DE2233850A1

DE2233850A1 - Waage

Info

Publication number: DE2233850A1
Application number: DE2233850A
Authority: DE
Inventors: Peter Kunz
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Instrumente AG
Priority date: 1971-09-22
Filing date: 1972-07-10
Publication date: 1973-04-05
Also published as: US3786883A; JPS4841767A; FR2153235A1; DE2233850B2; CH529999A; NL7210824A; JPS5149428B2; FR2153235B1

Description

Patentanwälte ■ 10, Jul/1972

Dir !.-Ing. A. WEDDE

Dipl.-Ing. K. EMPL flkfc: P

München Schumannetr. 2

Mettler Instrumente AG, Greifensee (Schweiz)

Waage

Die Erfindung betrifft eine Waage, umfassend einen Lastteil und einen Referenzteil, die unabhängig voneinander vertikal beweglich am festen Teil der Waage aufgehängt sind und je eine in einem gemeinsamen Magnetfeld angeordnete Kompensationsspule aufweisen, wobei Detektoren' die. belastungsabhängigen Auslenkungen von Last- und Referenzteil aus einer Nullage feststellen und über Regelkreise Ströme in den Kompensationsspulen regeln, durch deren elektromagnetische Kraftwirkung Last- und Referenzteil jeweils für sieh in die Nullage zurückgeführt werden.

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Derartige Waagen sind bereits mehrfach vorgeschlagen worden, so z.B. im US-Patent ;5,j522,222 oder im Schweiz. Patentgesueh Nr. 2975/71. In den dort beschriebenen Anordnungen werden sowohl die Kompensationsspule des Referenzteils als auch diejenige des Lastteils von separaten Gleichströmen gespeist. Während bei der ersterwähnten Waage die Ermittlung des Resultats so vorgenommen wird, dass die Differenz beider Ströme ins Verhältnis gesetzt wird zum Strom in der Referenzspule (Auswertung z.B. durch ein Kreuzspulinstrument), wird in der letztgenannten Ausführung der Referenzteil durch einen konstanten Gleichstrom kompensiert. Positionsdetektoren des Referenzteils beeinflussen über Korrekturspulen die Stärke des gemeinsamen Magnetfeldes und somit indirekt die Grosse des Kompensationsstromes in der Lastspule.

Es ist mit diesen Anordnungen möglich, die Fehler aus der ortsabhängig veränderlichen Erdbeschleunigung sowie aus kleineren Schrägstellungen der Waage zu eliminieren. Weiterhin werden durch die Anordnung der Kompensationsspulenvon Last- und Referenzteil im gleichen Magnetfeld Fehler aus Magnetfeldschwankungen infolge von Alterungs- oder Temperatureinflüssen vermieden. Durch die Ausschaltung dieser Fehlerquellen können

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Genauigkeiten von 10 , eventuell sogar 10 erreicht werden.

Diesen Vorteilen der vorgeschlagenen Anordnungen steht der Nachteil gegenüber, dass in beiden Fällen zur effektiven.Erzielung der von der Konzeption her möglichen Genauigkeiten sehr auswendige Komponenten erforderlich sind.

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Die Waage nach dem schwel?. Patentgesuch 2.975/71 benötigt eine hochgenaue Referenzspannungsquelle für den notwendig sehr präzisen Konstantstromgenerator zur Erzeugung des Kompensationsstroms des Referenzteils, da von dessen Genauigkeit resp. Konstanz das Ausmass der etwaigen Magnetfeldkorrektur und damit der Genauigkeit der Messung abhängt. Bei der Anordnung nach US-Patent 2,j522,222 sind u.a. hochpräzise Widerstände erforderlich. Das bedeutet sorgfältige Abgleicharbeit sowohl bei der Montage als auch während der Lebensdauer der Waagen, da eine gewisse Alterung der Widerstände (Langzeitdrift) eine bleibende Genauigket von mehr als

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10 ausschliesst.

Die vorliegende Erfindung hat sich eine elektrische Waage zur

-5 <-6 Aufgabe gestellt, welche die Genauigkeit von 10 ■* bis 10 ohne die Verwendung kostspieliger Komponenten erzielt. Dies wird auf einfache Weise dadurch erreicht, dass die Kompen-

sationsspulen sowohl des Last- als auch des Referenzteils von dem gleichen Strom durchflossen werden, wobei jedoch die Referenzspule dauernd, die Lastspüle nur zeitweise vom Konipensationsstrom durchflossen wird. Dementsprechend ist eine Waage der eingangs näher beschriebenen Art erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel vorgesehen sind, welche den durch die Referenzspule fliessenden Gleichstrom abhängig vom Detektorsignal des Lastteils entweder der Lastspule oder einem Blindverbraucher zuleiten.

