DE19502694C1 - Elektronische Waage mit Ecklastsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Waage mit einem Lastaufnehmer, der über einen oberen Lenker und einen unteren Lenker in Form einer Parallelführung mit einem gehäusefesten Systemträger verbunden ist, und mit einem kapazitiven Ecklastsensor, der die auf den Lastaufnehmer ausgeübten Drehmomente mißt.

Waagen mit Ecklastsensor sind aus der DE 30 03 862 C2 bekannt. Ein kapazitiver Ecklastsensor ist bereits aus der EP 055 633 A2 bekannt. Bei diesem Ecklastsensor besteht der Lastaufnehmer aus einer senkrechten Stange mit quadratischem Querschnitt, die oberhalb der Befestigungspunkte der Lenker eine Dünnstelle aufweist; oberhalb der Dünnstelle ist die Lastaufnehmerstange auf allen vier Seiten von je einer senkrechten, gehäusefesten Elektrode umgeben und am obersten Ende der Lastaufnehmerstange ist die Waagschale angebracht. Dadurch führen Drehmomente auf die Waagschale bei ausmittiger ,Belastung zu einer Verbiegung der Dünnstelle und die daraus resultierende Verkippung des oberen Teils der Lastaufnehmerstange führt zu einer Kapazitätsänderung zwischen dem (geerdeten) Lastaufnehmer und den vier Elektroden, aus der auf das Drehmoment in x- und y-Richtung geschlossen werden kann.

Nachteilig an dieser bekannten Anordnung ist jedoch, daß man eine große Kapazitätsänderung nur dann erhält, wenn man entweder eine große Verkippung der Waagschale zuläßt, was die Waagschale sehr labil erscheinen läßt, oder die Lastaufnehmerstange oberhalb der Dünnstelle ziemlich lang macht, was die Bauhöhe der Waage ansteigen läßt.

Weiterhin ist es aus der DE 38 11 942 C2 bekannt, die lastabhängige Verbiegung einer elastischen Unterschale relativ zu einer ebenfalls am Lastaufnehmer befestigten steifen Platte durch Abstandssensoren zu messen. Diese elastische Unterschale führt ebenfalls zu einer zusätzlichen Schrägstellung der Waagschale unter außermittiger Belastung.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Bauart für eine Waage der eingangs genannten Art anzugeben, bei der sich eine große Kapazitätsänderung für den Ecklastsensor erreichen läßt, ohne daß die Bauhöhe der Waage merklich steigt und ohne daß die Waagschale zu labil erscheint.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Ecklastsensor aus mindestens drei waagerechten Elektroden und einer waagerechten Gegenelektrode besteht, wobei entweder die Elektroden am Lastaufnehmer befestigt sind und die Gegenelektrode gehäusefest befestigt ist oder die Elektroden gehäusefest befestigt sind und die Gegenelektrode am Lastaufnehmer befestigt ist, und daß aus der Differenz der Signale von mindestens zwei in x-Richtung versetzter Elektroden das Signal für das Drehmoment in dieser x-Richtung hergeleitet wird, und daß aus der Differenz der Signale von mindestens zwei in y-Richtung versetzter Elektroden das Signal für das Drehmoment in dieser y-Richtung hergeleitet wird.

Durch die waagerechte Anordnung der Kondensatorelektroden kann sowohl die Fläche der Elektroden deutlich größer gemacht werden als auch der Abstand vom virtuellen Drehpunkt, so daß schon eine geringe, vom Kunden kaum wahrnehmbare Winkeländerung am waagschalenseitigen Endpunkt des Lastaufnehmers ausreicht, um eine große Abstandsänderung im Bereich der Elektroden zu erzielen. Die waagerechte Anordnung der Kondensatorelektroden schafft darüber hinaus in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindungsidee die Möglichkeit, nicht nur aus der Differenz der Signale der einzelnen in x- bzw. y-Richtung beabstandeten Elektroden die Ecklastsignale in x- bzw. y-Richtung herzuleiten sondern auch aus der Summe bzw. dem Mittelwert der einzelnen Elektroden ein Signal für die Absenkung des Lastaufnehmers herzuleiten. Dieses Absenkungssignal kann entweder direkt als belastungsproportionales Ausgangssignal dienen oder als Lagensensorsignal zur Steuerung des Regelkreises einer elektromagnetischen Kraftkompensation.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Waage in einer ersten Ausgestaltung,

Fig. 2 eine Unteransicht auf die Elektroden des Ecklastsensors in Fig. 1,

Fig. 3 eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Waage,

Fig. 4 eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Waage,

Fig. 5 eine vierte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Waage,

Fig. 6 eine fünfte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Waage,

Fig. 7 einen Querschnitt durch die Ausgestaltung gemäß Fig. 6 längs der Linie VII-VII in Fig. 6 und

Fig. 8 eine sechste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Waage.

