DE2906669A1

DE2906669A1 - Reduction of electrical noise effects in electromechanical balances - using metallic screened twisted pair cables between cell and analyser in three pairs for power, return and measurement

Info

Publication number: DE2906669A1
Application number: DE19792906669
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Ing Jetter
Original assignee: Bizerba Werke Wilhelm Kraut GmbH and KG
Current assignee: Bizerba SE and Co KG
Priority date: 1979-02-21
Filing date: 1979-02-21
Publication date: 1980-09-04

Abstract

A circuit for reduction of electrical noise effects an electro-mechanical balancer is esp. for balances with earthed protection conductors and a weighing cell, esp. with a flexible rod, strain gauges and a bridge circuit, connected via cables to an evaluation unit. The reference potential of the weighing cell and/or the evaluation unit is/are isolated from the corresp. earthed protection conductor. The cables between the weighing cell and the evaluation circuit have metallic screening isolated from the protective earth conductors and are twisted pairs with approx. thirty twists per metre. There are three conductor pairs, namely power, return, and measurement signal cables, between the cell and evaluation units. At least two pairs, namely the return and measurement signal cables, are screened twisted pairs.

Description

Beschreibung description

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. Switching arrangement to reduce electrical interference on electromechanical Scales The invention relates to switching arrangements for reducing electrical interference on electromechanical scales with a protective conductor at ground potential, where at least one, in particular with a bending rod, strain gauge and bridge circuit equipped load cell is connected to an evaluation device via cables.

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.In known scales of this type, measurement signal voltages are often required in the order of 20 millivolts to 1 microvolt can be resolved and processed. This can affect external electromagnetic interference, for example Energy cables running in the vicinity, the effects of interference signals on the Have a falsifying effect on the measurement result. Such interference signal effects can in particular also on the influence of different Earth potentials decrease and occur in the form of so-called differential mode interference.

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.It is the object of the invention to provide measures for reducing the effect of interference signals Specify on electromagnetic scales that have at least one load cell over Lines is connected to an evaluation device.

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.The object is achieved according to the invention in that the reference potential from the load cell and / or evaluation device from the protective conductor at ground potential is galvanically isolated. The reduction in the effect of interference signals is improved also in that at least some of the lines between the load cell and the evaluation device is provided with metallic shields from the protective conductor as well are galvanically isolated. After all, it is external in terms of reducing Interference is favorable if the lines between the load cell and the evaluation device are at least are partially twisted in pairs.

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.The following description of preferred embodiments of the invention serves for further explanation in connection with the accompanying drawing. Show it: 1 shows a basic circuit diagram of the measuring signal circuit of an electromechanical balance; FIG. 2 shows the circuit diagram from FIG. 1 with galvanic separation on the side of the Load cell; 3 shows the circuit diagram from FIG. 1 with galvanic separation both on the side of the load cell and on the side of the evaluation device; Fig. 4 schematically the action of a magnetic field on an untwisted cable; Fig. 5 the action of a magnetic field on a twisted-pair cable; Fig. 6 a Circuit diagram according to the invention for an electromechanical balance.

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.In each of Figs. 1 to 3, the measurement signal circuit is schematically one electromechanical scales, such as an industrial weighing system shown. The balance includes at least one known load cell, preferably with a bending rod, Strain gauges and bridge circuit (also half bridge). In Figs. 1 to 3 is only each of the measuring resistor R of the load cell is shown symbolically on which the measuring voltage UR occurs.

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.Between the load cell and a standard evaluation device from which in 1 to 3 only one amplifier V is shown symbolically, one runs Measuring line consisting of two individual lines with line resistances RL, at the input of which the voltage U2 is present and at the output of which the voltage U is present. the Voltage at the amplifier output is denoted by U'1 1.

