DE2722093B1 - Gewichts- und Kraftmesseinrichtung - Google Patents
Gewichts- und KraftmesseinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung mit einem Lastaufnahmeteil, der auslenkbar
am festen Teil des Wäge- und Kraftmeßsystems angeordnet ist und eine in einem konstanten Magnetfeld
befindliche Kompensationspulenanordnung besitzt, mit mindestens einem Lagesensor, der belastungsabhängige
Auslenkungen des Lastaufnahmeteils aus einer vorgegebenen Lage feststellt und ein Sensorsignal einem
elektrischen Regelkreis zuführt, der den Strom durch die Kompensationsspulenanordnung so regelt, daß der
Lastaufnahmeteil in seine vorgegebene Lage zurück gebracht wird.
Derartige Gewichts- und Kraftmeßeinrichtungen, die im weiteren kurz als Waagen bezeichnet werden, sind
bereits mehrfach vorgeschlagen worden, wobei meist ein Gleichstrom durch die Kompensationsspulenanordnung
geschickt wurde, um aufgrund der elektromagnetischen Kraftwirkung des Gleichstroms den Lastaufnahmeteil
bei einer abgefühlten oder abgetasteten Auslenkung in seine vorgegebene Lage zurück zu bringen.
Nachteilig ist bei derartigen, mit Gleichstrom kompensierten Waagen insbesondere, daß der durch die
Kompensationsspulenanordnung fließende Gleichstrom lastabhängig ist. Durch diese Lastabhängigkeit des
kompensierenden Gleichstroms in den Kompensationsspulen machen sich Hysterese-Effekte des Permanentmagneten
nachteilig bemerkbar. Darüber hinaus ist die Verlustleistung in einem im allgemeinen zur Strommessung
verwendeten Strommeßwiderstand lastabhängig, wodurch ein Driften der Anzeige hervorgerufen wird.
Bei Verwendung dieser bekannten mit Gleichstrom kompensierenden Anordnung in einer Hebel- oder
Balkenwaage stört außerdem die Lagerreibung, da die Lager nicht ständig in Bewegung sind. Ferner entstehen
auch in der den Gleichstrom liefernden Endstufe lastabhängige, relativ hohe Verluste, da die aktiven
Bauelemente der Endstufe im Normalbetrieb und nicht im Schaltbetrieb arbeiten.
Aus der DE-PS 22 33 850 ist ferner eine derartige Waage mit einem weiteren Referenzteil bekannt, wobei
Lastteil und Referenzteil unabhängig voneiander vertikal beweglich am festen Teil der Waage aufgehängt
sind und je eine in einem gemeinsamen Magnetfeld angeordnete Kompensationsspule aufweisen. Detektoren
stellen die belastungsabhängigen Auslenkungen von Last- und Referenzteil aus einer Nullage fest und regeln
über Regelkreise die Ströme in den Kompensationsspulen, durch deren elektromagnetische Kraftwirkung
Last- und Referenzteil jeweils für sich in die Nullage zurückgeführt werden. Dieses bekannte Verfahren ist
dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel vorgesehen sind, welche den durch die Referenzspule fließenden
Gleichstrom abhängig vom Detektorsignal des Lastteils entweder der Lastspule oder einem Blindverbraucher
zuleiten. Bevorzugt enthalten die Schaltmittel einen elektronischen Schalter, dessen Steuerung durch einen
Pulslängenmodulator vorgenommen wird. Der Strom durch die Kompensationsspulenanordnung besitzt dabei
entweder den Wert des durch die Referenzspule fließenden Gleichstroms oder den Wert Null.
