DE2620825A1

DE2620825A1 - Elektromagnetisch kompensierende waegevorrichtung

Info

Publication number: DE2620825A1
Application number: DE19762620825
Authority: DE
Inventors: Peter Kunz
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Instrumente AG
Priority date: 1975-07-22
Filing date: 1976-05-11
Publication date: 1977-02-10
Also published as: JPS5215363A; US4062417A; GB1490037A; CH586897A5

Description

Mettler Instrumente AG, Greifensee (Schweiz)

Elektromagnetisch kompensierende Wägevorrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch kompensierende Wägevorrichtung, mit einem Permanentmagnetsystem, mit einer in dessen Luftspalt angeordneten stromdurchflossenen Kompensationsspule, welche fest mit dem bev/eglichen Teil der Waage verbunden ist, mit einer die Grosse des Kompensationsstroms bestimmenden Regelschaltung, umfassend einen die Lage des beweglichen Teils der Waage abtastenden Positionsgeber, und mit einer die Grosse des KompensationsStroms erfassenden Auswerteschaltung.

Bei Waagen dieser Art spielt die Linearität, d.h. die exakte Proportionalität über den ganzen Wägebereich zwischen, der Grösse des Kompensationsstroms und dem zu kompensierenden Gewicht,

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eine wesentliche Rolle. Die Linearität wird vor allem dadurch beeinträchtigt, dass der Kompensationsstrom dem Feld des Permanentmagneten ein weiteres Feld überlagert, dessen Grosse und Richtung von der Stromstärke und der Magnetkonfiguration abhängt. Durch die daraus resultierende Verstärkung (oder Abschwächung) des Permanentmagnetfeldes ergibt sich zwangsläufig eine Aenderung der auf die Spule wirkenden Kraft pro Einheit der Stromstärke und somit ein unlinearer Zusammenhang Gewicht/Grösse des Kompensationsstroms.

Bei üblichen Waagen mit rotationssymmetrischen Permanentmagnetsystemen, einer über dem System angeordneten Waagschale und einer zylindrischen Kompensationsspule in einem Luftspalt am unteren Ende des Magnettopfes kann die Unlinearität z.B. die Grössenordnung von Promillen annehmen. Solche Unlinearitäten sind für moderne elektrische Waagen, deren Auflösung 10 und mehr Punkte beträgt, nicht akzeptabel.

Zur Linearisierung wurde bereits vorgeschlagen, in Serie mit der Kompensationsspule eine Hilfsspule um den Eisenkern im Magnetsystem zu legen, welche ihrerseits den Einfluss des KompensationsStroms auf das Magnetfeld im Luftspalt kompensiert (deutsche Offenlegungsschrift 2 448 776, US-Patentschrift 2 780 101). Diese an sich wirksame Massnahme hat den Nachteil, dass sie einen nennenswerten Mehraufwand hinsichtlich Bauteile und Montage bedeutet. Ferner kann die Hilfsspule, besonders, bei kompakten Waagen, wegen ihres Platzbedarfs störend wirken. Weiter ist die durch sie bedingte zusätzliche

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Verlustleistung und die damit verbundene Wärmeerzeugung unerwünscht, und schliesslich ergeben sich Probleme mit der Temperaturabhängigkeit des Spulenwiderstandes.

Die vorliegende Erfindung hatte sich die Aufgabe gestellt, ohne Verwendung einer Hilfsspule mit einfachen Mitteln die erwünschte Linearität zwischen Gewicht und Gewichtsanzeige zu erreichen. Sie löst diese Aufgabe dadurch, dass bei einer Waage der eingangs erwähnten Art ein Korrekturglied vorgesehen ist, das abhängig von der Stärke des Kompensationsstroms die Ausv/erteschaltung beeinflusst.

Eine erste Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Waage, bei der mittels eines Schalters eine Konstantstromquelle während lastabhängig veränderlicher Zeitabschnitte an die Kompensationsspule geschaltet und die Länge dieser Zeitabschnitte mittels Taktimpulsen ausgemessen wird, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Korrekturglied die Länge der Zeitabschnitte beeinflusst. Vorzugsweise umfasst dabei das Korrekturglied einen zweiten, mit dem ersten synchron arbeitenden Schalter und einen über Widerstände an eine der Konstantstromquelle zugeordnete Referenzspannung geschalteten Kondensator.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine Waage mit einem Digitalvoltmeter (DVM) zur Digitalisierung und Anzeige des an einem Messwiderstand als Messspannung erfassten Kompensationsstroms. Bei einer solchen Waage kann das Korrekturglied ein in Abhängigkeit von der Messspannung auf die

