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Beschreibung
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Schaltanordnung zur Verringerung elektrischer Störeinflüsse auf elektromechanische
Waagen Die Erfindung betrifft Schaltanordnungen zur Verringerung elektrischer Störeinflüsse
auf elektromechanische Waagen mit auf Erdpotential liegendem Schutzleiter, bei denen
wenigstens eine, insbesondere mit Biegestab, Dehnungsmeßstreifen und Brückenschaltung
ausgerüstete Wägezelle über Leitungen mit einem Auswertegerät verbunden ist.
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Bei bekannten Waagen dieser Art müssen häufig Meßsignalspannungen
in der Größenordnung von 20 Millivoltauf 1 Mikrovolt aufgelös und verarbeitet werden.
Dabei können sich auf externe elektromagnetische Einstreuungen, zum Beispiel aus
in der Nähe verlaufenden Energiekabeln, beruhende Störsignaleinwirkungen auf das
Meßergebnis verfälschend auswirken. Insbesondere können derartige Störsignaleinwirkungen
auch auf den Einfluß unterschiedlicher
Erdpotentiale zurückgehen
und in Form sogenannter Gegentaktstörungen auftreten.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen zur Verringerung der Störsignaleinwirkung
auf elektromagnetische Waagen anzugeben, bei denen wenigstens eine Wägezelle über
Leitungen mit einem Auswertegerät verbunden ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Bezugspotential
von Wägezelle und/oder Auswertegerät von dem auf Erdpotential liegenden Schutzleiter
galvanisch getrennt ist. Verbessert wird die Verringerung der Störsignaleinwirkung
ferner dadurch, daß wenigstens ein Teil der Leitungen zwischen Wägezelle und Auswertegerät
mit metallischen Abschirmungen versehen ist, die von dem Schutzleiter ebenfalls
galvanisch getrennt sind. Schließlich ist es im Hinblick auf die Verringerung externer
Störungen günstig, wenn die Leitungen zwischen Wägezelle und Auswertegerät wenigstens
teilweise paarig verdrillt sind.
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Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Meßsignalkreises einer elektromechanischen Waage;
Fig. 2 das Schaltbild aus Fig. 1 mit g'alvanischer Abtrennung auf der Seite der
Wägezelle;
Fig. 3 das Schaltbild aus Fig. 1 mit galvanischer Abtrennung
sowohl auf der Seite der Wägezelle als auch auf der Seite des Auswertegeräts; Fig.
4 schematisch die Einwirkung eines Magnetfeldes auf ein unverdrilltes Kabel; Fig.
5 die Einwirkung eines Magnetfeldes auf ein paarig verdrilltes Kabel; Fig. 6 ein
Schaltschema gemäß der Erfindung für eine elektromechanische Waage.
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In den Fig. 1 bis 3 ist jeweils schematischder MeßsignaLsreis einer
elektromechanischen Waage, beispielsweise einer Industrie wägeanlage, dargestellt.
Die Waage umfaßt wenigstens eine an sich bekannte Wägezelle, vorzugsweise mit Biegestab,
Dehnungsmeßstreifen und Brückenschaltung (auch Halbbrücke). In Fig. 1 bis 3 ist
lediglich jeweils der Meßwiderstand R der Wägezelle symbolisch dargestellt, an dem
die Meßspannung UR auftritt.
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Zwischen der Wägezelle und einem üblichen Auswertegerät, von dem in
Fig. 1 bis 3 lediglich ein Verstärker V symbolisch dargestellt ist, verläuft eine
aus zwei Einzelleitungen bestehende Meßleitung mit den Leitungswiderständen RL,
an deren Eingang die Spannung U2 und an deren Ausgang die Spannung U vorliegt. Die
Spannung am Verstärkerausgang ist mit U'1 1 bezeichnet.
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In Fig. 1 ist in herkömmlicher Weise sowohl die als Meßsignalquelle
dienende Wägezelle als auch das Bezugspotential des Auswertegerätes geerdet, beispielsweise
durch galvani-sche Verbindung
mit einem auf Erdpotential liegenden
Schutzleiter. Besteht, wie dies gewöhnlich der Fall ist, zwischen den Erdpotentialen
auf Seiten der Wägezelle und auf Seiten des Auswertegerätes (Verstärker V) ein Potentialunterschied
(Ustör)' SO bildet sich in der Meßleitung ein das Meßergebnis verfälschen der Kreisstrom
1kreis als störender Gegentakteinfluß aus.
