DE3113617A1

DE3113617A1 - "waage mit elektromagnetischer kraftkompensation"

Info

Publication number: DE3113617A1
Application number: DE19813113617
Authority: DE
Inventors: Paul 8610 Uster Lüchinger; Andreas 8607 Asthal Stutz
Original assignee: Mettler Instrumente Ag 8606 Greifensee; Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Toledo GmbH Germany
Priority date: 1980-06-06
Filing date: 1981-04-03
Publication date: 1982-02-25
Also published as: US4354563A; DE3113617C2; DE8110196U1; CH645463A5

Description

Patentanwttte Dipl.-lng. Zimmermann α , Dipi.-lng. ν. Wengersky " ^J

l 7,8000 München 2 2603989

3. April 1981

Mettler Instrumente AG, Greifensee (Schweiz)

Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation

Die Erfindung betrifft eine Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation, umfassend einen Lastteil mit einer Lastspule, einen Referenzteil mit einer Referenzspule, ein Permanentmagnetsystem, in dessen Luftspalt die Last- und die Referenzspule nebeneinander und unabhängig voneinander beweglich angeordnet sind, je eine Positionsgeber- und eine Regelschaltung für den Last- und den Referenzteil, sowie eine Auswerte- und Anzeigeschaltung für das Gewicht des auf den Lastteil einwirkenden Wägegutes. Eine derartige Waage ist z.B. aus der US-Patentschrift 3,322,222 bekannt geworden.

Waagen mit elektromagnetischer Kraftkompensation zeigen bekanntlich folgende Arbeitsweise: Mit der Waagschale bzw. dem Lastaufnehmer ist (direkt oder indirekt) eine Spule verbunden, die beweglich in das Magnetfeld eines Permanentmagnetsystems taucht. Durch die Spule fliessender Strom erzeugt nach bekannten Gesetzmässigkeiten eine Kraft senkrecht zum Verlauf des Magnetfeldes im Luftspalt. Eine Regelschaltung bestimmt die Grosse des durch die Spule fliessenden Stromes so, dass die resultierende, auf den Lastaufnehmer wirkende elektromagnet

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tische Kraft der Gesamtlast (Wägegut plus eventuelle Totlast des Lastaufnehmers)entgegengesetzt gleich ist (Gleichgewichtszustand) . In diesem Zustand ist der Spulenstrom in guter Annäherung proportional zur Last und kann zur Anzeige des Gewichtes ausgewertet werden.

Diese Abhängigkeit des Stromes von der Last gilt jedoch, wie erwähnt, nur angenähert. Sie unterliegt Störeinflüssen, die sich bei höheren Anforderungen an die Wägegenauigkeit insbesondere in Form von Nichtlinearitäten und Empfindlichkeitsänderungen unangenehm bemerkbar machen können.

Eine wesentliche Quelle dieser Störeinflüsse beruht auf folgendem Phänomen: Der durch die Spule fliessende Kompensationsstrom baut ein eigenes stromproportionales Magnetfeld auf, das sich dem Permanentmagentfeld überlagert. Bei idealen Voraussetzungen, insbesondere hinsichtlich der Lage der Spule im Luftspalt, können sich die Kraftkomponenten des überlagerten Magnetfeldes gegenseitig aufheben. Solche idealen Voraussetzungen liegen jedoch meist nicht vor. Gewollte und ungewollte, auch schon kleine Verschiebungen der Spule führen dazu, dass aus dem spuleneigenen Magnetfeld Kraftkomponenten übrig bleiben. Diese wirken sich je nach ihrer Richtung in einem vergrösserten oder verringerten Spulenstrom aus und damit schliesslich in einer Verfälschung der Gewichtsanzeige.

Die beschriebenen Störeinflüsse wirken sich besonders unangenehm bei Waagen der eingangs umschriebenen Art aus, bei denen zwei Spulen in einem gemeinsamen Luftspalt, also eng benachbart, angeordnet sind. Hier resultieren die beschriebenen Effekte nicht nur aus dem jeweils eigenen Spulenstrom, sondern werden auch noch von der Grosse des Stroms durch die jeweils andere Spule beeinflusst. Hinzu kommt, dass mit der

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Breite des Luftspaltes das Streufeld zunimmt und damit die Homogenität des Permanentmagnetfeldes abnimmt, was die Störeffekte ebenfalls beeinflusst.

