DE2207507A1

DE2207507A1 - Kraftmeßgerät

Info

Publication number: DE2207507A1
Application number: DE19722207507
Authority: DE
Inventors: Peter Meilen Kunz (Schweiz)
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Instrumente AG
Priority date: 1971-04-05
Filing date: 1972-02-17
Publication date: 1972-10-12
Also published as: CH529998A; GB1338941A; FR2119358A5; US3786678A; NL7115214A

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing. A. WEDDE ly.^eoruar 1972

Dipl.-Ing. K . EMPL

München Schumannstr. 2

Akte; P 7227

Mettler Instrumente AG, Greifensee (Schweiz)

Kraftmessgerät

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftmessgerät, insbesondere für gravimetrische Zwecke, bei welchem die zu messende Kraft elektromagnetisch kompensiert wird und die Grosse des hierfür notwendigen Stromes, durch eine die kraftabhängigen Auslenkungen des beweglichen Teils des Gerätes aus einer Nullage erfassende Abtastvorrichtung elektrisch gesteuert, ein Mass für die zu messende Kraft darstellt, und bei welcher ferner der Kompensationsstrom impulsweise der Kompensationseinrichtung eingespeist wird.

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Derartige Geräte sind seit einiger Zeit bekannt; sie sind durchwegs nach Art der klassischen Waagen mit einem Waagbalken versehen, an dessen einem Ende die zu messende Kraft angreift und an dessen anderem Ende die elektromagnetische Kompensationseinrichtung angebracht ist.

Nun sind bekanntlich Kraftmessgeräte mit Waagbalken mit gewissen prinzipiellen Unzulänglichkeiten behaftet, weshalb auch schon mehrfach balkenlose Ausführungen vorgeschlagen wurden, so z.B. die Waagen nach dem englischen Patent 919.771 oder der deutschen Offenlegungsschrift 1.474.6OJ. Die bekanntgewordenen Ausführungen dieser Art enthalten jedoch sämtlich mit Gleichstrom kompensierende Kompensationseinrichtungen .

Um dem Bedürfnis nach digitaler Anzeige des Messwertes entgegenzukommen und gleichzeitig den dazu notwendigen Aufwand möglichst gering zu halten, sind bereits Balkenwaagen vorgeschlagen worden, bei denen der Kompensationsspule Stromimpulse gleicher Amplitude und Länge zugeführt, diese gezählt werden und so eine digitale Anzeige der zu messenden Kraft bilden (deutsches Patent I.I94.167). Dabei entsteht jedoch eine gewisse Schwierigkeit dadurch, dass es problematisch ist, die Kompensationsstromimpulse nach Amplitude und Länge genau konstant zu halten, was aber Voraussetzung

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ist für ein Niedrighalten der Messfehler. Auch ist durch direktes Zählen der Kompensationsstromimpulse nur eine begrenzte Auflösung möglich.

Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein kompaktes Kraftmessgerät zu schaffen, bei welchem die Nachteile eines einen Waagbalken aufweisenden Gerätes entfallen. Ferner soll das Messergebnis in digitaler Form präsentiert werden, ohne die Kompensationsstromimpulse selbst zu zählen. Weiterhin wurde eine kurze Messzeit angestrebt, um das Gerät auch für Serienmessungen mit rascher Messfolge verwendbar zu machen.

Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben dadurch gelöst, dass ein Gerät der eingangs erwähnten Art folgende Merkmale aufweist: Es hat keinen Waagbalken, und sein beweglicher Teil führt unter dem Einfluss der zu messenden Kraft wenigstens näherungsweise nur eine translatorische Bewegung aus; für die Lieferung der Kompensationsstromimpulse wird ein Konstantstromgenerator verwendet, so dass die Amplitude der Kompensationsstromimpulse während der Messung wenigstens für eine gegebene Temperatur konstant ist; es sind Mittel vorgesehen, um die Länge der Kompensationsstromimpulse in ein bestimmtes Verhältnis zur Grosse der zu messenden Kraft zu setzen; es ist ein Hochfrequenzoszillator zur Lieferung

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von Zählimpulsen konstanter Frequenz vorgesehen; es sind schliesslich eine Zählvorrichtung, ein Speicher und ein Anzeige- und/oder Auswertegerät vorgesehen, welche während Zeitabschnitten, die der Länge der Kompensationsstromimpulse entsprechen, die Zählimpulse zählen und die jeweilige Summe der Zählimpulse als digitales Mass der zu messenden Kraft darstellen.