Nachteilig ist bei dieser bekannten Waage insbesondere, daß ebenso wie bei den Waagen mit einem
kompensierten Gleichstrom in den Kompensationsspulen die Verlustleistung in der Kompensationsspulenanordnung
lastabhängig ist, wodurch eine lastabhängige Erwärmung des Magnetsystems hervorgerufen wird, die
ein Driften der Anzeige bewirkt. Darüber hinaus geht eine Änderung der Schaltflanken des Stroms durch die
Kompensationsspulen schon in erster Näherung ein, so daß eine sehr hohe Konstanz der Schaltflanken und der
damit verbundene relativ hohe Schaltungsaufwand erforderlich sind.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung zu schaffen, bei der
die Verlustleistung, die durch den Strom in der Kompensationsspulenanordnung hervorgerufen wird,
lastunabhängig ist, und bei der darüber hinaus die Form der Schaltflanken in erster Näherung nicht in das
Meßergebnis eingeht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung gelöst, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß der Regelkreis Schaltungseinheiten aufweist, die dem durch die Kompensationsspulenanordnung
fließenden Strom durch die Belastung vorgegebene positive und negative Werte geben.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß keine Zeitintervalle vorhanden sind, in denen der
Strom durch die Kompensationsspulenanordnung null ist, sondern daß in diesen Intervallen der Strom seine
Flußrichtung in der Kompensationsspulenanordnung umkehrt, so daß auch in diesen Intervallen aufgrund der
quadratischen Abhängigkeit der Verlustleistung vom Strom eine von null verschiedene Verlustleistung
vorhanden ist. Über alle Zeitintervalle hinweg sind daher die Schwankungen in der Verlustleistung
wesentlich kleiner als bei den bekannten Waagen. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße
Waage das dynamische Verhalten verbessert, da ein Regelkreis, bei dem Kräfte in beiden Richtungen
erzeugt werden, einfacher aufzubauen ist. Ferner geht die Form des Stromverlaufs im Übergangsbereich
zwischen positiven und negativen Werten (Schaltflanke) in erster Näherung nicht in das Meßergebnis ein. Erst in
einer höheren Näherung machen sich Änderungen des speziellen Verlaufs des Übergangsbereichs des Stromes
bemerkbar, wenn sich durch die Formänderung des Stromverlaufs die Leistungsaufnahme des Magnetsystems
so stark ändert, daß auch die Magnettemperatur stärker variiert.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verleihen die Schaltungseinheiten
des Regelkreises den positiven und den negativen Werten des durch die Kompensationsspulenanordnung
fließenden Stromes nach Abschluß der mit einer Richtungsänderung des Tragteils verbundenen Änderung
des Stromes dieselben Maximalamplituden und der zeitliche Beginn des Stromflusses in einer Richtung
durch die Kompensationsspulenanordnung wiederholt sich in fest vorgegebenen Zeitabständen.
Obwohl der zeitliche Verlauf der Richtungsänderung des Stromes durch die Kompensationsspulenanordnung
nach einer beliebigen Funktion erfolgen darf, wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ein breitenmoduliertes Pulssignal als Strom durch die Kompensationsspulenanordnung geschickt,
wobei im stationären Zustand der Betrag des positiven Stromwerts dem Betrag des negativen Stromwerts
gleich ist.
Der Vorteil dieser besonders bevorzugten Ausführungsform liegt darin, daß die Verlustleistung in den
Zeitintervallen positiven Sromflusses gleich der Verlustleistung während der Zeitintervalle negativen Stromflusses
in der Kompensationsspulenanordnung ist. Eine lastabhängige Erwärmung des Magnetsystems wird also
vermieden, das Driften der Anzeige wird dadurch beseitigt. Ferner wird die Verlustleistung in der
Endstufe zur Erzeugung des Stroms verringert, da die Transistoren als Schalttransistoren betrieben werden
und durchgesteuert sind.
