DE19828515A1 - Waage mit beweglichem Anschlag - Google Patents

Abstract

Für eine Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einem vertikal beweglichen Lastaufnehmer (2), mit einem Lagensensor (16), einem Regelverstärker (14) und einer Spule (13) im Magnetfeld eines Permanentmagneten (12), mit mindestens einem Anschlag (10, 20), der die Bewegung des Lastaufnehmers (2) nach unten begrenzt, mit mindestens einem Anschlag (11), der die Bewegung des Lastaufnehmers (2) nach oben begrenzt, wobei mindestens ein Anschlag (20) beweglich ist, und mit einer elektronischen Auswerteeinheit (18), wird vorgeschlagen, daß der Lagensensor (16), der im normalen Wägebetrieb über den Regelverstärker (14) den Strom durch die Spule (13) steuert, über einen gesonderten, ein-/ausschaltbaren Signalpfad (24) den beweglichen Anschlag (20) so ansteuert, daß der Lastaufnehmer (2) möglichst in derselben Lage gehalten wird wie im normalen Wägebetrieb. Dadurch wird die Bewegung des Lastaufnehmers (2) sehr eng eingegrenzt, ohne daß eine genaue Justierung des Anschlages (20) notwendig ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einem vertikal beweglichen Lastaufnehmer, mit einem Lagensensor, einem Regelverstärker und einer Spule im Magnetfeld eines Permanentmagneten, mit mindestens einem Anschlag, der die Bewegung des Lastaufnehmers nach unten begrenzt, mit mindestens einem Anschlag, der die Bewegung des Lastaufnehmers nach oben begrenzt, wobei mindestens ein Anschlag beweglich ist, und mit einer elektronischen Auswerteeinheit.

Waagen dieser Art mit mindestens einem beweglichen Anschlag sind z. B. aus der DE-PS 42 35 250 bekannt. Der bewegliche Anschlag dient in diesem Fall dazu, die beweglichen Teile der Waage z. B. beim Transport festzulegen und damit vor Beschädigungen zu schützen. Aus dem Artikel von T. J. Quinn: "The beam balance as an instrument for very precise weighing" in der Zeitschrift Measurement Science and Technology, Band 3 (1992), Seite 141 bis 159, insbesondere Fig. 11, ist es weiterhin bekannt, beim Abheben der Belastungsgewichte eine zu weite Auslenkung der beweglichen Teile der Waage durch einen beweglichen Anschlag zu verhindern.

In beiden Fällen ist die Endstellung des beweglichen Anschlages durch die konstruktive Auslegung des Hubmechanismusses fest vorgegeben. Dies erfordert eine sehr genaue Justierung der Endstellung des beweglichen Anschlages, wenn man nur geringe Bewegungen der beweglichen Teile der Waage erlauben will. Besonders bei Waagen mit Federgelenken, z. B. an den Lenkern der Parallelführung des Lastaufnehmers oder an der Lagerung des Übersetzungshebels, ist es wichtig, die maximale Auslenkung der beweglichen Teile der Waage auf möglichst geringe Werte zu begrenzen, da aufgrund der unvollkommenen Federeigenschaften dieser Federgelenke jede Auslenkung aus der Soll-Lage zu einem Kriechen beim anschließenden Wiedereinnehmen der Soll- Lage führt. Dieser Kriecheffekt ist um so größer, je größer die vorhergehende Auslenkung der Federgelenke war und je länger diese Auslenkung dauerte. Dieser Kriecheffekt wird auch in der Anzeige der Waage sichtbar und stört die genaue Ermittlung des Wägewertes.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Bewegung der beweglichen Teile der Waage durch mindestens einen beweglichen Anschlag sehr eng einzugrenzen, ohne daß dazu eine genaue Justierung dieses Anschlages notwendig ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Lagensensor, der im normalen Wägebetrieb über den Regelverstärker den Strom durch die Spule steuert, über einen gesonderten, ein-/ausschaltbaren Signalpfad den beweglichen Anschlag bzw. die beweglichen Anschläge so ansteuert, daß der Lastaufnehmer möglichst in derselben Lage gehalten wird wie im normalen Wägebetrieb.

