-
Auswägeeinrichtung mit elektromagnetischer Kraftkompensation und Vorrichtung
zum Temperaturabgleich Die Erfindung bezieht sich auf eine Auswägeeinrichtung der
im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art. Auswägeeinrichtungen mit elektromagnetischer
Kraftkompensation sind z.B. bekannt aus den DT-AS 1 236 220 und 1 549 280 der Anmelderin.
-
Es ist erwünscht, die geringe Änderung der Feldstärke des Permanentmagneten
als Folge des Stromes, der der Kompensationsspule zur Kraftkompensation zugeführt
werden muß, zu kompensieren. In teilweiser Verwirklichung der Erfindung geschieht
dies durch Anordnung einer Korrekturspule am Permanentmagneten, die dann den Einfluß
des Stromes durch die Kompensationsspule auf den Permanentmagneten kompensiert.
Das Ergebnis ist ein konstantes Magnetfeld, das vom Strom unabhängig ist.
-
Bei optimal ausgelegter Elektronik arbeitet die Auswägeeinrichtung
praktisch weglos, d.h. Auslenkungen der Kompensationsspule sind praktisch nicht
wahrnehmbar. Die EmpSindlichkeit, nämlich das Verhältnis von Änderungen der lastproportionalen
Ausgangsspannung zu diese hervorrufenden Masseänderungen, wird nur durch die geometrischen
Daten der Kompensationsspule, durch die Feldstärke des Permanentmagneten und den
Meßwiderstand bestimmt, an dem die- lastproportionale
Ausgangsspannung
abgegriffen wird.
-
Bei Temperaturänderungen ändert sich auch die Empfindlichkeit der
Auswägeeinrichtung, und zwar hauptsächlich infolge des Temperaturkoeffizienten des
Permanentmagneten. Selbst bei Alnico, dem Magnetmaterial, dessen Feldstärke sich
bei Temperaturänderungen am wenigsten verändert, nimmt die magnetische Feldstärke
bei steigender Temperatur um ca. 2.10-4 je 0C ab. Um diesen Einfluß zu eliminieren,
ist ein Temperaturabgleich erforderlich.
-
Wie in der Meßtechnik allgemein bekannt ist (vgl. z.B. ATM Blatt Z
119-8 (September 1973), Seiten 177 bis 180) kann ein parallel zum Meßwiderstand
liegender temperaturabhängiger Widerstand mit negativer Temperaturcharakteristik
verwendet werden, der auf der Temperatur des Permanentmagneten gehalten wird (Fig.1).
Hierdurch läßt sich der Einfluß des Temperaturkoeffizienten des Permanentmagneten
auf die Anzeige der Auswägeeinrichtung um grbßenordnungsmäßig eine Zehnerpotenz
senken.
-
Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der Temperaturabgleich
wegen der nichtlinearen Kennlinien der handelsüblichen Widerstände mit negativer
Temperaturcharakteristik nicht über einen größeren Temperaturbereich zufriedenstellend
wirksam ist. Für einen ausreichenden Temperaturabgleich sind daher ganze Netzwerke
von Festwiderständen und temperaturabhängigen Widerständen dieser Art erforderlich.
Abgesehen von den Kosten derartiger Netzwerke ist ihre Justierung sehr aufwendig.
-
Andererseits sind weichmagnetische Werkstoffe bekannt, die als magnetischer
Nebenschluß eingesetzt werden und durch ihren negativen Temperaturkoeffizienten
der Sxttigungsmagnetisierung das magnetische Nutzfeld temperaturunabhängig machen
sollen. (VAC Vacuumschmelze, Firmenblatt M 015, Weichmagnetische Werkstoffe, 2.
Ausgabe 1/72). Nachteilig
ist hierbei jedoch die Schwächung des
Nutzfeldes und die Schwierigkeit einer Justierung.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Auswägeeinrichtung mit elektromagnetischer
Kraftkompensation den Einfluß des Stromes durch die Kompensationsspule auf den Permanentmagneten
zu kompensieren und dabei einen Temperaturabgleich zu schaffen, der einerseits in
einem großen Temperaturbereich wirksam ist und andererseits ohne größeren technischen
Aufwand zu realisieren ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
von Anspruch 1 gelöst.
-
Hiernach-übernimmt also ein und derselbe Bauteil, nämlich die Korrekturspule
zwei voneinander unabhängige Funktionen.
-
Einerseits erzeugt sie ein Korrekturfeld zum Ausgleich der von der
Kompensationsspule hervorgerufenen Feldänderungen.
