Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Einrichtung kann beispielsweise als Waage ausgebildet sein und einen Support sowie einen bewegbar von diesem gehaltenen Kraftaufnehmer mit einem Lastträger zum Tragen der zu wägenden Last aufweisen. Der Lastträger kann dabei zum Beispiel als Waagschale zum Tragen einer beim Wägen unbewegten Last ausgebildet sein. Der Lastträger kann jedoch eventuell auch einen Teil einer Dosiervorrichtung bilden, die ein über den Lastträger gleitendes Förderband aufweist.
Aus der US-A 2 780 101, der CH-A 550 392 und der CH-A 594 236 sind gattungsgemäss Einrichtungen bekannt, die einen Support und einen an diesem befestigten Topfmagneten mit einem Mantel sowie einem Kern besitzen. Ein bewegbar am Support gehaltener Kraftaufnehmer weist eine in einem vom Magneten begrenzten Luftspalt angeordnete, zur Kompensation der zu messenden Kraft dienende, erste Spule oder Kraftkompensations-Spule mit mindestens einer Wicklung auf. Ferner ist eine zweite Spule oder Korrektur-Spule vorhanden, die den Kern umschliesst, an diesem befestigt ist und mindestens eine Wicklung aufweist. Des weitern ist noch ein Stellungsdetektor zur Ermittlung der Stellung des Kraftaufnehmers und eine Elektronikvorrichtung vorhanden, die elektrisch mit den Wicklungen der beiden Spulen und dem Stellungsdetektor verbunden ist.
Im folgenden wird unter dem ersten oder dem Kraftkompensations-Strom der durch die einzige Wicklung der ersten bzw. Kraftkompensations-Spule fliessende Strom bzw. die Gesamtheit der durch die Wicklungen der ersten bzw. Kraftkompensations-Spule fliessenden Ströme verstanden. In analoger Weise soll der Begriff zweiter Strom oder Korrektur-Strom den durch die einzige Wicklung der zweiten bzw. Korrektur-Spule fliessenden Strom oder die Gesamtheit der durch die Wicklungen der zweiten bzw. Korrektur-Spule fliessenden Ströme bezeichnen. Beim Durchführen einer Messung wird der erste Strom oder mindestens ein Bestandteil von diesem derart geregelt, dass die vom ersten Strom in Zusammenwirkung mit dem vorhandenen Magnetfeld erzeugte Kompensationskraft die zu messende, auf den Kraftaufnehmer einwirkende Kraft kompensiert. Der erste Strom gibt dann ein Mass für die zu messende Kraft.
Die Kompensationskraft ist proportional zum Mittelwert der im Bereich der ersten Spule vorhandenen, magnetischen Induktion. Das im Bereich der ersten Spule vorhandene Magnetfeld setzt sich aus drei Komponenten zusammen, nämlich aus dem von Magneten erzeugten, konstanten Grund-Magnetfeld, dem vom ersten Strom erzeugten und von dessen Stärke abhängigen, ersten veränderbaren Magnetfeld und dem vom zweiten Strom erzeugten und von dessen Stärke abhängigen, zweiten veränderbaren Magnetfeld. Das erste veränderbare Magnetfeld ist im von der Wicklung der ersten Spule eingenommenen Bereich ungefähr rechtwinklig zur Spulenachse und bei ungefähr der einen Hälfte der Wicklung nach innen sowie beim restlichen Teil der Wicklung nach aussen gerichtet.
Wenn man die radiale Komponente der magnetischen Induktion des ersten veränderbaren Magnetfeldes über dem von der Wicklung bzw. den Wicklungen der ersten Spule eingenommenen Raumbereich integriert und daraus den Mittelwert dieser radialen Komponente der Induktion im genannten Raumbereich berechnet, würden der Integralwert und der Mittelwert im Idealfall gleich Null sein. Da der Topfmagnet jedoch bezüglich einer rechtwinklig zu seiner Achse durch die Mitte des Luftspalts verlaufenden Ebene asymmetrisch und auch die Wicklung der ersten Spule selbst nicht vollkommen symmetrisch ist, sind der genannte Integralwert sowie auch der besagte Mittelwert der radialen Komponente der magnetischen Induktion des ersten veränderbaren Magnetfeldes von Null verschieden.
Wenn lediglich das konstante Grund-Magnetfeld und das erste veränderbare Magnetfeld vorhanden wären, würde das letztere wegen der von Null verschiedener Grösse seines genannten Integral- und Mittelwertes die Verknüpfung zwischen der zu messenden Kraft und dem ersten Strom nicht-linear machen. Gemäss der US-A 2 780 101 sowie CH-A 550 392 soll diese Nicht-Linearität durch das mittels der zweiten Spule erzeugte, zweite veränderbare Magnetfeld verhindert werden. Anders gesagt, soll durch das zweite veränderbare Magnetfeld eine vollkommen lineare Verknüpfung zwischen der zu messenden Kraft und dem ersten bzw. Kraftkompensations-Strom erreicht werden.
Da die zweite Spule entlang der Spulenachse gegen die erste Spule versetzt ist und sich nicht im Luftspalt befindet, haben die Feldlinien des von der ersten Spule erzeugten, ersten veränderbaren Magnetfeldes und des von der zweiten Spule erzeugten, zweiten veränderbaren Magnetfeldes stark von einander verschiedene Formen. Die Feldlinien des ersten veränderbaren Magnetfeldes verlaufen nämlich nur durch diejenigen Bereiche des Magneten, die unmittelbar an den Luftspalt angrenzen. Die Feldlinien des zweiten veränderbaren Magnetfeldes verlaufen dagegen ähnlich wie die Feldlinien des vom Magneten erzeugten, konstanten Magnetfeldes, mindestens zum grössten Teil entlang dem ganzen, magnetischen Kreis, der vom Kern sowie dem Mantel des Topfmagneten und dem Luftspalt gebildet wird.
Die aus der US-A 2 780 101, der CH-A 550 392 sowie der CH-A 594 236 und auch die sonst bekannten, ähnlichen Einrichtungen haben den Nachteil, dass sich der nach einer Änderung der zu messenden Kraft ermittelte Messwert nur langsam an den tatsächlichen Wert der zu messenden Kraft annähert. Dieses Phänomen wird in der Fachsprache etwa als Kriechen des Messwertes oder Relaxation bezeichnet, verzögert beim Messen die Ermittlung des richtigen Wertes der zu messenden Kraft und wirkt sich insbesondere nach sprungartigen Änderungen von dieser stark störend aus. Bei einer als Waage dienenden Einrichtung finden zum Beispiel immer dann sprungartige Änderungen der zu messenden Kraft statt, wenn der vorher unbelastete Lastträger mit einer zu wägenden Last belastet oder entlastet wird.
Bei bekannten Labor-Präzisionswaagen, mit denen Gewichte mit einer Genauigkeit von etwa dem 10<7>-ten Teil des vorgesehenen Maximalgewichtes gewogen werden können, weicht der angezeigte Messwert einige Sekunden nach dem Auflegen der zu wägenden Last auf den Lastträger der Waage typischerweise um etwa den 10<6>-ten Teil des Maximalgewichtes vom tatsächlichen Gewicht ab. Zur Ermittlung des wahren Gewichts mit der nominalen Messgenauigkeit der Waage wird dann eine etwa 10 Minuten betragende Messzeit benötigt.
Da die Grössen oder Stärken des ersten Stroms und des zweiten Stroms vom zu wägenden Gewicht abhängig sind, nimmt auch die von diesen Strömen in den Spulen erzeugte Wärme mit wachsendem Gewicht zu. Diese vom Gewicht abhängige Wärmeerzeugung kann auf verschiedene Arten Messfehler verursachen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Messen von Kräften, insbesondere Gewichten zu schaffen, die Nachteile der bekannten Einrichtungen behebt und insbesondere eine möglichst verzögerungslose Messung des wahren Wertes einer Kraft erlaubt, wobei der ein Mass für die zu messende Kraft gebende, elektrische Strom trotzdem linear von dieser abhängig sein soll.
Es wurde nun überraschend gefunden, dass die zeitliche Verzögerung der Ermittlung des richtigen Wertes der zu messenden Kraft zumindest zu einem grossen Teil durch das vom ersten Strom bzw. Kompensations-Strom erzeugte, erste veränderbare Magnetfeld verursacht wird. Falls eine KorrekturSpule gemäss einer der drei schon mehrmals zitierten Publikationen (US-A 2 780 101, CH-A 550 392, CH-A 594 236) vor handen ist, trägt das von dieser erzeugte, zweite veränderbare Magnetfeld wahrscheinlich auch noch zur genannten zeitlichen Verzögerung bei. Das Zustandekommen dieser einen erheblichen Nachteil darstellenden, zeitlichen Verzögerung soll nun erörtert werden.
Bei den aus der US-A 2 780 101, der CH-A 550 392 und der CH-A 594 236 bekannten Einrichtungen kann man durch geeignete Anpassung des Korrektur-Stroms an den abhängig von der zu messenden Kraft ändernden Kraftkompensations-Strom eventuell erreichen, dass der weiter vorne erwähnte Integralwert sowie der Mittelwert der radialen Komponente der magnetischen Induktion des im Bereich der ersten Spule vorhandenen, ersten veränderbaren Magnetfeldes durch die entsprechenden Werte der magnetischen Induktion des zweiten veränderbaren Magnetfeldes aufgehoben werden. Wegen der erwähnten unterschiedlichen Formen der Feldlinien des ersten und zweiten veränderbaren Magnetfeldes heben sich jedoch die beiden veränderbaren Magnetfelder im Innern des Magneten gegenseitig nicht auf.
Dabei ist in den an den Luftspalt angrenzenden Magnetbereichen die magnetische Induktion des ersten veränderbaren Magnetfeldes normalerweise betragsmässig wesentlich grösser als die magnetische Induktion des zweiten veränderbaren Magnetfeldes, weil ja die magnetische Induktion des zweiten veränderbaren Magnetfeldes im Luftspalt nur ungefähr gleich dem in der weiter vorne beschriebenen Weise gemittelten Mittelwert der Induktion des ersten veränderbaren Magnetfeldes ist. Die Tatsache, dass die beiden veränderbaren Magnetfelder einander im Innern des Magneten nicht gegenseitig aufheben, verzögert bei Änderungen der zu messenden Kraft die Ermittlung von deren genauen Wert. Wenn nämlich die durch die beiden Spulen fliessenden Ströme wegen Änderungen der zu messenden Kraft ändern, bewirkt dies Änderungen der magnetischen Feldstärken der von diesen Strömen erzeugten Magnetfelder.
Diese Änderungen der Feldstärken verursachen im Innern der an den Luftspalt angrenzenden, ferromagnetischen, magnetisch weichen Teile der Magneten ihrerseits Änderungen der Magnetisierung und damit der magnetischen Induktion. Solche Änderungen der Magnetisierung und der magnetischen Induktion des ferromagnetischen Materials benötigen jedoch eine gewisse Zeit und folgen daher den sie verursachenden Stromänderungen mit einer gewissen Verzögerung oder Relaxation, die auch von der Temperatur des ferromagnetischen Materials abhängig ist. Die nach sprungartigen Stromänderungen langsam und verzögert im Innern des Magneten stattfindenden Änderungen der magnetischen Induktion verursachen auch Induktionsänderungen im Luftspalt.
Die Verzögerung der Induktionsänderungen im Innern des Magnetes hat daher eben die vorgängig erwähnte Tatsache zur Folge, dass der nach einer Änderung der zu messenden Kraft ermittelte und angezeigte Messwert sich nur langsam und verzögert an den tatsächlichen Wert der zu messenden Kraft annähert.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Zur Klarstellung sei vorsorglich noch bemerkt, dass unter dem Luftspalt der ganze aus nicht ferromagnetischem Material bestehende, spaltförmige Unterbruch des vom Magneten gebildeten magnetischen Kreises verstanden wird. Wenn also beispielsweise die zweite Spule unmittelbar an einer Randfläche eines ferromagnetischen Teils des Magneten anliegt und befestigt ist, wird der von der zweiten Spule eingenommene Raumbereich auch dem Luftspalt zugerechnet, obschon die zweite Spule selbstverständlich nicht aus Luft besteht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung ist nur die erste Spule bezüglich des Magneten entlang der gemeinsamen Achse der beiden Spulen bewegbar und die zweite Spule starr am Magneten befestigt. In diesem Fall trägt nur die erste Spule zur Kompensation der zu messenden Kraft bei. Dementsprechend dient die erste Spule als Kraftkompensations-Spule und die zweite Spule als Korrektur-Spule. Es ist aber möglich, auch die zweite Spule entlang der gemeinsamen Achse der beiden Spulen bewegbar zu halten. Die beiden Spulen können in diesem Fall derart durch bewegbare Verbindungs-und/oder Kraftübertragungsmittel miteinander und mit andern Teilen eines Kraftaufnehmers - zum Beispiel mit dem Lastträger einer Waage - verbunden sein, dass sie durch eine zu messende Kraft in entgegengesetzte Richtungen verschoben werden.
