DE2246500C2

DE2246500C2 - Kraft- oder Längenmessgerät

Info

Publication number: DE2246500C2
Application number: DE2246500A
Authority: DE
Inventors: Eugen Meilen Meier
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Instrumente AG
Priority date: 1971-11-23
Filing date: 1972-09-22
Publication date: 1984-08-09
Also published as: CH538683A; GB1348615A; JPS5321308B2; US3788134A; DE2246500A1; FR2166912A5; JPS4860967A; NL7212392A

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraft- oder Längenmeßgerät mit einem Träger, der mittels eines Parallelführungssystems am festen Teil des Geräts gelagert ist und der von einer auf ihn einwirkenden Last von einer Ausgangsstellung in eine Auslenkstellung gegen die Wirkung einer rückstelienden Kraft bringbar ist, die zumindestens teilweise von wenigstens einer zwischen dem Träger und dem festen Teil angeordneten Feder erzeugt wird, deren Federkonstante temperaturabhängig ist, wobei zwischen dem Träger und dem festen Teil eine der Kompensation von durch Temperaturänderungen bedingten Empfindlichkeitsfehlern dieser Feder dienendes Kompcnsationsglied angeordnet ist.

Bekannt ist eine oberschalige Präzisionswaage (DE-AS 12 64 089) mit den vorgenannten Merkmalen, bei der ein Bestandteil des den Schalenträger lagernden Parallelführungssystems als Waagebalken ausgebildet ist, der ein Gegengewicht für den Ausgleich des Gewichts von Schalenträger und Last trägt. Zur Tarierung bzw. zum Auswägen von Gewichtsunterschieden sind zwischen dem Schalenträger einerseits und einem am festen Teil (Waagengestell) gehaltenen und zu diesem relativ verstellbaren Halteglied andererseits zwei Federn so ausgespannt, daß bei einer Relativbewegung von Schalcnträger und Halleglied die eine Feder gespannt und die andere Feder in gleichem Maße entspann! wird. Mit dieser speziellen Federanordnung wird der Zweck verfolgt, die beim Einsatz nur einer Feder von dieser hervorgerufene Nichtlinearität und auch einen Horizontierungsfehler mindestens teilweise zu ver-

meiden. Für oberschalige Präzisionswaagen ist es ferner bekannt, in Reihe oder parallel zu einer in ihrer Federkonstante temperaturabhängigen Tarierfeder eine im gleichen Sinne beanspruchte zweite Feder unterschiedlicher Bauart und Beschaffenheit anzuordnen und dadurch den Temperatureinfluß auf die Waagen-Empfindlichkeit zu reduzieren. Die zweite Feder beteiligt sich aufgrund ihrer gegebenen Anordnung am Ausgleich des zu tarierenden Gewichts und bedarf einer entsprechenden sorgfältigen Ausbildung und Aufhängung, um zu vermeiden, daß sie zu einer neuerlichen Fehlerquelle, insbesondere zur Einbringung einer Nichtlinearität führt

Ein älterer Vorschlag (DE-OS 22 19 727) betrifft die Verwendung einer Magnetanordnung, welche auf einen über elastische Mittel mit einer Meßsaite verbundenen Lastaufnehmer eine bezüglich des von ihr durchlaufenen Weges nichtlineare zusätzliche Kraft ausübt, dergestalt, daß eine Linearisierung der Frequenz-Last-Kennlinie der Meßsaite erzielt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Kraft- oder Längenmeßgeräten die Einflüsse von Temperaturschwankungen mit relativ einfachen Mitteln zu verringern.

