-
Beschreibung Elektromagnetische Wagge mit selbsttätiger Kompensation
Die Erfindung betrifft eine Waage nach dem Prinzip der selbsttätigen Kompensation,
die zur exakten Anzeige und Registrierung sehr kleiner Gewichtsänderungen bestimmt
ist.
-
Der Bedarf an selbsttätig registrierenden Waagen zur Verwendung im
Vakuum und in verschiedenen Gasatmosphären für physikalisch-chemische Untersuchungen
und an schnell anzeigenden empfindlichen Geräten zur Bestimmung der Einwaage bei
der chemischen Analyse hat zur Entwicklung einer Anzahl von Systemen geführt, die
den gestellten Anforderungen mehr oder weniger gut genügen. Als vielseitig anilendbar
haben sich die elektromagnetischen Waagen [1] erwiesen, deren Wirkungsweise anhand
der Fig. 1 kurze beschrieben sei.
-
Die elektromagnetische Waage wird als Regelkreis aufgefaßt, der aus
einer Steuerkette (¾ und einem Gegenkopplungszweig t) besteht.
-
Regelgröe im engeren Sinn ist die kompensierende Kraft F, Ausganggrör3e
aes Systems ein Strom , Führungsgröße die zu bestimmende Massenänderung. Diese wirkt
sich zunächst auf die Steuerkette aus, die sich aus dem Waagebalken, einem elektrischen
Winkelabgriff und einem nachgeschalteten Verstärker zusammensetzt. Durch die Massenänderung
wird der Waagebalken ausgelenkt, der Winkelabgriff erzeugt ein elekrisches Signal,
dieses wird verstärkt und erscheint als Strom am Ausgang der Meßeinrichtung. Gleichzeitig
wird es am Eingang des Gegenkopplungsgliedes wirksam, das eine dem Strom proportionale
Kraft erzeugt und am Waagebalken mit negativem Vorzeichen zur Wirkung bringt. Aufgrund
des vorgenommenen Kraftvergleichs folgt die Regelgröße F der Führungsgröße#mg.Mit
der Regelgröße istmittelbar über das Gegenkopplungsglied-der Ausgangsstrom verknüpft
Bezeichnet man mit K5 die Übertragungskonstante der Steuerkette, mit I den Ausgangsstrom
und mit A m die Massenändcrung, so lautet die Beziehung zwischen diesen Größen
Ist ferner Km die Konstante des Gegenkopplungsgliedes, das durch
ein elektromagnetisches Kraftglied dargestellt werden kann, so gilt Km = F/I Für
das gegengekoppelte System ergibt sico durch Kombination der beiden Gleichungen
Ks I = #mg 1 + KsKm Diese Gleichung vereinfacht sich für KsKm#1 auf die Beziehung
1 I = # mg zwischen Massenänderung und Strom.
-
Km In die Gleichung geht also nur noch die Konstante des magnetischen
Systems ein. Dies ist an sich bekannt und wird nur dargelegt, um die folgende Analyse
zu verstehen.
-
Bei cer praktischen Anwendung wirken auf den Regelkreis aie Störgrößen
Z1 bis Z4 ein. Die Störgröße Z1 entspricht einer äußeren auf den Waagebalken wirkenden
Kraft. Sie kann elektrostatische,elektromagnetische oder thermomolekulare Ursachen
haben oder durch. eine sonstige Störung, z.B. eine Strömung verursacht sein, die
auch mittelbar,z.B. auf die zu bestimmende Masse oder auf das Gehänge wirkt. Eine
verbreitete Ursache far eine solche Störkraft sind ferromagnetische Teile am Waagebalken
oder den an ihm hängenden Teilen bei Einwirkung äußerer Magnetfelder. Solche Teile
sind möglichst zu vermeiden. [2] Von entsprechender Wirkung sind spontane Veränderungen
des Hebelarm-Verhältnisses bei gleichbleibender Last. Bezeichnen m1 und m2 die an
den Balkenenuen aufgehängten Messen und bedeuten 11 und 12 die Hebelarme, so gilt
die Gleichgewichtsbedingung m111 = m212 und für die aus der Änderung des Armlängenverhältnisses
folgende scheinbare Störkraft F folgt d(l2/l1) F = g m1 = Z1 12/ 11 Diese Störung
geht voll in die Messung ein und wird durch die Regelung nicht betroffen. Es ist
daher sehr wichtig, das Armlängenverhältnis konstant zu halten.