Diese Verbindungs-und/oder Kraftübertragungsmittel können beispielsweise mindestens einen Hebel aufweisen, der über ein Biegegelenk an einem Support gehalten und zum Beispiel auch über Biegegelenke mit den beiden Spulen oder andern bewegbaren Teilen verbunden ist. Wenn beide Spulen bewegbar und in der beschriebenen Weise mittelbar oder unmittelbar miteinander verbunden sind, tragen beide Spulen zur Kompensation der zu messenden Kraft bei und dienen auch beide zur Aufhebung des von der jeweils andern Spule erzeugten Magnetfeldes. Jede der beiden Spulen übt dann mehr oder weniger die gleiche Doppelfunktion aus und dient als Kraftkompensations- und als Korrektur-Spule.
Die erste Spule kann nur eine einzige Wicklung oder zwei oder noch mehr Wicklungen aufweisen. Die zweite Spule kann ebenfalls eine Wicklung oder zwei oder noch mehr Wicklungen aufweisen. Vorteilhafterweise haben die erste Spule und die zweite Spule die gleiche Anzahl Wicklungen, so dass der bzw. jeder Wicklung der ersten Spule eine Wicklung der zweiten Spule zugeordnet werden kann.
Die Einrichtung kann eine Elektronikvorrichtung aufweisen, die beispielsweise ausgebildet ist, um durch die bzw. jede Wicklung der ersten Spule und der zweiten Spule nur einen Gleichstrom hindurch zu leiten, der beim Messen einer bestimmten Kraft zeitlich konstant ist. Die Elektronik vorrichtung kann jedoch stattdessen ausgebildet sein, um den Wicklungen der Spulen einen zeitlich periodisch ändernden Strom zuzuführen, der etwa aus einem Gleichstrom mit einem überlagerten Wechselstrom und/oder einer Folge von Stromimpulsen bestehen kann.
Falls beide Spulen je nur eine einzige Wicklung oder je mehrere, aber gleich viele, einander paarweise entsprechende Wicklungen haben, führt die Elektronikvorrichtung vorteilhafterweise den einander paarweise zugeordneten Wicklungen der beiden Spulen Ströme mit gleichem zeitlichen Verlauf - also entweder konstante Gleichströme oder in gleicher Weise zeitlich ändernde Ströme - zu.
Wenn die Einrichtung als Waage ausgebildet ist und wenn nur die erste Spule zur Kraftkompensation dient und nur eine einzige Wicklung aufweist, kann eine zur Einrichtung gehörende Elektronikvorrichtung dieser Wicklung einen Strom zuführen, der durch Regelschaltungsmittel derart geregelt wird, dass er sowohl die durch das Eigengewicht des Kraftaufnehmers verursachte Vor- oder Ruhelast als auch das zu wägende Gewicht kompensieren kann.
Wenn die erste Spule zwei Wicklungen mit gleicher Windungszahl aufweist, kann die Elektronikvorrichtung ausgebildet sein, um diesen Ströme zuzuführen, die aus einem Gleichstrom zur Kompensation der zu messenden Kraft und einem Wechselstrom zusammengesetzt sind, der in den beiden Wicklungen in einander entgegengesetzten Richtungen um die gemeinsame Achse der Spulen herum fliesst und also nichts zur Kraftkompensation beiträgt, aber abhängig von der zu messenden Kraft derart geändert wird, dass der über eine oder mehrere ganze Perioden dauern des Wechselstroms gemittelte Mittelwert der in der ersten Spule erzeugten Wärmeleistung unabhängig vom Wert der zu messenden Kraft ist. Falls die zweite Spule in diesem Fall ebenfalls zwei Wicklungen aufweist, können durch diese dann zum Beispiel in gleicher Weise zeitlich ändernde Ströme hindurch geleitet werden.
Wenn die Einrichtung als Waage ausgebildet ist und die bzw. jede zur Kraftkompensation dienende Spule zwei oder mehr Wicklungen aufweist, kann zum Beispiel eine oder ein Paar dieser Wicklungen zur Kompensation der Vor- oder Ruhelast dienen, die durch das Eigengewicht des Kraftaufnehmers verursacht wird. Eine andere Wicklung oder ein anderes Wicklungspaar kann dann zur Kompensation des Nettoteils des Gewichts dienen.
Eine zur Einrichtung gehörende Elektronikvorrichtung kann dementsprechend ausgebildet sein, um der bzw. jeder zur Kompensation der Vor- oder Ruhelast dienenden Wicklung einen manuell einstellbaren, aber nach der Einstellung beim Messen konstant bleibenden Strom und der bzw. jeder zur Kompensation des Nettoteils des Gewichts dienenden Wicklung einen Strom zuzuführen, der durch eine elektronische Regelschaltung der Elektronikvorrichtung derart geregelt wird, dass er den Nettoteil des Gewichts kompensiert.
Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Einrichtung umschliesst die eine Spule die andere Spule, wobei zum Beispiel die zweite Spule die erste Spule umschliessen kann. Wenn jede Spule nur eine Wicklung aufweist, sind die parallel zur gemeinsamen Achse der beiden Spulen gemessenen Abmessungen dieser beiden Wicklungen vorzugsweise höchstens 5% voneinander verschieden und beispielsweise genau gleich. Des weitern befinden sich die zwei Enden der Wicklungen der beiden Spulen in der Sollstellung des Kraftaufnehmers vorzugsweise mindestens annähernd paarweise in der gleichen zur Achse rechtwinkligen, radialen Ebene, so dass sich die Wicklungen in radialer Blickrichtung paarweise zumindest annähernd über decken.
Es sei hier eingefügt, dass die bzw. jede zur Kraftkompensation dienende Spule beim Messen vorübergehend ein wenig aus ihrer Sollstellung verschoben wird, jedoch nach der Einregelung des Kraftkompensations-Stroms durch Regelschaltungsmittel abhängig von deren Ausbildung mindestens annähernd oder sogar genau in die Sollstellung zurück bewegt werden kann. Wenn beide Spulen zwei oder mehr und gleich viele Wicklungen aufweisen, können sich die einander entsprechenden Wicklungen der beiden Spulen paarweise umschliessen und bei radialer Blickrichtung zumindest im wesentlichen überdecken.
Wie schon weiter vorne erwähnt, kann eine zur Einrichtung gehörende Elektronikvorrichtung ausgebildet sein, um den Spulen beim Messen einer bestimmten Kraft zeitlich konstante Gleichströme oder zeitlich periodisch ändernde Gleich- oder Wechselströme zuzuführen. Dementsprechend sind dann auch das von der ersten Spule erzeugte, erste veränderbare Magnetfeld und das von der zweiten Spule erzeugte, zweite veränderbare Magnetfeld beim Messen einer bestimmten Kraft entweder zeitlich konstant oder zeitlich periodisch ändernd. Wenn die zu messende Kraft ändert, werden selbstverständlich auch die Stärken der Ströme und die magnetischen Feldstärken sowie magnetischen Induktionen des ersten und zweiten veränderbaren Magnetfeldes geändert.
Unter dem Begriff "zeitlicher Mittelwert" wird im folgenden bei zeitlich konstanten Strömen und Magnetfeldern deren konstanter Wert und bei zeitlich periodisch ändernden Strömen und Magnetfeldern deren über eine Periodendauer gemittelter Mittelwert verstanden.
Die Ausbildung der normalerweise zur Einrichtung gehörenden Elektronikvorrichtung ist vorzugsweise derart auf die Ausbildung der Spulen abgestimmt, dass beim Messen mindestens die zeitlichen Mittelwerte und vorzugsweise auch alle Momentanwerte der magnetischen Induktion des aus einer Überlagerung des ersten und zweiten veränderbaren Magnetfeldes entstehenden Magnetfeldes sowohl im ganzen Luftspalt als auch im Innern des Magneten, genauer gesagt, in dessen an den Luftspalt angrenzenden Bereichen, bei Änderungen der zu messenden Kraft betragsmässig weniger ändern als die entsprechenden Werte des ersten Magnetfeldes.
Wenn die zu messende Kraft innerhalb eines vorgegebenen Bereichs ändert, sollen die genannten Werte der magnetischen Induktion des durch eine Überlagerung des ersten und zweiten magnetischen Feldes gebildeten Magnetfeldes vorzugsweise mindestens annähernd und eventuell sogar mindestens praktisch vollkommen unabhängig vom Wert der zu messenden Kraft sein.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Einrichtung sind die Spulen und die Elektronikvorrichtung derart ausgebildet, dass mindestens die zeitlichen Mittelwerte und vorzugsweise alle Momentanwerte der magnetischen Feldstärke und/ oder Induktion des ersten und des zweiten veränderbaren Magnetfeldes einander überall mindestens ungefähr entgegengerichtet sind, so dass sich die beiden veränderbaren Magnetfelder gegenseitig abschwächen. Ferner sind vorzugsweise mindestens die Absolutbeträge der zeitlichen Mittelwerte und beispielsweise auch die Absolutbeträge aller Momentanwerte des Linienintegrals der magnetischen Feldstärke entlang einer in sich geschlossenen Kurve für beide Spulen mindestens ungefähr und beispielsweise genau gleich.
Die Kurve, entlang der das Linienintegral berechnet wird, soll dabei derart zum Teil durch das Innere der betreffenden Spule und zum Teil um diese herum verlaufen, dass die Kurve alle Windungen der bzw. jeder Wicklung der betreffenden Spule einmal umschliesst. Man kann diese beiden besonders vorteilhaften, die Richtung der magnetischen Feldstärke und/oder Induktion und das Linienintegral betreffenden Eigenschaften der beiden veränderbaren Magnetfelder auch zusammenfassend durch die Forderung ausdrücken, dass mindestens die Mittelwerte und vorzugsweise alle Momentanwerte der für die beiden Spulen berechneten Linienintegrale - bei gleichen Umlaufrichtungen entlang der Integrations-Kurve - verschiedene Vorzeichen und mindestens ungefähr oder genau die gleichen Absolutbeträge haben sollen.
Diese etwas abstrakten Definitionen sollen noch für einige besonders einfache und vorteilhafte Ausführungsformen erläutert werden. Wenn beide Spulen je nur eine einzige Wicklung aufweisen und die Ströme aus Gleichströmen bestehen, sollen die durch die beiden Wicklungen fliessenden Ströme in einander entgegengesetzten Umlaufrichtungen um die gemeinsame Achse der beiden Spulen herum fliessen. Bei je nur eine einzige Wicklung aufweisenden Spulen ist der Wert des besagten Linienintegrals gleich dem Produkt Windungszahl mal Stromstärke, so dass der Absolutbetrag dieses Produkts für beide Spulen möglichst genau gleich gross sein soll. Wenn also zum Beispiel beide Wicklungen die gleichen Windungszahlen haben, sollen auch die durch diese Wicklungen fliessenden Ströme die gleichen Absolutwerte haben.
Falls die beiden Spulen je eine Wicklung haben, die durch die beiden Wicklungen fliessenden Ströme aber aus Wechselströmen bestehen, sollen die vorgängig für die Umlaufrichtungen der Gleichströme und die besagten Produkte angegebenen Bedingungen mindestens für die über eine Periodendauer gemittelten Ströme und Werte der Produkte und vorzugsweise für alle momentanen Umlaufrichtungen der Ströme und Werte der Produkte gelten.
Wenn man die Stromstärken bei einer gegebenen, zur Achse der Spulen parallelen Blickrichtung für im Gegenuhrzeigersinn um die Achse herum fliessende Ströme positiv und für im Uhrzeigersinn um die Achse herum fliessende Ströme negativ zählt, können die beiden die Umlaufrichtungen und Werte der Ströme betreffenden Bedingungen zur Forderung zusammengefasst werden, dass mindestens der zeitliche Mittelwert und vorzugsweise alle Momentanwerte des für die eine Spule berechneten Produkts mindestens annähernd und vorzugsweise genau gleich dem entsprechenden negativen Wert des für die andere Spule berechneten Produkts sein soll.
