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Elektrische Waage Die Erfindung betrifft eine elektrische Waage,
insbesondere eine Kontrollwaage, mit einer Kompensationsvorrichtung, der ein elektrischer
Strom aus einer Last-Kompensationsquelle zugeführt wird, mit einem die lastabhängigen
Auslenkungen der Waage aufnehmenden Geber, der über eine Regelschaltung die Stärke
des von der Last-Kompensationsquelle abgegebenen Stroms steuert, und mit einem im
Last-Kompensationskreis angeordneten festen oder umschaltbaren Widerstand, dem ein
Spannungsmesser zur Gewichtsanzeige parallelgeschaltet ist, sowie mit einer mittels
eines Widerstandes einstellbaren Tariereinrichtung.
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Bei elektrischen Waagen durchfließt der von der Last-Kompensationsquelle
gelieferte Strom im allgemeinen eine im LuRtspalt eines Magnetkreises angeordnete
Spule, so daß auf die Spule eine elektrodynamische Kraft ausgeübt wird. Die Spule
hat eine Nullage und wird währendder Belastung mit dem Gewicht zunächst ausgelenkt,
woraufhin über den Geber und die Regelschaltung der Strom so eingeregelt wird, daß
die Spule unter der Einwirkung der vom Strom erzeugten Kraft wieder in die Nullage
gelangt. Die Stärke des Stroms ist dann ein Maß für das Gewicht bzw. bei elektrischen
Waagen mit Nullpunktunterdrückung und bei elektrischen Kontrollwaagen, die nur die
Differenz zwischen dem unbekannten und einem mechanisch oder elektrisch vorgegebenen
Gewicht messen, für die Gewichtsdifferenz.
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Elektrische Waagen dieser Art sind bereits bekannt. Eine bekannte
Ausführung enthält eine Konstantspannungsquelle, die Je ein Potentiometer für eine
Nullpunktunterdrückung und für die Tarierung speist. Beide Potentiometer bilden
eine
Brücke, deren Ausgangssignal einem Zerhackerverstärker zugeführt wird. Dieser wandelt
sein Jeweiliges Eingangssignal in einen konstanten Strom um und führt ihn der Spule
zur Vorkompensation zu. Ein von einem Geber gesteuerter Kompensationsverstärker
bewirkt dann die Restkompensation, und der darür benötigte Strom bzw. eine entsprechende
Spannung wird als Maß für die Differenz zwischen dem aufgelegten und dem durch das
Potentiometer eingestellten Gewicht auf einem Spannungsmesser zur Anzeige gebracht
(ETZ-A, Bd. 87, 1966, H. 9). Bei Verwendung als Kontrollwaage könnte mittels des
Potentiometers ein Sollgewicht eingestellt und die angezeigte Differenz als Abweichung
vom Sollwert ausgegeben werden. Wegen der höheren Genauigkeit und Temperaturunabhängigkeit
wird man es bei Kontrollwaagen Jedoch vorziehen, das Sollgewicht mechanisch zu verkörpern.
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Ein Nachteil elektrischer Waagen der genannten Art, die einen -Waagebalken
oder eine sich dynamisch entsprechend verhaltende Einrichtung aufweisen, besteht
darin, daß man das Wägeergebnis, sei es insgesamt oder als Differenzwert, erst nach
Ablauf einer längeren Zeit erhält. Verwendet man nämlich als Regelschaltung einen
Proportional-Differential-Regler, so nähert sich die Waage zwar relativ rasch der
Nullage, pendelt dann aber aufgrund des Differentialanteils während eines Mehrfachen
der für die erste Annäherung benötigten Zeit um die Nullage herum nach beiden Seiten,
bis sie zum Stillstand kommt. Während dieser Zeit ist keine Meßwertablesung -möglich,
da der Zeiger des Anzeigeinstruments zittert, und zwar mit umso größerer Amplitude,
Je empfindlicher die Waage ist. Am störendsten macht sich diese Erscheinung bei
Kontrollwaagen, die nur verhältnismäßig geringe Abweichungen anzuzeigen haben, bemerkbar.
Setzt man hingegen einen Proportional-Regler ein, darf man ihm, um nicht Gefahr
zu laufen, daß der Regler schwingt, keine hohe Verstärkung geben, und entsprechend
lange dauert es, bis überhaupt die Nullage erreicht wird.
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Die Erfindung hat zum Ziel, eine schnellere Ablesung des Gewichts
bzw. der Gewichtsdifrerenz gegenüber einem Sollwert zu ermöglichen, Dieses Ziel
wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als Regelschaltung ein Proportional-
und ein Differential-Regler eingesetzt sind und das Ausgangssignal des Proportionalreglers
der Last-Kompensationsquelle und das Ausgangssignal des Differentialreglers einer
zweiten mit der Kompensationsvorrichtung verbundenen Kompensationsquelle mit hohem
Ausgangswiderstand zugeführt wird.
