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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Waage insbesondere
Mikrowaage, mit einem an einem Spannband gelagerten Balken, an dessen beiden Armen
je eine Waagschale zur Aufnahme des Wägegutes bzw. der GegengewicKte beweglich angebracht
ist, mit einem Kompensationssystem, das das bei Ubergewicht des Wägegutes oder der
Gegengewichte auftretende Drehmoment am Balken zu kompens eren gestattet, und mit
zwei Lagensensoren, die an den beiden Armen des Balkens dessen Lageänderung erfassen.
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elektrische Waagen dieser Art sind allgemeir bekannt und beispielsweise
in der US-PS 3,305,035 beschrieben.
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Das Kompensationssystem arbeitet dabei im a '-emeinen nach dem Prinzip
der elektromagnetischen Kr-fterzeugung durch eine stromdurchflossene Spule im Feld
eines Permanentmagneten. Der zweiarmige, vorzugsweise symmetrische Balken zeichnet
sich durch sehr gute Stabil tat gegenüber Änderungen der Umgebungsbedingungen (Temperatur,
Feuchte, Luftdruck, etc.) aus. Die Spannbandlagerung verursacht nur geringe Rückstellmomente
und erlaubt daher eine hohe Auflösung.
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Irachteilig an dieser Bauart ist nur, daß je ach Größe des Wägegutes
und der entsprechenden Größe er Geg engewichte die Spannbandlagerung des Balkens
verschieden große senkrechte Kräfte aufnehmen muß, so daß das waagerechte Spannband
belastungsabhängig mehr oder weniger durchhängt. Dadurch verändert sich die Lage
der itompen-
sationsspule gegenüber dem Permanentmagnetsystem, was
zu einer Empfindlichkeitsänderung der Waage führt, falls das Perinanentmagnetsystem
nicht über einen größeren Bereich sehr konstanter Feldstärke verfügt.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine elektrische Waage der eingangs
genannten Art so weiterzuentwickeln, daß die Nachgiebigkeit der Spannbandlagerung
zu keinerlei rrpfindlichkeitsveränderungen der Waage führt, ohne daß besondere Ansprüche
an die Homogenität des magnetischen Feldes des elektromagnetischen Kompensationssystemes
gestellt werden müssen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß Schaltmittel vorhanden
sind, die die Differenz und den littelwert der Ausgangssignale der beiden Lagensensoren
bilden uns das eine dieser so erhaltenen Signale dem Eingang des 2egelverstärkers
für das Kompensationssystem zuführen und das andere dieser so erhaltenen Signale
einer Korrektureinheit für die Empfindlichkeit der Waage zuführen.
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Neben der Differenz der Ausgangssignale der beiAen Lagensensoren,
die - gleichartige Orientierung der beiden Lagensensoren vorausgesetzt - als Maß
für die l-.inkellage des Balken in bekannter Weise den Regelverstärker des Koripensationssystems
steuert, wird auch der Mittelwert (also die halbe Summe) der Ausgangssignale der
beiden Lagensensoren gebildet und dies Signal als Maß für den Durchhang des Spannbandes
zur elektrischen Korrektur der durch eben diesen Durchhang des Spannbandes verursachten
Ei:ipfindlichkeitsfehler der Waage benutzt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel einer Mikrowaage mit einen
elektromagnetischen Kompensationssystem und mit. induktiven Lagensensoren beschrieben.
Dabei zeigen die schematischen Figuren: Fig. 1 die für die Erfindung wesentlichen
Teile einer elektrischen Mikrowaage in Draufsicht, Fig. 2 eine Seitenansicht zu
Fig. 1, Fig. 3 ein Schaltbild der wesentlichen Teile der EleR-tronik der Mikrowaage
aus Fig. 1 und 2 und Fig. 4 in einer anderen Auswestaltung die für die Erfindung
wesentlichen Teile einer elektrischen Mikrowaage in DrauSs cht.
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Die elektrische Mikrowaage so Fig. 1 besteht aus einem Balken 1, der
durch ein waagerechtes Spannband 2 drehbar gelagert ist. An den nicht gezeichneten
Enden des Balkens 1 sind in bekannter eise die beiden Waagschalen zur Aufnahme des
Wägegutes L'nd der Gegengewichte angebracht. Weiter ist am Balken 1 eine etwa rechteckige
Kompensationsspule 3 befestigt, die sich mit zwei Schenkeln im Feld eines ortsfesten
Permanentmagnetsystems 4 befindet. Weiter sind zwei Lagensensoren in Form von zwei
senkrecht stehenden, ortsfesten Spulen 5 und 6 zu erkennen.
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In der Seitenansicht in Fig. 2 erkennt man die Lage dieser beiden
Sensorspulen 5 und 6 relativ zur Kompensationsspule 3 genauer. In Fig. 2 sind dabei
der Ubersichtlichkeit halber die Befestigungen 65 und 66 der beiden Sensorspulen
5 und 6 an der Grundplatte 7 nur angedeutet und die Befestigungselemente für das
Spannband 2 ganz weggelassen.
