DE2535758A1

DE2535758A1 - Elektromagnetisch kompensierende, balkenlose kraftmess- oder waegevorrichtung

Info

Publication number: DE2535758A1
Application number: DE19752535758
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl Phys Dr Berg; Erich Knothe; Eberhard Dipl Phys Stadler
Original assignee: Sartorius Werke GmbH
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1975-08-11
Filing date: 1975-08-11
Publication date: 1977-02-24
Also published as: JPS5922164B2; US4085811A; DE2535758B2; DE2535758C3; GB1526859A; FR2321118A1; FR2321118B1; JPS5222975A; CH598583A5

Description

MULLER-BORE · GROENING · DEUFEL · SCHON · HERTEL

PAT E Ν T A N^-WALT E

S 27k2/ Hl

1 I. Αϋΰ. 19f O · ^DR· WOLFGANG MÜLLER-BORE

H. W. GROENING, DIPL.-ING. DR. P. DEUFEL. DIPL.-CHEM. DR. A. SCHÖN. DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL. DIPL.-PHYS.

SARTORIUS-WERKE GMBH. 3^tOO Göttingen

Elektromagnetisch kompensierende, balkenlose Kraftmeß- oder Wägevorrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch kompensierende, balkenlose Kraftmeß- oder Wägevorrichtung mit wenigstens einer in dem Arbeitsspalt einer ortsfest gehaltenen Magnetanordnung beweglichen Arbeitspule und mit einer Parallelführung zwischen einem ortsfesten und wenigstens einem beweglichen Teil.

Es ist bereits eine Waage mit elektromagnetischer Kompensation bekannt, bei welcher ein beweglicher, eine Last aufnehmender Teil unter dem Einfluß dieser Last aus einer Nulllage ausgelenkt wird. Die Waage hat eine Abtastvorrichtung, die auf diese Auslenkung anspricht und über einen Regelkreis in einer Kompensationsspule einen elektrischen Strom fließen läßt, welcher in einem Magnetfeld die Rückführung des Lastteils in die Nullage bewirkt. Die Größe des fließenden Stroms ist dabei ein Maß für die zu bestimmende Last. Bei einer solchen Waage kann ein Referenzteil vorgesehen werden, welches eine konstante Masse aufweist und im selben Magnetfeld wie

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Ö iltJ-DTCHEN 80 ■ SIEBERTSTR. * · POSTFACH 88 0720 · KABSI,: MtTSBOPAT · TEL. (0S9) 471079 · TELEX 5-22659 AUFIIÄUSER ΒΛΪίΚ MÜNCHEN· <HLZ 700.J0 800), KTO. 180β/β88 · POSTSCHECKAMT MÜNCHEN·, KTO. 95495-802

der Lastteil mittels einer eigenen Spule elektromagnetisch im Gleichgewicht gehalten wird. Der Referenzteil verfügt über eine eigene Lageabtastvorrichtung, welche über einen Regelkreis die Stärke des Erregerstroms einer Korrekturspule bestimmt, mit deren Hilfe das Meßergebnis verfälschende StÖreinflüsse ausgeschlossen werden. Bei dieser balkenlosen Waage sind der Lastteil und der Referenzteil im wesentlichen konzentrisch zueinander, teilweise innerhalb eines ortsfesten Topfmagnetsystems angeordnet und mittels einer Parallelogrammführung am ortsfesten Teil der Waage elastisch aufgehängt (CH-PS 521 575).

Obwohl sich mit einer solchen Waage der Einfluß der Erdbeschleunigung oder Störungen, wie das Altern des Magnetsystems, ausschließen lassen, ist die aus Federelementen bestehende" Parallelführung des Wäge- und des Referenzsystems sehr platzraubend und aufwendig, da die Federkonstanten von Wäge- und Referenzsyst§m exakt aufeinander abgestimmt werden müssen. Außerdem ist die Anordnung beispielsweise gegen Schrägstellungen nur unempfindlich, wenn beide Führungen exakt parallel zueinander justiert sind. Dies erfordert jedoch einen erheblichen Aufwand. Außerdem führen äußere Einflüsse, wie beispielsweise unterschiedliche Temperaturen, zu Beeinträchtigungen der Parallelführung.

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Zum Stand der Technik gehört weiterhin eine Vorrichtung zum Messen kleiner Kräfte. Diese Vorrichtung hat ein stromdurchflossene, in einem Magnetfeld angeordnete und in Richtung der zu messenden Kraft verschiebbar oder drehbar gelagerte Spule sowie eine elektronische Einrichtung zum Rückstellen der Spule. Bei dieser Vorrichtung ist zur Erzielung einer hohen Meßempfindlichkeit und zur Vermeidung von Störungen bei Überlastungen einerseits die Spule und andererseits ein ortsfester Magnetpol als Gleitflächen eines Druckluftlagers ausgebildet (DT-PS 1 19o 22o).