Wenn beide Spulen zwei oder noch mehr Wicklungen mit paarweise identischen Windungszahlen haben, können die für die Richtungen der Magnetfelder und die Linienintegrale angegebenen Bedingungen erfüllt werden, wenn die einander zu- geordneten Wicklungen der beiden Spulen und die durch diese Wicklungen fliessenden Ströme paarweise die vorgängig für Spulen mit je einer Wicklung angegebenen Bedingungen erfüllen. An sich kann man auch zwei Spulen vorsehen, die verschiedene Anzahlen von Wicklungen haben und/oder die mehrere Wicklungen haben, deren Windungszahlen nicht paarweise identisch sind. Auch in diesen und andern allgemeinen Fällen können die weiter vorne für die Richtungen der magnetischen Feldstärken und/oder Induktion und Linienintegrale angegebenen Beziehungen erfüllt werden.
Wenn etwa beide Spulen mehrere, aber nicht paarweise gleiche Windungszahlen aufweisende Wicklungen haben, sind die genannten Bedingungen erfüllt, wenn die Summe der für die erste Spule berechneten Produkte und die Summe der für die zweite Spule berechneten Produkte die vorgängig für die beiden Produkte angegebenen Bedingungen erfüllen. Falls etwa die eine, zum Beispiel die erste Spule, zwei oder mehr Wicklungen und die andere Spule nur eine einzige Wicklung aufweist, soll selbstverständlich die für die Spule mit mehreren Wicklungen berechnete Summe der Produkte mindestens ungefähr und vorzugsweise genau gleich dem entsprechenden negativen Wert des für die andere Spule berechneten Produkts sein.
Wenn die weiter vorne für die magnetischen Feldstärken und/oder Induktionen und für die Linienintegrale angegebenen Bedingungen auf die eine oder andere Weise erfüllt sind, können das erste und zweite veränderbare Magnetfeld einander bei allen denjenigen Stellen des Luftspalts sowie des Magneten, bei denen die beiden Magnetfelder vorhanden sind, mindestens teilweise aufheben. Da sich die Wicklungen der beiden Spulen nicht genau im gleichen Bereich des Luftspalts befinden können, ist zwar keine absolut vollkommene, aber doch eine annähernd und praktisch vollständige, gegenseitige Aufhebung der beiden Magnetfelder im ganzen Raum möglich.
Es lässt sich dementsprechend erreichen, dass das räumliche Integral des absoluten Betrages der Induktion des durch eine Überlagerung des ersten und zweiten veränderbaren Magnetfeldes gebildeten Magnetfeldes über den ganzen Raum, in dem dieses Feld vorkommt, einen wesentlich kleineren Wert als das entsprechende Integral für das erste veränderbare Magnetfeld allein oder für das zweite veränderbare Magnetfeld allein hat.
Wie vorgängig erläutert, kann durch eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Einrichtung erreicht werden, dass sich das erste und das zweite veränderbare Magnetfeld gegenseitig im wesentlichen aufheben. Die Einrichtung kann jedoch eventuell derart ausgebildet werden, dass die beiden veränderbaren Magnetfelder überall im wesentlichen die gleichen Richtungen haben. In diesem Fall können die Stromstärken der durch die beiden Spulen fliessenden Ströme derart aufeinander und auf die Ausbildung der Spulen abgestimmt werden, dass die magnetischen Feldstärken und/oder Induktionen des durch Überlagerung der beiden veränderbaren Magnetfelder entstehenden Magnetfeldes überall und bei allen zu messenden Kräften mindestens im zeitlichen Mittel und vorzugsweise in jedem Zeitpunkt mindestens ungefähr gleich sind.
Wenn das aus einer Überlagerung des ersten und des zweiten veränderbaren Magnetfeldes resultierende Magnetfeld im wesentlichen überall, wo es vorhanden ist, mindestens näherungsweise unabhängig vom Wert der zu messenden Kraft ist und/oder sogar im ganzen Kraft-Messbereich annähernd verschwindet, ist dies selbstverständlich auch im Bereich der Wicklungen der ersten und zweiten Spule der Fall. Die Verknüpfung zwischen der zu messenden Kraft und dem zur Kompensation von dieser dienenden Kraftkompensations-Strom wird dann linear. Es sei hierzu auf die Erörterung des Linearitäts-Problems in der Einleitung verwiesen.
Da bei einer erfindungsgemässen Einrichtung die magnetische Induktion des durch Überlagerung des ersten und zweiten Magnetfeldes gebildeten Feldes auch im Innern des Magneten für alle Werte der zu messenden Kraft überall mindestens annähernd konstant gehalten und/oder sogar mindestens annähernd zum Verschwinden gebracht werden kann, lässt sich vor allem auch die einleitend kommentierte, beim ganzen bekannten Stand der Technik auftretende Verzögerung oder Relaxation bei der Ermittlung des wahren Wertes der zu messenden Kraft vermeiden. Der nach einer sprungartigen Änderung der zu messenden Kraft erforderliche Zeitbedarf zur Ermittlung der wahren Kraft ist dann praktisch nur noch von der Regelzeitkonstante der Regelschaltungsmittel der Elektronikvorrichtung abhängig. Diese Regelzeitkonstante kann beispielsweise in der Grösse von etwa einer Sekunde liegen.
Gemäss durchgeführten Versuchen mit einer erfindungsgemässen, als Präzisions-Laborwaage ausgebildeten Einrichtung konnte schon etwa 3 bis 5 Sekunden nach dem Auflegen einer zu wägenden Last auf den Lastträger der wahre Wert des Gewichts innerhalb der nominellen Genauigkeit der Waage - d.h. zum Beispiel mit einer höchstens etwa den 10<7>-ten Teil des vorgesehenen Maximalgewichts betragenden Abweichung vom wahren Gewicht - ermittelt werden.
Der Erfindungsgegenstand soll nun noch anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt
die Fig. 1 einen schematisierten Schnitt durch eine als Waage dienende, zwei Spulen mit je einer Wicklung aufweisende Einrichtung sowie ein Blockschema von deren Elektronikvorrichtung,
die Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Fig. 1 mit einem Teil des Magneten, in grösserem Massstab, wobei schematisiert einige Feldlinien von Magnetfeldern angedeutet sind,
die Fig. 3 ein Blockschema der Elektronikvorrichtung einer Einrichtung, bei welcher die erste und die zweite Spule je zwei Wicklungen aufweisen, und
die Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Elektronikvorrichtung mit dem Blockschema gemäss der Fig. 3.
In der Fig. 1 ist eine Einrichtung zum Messen von Kräften, nämlich eine Waage dargestellt. Diese weist ein Gehäuse auf, das zusammen mit den Teilen 3, 5 und anderen, starr miteinander verbundenen Teilen einen beim Messen unbewegten Support 1 bildet. An diesem ist mit eine Parallelführung bildenden und mit Biegegelenken 9 versehenen Lenkern 7 ein Kraftaufnehmer 11 vertikal bewegbar gehalten, der an seinem oberen Ende mit einem Lastträger 13, nämlich einer Waagschale zum Tragen der zu wägenden Last 15 versehen ist.
Ein als Ganzes mit 21 bezeichneter, elektrodynamischer Kraftkompensator weist einen am Support-Teil 3 befestigten Magneten 23 auf, der als Topfmagnet ausgebildet und zu einer vertikalen Achse 25 rotationssymmetrisch ist. Der Magnet 23 weist einen Topf 27, mit einer radialen Endwand, einem hohlzylindrischen Mantel und einem Randabschnitt auf, der beim der Endwand abgewandten Ende des Mantels radial nach innen ragt. Im Topf ist ein an der Endwand befestigter, zylindrischer Kern 29 angeordnet. Am der Endwand abgewandten Ende des Kerns 29 ist eine Polscheibe 31 befestigt. Der Topf 27 und die Polscheibe 31 bestehen aus einem ferromagnetischen, magnetisch weichen Material, nämlich Rein- oder Weicheisen. Der Kern 29 ist permanentmagnetisch und besteht zum Beispiel aus einer Aluminium-Nickel-Kobalt-Legierung.
Die einander zugewandten, zur Achse 25 koaxialen, zylindrischen Flächen des nach innen ragenden Randabschnittes des Topfs 27 und der Polscheibe 31 begrenzen zusammen einen besonders deutlich in der Fig. 2 ersichtlichen Luftspalt 33.
Der Kraftkompensator 21 weist eine erste Spule 35 auf, die als Kraftkompensations-Spule 35 dient und einer aus einem nicht-ferromagnetischen Material, etwa einem Kunststoff bestehenden Spulenkörper 37 und eine Wicklung 39 mit zwei Anschlüssen 39a, 39b besitzt. Der Spulenkörper 37 ist starr mit dem Kraftaufnehmer 11 verbunden. Die erste Spule 35 ist also wie der Kraftaufnehmer entlang der Achse 25 verschiebbar. Eine zweite Spule 43 oder Korrektur-Spule 43 hat einen aus nicht-ferromagnetischem Material, etwa Kunststoff bestehenden Spulenkörper 45 und eine Wicklung 47 mit zwei Anschlüssen 47a, 47b. Der Spulenkörper 45 ist starr am nach innen ragenden Randabschnitt des Topf 27 befestigt, nämlich festgeklebt. Die Wicklung 47 ist also durch den Spulenkörper 45 in Abstand von der zylindrischen, den Luftspalt aussen begrenzenden Fläche des Topfs 27 gehalten.
Es sei aber hier eingefügt, dass man den Spulenkörper 45 auch weglassen und die Wicklung der zweiten Spule selbsttragend ausbilden und unmittelbar am Randabschnitt des Topfs befestigen könnte. Die zwei Spulen 35, 43 und insbesondere deren Wicklungen 39 bzw. 47 sind koaxial zur Achse 25. Die beiden Wicklungen 39, 47 haben die gleiche Anzahl Windungen. Die parallel zur Achse 25 gemessenen Abmessungen der beiden Wicklungen 39, 47 sind gleich und etwas kleiner als die entsprechende Abmessung des Luftspalts 33, so dass die Wicklungen vollständig im Luftspalt Platz finden. Wenn sich der Kraftaufnehmer 11 und die erste Spule 35 in ihrer Sollstellung befinden, liegen die obern Enden der beiden Wicklungen in ein und derselben zur Achse 25 rechtwinkligen und radialen Ebene. Entsprechendes gilt für die untern Enden der beiden Wicklungen.
In der Sollstellung der ersten Spule überdecken sich also die beiden Wicklungen in zur Achse 25 radialer Blickrichtung vollständig.
Die Einrichtung weist mindestens einen Stellungsdetektor 51 zur Ermittlung der vom Kraftaufnehmer 11 und damit auch von der ersten bzw. Kraftkompensations-Spule 35 bezüglich des Supports 1 und des Magneten 23 eingenommenen Stellung. Der Stellungsdetektor 51 kann beispielsweise, mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen opto-elektronischen Sensor oder Elemente zur kapazitiven oder induktiven Ermittlung der Stellung des Kraftaufnehmers aufweisen.
Eine Elektronikvorrichtung 61 weist eine elektrisch mit dem Stellungsdetektor 51 verbundene Stellungs-Erfassungsschaltung 63 auf, deren Ausgang mit einer Regelschaltung 65 verbunden ist. Diese weist unter anderem einen Integral-Reglerteil auf. Der Ausgang der Regelschaltung 65 ist mit einer elektronisch steuer- und/oder regelbaren Stromquelle 67 verbunden. Die Elektronikvorrichtung 61 weist noch eine Strom-Mess-Schaltung 69 auf, die unter anderem einen Analog/Digital-Wandler besitzt, dessen Ausgang mit einer digitalen Anzeigevorrichtung 71 zum Anzeigen des ermittelten Gewichts und/oder der diesem entsprechenden Masse verbunden ist. Die Anschlüsse 39a, 47a der beiden Wicklungen 39 bzw. 47 sind durch elektrische Verbindungen mit der Stromquelle 67 verbunden, wobei mindestens eine dieser Verbindungen über die Strom-Mess-Schaltung 69 geführt ist.
Die Anschlüsse 39b, 47b der beiden Wicklungen 39, 47 sind direkt elektrisch leitend miteinander verbunden Die beiden Wicklungen sind also elektrisch in Serie geschaltet und zudem derart gewickelt, dass der beim Messen von der Stromquelle 67 durch sie hindurch geleitete Strom in der ersten Spule in der einen Umlaufrichtung und in der zweiten Spule in der umgekehrten Umlaufrichtung um die Achse 25 herum fliesst.
