DE2935654A1

DE2935654A1 - Waage mit elektromagnetischer lastkompensation

Info

Publication number: DE2935654A1
Application number: DE19792935654
Authority: DE
Inventors: Peter Kunz
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Toledo GmbH Switzerland
Priority date: 1978-10-20
Filing date: 1979-09-04
Publication date: 1980-04-30
Also published as: DE7925060U1; FR2439391A1; DE2935654C2; GB2032112B; GB2032112A; FR2439391B1; US4245711A; CH634654A5

Description

Patentanwälte

)ipl.-lng. K. EIVTPL J

Münchsn 80, Schumannstr. 2

4. September 1979
Akte: P 23 757

Mettler Instrumente AG, Greifensee (Schweiz)

Waage mit elektromagnetischer Lastkompensation

Die Erfindung betrifft eine Waage mit elektromagnetischer Lastkompensation, umfassend einen Lastaufnehmer, ein Permanentmagnetsystem, eine in dessen Luftspalt angeordnete, stromdurchflossene Spule, einen zwischen dem Lastaufnehmer und der Spule angeordneten Uebersetzungshebel, eine Konstantstromquelle, und eine Regelschaltung, welche die Spule während Zeitabschnitten von lastabhängiger Dauer mit
der Konstantstromquelle verbindet.

Der mechanische Aufbau einer solchen Waage ist beispielsweise bekannt aus der US-Patentschrift 4,109,738, und die Kompensationsschaltung ist ausführlich beschrieben in den US-Patentschriften 3,786,678, 3,786,884 und 3,816,156.

Bei der praktischen Ausführung solcher Waagen ist es zweckmässig, für verschiedene Typen der gleichen Familie mögliehst viele gleiche Bestandteile zu verwenden. So ist es z.B. erwünscht, für Waagen verschiedener UeberSetzungen
und damit verschiedener Höchstlasten die gleichen Ueber-

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setzungshebel zu verwenden. Dies führt dann allerdings dazu, dass in gewissen Fällen an einem Ende des Hebels noch eine Zusatzlast nötig wird. Diese Massnahme ist unbefriedigend, weil sie den Material- und Montageaufwand vergrössert und das Totgewicht (Eigengewicht) der ganzen Waage erhöht.

Die vorliegende Erfindung entstand aus der Aufgabenstellung, die oben erwähnte Zusatzlast zu eliminieren. Sie löst diese Aufgabe dadurch, dass die Spule zwischen ihren beiden Enden über eine Anzapfung verfügt, und dass ein Umschalter vorgesehen ist, der den Strom von der Konstantstromquelle über die Anzapfung alternierend durch den einen bzw. den anderen Spulenteil leitet. Diese Massnahmen bewirken, dass im Luftspalt des Permanentmagnetsystems abwechselnd eine Kraft in der einen bzw. in der entgegengesetzten Richtung erzeugt wird. Die Grosse und Richtung der resultierenden Kraft hängt u.a. ab von der Lage der Anzapfung und von der Länge der jeweiligen Teilimpulse innerhalb eines Zeitintervalls. Sie kann also entgegen dem Angriff der Wägelast oder in der gleichen Richtung mit ihr wirken; für einen bestimmten Belastungsfall wird die resultierende Kraft Null.

Die Erfindung bringt noch weitere Vorteile mit sich. So kann auf den in der bereits genannten US-Patentschrift 3,786,678 erwähnten Blindverbraucher (Ersatzlast), der den Konstantstrom in den Pausenzeiten aufnimmt, verzichtet werden (Pause = Zeitabschnitt, während welchem der Konstantstrom nicht durch die Kompensationsspule fliesst). Ferner lässt sich gegenüber der oben erwähnten Ausführung der Waage mit mechanischer Zusatzlast die Verlustleistung der Spule nennenswert verringern.

Aus der US-Patentschrift 3^955,638 ist es bekannt, die Richtung eines Kompensationsstromes mit lastabhängiger Amplitude bei Halblast umzukehren, d.h. dieselben Windun-

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ORSGiKAL SMSPECTED

- V-v

gen der Spule werden bei kleineren Lasten von Strom einer Polarität, bei grösseren Lasten von Strom der entgegengesetzten Polarität durchflossen. Gegenüber dieser bekannten Waage hat die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass nur eine einzige Stromquelle vonnöten ist, was geringeren Aufwand und weniger kritische Bauteile bedeutet: Hier fliesst der Strom stets in gleicher Richtung, einmal durch den einen, dann durch den anderen Spulenteil.

In der DE-Auslegeschrift 27 22 093 ist eine Waage offenbart, bei welcher der durch die Kompensationsspule fliessende Strom in rascher Folge abwechselnd positive und negative Werte erhält. Bereits oben bei der Besprechung der US-Patentschrift 3,955,638 wurde auf die Nachteile hingewiesen, die mit einer Stromumschaltung von einer Polarität auf die andere verbunden sind. Das oben Gesagte gilt hier in verstärktem Masse, da durch die hohe Frequenz der Umschaltungen die Form und Konstanz der Schaltflanken einen merklichen Einfluss auf die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse hat.