Schließlich ist noch bekannt, beim Bau von Torsionswaagen zur Verringerung der Reibung Luftlager zu verwenden (A. Wiemer, Luftlagerung, Verlag VEB-Technik, Berlin, I969, Seiten 2o9 bis 211).

Waagen, die Luftlager solcher Konstruktion aufweisen, haben den Nachteil, daß das Wägeer-gebnis von Speisedruckschwankungen abhängig ist, vornehmlich von NullpunktSchwankungen, da sich der Nullpunkt des Systems mit den Druckschwankungen ändern kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht · darin, die Vorrichtung der eingangs genannten Art einfach und kompakt so auszubilden, daß ihre Arbeitsweise von Umgebungszuständen unbeeinflußt bleibt *

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Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die Parallelführung ein Luftlager umfaßt, das einen ortsfest gehaltenen Führungszylinder und eine luftgelagerte, mit der Arbeitsspule verbundene Gleitbuchse aufweist.

Diese Vorrichtung hat den Vorteil, daß sie äußerst einfach und kompakt gebaut werden kann und infolge der fehlenden, die bekannten Parallelführungen bildenden Federn den dadurch bedingten Störungen nicht ausgesetzt ist.

Zweckmäßigerweise beisteht der Führungszylinder aus einem mit Druckluft speisbaren Ringmantel, der im wesentlichen radiale, einander diametral gegenüberliegende Luftausblasöffnungen aufweist, die in einen schmalen Ringspalt zwischen dem Ringmantel und der Gleitbuchse münden, aus welchem die Luft ohne Rückwirkung auf das Meßsystem abführbar ist ο

Diese rückwirkungsfreie Abführung der Luft aus dem Meß.— system wird dadurch erreicht , daß der Ringspalt auf beiden Stirnseiten offen ist.

Die Luftausblasöffnungen sind zweckmäßigerweise in horizontalen Ebenen angeordnet, die zur Mitte der axialen Länge des Führungszylinders im wesentlichen symmetrisch angeordnet sind. Dabei können die Luftausblasöffnungen in einer oberen und einer unteren horizontalen Ebene angeordnet werden, die sich in einer Entfernung vom zugeordneten stirnseitigen Ende des Ringspaltes befinden, welche ein Drittel bis ein Achtel der axialen Länge des Ringspaltes beträgt.

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Zur Verhinderung einer Rotation hat die Gleitbuchse ein Querelement, das im wesentlichen reibungsfrei in einer Ausnehmung in dem Führungszylinder sitzt. Dabei kann die Ausnehmung auf der Stirnseite des Führungszylinders in radialer Richtung vorgesehen werden. Die Ausnehmung hat tangentiale, einander gegenüberliegende Öffnungen, die mit dem druckluftbeaufschlagten Ringmantelinnenraum verbunden sind. Durch das Ausströmen von Druckluft aus den tangentialen Öffnungen wird das Querelement reibungsfrei in der Ausnehmung stabilisiert.

Der Pührungszylinder- kann die Gleitbuchse umgeben. Die Gleitbuchse kann aber auch den Führungszylinder umgeben.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsforra ist der Führungszylinder auf beiden Seiten jeweils von einer eine Arbeitsspule tragenden Gleitbuchse unter Bildung eines Ringspaltes umgeben, in welche die Luftausblasöffnungen münden. Dabei kann eine der Gleitbuchsen die Arbeitsspule und die zweite Gleitbuchse das Referenzgewicht eines Referenzsystems tragen.

Bei dieser Vorrichtung gehen eventuelle DruckluftSchwankungen auf beide Systeme in gleicher Weise ein und kompensieren sich somit. Durch die Luftlagerung entfallen die unterschiedlichen Federkonstanten des Wäge- und Referenzsystems der bekannten Anordnungen. Außerdem ist die Parallelführung der beiden Systeme durch die hohe erzielbare Genauigkeit von Drehteilen gewährleistet. Eine nachträgliche Justierung ist nicht erforderlich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich somit vorteilhaft als Quotientenmesser verwenden.

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Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch im Längsschnitt eine Ausführungsform der Vorrichtung.

Fig. 2 ist ein Schnitt Iäng3 der Linie H-II von Fig. 1. Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie HI-III von Fig. 1.