-
Bine weitere Störgröße Z2 wirkt an der Verbindungsstelle zwischen
Balken und Winkelabgriff, also in der Mitte der Steuerkette ein.
-
Sie kann sowohl durch einen Nullpunktsfehler des Winkelabgriffs als
auch durch Drift des nachfolgenden Verstärkers bedingt sein.
-
Ihr Einfluß auf die Anzeige laßt sich ermitteln, wenn man den Übertragungskoeffizienten
KB kennt, der die Beziehung zwischen der Führungsgröße # mqund dem Ausschlag y vermittelt.
-
, Einer Nullpunktsänderung des Winkelabgriffs ## entspricht eine
scheinbare Massenänderung d m , in guter Näherung gegeben durch #m* = ##* KBg Für
große KB wird der Einfluß sehr klein. Nun ist KB gleich dem Kehrwert des Richtvermögens,
das sich aus einem statischen Anteil durch den Ahstand zwischen Schwerpunkt des
Balkens und dessen Drehpunkt unü einem elastischen Anteil durch Federfesselung,
etwa durch Spannbandlagerung, zusammensetzt. Der erste Anteil kann durch Justieren
praktisch beseitigt werden. Es ist dabei wesentlich, daß der Balken möglichst starr
und zeitlich unveränderlich ausgebildet ist. Für den zweiten sind Maßnahmen zur
Kompensation mithilfe verschiedener physikalischer Effekte bekannt. Eine von diesen
beruht auf elektlodynamischen Kräften [33 eine andere nützt magnetostatische Kräfte
aus {4 . Bei vollständiger Kompensation des hichtsermögens hat ein Nullpunktsfehler
des Winkelabgriffs oder des Yerstärkers keinen Einfluß auf das Ergebnis, solange
es sich um kleine Auslenkungen handelt, die sich noch nicht auf die wirksame Komponente
der Gewichtskraft auswirken oder die Konstante Km des magnetisehen Kraftgliedes
verändern. Da sich der Anzeigefehler als Quotient von und KB ergibt, sollte man
danach streben, Z/ möglichst zu verkleinern und KB möglichst groß zu machen, da
die Forderung ##=0 oder KB = # unrealistisch wäre. Mithin ist es wichtig, den Winkelabgriff
möglichst nullpunktssicher zu gestalten! Die Störgröße Z ist nicht trennbar von
einer elektrischen Tarierung der Waage durch einen Hilfastrom . Sie kann einem Isolationsfehler
oder einem Fehler in einer elektrischen Tariereinrichtung entspringen. Sie bleibt
bei den hier angestellten Überlegungen im Hintergrund.
-
Unter der Störgröße Z4 sei ein Einfluß auf die Übertragungskonstante
des elektromagnetischen Kraftgliedes verstanden. Hierzu rechnen wir z.B. den Einfluß
der Temperatur auf die Kraftflußdichte des Magneten oder eine geometrische Änderung
, z.B. Ausschlag des Balkens mit Bewegung der Kraftspulte im Feld oder Durchhang
der Spannbandlagerung.
-
Solche Störungen gehen in die Konstante Km ein und äußern sich als
Empfindlichkeitsfehler. Der geometrische Einfluß kann durch die Form der Kraftspule
für begrenzten Ausschlag stark reduziert werden.
-
Für das dynamische Verhalten der Waage sind die betrachteten Störgrößen
unwesentlich, ebenso der 0Dertragungskoeffizient KB, solange KmKB t 1 ist. Maßgebend
sind dagegen die Empfindlichkeit des Winkelabgriffs, das Übertragungsmaß des nachfolgenaen
Verstärkers, die Konstante des Magnetsystems, das Trägheitsmoment des beweglichen
systems einschließlich Last und Gegengewicht und die DamDfune.
