DE2556602B2

DE2556602B2 - Wägevorrichtung mit elektromagnetischer Lastkompensation

Info

Publication number: DE2556602B2
Application number: DE2556602A
Authority: DE
Inventors: Max Baumgartner; Anton Bucher; Diethelm Dipl.-Ing. Zuerich Utzinger
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Instrumente AG
Priority date: 1975-02-04
Filing date: 1975-12-16
Publication date: 1978-05-11
Also published as: DE2556602A1; DE2556602C3; US4039036A; CH580803A5

Description

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

Bei den üblichen Ausführungsformen solcher Wägevorrichtungen wird die Last (Gewicht des Wägegutes und gegebenenfalls einer Tara und/oder der Totlast des Lastaufnehmers) ganz oder teilweise durch einen vom Regler eingestellten Strom kompensiert, der einen elektrischen Leiter in einem Magnetfeld durchfließt. Die Wirkung der entsprechenden elektromagnetischen Kraft auf den Leiter führt den damit verbundenen Lastaufnehmer in eine Gleichgewichtsstellung zurück, die für alle Lasten innerhalb des Wägebereichs praktisch gleich ist. die Größe des Kompensationsstromes ist im Gleichgewichts- oder eingeschwungenen Zustand ein Maß für das Gewicht. Dabei kann die Lastkompensation direkt oder indirekt (d. h. über ein Hebelwerk oder einen Waagbalken) erfolgen.

Eine wesentliche Quelle von Störungen bei Wägevorrichtungen der genannten Art sind Störbeschleunigungen, die z. B. von äußeren Erschütterungen herrühren und auf die Wägevorrichtung übertragen werden. Sie bewirken, daß dem Abtastsignal des Nullagendetektors Störfrequenzen überlagert werden, die das Regelverhalten der Wägevorrichtung 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.

Bekannt ist eine elektronische Wägevorrichtung (DE-OS 23 18 252) mit einem mechanisch elektrischen Wandler, dessen elektrisches, in analoger Weise der Last proportionale Ausgangssignal einem Vergleicher zugeführt wird. Dieser vergleicht das Ausgangssignal als

V) Ist-Wert mit einer durch ein Potentiometer bereitgestellten Spannung als Soll-Wert und erzeugt bei Übereinstimmung beider Werte ein Freigabesignal.

Zur Reduzierung von durch Erschütterungen der Wägevorrichtung hervorgerufenen Welligkeiten in dem analogen, lastproportionalen Ausgangssignal des Wandlers wird dieses vor Zuführung zum Vergleicher durch ein komplexes, aktives, nach Art eines Tiefpasses wirkendes Filter mit einer Bandbreite von 0 bis maximal 3 Hertz und einem Verstärkungsfaktor von vorzugsweise gleich 1 geleitet

Nachteilig ist bei der bekannten Wägevorrichtung, daß sowohl Abweichungen in der Linearität dieses Tiefpasses (fehlende Proportionalität zwischen Signal am Eingang und Ausgang) als auch Änderungen seines Verstärkungsfaktors unmittelbar zu einer Verfälschung des Wägeresultates führen. Solche Abweichungen und Änderungen können durch Alterungserscheinungen bei einzelnen Bauelementen oder durch Temperaturschwankungen eintreten. Selbst bei mäßigen Anforderungen an die Genauigkeit der Wägevorrichtung muß daher der Tiefpaß höchsten Anforderungen hinsichtlich seines Aufbaues und der zeitlichen und thermischen Konstanz der verwendeten Bauelemente genügen, mit entsprechend hohen Gestehungskosten.

Aufgabe der Erfindung ist es, Wäge vorrichtungen der eingangs genannten Art mit geringem Aufwand weniger empfindlich gegenüber äußeren Störschwingungen zu machen, indem die Auswirkung von Schwingungen vorbestimmter Frequenzen auf das Wägeresultat abgeschwächt wird.

Diese Aufgabe wird derfindungsgemäß gelöst durch ein in der Regelschaltung angeordnetes, dem Nullagendetektor nachgeschaltetes, selektiv wirkendes elektrisches Filter.

Diese Maßnahme ermöglicht es, mit geringem Aufwand eine Stabilisierung der Gewichtsanzeige zu erreichen.

Häufig, so beispielsweise bei Wägevorrichtungen mit pendelnd aufgehängter Waagschale, können zwei oder drei Eigenfrequenzen störend in Erscheinung treten. In solchen Fällen weist vorzugsweise das Filter in an sich bekannter Weise mehrere Sperrbereiche auf, wobei jeder Sperrbereich auf eine Eigenresonanzfrequenz der Wägevorrichtung abgestimmt ist.