Die in Fig. 1 gezeigte Waage besteht aus einem gehäusefesten Systemträger 1, mit dem über einen oberen Lenker 4 und einen unteren Lenker 5 ein Lastaufnehmer 2 verbunden ist. Der Lastaufnehmer 2 trägt die Waagschale 3. Vom Lastaufnehmer 2 wird die zu messende Gewichtskraft über ein Koppelelement 9 mit den Dünnstellen 10 und 11 auf den kürzeren Hebelarm eines Übersetzungshebels 7 übertragen. Der Übersetzungshebel 7 ist durch ein Kreuzfedergelenk 8 mit dem Systemträger 1 verbunden. Am längeren Hebelarm des Übersetzungshebels 7 ist die Spule 13 der elektromagnetischen Kraftkompensation befestigt. Die Spule 13 ragt in den Luftspalt eines Permanentmagnetsystems 12 hinein. Der Strom durch die Spule 13 wird von einem Regelverstärker 14 geliefert, er durchfließt gleichzeitig einen Meßwiderstand 15. Der Spannungsabfall am Meßwiderstand 15 wird von einem Analog/Digital-Wandler 17 digitalisiert, von einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 18 verarbeitet und in einer Anzeige 19 angezeigt. - Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation sind allgemein bekannt, so daß die einzelnen Teile und ihre Funktion im vorstehenden nur ganz kurz erläutert sind.

Die Waage in Fig. 1 weist nun zusätzlich am Lastaufnehmer 2 eine sich in waagerechter Richtung erstreckende Leiterplatte 20 auf, die auf ihrer Unterseite vier Elektroden trägt, von denen in Fig. 1 die beiden Elektroden 23 und 24 erkennbar sind. Die Lage der zwei weiteren Elektroden 21 und 22 erkennt man aus Fig. 2, die eine Unteransicht der Leiterplatte 20 darstellt. Der Leiterplatte 20 mit den vier Elektroden 21. . . 24 steht der metallische Boden 1′ des Gehäuses der Waage in geringem Abstand gegenüber. Wird die Waagschale 3 belastet, so senkt sich der Lastaufnehmer 2 ab, da die Lenker 4 und 5 bezüglich einer senkrechten Bewegung ziemlich nachgiebig sind. Dadurch ändert sich der Abstand der Elektroden 21. . . 24 gegenüber dem Gehäuseboden 1′ als Gegenelektrode. Die dadurch entstehende Kapazitätsänderung aller vier Elektroden 21. . . 24 wird durch eine Kapazitätsmeßschaltung 16 ausgewertet und die Abweichung von der Sollkapazität steuert über die Leitung 27 den Regelverstärker in bekannter Weise so, daß der Lastaufnehmer seine vertikale Soll-Lage beibehält.

Bei ausmittiger Belastung der Waagschale 3 belastet das zusätzlich entstehende Drehmoment die Lenker 4 und 5, was auf Grund der Nachgiebigkeit der Lenker zu einer geringen Verkippung des Lastaufnehmers 2 führt und damit zu einer unterschiedlichen Abstandsänderung an den Elektroden 21. . . 24 gegenüber dem Boden 1′ des Gehäuses als Gegenelektrode. Wird die Waagschale 3 in Fig. 1 beispielsweise auf der rechten Seite belastet, so kippt der Lastaufnehmer 2 in der Weise, daß an den Elektroden 22 und 24 der Abstand zur Gegenelektrode geringer wird, während der Abstand an den Elektroden 21 und 23 größer wird. Diese Differenz in den Kapazitäten der Elektroden 22 und 24 einerseits und den Elektroden 21 und 23 andererseits wertet die Kapazitätsmeßschaltung 16 aus und gibt sie über die Leitung 28 an die digitale Signalverarbeitungseinheit 18 als Ecklastsignal weiter. Die digitale Signalverarbeitungseinheit 18 kann dann Ecklastfehler, die aus einer nicht hundertprozentig genauen Fertigung und Justierung der Parallelführung aus den beiden Lenkern 4 und 5 in bekannter Weise rechnerisch korrigieren. - Bei einer Belastung der Waagschale vor oder hinter der Zeichenebene von Fig. 1 erfolgt in entsprechender Weise eine solche Kippung des Lastaufnehmers 2, daß sich die Kapazitäten der Elektroden 21 und 22 z. B. erhöhen, während die Kapazitäten der Elektroden 23 und 24 sinken. Aus dieser Differenz errechnet die Auswerteschaltung das Drehmoment in der entsprechenden Richtung und gibt das Signal über die Leitung 29 an die digitale Signalverarbeitungsschaltung 18 weiter, die dann auch für diese Belastungsrichtung eine rechnerische Ecklastkorrektur durchführt.