Die Schaltungseinheiten sind bevorzugt einer Serienschaltung aus Lagesensoren, einer Anpassungsschaltung
und einem Regler nachgeschaltet und enthalten einen Pulsbreitenmodulator, der am Ausgang eine pulsbreitenmodulierte
Ausgangsspannung abgibt, deren Tastverhältnis in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung
des Reglers, d. h. der Ausgangsspannung der Lagesensoren steuerbar ist und einer Endstufe zugeführt wird, die
den pulsbreitenmodulierten Strom durch die Kompensationsspulenanordnung liefert. Der pulsbreitenmodulierte
Strom durch die Kompensationsspulen besitzt eine feste Periode. Die Periodendauer und die
Aufeinanderfolge der positiven und negativen Stromwerte innerhalb dieser Pulsperiode ist dabei so
bemessen, daß das Wäge- und Kraftmeßsystem aufgrund seiner Trägheit den ständigen Stromrichtungsänderungen
nicht folgen kann, sondern einer integralen Kompensationskraft ausgesetzt ist, die dem Gleichanteil
des pulsbreitenmodulierten Stroms durch die Kompensationsspulen entspricht. Während also über eine
Änderung des Tastverhältnisses der pulsbreitenmodulierten Stromimpulse der Gleichwert dieses Stroms
und damit die auf das Wäge- und Kraftmeßsystem wirkende Kraft veränderlich ist, bildet sich über die
gesamte Zeit in der Kompensationsspulenanordnung eine konstante Verlustleistung aus, da die Verlustleistung
proportional zum Quadrat des durch die Kompensationsspulen fließenden Stromes ist.
Der Pulsbreitenmodulator vergleicht bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Erzeugung
der pulsbreitenmodulierten Ausgangsspannung eine periodische Sägezahnspannung mit der Ausgangsspannung
des Reglers und schaltet zum Zeitpunkt der Übereinstimmung der beiden Spannungen die pulsbreitenmodulierte
Ausgangssspannung von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert. Zu Beginn der Sägezahnperiode im Pulsbreitenmodulator besitzt der
Strom durch die Kompensationsspulen eine solche Richtung, daß er kraftkompensierend einem Gewicht
auf der Waage entgegenwirkt. Dieser Zustand des Stromflusses dauert solange an, bis die Sägezahnspannung
den gleichen Wert wie die lastabhängige Regelspannung aus dem bevorzugt als PID-Regler
ausgebildeten Regler des Regelkreises erreicht hat. Dann wird die Stromflußrichtung in den Kompensationsspulen
bis zum Beginn der nächsten Sägezahnperiode umgekehrt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage sind die Beträge
des positiven Werts und des negativen Werts des Stroms durch die Kompensationsspulen nach Abschluß
der mit einer Richtungsänderung des Tragteils verbundenen Änderung dieses Stromes gleich groß, und es sind
elektrische Einrichtungen vorgesehen, um den Betrag dieses Stroms durch ihre Kompensationsspulenanordnung
in Abhängigkeit von an einem Thermoelement abnehmbaren Temperatursignal zu regeln, das z. B. am
Permanentmagneten der Waage angebracht sein kann. Die elektrischen Einrichtungen enthalten bevorzugt
einen weiteren PID-Regler, der einerseits mit dem Thermoelement und andererseits mit der Endstufe des
Regelkreises verbunden ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein dem Strom durch die
Kompensationsspulenanordnung proportionales Signal einem mittelwertbildenden Analog-Digital-Umsetzer
zur weiteren Verarbeitung als Eingangssignal zugeführt. Der Kompensationsspulenanordnung ist ein Strommeßwiderstand
nachgeschaltet, an dem über einen Tiefpaß das Eingangssignal für den Analog-Digital-Umsetzer
(ADU) abgreifbar ist. Der zeitliche Ablauf des im mittelwertbildenden Analog-Digital-Umsetzers stattfindenden
Analog-Digital-Wandlungsvorgangs steht bevorzugt in einer konstanten Phasenbeziehung zum
ίο Strom durch die Kompensationsspulenanordnung, wobei
als Analog-Digital-Umsetzer ein Analog-Digital-Umsetzer mit einem integrierenden Verstärker nach
dem Mehrfach-Rampen-Verfahren gemäß der DE-PS 21 14 141 verwendet wird. Durch die konstante
