DE10342272B3

DE10342272B3 - Wägesystem nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation

Info

Publication number: DE10342272B3
Application number: DE10342272A
Authority: DE
Inventors: Michael Müller; Ulrich Baiohr; Michael Domhardt; Alfred Dr. Klauer
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius Lab Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-09-13
Also published as: CN100507470C; US7780579B2; US20060161386A1; CN1791787A; WO2005029011A1

Abstract

Für ein Wägesystem nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einem Permanentmagnetsystem (14), das einen Luftspalt und einen Abschirmdeckel (12) aufweist, mit einer Spule (13) im Luftspalt des Permanentmagnetsystems, mit einem Übersetzungshebel (7), an dessen längerem Hebelarm die Spule befestigt ist und an dessen kürzerem Hebelarm die vom Lastaufnehmer übertragene Gewichtskraft angreift, mit einem Lagensensor (20, 21, 22), der die Lage des Übersetzungshebels erfasst und in der Nähe der Spule angeordnet ist, und mit einem Regelverstärker (16) zur Regelung des Stromes durch die Spule, wird vorgeschlagen, dass mindestens eine vertikale Stütze (25) in der Nähe der Spule und des Lagensensors mit dem Übersetzungshebel verbunden ist, die durch mindestens einen Durchbruch (27) im Abschirmdeckel hindurchragt, und dass an dieser Stütze bzw. diesen Stützen dicht oberhalb des Abschirmdeckels ein Gegengewicht (26) angeordnet ist. DOLLAR A Dadurch wird eine schwingungsoptimierte Anordnung erreicht, die auch bei Totlasten schnelle Wägungen erlaubt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wägesystem nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einem Permanentmagnetsystem, das einen Luftspalt und einen Abschirmdeckel aufweist, mit einer Spule im Luftspalt des Permanentmagnetsystems zur Erzeugung der belastungsabhängigen Gegenkraft, mit einem Übersetzungshebel, an dessen längerem Hebelarm die Spule befestigt ist und an dessen kürzerem Hebelarm die vom Lastaufnehmer übertragene Gewichtskraft direkt oder durch weitere Hebel untersetzt angreift, mit einem Lagensensor, der die Lage des Übersetzungshebels erfasst und in der Nähe der Spule angeordnet ist, und mit einem Regelverstärker zur Regelung des Stromes durch die Spule.

Wägesysteme dieser Art sind z. B. aus der DE 37 43 073 A1 bekannt.

Weisen diese Wägesysteme am Lastaufnehmer hohe Totlasten auf – wie z. B. schwere Waagschalen oder Rollenbahnen, die ggf. auch noch Motoren zum Antrieb der Rollen aufweisen – , so müssen diese Totlasten entweder durch zusätzlichen Strom in der Spule kompensiert werden, was jedoch zu zusätzlicher Wärmeentwicklung führt, oder es werden Gegengewichte am Übersetzungshebel befestigt. Ein Wägesystem mit einem Gegengewicht ist z. B, aus der DE 198 04 439 C1 bekannt. Dort ist der Übersetzungshebel über die Befestigungsstelle der Spule hinaus verlängert und trägt am Hebelende das Gegengewicht. Diese Lösung ist jedoch nur für langsame Wägungen geeignet; bei schnellen Wägungen stören Eigenschwingungen des Übersetzungshebels, die an der Hebellagerung und am Gegengewicht Schwingungsknoten haben. Diese Schwingungen werden durch die bei schnellen Wägungen sich schnell ändernden Kräfte der Spule angeregt und klingen erst allmählich ab, sodass die Zeit bis zum Erreichen eines stabilen Wägeergebnisses relativ lang ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Wägesystem der eingangs genannten Art anzugeben, das auch bei Totlasten eine schnelle Ermittlung des Wägeergebnisses erlaubt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass mindestens eine vertikale Stütze in der Nähe der Spule und des Lagensensors mit dem Übersetzungshebel verbunden ist, die durch mindestens einen Durchbruch im Abschirmdeckel hindurchragt, und dass an dieser Stütze bzw. diesen Stützen dicht oberhalb des Abschirmdeckels ein Gegengewicht angeordnet ist.

