DE2617317C2

DE2617317C2 - Magnetic coupling for transferring the weight force from a sample to a self-compensating balance

Info

Publication number: DE2617317C2
Application number: DE19762617317
Authority: DE
Inventors: Theodor Prof. Dr.-Ing. 1000 Berlin Gast
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-04-21
Filing date: 1976-04-21
Publication date: 1986-09-04
Also published as: DE2617317A1

Description

Im folgenden wird dies für eine vertikal hängende Kupplung erklärt Es wird vorausgesetzt daß die Waage vom selbstkompensierenden Typ ist d. h. bei Belastung keine merklichen Ausschläge zeigt Bild 1 zeigt die Wirkungsweise. Am Lastarm der symbolisch dargestellten Waage (1) ist der Kupplungsmagnet (2) aufgehängt Unter ihm schwebt der gleichartige Kupplungsmagnet (3), der die Waagschale (4) trägt. Unterer Magnet und Waagschale befinden sich in einem Gehäuse (5) das — zumindest im oberen Teil — aus einem unmagnetischen, vorzugsweise dielektrischen Material z. B. Glas besteht Mittels eines Stutzens ist das Gehäuse evakuierbar oder mit Gasen oder Dämpfen gewünschter Zusammensetzung beschickbar. Der Regelkreis zur Stabilisierung der Lage des unteren Magneten besteht aus verschiedenen Elementen, die in folgender Weise zusammenwirken. Eine phoioelektrische, induktive oder kapazitive Meßeinrichtung beobachtet den Polabstand der beiden Kupplungsmagnete und steuert den Abstandsregler. Dieser läßt durch die Steuerspule einen Strom fließen, der die Anziehungskraft der Kupplungsma^nete im Sinn einer Stabilisierung des Polabstandes beeinflußt Am Beispiel einer photoelektrischen Meßeinrichtung wird dies im folgenden beschrieben: Von der Lichtquelle (6) wird, zusammen mit der Kondensorlinse (7a) ein Bündel paralleler Strahlen erzeugt dessen Achse mitten durch den freien Raum zwischen den Magneten läuftThis is explained in the following for a vertically hanging coupling. It is assumed that the balance is of the self-compensating type, ie no noticeable deflections under load. Figure 1 shows the mode of operation. The coupling magnet (2) is suspended from the load arm of the symbolically represented scale (1). The coupling magnet (3) of the same type, which carries the weighing pan (4), floats below it. The lower magnet and weighing pan are located in a housing (5) which - at least in the upper part - is made of a non-magnetic, preferably dielectric material, e.g. B. consists of glass By means of a nozzle, the housing can be evacuated or charged with gases or vapors of the desired composition. The control circuit for stabilizing the position of the lower magnet consists of various elements that interact in the following way. A photoelectric, inductive or capacitive measuring device observes the pole spacing of the two coupling magnets and controls the distance controller. This allows flow through the control coil a current which is designated the attraction of Kupplungsma ^ in the sense of stabilizing the pole spacing affects the example of a photoelectric measuring device will be described hereinafter from the light source (6), together with the condenser lens (7a) a A bundle of parallel rays is created whose axis runs right through the free space between the magnets

