DE2657462A1 - ELECTROMAGNETIC COMPENSATING SCALE - Google Patents
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Description
7470 Albstadt 1 - Ebingen7470 Albstadt 1 - Ebingen
Elektromagnetisch kompensierende WaageElectromagnetic compensating scale
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch kompensierende Waage/ mit einem Permanentmagneten und mit einer Einrichtung zur Kompensation von Temperaturschwankungen im Magnetbereich.The invention relates to an electromagnetically compensating scale / with a permanent magnet and with a device to compensate for temperature fluctuations in the magnet area.
Die elektromagnetische Kraftkompensation ist als Meßsystem im Waagenbau allgemein bekannt und verbreitet. Hierbei wird die Kraftwirkung eines von elektrischem Strom durchflossenen Leiters in dem Magnetfeld, meistens eines Permanentmagneten, als Gegenkraft zur Gewichtskraft benutzt. Mit steigenden Genauigkeiten und Auflösungen treten aber Probiene bei Permanentmagneten auf, insbesondere ist der magnetische Fluß eines Permanentmagneten neben anderen Einflössen auch von der Temperatur abhängig· So haben heutige Werkstoffe von Permanentmagneten einen reversiblen Temperaturkoeffizient der Remanenz in der Größenordnung von -0,2 /oo pro Grad Celcius. Dies bedeutet, daß der Nutzfluß eines Permanentmagneten und damit die im Luftspalt vorhandene magnetische Induktion des Magnetsysteines, in dem der Permanentmagnet eingebaut ist, je Grad Temperaturerhöhung seinen Wert um 2 Zehntausendstel verringert. Die erzeugte Meßkraft und damit die Anzeige der Waage werden dadurch verfälscht. Eine Waage mit 10000 Digits würde also bei Vollast 2 Digit Änderung je Grad Temperaturänderung ergeben.The electromagnetic force compensation is used as a measuring system in weighing scales well known and widespread. Here the force effect of a conductor through which an electric current flows in the magnetic field, mostly a permanent magnet, as a counterforce to the weight used. With increasing accuracies and resolutions, however, probes occur with permanent magnets, in particular the magnetic one The flux of a permanent magnet also depends on the temperature in addition to other influences · This is how today's permanent magnet materials a reversible temperature coefficient of remanence in the order of magnitude of -0.2 / oo per degree Celsius. This means that the useful flux of a permanent magnet and thus that present in the air gap Magnetic induction of the magnet system in which the permanent magnet is installed, its value by 2 ten thousandths per degree increase in temperature decreased. The generated measuring force and thus the display of the scales are falsified. A scale with 10,000 digits would therefore at full load result 2 digit change per degree change in temperature.
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August Sauter GmbH -Jf- 26. November 1976August Sauter GmbH -Jf- November 26, 1976
Kraftkompensationsspule durch den Strontfluß andererseits Wärme erzeugen (Eigenwärme), bildet sich um das Magnetsystem ein räumlich verteiltes Temperaturfeld aus, welches als überlagerung eines im allgemeinen homogenen Temperaturfeldes der Umgebungstemperatur und eines relativ starken inhomogenen Temperatürfeldes, verursacht durch die Eigenwärme, betrachtet werden kann. Dieses Temperaturfeld ist zeitlichen Schwankungen unterworfen, hervorgerufen durch die zeitlichen Änderungen der Umgebungstemperatur (Abkühlung, Erwärmung) und weiter durch die Änderung der Eigenerwärmung infolge Lastschwankungen (Kraftspule) sowie Netzspannungsänderungen, insbesondere durch das sich beim Einschalten der Waage aufbauende Temperaturfeld durch Eigenerwärmung.On the other hand, the force compensation coil generates heat through the flow of current (Intrinsic heat), a spatially distributed temperature field forms around the magnet system, which is superimposed on a generally homogeneous one Temperature field of the ambient temperature and a relatively strong inhomogeneous temperature field caused by the intrinsic heat can be. This temperature field is subject to fluctuations over time, caused by changes in the ambient temperature over time (Cooling, warming) and further through the change in self-heating due to load fluctuations (force coil) as well as changes in mains voltage, in particular due to the temperature field that builds up when the balance is switched on due to self-heating.
