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Wiegevorrichtung Die Erfindung betrifft eine Wiegevorrichtung mit
einer Kompensationsvorrichtung, deren die Kraft der zu messenden Last ausgleichende
Gegenkraft, von den lastabhängigen Auslenkungen der Wiegevorrichtung über einen
Nullagedetektor gesteuert, durch einen elektrischen Strom erzeugt wird. Hierbei
durchfließt der Strom im allgemeinen eine im Luftspalt eines Magnetkreises angeordnete
Spule, so daß auf die Spule eine elektrodynamische Kraft ausgeübt wird. Die Spule
hat eine Nullage und wird während der Belastung mit dem Gewicht zunächst ausgelenkt,
wonach der Strom eingestellt wird, daß die Spule unter der Einwirkung der vom Strom
erzeugten Kraft wieder in die Nullage gelangt. Die Stärke des Stromes ist sodann
ein Maß für das Gewicht.
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Wiegevorrichtungen mit elektromagnetischer Kompensation und einem
die Kompensation steuernden Fühler sind bekannt.
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In der Druck- oder Kraftmeßtechnik ist es darüber hinaus schon bekannt,
die Impulse eines Generators in Abhängigkeit von der Meßgröße zu steuern, daß eine
der Meßgröße entsprechende Anzahl Impulse zu einer Zählvorrichtung gelangt. Dabei
werden die Impulse z. B. von einem Generator über eine Torschaltung, die entsprechend
dem Meßwert gesteuert wird, dem Zähler zur digitalen Anzeige zugeführt.
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Die Erfindung betrifft eine vorteilhafte Anwendung und Ausbildung
solcher Einrichtungen, indem der der Kompensationsspule zugeführte Strom aus Impulsen
gleicher Polarität besteht und die Impulse, von dem Nullagedetektor gesteuert, einer
Zählvorrichtung zur digitalen Anzeige zuführbar sind.
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Dementsprechend wird eine Wiegevorrichtung der obengenannten Art
so ausgebildet, daß erfindungsgemäß der Strom aus untereinander gleichen, von einem
Generator entnehmbaren Impulsen besteht, deren der Kompensationsvorrichtung während
einer vorbestimmten Zeitdauer zugeführte, über den Nulllagedetektor elektrisch gesteuerte
Anzahl einen Zähler zur digitalen Gewichtsanzeige beaufschlagt.
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Es ist nur die Gleichstromkomponente, die die auf die Spule ausgeübte,
in einer bestimmten Richtung wirkende Kraft bestimmt. Diese ist proportional der
Impulszahl.
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Vorzugsweise wird dabei von den in Reihen erzeugten Impulsen - gegebenenfalls
über eine Glättungsschaltung, die eine integrierende Wirkung ausübt und einen Strommittelwert
bildet - eine Anzahl durch Torschaltungen unterdrückt und der Rest dem Zähler zugeführt.
Dabei ist die Anzahl von der zu messenden Last abhängig.
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Die Impulsfolgefrequenz der der Kompensations-
vorrichtung gleichmäßig
zugeführten Impulse ist ebenfalls in Abhängigkeit von der zu messenden Last veränderbar.
Zugleich werden in dem Zähler die während einer vorbestimmten Zeitdauer auftretenden
Impulse gezählt.
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Manchmal nimmt der Magnetismus des Kreises mit der Zeit oder durch
Temperaturänderung ab, wodurch die Genauigkeit der Waage verringert wird.
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Um diesen Nachteil zu beseitigen, wird gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung in der Kompensationsvorrichtung zusätzlich zu der ersten Spule im gleichen
Magnetkreis in einem zweiten Luftspalt eine zweite, von einem bekannten Gewicht
verschiebbare Spule angeordnet, welche, durch eine Impulsreihe mit dem gleichen
Verlauf wie der der ersten Spule zugeführten Impulsreihe gesteuert, von einer durch
einen zweiten, der Spule zugeordneten Nullagedetektor beeinflußten Regelspannung
in die Nullage rückführbar ist.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichungen an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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In den Zeichnungen ist eine Vorrichtung der zuletzterwähnten Art
veranschaulicht, wobei Fig. 1 das Magnetsystem mit den Spulen und die Fig.2 und
3 zwei Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung darstellen.