Vorzugsweise bestehen dabei die Mittel zur Steuerung der Länge der Kompensationsstromimpulse im wesentlichen aus einem Pulslängenmodulator, in dem eine Sägezahnspannung mit einer lastabhängigen Regelspannung verglichen wird, wobei die Länge der einzelnen Impulse begrenzt wird einerseits durch den Beginn des Anstiegs der Sägezahnspannung und andererseits durch den Moment, in welchem letztere die Grosse der Vergleichsspannung erreicht hat.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Kraftmessgerätes wird nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Gewählt wurde eine sogenannte Topfwaage, d.h. eine im wesentlichen rotationssymmetrische Waage. Diese Ausführungsform bietet hinsichtlich konstruktiver Einfachheit, gleichmässiger Temperaturverteilung und Homogenität des elektromagnetischen Feldes wesentliche Vorteile.

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In der Zeichnung ist die Waage im Schnitt dargestellt und in Blockform das Schaltbild des elektrischen Teils wiedergegeben, wobei auf bekannte Details verzichtet wurde, soweit diese für das Verständnis der erfindungsgemassen Vorrichtung entbehrlich schienen.

Der feste Teil 1 der Waage besteht aus dem das Gehäuse bildenden Magnettopf, einem zylindrischen Hohlkörper 2 aus magnetischem Material, der oben ur.. unten durch Abschlussplatten 3, ebenfalls aus magnetischem Material, geschlossen wird. Ferner gehören zum festen Teil die Magnete h und 5* welche zusammen mit dem Kern β,'αεη inneren Teil des Magnetsystems bilden. Ein ringförmiger Puss 7 aus unmagnetischem Material stützt das Gehäuse gegenüber der Unterlage ab. Er kann mit Justierteilen zur Einstellung der Lage versehen sein (nicht gezeigt).

Der Hohlkörper 2 ist mit einem nach innen weisenden, ebenfalls ringförmigen Vorsprung 8 versehen, welcher so bemessen ist, dass zwischen ihm und dem Kern 6 ein Luftspalt

9 entsteht, in welchem die Kompensationsspule 10, in vertikaler Richtung beweglich, untergebracht ist. Die Spule

10 ist mit dem beweglichen Teil 11 der Waage verbunden; dieser besteht im wesentlichen aus der Waagschale 12 zur Aufnahme des Wägeguts 13 und einem System von vier Tragstäben lh. Die Tragstäbe 14 werden über je eine untere

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und obere Aufhängung 15 elastisch mit dem festen Teil der Waage verbunden. Die Aufhängungen bestehen aus im wesentlichen ebenfalls runden Federelementen, welche jeweils aussen an den Tragstäben 14 und innen an Vorsprüngen Io des festen Teils 1 der Waage befestigt sind und so eine Parallelführung des beweglichen Teils 11 bewirken.

Mit dem festen Teil 1 fest verbunden sind zwei Ringkondensatoren 17, welche zusammen mit dem mittleren Teil des beweglichen Teils 11 die Abtastvorrichtung bilden.