Aufgabe der Erfindung war es, bei einer Waage der eingangs erwähnten Art die genannten Störeffekte zu reduzieren, also insbesondere die Linearität zu verbessern und die Empfindlichkeit besser konstant zu halten. Erfindungsgemäss wird hierzu vorgeschlagen, dass der Luftspalt durch ein Zwischenelement in zwei Teil-Luftspalte unterteilt wird, deren einer die Lastspule und deren anderer die Referenzspule aufnimmt. Damit wird die oben beschriebene gegenseitige Beeinflussung der beiden Spulen weitgehend unterdrückt, und die Teil-Luftspalte müssen nur für je eine Spule dimensioniert werden.

In jüngerer Zeit werden elektromagnetisch kraftkompensierende Waagen häufig so konstruiert, dass das Permanentmagnetsystem rotationssymmetrisch aufgebaut ist und die beiden Spulen konzentrisch zueinander angeordnet sind (siehe z.B. die deutschen Offenlegungsschriften 22 01 106 oder 22 33 850). Auf derartige Waagen angewendet sieht die vorliegende Erfindung vor, dass das Zwischenelement ein Zwischenring ist, so dass die beiden Teil-Luftspalte konzentrisch zueinander sind.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht dabei vor, dass der Permanentmagnet im Zentrum des Permanentmagnetsystems angeordnet ist und dass der Zwischenring aus magnetisch permeablem Material besteht und über wenigstens eine unmagnetische Stütze mit dem Permanentmagnetsystem verbunden ist. Dabei übt der magnetisch permeable Zwischenring auch noch eine homogenisierende Wirkung auf das Permanentmagnetfeld aus. Unter magnetisch permeabel soll hier ein Material mit einer relativen Permeabilität von mehr als 2 verstanden werden. Dabei versteht es sich, dass die gemäss der Erfindung erreichbare Verbesserung um so grosser ist, je höher die relative Permeabilität ist;

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bevorzugt wird daher ferromagnetisches Material (also z.B. Weicheisen).

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet den Zwischenring bildet, welcher über wenigstens eine unmagnetische Stütze mit dem Permanentmagnetsystem verbunden ist. Diese Variante hat den Vorteil, dass das Feld des Permanentmagneten durch seine Anordnung unmittelbar am Luftspalt besser ausgenützt ist. Der Zwischenring kann dabei zweckmässigerweise aus einzelnen Permanentmagnet-Elementen zusammengesetzt sein. Dies ermöglicht die Verwendung gleicher Permanentmagnet-Elemente für unterschiedliche Ringdurchmesser. Vorzugsweise verfügt der Zwischenring dabei auf seiner Innen- und/oder Aussenseite über einen Mantel aus magnetisch permeablem Material. Damit ist nicht nur .eine genauere Einhaltung der gewünschten geometrischen Form möglich, sondern wird ausserdem der oben erwähnte Barrieren-Effekt (Reduktion der wechselseitigen Beeinflussung der beiden Spulen) verstärkt sowie das Magnetfeld homogenisiert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert. In den dazugehörigen, nicht massstäblichen Zeichnungen ist

Figur 1 eine Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels,

teilweise geschnitten,
Figur 2 ein Schnitt durch das Permanentmagnetsystem des

zweiten Ausführungsbeispiels, und Figur 3 eine Teil-Draufsicht gemäss Pfeil 3 in Figur 2.

Beispiel I (Figur 1)

Für die Ausführungsbeispiele wurde eine oberschalige Waage gewählt. Zwei Lenker 12 (Biegestellen 14) sind einerseits im Waagengestell Io, anderseits an einem Lastaufnehmer 16 be-

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festigt,unter Bildung einer Parallelführung für letzteren. Am oberen Ende des Lastaufnehmers 16 ist eine Waagschale 18 aufgesetzt, an seinem unteren Ende ist ein korbförmiger Spulenträger 20 fest angebracht, auf dessen unteres Ende die Lastspule 22 aufgewickelt ist.

Auf einem ortsfesten Lager 24 ruht schwenkbar ein Hebel 26. An seinem einen Ende ist ein ebenfalls korb- oder topfförmiger Spulenträger 28 fixiert, der die Referenzspule 30 trägt, während das andere Ende ein Justiergewicht 32 aufweist. Der Hebel 26 ragt dabei durch eine Oeffnung 34 in den Hohlraum des Spulenträgers 20, so, dass die beiden Spulen (22 und 3G) konzentrisch zueinander positioniert sind.