Die Endlage für den beweglichen Anschlag bzw. für die beweglichen Anschläge ist also nicht konstruktiv fest vorgegeben, sondern wird über einen gesonderten Signalpfad geregelt. Eingangssensor dieses Signalpfades ist der gleiche Lagensensor, der im normalen Wägebetrieb den Strom durch die Spule steuert und damit die Soll-Einschwinglage bestimmt. Dadurch differiert die Einschwinglage im normalen Wägebetrieb und die Lage, die durch den beweglichen Anschlag bzw. die beweglichen Anschläge vorgegeben wird, praktisch nicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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

Fig. 1 einen Querschnitt durch die Waage und ein Blockschaltbild der Elektronik in einer ersten Ausgestaltung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Waage und ein Blockschaltbild der Elektronik in einer zweiten Ausgestaltung und

Fig. 3 einen Piezoaktor zum Bewegen des Anschlages.

Die elektronische Waage in Fig. 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 Kraft über ein Koppelelement 9 auf den Lastarm des Übersetzungshebels 7. Der Übersetzungshebel 7 ist durch ein Kreuzfedergelenk 8 am Systemträger 1 gelagert. Am Kompensationsarm des Übersetzungshebels 7 ist ein Spulenkörper mit einer Spule 13 befestigt. Die Spule 13 befindet sich im Luftspalt eines Permanentmagnetsystems 12 und erzeugt die Kompensationskraft. Die Größe des Kompensationsstromes durch die Spule 13 wird dabei in bekannter Weise durch den Lagensensor 16 und den Regelverstärker 14 so geregelt, daß Gleichgewicht zwischen dem Gewicht des Wägegutes und der elektromagnetisch erzeugten Kompensationskraft herrscht. Der Kompensationsstrom 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. Weiter sind zwei Anschläge 10 und 11 vorhanden, die fest mit dem Systemträger 1 verbunden sind und die Bewegung des Übersetzungshebels 7 nach oben bzw. unten begrenzen. Dadurch begrenzen sie auch die Bewegung des Lastaufnehmers 2.

Die bisher beschriebenen Teile der Waage sind als Stand der Technik allgemein bekannt und deshalb in ihrem Aufbau und ihrer Funktion nur ganz kurz beschrieben.

Weiter weist die Waage in Fig. 1 einen beweglichen Anschlag 20 auf, der an seinem linken Ende 21 gehäusefest gehalten wird und dessen anderes Ende auf einem Exzenter 22 aufliegt. Der Exzenter 22 ist gehäusefest gelagert und kann durch einen in Fig. 1 nur angedeuteten Motor 23 gedreht werden. In der in Fig. 1 gezeichneten Stellung des Exzenters 22 hat der Anschlag 20 einen geringen Abstand von z. B. einigen Zehntel Millimeter zum Lastaufnehmer 2. Dadurch wirkt der Anschlag 20 in dieser Stellung als normaler Überlastanschlag gemäß dem Stand der Technik und sichert die Waage zusammen mit dem Anschlag 10 am Übersetzungshebel 7 gegen Überlast, wobei eine Bewegung des Lastaufnehmers 2 um einige Zehntel Millimeter und damit eine entsprechende Verbiegung der Lenkergelenke 6 und der Federgelenke 8 der Lagerung des Übersetzungshebels in Kauf genommen werden muß. Die erfindungsgemäße Waage in Fig. 1 weist nun zusätzlich einen Regelverstärker 24 auf, der durch einen Schalter 25 mit dem Lagensensor 16 verbunden werden kann. Der Schalter 25 wird über die Leitung 26 von einem Überlastausgang 29 des Mikroprozessors 18 angesteuert. Im Überlastfall legt sich der Lastaufnehmer 2 daher auf den Anschlag 20 in der in Fig. 1 gezeichneten Stellung, der Mikroprozessor 18 meldet die Überlast und schaltet den Schalter 25 ein und der Regelverstärker 24 steuert den Motor 23 an. Hat der Exzenter 22 den Lastaufnehmer 2 fast bis in die Nähe der normalen Einschwinglage angehoben, so wird das Ausgangssignal des Lagensensors 16 geringer, das Ausgangssignal des Regelverstärkers 24 ebenfalls und der Motor 23 dreht sich nur noch langsamer weiter bis schließlich die normale Einschwinglage der beweglichen Teile der Waage erreicht ist, der Lagensensor das Null-Signal abgibt und dementsprechend der Regelverstärker 24 den Motor 23 stoppt. Dieser ganze Vorgang dauert höchstens einige Sekunden, so daß die Auslenkung der Federgelenke sehr kurzfristig auf Null zurückgeführt wird.

