DE2819451A1

DE2819451A1 - Elektromagnetisch kraftkompensierende waage

Info

Publication number: DE2819451A1
Application number: DE19782819451
Authority: DE
Inventors: Paul Luechinger; Enrico Realini
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Toledo GmbH Germany
Priority date: 1977-06-15
Filing date: 1978-05-03
Publication date: 1979-01-04
Also published as: CA1098552A; US4134468A; JPS5410764U; FR2394787B1; FR2394787A1; CH613279A5; DE2819451C2; GB1559065A; DE7813512U1

Description

Patentanwälte
Dipl.-In₃. A. WEDDE
Dipl.-Ing. K. EMPL

München 80, Sehumannstr. 2

3. Mai 1978 Akte: P 23524

Mettler Instrumente AG, Greifensee (Schweiz)

Elektromagnetisch kraftkompensierende Waage

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch kraftkompensierende Waage mit wenigstens einer im Luftspalt eines Permanentmagnetsystems angeordneten Spule, die von einem lastabhängigen Kompensationsstrom durchflossen wird.

Ein Nachteil solcher bekannter Waagen besteht darin, dass entsprechend dem jeweils fliessenden Kompensationsstrom die Verlustleistung (Wärmeleistung) der Spule lastabhängig ist. Beim aufeianderfolgenden Wägen unterschiedlicher Lasten wird also auch stets unterschiedlich viel Verlustwärme frei, die bekanntlich proportional zum Quadrat des Stromes ist. Als eine Folge der somit ständig wechselnden

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Temperaturen im System tritt eine unangenehme Instabilität des Nullpunktes sowie gegebenenfalls der Empfindlichkeit auf. Beispielsweise bei Waagen mit parallelgeführter Waagschale und Biegelagern an den Lenkern wirken sich die Temperaturänderungen in Aenderungen der mechanischen Spannungen und in Ausdehnungsdifferenzen aus, welche die Parallelführung verfälschen. Besonders störend wird dieser Ef-' fekt, wenn Waagen kompakter Bauart (unter anderem mit maximaler Ausnützung des Permanentmagnetsystems) eine grössere Auflösung erhalten sollen» Weisen die Waagen eine Hebelübersetzung auf, so treten Temperaturdifferenzen am Hebel auf, welche die Empfindlichkeit beeinflussen. Die Einflüsse unterschiedlicher Temperaturen auf das Permanentmagnetsystem können zwar mittels entsprechend plazierter Temperaturfühler reduziert werden, jedoch bleiben auch hier aufgrund der Temperaturdynamik (Wärmeträgheit des Magnetsystems) Fehlereinflüsse bestehen.

Aufgabe der Erfindung war es, die erwähnten schädlichen Temperatureinflüsse zu reduzieren. Erfindungsgemäss wird hierzu vorgeschlagen, dass nahe der Spule ein weiteres wärmeabgebendes Element angeordnet wird, welches elektrisch so geschaltet ist, dass die Summe beider Verlustleistungen lastunabhängig wenigstens angenähert konstant ist. Mit anderen Worten wird im Magnetsystem ein weiterer Leistungsverbraucher angeordnet, dessen Verlustwärme sich zu derjenigen der Kompensationsspule addiert.

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Je nach Waagentyp und -konstruktion kann dieses Prinzip verschiedene zweckmässige Ausgestaltungen erfahren. So ist in einer bevorzugten Ausführungsform am Spulenkörper ein zur Kompensationsstromquelle gehörender Leistungstransistor angebracht. In einer anderen zweckmässigeη Ausbildung der Erfindung ist nahe der Kompensationsspule eine weitere, bifilar gewickelte Spule angeordnet. Ferner kann in der Symmetrieachse des rotationssymmetrisch geformten Spulenkörpers ein Halbleiterwiderstand angeordnet sein.

Anhand der Zeichnungen werden im Folgenden einige Ausführungsbeispiele näher beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar

Figur 1 ein typisches Permanentmagnetsystem mit Spulenträger,

Figur 2 einen Ausschnitt der dazugehörigen Schaltung Figur 3 einen Spulenträger mit zusätzlicher Spule, Fig^r 4 eine Variante zu Figur 3, Figur 5 ein Schaltschema zu den Figuren 3 und 4, und Figur 6 eine weitere Variante eines Spulenträgers.

Beispiel I (Figuren 1 und 2)

Dieses Ausführungsbeispiel ist geeignet für Waagen, bei denen der Kompensationsstrom in Form von Impulsen geregelter Länge der Spule zugeführt wird, wobei die Länge der Pulse mittels hochfrequenter Taktimpulse ausgezählt wird und aus der Summe der gezählten Taktimpulse die Gewichtsanzeige abgeleitet wird (US-PS 3,786,884).