Durchbrechungen 18 in den Abschlussplatten 3 gestatten den freien Durchtritt der Tragstäbe 14.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind sämtliche wesentlichen Bestandteile der Waage bezogen aufeine mittlere Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung der Waagschale symmetrisch angeordnet. Dies hat neben der konstruktiven Einfachheit merkliche Vorteile im Hinblick auf das Magnetfeld. Der erste Vorteil besteht darin, dass die bei unsymmetrischen Anordnungen auftretenden Fehler hinsichtlich sich verändernder Empfindlichkeit bei wechselnder Last entfallen. Bekanntlich wird dem permanenten Magnetfeld beim Fliessen eines Stromes in der Kompensationsspule ein elektromagnetisches Feld überlagert, dessen Stärke von der Stärke des Spulenstroms abhängt. Dieses zweite Feld wird, je nach Bewegungsrichtung der Spule beim Kompensieren, das erste Feld additiv oder subtraktiv verändern, in jedem Fall verfälschen. Dieser als Rückwirkung bekannte systema-

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tische Fehler, der quadratisch mit der Stromstärke der Spule steigt, wird nun durch die bevorzugte symmetrische Anordnung de?» Magnettopfs und der Magnete völlig eliminiert, da die beschriebenen Effekte sich in der oberen und unteren Hälfte des Systems gegenseitig aufheben.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass bei der dargestellten symmetrischen Anordnung der Streufeldverlust des Magnetfeldes wesentlich kleiner ist als bei der unsymmetrischen Anordnung. Es kommt folglich bei gegebenen Abmessungen ein stärkeres Magnetfeld zur Wirkung, und damit kann entsprechend die Stromstärke in der Kompensationsspule herabgesetzt werden, was wiederum eine kleinere Erwärmung und somit kleinere mögliche Temperaturfehler bedeutet. Nebenher wird damit die sonst mögliche Gefahr eines Wägefehlers bei ferromagnetischem Wägegut durch den Einfluss des Streufeldes herabgesetzt.

Ferner bewirkt die dargestellte symmetrische Anordnung, dass Einflüsse aufgrund von Temperaturänderungen merklich reduziert werden. Da wärmebedingte Längenänderungen des Systems sich angenähert gleichmässig auf die oberen und unteren federnden Aufhängungen auswirken, wird die Lage des beweglichen Teils 11 relativ zu den beiden Kondensatoren 17 praktisch unverändert bleiben und somit eine Aenderung des Ausgangssignals der Abtastung nicht auftreten.

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Die Ausstattung der Abtastvorrichtung mit zwei ringförmigen Kondensatoren 17, welche mit Abstand voneinander in der Nähe der Mitte der Waage (in vertikaler Richtung gesehen) und symmetrisch dazu angeordnet sind, bietet noch weitere Vorteile. Zum einen würde sich auch eine merkliche Längenänderung im durch die Lage der Kondensatoren begrenzten Bereich des beweglichen Teils 11 nicht in einer Aenderung des resultierenden Ausgangssignals der Abtastvorrichtung auswirken, da sich die beiden Einzeländerungen jeweils gegeneinander aufheben. Zum anderen wirken sich Abweichungen von der koaxialen Position des beweglichen Teils 11 relativ zu den Ringkondensatoren 17 infolge des ringförmigen Feldes weniger in einer Störung des Abtastsignals aus als bei den bisher gebräuchlichen Anordnungen mit Plattenkondensatoren.

Nachfolgend wird anhand eines Wägevorgangs die Wirkungsweise der Vorrichtung erläutert.

Unter dem Einfluss des Wägegutes wird die Waage aus der Nullage ausgelenkt, und die beiden Kondensatoren 17 liefern veränderte Ausgangssignale, welche nach Umformung in der Geberschaltung 19 in der Regelschaltung 20 die Grosse einer Regelspannung bestimmen. Diese Regelspannung wird einem Pulslängenmodulator (PLM) 21 zugeführt, welcher periodisch hier alle zwei ms - eine von Null linear auf einen Maximalwert anwachsende Sägezahnspannung erzeugt. Der Spannung Null entspricht die Zeit T₀, der Maximalspannung- welche