Zweckmassxgerwexse ist dem Umschalter ein Flipflop zugeordnet. Diese Ausführungsform ist speziell dann von Vorteil, wenn bereits in der Schaltung vorhandene Flipflops noch freie Kapazität aufweisen.

Vorzugsweise sind die beiden Spulenteile übereinander gewickelt. Dies bedingt einen relativ geringen Herstellungsaufwand und eine optimale Raumausnützung (letztere ergäbe sich auch bei bifilar gewickelten Spulenteilen).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung ist Figur 1 eine Darstellung der wesentlichen Teile der

Waage sowie ein Blockschema des elektrischen Teils,
Figur 2 ein Detail zu Figur 1,

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Figur 3 eine Variante zu Figur 2, Figur 4 ein weiteres Detail, und Figur 5 ein Strom-Zeit-Diagramm.

Von der im mechanischen Aufbau konventionellen Waage ist in Figur 1 eine Waagschale 10 zu erkennen, die auf einem Lastaufnehmer oder Träger 12 ruht. Der Träger 12 ist im mit 14 bezeichneten ortsfesten Teil der Waage mittels zwei Lenkern 16 parallel geführt. Ein zweiarmiger Hebel 18 ist über Biegelager 20 im festen Teil 14 schwenkbar gelagert und trägt über ein Hängekoppel 22 den Lastaufnehmer 12. Am freien Ende des Hebels 18 ist ein fotoelektrischer Lagesensor 24 angeordnet. Benachbart dazu ist ortsfest ein rotationssymmetrisches Permanentmagnetsystem 26 vorgesehen, in welches eine am Hebel 18 befestigte Kornpensationsspule 28 taucht.

Die Struktur der Waage und des Permanentmagnetsystems ist beschrieben beispielsweise in der oben bereits erwähnten US-PS 4,109,738. Aus den ebenfalls oben genannten US-Patentschriften 3,786,678, 3,786,884 und 3,816,156 ist Aufbau und Wirkungsweise des elektrischen Teils bekannt, auf dessen Funktion daher hier nur summarisch eingegangen wird:

Das Signal des Lagesensors 24 wird über die Positionsgeberschaltung 30 einem PID-Regler 32 zugeführt. Das dort · gebildete Regelsignal wird in einem Pulslängenmodulator (PLM) 34 mit einer periodischen Sägezahnspannung verglichen. Der PLM 34 wird in starrem Rhythmus gestartet (Taktgeber 36, Teiler 38) und steuert über einen Synchronisier-Flipflop 40 einen Schalter 42, der den Konstantstrom I von einer Stromquelle 44 periodisch an die Spule 28 schaltet. Der PLM 34 steuert ferner ein Tor 46, das vom Taktgeber beaufschlagt wird. Dessen hochfrequente Taktimpulse werden während lastproportionaler Zeitabschnitte vom Zähler 48 gezählt. Ein weiterer vom Taktgeber 36 beaufschlagter

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Teiler 50 steuert einen Rechner 52, der periodisch die Zählerstände vom Zähler 48 übernimmt und daraus das Messergebnis bildet, welches zur Digitalanzeige 54 gelangt.

Bei bekannten Waagen gemäss den als Referenz zu Figur 1 oben genannten US-Patenten ist jeweils eine Kompensationsspule vorgesehen, die stets nur in einer Richtung vom Kompensationsstrom durchflossen wird und dies im Normalfalle nur während eines Teiles jedes durch die Länge einer Sägezahnspannungsrampe im PLM 34 bestimmten Zeitintervalls. Gemäss der vorliegenden Erfindung sind nun die Spule 28 und der Schalter 42 verändert, was für das vorliegende Ausführungsbeispiel anhand der Figuren 2 bis 4 erläutert wird. ,

Die Spule 28 ist unter Bildung von zwei Windungspaketen 28a, 28b auf einen Spulenträger 56 gewickelt (Figur 4). An der Anzapfung ist ein Anschlussdraht 58 herausgeführt, zwei andere Anschlussdrähte 60, 62 führen zum Anfang bzw. Ende der ganzen Spule 28. Der Spulenträger 56 ist am Hebel 18 befestigt.

Der Schalter 42 wird gemäss Figur 2 von zwei Feldeffekt-Transistoren (FET) 64, 66 gebildet, die von den Ausgängen Q bzw. Q des Flipflop 40 gesteuert werden. Parallel zu den Spulenteilen 28a und 28b liegt je ein Kondensator 68a, 68b, in bekannter Weise zur Glättung der Stromimpulse dienend. Die Leitung 60 führt zum FET 64, die Leitung 62 zum FET 66, während Leitung 58 mit der Speisespannung V verbunden ist. Die anderen Anschlüsse der FET 64, 66 sind mit der Stromquelle 44 verbunden.