Es sind Temperaturkompensationen bekannt, die aus magnetischen Nebenschlüssen im Hagnetsystem von temperaturabhängig magnetisch leitenden Materialien (z.B. Thermoflux) bestehen. Diese magnetisch leitenden Materialien ändern ihre magnetische Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Temperatur so, daß der magnetische Widerstand dieser Materialien bei höherer Temperatur größer wird.Temperature compensations are known which consist of magnetic shunts in the magnet system of temperature-dependent magnetically conductive materials (eg Thermoflux). These magnetically conductive materials change their magnetic conductivity as a function of the temperature so that the magnetic resistance of these materials increases at a higher temperature.
Die kompensierende Wirkung kommt dadurch zustande, daß durch den mit steigender Temperatur abnehmenden magnetischen Nebenschluß der Nutzfluß des Permanentmagneten, der bei steigender Temperatur geringer wird, konstant gehalten wird« Diese temperaturabhängig magnetisch leitenden Materialien werden in Form von Platten, Stäben oder als geschlossener Ring um den Permanentmagnet herum angebracht.The compensating effect is due to the fact that with increasing temperature decreasing magnetic shunt the useful flux of the permanent magnet, which decreases with increasing temperature is, is kept constant «These temperature-dependent magnetically conductive materials are in the form of plates, rods or as closed Ring attached around the permanent magnet.
Bekannt sind auch Temperaturfühler, z.B. in Form von Kupferwicklungen, um das Magnetsystem oder den Permanentmagneten herum, sowie NTC-Fuhler (Negative Temperature Coefficient). Beide verändern, in Abhängigkeit von der Temperatur, ihren elektrischen Widerstand. Diese ÄnderungTemperature sensors are also known, e.g. in the form of copper windings, around the magnet system or the permanent magnet, as well as NTC sensors (Negative Temperature Coefficient). Both change their electrical resistance depending on the temperature. This change
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beeinflußt die in der Waage vorhandene, den Meßwert bildende Elektronik im Sinne einer Koapensierung.Influences the electronics in the balance that form the measured value in the sense of co-ownership.
All diese Temperaturkompensationen haben den Nachteil, daß sie mit annehnbarer Genauigkeit nur innerhalb eines homogenen Teaperaturfeldes arbeiten. Bei zeitlichen Änderungen des Temperaturfeldes und bei inhomogenen Temperaturfeidern treten große Abweichungen auf, da die Magnet-Materialien, die den Fehler verursachen, auf anderen Temperaturen liegen als der koapensierende Magnetische Nebenschluß oder der Temperaturfühler (oder bei sich zeitlich ändernden Feldern, infolge der verschiedenen thermischen Zeitkonstanten, zeitweise unterschiedliche Temperaturen annehmen).All these temperature compensations have the disadvantage that they are acceptable with Accuracy only work within a homogeneous tea temperature range. With temporal changes of the temperature field and with inhomogeneous There are large deviations in temperature fields because the magnet materials, causing the error are at different temperatures than the co-capping magnetic shunt or the temperature sensor (or in the case of fields that change over time, as a result of the different thermal time constants, sometimes assume different temperatures).
