DE2658628C3

DE2658628C3 - Elektromagnetisch kompensierende Kraftmeß- oder Wägevorrichtung

Info

Publication number: DE2658628C3
Application number: DE2658628A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Phys. Dr. 3400 Göttingen Berg
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1976-12-23
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1982-01-07
Also published as: DE2658628A1; CH622888A5; DE2658628B2; US4150730A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch korn-' peiisierende Kraftffisß' oder Wägevorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei einer solchen elektromagnetischen Kraftkompensation wird die von der zu messenden Last beaufschlagte Arbeitsspule durch Regelung des durch die Spule fließenden Stroms in einer Nullage gehalten, so daß der durch die Spule fließende Strom /nach der Formel

F= B ■ ] ■ η ■ 2π r

ein Maß für die elektromagnetisch erzeugte Kraft Fund ίο damit für die zu messende Last darstellt; dabei oedeuten

B = magnetische Kraftflußdichte der Magnetanordnung,

/ = Spulenstrom,

η = Windungszahl der Arbeitsspule, und
' ^ 2πτ = Länge einer Windung.

Dabei wird im allgemeinen vorausgesetzt, daß die magnetische Kraftflußdichte konstant ist, also der Spuienstrom direkt proportional zu der elekiromagnetisch erzeugten Kraft ist.

Im allgemeinen wird der Spuienstrom / in einem Meßwiderstand in eine Meßspannung umgewandelt, die dann mittels eines Analog/Digital-Wandlers im Vergleich mit einer internen Referenzspannung in digitale Größen umgesetzt wird. Als Magnetanordnung wird ein Permanentmagnet benutzt, während die Referenzspannung mittels einer Referenzdiode (7 Diode) geliefert wird.

Bei einem solchen System treten folgende Schwierigkeiten auf:

1. Der Temperaturkoeffizient und die Alterung des Permanentmagneten verändern die von der Magnetanordnung gelieferte magnetische Kraftflußdichte und verfälschen damit das Meßergebnis;

^J:> 2. auch der Temperaturkoeffizient und die Alterung des Meßwiderstandes verfälschen das Meßergebnis. Der dadurch entstehende, systematische Fehler hat einen besonders starken negativen Einfluß auf die Messung, da zur Kompensation von wechselnden Lasten auch entsprechend variierende Ströme verwendet werden müssen, wodurch sich wiederum eine schwankende Wärmeerzeugung und damit unterschiedliche Temperaturerhöhungen ergeben; 3. auch der Temperaturkoeffizient der Referenzdiode und damit der Referenzspannung sowie die Alterung der Referenzdiode verfälschen das Meßergebnis. Außerdem lassen sich bei der Referenzdiode statistische Spannungssprünge nicht vermeiden, die ebenfalls die Messung in

unkontrollierter Weise beeinflussen können.

Neben der einfachen Temperaturkompensation Jurch zusätzliche, temperaturabhängige Bauelemente sind verschiedene Möglichkeiten bekanntgeworden.

Vi einzelne oder alle dieser Fehlermöglichkeiten systematisch auszuschließen. Eine Möglichkeit stellt die sogenannte »Quotientenmessung« dar. Dabei wird gleichzeitig mit zwei herkömmlichen Systemen gearbeitet, wobei das erste System mit der zu messenden Last und das zweite System mit einer konstanten Masse beaufschlagt wird. Dabei ersetzt das zweite System also die Referenzdiode.

Bei der Aüsführungsforrn nach der DE-PS Il 94 167 sind diese beiden Systeme in zwei Spalten eines

Permanentmagneten angeordnet. Bei der aus der US-PS 33 22 222 bekannten Ausführungsform befinden sich diese beiden Systeme in dem selben Luftspalt.
Bei der Vorrichtung nach der CH-PS 5 21 575 wird

mittels des zweiten Systems die magnetische Kraftflußdichte β nachgeregelt.

Weiterhin werden nach dem älteren Patent 25 35 758 der Anmelderin die beiden Systeme mit konzentrischen Zylindern mit Hilfe von Luftpolstern geführt. >

Durch diesen Lösungsweg können die oben erwähnten Schwierigkeiten (1) und (3) überwunden werden, da diese Einflüsse auf die beiden Systeme in gleicher Weise einwirken und damit durch die Quotientenbildung eliminiert werden können. Schwierigkeiten nach Punkt 2 bleiben aber bestehen, da die Meßwiderstände für beide Systeme getrennt sind. Außerdem hat eine solche Vorrichtung einen sehr komplizierten Aufbau, da alle Einzelteile zweimal vorhanden sein müssen. Und schließlich können Nullpunktänderungen des zweiten Systems nicht erkannt oder gar erfaßt werden, so daß sie das Meßergebnis verfälschen können.

