DE2722093B1

DE2722093B1 - Gewichts- und Kraftmesseinrichtung

Info

Publication number: DE2722093B1
Application number: DE2722093A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl-Phys Gruetzediek; Joachim Dipl-Phys Dr Scheerer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-05-16
Filing date: 1977-05-16
Publication date: 1978-06-08
Also published as: GB1603580A; CH627842A5; DE2722093C2; US4420055A

Description

Die Erfindung betrifft eine Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung mit einem Lastaufnahmeteil, der auslenkbar am festen Teil des Wäge- und Kraftmeßsystems angeordnet ist und eine in einem konstanten Magnetfeld befindliche Kompensationspulenanordnung besitzt, mit mindestens einem Lagesensor, der belastungsabhängige Auslenkungen des Lastaufnahmeteils aus einer vorgegebenen Lage feststellt und ein Sensorsignal einem elektrischen Regelkreis zuführt, der den Strom durch die Kompensationsspulenanordnung so regelt, daß der Lastaufnahmeteil in seine vorgegebene Lage zurück gebracht wird.

Derartige Gewichts- und Kraftmeßeinrichtungen, die im weiteren kurz als Waagen bezeichnet werden, sind bereits mehrfach vorgeschlagen worden, wobei meist ein Gleichstrom durch die Kompensationsspulenanordnung geschickt wurde, um aufgrund der elektromagnetischen Kraftwirkung des Gleichstroms den Lastaufnahmeteil bei einer abgefühlten oder abgetasteten Auslenkung in seine vorgegebene Lage zurück zu bringen. Nachteilig ist bei derartigen, mit Gleichstrom kompensierten Waagen insbesondere, daß der durch die Kompensationsspulenanordnung fließende Gleichstrom lastabhängig ist. Durch diese Lastabhängigkeit des kompensierenden Gleichstroms in den Kompensationsspulen machen sich Hysterese-Effekte des Permanentmagneten nachteilig bemerkbar. Darüber hinaus ist die Verlustleistung in einem im allgemeinen zur Strommessung verwendeten Strommeßwiderstand lastabhängig, wodurch ein Driften der Anzeige hervorgerufen wird. Bei Verwendung dieser bekannten mit Gleichstrom kompensierenden Anordnung in einer Hebel- oder Balkenwaage stört außerdem die Lagerreibung, da die Lager nicht ständig in Bewegung sind. Ferner entstehen auch in der den Gleichstrom liefernden Endstufe lastabhängige, relativ hohe Verluste, da die aktiven Bauelemente der Endstufe im Normalbetrieb und nicht im Schaltbetrieb arbeiten.

Aus der DE-PS 22 33 850 ist ferner eine derartige Waage mit einem weiteren Referenzteil bekannt, wobei Lastteil und Referenzteil unabhängig voneiander vertikal beweglich am festen Teil der Waage aufgehängt sind und je eine in einem gemeinsamen Magnetfeld angeordnete Kompensationsspule aufweisen. Detektoren stellen die belastungsabhängigen Auslenkungen von Last- und Referenzteil aus einer Nullage fest und regeln über Regelkreise die Ströme in den Kompensationsspulen, durch deren elektromagnetische Kraftwirkung Last- und Referenzteil jeweils für sich in die Nullage zurückgeführt werden. Dieses bekannte Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel vorgesehen sind, welche den durch die Referenzspule fließenden Gleichstrom abhängig vom Detektorsignal des Lastteils entweder der Lastspule oder einem Blindverbraucher zuleiten. Bevorzugt enthalten die Schaltmittel einen elektronischen Schalter, dessen Steuerung durch einen Pulslängenmodulator vorgenommen wird. Der Strom durch die Kompensationsspulenanordnung besitzt dabei entweder den Wert des durch die Referenzspule fließenden Gleichstroms oder den Wert Null.