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Das Permanentmagnetsystem 4 besteht aus einem aktiven Permanentmagneten
41, der in der Richtung links - rechts (in Fig. 1 und 2) magnetisiert ist, und einem
Eisenrückschluß 42; der Stützkörper 43 ist unmagnetisch und dient nur der Halterung
des aktiven Permanentmagneten 41. Ein Strom in der Kompensationsspule 3 erzeugt
also in dieser ein Drehmoment und versucht, die Spule 3 und den Balken 1 um die
durch das Spannband 2 gegebene Drehachse zu drehen.
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Das elektrische Schaltbild der Mikrowaage ist in Fig. 3 wiedergegeben.
Eine Wechselspannungsquelle 13 mit einer Frequenz in der Größenordnvng von 100 kHz
speist über einen Übertrager 12 eine konstante Wechsel spannung in die Kompensationsspule
3 ein. (Der DIeßwiderstand 14 ist für die Wechselspannung durch den Kondensator
15 kurzgeschlossen, der Ausgang des Fegelverstärkers 11 durch den Kondensator 16.)
Dadurch wird in den beiden Sensorspulen 5 und 6 eine von der Lage des Balkens 1
und der Kompensationsspule 3 abhängige Wechselspannung induziert. Diese beiden Wechselspannungen
Werden durch die beiden gleichen, aber entgegengesetzt gepolten Dioden 20 und die
beiden gleichen Kondensatoren 21 in zwei Gleichspannungen UX und U2 mit entgegengesetztem
Vorzeichen umgeformt. Die beiden
ebenfalls gleichen Widerstände
22 liefern dann an ihrem Verbindungspunkt 23 die Differenz der beiden Gleichspannungen
U# - U2 an den Eingang des Regelverstärkers 11.
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Der Regelverstärker 11 liefert dann an seinem Ausgang einen ompensationsgleichstrom,
der in der Kompensationsspule 3 ein rücktreibendes Drehmoment erzeugt und so die
Kompensationsspule 3 und den Balken 1 wieder in die Soll-Lage, die durch die Bedingung
U1 - U2 = 0 gegeben ist, zurückzudrehen versucht. Die Größe dieses Kompensationsgleichstromes
ist ein blaß für den Lastunterschied auf den beiden Seiten des Balkens 1 und wird
an dem Meßwiderstand 14 als analoge Spannung abgegriffen. Die Funktionsweise solch
einer kompensierenden Waage ist allgemein bekannt und wurde daher hier nur ganz
kurz erläutert.
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Der Schaltungsteil 8 in Fig. 3 weist nun neben dem Differenzausgang
23 einen weiteren Ausgang 24 für den Mittelwert der Ausgangssignale der beiden Sensorspulen
5 und 6 auf. Bei der Bildung dieses Mittelwertes macht die Sc:a tung nach Fig. 3
davon Gebrauch, daß der Regelverstärker 11 integrales Verhalten aufweisen soll (beispielsweise
ein PID-Regler) und somit seinen Ausgangsgleichstrom solange verändert, bis das
Eingangssignal des Regelverstärkers, also U1 - U2, zu tJull wird. Gemäß der Gleichung
(U1 + U2)/2 = U2 + (U1 - U2)/2 ist aber für U1 - U2 = 0 der D-littelwert (U1 + U2)/2
gleich U2. Im eingeschwungenen Zustand der Waage ist also die am Ausgang 24 abgegriffene
Spannung U2 gleich den Mittelwert der beiden Sensorspulen 5 und 6 und gibt damit
den Durchhang des Spannbandes 2 wieder.
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Dieses Signal wird einer Korrektureinheit 9 fur die Empfindlichkeit
der Waage zugeführt. Daß bei nicht eingeschwungener Waage der Korrektureinheit 9
ein falsches Signal zugeführt wird, stört nicht, da bei nIcht eingeschwungener Waage
der Meßwert sich zeitlich schnell ändert und eine genaue Massenbestimmung sowieso
nicht möglich ist.
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Da die Ortsabhängigkeit der magnetischen Feldstärke eines Permanentmagnetsystems
4 meist durch ein Max5^.um mit einem etwa quadratischen Abfall nach oben und unten
hin charakterisiert ist, und da man die Soll-Einschwinglage der Kompensationsspule
3 üblicherweise in dieses Maximum legt, ist die Größe der von der Korrektureinheit
9 durchzuführenden Empfindlichkeitskorrektur etwa proportional zum Quadrat des Spannbanddurchhanges.
