DE2556117B2 - Elektromagnetisch kompensierende Kraftmelivorrichtung - Google Patents
Elektromagnetisch kompensierende KraftmelivorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch kompensierende, balkenlose Kraftmeßvorrichtung, insbesondere
Wätrevorrichtiine. mit einer im Luftsnalt 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.
Vorrichtungen dieser Art sind in vielen Bauformen bekannt, beispielsweise aus CH-PS 5 21 575, bzw.
ι ο vorgeschlagen worden gemäß DE-AS 25 18 022.
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
MagnetgFöße der Meßbereich erheblich beschränkt, oder es muß bei vorgegebenem Meßbereich der Magnet
ausreichend groß dimensioniert werden. Je größer die von der elektromagnetischen Einrichtung zu tragende
Last is», urn 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 Arbeitsspule
nachteilig auf die Temperaturkompensation des Permanentmagneten aus.
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 großer Meßbereich gewährleistet ist in Verbindung mit einer hohen, schnell zur Verfügung stehenden Meßgenauigkeit.
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 großer Meßbereich gewährleistet ist in Verbindung mit einer hohen, schnell zur Verfügung stehenden Meßgenauigkeit.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß zwischen dem ortsfesten Stützteil und dem
beweglichen Verbindungsglied eine zum Kompensieren einer Totlast und/oder einer Taralast dienende Kompensaticnsfeder
angeordnet ist und daß die Federkonstante der Kompensationsfeder gegenüber der scheinbaren
Federkonstanten des Regelkreises bezüglich der Meßgenauigkeit vernachlässigbar klein ist.
Die scheinbare Federkonstante des Regelkreises ergibt sich aus dessen lastabhängiger Regelabweichung.
Durch eine entsprechend klein gewählte Federkonstante für die Kompensationsfeder kann erreicht werden,
daß deren Änderungen zwischen deren maximal und minimal ausgedehntem Zustand innerhalb der Meßgenauigkeit
ohne Einfluß auf das Meßergebnis bleibt. Insbesondere dann, wenn ein Regler mit integraler
Charakteristik verwendet wird, kann die bleibende Regelabweichung auf ein Minimum reduziert werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß die elektromagnetische Anordnung
ohne Berücksichtigung von Totlasten und/oder Taralasten ausschließlich für einen vorgegebenen Meßbereich
ausgelegt werden kann.
Gemäß einem weiteren Vorteil tritt bei der erfindungsgemäßen Anordnung ohne aufgelegte Last
keine Verlustleistung in der Arbeitsspule auf, so daß eine besonders kurze Einlaufzeit der Meßvorrichtung gewährleistet
ist. Außerdem besteht ein Vorteil darin, daß sich die gesamte Vorrichtune verhältnismäßig kompakt.
leicht und robust bauen läßt
Weiterhin ergibt sich als Vorteil, daß aufgrund der
geringen erforderlichen Auslenkung des beweglichen Verbindungsgliedes im eingeschwungenen Zustand die
Anschläge, welche eine Auslenkung bei Oberlasten begrenzen, sehr eng an die Solleinschwinglage herangeführt
werden können.
Seit langem sind in Verbindung mit Baikenwaagen verschiedenste Formen von Tarafederanordnungen
entwickelt y/orden, die jedoch immer komplizierter und
aufwendiger geworden sind, um die geforderten Genauigkeiten erreichen zu können, wie DE-AS
12 64 089 beispielsweise zeigt Dabei ergibt sich bei mechanischen Systemen wie Federwaagen und Balkenwaagen
eine umso höhere Auflösung, je kleiner die Federkonstante bzw. scheinbare Federkonstante des
Wägeteils ist Eine Auslegung der Federkonstanten der Tarierfeder ist dabei nicht unabhängig von der
Auslegung der Federkonstanten des Wägeteils möglich, da sie zwar ebenfalfs klein gewählt werden muß, aber
nicht klein gegenüber der Federkonstanten des Wägeteils gewählt werden kann.
Die Erfindung lehrt erstmalig, daß bei Kombination des elektromagnetischen Kompensationskonzeptes mit
einer Kompensationsfeder zu Tarierzwecken die Federkonstanten, nämlich die scheinbare Federkonstante
des Regelkreises einerseits und die Federki nstante des Kompensationskreises andererseits, entgegengesetzt
— die eine sehr groß und die andere sehr klein — ausgelegt werden können und so jegliche Beeinträchtigung
einer hohen Auflösung durch die Federkonstante der Kompensationsfeder vermieden werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser ze igt
F i g. 1 einen Aufriß einer Ausführungsform einer oberschaligen Waage entlang Linie 1-1 in Fig.2, bei
welcher der untere Lenker der Parallelführung zur Vereinfachung ohne Magnetanordnung und Tragschale
gezeigt ist;
F i g. 2 einen Seitenriß der in der F i g. 1 dargestellten Ausführungsform, bei welcher die Magnetanordnung 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 eingesetzt ist;
F i g. 3 eine Temperaturkompensationstinrichtung, welche eine der Tarierfeder zugeordnete Bimetall-Anordnung
aufweist;
F i g. 4 einen Fein-/Grob-Antrieb, mit welchem das so
ortsfeste Stützteil der Tarierfeder verschoben werden kann, und
F i g. 5 eine weitere Bimetall-Anordnung zu." Temperaturkompensation.
