DE2400881C2

DE2400881C2 - Elektromagnetisch kompensierende Waage

Info

Publication number: DE2400881C2
Application number: DE19742400881
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Phys. Dr. Berg; Eberhard Dipl.-Phys. 3400 Göttingen Stadler
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1974-01-09
Filing date: 1974-01-09
Publication date: 1982-11-18
Also published as: DE2400881A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elekü .magnetisch kompensierende Waage gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Bei einer bekannten Waage dieser Art (CH-PS 5 21 575) wird die Korrekturspule über einen zweiten Regelkreis so angesteuert, daß der durch sie hindurchfließende Strom die Magnetflußdichte des Permanentmagneten so ändert, daß eine Änderung der Erdbeschleunigung bzw. ein durch eine geneigte Aufstellung der Waage bedingter verringerter Einfluß der Erdbeschleunigung ausgeglichen wird. Als diese Änderungen erfassender Meßfühler dient dabei ein Referenzteil konstanter Maße, der eine ebenfalls im Feld des Permanentmagneten angeordnete Spule umfaßt, die von einem konstanten Strom durchflossen wird und deren Null-Lage von einem entsprechenden zweiten Nullagen-Indikator überwacht wird.

Tritt nun aufgrund der eben genannten Änderungen der Erdbeschleunigung bzw. ihrer wirksamen Komponente eine Auslenkung des Referenzteiles aus seiner Nullage auf, so wird das hierbei vom zweiten Nullagen-Indikator abgegebene Signal zur Ansteuerung des zweiten Regelkreises verwendet, der daraufhin den Strom durch die Korrekturspule so einstellt, daß das Magnetfeld des Permanentmagneten so abgeändert wird, daß der Referenzteil in seine Nullage zurückkehrt. Darüber hinaus soll dieses System aber auch in der Lage sein, die sieh aufgrund von Temperatursehwankungen Und/oder Altern des Permanentmagneten ergebenden Änderungen der Mägnetflußdichte auszuschalten, Wobei allerdings hier das Ergebnis des Regelvorganges nicht wie oben eine geänderte, sondern eine konstantgehaltene Magnetflußdichte sein soll.

Diese bekannte Anordnung weist jedoch neben ihrem sowohl mechanisch als auch elektronisch aufwendigen Aufbau den weiteren Nachteil auf, daß ein optimaler Ausgleich von Temperatureinflüssen allenfalls für zwei auf der Temperaturskala voneinander beabstandet liegende Punkte, nicht aber für den gesamten dazwisehen liegenden Bereich möglich ist.

Weiterhin ist es aus der Meßtechnik bekannt (ATM Blatt Z 119-8 [September 19731 Seiten 177-180) einen parallel zu einem Meßwiderstand liegenden temperaturabhängigen Widerstand mit negativer TemperMurcharakteristik zu verwenden, der auf der Temperatur des Permanentmagneten gehalten wird. Hierdurch läßt sich der Einfluß des Temperaturkoeffizienten des Permanentmagneten auf die Anzeige der elektromagnetisch kompensierenden Waage um größenordnungsmäßig eine Zehnerpotenz senken.

Auch bei diesem Verfahren ergibt sich der Nachteil, daß der Temperaturabgleich wegen der nichtlinearen Kennlinien der handelsüblichen Widerstände mit negativer Temperaturcharakteristik nicht über einen größeren Temperaturbereich hinweg zufriedenstellend wirksam ist. Für einen ausreichenden Temperaturausgleich sind daher ganze Netzwerke von Festwiderständen und temperaturabhängigen Widerständen erforderlich. Abgesehen von den Kosten derartiger Netzwerke ist ihre Justierung sehr aufwendig.

