DE3409998C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Waage nach dem Prinzip
der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einer Waag
schale, mit einem Waagschalenträger, der in senkrechter
Richtung beweglich - beispielsweise durch zwei Lenker einer
Parallelführung - mit einem gehäusefesten Stützteil ver
bunden ist, mit einem Anschlag, der die Bewegung des Waag
schalenträgers in senkrechter Stellung begrenzt, mit einem
Permanentmagneten, mit einer stromdurchflossenen Spule, die
sich im Luftspalt des Permanentmagneten befindet und zur
Erzeugung einer gewichtsproportionalen Gegenkraft dient,
mit einem Regelkreis, der den Strom durch die Spule regelt,
und mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit.
Waagen dieser Art sind allgemein bekannt und beispielsweise in der DE-OS 26 37 539
beschrieben. Dabei handelt es sich
um eine Ausführungsform, bei der der Regelkreis einen
lastabhängigen Gleichstrom durch die Spule fließen läßt,
wie dies beispielsweise auch in dem DE-GM 82 30 865.9 beschrieben
ist. Es gibt aber auch Ausführungsformen, bei denen der Regelkreis
hochfrequente Stromimpulse mit lastabhängiger Breite oder
mit lastabhängiger Folgefrequenz durch die Spule schickt,
wie es beispielsweise in der DE-PS 11 94 167 beschrieben
ist.
Nachteilig an diesen bekannten Ausführungsformen ist, daß
der Stromfluß durch die Spule zu einer Erwärmung des Meß
systems führt, was sich besonders bei höherern Lasten stark
bemerkbar macht. Diese Erwärmung begrenzt bei vorgegebener
Größe des Permanentmagneten die elektromagnetisch erzeug
bare Gegenkraft.
Weiter ist es aus der DE-OS 20 38 214 bekannt, durch kurzes
Schwächen des Kompensationsstromes eine hängende Waagschale
auf eine Schalenbremse abzusetzen, um ein Pendeln der Waag
schale zu beenden. Diese zur Schwingungsdämpfung einge
führte Maßnahme ergibt keine nennenswerte Reduzierung der
elektrischen Verlustleistung; außerdem wird während des
Schalenbremsvorganges ein falsches Gewicht angezeigt.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, die elektrische Verlust
leistung des kraftkompensierenden Systems bei gleicher
Tragkraft herabzusetzen bzw. die Tragkraft bei gleicher
elektrischer Verlustleistung zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, daß bei einer
Waage der oben angegebenen Gattung ein Schalter vorhanden ist,
der den Stromfluß durch die Spule unterbrechen kann,
so daß sich bei unterbrochenem Stromfluß die be
weglichen Teile der Waage sowohl im belasteten wie auch unbelasteten
Zustand gegen den Anschlag legen, daß der
Anschlag sich über ein kraftempfindliches Element abstützt,
daß der Schalter von der digitalen Signalverarbeitungs
einheit gesteuert wird und daß im Rahmen der digitalen
Signalverarbeitungseinheit ein Speicher vorhanden ist,
der während der Dauer der Unterbrechung des Stromflusses
durch die Spule den zuletzt ermittelten Gewichtswert
speichert.
Gegenüber den üblichen Waagen, bei denen der Regelkreis der
elektromagnetischen Kraftkompensation dauernd für Kraft
gleichgewicht sorgt - in der Ausführungsform mit Strom
impulsen durch die Spule in der zeitlichen Mittelwert
bildung durch die träge Masse der beweglichen Teile der
Waage - wird gemäß der Erfindung die elektromagnetische
Kraftkompensation nur kurzzeitig - beispielsweise für eine
Sekunde - betrieben und dann für einige Zeit außer Be
trieb gesetzt. Dabei ist die Zeitdauer der Unterbrechung
wesentlich länger als die Reaktionszeit der Waage, so daß
sich die beweglichen Teile entsprechend ihrer Massenver
teilung auf den Anschlag legen. Durch die Abstützung des
Anschlages über ein kraftempfindliches Element können
größere Laständerungen in der Ruhephase - also bei unter
brochener elektromagnetischer Kraftkompensation - erkannt
werden und das Einschalten des Regelkreises veranlassen.