In Fig. 1 sind mit 25 die Anschlußpunkte für die Elektroden 21. . . 24 bezeichnet und mit 26 die dazugehörigen Leitungen zur Auswerteeinheit 16. Diese Leitungen 26 müssen selbstverständlich als dünne rückwirkungsfreie Drähte ausgeführt sein, da Kräfte, die durch diese Drähte verursacht werden, das Wägeergebnis verfälschen.

Insgesamt stellt die Elektroden-Anordnung 21. . . 24 also sowohl den Sensor für das Ecklast-Drehmoment dar (hierfür werden die Differenzen in den jeweiligen Richtungen ausgenutzt) als auch den Lagensensor zur Steuerung der elektromagnetischen Kraftkompensation (hierfür wird das Gleichtaktsignal der vier Elektroden 21. . . 24 ausgewertet).

Von den Elektroden 21. . . 24 in Fig. 2 kann selbstverständlich eine Elektrode entfallen. Ohne die Elektrode 23 z. B. kann das Ecklastsignal in der einen Richtung aus der Differenz der Signale der Elektroden 22 und 24 hergeleitet werden, in der zweiten Richtung aus der Differenz der Signale der Elektroden 21 und 22 und das Signal für den Regelverstärker der elektromagnetischen Kraftkompensation aus dem Mittelwert der Signale aller drei Elektroden. Die vierte Elektrode gibt nur eine zusätzliche Mittelungsmöglichkeit, die auch den Einfluß der Nichtlinearität der kapazitiven Sensoren zum großen Teil ausgleicht.

Eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Waage ist in Fig. 3 dargestellt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet und nicht neu erläutert. In dieser Ausgestaltung weist der Lastaufnehmer 2 einen seitlichen Vorbau 30 auf, der in seinem oberen Teil 31 die Waagschale 3 trägt und in seinem unteren Teil 32 die Leiterplatte 20 mit den Elektroden 21. . . 24. Eine elastische Dünnstelle 33 stellt die Verbindung zwischen dem Lastaufnehmer 2 und seinem Vorbau 30 dar. Diese Dünnstelle 33 erlaubt es, unabhängig von der Steifigkeit der Lenker 4 und 5 der Parallelführung eine beliebig wählbare Nach­ giebigkeit des Vorbaues 30 zu erzeugen, um für die Empfindlichkeit der Ecklastsensoren auf den gewünschten Wert zu kommen. Weiter weist die Waage in Fig. 3 einen gesonderten Lagensensor 35 auf, der den Regelverstärker 14 der elektromagnetischen Kraftkompensation speist. Dadurch kann die Empfindlichkeit des Lagensensors vergrößert werden, da jede vertikale Lagenänderung des Lastaufnehmers 2 vergrößert mit dem Übersetzungsverhältnis des Übersetzungshebels 7 zum Ort des Lagensensors 35 übertragen wird.

In Fig. 4 ist eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Waage gezeigt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind wieder mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet. In dieser Ausgestaltung wird die Leiterplatte 20 mit Schrauben 36 oben am Lastaufnehmer 2 befestigt. Die Leiterplatte 20 ist rechteckig oder X- förmig ausgebildet und trägt in den vier Ecken 34 je eine Stütze 37, die durch ein Loch 38 im Oberteil 1′′ des Gehäuses hindurch die Waagschale 3 trägt. Die Leiterplatte 20 trägt in der Nähe der Stützen 37 je eine Elektrode 21. . . 24, von denen in Fig. 4 nur eine Elektrode 24 erkennbar ist. Als gehäusefeste Gegenelektrode wirkt in Fig. 4 das metallische Oberteil 1′′ des Gehäuses. Die Zuleitungen von den Elektroden 21. . . 24 sind in Fig. 4 der Übersichtlichkeit halber weggelassen und nur durch den Pfeil 39 an der Auswerteschaltung symbolisch angedeutet. - In dieser Ausgestaltung ist die Leiterplatte 20 als Unterschale ausgebildet und liegt - im Gegensatz zu den bisherigen Ausgestaltungen - im Kraftfluß zwischen Waagschale und dem eigentlichen Meßsystem. Dadurch kann in dieser Ausgestaltung die Empfindlichkeit der Ecklastsensoren durch geeignete Materialwahl und Dimensionierung der Leiterplatte beeinflußt werden.

