DE2556117C3 - Elektromagnetisch kompensierende Kraftmeßvorrichtung - Google Patents

Description

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 Stützteii und einem die Arbeitsspule tragenden, beweglichen, starren Verbindungsglied ein Parallelogramm bilden.

Vorrichtungen dieser Art sind in vielen Bauformen bekannt, beispielsweise aus CH-PS 5 21575, 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 Magnetgröße dei 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 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 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.

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 Kompensationsfeder 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

so 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 Vorrichtung 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 b^i Oberlasten begrenzen, sehr eng an die Solleinschwinglage herangeführt werden können.

Seit langem sind in Verbindung mit Balkenwaagen verschiedenste Formen von Tarafederanordnungen entwickelt worden, 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 ebenfalls klein gewählt weruen 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 Federkonstante 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 Federkons'ante der Kompensationsfeder vermieden werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt

F i g. 1 einen Aufriß einer Ausführungsform einer oberschaligen Waage entlang Linie I-I 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 Temperaturkompensationseinrichtung, welche eine der Tarierfeder zugeordnete Bimetall-Anordnung aufweist;

Fig.4 einen Fein-/Grob-Antrieb, mit welchem das ortsfeste Stützteil der Tarierfeder verschoben werden kann, und

F i g. 5 eine weitere Bimetall-Anordnung zur 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 Parallelführung mit parallel 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 Verbindungsarm 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 Ausführungsforni 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 deu 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 parallelen Seite der Lenkertrapeze — gemessen jeweils zwischen den Mitteiiängsiinien der schräg verlaufenden Schenkel an deren Übergang zu den Gelenken — weisen bei der in den Fig. 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 Tai lerfedcr 2 ist mit einem Ende mit dem ortsfesten Stützteil 32 und mit dem anderen Ende über 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.

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 mit der in der Fig. 3 dargestellten Einrichtung eine Temperaturkompensation für die Wirkung der Tarierte der 2 gewährleistet werden.

Eine Temperaturkompensation läßt sich auch erreichen, indem gemäß F i g. 5 das waagerechte Verbindungsstück 3 in der F i g. 2 durch eine Bimetallanordnung ersetzt wird, wie sie in der F i g. 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 Andruck schraube 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.

Wenn beispielsweise das Meßgewicht ein leerer Behälter ist so kann durch entsprechende Einstellung

so 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

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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetisch kompensierende, balkenlose Kxaftmeßvorrichtung, 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 vernachiässigbar klein ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung als Wendelfeder (2) ausgebildet ist, weiche 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 Grobgewinde 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.