DE2502917B2

DE2502917B2 - Elektromagnetische Kompensations-Wägevorrichtung

Info

Publication number: DE2502917B2
Application number: DE2502917A
Authority: DE
Inventors: Peter Meilen Kunz; Felix Greifensee Strobel
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Toledo GmbH Germany
Priority date: 1974-12-06
Filing date: 1975-01-24
Publication date: 1978-04-20
Also published as: CH578168A5; GB1475957A; FR2293699B3; DE2502917C3; JPS5539293Y2; DE2502917A1; FR2293699A1; JPS5173061U; US3986571A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Kompensations-Wägevorrichtung mit einer die Größe des Kompensationsstromes bestimmenden Regelschaltung, umfassend einen Nullagendetektor und eine von diesem beaufschlagten Regler, aus dessen dem elektromagnetischen Waagenteil zugeführten Ausgangssignal die Resultatausgabe abgeleitet wird.

Bei solchen Wägevorrichtungen können externe Vibrationen die Resultatausgabe beeinflussen, und zwar um so mehr, je höher die Auflösung der Wägevorrichtung ist.

Zur Vermeidung von Fehlanzeigen ist es bekannt (US-PS 37 89 937), Wägevorrichtungen der eingangs genannten Art eine Waagen-Überwachungseinrichtung zuzuordnen, welche verhindert, daß das einem Anzeigegerät zugeführte, durch die Vibrationen verfälschte Meßsignal zur Anzeige gelangt bzw. hinsichtlich der Weitergabe an einen Datenspeicher gesperrt wird. Zu diesem Zweck wird der bekannten Vorrichtung, ohne in den die Größe des Kompensationsstromes bestimmenden Regelkreis einzugreifen oder dessen Charakteristik zu beeinflussen, aus diesem ein von den Vibrationen beeinflußtes Signal, vorzugsweise das Meßsignal, abgetastet und dahingehend überprüft, ob die Vibrationen über einem bestimmten Schwellenwert liegen. Trifft dieser Sachverhalt zu, veranlaßt die Waagen-Überwa chungseinrichtung die erwähnte Sperre der Anzeige bzw. Sperre der Weitergabe von Daten in einen

Datenspeicher.

Abgesehen von dem relativ hohen Aufwand für die Ausbildung der Waagen-Überwachungseinrichtung kann diese nicht verhindern, daß die Regelschaltung > selbst von den Vibrationen ungünstig beeinflußt wird und führt auch dazu, daß entweder bei hoch eingestelltem Schwellenwert das Meßergebnis unruhig oder verfälscht bleibt oder bei niedrig eingestelltem Schwellenwert überhaupt keine A.nzeige erzielbar ist.

in Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei elektromagnetischen Kompensations- Wäge vorrichtungen der eingangs genannten Art mit geringem technischem Aufwand den Einfluß externer Vibrationen relativ kleiner Amplitude auf die Wägevorrichtung,

ι "> insbesondere auf ihre Resultatausgabe, zu verringern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß dem Eingang des Reglers eine die Regelcharakteristik abhängig von der Amplitude des Signals des Nullagendetektors modifizierende Schaltung zugeord-

.'» net ist, die wenigstens einen spannungsabhängigen Widerstand mit stark gekrümmter Kennlinie enthält.

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 Mefiergebnis verfälscht wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schaltung eine dem Regler vorgeschaltete,

in unterhalb einer Grenzamplitude wirksame Dämpfungsschaltung. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß bei an sich unverändertem Regler vom Nullagendetektor kommende Signale kleiner Amplitude sowohl niedriger als auch höherer Frequenzen stark gedämpft werden.

r> Vorzugsweise sind als spannungsabhängige Widerstände zwei antiparallelgeschaltete Dioden vorgesehen, da dies eine besonders wirtschaftliche Anordnung ergibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfin-

''" dung, die bei solchen Wägevorrichtungen einsetzbar ist, deren Regler ein PID-Regler ist, ist der spannungsabhängige Widerstand mit stark gekrümmter Kennlinie nur dem im Regler enthaltenen D-Teil vorgeschaltet. Vorzugsweise bildet dieser spannungsabhängige Wider-

4"> stand eine erst beim Auftreten einer vorbestimmten Spannung leitend werdende Schwelle. Hierdurch wird dem Regler unterhalb einer Grenzamplitude des Signals vom Nullagendetektor ein PI-Verhaiten verliehen. Es wird also hier in Abhängigkeit von der Amplitude des

w 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 Pl-Teiles des Reglers sowie die gewünschte (große) Verstärkung des

■)■> ganzen Regelkreises bleiben dabei erhalten. Sehr niederfrequente Störsignale gehen entsprechend dem Pl-Verhalten in das Regelsignal ein, d. h., die Modifikation der Regelcharakteristik bezieht sich hier nur auf höhere Frequenzen.

wi Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen

Fig. la und Ib ein erstes Ausführungsbeispiel in teilweise blockschematischer Darstellung,

"■> Fi g. 2 ein Detail zu Fig. Ib,

F i g. 3 eine qualitative Darstellung der Wirkungsweise der Schaltung des ersten Ausführungsbeispiels,

