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Selbsttätige, nur eine Einspiellage aufweisende Waage Die Erfindung
betriff.t eine selbsttätige, nur eine Einspiellage aufweisende Waage mit einem Waagebalken,
an welchem eine mechanische, mittels eines Verstelltriebes änderbare Lastausgleichskraft
und eine zusätzliche, den lastabhängigen Auslenkungen des Waagebalkens entgegenwirkende
Gegenkraft angreift, wobei diese Gegenkraft in der Einspiellage des Waagebalkens
Null ist.
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Eine mit einer derartigen Vorrichtung versehene automatische Waage
kann als ein Steuerkreis betrachtet werden, bei dem entweder die Kraft des Lastausgleichs
auf die Lastkraft oder die Größe der Lastkraft auf die Größe der Kraft des Lastausgleichs
ausgesteuert wird. Dieser Steuerkreis erhält den Sollwert durch die vorgegebene
Größe der Lastkraft oder Lastausgleichskraft. Ihm wird der Istwert, der die auszusteuernde
Größe der Lastausgleichskraft oder der Lastkraft sein kann, gegenübergestellt. Bei
diesem mittels des Hebelwerkes der Waage vorgenommenen Vergleich ergibt sich die
Differenzkraft als Steuergröße. Die Differenzkraft verursacht über die Steuerungsvorrichtung
eine Aussteuerung des Istwertes auf den vorgegebenen Sollwert, z.B. bei vorgegebener
Last durch Steuerung der Verstellung des Laufgewichtes an der Auswägevorrichtung
oder bei vorgegebener Kraft des Lastausgleichs durch Steuerung des Antriebes eines
Lastzuteilers, d. h. durch die Zuführung von Schüttgut zum Wägebehälter und dadurch
eine Veränderung der Last. Durch die Aussteuerungsvorgänge. und die durch diese
bewirkten Änderungen der Istwerte ändert sich auch die Differenzkraft und damit
die Steuergröße.
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Um eine schnellstmögliche Aussteuerung und damit Wägung zu erreichen,
muß eine weitgehende Trägheitslosigkeit zur Erfassung der Steuergröße erreicht werden.
Durch die Masse der Last des Lastträgers, des Hebelwerkes und der Lastausgleichsvorrichtung
der Waage ergibt sich eine Massenträgheit und dadurch eine kleine Eigenfrequenz
des mechanischen Systems. Die Eigenfrequenz ist nun der sogenannten Reaktionsgeschwindigkeit
proportional, d. h. der Geschwindigkeit, in der eine vorgenommene Änderung des Istwertes
und damit auch der Differenzkraft zu einer entsprechenden Änderung der Größe der
Verstellung, z. B. des Gewichtshebels, führt. Da diese Verstellung erst eine Erfassung
der Differenzkraft und damit der Steuergröße zuläßt, kann also eine Waage nur so
schnell ausgesteuert werden wie die Trägheit des mechanischen Systems dies zuläßt,
was besonders bei kleinen Differenzkräften von Bedeutung ist. Eine Erhöhung der
Wägegeschwindigkeit läßt sich also nur durch Vergrößerung der Reaktionsgeschwindigkeit,
d. h. der ihr proportionalen Eigenfrequenz des mechanischen Systems erreichen. Andererseits
bringt aber eine sehr schnelle Reaktionsgeschwindigkeit und eine durch diese bedingte
hohe Eigenfrequenz mechanischer Systeme den wesentlichen Nachteil mit sich, daß.äußere
Schwingungen, die meist in Form von Bodenschwingungen im Bereich kleinerer Frequenzen
liegen, leichter aufgenommen werden. Dies führt einmal zur Verfälschung der Steuergröße
und damit des Meßergebnisses, zum anderen aber auch zu Resonanzschwingungen des
mechanischen Systems. Eine vollkommene Abschirmung gegen Schwingungen ist jedoch
besonders bei großen Waagen mit schweren Fundamenten meist nicht möglich.
