DE2502917C3

DE2502917C3 - Elektromagnetische Kompensations- Wägevorrichtung

Info

Publication number: DE2502917C3
Application number: DE2502917A
Authority: DE
Inventors: Peter Meilen Kunz
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Toledo GmbH Germany
Priority date: 1974-12-06
Filing date: 1975-01-24
Publication date: 1987-10-22
Also published as: DE2502917A1; CH578168A5; FR2293699B3; JPS5539293Y2; GB1475957A; DE2502917B2; FR2293699A1; JPS5173061U; US3986571A

Description

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Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Kompensations-Wägevorrichtung mit einer die Größe des Kompensationsstromes bestimmenden, nach einer bestimmten Regelcharakteristik arbeitenden Regel-Schaltung mit einem NuUagendetektor und einem an diesen angeschlossenen Regler, aus dessen dem elektromagnetischen Waagenteil zugeführten, gewichtsproportionalen Ausgangssignal die Resultatsausgabe 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 bei der bekannten Vorrichtung, ohne in den die Größe des Kompensationsstromes bestimmenden Regelkreis einzugreifen oder dessen Regelcharakteristik zu beeinflussen, 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-Überwachungseinrichtung 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. Dies führt dazu, daß entweder bei hoch eingestelltem Schwellenwert das Meßergebnis unruhig oder verfälscht bleibt oder bei niedrig eingestelltem Schwellenwert überhaupt keine Anzeige erzielbar ist.

Bekannt sind auch Wägevorrichtungen der eingangs genannten Art (Waagen Typ 4102 der Sartorius-Werke AG), welche im NuUagendetektor und Regler Halbleiterbauelemente verwenden. Diese besitzen zwar als solche eine nichtlineare Kennlinie, sind aber durch die Dimensionierung der weiteren Bauelemente so beschaltet, daß sie sich im normalen Arbeitsbereich, d. h. bei kleinen und mittleren Signalamplituden praktisch linear verhalten uwd die Regelcharakteristik nicht beeinflussen.

Bekannt sind ferner für die Durchflußmessung benutzte Kraftwaagen (DE-AS 10 11 172) bei denen der elektromagnetische Teil eine Kompensationskraft erzeugt, die dem Quadrat des Ausgangsstroms des Reglers entspricht. Zur Vermeidung von in solchen Systemen auftretenden Regelschwingungen ist zwischen dem NuUagendetektor und der die Kompensationskraft erzeugende Einrichtung ein nichtlineares Glied mit einer Kennlinie eingeschaltet, welche bei kleinen Ausschlägen des Waagebalkens und damit kleiner Amplitude des Signals des Nullagendetektors steil und bei großer Signalamplitude flach ist. Eine Anwendung dieses Prinzips auf elektromagnetische Kompensations-Wägevorrichtungen würde dazu führen, daß durch Vibrationen bedingte, relativ kleine Änderungen des vom NuUagendetektor abgegebenen Signals zu überproportional großen Schwankungen des auch für die Ableitung des Wägeresultats verwendeten Regler-Ausgangssignals führen, was gerade im Interesse einer ruhigen Anzeige unerwünscht ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer elektromagnetischen Kompensations-Wägevorrichtung der eingangs genannten Art mit geringem technischen Aufwand den Einfluß externer Vibrationen relativ kleiner Amplitude auf die Wägevorrichtung, insbesondere auf ihre Resultatsausgabe zu verringern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß dem Regler eine die Regelcharakteristik abhängig von der Amplitude des Signals des Nullagendetektors modifizierende, dem NuUagendetektor nachgeordnete Dämpfungsschaltung zugeordnet ist, die wenigstens ein Bauelement mit spannungsabhängigem Widerstand mit stark gekrümmter Strom-Spannungs-Kennlinie enthält, wobei der Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie so gewählt ist, daß Signale kleiner Amplitude eine stärkere Dämpfung a's Signale großer Amplitude erfahren.

Mit dieser Maßnahme läßt sich die Mehrzahl der praktisch auftretenden, von außen auf die Waage einwirkenden störenden Vibrationen so unterdrücken, daß das Wägevcrhalten von ihnen nicht mehr beeinflußt

*vird, und insbesondere die Anzeige ruhig bleibt, ohne daß das Meßergebnis verfälscht wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsfonn der Erfindung ist die Dämpfungsschaltung dem Regler vorgeschaltet und unterhalb einer Grenzamplitude wirksam. 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.

Vorzugsweise sind als Bauelement mit spannungsabhängigem Widerstand zwei antiparallelgeschaltete Dioden vorgesehen, da dies eine besonders wirtschaftliche Anordnung ergibt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die bei solchen Wägevorrichtungen einsetzbar ist, deren Regler ein PID-Regler ist, ist das Bauelement mit dem spannungsabhängigen Widerstand mit stark gekrümmter Strom-Spannungs-Kennlinie nu^ dem im Regler enthaltenen D-Teil vorgeschaltet. Vorzugsweise weist das Bauelement mit dem spannungsabhängigen Widerstand eine erst beim Auftreten einer vorbestimmten Spannung leitend werdende Schwelle auf. Hierdurch wird dem Regler unterhalb einer Grenzamplitude des Signals vom Nullagendetektor ein PI-Verhalten verliehen. 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-Teiles 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.

Nachstehend werden zwei Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigt

Fig. 1 a und 1 b ein erstes Ausführungsbeispiel in teilweise blockschematischer Darstellung.

