DE2604437C3

DE2604437C3 - Elektromagnetisch kompensierende KraftmeB- oder Wägevorrichtung

Info

Publication number: DE2604437C3
Application number: DE2604437A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Phys. Dr. Berg; Erich 3406 Bovenden Knothe; Eberhard Dipl.-Phys. Stadler
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1976-02-05
Filing date: 1976-02-05
Publication date: 1981-01-15
Also published as: DE2604437A1; DE2604437B2; CH611418A5; US4091886A

Description

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Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch kompensierende Kraftmeß- oder Wägevorrichtung mit wenigstens einer im Luftspalt einer ortsfesten Permanentmagnetanordnung beweglichen Arbeitsspule und mit einer am aktiven Teil der Magnetanordnung angeordneten Kompensationseinrichtung zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der magnetischen Kraftflußdichte in der Magnetanordnung*

Vörndhturigert cJinsef Aitsirid bekannt ünd^eispieis* weise in der DE-OS 24 00 081 beschrieben. Hierbei gibt es üblicherweise zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der magnetischen Feldstärke der benutzten Dauermagnetanordnung zwei Möglichkeiten. In dem einen Fall wird ein temperaturabhängiges Netzwerk parallel zum Meßwiderstand geschaltet, damit dieser einen gegenläufigen Temperaturkoeffizienteri (TK) erhält Hierbei wird der temperaturabhängige Widerstand des Netzwerkes, in möglichst guten Wärmekontakt mit der Magnetanordnung gebracht. In dem zweiten Fall werden weichmagnetische Werkstoffe mit großem negativem Temperaturkoeffizienten der Sättigungsmagnetisierung magnetisch parallel zum Luftspalt angeordnet Hierzu eignen sich Nickel-Eisen-L-'gierungen mit ca. 30% Nickel, die eine niedrige Curie-Temperatur aufweisen. Diese Werkstoffe werden in üblicher Weise an dem aktiven Teil der Magnetanordnung angebracht, vorzugsweise auf diesen gek'ebt; bei rotationssymmetrischen Magnetanordnungen wird der Werkstoff beispielsweise um den zylinderförmigen aktiven Teil gewickelt

Mit diesen Methoden läßt sich bei thermischem Gleichgewicht in einer Magnetanordnung eine gute Kompensation der Temperaturabhängigkeit erreichen. Treten jedoch in der Magnetanordnung steilere oder sogar an verschiedenen Stellen wechselnde Temperaturgradienten auf. was beispielsweise dadurch entstehen kann, daß in der Arbeitsspule mehr oder weniger elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird, so ergeben sich durch die unterschiedlichen Temperaturverhältnisse aufgrund des punktförmigen bzw. flächig ausgebildeten Kompensationselementti und des sich über ein größeres Volumen erstreckenden aktiven Magnetmaterials nicht unerhebliche Schwierigkeiten für eine ausreichend genaue Temperaturkompensation, da eine Berücksichtigung der unterschiedlichen Temperaturgradienten in den verschiedenen Teilen nicht berücksichtigt ist.

Aus der DE-OS 17 64012 ist ein magnetischer Kompensationswerkstoff bekannt, der z. B. im Spritzgußverfahren verarbeitet werden kann. Dabei ist ein Magnetkörper als Rotor entweder in seinem Kern und an beiden Stirnseiten mit Kompensationswetkstoff belegt oder aber ein topffcrmiger Magnetkörper sowohl innen als auch außen mit dtc Kompensationswerkstoff versehen. Diese Verteilung des K.ompensationswerkstoffes ist unter dem Gesichtspunkt der vereinfachten Verarbeitung und Montage der Teile gewählt. Das Problem eines unterschiedlichen Temperaturgradienten an verschiedenen Teilen des Magnetkörpers ist nicht K rücksichtigt.

In der CH-PS 5 17 361 sind auch bereits schon besondere Probleme bei der Temperaturkompensation von flachen Permanentmagneten niedriger Permeabilität ohne Eisenleitstücke beschrieben. Dabei ist ein aus zwei Ringscheiben besteilender Permanentmagnet angegeben, der zwischen den Ringscheiben einen oder rrehrere Ringe aus Kompensationsmaterial aufweist. Diese Aufteilung des Permanentmagneten dient zur Erzielung einer möglichst großen Berührungsfläche zwichen dem Permanentmagnet und dem Kompensationsmaterial.