Dieses Bündel, das seitlich durch eine rechteckige Blende begrenzt ist wird mittels der Kondensorlinse (76,1 auf den Photoempfänger (8) konzentriert Der hier auftretende Lichtstrom hängt vom Abstand der beiden Magnetpole ab. Das vom Photoempfänger erzeugte Signal wird einem Verstärker (9) zugeführt der seinerseits den Abstandsregler (10) aussteuert der im Beispiel als PID-Regler ausgebildet ist Der Ausgangsstrom des Reglers durchfließt die Steuerspule (11), die im vorliegenden Fall aus zwei gleichgroßen Wicklungen besteht zwischen denen zum Durchtritt der Lichtstrahlen ein gewisser Abfand vorgesehen ist Dieser muß so groß sein, daß der Magnet (3) auch bei tiefster Lage noch etwas in das Strahlenbündel eintaucht Die Steuerspule ist gehäusefest und wirkt auf beide Magnete ein. Bei richtiger Dimensionierung und Polung der Regelkreis-Elemente schwebt der untere Magnet in stabiler Lage. Für eine mittlere Belastung der Waagschale soll hierbei gewährleistet sein, daß die Steuerspule für gegebenen Steuerstrom auf beide Stabmagnete gleichgroße und — bezogen auf die axiale Position der Magnete innerhalb der Spule — maximale Krfifte ausübt.This bundle, which is laterally limited by a rectangular diaphragm, is made by means of the condenser lens (76.1 concentrated on the photoreceiver (8) The luminous flux occurring here depends on the distance between the two Magnetic poles. The signal generated by the photoreceiver is fed to an amplifier (9) which in turn controls the distance controller (10), which is designed as a PID controller in the example The controller flows through the control coil (11), which in the present case consists of two windings of equal size between which a certain gap is provided for the light rays to pass through. This must be so large ensure that the magnet (3) is still slightly immersed in the beam even at its lowest position. The control coil is fixed to the housing and acts on both magnets. With correct dimensioning and polarity of the control loop elements the lower magnet floats in a stable position. For a medium load on the weighing pan, it must be ensured that the control coil for the given control current to both bar magnets is of the same size and - in relation to the axial position of the magnets within the coil - exerts maximum forces.

Für vorgegebene Höchstlast der Waage und gewünschten Verlauf der Steuerkräfte in Abhängigkeit von der axialen Position der Magnete relativ zur Spule sind Polstärke, Polabstand und Spulendimensionen errechenbar. Da die Sceuerkräfte in der Arbeits-Höhenlage der Magnete flache Maxima aufweisen, ist die Kraftänderung bei kleinen senkrechten Verschiebungen der Magnete zur Spule gering.Depending on the given maximum load of the balance and the desired course of the control forces The pole strength, pole spacing and coil dimensions can be calculated from the axial position of the magnets relative to the coil. Since the scanning forces have flat maxima at the working height of the magnets, the force change is small vertical displacements of the magnets to the coil.

Die von der Spule auf den unteren und den oberen Magneten ausgeübten Kräfte sind in symmetrischer Lage gleichgroß und entgegengesetzt gerichtet, sofern die Polstärken der beiden Magnete gleich sind. Dies läßt sich durch gezieltes Abmagnetisieren leicht erreichen. Somit heben sich aber die Kräfte auf das Gehänge in Symmetriestellung von Steuerspule und Magneten und auch für kleine Abweichungen von jener in guter Näherung gegenseitig auf. Dt verbleibenden senkrechten Kräfte enthalten die Stärke des Steuerstroms als Faktor. Zu ihrer Unterdrückung muß nun der Steuerstrom zu Null gemacht werden. Dies geschieht durch unterlagerte Stromregelung in folgender Weise:The forces exerted by the coil on the lower and upper magnets are symmetrical of the same size and directed in opposite directions, provided the pole strengths of the two magnets are the same. This leaves easily reached by targeted demagnetization. However, the forces on the hanger in Symmetry position of control coil and magnets and also for small deviations from that in good approximation each other up. The remaining vertical forces contain the strength of the control current as a factor. To suppress them, the control current must now be made zero. This is done through subordinate Current control in the following way:

Der Spulenstrom durchfließt den Widerstand (12) und erzeugt an ihm einen Spannungsabfall, der über den Integralregler (13) an der Summierstelle des Verstärkers (9) wirksam wird. Hierdurch wird der Sollwert der Abstandsregelung variiert Mit einer gewissen Verzögerung wird sich der untere Magnet stets so einstellen, daß der zur Stabilisierung aufgewendete Strom im Zeitmittel gleich Null ist d. h. der obere Magnet ihn ohne statische Einwirkung der Steuerspule schwebend hältThe coil current flows through the resistor (12) and generates a voltage drop across it, which over the Integral controller (13) becomes effective at the summing point of the amplifier (9). This makes the setpoint the Distance control varies With a certain delay, the lower magnet will always adjust itself so that the time average current used for stabilization is zero d. H. the top magnet him without static The action of the control coil keeps it floating