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Der Magnetkreis des Systems nach F i g. 1 besteht aus einem ringförmigen
Dauermagneten 2, einem zylindrischen Kern 1 und zwei Flansche 3 und 3', die durch
ein nichtmagnetisches Verbindungsstück 8 zu einer mechanischen Einheit zusammengefügt
sind.
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Die Flansche sind mit runden Öffnungen versehen,
in
denen die Enden des Kernes so untergebracht sind, daß zwei zylindrische Luftspalte
4 und 4' mit radial verlaufendem Feld übrigbleiben. In diesen Luftspalten sind auf
Körpern 5 und 5' angebrachte Spulen 6 und 6' in axialer Richtung bewegbar. Diese
Spulen erfüllen unterschiedliche Funktionen; die obere Spule kann als Hauptspule
und die untere als Hilfsspule bezeichnet werden. Das Feld, in dem die letztere angeordnet
ist, ist erheblich schwächer als das, in dem sich die erstere befindet. Dies ist
auf bekannte Weise erzielbar, z. B. mittels eines parallel zum Luftspalt der zweiten
Spule angeordneten magnetischen Nebenschlusses 10. Auf die obere Spule wirkt das
zu bestimmende Gewicht G1, auf die untere ein bekanntes Eichgewicht G0 ein. Es wird
angenommen, daß die mechanischen Eigenschwingungszeiten der Spulensysteme groß im
Vergleich zu den Perioden der ihnen zugeführten Impulsreihen sind.
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Wenn die Mittelwerte der die Spulen 6 und 6' durchfließenden Ströme
so groß sind, daß die vom Magnetfeld auf die Spulen ausgeübten Kräfte mit den Gewichten
G1 und G0 im Gleichgewicht sind, befinden sich die Spulen in den Nullagen. Diese
Nullagen werden von den Aufhängefedern 7 und 7' vorgesehen und von den Nullagedetektoren
11 und 12 angezeigt.
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Jeder Nullagedetektor besteht aus einem ferromagnetischen Kern 13,
welcher sich in einem Zylinder bewegt, auf dem drei Spulen 14, 15 und 16 befestigt
sind. Der Kern ist an einem Arm 9 angelenkt, der fest mit dem Spulenkörper 5 verbunden
ist.
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Durch die mittlere Spule 15 wird ein Wechselstrom geschickt, der ein
magnetisches Wechselfeld erzeugt.
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Solange der Kern sich in der Mittellage befindet, werden in den Spulen
14 und 16 gleiche Wechselspannungen induziert Die Spulen 14 und 16 sind entgegengesetzt
in einen elelrrlschen Kreis geschaltet, so daß in der Nullage des ferromagnetischen
Kernes 13 die gesamte im Kreis induzierte Spannung gleich Null ist, während bei
einer geringen Abweichung eine Differenzsprnnung erzeugt wird, deren Phase die Richtung
der Abweichung bestimmt Diese Vorrichtung ist bekannt, und die Differenzspannung
läßt sich auf bekannte Weise in eine Regelgleichspannung umwandeln, deren Polarität
der Richtung der AS weichung entspricht Der Nullagedetektor 12 ist dem Detektor
11 völlig gleich, und sein Kern ist am Arm gar befestigt, der fest mit dem Spulenkörper
5' verbunden ist.
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Wenn den Spulen 6 und 6' kein Strom zugeführt wird, wird der Kern
des Nullagedetektors 11 unter der Einwirkung des Gewichtes G3 nach oben bewegt,
während der Kern des Nullagedetektors 12 vom Eichgewicht G0 nach unten bewegt wird.
Die Spulen 6 und 6' werden durch Gleidiströme, die auf die nachstehend an Hand der
Fig. 2 zu beschreibende Weise erzeugt werden, in die Nullage zurückgeführt.
