DE1964307B2 - Waegevorrichtung mit einem lastabhaengig auslenkbaren lasttraeger, an welchem neben der lastkraft eine lastausgleichkraft angreift - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wägevorrichtung mit lern lastabhängig auslenkbaren Lastträger, an welchem neben der Lastkraft eine Lastausgleichskraft angreift, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, als Positionsgeber eine Anordnung zu verwenden, die aus einem Permanentmagneten und einem in dessen Luftspalt eintauchenden galvar.crr.a gnetischen Bauelement besteht (vgl. z.B. GB-PS 6 99 746). Dabei kann jedoch nur festgestellt werden, ob das galvanomagnetische Bauelement sich innerhalb oder außerhalb des Feldes befindet. Eine Verschiebung des galvanomagnetischen Bauelementes innerhalb des homogenen Teils bringt dabei entweder keine oder nur sehr geringe Änderungen der elektrischen Eigenschaf; des Bauelementes.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wägevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszugestalten, daß mit einem einfach aufgebauten Gebersystem bei Verschiebungen der galvanomagnetischen Bauelemente eine ständige und möglichst große Änderung des auswertbaren Signals der Geberanordnung erzielt ist. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Zweckmäßige Ausgestal tungcn sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Man erkennt, daß hier die galvanomagnetischen Bauelemente höchstens noch teilweise in einem homogenen Magnetfeld liegen. Der restliche Teil liegt im ».homogenen Teil des Feldes, der eine stetige Änderung der Feldstärke zeigt. Dieser inhomogene Teil des Magnetfeldes wird nun ausgenutzt, um bei geringen Verschiebungen der galvanomagnetischen Bauelemente eine eindeutig meßbare Änderung der elektrischen Eigenschaften des Bauelementes zu erzielen. Das ist wegen der im inhomogenen Teil des Feldes ortsabhängig stark veränderlichen Feldliniendichte möglich. Es wird also eine feiner ansprechende Anordnung höherer Empfindlichkeit erreicht. Die galvanomagnetisch^ Bauelemente können insbesondere magnetfeldabhäng,-ge Widerstände bzw. Hallgeneratoren sein. Besonders zweckmäßig ist es, zwei galvanomagnetische Bauelemente derart anzuordnen, daß bei der Relativbewegung der magnetische Fluß in dem einen Bauelement etwa um den Betrag größer wird, wie er gleichzeitig in dem anderen abnimmt. Die beiden galvanomagnetischen Bauelemente können dann in einer Brückenschaltung angeordnet werden, deren Diagonalspannung als lastabhängige Spannung anzeigbar ist. Insbesondere ist es dann auch möglich, die galvanomagnetischen Bauelemente in integrierter Technik auf einem Trägerplättchen aufzubringen. Dabei ergibt sich gleichzeitig eine gute Kompensation des Temperaturgangs. Zweckmäßig steuert man mit dem von den galvanomagnetischen Bauelementen erhaltenen elektrischen Größen eine die Lastausgleichskraft auf den Waagebalken aufbringende Kompensationsspule an. Diese kann gegebenenfalls auch gemeinsam mit den galvanomagnetischen Bauelementen in dem Magnetfeld desselben Permanentmagneten angeordnet sein. Auch hier kommt es aber darauf an, daß die galvanomagnetisch«!! Bauelemente zumindest teilweise im inhomogenen Teil des Magnetfeldes liegen.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt

F i g. 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 in größerem Maßstab und /x\r besserer Übersichtlichkeit teilweise aufgerissen eine perspektivische Ansicht der Gebereinheit nach der Ausführungsform von Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Einzelheit de

Gebereinheit.

Fig.4 die Schaltung der bei der Ausführungsform ,lach Fig. 1 verwendeten magnetfeldabhängigen Widerstände,

Fig.5 die Anordnung der Widerstände auf einem Trägerplättchen in der Technik der integrierten Schaltung,