Nachteilig ist bei dieser bekannten Waage insbesondere, daß ebenso wie bei den Waagen mit einem kompensierten Gleichstrom in den Kompensationsspulen die Verlustleistung in der Kompensationsspulenanordnung lastabhängig ist, wodurch eine lastabhängige Erwärmung des Magnetsystems hervorgerufen wird, die ein Driften der Anzeige bewirkt. Darüber hinaus geht eine Änderung der Schaltflanken des Stroms durch die Kompensationsspulen schon in erster Näherung ein, so daß eine sehr hohe Konstanz der Schaltflanken und der damit verbundene relativ hohe Schaltungsaufwand erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung zu schaffen, bei der die Verlustleistung, die durch den Strom in der Kompensationsspulenanordnung hervorgerufen wird, lastunabhängig ist, und bei der darüber hinaus die Form der Schaltflanken in erster Näherung nicht in das Meßergebnis eingeht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Regelkreis Schaltungseinheiten aufweist, die dem durch die Kompensationsspulenanordnung fließenden Strom durch die Belastung vorgegebene positive und negative Werte geben.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß keine Zeitintervalle vorhanden sind, in denen der Strom durch die Kompensationsspulenanordnung null ist, sondern daß in diesen Intervallen der Strom seine Flußrichtung in der Kompensationsspulenanordnung umkehrt, so daß auch in diesen Intervallen aufgrund der quadratischen Abhängigkeit der Verlustleistung vom Strom eine von null verschiedene Verlustleistung vorhanden ist. Über alle Zeitintervalle hinweg sind daher die Schwankungen in der Verlustleistung wesentlich kleiner als bei den bekannten Waagen. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Waage das dynamische Verhalten verbessert, da ein Regelkreis, bei dem Kräfte in beiden Richtungen erzeugt werden, einfacher aufzubauen ist. Ferner geht die Form des Stromverlaufs im Übergangsbereich zwischen positiven und negativen Werten (Schaltflanke) in erster Näherung nicht in das Meßergebnis ein. Erst in einer höheren Näherung machen sich Änderungen des speziellen Verlaufs des Übergangsbereichs des Stromes bemerkbar, wenn sich durch die Formänderung des Stromverlaufs die Leistungsaufnahme des Magnetsystems so stark ändert, daß auch die Magnettemperatur stärker variiert.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verleihen die Schaltungseinheiten des Regelkreises den positiven und den negativen Werten des durch die Kompensationsspulenanordnung fließenden Stromes nach Abschluß der mit einer Richtungsänderung des Tragteils verbundenen Änderung des Stromes dieselben Maximalamplituden und der zeitliche Beginn des Stromflusses in einer Richtung durch die Kompensationsspulenanordnung wiederholt sich in fest vorgegebenen Zeitabständen.

Obwohl der zeitliche Verlauf der Richtungsänderung des Stromes durch die Kompensationsspulenanordnung nach einer beliebigen Funktion erfolgen darf, wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein breitenmoduliertes Pulssignal als Strom durch die Kompensationsspulenanordnung geschickt, wobei im stationären Zustand der Betrag des positiven Stromwerts dem Betrag des negativen Stromwerts gleich ist.

Der Vorteil dieser besonders bevorzugten Ausführungsform liegt darin, daß die Verlustleistung in den Zeitintervallen positiven Sromflusses gleich der Verlustleistung während der Zeitintervalle negativen Stromflusses in der Kompensationsspulenanordnung ist. Eine lastabhängige Erwärmung des Magnetsystems wird also vermieden, das Driften der Anzeige wird dadurch beseitigt. Ferner wird die Verlustleistung in der

Endstufe zur Erzeugung des Stroms verringert, da die Transistoren als Schalttransistoren betrieben werden und durchgesteuert sind.