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Bei den bekannten Waagen der eingangs angeführten Gattung ist eine
einstellbare, jedoch im gesamten Auslenkungsbereich des Waagebalkens in konstanter
Größe wirkende mechanische Gegenkraft vorgesehen. Stellt man hier eine eine schnelle
Aussteuerung, d. h. hohe Reaktionsgeschwindigkeit, bewirkende Gegenkraft ein, so
hat dies eine entsprechend geringe Empfindlichkeit des Wägesystems und damit ungenaue
Wägeergebnisse zur Folge. Bemißt man hingegegen die Gegenkraft so, daß genauere
Wägeergebnisse erzielbar sind, so führt dies zwangsweise zu einer entsprechenden
Herabsetzung der Reaktionsgeschwindigkeit.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, diesen Schwierigkeiten zu begegnen
und trotz größtmöglicher Reaktions- und damit Wägegeschwindigkeit eine hohe Genauigkeit
zu erreichen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Gegenkraft
von einem Elektromagneten darstellbar ist, welcher in an sich bekannter Weise von
einem die Auslenkungen des Waagebalkens in eine elektrische Größe (Meßgröße) umsetzenden
Geber steuerbar ist, derart, daß die elektromagnetische Gegenkraft in einem vorbestimmten
Verhältnis zum Ausschlag erhöht wird,
und demgemäß die Empfindlichkeit
der Waage entsprechend der Auslenkung herabgesetzt wird.
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Eine geringe zusätzliche Gegenkraft in der Nähe der Einspiellage
bewirkt in diesem Bereich eine niedrige Eigenfrequenz des Wägesystems, damit eine
hohe Wägegenauigkeit, während durch die Erhöhung der Gegenkraft mit zunehmender
Auslenkung aus der Einspiellage, also in einem Bereich, in dem es auf eine hohe
Genauigkeit nicht ankommt, die Eigenfrequenz erhöht und damit die Reaktionsgeschwindigkeit
vergrößert wird.
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Da mit zunehmender Auslenkung des Auswägegliedes aus der Einspiellage
heraus eine hohe Eigenfrequenz und größere Rückstellkräfte auftreten, ist es vorteilhaft,
den Dämpfungswiderstand in entsprechendem Maße zu vergrößern, um Schwingungsvorgänge
und Pendelungen der Aussteuerung zu vermeiden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
wird daher in an sich bekannter Weise durch die Meßgröße auch die Dämpfung der Auswägevorrichtung
gesteuert. Während bei vorgegebenem Trägheits-und Richtmoment bei einer Magnetdämpfung
mit konstanter Feldstärke eine streng geschwindigkeitsproportionale Dämpfung auftritt,
wird von dieser Gesetzmäßigkeit zufolge der zusätzlichen Abhängigkeit der Dämpfung
von der Auslenkung abgewichen und damit eine von der Eigenfrequenz des Wägesystems
unabhängige Dämpfung erreicht.
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Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kommt bei Auslenkungen
des Waagebalkens innerhalb eines festgelegten Bereiches um die Einspiellage der
Elektromagnet nicht zur Wirkung. In der Nähe der Einspiellage, wo eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit
nicht erforderlich ist, ist damit keine zusätzliche Gegenkraft vorhanden, die Eigenfrequenz
des Wägesystems ist damit optimal niedrig, die Genauigkeit somit groß.
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In zweckmäßiger Weise stehen die von der Meßgröße steuerbaren Elemente
(Elektromagnet, Lastausgleichskraft, Lastkraft, Dämpfung einzeln oder in einer vorbestimmten
Zusammensetzung in an sich bekannter Weise in einem nicht4inearen Verhältnis zur
Meßgröße. Damit nimmt mit zunehmender Auslenkung und zunehmender Größe der Differenzkraft
das der Auslenkung entgegenwirkende Magnetfeld wesentlich stärker zu. Dies bewirkt
eine exponentlale Steigerung der Rückstellkräfte und damit eine nicht sprunghafte
Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit des mechanischen Systems mit zunehmender Auslenkung
und zunehmender Differenzkraft. Durch die eintretende Vergrößerung der Reaktionsgeschwindigkeit
ist es sodann auch möglich, die Verstellgeschwindigkeit des Lastausgleichs bzw.
der Lastzu- oder -abfuhr zu vergrößern. Die durch diese Vergrößerung eintretenden
schnelleren Änderungen der Differenzkraft werden durch entsprechende schnellere
Reaktionen erfaßt, die wiederum eine schnellere, der Änderung der Differenzkraft
entsprechende Steuerung bewirken. Damit kann man dem für derartige Aussteuerungen
idealen Ziel nahekommen: eine zur Reaktionsgeschwindigkeit proportionale Verstellgeschwindigkeit
für Lastausgleich oder Lastzu- bzw.