Die Anordnung funktioniert wie folgt: Jeweils beim Start eines Intervalls T (Beginn der Sägezahnrampe im PLM 34, s.a. Figur 5) wird der FET 66 vom Ausgang Q des Flipflop 40 angesteuert, der Strom I fliesst auf dem Weg V - Leitung 58 - Spulenteil 28b -Leitung 62 - FET 66 - Strom-

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quelle 44, die Kompensationsspule erzeugt im Permanentmagnetsystem 26 eine Kraft nach unten. Während dieser lastabhängigen Zeitspanne t^ (siehe Figur 5) werden die Taktimpulse im Zähler 48 gezählt. Erreicht die Sägezahnspannung im PLM 34 den Wert der Regelspannung, so wird der Flipflop 40 vom PLM 34 umgeschaltet: Nunmehr ist der Ausgang Q aktiv, und der Konstantstrom I fliesst auf dem Weg V - Leitung 58 - Spulenteil 28a - Leitung 60 - FET - Stromquelle 44, d.h. die Kraftwirkung kehrt sich um für den Rest des Intervalls T, bis beim Beginn der nächsten Sagezahnspannungsrampe der Flipflop 4 0 wieder umgeschaltet wird.

Die als Schalter wirkende Anordnung 42 stellt einen voll durchgesteuerten Differentialverstärker dar: Im einen Fall fliesst der Strom nur durch den FET 64, im anderen Fall ausschliesslich durch den FET 66. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass sie noch schneller arbeitet als der konventionell eingesetzte Schalttransistor.

Figur 3 zeigt eine Variante, die beispielsweise dann zweckmassig sein kann, wenn vom Flipflop 40 nur noch ein Ausgang (Q oder Q) zur Verfügung steht. Der andere Ausgang wird hier durch zwei Widerstände 70, 72 "ersetzt", die bei passender Dimensionierung funktionell'dem fehlenden Flipflop-Ausgang entsprechen: Das Verhältnis der Widerstände 70 und 72 ist so zu wählen, dass das am FET 64 liegende Potential zwischen Null und dem Potential des Signals Q liegt.

In der bereits erwähnten Figur 5 ist ein Beispiel für den Stromverlauf in der Spule über der Zeit aufgetragen. Stets wird ein Spulenteil vom Konstantstrom I durchflossen (der jeweils andere Spulenteil ist stromlos), und bei Beginn jedes neuen Intervalls T sowie nach Ablauf jedes Zeitabschnitts -fcj. wird der Strom durch den jeweils anderen Spulenteil geleitet. Das gezeigte Beispiel in Figur 5 ent-

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spricht etwa einer Belastung der Waage mit einem Drittel der Wägekapazität.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt das Windungsverhältnis 1:3, d.h. die Anzapfung liegt bei einem Viertel der Gesamtwindungszahl. Damit beträgt die maximal nach unten wirkende Kompensationskraft das Dreifache der maximal nach oben wirkenden Kompensationskraft. Wird durch Aenderung der Lagerabstände eine andere Hebelübersetzung gewählt, so ist das Windungsverhältnis entsprechend anzupassen. Auf die eingangs erwähnten, sonst bei gleichem Hebel notwendigen Ausgleichsgewichte kann damit im wesentlichen verzichtet werden.

Als vorteilhafte Nebenwirkung der Erfindung ist das im Vergleich zu konventionellen Waagen wesentlich günstigere Temperaturverhalten zu erwähnen: Die Lastabhängigkeit der Verlustleistung in der Spule ist merklich verringert.

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Leer seife

Claims

2-3 3 5654

Patentansprüche

ι IJ Waage mit elektromagnetischer Lastkompensation, umfassend

- einen Lastaufnehmer,

- ein Permanentmagnetsystem,

- eine in dessen Luftspalt angeordnete, stromdurchflossene Spule,

- einen zwischen dem Lastaufnehmer und der Spule angeordneten Uebersetzungshebel,

- eine Konstantstromquelle, und

- eine Regelschaltung, welche die Spule während Zeitabschnitten von lastabhängiger Dauer mit der Konstantstromquelle verbindet,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die Spule (28) zwischen ihren beiden Enden über eine Anzapfung (58) verfügt, und

- ein Umschalter (42) vorgesehen ist, der den Strom von der Konstantstromquelle (44) über die Anzapfung (58) alternierend durch den einen (28a) bzw. den anderen Spulenteil (28b) leitet.
2. Waage nach Anspruch l_f dadurch gekennzeichnet, dass dem Umschalter (42) ein Flipflop (40) zugeordnet ist.
3. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spulenteile (28a„ 28b) übereinander gewickelt sind.

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ORIGINAL IWSPECTED