F i g. 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, Fig. 7 eine vereinfachte Anordnung von Kompensationsspule und magnetfeldabhängigen Widerständen, m F i g- 8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung. F i g. 1 zeigt eine Waage, im wesentlichen bestehend aus einem Schalenteller 1 zum Auflegen der Last, einem Lastträger 2, einem beweglichen mechanischen Waagen-Bauteil 3 und einem Lenker 4. Am Ende des Waagen-Bauteils 3 ist eine Kompensationsspule 7 befindet sich in dem Magnetfeld eines Magneten 9, von dem der besseren Übersichtlichkeit haiber nur die hintere Hälfte eingezeichnet ist. Über Kabel 10 ist mil der Kompensationsspule 7 ein Verstärker 11 verbunden. In das Kabel 10 ist ein Strommesser 12 z>;r Messung des durch die Kompensationsspule 7 fließenden Stroms eingeschaltet. Der erfindungsgemäße elektronische Geber umfaßt eine geiiäusefeste Anordnung von magnetfeldabhängigen Widerständen 14, 15 und einem am Waagen-Bauteil 3 befestigten Permanent-Magneten 8, Der Ausgang dieser Verschaltung ist mit dem Eingang des Verstärkers 11 verbunden. Die magnetfeldabhängigen Widerstände 14,15 sind an einem Gehäuseteil 13 befestigt.

F i g. 2 zeigt Einzelheiten des elektronischen Gebers. Er besteht aus einem ringförmigen Magneten mit einem Luftspalt. In diesem Luftspalt sind die beiden magnetfeldabhängigen Widerstände 14 und 15 so angeordnet, daß sie zumindest, teilweise im inhomogenen Teil des Magnetfeldes ücgen und der vorwiegend homogene Teil des Magnetfeldes mindestens hälftig die beiden Widerstände 14 und 15 durchsetzt (Fig. 3). Die magnetfeldabhängigen Widerstände ändern ihren Widerstandswert bei Vorhandensein eines magnetisehen Feldes, und zwar wächst der Widerstand mit steigender Feldstärke. Die magnetfeldabhängigen Widerstände 14 und 15 sind (vgl. F i g. 4) mit Widerständen RX und Rl und einem Abgleichpotentiometer PX zu einer Wheatstoneschen Brücke zusammengeschaltet. Zur Speisung dieser Brücke ist eine Gleichspannung an Klemmen 16 und 17 gelegt. Die Diagonalspannung wird an Klemmen 18 und 19 abgenommen und dem Verstärker 11 zugeführt. Dieser Verstärker 11 ist ein handelsüblicher Operationsverstärker. Der Ausgang des Verstärkers liegt über dem Strommesser 12 an der Kompensationsspule 7.

Die Arbeitsweise ist folgende: Bei Belastung des Schalentellers 1 durch eine Last 5 wird das Waagen-Bauteil 3 linksdrehend (auf Fig. 1 im Gegenuhrzeigersinn) bewegt. Diese Bewegung verursacht eine Bewegung der Geberanordnung nach oben, so daß der magnetfeldabhängige Widerstand 14 in den Bereich größerer Feldstärken und der magnetfeldabhängige Widerstand 15 in den Bereich kleinerer Feldstärken gelangt. Der Widerstandswert des magnetfeldabhängigen Widerstands 14 nimmt demnach zu, der magnetfeldabhängige Widerstand 15 wird niederohmiger: zwischen den Klemmen 18 und 19 der Wheatstoneschen Brücke entsteht eine Diagonalspannung.

Diese Diagonalspannung wird durch den Verstärker 11 verstärkt und bewirkt das Fließen eines Stromes durch die Kompensationsspule 7. Die Kraftwirkung des elektrischen Stromes im Magnetfeld des Magneten 9 ist so gerichtet, daß das bewegliche Bauteil sich rechtsdre hend bewegt, d. h. sie ist eine Gegenkraft zum Gewicht der Last 5. Dadurch dreht sich das bewegliche Bauteil 3 fast wieder in die Ausgangsstellung: zurück, d. h. in die Stellung bei Last Null. Es bleibt jedoch bei einem kleinen Ausschlag des beweglichen Bauteils und damit bei einem entsprechenden Ausschwenke.! der magnetfeldabhängigen Widerstände 14 und 15 aus dem Magnetfeld des Permanent-Magneten 8. Dieser Ausschlag ist genauso groß, daß die Diagonalspannung zwischen den Klemmen 18 und 19 verstärkt durch den Verstärker 11 einen solchen Strom durch die Kompensationsspule 7 fließen läßt, daß dessen Kraftwirkung auf das Waagen-Bauteil 3 ein Gegenmoment ausübt, das der Kraftwirkung der aufgebrachten Last 5 die Waage hält.

