DE1167051B

DE1167051B - Electric measuring device for precision scales

Info

Publication number: DE1167051B
Application number: DEM41937A
Authority: DE
Inventors: Walter Hasler; Walter Birrer
Original assignee: Mettler E Fabrik fur Analysenwaagen
Current assignee: Mettler E Fabrik fur Analysenwaagen
Priority date: 1959-04-04
Filing date: 1959-06-24
Publication date: 1964-04-02

Description

Elektrische Meßvorrichtung für Präzisionswaagen Bei Hochfrequenzvariometern ist es bekannt, die hinsichtlich ihrer Selbstinduktion zu regelnde Spule auf einem mit einem Luftspalt versehenen Eisenkern aufzubringen. Zur Unterdrückung des Streuflusses ist der Eisenkern von einem in der Umfangsrichtung geschlitzten Mantel aus elektrisch leitendem, aber nicht ferromagnetischem Werkstoff umgeben. Zur Regelung der Selbstinduktion der Spule dient eine in den Lufspalt mehr oder weniger weit einschwenkbare Fahne, die wie der Mantel vorzugsweise aus Kupfer besteht. Variometer dieser Bauart gestatten, die sich ergebende Selbstinduktion der Spule innerhalb sehr weiter Grenzen zu verändern.Electrical measuring device for precision balances with high frequency variometers it is known to regulate the self-induction coil on a to apply iron core provided with an air gap. To suppress the leakage flux the iron core is electrical from a jacket slit in the circumferential direction surrounding conductive, but not ferromagnetic material. To regulate self-induction the coil is served by a flag that can be swiveled more or less far into the air gap, which, like the jacket, is preferably made of copper. Allow variometers of this type, to change the resulting self-induction of the coil within very wide limits.

Zur Ablesung der Zeigerstellung von Meßinstrumenten hat man induktiv wirkende Abgriffsysteme vorgesehen, bei welchen der abzulesende Zeiger mit einer Kupferfahne versehen ist. Diese taucht entsprechend der jeweiligen Zeigerstellung mehr oder weniger weit in den von zwei Polschuhen aus ferromagnetischem Werkstoff gebildeten Luftspalt ein. To read the pointer position of measuring instruments one has inductive Acting tap systems are provided in which the pointer to be read with a Copper flag is provided. This dips according to the respective pointer position more or less far in that of two pole pieces made of ferromagnetic material formed air gap.

Jeder der beiden Polschuhe weist eine Spule sowie eine geschlitzte, den Polschuh auf der Seite des Luftspaltes umgebende Kupferabschirmung auf, die sich in einer zur Bewegungsrichtung der Fahne parallelen Ebene erstreckt und solche Abmessungen hat, daß sich die bewegliche Fahne stets zwischen diesen beiden Abschirmungen befindet. Die Polschuhe und ihre Abschirmungen sind dabei im Hinblick auf eine möglichst große Steuerempfindlichkeit der Einrichtung ausgelegt.Each of the two pole pieces has a coil and a slotted, the pole piece on the side of the air gap surrounding copper shield, the extends in a plane parallel to the direction of movement of the flag and such Dimensions has that the movable flag is always between these two shields is located. The pole pieces and their shields are here with a view to as possible great control sensitivity of the device.

Für Waagen sind schließlich elektrische Meßvorrichtungen bekannt, bei welchen die beiden den Luftspalt begrenzenden und mit je einer Spule versehenen Polschuhe durch ferromagnetische Rückschlußteile miteinander verbunden sind. Am Waagebalken ist dabei eine in den Luftspalt eintauchende Steuerfahne befestigt, die zwecks Änderung der elektromagnetischen Kopplung zwischen den beiden Spulen sowohl aus Eisen als auch aus Kupfer bestehen kann. Die Spulen sind in eine Wechselstromschaltung eingefügt, die mit Wechselstrom konstanter oder auch variabler Frequenz arbeitet. Die sich ergebende Amplituden- oder Frequenzänderung dient dann als Maß für den Ausschlag des Waagebalkens. Finally, electrical measuring devices are known for scales, in which the two delimiting the air gap and each provided with a coil Pole shoes are connected to one another by ferromagnetic yoke parts. At the A control flag immersed in the air gap is attached to the balance beam, to change the electromagnetic coupling between the two coils can consist of both iron and copper. The coils are in an AC circuit inserted, which works with alternating current of constant or variable frequency. The resulting change in amplitude or frequency then serves as a measure for the Deflection of the balance beam.