Eine Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei einem Kraft- oder Längenmeßgerät der eingangs genannten Art das Kompensationsglied aus einer Permanentmagnetanordnung besteht, daß die Permanentmagnetanordnung wenigstens ein Paar zusammenwirkender, in Abstand voneinander angeordneter Magnete aufweist, deren Magnetkraft sich temperaturabhängig ändert, daß von jedem Magnetpaar jeweils ein Magnet mit dem Träger und der andere Magnet mit dem festen Teil verbunden ist, wobei die Permanentmagnetanordnung so ausgelegt ist, daß die temperaturbedingte Änderung ihrer auf den Träger ausgeübten Kraft kompensierend (entgegengesetzt) zur temperaturabhängigen Änderung der Federkonstante der als Meßglied des Geräts dienenden Feder verläuft.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraft- oder Längenmeßgerät, mit einem am festen Teil des Geräts beweglich gelagerten Träger, an den die Last angreift und der eine der Last entsprechende Kraft auf das eine Ende einer am anderen Ende mit dem festen Teil des Geräts verbundenen, das Meßglied bildenden Saite überträgt, welche zu Schwingungen angeregt ist, deren Frequenzänderung ein Maß für die Kraft und damit die Last bildet, wobei ein Kompensationsglied zur Kompensation von Meßfehlern vorgesehen ist, welche aui temperaturbedingte Änderungen der die Eigenfrequenz der Saite bestimmenden physikalischen Eigenschaften beruhen. Bei einer in diesem Sinne ausgebildeten Waage (»Instrument and Control Systems«, 42 (1570) 2, S. 58—61) greift eine erste Saite an der einen Seite des als Waagebalken ausgebildeten beweglichen Trägers so an, daß sie mit zunehmender Gewichtsaufgabe auf die Lastschale stärker gespannt wird. Zur Kompensation von Nichtlinearitäten und Temperatureinflüssen in der Frequenz-Last-Kennlinie dieser ersten Saite greift auf der anderen Seite des Waagebalkens eine zweite Saite dergestalt an, daß sie bei Belastung der ersten Saite entspannt wird und umgekehrt, wobei aus den Frequenzen der beiden Saiten eine weniger fehlerbehaftete Differenzfrequenz abgeleitet wird. Eine solche Anordnung bedingt jedoch eine im Verhältnis zur erzielten Verbesserung des Wägetrgebnisses erheblichen Aufwand.

Einö Weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besteht für das erwähnte Kraft- oder Längenmeßgerät mit einem am festen Teil des Geräts beweglich gelagerten Träger, an dem die Last angreift und der eine der Last entsprechende Kraft auf das eine Ende einer am anderen Ende mit dem festen Teil des Geräts verbundenen, das Meßglied bildenden Saite überträgt, welche zu Schwingungen angeregt ist, deren Frequenzänderungen ein Maß für die Kraft und damit die Last bildet, wobei ein Kompensationsglied zur Kompensation von Meßfehlern vorgesehen ist, welche auf temperaturbedingte Änderungen der die Eigenfrequenz der Saite bestimmenden physikalischen Eigenschaften beruhen darin, daß in an sich bekannter Weise der Träger mittels eines Parallelführungssystems am festen Teil gelagert ist, daß in mechanischer Parallelschaltung zu der Saite eine erste Permanentmagnetanordnung zur Kompensation einer temperaturbedingten Nullpunktverschiebung vorgesehen ist, welche aus einem Paar zusammenwirkender, in Abstand voneinander befindlicher Magneten besteht, deren ungleichnamige Pole einander zugekehrt sind und deren anziehende Magnetkraft mit steigender Temperatur abnimmt, wobei die ^rmanentmagnetanordnung so ausgelegt ist, daß die &2gr<etkraftändcrung die temperaturbedingte Resonanzfrequenzänderung der Saite kompensiert und/oder daß eine zweite Permanentmagnetanordnung zur Kompensation von Empfindlichkeitsänderungen bedingt durch das temperaturabhängige Verhalten von zur Linearisierung der Frequenz-Lastfunktion der Saite vorgesehener Magnete bzw. von temperaturbedingten Empfindlichkeitsänderungen der Seite zwischen dem festen Teil und dem über eine Feder mit der Saite verbundenen Träger vorgesehen ist, weiche Permanentmagnetanordnung aus zwei Paaren in ihrer Magnetkraft temperaturabhängigen Magneten besteht, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß sich die Magnete des einen Paares anziehen und die des anderen Paares abstoßen und daß bei einer Bewegung des Trägers sich der Abstand des einen Magnetpaares verkleinert und der Abstand des anderen Magnetpaares vergrößert und umgekehrt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen erläutert, iii denen zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht einer als Kraftmesser arbeitenden oberschaligen Waage mit einer MtBsaite;
F i g. 2 eine Saitenansicht einer Federwaage und

F i g. 3 eine abgeänderte Ausführungsform der Federwaage gemäß F i g. 2.

