DE3716615C2 - Kapazitiver Positionsdetektor an einer elektromagnetisch kraftkompensierenden Waage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Positionsdetektor an einer elektromagnetisch kraftkompensierenden Waage zur Erfassung ihrer Gleichgewichtslage, mit einem variablen Luftkondensator, dessen Elektroden einen festen gegenseitigen Abstand haben und dessen Kapazität durch ein unter der Einwirkung der Wägelast be­ wegliches Organ veränderbar ist, und einem eine Referenzkapazität darstellenden Kondensator, sowie mit einer elektrischen Auswerte­ einrichtung, die aus dem Vergleich der Kapazitäten der beiden Kondensatoren ein als Maß für die Lageabweichung des beweglichen Organs aus einer Gleichgewichtslage dienendes Fehlersignal zur Steuerung des Kompensationsstroms der Waage bildet.

Aus der US-Patentschrift Nr. 4 034 819 ist ein derartiger kapazi­ tiver Positionsdetektor bekannt, bei dem beide Kondensatoren variabel und durch axial gegeneinander verschiebbare Ringelek­ troden gebildet sind. Diese Ringelektroden sind innerhalb des geschlossenen elektromagnetischen Systems zur Kraftkompensation angeordnet, und zwar zwei Ringelektroden an der Innenwand des feststehenden Magnetsystems-und diesen gegenüber zwei Ringelektro­ den am beweglichen Spulenkörper, der die vom Kompensationsstrom durchflossene Spule trägt und der unter der Einwirkung der Wäge­ last axial bewegt wird. Im übrigen sind die Ringelektroden so angeordnet, daß bei einer Bewegung des Spulenkörpers die Kapazi­ tät des einen Kondensators zu- und die Kapazität des anderen Kon­ densators zugleich abnimmt. Die beiden beweglichen Ringelektroden sind elektrisch miteinander verbunden, so daß die beiden Konden­ satoren dieses Detektorelementes einen Differentialkondensator bilden. Zur Kompensation von fehlerhaften Kapazitätsänderungen, die beispielsweise durch thermische Ausdehnung des Spulenkörpers oder durch ein Verkanten desselben entstehen können, sind zwei derartige Detektorelemente vorgesehen, die mit axialem Abstand beiseits der Spule angeordnet und elektrisch parallel geschaltet sind. Von dem Detektorelementenpaar führen Verbindungsleitungen zu der außerhalb der Wägezelle befindlichen elektrischen Auswerte­ einrichtung.

Der bekannte Positionsdetektor hat den Nachteil, daß er hinsicht­ lich Konstruktion und Fabrikation einen verhältnismäßig hohen Aufwand erfordert. Ungenauigkeiten bei der Fabrikation können zu Abweichungen der einzelnen Kapazitäten von ihren Nennwerten führen, was zur Folge hat, daß die Gleichgewichtslage mehrerer Waagen einer Baureihe in einem vertikalen Streubereich liegt, der die zulässigen Grenzen in bezug auf die Bewegung des Lastaufnehmers der Waage überschreitet. Es sind deshalb Einstellmittel erforder­ lich, die es ermöglichen, den Bewegungsbereich des Lastaufnehmers mit der elektrisch bedingten Gleichgewichtslage zu koordinieren. Nachteilig sind ferner die zwischen den Detektorelementen und der von diesen getrennten Auswerteeinrichtung vorhandenen elektrischen Verbindungsleitungen, welche Streukapazitäten mit von Waage zu Waage unterschiedlichem Einfluß auf die Gleichgewichtslage bilden können. Außerdem können durch den Antenneneffekt hochfrequente Störungssignale in die elektrische Auswerteeinrichtung gelangen, wenn diese Verbindungsleitungen nicht genügend abgeschirmt sind.