-
Je höher die Schleifenverstärkung
ist, desto schneller schwingt die Waage ein. An der Gesamtverstärkung ist als wirkamer
Parameter der Verstärkungsfaktor des dem Winkelabgriff nachgeschalteten Verstärkers
maßgebend beteiligt. Seiner beliebigen VergröfSerung sind durch die Gefahr der Selbsterregung
Grenzen gesetzt. Hierin liegt ein Nachteil des sonst sehr vorteilhaften Waagensystems
nach BP 1035371 5], bei dem Kraftspule und Winkelindikator identisch sind und daher
die Gefahr einer Rückkopplung von Ausgang des Verstärkers zu dessen Eingang über
die Schaltung unter Umgehung des eigentlichen Signalpfades besteht.
-
Im folgenden wird als Gegenstand der Erfindung eine elektromagnetische
Waage beschrieben, die nicht nur diesen Nachteil vermeidet, sondern durch eine besondere
Konstruktion und elektrische und magnetische Ausbildung die Einflüsse der Störgrößen
Z1,Z2 und Z4 zu beheben gestattet.
-
Nach Fig. 2 besteht der Balken 1 der Waage aus einem Fachwerk, Als
Werkstoff dient Quarz oder ein anderes Material von geringem Temperaturkoeffizienten.
In das Fachwerk sind Scheiben Q2 aus einem Isolierstoff mit möglichst gleichem Temperaturkoeffizienten
mit phototechnisch erzeugten Flachspulen eingegliedert. Die Flachspulen befinden
sich in den Luftspalten von je einem Paar C-förmiger Magnete 3 ) , von denen nur
das linke eingezeichnet ist.Sie schließen außen mit der Umrißlinie der Magnete ab,
während sie innen um einen bestimmten Betrag über die Polflächen überstehen. Dieser
Betrag ist für eine bestimmte Magnetgröße und einen festgelegten Luftspalt ermittelt.
Kriterium ist die Unabhängigkeit der Konstanten Km über einen möglichst großen Bereich
möglicher Verschiebungen. So wird die Konstante Km weitgehend unabhängig vom Balkenausschlag
und eine der Quellen für die Störgröße Z4 ist damit beseitigt.
-
An den Enden des Balkens greifen über schematisch gezeichnete Gehanges
und Schneiden oder Spitzen, die am Balken befestigt sind Last und Gegengewicht an.
lurch aie Wahl eines Werkstoffes von geringem Ausdehnungskoeffizienten als Material
für den Balken, das auch durch zeitliche Unveränderlichkeit gekennzeichnet sein
soll,
wird der durch Ungleicharmigkeit bedingte Anteil von Z1 klein gehalten. Über den
anderen Anteil wird noch gesprochen werden.
-
Die Zuführungen zu den Spulen laufen über die Holme des Balkens zu
dessen Achse unQ von da zu- den Spannbändern , , die mit der Achse durch Klemmen
verbunden sind. Durch gegenläufigen Windungssinn der jeweils auf beiden Seiten der
Spulenträger aufgebrachten Spulen können deren mittlere Enden durch ein1,och im
Träger miteinander verbunden werden. Die äußeren Enden werden zur Mitte des Balkens
geführt, ohne daß Kreuzungen auftreten. Durch die starre Verbindung der Leiterbahnen
mit dem isolierenden Trägermaterial bleiDt die geometrische Größe der Spulen merklich
konstant, Dies ist bezüglich der Störgröße Z4 vorteilhaft, denn es treten keine
geometriebedingten Änderungen der Konstanten ein. Außerdem neigen derart erzeugte
Spulen nicht zur absorption und Adsorption schädlicher Gas-und Dampfmengen.
-
Als Winkelabgriff wird auf jeder Seite eine neuartige induktive Anordnung
benutzt, die in Figur 2 Schematisch in auseinander gezQgener Darstellung wiedergegeben
ist. Sie besteht aus je einer Primärspule 47 , die als senkrecht stehende rähmchenförmige
Wicklung ausgebilaet ist und einer Sekundärspule 8 von gleicher Form aber waagerechter
Lage. Die beiden Spulen sind in ihrer gegenseitigen Orientierung so fixiert, daß
ihre Gegeninouktivitat ohne ein zusätzliches vermittelndes Glied gleich null ist.