Die Schaltungseinheiten sind bevorzugt einer Serienschaltung aus Lagesensoren, einer Anpassungsschaltung und einem Regler nachgeschaltet und enthalten einen Pulsbreitenmodulator, der am Ausgang eine pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannung abgibt, deren Tastverhältnis in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Reglers, d. h. der Ausgangsspannung der Lagesensoren steuerbar ist und einer Endstufe zugeführt wird, die den pulsbreitenmodulierten Strom durch die Kompensationsspulenanordnung liefert. Der pulsbreitenmodulierte Strom durch die Kompensationsspulen besitzt eine feste Periode. Die Periodendauer und die Aufeinanderfolge der positiven und negativen Stromwerte innerhalb dieser Pulsperiode ist dabei so bemessen, daß das Wäge- und Kraftmeßsystem aufgrund seiner Trägheit den ständigen Stromrichtungsänderungen nicht folgen kann, sondern einer integralen Kompensationskraft ausgesetzt ist, die dem Gleichanteil des pulsbreitenmodulierten Stroms durch die Kompensationsspulen entspricht. Während also über eine Änderung des Tastverhältnisses der pulsbreitenmodulierten Stromimpulse der Gleichwert dieses Stroms und damit die auf das Wäge- und Kraftmeßsystem wirkende Kraft veränderlich ist, bildet sich über die gesamte Zeit in der Kompensationsspulenanordnung eine konstante Verlustleistung aus, da die Verlustleistung proportional zum Quadrat des durch die Kompensationsspulen fließenden Stromes ist.

Der Pulsbreitenmodulator vergleicht bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Erzeugung der pulsbreitenmodulierten Ausgangsspannung eine periodische Sägezahnspannung mit der Ausgangsspannung des Reglers und schaltet zum Zeitpunkt der Übereinstimmung der beiden Spannungen die pulsbreitenmodulierte Ausgangssspannung von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert. Zu Beginn der Sägezahnperiode im Pulsbreitenmodulator besitzt der Strom durch die Kompensationsspulen eine solche Richtung, daß er kraftkompensierend einem Gewicht auf der Waage entgegenwirkt. Dieser Zustand des Stromflusses dauert solange an, bis die Sägezahnspannung den gleichen Wert wie die lastabhängige Regelspannung aus dem bevorzugt als PID-Regler ausgebildeten Regler des Regelkreises erreicht hat. Dann wird die Stromflußrichtung in den Kompensationsspulen bis zum Beginn der nächsten Sägezahnperiode umgekehrt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage sind die Beträge des positiven Werts und des negativen Werts des Stroms durch die Kompensationsspulen nach Abschluß der mit einer Richtungsänderung des Tragteils verbundenen Änderung dieses Stromes gleich groß, und es sind elektrische Einrichtungen vorgesehen, um den Betrag dieses Stroms durch ihre Kompensationsspulenanordnung in Abhängigkeit von an einem Thermoelement abnehmbaren Temperatursignal zu regeln, das z. B. am Permanentmagneten der Waage angebracht sein kann. Die elektrischen Einrichtungen enthalten bevorzugt einen weiteren PID-Regler, der einerseits mit dem Thermoelement und andererseits mit der Endstufe des Regelkreises verbunden ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein dem Strom durch die Kompensationsspulenanordnung proportionales Signal einem mittelwertbildenden Analog-Digital-Umsetzer zur weiteren Verarbeitung als Eingangssignal zugeführt. Der Kompensationsspulenanordnung ist ein Strommeßwiderstand nachgeschaltet, an dem über einen Tiefpaß das Eingangssignal für den Analog-Digital-Umsetzer (ADU) abgreifbar ist. Der zeitliche Ablauf des im mittelwertbildenden Analog-Digital-Umsetzers stattfindenden Analog-Digital-Wandlungsvorgangs steht bevorzugt in einer konstanten Phasenbeziehung zum