Das rotationssymmetrische Permanentmagnetsystem 36 ist mit dem Waagengestell 10 fest verbunden. Es umfasst einen Dauermagnetkern 38 und eine Weicheisenschale, bestehend aus Grundplatte 40, Mantel 42, äusserem Polschuh 44 und innerem Pol schuh 46. Zwischen den Polschuhen 44 und 46 ist ein Weicheisenring 48 angeordnet, der über einen Messingring 50 fest mit der Grundplatte 40 verbunden ist. In die entstandenen Teil-Luftspalte 52 (aussen) und /[Ihnen) tauchen die Spulen des Lastteiles (22) bzw. des Referenzteiles (30).

Ein mit 56 bezeichneter, nur angedeuteter Positionsgeber tastet die Lage des Lastaufnehmers 16 (z.B. fotoelektrisch) ab und gibt ein Lagesignal an die elektrische Steuerung 60 ab. Ein weiterer Positionsgeber 58 tut das gleiche bezüglich des Referenztelies (Leitung 62). Der nur symbolisch als Steuerung 60 dargestellte elektrische Teil der Waage speist die beiden Spulen mit den jeweils erforderlichen Strömen (Leitungen 64 bzw. 66) und ermittelt das Gewicht (Anzeige 68). Die Ausbildung des. elektrischen Teils ist konventionell und für die vorliegende Erfindung nicht relevant. Es kann hierfür auf die

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oben bereits genannte deutsche Offenlegungsschrift 22 33 850 verwiesen werden, ferner auf die gleichfalls schon zitierte deutsche Offenlegungsschrift 22 01 106.

Beispiel II (Figuren 2 und 3)

Dieses Ausführungsbeispiel entspricht dem Beispiel I, mit Ausnahme lediglich des Permanentmagnetsystems 36-: Hier besteht nicht nur die ganze Schale (Grundplatte 40·, Mantel 42- sowxe die Polschuhe 44· und 46■), sondern auch der Kern 38· aus Weicheisen. Der die beiden Teil-Luftspalte 52 und 54 trennende Zwischenring 48■ besteht hier aus zwei konzentrischen Wexcheisenringen 70, 71, die sich wiederum über einen Messingnng SO· auf der Grundplatte 40- abstützen. Zwischen die Weicheisenringe 70 71 sind Permanentmagnet-Elemente 72 eingeklebt, welche das Permanentmagnetfeld in den Teil-Luftspalten 52 und 54 erzeugen

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1.) Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation, umfassend

- einen Lastteil mit einer Lastspule,

- einen Referenzteil mit einer Referenzspule,

- ein Permanentmagnetsystem, in dessen Luftspalt die Last- und die Referenzspule nebeneinander und unabhängig voneinander beweglich angeordnet sind,

- je eine Positionsgeber- und eine Regelschaltung für den Last- und den Referenzteil, sowie

- eine Auswerte- und Anzeigeschaltung für das Gewicht des auf den Lastteil einwirkenden Wägegutes,

dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt durch ein Zwischenelement (48; 48') in zwei Teil-Luftspalte (52, 54) unterteilt ist, deren einer die Lastspule (22) und deren anderer die Referenzspule (30) aufnimmt.

2. Waage nach Anspruch 1, bei welcher das Permanentmagnetsystem rotationssymmetrisch aufgebaut ist und die beiden Spulen konzentrisch zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement ein Zwischenring (48; 48') ist, so dass die beiden Teil-Luftspalte (52, 54) konzentrisch zueinander sind.

3. Waage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (38) im Zentrum des Permanentmagnetsystems (36) angeordnet ist und dass der Zwischenring (48) aus magnetisch permeablem Material besteht und über wenigstens eine unmagnetische Stütze (50) mit dem Permanentmagnetsystem verbunden ist.

4. Waage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (72) den Zwischenring (48') bildet, welcher über wenigstens eine unmagnetische Stütze (50·) mit dem Permanentmagnetsystem (36') verbunden ist.

···'*··* *··* ^: *··* ··· Int. Cl. : G 01 G 7/02

^S Anmeldetag:03.04.81

-/5- VerSffentlichungstag: 25.02.82

5. Waage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenring (48') aus einzelnen Permanentmagnet-Elementen (72) zusammengesetzt ist.

6. Waage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenring (48¹) auf seiner Innen- und/oder Aussenseite über einen Mantel (70) aus magnetisch permeablem Material verfügt.

Diese Seite 2 mit den Ansprüchen 5 und 6 ersetzt die gleiche Seite dieser Offenlegungsschrift mit derselben Nummer, · . ··