Nach den F i g. 1 und 2 umfaßt eine 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.
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 einem Verbindungsglied 26 einer Parallelführune
mit Darallel versetzten oberen und unteren Lenkern 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 Verbindungsann 24, welcher der Arbeitsspule 18
zugeordnet ist im Bereich der unteren Stirnfläche des Topfmagneten 12 bzw. des unteren Lenkers angeordnet
ist wird bei dieser Ausführungsform ein von dem Verbindungsarm 24 getrennt ausgebildeter Tragarm 25
für eine mittels einer Tragachse 22 befestigten Waagschale 50 benötigt Durch die Anordnung der
Arbeitsspule im Bereich des unteren Lenkers und die Trennung zwischen dem Verbindungsarm 24 und dem
Tragarm 25 voneinander derart daß der Verbindungsarm 24 im Bereich des unteren Lenkers und der
Tragarm 25 im Bereich des oberen Lenkers angeordnet ist wird die Arbeitsspule von Kippbewegungen der
Tragachse 22 während des Auftretens von Eckbelastungen der Waagschale 50 praktisch freigehalten. Die Spule
behält somit auch bei starken Eckbelastungen der Waagschale 50 ihre optimale Lage im Ringluftspalt 16
bei.
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 Einspannstellen dargestellt ist. Das starre Verbindungsglied 26 ist
zwischen die beweglichen Enden der Lenker 28 und 30 eingesetzt.
Der obere Lenker 28 und der untere Lenker 30 sind gleich ausgebildet und werden anhand des in F i g. 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 F i g. 2 sind die dargestellten Gelenke des Schenkels 37 des unteren Lenkers 30 mit 46
und 48 bezeichnet.
Die Schenkel 35 und 37 des unteren Lenkers 30 sind gleich lang ausgebildet und in einer gemeinsamen Ebene
zueinander versetzt und unter einem Winkel zueinander ausgerichtet. Sie bilden zusammen mit einer ihrer näher
beieinander liegenden Enden verbindenden Seite und einer zu dieser parallelen, ihre weiter voneinander
entfernten Enden verbindenden längeren Seite ein gleichschenkliges Trapez. Die weiter auseinanderliegenden
Gelenke 47 und 48 der Schenkel 35 und 37 sind mit dem Stützteil 32 verbunden. Die mit der
Hauptlängsachse 14 der Magnetanordnung zusammenfallende Mittelachse der Arbeitsspule 18 ist innerhalb
der von den Schenkeln und kurzen und langen parallelen Seiten der beiden Lenker 28 und 30
begrenzten Trapeze rechtwinklig zu den Trapezflächen angeordnet, und zwar derart gemäß den F i g. 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 Waagschale 50 und der Tragachsen 23 und 22, die mit der Traghülse 20 bzw.
mit der Waagschale 50 fest verbunden sind.
Der Verbindungsarm 24 und der Tragarm 25 sind mit ihren Längsachsen in der Symmetrieebene zwischen
den Schenkeln der Lenker angeordnet.
Die näher beieinander liegenden Gelenke der Schenkel der Lenker können durch einen Quersteg 49
miteinander verbunden sein. Die Lenker können starr
ausgebildet sein und mit elastischen Elementen 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 36 bzw. 35
und 37 als auch die Gelenke 42 und 44 bzw. 45,46,47 und
48 und den die näher beieinander liegenden Gelenke 44 bzw. 45 und 46 verbindenden Quersteg aus einem Stück
herzustellen und die Gelenke einzuschleifen. Schließlich ist es auch möglich, die weiter voneinander entfernt
liegenden Gelenke 42 bzw. 47 und 48 durch einen die lange parallele Seite überbrückenden Quersteg fest
miteinander zu verbinden und diesem Quersteg dann am Stützteil 32 federnd anzubringen.
Die Länge der kurzen parallelen Seite und die Länge der langen paraHeien Seile der Lenkerlrapeze —
gemessen jeweils zwischen den Mittellängslinien der schräg verlaufenden Schenkel an deren Übergang zu
den Gelenken — weisen bei der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ein Verhältnis von etwa
eins zu drei zueinander auf.
Der Abstand zwischen den weiter voneinander entfernt liegenden Gelenken ist so gewählt, 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 Überbestimmtheit, die bei parallel verlaufenden Schenkeln erheblich ist, reduziert Die statische
Überbestimmtheit könnte völlig beseitigt werden, wenn die Schenkel in Form eines Dreiecks angeordnet wären.