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Im Schaltbild nach F i g. 2 stellt 20 einen Generator dar, der eine
Spannung mit einer Frequenz von z. B. 100 kHz erzeugt. Diese Spannung wird im Impulserzeuger
21 in eine periodische Impulsreihe mit zB. positiver Polarität umgewandelt. Die
Impulse werden anschließend dem Impulsformer 22 zugefiihrt, in der sie unter der
Einwirkung einer Regelspannung m die gewünschte Form gebracht werden.
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Die Impulse werden nach Verstärkung im Verstärker 23 zwei elehnischen
Torschaltungen 24 und
24' zugeführt, wonach sie entweder zu den in Reihe geschalteten
Spulen 6 und 6' oder zur Spule 6' allein geführt werden. Der Verstärker 23 ist so
ausgebildet, daß er Impulse mit konstanter Stromstärke liefert, unabhängig von der
Impedanz, mit der er abgeschlossen ist.
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Die Torschaltungen 24 und 24' werden von einem Multivibrator 27 gesteuert,
der zwei steuerbare Zustände hat, so daß entweder das Tor 24 oder das Tor 24' geöffnet
ist, um die Stromimpulse des Verstärkers 23 hindurchzulassen. Die Spule 6 wird somit
nur periodisch von den Stromimpulsen durchflossen, die Spule 6' jedoch kontinuierlich.
Die Stärke des die Spule 6' durchfließenden mittleren Stromes ist vom Verhältnis
zwischen der Impedanz dieser Spule und der Größe des parallel zu ihr geschalteten
Widerstandes 37 abhängig, dessen Bedeutung nachstehend erläutert wird. Vorzugsweise
werden zwischen die Schaltvorrichtungen und die Spulen integrierende Netzwerke 36
und 36' geschaltet, die die Wechselstromkomponenten unterdrücken.
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Der Nullagedetektor 11 liefert eine Regelspannung, die im Verstärker
28 verstärkt und dann dem Multivibrator 27 zugeführt wird. Der Nullageanzeiger 12
liefert eine Regelspannung, die nach Verstärkung im Verstärker 25 als Regelspannung
für den Impulsformer 22 wirksam wird. In diesem Impulsformer 22 wird die Dauer und/oder
die Größe der Impulse so geregelt, daß die Gleichstromkomponente des die Spule 6'
durchfließenden Stromes gerade imstande ist, den Einfluß des Eichgewichtes G0 aufzuheben.
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Weil die Spule 6' sich jedoch in einem viel schwächeren Feld befindet
als die Spule 6, könnte der gleiche Strom, wenn er die Spule 6 völlig durchfließen
würde, hier ein viel größeres Gewicht ausgleichen. Der Parallelwiderstand 37 nimmt
einen Teil des von dem Verstärker 23 gelieferten Stromes auf, der somit der Spule
6' entzogen wird, so daß mittels des erwähnten Widerstandes der Höchstwert des von
der Spule 6 auszugleichenden Gewichtes einstellbar ist.
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Wenn das Gewicht G3 kleiner als dieses maximale Gewicht ist, geht
die Kraftwirkung der Gleichstromkomponente der von dem Verstärker 23 gelieferten
Impulse, wenn sie gleichfalls völlig in der Spule 6 wirksam wären, über die erforderliche
Ausgleichskraft hinaus. Um dennoch einen richtigen Ausgleich zu erzielen, wird periodisch
ein Teil der die Spule 6 durchfließenden Impulse unterdrückt. Dies erfolgt durch
die Torschaltungen 24 und 24', die je zwei Eingänge haben und nur dann ein Signal
hindurchlassen, wenn an beiden Eingängen ein Signal richtiger Größe und Polarität
auftritt.
