DE2201106A1

DE2201106A1 - Waage

Info

Publication number: DE2201106A1
Application number: DE19722201106
Authority: DE
Inventors: Felix Strobel
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Instrumente AG
Priority date: 1971-03-01
Filing date: 1972-01-11
Publication date: 1972-10-26
Also published as: NL176398C; GB1294638A; US3688854A; JPS5028270B1; DE2201106C2; NL7113056A; FR2128276B3; NL176398B; CH521575A; IT939170B; FR2128276A3

Description

Patentanwälte 10.Januar 197?

Dipl.-Ing. A. WEDDE Dipl.-Ing. K. EMPL

München Schumannstr. 2 Akte: P 7169

Mettler.Instrumente AG, Greifensee (Schweiz)

Waage

Die Erfindung betrifft eine Waage mit elektromagnetischer Kompensation, bei welcher ein beweglicher, eine Last aufnehmender Teil unter dem Einfluss dieser Last aus einer Nullage ausgelenkt wird, und eine Abtastvorrichtung, auf diese Auslenkung ansprechend, über einen Regelkreis in einer Kompensationsspule einen elektrischen Strom fliessen lässt, welcher in einem Magnetfeld die Rückführung des Lastteils in die Nullage bewirkt, wobei die Grosse des fliessenden Stromes.ein Mass für die zu bestimmende Last ist,

Solche Waagen arbeiten im allgemeinen als kraftlcomponsiorende Waagen. VJiIl man bei ihnen den Einfluss der- Veränderung der Erdbeschleunigung auf das Wägeresullat

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berücksichtigen, so 1st jeweils eine Eienunr am Aul*:,!.-.>llur.f;:.;-ort der Waage erforderlich.

Eine weitere Fehlerquelle, welche die Genauigkeit der Wägungen beeinträchtigt, ist eine Schrässtellun;.·, ü<jv ;■.'.■:·.->.·„, welche nur noch die Cosinuskomponente der Last für den Wägevorgang wirksam'werden lässt.

Schliessllch können sich bei Waagen der genannten Prt Veränderungen des Magnetfeldes aufgrund von Teinpi-raturcohwari· kungen und/oder Altei^n der Magnete als Fehlerquellen bemerkbar machen.

Es ist erwünscht, und bei Waagen mit höheren Ansprüchen p.n die Genauigkeit der Messungen sogar notwendig, diese Fehlerquellen zu unterdrücken. Eine vorteilhafte Möglichkeit dazu besteht darin, die Waage .auf der Easis des Massenvergleichs arbeiten zu lassen, beispielsweise dadurch, dass man sie mit einer Referenzeinrichtung versieht. Eine derartige Waage wurde bereits vorgeschlagen (US-Patent 3*322,222', sie weist folgende Merkmale auf: Zwischen zwei Hufeisenmagneten sind ein La.stteil und eLn Referenzteil, letzterer mit konstanter Masse, angeordnet. Jede der beiden l'ci!einrichtungen verfügt über eine eigene induktive Abtastvorrioli'"un·· sowie über einen entsprochenden Kornpensati onsstror.kroii.» /.ut·

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Rückführung von Last- und Rcfercnztcll in die NulJLagc. Die den Kompeni;o. ti on r· strömen entsprechenden >^f.'::an,nunn;en Kerdci vorglichen, und da::· Verhältnis der Differenz von Lastspannung und r?e:fcren2xpanr:urig ;;u Referenzspannung wird als Mass für die zn rv.ee-sende Last verwendot.

Bei d.iescr Kr-v.Jiode worden ^Schwankungen ini^Hagnetfeld hir.~ geMion;n;crj, ca rs ic sowohl den La Kt teil wie auch den Referenzteil in gleicher Weise beeinflussen; die Kccr-ung wird also von der Genar;.in Einhaltung der Grosse des Mairnetfeld.';;3 un-

Ein IJacht-cil eier angeführten Waage besteht darin,' dass zur· Auswertung, rccp. Ablesung des Kessergebr.isscs ein aufwendiges Gerät erforderlich ist (Spar;nungsverhäitnis:r;esser).