Schließlich sind weichmagnetische Werkstoffe bekannt, die als magrjstischer Nebensciiluß eingesetzt werden und durch ihren negativen Temperaturkoeffizienten der Sättigungsmagnetisierung das magnetische Nutzfeld temperaturunabhängig machen sollen (VAC Vakuumschmelze, Firmenblatt M 015, weichmagnetische Werkstoffe, 2. Ausgabe 1/72). Nachteilig ist hier jedoch die Schwächung des Nutzfeldes und die Schwierigkeit einer Justierung.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetisch kompensierende Waage, wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben ist, so weiterzubilden, daß ein Ausgleich nicht nur von lastabhängigen iViagnetflußdichteänderungen, sondern auch von Ί emperaiureinflüssen mit einfachen Mitteln auch über größere Temperaturbereiche hinweg optimal möglich 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 Feidänderungen. Andererseits ändert der Ohmsche Widerstandswert der Korrekturspule bei Temperaturänderungen selbsttätig das Übertragungsverhalten des Widerstands-Netzwerkes so, daß sich auigrund von Temperaturänderungen ergebende Änderungen der Magnetflußdichte in der Anzeige korrigiert werden.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, daß die Korrekturspule auf den aktiven Teil des Permanentmagneten aufgewikkelt werden kann, wodurch gleichzeitig für einen guten thermischen Kontakt gesorgt ist. Es entfallen hierbei alle die Schwierigkeiten, die sieh ergeben, wenn ein zusätzlicher Widerstand in guten thermischem Kontakt mit dem Magneten gebracht werden soll.

In vorteilhafter Weiterleitung kann als Material für die Korrekturspule und damit für den Temperaturabgleichswiderstand ein Metall guter elektrischer Leitfähigkeit dienen, zum Beispiel Kupfer, Vorteilhaft ist hierbei, daß der Temperaturkoeffizient derartiger

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Metalle über einen großen Temperaturbereich hinweg praktisch konstant bleibt

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich mit einer vorbekannten Temperaturabgieich-Schaltung anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine vorbekanntc Temperaturabgieich-Schaltung und

F i g. 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 Nach F i g. 1 ist ferner die Korrekturspule 7 bzw. nach F i g. 2 ein als Kurrekiurspule dienender Temperaturabgleich-Widerstand 23 vorgesehen.

Bei der vorbekannten Schaltung nach Fig. 1 ^;rt die Korrekturspule 7 mit der Kompensationsspule 1 und mit einer Parallelschaltung in Reihe geschaltet, die in dem einen Zweig den Meßwiderstand 9 und in dem anderen Zweig den Festwiderstand 11 und den Temperaturabgleich-Widerstand 13 in Reihenschaltung und in einem dritten Zweig den Analog- bzw. Digitalanzeiger 15 enthält Der Temperaturabgleich-Widerstand 13 weist eine negative Temperaturcharakteristik auf. Der Strom fließt dabei über den Massenanschluß zum Regelverstärker 3 zurück. Die Meßspannung wird beiderseits des Meßwiderstandes 9 und der Reihenschaltung 11, 13 abgegriffen und einem sehr hochohmigen Analog- oder Digitalanzeiger 15 zugeführt. Der Temperaturabgleich-Widerstand 13 steht in wärmeleitender Verbindung mit dem Permanentmagneten.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung nach F i g. 2 teilt sich der auo 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 Festv/iderständen 19 und 21 und dem Temperaturabgleich-Widerstand 23, der eine positive Temperaturcharakteristik 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 Analog- oder Digitalanzeiger 15 abgegriffen.

Durch eine Rechnung soll nun gezeigt werden, wie diese Ausgangsspannung unabhängig gemacht werden kann von der Temperaturcharakteristik des Permanent magneten.

Mit dem Temperaturkoeffizienten α des Permanentmagneten ändert sich der durch die Kompensationsspu-Ie 1 fließende Strom /. Der Temperaturkoeffizient α ist negativ. Ist I_n die Stromstärke bei einer willkürlich gewählten Bezugstemperatur, so gilt für die Temperaturabhängigkeit des Stromes / Formel 1 der beigefügten Formelblätter. Für den temperaturabhängigen Widerstandswert Ar des Tempera turabgleich-Widerstands 23 gilt Formel 2, wobei R₀ der Widerstandswert bei der Bezugstemperatur ist und β der positive Temperaturkoeffizient des Widerstandsmaterials.

Wie Fig.2 zeigt, teilt sich der Strom /in die beiden Zweigströme I\ und h auf. Die Widerstände 17, 19 und 21 haben die Widerstandswerte R\, /?2 bzw. Rj. Aus Fi g. 2 ergeben sich unmittelbar die Gleichungen 3 und

ίο 4. Setzt man aus Gleichung 3 h — I— h in Gleichung 4 ein, so ergeben sich die Gleichungen 5 bis 8. Multipliziert man beide Seiten der Gleichung 8 mit Rj, so erhält man Gleichung 9.