Bei einem anderen bekannten kapazitiven Positionsdetek­ tor (US-PS 4 243 114), der ebenfalls als Differentialkonden­ sator aufgebaut ist, sind beidseits einer unter der Einwir­ kung der Wägelast beweglichen, ebenen Flächenelektrode in parallel zur Bewegungsrichtung der beweglichen Flächenelek­ trode verlaufenden Ebenen jeweils zwei ortsfeste ebene Flä­ chenelektroden derart angeordnet, daß sie einander paarweise beidseits der beweglichen Flächenelektrode gegenüberstehen. Die beiden Flächenelektroden jedes dieser Paare sind jeweils elektrisch zusammengeschaltet und bilden dadurch jeweils die eine Elektroden je eines variablen Kondensators, dessen andere Elektrode durch die bewegliche Flächenelektrode gebildet ist. Auch hier bestehen die Schwierigkeiten, daß einerseits die bewegliche Flächenelektrode mit einer Verbindungsleitung zu versehen ist und daß andererseits die Kapazitätswerte der beiden variablen Kondensatoren gegen Lageänderungen der be­ weglichen Flächenelektrode quer zur Bewegungsrichtung emp­ findlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazi­ tiven Positionsdetektor der eingangs genannten Art zu schaf­ fen, der bei präziser Arbeitsweise geringere Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit seiner Kondensatoren stellt.

Der Positionsdetektor nach der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß der variable Luftkondensator zwei ortsfest ange­ ordnete planparallele Flächenelektroden aufweist, welche in parallel zur Bewegungsrichtung des beweglichen Organs verlaufenden Ebenen liegen, daß ferner das bewegliche Organ eine aus Metall bestehende Blende ist, welche in den Zwischenraum der Flächen­ elektroden ragt und die Flächenelektroden teilweise gegeneinander abschirmt, und daß der die Referenzkapazität darstellende Konden­ sator ein Festkondensator ist.

Der erfindungsgemäße Positionsdetektor besitzt einen Kondensator mit variabler und einen Kondensator mit fester Kapazität, im Gegensatz zum Differentialkondensator mit zwei gegensinnig ver­ änderlichen Kapazitäten. Die durch diese Vereinfachung in kauf genommene Empfindlichkeitseinbuße läßt sich jedoch durch eine entsprechende Signalverstärkung problemlos ausgleichen. Der damit verbundene Vorteil besteht hingegen darin, daß die Variation der Kapazität in einfacher Weise durch eine zwischen die Kondensator­ elektroden eintauchende Blende vorgenommen werden kann. Die An­ wendung dieses Prinzips bei einem Differentialkondensator würde zu einer aufwendigen, die Montage des Detektorelements erschwerenden Konstruktion führen. Das an sich bekannte Prinzip eines variablen Kondensators mit durch eine bewegliche Blende gegeneinander abge­ schirmten Elektroden vereinfacht den Aufbau und die Montage des Detektorelementes, da die Einhaltung eines vorgegebenen Elektro­ denabstandes bei einem Kondensator mit zwei ortsfesten plan­ parallelen Flächenelektroden keine Schwierigkeiten bietet und die jeweilige Kapazität lediglich von der Eintauchtiefe der Blende abhängig ist, während eine seitliche Ablage der Blende in gewissen Grenzen praktisch ohne Einfluß ist. Äußere Störfaktoren (z. B. Temperaturschwankungen) haben hier somit weit geringere Auswirkun­ gen als bei einem Kondensator mit einer beweglichen Elektrode, deren vorgegebener Abstand gegenüber der ortsfesten Elektrode schwieriger einzuhalten ist, weil die die beweglichen Elektroden tragenden beweglichen Waagenbauteile den Elektrodenabstand und damit die Kapazität bestimmen. Dieser Umstand erfordert einerseits eine besonders hohe Präzision bei der Herstellung und Montage dieser Bauteile. Andererseits kommen aber durch den Einbezug dieser beweglichen Bauteile äußere Störfaktoren in ihrem Einfluß auf die Kapazität auch vermehrt zur Geltung.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positions­ detektors besteht darin, daß die Blende durch eine Fahne gebildet ist, welche von einem Waagebalken senkrecht absteht. Diese Lösung ergibt einen größeren Freiheitsgrad in bezug auf die Plazierung des Positionsdetektors innerhalb der Waage als bei der bekannten Ausführung und erfordert keine Doppelausführung des Detektor­ elementes. Ferner können Mittel zur Einstellung des Lastaufnehmers auf die elektrisch bedingte Gleichgewichtslage entfallen, da bei dieser einfachen Konstruktion des Detektorelementes keine Probleme hinsichtlich der Präzision bei der Herstellung und Montage auftre­ ten und äußere Störfaktoren einen geringeren Einfluß haben.