Aus der DE-OS 23 32 764 ist auch bereits ein Kraftmeßwertgeber bekannt, d^r aus einem innerhalb eines Gehäuses angeordneten Dehnungsmeßstreifen besteht. Zur Kompensation der unterschiedlichen Temperaturgradienten im Gehäuse und im Dehnungsmeßstreifen sind dabei einerseits am Gehäuse Und andererseits am Dehnungsmeßstreifen temperaturempfindliche elektrische Elemente angebracht, die in einer BrÜckenschaltung des Meßwertgebers liegen, so daß im Falle unterschiedlicher Temperaturen der Teile die dann Uriabgeglichene Brücke diejenige Spannung kompensiert, die durch dieselbe- Temperaiurdifferenz aufgrund der thermischen Beanspruchungen in der Brücke

erzeugt wird. Mit dieser Anordnung ist es bei einem mit einem Dehnungsmeßfühler ausgebildeten Kraftmeßwertgeber zwar möglich, den Temperaturgradienten zu kompensieren, keinesfalls jedoch den Temperaturkoeffizienten der Bauteile selbst

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, bei einer elektromagnetisch kompensierenden Kraftmeß- oder Wägevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine Temperaturkompensation zu schaffen, die auch bei wechselndem Temperaturgradienten zuverlässig und einwandfrei arbeitet

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung dadurch gelöst, daß die Kompensationseinrichtung in wenigstens zwei Kompensationselemente aufgeteilt ist, daß bei einer Permanentmagnetanordnung mit in Form eines zylindrischen Kerns ausgebildetem aktivem Teil wenigstens ein erstes Kompensationselement auf der Mantelfläche des Kerns angeordnet ist, an der im Betrieb eine Temperaturanderung zuerst erfolgt bzw. eine große Temperaturänderung auftritt, daß wenigstens ein zweites Kompensationselement im Zentrum des Kerns annähernd symmetrisch zu dessen Mittelachse, also in einem Bereich angeordnet ist, dessen Temperatur sich im Betrieb nur langsam ändert bzw. weitgehend konstant bleibt, und daß die Kompensationseffekte der einzelnen Kompensationselemente entsprechend den unterschiedlichen vorbestimmten Temperaturgradienten gewichtet sind.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, gerade die unterschiedlichen Temperaturgradienten an verschiedenen Stellen des aktiven Teils der Magnetanordnung zu erfassen und durch entsprechende Gewichtung der Kompensationseffekte der einzelnen Kompensationselemente unter Berücksichtigung der bereits vorher für den bestimmten Aufbau der Magnetanordnung ermittelten unterschiedlichen Temperaturgraaienten eine Gesamtkompensation zu schaffen, die gerade dem mittleren Temperaturgradienten der Magnetanordnung entspricht. Es werden also insgesamt die in der Magnetanordnung auftretenden Temperaturänderungen in Form eines Mittelwertes erfaßt, d. h. es wird erreicht, daß die mittlere Temperatur des aktiven Magnetmaterials dem Mittelwert der Temperatur der genannten Kompensationselemente optimal angeglichen ist.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird also vermieden, daß sich zwischen der mittleren Temperatur des aktiven Teils der Magnetanordnung und dem _w Mittelwert der Temperaturen der Kompensationselemente ein nennenswerter Temperaturunterschied ergibt, so daß gewährleistet ist, daß nicht nur die Temperaturkoeffizienten des Materials selbst sondern auch gleichzeitig die unterschiedlichen Temperaturgradienten an verschiedenen Teilen der Kompensation zugänglich gemacht sind. Auf diese Weise ist auch bei stark wechselnden Umgebungsbedingungen eine ein wandfreie und wirksame Temperaturkompensation gewährleistet.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Ünteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert! es zeigt

F i g. 1 eine Vorzugsweise rötätiönssymmetrische Magnetanordnung mit einem ersten Ausführungsbei* spiel Von Einrichtungen zur Temperaturkompensation, F i g. 2 eine weitere, vorzugsweise rotationssymmet-.ische Magnetanordnung mit einem anderen Ausführungsbeispiel von Einrichtungen zur Temperaturkompensation mit NTC- oder PTC-Widerständen und