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-abfuhr und damit eine quasi asymptotische Einlaufsteuerung. Dies
bedeutet kürzestmögliche Wägezeit.
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Um die Waage nach der Erfindung in bezug auf Wägegenauigkeit und
Wägeschnelligkeit unterschiedlichen Anforderungen anzupassen, ist in weiterer Ausbildung
vorgesehen, das Verhältnis zwischen der
einer Steuervorrichtung zugeführten Meßgröße
und der von der Steuervorrichtung an den Verstellantrieb abgegebenen Steuergröße
änderbar ist. In bevorzugter Ausgestaltung ist diese Anderung in Abhängigkeit von
der ersten Ableitung der Meßgröße nach der Zeit durchführbar.
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In der Praxis ist jedoch meistens nicht nur die erste Ableitung maßgebend,
sondern es werden auch die Ableitungen höherer Ordnung noch einen vorbestimmten
Einfluß haben.
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Vorteilhaft kann es schließlich sein, daß Lastausgleichs- und Lastzufuhr-
bzw. Lastabzugsvorrichtungen gleichzeitig in vorbestimmbarem oder regelbarem Verhältnis
steuerbar sind.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Der Laufgewichtshebell ist mittels der Achse 2 ortsfest gelagert.
An der Schneide 3 ist die Lastschale 4 direkt oder unter Zwischenschaltung eines
nicht gezeichneten Hebelwerkes angehängt. Am Laufgewichtshebel 1 ist das Laufgewicht
5 durch die Spindel 6, die vom Motor 7 gedreht wird, verschiebbar angeordnet An
der Gabel 9 des Hebels 1 ist der Kern 10 eines induktiven Gebers, dessen Spulen
11 ortsfest gelagert sind, angebracht. In die ortsfesten Spulen 13, 14 ragen die
am Hebel 1 befestigten Weicheisenkerne 15, 16. Das am Hebel 1 befestigte Dämpfungsschwert
17 greift in einen Schlitz des ringförmigen Wirbelstrommagneten 18, der durch die
Spule 19 erregt wird.
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Die Lastschale 4 wird durch die Förderschnecke 20. mit dem Material
aus dem Silo 21 gefüllt. Die Schnecke 20 wird vom Motor 22 angetrieben.
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Die Steuervorrichtung ist mit dem induktiven Geber 10-11, der die
Auslenkung des Laufgewichtshebels 1 erfaßt und in eine elektrische Steuergröße (Meßgröße)
umwandelt, und mit den beiden Spulen 13, 14, durch die das der Auslenkung entgegenwirkende
Magnetfeld hervorgerufen wird, verbunden. Ein weiterer Anschluß ist für die Wirbelstrombremse
18 vorgesehen und für die zu steuernden Verstellantriebe 7, 22 und 28.
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Die Arbeitsweise der Wägeeinrichtung ist für Wägung und Abwägung
ausgelegt. Zur Abwägung wird durch Einschalten des Motors 7 das Laufgewicht 5 durch
Drehen der Spindel 6 in eine Sollgewichtsstellung gebracht. Bei leerer Lastschale
ist jetzt die am induktiven Geber eine Verstellung bewirkende Differenzkraft durch
die Größe des Sollgewichts bestimmt. Durch Einschalten des Motors 22 der Förderschnecke
20 wird jetzt Material aus dem Silo 21 über die Schnecke 20 in die Lastschale 4
gefördert. Die Last nimmt zu und die Differenzkraft dadurch ab.
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Die dem Sollgewicht entsprechende Differenzkraft würde eine verhältnismäßig
große Auslenkung des Laufgewichtshebels 1 bewirken. Dies wird dadurch verhindert,
daß über die Steuervorrichtung 24 in der Spule 13 ein zu der Auslenkung in einem
vorbestimmten Verhältnis stehendes Magnetfeld hervorgerufen wird, welches auf den
Eisenkern 15 wirkt und dadurch den Laufgewichtshebel 1 in eine Stellung zurückzieht,
in der die Differenzkraft und die durch das Magnetfeld bewirkte Kraft annähernd
im Gleichgewicht stehen. Um die Auslenkung zu begrenzen, können auch zusätzliche
Anschläge 25, 26, die nur eine begrenzte Bewegung des Laufgewichtshebels 1 nach
oben und unten zulassen, vorgesehen werden.