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Referenzspannung des DVM einwirkendes Element umfassen. In einer anderen Version kann das Korrekturglied ein Analog-Multiplikator sein, der so zwischen den Messwiderstand und das DVM geschaltet ist, dass letzterem eine korrigierte Messspannung zugeführt wird.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar

Figur 1 eine schematisierte Darstellung einer Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation,

Figur 2 das Blockschaltschema eines ersten Ausführungsbeispiels ,

Figur 3 ein Detail zu Figur 2,

Figur 4 die Darstellung der Schaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels, und
Figur 5 ein Detail eines dritten Ausführungsbeispiels.

Figur 1 zeigt schematisch eine übliche Waage der eingangs erwähnten Gattung. Ein Lastaufnehmer, bestehend im wesentlichen aus einem Rohr 10 und einer Waagschale 12, ist mittels zweier Lenker 14 im Waagengestell 16 parallel geführt. Das Rohr durchsetzt mit Spiel einen zentralen Kanal 18 in einem zylindrischen Eisenkern 20. Dieser ist befestigt an einer oberen runden Abschlussplatte 22 aus ferromagnetischem Material. Konzentrisch zum Kern 20 ist ein Topf-Permanentmagnet 24 angeordnet, oben mit der Platte 22 und unten mit einer Polschuh-Platte 25 verbunden. Ein ringförmiger Fuss

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aus ^magnetischem Material bildet die Halterung des Magnetsystems im Waagengestell 16. In den ringförmigen Luftspalt zwischen dem Kern 20 und dem Polschuh 26 taucht eine Kompensationsspule 32. Sie ist auf einen Träger 34 aus elektrisch isolierendem Material gewickelt, der fest mit dem Lastaufnehmer (Rohr 10) verbunden ist.

Zwischen den beiden Lenkern 14 ist auf der diesen gegenüberliegenden Seite am Rohr 10 eine Kondensatorplatte 36 befestigt. Sie befindet sich im Spalt zwischen zwei ortsfest im Waagengestell 16 angeordneten weiteren Kondensatorplatten 38 und bildet mit diesen einen Differentialkondensator.

Weitere konventionelle mechanische Details wie Gehäuse, Wegbegrenzer (Anschläge) etc. werden der Uebersxchtlichkeit halber nicht gezeigt.

Der elektrische Teil der Waage, hier nur.andeutungsweise dargestellt, umfasst ausser der Spule 32 und dem Differentialkondensator 36, 38, 38 noch

- eine über Leitungen 40 mit den Kondensatorplatten 38 verbundene Abtast- oder Geberschaltung 42,

- eine Kompensationsschaltung 44, welche einen Regelverstärker, eine Stromquelle und eine Auswerteschaltung umfasst und von welcher die Spule 32 über Leitungen 46, 46' gespeist wird, und

- eine Anzeige 48.

Die dargestellte Waage arbeitet bekanntlich wie folgt: Eine Auslenkung aus der Null- oder Sollposition (diese ist durch

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gleiche Abstände der Kondensatorplatte 36 zu den beiden Platten 38 definiert) erzeugt in der Geberschaltung 42, meist einer Brückenschaltung, ein Differenz- oder Fehlersignal. Dieses bestimmt im Regelteil der Schaltung 44 die Grosse eines Kompensationsstroms durch die Spule 32. Die elektromagnetische Kraftwirkung des Spulenstroms im Magnetfeld des Luftspalts 30 bewirkt im eingeschwungenen Zustand einen Ausgleich der Gewichtswirkung des Wägegutes auf der Waagschale 12 (sowie gegebenenfalls der Totlast der Waage, d.h. ihres Eigengewichts), und die Waage wird wieder in die Sollposition zurückgeführt. Die Grosse des hierfür notwendigen Kompensationsstroms wird im Auswerteteil in einen digitalen Gewichtswert verwandelt und in der Anzeige 48 dargestellt.

Bis hierher gilt das Gesagte sowohl für bekannte Waagen als auch für die unten erläuterten Ausführungsbeispiele.

