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Elektromagnetisch kompensierende Kraftmeßvorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch kompensierende, balkenlose
Kraftmeßvorrichtung, insbesondere Wägevorrichtung, mit einer im Luftspalt einer
ortsfest gehaltenen Magnetanordnung beweglichen Arbeitsspule und mit einer Parallelführung
mit zwei elastischen Lenkern, die in Ebenen angeordnet sind, welche in Bewegungsrichtung
versetzt liegen, sowie mit einem ortsfesten Stützteil und einem die Arbeitsspule
tragenden, beweglichen, starren Verbindungsglied ein Parallelogramm bilden.
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Vorrichtungen dieser Art sind in vielen Bauformen bekannt und beispielsweise
in der deutschen Patentanmeldung P 25 18 o22.7 der Anmelderin, welche am 23. 4.
1975 beim Deutschen Patentamt hinterlegt wurde, ausführlich beschrieben.
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Bei derartigen Vorrichtungen lassen sich eine kompakte Bauweise und
eine robuste Lagerung erreichen. Da bei solchen bekannten Vorrichtungen nicht nur
das Meßgewicht, sondern auch
das Gewicht des beweglichen Teils der
Vorrichtung einschließlich der Arbeitsspule und der-Waagschale (Totlast) durch die
in der Arbeitsspule erzeugte elektromagnetische Kraft getragen werden müssen, wird
bei vorgegebener Magnetgröße der Meßbereich erheblich beschränkt oder es muß bei
vorgegebenem Meßbereich der Magnet ausreichend groß dimensioniert werden. Je größer
die von der elektromagnetischen Einrichtung zu tragenden Last ist, um so höher ist
die in Wärme umgesetzte elektrische Leistung, was leicht zu einer Veränderung der
Parallelogrammführung führen kann. Außerdem wirkt sich eine hohe Verlustleistung
in der Arbeitsspüle nachteilig auf die Temperaturkompensation des Permanentmagneten
aus.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektromagnetisch kompensierende
Kraftmeßvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher einerseits
die elektromagnetische Anordnung besonders klein ausgebildet werden kann und andererseits
zugleich ein außerordentlich großer Meßbereich gewährleistet ist in Verbindung mit
einer hohen Meßgeschwindigkeit.
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Zur. Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß zwischen dem
ortsfesten Stützteil und dem beweglichen Verbindungsglied eine zum Kompensieren
einer Totlast und einer Taralast dienende Federanordnung angeordnet ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen des
Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteranspruchen.
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Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß ohne
zusätzliche elektrische Verlustleistung ein besonders großer Meßbereich zur Verfügung
steht.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin,
daß6 die elektromagnetische Anordnung ohne Berücksichtigung von Totlasten und/oder
Taralasten ausschließlich für einen vorgegebenen Meßbereich ausgelegt werden kann.
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Weiterhin treten bei der erfindungsgemäßen Anordnung ohne aufgelegte
Last keine Verlustleistung in der Arbeitsspule auf, so daß eine besonders kurze
Einlaufzeit der Meßvorrichtung gewahrleistet ist.
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Gemäß der Erfindung läßt sich die gesamte Vorrichtung verhältnismäßig
kompakt, leicht und robust bauen.
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Insbesondere dann, wenn ein Regler mit integraler Charakteristik verwendet
wird, kann eine bleibende Regelabweichung praktisch vollständig vermieden werden,
so daß die Einschwinglage des beweglichen Verbindungsgliedes mit der Arbeitsspule
von der Belastung praktisch unabhängig wird. Daher ist die Federkonstante der gemäß
der Erfindung vorgesehenen Tarierfeder zur Kompensation von Totlasten und Taralasten
gegenüber der scheinbaren Federkonstanten des Regelkreises sehr klein und hat einen
vernachlässigbar kleinen Einfluß auf das Meßergebnis. Außerdem bleibt eine Anderung
der Federkonstanten selbst im maximal ausgedehnten Zustand im Vergleich zum minimal
ausgedehnten Zustand ohne Einfluß auf das Meßergebnis.