Derartige Meßvorrichtungen sind indessen grundsätzlich nicht rückwirkungsfrei, da das elektromagnetische Wechselfeld Kräfte auf die mit dem Waagebalken verbundene Fahne ausübt, die bei empfindlicheren Waagen nicht mehr vernachlässigt werden können. Da diese Rückwirkungskräfte der Amplitude des im Luftspalt vorhandenen elektromagneti- schen Wechselfeldes proportional sind, wäre es zunächst denkbar, durch entsprechende Herabsetzung der Amplitude des Wechselfeldes die Rückwirkungskräfte zu vermindern. Eine solche Amplitudenverminderung würde aber gleichzeitig die Steuerempfindlichkeit des Abgnffsystems proportional herabsetzen, und es zeigt sich zudem, daß dann die Meßvorrichtung auch viel störungsanfälliger gegenüber den unvermeidbaren äußeren elektrischen und magnetischen Feldem wird, die schwer erfaßbare Fehlerquellen zur Folge haben. Aus diesen Gründen konnten die bekannten induktiven Abgnffsysteme nur in vergleichsweise unempfindlichen Waagen zur Anwendung kommen. Such measuring devices, however, are fundamentally not free of retroactive effects, because the electromagnetic alternating field forces on those associated with the balance beam Flag, which can no longer be neglected with more sensitive scales. Since these reaction forces of the amplitude of the electromagnetic present in the air gap ting Are proportional to the alternating field, it would initially be conceivable by reducing it accordingly the amplitude of the alternating field to reduce the reaction forces. Such The amplitude reduction would, however, at the same time reduce the control sensitivity of the exhaust system reduce proportionally, and it also shows that then the measuring device also much more susceptible to interference compared to the inevitable external electrical and magnetic Fields that result in sources of error that are difficult to grasp. For these reasons The known inductive pick-up systems could only be used in comparatively insensitive ones Scales come into use.

Die Erfindung befaßt sich dementsprechend mit einer elektrischen Meßvorrichtung für Präzisionswaagen mit ortsfest angeordneten, je einen ferromagnetischen Polschuh beeinflussenden und von ferromagnetischen Rückschluß elementen zur Unterdrükkung des Streuflusses umgebenen Spulen und einem zwischen den Polschuhen liegenden Luftspalt, in welchen eine mit dem beweglichen Meßglied der Waage verbundene, aus elektrisch leitendem, jedoch nicht ferromagnetischem Material bestehende Fahne berührungsfrei eintaucht zur Änderung der Kopplung zwischen den Spulen entsprechend dem Ausschlag des Meßgliedes. Zweck der Erfindung ist dabei, die unvermeidlichen auf die Fahne wirkenden Rückwirkungskräfte ohne Verminderung der Steuerempfindlichkeit der Meßvorrichtung auf ein für Präzisionswaagen brauchbares Minimum herabzusetzen. Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß in an sich bekannter Weise die dem Luftspalt zugewendeten Enden der Polschuhe von einem elektrisch leitenden, jedoch nicht ferromagnetischen Mantel umfaßt sind, derart, daß der Mantel den zugeordneten Polschuh bis auf einen den Rückschluß bildenden Schenkel und einen die Stirnfläche bildenden Schenkel aussparenden Schlitz umgibt. Zweckmäßig wird hierbei die im Luftspalt bewegbare Fahne in einer zu den erwähnten Schlitzen parallelen Richtung verschwenkbar vorgesehen. The invention is accordingly concerned with an electrical one Measuring device for precision scales with stationary, one ferromagnetic each Pole shoe influencing and of ferromagnetic yoke elements for suppression the coils surrounded by the leakage flux and an air gap between the pole pieces, in which one connected to the movable measuring element of the balance, from electrical conductive but not ferromagnetic material without contact immersed to change the coupling between the coils according to the deflection of the measuring element. The purpose of the invention is to bring the inevitable to the flag acting Reaction forces without reducing the control sensitivity the measuring device to a minimum usable for precision balances. This is achieved in that according to the invention in a known manner the dem Air gap facing ends of the pole pieces from an electrically conductive, however non-ferromagnetic jacket are included, such that the jacket is associated with the Pole shoe apart from one leg forming the back yoke and one the end face surrounding the forming leg recessed slot. The one in the air gap is useful here movable flag pivotable in a direction parallel to the aforementioned slots intended.