Der permanentmagnetische Kern 29 des Magnetes 23 erzeugt ein Magnetfeld 81, von dem in der Fig. 2 einige Feldlinien angedeutet sind. Diese verlaufen entlang dem vom Magneten 23 und dem Luftspalt 33 gebildeten, magnetischen Kreis. Wenn die Elektronikvorrichtung 61 der Einrichtung, d.h. der Waage, in Betrieb ist, erzeugt die Stromquelle 67 einen Strom Im, nämlich einen Gleichstrom, der durch die Wicklung 39 der ersten oder Kraftkompensations-Spule 35 und durch die Wicklung 47 der zweiten oder Korrektur-Spule 43 fliesst und also sowohl den ersten oder Kraftkompensations-Strom als auch den zweiten oder Korrektur-Strom bildet.
Die Regelschaltung 65 steuert und/oder regelt die Stromquelle 67 derart, dass der durch die Wicklung der ersten oder Kraftkompensations-Spule 35 fliessende Strom Im die vom Eigengewicht des Kraftaufnehmers 11 sowie die vom Eigengewicht der ersten Spule 35 und die von einer sich allenfalls auf dem Lastträger 13 befindenden und zu wägenden Last 15 insgesamt auf die erste, bewegbare Spule 35 ausgeübte Kraft in Zusammenwirkung mit dem Magnetfeld 81 kompensiert. Wenn also zum Beispiel der vorher unbelastete Kraftaufnehmer 11 durch Auflegen einer Last 15 auf den Lastträger 13 ausgehend von seiner Sollstellung nach unten bewegt wird, erfasst der Stellungsdetektor 51 diese Auslenkung. Die Regelschaltung 65 erhöht dann die Stärke des von der Stromquelle 67 gelieferten Gleichstroms so lange, bis der Kraftaufnehmer wieder seine Sollstellung einnimmt.
Bei konstanter Belastung des Kraftaufnehmers ist auch der durch die beiden Spulen 35, 43 fliessende Gleichstrom konstant. Die Stärke oder Grösse des Stromes wird beim Wägen einer Last 15 von der Strom-Mess-Schaltung 69 erfasst. Der Analog/Digital-Wandler der Strom-Mess-Schaltung 69 führt dann der Anzeigevorrichtung 71 ein Digitalsignal zu, das ein Mass für das Gewicht und da mit für die Masse der zu wägenden Last gibt. Die Strom-Mess-Schaltung 69 ist dabei derart ausgebildet, dass das Eigengewicht des Kraftaufnehmers 11 und der ersten Spule 35 beim Wägen subtrahiert wird, so dass die Anzeigevorrichtung 71 das Gewicht der Last 15 allein und/oder die diesem Gewicht entsprechende Masse anzeigt.
Die Einrichtung kann beispielsweise ausgebildet sein, um Lasten bis zu einem Maximalgewicht zu wägen, das einer Masse von 200 g entspricht, wobei der Fehler - in Masseneinheiten ausgedrückt - höchstens etwa 0,02 mg beträgt.
Der zur Kraftkompensation durch die Wicklung 39 der ersten Spule 35 hindurch fliessende Strom erzeugt ein erstes, von der zu messenden Kraft abhängiges und also veränderbares Magnetfeld 83, von dem in der Fig. 2 schematisch einige Feldlinien angedeutet sind. Diese liegen in durch die Achse 25 verlaufenden Ebenen. Im Luftspalt 33 und in den beiden Wicklungen 39, 47 verlaufen die Feldlinien des ersten Magnetfeldes 83 ungefähr radial zur Achse 25. Das Magnetfeld 83 ist im obern Teil des Luftspalts 33 nach aussen und im untern Teil des Luftspalts nach innen gerichtet. In den sich oberhalb sowie unterhalb des Luftspaltes 33 befindenden, freien Raumbereichen sind die Feldlinien gebogen. In den an den Luftspalt anschliessenden Bereichen, des Topfs 27 und der Polscheibe 31 verlaufen die Feldlinien des ersten Magnetfeldes 83 gebogen oder mehr oder weniger vertikal.
Das erste veränderbare Magnetfeld 83 ist übrigens bezüglich einer horizontalen, durch die Mitte des Luftspalts 33 verlaufenden Luftspalt-Mittel-Ebene zwar annähernd, aber normalerweise nicht vollkommen symmetrisch, weil der Magnet bezüglich dieser Luftspalt-Mittel-Ebene asymmetrisch ist. Da der durch die Wicklung 39 der ersten Spule 35 fliessende Strom auch durch die Wicklung 45 der zweiten Spule 43 fliesst, erzeugt er in der zweiten Spule ein zweites veränderbares, nicht gezeichnetes Magnetfeld. Dessen Feldlinien haben weitgehend ähnliche Formen wie diejenigen des ersten veränderbaren Magnetfeldes. Wegen der grossen magnetischen Permeabilität des den Topf 27 und die Polscheibe 31 bildenden Weicheisens verlaufen die Feldlinien der beiden veränderbaren Magnetfelder insbesondere sowohl im Innern des Topfs als auch im Innern der Polscheibe praktisch gleich.
Da der zur Kraftkompensation dienende Strom in den beiden Wicklungen in einander entgegengesetzten Richtungen um die Achse 25 herumfliesst, haben die magnetischen Feldstärken der beiden veränderbaren Magnetfelder im allgemeinen einander entgegengesetzte Richtungen. Weil die beiden Wicklungen zudem gleiche Windungszahlen sowie gleiche axiale Abmessungen aufweisen, heben das erste veränderbare Magnetfeld 83 und das zweite veränderbare, nicht gezeichnete Magnetfeld einander überall und insbesondere im Luftspalt 33, in dem sich in diesem befindende Wicklungen 39, 47 sowie in den an den Luftspalt angrenzenden Bereichen des Magneten 23 praktisch vollständig auf.
Wie bereits in der Einleitung erörtert, kann das in der zur Kraftkompensation dienenden, ersten Spule erzeugte, erste veränderbare Magnetfeld nach dem Aufbringen der zu wägenden Last 15 auf den Lastträger 13 oder nach einer sonstigen Laständerung keine Relaxationseffekte und keine Verzögerungen der Messung verursachen. Desgleichen kann das erste Magnetfeld auch die Linearität der Verknüpfung zwischen der zu wägenden Last und dem durch die erste Spule fliessenden Kraftkompensations-Strom nicht beeinträchtigen.
Die Variante der Einrichtung mit dem in der Fig. 3 dargestellten Blockschema ist in mechanischer Hinsicht ähnlich ausgebildet wie die anhand der Fig. 1 und 2 beschriebene Einrichtung und besitzt insbesondere auch einen Support, einen bewegbar an diesem gehaltenen Kraftaufnehmer, einen am Support befestigten Magneten, eine bezüglich dieses bewegbare, erste Spule 135 oder Kraftkompensations-Spule 135 und eine am Magneten befestigte, zweite Spule 143 oder Korrektur-Spule 143. Die Einrichtung gemäss der Fig. 3 unterscheidet sich aber von der Einrichtung gemäss den Fig. 1 und 2 dadurch, dass ihre erste Spule 135 zwei Wicklungen 139, 141 und ihre zweite Spule 143 zwei Wicklungen 147, 149 aufweist. Die vier Wicklungen 139, 141, 147, 149 haben je einen ersten Anschluss 139a bzw. 141a bzw. 147a bzw. 149a und einen zweiten Anschluss 139b bzw. 141b bzw 147b bzw. 149b.
Die vier Wicklungen 139, 141, 147, 149 haben alle gleich viele Windungen und mindestens ungefähr die gleichen axialen Abmessungen. Die beiden Wicklungen 139, 141 der ersten Spule 135 haben vorzugsweise einen möglichst grossen, beispielsweise mindestens 0,9 und etwa 0,98 bis 1 betragenden Kopplungsfaktor. Die beiden Wicklungen 139, 141 können zum Beispiel derart gewickelt sein, dass in der bzw. jeder Lage jeweils eine Windung der Wicklung 139 neben einer Windung der Wicklung 141 verläuft. Die beiden Wicklungen 139, 141 können stattdessen derart gewickelt sein, dass abwechselnd eine Lage Windungen der Wicklung 139 und eine Lage Windungen der Wicklung 141 aufeinander folgen. Die Wicklungen 147, 149 der zweiten Spule 143 können analog in einer der für die Wicklungen der ersten Spule angegebenen Arten gewickelt sein.
Die Elektronikvorrichtung 161 der Einrichtung gemäss der Fig. 3 besitzt eine Stellungs-Erfassungsschaltung 163, eine Regelschaltung 165, eine von dieser steuer- und/oder regelbare erste Stromquelle 167 zur Erzeugung eines Stroms Im, nämlich eines Gleichstroms mit einer vom Wert der zu kompensierenden und zu messenden Kraft abhängigen, bei gegebener Kraft konstanten Stärke, eine Strom-Mess-Schaltung 169 und eine Anzeigevorrichtung 171. Diese Elemente der Elektronikvorrichtung 161 können im allgemeinen, soweit im folgenden nichts anderes angegeben wird, ähnlich ausgebildet sein wie die entsprechenden, um 100 kleinere Bezugsnummern aufweisenden Elemente der Elektronikvorrichtung 61.
Die Elektronikvorrichtung 161 weist des weitern eine zweite Stromquelle 173, eine dritte Stromquelle 175 und eine vierte Stromquelle 177 zur Erzeugung unabhängig von der Grösse der zu messeenden Kraft konstanter Gleichströme auf. Die Stromquelle 173 erzeugt beim Betrieb einen Gleichstrom Io, dessen Stromstärke gleich der vorgesehenen Maximal-Stromstärke Im,max des Stroms Im ist. Die beiden Stromquellen 175, 177 erzeugen beim Betrieb Gleichströme Io/2, deren Stärken je gleich der halben Maximal-Stromstärke Im,max sind. Zur Elektronikvorrichtung 161 gehören ferner, eine erste und eine zweite elektronische, elektrisch steuerbare Schaltvorrichtung 181 bzw. 183.
Die beiden Schaltvorrichtungen besitzen unter anderem je drei Anschlüsse 181a, 181b, 181c, bzw. 183a, 183b, 183c und können je eine analoge Funktion wie ein Umschalt-Relais ausüben, sind aber aus elektronischen Bauteilen gebildet, zu denen etwa Feldeffekt-Schalttransistoren gehören. Des weitern ist ein Taktgeber 185 vorhanden. Obschon alle vier Stromquellen 167, 173, 175, 177 aus Gleichstromquellen bestehen, bilden die drei Stromquellen 173, 175, 177 zusammen mit den Schaltvorrichtungen 181, 183 in noch beschriebener Weise eine Wechselstromquelle 189.
Der Ausgang der ersten Stromquelle 167 ist mit dem Anschluss 181a der ersten Schaltvorrichtung 181 verbunden. Deren Anschluss 181b ist mit dem ersten Anschluss 139a der Wicklung 139 verbunden, deren zweiter Anschluss 139b mit dem ersten Anschluss 147a der Wicklung 147 verbunden ist. Der Anschluss 181c der Schaltvorrichtung 181 ist mit dem ersten Anschluss 141a der Wicklung 141 verbunden, deren zweiter Anschluss 141b mit dem ersten Anschluss 149a der Wicklung 149 verbunden ist. Die zweiten Anschlüsse 147b, 149b der beiden Wicklungen 147 bzw. 149 sind direkt miteinander und mit der Strom-Mess-Schaltung 169 verbunden.
Der von der steuer- und/oder regelbaren ersten Stromquelle 167 erzeugte Strom Im kann mit der ersten Schaltvorrichtung 181 wahlweise durch die beiden in Serie geschalteten Wicklungen 139, 147 oder durch die beiden in Serie geschalteten Wicklungen 143, 149 hindurch geleitet werden und dann über die Strom-Mess-Schaltung 169 sowie die elektrischen Massen-Verbindungen der Elektronikvorrichtung 161 zur Stromquelle 167 zurückfliessen.