-
Andererseits ändert der ohmsche Widerstandswert der Korrekturspule
bei Temperaturänderungen selbsttätig das Übertragungsverhalten des Widerstands-Netzwerkes
so, daß sich bei Temperaturänderungen ergebende Feldstärkeänderungen des Magneten
in der Anzeige'korrigiert werden.
-
Wird die Korrekturspule auf den aktiven Teil des Permanentmagneten
aufgewickelt, so ist für einen guten thermischen Kontakt zwischen beiden gesorgt
und es entfällt die Notwendigkeit und unter Umständen Schwierigkeit, einen zusätzlichen
Widerstand in guten thermischen Kontakt mit dem Magneten zu bringen.
-
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann als Material für
die Korrekturspule und damit den Temperaturabgleichwider stand ein Metall guter
elektrischer Leitfähigkeit dienen, z.B. Kupfer. Vorteilhaft ist hierbei, daß der
Temperaturkoeffizient derartiger Metalle über einen großen Temperaturbereich praktisch
konstant bleibt.
-
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich
mit einer vorbekannten Temperaturabgleich-Schaltung anhand der Zeichnung beschrieben.
-
Fig. 1 zeigt eine vorbekannte Temperaturabgleich-Schaltung und Fig.
2 zeigt eine Temperaturabgleich-Schaltung nach der Erfindung.
-
Beide Schaltungen enthalten die Kompensationsspule 1, die im Feld
des nichtdargestellten Permanentmagneten beweglich angeordnet ist, z.B. als Drehspule
oder als Tauchspule und die in irgendeiner Weise die Last trägt. Zur Speisung der
Kompensationsspule 1 dient ein Regelverstärker 3, der durch die Kompensationsspule
einen Strom solcher Stärke fließen läßt, daß die Wirkung der Last gerade kompensiert
wird. Der Regelverstärker 3 wird gesteuert durch einen Indikator 5, der eine Auslenkung
der Kompensationsspule feststellt. In beiden Schaltungen ist ferner die Korrekturspule
7 vorgesehen.
-
Bei der vorbekannten Schaltung nach Figur 1 ist die Korrekturspule
7 mit der Kompensationsspule 1 und einem Meßwiderstand 9 in Reihe geschaltet. Der
Strom fließt über den Massenanschluß zum Regelverstärker 3 zurück. Parallel zum
Meßwiderstand 9 ist eine Reihenschaltung aus einem Festwiderstand 11 und einem Temperaturabgleich-Widerstand
13 mit negativer Temperaturcharakteristik vorgesehen. Die Meßspannung wird beiderseits
des Meßwiderstandes 9 und der Reihenschaltung 11, 13 abgegriffen und einem Analog-
oder Digitalanzeiger 15 zugeführt. Der Temperaturabgleich-Widerstand 13 steht in
wärmeleitender Verbindung mit dem Permanentmagneten.
-
Be der erfindungsgemäßen Schaltung nach Figur 2 teilt sich der aus
der Kompensationsspule 1 kommende Strom in zwei Zweige einer Parallelschaltung auf,
von denen der eine Zweig einen Festwiderstand 17 enthält. Der andere Zweig ist eine
Reihenschaltung aus zwei Festwiderständen 19 und 21 und dem Temperaturabgleich-Widerstand
23, der eine positiveTemperaturaharakteristik hat und gleichzeitig als Korrekturspule
dient. Zu diesem Zweck ist die Korrekturspule auf den wirksamen Teil des Permanentmagneten
aufgewickelt. Beiderseits des Festwiderstandes 21 wird die Ausgangsspannung für
den Analoga oder Digitalanzeiger 15 abgegriffen.
-
Durch eine Rechnung soll nun gezeigt werden, wie diese Ausgangsspannung
unabhängig gemacht werden kann von der Temperaturcharakteristik des Permanentmagneten.
-
Mit dem Temperaturkoeffizienten X des Permanentmagneten ändert sich
der durch die Kompensationsspule 1 fließende Strom I. Der Temperaturkoeffizient
G ist negativ. Ist 1o die Stromstärke bei einer willkürlich gewählten Bezugstemperatur,
so gilt für die Temperaturabhängigkeit des Stromes I Formel 1 der beigefügten Formelblätter.
Für den temperaturabhängigen Widerstandswert RT des Temperaturabgleich-Widerstands
23 gilt Formel 2, wobei Ro der Widerstandswert bei der Bezugstemperatur ist und
ß der positive Temperaturkoeffizient des Widerstandsmaterials.