Bei Wägevorrichtungen mit im Verhältnis zur Totlast großem Wägebereich verändert sich der Wert der Eigenfrequenz mit der Belastung merklich. Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist für solche Fälle das Filter in an sich bekannter Weise in seinem Sperrbereich einstellbar ausgebildet und es ist ein den Sperrbereich lastabhängig verstellendes Servosystem vorgesehen, das mit einem lastabhängigen Signal des Reglers beaufschlagt ist.

Das Filter kann weiterhin so ausgelegt sein, daß es Störschwingungen mit der Eigenfrequenz des gesamten Regelkreises, unter Einschluß des Lastaufnehmers, unterdrückt. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für Waagen mit im Verhältnis zum Wägebereich großer Totlast, z. B. Mikrowaagen, bei denen sich demzufolge die Eigenfrequenz in Abhängigkeit von der Masse des Wägegutes nur wenig ändert.

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

F i g. 1 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels,

F i g. 2 das dazugehörige Filter,

F i g. 3 eine Kennlinie des Filters nach F i g. 3, Fig.4 eine schematische Darstellung des zweiten

Ausführungsbeispiels und
Fig.5 das Filter zu Fig.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 induktive Abtastung für einen Nullagendetektor 24. Sein Ausgangssignal bestimmt in einem Regler 26 die Größe des zur Spule 18 gelangenden Kompensationsstromes, der dem Gewicht des Wägegufes 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 zustande kommen läßt. Hier schafft das in F i g. 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 Doppel-T-Struktur auf und unterscheiden sich nur in der Dimensionierung ihrer Bestandteile, der einzelnen /?C-Giieder (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 Trennverstärker 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 Filt^rnetzwerkes 32 zweckmäßig sein.

F i g. 3 zeigt eine Kennlinie des Filternetzwerkes 32. Das Ausgangssignal Ua entspricht, außerhalb der beiden Sperrbereiche bei RES I und RESU, frequenzunabhängig dem Eingangssignal (gewichtsabhängiges Abtastsignal vom Nullagendetektor 24); in den beiden Sperrbereichen RES\ und RESU 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 2

Für dieses Beispiel wurde eine balkenlose Waage gewählt. Ein Träger 40 stützt am oberen Ende ein Waagschale 42. Am unteren Ende ist er mit einer ringförmigen Kompensationsspule 44 verbunden, die, ähnlich wie in Beispiel I₁ in den Luftspalt eines rotationssymmetrischen Permanentmagneten 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 Vorrichtungen 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 obenerwähnt, 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 Doppe!-T-Struktur besitzt, dessen Sperrbereich jedoch variabel ist. Dazu ist ein Servosystem 59 vorgesehen, das wie folgt arbeitet: Das im Regler 54 verstärkte gewichtsproportionaie Analogsignal wird einem Eingang eines Differenzverstärkers 60 zugeführt. An dessen zweitem Eingang liegt eine Spannung, deren Größe 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, rückwärts, Stillstand). Der Motor 68 ist mechanisch (strichpunktierte Linien) mit dem Referenzpotentiometer 62 sowie den hier ebenfalls als Potentiometer ausgebildeten drei Widerständen des Doppel-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 »System« 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 erfindungsgemäße 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 Fi g. 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 bei Resonanzschwingungen nur eine schlechte Dämpfung; bei besserer Dämpfungswirkung bedingten sie eine merkliche Verlängerung der Wägezeit.

Ein besonderer Vorteil des selektiven Filters ist— neben dem für das eieentliche Filter relativ (rprintrrn

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 Abgleiche 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wägevorrichtung mit elektromagnetischer Lastkompensation und mit einer die Größe des ί Kompensationsstromes bestimmenden Regelschaltung, umfassend einen Nullagendetektor und einem dessen Signale aufnehmenden Regler, gekennzeichnet durch ein in der Regelschaltung (20—26; 48—54) angeordnetes, dem Nullagendetek- in tor (20—24; 48—52) nachgeschaltetes, selektiv wirkendes elektrisches Filter (32; 56).

2. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (32) in an sich bekannter Weise mehrere Sperrbereiche (RES\, r> RES II) aufweist und daß jeder Sperrbereich auf eine Eigenresonanzfrequenz der Wägevorrichtung abgestimmt ist.

3. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (56) in an sich »<i bekannter Weise in seinem Sperrbereich einstellbar ist und daß ein den Sperrbereich lastabhängiges verstellendes Servosystem (59) vorgesehen ist, das mit einem lastabhängigen Signal des Reglers (54) beaufschlagt ist. .">