DE2556602A1 - Waegevorrichtung - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ins. K. E M P L

München 80, Schumannstr. 2

16. Dez, 1975

Mettler Instrumente AG, Greifensee (Schweiz)

Wägevorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Wägevorrichtung mit elektromagnetischer Lastkompensation und mit einer die Grosse des Kompensationsstroms bestimmenden Regelschaltung, umfassend einen Nullagendetektor und einen dessen Signale aufnehmenden Regler.

Bei den üblichen Ausführungsformen solcher Waagen wird das Gewicht des Wägegutes (und gegebenenfalls einer Tara und/oder der Totlast des Lastaufnehmers) ganz oder teilweise durch einen Strom kompensiert, der einen elektrischen Leiter in einem Magnetfeld durchfliesst. Die Wirkung der entsprechenden elektromagnetischen Kraft führt den Lastaufnehmer in eine

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Gleichgewichtsstellung zurück, die für alle Lasten innerhalb des Wägebereichs praktisch gleich ist. Die Grosse des von dem Regler eingestellten Stroms ist im Gleichgewichts- oder eingeschwungenen Zustand ein Mass für das Gewicht. Dabei kann die Kraftkompensation direkt oder indirekt (d.h. über ein Hebelwerk oder einen Waagbalken) erfolgen.

Eine wesentliche Quelle von Störungen bei Waagen der genannten Art sind Störbeschleunigungen, die z.B. von äusseren Erschütterungen herrühren und auf die Waage übertragen werden. Sie bewirken, dass dem Abtastsignal des Nullagendetektors Störfrequenzen überlagert werden, die das Regelverhalten der Waage und damit die Anzeigestabilität stark beeinträchtigen können. Dies gilt insbesondere für den Fall der Resonanz der Frequenz der Störbeschleunigung mit der Eigenfrequenz des Lastaufnehmers; in gewissen Fällen spielt jedoch auch die Eigenfrequenz des gesamten Regelkreises eine Rolle.

Aufgabe der Erfindung war es, Waagen der eingangs genannten Art weniger empfindlich gegenüber äusseren Störschwingungen zu machen, insbesondere die Auswirkungen von Schwingungen vorbestimmter Frequenzen auf das Wägeresultat abzuschwächen. Erfindungsgemäss geschieht dies dadurch, dass dem Nullagendetektor ein selektiv wirkendes elektrisches Filter nachgeschaltet wird. Diese Massnahme ermöglicht es, mit geringem Aufwand eine Stabilisierung der Gewichtsanzeige zu erreichen.

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Vorzugsweise wird das Filter so ausgelegt, dass es Störschwingungen mit der Eigenfrequenz des gesamten Regelkreises unterdrückt, unter Einschluss des Lastaufnehmers. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für Waagen mit im Verhältnis zum Wägebereich grosser Totlast, bei denen sich demzufolge die Eigenfrequenz in Abhängigkeit von der Masse des Wägegutes nur wenig ändert (z.B. bei Mikrowaagen).

Häufig, so beispielsweise bei Waagen mit pendelnd aufgehängter Waagschale, können zwei oder drei Eigenfrequenzen störend in Erscheinung treten. In solchen Fällen ist vorzugsweise ein Filternetzwerk zur Unterdrückung mehrerer diskreter Frequenzen vorgesehen.

Bei Waagen mit im Verhältnis zur Totlast grossem Wägebereich verändert sich der Wert der Eigenfrequenz mit der Belastung der Waage merklich. Gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird für solche Fälle ein Filter mit lastabhängig veränderlichem ünterdrückungsverhalten vorgesehen.

Vorzugsweise weist das Filter eine Doppel-T-Struktur aus Widerständen und Kondensatoren auf. Die Doppel-T-Struktur gibt dem Filter den Charakter einer Bandsperre aus Hoch- und Tiefpass, wobei die Auslegung der Komponenten eine praktisch beliebige Bemessung der Bandsperrenbreite ermöglicht. Die Verwendung von RC-Gliedern wird wegen der

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Wirtschaftlichkeit und des einfacheren Abgleichs bevorzugt; grundsätzlich könnten auch LC-Glieder (Spulen und Widerstände) verwendet werden.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar

Figur 1 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels ,

Figur 2 das dazugehörige Filter, Figur 3 eine Kennlinie des Filters nach Figur 3, Figur 4 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels, und .

Figur 5 das Filter zu Figur 4 mit der dazugehörigen Servosteuerung.