Bei einer Modifikation dieser Quotientenmessung wird zusätzlich eine Digitalisierung vorgenommen, indem der Tragestrom, d. h., der durch die Arbeitsspule 2< > fließende Strom /, in dem ersten System in Impulse aufgeteilt wird. Dabei ist bei der Ausgestaltung nach der DE-PS 11 94 167 die Impulshäufigkeit proportional zur aufgelegten Masse, während bei der Modifikation nach der CH-PS 5 29 999 die Impulslänge proportional zur r. aufgelegten Masse ist.

Dadurch kann zwar auch die oben erwähnte Schwierigkeit (2) beseitigt werden, die gesamte Vorrichtung hat jedoch aufgrund der Verwendung des zweiten Systems einen sehr komplizierten Aufbau. j<i Außerdem können Nullpunktänderungen des zweiten Systems nicht erkannt oder erfaßt werden und verfälschen damit das Ergebnis. Und schließlich ist eine komplizierte und temperatur- und alterungsanfällige elektronische Schaltung erforderlich, um die Impuls- r> form konstant zu halten. Insbesondere die Flankenform ändert sich stark bei geringen Änderungen der Bauteile. Wird die Impulsform nicht konstant gehalten, so ist keine genaue Messung mehr möglich.

Außerdem kann noch gemäß DE-AS 25 11 103 eine 4n Digitalisier ung im Regelkreis vorgenommen werden. Dadurch können jedoch nur die Schwierigkeiten nach den oben erläuterten Punkten (1) und (2) beseitigt werden, während die Schwierigkeit (3) bestehen bleibt. Dies kann wiederum nur durch die Verwendung der Quotientenmessung umgangen werden, wodurch sich jedoch die oben erwähnten Nachteile ergeben würden Außerdem stellen die Kennlinie und die Hysterese des verwendeten weichmagnetischen Werkstoffes kritische Größen dar.

Weiterhin ist aus der DE-OS 23 17 756 eine elektromagnetisch kompensierende Kraftmeß- und Wägevorrichtung bekannt, mit der das folgende Problem gelöst werden soll: Der Strom / durch die Arbeitsspule beeinflußt im allgemeinen das Magnetfeld des Permanentmagneten, so daß für die Kraftschlußdichte B im allgemeinen der folgende Ansatz gemacht wird:

60

65

-c- J)

Die Konstante c hängt von der Geometrie der Magnetanordnung ab. Dadurch ergibt sich in der Gleichung für die Kraft Fein /²-Term:

F- B -J ·η·2πΓ- B₀'η-2 π r· J-B₀- ;/·2 π i-c-J²

Die Korrektur dieses /²-Terms erfolgt gemäß der DE-OS 23 17 756 mittete einer Korrekturspule und den aktiven Kern der Mag.netanordnung; diese Korrekturspule wird vom Strom durch die Arbeitsspule durchflossen und ist so dimensioniert, daß sich die Wirkung der Arbeitsspule und der Korrekturspule auf die magnetische Kraftflußdichte B aufheben, also die magnetische Kraftflußdichte B nicht mehr von dem Strom /durch die Arbeitsspule abhängt.

Nachteilig ist bei einer solchen Lösung, daß ein weiteres, zusätzliches, wärmeempfindliches Bauelement verwendet werden muß.

Schließlich ist aus der DE-PS 12 76 931 noch eine elektromagnetisch kompensierende Kraftmeß- oder Wägevorrichtung der angegebenen Gattung bekannt. Dabei ist im magnetischen Kreis ein Hall-Generator angeordnet, dessen Betriebsgrößen zur Kraftmessung benutzt werden.

Dieser Hall-Generator dient also sowohl zur Überwachung des Magnetfeldes eis auch zur Berechnung der Größe BxJ, um auch bei veränderlicher magnetischer Kraftflußdichte die elektromagnetisch erzeugte Kraft zu ermitteln. ~)enn sowohl die Hai! Spannung als auch die Kraft ai'f eine Spule im Magnetfeld sind proportional zu dem Produkt aus magnetischer Feldstärke und Strom.

Bei Verwendung eines solchen Hall-Generatori können sowohl die Fehler des Magnetsystems als auch die Fehler des Meßwiderstandes vermieden werden, so daß sich insoweit ein; Verbesserung im Vergleich mit der oben erläuterten, herkömmlichen Kraftmeß- oaer Wägevorrichtung ergibt.