Fig. 2 ein Detail zu Fig. 1 b.

Fig. 3 eine qualitative Darstellung der Wirkungsweise der Schaltung des ersten Ausführungsbeispiels.

Fig. 4 den wesentlichen Bestandteil des zweiten Ausführungsbeispiels und

Fig. 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 eignet.

Die Waage umfaßt gemäß Fig. 1 a eine Waagschale 10 zur Aufnahme des Wägegutes m. Die Waagschale 10 ist fest am oberen Ende eines Schalenirägers 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 Waagcngcsto.il 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 Nullagensensor 24 angeordnet, der eine ortsfeste Kondensatorplatte 26 (am Waagengeste!! befestigt) und zwei dieser benachbarte, am Schalenträger 12 montierte weitere Kondensatorplatten 28, 28' umfaßt.

In Fig. Ib ist der Regelkreis dargestellt. In bekannter Weise liefert der als Differentialkondensator arbeitende Nullagensensor 24 einem Nullagendetektor 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 Kcmpensationsstroms 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 gewichtsproportionale Spannung mißt.

Wie durch den die Tauchspuler 14 und den Nullagendetektor 30 verbindenden, gestrichelten Pfeil angedeutet ist, bildet das ganze System einen Regelkreis unter Einschluß des Tiechanischen Teils der Waage. Um nun die Auswirkung externer Vibrationen auf diesen Regelkreis (und damit auf die Anzeige 38) merklich zu reduzieren, wurde zwischen dem Nullagendetektor 30 und dem Regler 32 eine Dämpfungsschaltung 40 angeordnet. Diese ist in Fig. 2 näher dargestellt und umfaßt im wesentlichen eine Parallelschaltung eines Widerstandes 42 und eines Bauelementes aus zwei antiparallelen Dioden 44,44', welche in Serie zu einem Widerstand 46 liegt. Sie wirkt wie folgt: Solange die Dioden 44, 44' sperren wird das von dem Nullagendetektor 30 kommende Fehlersignal U₂ im Verhältnis des Widerstandes 50 zur Summe der Widerstände 42 und 46 verändert und als entsprechend kleineres Signal i/, dem Regler 32 zugeführt. Verhalten sich z. B. die Widerstände 42 und 46 wie 9 : 1, so wird (7, (bei entsprechender Wahl des unten erläuterten Widerstandes 50) nur noch ein Zehntel des Wertes von U₂ 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 (U₂ ~ U₁). Der Zusammenhang ist qualitativ aus Fig. 3 ersichtlich: Links der gestrichelten Linie, im Sperrbereich der Dioden 44, 44', ist das Verhältnis C/,/&iacgr;&Lgr; 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 CZ₂ zu bestimmen, unterhalb derer es, unabhängig 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 Grenramplitude 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.

Die Dioden 44,44' sind aus wirtschaftlichen Gründen

und wegen der günstigen Kennlinie vorteilhaft. An sich könnten statt ihrer auch beliebige andere Bauelemente 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 parallelgeschaltete Widerstand SO (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 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 62 den P-Anteil bestimmt. Parallel zum Widerstand 56 ist ein mit dem Widerstand 58 den D-Teil bestimmendes ÄC-Glied geschaltet (Widerstand 56 und Kondensator 60), und parallel zum Verstärker 54 ist ein Kondensator 64 geschaltet, der mit dem Widerstand 62 das I-Verhalten bestimmt. Die Verstärkungscharakteristik eines solchen bekannten Reglers entspricht der ausgezogenen Kennlinie in Fig. 5 (Verstärkung V [= Regelsignal U_R zu Fehlersignal U₂] über der Frequenz/), 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 einer Dämpfungsschaltung 65 mit einem Bauelement mit stark nichtlinearem spannungsabhängigem Widerstand, z. B. mit zwei antiparallelen Dioden 66, 66', in Reihe mit dem D-Teil (58, 60) 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, 66') 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 U_R 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 Einschwingzeit des Regelkreises und bei gleichbleibender Genauigkeit.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektromagnetische Kompensations-Wägevorrichtung mit einer die Größe des Kompensationsstromes bestimmenden, nach einer bestimmten Regelcharakteristik arbeitenden Regelschaltung mit einem NuUagendetektor und einem an diesen angeschlossenen Regler, aus dessen dem elektromagnetischen Waagenteil zugeführten, gewichtsproportionalen Ausgangssignal die Resultatsausgabe abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regler (32; 52) eine die Regelcharakteristik abhängig von der Amplitude des Signals des Nullagendetektors (30) modifizierende, dem Nullagendetektor (30) nachgeordnete Dämpfungscchaltung (40; 65) zugeordnet ist, die wenigstens ein Bauelement (44, 44'; 66, 66') mit spannungsabhängigem Widerstand mit stark gekrümmter Strom-Spannungs-Kennlinie enthält, wobei der Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie so gewählt ist, daß Signale kleiner Amplitude eine stärkere Dämpfung als Signale großer Amplitude erfahren.

2. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsschaltung (40) dem Regler (32) vorgeschaltet und unterhalb einer Grenzamplitude wirksam ist.

3. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bauelement (44, 44'; 66, 66') mit spannungsabhängigem Widerstand zwei antiparallelgeschaltete Dioden vorgesehen sind.

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

5. Wägevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (66, 66') mit dem spannungsabhängigen Widerstand eine erst beim Auftreten einer vorbestimmten Spannung leitend werdende Schwelle aufweist.