DE2150479B2 - Elektromagnetisch lastkompensierende Waage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch lastkompensierende Waage, insbesondere Kontrollwaage, mit einem lastabhängigen Auslenkungcn der Waage •ufnehmenden, elektrischen Geber sowie einer nachgeordneten Regelschaltung, bestehend aus einer Parallelschaltung eines Proportional- und eines Differential-Reglers, für eine Kompensationsstromquelle, welche über einen voreinstellbaren Widerstand und einen dazu parallelgeschalteten Spannungsmesser für eine Gewichtsanzeige eine Kompensationsspule speist.

Bei derartigen Waagen durchfließt der von der Kompensationsstromquelle gelieferte 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, 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 elektromagnetisch laslkompensierenden Waagen mit Nullpunktunterdrückung und bei entsprechenden Kontrollwaagen, die nur die Differenz zwischen dem unbekannten und einem mechanisch oder elektrisch vorgegebenen Gewicht messen, für die Gewichtsdifferenz.

Elektromagnetisch lactkompensierendt; Waagen dieser Art sind bereits bekannt. Eine bekannte Ausführung enthält eine Konstantspannungsquelle, die je ein Potentiometer für eine Nullpunktunterdrückung und für die Tatierung speist. Beide Potentiometer bilden eine Brükke, 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 dafür 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, Heft 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

ίο Sollgewicht mechanisch zu verkörpern.

Des weiteren ist eine Federwaage mit elektromagnetischer Kompensation bekannt, bei der ein Differenüal-Transformator die Auslenkung der Feder aufnimmt und sie über einen Proportional- und Differential-Regler kompensiert Der die Summe von Proportional- und Differentialanteil enthaltende Kompensationsstrom durchfließt ein Potentiometer zur Empfindlichkeitseinstellung und kann an diesem als analoge Spannung mittels eines Spannungsmessers angezeigt werden (FR-PS 13 23 735). Der Differentialanteil dient zur Stabilisierung des Regelsystems, wie er auch an anderer Stelle (Z. f. angewandte Physik, Bd. 18 [1965], Heft 4) bei einer Waage zur Bestimmung der spezifischen magnetischen Suszeptibilität als stabilitätserhöhend zum Proportionalanteil eingesetzt wird.

Ein Nachteil dieser elektromagnetisch lastkompensierenden Waagen, 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 — wie bei den bekannten Schaltungen als Regelschaltung einen Proportional-Differential-Regler, so nähert sich die Waage zwar relativ rasch der Nullage, pendelt dann aber auf Grund des Differentialanteils während eines Mehrfachen der für die erste Annäherung benötigten Zeit um die Nullage herum nach beiden Seiten, bi<; sie zum Stillstand kommt. Während dieser Zeit ist keine Meßwertablesung möglich, da der Zeiger des Anzeigeinstruments zittert, und zwar mit um so größerer Amplitude, je empfindlicher die Waage ist. Am störendsten macht sich diese Erscheinungen bei Kontrollwaagen, die nur verhältnismäßig geringe Abweichungen anzuzeigen haben, bemerkbar. Setzt man hingegen nur 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.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine schnellere Ablesung des Gewichts bzw. der Gewichtsdifferenz gegenüber einem Sollwert zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einer Waage der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß nur das Ausgangssignal des Proportional-Reglers die Kompensationsstromquelle steuert, während der Ausgang des Differential-Reglers eine zweite, ebenfalls an die Kotnpensationsspule angeschlossene Kompensationsstromquelle beaufschlagt.

Um den Aufwand an elektrischen Kompensationsmitteln zu verringern und gleichzeitig die Tarierung zu vereinfachen, sieht eine Weiterbildung der Erfindung mit einem der Kompensationsspule zuführbaren Tatierstrom vor, daß ein zweiter Eingang der zweiten Kom-

⁶S pensationsstromquelle für den Tatierstrom getrennt ansteuerbar ist.

Es ist zwar bekannt, für die Tarierung eine zusätzliche Kompensationsquelle, bestehend aus Operations-

verstärker. Potentiometer und Konstantspannungsquelle, einzusetzen (Feingerätetechnik, 17. |g. [1968], Heft 9), doch wird hierfür ein getrenntes Regelglied mit integralem Verhalten verwendet. Demgegenüber wird in Ausbildung der Erfindung die zweite, vom Differential-Regler gesteuerte Kompensationsstromquelle gleichzeitig als Tara-Kompensathnsstromquelle benutzt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch Einsatz je eines Proportionaluik" 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 Anzeigt störende Differentialanteil von der Anzeige ferngehalten wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

In der Figur ist die Kompensationsspule 7 einer elekiromagnetisch !astkompensierenden 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 Kompensationsspule 7 aus einer definierten Nullage ausgelenkt. Diese Auslenkung nimmt ein elektrischer Geber 1 auf, der z. B. ein induktiver Wegaufnehmer sein kann, und gibt eine entsprechende Ausgangsspannung ab. Damit steuert er einen Differential-Regler 2 und einen Proportional-Regler 3. Der Proportional-Regler 3 arbeitet mit hoher Verstärkung und erzeugt seinerseits eine Ausgangsspannung, die abhängig von der Auslenkung der Kompensationsspule 7 und daher anfangs sehr hoch ist. Sie wird einer Kompensationsstromquelle 4 zugeführt, die bei hoher Verstärkung stark gegengekoppelt ist und daher einen hohen Ausgangswiderstand aufweist und einen hochkonstanten Strom abgibt. Die Kompensationsstromquelle 4 arbeitet infolgedessen als spannungsgesteuerter Konstantstromgenerator und dient als Kompensationsstromquelle. Der durch die anfänglieh hohe Ausgangsspannung des Proportional-Reglers 3 zunächst sehr hohe Ausgangsstrom der Kompensationsstromquelle 4 fließt über einen voranstellbaren Widerstand 5 in die Kompensationsspule 7 und bewegt diese sehr schnell wieder in Richtung auf die Nullage zu.