Andererseits müssen jedoch die Fehler eines HaII-Gsnerators in Kauf genommen werden, insbesondere seine starke Temperaturabhängigkeit, die in etwa in der gleichen Größenordnung wie der Temperaturkoeffizient von AlNiCo, den üblicherweist für Wagen verwendeten, magnetischen Werkstoff, und der Temperaturkoeffizient von üblichen Meßwiderständen nämlich bei etwa 1O⁴ bis 10 VK, liegt. Diese Ausscnaltung der Temperaturinstabilität des MeßwidtrstanJes muß also durch die relativ hohe Temperaturempfindlichkeit des Hall-Generators erkauft werden, wodurch sich insgesamt eine ungünstige Beeinflussung der Genauigkeit ergibt.

Eine Erhöhung der Genauigkeit 1st bei Verwendung von Hall-Generatoren nicht möglich, da die Eigenschaften der üblicherweise als Hall-Generatoren verwendeten Halbleitermaterialien zeitlich im allgemeinen nicht stabil sind; außerdem hat die Hall-Spannung nur eine äußerst geringe Größe, so daß die Auswertung und Erfassung sehr kompliziert ist: und schließlich ändert sich die Temperatur des Hall-Generators ständig, da der Steuerstrom von der Belastung abhängt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einr ilektromagnetisch kompensierende Kraftmeßoder Wägevorrichtung der angegebenen Gattung zu schaffen, die bei einfachem mechanischem Aufbau eine äußerst empfindliche, zeitlich stabile Messung der Last ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen sind in don Unteransprüchen zusammengestellt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß die sonst übliche, mit den erwähnten Fehlern behaftete Ermittlung des durch die Arbeitsspule fließenden Stroms durch eine Magnetfeldmessung ersetzt wird, die eine zu dem Spulenstrom

proportionale Größe liefert. Für eine solche Magnetfeldmessung stehen sehr genaue, langzeitstabile Meßmethoden zur Verfügung, insbesondere die Kerndipolresonanz oder die Spinresonanz. Bei diesen Verfahren kann die Messung und ihre Auswertung auf atomare "> Konstanten zurückgeführt werden, so daß sich eine mit anderen Verfahren im allgemeinen nicht zu erreichende Genauigkeit ergibt.

Weiterhin wird auch der komplizierte mechanische Aufbau vermieden, wie er bei einigen herkömmlichen in Kraftmeß- oder Wägevorrichtungen eingesetzt wird.

Außerdem wird mit diesem Verfahren die magnetische Kraftflußdichte B direkt gemessen, so daß die oben erwähnte Kompensation des /²-Terms mittels einer Korrekturspule nicht mehr erforderlich ist. Auch dies ι·> führt also zu einer Vereinfachung des Meßaufbaus unter gleichzeitiger Genauigkeitssteigerung.

Und schließlich kann durch die weitere, im Luftspalt d'er Magnetanordnung vorgesehene Meßsonde auch eine etwaige Änderung des Magnetfeldes des Penna· nentmagneten erfaßt und bei der Messung berücksichtigt werden, wodurch sich eine weitere Erhöhung der Genauigkeit ergibt.

Zweckmäßigerweise wird die Meßsonde für die Magnetfeldmessung im Innern der Spule angeordnet, wo sie weitgehend gegen äußere Einflüsse geschützt ist.

Um eine Mittelung über den Gesamtverlauf des Magnetfeldes zu erreichen, können im Luftspalt zwei Meßsonden vorgesehen sein, deren Ergebnisse gemittelt werden.

Auch dadurch ergibt sich eine Verbesserung der Genauigkeit.

Damit im Innern der Spule ein in etwa homogenes Magnetfeld entsteht, sollte der Durchmesser der Spule, mit deren Hilfe der Spulenstrom / bestimmt wird, kleiner als ihre Länge sein.

Um die Beeinflussung durch Fremdfelder so gering wie möglich zu halten, sollte diese Spule durch eine weichmagnetische Abschirmung umgeben sein.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird das Magnetfeld in der Spule durch weichmagnetische Leitsiücke verstärkt, die in das Innere der weiteren Spule reichen. Dabei sollte das Material eine lineare Magnetisierungskennlinie haben und keine Hysterese aufweisen. Λ5

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Prinzipskizze des magnetischen Kreises einer solchen elektromagnetisch kompensierten Wägeoder Kraftmeßeinrichtung, in welcher der mechanische Teil nur schematisch angedeutet ist,

F i g. 2 einen Schnitt längs der angedeuteten Pfeile A und S durch die Magnetanordnung und die Arbeitsspule,

F i g. 3 einen Schnitt durch die weitere Spule und die Meßsonde,

F i g. 4 eine Ausführungsform der weichmagnetischen Leitstücke und der Abschirmung und

F i g. 5 ein Blockschaltbild des elektronischen Teils der Vorrichtung.