In Fig. 5 ist eine vierte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Waage gezeigt.
Fig. 5 ist eine Aufsicht auf das Innere der Waage. Man erkennt einen gehäusefesten Bereich 47, die oberen Lenker 48 der Parallelführung mit den Dünnstellen 49, den Lastaufnehmer 52, zwei Quertraversen 54, auf denen sich an den Punkten 55 die nicht gezeichnete Waagschale abstützt, und den Übersetzungshebel 51 mit dem Spulenkörper 50. Der Lastaufnehmer 52 weist nun an seinen seitlichen Enden Laschen 53 auf, so daß an beiden seitlichen Enden waagerechte metallische Flächen entstehen, die zusammen mit dem Meßsystem mit der Gehäusemasse verbunden sind. Diesen waagerechten Flächen steht in geringem Abstand eine gestrichelt eingezeichnete, isolierende, gehäusefeste Leiterplatte 40 gegenüber. Diese Leiterplatte 40 weist auf ihrer Unterseite Elektroden 41. . . 44 auf, die in Fig. 5 ebenfalls gestrichelt eingezeichnet sind. Diese Elektroden 41. . . 44 wirken in der schon beschriebenen Weise als Ecklastsensoren, da die Ecklastmomente zu einer Verbiegung bzw. Torsion des Lastaufnehmers 52 führen und auf Grund der Nachgiebigkeit der Lenkerparallelführung zusätzlich der gesamte Lastaufnehmer 52 etwas in Richtung des Drehmomentes kippt.

In Fig. 6 ist eine fünfte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Waage in Aufsicht gezeigt, in Fig. 7 im Schnitt längs der gestrichelten Linie VII-VII in Fig. 6. Man er­ kennt einen äußeren Rahmen 65 und einen inneren Rahmen 66, die durch Verbindungsstücke 67 verbunden sind. Am inneren Rahmen 66 sind ein oberer Lenker 68 und zwei untere Lenker 69 befestigt, die den Lastaufnehmer 72 in senkrechter Richtung beweglich führen. Der Lastaufnehmer 72 weist zwei Vorsprünge 73 auf, so daß sich die nicht gezeichnete Waagschale an vier Abstützpunkten 74 abstützen kann. Die Lenker 68 und 69 sind dabei so steif, daß sie die Last tragen können und sich dabei um nur etwa 1 mm verbiegen. Zur Abtastung dieser Absenkung des Lastaufnehmers 72 ist an Vorsprüngen 75 des inneren Rahmens 66 eine gestrichelt eingezeichnete Leiterplatte 60 in geringem Abstand befestigt. Diese Leiterplatte 60 trägt auf ihrer Unterseite Elektroden 61. . . 64, die in Fig. 6 ebenfalls gestrichelt eingezeichnet sind. Als Gegenelektrode wirkt die metallische, waagerechte Oberfläche des Lastaufnehmers 72. Das mittlere Signal der einzelnen Elektroden wird dabei als Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers für die Last benutzt, die Differenz der Signale zwischen den Paaren der Einzelelektrode in der bereits geschilderten Weise als Ecklastsignal. Diesen Sachverhalt kann man auch so beschreiben, daß die Signale der einzelnen Elektroden mit einem individuellen Gewichtungsfaktor, der nahe bei 1 liegt, multipliziert werden und dann addiert werden. - Die Löcher 76 in den vier Ecken des äußeren Rahmens 65 dienen zur Befestigung des gesamten Meßsystems an einem nicht gezeichneten Gehäuse.

In Fig. 8 ist eine sechste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Waage in Seitenansicht gezeigt. Man erkennt einen gehäusefesten Bereich 81 des Meßwertaufnehmers, an den sich die beiden Lenker 84 und 85 anschließen, die den Lastaufnehmer 82 führen. An den Dünnstellen der Lenker sind Dehnungsmeßstreifen 86 appliziert, aus deren Signal in bekannter Weise die Größe der Belastung der Waagschale 3 hergeleitet wird. Zur Kompensation von Ecklastfehlern der Parallelführung ist unter dem Lastaufnehmer eine Metallplatte 89 befestigt, die bei Ecklastmomenten entsprechend verkippt. Dieser Platte 89 gegenüber ist eine Leiterplatte 90 gehäusefest befestigt, die Elektroden 91. . . 94 trägt, von denen in Fig. 8 nur die Elektroden 93 und 94 erkennbar sind. Diese Elektroden wirken zusammen mit der Gegenelektrode 89 in der schon erläuterten Weise als Ecklastsensoren. Auf der Leiterplatte 90 können neben den Elektroden auch Bauelemente 96 der elektrischen Schaltung untergebracht sein.

