DE29707659U1 - Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation - Google Patents
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Description
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Leinwebers, Zimmermann
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Leinwebers, Zimmermann
Rosental7/iLAufQ. :.. : ::. : : . . ., 1QQ7
··· · Zo. April 1997
-1-
Mettler-Toledo AG, Im Langacher, CH-8606 Greifensee
Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation
Gegenstand der Erfindung ist eine Waage mit elektromagnetischer &iacgr;&ogr; Kraftkompensatron, umfassend ein Permanentmagnet-System, mit mindestens
einem Permanetmagnet, einer Polplatte, einem Rückschlusskörper und einer Spule, die in einen Luftspalt in das Permanentmagnet-System eintaucht und
von einem lastabhängigen Strom durchflossen wird, und mit einem Temperaturfühler, der in das Permanentmagnet-System eingesetzt ist.
Die Feldstärke des Permanentmagnet-Systems einer elektronischen Waage wird
z.B. durch den lastabhängigen Kompensationsstrom, bzw. die durch den Kompensationsstrom in der Spule erzeugte Wärme, beeinflusst. Soll eine
Beeinflussung des Messresultates ausgeschaltet oder verhindert werden, ist eine Kompensation erforderlich. Dabei ist zu unterscheiden zwischen
kurzfristigen und langfristigen Temperaturänderungen. Die Kompensation langfristiger Temperaturänderungen, wie sie beim
Einschalten der Waage auftreten, ist seit langem bekannt und im Stand der Technik sind dazu verschiedene Lösungsvorschläge gemacht worden.
Bei der im DE-GM-8418503 vorgeschlagenen elektrischen Waage ist zwischen
dem aktiven Kern und dem weichmagnetischen Rückschlussrohr mit einer Presspassung oder mit einem wärmeleitenden Füllstoff ein Aluminiumrohr
eingesetzt. In einer Bohrung im Aluminiumrohr sitzt ein Temperaturfühler, welcher Temperaturänderungen des Aluminiumrohres, hervorgerufen durch den
Wärmeabfluss aus der Polplatte, mit der das Aluminiumrohr ebenfalls in gut
wärmeleitendem Kontakt steht, erfasst. Das gut wärmeleitende Aluminiumrohr
erlaubt eine rasche Wärmeabfuhr von der Polplatte des Permanentmagnet-Systems. Es bildet also eine Wärmeableitbrücke, die eine geringere
Erwärmung des aktiven Kerns bewirkt und dadurch wärmebedingte
os Empfindlichkeitsänderungen des Permanentmagnet-Systems vermindert. Eine
Temperaturändemng, erfasst durch den Temperaturfühler, kann trotz guter
Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumrohres erst mit Verzögerung erfasst werden. Damit wird auch die elektronische Korrektur erst mit Verzögerung
erfolgen. Das Aluminiumrohr kann auch unter Bildung eines Spaltes zum
&iacgr;&ogr; aktiven Kern liegen und die Wärme aus der Polplatte direkt nach unten
abführen, so dass sie vom Temperaturfühler gemessen werden kann. In beiden Ausführungsformen erfolgt indirekt eine Messung der Temperaturändemng der
Polplatte, welche die von der Spule aufgenommene Strahlungswärme nach unten weiterleitet.
is Bei der Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation in der DE-Al-3324402
ist in einer Bohrung im Permanentmagnet ein Temperaturfühler eingesetzt, um die Erwärmung des Magnets durch den lastabhängigen Strom in
der Spule zu messen. Eine zeitliche Verzögerung ist auch hier stets unvermeidbar, da vorerst die Polplatte und der Permanentmagnet erwärmt
werden müssen, bevor die Temperaturändemng durch den Temperaturfühler feststellbar ist. Die störenden Folgen der Temperaturändemng des
Permanentmagnets treten sofort auf, eine entsprechende Kompensation ist jedoch nur mit zeitlicher Verzögerung möglich.