ίο Strom durch die Kompensationsspulenanordnung, wobei als Analog-Digital-Umsetzer ein Analog-Digital-Umsetzer mit einem integrierenden Verstärker nach dem Mehrfach-Rampen-Verfahren gemäß der DE-PS 21 14 141 verwendet wird. Durch die konstante Phasenbeziehung zwischen ADU und Kompensationsspulenanordnung wird erreicht, daß genau eine ganzzahlige Anzahl von Perioden der Sägezahnspannung des Pulsbreitenmodulators und damit auch eine ganzzahlige Anzahl von Perioden der Impulse des Stroms durch die Kompensationsspulenanordnung während einer Meßzeit des ADU ablaufen, wodurch bei der Messung des Mittelwerts des Stroms im ADU eine optimale, theoretisch unendlich hohe Unterdrückung der Welligkeit des Stroms, und damit eine stehende Anzeige erzielt wird. Voraussetzung ist, daß die Frequenz der im Pulsbreitenmodulator zur Pulsbreitenmodulation benötigten Sägezahnspannung von der Zeitbasis des ADU steuerbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein elektrisches Referenzsystem vorgesehen, das eine Referenzspulenanordnung konzentrisch zur Kompensationsspulenanordnung im Luftspalt der Permanentmagneten der Waage aufweist, die durch eine eigene elastische Aufhängung in Richtung der Auslenkung der Kompensationsspulenanordnung auslenkbar ist und über Referenz-Lagesensoren und einen Referenzregelkreis mittels eines durch die Referenzspulenanordnung fließenden Referenzgleichstroms gegen eine Referenzlast in einer vorgegebenen, konstanten Lage haltbar ist. Wird bevorzugt eine dem Referenzgleichstrom proportionale Größe dem ADU zur vergleichenden Messung des durch die Kompensationsspulenanordnung fließenden Stromes zugeführt, so wird der Einfluß des Magnetfeldes des Permanentmagneten auf das Meßergebnis einer Wägung bzw. Kraftmessung eliminiert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der ADU so ausgelegt, daß der Strom durch die Kompensationsspulenanordnung und der

so Referenzgleichstrom durch die Referenzspulenanordnung direkt dem ADU zuführbar sind. Bei einem derartigen Aufbau liefert die Anzeige bei einer Wägung dann einen direkten Massenvergleich zwischen der auf dem Trageteil angeordneten Masse und der auf dem Referenzsystem liegenden Masse.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung und

F i g. 2 den Kurvenverlauf der Ausgangsspannung des PI D-Reglers, der Sägezahnspannung im Pulsbreitenmodulator, der Ausgangsspannung des Pulsbreitenmodulators, und des Stroms durch die Kompensationsspulenan-Ordnung einer erfindungsgemäßen Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung.

F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel im Form einer oberschaligen Waage, deren mechanischer Teil in den

Grundzügen rotationssymmetrisch aufgebaut ist. Die wesentlichen Teile des Magnetsystems sind im Schnitt dargestellt. Der feste Teil der Waage enthält den Permanentmagneten 1, wobei Teile dieses Permanentmagneten durch ein magnetisches Material ersetzt sein können, und die fest damit verbundenen Säulen 2, 2'. Das Gehäuse, in dem das ganze System untergebracht und befestigt ist, ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Im Luftspalt 3 des Permanentmagneten 1 ist eine in Richtung der Rotationssymmetrieachse bewegliche Kompensationsspulenanordnung 4 untergebracht. Die Kompensationsspulenanordnung 4 ist Bestandteil des Lastteiles 5, der durch elastische Aufhängungen 6,6' mit den Säulen 2, 2' verbunden und parallel zur Rotationssymmetrieachse geführt wird.

Am festen Teil der Waage sind ein oder mehrere Lagesensoren 7, T beispielsweise optische Sensoren oder Ringkondensatoren befestigt, die bei Auslenkung des Lastteiles 5 aus einer vorgegebenen Lage ein Differenzsignal erzeugen, das in bekannter Weise in einer Anpassungsschaltung 8 umgeformt und einem PID-Regler 9 zugeführt wird. Die Ausgangsspannung des PID-Reglers 9 wird in einem Pulsbreitenmodulator 10 fortwährend mit einer periodischen Sägezahnspannung verglichen, deren Frequenz von der Dekodierung 12 eines Analog-Digital-Umsetzers (ADU) 15 gesteuert wird, wie noch in Verbindung mit F i g. 2 näher erläutert wird.

Die Ausgangsspannung u des Pulsbreitenmodulators 10 steuert die Endstufe 11, deren Ausgang einen Strom / liefert. Dieser Strom / nimmt im Rhytmus der pulsbreitenmodulierten Ausgangsspannung u abwechselnd eine positive und eine negative Maximalamplitude an und fließt zunächst durch die Kompensationsspulenanordnung 4 und dann je nach Eingangswiderstand des Filters 13 und des integrierenden Analog-Digital-Umsetzers (ADU) 15 ganz oder teilweise als h durch den Strommeßwiderstand 14. Der Differenzstrom i—h fließt über das Filter 13, das als Tiefpaß ausgebildet ist. Es ist auch eine Lösung möglich, bei der der Strommeßwiderstand 14 entfällt, das Filter 13 ebenfalls entfällt oder in niederohmiger Ausführung den gesamten Strom i zum ADU 15 weiterleitet und der gesamte Strom / im ADU 15 integriert wird.