Die zur Stabilisierung des Gleichgewichtszustandes erforderliche dynamische Einwirkung bleibt dabei erhallten. Durch die Abstandsvariation der Magnetpole wird allerdings die Symmetrie des aus Stabmagneten und Steuerwicklung bestehenden Systems gestört weil der obere Magnet durch die selbstkompensierende Arbeitsweise der Waage in seiner Position gehalten wird, während der untere vertikal auswandert.The dynamic action required to stabilize the state of equilibrium is retained. Due to the variation in the distance between the magnetic poles, however, the symmetry of the bar magnet becomes and control winding of the existing system is disturbed because the upper magnet is self-compensating the balance is held in place while the lower one migrates vertically.

Wie oben ausgeführt bleibt jedo«? bei mäßigen Lageänderungen des unteren Magneten reiativ zur Spule das Gleichgewicht der Kräfte annähernd erhalten, und durch die unterlagerte Stromregelung auf Null werden die resultierenden Kräfte, die nach dem obengesagten den Steuerstrom als Faktor enthalten, verschwindend klein, im Grenzfall sogar Null.As stated above, however? with moderate changes in position of the lower magnet relative to the coil approximate the equilibrium of the forces, and are reduced to zero by the subordinate current control the resulting forces, which, according to the above, contain the control current as a factor, vanishing small, in the borderline case even zero.

Zweckmäßig schließt man das Magnetsystem einschließlich Spule in eine magnetische Abschirmung ein, die Fenster zum Durchtritt der Strahlung besitztIt is advisable to enclose the magnet system including the coil in a magnetic shield, which has windows for the radiation to pass through

Die Überlegungen gelten sinngemäß auch bei Austausch des lichtelektrischen Positions-Sensors gegen einen induktiven oder kapazitiven. Vorteilhaft wären diese Ausgestaltungen der Kupplung deshalb, weil die Steuerspule in diesem Fall keine Lücke zum Durchtritt eines Lichtbündels besitzen muß, also ungeteilt ist.The considerations apply mutatis mutandis to replacing the photoelectric position sensor with one inductive or capacitive. These designs of the clutch would be advantageous because the In this case, the control coil does not have to have a gap for a light beam to pass through, so it is undivided.

Soll z. B. der Abstand der Magnetpole induktiv gemessen werden, so bestehen die Stabmagnete gemäß Bild 2 aus hochpermeablen weichmagnetischen Stäben (14) und (15) mit aufgesetzten Plättchen (16) und (17) aus einem Material hoher Koerzitivkraft die einander zugekehrt sind und sich gegenseitig anziehen. Die diesen Plättchen benachbarten Bereiche der weichmagnetischen Stäbe sind magnetisch gesättigt und besitzen folglich keine magnetische Suszeptibilität, während die weiter außen liegenden Partien noch ungesättigt sind. Ändert sich der Abstand der Polflächen, so variiert auch die wirksame Gesamtpermeabilität im Innern der Spule (18) und dadurch deren Induktivität. Dies läßt sich mit Hilfe bekannter Schaltungen zur Abstandsregelung ausnützen. Ebenso ist eine kapazitive Positionsmessung möglich, z. B. nach Bild 3 durch leitende ringförmige Belegungen (19) (20) (21) auf dem Gehäuse, die den untereii Magneten umschließen, im Zusammenwirken mit dem als bewegliche Elektrode dienenden enteren Magneten (22) dem Oszillator (23), dem Transformator (24) und dem phasenempfindlichen Gleichrichter (25), der ein lagenabhängiges Gleichspannungssignal abgibt.Should z. B. the distance between the magnetic poles measured inductively the bar magnets according to Figure 2 consist of highly permeable, soft magnetic bars (14) and (15) with attached plates (16) and (17) made of a material with high coercive force facing each other are and attract each other. The areas of the soft magnetic areas adjacent to these platelets Rods are magnetically saturated and consequently have no magnetic susceptibility, while the further outer parts are still unsaturated. If the distance between the pole faces changes, this also varies effective total permeability inside the coil (18) and thereby its inductance. This can be done with Use the help of known circuits for distance control. There is also a capacitive position measurement possible, e.g. B. according to Figure 3 by conductive ring-shaped assignments (19) (20) (21) on the housing, which the untereii Enclose magnets, in cooperation with the inner magnet serving as a movable electrode (22) the oscillator (23), the transformer (24) and the phase-sensitive rectifier (25), the emits a position-dependent DC voltage signal.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

