DE2535758B2

DE2535758B2 - Elektromagnetisch kompensierende, balkenlose Kraftmeß- oder Wägevorrichtung

Info

Publication number: DE2535758B2
Application number: DE2535758A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Phys. Dr. Berg; Erich 3401 Eddigehausen 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: 1978-11-23
Also published as: GB1526859A; DE2535758C3; JPS5222975A; DE2535758A1; FR2321118A1; JPS5922164B2; FR2321118B1; US4085811A; CH598583A5

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch kompensierende, balkenlose Kraftmeß- oder Wägevorrichtung mit einer oder zwei in dem Arbeitsspalt einer ortsfest gehaltenen Magnetanordnung beweglichen Arbeitsspule(n) und mit einer Parallelführung zwischen einem ortsfesten Teil und einem oder zwei beweglichen TeiKen).

Es ist bereits eine Waage mit elektromagnetischer Kompensation bekannt, bei welcher ein beweglicher, eine Last aufnehmender Teil unter dem Einfluß dieser Last aus einer Nullage 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 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 5 21 575).

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 Referenzsystem 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.

Zum Stand der Technik gehört weiterhin eine Vorrichtung zum Messen kleiner Kräfte. Diese Vorrichtung hat eine 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 (DE-PS 11 90 220).

Außerdem gehört zum Stand der Technik noch eine balkenlose reibungsfreie Wägevorrichtung mit einem beweglichen Teil, der als Schaft ausgebildet ist, am unteren Schaftende einen Dauermagneten trägt und durch ein oberes Luftlager und bodenseitig durch einen ortsfesten weiteren Permanentmagneten gegenüber dem ortsfesten Teil reibungsfrei gehalten wird. Über eine Luftdruck-Indikatoreinrichtung, die mit einer Verjüngung des Schaftes zusammenwirkt, ist die Schaftverschiebung bei aufgebrachter zu ineisender Last und somit das zu messende Gewicht der Last selbst bestimmbar. Durch die einseitig auf den Schaft einwirkende Luftdruckeinrichtung sowie die bodenseitige Doppelmagnetanordnung ist jedoch insbesondere bei Schräglage der Vorrichtung eine exakt der aufgebrachten Last entsprechende reibungsfreie Verschiebung des Schaftes nicht gewährleistet

Schließlich ist noch bekannt, beim Bau von Torsionswaagen zur Verringerung der Reibung Luftlager zu verwenden (A W i e m e r, Luftlagerung, Verlag VEB-Technik, Berlin, 1969, Seiten 209 bis 2U).

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

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art einfach und kompakt so auszubilden, daß ihre Arbeitsweise von Umgebungszuständen unbeeinflußt bleibt su

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Parallelführung luftgelagert ist und diß ein ortsfest gehaltener Führungszylinder und eine oder zwei luftgelagerte, mit der bzw. den Arbeitsspule(n) verbundene Gleitbuchse(n) vorhanden sind.

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

Wenn eine Rotation der Gleitbuchse verhindert werden soll, weist diese gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ein Querelement auf, welches im wesentlichen reibungsfrei in eine Ausnehmung in dem Führungszylinder sitzt. Gemäß einer bevorzugten -i> Fortbildung ist dabei vorgesehen, daß die Ausnehmung auf der Stirnseite des Führungszylinders sich in radialer Richtung erstreckt und mit tangentialen, einander gegenüberliegenden öffnungen versehen ist, die mit dem druckluftbeaufschlagten Ringmantelinnenraum y> verbunden sind. Durch das Ausströmen von Druckluft aus den tangentialen Öffnungen wird das Querelement reibungsfrei in der Ausnehmung stabilisiert.

Eine andere besonders bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß der Führungszylinder auf y, beiden Seiten jeweils von einer eine Arbeitsspule tragenden äußeren bzw. inneren Gleitbuchse unter Bildung je eines Ringspaltes umgeben ist, in welche die Luftausblasöffnungen münden. Hierbei sind vorteilhafterweise die oberen Luftabführungen der Ringspalte in ™. einem Abstand angeordnet, während bevorzugt eine der Gleitbuchsen mit der Arbeitsspule von der zu messenden Kraft bzw. Masse beaufschlagt wird und die zweite Gleitbuchse mit der Arbeitsspule die Referenzmasse trägt

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.