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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dabei die Anordnung derart getroffen, dass die Schaltmittel einen elektronischen.Schalter umfassen, zu dessen Steuerung ein von einem Oszillator gesteuerter Pulslängenmodulator vorgesehen ist.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann eine Zähl- und Anzeigevorrichtung vorgesehen sein, welche während der Dauer des Kompensationsstromflusses in der Lastspule hochfrequente Impulse konstanter Frequenz zur digitalen Anzeige bzw. Auswertung heranzieht. Diese Methode ermöglicht eine schnelle und genaue Ermittlung des Messwertes mit praktisch beliebig hoher Auflösung. Vorzugsweise wird dabei die Anordnung so getroffen, dass nur ein Oszillator zur Lieferung der Zählimpulse wie auch zur Steuerung des Pulslängenmodulators und der Schaltmittel verwendet wird. Damit müssen an die Frequenzstabilität des Oszillators keine grossen Anforderungen gestellt werden, da sich Schwankungen in gleicher Weise auf die jeweils vorgegebene Zählzeit wie auf die Anzahl der gezählten Impulse auswirken.

Zur Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten der Waage dient eine Anordnung, bei welcher der Zähler ein Vor-Rückwärtszähler ist und eine Tariereinrichtung vorgesehen ist, welche folgende Bestandteile umfasst: Eine dem Vor-Rückwärtszähler zugeordnete Vor-Rückwärtslogik, einen Taraspeicher und einen Nulldetektor sowie eine die erwähnten Bestandteile steuernde Zählersteuerung und einen Taraschalter.

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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiei wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher beschrieben» Es handelt sich dabei um eine oberschalige Waage mit im wesentlichen rotationssymmetrischer Ausbildung, eine sogenannte Topfwaage. Die Zeichnung stellt im Schnitt die wesentlichen Teile der Waage und in Blockform das Schema der elektrischen Bestandteile dar.

Der feste Teil 1 der Waage umfasst ein allseits geschlossenes Gehäuse 2 aus magnetischem Material und einen zentrisch in diesem angeordneten Permanentmagneten 3· Das Gehäuse 2 stützt sich über einen Ringflansch 4 auf einem Ausleger 5 ab,, mit dem es durch Schrauben (nicht gezeigt) verbunden ist. Der Ausleger 5 seinerseits ist fest mit einer Säule 6 verbunden, welche von einer Grundplatte getragen wird (die Grundplatte sowie ein die Waage umschliessendes Gehäuse sind nicht dargestellt).

Der Mittelteil 7 des Permanentmagneten 3 bildet mit einem Vorsprung 8 des Gehäuses 2 einen ringförmigen Luftspalt 9· ^n diesem Luftspalt sind, unabhängig voneinander vertikal beweglich, zwei ringförmige Spulen angeordnet: Eine Spule 10 als Bestandteil eines Lastteils 12 und eine Spule 11 als Bestandteil eines Referenzteils 13.

Lastteil 12 und Referenzteil 13 sind durch je zwei elastische Aufhängungen 14, 14' bzw. 15, 15^! mit der Säule 6 verbunden • und somit parallel geführt. Eine Anzahl Durchführungen 16 bzw. 16' im oberen bzw. unteren Teil des Gehäuses 2 gestatten

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eine freie Vertikalbewegung von Lastteil 12 und Referenzteil 13. Oberhalb der Aufhängung I^ des Lastteils 12 und an diesem befestigt ist eine Waagschale 17 zur Aufnahme des Wägegutes.

Ortsfest befinden sich ober- und unterhalb des Luftspaltes und symmetrisch dazu vier paarweise konzentrisch angeordnete Ringkondensatoren 18, l8^fj 19·, 19^f. Je zwei davon dienen als Positionsdetektoren des Lastteils (l8 und I8¹) bzw. des Referenzteils (19 und I9¹).

Bei einer Auslenkung des Referenzteils 13 aus seiner Nullstellung erzeugen die beiden Ringkondensatoren 19* 19* ein Differenzsignal, das. in bekannter Weise in einer Geberschaltung 20 und einem PID-Regler 21 die Amplitude eines Kompensationsstroms verändert, der der Referenzspule 11 zugeführt wird und durch die dort erzeugte elektromagnetische Kraft den Referenzteil 15 wieder in die Nullage führt.

