DE2502917A1

DE2502917A1 - Elektromagnetische kompensations- waegevorrichtung

Info

Publication number: DE2502917A1
Application number: DE19752502917
Authority: DE
Inventors: Peter Kunz; Felix Strobel
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Toledo GmbH Germany
Priority date: 1974-12-06
Filing date: 1975-01-24
Publication date: 1976-06-10
Also published as: JPS5173061U; GB1475957A; FR2293699A1; DE2502917B2; DE2502917C3; US3986571A; CH578168A5; JPS5539293Y2; FR2293699B3

Description

Patentanwälte jk Jan DIpL-In₃. A. WEDDE

DipL-Ing. K. E M P L ^

München 80, Schumannstr. 2 f J-8 4 O

Mettler Instrumente AG, Greifensee (Schweiz)

Elektromagnetische Kompensations-Wägevorrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Kompensations-Wägevorrichtung mit einer die Grosse des Kompensations- stromes bestimmenden Regelschaltung, umfassend einen Nulllagendetektor und einen dessen Signale aufnehmenden Regler. Waagen dieser Art sind seit geraumer Zeit bekannt und haben infolge ihrer verschiedenartigen Vorteile zunehmende Ver-. breitung gefunden.

Ein wesentliches Problem bei solchen Waagen ist es, den Einfluss externer Vibrationen auf die Waage, insbesondere auf die Resultatausgabe, zu verringern, wenn möglich zu eliminieren. Dieser Aufgabe kommt umso grössere Bedeutung zu, je höher die Auflösung der Waage ist.

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ORIGINAL INSPECTED

Die vorliegende Erfindung entstand aus der erwähnten Aufgabenstellung, wobei es im weiteren darum ging, den technischen Aufwand im Vergleich zum angestrebten Erfolg klein zu halten.

Die Erfindung geht aus von der Erfahrungstatsache, dass die am häufigsten auftretenden externen Vibrationen relativ kleine Amplituden aufweisen (bei vorwiegend relativ hohen Frequenzen). Sie schlägt vor, bei Wägevorrichtungen der eingangs erwähnten Art dem Eingang des Reglers eine Schaltung zuzuordnen, die wenigstens einen spannungsabhängigen Widerstand mit stark gekrümmter Kennlinie enthält, dergestalt, dass die Regelcharakteristik abhängig von der Amplitude des Signals vom Nullagendetektor modifiziert wird. Mit dieser Massnahme lässt sich die Mehrzahl der praktisch auftretenden, von aussen auf die Waage einwirkenden störenden Vibrationen so unterdrücken, dass das Wägeverhalten von ihnen nicht mehr beeinflusst wird und insbesondere die Anzeige ruhig bleibt, ohne dass das Messergebnis verfälscht wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schaltung eine dem Regler vorgeschaltete amplitudenabhängige Dämpfungsschaltung. Diese Anordnung hat den Vorteil; dass bei an sich unverändertem Regler vom Nullagendetektor kommende Signale kleiner Amplitude sowohl niedriger als auch höherer Frequenzen stark gedämpft werden.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf

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.Wägevorrichtungen mit einem PID-Regler und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung eine dem D-Teil des Reglers vorgeschaltete Schwelle ist, welche dem Regler unterhalb einer Grenzamplitude des Signals vom Nullagendetektor ein PI-Verhalten verleiht. Es wird also hier in Abhängigkeit von der Amplitude des Eingangssignals das Verhalten des Reglers selbst geändert, nämlich das durch den D-Teil des Reglers bedingte schnelle Ansprechen auf Signale kleiner Amplitude verhindert. Das Verhalten des PI-Teils des Reglers sowie die gewünschte (grosse) Verstärkung des ganzen Regelkreises bleiben dabei erhalten. Sehr niederfrequente Störsignale gehen entsprechend dem PI-Verhalten in das Regelsignal ein, d.h. die Modifikation der Regelcharakteristik bezieht sich hier nur auf höhere Frequenzen.

Vorzugsweise werden als spannungsabhängige Widerstände zwei antiparallel geschaltete Dioden vorgesehen, da dies eine besonders wirtschaftliche Anordnung ergibt.

Nachstehend werden anhand der Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar

Figur 1 a und b das erste Ausführungsbeispiel in teilweise blockschematischer Darstellung, Figur 2 ein Detail zu Figur Ib,

Figur 3 eine qualitative Darstellung der Wirkungsweise der Schaltung des ersten Ausführungsbeispiels, Figur 4 den wesentlichen Bestandteil des zweiten Ausführungsbeispiels , und
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Figur 5 eine qualitative Darstellung der Wirkungsweise der Schaltung des zweiten Ausführungsbeispiels.

Zur Erläuterung der Erfindung wurde als Beispiel eine parallelgeführte oberschalige Waage ohne Waagbalken gewählt. Es sei jedoch festgehalten, dass sich die erfindungsgemässe Anordnung auch für andere Waagentypen, beispielsweise mit Waagbalken, eignet.