Andere vorteilhafte WeiterbUdungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert

F i g. 1 zeigt schematisch im Längsschnitt eine Ausführungsform der Vorrichtung.

F i g. 2 ist ein Schnitt längs der Linie H-II von F i g. 1.

F i g. 3 ist ein Schnitt längs der Linie Hi-IH von F i g. 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 4 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 ist innerhalb des Führungszylinders 3 eine innere Gleitbuchse 8 angeordnet. Eine weitere Gleitbuchse 10 ist konzentrisch um den Führungszylinder 3 herum angeordnet Zwischen der inneren Gleitbuchse 8 und dem Führungszylinder 3 ist ein Ringspalt 11, zwischen der äußeren Gleitbuchse 10 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 V10 und 'Λοο mm. Die innere Gleitbuchse 8 hat magnetseitig eine Arbeitsspule 13, die äußere Gleitbuchse 10 eine Arbeitsspule 14. Die beiden Arbeitsspulen 13 und 14 sind in dem Arbeitsspalt 2 des Permanentmagneten 1 angeordnet. Die Arbeitsspulen 13 und 14 sind durch rückwirkungsfreie 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 16. In den gleichen horizontalen Ebenen hat der Führungszylinder 3 auf seiner Außenseite zum äußeren Ringspalt 12 hin ausgerichtete radiale, einander diametral gegenüberliegende obere Luftausblasöffnungen 15' und untere Luftausblasöffnungen 16'. Die oberen Luftausblasöffnungen 15 und 15' und die unteren Luftausblasöffnungen 16 und 16' 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, wie dies im einzelnen aus den Fig. 2 und 3 zu ersehen ist. Die Wände der Ausnehmung 17 sind von einander gegenüberliegenden tangentialen ' .»ftausblasöffnungen 19 durchbrochen, die in den Innenraum 6 des

Führungszylinders 3 münden. Die innere Gleitbuchse 8 trägt ein Querelement 18, die äußere Gleitbuchse 10 ein Querelement 18'. Die Querelementi: 18 und 18' sind in die Ausnehmungen 17 mit einem Spiel ragend angeordnet.

Der innere Ringspalt 11 hat eint: obere stirnseitige Luftabführung 20 und eine untere stirnseitige Luftabführung 21, der äußere Ringspalt 12 eine obere stirnseitige Luftabführung 22 und eine untere stirnseitige Luftabführung 23. Die unteren stirnseitigen ringförmigen Luftabführungen 21 und 23 sind durch die Sockelelemente 4 im Abstand zum Permanentmagneten 1 angeordnet. Die oberen Luftabführungen 20 und 22, die ebenfalls ringförmig ausgebildet sind, sind im Abstand zu der Waagenschale 9 angeordnet. Dieser Abstand bewirkt, daß keine Rückwirkung der abströmenden Luft auf das Meßsystem erfolgt.

Die Gleitbuchse 8 mit der Waagenschale 9 und der Arbeitsspule 13 bildet ein erstes Wiegesystem, die Gleitbuchse 10 mit der Arbeitsspule 14 ein zweites Wiegesystem, welches auch das Referenzsystem bilden kann oder umgekehrt.

Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Wenn durch die Luftzuführung 7 in den Innenraum ( des Führungszylinders 3 Druckluft zugeführt wird strömt diese aus den oberen und unteren, inneren unc äußeren Luftausblasöffnungen 15,15', 16 und 16' aus ir die Ringspalte 11 und 12, so daß die innere Gleitbuchset bezüglich der Innenwand des Führungszylinders 3 unc die äußere Gleitbuchse 10 bezüglich der Außenwanc des Führungszylinders 3 luftgelagert sind. Gleichzeitig strömt Luft durch die tangentialen öffnungen 19 in der

in Ausnehmungen 17, so daß das Querelement 18' dei äußeren Gleitbuchse 10 und das Querelement 18 dei inneren Gleitbuchse 8 in der zugeordneten Ausneh mung 17 reibungsfrei stabilisiert ist. Die durch die Luftlager erreichte Parallelführung der beiden Gleit büchsen wird auch bei Schräglagen der Vorrichtuni unverändert aufrechterhalten. Beim Aufbringen einei Last auf die Waagschale 9 erzeugen nicht gezeigte Lageindikatoren entsprechende Lagesignale. Die durch diese Signale gegebene Information wird über einer

.'<> Regelverstärker auf die jeweiligen Arbeitsspulen zui Kompensierung rückgekoppelt, wobei das Gewicht dei auf die Waagschale 9 aufgebrachten Last in eineir Quotientenmesser bestimmt und digital angezeigt wird

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

L Elektromagnetisch kompensierende balkenlose Kraftmeß- oder Wägevorrichtung mit einer oder zwei in dem Arbeitsspalt einer ortsfest gehaltenen Magnetanordnung beweglichen Arbeitsspule(n) und mit einer Parallelführung zwischen einem ortsfesten Teil und einem oder zwei beweglichen Teilen), dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelführung luftgelagert (11,12) ist und daß ein ortsfest ₎₀ gehaltener Führungszylinder (3) und eine oder zwei luftgelagerte, mit der bzw. den Arbeitsspule(n) (13, 14) verbundene GIeitbuchse(n) (8, IC) vorhanden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungszylinder aus einem mit Druckluft speisbaren Ringmantel besteht, der im wesentlichen radiale, einander diametral gegenüberliegende Luftausblasöffnungen aufweist, die in einen schmalen Ringspalt zwischen dem Führungszylinder und der Gleitbuchse münden, und daß der Ringspalt auf beiden Seiten offen ist, aus welchem die Luft ohne Rückwirkung auf das Meßsystem abführbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftausblasöffnungen in horizonta- len Ebenen angeordnet sind, die zur Mitte der axialen Länge des Führungszylinders im wesentlichen symmetrisch angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftausblasöffnungen in einer oberen und einer unteren horizontalen Ebene angeordnet sind, die sich in einer Entfernung von dem zugeordneten stirnseitigen Ende des Ringspaltes befinden, welche ein Drittel bis ein Achtel der axialen Länge des Ringspaltes beträgt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitbuchse ein Querelement aufweist, welches im wesentlichen reibungsfrei in einer Ausnehmung in dem Führungszylinder sitzt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung auf der Stirnseite des Führungszylinders sich in radialer Richtung erstreckt und mit tangentialen, einander gegenüberliegenden öffnungen versehen ist, die mit dem druckluftbeaufschlagten Ringmantelinnenraum verbunden sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungszylinder eine innere Gleitbuchse umgibt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußere Gleitbuchse den Führungszylinder umgibt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungszylinder ss (3) auf beiden Seiten jeweils von einer eine Arbeitsspule (13, 14) tragenden äußeren bzw. inneren Gleitbuchse (10, 8) unter Bildung je eines Ringspaltes (11, 12) umgeben ist, in welche die Luftausblasöffnungen (15,15', 16,16') münden. wi
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Luftabführungen (20, 22) der Ringspalte in einem Abstand zur Waagenschale (9) angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch t; gekennzeichnet, daß die innere Gleitbuchse (8) mit der Arbeitsspule (13) von der zu messenden Kraft bzw. Masse beaufschlagt wird und daß die äußere Gleitbuchse (10) mit der Arbeitsspule (14) die Referenzmasse trägt
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Gleitbuchse (10) mit der Arbeitsspule (14) von der zu messenden Kraft bzw. Masse beaufschlagt wird und die innere Gleitbuchse (8) mit der Arbeitsspule (13) die Referenzmasse trägt.