Die Größe der Elektroden und ihr Abstand von der virtuellen Drehachse des Lastaufnehmers ist in den Figuren relativ klein gehalten worden, um die Figuren nicht zu groß werden zu lassen. Selbstverständlich können die einzelnen Dimensionen soweit erhöht werden, wie das Gehäuse der Waage es erlaubt.

Elektronische Schaltungen zur Auswertung der Kapazität der einzelnen Elektroden sind allgemein bekannt, beispielsweise RC-Oszillatoren, so daß auf die Details dieser Schaltungen nicht eingegangen werden muß.

Claims (10)

1. Elektronische Waage mit einem Lastaufnehmer (2, 52, 72, 82), der über einen oberen Lenker (4, 48, 68, 84) und einen unteren Lenker (5, 69, 85) in Form einer Parallelführung mit einem gehäusefesten Systemträger (1, 47, 66, 81) verbunden ist, und mit einem kapazitiven Ecklastsensor, der die auf den Lastaufnehmer ausgeübten Drehmomente mißt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ecklastsensor aus mindestens drei waagerechten Elektroden (21. . . 24, 41. . . 44, 61. . . 64, 91. . . 94) und einer waagerechten Gegenelektrode (1′, 1′′, 53, 72, 89) besteht, wobei entweder die Elektroden am Lastaufnehmer befestigt sind und die Gegenelektrode gehäusefest befestigt ist oder die Elektroden gehäusefest befestigt sind und die Gegenelektrode am Lastaufnehmer befestigt ist, und daß aus der Differenz der Signale von mindestens zwei in x-Richtung versetzter Elektroden das Signal für das Drehmoment in dieser x-Richtung hergeleitet wird, und daß aus der Differenz der Signale von mindestens zwei in y-Richtung versetzter Elektroden das Signal für das Drehmoment in dieser y-Richtung hergeleitet wird.

2. Elektronische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ecklastsensor aus vier Elektroden (21. . . 24, 41. . . 44, 61. . . 64, 91. . . 94), die in einem 2×2 Array angeordnet sind, und einer waagerechten Gegenelektrode besteht.

3. Elektronische Waage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionen der vier Elektroden (21. . . 24, 41. . . 44, 61. . . 64, 91. . . 94) als vorn rechts, vorn links, hinten rechts und hinten links bezeichnet werden, daß der Mittelwert der Signale der beiden vorderen Elektroden und der Mittelwert der Signale der beiden hinteren Elektroden gebildet wird und die Differenz dieser beiden Mittelwerte das Signal für das Drehmoment in Richtung vorn/hinten darstellt und daß in entsprechender Weise der Mittelwert der Signale der beiden linken Elektroden und der Mittelwert der Signale der beiden rechten Elektroden gebildet wird und die Differenz dieser beiden Mittelwerte das Signal für das Drehmoment in Richtung rechts/links darstellt.

4. Elektronische Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich aus dem Mittelwert der Signale aller Elektroden (21. . . 24, 41. . . 44, 61. . . 64, 91. . . 94) ein Signal für die senkrechte Absenkung des Lastaufnehmers hergeleitet wird.

5. Elektronische Waage nach Anspruch 4, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal für die senkrechte Absenkung des Lastaufnehmers den Regelkreis der elektromagnetischen Kraftkompensation steuert.

6. Elektronische Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode durch eine waagerechte Fläche (53) des metallischen Lastaufnehmers (52) gebildet wird.

7. Elektronische Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (21. . .24, 41. . .44, 61. . .64, 91. . .94) durch die metallische Beschichtung einer isolieren den Leiterplatte (20, 40, 60, 90) gebildet werden.

8. Elektronische Waage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Leiterplatte (90) zusätzliche Bauelemente (90) der Auswerteelektronik untergebracht sind.

9. Elektronische Waage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (20) als Unterschale ausgebildet ist und an ihren Ecken (34) die Waagschale (3) trägt.

10. Elektronische Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastaufnehmer durch eine elastische Dünnstelle (33) in zwei Teilbereiche unterteilt ist, wobei am einen Teilbereich die beiden Lenker (4, 5) befestigt sind und am anderen Teilbereich die Waagschale (3) und die Elektroden (21. . . 24) für den Ecklastsensor befestigt sind.