1 2 of a self-compensating balance according to the parent claims: term of claim 1. 1959 is a magnetic coupling from the applicant

1. Magnetische Kupplung zur Übertragung der zur Übertragung von Gewichtskräften von einer Waag-Gewichtskraft von einer Probe zu einer selbstkom- 5 schale zur Waage angegeben worden. Diese besteht im pensierenden Waage durch die Wand eines Rezi- Prinzip aus zwei sich anziehenden übereinander angepienten hindurch mit Hilfe frei schwebender Auf- ordneten Magneten, von denen der obere an dem Lasthängung eines ersten, die Waagschale tragenden gehänge einer Waage befestigt ist, während der untere Magneten im Feld eines zweiten, mit dem Waage- die Waagschale trägt Der Abstand der Polfläcben wird balken verbundenen Magneten unter Zuhilfenahme io durch einen Senscr festgestellt, der über einen Verstäreines Abstandsreglers, der die Position des ersten ker eine Feldspule steuert, die den oberen Magneten relativ zum zweiten Magneten regelt und einer mit beeinflußt So ist ein Regelkreis geschlossen, der die der Waage verbundenen Spulenanordnung zur Be- gegenseitige Lage der beiden Magneten stabilisiert wie einfassung der auf den ersten Magneten wirkenden dies nach dem Theorem von Earnshaw erforderlich ist Kräfte besteht dadurch gekennzeichnet, 15 wenn der untere Magnet beständig schweben soll. Mitdaß tels dieser Anordnung ist es möglich, die Waagschale1. Magnetic coupling for the transmission of the transmission of weight forces from a balance weight force from a sample to a self-measuring 5 bowl to the balance. This consists of the Pendulum scales through the wall of a Rezi principle of two attracting one on top of the other with the help of freely floating magnets Magnets in the field of a second, with which the balance carries the weighing pan. The distance between the pole faces is bar connected magnets with the help of io detected by a Senscr, which via a amplifier, a distance controller that controls the position of the first ker a field coil that controls the upper magnet regulates relative to the second magnet and influences one of them the balance connected coil arrangement for the mutual position of the two magnets stabilized as border of the acting on the first magnet, this is necessary according to Earnshaw's theorem Forces is characterized by 15 when the lower magnet is to float constantly. With this arrangement, it is possible to use the scale

mit der zu wägenden Substanz völlig von der Waage zuwith the substance to be weighed completely off the scale

a) der Abstandsregler in allen Teilen gerätefest trennen und sie kontrollierten Atmosphären auszusetangeordnet und die Spule in Bezug auf die Lage zen, die sich gegebenenfalls nachteilig auf die Waage bei minierer Last so angeordnet ist daß sie bei 20 auswirken oder von dieser ungünstig beeinflußt würden. Stromdurchfluß auf die Kupplungsmagnete (2, Diese Kupplung mit den Merkmalen des Oberbegriffs 3) gleichgroße entgegengesetzt wirkende verti- des Patentanspruches 1 ist aus der CH-PS 3 91 315 befcale Kräfte ausübt und daß kannt Ihr haftet folgender Nachteil an. Die zur Steue-a) Separate all parts of the distance controller in such a way that it is fixed to the device and put them out of controlled atmospheres and zen the coil in relation to the location, which may have a detrimental effect on the scales at a reduced load is so arranged that it would act at 20 or be adversely affected by it. Current flow to the clutch magnets (2, This clutch with the features of the generic term 3) Equal oppositely acting vertical claim 1 is from CH-PS 3 91 315 befcale exerts forces and that you are aware of the following disadvantage. The control