Wie oben bereits angedeutet, ergibt sich bei der Kompensation eine Unlinearität, die mit steigendem Gewicht zunimmt: Dem konstanten Magnetfeld des Permanentmagneten im Luftspalt überlagert sich ein weiteres Magnetfeld, erzeugt durch Magnetisierung des Eisenkerns 20 durch die stromdurchflossene Spule 32, proportional zur Stromstärke in der Spule. Dieses zusätzliche, mit zunehmendem Gewicht und daher grosser werdendem Kompensationsstrom wachsende Feld bewirkt die unproportionale Kraftwirkung des Kompensationsstroms, d.h. mehr Gewicht entspricht - verhältnismässig - weniger Strom und damit eine zu niedrige Anzeige (je nach praktischer Ausbildung

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des Kompensationssystems, insbesondere der Magnetkonfiguration und der Anordnung des Luftspaltes, kann es auch zu einer Umkehrung dieses Effektes kommen, d.h. zu einer Schwächung des wirksamen Feldes mit der Folge zu hoher angezeigter Gewichtswerte) . Die Unlinearität resultiert dabei aus dem Umstand, dass das von der Kompensationsspule erzeugte Magnetfeld in einem Teil des Luftspaltes das Permanentmagnetfeld verstärkt, im anderen Teil jedoch abschwächt. Durch'die unterschiedlichen Permeabilitäten von magnetischem Material, Eisenkern und Luft resultiert eine asymmetrische Verteilung des zusätzlichen Magnetfeldes, so dass sich der abschwächende und der verstärkende Teil im Spulenbereich nicht völlig aufheben. Die verblei-

bende Differenz bewirkt die erwähnte Unlinearität.

Hieran anknüpfend wird nun gemäss der Erfindung die Auswertung so beeinflusst, dass bei zunehmendem Kompensationsstrom eine unlineare Korrektur vorgenommen wird. Hierzu wird die Umsetzung Spulenstrom/Anzeige stromabhängig beeinflusst.

In Figur 2 ist das Blockschaltbild des ersten Ausführungsbeispiels dargestellt. Die hier gezeigte Variante arbeitet, insoweit ebenfalls bekannt, mit dem Prinzip der Pulsbreitenmodulation: Das Gebersignal gelangt in einen Regelverstärker 50 und von dort zu einem Pulsbreitenmodulator (PBM) 52. Hier wird es mit einer konstantfrequenten Sägezahnspannung der Periode T verglichen. Ein Oszillator 56 als Taktgeber startet - mit einer im Frequenzteiler 58 herabgesetzten Frequenz die Sägezahnspannung im PBM 52; gleichzeitig gibt dieser

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ein Signal an einen elektronischen Schalter 60, der zu diesem Zeitpunkt die Spule 32 an eine Konstantstromquelle 54 schaltet. Sobald die Sägezahnspannung im PBM 52 den Wert des Regelsignals erreicht hat, wird durch ein weiteres Signal des PBM 52 an den Schalter 60 der Strom von der Spule abgeschaltet. Dies wiederholt sich in jeder Periode T.

Während der Anschaltzeit der Stromquelle 54 an die Spule 32 gehen hochfrequente Taktimpulse vom Oszillator 56 durch ein Tor 62 in einen Zähler 64. Beim Abschalten des Stroms .von der Spule wird das Tor 62 geschlossen, der Zählerstand wird in einen Speicher 66 übertragen und in 48 als Gewichtsanzeige dargestellt. Zu Beginn der nächsten Periode T wird vom PBM 52 das Tor 62 wieder geöffnet und mittels einer Logik 68, gesteuert vom Frequenzteiler 58, der Zähler auf Null gesetzt; der nächste Auswertezyklus beginnt.

Gemäss Figur 3 wird nun die oben erwähnte Unlinearität wie folgt korrigiert: Massgebend für die Amplitude der Konstantstromquelle 54 ist eine Referenzspannungsquelle 72 (Zener-Diode) , welche an einen Spannungs-Strom-Wandler 74 geschaltet ist. Der Konstantstromquelle 54 ist ein Schalter 68 zugeordnet, der synchron mit dem Schalter 60 geöffnet und geschlossen wird (Wirkungslinie 70 in Figur 2 und 3). Synchron mit dem Wechsel der Schalterstellungen (60, 68) ergeben sich sprunghafte Spannungsänderungen am Wandler 74, deren Ausmass von der Dimensionierung des Widerstandsnetzwerks 77, 78, 79, 80 abhängt, wobei z.B. der Widerstand 78 viel grosser als der