Wie sich insbesondere aus den F i g. 1 und 5 ergibt, weist die elektromagnetisch kompensierende Wägeoder Kraftmeßvorrichtung eine Magnetanordnung 6 auf. die im allgemeinen durch einen Permanenisnagneten gebildet wird. In dem Luftspalt 6a der Magnetanordnung 6 ist eine Arbeitsspule 5 angeordnet.

Wie in F i g. 1 und 5 schematisch angedeutet wird, ist die Arbeitsspule 5 über eine Führung 7 mit einer Waagschale 8 verbunden, auf welche die zu messende Masse gelegt werden kann.

Außerdem ist mit Arbeitsspule 5 ein Lagenindikator 9 mechanisch verbunden, der anzeigt, ob sich die Arbeitsspule 5 in einer vorbestimmten Gleichgewichtslage in dem Luftspalt 6a der Magnetanordnung 6 befindet oder unter der Einwirkung der Kraft, die eine auf die Waagschale 8 gelegte Masse erzeugt, aus dieser Gleichgewichtslage ausgelerikt ist.

Wenn die Arbeitsspule 5 durch diese Kraft in dem Luftspalt 6a nach unten — gemäß der Darstellung in den Figuren — ausgelenkt wird, zeigt der Lagenindikator 9 diese Auslenkung an, d. h., er liefert ein Signal, das über einen Regelverstärker IO den der Arbeitsspule 5 zugeführten Strom solange verändert, bis die Gleichgewichtslage wieder erreicht ist. Wie oben erläutert wurde, ist die dabei erzeugte elektromagnetische Kraft proportional zu dem Gewicht der auf die Waagschale S aufgelegten Masse, so daß der für die Erhaltung der Gleichgewichtslage notwendige Strom ein Maß für das zu messende Gewicht ist.

Wie in F i g. 5 dargestellt ist, liegt elektrisch in Reihe zu der Arbeitsspule 5 eine weitere Spule 1, so daß das Magnetfeld dieser Spule 1 proportional zu dem durch die Arbeitsspule 5 fließenden Strom ist.

Der Aufbau dieser Spule 1 ist im einzelnen in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Im einfachsten Fall kann diese Spule 1 aus einem zylindrischen Hohlkörper 13 bestehen, der mit einer üblichen Wicklung 2 versehen ist. Der Durchmesser dieser Spule 1 ist also wesentlich kleiner als ihre Länge.

In der Mitte des zylindrischen Hohlkörpers 13 befindet sich eine Meßsinde 3, welche die Größe des von der Spule 1 erzeugten Magnetfeldes, d. h, die magnetische Kraftflußdichte der Spule 1 ermitteln kann.

Die so gemessene Kraftflußdichte ist proportional zu dem durch die Arbeitsspule 5 fließenden Strom, so daß aus dem gemessenen Wert für die Kraftflußdichte der Spule 1 anhand der oben angegebenen Formel das Gewicht der auf die Waagschale 8 aufgelegten Masse berechnet werden kann.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 ist diese Spule 1 mit einer weichmagnetischen Abschirmung 17 gegen Fremdfelder sowie weichmagnetischen Leitstücken 11 zur Verstärkung des Magnetfeldes der Spule 1 versehen. Das Material für die magnetischen Leitstücke bzw. die magnetische Abschirmung soll eine lineare Magnetisierungskennlinie haben und keine Hysterese aufweisen.

Bei konstantem Wert für die magnetische Kraftflußdichte B der Magnetanordnung 5 kann mittels des gemessenen Magnetfeldes der Spule 1 anhand der angegebenen Formel die elektromagnetische Kraft ermittelt werden.

Um den Temperaturkoeffizienten sowie etwaige Alterungserscheinungen der Magnetanordnung 6 berücksichtigen zu können, sind in dem Luftspalt 6a der Magnetanordnung zwei weitere Meßsonden 4 und 4a angeordnet, die, wie in F i g. 2 zu erkennen ist, sich auf einander gegenüberliegenden Punkten der kreisförmigen Magnetanordnung 6 befinden. Mit Hilfe dieser Sonden 4 und Aa wird die magnetische Kraftflußdichte B der Magnetanordnung 6 gemessen.