Aufgabe der Erfindung war es, diese thermische Kompensation durch bessere Berücksichtigung der oben beschriebenen Gegebenheiten wesentlich z\t verbessern. Erfindungsgemäß wird dazu vorgeschlagen, daß die Einrichtung wenigstens zwei voneinander unabhängig wirkende, dem Permanentmagneten zugeordnete Korrekturglieder umfaßt, wobei wenigstens ein Korrekturglied bei einer Außenfläche und wenigstens ein weiteres Korrekturglied bei einer Innenfläche des Permanentmagneten angeordnet ist.It is an object of the present invention, by better into account the situation described above significantly z \ t improve this thermal compensation. According to the invention it is proposed that the device comprises at least two independently acting correction elements assigned to the permanent magnet, at least one correction element being arranged on an outer surface and at least one further correction element on an inner surface of the permanent magnet.
Verschiedene vorteilhafte Ausbildungsformen der Erfindung sind den UnteransprUchen zu entnehmen.Various advantageous embodiments of the invention are the dependent claims refer to.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen darThe invention is explained in more detail below with reference to the drawings. In the drawings represent
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CrCr
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch ein typische· Magnetsystem. Dies besteht aus eine« zylindrischen Permanentmagneten 1 mit einer Innenhöhlung 2, einer Polplatte 4 und einem zylindrischen Mantel (Topf) 5. Im Luftspalt 3 ist eine Kraftspule 6 angeordnet, die Über eine nicht näher dargestellte Parallelführung so angeordnet ist, daß sie nur in vertikaler Richtung beweglich ist. An der Außenwand des zylindrischen Permanentmagneten sind Stäbe oder Streifen aus Thermoflux 7 und 8 längs der Mantellinie des Zylinders zwischen Polplatte 4 und Topf 5 angeordnet. Es kann auch ein geschlossener Ring um den zylindrischen Permanentmagneten 1 sein* Diese Thereofluxelemente 7 und 8 wirken als Magnetischer Nebenschluß (Shunt) zum Nutzfluß des Permanentmagneten Sie verringern etwas die magnetische Induktion im Luftspalt 3 des Magnetsystems. Des weiteren ist in der Innenhöhlung 2 ein Thermofluxstab 9 zwischen Polplatte 4 und Topf 5 angeordnet. Auch dieser Stab wirkt als magnetischer Nebenschluß und reduziert die magnetische Induktion in Luftspalt 3. Die Auslegung und Dimensionierung dieser magnetischen Nebenschlüsse 7, 8, 9, ist so, daß der magnetische Nutzfluß bei steigender Temperatur und damit sinkendem Hauptflufl des Permanentmagneten 1 - durch den negativen Temperaturkoeffizienten des Magnetwerkstoffs - zusammen mit dem kleiner werdenden magnetischen Nebenschluß - durch Vergrößerung des magnetischen Widerstandes der Thermofluxelemente 7, 8, 9 - gleich groß bleibt. Umgekehrtes gilt fUr fallende Temperatur. Damit bleibt die magnetische Induktion im Luftspalt 3 bei sich ändernder Temperatur wenigstens angenähert konstant. Die kompensierende Wirkung ist auf die magnetischen Nebenschlüsse 7, 8 und 9 verteilt. Durch Auswahl der Materialien und durch Dimensionierung ist es möglich, in einem großen Temperaturbereich (ca. 10....50 Grad), sehr gute Kompensationen zu erreichen, und zwar auch dann, wenn die Temperaturen an den verschiedenen Stellen des Magnetsystems unterschiedlich sind, wie in Figur 2 näher erläutert. Unterstellen wir den Fall, daß eine lineare Temperaturabnahme (Kurve T) radial Über den Magneten 1FIG. 1 shows a section through a typical magnet system. This consists of a "cylindrical permanent magnet 1 with an inner cavity 2, a pole plate 4 and a cylindrical jacket (pot) 5. In the air gap 3, a power coil 6 is arranged, which is arranged via a parallel guide, not shown, that it is only vertical Direction is movable. On the outer wall of the cylindrical permanent magnet, bars or strips of Thermoflux 7 and 8 are arranged along the surface line of the cylinder between pole plate 4 and cup 5. It can also be a closed ring around the cylindrical permanent magnet 1 * These thereoflux elements 7 and 8 act as a magnetic shunt to the useful flux of the permanent magnet. They slightly reduce the magnetic induction in the air gap 3 of the magnet system. Furthermore, a thermoflux rod 9 is arranged in the inner cavity 2 between the pole plate 4 and the pot 5. This rod also acts as a magnetic shunt and reduces the magnetic induction in air gap 3. The design and dimensioning of these magnetic shunts 7, 8, 9 is such that the useful magnetic flux with increasing temperature and thus decreasing main flux of the permanent magnet 1 - through the negative Temperature coefficient of the magnetic material - together with the decreasing magnetic shunt - by increasing the magnetic resistance of the thermoflux elements 7, 8, 9 - remains the same. The reverse is true for falling temperature. The magnetic induction in the air gap 3 thus remains at least approximately constant when the temperature changes. The compensating effect is distributed over the magnetic shunts 7, 8 and 9. By selecting the materials and by dimensioning it is possible to achieve very good compensations in a large temperature range (approx. 10 ... 50 degrees), even if the temperatures at the different points of the magnet system are different, as explained in more detail in FIG. Let us assume the case that a linear temperature decrease (curve T) radially across the magnet 1
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vorliege. Der Magnet besitze also in dem äußeren linken Teil die Temperatur T 1, ii mittleren Teil die Temperatur T 2 und in rechten äußeren Teil die Temperatur T 3. Die magnetischen Nebenschlüsse 7, 8 und 9 liegen ebenfalls auf verschiedenen Temperaturen T 1, T 2 und T 3. Da nun der Nagnet 1 auf verschiedenen Temperaturen liegt, sind auch die Einflüsse infolge des Temperaturkoeffizienten auf den magnetischen Fluß unterschiedlich. Betrachtet man den magnetischen Nebenschluß 7, der auf amx hohen Temperatur T 1 liegt und somit eine starke Kompensationswirkung auf den magnetischen Fluß ausübt, so erkennt man, daß dieser hohe Einfluß notwendig ist, da auch ein Teil des Magneten 1 in der linken Zone auf dieser hohen Temperatur liegt. Andererseits ist dort, wo der Magnet 1 auf tieferer Temperatur (mittlere Zone T 2) liegt, auch die kompensierende Wirkung des magnetischen Nebenschlusses 9 geringer. Mit anderen Worten, die kompensierende Wirkung der magnetischen Nebenschlüsse 7, 8 und 9 entspricht den am Magnet herrschenden Temperaturen· Die Fehler werden am Orte der Entstehung direkt kompensiert. Die Gesamtwirkung aller Kompensationen,7, 8 und 9, und die Gesamtwirkung des den magnetischen Fluß beeinflussenden Temperaturfeldes (T 1, T 2, T 3) heben sich gegenseitig auf, so daß die magnetische Induktion im Luftspalt 3 wie gewünscht praktisch konstant bleibt.present. The magnet has the temperature T 1 in the outer left part, the temperature T 2 in the middle part and the temperature T 3 in the right outer part. The magnetic shunts 7, 8 and 9 are also at different temperatures T 1, T 2 and T 3. Since the magnet 1 is now at different temperatures, the influences due to the temperature coefficient on the magnetic flux are also different. If one looks at the magnetic shunt 7, which is at a high temperature T 1 and thus has a strong compensatory effect on the magnetic flux, it can be seen that this high influence is necessary, since part of the magnet 1 in the left zone on this is also necessary high temperature. On the other hand, where the magnet 1 is at a lower temperature (middle zone T 2), the compensating effect of the magnetic shunt 9 is also less. In other words, the compensating effect of the magnetic shunts 7, 8 and 9 corresponds to the temperatures prevailing at the magnet. The errors are compensated directly at the place where they arise. The total effect of all compensations, 7, 8 and 9, and the total effect of the temperature field influencing the magnetic flux (T 1, T 2, T 3) cancel each other out, so that the magnetic induction in the air gap 3 remains practically constant as desired.