Die Saitenwaage nach F i g. 1 weist ein Parallelführsystem mit den Lenkern 3,3' sowie eine Waagschale 4 und deren Träger 5 auf, wobei letztere derart angebracht

so sind, daß sie unter dem Einfluß einer Last P vertikal beweglich sind. An einem Ausleger 6 des Trägers 5 greift eine Zugfeder 7 an, an deren anderem Ende als Mitglied eine Meßsaite 8 angeschlossen ist,deren zweites Ende am festen Teil der Waage fixiert ist. Die Meßsaite 8 verfügt üüer in bekannter Weise wirkende, hier nicht dargestellte Mittel, welche sie zu Querschwingungen anregen, deren Frequenz sich unter dem Einfluß der Last P verändert. Diese Frequenzänderung bildet ein Maß für die Größe der Last P und wird mit ebenfalls

bo bekannten elektronischen Mitteln ausgewertet bzw, zur Anzeige gebracht.

An der Verbindungsstelle von Zugfeder 7 und Meßsaite 8 ist ein Ausleger 9 befestigt und über elastische Gelenke 9a mit d?m festen Teil der Waage verbunden.

Der Ausleger 9 trägt einen Magneten 11. Mit diesem wirkt ein zweiter Magnet 11' zusammen, der auf einem Halter 12 ruht, welcher am festen Teil der Waage angebracht ist.

Die Magnetanordnung 10 wirkt wie folgt: Die einander zugekehrten ungleichnamigen Pole üben eine anziehende Kraft aufeinander aus. Da der Magnet 1Γ ortsfest angeordnet ist, wirkt sich die Kraft in einer Verringerung der Vorspannung der Saite 8 aus. Bei einem Ansteigen der Temperatur verlängert sich die Saite entsprechend ihrem linearen Ausdehnungskoeffizienten, außerdem nimmt ihre Biegesteifigkeit ab. Beide Erscheinungen wirken sich additiv im Sinne einer Verkleinerung der Resonanzfrequenz der Saite aus. Infolge des Temperaturanstiegs nimmt nun jedoch die anziehende Magnetkraft ab. Bei entsprechender Dimensionierung ist es somit möglich, den bei zunehmender Temperatur sich einstellenden Frequenzabfall durch eine zunehmende Zugkraft in der Saite zu kompensieren (für ein Absinken der Temperatur gilt das gleiche im umgekehrten Sinn).

Diese Anordnung erlaubt also, die Ausdehnung der Saite sowie die Änderung der Biegesteifigkeit soweit zu korrigieren, daß sie sich praktisch nicht mehr auf den Nullpunkt, d. h. hier die Schwingungsfrequenz der Meßsaite nur unter der Vorspannung, also ohne Meßlast, auswirkt.

Zweckmäßigerweise wird man, um die Dimension der Magnete klein halten zu können, solche mil einem großen Temperaturkoeffizienten verwenden, beispielsweise aus Ferrit.

Um eine Justierung der Magnetanordnung 10 zu ermöglichen, kann der Halter 12 am festen Teil der Waage vertikal verschieblich befestigt sein.

Ein zweites Magnetsystem 13 ist folgendermaßen angeordnet: Je ein Magnet 14 bzw. 14' ist über je einen Ausleger 15 bzw. 15' mit dem Träger 5 der Waagschale 4 verbunden. Im Zwischenraum zwischen den Magneten 14 und 14' sind zwei weitere Magnete 16 und 16' angeordnet, welche über Halter 17 und 17' am festen Teil der Waage angebracht sind, und zwar ?.ü Jusiicrzwecken ebenfalls vertikal verschieblich.

Wie in der CH-PS 5 33 296 (veröffentlicht am 15.3.1979) beschrieben wird, eignen sich Magnetanordnungen gut zur Linearisierung der Frequenz-Lastfunktion der Meßsaite. Eine dabei jedoch zu berücksichtigende Begleiterscheinung ist die Temperaturabhängigkeit der Magnetkraft, welche eine Fehlerquelle darstellt, die sich unter Umständen sogar bei Verwendung von Magneten mit kleinem Temperaturkoeffizienten auswirken kann. Dieser Fehlerquelle kann durch die Magnetanordnung 13 begegnet werden. Mit ihr wird neben der linearisierenden Wirkung auch eine Kompensation der Auswirkung von Temperaturschwankungen auf die Magnetkräfte dadurch erzielt, daß bei deren Auftreten sowohl die anziehende Kraft zwischen den Magneten 14 und 16 als auch die abstoßende zwischen den Magneten 14' und 16' sich über den Auslenkbereich annähernd gleichermaßen ändert. Dies bewirkt, daß eine Veränderung der Empfindlichkeit der Anordnung aufgrund des Temperaturverhaltens der Linearisierungsmagnete praktisch eliminiert wird.

Zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Magnete könnten auch Anordnungen verwendet werden, bei denen einer oder mehrere der Magnete mit einer stromdurchflossenen Spule versehen sind, deren Strom sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, jedoch ist eine solche Ausführung wegen des größeren Aufwandes weniger zweckmäßig.

Eine weitere Fehlerquelle bildet die veränderliche Empfindlichkeit der Saite bei Temperauirschwankuneen. Dieser kann auf einfache Weise dadurch begegnet werden, daß man den Abstand zwischen den Magneten 14 und 16 bzw. 14' und 16' ungleich justiert. Man kann damit eine absichtliche Variation der Empfindlichkeit der Magnetanordnung bei sich ändernder Temperatur erhalten, welche diejenige der Saite innerhalb des Auslenkbercichs des beweglichen Teils gerade kompensiert. Die in F i g. 2 dargestellte Federwaage ist im wesentlichen gleich aufgebaut wie die in F i g. 1 gezeigte Saitenwaage. Dementsprechend sind für den Grundaufbau die

ίο gleichen Bezugszeichen verwendet worden (3—5). Die Meßfunklion wird hier in bekannter Weise von einer Zugfeder 18 wahrgenommen, die einerseits am festen Teil der Waage, andererseits über einen Ausleger 19 am Träger 5 der Waagschale 4 befestigt ist. Ein Magnetsystern 20 besteht aus einem ebenfalls am Ausleger 19 befestigten Magneten 21 und zwei diesem zugeordneten Magneten 22 und 22', welche an Haltern 23 und 23' angebracht sind, die ihrerseits, vorzugsweise wiederum verschieblich in vertikaler Richiuüg. aiii iesicii Teil der Waage befestigt sind.

Mit dieser Magnetanordnung, die eine in erster Näherung lineare »magnetische Feder« mit negativer Federkonstante darstellt, ist es wiederum möglich, aus temperaturbedingten Änderungen der Konstanten der Meßfeder resultierende Einflüsse auf die Empfindlichkeit der Waage weitgehend zu korrigieren.

F i g. 3 zeigt eine funktionell gleichwertige, einfachere Möglichkei-, die vorstehend beschriebene Kompensation zu erreichen. Bei dieser Anordnung wirkt ein Ma-

jo gnctpaar 24, 24' mit vertikalem Luftspalt aufeinander, und die Korrekturkrähe werden durch die bei der Auslenkung des Schalenträgers 5 aufiretenden Magnetkraflkomponenten, die zur Horizontalen geneigt sind, gebildet.

J5 In F i g. I wurde am Beispiel eines Saitenkraftmessers die weitgehende Kompensation von NullpunktabweichungcR !"folge von Tsrnpsraiurschwarikup.gep. erläutert. Es ist dabei zu bemerken, daß die gleiche Anordnung generell zur Anwendung bei allen Systemen geeignet ist. bei denen das Meßglied (hier: die Saite) praktisch weglos arbeilet, also auch beispielsweise für Geräte mit elektromagnetischer Kraftkompensation.

Näher erläutert wurde die Erfindung anhand von Geräten, bei denen über einen Weg eine Kraft ermittelt wird. Es versteht sich von selbst, daß die Darlegungen prinzipiell ebenso für den umgekehrten Fall gelten, wenn nämlich ein Weg bzw. eine Länge über eine Kraftänderung gemessen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kraft- oder Längenmeßgerät, mit einem Träger, der mittels eines Parallelführungssystems am festen Teil des Geräts gelagert ist und der von einer auf ihn einwirkenden Last von einer Ausgangsstellung in eine Auslenkstellung gegen die Wirkung einer rückstellenden Kraft bringbar ist, die zumindestens teilweise von wenigstens einer zwischen dem Träger und dem festen Teil angeordneten Feder erzeugt wird, deren Federkonstante temperaturabhängig ist, wobei zwischen dem Träger und dem festen Teil eine der Kompensation von durch Temperaturänderungen bedingten Empfindlichkeitsfehlern dieser Feder dienendes Kompensationsglied angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationsglied aus einer Permanentmagnetanordnung (20) besteht, daß die Permanentmagnetanordnung (20)<&-«nigstens ein Paar zusammenwirkender, in Abstand voneinander angeordneter Magnete (21,22 bzw. 21,22') aufweist, deren Magnetkraft sich temperaturabhängig ändert, daß von jedem Magnetpaar jeweils ein Magnet (21) mit dem Träger (5) und der andere Magnet (22, 22') mit dem festen Teil (1) verbunden ist, wobei die Perm&nenlmagnetanordnung (20) so ausgelegt ist daß die temperaturbedingte Änderung ihrer auf den Träger (5) ausgeübten Kraft kompensierend (entgegengesetzt) zur temperaturabhängigen Änderung der Federkonstante der als Meßglied des Geräts dienenden Feder (18) verläuft.