b) dem Abstandsregler (10) eine Stromregelung rung dienenden Spulen mit den erforderlichen Eisenkerdurch einen Arbeitswidersland (12), einen Inte- 25 nen sind mit den direkt an die Waage gekoppelten Magrator (13) und eine Rückführung auf den Ein- gneten starr verbunden. Sie nehmen ein beträchtliches gang eines Verstärkers (9) überlagert ist die Volumen ein und f-esitzten erhebliches Eigengewicht den Steuerstrom im zeitlichen Mittel auf Null Hierdurch ergeben sich verhältnismäßig unhandliche hält Systeme und die Nutzlast wird eingeschränktb) the distance controller (10) a current control serving coils with the required iron core through a work counter (12), an internal 25 are rigidly connected to the magrator (13) coupled directly to the balance and a return to the magnet. You take a sizeable one The volume is superimposed on the output of an amplifier (9) and there is considerable dead weight the control current on average over time to zero This results in relatively unwieldy holds systems and the payload is restricted

30 Es wäre erwünscht die Waage von solchem Ballast zu30 It would be desirable to remove such ballast from the balance

2. Magnetische Kupplung nach Anspruch 1, da- befreien und in der beweglichen Kraftübertragung vorn durch gekennzeichnet daß sie aus senkrecht über- Objekt zum Lastende des Waagebalkens nur die Maeinander angeordneten statJörmigen Kupplungs- gnete zu belassen. Hiergegen spricht jedoch, daß zwimagneten (2,3; 14,15; 22) und dem Abstandsregler sehen den Steuereinrichtungen und den mit der Waage (10) besteht der mittels einer ρ jotoelektrischen, in- 35 direkt oder über die magnetische Anziehung oder Abduktiven oder kapazitiven Meßeinrichtung durch stoßung gekoppelten Magneten im allgemeinen auch den gegenseitigen Abstand der Magnetpole gesteu- vertikale Kräfte auftreten, die das Wägeergebnis fälert wird. sehen. Hier werden bei derartigen Waagen sehr strenge2. Magnetic coupling according to claim 1, free and in the front movable power transmission characterized in that they leave only the statJörmigen coupling gnets arranged vertically above the object to the load end of the balance beam. This contradicts, however, that zwimagneten (2,3; 14,15; 22) and the distance controller see the control devices and the one with the scales (10) the magnet coupled by means of a ρ jotoelectric, inductively directly or via magnetic attraction or abductive or capacitive measuring device also generally exists The mutual distance between the magnetic poles is controlled by vertical forces that will falsify the weighing result. see. These are very strict with such scales

3. Magnetische Kupplung nach Anspruch 2, da- Maßstäbe angelegt die aufwendig*: Einrichtungen zur durch gekennzeichnet daß zur photoelektrischen 40 Korrektur dieser störenden Kräfte erforderlich machen Abstandsmessung der Magnetpole eine Lichtquelle wurden. Trotzdem wird in der Erfindung vorgeschlagen, (6) ein Strahlenbündel durch die Linsen (7a, Tb) se- die zur Stabilisierung des Schwebezustandes erforderliwie eine Lücke in der Steuerspule (11) auf den Pho- chen Steuerungseinrichtungen gehäusefest anzuordnen, toempfänger (8) sendet und die Intensität des Bün- Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Kupplung zur dels durch den Abstand der Kupplungsmagnete (2, 45 Übertragung der Gewichtskraft von einer Probe zur 3) beeinflußt wird. Waage bei gasdichter Trennung des Probenraums vom3. Magnetic coupling according to claim 2, there applied the elaborate *: devices for characterized in that the photoelectric 40 correction of these disruptive forces make distance measurement of the magnetic poles a light source. Nevertheless, it is proposed in the invention (6) to arrange a bundle of rays through the lenses (7a, Tb), which is necessary to stabilize the levitation state, such as a gap in the control coil (11) on the phoechen control devices fixed to the housing, to receiver (8) sends The object of the invention is to be influenced in a coupling to the dels by the distance between the coupling magnets (2, 45 transmission of the weight force from a sample to 3). Balance with gas-tight separation of the sample space from the