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einstellbare Widerstand 80 ist. Ein parallel zwischen die Zener-Diode 72 und den Wandler 74 geschalteter Kondensator ist, über den Widerstand 78, an den einstellbaren Widerstand 80 angeschlossen. Er bewirkt infolge seiner Glättungsfunktion, dass am Wandler eine - abhängig von der Anschaltdauer der Stromquelle an die Kompensationsspule korrigierte, d.h. hier: reduzierte - Gleichspannung liegt. Es resultiert ein niedrigerer Strom I_Tr und damit eine längere Anschaltdauer bei gleichem zu kompensierendem Gewicht, denn der in der Spule 32 wirksame mittlere Kompensationsstrom wird ja von der Stromstärke (Amplitude) I einerseits und der Impulslänge andererseits bestimmt. Da die Anschaltdauer (Impulslänge) , durch konstantfreuquente Taktimpulse ausgezählt, ein Mass für das Gewicht ist, resultiert bei gleichbleibendem Strom durch die Spule 32 eine korrigierte Anzeige. Bei entsprechender Bemessung der Elemente lässt sich eine weitgehende Eliminierung der - im wesentlichen quadratischen Unlinearität erreichen. Konkret konnte beispielsweise eine Verbesserung der Linearität um etwa den Faktor 50 erzielt werden (von 1:1000 auf 1:50000).

Der einstellbare Widerstand 80 ermöglicht einen Feinabgleich der Linearisierung,

Es wird also, neben der Regelung des Kompens ations s tr oms durch die Spule 32 abhängig von der Last mittels des Positionsgebers 42, eine interne Korrektur der Amplitude von l_v und damit der Impulslängen in Abhängigkeit von eben diesen Impulslängen vorgenommen.

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Anhand der Figuren 4 und 5 seien zwei weitere Ausführungsbeispiele erläutert, bei denen der von einer Regelschaltung 82 kommende, an einem Messwiderstand 84 als Messspannung erfasste Kompensationsstrom mittels eines Digitalvoltmeters (DVM) 86 bzw. 86' digitalisiert und angezeigt wird. Das DVM sei dabei eines der bekannten, nach dem Zwei-Rampen-Prinzip arbeitenden Geräte, bei welchen während einer bestimmten Zeitspanne die Messspannung durch Laden eines Messkondensators integriert und dieser Messkondensator dann gegen eine konstante Referenzspannung entladen wird, wobei die Entladezeit mit Taktimpulsen ausgezählt wird und so das digitale Resultat gibt.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Figur 4 wird nun, im Prinzip ähnlich wie bei Figur 3, zwischen die Referenzspannungsquelle 72' und den Analog-Digital-Wandler 88 ein Element 90 geschaltet, welches abhängig von der Messspannung U die am A/D-Wandler v/irksame Referenzspannung verändert (z.B. erniedrigt), um damit die Entladezeit des Messkondensators zu verändern (z.B. zu verlängern). Das Element 90 umfasst beispielsweise einen Spannungsteiler mit zwei verschieden grossen Widerständen 91, 93, an denen die - variable Messspannung U bzw. die - konstante - Referenzspannung aus 72' anliegt. Es resultiert eine Korrektur der dem A/D-Wandler

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zugeführten Referenzspannung in Abhängigkeit von U .iBeim Ausführungsbeispiel gemäss Figur 5 ist das DVM 86' selbst unverändert. Ihm wird jedoch eine bereits linearisierte Messspannung zugeführt. Hierzu dient eine Linearisierungsschal-

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tung 92: Parallel zum Messwiderstand 84 ist ein Potentiometer 102 geschaltet. Dessen Abgriff wird an beide Eingänge eines handelsüblichen Analogmultiplikators (z.B. vom Typ "Motorola" MC 1495) gelegt, an dessen Ausgang dann die quadrierte Eingangsspannung liegt. Zwei Widerstände 96/ 98 bilden einen Spannungsteiler, die entsprechend korrigierte Messspannung U,,¹ wird dem DVM zugeführt. Mit dem Potentiometer 102 kann wiederum ein Feinabgleich der Linearisierung vorgenommen werden.