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Um den Aufwand an elektrischen Kompensationsmitteln zu verringern
und gleichzeitig die Tarierung zu vereinfachen, sieht eine Weiterbildung der Erfindung
vor, daß die zweite Kompensationsquelle gleichzeitig von einem zur Tarierung einstellbaren
Widerstand gesteuert wird und als Tara-Kompensationsquelle dient, die an die Kompensationsvorrichtung
einen der Tara entsprechenden Strom abgibt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch Einsatz Je eines Proportional-und Differential-Reglers die Waage rasch
in ihre Nullage gebracht wird und das Wägeergebnis dann sofort abgelesen werden
kann, da der in der Gegend der Nullage die Anzeige störende Differentialanteil von
der Anzeige ferngehalten wird. Durch vorteilhaften Aufbau der Tariereinrichtung
mit einer eigenen Kompensationsquelle, die zusätzlich vom Differential-Regler gesteuert
wird, vereinfacht sich die Tarierung, und zugleich ergibt sich eine besonders einfache
und wirtschaftliche Einspeisung des Differentialanteils in die Kompensationsvorrichtung.
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Ein Aus führungsbei spiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und alird im folgenden näher beschrieben.
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In der Figur ist die Spule 7 einer elektrischen Waage zu sehen, die
eine Balkenwaage oder Schwebewaage bekannter Bauart sein kann und deren Einzelheiten
daher nicht angegeben sind. Bei Belastung der Waage mit dem zu messenden Gewicht
wird die Spule 7 aus einer definierten Nullage ausgelenkt. Diese Auslenkung nimmt
ein Geber 1 auf, der zum Beispiel ein induktiver Wegaufnehmer sein kann, und gibt
eine entsprechende Ausgangs spannung ab. Damit steuert er einen Differential-Regler
2 und einen Proportiona1-Regler 3. Der Proportional-Regler 3 arbeitet mit hoher
Verstärkung und erzeugt seinerseits eine Ausgangsspannung, die abhängig von der-Auslenkung
der Spule 7 und daher anfangs sehr hoch ist. Sie wird einem Verstärker 4 zugeführt,
der bei hoher Verstärkung stark gegengekoppelt ist und daher einen hohen Ausgangswiderstand
aufweist und einen hochkonstanten Strom abgibt. Der Verstärker 4 arbeitet infolgedessen
als spannungsgesteuerter Konstantstromgenerator und dient als Last-Kompensationsquelle.
Der durch die anfänglich hohe Ausgangs spannung des Proportional-Reglers 3 zunächst
sehr hohe Ausgangsstrom des Verstärkers 4 fließt über einen festen oder umschaltbaren
Widerstand 5 in die Spule 7 und bewegt diese sehr schnell wieder in Richtung auf
die Nullage zu.
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Der Differential-Regler 2, der ebenfalls eine hohe Verstärkung aufweist,
gibt Jeweils eine Ausgangs spannung ab, die abhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit
der Spule 7 und der Ausgangsspannung des Proportional-Reglers 3 entgegengerichtet
ist. Sie beaufschlagt einen Verstärker 8, der wie der Verstärker 4 stark gegengekoppelt
ist, einen hohen Ausgangswiderstand hat und als- spannungsgesteuerter Kontantstromgenerator
arbeitet. Sein Ausgangsstrom fließt gleichfalls in die Spule 7, und zwar unmittelbar,
ohne den Strom durch den Widerstand 5 zu beeinflussen, Dieser Strom hat - wie die
Ausgangsspannung des Differential-Reglers 2 -die
Form einer gedämpften
Schwingung, da er anfangs aufgrund der hohen Geschwindigkeit, mit der die Spule
7 durch die starke Proportionalregelung auf die Nullage zu befördert wird, auf einen
hohen Wert ansteigt, durch den die Bewegung der Spule 7 wiederum gebremst wird,
was die Ausgangsspannung des Differential-Reglers 2 wieder absinken läßt und sogar
umkehrt, woraufhin sich das Wechselspiel mit abnehmenden Amplituden wiederholt.