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.In Fig. 1, both the measurement signal source is in a conventional manner serving load cell and the reference potential of the evaluation device grounded, for example through galvanic connection with one at ground potential Protective conductor. Exists, as is usually the case, between the earth potentials a potential difference on the side of the load cell and on the side of the evaluation device (amplifier V) (Ustör) 'SO is formed in the measuring line, the measuring result falsify the circulating current 1 circuit as a disturbing push-pull influence.

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.Is, as shown in Fig. 2, the reference potential of the load cell galvanically separated from the protective conductor Sq, which is at ground potential, so can only a capacitive residual circuit current over the unavoidable, always present Signal source capacitance C flow. Especially for load cells with strain gauges is because of the necessary small distance between the strain gauge and the deformation body (Bending rod) usually a relatively large signal source capacity is available. After all, the galvanic separation according to FIG. 2 allows disruptive push-pull influences from circular currents, caused by different earth potentials, already noticeable to decrease.

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.Is itself, as shown in Fig. 3, the evaluation device with the amplifier V is still potential-free, i.e. not due to galvanic separation from the protective conductor Sv earthed, only the one through the series connection of the amplifier and signal source capacitance Cv or Cq limited interference current flow. Since the amplifier capacity with conventional Can make funds relatively low, can te shown in Fig. 3, "potential-free / or - because of the missing earth connection - also as" floating " The measuring technique described practically eliminates the disturbing influence of circulating currents if the line resistance RL is also kept low. That Latter is easily achieved by appropriate cross-sectional dimensioning of the measuring lines possible. It has been found that a cross section of at least oF, mm2 in the The measuring line forming the egg cell wires is usually sufficient. (With the circuits 2 and 3 are usually only the housing of the load cell and evaluation device connected to the protective conductors Sq and Sv.) To disruptive electromagnetic interference from power cables or the like that are laid in the vicinity, from the measuring cables keep away, the respective outgoing and return lines (wires) of the cable are according to the invention twisted in pairs. It has been found that as a result, in particular electromagic tables Interfering signal effects in the measuring range between 20 millivolts and 1 microvolt switched off can be.

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.In Fig. 4 should occur at a measuring resistor of the load cell Voltage U2 can be measured. The two-core measuring lead shown gives the voltage U1 to a preamplifier of the evaluation device. This arrangement will go through an external alternating magnetic field4 and the voltages induced thereby u bothered. As a result, the measurement voltage U1 in FIG. 4 is increased by the sum of the induced Stress vectors falsified.

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.In order to eliminate this falsification, the stray magnetic field (Alternating field p) induced voltages u via a paired twisting of the electrical Individual conductors are lifted. This is shown schematically in FIG.

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.If one draws the vector sum of the individual voltages u over the entire, twisted-pair measuring cables, this is how one sets firmly that the induced voltages u cancel each other out if the magnetic field is related on'die lay length of the cable is sufficiently homogeneous. It was found that for Suppression of the interference fields considered here a number of strokes of about 30 per meter is sufficient. 5 is based on a planar arrangement for the sake of simplicity the individual lines of the cable. In addition, the following applies to a spatial cable arrangement the same thing. "Beat number" means the number of points of intersection of the two Single conductor of a cable per unit of length.

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.Fig. 6 shows a largely secured against external disturbances Overall structure of the measuring section with an electro-mechanical balance, between the one Bridge circuit containing load cell W and equipped with several amplifiers Evaluation device A runs three two-wire lines, namely a feed line 1, a return line 2 and a measuring signal line 3. As shown schematically in FIG indicated, are the two wires, i.e. the outward and return lines, of each of the lines 1, 2 and 3 twisted in pairs with one another in the sense of FIG. Also are. the Lines 1, 2 and 3 each individually with known metallic shields 11, 12 and 13 respectively. The individually shielded cables 1, 2 or 3 can in turn, can also be arranged in an overall shielding 14. Of the Load cell W, which can also contain a half bridge instead of the bridge shown, a (not specifically shown) terminal box is connected upstream in the conventional manner, at its output terminals k the lines 1, 2 and 3 as well as the shields 11, 12, 13 and 14 can be connected. The housing of the load cell W and des Evaluation device A are grounded via protective conductor Sq or Sv.