Die Primärspule wird jeweils mit einer konstanten, vorzugsweise hochfrequenten Wechselspannung
aus einem gemeinsamen Oszillator erregt. Vorläufig ird in der zweiten keine Spannung
induziert. Es kann jedoch eine Spannung auftreten, wenn die Symmetrie des von 7
erzeugten Feldes gestört wird.
-
Dies bewirkt bei Ausschlag des Balkens der innerhalb der Kraftspulen
auf dem Spulenträger t befinaliche ringförmige Metallbelag d Er ist zweckmäßig zugleich
mit der Kraftspule fototechnisch erzeugt.
-
Gründsätzlich könnte er auch auf aer Innenfliche einer rechteckigen
Aussparung von 2 angebracht sein.
-
In der Ruhelage des Balkens liegen Ring und Primärspule auf gleicher
Höhe. Der Ring steht senkrecht zur- Sekundärspule und symmetrisch zu ihr. Das magnetische
eld der Primärspule induziert in dem' Bine eine Spannung, die einen Kurzschlußstrom
helvorruft. Dieser ist, außer durch die Flußaichte des primären Wechselfeldes und
die Frequenz, vorwiegend durch die Induktivität des Ringes bestimmt und daher um
ca 1800 gegenüber deni Primärstrom phasenverschoben. Das Magnetfeld des itingstronls
induziert Spannungen in den Leitern der Sekundärspule,
soweit sie
von Kraftlinien des Feldes umschlossen werden.
-
Bei symmetrischer stellung des Rings heben sich die induzierten Spannungen
in den Leiterelementen der Sekundärspule völlig auf.
-
Lenkt man den Ring aus der Ruhelage aus, 50 überwiegen die Spannungen
in der oberen oder unteren Hälfte der Sekundärspule und es tritt an den Enden aer
Wicklung eine Signalspannung auf. Nie sich durch Rechnung zeigen läßt , ist diese
für kleine Ausschlag proportional zur Verschiebuns des Rings und mithin zum Ausschlagswinkel
des Balkens. beim Durchgang durch die Ruhelage kehrt sich die Phase des Signals
um. Dana#ch wird hinsichtlich des Winkelabgriffs die gleiche irkllng, erzielt, wie
init einer bereits veröffentlichten Anordnung , sofern aie Sekundärspulen mit geeigneter
Polung parallel oder in Reihe geschaltet werden. Es werden jedocii zwei bedeutende
Vorteile erzielt: erstens ist die Sekundärspule bei voll erhalten gebliebener starrer
mechanischer Kopplung zwischen Kraftspule uno Abgriff galvanisch völlig getrennt.
Daher besteht keine Gefahr einer Rückkopplung des Verstärkers, während der regelungsdynamische
Vorteil der starren Verbinaung weiter besteht. Zweitens erlaubt es die Anordnung,
ein negatives Richtvermögen. zu erzeugen, das zur Kompensation des positiven Richtvermögens
der Spannbandlagerung geeignet ist. Dies beruht auf der Phasenverschiebung zwischen
dem Primärstrom und dem Kurzschlußstrom, die 180° beträgt.
-
Die beioen Ströme stoßen sich gegenseitig ab. Wenn der Kurzschlußring
auf der Höhe der Primärspule liegt, dann ist die Abstoßungskraft maximal. Lenkt
man den Balken aus, dann entsteht eine in hichtung der Auslenkung wirkende Komponente,
die eine vorhandene mechanische Rückstellkraft kompensieren kann. Ein Abgleich aer
Kräfte gelingt uuich Einstellen des Primärstroms. Die horizontale Komponente der
Abatoßungskraft wird von der Balkenlagerung aufgenommen.