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Der Differential-Regler 2 wirkt infolgedessen einem fiberschwingen
der Waage, das sonst durch die starke Proportionalregelung ausgelöst werden wUrde,
derart entgegen, daß bereits die erste oder die ersten hohen Amplituden der gedämpften
Schwingung die RUckkehr der Spule 7 in die Gegend der Nullage herbeiführen. Dadurch
werden die Arbeitspunkte des Gebers 1 und des Proportional-Reglers 3 schon kurz
nach dem Auflegen des Gewichts in den für sie günstigen Bereich unmittelbar in der
Nähe des Nullabgleichs verschoben, und entsprechend schnell stellt sich der für
die vollständige Kompensation erforderliche Strom, der der Spule 7 vom Verstärker
4 geliefert wird, ein. Er erzeugt am Widerstand 5 einen Spannungsabfall, der von
einem Spannungsmesser 6, beispielsweise einem Digital-Voltmeter, als Maß für das
aufgelegte Gewicht angezeigt wird. Der Verstärker 8 gibt zwar in der Nullage der
Spule 7 aufgrund der Schwingungseigenschaften der Waage, in Sonderheit des Waagebalkens
oder eines äquivalenten Systems, noch immer Ströme wechselnder Polarität ab, doch
gehen diese, da sie wegen des hohen Ausgangswiderstands des Verstärkers 8 nicht
den Strom durch den Widerstand 5 beeinflussen können, nicht als Schwankungen in
den vom Spannungsmesser 6 angezeigten Ergebniswert ein.
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Im Ausführungsbeispiel wurden je ein getrennter Proportional-Regler
3 und Differential-Regler 2 eingesetzt, um beide Regelanteile optimal dosieren zu
können. Es ist aber auch möglich, einen kombinierten Proportional-Differential-Regler
einzusetzen und seinen Proportional-Ausgang mit dem Verstärker 4 und seinen Differential-Ausgang,
der durch ein dem Proportional-Ausgang nachgeschaltetes Differenzierglied gewonnen
wird, mit dem Verstärker 8 zu verbinden. Die Einstellung der Regelanteile kann in
diesem Fall durch entsprechende änderung der Verstärkung der Verstärker 4 und 8
vorgenommen werden.
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Der Verstärker 8 dient gleichzeitig als Tara-Kompensationsquelle.
Dazu ist er mit einem weiteren Eingang, der vom ersten Eingang entkoppelt ist, über
einen Einstellwiderstand 9 zur Tarierung an eine Spannungsquelle U angeschlossen.
Der Einstellwiderstand 9 kann von Hand oder durch mechanische Verstellglieder, die
z. B. auf Tastendruck hin vom Spannungsmesser 5 gesteuert werden, entsprechend der
Tara eingestellt werden.
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Die Waage arbeitet wie folgt. Zunächst wird die Tara aufgelegt und
durch die Last-Kompensationsquelle, also den Verstärker 4 kompensiert. Dann wird
mittels des Widerstandes 9 der von der Tara-Kompensationsquelle, also dem Verstärker
8 abgegebene Strom so eingestellt, daß der Strom durch den Widerstand 5 und demgemäß
die Spannung am Spannungsmesser 6 zu Null werden. Dies kann auch durch mechanische
Verstellglieder, für die der Spannungsmesser 6 als Null-Detektor dient, bewirkt
werden. Anschließend wird zur vollständigen Gewichtsermittlung das zu messende Gewicht
aufgelegt und durch die Last-Kompensationsquelle, Verstärker 4, kompensiert, wobei
der über die Tara-Kompensationsquelle, Verstärker 8, zugeführte Differentialanteil
die Kompensation dadurch erheblich beschleunigt, daß er ein Uberschießen
der
Regelung verhindert. Das Ergebnis der Gewichtsmessung ist am Spannungsmesser 6 abzulesen,
bevor die von der Taraon Kompensationsquelle, Verstärker 8, abgegebenen, dem eigentlichen
Tara-Kompensationsstrom überlagerten Schwingungen abgeklungen sind.
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Bei der Anwendung als Kontrollwaage läuft der Vorgang prinzipiell
wie oben beschrieben ab. Nach der Tarierung werden hier mechanische Gewichtsstücke,
die dem Sollgewicht entsprechen, von der Waage abgehoben und das zu prüfende Gewicht
aufgelegt. Je nach Größe und Richtung des Jetzt durch den Widerstand 5 fließenden
Stroms wird nun die Abweichung vom Sollgewicht und deren Vorzeichen durch den Spannungsmesser
6 angezeigt.
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In der Praxis hat es sich als zweckmäßig erwiesen, bei einer Kontrollwaage
eine kombinierte mechanische und elektrische Sollgewichtsvorgabe vorzusehen, und
zwar werden für die oberen Stellen des Sallgewichts entsprechende Gewichtsstücke
abgehoben, während die unteren Stellen des Sollgewichts mittels der Tara-Kompensationsquelle
elektrisch nachgebildet werden. Zu diesem Zweck kann man parallel zum Widerstand
9 dekadisch umschaltbare Widerstände zur Feingewichtseinstellung vorsehen.