Nach dem Durchfliessen der Referenzspule 11 wird der Strom über ein Element 22 einem elektronischen Schalter 23 zugeführt, von welchem aus er abwechselnd der Lastspule 10 und einem Blindverbraucher (Dummy) 24 zufliesst. Das Element 22 ist ein mit Feldeffekttransistoren arbeitender Trennverstärker mit kleiner Eingangs- und grosser Ausgangsimpedanz. Er 1st auf ein Verstärkungsverhältnis 1:1 ausgelegt und bildet eine galvanische Kopplung zwischen den beiden Schaltkreisen von Last«,_h 309814/0246

und Referenzteil. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der

!'! analog arbeitende Regelkreis des Referenzteils nicht von Störimpulsen aus dem Kreis des Lastteils beeinflusst werden kann.

Die Regelung des Kompensationsstroms in der Lastspule 10 geschieht wie folgt: Eine Auslenkung des Lastteils 12 aus der' Nullstellung, z.B. unter dem Einfluss des Gewichts von Wägegut, ruft ein Differenzsignal der beiden Ringkondensatoren l8,l8' hervor, das in der Geberschaltung 25 umgeformt und einem PID-Regler 26 zugeführt wird. Die hier erzeugte Regelspannung wird an einem Pulslängenmodulator (PLM) 27 angelegt. Dieser wird von einem Quarzoszillator 28 mit nachgeschaltetem Frequenzteiler 29 gesteuert. Im PLM 27 wird ständig eine Säge- " zahnspannung mit der vom Regler 26 her anstehenden Regelspannung verglichen. Ein Ausgang des PLM 27 führt zur Schaltersteuerung (Flip-Flop) 30, welche, im Zusammenwirken mit dem zweiten Eingang vom Oszillator 28 her, die Schalterstellungszeiten steuert (Stromfluss zur Lastspule 10 oder zum Dummy 24).

•Anhand des nachstehenden Zahlenbeispiels sei der Vorgang der Kompensation sowie die digitale Anzeige bzw. Auswertung erläutert .

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Das - konstante - Gewicht des Referenzteils 13 beträgt 200 g, dasjenige des Lastteils 12 (ohne Wägegut) 4θΟ g. Der Wägebereich wurde zu 1200 g gewählt, mit einem Ueberbereich (Reserve) von 400 gj total zu kompensierendes mögliches Gewicht des Lastteils also 2000 g. Das Windungsverhältnis wurde, dem Gewichtsverhältnis entsprechend, 1:10 gewählt, es resultiert also gleicher Nennstrom in beiden Spulen bei Maximallast.

Die Frequenz des Oszillators 28 ist 10 MHz. Mit dem vollen, als Zählfrequenz dienenden Wert werden sowohl der Flip-Flop 50 als auch ein Tor 31 und eine Hilfslogik (Zählersteuerung) 32 beaufschlagt. Der Teiler 29 setzt die Oszillatorfrequenz im Verhältnis l:20'000 herab; der nachgeschaltete PLM 27 erhält also alle 2 ms einen Impuls, welcher einerseits die Sägezahnspannung auf Null setzt und neu ansteigen lässt, andererseits - nach üebermittlung durch den Flip-Plop JO den Schalter 23 auf die Lastpule 10 schaltet. Gleichzeitig wird das Tor Jl geöffnet, und die Zählimpulse aus dem Oszillator 28 werden durchgelassen und beaufschlagen einen Zähler 33. Dieser Schaltzustand dauert an, bis die Sägezahnspannung im PLM 27 den Wert der - lastabhängigen - Regelspannung aus dem Regler 26 erreicht hat. In diesem Moment sperrt der PLM 27 das Tor 3I - die Zählung wird abgebrochen - und gibt an den Flip-Flop 3° das Signal zum Umschalten, woraufhin nach beendetem Einlauf des gerade ankommenden Zählimpulses der Schalter 23 c?sn Kompensationsstrom von der Lastspule 10 auf dem Dummy 24 leitet.

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Dem Teiler 29 nachgeschaltet ist ein zweiter TeiJ0f54, der die Frequenz nochmals, diesmal im Verhältnis 1:100, untersetzt und der Zählersteuerung J>2 alle 0,2 s einen Impuls abgibt, weicher veranlasst, dass der Zählerstand an einen Anzeigespeicher weitergegeben wird, von wo er zu einer Anzeige 36 gelangt (und gleichzeitig an einen BCD-Ausgang 37)· Nach Weitergabe des Zählerstandes wird der Zähler 33 auf Null gestellt.