Ein weiterer Mangel der bekannten Ausführung liegt in folgendem: Nach bekannten Regeln der Fehlerrcchnung addieren. siel·¹, die Fehler von Einseiwerten, welche miteinander multipliziert oder ins Verhältnis gesetzt werden, mit guter Näherung zu einem Gesamtfehler des Ergebnisses. Hier werden nun bei jeder Wägung prinzipgemäss zwei Einzelwägungen vorgenommen, die des Lastteiis und die des Refcrenzteils; die den Koifipcrisationsströmen entsprechenden Spannungen werden ermittelt, ins Verhältnis gesetzt und ergeben einen dem gesuchten Gewicht entsprechenden Wert. Wenn nun beide

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Einzelwägungen beispielsweise den gleichen relativen Fehler aufweisen, so ist das Ergebnis mit dem doppelten Fehler der-Einzelwägung behaftet.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gesetzt, eine Waage zu schaffen, welche gegenüber den oben erwähnten Fehlerquellen unempfindlich ist, also trotz deren Vorhandenseins eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit aufweist. Darüber hinaus bestand ein weiteres Ziel darin, zur Ablösung der Messwerte einfache, handelsübliche Geräte verwenden zu können, also beispielsweise in Gewichtseinheiten geeichte Voltmeter (bei Analogablesung) oder entsprechende Digitalvoltmeter.

Ferner sollte für die Ermittlung des Gewichts jeweils nur noch eine einzige Messung je Wägung nötig sein, so dans auch nur noch ein einziger Messfehler das Ergebnis verfälschen kann, und dementsprechend, verglichen mit dem oben angeführten Beispiel, nur noch der halbe relative Fehler bd. gleicher Messgenauigkeit auftreten kann.

Diese Aufgaben werden nun erfindungsgcmäss dadurch gelöst, dass bei einer Waage der eingangs näher beschriebenen Art Mittel vorgesehen sind, welche zum Eliminieren von die Messung verfälschenden Störeinflüssen eine Korrektur des in der Kompensationsvorrichtung v/irkenden Magnetfelder herbeiführen.

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Diese Mittel bestehen vorzugsweise aus einer oder mehreren Korrekturspulen, welche durch veränderliche Stärke ihres Erregerstroms die Feldstärke des Permanentmagneten beeinflussen.

Vorteilhafterweise wird die Anordnung so gewählt, dass im selben Magnetfeld, in welchem sich der Lastteil befindet, ein Referenzteil mit konstanter Masse angeordnet ist. Der Referenzteil wird auf die gleiche Weise wie der Lastteil mittels einer eigenen Kornpensationsspule im Gleichgewicht gehalten, welches durch eine eigene Abtastvorrichtung (Nullagedetektor) eingehalten v/ird. Die Abtastvorrichtung des Referenzteils bestimmt dabei über einen Regelkreis die Stärke des in den oben erwähnten Korrekturspulen fliessenden Stromes. Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Waage geht aus dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel hervor. Für das Beispiel wurde eine balkenlose, oberschalige Waage gewählt, bei welcher Lastteil, Referenzteil und Korrekturspule im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet und mit ihren wesentlichen Teilen konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die einzelnen Spulen stehen dabei in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld .eines Topfsystems aus Permanentmagneten.' Es ergibt sich so eine besonders kompakte Anordnung der Waage.

In dor- Zeichnung sind ein Schnitt durch die Waage sowie, in

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Blockform, die wesentlichen Teile der elektrischen Schaltung dargestellt, wobei alle für das Wesen der Erfindung nicht wichtigen Details der besseren Uebersichtlichkeit halber v/eggelassen wurden.

Der Lastteil 1 besteht aus einem im wesentlichen geschlossenen, zylindrischen Hohlkörper, viel eher seinerseits den prinzipiell gleich aufgebauten, jedoch kleineren Referenzteil 2 umschliesst. Innerhalb des Referenzteils 2 ist das Korrekturspulsystem 3 angeordnet.

Der Lastteil 1 wird durch die Federn 4, 4^! in vertikaler Richtung elastisch geführt, der Referenzteil 2 durch die Federn 5> 5'. Die Federn 4, 4' bzw. 5, 5* sind ihrerseits mit bekannten Mitteln am Gehäuse befestigt.

In der Nähe der oberen und unteren Enden von Referenzteii 2 und Lastteil 1 sind die kapazitiv arbeitenden Abtastvorrichtungen 6, 6' bzw. 7, 7¹ angeordnet.

Der runde Magnettopf 8 umgibt die beiden zylindrischen Permanentmagnete 9, 9', welche zusammen mit dem Kern 10 den inneren Teil des Magnetsystems bilden.