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Weiterhin ergibt sich gemäß der Erfindung der wesentliche Vorteil,
daß aufgrund der geringen erforderlichen Auslenkung des beweglichen Verbindungsgliedes
im eingeschwungenen Zustand die Anschläge, welche eine Auslenkung bei überlassen
begrenzen, sehr eng an die Solleinschwinglage herangeführt werden können.
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Damit ergibt sich ein sehr geringer Federweg, was zu dem weiteren
Vorteil führt, daß die stets vorhandene Hysteresis des Federmaterials so gering
bleibt, daß die hohe Auflösung des elektromagnetisch kompensierenden Meßsystems
nicht nachteilig beeinträchtigt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigen: Fig. 1 einen Aufriß einer erfindungsgemaßen Ausführungsform
einer oberschaligen Waage, bei welcher ein Lenker der Parallelführung sowie die
umfangsmäßig über die Schenkel des Lenkers seitlich vorstehende Magnetanordnung
dargestellt sind, während die Tragschale zur Vereinfachung nicht gezeichnet ist;
Fig. 2 einen Seitenriß der in der Fig. 1 dargestellten husfütlrungsform des Erfindungsgegenstandes,
bei welcher die hagnetanordnung in ihrer Höhenausdehnung vollständig zwischen den
beiden Lenkern der Parallelführung angeordnet ist und eine Tarierfeder zur Kompensation
der Totlast und/oder Taralast zwischen einen ortsfesten und einen beweglichen Teil
einaesetzt ist, Fig. 3 eine Temperaturkompensationseinrichtung, welche eine der
Tarierfeder zugeordnete Bimetall-Anordnunq aufweist, Fig. 4 einen Bein-/Grob-Antrieb
mit welchem das ortsfeste Stützteil der Tarierfeder verschoben werden kannJund Fig.
5 eine weitere Bimetall-Anordnung zur Temperaturkompensation.
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Nach den Fig. 1 und 2 umfaßt eine erfindungsgemäß ausgebildete oberschalige
Waage 10 eine Magnetanordnung, die in Form eines Topfmagneten 12 ausgebildet ist.
Nach Fig. 1 ist der Topfmagnet 12 rotationssymmetrisch um seine Hauptlängsachse
14 angeordnet.
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Der Topfmagnet 12 weist im Bereich seiner unteren Stirnfläche einen
Ringluftspalt 16 auf, in welchem eine Arbeitsspule 18 beweglich angeordnet ist.
Die Arbeitsspule 18 ist mittels einer Traghülse 20 und einer Tragachse 23 mit einem
Verbindungsarm 24 fest verbunden
Der Verbindungsarm 24 seinerseits
ist starr ausgebildet und mit einen Verbindungsglied 26 einer Parallelführung und
einem Tragarm 25 fest verbunden. Der Verbindungsarm 24 und das Verbindungsglied
26 sind bei der dargestellten Ausführungsform im Seitenriß in Form eines Galgens
einstückig ausgebildet Da der Verbindungsarm 24, welcher der Arbeitsspule 18 zugeordnet
ist, im Bereich der unteren Stirnfläche des Topfmagneten 12 bzw. des unteren Ienkers
30 angeordnet ist, wird bei dieser Ausführungsform ein von dem Verbindungsarm 24
getrennt ausgebildeter Tragarm 25 für die Waagschale 50 benötigt.
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Durch die Anordnung der Arbeitsspule im Bereich des unteren Lenkers
30 und die Trennung zwischen dem Verbindungsarm 24 und dem Tragarm 25 voneinander
derart, daß der Verbindungsarm 24 im Bereich des unteren Lenkers 30 und der Tragarm
25 im Bereich des oberen Lenkers 28 angeordnet ist, wird die Arbeitsspule von Kippbewegungen
der Tragachse 22 während des Auftretens von Sckbelastungen der Waagschale 50 praktisch
freigehalten.
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Die Spule behält somit auch bei starken Eckbelastungen der Waagschale
50 ihre optimale Lage im Ringluftspalt 16 bei.