Die Erfindung ist an Hand der schematischen Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel erläutert. The invention is based on the schematic drawings on a Embodiment explained.

In den Zeichnungen stellt dar Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch die Meßvorrichtung, wobei der dieselbe tragende Teil des Sockels der Waage sowie ihr Meßglied nur angedeutet sind, während die Waage selbst aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher veranschaulicht ist, und F i g. 2 einen weiteren Vertikalschnitt durch die Meßvorrichtung an der Stelle 2-2 der F i g. 1.In the drawings, Fig. 1 shows a vertical section through the Measuring device, the same supporting part of the base of the scale as well as her Measuring element are only indicated, while the scales themselves for the sake of clarity is not illustrated in more detail, and FIG. 2 a further vertical section through the measuring device at position 2-2 of FIG. 1.

Die Meßvorrichtung ist auf einem aus Messing oder einem anderen elektrisch leitenden, aber nicht ferromagnetischen Werkstoff bestehenden Teil 3 aufgebaut, der entweder selbst ein Teil des Sockels der Waage ist oder auf demselben beispielsweise mittels Schrauben befestigt sein kann. Auf dem Teil 3 sind zwei im wesentlichen U-förmige Joche 4 und 5 von je gleichen Abmessungen befestigt, wobei die Stirnflächen ihrer längeren und dickeren Schenkel 4' und 5' eben aneinander anliegen. Die kürzeren und dünneren Schenkel 4" und 5" bilden Polschuhe, deren einander zugewendete Stirnflächen einen Luftspalt 6 begrenzen. Die beiden U-förmigen Joche bestehen am besten aus einem pulverförmigen ferromagnetischen Werkstoff, der zu formhaltigen Körpern verarbeitet werden kann. Die Joche 4 und 5 können auf dem Teil 3 etwa mit Kunstharz angeklebt sein. The measuring device is electrical on one made of brass or another conductive, but not ferromagnetic material consisting of part 3, which is either itself part of the base of the balance or on the same, for example can be fastened by means of screws. On part 3 there are two essentially U-shaped yokes 4 and 5 each of the same dimensions attached, the end faces their longer and thicker legs 4 'and 5' just rest against one another. The shorter ones and thinner legs 4 "and 5" form pole pieces, their mutually facing end faces limit an air gap 6. The two U-shaped yokes are best made of a powdery ferromagnetic material that is processed into shape-retaining bodies can be. The yokes 4 and 5 can be glued to part 3 with synthetic resin be.