Bei linearer Kennlinie der Lagensensoren 5 und 6 muß die Korre--ureinheit 9 also
eine etwa quadratische kennlinie aufweisen. Dazu ist in mig. 3 ein spannungsgesteuerter
Oszillator 36 vorgesehen, dessen Frequenz proportional zum Eingangssignal ist. Der
spannungsgesteuerte Oszillator 30 stößt einen t~ono-Flop 31 an, der jeweils für
eine konstante Zeit den rechanischen oder elektrischen Schalter 32 schließt. Da
der dem Integrator 34 über den Widerstand 33 zufließende Strom proportional zun
Eingangssignal auf der Leitung 24 ist, und da die Zeitdauer des Stromflusses ebenfalls
proportional zu diesem Eingangssignal ist, ändert sich die dem Integrator 34 zugeführte
Ladung quadratisch mit de Eingangssignal auf der Leitung 24. Die hinter dem RC-
d 35 anstehende, genittelte Spannung ändert sich damit ebenfalls quadratisch mit
der Eingangsspannung.
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Die Empfindlichkeitsbeeinflussung durch die orrektureinheit 9 wird
in Fig. 3 durch eine Beeinflussurg des Referenzstromes im Analog/Digital-UJandler
10 realisiert.
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Der Analog/Digital-Wandler arbeitet in diesem Beispiel nach dem Mehrfachrampen-Prinzip,
wie es in der DE-PS 21 14 141 im einzelnen beschrieben ist. Dabei wird die Meßspannung
über einen Widerstand 50 als Meßstrom einem Integrator 51 zugeführt. Zu bestimmten
Zeiten schaltet die Steuereinheit 55 über einen Schalter 54 die .eferenzspannungsquelle
52 mit entgegengesetzter Polarität dazu, so daß über den Widerstand 53 ein Referenzstrom
zum Integrator 51 fließt. Der Referenzstron ist dabei größer als der tIeßstrom über
den Widerstand 50, so daß sein Einfluß überwiegt und der Integrator 51 abintegriert.
Die Schließ-und Offnungszeit des Schalters 54 wird nun von er Steuereinheit 55 so
geregelt, daß sich Auf- und Abinte--ration im zeitlichen Mittel gegeneinander aufheben.
Die Schließzeit ist dann proportional zum Verhältnis Meßstr-m zu Peferenzstrom und
wird durch das Auszählen von taktimpulsen aus einem Pulsgenerator 56 in einem Zähler
57 digitalisiert und in der Anzeige 58 angezeigt. er normalerweise konstante Referenzstrom
wird nun in Fig. 3 durch einen aus der Korrektureinheit 9 stammenden Strom geringfügig
verändert. Dies geschieht über den Widerstand 36 für den quadratischen Anteil an
der Empfindlichkeitskorrektur und - falls nötig - über den ½ derstand 37 für den
linearen Anteil an der Empfindlichkeitskorrektur. Die Größe der Korrektur kann jeweils
durch die Wahl des Widerstandes an die durch den Spannbandurchhang verursachte Empfindlichkeitsänderung
im Meßsystem angepaßt werden, so daß sie in der Anzeige 58 nicht mehr in Erscheinung
tritt.
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Eine andere Ausgestaltung der elektrischen Mikrowaage zeigt Fig. 4.
In dieser für höhere Lasten bestimmten Ausführung ist der Balken 1' aus zwei Streben
aufgebaut, die an mehreren Stellen miteinander verbunden sind.
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Zwischen den Streben befinden sich zwei Spulen 3' und 3", die elektrisch
in Reihe geschaltet sind. Die Magnete 4' und 4" sind so aufgebaut, daß sich am mittleren
Teil 44' bzw. 44" der eine Magnetpol befindet, während sich der andere Magnetpol
an den beiden äußeren Teilen 45' bzw.
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45" befindet. Dadurch entsteht an einer einzelnen Spule kein Drehmoment
sondern eine Kraft und erst die beiden gleich großen, aber entgegengesetzt gerichteten
Kräfte der beiden Spulen 3' und 3" ergeben das Kompensations-Drehmoment. Die beiden
Lagensensoren sind in dieser Ausführung wieder als zwei senkrecht stehende Spulen
5 und 6 ausgeführt, wobei Jede Sensorspule einer Kompensationsspule zugeordnet ist.
Die elektrische Schaltung ist dann wie in Fig. 3 aufgebaut. Wieder wird das Differenzsignal
der beiden Sensorspulen 5 und 6 dem Regelverstärker zugeführt und das Mittelwert
signal der Korrektureinheit 9 zur Korrer der durch den Spannbanddurchhang und die
Ortsabhär.=-igkeit der magnetischen Feldstärke in den beiden Permanentmagnetsystemen
verursachten Empfindlichkeitsfehler.
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Durch diese Korrekturmöglichkeit können einfach aufgebaute Permanentmagnetsysteme
benutzt werden, ohne daß sich eine lastabhängige fpfindlichkeitsänderung der t;aage
bemerkbar macht, so daß eine hohe Auflösung des Kompensationstereiches möglich ist.