Die Genauigkeit der thermischen Kompensation des Magnetsystems bei unlinearem Feldverlauf der Temperatur kann noch verbessert werden, wenn Kompensationen an mehreren Stellen des Permanentmagneten voneinander unabhängig wirken. In Figur 3 ist eine Magnetanordnvng dargestellt, bei der deshalb der gesamte wirksame Permanentmagnet in mehrere - im Beispiel zwei - Teilmagnete 1Ou. 11 aufgeteilt ist, wobei links und rechts und in der Mitte jeweils magnetische Nebenschlüsse 12, 13, 14 in Form von Stäbchen oder Plättchen angeordnet sind. Diese Nebenschlüsse wirken auf den Hauptfluß des Permanentmagneten 10 u. 11 kompensierend. Diese kompensierende Wirkung ist um so besser (bei unlinearem Temperaturverlauf), je mehr solche Nebenschlüsse über das zu kompensierende magnetische Material verteilt sind.The accuracy of the thermal compensation of the magnet system in the case of non-linear The course of the temperature field can still be improved if compensations are made at several points of the permanent magnet from one another act independently. In Figure 3, a Magnetanordnvng is shown, in which therefore the entire effective permanent magnet in several - in the example two - partial magnets 1Ou. 11 is divided, with left and right and in the center each magnetic shunts 12, 13, 14 are arranged in the form of rods or plates. These shunts act on the Main flux of the permanent magnet 10 and 11 compensating. This compensating effect is the better (with a non-linear temperature profile), the more there are Shunts are distributed over the magnetic material to be compensated.
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Da infolge Streuungen der Materialkonstanten und Toleranzen in den Abmessungen diese Gesamtkompensation als Summe von Einzelkompensationen ebenfalls gewissen Streuungen unterworfen ist, ist es vorteilhaft, an einer Stelle des Systems eine Einzelkompensation in ihrer Wirkung variabel zu gestalten« Dies ist in Figur 4 und 5 dargestellt. Figur 4 zeigt einen zylindrischen Permanentmagneten 15 mit zusätzlichen, nicht dargestellten, inneren magnetischen Nebenschlüssen. Er trägt als Teilkompensation außen zwei aus Thermoflux bestehende Ringe 16 und 17. Der Thermofluxring 16 soll am zylindrischen Permanentmagnet 15 fest angeordnet sein, während 09Z. Thermofluxring 17 um die Zylinderachse 18 gemäß Pfeilrichtung 19 links - oder rechts - drehend verstellbar ist. Damit läßt sich der magnetische Nebenschluß dieser Teilkompensation, bestehend aus Ring 16 und 17 in der Wirkung dadurch regulieren, daß der gegenseitige Abstand 20 bei Linksdrehung des Ringes 17 größer und bei Rechtsdrehung des Ringes 17 kleiner wird.Since this total compensation as the sum of individual compensations is also subject to certain scattering due to the scatter of the material constants and tolerances in the dimensions, it is advantageous to make an individual compensation variable in its effect at one point in the system. This is shown in FIGS. 4 and 5. FIG. 4 shows a cylindrical permanent magnet 15 with additional, not shown, internal magnetic shunts. As a partial compensation, it carries two rings 16 and 17 made of Thermoflux on the outside. The Thermoflux ring 16 is to be fixedly arranged on the cylindrical permanent magnet 15, while 09Z. Thermoflux ring 17 around the cylinder axis 18 according to the direction of arrow 19 left - or right - is adjustable to rotate. The effect of the magnetic shunt of this partial compensation, consisting of ring 16 and 17, can be regulated in that the mutual distance 20 becomes larger when ring 17 is turned to the left and smaller when ring 17 is turned to the right.