Jedoch könnte dann bei seitlichen Kräften auf die Waagschale 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 Extremfall 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.
Da bei der 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
Eine wendeiförmige Tarierfeder 2 ist mit einem Ende mit dem ortsfesten Stützteil 32 und mit dem anderen
Ende über einen Ansatz 1 mit dem Verbindungsann 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
Gemäß F i g. 3 ist an einem ortsfesten Träger 6 ein im
wesentlichen vertikal angeordneter Hohlstab 5 angebracht In dem Hohlstab 5 ist ein massiver Stab 4
eingesetzt Die Wandung des Hohlstabes 5 weist in verschiedenen Höhen Gewindebohrungen 5a auf. Der
Hohlstab 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.
In Abhängigkeit von der Höhe, auf welcher die Verbindungsschraube 7 in den Hohlstab 5 eingesetzt
ίο 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
Vj mit der in der Fig.3 dargestellten Einrichtung eine
Temperaturkompensation für die Wirkung der Tarierfeder 2 gewährleistet werden.
Eine Temperaturkompensation läßt sich auch erreichen, indem gemäß Fig.5 das waagerechte Verbindungsstück
3 in der F i g. 2 durch eine Bimetallanordnung ersetzt wird, wie sie in der Fig.5 im einzelnen
veranschaulicht ist Die wirksame Länge des Bimetallteils 8, an welchem der ortsfeste Teil 26 der Tarierfeder
befestigt ist kann durch eine waagerechte Verschiebung des Klemmstückes 9 verändert werden.
Zur Kompensation verschiedener Totlasten und insbesondere zur Kompensation verschiedener Taralasten
kann die in der F i g. 4 veranschaulichte Einrichtung vorzugsweise verwendet werden. 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
ίο 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.
Wenn beispielsweise das Meßgewicht 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 Meßbereich
der elektromagnetischen Kraft für das Nettogewicht zur Verfugung.
In einer praktischen Ausführungsform kann beispielsweise der elektromagnetischen Anordnung eine scheinbare
Federkonstante von etwa 200 N/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 0,5 N/mm verwendet Somit ist ersichtlich, daß die scheinbare
Federkonstante des Regelkreises daher gegenüber der Federkonstanten der Tarierfeder außerordentlich groß
ist
Eine Temperaturkompensation wird zweckmäßigerweise im Prüffeld mit Hilfe einer Anordnung nach
F i g. 3 vorgenommen. Je nach Lage der Verbindungs- (*
schraube 7 bewegt sich das feste Ende 2b der s
Tarierfeder verschieden stark mit der Temperatur. ,
Dadurch ändert sich die Federkraft der Tarierfeder mit t f
der Temperatur in einstellbarer Weise. r, ,
iä
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen T
Claims (9)
1. 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, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem ortsfesten Stützteil (32) und dem beweglichen Verbindungsglied (24)
eine zum Kompensieren einer Totlast und/oder einer Taralast dienende Kompensationsfeder (2)
angeordnet ist und daß die Federkonstante der Kompensationsfeder (2) gegenüber der scheinbaren
Federkonstanten des Regelkreises bezüglich der Meßgenauigkeit vernachlässigbar klein ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung als Wendelfeder
(2) ausgebildet ist, welche zwischen einem an dem beweglichen Verbindungsglied (24) angebrachten
Ansatz (1) und einem an dem ortsfesten Stützteil (32) befestigten Verbindungsstück (3) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ortsfeste Verbindungsstück (3) an
einer Verstelleinrichtung (51 bis 59) verschiebbar angebracht ist
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (51 bis 59) eine
zur Verschiebung des Verbindungsstückes (3) dienende Gewindespindelanordnung aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindespindel (55) in einer
inneren Mutter (51) in einem G.obgewinde drehbar ist, daß die innere Mutter (51) in einer äußeren
Mutter (52) in einem Feingewinde bis an einen Anschlag drehbar ist und daß an der äußeren Mutter
(52) das Verbindungsstück (3) angebracht ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsfeder
(2) zur momentfreien, symmetrischen Belastung des Verbindungsgliedes (24) in mehrere Teilfedern unterteilt ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ortsfeste
Ende der Federanordnung an einer temperaturkompensierenden Bimetall-Einrichtung angebracht
ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung
der Auslenkung des beweglichen Verbindungsgliedes (24) dienende Anschläge vorgesehen
sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung des beweglichen
Verbindungsgliedes (24) durch die Anschläge auf einen Millimeter begrenzt ist.
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---|---|---|---|
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Family Applications (1)
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1976
- 1976-12-01 CH CH1514176A patent/CH600320A5/xx not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE2556117C3 (de) | 1981-04-30 |
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