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den Wägebereich begrenzt - die Zeit T. Beginn und Ende jeder Periode von zwei ms werden durch einen Hochfrequenzoszillator 22 gesteuert, der Impulse von der konstanten Frequenz 1 MHz erzeugt. Diese Impulse v/erden einem Frequenzteiler 23, der eine Ausgangsfrequenz von 5OO Hz hat, und von dort dem PLM 21 zugeführt. Dieser steuert einen Schalter 24, welcher den aus einer Konstantstromquelle 25 kommenden Gleichstrom alternierend der Kompensationsspule 10 und einem Blindverbraucher (Dummy) 26 zuführt. Im Zeitpunkt T₀ wird der Strom auf die Kompensationsspule 10 geschaltet und erzeugt die elektromagnetische Kompensationskraft, welche den beweglichen Teil 11 in die Nullage zurückführt. Hat nach einer Zeit t die Sägezahnspannung im PLM 21 den Wert der Regelspannung erreicht, so wird der Strom auf den Dummy 26 geleitet, bis die nächste Periode wieder bei T₀ beginnt, und so fort.

Ausser dem Schalter 24 wird auch das Tor 27 vom PLM 21 gesteuert. Der Oszillator 22 liefert Zählimpulse der Frequenz 1 MHz an das Tor 27, welche Impulse während der Zeit t (Kompensationszeit) den Zähler 28 beaufschlagen und somit die Länge der Kompensationsstromimpulse auszählen. Im Zeitpunkt T₀ wird das Tor 27 geöffnet und nach Verstreichen der Zeit t, beim Erreichen der Koinzidenz Regelspannung/Sägezahnspannung, wieder geschlossen, jeweils synchron mit der Betätigung des Schalters 24. Der zwischen dem PLM Und dem Schalter 24 angeordnete Flip-Flop 32 erfüllt dabei

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die Synchronisierungsfunktion derart, dass er bei Koinzidenz von Regelspannung und Sägezahnspannung im PLM 21 von diesem das Freigabesignal zum Umschalten erhält, das Umschalten selbst jedoch erst nach beendetem Einlaufen des gerade vom Oszillator 22 kommenden Zählimpulses erfolgt j durch den auf die stets gleiche Flanke des jeweiligen Zählimpulses abgestimmten Schaltvorgang ergibt sich eine optimale Uebereinstimmung zwischen der Länge des Kompensationsstromimpulses und der Anzahl der entsprechenden Zählimpulse.

Die während einer Messung, also während der Zeit t, gezählten Impulse werden dem Anzeigespeicher 29 und von dort dem Anzeigegerät 30 (digitale Anzeige mittels Nixieröhren) eingegeben. Die Hilfslogik 33 übermittelt dabei, gesteuert vom Frequenzteiler 23, den Befehl zum Speichern des jeweiligen Zählerstandes. Gleichzeitig können die Resultate über den angeschlossenen Drucker 3I schriftlich festgehalten werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemässen Waage ist in der Zeichnung ebenfalls dargestellt. Ein Widerstandsthermometer 35 ist im Innern der Waage angeordnet und über die Temperaturmessschaltung 3^ mit der Konstantstromquelle verbunden. Verändert sich die Temperatur in der Waage - und damit das Feld des Permanentmagnetsystems -, so bewirkt das Widerstandsthermometer 35 eine Anpassung der Stärke des von der Konstantstromquelle 25 gelieferten Stromes, also der Amplitude der

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Kompensationsstromimpulse. Auf diese Weise ist es möglich, den aus temperaturbedingten Magnetfeldschwankungen herrührenden Messfehler im praktisch interessierenden Bereich nahezu völlig zu eliminieren.

Aufgrund der selbst bei Berücksichtigung einer Einschwingzeit der Waage von ca. 0,1 s noch äusserst kurzen Wägezeit eignet sich die beschriebene Waage besonders für rasch aufeinanderfolgende Serienwägungen in Labor und Produktion.

4 Bei einer Auflösung in der Grössenordnung von 10" genügt sie den weitaus meisten praktischen Anforderungen.

Zur Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten ist ohne weiteres der Anschluss eines Computers, beispielsweise zur rechnerischen oder statistischen Auswertung der Wägungen, möglich.