Dazu ist es vorteilhaft, daß die digitale Signalverarbei
tungseinheit während der Ruhephase das kraftempfindliche
Element überwacht.
Das kraftempfindliche Element kann vorteilhafterweise ein
Piezoelement sein. Diese Elemente haben den Vorteil, daß
das Signal von konstanten Vorlasten leicht durch Kurz
schließen des Elementes zu Null gemacht werden kann und
dann nur Laständerungen zu einem Ausgangssignal führen.
Stellt das kraftempfindliche Element am Anschlag keine
Änderung der Kraftwirkung fest, so wird in einer vorteil
haften Ausgestaltung die Dauer der Stromunterbrechung von
der digitalen Signalverarbeitungseinheit lastabhängig ge
steuert: Bei geringer Last auf der Waagschale wird die
Dauer der Stromunterbrechung kurz gewählt und bei größerer
Last verlängert. Dadurch wird die Lastabhängigkeit der
elektrischen Verlustleistung wesentlich vermindert.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird die Dauer
der Stromunterbrechung in Abhängigkeit vom Ausgangssignal
eines Temperaturfühlers an der Spule oder am Permanent
magneten gesteuert: Bei geringer Übertemperatur am Ort des
Temperaturfühlers wird die Dauer der Stromunterbrechung
kurz gewählt, während sie bei größerer Übertemperatur all
mählich verlängert wird. Dadurch wird eine Temperaturstabi
lisation des Meßsystems erreicht. Bei seltener Benutzung
der Waage oder bei kleinen Lasten wird außerdem ein fast
kontinuierlicher Betrieb erreicht und erst bei höheren
Lasten und längerer Verweilzeit auf der Waagschale wird
durch die sich einstellende höhere Übertemperatur die Dauer
der Stromunterbrechung verlängert.
Weiter kann die digitale Signalverarbeitungseinheit vor
teilhafterweise die Zeitdauer, während der der Regelkreis
betrieben wird, nach einem Stillstandskriterium festlegen.
Durch Vergleich von aufeinanderfolgenden Meßergebnissen vom
Meßsystem, die beispielsweise alle 20 oder 100 ms in die
digitale Signalverarbeitungseinheit übernommen werden,
stellt die digitale Signalverarbeitungseinheit den Still
stand der Waage fest und unterbricht dann den Regelkreis.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen
Figuren beschrieben. Dabei zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch das Meßsystem einer elek
trischen Waage nach dem Prinzip der elektro
magnetischen Kraftkompensation und
Fig. 2 den Anschlag aus dem Meßsystem von Fig. 1 in
vergrößerter Darstellung.
Die elektrische Waage in Fig. 1 besteht aus einem gehäuse
festen Stützteil 1, an dem über zwei Lenker 4 und 5 mit den
Gelenkstellen 6 ein Waagschalenträger 2 in senkrechter
Richtung beweglich befestigt ist. Der Waagschalenträger 2
trägt in seinem oberen Teil die Lastschale 3 zur Aufnahme
des Wägegutes und überträgt die der Masse des Wägegutes
entsprechende Kraft über ein Koppelelement 9 mit den Dünn
stellen 12 und 13 auf den kürzeren Hebelarm des Überset
zungshebels 7. Der Übersetzungshebel 7 ist durch ein Kreuz
federgelenk 8 am Stützteil 1 gelagert. Am längeren Hebel
arm des Übersetzungshebels 7 greift die Kompensationskraft
an, die durch eine stromdurchflossene Spule 11 im Luftspalt
eines Permanentmagneten 10 erzeugt wird. Die Größe des Kom
pensationsstromes wird bei geschlossenem Schalter 21 in
bekannter Weise durch den Lagensensor 16 und den Regelver
stärker 14 so geregelt, daß Gleichgewicht zwischen dem Ge
wicht des Wägegutes und der elektromagnetischen Kompen
sationskraft herrscht. Der Kompensationsstrom erzeugt am
Meßwiderstand 15 eine Meßspannung, die dem hochohmigen
Eingang eines Analog/Digital-Wandlers 17 zugeführt wird.