Phasenbeziehung zwischen ADU und Kompensationsspulenanordnung wird erreicht, daß genau eine
ganzzahlige Anzahl von Perioden der Sägezahnspannung des Pulsbreitenmodulators und damit auch eine
ganzzahlige Anzahl von Perioden der Impulse des Stroms durch die Kompensationsspulenanordnung
während einer Meßzeit des ADU ablaufen, wodurch bei der Messung des Mittelwerts des Stroms im ADU eine
optimale, theoretisch unendlich hohe Unterdrückung der Welligkeit des Stroms, und damit eine stehende
Anzeige erzielt wird. Voraussetzung ist, daß die Frequenz der im Pulsbreitenmodulator zur Pulsbreitenmodulation
benötigten Sägezahnspannung von der Zeitbasis des ADU steuerbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein elektrisches Referenzsystem vorgesehen, das eine Referenzspulenanordnung konzentrisch zur Kompensationsspulenanordnung im Luftspalt der Permanentmagneten der Waage aufweist, die durch eine eigene elastische Aufhängung in Richtung der Auslenkung der Kompensationsspulenanordnung auslenkbar ist und über Referenz-Lagesensoren und einen Referenzregelkreis mittels eines durch die Referenzspulenanordnung fließenden Referenzgleichstroms gegen eine Referenzlast in einer vorgegebenen, konstanten Lage haltbar ist. Wird bevorzugt eine dem Referenzgleichstrom proportionale Größe dem ADU zur vergleichenden Messung des durch die Kompensationsspulenanordnung fließenden Stromes zugeführt, so wird der Einfluß des Magnetfeldes des Permanentmagneten auf das Meßergebnis einer Wägung bzw. Kraftmessung eliminiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein elektrisches Referenzsystem vorgesehen, das eine Referenzspulenanordnung konzentrisch zur Kompensationsspulenanordnung im Luftspalt der Permanentmagneten der Waage aufweist, die durch eine eigene elastische Aufhängung in Richtung der Auslenkung der Kompensationsspulenanordnung auslenkbar ist und über Referenz-Lagesensoren und einen Referenzregelkreis mittels eines durch die Referenzspulenanordnung fließenden Referenzgleichstroms gegen eine Referenzlast in einer vorgegebenen, konstanten Lage haltbar ist. Wird bevorzugt eine dem Referenzgleichstrom proportionale Größe dem ADU zur vergleichenden Messung des durch die Kompensationsspulenanordnung fließenden Stromes zugeführt, so wird der Einfluß des Magnetfeldes des Permanentmagneten auf das Meßergebnis einer Wägung bzw. Kraftmessung eliminiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der ADU so ausgelegt, daß der Strom
durch die Kompensationsspulenanordnung und der
so Referenzgleichstrom durch die Referenzspulenanordnung direkt dem ADU zuführbar sind. Bei einem
derartigen Aufbau liefert die Anzeige bei einer Wägung dann einen direkten Massenvergleich zwischen der auf
dem Trageteil angeordneten Masse und der auf dem Referenzsystem liegenden Masse.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert Es
zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung und
F i g. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung und
F i g. 2 den Kurvenverlauf der Ausgangsspannung des PI D-Reglers, der Sägezahnspannung im Pulsbreitenmodulator,
der Ausgangsspannung des Pulsbreitenmodulators, und des Stroms durch die Kompensationsspulenan-Ordnung
einer erfindungsgemäßen Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung.
F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel im Form einer oberschaligen Waage, deren mechanischer Teil in den
Grundzügen rotationssymmetrisch aufgebaut ist. Die wesentlichen Teile des Magnetsystems sind im Schnitt
dargestellt. Der feste Teil der Waage enthält den Permanentmagneten 1, wobei Teile dieses Permanentmagneten
durch ein magnetisches Material ersetzt sein können, und die fest damit verbundenen Säulen 2, 2'.
Das Gehäuse, in dem das ganze System untergebracht und befestigt ist, ist der Übersichtlichkeit halber nicht
dargestellt.