Das bedeutet, dass jeweils 100 einzelne Zählungen aufsummiert werden und deren Ergebnis angezeigt wird. Durch die Summation werden etwa auftretende Fehler aus Vibrationen etc. ausgemittelt und dadurch deren Einfluss auf das Resultat der Messung stark vermindert.

Aus den oben angegebenen Zahlen ergibt sich, dass bei einem Wägezyklus von 100 Einzelmessungen zwischen 400'000 und 2¹OOO¹OOO Impulse gezählt und angezeigt werden können. Um jedoch die Anzeige weitgehend stabil zu halten, wird die niedrigste Stelle von der Anzeige ausgeschlossen; umso mehr, als eine Auflösung von 10-^ praktisch allen Ansprüchen genügt.

Zur Berücksichtigung der Totlast sowie von Taragewichten dient folgende Anordnung: Parallel zum Anzeigespeicher 35 ist ein Taraspeicher 38 geschaltet, ferner ist eine Vor-Rückwärtslogik 39* ein - von Hand zu bedienender - Taraschalter ho, der mit der Zählersteuerung 32 verbunden ist, und ein Nulldetektor hl vorhanden. Bei Wägungen mit Tara wird nach Be-

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tätigen des Taraschalters 40 der aus der Tarawägung resultierende Wert auch in den Taraspeicher 38 übernommen. Bei den nachfolgenden Wägungen wird am Anfang jeweils der Wert des Taraspeichers 38 in den Zähler 33 eingegeben. Die Vor-Rückwärtslogik 39 lässt den Zähler 33 rückwärts zählen, d.h. die in ihm eintreffende!Zählimpulse werden vom Tarawert abgezogen, bis der Nulldetektor kl signalisiert, dass Null erreicht ist.
Dieses Signal geht an die Vor-Rückwärtslogik 39* welche den Zähler 33 nunmehr wieder in Vorwärtsrichtung zählen lässt.

Wird kein zusätzliches Wägegut auf die Waagschale 17 gegeben, so treffen ebenso viele Impulse im Zähler 33 ein, wie im Taraspeicher 38 gespeichert sind; am Ende des Messzyklus von 0,2 s ist der Zähler»33 bei Null angelangt, und dieses Resultat wird im Anzeigespeicher 35 gespeichert und kommt zur Anzeige 36 und an den BCD-Ausgang 37.

Wird jedoch weiteres Wägegut auf die Waagschale 17 gegeben (oder von ihr weggenommen), so treffen mehr (bzw. weniger) Zählimpulse im Zähler 33 ein als im Taraspeicher 38 gespeichert sind. Der Ueberschuss (bzw. das Defizit) wird am Ende des Messzyklus in den Anzeigespeicher 35 und für die Dauer des nächsten Messzyklus zur Anzeige gebracht. Bemerkenswert ist dabei, dass durch die beschriebene Anordnung das jeweilige Ergebnis vorzeichenrichtig mit seinem echten Wert, in der.

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,Anzeige 36 erscheint, d.h. eine Zugabe von 315 g wird als '+0315' angezeigt, und eine Gewichtsabnahme um den gleichen Wert wird nicht, wie bei bisher bekannten Anordnungen, als Komplement angezeigt, sondern als '-0315'. Dabei wird auch das richtige Vorzeichen aus der .Vor-Rückwärtslogik 39'abgeleitet· .

Es liegt auf der Hand, dass somit durch jeweils wgiderholtes Betätigen des Taraschalters 40 auch eine Einwägung mehrerer Komponenten unter jeweiliger Anzeige der Nettozugabe vorgenommen werden kann.

Auf die vorstehend beschriebene Weise kann auch die Totlast der Waage berücksichtigt werden. Durch Betätigen des Taraschalters 40, beispielsweise zu Beginn einer Reihe von Nettowägungen, wird die Totlast aus der Anzeige eliminiert". Ferner ist es mit dieser Anordnung möglich, bei Bedarf jederzeit den Nullpunkt der Waage neu einzustellen, indem einfach durch Betätigen des Taraschalters 40 die Totlast neu ermittelt wird.