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Die Steuerung des monostabilen Multivibrators erfolgt auf nachstehende
Weise: Vom Generator 20 wird die Spannung einem Frequenzteiler 32 zugeführt, der
einen Impuls erzeuger 26 steuert, in dem eine Impulsreihe mit einer Wiederholungsfrequenz
von z. B. 10 Hz erzeugt wird. Durch diese Impulse wird zehnmal in jeder Sekunde
der monostabile Multivibrator 27 ausgelöst, wobei er nach jedem Impuls so geschaltet
ist, daß die Torschaltung 24 geöffnet und die Torschaltung 24' geschlossen wird.
Die Zeit, während der der Multivibrator 27 in diesem Zustand verbleibt, wird durch
die dem Nullagedetektor 11 entnommene Regelspannung bestimmt.
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Nach dieser Zeit kippt der Multivibrator 27 immer wieder in den Ruhezustand
zurück, wobei die Torschaltung
24 geschlossen und die Torschaltung
24' geöffnet wird, so daß die Impulse nur der Spule 6' zugeführt werden.
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Der Nullagedetektor bestimmt somit den Teil der der Spule zugeführten
Impulse, mit welchem das Gewicht G1 ausgeglichen wird. Durch Anwendung einer großen
Verstärkung der Regelspannung läßt sich erreichen, daß eine sehr geringe Abweichung
von der Nullage genügt, eine große änderung der Zeit zu erhalten, während welcher
die Impulse der Spule 6 zugeführt werden. Diese Änderung ist stets derart, daß der
Abweichung des Nullagedetektors entgegengewirkt wird. Diese Wirkung wiederholt sich
alle 100 ms dadurch, daß am Multivibrator 27 auch die Impulse des Impulserzeugers
26 wirksam sind. Es stellt sich somit ein Gleichgewicht ein, bei dem stets so viele
Impulse der Spule 6 zugeführt werden, daß der Einfluß des Gewichtes G1 gerade ausgeglichen
wird.
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Die die Spule 6 in jeder Periode von 100 ms durchfließende Impulszahl
ist somit um so größer, je größer das Gewicht GJ ist, und muß proportional zu diesem
Gewicht sein. Die Impulse jeder Reihe werden auch einem Zähler 30 zugeführt, der
eine Reihe zählt und während der übrigen Zeit den gezählten Wert anzeigt. Kurz bevor
er die neue Reihe zu zählen anfängt, wird er mit Hilfe der Rückstellvorrichtung
31 zurückgestellt. Dies erfolgt auf nachstehende Weise: Die Impulse des Frequenzteilers
32 werden auch dem Stufenschalter 33 zugeführt. Dieser ist ein elektronischer Zehnstufenschalter
mit zehn Ausgängen, bei dem nach jedem Impuls am Eingang die Ausgangsspannung eine
Stufe weiterrückt. An jedem Ausgang ist somit während 100 ms eine Spannung vorhanden.
Die Ausgangsspannung des ersten Ausgangs wirkt auf die Torschaltung 35 ein, an der
ferner die Impulse des Generators 20 und die Impulse desjenigen Ausgangs des Multivibrators
27, der auch auf die Torschaltung 24 einwirkt, wirksam sind. Dem an die Torschaltung
35 angeschlossenen Zähler 30 werden somit nur dann Impulse zugeführt, wenn 1. am
ersten Ausgang des Stufenschalters 33 eine Spannung liegt, d. h. während eines einzigen
Zyklus von 100 ms während 10 Zyklen, 2. der Multivibrator 27 im Arbeitszustand ist.
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Während eines der zehn Zyklen werden somit nur die der Spule 6 zugeführten
Impulse gezählt.
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Weil diese Zahl proportional dem Gewicht G1 ist, zeigt nach Eichung
und richtiger Einstellung des ganzen Gerätes der Stand des Zählers das Gewicht an.
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Während der folgenden neun Zyklen von je 100 ms zeigt der Zähler
die gleiche Zahl an. Am Anfang des zehnten Zyklus wird der Zähler über die Rückstellvorrichtung
31 auf Null zurückgestellt.