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Diese Anschläge können auch als elektrische Kontakte ausgebildet sein.
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Mit zunehmender Füllung der Lastschale 4 geht der Istwert immer mehr
auf die Größe des Sollwertes zu, und die Differenzkraft wird immer kleiner. Hierdurch
verkleinert sich einerseits die Größe der Dämpfung an der Wirbelstrombremse 18,
die Größe des Magnetfeldes, hervorgerufen durch Spule 13 und die Verstellgeschwindigkeit
des Motors 22 infolge der zur Steuergröße in einem vorbestimmten Verhältnis stehenden
Aussteuerung. Mit zunehmender Annäherung an die vorgegebene und durch den induktiven
Geber erfaßte Einspiellage nimmt die relative Größe der Auslenkung zu und die Kraft
des durch die Spule 13 hervorgerufenen Magnetfeldes ab. Hierdurch wird eine immer
größere Genauigkeit der Differenzkrafterfassung und damit der Wägung bei verminderter
Rückstellkraft und damit geringerer Eigenfrequenz erreicht. Dies führt zu einer
immer genaueren Aussteuerung aller angeschlossenen Geräte, bis die Einspiellage
erreicht ist und damit alle an die Steuervorrichtung angeschlossenen Geräte abgeschaltet
werden.
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In diesem Zustand wird die Waage nicht mehr durch das Magnetfeld beeinflußt,
und die Dämpfung kann entweder ganz abgeschaltet werden oder die Wirbelstrombremse
18 erhält eine vorbestimmte Grundspannung, die ein hochempfindliches Einspielen
ohne verzögernde Dämpfungswirkung zuläßt. Ist mit Schwingungseinflüssen zu rechnen,
z. B. durch Pendeln der Lastschale, so kann über die Steuervorrichtung 24 durch
Einschalten einer höheren Spannung eine entsprechend stärkere Dämpfung durch die
Wirbelstrombremse 18 in der Einspiellage hervorgerufen werden.
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Soll eine in die Lastschale eingebrachte Last gewogen werden, so
wird an Stelle des Motors 22 der Motor 7 gesteuert. Wurde beim vorherigen Beispiel
die Last auf einen vorbestimmten Istwert gebracht, so wird jetzt die Last zum Sollwert,
und der Istwert entspricht der Stellung des Laufgewichts 5. Durch Verstellen des
Laufgewichtes 5 wird die Differenzkraft in der bereits angegebenen Weise auf Null
ausgesteuert.
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Es ist in gleicher Weise möglich, einen veränderlichen Sollwert,
z.B. durch kontinuierliche, zeitabhängige Verstellung des Laufgewichts 5, hervorzurufen
und durch Aussteuerung des Motors 22 eine der vorgegebenen Gewichtsänderung entsprechende
Laständerung vorzunehmen. Diese Laständerung kann auch negativ sein, z.B. wenn eine
Förderschnecke 27 mit Antriebsmotor 28 unter der Lastschale angebracht ist und entsprechend
der rückläufigen Verschiebung des Laufgewichts eine abnehmende Laständerung auszusteuern
ist. Hierbei kann die Aussteuerung in vorbestimmbarem oder regelbarem Verhältnis
erfolgen.
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Analog kann man auch verfahren, wenn durch Fließen der Last in oder
aus der Lastschale ein sich laufend ändernder Sollwert vorhanden ist, dem durch
Verschiebung des Laufgewichts ein Istwert nachgesteuert werden soll.
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An Stelle des induktiven Gebers können auch Geber vorgesehen werden,
bei denen die Bildung der Steuergröße durch Änderung des Widerstandes, der Frequenz,
des Stromes, der Spannung, Induktivität, Kapazität eintritt. An Stelle der angegebenen
Laufgewichtsauswägevorrichtung können auch andere Auswägevorrichtungen, bei denen
die Kraft oder der
Krafthebelarm durch Verstellantriebe zu ändern sind, vorgesehen
werden.