Durch diese Anordnung des Gegengewichtes oberhalb der Spule und des Lagensensors liegt der durch die relativ große Masse des Gegengewichtes erzeugte Schwingungsknoten am Ort der Spule, sodass wechselnde Spulenkräfte nicht schwingungsanregend wirken können. Außerdem liegt auch der Lagensensor zumindest näherungsweise in diesem Schwingungsknoten, sodass eventuelle geringe Schwingungsamplituden, die durch andere Ursachen angeregt werden, sich nicht auf den Lagensensor und damit nicht auf den Regelkreis und nicht auf die Ermittlung des Wägeergebnisses auswirken. – Durch die vertikale(n) Stütze(n) ist eine in vertikaler Richtung sehr steife Kopplung des Gegengewichtes an den Übersetzungshebel, die Spule und den Lagensensor realisiert, sodass dadurch keine zusätzlichen niederfrequenten Schwingungen entstehen können. – Durch die Anordnung des Gegengewichtes oberhalb des Abschirmdeckels ist das Gegengewicht gut zugänglich und kann in einer vorteilhaften Weiterbildung lösbar befestigt sein und gegebenenfalls auch in mehrere Teilgegengewichte aufgeteilt sein. Dadurch ist eine leichte Anpassung an verschiedene Totlasten möglich.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausgestaltung des Wägesystems,
2 eine Seitenansicht einer zweiten Ausgestaltung des Wägesystems (teilweise geschnitten),
3 die für die Erfindung wesentlichen Teile des Wägesystems vergrößert im Schnitt und
4 eine Variante zu 3.
Das Wägesystem in 1 besteht aus einem gehäusefesten Systemträger 1, an dem über zwei Lenker 4 und 5 mit den Gelenkstellen 6 ein Lastaufnehmer 2 in senkrechter Richtung beweglich befestigt ist. Der Lastaufnehmer 2 trägt in seinem oberen Teil die Lastschale 3 zur Aufnahme des Wägegutes und überträgt die der Masse des Wägegutes entsprechende Gewichtskraft über ein Koppelelement 11 auf den kürzeren Hebelarm des Übersetzungshebels 7. Der Übersetzungshebel 7 ist durch Federgelenke 8 am Systemträger 1 gelagert. Am längeren Hebelarm des Übersetzungshebels 7 ist eine Spule 13 befestigt. Die Spule 13 befindet sich im Luftspalt eines Permanentmagnetsystems 14 und erzeugt die belastungsabhängige Gegenkraft. Die Größe des Stromes durch die Spule 13 wird dabei in bekannter Weise durch den optischen Lagensensor 20, 21, 22 und den Regelverstärker 16 so geregelt, dass Gleichgewicht zwischen dem Gewicht des Wägegutes und der elektromagnetisch erzeugten Gegenkraft herrscht. Der elektrische Anschluss zur Spule 13 ist dabei in 1 nur schematisch angedeutet. Der Strom durch die Spule 13 erzeugt am Messwiderstand 15 eine Messspannung, die einem Analog/Digital-Wandler 17 zugeführt wird. Das digitalisierte Ergebnis wird von einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 18 übernommen und in der Anzeige 19 digital angezeigt.
Der optische Lagensensor besteht aus einem Strahlungssender 20, dessen Stromversorgung der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurde, dem Strahlungsempfänger 22, dessen Verbindung 23 zum Regelverstärker 16 nur angedeutet ist, und der Schlitzblende 21. Der Strahlungssender 20 und der Strahlungsempfänger 22 sind am Abschirmdeckel 12 des Permanentmagnetsystems 14 befestigt. Die Schlitzblende 21 ist am Übersetzungshebel 7 befestigt. Die Schlitzblende 21 befindet sich dabei etwa in der Achse der Spule 13 auf der gegenüberliegenden Seite des Übersetzungshebels 7. – Die im Vorstehenden beschriebenen Teile des Lagensensors sind im Zusammenwirken mit dem Regelverstärker und der Spule für Wägesysteme nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation allgemein bekannt, sodass auf eine detaillierte Erläuterung verzichtet werden kann.
Das erfindungsgemäße Wägesystem weist nun zusätzlich zwei vertikale Stützen 25 auf, die am längeren Hebelarm des Übersetzungshebels 7 befestigt sind und nach oben hin durch zwei Durchbrüche 27 im Abschirmdeckel 12 hindurchragen. Am oberen Ende der Stützen 25 ist dann ein Gegengewicht 26 befestigt. Die Masse dieses Gegengewichtes ist dabei im allgemeinen so bemessen, dass Gegengewicht 26 und Spule 13 der Waagschale 3 (einschließlich der an ihr befestigten Aufbauten) und dem Lastaufnehmer 2 mechanisch etwa das Gleichgewicht halten, sodass ohne Last der Strom durch die Spule 13 null oder nahe null ist.