F i g. 3 ein schematisches Blockschaltbild, welches ein NTC-Widerstände umfassendes Korrekturnetzwerk darstellt

In F i g. 1 ist im Schnitt eine rotationssymmetrische Magnetanordnung 1 dargestellt, deren aktiver Teil 2 die Form eines zylindrischen Kerns aufweist. Auf der Mantelfläche des Kerns ist eine Einriebt! jig 3a zur Temperaturkompensation angebracht, die aus einem weichmagnetischen Werkstoff mit großem negativem Temperaturkoeffizienten der Sättigungsmagnetisierung oder einem NTC-Widerstand eines korrigierenden Netzwerkes bestehen kann, während eine zweite Einrichtung Zb zur Temperaturkompensation aus demselben Material annähernd symmetrisch zu einer strichpunktiert dargestellten Mitte!·, nse 2a dargestellt ist In F i g. 1 ist auf der Oberseite de; zylindrischen Kerns ein scheibenförmiges Teil 4a aus Weicheisen und um den zylindrischen Kern 2 herum ein rotationssymmetrischer, im Querschnitt etwa U-förmiger, magnetischer Rückschluß 46 aus Weicheisen angeordnet. Zwischen dem scheibenförmigen, oberen Teil 4a und dem magnetischen Rückschluß 4b ist ein etwa ringförmiger Luftspalt 5 ausgebildet

Nach F i g. 1 ist im Luftspalt 5 eine Arbeitsspule 15 in einer Halterung 16 angeordnet. An der Halterung 16 ist eine Waagschale 19 angebracht welche über Parallelführungen J 8 bezüglich eines schematisch dargestellten ortsfesten Teils 17 geführt ist.

Die vorbestimmte Wichtung de; Einrichtungen 3a, 3b zur Temperaturkompensation erfolgt durch gegenseitige Abstimmung der Querschnitte bei Verwendung von weichmagnetischem Material oder der Widerstandswerte bei Verwendung von NTC- oder PTC-Widerständen.

In F i g. 2 sind die gleichen Teile wie in F i g. 1 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in F i g. 1 dargestellten Ausfühmngsform dadurch, daß anstelle der Einrichtungen 3a und Zb zur Temperaturkompensation aus einem weichmagnetischen Werkstoff mit großem negativen Temperaturkoeffizienten der Sättigungsmagnetisierung NTC-Widerstände 13a, 136 und 13r vorgesehen sind, von denen die NTC-Widerstände 13a und 13c jeweils scheibenförmig um den aktiven Teil 2 der Magnetanordnung 1 angeordnet sind, während der NTC-Widerstand 130 zylinderförmig ausgeb'ldet und in der zentralen Boh^ng des aktiven Teils 2 angeordnet ist. Der NTC-Widerstand 13a ist unmittelbar angrenzend unter das scheibenförmige Teil 4a aus Weicheisen um den aktiven Teil 2 gelegt, während der NTC-Widerstand 13l' unmittelbar angrenzend an den U-förmigen, magnetischen Rückschluß 46 aus Weicheisen um das untere Ende des aktiver· Teils 2 gelegt ist. Der zylindrische NTC-Widerstand 136 ist etwa auf halber Höhe des aktiven Teils 2 in der Mitte zwischen den NTC »Widerständen 13a und 13cangeordnet

Selbstverständlich können anstelle der dargestellten NTC-Widerstände 13a, 136 und 13c auch PTC-Widerstände verwendet werden, die dann entsprechend verschaltet sind.

F i g, 3 zeigt ein Schaltbild eines Korrekturnetzwerkes, welches die zur Temperaturkompensation dienenden NTC-Widerstände umfaßt. Das Blockschaltbild

zeigt rein schematisch die Magnetanordnung 1 mit der Arbeitsspule 15, welche mit der Waagschale 19 verbunden isu Ein Positionsgeber 20 ist über einen Verstärker 21 Und eine Leitung 22 über die Arbeitsspule 15 und eine weitere Leitung 23 mit einem korrigierenden Netzwerk 25 verbunden. Das korrigierende Netzwerk 25 umfaßt in Reihe geschaltete NTG-Widerstände NTCi, NTC2 ... NTCn, wobei jedem NTC-Widerstand ein sogenannter Linearisierungswiderstand Ri, R2 ... Rn parallel geschaltet ist. In Reihe mit den NTC-Widersländen liegt ein vorgewählter Festwiderstand RF, während parallel zu den NTC-Widerständen und dem Festwiderstand ein weiterer Netzwiderstand R geschaltet ist.