Die Wicklungen 139, 141 der ersten oder Kraftkompensations-Spule 135 sind derart gewickelt, dass der abwechselnd durch die eine oder andere der beiden Wicklungen fliessende, zur Kompensation der zu messenden Kraft dienende Strom Im in beiden Wicklungen 139, 141 in der gleichen Umlaufrichtung um die gemeinsame Achse der beiden Spulen herum fliesst und also in beiden Wicklungen der ersten Spule gleich gerichtete und zumindest praktisch identische Magnetfelder erzeugt. Die beiden Wicklungen 147, 149 der zweiten oder Korrektur-Spule 143 sind ihrerseits derart gewickelt, dass der durch die eine oder andere dieser Wicklungen fliessende Strom Im in beiden Wicklungen 147, 149 die gleiche Umlaufrichtung hat und dementsprechend gleich gerichtete und weitgehend identische Magnetfelder erzeugt.
Die vier Wicklungen sind derart miteinander verbunden, dass der Strom Im in der ersten Spule 135 in der einen und in der zweiten Spule 143 in der entgegengesetzten Umlaufrichtung um die gemeinsame Achse der beiden Spulen herum fliesst. Das vom Strom Im in der ersten oder Kraftkompensations-Spule 133 erzeugte, erste veränderbare Magnetfeld wird also durch das vom Strom Im in der zweiten oder Korrektur-Spule 143 erzeugte, zweite veränderbare Magnetfeld zumindest im wesentlichen in analoger Weise wie bei der anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Einrichtung kompensiert.
Der Ausgang der zweiten Stromquelle 173 ist mit dem Anschluss 183a der zweiten Schaltvorrichtung 183 verbunden, deren Anschluss 183b mit dem Anschluss 139a der ersten Wicklung 139 und mit der dritten Stromquelle 175 verbunden ist. Der Anschluss 183c der Schaltvorrichtung 183 ist mit dem Anschluss 141a der Wicklung 141 und mit der vierten Stromquelle 177 verbunden. Während der von der Stromquelle 173 über die Stromvorrichtung 183 den Anschlüssen 139a, 141a zugeführte Strom Io positiv ist und also zu den Wicklungen 139, 141 fliesst, sind die von den Stromquellen 175, 177 erzeugten Ströme Io/2 negativ und fliessen von den Wicklungen 139 bzw. 141 weg. Die beiden Stromquellen 175, 177 wirken also gewissermassen als Stromabzüge.
Es sei hier eingefügt, dass das Vorzeichen sowie die Richtung des von der Stromquelle 167 gelieferten Stromes und/oder die Vorzeichen und Richtungen der von den drei Stromquellen 173, 175, 177 gelieferten Ströme auch umgekehrt sein könnten. Der Taktgeber 185 hat einen an einen Ausgang der Strom-Mess-Schaltung 169 angeschlossenen Eingang und zwei Ausgänge, von denen der eine mit einem Steuer-Anschluss der Schaltvorrichtung 181 und der andere mit einem Steuer-Anschluss der Schaltvorrichtung 183 verbunden sind. Der Taktgeber 185 kann beim Betrieb zwei Folgen von etwa rechteckförmigen Spannungs-Impulsen erzeugen und diese als Steuersignale den beiden Schaltvorrichtungen zuführen. Die beiden Impulsfolgen haben die gleiche, konstante Periodendauer T, die vorzugsweise wesentlich kürzer ist als die Regelzeitkonstante der Regelschaltung 65.
Die Frequenz der Impulsfolgen beträgt vorzugsweise mindestens 100 Hz und beispielsweise 10 bis 20 kHz. Der Taktgeber 185 ist ausgebildet, um die beiden Impulsfolgen abhängig von der Stärke des Stroms Im phasenmässig gegeneinander zu verschieben. Die Phasenverschiebung ist dabei - in Zeiteinheiten gemessen - gleich (T/4)(1+Im/Io). Wenn der ein Mass für die zu messende Kraft, d.h. das zu wägende Gewicht gebende Wert des Stroms Im zwischen Null und der mit der vorgesehenen Maximal-Stromstärke Im,max identischen Stromstärke des Stroms Io ändert, wird also die in Zeiteinheiten ausgedrückte Phasenverschiebung zwischen T/4 und T/2 geändert.
Nun sollen anhand des in der Fig. 4 dargestellten Diagramms weitere Einzelheiten der Funktion der Elektronikvorrichtung 161 erläutert werden. Die in den beiden obersten Teil-Diagrammen der Fig. 4 gezeichneten Strich-Folgen 191 bzw. 193 stellen die Schaltzustände der Schaltvorrichtung 181 bzw. 183 in Abhängigkeit von der zuunterst im Diagramm auf der Abszisse aufgetragenen Zeit t dar. Dabei bezeichnen die auf den Ordinaten der beiden obersten Teil-Diagramme angegebenen Symbole a-b diejenigen Schaltzustände der beiden Schaltvorrichtungen 181, 183, bei denen Ströme von den Anschlüssen 181a bzw. 182a zu den Anschlüssen 181b bzw. 183b fliessen können und also die Anschlüsse 181a und 181b bzw. 183a und 183b gewissermassen leitend miteinander verbunden sind.
Die Symbole a-c bezeichnen dementsprechend diejenigen Schaltzustände der beiden Schaltvorrichtungen, in denen Ströme von den Anschlüssen 181a bzw. 183a zu den Anschlüssen 181b bzw. 183b fliessen. Jede Schaltvorrichtung 181, 183 wechselt beim Betrieb jeweils nach der Hälfte der Periodendauer T ihren Schaltzustand. Wie bereits erwähnt, sind die beiden vom Taktgeber 185 erzeugten Impulsfolgen und dementsprechend auch die Schaltzustand-Folgen der beiden Schaltvorrichtungen abhängig vom Wert des Stroms Im gegeneinander phasenverschoben. Die in der Fig. 5 dargestellte Phasenverschiebung zwischen den beiden Schaltzustand-Folgen gilt für einen Strom Im, dessen Wert gleich einem Viertel der Stärke des Stroms Io ist. In der Fig. 4 bezeichnen t1, t2, t3, t4, t5 Schalt-Zeitpunkte, in denen jeweils eine der beiden Schaltvorrichtungen 181, 183 ihren Schalt zustand ändert.
Die erste Schaltvorrichtung 181 leitet den beim Messen einer bestimmten Kraft konstanten Strom Im abwechselnd während einer halben Periodendauer durch die beiden Wicklungen 139, 147 und während einer halben Periodendauer durch die beiden Wicklungen 141, 149. Der über eine oder mehrere Periodendauern gebildete, zeitliche Mittelwert des durch eine einzelne Wicklung fliessenden Stroms Im ist also gleich der halben Stärke des Stroms Im. Anders ausgedrückt fliesst also von der ersten Stromquelle 167 im zeitlichen Mittel ein Strom Im/2 durch jede Wicklung. Der von der zweiten Stromquelle gelieferte Strom Io wird durch die zweite Schaltvorrichtung 183 abwechselnd während einer halben Periodendauer dem Anschluss 139a der Wicklung 139 und während einer halben Periodendauer dem Anschluss 141a der Wicklung 141 zugeführt.
Die beiden je als Stromabzug wirkenden Stromquellen 175 und 177 "ziehen" dann die eine Hälfte dieses Stromes Io direkt vom betreffenden Wicklungsanschluss und die andere Hälfte dieses Stroms Io über die vier Wicklungen ab. Wenn sich die Schaltvorrichtung 183 in Schaltzustand a-b befindet, fliesst also ein Strom Io/2 vom Wicklungsanschluss 139a der Reihe nach durch die vier Wicklungen 139, 147, 149, 141 zum Wicklungsanschluss 141a. Im Schaltzustand a-c der Schaltvorrichtung 183 fliesst dann ein Strom Io/2 vom Wicklungsanschluss 141a der Reihe nach durch die vier Wicklungen 141, 149, 147, 139. Die in der einen oder andern Richtung durch die vier Wicklungen fliessenden Ströme Io/2 überlagern sich dem abwechselnd durch die zwei Wicklungen 139, 147 oder 141, 149 fliessenden Strom Im.
Die Treppen - Linien 195, 197 im - von oben gezählt - dritten bzw. vierten Teil-Diagramm der Fig. 4 zeigen den durch die beiden Wicklungen 139 sowie 147 fliessenden Gesamtstrom bzw. den durch die beiden Wicklungen 141, 149 fliessenden Gesamtstrom. In den die beiden Treppen-Linien 195, 197 enthaltenden Teil-Diagrammen sind auch noch die Gleichströme Io sowie Im durch volle Linien und der im zeitlichen Mittel durch jede Wicklung fliessende Strom Im/2 durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. Die durch die Treppen-Linien 195, 197 dargestellten Gesamtströme sind je durch einen Wechselstrom gebildet, dessen positiven und negativen Teile aus abgestuften, nämlich zweistufigen Rechteck-Impulsen bestehen. Die positiven und negativen Teile haben alle die Dauer T/2, wobei aber die positiven Teile höher als die negativen Teile sind.
Die beiden Gesamtströme können je als Überlagerung, d.h. algebraische Summe des im zeitlichen Mittel von der ersten Stromquelle 167 durch alle Wicklungen hindurch geleiteten Stroms Im/2 und eines Wechselstroms Iw aufgefasst werden, dessen positive Halb-Teile - d.h. eckigen "Halbwellen" - in der Richtung des in der Fig. 3 beim Symbol Iw eingezeichneten Pfeils durch die vier Wicklungen fliessen. Die aus abgestuften Rechteck-Impulsen bestehenden, positiven und negativen Halb-Teile dieses Wechselstroms Iw haben dann zusätzlich zu gleichen Längen auch gleiche Höhen oder Amplituden A und gleiche Formen.
Der Wechselstrom Iw fliesst in den beiden Wicklungen 139, 141 der ersten oder Kraftkompensations-Spule 135 in jedem Zeitpunkt in einander entgegengesetzten Umlaufrichtungen um die Spulenachse herum und trägt daher nichts zur Kompensationskraft bei. Zudem kompensieren sich die vom Wechselstrom Iw in den beiden Wicklungen der ersten Spule erzeugten Magnetfelder gegenseitig. Entsprechendes gilt auch für die vom Wechselstrom Iw in den beiden Wicklungen 147, 149 der am Magneten befestigten, zweiten oder Korrektur-Spule 143 erzeugten Magnetfelder. Der Wechselstrom Iw verursacht also auch keine Änderungen der Magnetisierung der ferromagnetischen Teile des Magneten und keine Verzögerung der Messungen.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Wicklungen sowohl für die abwechselnd dem einen oder andern Wicklungspaar zugeführten Impulse des Stromes Im als auch für den Wechselstrom Iw paarweise stark gegengekoppelt sind, so dass die Wicklungen für die durch sie fliessenden Ströme praktisch rein ohmsche Widerstände darstellen und also keine Phasenverschiebungen verursachen.
Die abwechselnd durch die Wicklungen 139, 147 141, 149 fliessenden Ströme erzeugen in den Wicklungen Wärme, wobei die momentane Wärmeleistung in jeder Wicklung gleich dem Produkt elektrischen Widerstand der Wicklung mal dem Quadrat der momentanen Stärke des durch die betreffende Wicklung fliessenden Gesamtstromes ist. Wenn die Phasenverschiebung der vom Taktgeber 185 erzeugten Impulsfolgen und der Schaltzustand-Folgen der beiden Schaltvorrichtungen 181, 183 in der weiter vorne angegebenen Weise abhängig vom Wert des Stromes Im geändert wird, ist sowohl die in der ersten Spule 135 als auch die in der zweiten Spule von den durch diese Spulen fliessenden Strömen erzeugte, über eine oder mehrere Periodendauern des Wechselstroms gemittelte Wärmeleistung bei allen zwischen Null und Im,max liegenden Werten des Stromes Im gleich gross.
Dadurch kann verhindert werden, dass Änderungen der zu messenden Kraft durch Änderungen der Wärmeleistung Messfehler verursachen.
In der zweiten, am Magneten befestigten Spule stattfindende Änderungen der Wärmeerzeugung wirken sich normalerweise weniger störend aus als Änderungen in der ersten, bewegbar gehaltenen Spule. Man kann daher eventuell vorsehen, die Wärmeerzeugung nur in der ersten Spule konstant zu halten und dementsprechend nur die erste Spule mit zwei Wicklungen ausrüsten. Die den Anschlüssen 139b, 141b entsprechenden, zweiten Anschlüsse dieser Wicklungen könnten dann miteinander und mit dem ersten Anschluss der einzigen Wicklung der zweiten Spule verbunden werden.