Um bei gleichbleibender Kompensationsstromstärke eine Erweiterung des Messbereichs zu erhalten, können zusätzliche Mittel, beispielsweise Druckfedern, vorgesehen sein, welche bei Bedarf mit dem beweglichen Teil des Kraftmessgerätes in Wirkverbindung gebracht werden.

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Claims

Patentansprüche

Kraftmessgerät, insbesondere für gravjmetrische Zwecke, bei welchem die zu messende Kraft elektromagnetisch kompensiert wird und die Grosse des hierfür notwendigen Stromes, durch eine die kraftabhängigen Auslenkungen des beweglichen Teils des Gerätes aus einer Nullage erfassende Abtastvorrichtung elektrisch gesteuert, ein Mass für die zu messende Kraft darstellt, bei welcher ferner der Kompensationsstrom impulsweise der Kompensationseinrichtung eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät keiner. Waagbalken aufweist und sein beweglicher Teil (11) unter dem Einfluss der zu messenden Kraft wenigstens näherungsweise nur eine translatorische Bewegung ausführt, dass ferner für die Lieferung der Kompensationsstromimpulse ein Konstantstromgenerator (25) verwendet wird, so dass die Amplitude der Kompensationsstromimpulse während der Messung wenigstens für eine gegebene Temperatur konstant ist, dass weiterhin Mittel vorgesehen sind, um die Länge der Kompensationsstromimpulse in ein bestimmtes Verhältnis zur Grosse der zu messenden Kraft zu setzen, dass ein Hochfrequenzoszillator (22) zur Lieferung von Zählimpulsen konstanter Frequenz vorgesehen ist, und dass schliesslich eine Zählvorrichtung (28), ein Speicher (29) und ein Anzeige- und/oder ein Auswertegerät vorgesehen sind (30,31), welche während Zeitabschnitten, die der Länge der Kompensationsstromimpulse entsprechen, die Zählimpulse zählen und die

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jeweilige Summe der Zählimpulsa als digitales Mass der zu messenden Kraft darstellen.
2. Kraftmessgerät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Festlegung der Länge der Kornpensationsstrornimpulse im wesentlichen aus einem Pulslängenmodulator (21) bestehen, in dem eine Sägezahnspannung mit einer lastabhängigen Regelspannung verglichen wird, wobei die Länge der einzelnen Impulse begrenzt wird einerseits durch den Beginn des Anstiegs der Sägezahnspannung und andererseits durch den Moment, in welchem letztere die Grosse der Vergleichsspannung erreicht hat.
J. Kraftmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil durch wenigstens ein federndes Element (15) relativ zum festen Teil (1) geführt wird.
4. Kraftmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Permanentmagnetsystem (2-6) der elektromagnetischen Kornpensationseinrichtung sowie die Kompensationsspule (10) im wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut sind.
5. Kraftmessgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ferner die federnden Auf hän^ungse Lernente (.15) im wesentlichen rotationssymmetrisch sind.

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6. Kraftmessgerät nach Anspruch h oder 5> dadurch gekennzeichnet, dass das Permanentmagnetsystem wenigstens näherungsweise auch in bezug auf eine Ebene senkrecht zur Richtung der Auslenkungen des beweglichen Teils (11) symmetrisch aufgebaut ist.
7. Kraftmessgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastvorrichtung zwei zylindrische Kondensatoren (17) aufweist.
8. Kraftmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ferner Mittel vorgesehen sind, um durch Zuschalten von Zusatzkräften eine Erweiterung des Messbereichs zu ermöglichen.
9· Kraftmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ferner Mittel vorgesehen sind, um das Messergebnis verfälschende Temperatureinflüsse wenigstens näherungsweise zu kompensieren.
10. Kraftmessgerät nich Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel aus einem Widerstandsthermometer (35) bestehen, welches in Abhängigkeit von der Temperatur die Amplitude dar Kompensat ionss tromirnpulse korrigiert.

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