Auf jedem der Joche 4 und 5 sitzt eine am besten für Hochfrequenz bemessene Spule 7 bzw. 8, deren Anschlüsse je mit einem den Teil 3 durchsetzenden Koaxialkabel 9 bzw. 10 verbunden sind. In den Luftspalt 6 taucht eine Fahnell aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen elektrisch leitenden und nicht ferromagnetischen Werkstoff ein, welcher am Meßteil 12 der Waage befestigt ist. Der Meßteil 12 der Waage kann ein Arm des Waagebalkens der Waage sein oder bei einer Federwaage einen Teil des die Waageschale aufweisenden Schalenträgers darstellen. In der Darstellung der F i g. 1 und 2 ist angenommen, daß sich der Meßteil 12 wenigstens näherungsweise in lotrechter Richtung gemäß dem Gewicht des zu wägenden Gegenstandes auf-und abbewegen kann, und zwar derart, daß die Fahne 11 berührungsfrei zwischen den Polschuhen 4" und 5" verschiedene Höhenlagen einnimmt. Ferner ist am besten jeder der beiden Polschuhe 4" und 5" an seinem dem Luftspalt 6 zugewendeten Ende von einer Abschirmung 13 bzw. 14 umgeben, die sich parallel zur Fahne 11 und ihrer Bewegungsrichtung erstrecken. Diese Abschirmungen bestehen aus Kupfer- oder Aluminiumblechen, die in im Teil 3 angebrachten Schlitzen 15 und 16 festgestemmt sind.On each of yokes 4 and 5 sits one best for high frequency sized coil 7 or 8, the connections of which each with a part 3 penetrating Coaxial cables 9 and 10 are connected. A Fahnell emerges into the air gap 6 Copper, aluminum or some other electrically conductive and non-ferromagnetic Material, which is attached to the measuring part 12 of the balance. The measuring part 12 of the Libra can be an arm of the balance beam of the balance or, in the case of a spring balance, one Represent part of the pan support having the weighing pan. In the representation the F i g. 1 and 2 it is assumed that the measuring part 12 is at least approximately move up and down in a vertical direction according to the weight of the object to be weighed can, in such a way that the flag 11 is without contact between the pole pieces 4 " and 5 "occupies different altitudes. Furthermore, each of the two pole pieces is best 4 "and 5" at its end facing the air gap 6 by a shield 13 or 14, which extend parallel to the flag 11 and its direction of movement. These shields consist of copper or aluminum sheets, which are used in part 3 attached slots 15 and 16 are caulked.

Die Abschirmungen 13 und 14 sind von ihrer dem Teil 3 anliegenden Seite aus einseitig aufgeschlitzt, wobei die betreffenden Schlitze 17 bzw. 18 durchgehend dieselbe Breite haben, wie die Schenkel 4', 4" bzw. 5', 5" der U-förmigen Joche 4 und 5. Die Enden der U-förmigen Joche 5 und 4 ragen nebeneinander durch diese Schlitze 17 und 18; die den Luftspalt begrenzenden Stirnflächen der Polschuhe 4" und 5" sollen dabei nicht oder nur unwesentliche über die Abschirmungen 13 und 14 hinaus vorstehen, wie dies die F i g. 1 erkennen läßt. Vermittels Schrauben 19 ist schließlich noch ein Gehäuse 20 am Teil 3 befestigt, welches eine schlitzförmige Durchtrittsöffnung21 hat, durch welche die Fahne 11 mit Spiel hineinragen kann. Die Abschirmungen 13 und 14 haben solche Abmessungen, daß sie mit ihren Rändern an der Innenwand des Gehäuses 20 anliegen (Fig. 2). Das Gehäuse besteht vorzugsweise ebenfalls aus Kupfer- oder Aluminiumblech.The shields 13 and 14 are of their dem Part 3 attached page slit from one side, the relevant slots 17 and 18 continuously have the same width as the legs 4 ', 4 "or 5', 5" of the U-shaped yokes 4 and 5. The ends of the U-shaped yokes 5 and 4 protrude side by side through this Slots 17 and 18; the end faces of the pole shoes 4 "which delimit the air gap and 5 ″ should not or only insignificantly over the shields 13 and 14 also protrude, as shown in FIG. 1 shows. By means of screws 19 is Finally, a housing 20 attached to part 3, which has a slot-shaped Has passage opening 21 through which the flag 11 can protrude with play. The shields 13 and 14 have such dimensions that they with their edges rest against the inner wall of the housing 20 (FIG. 2). The housing is preferably made also made of copper or aluminum sheet.