4. Magnetische Kupplung nach Anspruch 2, da- Waagenraum die mitgewogenen Massen der zur Stabilidurch gekennzeichnet, daß zur induktiven Abstands- sierung des Schwebezustandes erforderlichen Einrichmessung die Selbstinduktivität der Steuerspule (18) tungen und die von diesen Einrichtungen ausgeübten, dient und hierzu die stabförmigen Kupplungsma- ω die Wägung störenden Kräfte möglichst klein zu halten, gnete jeweils aus einem weichmagnetischen Teil (14, Diese Aufgabe wird bei einer magnetischen Kupp-15) und einem hartmagnetischen Teil zusammenge- "lung zur Übertragung der Gewichtskraft von einer Prosetzt sind. be zur Waage gemäß dem Oberbegriff des Patentan-4. Magnetic coupling according to claim 2, that the weighing space weighs the masses of the stabilized by the fact that the self-inductance of the control coil (18) lines and the exerted by these devices for the inductive spacing sierung of the levitation state required, serves and to keep the rod-shaped coupling dimensions as small as possible, Each consists of a soft magnetic part (14, this task is put together with a magnetic coupling 15) and a hard magnetic part for the transmission of the weight force from a pro.

5. Magnetische Kupplung nach Anspruch 2, da- Spruchs 1 durch die Merkmale des Kennzeichens des durch gekennzeichnet, daß zur Positionsanzeige für 55 Patentanspruchs 1 gelöst Vorteilhafte Ausgestaltungen den unteren Kupplungsmagneten (22) ein kapaziti- der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen, ver Sensor vorgesehen ist, der aus leitenden, auf das Die unzulässigen vertikalen Kräfte werden durch den Kupplungsmagneten (22) umgebende nichtlei- zwei Maßnahmen reduziert, deren Wirkungen sich multende Gehäuse (25) aufgebrachten Ringen (19, 20, tiplizieren. Die erste besteht darin, daß die Steuerein-21) besteht, die relativ zueinander mit der Position 60 richtungen geometrisch so gestaltet und angeordnet des Magneten (22) veränderliche Kapazitäten besit- sind, daß die vertikalen Kräfte von vornherein nur durch zen. kleine Abweichungen von einer idealen Anordnung Zustandekommen. Die zweite Maßnahme ist regelungs-5. Magnetic coupling according to claim 2, da- Proverb 1 by the features of the identifier of the characterized in that the position display for patent claim 1 solved advantageous embodiments the lower clutch magnet (22) a capacitive invention can be found in the subclaims, ver sensor is provided, which consists of conductive, on which the impermissible vertical forces are caused by The coupling magnet (22) surrounding non-two measures are reduced, the effects of which multiply the rings (19, 20) applied to the housing (25) geometrically designed and arranged in this way of the magnet (22) have variable capacities that the vertical forces only through Zen. small deviations from an ideal arrangement occur. The second measure is regulatory

technischer Art. Durch eine überlagerte Stromregelungof a technical nature. With a superimposed current control

65 wird der zeitliche Mittelwert des Steuerstroms stets auf Null gehalten. Hierdurch werden die restlichen, ohnehin65, the mean value of the control current over time is always kept at zero. This will make the rest of them, anyway

Die Erfindung betrifft eine magnetische Kupplung in kleinen vertikalen Kräften unter die Fehlergrenzen zur Übertragung der Gewichtskraft von einer Probe zu herabgedrückt.The invention relates to a magnetic coupling in small vertical forces below the error limits to transfer the weight of a sample to pressed down.