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Die Parallelführung umfaßt neben dem Verbindungsglied 26 einen oberen
Lenker 28 und einen unteren Lenker 30, die beide an ihrem anderen Ende an einem
ortsfest gehaltenen Stützteil 32 befestigt sind, das rein schematisch in Form von
festen Einspaanstellen dargestellt ist. Das starre Verbindungsglied 26 ist zwischen
die beweglichen Enden der Lenker 28 und 30 eingesetzt.
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Der obere Lenker 28 und der untere Lenker 30 sind gleich ausgebildet
und werden anhand des in Fig. 1 im Aufriß gezeigten unteren Lenkers 30 beschrieben.
Der Lenker 30 umfaßt zwei Schenkel 35 und 37, die bei der dargestellten Ausführungsform
starr
ausgebildet sind und im Bereich ihrer beiden Enden Gelenke
45, 46 bzw. 47 und 48 aufweisen. In der Fig. 2 sind die dargestellten Gelenke des
unteren Lenkers 30 mit 46 und 48 bezeichnet.
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Die Schenkel 35 und 37 des Lenkers 30 sind gleich lang ausgebildet
und in einer gemeinsamen Ebene zueinander versetzt und unter einem Winkel zueinander
ausgerichtet. Sie bilden zusammen mit einer ihre näher beieinander liegenden Enden
verbindenden Seite und einer zu dieser parallelen, ihre weiter voneinander entfernten
Enden verbindenden längeren Seite ein gleichschenkliges Trapez. Die weiter auseinander
liegenden Gelenke 47 und 48 der Schenkel 35 und 37 sind mit dem Stützteil 32 verbunden.
Die mit der Hauptlängsachse der Niagnetanordnung 14 zusammenfallende Mittelachse
der Arbeitsspule 18 ist innerhalb der von den Scnenkeln und kurzen und langen parallelen
Seiten der beiden Lenker 28 und 30 begrenzten Trapeze rechtwinklig zu den Trapezflächen
angeordnet und zwar derart gemäß den Fig. 1 und 2, daß sie in der Symmetrieebene
zwischen den Schenkeln der Lenker 28 und 30 und nahe bei der Symmetrieebene zwischen
den parallelen Seiten der Lenkertrapeze angeordnet ist. Diese Mittelachse fällt
gleichzeitig zusammen mit der Mittellinie der Tragachse 22, die einerseits mit der
Traghülse 20 und andererseits mit einer oberhalb angeordneten Waagschale 50 fest
verbunden ist.
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Der Verbindungsarm 24 ist mit seiner Längsachse in der Symmetrieebene
zwischen den Schenkeln der Lenker angeordnet. Weiter hin dient bei der in den Fig.
1- und 2 dargestellten Ausführungsform ein Verbindungsarm wie 24 als Tragarm 25
für die oberschalig angeordnete Waagschale 50, deren Mittelachse mit der Hauptlängsachse
14 der Magnetanordnung bzw. Mittelachse der Arbeitsspule gemäß der Darstellung zusammenfällt.
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Die näher beieinander liegenden Gelenke der Schenkel der tenker können
durch einen Quersteg 49 miteinander verbunden sein. Die Lenker können starr ausgebildet
sein und mit elastischen Elementen 38, 40, 42, 44 bzw. 45, 46, 47 und 48 einerseits
mit dem Stützteil 32 und andererseits mit dem Verbindungsglied 26 verbunden sein.
Es ist auch möglich, sowohl die Schenkel 34 und 36 bzw. 35 und 37 als auch die Gelenke
38,40,42 und 44 bzw. 45,46,47 und 48 und den die näher beieinander liegenden Gelenke
40 und 44 bzw. 45 und 46 verbindenden Quer steg aus einem Stück herzustellen und
die Gelenke einzuschleifen.
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SchlieElich ist es auch möglich, die weiter voneinander entfernt liegenden
Gelenke 38 und 42 bzw. 47 und 48 durch einen die lange parallele Seite überbrückenden
Quer steg fest miteinander zu verbinden und diesen Quersteg dann am Stützteil 32
federnd anzubringen.