Im Luftspalt 3 des Permanentmagneten 1 ist eine in Richtung der Rotationssymmetrieachse bewegliche
Kompensationsspulenanordnung 4 untergebracht. Die Kompensationsspulenanordnung 4 ist Bestandteil des
Lastteiles 5, der durch elastische Aufhängungen 6,6' mit den Säulen 2, 2' verbunden und parallel zur Rotationssymmetrieachse geführt wird.
Am festen Teil der Waage sind ein oder mehrere Lagesensoren 7, T beispielsweise optische Sensoren
oder Ringkondensatoren befestigt, die bei Auslenkung des Lastteiles 5 aus einer vorgegebenen Lage ein
Differenzsignal erzeugen, das in bekannter Weise in einer Anpassungsschaltung 8 umgeformt und einem
PID-Regler 9 zugeführt wird. Die Ausgangsspannung des PID-Reglers 9 wird in einem Pulsbreitenmodulator
10 fortwährend mit einer periodischen Sägezahnspannung verglichen, deren Frequenz von der Dekodierung
12 eines Analog-Digital-Umsetzers (ADU) 15 gesteuert wird, wie noch in Verbindung mit F i g. 2 näher erläutert
wird.
Die Ausgangsspannung u des Pulsbreitenmodulators 10 steuert die Endstufe 11, deren Ausgang einen Strom /
liefert. Dieser Strom / nimmt im Rhytmus der pulsbreitenmodulierten Ausgangsspannung u abwechselnd
eine positive und eine negative Maximalamplitude an und fließt zunächst durch die Kompensationsspulenanordnung
4 und dann je nach Eingangswiderstand des Filters 13 und des integrierenden Analog-Digital-Umsetzers
(ADU) 15 ganz oder teilweise als h durch den Strommeßwiderstand 14. Der Differenzstrom i—h fließt
über das Filter 13, das als Tiefpaß ausgebildet ist. Es ist auch eine Lösung möglich, bei der der Strommeßwiderstand
14 entfällt, das Filter 13 ebenfalls entfällt oder in niederohmiger Ausführung den gesamten Strom i zum
ADU 15 weiterleitet und der gesamte Strom / im ADU 15 integriert wird.
Ein Gewicht auf der Waage wird dadurch kompensiert, daß der Strom / zu Beginn einer Sägezahnperiode
im Pulsbreitenmodulator 10 in diejenige Richtung umgeschaltet wird — über die Schnelligkeit des
Umschalter^ wird weiter unten gesprochen —, in der er kraftkompensierend dem Gewicht entgegenwirkt. Dieser
Stromflußzustand dauert an, bis die Sägezahnspannung im Pulsbreitenmodulator 10 den gleichen Wert wie
die lastabhängige Ausgangssspannung aus dem PID-Regler 9 erreicht hat. Anschließend wird die Flußrichtung
des Stromes / bis zum Beginn der nächsten Sägezahnperiode umgekehrt, vergleiche F i g. 2.
Bei entsprechender Änderung der Regelrichtung, beispielsweise am PID-Regler 9, lassen sich die
Richtungen des Stromes / auch in umgekehrter Reihenfolge durch die Kompensationsspulenanordnung
4 schicken, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso läßt sich das Umschalten der
Flußrichtung des Stromes / in einem gewissen, konstanten Umfang gegenüber den oben beschriebenen
Zeitpunkten zeitlich verschieben.