Ein Gewicht auf der Waage wird dadurch kompensiert, daß der Strom / zu Beginn einer Sägezahnperiode im Pulsbreitenmodulator 10 in diejenige Richtung umgeschaltet wird — über die Schnelligkeit des Umschalter^ wird weiter unten gesprochen —, in der er kraftkompensierend dem Gewicht entgegenwirkt. Dieser Stromflußzustand dauert an, bis die Sägezahnspannung im Pulsbreitenmodulator 10 den gleichen Wert wie die lastabhängige Ausgangssspannung aus dem PID-Regler 9 erreicht hat. Anschließend wird die Flußrichtung des Stromes / bis zum Beginn der nächsten Sägezahnperiode umgekehrt, vergleiche F i g. 2.

Bei entsprechender Änderung der Regelrichtung, beispielsweise am PID-Regler 9, lassen sich die Richtungen des Stromes / auch in umgekehrter Reihenfolge durch die Kompensationsspulenanordnung 4 schicken, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso läßt sich das Umschalten der Flußrichtung des Stromes / in einem gewissen, konstanten Umfang gegenüber den oben beschriebenen Zeitpunkten zeitlich verschieben.

Je nach Vorhandensein und Größe des Strommeßwiderstandes 14, je nach Eingangs- und Ausgangswiderstand des Filters 13 und je nach Eingangswiderstand des ADU 15 wird dann der Mittelwert des Stromes /durch die Kompensationsspulenanordnung 4 über den Mittelwert des Spannungsabfalls am Stormmeßwiderstand 14 5 oder als direkter Eingangsstrom i\ in den ADU 15 gemessen. Im letzten Fall kann der Strommeßwiderstand 14 bei entsprechender Beschaffenheit des Filters 13 auch als Shunt für den Eingangswiderstand des ADU 15 dienen, wenn der Strom / den Eingangsbereich des ADU 15 überschreitet

Als ADU 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein ADU mit einem integrierten Verstärker nach dem Mehrfach-Rampen-Verfahren gemäß der DT-PS 21 14 141 gewählt worden, der sich sehr einfach bis zu

is Anzeigeumfängen von über 10* realisieren läßt Die Verwendung dieses ADU bietet dabei als Vorteile:

a) ein integrierendes, also mittelwertbildendes Meßverfahren ohne Meßpausen, d. h. die zur Verfügung stehende Zeit wird optimal genutzt; b) ein Minimum an kritischen Bauteilen; c) die in dem ADU enthaltene Zeitbasis, bestehend aus dem Impulsgenerator 16, dem ersten Impulszähler 17 und dem zweiten Impulszähler 18, läßt sich über die Dekordierung 12 gleichzeitig zur Frequenzsteuerung der im Pulsbreitenmodulator 10 benötigten Sägezahnspannung benützen. Es läßt sich daher, indem man beispielsweise den Ausgang des ersten Impulszählers 17 direkt zur Frequenzsteuerung der Sägezahnspannung im Pulsbreitenmodulator 10 heranzieht, auf einfache Weise erreichen, daß genau eine ganzzahlige Anzahl von Perioden dieser Sägezahnspannung und damit auch eine ganzzahlige Anzahl von Perioden dieser Sägezahnspannung und damit auch eine ganzzahlige Anzahl von Perioden der Impulse des Stromes / durch die Kompensationsspulenanordnung 4 während einer Meßzeit des ADU 15 ablaufen. Es wird so bei der Messung des Mittelwertes des Stromes / im ADU 15 eine optimale, theoretisch unendlich hohe Unterdrückung der Welligkeit des Stromes /und damit eine stehende Anzeige erreicht.