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Die Länge der kurzen parallelen Seite und die Länge der langen parallelen
Seite der tenkertrapeze - gemessen jeweils zwischen den Mittellängslinien der schräg
verlaufenden Schenkel an deren tbergang zu den Gelenken - weisen bei der ir den
Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ein Verhältnis von etwa eins zu drei
zueinander auf.
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Der Abstand zwischen den weiter voneinander entfernt liegenden Gelenken
ist so gewählt1 daß eine kippfreie Abstützung der gesamten beweglichen Anordnung
gewährleistet ist. Da die Schenkel der Lenker unter einem Winkel aufeinander zulaufen
und deren mit dem beweglichen Teil verbundenen Enden relativ nahe beieinander liegen,
weist die Ausführungsform eine kompakte Bauform auf. Außerdem wird hierdurch die
statische tberbestimmtheit, die bei parallel verlaufenden Schenkeln erheblich ist}
reduziert. Die statische tlberbestimmtheit könnte völlig beseitigt werden, wenn
die Schenkel in Form eines Dreiecks angeordnet
wären. Jedoch könnte
dann bei seitlichen Kräften 4 es | 1 ( Tragschale 50 das Drehmoment in den Lenkern
nicht aufgenommen werden, da der Hebelarm im Bereich der kurzen parallelen Seite
bei dreieckförmiger Ausbildung der Lenker praktisch nach Null ginge. Hierdurch können
im Extrenfall die Gelenke zwischen Lenker und beweglichem Verbindungsteil zerstört
werden bzw. bei geringerer Beanspruchung Eckenlastfehler hervorgerufen werden, die
im Verhältnis zur gewünschten Meßgenauigkeit nicht mehr vernachlässigbar sind.
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Da bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform auch die näher beieinander
liegenden Enden der Schenkel noch einen endlichen Abstand aufweisen, der in der
Größenordnung von einem Drittel bis zwei Drittel des Abstandes zwischen den weiter
auseinander liegenden Enden der Schenkel liegt, können die auftretenden Drehmomente
von den Lenkern aufgenommen werden, so daß die Lenker weiterhin im linearen Bereich
ihrer Bewegungskennlinien arbeiten und die Funktionsfähigkeit erhalten bleibt.
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Eine wendelförmige Tarierfeder 2 ist mit einem Ende mit dem ortsfesten
Stützteil 32 und mit dem anderen Ende iiber einen Ansatz 1 mit dem Verbindungsarm
24 des beweglichen Teils fest verbunden. Die Tarierfeder 2 in der Ausführungsform
nach Fig.2 ist so ausgelegt, daß sie gerade die Totlast des beweglichen Teils kompensiert.
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Gemäß Fig. 3 ist an einem ortsfesten Träger 6 ein im wesentlichen
vertikal angeordneter Hohl stab 5 angebracht. In dem Hohl stab 5 ist ein massiver
Stab 4 eingesetzt. Die Wandung des Hohl stabes 5 weist in verschiedenen Höhen Gewindebohrungen
5a auf. Der Hohl stab 5 und der massive Stab 4 haben verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten.
Der massive Stab 4 ist mittels einer Verbindungsschraube 7 in dem Hohlstab 5 verklemmt,
wobei die Verbindungsschraube 7 wahlweise in eine der Gewindebohrungen 5a eingesetzt
sein kann. Das Verbindungsstück 3, welches am oberen Ende des massiven Stabes 4
angebracht ist, trägt das ortsfeste Ende 2b der Tarierfeder 2, deren bewegliches
Ende 2a an einem Ansatz 1 befestigt ist, welcher mit dem beweglichen Verbindungsglied
24 verbunden ist.
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In Abhängigkeit von der Höhen auf welcher die Verlnaungsungs schraube
7 in den Hohlstab 5 eingesetzt wird, ändert sich die Bewegung des ortsfesten Endes
der Tarierfeder 2, da die durch eine Temperaturänderung hervorgerufene Verschiebung
des Verbindungsstückes 3 davon abhängt, in welche der Gewindebohrungen 5a die Verbindungsschraube
7 eingesetzt ist. Somit kann mit der in der Fig. 3 dargestellten Einrichtung eine
Temperatur kompensation für die Wirkung der Tarierfeder 2 gewährleistet werden.