Des weitern könnten die Schaltvorrichtungen 185 und die Wechselstromquelle 189 durch eine Wechselstromquelle der in der CH-A 648 121 und der dieser entsprechenden DE-A 3 136 171 offenbarten Art ersetzt werden. Ferner könnten auch andere in diesen Publikationen erwähnten Modifikationen in angepasster Form mit gewissen Merkmalen der vorgängig beschriebenen Einrichtungen kombiniert werden.
The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.
Such a device can, for example, be designed as a scale and have a support and a force transducer movably held by it with a load carrier for carrying the load to be weighed. The load carrier can be designed, for example, as a weighing pan for carrying a load that is not moved during weighing. However, the load carrier can possibly also form part of a metering device which has a conveyor belt sliding over the load carrier.
Generic devices are known from US Pat. No. 2,780,101, CH-A 550 392 and CH-A 594 236, which have a support and a pot magnet fastened to it with a jacket and a core. A force transducer movably held on the support has a first coil or force compensation coil with at least one winding, which is arranged in an air gap delimited by the magnet and serves to compensate for the force to be measured. Furthermore, a second coil or correction coil is present, which surrounds the core, is fastened to it and has at least one winding. Furthermore, there is also a position detector for determining the position of the force transducer and an electronic device which is electrically connected to the windings of the two coils and the position detector.
In the following, the first or the force compensation current is understood to mean the current flowing through the single winding of the first or force compensation coil or the entirety of the currents flowing through the windings of the first or force compensation coil. In an analogous manner, the term second current or correction current is intended to denote the current flowing through the single winding of the second or correction coil or the entirety of the currents flowing through the windings of the second or correction coil. When a measurement is carried out, the first current or at least one component thereof is regulated in such a way that the compensation force generated by the first current in cooperation with the existing magnetic field compensates for the force to be measured and acting on the force transducer. The first current then gives a measure of the force to be measured.
The compensation force is proportional to the mean value of the magnetic induction present in the area of the first coil. The magnetic field in the area of the first coil is composed of three components, namely the constant basic magnetic field generated by magnets, the first changeable magnetic field generated by the first current and dependent on its strength, and the one generated by the second current and the latter Strength-dependent, second changeable magnetic field. The first changeable magnetic field is directed in the area occupied by the winding of the first coil approximately at right angles to the coil axis and inwards in approximately half of the winding and outwards in the remaining part of the winding.
If one integrates the radial component of the magnetic induction of the first changeable magnetic field over the area occupied by the winding or the windings of the first coil and calculates the mean value of this radial component of the induction in the named area, the integral value and the mean value would ideally be the same Be zero. However, since the pot magnet is asymmetrical with respect to a plane perpendicular to its axis through the center of the air gap and the winding of the first coil itself is not completely symmetrical, the integral value mentioned and the mean value of the radial component of the magnetic induction of the first changeable magnetic field are also different from zero.
If only the constant basic magnetic field and the first changeable magnetic field were present, the latter would make the link between the force to be measured and the first current non-linear due to the non-zero size of its integral and mean values. According to US-A 2 780 101 and CH-A 550 392, this non-linearity is to be prevented by the second changeable magnetic field generated by means of the second coil. In other words, the second changeable magnetic field is intended to achieve a completely linear link between the force to be measured and the first or force compensation current.
Since the second coil is offset against the first coil along the coil axis and is not in the air gap, the field lines of the first changeable magnetic field generated by the first coil and the second changeable magnetic field generated by the second coil have strongly different shapes. The field lines of the first changeable magnetic field only run through those areas of the magnet that directly adjoin the air gap. The field lines of the second changeable magnetic field, on the other hand, run similarly to the field lines of the constant magnetic field generated by the magnet, at least for the most part along the entire magnetic circuit which is formed by the core and the jacket of the pot magnet and the air gap.
The similar devices known from US Pat. No. 2,780,101, CH-A 550,392 and CH-A 594,236 and also the other known devices have the disadvantage that the measured value determined after a change in the force to be measured only increases slowly approximates the actual value of the force to be measured. This phenomenon is referred to in technical jargon as creep of the measured value or relaxation, delays the determination of the correct value of the force to be measured during measurement and has a particularly disruptive effect after sudden changes in it. In the case of a device serving as a balance, for example, abrupt changes in the force to be measured always take place when the previously unloaded load carrier is loaded or relieved with a load to be weighed.
In known laboratory precision balances with which weights with an accuracy of approximately the 10th <7> -th part of the intended maximum weight can be weighed, the displayed measured value typically deviates by about the 10th a few seconds after the load to be weighed is placed on the load carrier of the balance <6> -th part of the maximum weight from the actual weight. A measurement time of around 10 minutes is then required to determine the true weight with the nominal measuring accuracy of the balance.
Since the sizes or strengths of the first stream and the second stream depend on the weight to be weighed, the heat generated by these streams in the coils also increases with increasing weight. This weight-dependent heat generation can cause measurement errors in various ways.
The invention is therefore based on the object of providing a device for measuring forces, in particular weights, which eliminates disadvantages of the known devices and in particular allows the true value of a force to be measured without any delay, the measure giving the force to be measured electrical current should nevertheless depend linearly on this.
It has now surprisingly been found that the time delay in determining the correct value of the force to be measured is at least to a large extent caused by the first changeable magnetic field generated by the first current or compensation current. If a correction coil according to one of the three publications cited several times (US-A 2 780 101, CH-A 550 392, CH-A 594 236) is present, the second changeable magnetic field generated by it probably also contributes to the above-mentioned temporal one Delay at. The occurrence of this time delay, which represents a considerable disadvantage, will now be discussed.
In the devices known from US Pat. No. 2,780,101, CH-A 550,392 and CH-A 594,236, one can possibly achieve by suitable adaptation of the correction current to the force compensation current that changes depending on the force to be measured, that the integral value mentioned above and the mean value of the radial component of the magnetic induction of the first changeable magnetic field present in the region of the first coil are canceled by the corresponding values of the magnetic induction of the second changeable magnetic field. However, because of the different shapes of the field lines of the first and second changeable magnetic fields mentioned, the two changeable magnetic fields inside the magnet do not cancel each other out.
In the magnetic areas adjacent to the air gap, the magnetic induction of the first changeable magnetic field is normally much larger in magnitude than the magnetic induction of the second changeable magnetic field, because the magnetic induction of the second changeable magnetic field in the air gap is only approximately the same as that described above is the mean of the induction of the first changeable magnetic field. The fact that the two changeable magnetic fields do not cancel each other inside the magnet delays the determination of their exact value when the force to be measured changes. Namely, if the currents flowing through the two coils change due to changes in the force to be measured, this causes changes in the magnetic field strengths of the magnetic fields generated by these currents.
These changes in the field strengths in the interior of the ferromagnetic, magnetically soft parts of the magnets adjoining the air gap in turn cause changes in the magnetization and thus in the magnetic induction. However, such changes in the magnetization and magnetic induction of the ferromagnetic material take a certain time and therefore follow the current changes causing them with a certain delay or relaxation, which is also dependent on the temperature of the ferromagnetic material. The changes in the magnetic induction that take place slowly and with delay after the sudden changes in current also cause changes in the induction in the air gap.
The delay in the changes in the induction inside the magnet therefore results in the fact that the measured value determined and displayed after a change in the force to be measured only slowly and delayedly approaches the actual value of the force to be measured.
The object is achieved according to the invention by a device with the features of claim 1. Advantageous refinements of the device emerge from the dependent claims.
As a precaution, it should be noted that the air gap is understood to mean the entire gap-shaped interruption of the magnetic circuit formed by the magnet, which is made of non-ferromagnetic material. If, for example, the second coil is in direct contact with an edge surface of a ferromagnetic part of the magnet and is fastened, the space occupied by the second coil is also included in the air gap, although the second coil naturally does not consist of air.
In a preferred embodiment of the device according to the invention, only the first coil can be moved with respect to the magnet along the common axis of the two coils and the second coil is rigidly attached to the magnet. In this case, only the first coil contributes to the compensation of the force to be measured. Accordingly, the first coil serves as a force compensation coil and the second coil as a correction coil. However, it is also possible to keep the second coil movable along the common axis of the two coils. In this case, the two coils can be connected to one another and to other parts of a force transducer - for example to the load carrier of a balance - by movable connecting and / or force transmission means such that they are displaced in opposite directions by a force to be measured.
These connecting and / or force transmission means can have, for example, at least one lever which is held on a support via a flexible joint and is also connected to the two coils or other movable parts, for example, via flexible joints. If both coils are movable and are directly or indirectly connected to one another in the manner described, both coils contribute to the compensation of the force to be measured and both also serve to cancel the magnetic field generated by the other coil. Each of the two coils then more or less performs the same double function and serves as a force compensation and correction coil.
The first coil can have only a single winding or two or even more windings. The second coil can also have one winding or two or even more windings. The first coil and the second coil advantageously have the same number of windings, so that a winding of the second coil can be assigned to the or each winding of the first coil.
The device can have an electronic device which is designed, for example, to conduct only a direct current through the or each winding of the first coil and the second coil, which current is constant over time when a certain force is measured. However, the electronics device can instead be designed to supply the windings of the coils with a time-periodically changing current, which can consist, for example, of a direct current with a superimposed alternating current and / or a sequence of current pulses.
If both coils each have only a single winding or several, but the same number of windings corresponding to one another in pairs, the electronic device advantageously conducts the windings of the two coils assigned to one another in pairs with currents with the same temporal profile - that is, either constant direct currents or in the same way changing over time Streams - too.
If the device is designed as a balance and if only the first coil is used for force compensation and has only a single winding, an electronic device belonging to the device can supply this winding with a current which is controlled by control circuit means in such a way that it is controlled both by the weight of the Force transducer caused preliminary or rest load as well as the weight to be weighed.
If the first coil has two windings with the same number of turns, the electronic device can be designed to supply them with currents which are composed of a direct current to compensate for the force to be measured and an alternating current which is in the two windings in opposite directions around the common one Axis of the coils flows around and therefore does not contribute to the force compensation, but is changed depending on the force to be measured in such a way that the mean value of the thermal power generated in the first coil over one or more entire periods of the alternating current is independent of the value of the force to be measured is. If the second coil also has two windings in this case, currents which change over time can then be passed through them in the same way, for example.
If the device is designed as a balance and the or each coil used for force compensation has two or more windings, one or a pair of these windings can serve, for example, to compensate for the preload or rest load, which is caused by the weight of the force transducer. Another winding or a different pair of windings can then be used to compensate for the net part of the weight.
An electronic device belonging to the device can accordingly be designed to provide the or each winding which serves to compensate for the preliminary or rest load with a manually adjustable current which remains constant after the setting during measurement and the or each winding which serves to compensate for the net part of the weight to supply a current which is regulated by an electronic control circuit of the electronic device in such a way that it compensates for the net part of the weight.
In an advantageous embodiment of the device, one coil encloses the other coil, for example the second coil being able to enclose the first coil. If each coil has only one winding, the dimensions of these two windings measured parallel to the common axis of the two coils are preferably at most 5% different from one another and, for example, exactly the same. Furthermore, the two ends of the windings of the two coils in the desired position of the force transducer are preferably at least approximately in pairs in the same radial plane perpendicular to the axis, so that the windings overlap in pairs at least approximately in the radial viewing direction.
It should be inserted here that the or each coil used for force compensation is temporarily shifted a little out of its nominal position during measurement, but after regulating the force compensation current by control circuit means, depending on their design, they are moved back at least approximately or even exactly into the nominal position can. If both coils have two or more and the same number of windings, the corresponding windings of the two coils can enclose in pairs and at least essentially cover one another when viewed radially.
As already mentioned further above, an electronic device belonging to the device can be designed to supply the coils with constant time currents or with direct or alternating currents that change periodically over time when measuring a certain force. Accordingly, the first changeable magnetic field generated by the first coil and the second changeable magnetic field generated by the second coil are either constant in time or periodically changing in time when a certain force is measured. If the force to be measured changes, the strengths of the currents and the magnetic field strengths as well as magnetic induction of the first and second changeable magnetic field are of course also changed.
The term “time average” is understood below to mean their constant value for currents and magnetic fields that are constant over time and their mean value averaged over a period for currents and magnetic fields that change over time.
The design of the electronic device normally belonging to the device is preferably matched to the design of the coils in such a way that when measuring, at least the temporal mean values and preferably also all instantaneous values of the magnetic induction of the magnetic field resulting from a superposition of the first and second changeable magnetic field both in the entire air gap and also in the interior of the magnet, more precisely, in its areas adjacent to the air gap, when the force to be measured changes less than the corresponding values of the first magnetic field.