Es lassen sich jedoch, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, auch andere geeignete Analog-Digital-Umsetzer als der oben erwähnte einsetzen. Es müssen dann, falls nicht im ADU enthalten, ein separater Impulsgenerator 16 und evtl. auch ein oder mehrere separate Impulszähler 17 und 18 benutzt werden, um die Frequenzsteuerung der Sägezahnspannung im Pulsbreitenmodulator 10 zu erzeugen. Bei einem integrierten ADU wären dann die Frequenz des Impulsgenerators 16, das Teilverhältnis des oder der

so Impulszähler 17 und 18 sowie die Dekodierung 12 sinnvollerweise so zu wählen, daß wiederum eine ganzzahlige Anzahl von Perioden der Impulse des Stromes / durch die Kompensationsspulenanordnung 4 während einer Meßzeit des ADU 15 stattfinden. Ebenso kann auch bei entsprechender Gestaltung des Filters 13 ein nichtintegrierender ADU verwendet werden.

Der durch den ADU 15 bestimmte zeitliche Mittelwert des Sromes / durch die Kompensationsspulenanordnung 4 ist proportional der zu kompensierenden Kraft und damit bei diesem Ausführungsbeispiel auch proportional dem Gewicht von Totlast und Wägegut

Die in der Kompensationsspulenanordnung 4 und evtl. im Strommeßwiderstand 14 frei werdende Wärme ist gewichtsunabhängig unter der Voraussetzung, daß sich der zeitliche Verlauf der Richtungsänderung des Stromes / durch die Kompensationsspulenanordnung 4 nicht oder entsprechend wenig mit der Last ändert Es

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wird also keine oder nur eine geringe gewichtsabhängige Erwärmung des Magnetsystems und damit auch keine gewichtsabhängige Änderung der Eichung und kein langsames Einlaufen des Nullpunktes bei Wegnahme des Gewichtes erzeugt. Eine möglicherweise als Funktion der Zeit oder der Umgebungstemperatur evtl. doch stattfindende Änderung des zeitlichen Verlaufs der Richtungsänderung des Stromes /durch die Kompensationsspulenanordnung 4 geht nicht direkt sondern allenfalls indirekt über eine geringfügige Erwärmungsänderung des Magnetsystems in die Eichung und den Nullpunkt des Wägesystems ein. Ebenso gibt es keinen lastabhängigen, die Eichung verfälschenden Einfluß von Hystereseeffekten des Permanentmagneten 1.

Die in den Ausgangstransistoren der Endstufe 11 frei werdende Verlustleistung ist gering, da die Transistoren bei richtiger Dimensionierung der Kompensationsspulenanordnung 4 und der Versorgungsspannung einfach ganz durchgeschaltet werden können. Ebenfalls sehr einfach läßt sich der PID-Regler 9 gestalten, da je nach Puls-Tast-Verhältnis der Ausgangsspannung u des Pulsbreitenmodulators 10 die auf den Lastteil 5 wirkenden, mittleren magnetischen Kräfte auch umgekehrt werden können.

Durch Anbringen eines Temperaturfühlers oder Thermoelements 20 an der in F i g. 1 gezeigten Anordnung, beispielsweise am Permanentmagneten 1, und durch Herleitung eines Temperaturregelsignals über einen nachgeschalteten Meßverstärker 21 und einen weiteren PID-Regler 22, der z. B. zwischen Thermoelement 2 und Endstufe des Regelkreises liegt, und mit dessen Hilfe sich die Beträge des positiven und negativen Wertes des von der Endstufe 11 gelieferten Stromes / durch die Kompensationsspulenanordnung 4 nach Abschluß der mit einer Richtungsänderung dieses Stromes verbundenen Änderung gleichzeitig und in gleichem Maße verändern lassen, ist es möglich, eine einfache Temperaturregelung des Magnetsystems gegenüber Einflüssen der Umgebungstemperatur aufzubauen.

An den Digitalausgang des ADU 15 ist eine Meßwertverarbeitungseinrichtung 19 angeschlossen, die es gestattet, den Meßwert zu speichern, Taragewichte und Totlasten zu speichern und vom Meßwert abzuziehen, eine digitale Anzeige anzusteuern und auch das digitale Meßergebnis an einen Rechner zur weiteren Verarbeitung weiterzugeben.