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In Figur 1 ist ein Topfmagnetsystem 10 erkennbar, das einen ringförmigen Luftspalt 12 aufweist. Im Zentrum durchsetzt ein runder Träger 14 den Eisenkern. An seinem unteren Ende ist ein Aluminium-Spulenträger 16 befestigt (Schraube 18), der die Kompensationsspule 20 trägt. An seinem oberen Ende sitzt eine Waagschale 13. Zwischen dem Täger 14 und der Waagschale 13 einerseits und dem Spulenträger 16 andererseits sind die freien Enden je eines Dreieck-Lenkers 15 eingeklemmt. Die fixen Enden sind im ortsfesten Teil 17 angebracht. Jeder Lenker 15 verfügt über drei Biegelager 19, je eines am Träger 14 und je zwei am Gestell 17. Man erkennt, dass die beiden, trägerseitigen Biegelager 19 (besonders das untere) aufgrund ihrer Nähe zum Magnetsystem 10 bzw. zum Luftspalt 12 von den dort herrschenden Temperaturverhältnissen stark beeinflusst werden.

Figur 2 zeigt den hier relevanten Teil der zugehörigen elektrischen Schaltung. Eine Zener-Diode 22 dient als Referenzspannungsquelle und bestimmt die· Spannung über einem Präzisionswiderstand 26. Ein als Spannungsfolger beschalteter Operations-Verstärker 25 gewährleistet die Gleichheit der Spannung der Zener-Diode 22 mit derjenigen über dem Widerstand 26. Diese Elemente bilden, zusammen mit einem Leistungstransistor 24 und einem Feldeffekttransistor 27, eine Präzisions-Konstantstromquelle. Der Strom fliesst, gesteuert von einem Schalter 28, entweder durch diesen oder durch die Kompensationsspule 20. Die Ansteuerung des Schalters 28, hier nur global mit 3Ö bezeichnet, ist ausführlich im bereits erwähnten Stand der Technik beschrieben.

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Erfindungsgemäss ist nun der zur Konstantstromquelle gehörende Transistor 24 am Spulenträger montiert, wobei eine Glimmer-Zwischenscheibe elektrisch isoliert und für gute Wärmeleitung sorgt. Da der durch den Transistor 24 fliessende Strom konstant ist und der Spannungsabfall ebenfalls konstant ist (Schalter 28 geschlossen: nahezu ganze Spannung am Transistor 24\ Schalter 28 offen: ganze Spannung ' = Summe der Teilspannungen über Spule 20 und Transistor 24) , ist gemäss N = U * I die Verlustleistung im System ebenfalls konstant, und zwar lastunabhängig. Der Fehler, der aus der Entfernung des Transistors 24 vom Luftspalt 12 resultiert, ist relativ klein.

Die hier beschriebene Variante ergab bei sonst gleichen Waagen eine Verringerung der lastabhängigen Wärmedrift des Nullpunktes um ca. 70 %.

Beispiel II (Figuren 3, 4 und 5)

Für dieses Beispiel wurde eine an sich ebenfalls konventionelle Waage mit Änalogkompensation gewählt, also eine Waage, bei welcher ein Kompensations-Gleichstrom lastabhängiger Amplitude die Kompensationsspule durchfliesst und der Strom für die Anzeige digitalisiert wird.

Erfindungsgemäss wird hier, zusätzlich zur Kompensationsspule 20, eine bifilar gewickelte Zusatzspule 32 verwendet, und zwar entweder innerhalb der Kompensationsspule 20 (Variante nach Figur 3) oder in einer separaten Ringnut (Variante nach Figur 4). Die Variante nach Figur 3 hat den

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Vorteil der symmetrischen Anordnung und des geringsten Mehraufwandes, bedingt jedoch bei sonst gleichen Verhältnissen ein vergrössertes Luftspaltvolumen. Bei der Variante nach Figur 4 wird der Luftspalt optimal ausgenutzt, es bedarf lediglich eines axial etwas vergrösserten Spulenträgers.

Figur 5 zeigt das Schema der zugehörigen Schaltung. Summarisch ist mit 34 die Positionsgeberschaltung bezeichnet, während 36 die Kompensationsregelung ist, umfassend Verstärker, Regler und Stromquelle. Der Kompensationsstrom I wird als Spannung über einem Messwiderstand 38 abgegriffen, in einem Digitalvoltmeter 40 digitalisiert und in einer Anzeige 42 in Gewichtseinheiten dargestellt.

Um erfindungsgemäss die Wärmeleistung im Luftspalt 12 lastunabhängig konstant zu halten, muss die Summe der Leistung beider Spulen (20 und 32) konstant sein, also

U₁ ² U₂ ²

N = konstant = -±- + ~-
R₁ R₂

wobei U₁ der Spannungsabfall über der Kompensationsspule 20 ist und U₂ derjenige über der Zusatzspule 32. Werden die Widerstände beider Spulen gleich gewählt, so folgt N = ^(U₁ ² + U₂ ²) und daraus U₂ ="Jn*R - U₁ ².