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.As shown, the reference potentials are UW and UA of the load cell W or evaluation device A from the protective conductors that are at ground potential Sqt Sv galvanically separated, so that only those already mentioned in connection with Fig. 2 and 3 mentioned, inevitable capacitances q and Cv remain. Through the galvanic Separation gives you a potential-free or "floating" circuit, the opposite Push-pull interference is largely insensitive.

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.As can be seen from FIG. 6, are to further prevent the effects of interfering signals also the shields 11, 12, 13 and 14 from the protective conductors Sq and Sv galvanically separated and connected to the reference potential UA of the evaluation device. To the load cell On the other hand, the shields 11, 12, 13 and 14 are "open", that is to say they are not connected to the reference potential Uw of the load cell.

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.In Fig. 6, all lines 1, 2 and 3 are individual and also common shielded. In another embodiment of the invention, the paired twist and individual shielding of the feed line 1 is also omitted.

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.To suppress capacitive interference from the energy network According to the invention, low-coupling network transformers can be used. aside from that disruptive circulating currents can be prevented via linked external devices if these are connected electrically isolated, for example via optocouplers or low stray capacitance transformers. Furthermore, in a further embodiment of the invention it is provided that all power supplies upstream line filters without galvanic Connection of the protective conductor with the internal electronic voltages. If, as mentioned above, feed line 1 does not twisted pair and / or is provided with a single shield 11, it is preferably included in the common shield 14 included. As can also be seen from Fig. 6, the Paired twisting and shielding of lines 1, 2 and 3 only from the terminals K of the terminal box.

Claims

Circuit arrangement for reducing electrical interference on electromechanical scales with a protective conductor at ground potential, where at least one, in particular with a bending rod, strain gauge and bridge circuit equipped load cell is connected to an evaluation device via cables, thereby characterized in that the reference potential (etc., UA) of the load cell (W) and / or evaluation device (A) galvanically separated from the protective conductor <5, Sv) which is at earth potential is.

2. Switching arrangement according to claim 1, characterized in that at least part of the lines (1, 2, 3) between the load cell (W) and the evaluation device (A) metallic shields (11, 12, 13, 14) is provided by the protective conductor 5q Sv) are also galvanically isolated.

3. Switching arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that that the lines (1, 2, 3) between the load cell (W) and evaluation device (A) at least are partially twisted in pairs.

4. Switching arrangement according to claim 3, characterized in that the Number of strokes of the pair twist is about 30 per meter.

5. Switching arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that that for the electrical connection between the load cell (W) and evaluation device (A) three two-wire lines, namely a supply line, a return line and a measuring signal line (1, 2 or 3) and at least the feedback and measuring signal line (2 or 3) - twisted in pairs and provided with shields (12, 13, 14).

6. Switching arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the feed and return wires of the lines (1, 2, 3) between Load cell (W) and evaluation device (A) paired and also shielded together are.

7. Switching arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the individual wires of the lines 2 (1, 2, 3) have a cross section of at least 0.5 mm.

8. Switching arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the load cell <W) and / or the evaluation device (A) is a terminal box assigned and the paired twisting and shielding of the lines (1, 2, 3) only from the terminal box.

9. Switching arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the housing of the load cell (W) and evaluation device (A) with the Protective conductors (Sq q or Sv) are connected.

10. Switching arrangement according to claim 9, characterized in that it is eichnett at least the shield (13) of the measuring signal line (3) from the housing of the load cell (W) is galvanically separated.

11. Switching arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the shields (11, 12, 13, 14) on the side of the evaluation device (A) with the ungrounded reference potential (UA) of the internal voltage sources of the evaluation device (A) are connected.