Die das Detektorelement bildenden beiden Kondensatoren sind vor­ zugsweise auf einem plattenförmigen Schaltungsträger angeordnet, der an einem ortsfesten Teil der Waage befestigt ist und der zu­ gleich die elektrische Auswerteeinrichtung trägt. Das Detektor­ element kann auf diese Weise in unmittelbarer Nähe der Auswerte­ einrichtung angeordnet werden, so daß die Verbindungsleitungen zwischen Detektorelement und Auswerteeinrichtung extrem kurz ge­ halten werden können. Streukapazitäten und Fremdsignalein­ kopplungen lassen sich dadurch auf ein vernachlässigbares Maß reduzieren.

Der Festkondensator kann in geeigneter Weise in die Schaltungs­ anordnung der elektrischen Auswerteeinrichtung einbezogen, z. B. in einen IC-Baustein integriert sein. Eine bessere Kompensation der Umwelteinflüsse (Temperatur, Feuchtigkeit) erreicht man dagegen mit einer Lösung, bei der die Flächenelektroden des variablen Luftkondensators auf der einen Seite des Schaltungsträgers aufge­ baut sind und der Festkondensator als gleichartiger Luftkondensa­ tor mit zwei planparallelen Flächenelektroden ausgebildet ist, zwischen die eine ortsfeste Blende aus Metall ragt. Eine in dieser Beziehung besonders zweckmäßige Anordnung besteht darin, daß die Flächenelektroden auf der anderen Seite des Schaltungsträgers, symmetrisch zu den Flächenelektroden des variablen Luftkondensa­ tors aufgebaut sind, und daß die Blende des Festkondensators durch eine am ortsfesten Teil der Waage senkrecht vorstehende Fahne gebildet ist. Das Ausmaß von Temperaturänderungen, welche sich auf den Elektrodenabstand und die Eintauchtiefe der Blende auswirken können, ist bei beiden Kondensatoren in dieser Ausfüh­ rung praktisch gleich, so daß die Gleichgewichtslage davon unbe­ einflußt bleibt und Ablagefehler somit vermieden werden.

Nachstehend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 schematische Darstellung einer elektro­ magnetisch kraftkompensierenden Waage,

Fig. 2 Seitenansicht des kapazitiven Positions­ detektors,

Fig. 3 schematische Darstellung des Positions­ detektors, und

Fig. 4 Schaltungsanordnung der elektrischen Aus­ werteeinrichtung.

Gemäß Fig. 1 besitzt die Waage einen Lastaufnehmer 1, auf den die Kraft P einwirkt, welche dem Gewicht des Wägegutes entspricht. Der Lastaufnehmer 1 trägt eine Spule 2, die im Luftspalt 3 eines Per­ manentmagnetsystems 4 mit dem Permanentmagneten 5 angeordnet ist. Durch die Lastwicklung der Spule 2 fließt ein Kompensationsstrom i_L, der im Magnetfeld des Permanentmagnetsystems 4 eine Kraft F erzeugt, welche der Kraft P entgegenwirkt. Durch eine Regelein­ richtung 6, welche einen Positionsdetektor 6a zur Erfassung der Position des Lastaufnehmers 1 aufweist, wird der Kompensations­ strom i_L so geregelt, daß die diesem proportionale Kraft F die Waage im Gleichgewicht hält und die Stärke des Kompensations­ stromes i_L somit ein Maß für die Kraft P bzw. für das Gewicht des Wägegutes darstellt.