Der Differential-Regler 2, der ebenfalls eine hohe Verstärkung aufweist, gibt jeweils eine Ausgangsspannung ab, die abhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit der Kompensationsspule 7 und der Ausgangsspannung des Proportional-Reglers 3 entgegengerichtet ist. Sie beaufschlagt eine zweite Kompensat'onsstromquel-Ie 8, die wie die Kompensationsstromquelle 4 stark gegengekoppelt ist, einen hohen Ausgangswiderstand hat und als spannungsgesteuerter Konstantstromgenerator arbeitet. Ihr Ausgangsstrom fließt gleichfalls in die Kompensationsspule 7, und zwar unmittelbar, ohne den Strom durch den Widerstand 5 zu beeinflussen. Dieser Strom hat — wie die Ausgangsspannung ties Differential-Reglers 2 — die Form einer gedämpften Schwingung, da er anfangs auf Grund der hohen Geschwindigkeit, mit d;r die Kompensationsspule 7 durch die starke Proportionalregelung auf die Nullage /u befördert wird, auf einen hohen Wert ansteigt, durch den die Bewegung der Kompensationsspule 7 wiederum gebremst ^(>5 wird, was die Ausgangsspannung des Differential-Reglers 2 wieder absinken läßt und sogar umkehrt, worauf hin sich das Wechselspiel mit abnehmenden Amplituden wiederholt.

Der Differential-Regler 2 wirkt infolgedessen einem Überschwingen der Waage, das sonst durch die starke Proportionalregelung ausgelöst werden würde, derart entgegen, daß bereits die erste oder die ersten hohen Amplituden der gedämpften Schwingung die Rückkehr der Kompensationsspule 7 in die Gegend der Nullage herbeiführen. Dadurch werden die Arbeitspunkte des elektrischen 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 NuII-abgleichs verschoben, und entsprechend schnell stellt sich der für die vollständige Kompensation erforderliche Strom, der der Kompensaiionsspule 7 von der Kompensationsstromquelle 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. Die Kompensationsstromquelle 8 gibt zwar in der Nullage der Kompensationsspule 7 auf Grund 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 der Kompensationsstromquelle 8 nicht den Strom durch den Widerstand 5 beeinflussen können, nicht als Schwankungen in den vom Spannungsmesser 6 angezeigten Ergebniswert ein.

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 der Kompensationsstromquelle 4 und seinen Differential-Ausgang, der durch ein dem Proportional-Ausgang nachgeschaltetes Differenzierglied gewonnen wird, mit der Kompensationsstromquelle 8 zu verbinden. Die Einstellung der Regelanteile kann in diesem Fall durch entsprechende Änderung der Verstärkung der Kompensationsstromquellen 4 und 8 vorgenommen werden.

Die Kompensationsstromquelle 8 dient gleichzeitig als Tara-Kompcnsationsstromquelle. Dazu ist sie 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 Verslellglieder, die z. B. auf Tastendruck hin vom Spannungsmesser 6 gesteuert werden, entsprechend der Tara eingestellt werden.

Die Waage arbeitet wie folgt. Zunächst wird die Tara aufgelegt und durch die Kompensationsstromquelle 4 kompensiert. Dann wird mittels des Einstellwiderstandes 9 der von der zweiten Kompensationsstromquelle 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 Kompensationsstromquelle 4 kompensiert, wobei der über die zweite Kompensationsstromquelle 8 zugeführte Diffcrcntialanteil die Kompensation dadurch erheblich beschleunigt, daß er ein Überschießen der Regelung verhindert. Das Ergebnis der Gewichtsmessung ist am Spannungsmesser 6 abzulesen, bevor die von der zweiten Kompensationsstromquelle 8 abgegebenen.

dem eigentlichen Tara-Kompensalionsstrom überlagerten Schwingungen abgeklungen sind.

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.

In der Praxis hat es sich als zweckmäßig erwiesen, bei einer Kontrollwaage eine zusammengesetzte mechanische und elektrische Sollgewichtsvorgabe vorzusehen, und zwar werden für die oberen Stellen des SoII-gewichts entsprechende Gewichtsstücke abgehoben, v. ährcnd die unteren Stellen des Sollgewichts mittels der zweiten Kompensationsstromquelle 8 elektrisch nachgebildet werden. Zu diesem Zweck kann man parallel zum Widerstand 9 dekadisch umschaltbare Widerstände zur Feingewichtseinstcllung vorsehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Λ Q7Ü

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetisch lastkompensierende Waage, insbesondere Kontrollwaage, mit einem iastabhängige Auslenkungen der Waage aufnehmenden, elektrischen Geber sowie einer nachgeordneten Regelschaltung, bestehend aus einer Parallelschaltung eines Proportional- und eines Differential-Reglers, für eine Kompensationsstromquelle, welche über einen voreinstellbaren Widerstand und einen dazu parallelgeschalteten Spannungsmesser für eine Gewichtsanzeige eine Kompensationsspule speist, dadurch gekennzeichnet, daß nur das Ausgangssignal des Proportional-Reglers (3) die Kompensationsstromquelle (4) steuert, während der Ausgang des Differential-Reglers (2) eine zweite, ebenfalls an die Kompensationsspule (7) angeschlossene Kompensationsstromquelle (8) beaufschlagt.

2. Elektromagnetisch lastkompensierende Waage nach Anspruch 1 mit einem der Kompensationsspule zuführbaren Tarierstrom, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Eingang der zweiten Kompensationsstromquelle (8) für den Tarierstrom getrennt ansteuerbar ist.