Die in den Figuren gezeigte Ausführungsform einer elektromagnetisch kompensierenden balkenlosen Wägevorrichtung hat einen topfförmigen Permanentmagneten 1 mit einem Arbeitsspalt 2. Auf der Oberseite des Permanentmagneten ist ein Führungszylinder 3 angeordnet, der durch Sockelelemente k auf dem Permanentmagneten 1 im Abstand zu diesem befestigt ist. Der Führungszylinder 3 ist als Ringmantel ausgebildet, der einen Innenraum 6 hat. Der Führungszylinder 3 erstreckt sich senkrecht zur Oberseite des Permanentmagneten 1. In den Führungszylinder 3 führt eine Luftzuführung 7* die mit einer nicht gezeigten Druckluftquelle verbindbar ist.

Konzentrisch zur Achse 5 des Führungszylinders 3 is* innerhalb des Führungszylinders 3 eine innere Gleitbuchse 8 angeordnet. Eine weitere Gleitbuchse Io ist konzentrisch um den Führungszylinder 3 herum angeordnet. Zwischen der in- · neren Gleitbuchse 8 und dem Führungszylinder 3 ist ein Ringspalt 11, zwischen der äußeren Gleitbuchse Io und. dem Führungszylinder 3 ein äußerer Ringspalt 12 vorgesehen. Die Breite der Ringspalte 11 und 12 ist so bemessen, daß er für eine Luftlagerung geeignet ist. Die Ringspalte haben eine Breite zwischen l/lo und l/loo mm. Die innere Gleitbuchse 8 hat magnetseitig eine Arbeitsspule 13j die äußere Gleitbuchse Io eine Arbeitsspule 1^. Die beiden Arbeitsspulen 13 und 1^t sind in dem Arbeitsspalt 2 des Permanent-

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magneten 1 angeordnet. Die Arbeitsspulen 13 und lA sind durch, rückwijrkungsfreie Verbindungen an dem Ausgang eines Regelverstärkers angeschlossen.

Der Führungszylinder 3 hat auf seiner Innenseite zum inneren Ringspalt 11 radial ausgerichtete, in einer horizontalen Ebene einander diametral gegenüberliegende obere Luftausblasöffnungen 15 und. untere Luftausblasöffnungen l6. In den gleichen horizontalen Ebenen hat der Führungszylinder 3 auf seiner Außenseite zum äußeren Ringspalt 12 hin ausgerichtete radiale, einander diametral gegenüberliegende obere Luftausblasoffnungen 15' und untere Luftausblasöffnungen l6^f. Die oberen Luftausblasöffnungen 15 und 15' und die unteren Luftausblasoffnungen l6 und l6' sind bezüglich der Mitte der axialen Längserstreckung des Führungszylinders 3 symmetrisch und in einer Entfernung von den stirnseitigen Enden des Führungszylinders 3 angeordnet, die.etwa einem Siebtel der Länge des Führungszylinders 3 entspricht.

Der Führungszylinder 3 hat auf seiner oberen Stirnseite zwei diametral gegenüberliegende Ausnehmungen 17 j wie dies im einzelnen aus den Figuren 2 und 3 zu ersehen ist. Die Wände der Ausnehmung 17 sind von einander gegenüberliegenden tangentialen Luftausblasöffnungen 19 durchbrochen, die in den Innenraum 6 des Führungszylinders 3 münden. Die innere Gleitbuchse 8 trägt ein Querelement l8, die äußere Gleitbuchse Io ein Querelement l8 · . Die Querelemente l8 und l8* sind in die Ausnehmungen 17 mit einem Spiel ragend angeordnet.

Der innere Ringspalt 11 hat eine obere stirns-eitige Luftabführung 2o und eine untere stirnseitige Luftabführung 21, der äußere Ringspalt 12 eine obere stirnseitige Luftabführung 22 und eine untere stirnseitige Luftabführung 23. Die unteren stirnseiti.^en ringförmigen Luftabführungen 21 und 23 sind durch die Sockelelemente k im Abstand zum

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Permanentmagneten 1 angeordnet. Die oberen Luftabführungen 2o und 22, die ebenfalls ringförmig ausgebildet sind, sind im Abstand zu der Waagenschale 9 angeordnet. Die Abstände sind so bemessen, daß eine Rückwirkung der abströmenden Luft auf das Meßsystem ausgeschlossen ist.