Der kapazitive Positionsdetektor nach Fig. 2 ist auf einem plattenförmigen Schaltungsträger 7 angeordnet, der am Ständer 8 der Waage z. B. mit ein oder mehreren Schrauben 9 befestigt ist. Zwei koplanare Flächenelektroden 10 und 11 und eine zu diesen planparallele Flächenelektrode 12, die am einen Ende des platten­ förmigen Schaltungsträgers symmetrisch zur Plattenebene aufgebaut sind und parallel zur Bewegungsrichtung 13 eines Waagebalkens 14 verlaufen, bilden zwei Luftkondensatoren. Deren Kapazität C_x und C_o ist bestimmt einerseits durch die geometrischen Daten der Flächenelektroden 10, 11 und 12 und andererseits durch je eine metallische Blende 15 und 16, welche in den Zwischenraum der Flächenelektroden 10 und 12 bzw. 11 und 12 ragt und die betreffen­ den Flächenelektroden teilweise gegeneinander abschirmt. Dabei wird die Blende 15 durch eine vom Waagebalken 14 senkrecht abste­ hende Fahne und die Blende 16 durch eine vom Ständer 8 senkrecht aufragende Fahne gebildet. Der Kondensator 10, 12, 15 hat also eine variable Kapazität C_x, deren Größe mit der Auslenkung des Waagebalkens 14 in einer linearen Beziehung steht, und der Konden­ sator 11, 12, 16 bildet die feste Referenzkapazität C_o. Die Flächenelektroden 10, 11 und 12 sind durch kurze Verbindungs­ leitungen (Fig. 3) mit der am anderen Ende des Schaltungsträgers 7 befindlichen elektrischen Auswerteeinrichtung 17 verbunden, welche den Kompensationsstrom i_L der Waage so regelt, daß die Waage ins Gleichgewicht kommt, wenn die Kapazität C_x des variablen Kondensa­ tors den gleichen Wert erreicht wie die Kapazität C_o des Referenz­ kondensators.

Eine praktische Schaltungsanordnung der elektrischen Auswerteein­ richtung 17 für die Erzeugung des Fehlersignals U_F veranschaulicht Fig. 4.

Zum Betrieb der elektrischen Auswerteeinrichtung 17 dienen zwei massesymmetri­ sche Gleichspannungen +U_B und -U_B. Für die Speisung der Kondensa­ toren C_x und C_o werden diese Gleichspannungen durch zwei perio­ disch betätigte elektronische Umschalter S₁ und S₂ zerhackt. Die Spannung am Mittelpunkt B der Kondensatoranordnung wird einem ersten Operationsverstärker MP1 zugeführt, der als Impedanzwandler mit hohem Eingangswiderstand arbeitet und dessen Arbeitspunkt durch den Widerstand R₃ an seinem nichtinvertierenden Eingang festgelegt ist. Eine phasenselektive Gleichrichterschaltung um­ faßt einen mit den Kondensatoren C₃ und C₄ als Doppelintegrator geschalteten zweiten Operationsverstärker MP2 und einen dritten elektronischen Umschalter S₃, über den das vom ersten Operations­ verstärker MP1 gelieferte, durch einen Widerstand R₄ angekoppelte Signal abwechselnd den beiden Eingängen des zweiten Operationsver­ stärkers MP2 zugeführt wird. Die Steuersignaleingänge aller drei Umschalter S₁, S₂ und S₃ sind an einen gemeinsamen Taktgeber TG angeschlossen, dessen Taktfrequenz beispielsweise 30 kHz beträgt. Am Ausgang des Operationsverstärkers MP2 entsteht das Fehlersignal U_F in Form einer Gleichspannung, welche z. B. bei C_x < C_o negativ und bei C_x < C_o positiv ist. Die erreichbare absolute Größe des Fehlersignals U_f in Funktion der Änderung des Kapazitätsver­ hältnisses C_x/C_o hängt ab vom Grad der Rückkopplung, welche durch die Verbindung zwischen den Anschlußpunkten D und E am Ausgang der elektrischen Auswerteeinrichtung 17 erzielt wird. Im vorliegenden Fall wird mit Hilfe des Spannungsteilers R₅, R₆ ein Teil des Fehlersignals U_F rückgekoppelt. Eine stärkere Rückkopplung, z. B. eine direkte Ver­ bindung zwischen den Ausschlußpunkten D und E, vermindert das Fehlersignal U_F, und umgekehrt.