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Wird, wie in Fig. 2 dargestellt, das Bezugspotential der Wägezelle
von dem auf Erdpotential liegenden Schutzleiter Sq gälvanisch getrennt, so kann
lediglich noch ein kapazitiver Restkreisstrom über die unvermeidbare,immer vorhandene
Signalquellenkapazität C fließen. Insbesondere bei Wägezellen mit Dehnungsmeßstreifen
ist wegen des notwendigen geringen Abstandes zwischen Dehnungsmeßstreifen und Verformungskörper
(Biegestab) meist eine verhältnismäßig große Signalquellen-Kapazität vorhanden.
Immerhin lassen sich durch die galvanische Abtrennung gemäß Fig. 2 störende Gegentakteinflüsse
aus Kreisströmen, hervorgerufen durch unterschiedliche Erdpotentiale, bereits merklich
verringern.
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Ist selbst, wie in Fig. 3 dargestellt, das Auswertegerät mit dem Verstärker
V noch potentialfrei, das heißt durch galvanische Trennung vom Schutzleiter Sv nicht
geerdet, so kann lediglich der durch die Reihenschaltung der Verstärker- und Signalquellenkapazität
Cv bzw. Cq begrenzte Störstrom fließen. Da sich die Verstärkerkapazität mit konventionellen
Mitteln relativ gering gestalten läßt, kann durch die in Fig. 3 dargestellt te,
"potentialfreist/oder - wegen der fehlenden Erdverbindung -auch als "schwimmend"
bezeichnete Meßtechnik der -störende Einfluß von Kreisströmen praktisch eliminiert
werden, wenn der Leitungswiderstand RL zusätzlich noch kleingehalten wird. Das
Letztere
ist durch entsprechende Querschnittsdimensionierung der Meßieitungen ohne weiteres
möglich. Es wurde gefunden, daß ein Querschnitt von mindestens oF, mm2 bei den die
Meßleitung bildenden Eigzeldrähten in der Regel ausreichend ist. (Bei den Schaltungen
nach Fig. 2 und 3 sind gewöhnlich lediglich die Gehäuse von Wägezelle und Auswertegerät
mit den Schutzleitern Sq bzw. Sv verbunden.) Um störende elektromagnetische Einstreuungen
aus Energiekabeln oder dergleichen, die in der Nähe verlegt sind, von den Meßkabeln
fernzuhalten, werden die jeweiligen Hin- und Rückleitungen (Adern) der Kabel erfindungsgemäß
paarig verdrillt. Es wurde gefunden, daß hierdurch insbesondere elektromag tische
Störsignaleinwirkungen im Meßbereich zwischen 20 Millivolt und 1 Mikrovolt ausgeschaltet
werden können.
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In Fig. 4 soll die an einem Meßwiderstand der Wägezelle auftretende
Spannung U2 gemessen werden. Die dargestellte zweiadrige Meßleitung gibt die Spannung
U1 an einen Vorverstärker des Auswertegerätes weiter. Diese Anordnung werde durch
ein externes magnetisches Wechsel feld4 und die hierdurch induzierten Spannungen
u gestört. Hierdurch wird in Fig. 4 die Meßspannung U1 um die Summe der induzierten
Spannungsvektoren verfälscht.
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Um diese Verfälschung zu beseitigen, müssen die vom magnetischen Streufeld
(Wechselfeldp) induzierten Spannungen u über eine paarige Verdrillung der elektrischen
Einzelleiter aufgehoben werden. Dies ist schematisch in Fig. 5 dargestellt.
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Zieht man hier die vektorielle Summe der Einzelspannungen u über das
gesamte, paarig verdrillte Meßkabel, so stellt man
fest, daß sich
die induzierten Spannungen u gegenseitig aufheben, falls das Magnetfeld bezogen
auf'die Schlaglänge des Kabels hinreichend homogen ist. Es wurde gefunden, daß zur
Unterdrückung der hier in Betracht gezogenen Störfelder eine Schlagzahl von etwa
30 pro Meter ausreichend ist.-Fig. 5 geht vereinfachend von einer ebenen Anordnung
der Einzelleitungen des Kabels aus. Für eine räumliche Kabelanordnung gilt grundzusätzlich
dasselbe. Unter "Schlagzahl" versteht man die Anzahl der Kreuzungspunkte der beiden
Einzelleiter eines Kabels pro Längeneinheit.