Durch diese Anordnung des Gegengewichtes mit seinem Schwerpunkt etwa in der Achse der Spule 13 und direkt oberhalb des Abschirmdeckels 12 bilden Spule, Lagensensor und Gegengewicht eine kompakte und sehr stabile Einheit und erzeugen gemeinsam einen Schwingungsknoten. Die Anregung von Störschwingungen im dynamischen Wägebetrieb und die Auswirkungen von Störschwingungen werden dadurch minimiert.
Die Benutzung von zwei Stützen 25 zur Befestigung des Gegengewichtes 26 hat den Vorteil, dass die Biegesteifigkeit des Übersetzungshebels 7 im hinteren Bereich durch die Biegesteifigkeit des Gegengewichtes erhöht wird. Dadurch verschieben sich die Eigenfrequenzen des Übersetzungshebels zu höheren Frequenzen hin, wodurch das dynamische Verhalten des Wägesystems zusätzlich verbessert wird.
Das Gegengewicht 26 hat vorteilhafterweise die Form einer Aachen Scheibe. Damit passt es sich der Form des Abschirmdeckels 12 an und der zusätzliche Platzbedarf ist gering. Außerdem ist dadurch der Wärmekontakt zum Abschirmdeckel und zum Permanentmagnetsystem relativ gut, sodass Temperaturdifferenzen weitgehend vermieden werden. – Das Material des Gegengewichtes 26 sollte vorteilhafterweise unmagnetisch sein, damit das trotz des Abschirmdeckels noch vorhandene geringe Restmagnetfeld keine Kräfte auf das Gegengewicht ausübt. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird als Material des Gegengewichtes und auch der Stützen 25 das gleiche Material gewählt, aus dem auch der Übersetzungshebel 7 hergestellt ist. Dadurch werden Verspannungen bei wechselnden Umgebungstemperaturen vermieden.
In 2 ist eine zweite Ausgestaltung des Wägesystems in Seitenansicht gezeigt, wobei der Bereich des Permanentmagnetsystems geschnitten gezeichnet ist. Man erkennt einen Lastaufnehmer 52, der über einen oberen Lenker 54 und einen unteren Lenker 55 in Form einer Parallelführung mit einem gehäusefesten Bereich 51 verbunden ist. Die Gelenkstellen der Lenker sind mit 56 bezeichnet. Am Lastaufnehmer 52 ist ein Förderband 53 befestigt, wobei die Art der Befestigung nur ganz schematisch angedeutet ist. Die Gewichtskraft des Wägegutes wird von einem Vorsprung 80 des Lastaufnehmers 52 über ein vertikales Kraftübertragungselement 61 auf einen Hebel 82 übertragen. Der Hebel 82 ist mit einer Dünnstelle 81 an einem Vorsprung 84 des gehäusefesten Bereiches 51 gelagert. Der Hebel 82 ist ein Winkelhebel. Er überträgt die reduzierte und umgelenkte, etwa waagerechte Kraft über eine Dünnstelle 83 auf einen Übersetzungshebel 57, der über eine Dünnstelle 58, eine Stelze 60 und eine weitere Dünnstelle 59 an einem Vorsprung 85 des gehäusefesten Bereiches 51 gelagert ist. Der Übersetzungshebel 57 ist ebenfalls ein Winkelhebel. An seinem längeren Hebelarm ist die Spule 63 für die elektromagnetische Kraftkompensation befestigt. – Der geometrische Aufbau dieses monolithisch hergestellten Wägesystems ist aus der DE 195 40 782 C1 bekannt, sodass hier Einzelheiten nicht erläutert werden müssen.
Das Magnetsystem 64 weist wieder einen Abschirmdeckel 62 auf, der an seiner Unterseite die nur angedeutete Leuchtdiode 70 und die Fotodioden 72 des Lagensensors trägt. Die am Übersetzungshebel 57 befestigte Schlitzblende 71 ist ebenfalls nur angedeutet. Am längeren Hebelarm des Übersetzungshebels 57 ist eine vertikale Stütze 75 befestigt, die durch einen Durchbruch 77 im Abschirmdeckel hindurchragt und das Gegengewicht 76 trägt. Die Stütze 75 ist dabei plattenförmig ausgebildet, um eine genügend steife Koppelung des Gegengewichtes an den Übersetzungshebel zu erzielen – vor allem gegenüber vertikalen dynamischen Kräften. Außerdem erstreckt sich die Stütze so weit wie möglich bis an den Schwerpunkt des Gegengewichtes bzw. bis an die Achse der Spule 63 bzw. bis an den Lagensensor 70/71/72 heran (Schwerpunkt des Gegengewichtes, Spulenachse und Lagensensor liegen ja zumindest näherungsweise auf einer vertikalen Linie).