Das Zeitverhalten und die Regelcharakteristik des Regelverstärkers 24 kann in bekannter Weise so abgestimmt werden, daß der Motor 23 seine richtige Lage möglichst schnell und möglichst ohne Überschwinger erreicht. Vorteilhaft ist dabei ein PID-Verhalten des Regelverstärkers 24.

Das Einschalten des Schalters 25 durch den Überlastausgang 29 des Mikroprozessors 18 wird gleichzeitig in der Anzeige 19 durch ein Warnsymbol 27 angezeigt. Der Mikroprozessor 18 ist dabei entweder so programmiert, daß das Überlastsignal am Überlastausgang 29 erhalten bleibt, auch wenn durch das Bewegen des Exzenters 22 der Lastaufnehmer 2 wieder in seine Soll-Lage gebracht wurde und das Ausgangssignal des Lagensensors 16 und des nachgeschalteten Regelverstärkers 14 daher Null ist. Eine Rückstellung der Überlastsicherung ist in diesem Fall nur von der Bedienungsperson durch das Betätigen eines Tasters 28 möglich. Der Schalter 25 wird dadurch wieder geöffnet und der Regelverstärker 24 ist so ausgelegt, daß er bei offenem Eingang den Exzenter 22 wieder in die in Fig. 1 gezeichnete Ausgangsstellung zurückfährt.

Alternativ ist es auch möglich, dem Regelverstärker 24 einen geringen Offset zu geben, so daß die Einschwinglage, die er über den Motor 23 ansteuert, geringfügig (im µm-Bereich) von der Soll-Einschwinglage des Regelverstärkers 14 abweicht. Weist der Regelverstärker 14 ein PID-Verhalten auf, so führt diese dauernde geringe Abweichung aufgrund des I-Anteils zu einem dauernden maximalen Strom durch die Spule 13 und dadurch zu einem dauernden Überlastsignal für den Mikroprozessor 18. Dadurch kann der Handtaster 28 für das Zurücksetzen entfallen und der Regelverstärker 14 übernimmt nach dem Ende der Überlastung automatisch die Kontrolle über die Einschwinglage der beweglichen Teile der Waage und mit dem Wegfall des Überlastsignals am Ausgang 29 des Mikroprozessors 18 öffnet auch der Schalter 25 wieder und der Motor 23 und der bewegliche Anschlag 20 kehren wieder in ihre in Fig. 1 gezeichnete Stellung zurück.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Waage gezeigt. Die Teile 1 bis 19 sind genauso aufgebaut wie in Fig. 1 und werden daher nicht nochmal erläutert. Die Waage gemäß Fig. 2 ist ein sogenannter Massekomparator, der beispielsweise nur Wägungen zwischen 0,9 kg und 1,1 kg erlaubt. Dazu weist die Waage am Übersetzungshebel 7 ein Gegengewicht 39 auf, das so groß ist, daß die beweglichen Teile der Waage bei 1,0 kg Last auf der Waagschale 3 mechanisch im Gleichgewicht sind und der Strom durch die Spule 13 nur die restlichen maximal ± 0,1 kg kompensieren muß. Die Waage weist weiterhin eine (nicht gezeichnete) Wechselvorrichtung auf, die von einem Programmgeber 35 gesteuert wird und selbsttätig verschiedene Gewichtsstücke nacheinander auf die Waagschale 3 absetzt. Entsprechend dieser Bauart und Betriebsweise und wegen des qualifizierten Bedienungspersonals ist bei dieser Waage nicht mit einer Überlast zu rechnen, es tritt aber bei jedem Abheben der Gewichtsstücke durch den Programmgeber 35 eine "Unterlast" auf, bei der die Gewichtskraft des Gegengewichtes 39 den Übersetzungshebel 7 auf den Anschlag 11 und den Lastaufnehmer 2 auf den Anschlag 30 drücken würde. Um die damit verbundene Auslenkung zu verhindern, schließt die Programmsteuerung 35 vor dem Abheben der Gewichtsstücke den Schalter 37 und aktiviert damit den zusätzlichen Regelverstärker 34 und den Motor 33, der den Exzenter 32 - wie bereits anhand von Fig. 1 beschrieben - so lange dreht, bis der bewegliche Anschlag 30 den Lastaufnehmer 2 berührt und in seiner Soll-Lage hält. Dann wird der Schalter 36 geöffnet und damit der Strom durch die Spule 13 unterbrochen und erst dann läßt der Programmgeber 35 das Gewichtsstück von der Waagschale abheben und durch das nächste Gewichtsstück ersetzen. Nach dem Ende des Gewichtswechselvorganges schließt der Programmgeber 35 den Schalter 36 und öffnet anschließend den Schalter 37. Dadurch wird der bewegliche Anschlag 30 wieder in seine in Fig. 2 gezeichnete Stellung zurückbewegt und eine neue Wägung kann beginnen.