Die Waage umfasst gemäss Fig. la eine Waagschale 10 zur Aufnahme des Wägegutes m. Die Waagschale 10 ist fest am oberen Ende eines Schalenträgers 12 montiert, an dessen unterem Ende eine Tauchspule 14 befestigt ist. Diese taucht in einen ringförmigen Spalt 16 eines topfförmigen Permanentmagneten 18, der fest im Waagengestell 20 ruht. Der Schalenträger 12 wird mittels zweier ebenfalls im Waagengestell 20 verankerter Lenker 22, 22' derart parallel geführt, dass er beim Wägevorgang im wesentlichen nur eine Vertikalbewegung ausführen kann.

Zwischen den beiden Lenkern 22, 22' ist ein Nullagendetektor 24 angeordnet, der eine ortsfeste Kondensatorplatte 26 (am Waagengestell befestigt) und zwei dieser benachbarte, am Schalenträger 12 montierte weitere Kondensatorplatten 28, 28' umfasst.

In Fig. 1 b ist der Regelkreis dargestellt. In bekannter Weise liefert der als Differentialkondensator arbeitende Nullagendetektor 24 mittels einer Abtastschaltung 30 (üblicherweise eine Wechselstrombrücke mit Gleichrichtung des Äusgangssignals) ein Fehlersignal, das" einem Regler 32 zu-

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geführt wird und die Grosse eines in einem Verstärker 34 verstärkten Korrektur- oder Kompensationsstroms bestimmt, der der Tauchspule 14 zugeführt wird und durch, seine elektromagnetische Kraftwirkung im Luftspalt 16 des Permanentmagneten 18 bestrebt ist, der den Schalenträger 12 auslenkenden Kraft entgegenzuwirken. Im eingeschwungenen oder Gleichgewichtszustand ist der Kompensationsstrom ein Mass für das Gewicht des Wägegutes. Dieses kann dann mittels einer Auswerteschaltung 36 erhalten und auf eine Anzeige 38 gegeben (und gegebenenfalls über einen weiteren Ausgang registriert) werden. Die Auswerteschaltung 36 kann dabei in ebenfalls bekannter Weise ein Digitalvoltmeter umfassen, das die durch den Kompensationsstrom an einem hochgenauen Messwiderstand erzeugte gewichtsporportionale Spannung misst.

Wie durch den die Elemente 14 und 30 verbindenden gestrichelten Pfeil angedeutet ist, bildet das ganze System einen Regelkreis unter Einschluss des mechanischen Teils der Waage. Um nun die Auswirkung externer Störbeschleunigungen auf diesen Regelkreis (und damit auf die Anzeige 38) merklich zu reduzieren, wurde zwischen der Abtastschaltung 30 und dem Regler 32 erfindungsgemäss eine Dämpfungsschaltung 40 angeordnet. Diese ist in Fig. 2 näher dargestellt und umfasst. im wesentlichen eine Parallelschaltung eines Widerstandes 42 und zweier Dioden 44, 44', welche in Serie zu einem Widerstand 46 liegt. Sie wirkt wie folgt: So lange die Dioden 44, 44' sperren, wird das von der Abtastschaltung 30

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kommende Fehlersignal U im Verhältnis des Widerstandes zur Summe der Widerstände 4 2 und 46 verändert und als entsprechend kleineres Signal U. dem Regler 3 2 zugeführt. Verhalten sich z.B. die Widestände 42 und 46 wie 9:1, so wird U. (bei entsprechender Wahl des unten erläuterten Widerstandes 50) nur noch ein Zehntel des Wertes von U betragen. Ist

die Amplitude des Fehlersignals hingegen so gross, dass die Dioden leiten (z.B. während des Einschwingens der Waage nach Belastung -mit Wägegut), dann erreicht das Fehlersignal praktisch unverändert den Regler 32 (U = U.). Der Zusammenhang

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ist qualitativ aus Figur 3 ersichtlich: Links der gestrichelten Linie, im Sperrbereich der Dioden 44, 44', ist das Verhältnis U./U wesentlich kleiner als 1 (im Beispiel: 1 zu 10). Rechts davon ist es etwa 1, d.h. das Fehlersignal erreicht den Regler nahezu unverändert.

Es ist also möglich, durch eine entsprechende Wahl der Diodenkennlinien eine Grenzamplitude des Fehlersignals ü zu

bestimmen, unterhalb derer es, abhängig von der - ebenfalls weitgehend frei wählbaren - Dimensionierung der- Widerstände 42 und 46, stark gedämpft wird. Damit wird die Empfindlichkeit des Systems gegenüber Störvibrationen niedriger Amplitude, unabhängig von ihrer Frequenz, weitgehend verbessert, d.h. die Anzeige stabilisiert. Die Wahl der Grenzamplitude hängt dabei im wesentlichen von zwei Kriterien ab: Zum einen muss gewährleistet sein, dass der Regler stabil bleibt, also nicht ins Schwingen kommt, und zum anderen soll die Einschwingzeit nach Laständerungen nicht zu gross werden-

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Die Dioden 44, 44' sind aus wirtschaftlichen Gründen und wegen der günstigen Kennlinie vorteilhaft. An sich könnten statt ihrer auch beliebige andere Elemente mit stark gekrümmten Durchgangskennlinien verwendet werden (z.B. Zener-Dioden), welche ein Verhalten ähnlich dem in Fig. 3 dargestellten aufweisen.