-
Wie Figur 2 zeigt, teilt sich der Strom 1 in die beiden Zweigströme
I1 und I2 auf. Die Widerstände 17, 19 und 21 haben die Widerstandswerte R1, R2 bzw.
R3 . Aus Figur 2 ergeben sich unmittelbar die Gleichungen 3 und 4. Sezt man aus
Gleichung 3 Ii = I - 12 in Gleichung 4 ein, so ergeben sich die Gleichungen 5 bis
8. Multipliziert man beide Seiten der Gleichung 8 mit R3 , so erhält man Gleichung
9.
-
Wird in Gleichung 9 für I Gleichung 1 eingesetzt und für RT Gleichung
2, so ergeben sich die Gleichungen 10 und 11.
-
Das Produkt 12 R3 stellt den am Meßwiderstand auftretenden Spannungsabfall,
also die Meßspannung U dar. Diese ist, wie Gleichung 11 zeigt, ein Produkt aus zwei
Brüchen, von denen nur in dem rechten Bruch Temperaturkoeffizienten auftreten. Temperaturunabhängigkeit
erreicht man dann, wenn der rechte Bruch den Wert 1 annimmt. Dies ist der Fall,
wenn Gleichung 12 gilt. Durch Vereinfachung ergibt sich Gleichung 13, woraus man
durch Umstellungen die Gleichungen 13 bis 16 erhält.
-
Unter der oben gemachten Voraussetzùng, daß der rechte Bruch in Gleichung
11 zu 1 wird, erhält man durch Kürzung und Umstellung des verbleibenden Teils dieser
Gleichung die Gleichung 17.
-
Gleichung 16 gibt den notwendigen Widerstandswert der Korrekturspule
23 an. Die Windungszahl der Korrekturspule läßt sich aus Gleichung 17 herleiten:
Will man gegenüber der bekannten Schaltung nach Figur 1 auf dieselbe Amperewindungszahl
kommen, s-o muß die Windungszahl im Verhältnis I0/I2 erhöht werden.
-
Erläuterung: Beträgt die Amperewindungszahl bei der Schaltung nach
Figur 1 n1. I und bei der Schaltung nach Figur 2 n2 . I2 , so liegen gleiche Amperewindungszahlen
vor wenn nl I 1 = n2 . I2 ist. Daraus ergibt sich: n2 / n1 = 1/12 und für die Bezugstemperatur
n2 / n1 = I0/I2.
-
Die Widerstandswerte R1 , R2 und R3 sind noch frei wählbar und können
so optimiert werden, daß man entweder - eine kleine Windungszahl der Korrekturspule
oder - eine geringe Leistungsaufnahme der Widerstandskombination oder
-
eine geringe Leistungsaufnahme der Korrekturspule oder - einen geringen Spannungsabfall
an (R2 + RT) zusätzlich zur Meßspannung erhält.
-
Dabei kann R2 auch zu Null werden.
-
Bei der Schaltung nach Figur 2 wird als Ausgangsgröße die Meßspannung
U als Spannungsabfall am Festwiderstand R3 gemessen. Stattdessen kann als Ausgangsgröße
auch der Strom I2 dienen, der dann an einem Amperemeter gemessen wird, das in Reihe
mit dem Temperaturabgleich-Widerstand 23 liegt. Die Festwiderstände R2 und/oder
R3 können bei dieser Anordnung entfallen.
-
Formelblätter I = I0 (1 - α.#T) (1) RT = R0 (1 + ß.#T) (2)
I1 + I2 = I I1 . R1 = I2 . (RT + R2 + R3) (4) (I - I2) R1 = I2 (RT + R2 + R3) (5)
I . R1 = I2 RT + I2 R1 + I2 R2 + I2 R3 (6) I2(RT + R1 + R2 + R3) I = (7) R1 I .
R1 I2 = (8) RT + R1 + R2 + R3 I2 . R3 = (9) RT + R1 + R2 + R3 1 - α.#T I2
. R3 = I0.R1 . R3 .
-
R1 + R2 + R3 + R0 + ß . R0.#T (10)
1-α.#T = 1 + T . R0 .T (12) R1 + R2 + R3 + R0
ß . R0 - α
= (13) R1 + R2 + R3 + R0 - α (R1 + R2 + R3) - αR0 = ß.R0 (14) - α
(R1 + R2 + R3) = R0 (ß +α) (15) - α R0 = (R1 + R2 + R3) . (16) ß + α
12 - R1 (17) I0 R1 + R2 + R3 + R0