Bei dem in Verbindung mit F i g. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der mit Hilfe des ADU 15 direkt oder indirekt gemessene Strom i durch die Kompensationsspulenanordnung 4 im Grunde nicht nach seinem absoluten Wert bestimmt, sondern es wird in einem derartigen ADU gewöhnlich ein Vergleich mit einem Referenzstrom, der evtl. wiederum aus einer Referenzspannung gewonnen wird, durchgeführt Diesen vom ADU 15 benötigten Referenzstrom bzw. die Referenzspannung läßt sich über ein Referenzsystem 30

to gewinnen, dessen Referenzspulenanordnung 31 sich konzentrisch zur Kompensationsspulenanordnung 4 ebenfalls im Luftspalt 3 befindet, und zwar ohne mechanisch mit dem Lastteil 5 verbunden zu sein. Das mit dem Referenzgewicht beaufschlagte Referenzsystern 30 wird dann durch eigene elastische Aufhängungen 32 ebenfalls parallel zur Rotationssymmetrieachse geführt und über eigene Lagesensoren 33 und Regelkreise 34 mittels eines Gleichstroms durch die Referenzspulenanordnung 31 in einer konstanten, vorgegebenen Lage gehalten. Dieser Gleichstrom bzw. ein aus ihn an einem Widerstand hergeleiteter Spannungsabfall dienen dann für den ADU 15 als Referenzstrom bzw. Referenzspannung. Hierdurch ist der Einfluß des Magnetfeldes des Permanentmagneten 1 auf das Meßergebnis einer Wägung bzw. Kraftmessung eliminiert Dimensioniert man den ADU 15 dergestalt daß er den Strom / durch die Kompensationsspulenanordnung 4 und den Referenzstrom durch das Referenzsystem direkt aufnehmen kann, dann ergibt sich bei einer Wägung ein direkter Massenvergleich.

Ferner läßt sich diese Erfindung auch bei Balken- bzw. Hebelwaagen und sonstigen kraftübersetzenden Waagen und Kraftmeßeinrichtungen verwenden, wobei die gepulste Form des Stromes /durch die Kompensationsspulenanordnung 4 ein leichtes Vibrieren des kraftübersetzenden Systems und damit einen verringerten Einfluß von Lagerreibungskräften bewirkt

Voraussetzung ist bei allen Ausführungsbeispielen der Erfindung daß die zeitliche Änderung des durch die Kompensationsspulenanordnung fließenden Stroms von den positiven auf die negativen Stromwerte so rasch erfolgt, daß das Wäge- und Kraftmeßsystem auf Grund seiner Trägheit diesem ständigen Wechsel nicht folgen kann, so daß die auf Grund des Stroms / auf das Wäge- und Kraftmeßsystem ausgeübte Kraft dem zeitlichen Mittelwert des pulsbreitenmodulierten Stroms entspricht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung mit einem Lastaufnahmeteil, der auslenkbar am festen Teil des Wäge- und Kraftmeßsystems angeordnet ist und eine in einem konstanten Magnetfeld befindliche Kompensationspulenanordnung besitzt, mit mindestens einem Lagesensor, der belastungsabhängige Auslenkungen des Lastaufnahmeteils aus einer vorgegebenen Lage feststellt und ein Sensorsignal einem elektrischen Regelkreis zuführt, der den Strom durch die Kompensationsspulenanordnung so regelt, daß der Lastaufnahmeteil in seine vorgegebene Lage zurückgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis (7, 8, 9, 10, 11) Schaltungseinheiten (10, 11) aufweist, die dem durch die Kompensationsspulenanordnung (4) fließenden Strom durch die Belastung vorgegebene, abwechselnd positive und negative Werte geben.

2. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinheiten (10, 11) den positiven und den negativen Werten des durch die Kompensationsspulenanordnung (4) fließenden Stromes nach Abschluß der mit einer Richtungsänderung des Tragteils (5) verbundenen Änderung des Stromes dieselbe Maximalamplitude verleihen.

3. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinheiten (10, 11) den zeitlichen Beginn des Stromflusses in einer Richtung durch die Kompensationsspulenanordnung (4) in fest vorgegebenen Zeitabständen wiederholen.

4. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinheiten (10, 11) ein breitenmoduliertes Pulssignal als Strom durch die Kompensationsspulenanordnung (4) abgeben.

5. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinheiten (10, 11) einer Serienschaltung aus Lagesensoren (7, T) einer Anpassungsschaltung

(8) und einem Regler (9) nachgeschaltet sind und einen Pulsbreiten-Modulator (10) enthalten, der am Ausgang eine pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannung abgibt, deren Tastverhältnis in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Reglers (9) steuerbar ist und einer Endstufe (10) zugeführt wird, die den pulsbreitenmodulierten Strom durch die Kompensationsspulenanordnung (4) liefert.

6. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler

(9) als PID-Regler ausgebildet ist.

7. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsbreitenmodulator (10) zur Erzeugung der pulsbreitenmodulierten Ausgangsspannung eine periodische Sägezahnspannung mit der Ausgangsspannung des Reglers (9) vergleicht und zum Zeitpunkt der Übereinstimmung der beiden Spannungen die w> pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannung von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert schaltet.

8. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der positive und der negative Wert des Stroms durch die Kompensationsspulenanordnung (4) nach Abschluß der mit einer Richtungsänderung des Tragteils (5) verbundenen Änderung dieses Stromes vom gleichen Betrage sind, und daß elektrische Einrichtungen (21; 22) vorgesehen sind, um den Betrag des Stromes durch die Kompensationsspulenanordnung (4) in Abhängigkeit von an einem Thermoelement abnehmbaren Temperatursignal zu regeln.

9. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Einrichtungen (21; 22) einen weiteren PID-Regler (22) enthalten, der einerseits mit dem Thermoelement (20) und andererseits mit der Endstufe (11) des Regelkreises (7 bis 11) verbunden ist.

10. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom durch die Kompensationsspulenanordnung (4) proportionales Signal einem mittelwertbildenden Analog-Digital-Umsetzer (15) zur weiteren Verarbeitung als Eingangssignal zuführbar ist

11. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsspulenanordnung (4) ein Strommeßwiderstand (14) nachgeschaltet ist, an dem über einen Tiefpaß (13) das Eingangssignal des Analog-Digital-Umsetzers (15) abgreifbar ist.

12. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Ablauf des im mittelwertbildenden Analog-Digital-Umsetzers (15) stattfindenden Analog-Digital-Wandlungsvorganges in einer konstanten Phasenbeziehung zum Strom durch die Kompensationsspulenanordnung (4) steht.

13. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der im Pulsbreiten-Modulator (10) zur Pulsbreitenmodulation benötigten Sägezahnspannung von der Zeitbasis (16,17,18) des mittelwertbildenden Analog-Digital-Umsetzers (15) steuerbar ist.

14. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Referenzsystem (30) vorgesehen ist, daß eine Referenzspulenanordnung (31) konzentrisch zur Kompensationspulenanordnung (4) im Luftspalt (3) des Permantentmagneten (1) aufweist, die durch eine eigene elastische Aufhängung (32) in Richtung der Auslenkung der Kompensationsspulenanordnung (4) auslenkbar ist und über Referenz-Lagesensoren (33) und einen Referenzregelkreis (34) mittels eines durch die Referenzspulenanordnung (31) fließenden Referenzgleichstromes gegen eine Referenzlast in einer vorgegebenen, konstanten Lage haltbar ist.

15. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Referenzgleichstrom proportionale Größe dem Analog-Digital-Umsetzer (15) zur vergleichenden Messung des durch die Kompensationsspulenanordnung (4) fließenden Stromes zuführbar ist.

16. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Umsetzer (15) so ausgelegt ist, daß der Strom durch die Kompensationsspulenanordnung (4) und der Referenzgleichstrom durch die Referenzspulenanordnung (31) direkt dem Analog-Digital-Umsetzer (15) zuführbar sind.