Um die Ausschlagwinkel des Waagen-Bauteils 3 klein zu halten, ist es vorteilhaft, bei Verlagerungen der magnetfeidabhängigen Widerstände 14 und 15 relativ zum Permanent-Magneten 8 eine große Diagonalspannung an der Brücke zu erhalten. Die Widerstandsänderung der magnetfeldabhängigen Widerstände bei kleinen magnetischen Feldstärken ist gering und erst bei , magnetischen Induktionen über 3 Kilogauß beträchtlich. Die Ausbildung des Ringform aufweisenden Permanent-Magneten mit einem Luftspalt gemäß Fig. 3, in dem das Magnetfeld über die Breite D homogen ist und anschließend inhomogen wird, bewirkt, daß die magnetfeldabhängigen Widerstände dauernd mit schwacher Induktion vormagrietisiert sind und bei Verlagerung der teilweise im inhomogenen Teil des Magnetfeldes liegenden Widerstände eine starke Widerstandsänderung stattfindet. Wenn sich die magnetfeldabhängigen Widerstände je zur Hälfte in der homogenen Feldzone und zur Hälfte in der inhomogenen Feldzone befinden, wird bei geringster Verschiebung des Permanent-Magneten 8 die Diagonalspannung zwischen den Klemmen 18, 19 relativ große Werte annehmen.

Die Anordnung der beiden magnetfeldabhängigen Widerstände in einem Brückenzweig bewirkt außerdem gleichzeitig eine Kompensation des Temperaturkoeffizienten dieser magnetfeldabhängigen Widerstände. Günstiger wird es noch, wenn diese Widerslände auf einem Trägerplättchen 20 integriert angeordnet sind.

Fi g. 5 zeigt ein solches Trägerplättchen 20, bei dem zur Verdoppelung der Empfindlichkeit außerdem auch noch die Brückenwiderstände RX und R2 gleichzeitig als magnetische Feldwiderstände angeordnet sind. Alle vier magnetfeldabhängigen Widei stände liegen hier auf kleinster Fläche (nur wenige Qiiadratmillimeter) und sind billig herstellbar. Es ist dadurch gewährleistet, daß alle vier Widerstände an Ort und Stelle der Waage den gleichen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.

Fig.6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der durch eine einfache Anordnung in der elektronischen Waage die magnetfeldabhängigen Widerstände für die Anzeige des Ausschlags verwendet werden. Ein Srhalenieller 21 ist am Lastträger 22 befestigt, der über die als Blattfedern ausgeführten Lenker 23 fest mit dem Gehäuse 24 verbunden ist. Die Lenker sorgen für die Parallelführung des Lastträgers 22, der hier das Waagen-Bauteil 3 ersetzt. An diesem ist unten eine Traverse 25 angebracht, die durch eine Feder 26 mit dem Gehäuse 24 verbunden ist. Am unteren Ende des Lastträgers 22 ist ein ringförmiger Permanent-Magnet 27 angeordnet, von dem auf der Figur nur die hintere Hälfte zu sehen ist. Zwei magnetfeldabhängige Wider-

stände 28 und 29 liegen im Luftspalt dieses Permanent-Magneten 27. Die Widerstände 28 und 29 sind wieder in einer Brückenschaltung verschaltet, deren Diagonalzweig mit einem Verstärker 30 verbunden ist. Am Ausgang des Verstärkers 30 liegt ein Meßinstrument 31. Die Arbeitsweise ist folgende: Bei Auflegen einer Last 32 auf den Schalenteller 21 wird dieser zusammen mit dem Lastträger gegen die Kraftwirkung der Feder

26 nach unten bewegt. Die Steife der Feder 26 erlaubt zusammen mit den Lenkern 23 eine lastabhängige Absenkung des Lastträgers 22. Der Permanent-Magnet

27 wird dabei relativ zu den magnetfeldabhängigen Widerständen 28 und 29 verschoben.

Die dadurch bedingte Änderung der Widerstapdswerte dieser magnetfeldabhängigen Widerstände verstimmt die Brücke, d. h. es tritt eine Diagonalspannung auf, die durch den Verstärker 30 verstärkt am Meßinstrument 31 angezeigt wird.

Sorgt man dafür, daß die Absenkung des Lastträgers 22 bei Aufbringen der Last nicht zu groß wird, so arbeitet diese Einrichtung gut linear, d. h. der Ausschlag am Meßinstrument 31 ist proportional zum Gewicht der aufgelegten Last 32.

Geeignet ist diese Einrichtung vor allem für schnelle Kontrollwaagen, die von einem Sollgewicht eingestellt. z. B. durch die Vorspannung der Feder 26, nach positiven oder negativen Werten abweichen. Das Meßinstrument 31 ist in diesem Fall ein Instrument mit dem Nullpunkt in der Mitte und einem positiven und negativen Ausschlagbereich.