In der JP-A-07218323 wird weiter eine elektromagnetische Waage beschrieben, bei der direkt gegenüber der Spule in einer Ausnehmung in der
Polplatte ein Temperaturfühler zur Messung der Temperatur eingesetzt ist. Die Ausnehmung wird von einer Platte überspannt. Mit dieser bekannten
Anordnung des Temperaturfühlers an der Oberfläche der Polplatte erfolgt die Messung der Temperatur, bevor die Verlustwärme der Spule die Polplatte
erwärmen kann und insbesondere den Permanentmagneten erreicht hat. Dies kann zu einer Überreaktion bei der Kompensation der Einwirkung der
-3-
Temperaturänderung auf den Permanentmagneten führen. Die Messung der
Temperatur erfolgt direkt im Wirkungsbereich der Spule, wobei der Temperaturfühler nicht gleichartig beaufschlagt ist wie der
wärmeempfindliche Permanentmagnet, von dem die Veränderung des Messergebnisses ausgeht. Im Gegensatz zu den eingangs beschriebenen
Druckschriften, bei denen eine zu grosse Verzögerung der Erfassung der Temperaturänderung vorliegt, erfolgt bei der in der japanischen Schrift
vorgeschlagenen Ausbildung die Messung der Temperaturänderung zu schnell und nicht in Übereinstimmung mit der Änderung des Messwertes, welche durch
&iacgr;&ogr; die Aufwärmung des Permanentmagneten verursacht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die bei einer
Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation Temperaturänderungen innerhalb des Permanentmagnet-Systems erfasst und zur Kompensation der
Messwerte heranzieht, wenn eine Änderung des Messergebnisses eintritt. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, durch die Kompensationsspule
hervorgerufene schnelle Temperaturänderungen zu einem optimalen Zeitpunkt zu berücksichtigen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Waage mit elektromagnetischer
Kraftkompensation, umfassend ein Permanentmagnet-System, mit mindestens einem Permanetmagnet, einer Polplatte, einem Rückschlusskörper und einer
Spule, die in einen Luftspalt in das Permanentmagnet-System eintaucht und von einem lastabhängigen Strom durchflossen wird, und mit einem
Temperaturfühler, der in das Permanentmagnet-System eingesetzt ist, wobei sich der Temperaturfühler ausserhalb des unmittelbaren Wärme-Einflussbereiches
der Spule befindet und mit einem in den Wärme-Einflussbereich der Spule ragenden thermischen Leiter verbunden ist.
Mit dem thermischen Leiter, der im Bereich zwischen der Spule und dem Permanentmagneten eingesetzt ist, z.B. in Gestalt einer
-4-
trichterförmigen Hülse, deren Fuss den Magnetkern durchdringt und den
Temperaturfühler aufnimmt, kann die Wärmeentwicklung der Spule, insbesondere deren abgestrahlte Verlustwärme, erfasst werden, wenn eine
messbare, die Messwerte der Waage beeinflussende Temperaturerhöhung der
Polplatte und des Permanentmagnets eintritt. Die gemessene Temperaturänderung am Ort des Temperaturfühler im Innern des
Permanentmagnet-Systems erfolgt zu einem Zeitpunkt, der sich zur Kompensation der die Messfehler erzeugenden Wirkung der Erwärmung optimal
verwenden lässt. Die Anordnung des Temperaturfühlers ausserhalb des
&iacgr;&ogr; direkten Einflussbereiches der Verlustwärme der Spule verhindert eine
Überreaktion, und es kann durch die zwar geringe zeitliche Verzögerung des Wärmeflusses im thermischen Leiter zum Temperaturfühler die folgende
Temperaturerhöhung des Permanentmagneten kompensiert werden. Die Hülse kann kostengünstig hergestellt und in das Permanentmagnet-System
is eingesetzt werden. Konstruktive Veränderungen an der Waage sind nicht oder
nur in geringen Umfang nötig.