Je nach Vorhandensein und Größe des Strommeßwiderstandes 14, je nach Eingangs- und Ausgangswiderstand
des Filters 13 und je nach Eingangswiderstand des ADU 15 wird dann der Mittelwert des Stromes /durch
die Kompensationsspulenanordnung 4 über den Mittelwert des Spannungsabfalls am Stormmeßwiderstand 14
5 oder als direkter Eingangsstrom i\ in den ADU 15 gemessen. Im letzten Fall kann der Strommeßwiderstand
14 bei entsprechender Beschaffenheit des Filters 13 auch als Shunt für den Eingangswiderstand des ADU
15 dienen, wenn der Strom / den Eingangsbereich des ADU 15 überschreitet
Als ADU 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein ADU mit einem integrierten Verstärker nach dem
Mehrfach-Rampen-Verfahren gemäß der DT-PS 21 14 141 gewählt worden, der sich sehr einfach bis zu
is Anzeigeumfängen von über 10* realisieren läßt Die
Verwendung dieses ADU bietet dabei als Vorteile:
a) ein integrierendes, also mittelwertbildendes Meßverfahren ohne Meßpausen, d. h. die zur Verfügung
stehende Zeit wird optimal genutzt; b) ein Minimum an kritischen Bauteilen; c) die in dem ADU enthaltene
Zeitbasis, bestehend aus dem Impulsgenerator 16, dem ersten Impulszähler 17 und dem zweiten Impulszähler
18, läßt sich über die Dekordierung 12 gleichzeitig zur Frequenzsteuerung der im Pulsbreitenmodulator 10
benötigten Sägezahnspannung benützen. Es läßt sich daher, indem man beispielsweise den Ausgang des
ersten Impulszählers 17 direkt zur Frequenzsteuerung der Sägezahnspannung im Pulsbreitenmodulator 10
heranzieht, auf einfache Weise erreichen, daß genau eine ganzzahlige Anzahl von Perioden dieser Sägezahnspannung
und damit auch eine ganzzahlige Anzahl von Perioden dieser Sägezahnspannung und damit auch
eine ganzzahlige Anzahl von Perioden der Impulse des Stromes / durch die Kompensationsspulenanordnung 4
während einer Meßzeit des ADU 15 ablaufen. Es wird so bei der Messung des Mittelwertes des Stromes / im
ADU 15 eine optimale, theoretisch unendlich hohe Unterdrückung der Welligkeit des Stromes /und damit
eine stehende Anzeige erreicht.
Es lassen sich jedoch, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, auch andere geeignete Analog-Digital-Umsetzer
als der oben erwähnte einsetzen. Es müssen dann, falls nicht im ADU enthalten, ein
separater Impulsgenerator 16 und evtl. auch ein oder mehrere separate Impulszähler 17 und 18 benutzt
werden, um die Frequenzsteuerung der Sägezahnspannung im Pulsbreitenmodulator 10 zu erzeugen. Bei
einem integrierten ADU wären dann die Frequenz des Impulsgenerators 16, das Teilverhältnis des oder der
so Impulszähler 17 und 18 sowie die Dekodierung 12
sinnvollerweise so zu wählen, daß wiederum eine ganzzahlige Anzahl von Perioden der Impulse des
Stromes / durch die Kompensationsspulenanordnung 4 während einer Meßzeit des ADU 15 stattfinden. Ebenso
kann auch bei entsprechender Gestaltung des Filters 13 ein nichtintegrierender ADU verwendet werden.
Der durch den ADU 15 bestimmte zeitliche Mittelwert des Sromes / durch die Kompensationsspulenanordnung
4 ist proportional der zu kompensierenden Kraft und damit bei diesem Ausführungsbeispiel
auch proportional dem Gewicht von Totlast und Wägegut
Die in der Kompensationsspulenanordnung 4 und evtl. im Strommeßwiderstand 14 frei werdende Wärme
ist gewichtsunabhängig unter der Voraussetzung, daß sich der zeitliche Verlauf der Richtungsänderung des
Stromes / durch die Kompensationsspulenanordnung 4 nicht oder entsprechend wenig mit der Last ändert Es
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wird also keine oder nur eine geringe gewichtsabhängige Erwärmung des Magnetsystems und damit auch
keine gewichtsabhängige Änderung der Eichung und kein langsames Einlaufen des Nullpunktes bei Wegnahme
des Gewichtes erzeugt. Eine möglicherweise als Funktion der Zeit oder der Umgebungstemperatur evtl.
doch stattfindende Änderung des zeitlichen Verlaufs der Richtungsänderung des Stromes /durch die Kompensationsspulenanordnung
4 geht nicht direkt sondern allenfalls indirekt über eine geringfügige Erwärmungsänderung des Magnetsystems in die Eichung und den
Nullpunkt des Wägesystems ein. Ebenso gibt es keinen lastabhängigen, die Eichung verfälschenden Einfluß von
Hystereseeffekten des Permanentmagneten 1.