Wird in Gleichung 9 für /Gleichung 1 eingesetzt und für Rt Gleichung 2, so ergeben sich die Gleichungen 10 und 11. Das Produkt h ■ Rj 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 c¹ in, wenn der rechte Bruch den Wert J annimmt. Die:, 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 Voraussetzung, 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 Widirstandswert der Korrekturspule 23 an. Die Windungszahl der Korrekturspule läßt sich aus Gleichung 17 herleiten: Will man gegenüber der bekannten Schaltung nach Fig. 1 auf dieselbe Amperewindungszahl kommen, so muß die Windungszahl im Verhältnis /0//2 erhöht werden.

Erläuterung: Beträgt die Amperewindungszahl bei der Schaltung nach Fig. 1 n\ ■ /und bei der Schaltung nach F i g. 2 /J₂ ■ I₂, so liegen gleiche Amperewindurgszahlen vor, wenn n\ ■ I= n₂ ■ h ist Daraus ergibt sich: Π2/Π1 = l/h und für die Bezugstemperatur Π2/Π1 = WI₂.

Die Widerstandswerte A₁, R7 und Rj 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 F i g. 2 wird als Ausgangsgröße die Meßspannun* U als Spannungsabfall am Festwiderstand R₁ gemessen. Statt dessen kann als Ausgangsgröße auch der Strom I₂ dienen, der dann an einem Amperemeter gemessen wird, das in Reihe mit dem Temperaturabgvich-Widerstand 23 liegt. Die Festwiderstände Ri und/oder Ri können bei dieser Anordnung entfallen.

Formelblätter

/=4(1-ff' At). Rr-Bail+ß'AT).

(D (2)

24 OO

I₁ +I₂ = /

I₁ -Ri = I₂ -(R_r +R₂ + R₃) (l-h)R\ = h (Rr+Rz+ R₁) I - R\ ⁼ I₂Rr +1₂ R\+ Ii R₂+1₂ R₃ j- r₂(Rr+R\+R₂+R₃)

r- J-Ri

R_r+Ri+R₂+R₃

I₂-R₃ =

1-R₁-R₃

R_T+R₁+R₂+R₃ A · Ä> = U · R. ■ Λ, ·

t+Ri+Ri+Ro+ß-Ro-AT J₀-R₁-R₃ \-α·ΑΤ '

, +R₂ +R₃ +R₀

J-R₀-AT

- ar (Ri +R₂ +R₃) -aRo^ß- -a(R₁ +R₂ +R₃) = A₀ 08+a)

= (R_x+R₂+R_z)

-g jS+ff

I₀ R₁ +R₂ +R₃ +R₀

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

(7) (8) (9)

an

(12) (13)

(14) (15)

(16) (17)

Claims

Patentansprüche:

1. Elektromagnetisch kompensierende Waage mit einem Permanentmagneten mit negativem Temperaturkoeffizienten α, einem von einem Null-Lage-Indikator beaufschlagten Regelverstärker, einer Kompensationsspule, einer Korrekturspule zum Ausgleich der durch den Strom durch die Kompensationsspule hervorgerufenen Änderungen der Magnetflußdichte, mit einem temperaturabhängigen Widerstand in einem Zweig eines Widerstandsnetzwerkes zum Ausgleich von Temperatureinflüssen und einer an das Widerstandsnetzwerk angeschlossenen Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturspule (23) zugleich als temperaturabhängiger Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten β ausgelegt ist, daß mit der Korrekturspule (23) in demselben Zweig des Netzwerkes f 17,19.21,23) ein Festwiderstand (21) in Reihe liegt, zn dem die Meßeinrichtung (15) parallel geschaltet ist, und daß die Widerstandswerte R\, R₂, R₀, R₃ des Netzwerkes (17, 19, 21, 23) so dimensioniert sind, daß sich die Einflüsse der Temperaturkoeffizienten λ, β von Permanentmagnet und Korrekturspule (23) gegenseitig aufheben.

2. Elektromagnetisch kompensierende Waage nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der Korrekturspule (23) ein Metall guter elektrischer Leitfähigkeit dient