Die von den beiden Meßsonden 4 und 4a ermittelten Werte für die magnetische Kraftflußdichte der Magnetanordnung 6 werden gemittelt und auf die im folgenden zu erläuternde Weise weiterverarbeitet

Die Meßsonden 3, 4 und 4a können beispielsweise

entweder nach dem Prinzip der magnetischen Kerndipolresonanz oder nach dem Prinzip der Spinresonanz arbeiten. Aufbau und Funktionsweise solcher Meßsonden sind in dem Artikel »Ein Rb*Magnetometer für einen weiten Feldbereich und mit hoher Empfindlichkeit« in PTB-Mitteilungen 4/74, Seite 241 ff. sowie in dem Buch von Kohlrausch »Praktische Physik«, Band 2, 1968, Sitite 274 unter dem Titel »Kernresonanz« beschrieben.

Der prinzipielle Aufbau des elektronischen Teils der Vorrichtung ist in Fig.5 dargestellt Das die magnetische kräftfiußdichte B der Magnetanordnüng 6 darstellende Aüsgangssignal der Meßsonde(n) 4 bzw. 4a wird über einen Resonanzoszillatör 20 und einen Frequenzzähler 22 in ein digitales Signal uriigewandelt,

während das Ausgangssignal der Spule 1, das dem Spulenstrom /der Arbeitsspule 5 proportional ist, über einen Resonanzoszillator 21 und einen Frequenzzähler 23 ebenfalls in ein digitales Signal umgewandelt wird. Die beiden Frequenzzähler beziehen ihre Zeitbasis aus einem gemeinsamen Quarzoszillator 19. Die Verknüpfung der beiden elektrischen Signale aus den Frequenzzählern erfolgt in einem Mültiplizierglied 24, das gemäß der Gleichung F=konst. · B ■ /eine zu der elektromagnetischen Kraft proportionale Größe bildet.

Das Ausgangssignal des Multipliziergliedes 24 wird in einer Einheit 25 auf die üblicheWeise weiterverarbietet, beispielsweise tariert, gemiüelt usw.* so daß schließlich in einer Anzeigeeinrichtung 26 das Meßergebnis dargestellt werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektromagnetisch kompensierende Kraftmeß- oder Wägevorrichtung mit einer im Luftspalt einer ortsfesten Magnetanordnung beweglichen, durch die zu messende Last beaufschlagten Arbeitsspule, mit einem Indikator für die Lage der Arbeitsspule, mit einem dem Indikator nachgeschalteten Regelverstärker, wobei die Arbeitsspule durch das Ausgangssignal des Regelverstärkers gespeist und in die Nullage gebracht wird, und mit einem elektrisch in Reihe zu der Arbeitsspule liegenden Wandler zur Bestimmung einer zu dem Spuienstrom proportionalen Größe über ein elektromagnetisches Feld, wobei das Ausgangssignal dieses Wandlers ein Maß für die zu messende Last ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler als Spule (1) ausgebildet ist, deren Magnetfeld durch eine Meßsonde (3) bestimmt wird, daß im Luftspalt der Magnetanordnung (6) mindestens eine weitere Meßsonde ^4,4a) zur Bestimmung der magnetischen Kraftflußdichte der Magnetanordnung (6) angeordnet ist, und daß eine Schaltungsanordnung (24, 25, 26) zur Bestimmung der zu messenden Last aus den Ausgangssignalen der Meßsonden (3; 4,4a) vorgesehen ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennteichnet, daß die Meßsonde (3) im Innern der Spule (1) angeordnet ist

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Luftspalt der Magnetanc dnung (6) zwei Meßsonden (4, 4a) an einander gegenüberliegende Stellen vorgesehen tind, und daß die Ausgangssignale der Meßsonden (4,4ajgemittelt werden.

4. Vorrichtung nach einem aer Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonden (3, 4, 4a) nach dem Prinzip der magnetischen Kerndipolresonanz arbeiten.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonden (3, 4, 48^aCh dem Prinzip der Spinresonanz arbeiten.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bit 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Spule (1) wesentlich kleiner als die Länge der Spule (l)ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn£eichnet, daß die Meßsonde (3) etwa in der Mitte der Spule (1) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7. gekennzeichnet durch eine weichmagnetische Abtchirmung (12) für die Spule (1).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch weichmagnetische Leitstücke (U), die in das Innere der weiteren Spule (1) reichen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere(n) Meßtonde(n) (4, 4a) ortsfest im Luftspalt angebracht ist (sind).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere(n) Meßsonde^) (4,4a) im Luftspalt an der Arbeitsspule (5) befestigt ist (sind).