Ortsfest den beiden Magneten 9, 9' zugeordnet ?:..i.nd die

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beiden untereinander elektrisch verbundenen^vKorrekturspulen 11 bzw» 11' . Im Luftspalt 14 zwischen dem Kern 10 und dem Magnettopf 8 befinden sich, vertikal beweglich und konzentrisch zueinander, die Kompensationsspulen 12 (aussen) und IJ (innen). Die Spulen 12 bzw. IJ sind mit dem Lastteil 1 bzw. dem Referenzteil 2 fest verbunden.

Der Wägevörgang ist bekanntlich folgender: Eine Last 15 wird auf die am oberen Ende des Lastteils 1 angebrachte Lastschale 16 gelegt. Dadurch wird der Lastteil 1 vertikal aus seiner Nullage ausgelenkt, die Abtastung 7, 7' erfährt eine Aenderung ihrer Kapazitäten. Diese Aenderung steuert den Oszillator 17 an. Das resultierende Signal aus dem

Oszillator 17 wird gleichgerichtet im Gleichrichter 18, verstärkt im Verstärker 19 und kompensiert durch elektromagnetische Kraftwirkung in der Spule 12 die Auslenkung, so dass der Lastteil 1 praktisch wieder in die Nullage zurückgeführt wird. Die Grosse des Kompensationsstroms ist proportional der zu messenden Last und kann als digitalisiert; Spannung auf dem Digitalvoltmeter 20 abgelesen werden.

Der Referenzteil 2 von konstanter Masse wird durch einen Strom, v/elcher die Spule IJ durchfliesst, in seiner Nullage gehalten. Dieser Strom ist konstant; er wird der Konstantstromquelle 22 entnommen, welche mit einer sehr stabilen Konütantspannungsquelle 21 als Referenz verbunden ist.

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Die Notwendigkeit, die Koiistantspannungsquelle 21 sehr stabil zu halten, bedingt einen beträchtlichen Aufwand.

Dieser Aufwand kann merklich verringert werden,d.h. es kann ■ eine relativ instabile Konstantspanriungsquelle 21 verwendet werden, wenn man sie gleichze'itig als Referenz für

das Digitalvoltmeter 20 benutzt. In dieser bevorzugten '

Ausführung wirken sich Schwankungen des Sollspannungswertes auf den Strom in der Spule 15 wie auf die Anzeige ! im Digitalvoltmeter 20 gleichermassen aus, und die Richtig-

keit der Anzeige bleibt unbeeinflusst. !

Die Abtastvorrichtung 6, 6¹ sorgt für die genaue Einhaltung ' der Nullage; bei auftretenden Abweichungen von der NuIlage tritt in der gleichen Weise wie oben bei der Kompensation ,

des Lastteils beschrieben der Regelkreis 23» 24, 25 in !

Punktion und der die Korrekturspulen 11, II¹ durchfliessende Strom wird so lange vergrössert oder verkleinert, bis sich )

das resultierende Magnetfeld so eingestellt hat, dass die entsprechend geänderte - Kompensationskraft aus dem konstanten Strom in der Spule 13 die - konstant gebliebene - Masse des Referenzteils wieder gerade in ihrer Nullage hält.

Da das Magnetfeld für Referenzteil 2 und Lastteil 1 das gleiche ißt, wirkt sich die Aenderung des Magnetfeldes auch auf das Wägeergebnis aus. Angenommen, es wird eine Wägung vorgenommen an einem Ort, der tiefer liegt als derjenige,

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an welchem die Waage Justiert wurde, also· eine höhere Erdbeschleunigung aufweist. Die höhere Erdbeschleunigung wird der - konstanten - Masse des Referenzteils 2· eine grössere Kraft verleihen. Folglich wird der Referenzteil 2 eine Auslenkung nach unten erfahren, da der Kompensationsstrom .konstant ist. Die Abtastung 6, 6' spricht an und regelt über den Strom in den Korrekturspulen 11 das Magnetfeld auf einen grösseren Wert ein, bis der Referenzteil 2 die Nuilage wieder eingenommen hat. Die zu bestimmende Masse If; erzeugt ebenfalls eine vergrössert'e Kraft nach unten, so dass bei unverändertem Magnetfeld der gemessene Kompensationsstrom nicht der - höhenunabhängigen - Masse proportional gewesen wäre, sondern einen zu grossen Wert angenommen hätte. Durch die Verstärkung des Magnetfeldes genügt nun aber ein entsprechend geringerer Strom, d.h. ein Strom mit einem Wert proportional der Masse.