Das digitalisierte Ergebnis wird von einer digitalen
Signalverarbeitungseinheit 18 übernommen und in der An
zeigeeinheit 19 angezeigt. Weiter sind Anschläge 24 und 25
zu erkennen, die mittels der Quertraverse 23 am gehäuse
festen Stützteil 1 befestigt sind und den Weg des Über
setzungshebels 7 und damit auch den Weg des Waagschalen
trägers 2 nach oben und unten begrenzen.
Der Mikroprozessor 18′ der digitalen Signalverarbeitungs
einheit 18 steuert nun über eine Leitung 22 den Schal
ter 21. Dabei wird vor dem Öffnen des Schalters 21 zunächst
der gerade angezeigte letzte Meßwert in einen Speicher 20
übernommen, so daß dieser Wert während der Zeit, in der der
Schalter 21 geöffnet ist, unverändert in der Anzeige 19
angezeigt werden kann. Beim Öffnen des Schalters 21 wird der
Strom durch die Spule 11 unterbrochen und die Spule erzeugt
keine Kompensationskraft mehr. Die Massenverhältnisse der
beweglichen Teile 2 bis 9 und das Übersetzungsverhältnis
des Übersetzungshebels 7 sind nun so gewählt, daß sich dann
der Übersetzungshebel 7 bereits ohne Last auf der Waag
schale 3 an den oberen Anschlag 25 anlegt. Mit Last auf der
Waagschale 3 legt er sich dann erst recht an diesen An
schlag 25 an.
Ein bevorzugter Aufbau des Anschlages 25 ist in Fig. 2 ver
größert dargestellt. Wie bereits erläutert, legt sich der
Übersetzungshebel 7 bei unterbrochenem Stromfluß durch die
Spule 11 gegen den oberen Anschlag 25. Dieser Anschlag 25
stützt sich gemäß Fig. 2 über eine Scheibe 26 aus einem
piezoelektrischen Material am oberen gehäusefesten Teil 28
ab. Die piezoelektrische Scheibe 26 ist auf der Oberseite
und auf der Unterseite mit je einer Metallelektrode 29 und
30 versehen, wobei die eine Metallelektrode 30 leitend mit
dem Gehäuse 1 verbunden ist, während die andere Metallelek
trode 27 durch eine Isolierschicht 33 isoliert ist und
mittels der Leitung 27 mit dem Mikroprozessor 18′ der digi
talen Verarbeitungseinheit 18 verbunden ist. Die piezo
elektrische Scheibe 26 erzeugt in bekannter Weise bei Be
lastung eine Ladung auf ihren Elektroden. Zusammen mit dem
Öffnen des Schalters 21 erdet nun der Mikroprozessor 18′
die Leitung 27, so daß die Ladungsmenge, die beim Abstützen
des Übersetzungshebels 7 am Anschlag 25 entsteht, kurzge
schlossen wird. Nach dem Abklingen des Prellvorganges des
Übersetzungshebels 7 am Anschlag 25 hebt der Mikroprozes
sor 18′ diesen Kurzschluß auf und überwacht statt dessen die
Leitung 27 auf ein Spannungssignal. Ein Spannungssignal
tritt nämlich nur dann auf, wenn durch Vergrößern oder
Verkleinern der Last zusätzliche Ladungen durch die piezo
elektrische Scheibe 26 auf den Elektroden 29 und 30 er
zeugt werden. In diesem Fall wird sofort der Schalter 21
geschlossen und dadurch der Regelkreis wieder in Funktion
gesetzt. Die beweglichen Teile 2 bis 9 der Waage schwingen
wieder in ihre durch den Lagensensor 16 vorgegebenen Ein
schwinglage ein und der Analog/Digital-Wandler 17 liefert
laufend Meßwerte an die digitale Signalverarbeitungsein
heit 18. Diese prüft nun aufeinanderfolgende Meßwerte auf
Gleichheit und sobald dies der Fall ist (Stillstand der
Waage), wird dieser Meßwert an die Anzeige 19 weiter
gegeben und wird statt des bisher angezeigten Wertes aus
dem Speicher 20 angezeigt. Selbstverständlich reagiert die
piezoelektrische Scheibe 26 nicht so empfindlich wie die
Waage selbst, so daß über den kraftempfindlichen Anschlag
eigentlich nur große Laständerungen erkannt werden sollten.