-
SyLmetrische Anordnung beseitigt ein von ihr erzeugtes Drehmoment
und gewährleistet in erster Näherung Unabhängigkeit von Translationsbewegungen des
Balkens. Der Einfluß von Verschiebungen des Spulenträgers in Richtung er Achse des
Magnet systems ist durch folgenden Kunstgriff schon im einzelnen System behebbar;
Der Kurzschlußring liegt jn einer Ebene parallel zur Primärspule, in der eine Abstandsänderung
von dieser genau diejenige Veranderung des induzierten Stromes erzeugt, die notwenaig
ist, um den Gewinn oder Verlust an Empfindlichkeit durch die gleichzeitige entgegengesetzte
Abstandsvariation bezüglich der Sekundärspule auszugleichen.
-
Nun ist die elektrodynamische Abstoßungskraft auf den hing in geringem
laß auch von dessen elektrischer Leitfähigkeit abhängig.Dies
bewirkt
gegebenenfalls einen Fehler zweiter Ordnung, der z. B. durch Steuerung des Erregerstroms
in Abhängigkeit von der Temperatur oder durch einen Einfluß auf die Spannkraft der
Spannbänder mittels Bimetall kompensierbar ist. Die Betrachtung gilt für offene
Sekundärspule oder deren Abstimmung auf Resonanz durch eine parallelgeschaltete
Kapaziät. Var4able Impedanz parallel zur Sekundärspule würae eine Einflußnahme auf
das Richtvermögen erlauben.
-
Gegenüber bekannten Winkelabgriffen mit Differentialtransformatoren
oder Differentialdrosseln besteht der Vorteil, daß das neue System kein Ferromagnetikum
in Verbindung mit dem Balken enthält, das Alllaß zu einer Störgröße Z1 geben könnte.
Eine Störung durch ein synchrones hochfrequentes Magnetfeld wäre im Prinzip denkbar,
ist aber äußerst unwahrscheinlich und könnte durch Abschirmen viel leichter
beseitigt werden, als dies bei einem'magnetischen Störfeld möglich ist.
-
Der geschilderte Lagen-oder Winkelabgriff läßt sich in verschiedenen
Variationen ausführen. Eine andere vorteilhafte Ausbildung , die mit der Achse des
Waagebalkens verbunden werden kann, wird in Fig 3 gezeigt. Sie enthalt eine rähmehenförmige
Spule als P Primärspule und zwei ähnlich geformte, symmetrisch una senkrecht zu
ihr orientierte Spulen ; als Sekundärspulen. Um die innere, feststehende Spule legt
sich ein geschlossener rechteckiger Ring 8 aus gut leitendem Metall, der mit dem
Waage balken beweglich ist. Dieser Ring vermit-telt die Kopplung zwischen der inneren
Spule und dem äußeren Spulenpaar. Liegt der Ring in der Ebene der rimärspule, dann
ist die Gegeninduktivität der beiden Spulen gleich null, wird er aus der Ebene herausgedreht,
dann ist sie von null verschieaen. Bei erregt er Primärspule entsteht dann in der
Sekundärspule ein dem Ausschlagwinkel näherungsweise proportionales Signal. Verschieben
des Kurzschlußringes parallel zu sich selbst in verschiedenen Richtungen hat in
erster Ordnung keinen Fehler zuf Folge. Die Anordnung läßt sich nicht nur als Lagenindikator
für den bereits Deschriebenen Waagebalken verwenden, sondern auch unabhängig von
diesem als Bilfs mittel zur Messung kleines Verdrehungswinkel oder zur selbsttätigen
Drehmomentkompensation im weitesten Sinn. Auch bei diesem System entstehen ausschlagsproportionale
Kräfte bzw. Drehmomente, die zur Kompensation positiven Richtvermögens infolge von
Federn oder Spannbändern geeignet sind.
-
Für geringere Ansprüche an die Meßgenauigkeit können grundsätzlich
auch anders hergestellte Spulen, z.B. freitragende Flachspulen als Kraft spulen
verwendet werden und auch Metallringe primitiverer Herstellungsweise
am
beweglichen System als Lagenindikator befestigt werden.
-
Ebenso kann für verminderte Genauigkeitsansprüche ein unsymmetrisches
System verwendet werden, das nur eine Kraft spule zusammen mit einem Kurzschlußring
am Balken und auch nur ein Paar von feststehenden Spulen enthält.