Beispiel I

Es zeigt in vereinfachter Darstellung eine Balkenwaage, deren Waagbalken 10 um ein Hauptlager 12 schwenkbar ist. Am Lastende des Waagbalkens ist über ein Aussenlager 14 eine Waagschale 16 pendelnd aufgehängt, welche das Wägegut aufnimmt. Am anderen Ende des Waagbalkens ist die elektromagnetische Kompensationseinrichtung angeordnet, die eine am Balken 10 befestigte Spule 18 umfasst. Diese taucht in den Luftspalt eines ortsfesten Permanentmagneten ein (nicht gezeigt) . Eine Fahne 20 taucht in den Luftspalt zwischen zwei Spulen 22, 22' ein und bildet mit diesen eine

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induktive Abtastung für einen Nullagendetektor 24. Sein Ausgangssignal bestimmt in einem Regler 26 die Grosse des zur Spule 18 gelangenden Kompensatxonsstromes, der dem Gewicht des Wägegutes proportional ist, wenn die Gleichgewichts- oder Nullage erreicht ist. Nach Digitalisierung in einem Analog-Digital-Wandler 28 kann eine dem Kompensationsstrom entsprechende Spannung in einer Anzeige 30 in Gewichtseinheiten digital dargestellt werden.

Die vorstehend kurz beschriebene Waage ist bis hierher konventionell. Eine wesentliche Schwäche dieser Waage wird nun mittels eines Filters 32 weitgehend eliminiert.

Beim Auftreten von externen Vibrationen wirken sich, wie oben bereits erwähnt, besonders solche störend aus, die der resp. den Eigenfrequenzen der Waage entsprechen (Resonanzfall) . Im vorliegenden Fall sind dies in erster Linie die Eigenfrequenz des Waagbalkens 10 sowie diejenige der pendelnden Waagschale 16. Treten Störschwingungen dieser Frequenzen auf, so wird dem wägelastbedingten Abtastsignal des Nullagendetektors 24 ein Störsignal überlagert, welches infolge der Resonanz mit der betreffenden Eigenfrequenz der Waage keine ruhige Gewichtsanzeige Zustandekommen lässt. Hier schafft das in Figur 2 näher dargestellte Filternetzwerk 32 Abhilfe. Es besteht aus zwei hintereinandergeschalteten, über einen Trennverstärker 34 verbundenen Filter 36 und 38. Beide Filter weisen die gleiche, an sich bekannte Doppe1-T-Struktur auf und unterscheiden sich

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nur in der Dimensionierung ihrer Bestandteile, der einzelnen RC-Glieder (Widerstand-Kondensator-Parallelschaltungen). Jedes der beiden Filter 36 und 38 bildet eine Kombination von Hoch- und Tiefpassfilter mit einem engen Sperrbereich im Gebiet einer der Eigenfrequenzen der Waagen.

Der Trenn verstärker 34 ist zweckmässig zur Vermeidung einer gegenseitigen Beeinflussung der beiden Filter. Ein weiterer Verstärker (nicht dargestellt) kann zur Anpassung an die Impedanz des Reglereingangs (26) am Ausgang des Filternetzwerkes 32 zweckmässig sein.

Figur 3 zeigt eine Kennlinie des Filternetzwerkes 32. Das Ausgangssignal U entspricht, ausserhalb der beiden Sperrbereiche bei RES I und RES II, frequenzunabhängig dem Eingangssignal (gewichtsabhängiges Abtastsignal vom Nullagendetektor 24) ; in den beiden Sperrbereichen RES I und RES II jedoch, bei Resonanz der Störfrequenz mit den Eigenfrequenzen der Waage, wird das störende Signal nicht übertragen, d.h. das Regelsignal - und damit auch die Gewichtsanzeige - bleiben ungestört.

Beispiel II

Für dieses Beispiel wurde eine balkenlose Waage gewählt. Ein Träger 40 stützt am oberen Ende eine Waagschale 42. Am unteren Ende ist er mit einer ringförmigen Kompensationsspule 44 verbunden, die, ähnlich wie in Beispiel I, in den Luftspalt eines rotationssymmetrischen Permanentmagneten

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46 taucht. Eine vom Träger 40 seitlich auskragende Fahne 48 bildet mit zwei ortsfesten Platten 50/ 50' einen Differentialkondensator, der die Eingangssignale des Nullagendetektors 52 liefert. Der konventionelle Teil der Vorrichtung wird vervollständigt durch den Regler 54 sowie den Analog-Digital-Wandler 56 mit der nachgeschalteten Digitalanzeige 58. Nicht gezeigt wurde die ebenfalls konventionelle Halterung des Trägers 40 im Waagengestell mittels einer Parallelführung.