Auf diese Weise können Aenderungen des Betrages der Erdbeschleunigung sich auf das Messergebnis·nicht mehr auswirken, die Waage wird also unabhängig von der Höhe des Aufstellungsortes für gleiche Massen gleiche Wägeergebnisse liefern, also nach dem Prinzip des Massenvergleichs arbeiten.

Der gleiche Vorteil ergibt sich hinsichtlich Fehlern, die sonst auG einer leichten Schrägstellung der VJaage resultieren. Bei einer Kraftkompensation wird bei Abweichungen von der

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Vertikalen stets nur die Cosinuskomponente der von der Last erzeugten Kraft gemessen, was hier jedoch ohne Auswirkung auf das Wägeergebnis bleibt, da in gleicher Welse wie oben beschrieben das Magnetfeld verändert wird - allerdings hier stets im Sinne einer Abschwächung der magnetischen Feldstärke -, bis die Grosse der Kompensationsstrotns wieder ein wahres Mass für die zu wägende Last darstellt.

Aus dem oben Gesagten folgt zwangsläufig die Ausschaltung der weiter genannten Fehlerquelle, nämlich derjenigen aus Aenderungen des Magnetfeldes aufgrund von Temperaturschwarikungen und/oder Altern des Magneten. In diesen Fällen stellen die Korrekturspulen 11 durch entsprechende Veränderung ihres Erregerstroms die ursprüngliche magnetische Feldstärke wieder her.

Im Gegensatz zur Wirkungsweise beim Kompensieren der ersterwähnten beiden Fehlerquellen, bei welcher das Magnetfeld jeweils automatisch auf einen entsprechend höheren oder niedrigeren Wert eingeregelt wird,sorgt die automatische Kompensation im letztgenannten Fall für eine Konstanthaltung des Magnetfeldes.

Es versteht sich von selbst, dass beim praktisch häufigen Fall des gleichzeitigen Vorhandenseins von mehr als einem der erwähnten Störeinflüsse diese gleichzeitig kompensiert

werden, also die resultierende Magnetfoldabweichung die 209844/0659

Summe aller Einzelfehler ausgleicht.

Die symmetrisch paarweise Anordnung der Abtastvorrichtung 6, 6' und 'J, 7' erfüllt folgenden Zweck: Bei Temperaturschwankurigen werden Lastteil 1 und Referenzteil 2 Dimensionsänderungen erfahren, weiche sich hauptsächlich in vertikaler Richtung auswirken werden. Durch die dargestellte Anordnung der Abtastvorrichtungen werden die daraus resultierenden Aenderungen der Kapazitäten sich jeweils aufheben, so dass keine Aenderung des Abtastsignals eintritt und demzufolge keine das Messergebnis verfälschende Aenderung der Ströme in den Kornpensations- bzw. Korrektur spulen resultiert.

Es erweist sich weiterhin als zweckmässig, den Einfluss der Federkonstanten der Aufhängungen 4, V und 5* 5' "^jU kompensieren, d.h. deren Einfluss auf die Auslenkung von Last- und Referenzteil, beispielsweise unter dem Einfluss von TemperaturSchwankungen, zu eliminieren. Eine Möglichkeit dazu bestellt darin, dafür eine elektrostatisch arbeitende Vorrichtung zu wählen. Durch entsprechende Dimensionierung der Kondensatoren sowie der an diese angelegten Spannung kann die Rückstellkraft der elastischen Aufhängungen bei Abweichungen von der Sollposition von Last- und Referenzteil im praktisch interessierenden Bereich jeweils gerade kompensiert werden.

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Im dargestellten Ausführungsbeispiel v/erden vorteilhafterweise die kapazitiven Abtastvorrichtungen 6, 6' und 7* 7' für diesen Zweck herangezogen. Das .kann auf einfache Weise dadurch geschehen, dass der zur Signalgebung für die Auslenkungeri unter Last verwendeten hochfrequenten Wechselspannung eine Gleichspannung von beispielsweise einigen hundert'Volt überlagert wird.

Die entsprechenden Gleichspannungsquellen sind in der Zeichnung mit 26 und 27 bezeichnet. Sie sind zu Justierzwecken in einem gewissen Bereich einstellbar. Die Widerstände 28. und die Kapazitäten 29 dienen in bekannter Weise zur Trennung von Gleichspannung und Wechselspannung.

Das beschriebene Beispiel stellt eine besonders vorteilhafte, einfache Ausführungsform der erfindungsgemässen Waage dar, welche Wägungen mit einer Genauigkeit von wenig-

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stens 10 durchzuführen gestattet.

