 einnimmt. Dadurch verändert sich ein vom Ausgleichsgewicht 8 bewirktes Drehmoment auf den Wiegebalken 6, das einem von der Gewichtskraft des Wiegeobjekts hervorgerufenen Drehmoment auf den Wiegebalken 6 entgegengesetzt ist.
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Vorzugsweise erfolgt eine Positionsveränderung des Ausgleichsgewichts 8 solange, bis die Kraftmesseinrichtung 17 mit einer minimalen Kraft beaufschlagt ist, die insbesondere identisch zu der minimalen Kraft ist, die während des Kalibrierungsvorgangs ermittelt wurde.
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Sofern die Kraftmesseinrichtung 17 ein Signal mit einem Signalpegel ausgibt, anhand dessen auf eine verschwindende Kraft zwischen den beiden Magnetkomponenten 15, 16 geschlossen werden kann, kann die Auswerteeinrichtung 32 ausschließlich anhand der nunmehr vom Ausgleichsgewicht 8 eingenommenen und mit Hilfe der Positionsmesseinrichtung 10 ermittelten Position die vom Wiegeobjekt auf den Wiegebalken 6 ausgeübten Gewichtskraft berechnen.
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Sofern die Kraftmesseinrichtung 17 ein Signal mit einem Signalpegel ausgibt, der auf eine Kraftübertragung zwischen den beiden Magnetkomponenten 15, 16 hinweist, die oberhalb eines während des Kalibrierungsvorgangs vorliegenden Kraftniveaus liegt, berechnet die Auswerteeinrichtung 32 die Gewichtskraft des Wiegeobjekts sowohl anhand der Krafteinwirkung auf die Kraftmesseinrichtung 17 als auch anhand der Position des Ausgleichsgewichts 8 längs des Wiegebalkens 6, die mit Hilfe der Positionsmesseinrichtung 10 ermittelt wird.