Für Waagen mit größeren Anforderungen an Genauigkeit und größere automatische Bereiche ist jedoch das Kompensationsprinzip nach der ersten Ausführungsform geeigneter.

Fig. 7 zeigt eine weitere vereinfachte Anordnung. Auf einer Platte 33 aus Aluminium oder Kupfer ist eine Kompensationsspule 34 mit zwei magnetfeldabhängigen Widerständen 35 und 36 angeordnet. Die Platte 33 ist am hier nicht dargestellten Lastträger 22 oder am Waagen-Bauteil 3 angeordnet. Sie bewegt sich in dem Luftspalt eines Permanent-Magneten 37. von dem nur die hintere Hälfte gezeichnet ist.

In dieser Anordnung wird der Permanent-Magnet 37 gleichzeitig als Indikator für den Ausschlag des Waagen-Bauteils 3 und zum Erzeugen der Gegenkraft zur Kompensation des durch die Last verursachten Ausschlags benutzt. Die Wahl des Materials Aluminium oder Kupfer für die Platte 33 bewirkt zusätzlich eine Wirbelstromdämpfung, so daß der Einschwingvorgang des beweglichen Bauteils 3 oder des Lastträgers 22 rasch abklingt.

F i g. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform nach der die genannten magnetfeldabhängigen Widerstände 14, 15, 28, 29, 35, 36 ein Hallgenerator 38 sein können. In dem zum Erhalt eines stark inhomogenen Magnetfeldes vorteilhafterweise keilförmig ausgebildeten Luftspalt des Permanent-Magneten 8' liegt der Hallgenerator 38. Bei Bewegung dieses Hallgenerators 38 von oben nach unten kommt dieser von einer Zone kleiner magnetischer Induktion in die Zone größerer Feldstärke. Die Hallspannung Uh tritt beim Fließen des Stromes /quer zur Flußrichtung auf und ist proportional der Größe dieses Stromes und der Größe der magnetischen Induktion. Bei konstant angenommenem Strom /ist also die Hallspannung umso größer, je weiter der Hallgenerator 38 in den Luftspalt eintaucht. Sitzt der Hallgenerator 38 an einem von der Last 5, 32 bewegten Waagen-Bauteil 3, 22, so ist die Hallspannung proportional zur Bewegungsamplitude, also zum Ausschlag dieses Bauteils und damit proportional zur Last.

Durch zusätzliche Variation des Stromes / kann auf sehr einfache Weise die Waage einjustierl werden.

Allen beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen ist gemeinsam, daß sie elektrisch einen sehr geringen Energieverbrauch haben. Die ganze Waage kann deshalb auf Batteriebetrieb ausgelegt werden, und

ίο eine relativ klein dimensionierte Batterie garantiert eine sehr lange Betriebsdauer der Waage.

In den beschriebenen Ausführungsformen sind die galvanomagnetischen Bauelemente fest mit dem Gehäuse verbunden und die diese Bauelemente beeinflussenden Permanent-Magneten an den beweglichen Bauteilen angeordnet. Selbstverständlich kann auch umgekehrt verfahren werden.

Galvanomagnetische Bauelemente sind Bauelemente aus Halbleitermaterialien, die aufgrund bestimmter physikalischer Eigenschaften (z. B. hohe Beweglichkeit der Elektronen) oder bestimmter Formgebung und Anordnung unter Einfluß eines Magnetfeldes veränderliche Kenngrößen wie elektrischer Widerstand, Leitfähigkeit oder Sperrschichtenlage aufweisen. Am bekanntesten sind von diesen Bauelementen die magnetischen Feldplatten und die Hallgeneratoren.

Magnetische Feldplatten sind auf einem Tragerplauchen aufgebrachte dünne Stromleiter aus Halbleitermaterial mit hoher Elektronenbeweglichkeit, in denen bei Siromdurchgang und etwa senkrecht dazu stehenden magnetischen Feld die Strombahnen in dem Stromleiter infolge der Lorentzkraft gekrümmt verlaufen. Der Effekt ist eine Zunahme des elektrischen Widerstandes dieser Stromleiter mit der magnetischen Feldstärke.

Beim Hallgenerator ist der Effekt die quer zur Stromrichtung auftretende Hallspannung, die abhängig ist von der Größe des fließenden Stromes und der magnetischen Feldstärke.