F i g. 4 den wesentlichen Bestandteil des zweiten

Ausführungsbeispiels und

F i g. 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 uucht in einen ringförmigen Spalt 16 eines tropfförmigen 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 F i g. Ib ist der Regelkreis dargestellt. In bekannter Weise liefert der als Differentialkondensator arbeitende Nullagendetektor 24 mittels einer Abtastschaltung 30 (üblicherweise eine Wechselstrombrücke mit Gleichrichtung des Ausgangssignals) ein Fehlersignal, das einem Regler 32 zugeführt wird und die Größe eines in einem Verstärker 34 verstärkten Korrektur- oder Kompensationsstroms bestimmt, der der Tauchspule 14 zugeführt wird und durch seine elektromagnetische Kraftwirkung im Luuspalt 16 des Permanentmagneten 18 bestrebt ist, der den Schalenträger 12 auslenkenden Kraft entgegenzuwirken. Im eingeschwungenen oder Gleichgewichtszustand ist der Kompensationsslrom 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 gewichtsproportionale 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: Solange die Dioden 44, 44' sperren, wird das von der Abtastschaltung 30 kommende Fehlersignal U, im Verhältnis des Widerstandes 50 zur Summe der Widerstände 42 und 46 verändert und als entsprechend kleineres Signal U₁ dem Regler 32 zugeführt. Verhalten sich z. B. die Widerstände 42 und 46 wie 9 :1, so wird Ui (bei entsprechender Wahl des unten erläuterten Widerstandes 50) nur noch ein Zehntel des Wertes von Ua betragen. 1st die Amplitude des Fehlersignals hingegen so groß, daß die Dioden leiten (z. B. während des Einschwingc-ns der Waage nach Belastung mit Wägegut), dann erreicht das Fehlersignal praktisch unverändert den Regler 32 (U_ä=U,). Der Zusammenhang 'St qualitativ aus F i g. 3 ersichtlich: Links der gestrichelten Linie, im Sperrbereich der Dioden 44, 44', ist das Verhältnis U/U_ä 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 Feh.'ersignals U₄ zu bestimmen, unterhalb derer es, abhängig von der — ebenfalls weitgehend frei wählbaren — Dimensionierung der Widerstände 42 und 46, stark gedämpft wird. Damit wird die Empfindlichkeil 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 Regier stabil bleibt, also nicht ins Schwingen kommt, und zum anderen soll die Einschwingzeit nach Laständerungen nicht zu groß werden.

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 F i g. 3 dargestellten aufweisen.

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

Während im oben erläuterten Beispiel der Regler 32 grundsätzlich von beliebiger Struktur sein kann, setzt das zweite Beispiel gemäß F i g. 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 62 den P-Anteil bestimmt. Parallel zum Widerstand 56 ist ein mit dem Widerstand 62 den D-Teil bestimmendes /?C-Glied geschaltet (Widerstand 56 und Kondensator 60), und parallel zum Verstärker 54 ist ein Kondensator 64 geschaltet, der mit de"n Widerstand 56 das I-Verhalten bestimmt. Die Verstärkungscharakteristik eines solchen bekannten Reglers entspricht der ausgezogenen Kennlinie in Fig. 5 (Verstärkung V [— Regelsignal Ur zu Fehlersignal U_a] über der Frequenz f), d. h., das Ausmaß der Verstärkung ist nur abhängig von der Frequenz 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 antip^rallelen 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 66, 66') ein reines Pl-Verhalten aufweist und diese damit praktisch unterdrückt, während er bei größeren Amplituden (d. h. bei leitenden Dioden 66, £6') normal als PID-Regler

wirkt. Die waagerecht gestrichelte Linie der Fig. 5 im D-Bereich verdeutlicht das Verstärkungsverhalten des Reglers 52, wenn der D-Teil passiviert ist. Es ist daraus ersichtlich, daß höherfrequente Störsignale kleiner Amplitude das Regelsignal Uk nur noch schwach beeinflussen (niederfrequente Störsignale kleiner Amplitude spielen eine praktisch weniger bedeutsame Rolle). Es läßt sich somit auch 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 verbesserte Stabilität der Anzeige erreichten, unter nur geringfügiger Verlängerung der Einschwing/.cit des Regelkreises und bei gleichbleibender Genauigkeit.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektromagnetische !Compensations-Wägevorrichtung mit einer die Größe des Kompensationsstromes bestimmenden Regelschaltung, umfassend einen Nullagendetektor und einen von diesem beaufschlagten Regler, aus dessen dem elektromagnetischen Waagenteil zugeführten Ausgangssignal die Resultatausgabe abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang des Reglers (32; 52) eine die Regelcharakteristik abhängig von der Amplitude des Signals des Nullagendetektors (24; 30) modifizierende Schaltung (40; 65) zugeordnet ist, die wenigstens einen spannungsabhängigen Widersland (44, 44'; G6, 66') mit stark gekrümmte! Kennlinie enthält.

2. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (40) eine dem Regler (32) vorgeschaltete, unterhalb einer Grenzamplitude wirksame Dämpfungsschaltung (40) ist.

3. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als spannungsabhängige Widerstände zwei antiparallelgeschaltete Dioden (44,44';66,66') vorgesehen sind.

4. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Regler ein PID-Regler ist, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Widerstand (66, 66') mit stark gekrümmter Kennlinie nur dem im Regler (52) enthaltenen D-Teil (58,60) vorgeschaltet ist.

5. Wägevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Widerstand (66, 66') eine erst beim Auftreten einer vorbestimmten Spannung leitend werdende Schwelle (65) bildet.