Vorzugsweise ist nicht nur die elektrische Auswerteeinrichtung 17, sondern die gesamte Regeleinrichtung 6 (Fig. 1) der Waage auf dem gleichen Schaltungsträger 7 angeordnet. Damit lassen sich die ein­ gangs genannten Fehlerquellen, welche durch die sonst erforder­ lichen Zwischenleitungen gegeben sind, weiter vermindern.

Claims (5)

1. Kapazitiver Positionsdetektor an einer elektromagnetisch kraft­ kompensierenden Waage zur Erfassung ihrer Gleichgewichtslage mit einem variablen Luftkondensator, dessen Elektroden einen festen gegenseitigen Abstand haben und dessen Kapazität durch ein unter der Einwirkung der Wägelast bewegliches Organ veränderbar ist, und einem eine Referenzkapazität darstellenden Kondensator, sowie mit einer elektrischen Auswerteeinrichtung, die aus dem Vergleich der Kapazitäten der beiden Kondensatoren ein als Maß für die Lageab­ weichung des beweglichen Organs aus einer Gleichgewichtslage dienendes Fehlersignal zur Steuerung des Kompensationsstromes der Waage bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Luftkon­ densator zwei ortsfest angeordnete planparallele Flächenelektroden (10, 12) aufweist, welche in parallel zur Bewegungsrichtung des beweglichen Organs verlaufenden Ebenen liegen, daß ferner das bewegliche Organ eine aus Metall bestehende Blende (15) ist, welche in den Zwischenraum der Flächenelektroden ragt und die Flächenelektroden teilweise gegeneinander abschirmt, und daß der die Referenzkapazität darstellende Kondensator ein Fest­ kondensator ist.

2. Kapazitiver Positionsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blende (15) durch eine Fahne gebildet ist, welche von einem Waagebalken (14) senkrecht absteht.

3. Kapazitiver Positionsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der variable Luftkondensator und der Festkondensator auf einem plattenförmigen Schaltungsträger (7) angeordnet sind, der an einem ortsfesten Teil (8) der Waage befestigt ist und der zugleich die elektrische Auswerteeinrichtung (17) trägt.

4. Kapazitiver Positionsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flächenelektroden (10, 12) des variablen Luftkondensators auf der einen Seite des Schaltungsträgers (7) aufgebaut sind und daß der Festkondensator als gleichartiger Luftkondensator mit zwei planparallelen Flächenelektroden (11, 12) ausgebildet ist, zwischen die eine ortsfeste Blende (16) aus Metall ragt.

5. Kapazitiver Positionsdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flächenelektroden (11, 12) des Festkondensators auf der anderen Seite des Schaltungsträgers (7), symmetrisch zu den Flächenelektroden (10, 12) des variablen Luftkondensators aufgebaut sind, und daß die Blende (16) des Festkondensators durch eine am ortsfesten Teil (8) der Waage senkrecht vorstehende Fahne gebildet ist.