Dargestellt wurde die Erfindung an Ausführungsbeispielen, welche sämtlich ein unsymmetrisches Magnetsystem, bezogen auf eine Horizontalebene durch die Kompensationsspule, aufweisen. Solche Magnetsysteme haben grosse Vorteile im Hinblick auf kompakte Bauweise und relativ niedriges Gewicht. Bei solchen Magnetsystemen wurde bisher, um den Linearitätsfehler klein zu halten, nur ein Teil des Luftspaltes ausgenützt: Da das Vom Kompensationsstrom induzierte zusätzliche Magnetfeld über 'die Länge des Luftspaltes asymmetrisch verteilt ist (siehe oben), konnte bei entsprechend kürzerer Kompensationsspule eine Position der minimalen Unlinearität eingestellt werden. Dementsprechend liegt nun ein zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemässen Linearisierung darin, dass sie die volle Ausnützung der Luftspaltlänge gestattet. Die entsprechend verlängerte Kompensationsspule bedeutet bei gleicher Kompensationskraft einen niedrigeren Strom und. darrit - neben der dadurch entsprechend kleineren Unlinearität - weniger Leistungsaufnahme, also auch weniger Wärmeentwicklung - für Präzisionswaagen von grosser Bedeutung.

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Konkret konnte beispielsweise in einem Falle eine Senkung der Spulenleistung von 2 auf 1,4 Watt, also um 30 %,erreicht werden.

Bei Magnetsystemen, die, bezogen auf eine Ebene durch die Mitte des Luftspaltes, symmetrisch gestaltet sind, heben sich die Unlinearitäten in der unteren Luftspalthälfte gegenüber denjenigen in der oberen Hälfte weitgehend auf, so dass die verbleibende Unlinearität bei symmetrischer Anordnung der Spule im Spalt relativ klein ist. Jedoch auch in diesen Fällen ist die erfindungsgemässe Linearisierung nützlich, sei es beispielsweise zur Kompensation der erwähnten Restunlinearität, oder sei es zum Abgleich von Unterschieden in den Materialeigenschaften der unteren und oberen Hälften des Magnetsystems. So kann dadurch z.B. darauf verzichtet werden, genau gleiche Magnetpaare auszusuchen. Die Schaltung nach Figur 3 beispielsweise könnte in einem solchen Fall so ausgestaltet werden, dass unter Zuhilfenahme zweier zusätzlicher Schalter 68 zwei Strompfade I alternierend eingeschaltet würden, synchron mit dem An- und Abschalten der Kompensationsspule, wobei die Grosse der jeweiligen Spannungsimpulse durch ein zwischen die beiden Strompfade geschaltetes Potentiometer 80 bestimmt würde. Damit wäre eine Korrektur der am Wandler 74 wirksamen, vom Kondensator 76 geglätteten Spannung nach oben oder unten möglich.

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Claims

Patentansprüche

(l.) Elektromagnetisch kompensierende Wägevorrichtung, mit einem Permanentmagnetsystem, mit einer in dessen Luftspalt angeordneten stromdurchflossenen Kompensationsspule, welche fest mit dem beweglichen Teil der Waage verbunden ist, mit einer die Grosse des Kompensationsstroms bestimmenden Regelschaltung, umfassend einen die Lage des beweglichen Teils der Waage abtastenden Positionsgeber, und mit einer die Grosse des Kompensationsstroms erfassenden Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass zur Linearisierung der Beziehung zwischen Kompensationsstrom und Gev/icht ein Korrekturglied vorgesehen ist, das abhängig von der Stärke des Kompensationsstroms die Auswerteschaltung beeinflusst.
2. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mittels eines Schalters eine Konstantstromquelle während lastabhängig veränderlicher Zeitabschnitte an die Kompensationsspule geschaltet und die Länge dieser Zeitabschnitte mittels Taktimpulsen ausgemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrekturglied die Länge der Zeitabschnitte beeinflusst.
3. Wägevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrekturglied einen zweiten, mit dem ersten synchron arbeitenden Schalter (68) und einen über Widerstände an eine der Konstantstromquelle zugeordnete Referenzspannung geschalteten Kondensator (76) umfasst.

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4. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Digitalvoltmeter zur Digitalisierung und.Anzeige des an einem Messwiderstand als Messspannung erfassten Kompensationsstroms, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrekturglied ein in Abhängigkeit von der Messspannung auf die Referenzspannung des Digitalvoltmeters einwirkendes Element (90) umfasst.
5. Wägevorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Digitalvoltmeter zur Digitalisierung und Anzeige des an einem Messwiderstand als Messspannung erfassten Kompensationsstroms, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrekturglied einen Analog-Multiplikator (94) enthält, der so zwischen den Messwiderstand und das Digitalvoltmeter geschaltet ist, dass letzterem eine korrigierte Messspannung zugeführt wird.

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