If the force to be measured changes within a predetermined range, the stated values of the magnetic induction of the magnetic field formed by a superposition of the first and second magnetic fields should preferably be at least approximately and possibly even at least practically completely independent of the value of the force to be measured.
In a particularly advantageous embodiment of the device, the coils and the electronic device are designed in such a way that at least the temporal mean values and preferably all instantaneous values of the magnetic field strength and / or induction of the first and the second changeable magnetic field are at least approximately opposite to one another everywhere, so that the weaken the two changeable magnetic fields. Furthermore, at least the absolute amounts of the time averages and for example also the absolute amounts of all instantaneous values of the line integral of the magnetic field strength along a closed curve are at least approximately and for example exactly the same for both coils.
The curve along which the line integral is calculated should run partly through the inside of the coil in question and partly around it in such a way that the curve encloses once all turns of the or each winding of the coil in question. These two particularly advantageous properties of the two changeable magnetic fields, which relate to the direction of the magnetic field strength and / or induction and the line integral, can also be summarized by the requirement that at least the mean values and preferably all instantaneous values of the line integrals calculated for the two coils are the same Circulation directions along the integration curve - should have different signs and at least approximately or exactly the same absolute amounts.
These somewhat abstract definitions are to be explained for some particularly simple and advantageous embodiments. If both coils each have only a single winding and the currents consist of direct currents, the currents flowing through the two windings should flow in opposite directions around the common axis of the two coils. With only one winding each having coils, the value of said line integral is equal to the product number of turns times the current strength, so that the absolute amount of this product should be as large as possible for both coils. If, for example, both windings have the same number of turns, the currents flowing through these windings should also have the same absolute values.
If the two coils each have a winding, but the currents flowing through the two windings consist of alternating currents, the conditions previously specified for the circulating directions of the direct currents and the products mentioned should at least apply to the currents and values of the products averaged over a period and preferably for all current directions of circulation of the currents and values of the products apply.
If one positively counts the currents for a given direction of view parallel to the axis of the coils for currents flowing counterclockwise around the axis and negative for currents flowing clockwise around the axis, the two can make demands on the directions of rotation and values of the currents can be summarized that at least the temporal average and preferably all instantaneous values of the product calculated for the one coil should be at least approximately and preferably exactly the same as the corresponding negative value of the product calculated for the other coil.
If both coils have two or more windings with identical numbers of turns in pairs, the conditions specified for the directions of the magnetic fields and the line integrals can be met if the mutually assigned windings of the two coils and the currents flowing through these windings in pairs match the previous ones Fulfill coils with one winding each specified conditions. As such, two coils can be provided which have different numbers of windings and / or which have several windings, the number of turns of which are not identical in pairs. In these and other general cases, too, the relationships given above for the directions of the magnetic field strengths and / or induction and line integrals can be fulfilled.
If, for example, both coils have several windings which do not have the same number of turns, the conditions mentioned are met if the sum of the products calculated for the first coil and the sum of the products calculated for the second coil meet the conditions previously specified for the two products . If, for example, the one coil, for example the first coil, has two or more windings and the other coil has only a single winding, the sum of the products calculated for the coil with multiple windings should of course be at least approximately and preferably exactly equal to the corresponding negative value of the for the other spool of calculated product.
If the conditions given above for the magnetic field strengths and / or induction and for the line integrals are met in one way or another, the first and second changeable magnetic fields can be at each other at all those locations of the air gap as well as the magnet where the two magnetic fields are present, at least partially cancel. Since the windings of the two coils cannot be located exactly in the same area of the air gap, an absolutely perfect, but nevertheless an almost and practically complete, mutual cancellation of the two magnetic fields in the entire space is not possible.
Accordingly, it can be achieved that the spatial integral of the absolute amount of the induction of the magnetic field formed by superimposing the first and second changeable magnetic field over the entire space in which this field occurs has a much smaller value than the corresponding integral for the first changeable Magnetic field alone or for the second changeable magnetic field alone.
As explained above, a particularly advantageous embodiment of the device can substantially mutually cancel out the first and second changeable magnetic fields. However, the device can possibly be designed such that the two changeable magnetic fields have essentially the same directions everywhere. In this case, the current strengths of the currents flowing through the two coils can be matched to one another and to the design of the coils in such a way that the magnetic field strengths and / or induction of the magnetic field created by superimposing the two changeable magnetic fields everywhere and with all the forces to be measured at least in time averages and preferably at least approximately the same at each point in time.
If the magnetic field resulting from a superposition of the first and the second changeable magnetic field is essentially everywhere, where it is present, at least approximately independent of the value of the force to be measured and / or even disappears approximately in the entire force measuring range, this is of course also in Range of windings of the first and second coils the case. The link between the force to be measured and the force compensation current used to compensate it then becomes linear. Please refer to the discussion of the linearity problem in the introduction.
Since, in a device according to the invention, the magnetic induction of the field formed by superimposing the first and second magnetic fields can also be kept at least approximately constant and / or even at least approximately vanished for all values of the force to be measured, even inside the magnet Above all, also avoid the delay or relaxation in the introduction of the entire known prior art when determining the true value of the force to be measured. The time required to determine the true force after a sudden change in the force to be measured is then practically only dependent on the control time constant of the control circuit means of the electronic device. This control time constant can be, for example, around one second.
According to tests carried out with a device according to the invention designed as a precision laboratory balance, the true value of the weight within the nominal accuracy of the balance - i.e. 3 to 5 seconds after the load to be weighed was placed on the load carrier. for example with a maximum of about the 10th <7> th part of the intended maximum weight deviation from the true weight.
The subject of the invention will now be explained in more detail with reference to exemplary embodiments shown in the drawing. In the drawing shows
1 is a schematic section through a device serving as a balance, two coils, each with a winding, and a block diagram of its electronic device,
2 shows a section of FIG. 1 with part of the magnet, on a larger scale, some field lines of magnetic fields being indicated schematically,
3 shows a block diagram of the electronic device of a device in which the first and the second coil each have two windings, and
4 shows a diagram to illustrate the mode of operation of the electronic device with the block diagram according to FIG. 3.
1 shows a device for measuring forces, namely a balance. This has a housing which, together with the parts 3, 5 and other parts which are rigidly connected to one another, forms a support 1 which is immobile during measurement. A force transducer 11, which is provided at its upper end with a load carrier 13, namely a weighing pan for carrying the load 15 to be weighed, is held vertically movably on this with a parallel guide and arms 7 provided with bending joints 9.
An electrodynamic force compensator, designated as a whole by 21, has a magnet 23 attached to the support part 3, which is designed as a pot magnet and is rotationally symmetrical with respect to a vertical axis 25. The magnet 23 has a pot 27 with a radial end wall, a hollow cylindrical casing and an edge section which projects radially inwards at the end of the casing facing away from the end wall. A cylindrical core 29 fastened to the end wall is arranged in the pot. A pole disk 31 is fastened to the end of the core 29 facing away from the end wall. The pot 27 and the pole disk 31 consist of a ferromagnetic, magnetically soft material, namely pure or soft iron. The core 29 is permanently magnetic and consists, for example, of an aluminum-nickel-cobalt alloy.
The mutually facing, cylindrical surfaces of the inwardly projecting edge section of the pot 27 and the pole disk 31, which are coaxial with the axis 25, together delimit an air gap 33 which is particularly clearly visible in FIG. 2.
The force compensator 21 has a first coil 35, which serves as a force compensation coil 35 and has a coil body 37 consisting of a non-ferromagnetic material, for example a plastic, and a winding 39 with two connections 39a, 39b. The coil former 37 is rigidly connected to the force transducer 11. The first coil 35 can thus be displaced along the axis 25 like the force transducer. A second coil 43 or correction coil 43 has a coil body 45 made of non-ferromagnetic material, for example plastic, and a winding 47 with two connections 47a, 47b. The bobbin 45 is rigidly attached to the inwardly projecting edge portion of the pot 27, namely glued. The winding 47 is thus held by the coil body 45 at a distance from the cylindrical surface of the pot 27 which delimits the air gap on the outside.
However, it should be inserted here that the coil body 45 can also be omitted and the winding of the second coil can be designed to be self-supporting and attached directly to the edge section of the pot. The two coils 35, 43 and in particular their windings 39 and 47 are coaxial to the axis 25. The two windings 39, 47 have the same number of turns. The dimensions of the two windings 39, 47 measured parallel to the axis 25 are the same and somewhat smaller than the corresponding dimension of the air gap 33, so that the windings find their place completely in the air gap. When the force transducer 11 and the first coil 35 are in their desired position, the upper ends of the two windings lie in one and the same at right angles and radial plane to the axis 25. The same applies to the lower ends of the two windings.
In the desired position of the first coil, the two windings therefore completely overlap in the radial viewing direction to the axis 25.
The device has at least one position detector 51 for determining the position assumed by the force transducer 11 and thus also by the first or force compensation coil 35 with respect to the support 1 and the magnet 23. The position detector 51 can, for example, have at least one light source and at least one optoelectronic sensor or elements for capacitive or inductive determination of the position of the force transducer.
An electronic device 61 has a position detection circuit 63 electrically connected to the position detector 51, the output of which is connected to a control circuit 65. Among other things, this has an integral controller part. The output of the control circuit 65 is connected to an electronically controllable and / or regulatable current source 67. The electronic device 61 also has a current measuring circuit 69 which, among other things, has an analog / digital converter, the output of which is connected to a digital display device 71 for displaying the determined weight and / or the mass corresponding to it. The connections 39a, 47a of the two windings 39 and 47 are connected to the current source 67 by electrical connections, at least one of these connections being conducted via the current measuring circuit 69.
The connections 39b, 47b of the two windings 39, 47 are directly connected to one another in an electrically conductive manner. The two windings are therefore electrically connected in series and are also wound in such a way that the current passed through them during measurement by the current source 67 in the first coil in the flows in one direction and in the second coil in the reverse direction around the axis 25.
The permanent magnetic core 29 of the magnet 23 generates a magnetic field 81, of which some field lines are indicated in FIG. 2. These run along the magnetic circuit formed by the magnet 23 and the air gap 33. When the device's electronic device 61, e.g. the scale is in operation, the current source 67 generates a current Im, namely a direct current, which flows through the winding 39 of the first or force compensation coil 35 and through the winding 47 of the second or correction coil 43 and thus both the first or Force compensation current as well as the second or correction current forms.
The control circuit 65 controls and / or regulates the current source 67 in such a way that the current Im flowing through the winding of the first or force compensation coil 35 depends on the dead weight of the force transducer 11 and that of the dead weight of the first coil 35 and that of one, if any, on the Load 15 located and to be weighed load 15 is compensated for overall force exerted on the first movable coil 35 in cooperation with the magnetic field 81. If, for example, the previously unloaded force transducer 11 is moved downward from its desired position by placing a load 15 on the load carrier 13, the position detector 51 detects this deflection. The control circuit 65 then increases the strength of the direct current supplied by the current source 67 until the force transducer assumes its desired position again.
With constant load on the force transducer, the direct current flowing through the two coils 35, 43 is also constant. The strength or magnitude of the current is detected by the current measuring circuit 69 when weighing a load 15. The analog / digital converter of the current measuring circuit 69 then supplies the display device 71 with a digital signal which gives a measure of the weight and therefore of the mass of the load to be weighed. The current measuring circuit 69 is designed such that the dead weight of the force transducer 11 and the first coil 35 is subtracted during weighing, so that the display device 71 shows the weight of the load 15 alone and / or the mass corresponding to this weight.
The device can be designed, for example, to weigh loads up to a maximum weight that corresponds to a mass of 200 g, the error - expressed in mass units - being at most about 0.02 mg.
The current flowing through the winding 39 of the first coil 35 for force compensation generates a first magnetic field 83 which is dependent on the force to be measured and is therefore variable, of which some field lines are schematically indicated in FIG. 2. These lie in planes running through the axis 25. In the air gap 33 and in the two windings 39, 47, the field lines of the first magnetic field 83 run approximately radially to the axis 25. The magnetic field 83 is directed outwards in the upper part of the air gap 33 and inwards in the lower part of the air gap. The field lines are curved in the free areas above and below the air gap 33. In the regions adjoining the air gap, the pot 27 and the pole disk 31, the field lines of the first magnetic field 83 are curved or more or less vertical.