Zur Erfüllung dieser Bedingungen wird U-,- in einem Analog-Multiplizierer 44 quadriert und die resultierende Spannung U_ai in einem Differenzverstärker 46 mit einer konstanten Spannung U3 verglichen. Aus der Differenz (U3 - U_a,) wird

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in einem Analog-Dividierer 48 die Wurzel gezogen, und es resultiert eine Spannung U2, die den Strom durch die Zusatzspule 32 bestimmt. Bei richtiger Wahl der Proportionalitätsfaktoren der einzelnen Bausteine folgt die Spannung Ü2 der oben angeführten Beziehung, d.h. die totale Leistung beider Spulen wird lastunabhängig konstant bleiben.

Entsprechend modifiziert, ist diese Variante auch für Waagen mit Impulskompensation gemäss dem in Beispiel I angesprochenen Typ verwendbar. -

In Figur 6 ist eine weitere Variante gezeigt. Hier wird statt der zweiten Spule gemäss der Figur 3 oder 4 ein Halbleiter-Widerstand 50 angewendet, der nahe der Achse des Lastaufnehmers am Spulenträger 16 montiert ist. Der Vorteile dieser Variante liegt in der Billigkeit des Elements bei weitgehender Symmetrie der Anordnung. Da es in erster Linie auf die Temperatur im Luftspalt ankommt, muss dafür gesorgt sein, dass C^r Spulenträger die Wärme gut leitet. Die elektrische Schaltung entspricht prinzipiell derjenigen gemäss Figur 5.

Weitere Varianten im Rahmen der Erfindung sind denkbar. So ist beispielsweise eine Anordnung möglich, bei welcher in der digitalen Auswerteschaltung der Waage jeweils das Komplement vom aktuellen Resultat zum dem Wägebereich entsprechenden Höchstwert gebildet wird, dieses Komplement einem Digital/Analog-Wandler zugeführt wird und der resultierende Analogwert unter Berücksichtigung der Ausführungen im Beispiel II einen Beizstrom durch eine Zusatzspule gemäss Figur 3 oder 4 bzw. durch einen Zusatzwiderstand gemäss Figur

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6 bestimmt.

Soll der gemäss Figur 5 erforderliche Aufwand zur genauen Konstanthaltung der Leistung vermieden werden, so kann man sich darauf beschränken, die Summe der durch die Spulen 20 und 32 fliessenden Ströme konstant zu halten. In diesem Falle ergäben sich für Null- und Vollast gleiche Heizleistungen im (bzw. beim) Luftspalt, während das Minimum - bei Halblast der Waage - bei 50 % der maximalen Heizleistung läge. Wenn man· berücksichtigt, dass ohne den zweiten Verbraucher die Heizleistung bei Nullast Null und bei Halblast nur 25 % der maximalen Heizleistung beträgt, so erkennt man die merkliche Verbesserung auch schon bei Konstanthaltung der Summe der durch die beiden Verbraucher fliessenden Ströme.

Im Beispiel I gemäss den Figuren 1 und 2 wird, verglichen mit der eben beschriebenen Variante, mit einer entsprechenden Massnahme ein besserer Erfolg erzielt: Wird der konstante Kompensationsstrom alternierend zwischen der Kompensationsspule 20 und einem Blindverbraucher (analog zur Spule 32 in Figur 5) hin- und hergeschaltet, so wird eine bessere Annäherung an die Leistungskonstanz erreicht. Für Null- und Vollast liegt wieder die maximale Heizleistung vor, während im Minimum (bei Halblast) 75 % der maximalen Leistung verbraucht werden, wie sich rechnerisch zeigen lässt (die Leistung in der Spule 32 steht hier in einem linearen Zusammenhang mit der Wägelast) '. Diese letzte Variante hat gegenüber Beispiel I, wo die Gesamtleistung im Luftspalt durch Einbezug des Transistors 24 höher ist als es der Maximallast entspräche, den Vorteil, dass die maximale Leistung nur der Leistung der Kompensatiorisspiile- «2 CL bei Höchstlast entspricht.

-AO-

Leerseite

Claims

Patentansprüche

J Elektromagnetisch kraftkompensierende Waage, mit wenigstens einer im Luftspalt eines Permanentmagnetsystems angeordneten Spule, die von einem lastabhängigen Kompensationsstrom durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass nahe der Spule (20) ein weiteres wärmeabgebendes Element (24; 32; 50) angeordnet ist, welches elektrisch so geschaltet ist, dass die Summe beider Verlustleistungen mindestens bei Null- und Vollast wenigstens angenähert konstant ist.
2. Waage nach Anspruch.1, dadurch gekennzeichnet, dass am Spulenkörper (16) ein zur Kompensationsstromquelle gehörender Leistungstransistor (24) angebracht ist.
3. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nahe der Kompensationsspule (20) eine weitere, bifilar gewickelte Spule (32) angeordnet ist.
4. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Symmetrieachse des rotationssymmetrisch geformten Spulenkörpers (16) ein Halbleiterwiderstand (50) angeordnet ist.

809881/0703 qrig.nal ,nspkted