Der Verstärker 48 und der diesem parallel geschaltete Widerstand 50 (letzterer weist im beschriebenen Beispiel den gleichen Wert auf wie der Widerstand 46) dienen lediglich der Anspassung an die Eingangsimpedanz des Reglers 32, sie sind, an sich nicht erfindungswesentlich.

Während im oben erläuterten Beispiel der Re.gier 32 grundsätzlich von beliebiger Struktur sein kann, setzt das zweite Beispiel gemäss Fig. 4 einen PID-Regler 52 voraus (Proportional- Integral-Differential- Regler) . Er umfasst, insoweit in bekannter Weise, einen Regelverstärker 54 und einen diesem vorgeschalteten Widerstand 56, der mit einem Widerstand den P-Anteil bestimmt. Parallel zum Widerstand 56 ist ein mit dem Widerstand 62 den D-Teil bestimmendes RC-Glied geschaltet (Widerstand 56 und Kondensator 60), und parallel zum Verstärker 54 ist ein Kondensator 64 geschaltet, der mit dem Widerstand 56 das I-Verhalten bestimmt. Die Verstärkungscharakteristik eines solchen bekannten Reglers entspricht der ausgezogenen Kennlinie in Fig. 5 (Verstärkung V (= Regelsignal U_n zu Fehlersignal U_) über der Frequenz f), d.h.

XN. . Cl

das Ausmass der Verstärkung ist nur abhängig von der Frequenz

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des Fehlersignals, nicht jedoch von dessen Amplitude, es werden also auch kleine (Stör-)Amplituden verstärkt, insbesondere solche unter- und oberhalb eines mittleren Frequenzbereichs, der dem P-Regelbereich entspricht.

Erfindungsgemäss wird nun dem Regler oberhalb des erwähnten mittleren Frequenzbereichs für kleine Amplituden eine andere Verstärkung gegeben. Dies geschieht analog zum oben beschriebenen ersten Beispiel mittels eines Elementes mit stark nichtlinearem spannungsabhängigem Widerstand, z.B. mit zwei antiparallelen Dioden 66, 66', in Reihe mit dem D-Teil (58, 60,,62) des Reglers geschaltet. Diese Dioden bewirken, dass der Regler gegenüber kleinen Störamplituden (d.h. bei sperrenden Dioden €6, 66') ein reines PI-Verhalten aufweist wad diese damit praktisch unterdrückt, während er bei grösserasn Amplituden (d.h. bei leitenden Dioden 66, 66') normal als PID-Regler wirkt. Die waagerecht gestrichelte Linie der Fiig. im D-Bereich verdeutlicht des Verstärkungsverhalten des Reglers 52, wenn der D^Teil passiviert ist. Es ist daraus ersichtlich» dass höherfrequente Störsignale kleiner Amplitude das Regelsignal ü_ nur noch schwach beeinflussen (niederfrequente Störsignale kleiner Amplitude spielen eine praktisch weniger bedeutsame Rolle) - Es lässt sich somit Such hier eine weitgehende Stabilisierung der Anzeige erreichen.

Versuche haben ergeben, dass Waagen gemäss den beiden Ausführungsbeispielen gegenüber, herkömmlichen Waagen bei sonst gleichen Umgebungsbedingungen eine um etwa den Faktor 10

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verbesserte Stabilität der Anzeige erreichten, unter nur geringfügiger Verlängerung der Einschwingzeit des Regelkreises und bei gleichbleibender Genauigkeit.

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Claims

Patentansprüche

j" 1./Elektromagnetische Kompensations-Wägevorriehtung mit einer die Grosse des Kompensationsstromes bestimmenden Regelschaltung, umfassend einen Nullagendetektor und einen dessen Signale aufnehmenden Regler, dadurch gekennzeichnet, dass dem Eingang des Reglers (32; 52) eine Schaltung (40; 65) zugeordnet ist, die wenigstens einen spannungsabhängigen Widerstand mit stark gekrümmter Kennlinie (44, 44'; 66, 66') enthält, dergestalt, dass die Regelcharakteristik abhängig von d.er Amplitude des Signals des Nullagendetektors (24, 30) modifiziert wird.
2. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung eine dem Regler (32) vorgeschaltete amplitudenabhängige Dämpfungsschaltung (40) ist.
3. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Regler (52) ein PID-Regler ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung eine dem D-Teil (58, 60) des Reglers (52) vorgeschaltete Schwelle (65) ist, welche dem Regler unterhalb einer Grenzamplitude des Signals vom Nullagendetektor (24, 30) ein PI-Verhalten verleiht.
4. Wägevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass als spannungsabhängige Widerstände zwei antiparallel geschaltete Dioden (44/ 44'; 66, 66-') vorgesehen sind.

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