Die beschriebene Einrichtung erlaubt nun, die Kopplung zwischen den Spulen 7 und 8 in Abhängigkeit der Höhenlage der Fahne 11 in weiten Grenzen zu ändern. Verläuft die untere Kante der Fahne 11 ungefähr bündig mit der oberen Kante der Polschuhe 4" und 5", so wird die Kopplung nahezu schon ein Maximum. Wird nämlich die Fahne 11 noch weiter angehoben, so nimmt die Kopplung zwischen den Spulen 7 und 8 nur noch unwesentlich zu. Anderseits wird die Kopplung zwischen den Spulen 7 und 8 schon dann fast ein Minimum, wenn die untere Kante der Fahne 11 bündig mit der unteren Kante der Polschuhe 4" und 5" ist. Ein noch tieferes Eintauchen der Fahne 11 hat nur noch eine weitere geringfügige Verminderung der Kopplung zur Folge. The device described now allows the coupling between the Coils 7 and 8 to change depending on the height of the flag 11 within wide limits. Runs the lower edge of the flag 11 approximately flush with the upper edge of the Pole shoes 4 "and 5", the coupling is almost a maximum. Namely will If the flag 11 is raised even further, the coupling between the coils 7 takes place and 8 only insignificantly. On the other hand, there is the coupling between the coils 7 and 8 almost a minimum when the lower edge of the flag 11 is flush with it the lower edge of the pole pieces is 4 "and 5". A deeper dive into the Flag 11 only results in a further slight reduction in the coupling.

Dabei ist unter der Kopplung diejenige verstanden, welche sich für elektromagnetische Wechselfelder ergibt, denn nur für Wechselfelder sind die Abschirmungen 13 und 14 hinreichend wirksam. Im Bereich außerhalb des Luftspaltes 6 ist der magnetische Fluß des Wechselfeldes über die als Rückschlußteile wirkenden Schenkel 4' und 5' geschlossen.The coupling is understood to mean that which is for electromagnetic alternating fields, because the shields are only for alternating fields 13 and 14 sufficiently effective. In the area outside the air gap 6 is the magnetic Flux of the alternating field over the legs 4 'and 5' acting as return path parts closed.

Anderseits unterbinden die Abschirmungen 13 und 14 eine Ausbreitung des elektromagnetischen Wechselfeldes im Bereich außerhalb der Schlitze 17 und 18, so daß die elektromagnetische Kopplung der Spulen 7 und 8 zur Hauptsache durch den jeweils wirksamen Querschnitt des Luftspaltes 6 bestimmt wird. Die Empfindlichkeit der Anordnung, d. h. die Änderung der Kopplung zwischen den Spulen 7 und 8 in bezug auf Änderung der Eintauchtiefe der Fahne 11 wird somit verhältnismäßig groß, und innerhalb eines weiten Bereiches ergibt sich eine praktisch lineare Abhängigkeit.On the other hand, the shields 13 and 14 prevent spreading the electromagnetic alternating field in the area outside the slots 17 and 18, so that the electromagnetic coupling of the coils 7 and 8 mainly through the effective cross section of the air gap 6 is determined in each case. The sensitivity the arrangement, d. H. the change in the coupling between the coils 7 and 8 in relation to to change the immersion depth of the flag 11 is thus relatively large, and within a wide range there is a practically linear dependency.

Die Messung der Kopplungsänderung zwischen den Spulen 7 und 8 erfolgt am besten mit Hochfrequenz von einigen Megahertz. Zu diesem Zweck kann man die Spule 7 über das Kabel 9 an einen Hochfrequenzgenerator anschließen, der eine Leistung von einigen Zehntelwatt bei wenigstens näherungsweise konstanter Frequenz abzugeben vermag. The change in coupling between coils 7 and 8 is measured preferably with a high frequency of a few megahertz. For this purpose one can use the coil 7 connect via the cable 9 to a high-frequency generator, which has a power of a few tenths of a watt at at least approximately constant frequency able.