In dieser zweiten Ausgestaltung schließt der Programmgeber 35 den Schalter 37 schon, bevor der Lastaufnehmer 2 ausgelenkt wird und ohne daß der Mikroprozessor 18 eine Über-/Unterlast erkennt. Die kurzzeitige Auslenkung des Lastaufnehmers 2 wie in der ersten Ausgestaltung wird daher vermieden und das anschließende Kriechen noch weiter reduziert.

Eine Kombination eines beweglichen Überlastanschlages 20 zur Begrenzung der Bewegung des Lastaufnehmers 2 nach unten gemäß Fig. 1 mit einem beweglichen Unterlastanschlag 30 zur Begrenzung der Bewegung des Lastaufnehmers 2 nach oben gemäß Fig. 2 ist z. B. bei einer Waage mit Gegengewicht 39 und mit einer Substitutionsgewichtsschaltung unter der Waagschale 3 sinnvoll: Durch eine falsche Stellung des/der Substitutionsgewichte(s) kann sowohl eine Überlast als auch eine Unterlast eintreten. Durch die beweglichen Anschläge kann die Soll- Lage des Lastaufnehmers 2 in beiden Fällen wieder hergestellt werden. Dazu muß der Regelverstärker 24 bzw. 34 je nach Vorzeichen des Signals vom Lagensensor 16 entweder den einen Motor 23 oder den anderen Motor 33 ansteuern. Im Prinzip reicht dazu eine Diode vor jedem Elektromotor, wobei jedoch durch geeignete Schaltungsmittel sowohl der Rücklauf des Motors nach dem Ende der Über-/Unterlast ermöglicht werden muß. Auch beim aufeinanderfolgenden Ansprechen beider Motoren, z. B. aufgrund eines Überschwingers des Regelverstärkers, muß ein Verkeilen der beiden Anschläge gegeneinander verhindert werden.

Das Einschalten des zusätzlichen Signalpfades zur Ansteuerung des zusätzlichen Anschlages bzw. der zusätzlichen Anschläge kann bei einer Waage mit Windschutz auch durch einen Schaltkontakt am beweglichen Teil des Windschutzes erfolgen. Bei geschlossenem Windschutz ist der zusätzliche Signalpfad ausgeschaltet, beim Öffnen des Windschutzes wird der zusätzliche Signalpfad eingeschaltet. Bei zwei zusätzlichen beweglichen Anschlägen wird dadurch der Lastaufnehmer 2 von beiden Seiten fixiert und dadurch automatisch arretiert. Nach dem Schließen des Windschutzes wird der Lastaufnehmer dann freigegeben und der normale Regelkreis mit der Spule 13 als kompensierendem Glied wird wieder aktiviert. Bei einer eventuellen Über- oder Unterlast bleibt der Lastaufnehmer am entsprechenden Anschlag hängen und die schon oben anhand der Fig. 1 beschriebene Über-/Unterlasterkennung tritt in Funktion und führt den entsprechenden Anschlag wieder zurück. Ein hartes Aufschlagen auf einen der Anschläge und eine länger dauernde Auslenkung des Lastaufnehmers 2 wird dadurch auf jeden Fall vermieden.

In Fig. 3 ist ein Piezoaktor gezeigt, der statt des bisher beschriebenen Motors mit Exzenter die Verstellung des beweglichen Anschlages durchführen kann. Der bewegliche Anschlag 40 ist dabei auf einer Scheibe bzw. einem Stapel mehrerer Scheiben aus einem piezoelektrischen Material gelagert. Die Piezoscheibe wiederum stützt sich auf einer gehäusefesten Ebene 42 ab. Die Piezoscheibe weist auf beiden Seiten Elektroden 43 und 44 auf. Wird an diese Elektroden eine Spannung angelegt so ändert sich in bekannter Weise die Dicke der Piezoscheibe.