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Eine Temperaturkompensation läßt sich auch erreichen, indem gemäß
Fig. 5 das waagerechte Verbindungsstück 3 in der Fig. 2 durch eine Bimetallanordnung
ersetzt wird, wie sie in der Fig. 5 im einzelnen veranschaulicht ist.-die wirksame
Länge des Bimetallteils 8, an welchen der ortsfeste Teil 26 der Tarierfeder befestigt
ist, kann durch eine waagerechte Verschiebung des Klemmstückes 9 verändert werden.
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Zur Kompensation verschiedener Totlasten und insbesondere zur Kompensation
verschiedener Taralasten kann die in der Fig. 4 veranschaulichte Einrichtung vorzugsweise
verwendet werden.
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Das ortsfeste Ende 2b der Tarierfeder 2 ist gemäß der Darstellung
an dem Verbindungsstück 3 angebracht, welches seinerseits an einer äußeren Mutter
52 befestigt ist. Die äußere Mutter 52 wird durch eine Verdrehsicherung 53 in einer
bestimmten Stellung gehalten. Mit Hilfe einer Andruckschraube 54 wird die Reibung
zwischen einer Gewindespindel 55 und einer inneren Mutter 51 so eingestellt, daß
sich bei einer Drehung der Gewindespindel 55 zunächst die innere Mutter 51 in ihrem
Außengewinde (Feingewinde) in der äußeren Mutter 52 dreht. Wenn ein Drehanschlag
56 erreicht ist, dreht sich die Gewindespindel 55 in der inneren Mutter 51 in einem
Grobgewinde. Auf diese Weise kann innerhalb des durch den Drehanschlag 56 beidseitig
begrenzten Winkelbereich eine kleine Hubbewegung über das Feingewinde und anschließend
eine größere Hubbewegung in dem Grobgewinde erfolgen, unabhängig von der Drehrichtung.
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Wenn beispielsweise das Herzgewicht ein leerer Behälter ist} so kann
durch entsprechende Einstellung der Tarierfeder die Federkraft um dieses Meßgewicht
vergrößert werden. Die elektromagnetische Kraft und somit auch die elektrische Anzeige
der Waage wird dann zu !null. Damit steht jedoch der volle MeBbereich
der
elektromagnetischen Kraft für das Nettogewicht zur Verfügung.
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In einer praktischen Ausführungsform kann beispielsweise der elektromagnetischen
Anordnung eine scheinbare Federkonstante von etwa 20 kg/mm zugeordnet werden. Wenn
ein Integral-Regler verwendet wird, kann die scheinbare Federkonstante noch höher
werden. Zum Tragen einer Vorlast von etwa 1 kg wird zweckmäßigerweise eine Feder
von etwa 50 g/mm verwendet. Somit ist ersichtlich, daß die scheinbare Federkonstante
des Regelkreises daher gegenüber der 'ederkonstanten der Tarierfeder außerordentlich
groß ist.
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Eine Temperaturkompensation wird zweckmäßigerweise im Prüffeld mit
Hilfe einer Anordnung nach Fig. 3 vorgenommen. Je nach Lage der Verbindungsschraube
7 bewegt sich das feste Ende 2b der Tarierfeder verschieden stark mit der-Temperatur.
Dadurch ändert sich die Federkraft der Tarierfeder mit der Temperatur in einstellbarer
Weise.
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Der Erfindungsgegenstand wurde oben in Verbindung mit einer speziellen
Lenkergeometrie beschrieben, wie sie zweckmäßigerweise in einer bevorzugten Ausführungsform
verwendet wird, es ist jedoch daraufhinzuweisen, daß die erfindungsgemäßen Maßnahmen
nicht an diese spezielle Lenkergeometrie gebunden sind, daß vielmehr auch eine andere
Lenkeranordnung verwendet werden kann.
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- Patentansprüche -
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