Um eine Wärmeübertragung von der wärmeleitenden Hülse an das Magnetsystem
zu verhindern, kann eine Isolation gegenüber dem Permanentmagnet-System,
an dem sie befestigt ist, vorgesehen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von illustrierten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen eher summarischen Querschnitt durch den mechanischen Teil
der elektronischen Waage,
Figur 2 einen vergrösserten, detaillierteren Querschnitt durch das
Permanentmagnet-System und die darin eintauchende Kompensationsspule, und
Figur 3 einen Querschnitt durch den mechanischen Teil einer elektronischen Waage mit Flachmagneten als weiteres
Ausführungsbeispiel
-5-
Der in Figur 1 schematisch dargestellte mechanische Teil einer elektronischen Waage 1 umfasst einen mit dem Waagengehäuse fest
verbundenen Parallelogrammschenkel 3, der mittels zweier Lenker 5 und 7 mit dem auslenkbaren, lastaufnehmenden Parallelogrammschenkel 9 verbunden
ist Am Parallelogrammschenkel 9 ist ein Ausleger 11 zur Aufnahme der Last
F angeformt. Die beiden Parallelogrammschenkel 3 und 9 sind durch Biegelager 13 mit den beiden Lenkern 5 und 7 verbunden. Am feststehenden
Parallelogrammschenkel 3 ist weiter ein Permanentmagnet-System 15 befestigt, welches einen Permanentmagneten 17 mit einer darauf
&iacgr;&ogr; aufgesetzten Polplatte 19 sowie einen topfförmigen Rückschlusskörper 21
umfasst. Von oben ragt eine Spule 23 in den Luftspalt 25 zwischen dem Rückschlusskörper 21 und der Polplatte 19. Die Spule 23 ist an einem Hebel
27 befestigt, welcher über einen Koppel 29 die Normalkomponente der Last F überträgt. Der Hebel 27 ist über ein Biegelager 31 an einer mit dem das
Permanentmagnetsystem 15 tragenden Ausleger des Parallelogrammschenkels verbundenen Säule 33 aufgehängt. Mit Bezugszeichen 35 ist ein
Positionsgeber, der die Gleichgewichtslage des Hebels 27 kontrolliert, dargestellt.
Die Funktionsweise einer elektromagnetischen, kraftkompensierenden Waage wird als bekannt vorausgesetzt; sie wird unter anderem in den in der Beschreibungseinleitung gewürdigten Schriften zum Stand der Technik erläutert.
Die Funktionsweise einer elektromagnetischen, kraftkompensierenden Waage wird als bekannt vorausgesetzt; sie wird unter anderem in den in der Beschreibungseinleitung gewürdigten Schriften zum Stand der Technik erläutert.
In der Darstellung des Permanentmagnet-Systems 15 und der in den Luftspalt 25 eintauchenden Spule 23 ist ein thermischer Leiter, im
dargestellten Beispiel in den Figuren 1 und 2 eine trichter- oder becherförmige Hülse 37, sichtbar, welche koaxial über der Polplatte 19
angeordnet ist. Die im Beispiel rotationssymmetrisch ausgebildete Hülse 37
weist einen rohrförmigen Fuss 39 auf, der in einer Bohrung 41, welche die Polplatte 19 und den Permanentmagnet 17 durchdringt, eingeschoben ist. Der
rohrförmige Fuss 39 kann gegenüber der Umgebung thermisch isoliert sein.
AIs Isolation kann ein den Fuss 39 umschlingender Schrumpfschlauch 45 oder
ein anderes geeignetes Isolationsmittel, z.B. in Gestalt eines Rohrabschnittes, eingesetzt sein. Im Fuss 39 oder an anderer geeigneter
Stelle der Hülse 37 ist ein Temperaturfühler 43 eingesetzt, um Temperaturänderungen an der Hülse 37, welche aus einem thermisch leitenden
Material wie Aluminium oder Kupfer besteht, zu erfassen und an die Wägeelektronik weiterzuleiten. Der Temperaturfühler 43 kann mit einer gut
wärmeleitenden Paste mit der Hülse 37 verbunden sein, um einen raschen und einwandfreien Wärmeübergang zu gewährleisten. Der becherförmige Oberteil
&iacgr;&ogr; 38 der Hülse 37 liegt über der Polplatte 19 und erreicht annähernd oder
ganz den Durchmesser der Polplatte 19. Die von der Spule 23 während der Kraftkompensation nach innen abgestrahlte Wärme gelangt folglich nicht nur
an die Polplatte 19, sondern gleichzeitig und direkt an die Peripherie 44 der Hülse 37. Die Oberfläche der Hülse 37 ist vorzugsweise schwarz
is lackiert oder eloxiert, um die Wärmestrahlung optimal absorbieren zu
können. Durch die hohe Leitfähigkeit des Hülsenwerkstoffes wird jede Temperaturänderung, sei es nun eine Temperaturerhöhung oder ein
Temperaturrückgang, auf schnellstem Wege weitergeleitet und vom Temperaturfühler 43 registriert. Die Temperaturänderung erreicht den
Temperaturfühler 43 über die Hülse 37 in jedem Fall früher als über die Polplatte 19 oder den Magneten 17, da die Leitfähigkeit sowohl der
Polplatte 19 als auch des Magneten 17 kleiner ist als diejenige der Hülse 37. Es gelingt dadurch, auf elektronischem Wege die vom Temperaturfühler
43 ermittelte Temperatur zeitgerecht zur Kompensation der Temperatureinflüsse heranzuziehen.