In Figur 5 ist eine andere Variante dargestellt. Im zylindrischen Permanentmagnet 21 ist eine äußere Teilkompensation 22 angeordnet. Die innere Teilkompensation 23 und 24 besteht wieder aus dem feststehenden Thermofluxteil 23 und einer durch Drehen in der Höhe verstellbaren Schraube Mit letzterer kann der Abstand 25 dieser beiden Teile 23 υ. 24 und somit die Wirkung des magnetischen Nebenschlusses verstellt werden.Another variant is shown in FIG. In the cylindrical permanent magnet 21 an outer partial compensation 22 is arranged. The inner partial compensation 23 and 24 again consists of the fixed thermoflux part 23 and a screw adjustable in height by turning. With the latter, the distance 25 between these two parts 23 υ. 24 and thus the effect of the magnetic shunt can be adjusted.
Alle bisher beschriebenen Beispiele der Kompensation wurden mit magnetischen Nebenschlüssen durch Thermoflux oder ähnliche Materialien erläutert. Selbstverständlich können auch einzelne oder alle Teilkonpensationen durch einen oder mehrere Temperaturfühler, die möglichst dicht am Magneten angeordnet sind, bewerkstelligt werden. Günstig sind Kupferwicklungen auf den Permanentmagneten, die, infolge ihrer flächigen Verteilung, eine integrierende TemperaturabfUhlung vornehmen. FUr punktföraige MessungenAll examples of compensation described so far were made with magnetic Shunts explained by Thermoflux or similar materials. Of course, some or all of the partial compensations can also be provided by one or more temperature sensors, which are arranged as close as possible to the magnet are to be accomplished. Copper windings on the permanent magnets, which, due to their areal distribution, are favorable perform integrating temperature sensing. For point measurements
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der Temperatur, insbesondere um die räumliche Verteilung an verschiedenen Stellen des Magnetmateriales zu erfassen, können in geeigneten Aussparungen oder Bohrungen NTC-Fuhler angeordnet werden.the temperature, in particular the spatial distribution at different To detect places of the magnetic material, can in suitable recesses or holes for NTC sensors.
All diese Temperaturfühler beeinflussen in an sich bekannter Weise entweder die Auswertung des durch die Kraftspule 6 fließenden Stromes in Abhängigkeit van der Größe der Signale der einzelnen Temperaturfühler, oder aber beeinflussen eine im magnetischen System zusätzlich angeordnete Stromspule, deren Feld sich dem Hauptfluß des Permanentmagneten Überlagert. Bei geeigneter Dimensionierung ist es auch hier möglich, die Induktion im Luftspalt 3 unabhängig von der Temperaturschwankung zu machen. Schließlich können diese Fühler auch direkt auf die Auswerteschaltung im Sinne einer Korrektur des Meßwertes einwirken.All of these temperature sensors influence either in a manner known per se the evaluation of the current flowing through the force coil 6 as a function of the size of the signals from the individual temperature sensors, or they influence a current coil additionally arranged in the magnetic system, the field of which is the main flux of the permanent magnet Superimposed. With suitable dimensioning, it is also possible here to make the induction in the air gap 3 independent of the temperature fluctuation. Finally, these sensors can also be directly connected to the evaluation circuit act in the sense of a correction of the measured value.
In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, eine kombinierte Komensation in der Weise vorzunehmen, daß eine Teilkompensation mit einem oder mehreren Korrekturgliedern aus Thermoflux (z.B. außen am Magneten) vorgesehen ist, und daß eine weitere Teilkompensation (z.B. innen im Magneten) von einem Temperaturfühler (z.B. NTC-Widerstand)bewirkt wird.In some cases it can be advantageous to have a combined compensation to undertake in such a way that a partial compensation with one or more correction elements from Thermoflux (e.g. on the outside of the magnet) is provided, and that a further partial compensation (e.g. inside the magnet) is effected by a temperature sensor (e.g. NTC resistor).
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toto
e e r s e iir ee e r s e iir e
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