Es ist ohne weiteres möglich, weitere Formen nach dem Prinzip der Erfindung zu gestalten, so z.B. durch Einschluss von Bestandteilen, die ein Tarieren ermöglichen und/oder das Nachschalten von Registrier- oder Auswerteeinrichtungen, um den V/ägevorgang auf bekannte Weise zu automatisieren. Auch ist das erfindungsgemässe Prinzip der Anpassung des Magnetfeldes nicht auf balkenlose Waagen beschränkt, sondern kann gleichermassen bei Balkenwaagen angewendet werden.

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Weiterhin kann anstelle der oberschaIigen" Waage aueh eine solche mit unten hängender Lastschale gewählt werden. Ferner kann die Aufhängung von Last- und Referenzteil rein magnetisch, also ohne mechanische Haltelemente vorgenommen werden. Bei Ausführung der Waage mit digitaler Anzeige kann beispielsweise bei Verwendung eines Digitalvoltmeters eine Wägebereichserweiterung mit gleichzeitiger Vergrösserung der Zahl der angezeigten Dezimalen durch Zusehalten von Kompensationsstromstufen mit separater Anzeige erreicht werden.

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Claims

Patentansprüche

Waage mit elektromagnetischer Kompensation, bei welcher ein beweglicher, eine Last aufnehmender Teil unter dem Einfluss dieser Last aus einer Nullage ausgelenkt wird, und eine Abtastvorrichtung, auf diese Auslenkung ansprechend, über einen Regelkreis in einer Kompensationsspule einen elektrischen Strom fHessen lässt, welcher in. einem Magnetfeld die Rückführung des Lastteils in die Nullage bewirkt, wobei die Grosse des fliessenden Stromes ein Mass für die zu bestimmende Last ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, Vielehe zum Eliminieren von die Messergebnisse verfälschenden Störeinflüssen eine Korrektur des in der Kompensatioiisvorrichtung wirkenden Magnetfeldes herbeiführen.
2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

die Mittel zur Korrektur des Magnetfeldes aus wenigstens einer Korrekturspule (11) bestehen.
3. Waage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzteil (2) vorgesehen ist, welcher eine konstante Masse aufweist, im selben Magnetfeld wie der Lastteil (1), jedoch mittels einer eigenen Spule (1^), elektromagnetisch im Gleichgewicht gehalten wird, und über eine eigene Lagenabtastvorrichtung (6, 6') Verfügt,

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welche über einen Regelkreis (23, 24, 25) die Stärke des Erregerstroms der Korrekturspule.(n) (11) bestimmt.
4. Waage nach den Ansprüchen 2 und J), dadurch gekennzeichnet_s dass sie balkenlos ist und dass sowohl der Lastteil (1) als auch der Referenzteil (2) sowie die Korrekturspule(n) (li) im wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut und wenigstens teilweise innerhalb eines ortsfesten Topfmagnetsystems (8, 9, 9' 10) angeordnet sind.
5· Balkenlose Waage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Lastteil (1), Referenzteil (2) und Kor"rekturspute(n) (11) im wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind.
6. Balkenlose Waage nach Anspruch 4; dadurch gekennzeichnet, dass die'Abtastvorrichtungen (7, 7' bzw« 6, 6') von Lastteil (1) und Referenzteil (2) derart jeweils paarweise symmetrisch zueinander angeordnet sind, dass Längenänderungen in der Hauptrichtung von Last- und Referenzteil wenigstens näherungsweise keine Aenderungen des Ausgangssignals bewirken.
7. Waage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

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dass der Lastteil (1) und/oder der Referenzteil (2) nach Art eines Parallelogramms am ortsfesten Teil der Waage elastisch aufgehängt sind, wobei die Rückstellkräfte aev elastischen Aufhängungselemente (4, V bzw. 5, 5') von Lastteil (1) bzw. Referenzteil (2) jeweils unabhängig voneinander selbsttätig kompensiert werden.
8. Waage nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet* dass die Kompensation der Riickstellkräfte elektrostatisch erfolgt.
9. Waage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastvorrichtungen (7> 7' bzw. 6, 6') von Lastteil (1) und Referenzteil (2) kapazitiv arbeiten und zur Kompensation der Rückstellkräfte herangezogen werden, wofür dem hochfrequenten Abtastsignal eine konstante Gleichspannung überlagert wird.

IQ, Waage nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Konstantspannungsquelle (21) als Referenz sowohl für die Stromquelle (22) des Referenzteils (2) als auch für das Anzeigegerät (20) verwendet wird.

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