In den 1 und 2 sind konstruktive Einzelheiten, z. B. bezüglich der Verbindungen, der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. Diese Einzelheiten erkennt man in 3, die die für die Erfindung wesentlichen Teile des Wägesystems am Beispiel der Ausgestaltung mit zwei Stützen in vergrößertem Maßstab zeigt. Man erkennt das Permanentmagnetsystem 94 und die Spule 93, die durch Schrauben 98 am Übersetzungshebel 97 festgeschraubt ist. Die Stützen 95 weisen an ihrem unteren Ende eine Schulter und einen Gewindezapfen 99 auf, mit dem sie in eine Gewindebohrung im Übersetzungshebel 97 eingeschraubt sind. Am oberen Ende weisen die Stützen 95 ein vertikales Sackloch mit Innengewinde auf. Das Gegengewicht 96 ist dann durch Schrauben 90 an den Stützen festgeschraubt. Das Permanentmagnetsystem 94 weist an seinem äußeren oberen Rand einen umtaufenden Kragen 104 auf, an dessen Oberseite der Abschirmdeckel 92 befestigt ist. Der Kragen 104 weist dabei Durchbrüche für den Durchtritt des Übersetzungshebels 97 auf. In entsprechender Weise weist der Abschirmdeckel 92 Durchbrüche 91 zum berührungsfreien Durchtritt der Stützen 95 auf. Vom Lagensensor erkennt man nur den Befestigungsblock 105 für die Leuchtdiode 100 und die Schlitzblende 101. Der Befestigungsblock 105 ist am umlaufenden Kragen 104 befestigt, die Schlitzblende 101 am Übersetzungshebel 97.
Da das Gegengewicht 96 durch die Schrauben 90 lösbar mit den Stützen 95 verbunden ist, kann es leicht ausgetauscht werden und an verschieden große Vorlasten am Lastaufnehmer des Wägesystems angepasst werden.
Eine andere Möglichkeit der Anpassung der Größe des Gegengewichtes ist in 4 gezeigt. Gleiche Teile wie in der entsprechenden 3 sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht noch mal erläutert. In dieser Ausgestaltung gemäß 4 ist das Gegengewicht 106 in mehrere Teilgegengewichte 106', 106'' und 106''' unterteilt: Das erste, unterste Teilgegengewicht 106' ist mit den Schrauben 110 direkt auf die Stützen 95 aufgeschraubt. Die weiteren Teilgegengewichte 106'' und 106''' sind dann mittels der mittigen Schraube 111 mit dem ersten Teilgegengewicht 106' verbunden. – Diese Aufteilung in Teilgegengewichte hat einmal den Vorteil der größeren Flexibilität: Z. B. kann mit drei weiteren Teilgegengewichten in der Stufung 1:2:4 ein Bereich von eins bis sieben in Einer-Stufung abgedeckt werden. Oder es kann mit einer Sorte Teilgegengewichten ein größerer Bereich abgedeckt werden, indem verschieden viele weitere Teilgegengewichte angeschraubt werden (wie in 4 gezeigt). Zum anderen erzielt man den Vorteil, dass nur das erste Teilgegengewicht 106' aus dem gleichen Material sein muss wie der Übersetzungshebel 97, um Bimetall-Effekte zu vermeiden. Die weiteren Teilgegengewichte können z. B. aus einem Material höherer Dichte sein, um Platz zu sparen. Durch die Ein-Punkt-Befestigung wirkt sich die Wärmeausdehnung der weiteren Teilgegengewichte nicht auf das Wägesystem aus. Und auch in der geometrischen Gestaltung der weiteren Teilgegengewichte ist man sehr viel freier und kann bei beengten Platzverhältnissen oberhalb des Permanentmagnetsystems z. B. ein breites, hantelförmiges weiteres Teilgegengewicht benutzen oder ein breites U-förmiges und kann dadurch auch die Höhenlage des Schwerpunktes des Gegengewichtes an die Notwendigkeiten anpassen.
Die in 3 gezeigten konstruktiven Details und die in 4 gezeigte Aufteilung des Gegengewichtes in Teilgegengewichten können selbstverständlich auch für die Ausgestaltung mit einer Stütze gemäß 2 sinngemäß übernommen werden.
Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Lösung auch in Wägesystemen mit anderen Hebelwerken eingesetzt werden, beispielsweise in den aus der DE 199 23 208 C1 bekannten Wägesystemen mit zwei weiteren Hebeln.