Galvanomagnetische Bauelemente, insbesondere Feldplatten, eignen sich auch für Speisung mit Wechselstrom oder Erregung durch ein magnetisches Wechselfeld. Im letzteren Fall ist die Ausgangsgröße bei den Feldplatten ein sich gemäß dem magnetischen Wechselfeld verändernder Widerstand. Bei einer Verschaltung der Feldplatten in einer Brücke isi. die Diagonalspannung daher in beiden Fällen eine Wechselspannung, was eventuell im Hinblick auf die Temperaturdrift der nachgeschahcten Verstärker von Vorteil sein kann.

Bei hochgenauen Messungen ist die Anzeige der

Meßgröße meist nicht einfach zu realisieren, z. B. die Anzeige des durch die Kompensationsspule fließenden

Kompensationsstromes.

Sehr einfach und zweckmäßig ist es in diesem Fall.

den Kompensationsstrom durch einen bekannten und geeichten Drehwiderstand oder Potentiometer zu erzeugen. Der Verstellwinkel des Widerstandes oder des Potentiometers ist dann direkt eichbar in der Einheit der Masse, z. B. in Gramm. Der Verstellwinkel läßt sich mechanisch fast beliebig vergrößern und z. B. durch einen Umdrehungszähler sogar digital direkt anzeigen. Hierbei wird am Potentiometer ein solcher Strom durch die Drehspule eingestellt, daß der Waagebalken in die Einspiellage gebracht wird, die mit der beschriebenen Gebereinrichtung aus den magnetischen Feldplaltcn und der Magnetanordnung angezeigt wird.

Hierzu 2 Blatt Zcichnunacn

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Wägevorrichtung mit einem lastabhängig »uslenkbaren Lastträger bzw. Waagebalken (Waafen-Bauteil), an welchem neben der Lastkraft eine Lastausgleichskraft angreift und dessen Auslenkung durch eine Gebervorrichtung, bestehend aus einem Permanentmagneten (erstes Bauelement) und einem im Wirkungsbereich des Luftspaltes des Permanentmagneten liegenden galvanomagnetischen Bauelement (zweites Bauelement), meßbar ist, wobei ein Bauelement ortsfest und das andere am Waagen-Bauteil befestigt ist. dadurch gekennzeichnet, daß das galvanomagnetische Bauelement (14, 15; 28, 29; 35, 36; 78) zumindest teilweise im inhomogenen Teil des Magnetfeldes des Permanentmagneten (8; 27; 37) liegt, derart, daß der das galvanomagnetische Bauelement durchsetzende magnetische Fluß bei einer Relativbewegung der beiden Bauelemente sich stets ändert.

2. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die galvanomagnetischen Bauelemente magnetfeldabhängige Widerstände (Feldplatten 14,15; 28,29; 35,36) sind.

3. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch (gekennzeichnet, daß die galvanomagnetischen Bauelemente Hallgeneratoren (38) sind.

4. Wägevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei galvanomagnetische Bauelemente (14, 15) angeordnet sind, derart, daß bei der Relativbewegung der magnetische Fluß in dem einen Bauelement etwa um den Betrag größer wird wie er gleichzeitig in dem anderen abnimmt.

5. Wägevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei galvanomagnetischen Bauelemente (14, 15) in einer Brückenschaltung angeordnet sind, deren Diagonalspannung als lastabhängige Spannung anzeigbar ist (F i g. 4).

6. Wägevorrichtung nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die galvanomagneti-Schen Bauelemente in integrierter Technik auf einem Trägerplättchen (20) aufgebracht sind (Fig. 5).

7. Wägevorrichtung mit einem lastabhängigen auslenkbaren Lastträger bzw. Waagebalken (Waagen-Bauteil), an welchem neben der Lastkraft eine Lastausgleichskraft angreift und dessen Auslenkung durch eine Gebervorrichtung, bestehend aus einem Permanentmagneten (erstes Bauelement) und einem im Wirkungsbereich des Luftspaltes des Permanentmagneten liegenden galvanomagnetischen Bauelements (zweites Bauelement), meßbar ist, wobei ein !Bauelement ortsfest und das andere am Waagen-Bauteil befestigt ist, nach Anspruch 1, und wobei die Lastausgleichskraft durch eine elektromagnetische Kompenisationsspule. aufbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die galvanomagnetischen Bauelemente die Kompensationsspule (17,34) ansteuern.

8. Wägevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ^₀ gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (34) und die galvanomagnetischen Bauelemente (35, 36) in dem Magnetfeld desselben Permanentmagneten (37) angeordnet sind.