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Nach dem zehnten Zyklus ergibt sich wieder eine Spannung am ersten
Ausgang, wonach sich die ganze aus zehn Zyklen bestehende Zählperiode wiederholt
Dadurch, daß sowohl die Zykluszeiten des Multivibrators 27 als auch die des Stufenschalters
33 vom Generator 20 hergeleitet werden, ist die Genauigkeit des ganzen Systems unabhängig
von der Frequenzstabilität des Generators 20.
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Eine zweite Ausführungsform des elektronischen Systems ist in Fig.
3 dargestellt. Dieses System ent-
hält einen Oszillator 40, an dem eine die Frequenz
bestimmende Regelspannung wirksam ist. Der Oszillator ist an einen Impulserzeuger
41 angeschlossen, in dem die Spannung in Impulse einer vorbestimmten, sehr konstanten
Dauer umgewandelt wird. Über einen Verstärker 42, in dem die Höhe der Stromimpulse
geregelt wird, werden diese, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Integrationsvorrichtung,
der Spule 6 zugeführt.
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Die vom Nullagedetektor 11 gelieferte Regelspannung wird nach Verstärkung
im Verstärker 43 dem Oszillator 40 zugeführt. Das Ganze ist so ausgebildet, daß
eine geringe Änderung der Regelspannung eine große Frequenzänderung der Oszillatorspannung
zur Folge hat.
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Eine Quelle 44 liefert einen Gleichstrom, der die Reihenschaltung
der Spule 6' und des Widerstandes 45 durchfließt. Die Quelle 44 wird durch die dem
Nullagedetektor 12 entnommene Regelspannung derart gesteuert, daß der Strom durch
die Spule 6' auf einen Wert geregelt wird, bei dem der Einfluß des Eichgewichtes
G0 gerade aufgehoben wird. An dem Widerstand 45 liegt somit eine Spannung, die dem
Strom durch die Spule proportional ist. Diese Spannung wird als Bezugsspannung für
einen Spannungsregler 46 verwendet, dessen Ausgangsspannung als Speisespannung für
den Verstärker 42 dient.
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Wenn jetzt die Feldstärke im Luftspalt 4' durch eine Verringerung
des Magnetismus des Dauermagneten kleiner wird, muß die Quelle 44 einen größeren
Strom durch die Spule 6' schicken, um das Gewicht G0 dennoch auszugleichen. Infolgedessen
wird die Spannung an dem Widerstand 45 und somit die Speisespannung des Verstärkers
42 proportional größer, so daß dieser Impulse mit größerer Stromstärke an die Spule
6 liefert, wodurch die Verringerung des Magnetismus gerade ausgeglichen wird.
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Bei dieser Schaltungsanordnung ist die Frequenz des Oszillators 40
proportional der Größe des Gewichtes G. Die Spannung mit dieser Frequenz wird über
eine Torschaltung 50 einem Zähler 51 zugeführt. An der Torschaltung 50 ist ferner
noch eine Spannung wirksam, die dem ersten Ausgang des Stufenschalters 49 entnommen
wird, dessen Wirkungsweise derjenigen des Stufenschalters 33 der Fig. 1 gleich ist.
Dieser Stufenschalter wird über den Frequenzteiler 48 vom Kristalloszillator 47
gesteuert, der z. B. wieder eine Spannung mit einer Frequenz von 100 kHz erzeugt.
Der Stufenschalter führt dann wieder Schritte von 100 ms aus. Während der Zeit,
in der am ersten Ausgang eine Spannung liegt, ist die Torschaltung 50 geöffnet,
und die Impulse des Impulserzeugers 41 werden dem Zähler 51 zugeführt. Weil diese
Zeit gerade 100 ms beträgt, ist der Stand des Zählers am Ende dieses Zyklus gleich
der Frequenz des Oszillators durch zehn dividiert. Bei richtiger Einstellung des
ganzen Gerätes gibt diese Zahl das Gewicht G3 an. Sobald am Ausgang 10 des Stufenschalters
eine Spannung erscheint, wird der Zähler über die Rückstellvorrichtung 52 in die
Nulllage zurückgeführt, so daß ein neuer Zählzyklus anfangen kann.