Claims

Wägesystem nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation – mit einem Permanentmagnetsystem (14, 64, 94), das einen Luftspalt und einen Abschirmdeckel (12, 62, 92) aufweist, – mit einer Spule (13, 63, 93) im Luftspalt des Permanentmagnetsystems zur Erzeugung der belastungsabhängigen Gegenkraft, – mit einem Lastaufnehmer (2, 52), – mit einem Übersetzungshebel (7, 57, 97), an dessen längerem Hebelarm die Spule befestigt ist und an dessen kürzerem Hebelarm die vom Lastaufnehmer übertragene Gewichtskraft direkt oder durch weitere Hebel untersetzt angreift, – mit einem Lagensensor (20, 21, 22; 70, 71, 72), der die Lage des Übersetzungshebels erfasst und in der Nähe der Spule angeordnet ist, – und mit einem Regelverstärker (16) zur Regelung des Stromes durch die Spule, dadurch gekennzeichnet, – dass mindestens eine vertikale Stütze (25, 75, 95) in der Nähe der Spule (13, 63, 93) und des Lagensensors (20, 21, 22; 70, 71, 72) mit dem Übersetzungshebel (7, 57, 97) verbunden ist, die durch mindestens einen Durchbruch (27, 77, 91) im Abschirmdeckel (12, 62, 92) hindurchragt, – und dass an dieser Stütze bzw. diesen Stützen dicht oberhalb des Abschirmdeckels ein Gegengewicht (26, 76, 96, 106) angeordnet ist.
Wägesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Stützen am Übersetzungshebel (7, 57, 97) befestigt sind, die durch zwei Durchbrüche (27, 77, 91) im Abschirmdeckel (12, 62, 92) hindurchragen.
Wägesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegengewicht (26, 76, 96, 106) durch Schrauben lösbar mit der Stütze bzw. den Stützen (25, 75, 95) verbunden ist.
Wägesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegengewicht (26, 76, 96) die Form einer Scheibe besitzt.
Wägesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegengewicht (26, 76, 96,106) aus einem unmagnetischen Material besteht.
Wägesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegengewicht (26, 76, 96) und die Stütze(n) (25, 75, 95) aus dem gleichen Material bestehen wie der Übersetzungshebel (7, 57, 97).
Wägesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt des Gegengewichtes (26, 76, 96, 106) etwa in der Achse der Spule (13, 63, 93) liegt.
Wägesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegengewicht (106) in mehrere Teilgegengewichte (106', 106'', 106''') unterteilt ist.
Wägesystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das direkt mit der/den Stütze(n) (25. 75, 95) verbundene erste Teilgegengewicht (106') und die Stütze(n) (25, 75, 95) aus dem gleichen Material bestehen wie der Übersetzungshebel (7, 57, 97).
Wägesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Teilgegengewichte (106'', 106''') nur an einem Punkt mit dem ersten Teilgegengewicht (106') verbunden sind.