Die Gleitbuchse 8 mit der Waagenschale 9 und der Arbeitsspule 13 bildet ein erstes Wiegesystem, die Gleitbuchse Io mit der Arbeitsspule lk ein zweites Wiegesystem, welches außh das Referenzsystem bilden kann.oder umgekehrt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Wenn durch die Luftzuführung 7 in. den Innenraum 6 des Führungszylinders 3 Druckluft zugeführt wird, strömt diese aus den oberen und unteren, inneren und äußeren Luftausblasöffnungen 15, 15'j l6 und l6* aus in die Ringspalte 11 und 12, so daß die innere Gleitbuchse 8 bezüglich der Innenwand des Führungszylinders 3 und die äußere Gleitbuchse Io bezüglich der Außenwand des Führungszylinders 3 luftgelagert sind. Gleichzeitig strömt Luft durch die tangentialen Öffnungen 19 in den Ausnehmungen 17, so daß das Querelement 18* der äußeren Gleitbuchse Io und das Querelement l8 der inneren Gleitbuchse 8 in der zugeordneten Ausnehmung 17 reibungsfrei stabilisiert ist. Die durch die Luftlager erreichte Parallelführung der beiden Gleitbuchsen wird auch bei Schräglagen der Vorrichtung unverändert aufrechterhalten. Beim Aufbringen einer Last auf die Waagschale 9 erzeugen nicht gezeigte Lageindikatoren entsprechende Lagesignale. Die durch diese Signale gegebene Information wird über eiijen Regelverstärker auf die jeweiligen Arbeitsspulen zur Kompensierung rückgekoppelt, wobei das Gewicht der auf die Waagschale 9 aufgebrachten Last in einem Quotientenmesser bestimmt und digital angezeigt wird.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Elektromagnetisch kompensierende balkenlose Kraftmeß- oder Wägevorrichtung mit wenigstens einer in dem Arbeitsspalt einer ortsfest gehaltenen Magnetanordnung beweglichen Arbeitsspule und mit einer Parallelführung zwischen einem ortsfesten und wenigstens einem beweglichen Teil, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelführung ein Luftlager (11, 12) umfaßt, das einen ortsfest gehaltenen Führungszylinder (3) und eine luftgelagerte, mit der Arbeitsspule (13, 1Λ) verbundene Gleitbuchse (8, lo) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungszylinder (3) aus einem mit Druckluft speisbaren Ringmantel besteht, der im wesentlichen radiale, einander diametral gegenüberliegende Luftausblasöffnungen (15 j 15^fj l6, l6·) aufweist, die in einen schmalen Ringspalt (ll, 12) zwischen dem Führungszylinder (3)'und der Gleitbuchse (8, lo) münden, aus welchem die Luft ohne Rückwirkung auf das Meßsystem abführbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (11, 12) auf beiden Seiten offen (2o bis 23) ist.

k. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3i dadurch gekennzeichnet, daß die Luftausblasöffnungen (15» 15'» l6, 16¹) in horizontalen Ebenen angeordnet sind, die zur Mitte der axialen Länge des Fuhrungszylinders (3) im wesentlichen .symmetrisch angeordnet sind

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-Io -

5. Vorrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftausblasöffnungen (15, 15^f, l6, l6«) in einer oberen und einer unteren horizontalen Ebene angeordnet sind, die sich in einer Entfernung von dem zugeordneten stirnseitigen Ende des Ringspaltes (11, 12) befinden, welche ein Drittel bis ein Achtel der axialen Länge des Ringspaltes beträgt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitbuchse (8, Io) ein Querelement (l8, l8') aufweist, welches im wesentlichen reibungsfrei in einer Ausnehmung (17) in dem Führungszylinder (3) sitzt.

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (17) auf der Stirnseite des Führung sZylinders (3) sich in radialer Richtung erstreckt und mit tangentialen, einander gegenüberliegenden Öffnungen (19) versehen ist, die mit dem druckluftbeaufschlagten Ringmantelinnenraum (6) verbunden sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7j dadurch gekennzeichnet, daß der Führungszylinder (3) die Gleitbuchse (8) umgibt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitbuchse (9) den Führungszylinder (3) umgibt.

Io. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Führungszylinder (3) auf beiden Seiten jeweils von einer eine *\rbeitsspule (13, l4) tragenden Gleitbuchse (8, Io) unter Bildung eines Ringspaltes (H, 12) umgeben ist, in welche die Luftausblasöffnungen (15, 15·, l6, l6^s)

münden. 709808/0518

11. Vorrichtung nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitbuchse (8) mit der Arbeitsspule (13) von der zu messenden Kraft bzw. Masse beaufschlagt wird und die andere Gleitbuchse (lo) mit der Arbeitspule (l4) die Referenzmasse trägt.

12. Vorrichtung nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitbuchse (lo) mit der Arbeitsspule (l4) von der zu messenden Kraft bzw. Masse beaufschlagt wird und die andere Gleitbuchse (8) mit der Arbeitsspule (I3) die Referenzmasse trägt.

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