Wie bereits oben erwähnt, kann bei Waagen mit - im Verhältnis zur Totlast, d.h. zum Eigengewicht des Lastaufnehmers - grossem Wägebereich nicht mehr von einer annähernd konstanten Eigenfrequenz ausgegangen werden. Diese ändert sich vielmehr mit der Belastung. Demgemäss ist in diesem Beispiel ein Filter 56 vorgesehen, das zwar ebenfalls eine Doppe1-T-Struktur besitzt, dessen Sperrbereich jedoch variabel ist. Dazu ist ein Servosystem 59 vorgesehen, das wie folgt arbeitet: Das im Regler 54 verstärkte gewichtsproportionale Analogsignal wird einem Eingang eines Differenzverstärkers 60 zugeführt. An dessen zweitem Eingang liegt eine Spannung, deren Grosse von einem Referenzpotentiometer 62 bestimmt wird. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 60 steuert mittels einer Schaltersteuerung 64 die Stellung eines Zweifach-Schalters 66, der die Speisung eines Stellmotors 68 steuert (vorwärts,

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rückwärts, Stillstand). Der Motor 68 ist mechanisch (strichpunktierte Linien) mit dem Referenzpotentiometer 62 sowie den hier ebenfalls als Potentiometer ausgebildeten drei Widerständen des Doppe1-T-Filters 56 verbunden, wobei der Antrieb eine synchrone Verstellung aller vier Potentiometer so lange bewirkt, bis das Differenzsignal am Ausgang des Differenzverstärkers 60 Null geworden ist.

Durch entsprechende Dimensionierung der einzelnen Elemente lässt sich erreichen, dass der Sperrbereich des Filters 56 jeweils der lastabhängig veränderlichen Eigenfrequenz des Systems entspricht. Unter 'System¹ ist hierbei entweder der Lastaufnehmer (40, 42, 44) allein oder aber der gesamte Regelkreis unter Einschluss des Lastaufnehmers zu verstehen. Welcher der beiden Fälle vorliegt, wird von Fall zu Fall mittels Berechnungen oder experimentell zu ermitteln sein. -

Die erfindungsgemäss Anordnung lässt mancherlei Variationen zu. So sind z.B. in manchen Fällen einfachere Schaltungen denkbar, in denen ein einziges Filter (etwa 36 oder 38 in Figur 2) durchaus genügt. In anderen Fällen mag eine Kombination der Schaltungen aus den Beispielen I und II die besten Resultate erbringen. Schliesslich sind Schaltungen denkbar, die ausser einem der erfindungsgemässen selektiven Filter noch ein anderes, nicht selektives Filter umfassen, z.B. einen konventionellen Tiefpass. Letztere wurden bereits gelegentlich angewandt, sie bewirkten jedoch

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bei Resonanzschwingungen nur eine schlechte Dämpfungf bei besserer Dämpfungswirkung bedingten sie eine merkliche Verlängerung der Wägezeit.

Ein besonderer Vorteil des selektiven Filters ist - neben dem für das eigentliche Filter relativ geringen Aufwand die Tatsache, dass seine Verwendung praktisch keinen zusätzlichen Zeitbedarf mit sich bringt. Lediglich im Falle der Servoschaltung gemäss Beispiel II muss, neben dem erhöhten Aufwand, eine gewisse Verlängerung der Wägezeit in Kauf genommen werden, was jedoch für den Vorteil des selbsttätigen Abgleichs des Filters auf die Resonanzfrequenz vertretbar erscheint.

Die erfindungsgemässe Anordnung eignet sich vor allem für Waagen mit kleiner Zeitkonstante und damit relativ hoher Eigenfrequenz, da das selektive Filter die Waage unempfindlich gegen schnelle externe Kraftänderungen macht, ohne dass sie beim Wägen langsamer wird.

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Claims (5)

.Patentansprüche

1.) Wägevorrichtung mit elektromagnetischer Lastkompensation und mit einer die Grosse des Kompensationsstroms bestimmenden Regelschaltung, umfassend einen Nullagendetektor und einen dessen Signale aufnehmenden Regler, gekennzeichnet durch ein dem Nullagendetektor nachgeschaltetes, selektiv wirkendes elektrisches Filter.

2. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter Störschwingungen mit der Eigenfrequenz des gesamten Regelkreises unterdrückt.

3. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Filternetzwerk zur Unterdrückung mehrerer diskreter Frequenzen.

4. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Filter mit lastabhängig veränderlichem Unterdrückungsverhalten.

5. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter eine Doppel-T-Struktur aus Widerständen und Kondensatoren aufweist.

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