Die zum Temperaturfühler 43 führenden Kabel können durch das Magnetsystem
hindurch zur Waagenelektronik geführt werden.
In der Ausgestaltung der Waage 101 mit einem Permanentmagnet-System
gemäss Figur 3 hat der thermische Leiter die Gestalt eine Rohres 140. Er
kann zusätzlich einen teller- oder kreisringförmigen, zwischen die Magnete
-7-
117 und die Spule 123 ragenden kreisringförmigen Abschnitt 148 aufweisen.
Das Rohr 140 durchdringt in der Bohrung 141 den Permanentmagneten 117 und kann auch in die Spule 123 eindringen. Der Temperaturfühler 143 sitzt
vorzugsweise an dem Ende des Rohres 140, das sich im Permanentmagneten befindet. Die Funktions- und Wirkungsweise dieses thermischen Leiters
entspricht derjenigen der Hülse 37 im ersten Ausführungsbeispiel. Allerdings wird bei einem auch in die Spule 123 eindringenden Leiter bzw.
von dessen als Rohr 140 ausgebildeten Teils, die Temperaturänderang der
Spule 123 schneller erfasst, jedoch durch die Anordnung des
&iacgr;&ogr; Temperaturfühlers 143 am anderen Ende des Leiters mit einer gewissen
Verzögerung gemessen.
Claims (12)
1. Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation, umfassend ein Permanentmagnet-System, mit mindestens einem Permanetmagnet, einer
os Polplatte, einem Rückschlusskörper und einer Spule, die in einen
Luftspalt in das Permanentmagnet-System eintaucht und von einem lastabhängigen Strom durchflossen wird, und mit einem
Temperaturfühler, der in das Permanentmagnet-System eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Temperaturfühler (43,143)
&iacgr;&ogr; ausserhalb des unmittelbaren Wärme-Einflussbereiches der Spule
(23,123) befindet und mit einem in den Wärme-Einflussbereich der Spule (23,123) ragenden thermischen Leiter verbunden ist.
2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
is Temperaturfühler (43,143) im Bereich der Symmetrieachse des
Permanentmagnet-Systems (15,115) angeordnet ist.
3. Waage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der thermische Leiter rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
4. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der thermische Leiter die Gestalt einer Hülse (37) aufweist.
5. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der thermische Leiter die Gestalt eines Rohres (140) mit einem kreisringförmigen Abschnitt (148) aufweist.
6. Waage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Boden der
Hülse (37) ein rohrförmiger Fuss (39) ausgebildet ist, welcher Fuss
(39) in einer Bohrung (41) die Polplatte (19) und weitere Teile des
Permanentmagnet-Systems (15) durchdringt.
-9-
7. Waage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler (43) im Boden der Hülse (37) im Innern des Fusses
(39) eingesetzt ist.
8. Waage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler (143) am Ende des Rohres (140) eingesetzt ist.
9. Waage nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
der Temperaturfühler (43,143) mit dem thermischen Leiter gut
&iacgr;&ogr; wärmeleitend verbunden ist.
10. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
der thermische Leiter bezüglich des Permanentmagnets (17,117) wärmeisoliert ist.
11. Waage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Wärmeisolation aus einem den Fuss (39) bzw. das Rohr (140) umschlingenden Schrumpfschlauch oder einem zwischen dem Fuss (39)
bzw. dem Rohr (140) und der Bohrung (41,141) eingesetzten wärmeisolierenden Rohrabschnitt besteht.
12. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche des thermischen Leiters eine wärmeabsorbierende Beschichtung aufweist.
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