Die zu den NTC-Widerständen parallelgeschalteten Widerstände Ri, R 2 ...Rn dienen zur Linearisierung der gekrümmten Widerstandskennlinie der NTC-Widerstände.

Die Linearisierungswiderstände Ri₁ R2 ... Rn können einen Widerstandswert in der Größenordnung von einem Kilo-Ohm aufweisen, während der Festwiderstand RF einen Widerstandswert in der Größenordnung von 10 Kilo-Ohm aufweisen kann. Die Werte der NTC-Widerstände liegen in der Größenordnung von einem Kilo-Ohm und können unterschiedlich voneinander sein bzw. sind unterschiedlich voneinander in Abhängigkeit von der erforderlichen Wichtung, die sich aus der Anordnung der NTC-Widerstände relativ zu der Magnetanördnüng den elektrischen Eigenschaften der NTG-Widerstäride ergeben^ Der zu den NTG-Widerständen Und dem Festwiderstand RF parallelgeschaitele Widerstand R hat einen Widersfändsweft in der Größenordnung von 100 Ohm.

Die beiden Ausgangsanschlüsse des korrigierenden Netzwerkes 25 führen weiter zu einem Analog-Digital-(A/D-)WandIeri wie er in bekannter Weise bei elektromagnetisch kompensierenden Waagen eingesetzt wird.

Die Gewichtung der Kompensatiönseffekte der einzelnen Kompensationseierhente zur optimalen Annäherung an den genauen Mittelwert der tatsächlich auftretenden Temperaturkurve ist mathematisch durch die nachfolgende Gleichung ausgedrückt:

— \ Td V =

/ ■ π on * η Zj η Sn

Hierbei bedeuten:

T = Temperatür
V - Magnetvolumen
g„ = Wichtungsfaktoren

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Elektromagnetisch kompensierende Kraftmeß- oder Wägevorrichtung mit wenigstens einer im Luftspalt einer ortsfesten Permanentmagnetanordnung beweglichen Arbeitsspule und mit einer am aktiven Teil der Magnetanordnung angeordneten Kompensationseinrichtung zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der magnetischen Kraftflußdichte der ι ο Magnetanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung in wenigstens zwei Kompensationselemente (3a, 3b; 13a, 13i>, \3c) aufgeteilt ist, daß bei einer Permanentmagnetanordnung mit in Form eines zylindrischen Kerns (2) ausgebildetem aktivem Teil wenigstens ein erstes Kompensationselement (3a, 13aJ auf der Mantelfläche des Kerns (2) angeordnet ist, an der im Betrieb eine Temperaturänderung zuerst erfolgt bzw. eine große Temperaturänderung auftritt, daß wenigstens ein zweites Kompensationselement (3b, \3b) im Zentrum des Kerns (2) annähernd symmetrisch zu dessen Mittelachse (2a), also in einem Bereich angeordnet ist, desen Temperatur sich im Betrieb nur langsam ändert bzw. weitgi hend konstant bleibt, und daß die Kompensationseffekte der einzelnen Kompensationselemente (3a, 3b; 13a, 13b, 13c,) entsprechend den unterschiedlichen vorbestimmten Temperaturgradienten gewichtet sind.

2. Vorrich^ng nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kor"pensa?^:onselemente (3a, 3b) aus weichmagnetischem Werkstoff mit stark temperaturabhängiger Sättigungsma'-netisierung bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationselemente (13a, 136. 13c; NTC-Widerstände oder PTC-Widerstände umfassen, die Elemente eines korrigierenden Widerstandsnetzwerks sind.

4 Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Kompensationselc ment (3a) in Form eines Zylindermantels aus weichmagnetischem Werkstoff mit großem negativen Temperaturkoeffizienten der Sättigungsmagnetisierung auf der Mantelfläche des Kerns (2) und ein zweites Kompensationselement (36,IaIs Zylinder aus dem gleichen Material im Zentrum des Kerns vorgesehen sind.