Die Erfahrung hat aber gezeigt, daß durch den Stoß beim
Auflegen normalerweise auch kleinere Laständerungen erkannt
werden.
Die Zeitdauer, während der der Schalter 21 geschlossen
bleibt, ist im Mikroprozessor 18′ entweder fest vorge
geben - beispielsweise mit einer Sekunde - wobei diese fest
vorgegebene Zeitdauer natürlich ausreichen muß, um den
Stillstand der Waage zu erreichen. Vorteilhafterweise
übernimmt der Mikroprozessor 18′ jedoch sofort nach Still
stand der Waage den Meßwert auch in den Speicher 20 und
öffnet den Schalter 21 wieder. In dieser Ausführungsart
erreicht man die kürzeste mögliche Einschaltdauer für den
Kompensationsstrom durch die Spule 11 und damit die ge
ringste mittlere Verlustleistung.
Die Zeitdauer, während der der Schalter 21 jeweils ge
öffnet bleibt, falls das kraftempfindliche Element 26 am
Anschlag keine Kraftänderung feststellt, kann durch das
Programm im Mikroprozessor 18′ fest vorgegeben sein. Be
vorzugt werden jedoch zwei Ausführungsformen, bei denen
entweder die Öffnungszeit des Schalters 21 vom Mikro
prozessor 18′ lastabhängig so gesteuert wird, daß der
Schalter 21 bei kleinen Lasten schon nach kürzerer Zeit
wieder geschlossen wird, während er bei großen Lasten
länger offenbleibt; oder der Mikroprozessor 18′ steuert die
Öffnungszeit des Schalters 21 in Abhängigkeit vom Ausgangs
signal eines Temperaturfühlers 31: Bei geringer Übertempe
ratur wird der Schalter 21 schon nach kürzerer Zeit wieder
geschlossen, während er bei großer Übertemperatur länger
offenbleibt. Dazu ist in Fig. 1 ein Temperaturfühler 31 gut
wärmeleitend am Permanentmagneten 10 befestigt, der die
Temperatur des Permanentmagneten 10 dem Mikroprozessor 18′
über die Leitung 32 meldet.
Beide bevorzugte Ausführungsformen führen neben der Ver
ringerung der mittleren Verlustleistung dazu, daß die
Änderung der Verlustleistung in Abhängigkeit von der Last
auf der Waagschale 3 ohne zusätzliche Maßnahmen geringer
ist als die Waagen nach dem Stand der Technik. In beiden
bevorzugten Ausführungsformen ist es auch möglich, daß der
Mikroprozessor 18′ der digitalen Signalverarbeitungsein
heit 18 bis zu einer bestimmten Last bzw. bis zu einer
bestimmten Übertemperatur am Temperaturfühler 31 den
Schalter dauernd geschlossen läßt und erst bei Über
schreiten der Grenzen die intermittierende Betriebsweise
einsetzt.
In einer weiterführenden Ausgestaltung berücksichtigt der
Mikroprozessor 18′ bei der Festlegung der Öffnungszeit des
Schalters 21 außerdem, ob die in aufeinanderfolgenden
Öffnungszeiten des Schalters 21 im Speicher 20
abgespeicherten Werte gleich waren bzw. sich nur gering
fügig unterschieden oder ob sie sich stark unterschieden;
im ersten Fall wird die nächste Öffnungszeit des Schal
ters 21 etwas länger gewählt, im zweiten Fall etwas kürzer.
Selbstverständlich können auch andere Bauelemente oder
Anordnungen als in Fig. 1 gewählt werden. Beispielsweise
kann der Schalter 21 statt durch ein mechanisches Relais
durch einen FET-Schalter oder einen Schalttransistor rea
lisiert sein. Ebenfalls kann der Schalter 21 an anderer
Stelle innerhalb des Regelkreises angeordnet sein, bei
spielsweise innerhalb des Regelverstärkers 14 oder bei der
Stromzuführung zum Regelverstärker 14. Hauptsache ist, daß
dadurch der Strom durch die Spule 11 unterbrochen werden
kann. Ebenso kann der Temperaturfühler 31 an einer anderen
Stelle des Permanentmagneten 10 oder auch an der Spule 11
befestigt sein, ohne daß seine Funktionsweise sich dadurch
ändert.