Incidentally, the first changeable magnetic field 83 is approximately with respect to a horizontal air gap center plane running through the center of the air gap 33, but is not normally completely symmetrical because the magnet is asymmetrical with respect to this air gap center plane. Since the current flowing through the winding 39 of the first coil 35 also flows through the winding 45 of the second coil 43, it generates a second changeable, not shown, magnetic field in the second coil. Its field lines have largely similar shapes to those of the first changeable magnetic field. Because of the great magnetic permeability of the soft iron forming the pot 27 and the pole disk 31, the field lines of the two changeable magnetic fields run practically the same, particularly both inside the pot and inside the pole disk.
Since the current for force compensation flows in the two windings in opposite directions around the axis 25, the magnetic field strengths of the two changeable magnetic fields generally have opposite directions. Because the two windings also have the same number of turns and the same axial dimensions, the first changeable magnetic field 83 and the second changeable magnetic field, not shown, raise each other everywhere and in particular in the air gap 33, in which the windings 39, 47 located therein as well as in the other Air gap adjacent areas of the magnet 23 practically completely.
As already discussed in the introduction, the first changeable magnetic field generated in the first coil, which is used for force compensation, after the application of the load 15 to be weighed to the load carrier 13 or after another load change, can cause no relaxation effects and no delays in the measurement. Likewise, the first magnetic field cannot impair the linearity of the connection between the load to be weighed and the force compensation current flowing through the first coil.
The variant of the device with the block diagram shown in FIG. 3 is mechanically similar to the device described with reference to FIGS. 1 and 2 and in particular also has a support, a force transducer movably held on it, a magnet attached to the support, a first coil 135 or force compensation coil 135 movable with respect to this and a second coil 143 or correction coil 143 fastened to the magnet. However, the device according to FIG. 3 differs from the device according to FIGS. 1 and 2 in that that its first coil 135 has two windings 139, 141 and its second coil 143 has two windings 147, 149. The four windings 139, 141, 147, 149 each have a first connection 139a or 141a or 147a or 149a and a second connection 139b or 141b or 147b or 149b.
The four windings 139, 141, 147, 149 all have the same number of turns and at least approximately the same axial dimensions. The two windings 139, 141 of the first coil 135 preferably have a coupling factor that is as large as possible, for example at least 0.9 and approximately 0.98 to 1. For example, the two windings 139, 141 can be wound in such a way that one turn of the winding 139 runs next to one turn of the winding 141 in the or each layer. Instead, the two windings 139, 141 can be wound in such a way that a layer of turns of the winding 139 and a layer of turns of the winding 141 alternate with one another. The windings 147, 149 of the second coil 143 can be wound analogously in one of the ways specified for the windings of the first coil.
The electronic device 161 of the device according to FIG. 3 has a position detection circuit 163, a control circuit 165, a first current source 167 that can be controlled and / or regulated by the latter, for generating a current Im, namely a direct current with a value of the value to be compensated for and force to be measured, for a given force constant strength, a current measuring circuit 169 and a display device 171. These elements of the electronic device 161 can, in general, unless otherwise stated below, be configured similarly to the corresponding ones by 100 smaller ones Elements of the electronic device 61 having reference numbers.
The electronic device 161 also has a second current source 173, a third current source 175 and a fourth current source 177 for generating constant direct currents regardless of the magnitude of the force to be measured. The current source 173 generates a direct current Io during operation, the current intensity of which is equal to the intended maximum current intensity Im, max of the current Im. During operation, the two current sources 175, 177 generate direct currents Io / 2, the strengths of which are equal to half the maximum current strength Im, max. The electronic device 161 further includes first and second electronic, electrically controllable switching devices 181 and 183, respectively.
The two switching devices each have three connections 181a, 181b, 181c, and 183a, 183b, 183c, among others, and can each perform an analogous function as a changeover relay, but are formed from electronic components, which include field-effect switching transistors. There is also a clock 185. Although all four current sources 167, 173, 175, 177 consist of direct current sources, the three current sources 173, 175, 177 together with the switching devices 181, 183 form an alternating current source 189 in the manner described below.
The output of the first current source 167 is connected to the connection 181a of the first switching device 181. Its connection 181b is connected to the first connection 139a of the winding 139, the second connection 139b of which is connected to the first connection 147a of the winding 147. The connection 181c of the switching device 181 is connected to the first connection 141a of the winding 141, the second connection 141b of which is connected to the first connection 149a of the winding 149. The second connections 147b, 149b of the two windings 147 and 149 are connected directly to one another and to the current measuring circuit 169.
The current Im generated by the controllable and / or regulatable first current source 167 can be passed with the first switching device 181 either through the two series-connected windings 139, 147 or through the two series-connected windings 143, 149 and then via the Current measuring circuit 169 and the electrical ground connections of electronic device 161 flow back to current source 167.
The windings 139, 141 of the first or force compensation coil 135 are wound in such a way that the current Im flowing alternately through one or the other of the two windings and used to compensate for the force to be measured in both windings 139, 141 in the same direction of rotation common axis of the two coils flows around and thus generates identically oriented and at least practically identical magnetic fields in both windings of the first coil. The two windings 147, 149 of the second or correction coil 143 are in turn wound in such a way that the current Im flowing through one or the other of these windings has the same direction of rotation in both windings 147, 149 and accordingly generates identically directed and largely identical magnetic fields.
The four windings are connected to one another in such a way that the current Im flows in the first coil 135 in one and in the second coil 143 in the opposite direction of rotation around the common axis of the two coils. The first changeable magnetic field generated by the current Im in the first or force compensation coil 133 is thus at least essentially in an analogous manner to that in the case of the second changeable magnetic field generated by the current Im in the second or correction coil 143 1 and 2 described device compensated.
The output of the second current source 173 is connected to the connection 183a of the second switching device 183, the connection 183b of which is connected to the connection 139a of the first winding 139 and to the third current source 175. The connection 183c of the switching device 183 is connected to the connection 141a of the winding 141 and to the fourth current source 177. While the current Io supplied by the current source 173 via the current device 183 to the connections 139a, 141a is positive and therefore flows to the windings 139, 141, the currents Io / 2 generated by the current sources 175, 177 are negative and flow from the windings 139 or 141 away. The two current sources 175, 177 thus act to a certain extent as current draws.
It should be inserted here that the sign and the direction of the current supplied by the current source 167 and / or the sign and directions of the currents supplied by the three current sources 173, 175, 177 could also be reversed. The clock generator 185 has an input connected to an output of the current measuring circuit 169 and two outputs, one of which is connected to a control connection of the switching device 181 and the other to a control connection of the switching device 183. During operation, the clock generator 185 can generate two sequences of approximately rectangular voltage pulses and supply these to the two switching devices as control signals. The two pulse sequences have the same, constant period T, which is preferably considerably shorter than the control time constant of the control circuit 65.
The frequency of the pulse trains is preferably at least 100 Hz and for example 10 to 20 kHz. The clock generator 185 is designed to phase-shift the two pulse sequences depending on the strength of the current Im. The phase shift - measured in time units - is equal to (T / 4) (1 + Im / Io). If it is a measure of the force to be measured, i.e. the value of the current Im to be weighed changes between zero and the current strength of the current Io identical to the intended maximum current Im, max, the phase shift, expressed in time units, between T / 4 and T / 2 is changed.
Further details of the function of the electronic device 161 will now be explained with reference to the diagram shown in FIG. 4. The stroke sequences 191 and 193 drawn in the two uppermost partial diagrams of FIG. 4 represent the switching states of the switching device 181 and 183 depending on the time t plotted on the abscissa at the bottom of the diagram of the two uppermost partial diagrams indicated symbols from those switching states of the two switching devices 181, 183, in which currents can flow from the connections 181a and 182a to the connections 181b and 183b and thus the connections 181a and 181b or 183a and 183b to a certain extent are conductively connected to each other.
The symbols a-c accordingly designate those switching states of the two switching devices in which currents flow from the connections 181a and 183a to the connections 181b and 183b. During operation, each switching device 181, 183 changes its switching state after half of the period T. As already mentioned, the two pulse sequences generated by the clock generator 185 and accordingly the switching state sequences of the two switching devices are phase-shifted with respect to one another depending on the value of the current Im. The phase shift shown in FIG. 5 between the two switching state sequences applies to a current Im, the value of which is equal to a quarter of the strength of the current Io. In FIG. 4, t1, t2, t3, t4, t5 denote switching times in which one of the two switching devices 181, 183 changes its switching state.
The first switching device 181 conducts the current Im, which is constant when measuring a certain force, alternately for half a period through the two windings 139, 147 and for half a period through the two windings 141, 149. The temporal mean value of the formed over one or more period durations current Im flowing through a single winding is therefore equal to half the strength of current Im. In other words, a current Im / 2 flows through each winding from the first current source 167 on average over time. The current Io supplied by the second current source is supplied by the second switching device 183 alternately to the connection 139a of the winding 139 for half a period and to the connection 141a of the winding 141 for half a period.
The two current sources 175 and 177, each acting as a current drain, then "draw" one half of this current Io directly from the relevant winding connection and the other half of this current Io via the four windings. When the switching device 183 is in switching state a-b, a current Io / 2 flows from the winding connection 139a in sequence through the four windings 139, 147, 149, 141 to the winding connection 141a. In the switching state ac of the switching device 183, a current Io / 2 then flows in sequence from the winding connection 141a through the four windings 141, 149, 147, 139. The currents Io / 2 flowing in one direction or the other through the four windings are superimposed on this alternating current flowing through the two windings 139, 147 or 141, 149.
The stair lines 195, 197 in the third and fourth partial diagram of FIG. 4, counted from above, show the total current flowing through the two windings 139 and 147 and the total current flowing through the two windings 141, 149, respectively. In the partial diagrams containing the two stair lines 195, 197, the direct currents Io and Im are also shown by full lines and the current Im / 2 flowing through each winding on average by a dash-dotted line. The total currents represented by the stair lines 195, 197 are each formed by an alternating current, the positive and negative parts of which consist of graduated, namely two-stage rectangular pulses. The positive and negative parts all have the duration T / 2, but the positive parts are higher than the negative parts.
The two total flows can each be used as an overlay, i.e. algebraic sum of the current Im / 2 conducted through the windings by the first current source 167 and an alternating current Iw, the positive half parts of which - i.e. square "half-waves" - flow through the four windings in the direction of the arrow drawn in FIG. 3 at the symbol Iw. The positive and negative half-parts of this alternating current Iw consisting of graded rectangular pulses then have the same heights or amplitudes A and the same shapes in addition to the same lengths.
The alternating current Iw flows in the two windings 139, 141 of the first or force compensation coil 135 in opposite directions around the coil axis at any time and therefore does not contribute to the compensation force. In addition, the magnetic fields generated by the alternating current Iw in the two windings of the first coil compensate one another. The same also applies to the magnetic fields generated by the alternating current Iw in the two windings 147, 149 of the second or correction coil 143 attached to the magnet. The alternating current Iw therefore also does not cause any changes in the magnetization of the ferromagnetic parts of the magnet and no delay in the measurements.
It should also be pointed out that the windings are strongly coupled in pairs both for the pulses of the current Im alternately supplied to one or the other pair of windings and for the alternating current Iw, so that the windings represent practically purely resistive resistances for the currents flowing through them so do not cause phase shifts.
The currents flowing alternately through the windings 139, 147 141, 149 generate heat in the windings, the instantaneous heat output in each winding being equal to the product of the electrical resistance of the winding times the square of the instantaneous strength of the total current flowing through the respective winding. If the phase shift of the pulse sequences generated by the clock generator 185 and the switching state sequences of the two switching devices 181, 183 is changed in the manner indicated above depending on the value of the current Im, both in the first coil 135 and in the second coil generated by the currents flowing through these coils and averaged over one or more periodic periods of the alternating current for all values of the current Im between zero and Im, max.
This can prevent changes in the force to be measured due to changes in the thermal output causing measurement errors.
Changes in heat generation that take place in the second coil attached to the magnet normally have less of an adverse effect than changes in the first coil that is kept movable. One can therefore possibly provide to keep the heat generation constant only in the first coil and accordingly equip only the first coil with two windings. The second connections of these windings corresponding to the connections 139b, 141b could then be connected to one another and to the first connection of the single winding of the second coil.
Furthermore, the switching devices 185 and the alternating current source 189 could be replaced by an alternating current source of the type disclosed in CH-A 648 121 and the corresponding DE-A 3 136 171. Furthermore, other modifications mentioned in these publications could also be combined in an adapted form with certain features of the devices described above.