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Fig. 6 zeigt einen gegenüber äußeren Stßrungen weitgehend gesicherten
Gesamtaufbau der Meßstrecke.bei einer elektrmechanischen Waage, Zwischen der eine
Brückenschaltung enthaltenden Wägezelle W und dem mit mehreren Verstärkern ausgerüsteten
Auswertegerät A verlaufen drei zweiadrige Leitungen, nämlich eine Speiseleitung
1, eine Rückführleitung 2 und eine Meßsignalleitung 3. Wie in Fig. 6 schematisch
angedeutet, sind die beiden Adern, also die Hin- und Rückleitung, jeder der Leitungen
1, 2 und 3 im Sinne von Fig. 5 paarig miteinander verdrillt. Außerdem sind. die
Leitungen 1, 2 und 3 jeweils einzeln mit an sich bekannten, metallischen Abschirmungen
11, 12 bzw. 13 versehen. Die einzeln abgeschirmten Leitungen 1, 2 oder 3 können
ihrerseits wiederum zusätzlich in einer Gesamtabschirmung 14 angeordnet sein. Der
Wägezelle-W, die statt der dargestellten Brücke auch eine Halbbrücke enthalten kann,
ist in herkömmlicher Weise ein (nicht eigens dargestellter) Klemmenkasten vorgeschaltet,
an dessen AuSgangsklemmen k die Leitungen 1, 2 und 3 sowie die Abschirmungen 11,
12, 13 und 14 angeschlossen werden. Die Gehäuse der Wägezelle W und des
Auswertegerätes
A sind über Schutzleiter Sq bzw. Sv geerdet.
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Wie dargestellt, sind die Bezugspotentiale UW und UA von Wägezelle
W bzw. Auswertegerät A jeweils von den auf Erdpotential liegenden Schutzleitern
Sqt Sv galvanisch getrennt, so daß lediglich die bereits im Zusammenhang mit Fig.
2 und 3 erwAhnten, unvermeidlichen Kapazitäten q und Cv verbleiben. Durch die galvanische
Abtrennung erhält man eine potentialfreie oder "schwimmende" Schaltung, die gegenüber
Gegentaktstörungen weitgehend unempfindlich ist.
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Wie aus Fig. 6 ersichtlich, sind zur weiteren Verhütung von Störsignaleinflüssen
auch die Abschirmungen 11, 12, 13 und 14 von den Schutzleitern Sq und Sv galvanisch
getrennt und mit dem Bezugspotential UA des Auswertegeräts verbunden. Zur Wägezelle
W hin sind hingegen die Abschirmungen 11, 12, 13 und 14 "offen", das heißt sie sind
mit dem Bezugspotential Uw der Wägezelle nicht verbunden.
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In Fig. 6 sind alle Leitungen 1, 2 und 3 einzeln und zusätzlich gemeinsam
abgeschirmt. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die paarige Verdrillung
und Einzelabschirmung der Speiseleitung 1 auch entfallen.
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Zur Unterdrückung von kapazitiven Störeinstreuungen aus dem Energienetz
können erfindungsgemäß kopplungsarme Netztransformatoren eingesetzt werden. Außerdem
lassen sich störende Kreisströme über verkoppelte externe Geräte verhindern, wenn
diese potentialogetrennt angeschlossen sind, zum Beispiel über Optokoppler oder
streukapazitätsarme Ubertrager. Ferner kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen werden, daß alle Netzteile vorgeschaltete Netzfilter ohne galvanische
Verbindung desSchutzleiters mit den interne Elektronikspannungen besitzen. Wenn,
wie oben erwähnt, die Speiseleitung 1 nicht
paarig verdrillt und/oder
mit einer Einzelabschirmung 11 versehen ist, wird sie doch vorzugsweise mit in die
gemeinsame Abschirmung 14 einbezogen. Wie aus Fig. 6 ferner hervorgeht, ist die
paarige Verdrillung-und Abschirmung der Leitungen 1, 2 und 3 erst ab den Klemmen
K des Klemmenkastens vorgenommen.