Wird die Elektrodenspannung vom Ausgang des Regelverstärkers 24 bzw. 34 geliefert, so funktioniert die Verstellung des beweglichen Anschlages 40 in gleicher Weise wie die Verstellung durch Motor und Exzenter. - Wird je ein Piezoanschlag gegen Über- und Unterlast so eingebaut, daß bei der Spannung Null an den beiden Piezoscheiben der Lastaufnehmer 2 zwischen den beiden Anschlägen festgeklemmt ist und beim Anlegen einer Spannung freigegeben wird, so ergibt diese Bauart gleichzeitig eine Transportarretierung für den Lastaufnehmer 2, sobald die Waage vom Netz getrennt wird.

Selbstverständlich können die beiden Regelverstärker 14 und 24 bzw. 14 und 34 zumindest teilweise durch einen einzigen Regelverstärker realisiert werden. Nur die das Regelverhalten bestimmenden Komponenten müssen getrennt vorhanden sein bzw. umschaltbar sein, da das optimale Regelverhalten für die Ansteuerung der Spule 13 bzw. für die Ansteuerung der Motoren 23 bzw. 33 bzw. der Piezoscheibe 41 verschieden ist. Genauso müssen die Endstufen an die Erfordernisse der Spule 13 bzw. der Motoren 23 bzw. 33 bzw. der Piezoscheibe 41 (höhere Spannung!) angepaßt sein.

Weiterhin ist es selbstverständlich möglich, in einer einfacheren Version die Schalter 25 bzw. 37 von Hand einzuschalten (beispielsweise aufgrund des Überlastsignals 27 in der Anzeige) und so den gesonderten Signalpfad für den beweglichen Anschlag von Hand zu aktivieren.

Claims (8)

1. Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einem vertikal beweglichen Lastaufnehmer (2), mit einem Lagensensor (16), einem Regelverstärker (14) und einer Spule (13) im Magnetfeld eines Permanentmagneten (12), mit mindestens einem Anschlag (10, 20, 40), der die Bewegung des Lastaufnehmers (2) nach unten begrenzt, mit mindestens einem Anschlag (11, 30), der die Bewegung des Lastaufnehmers (2) nach oben begrenzt, wobei mindestens ein Anschlag (20, 30, 40) beweglich ist, und mit einer elektronischen Auswerteeinheit (18), dadurch gekennzeichnet, daß der Lagensensor (16), der im normalen Wägebetrieb über den Regelverstärker (14) den Strom durch die Spule (13) steuert, über einen gesonderten, ein-/ausschaltbaren Signalpfad (24, 34) den beweglichen Anschlag bzw. die beweglichen Anschläge (20, 30, 40) so ansteuert, daß der Lastaufnehmer (2) möglichst in derselben Lage gehalten wird wie im normalen Wägebetrieb.

2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Waage mit programmgesteuerter Lastwechselvorrichtung der gesonderte Signalpfad (34) von der Programmsteuerung (35) ein- bzw. ausgeschaltet wird.

3. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Waage einen Schalter bzw. Taster (25, 37) zum Ein-/Ausschalten des gesonderten Signalpfades aufweist.

4. Waage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Waage mit einem Windschutz, der sich öffnen und schließen läßt, der Schalter bzw. Taster (25, 37) beim Öffnen des Windschutzes den gesonderten Signalpfad einschaltet und beim Schließen des Windschutzes den gesonderten Signalpfad ausschaltet.

5. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Auswerteeinheit (18) den gesonderten Signalpfad (24) einschaltet, falls der Strom durch die Spule (13) einen Wert annimmt, der außerhalb vorgegebener Grenzwerte liegt.

6. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Anschlag/die beweglichen Anschläge (20, 30) durch einen Motor (23, 33) und einen Exzenter (22, 32) verstellt werden.

7. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Anschlag/die beweglichen Anschläge (40) durch ein Piezoelement (41) verstellt werden.

8. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gesonderte Signalpfad (24, 34) einen PID-Regler enthält.