2. Kraft- oder Längennwßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß C ζ Permanentmagnetanordnung (20) zwei Paare (21, 22; 21, 22') von Magneten enthält, deren Anordnung so getroffen ist, daß sich die Magnete des einen Paares (21,22) anziehen und die des anderen Paares (21, 22') abstoßen und daß bei einer Bewegung des Trägers (5) sich der Abstand des einen Magnetpaares verkleinert und der Abstand des anderen Magnetpaares vergrößert und umgekehrt

3. Kraft- oder Längenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnetanordnung ein Paar (24,24') von Magneten aufweist, welche am Träger (5) bzw. dem festen Teil (1) so angeordnet sind, daß ihr Luftspalt parallel zur Bewegungsrichtung des Trägers (5) gelegen ist.

4. Kraft- oder Längenmeßgerät, mit einem am festen Teil des Geräts beweglich gelagerten Träger, an den die Last angreift und der eine der Last entsprechende Kraft auf das eine Ende einer am anderen Ende mit dem festen Teil des Geräts verbundenen, das Meßglied bildenden Saite überträgt, welche zu Schwingungen angeregt ist deren Frequenzänderung ein Maß für die Kraft und damit die Last bildet, wobei ein Kompensationsglied zur Kompensation von Meßfehlern vorgesehen ist, welche auf temperaturbedingte Änderungen der die Eigenfrequenz der Saite bestimmenden physikalischen Eigenschaften t>o beruhen, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der Träger (5) mittels eines Parallelführungssystems (3,3') am festen Teil (1) gelagert ist. daß in mechanischer Parallelschaltung zu tier Saite (8) eine erste Permanentmagnetanordnung (10) zur t>5 Kompensation einer tempcraturbedingttn Nullpunktsverschiebung vorgesehen ist, welche aus einem Paar zusammenwirkender, in Abstand voneinander befindlicher Magneten (11,11') besteht, deren ungleichnamige Pole einander zugekehrt sind und deren anziehende Magnetkraft mit steigender Temperatur abnimmt wobei die Permanentmagnetanordnung (10) so ausgelegt ist, daß die Magnetkraftänderung die temperaturbedingte Resonanzfrequenzänderung der Saite (8) kompensiert und/oder daß eine zweite Permanentmagnetanordnung (13) zur Kompensation von Empfindlichkeitsänderungen, bedingt durch das temperaturabhängige Verhalten von zur Linearisierung der Frequenz-Lastfunktion der Saite vorgesehener Magnete bzw. von temperaturbedingten EmpFindlichkeitsänderungen der Saite (8) zwischen dem festen Teil (1) und dem über eine Feder (7) mit der Saite (8) verbundenen Träger vorgesehen ist, weiche Permanentmagnetanordnung aus zwei Paaren in ihrer Magnetkraft temperalurabhängigen Magneten (14, 16; 14', 16') besteht, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß sich die Magnete des einen Paares anziehen und die des anderen Paares abstoßen und daß bei einer Bewegung des Trägers sich der Abstand des einen Magnetpaares verkleinert und der Abstand des anderen Magnetpaares vergrößert und umgekehrt.

5. Kraft- oder Längenmeßgerät nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (11,11', 14, 14', 16,16', 21,22,22', 24,24') aus einem permanentmagnetischen Material bestehen, dessen magnetische Eigenschaften sich stark mit der Temperatur ändern.

6. Kraft- oder Längenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den ein Paar bildenden Magneten einstellbar ist.