Aus der Beschreibung erhellt, dass das Gewicht des Referenzteils 13 mit Gleichstrom, dasjenige des Lastteils 12 mit Gleichstromimpulsen relativ kurzer Dauer (kleiner als 2 ms) kompensiert wird, wobei die Amplitude beider Ströme identisch ist. Die Gesamte Anordnung ist ein echtes Massenvergleiehs-

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gerät hoher Genauigkeit und mit direkter digitaler Anzeige grosser Auflösung, benötigt jedoch keine hochstabilen Referenzspannungsquellen oder anderen aufwendigen Komponenten, wie z.B. Digitalvoltmeter. Auch die Frequenz des Oszillators muss nicht besonders stabil sein, da sich Schwankungen sowohl auf die Länge der der Lastspule 10 zugeführten Kompensationsstromimpulse als auch auf die Messzeit in gleichem Sinne auswirken.

Schliesslich ist festzustellen, dass die Waage infolge ihrer kurzen Wägezeiten und einfachen Handhabung (nur ein bzw. zwei Bedienungselemente, nämlich der Netzschalter und ggfs. der Taraschalter) nahezu universell anwendbar ist und sich besonders für den Einsatz bei Serienwägungen rascher Aufeinanderfolge eignet.

Es liegt auf der Hand, dass das erfindungsgemässe Konzept vielfältig variiert werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Beispielsweise könnte die oben gewählte Auflösung der Anzeige

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von 10 auf 10 gesteigert werden, ohne dass deshalb auf die durch das Unterdrücken der letzten Stelle der Anzeige erreichte Stabilität des Ablesebildes verzichtet werden müsste, indem man die Frequenz des Oszillators 28 erhöht und das Teilerverhältnis des Teilers 5^ ebenfalls höher wählt (z.B. Frequenz 20 MHz und Verhältnis 1:1000).

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Claims

•Patentansprüche

. Waage, umfassend einen Lastteil und einen Referenzteil, die * unabhängig voneinander vertikal beweglich am festen Teil der Waage aufgehängt sind und je eine in einem gemeinsamen Magnetfeld angeordnete Kompensationsspule aufweisen, wobei Detektoren die belastungsabhängigen Auslenkungen von Last- und Refererizteil aus einer Nullage feststellen und über Regelkreise Ströme in den Kompensationsspulen regeln, durch deren elektromagnetische Kraftwirkung Last- und Referenzteil jeweils für sich in die Nullage zurückgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel vorgesehen sind, welche den durch die Referenzspule fliessenden Gleichstrom abhängig vom Detektorsignal des Lastteils entweder der Lastspule oder einem Blindverbraucher zuleiten.
2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel einen elektronischen Schalter (23) umfassen, zu dessen Steuerung ein von einem Oszillator (28) gesteuerter Pulslängenmodulator (27) vorgesehen ist.
3. Waage naeh Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Referenzspule (IL) und Schaltmittel (2)) ein mit Feldeffekttransistoren arbeitender Trennverstärker (22) geschaltet Ist.

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4. Waage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zähl- und Anzeigeeinrichtung vorgesehen ist, welche während der Dauer des Kompensationsstromflusses in der Lastspule (10) hochfrequente Impulse konstanter Frequenz zur digitalen Anzeige bzw. Auswertung heranzieht,
5. Waage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger Oszillator (28) zur Lieferung der Zählimpulse wie auch zur Steuerung des Pulslängenmodulators (27) und der Schaltmittel (23) vorgesehen ist.
6. Waage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähl- und Anzeigevorrichtung einen Vor-Rüekwärtszähler (33) und eine Tariereinrichtung aufweist, welche folgende Bestandteile umfassts Eine dem Vor-RUckwärtszähler zugeordnete Vor-Rückwärtslogik (39), einen Taraspeicher (38) und einen Nulldetektor (4l) sowie eine diese Bestandteile steuernde Zählersteuerung (32) und einen Taraschalter (40).
7. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Last- und Referenzteil (12, 13) mittels elastischer Glieder (l4, 14'; 15, 15*) am festen Teil der Waage parallel geführt sind.
8. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch ße

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<■ net, dass Last- und Referenzteil (12, 13) konzentrisch zueinander angeordnete Ringspulen (10, 11) aufweisen, welche im ringförmigen Luftspalt (9) eines Topfmagnetsystems (2,-3) angeordnet sind.
9. Waage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass kapazitiv arbeitende Detektoren vorgesehen sind, wobei sowohl Referenzteil (13) als auch Lastteil (12) je zwei Ringkondensatoren (19, I9¹ bzw. 18, l8') aufweisen.

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