Die Erfindung wurde im vorstehenden am Beispiel einer Waage
mit Parallelführung und Übersetzungshebel beschrieben.
Selbstverständlich ist sie auch für Waagen ohne Überset
zungshebel, bei denen die Kompensationskraft direkt am
Waagschalenträger 2 angreift, einsetzbar; der Anschlag zur
Wegbegrenzung muß in diesem Fall direkt mit dem Waagscha
lenträger 2 zusammenwirken. Selbstverständlich kann auch
bei der gezeichneten Waage mit Übersetzungshebel 7 der
Anschlag zur Wegbegrenzung statt mit dem Übersetzungs
hebel 7 mit dem Waagschalenträger 2 zusammenwirken. Weiter
kann die Erfindung selbstverständlich auch für eine
Brückenwaage eingesetzt werden.
Der Speicher 20 ist in Fig. 1 der Deutlichkeit halber als
getrennte Baueinheit gezeichnet; selbstverständlich kann
dieser Speicher auch durch einen Teil des RAM des Mikro
prozessors 18′ gebildet werden.
Claims (7)
1. Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraft
kompensation mit einer Waagschale, mit einem Waag
schalenträger, der in senkrechter Richtung beweglich -
beispielsweise durch zwei Lenker einer Parallelfüh
führung - mit einem gehäusefesten Stützteil verbunden ist,
mit einem Anschlag, der die Bewegung des Waagschalen
trägers in senkrechter Richtung begrenzt, mit einem
Permanentmagneten, mit einer stromdurchflossenen Spule,
die sich im Luftspalt des Permanentmagneten befindet
und zur Erzeugung einer gewichtsproportionalen Gegen
kraft dient, mit einem Regelkreis, der den Strom durch
die Spule regelt, und mit einer digitalen Signalverar
beitungseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter
(21) vorhanden ist, der den Stromfluß durch die
Spule (11) unterbrechen kann, so daß sich bei unter
brochenem Stromfluß die beweglichen Teile (2 bis 9)
der Waage sowohl im belasteten wie auch unbelasteten
Zustand gegen den Anschlag (25) legen, daß der An
schlag (25) sich über ein kraftempfindliches Element
(26) abstützt, daß der Schalter (21) von der digi
talen Signalverarbeitungseinheit (18) gesteuert wird
und daß im Rahmen der digitalen Signalverarbeitungs
einheit (18) ein Speicher (20) vorhanden ist, der
während der Dauer der Unterbrechung des Stromflusses
durch die Spule (11) den zuletzt ermittelten Gewichts
wert speichert.
2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
digitale Signalverarbeitungseinheit (18) während der
Zeit, in der der Schalter (21) geöffnet ist und damit
der Stromfluß durch die Spule (11) unterbrochen ist,
das kraftempfindliche Element (26) auf eine Änderung der
Kraftwirkung überwacht und den Schalter (21) wieder
schließt, sobald das kraftempfindliche Element (26) eine
Änderung der Kraftwirkung signalisiert.
3. Waage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß sich der Anschlag (25) über ein Piezoele
ment (26) abstützt.
4. Waage nch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Dauer der Stromunterbrechung von der
digitalen Signalverarbeitungseinheit (18) lastabhängig
so gesteuert wird, daß bei größerer Last auch die Dauer
der Stromunterbrechung größer gewählt wird.
5. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Temperaturfühler (31) in thermischem
Kontakt zur Spule (11) oder zum Permanentmagneten (10)
vorhanden ist, und daß die Dauer der Stromunterbrechung
von der digitalen Signalverarbeitungseinheit (18) in
Abhängigkeit vom Ausgangssignal dieses Temperatur
fühlers (31) so gesteuert wird, daß bei höherer Tempe
ratur des Temperaturfühlers (31) die Dauer der Strom
unterbrechung größer gewählt wird.
6. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zeitdauer des Stromflusses etwa
1 Sekunde beträgt.
7. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die digitale Signalverarbeitungseinheit
(18), den Stromfluß durch die Spule (11) unterbricht,
sobald sie anhand der Meßergebnisse den Stillstand der
Waage festgestellt hat.
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