Die Spule 8 kann über das Kabel 10 an ein Röhrenvoltmeter angeschlossen sein. Die Einrichtung wird dabei vorzugsweise so getroffen, daß der durch die Primärspule 7 fließende Hochfrequenzstrom eine konstante Amplitude aufweist. Unter diesen Umständen ist die an der Spule 8 induzierte Hochfrequenzwechselspannung hinsichtlich ihrer Amplitude ein Maß für die Eintauchtiefe der Fahne 11, so daß also das Anzeigeinstrument des Röhrenvoltmeters direkt in Gewichtseinheiten geeicht werden kann. Bei einer Leistung von 0,1 Watt Hochfrequenz in der Primärspule 7 wurde eine auf die Fahne 11 wirkende mechanische Rückwirkung von höchstens 50.10-6 g festgestellt. Läßt man die Abschirmungen 13 und 14 weg, so vermindert sich nicht nur die Empfindlichkeit ganz beträchtlich, sondern es wächst die auf die Fahne 11 wirkende Rückwirkung auch auf den rund 20fachen Betrag, d. h. auf etwa 1000.10-6 g an und erreicht damit bereits die Größenordnung eines Milligramms.The coil 8 can be connected to a tube voltmeter via the cable 10 be. The device is preferably made so that the primary coil 7 flowing high frequency current has a constant amplitude. Under these circumstances is the high-frequency alternating voltage induced on the coil 8 in terms of its Amplitude is a measure of the depth of immersion of the flag 11, so that the display instrument of the tube voltmeter can be calibrated directly in weight units can. At a power of 0.1 watt high frequency in the primary coil 7 was a Mechanical reaction of a maximum of 50.10-6 g acting on the flag 11 was determined. If the shields 13 and 14 are omitted, not only is the sensitivity reduced quite considerably, but the reaction acting on the flag 11 also increases to around 20 times the amount, d. H. to about 1000.10-6 g and thus already reached the order of a milligram.

An Stelle der beschriebenen Verwendung der Spulen 7 und 8 als Streutransformator kann man dieselben auch gleich- oder gegensinnig in Reihe schalten und die Änderung der sich ergebenden Gesamt induktivität als Maß für die Eintauchtiefe der Fahne 11 benutzen. Die reihengeschalteten Spulen 7 und 8 können unmittelbar den frequenzbestimmenden Teil eines Schwingkreises eines selbsterregten Hochfrequenzgenerators sein, so daß dessen Frequenz ein Maß für die jeweilige Stellung der Fahnell darstellt. Wie im einzelnen der elektrische Teil der Meßvorrichtung ausgebildet ist, hat keine ausschlaggebende Bedeutung, und es können auch andere als die oben beschriebenen Varianten zur Anwendung kommen. Als Vorteil der beschriebenen Meßvorrichtung für Waagen ist besonders zu erwähnen, daß verhältnismäßig hohe elektrische Leistungen bei nur sehr geringen Rückwirkungen auf den Meßteil der Waage gesteuert werden können. Der rein elektronische Teil der Meßvorrichtung kommt daher mit wenigen und unkritisch betriebenen Verstärkerröhren oder Transistoren aus. Instead of the described use of the coils 7 and 8 as a leakage transformer you can also connect them in series in the same or in opposite directions and make the change the resulting total inductance as a measure of the immersion depth of the flag 11 use. The series-connected coils 7 and 8 can directly determine the frequency Be part of an oscillating circuit of a self-excited high frequency generator, so that the frequency of which is a measure of the respective position of the Fahnell. Like in individual the electrical part of the measuring device is formed, has no decisive Meaning, and variants other than those described above can also be used come. As an advantage of the described measuring device for scales is particularly to mention that relatively high electrical powers with only very low Effects on the measuring part of the balance can be controlled. The purely electronic one Part of the measuring device therefore comes with a few and uncritically operated amplifier tubes or transistors off.

Claims

Claims: 1. Electrical measuring device for precision scales with fixedly arranged, each influencing a ferromagnetic pole piece and surrounded by ferromagnetic yoke elements to suppress the leakage flux Coils and an air gap between the pole pieces, in which one with connected to the movable measuring element of the balance, made of electrically conductive, however non-ferromagnetic material existing flag immersed without contact for change the coupling between the coils according to the deflection of the measuring element, thereby characterized in that the air gap (6) facing in a manner known per se Ends of the pole shoes (4, 5) from an electrically conductive, but not ferromagnetic Sheath (13, 14) are included, such that the jacket to the associated pole piece on one leg (4 ', 5') forming the back yoke and one forming the end face Legs (4 ", 5") surrounds the recessed slot (17, 18).

2. Electrical measuring device according to claim 1, characterized in that that the in the air gap (6) movable flag in a manner known per se in a to the slots (17, 18) is pivotable in the parallel direction.

Documents considered: German Patent No. 733 150; German Auslegeschrift No. 1001496; U.S. Patent No. 1,578,831.