Die in den Ausgangstransistoren der Endstufe 11 frei
werdende Verlustleistung ist gering, da die Transistoren bei richtiger Dimensionierung der Kompensationsspulenanordnung
4 und der Versorgungsspannung einfach ganz durchgeschaltet werden können. Ebenfalls sehr
einfach läßt sich der PID-Regler 9 gestalten, da je nach Puls-Tast-Verhältnis der Ausgangsspannung u des
Pulsbreitenmodulators 10 die auf den Lastteil 5 wirkenden, mittleren magnetischen Kräfte auch umgekehrt
werden können.
Durch Anbringen eines Temperaturfühlers oder Thermoelements 20 an der in F i g. 1 gezeigten
Anordnung, beispielsweise am Permanentmagneten 1, und durch Herleitung eines Temperaturregelsignals
über einen nachgeschalteten Meßverstärker 21 und einen weiteren PID-Regler 22, der z. B. zwischen
Thermoelement 2 und Endstufe des Regelkreises liegt, und mit dessen Hilfe sich die Beträge des positiven und
negativen Wertes des von der Endstufe 11 gelieferten Stromes / durch die Kompensationsspulenanordnung 4
nach Abschluß der mit einer Richtungsänderung dieses Stromes verbundenen Änderung gleichzeitig und in
gleichem Maße verändern lassen, ist es möglich, eine einfache Temperaturregelung des Magnetsystems gegenüber
Einflüssen der Umgebungstemperatur aufzubauen.
An den Digitalausgang des ADU 15 ist eine Meßwertverarbeitungseinrichtung 19 angeschlossen,
die es gestattet, den Meßwert zu speichern, Taragewichte und Totlasten zu speichern und vom Meßwert
abzuziehen, eine digitale Anzeige anzusteuern und auch das digitale Meßergebnis an einen Rechner zur weiteren
Verarbeitung weiterzugeben.
Bei dem in Verbindung mit F i g. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der mit Hilfe des ADU 15
direkt oder indirekt gemessene Strom i durch die Kompensationsspulenanordnung 4 im Grunde nicht
nach seinem absoluten Wert bestimmt, sondern es wird in einem derartigen ADU gewöhnlich ein Vergleich mit
einem Referenzstrom, der evtl. wiederum aus einer Referenzspannung gewonnen wird, durchgeführt Diesen
vom ADU 15 benötigten Referenzstrom bzw. die Referenzspannung läßt sich über ein Referenzsystem 30
to gewinnen, dessen Referenzspulenanordnung 31 sich konzentrisch zur Kompensationsspulenanordnung 4
ebenfalls im Luftspalt 3 befindet, und zwar ohne mechanisch mit dem Lastteil 5 verbunden zu sein. Das
mit dem Referenzgewicht beaufschlagte Referenzsystern 30 wird dann durch eigene elastische Aufhängungen
32 ebenfalls parallel zur Rotationssymmetrieachse geführt und über eigene Lagesensoren 33 und
Regelkreise 34 mittels eines Gleichstroms durch die Referenzspulenanordnung 31 in einer konstanten,
vorgegebenen Lage gehalten. Dieser Gleichstrom bzw. ein aus ihn an einem Widerstand hergeleiteter
Spannungsabfall dienen dann für den ADU 15 als Referenzstrom bzw. Referenzspannung. Hierdurch ist
der Einfluß des Magnetfeldes des Permanentmagneten 1 auf das Meßergebnis einer Wägung bzw. Kraftmessung
eliminiert Dimensioniert man den ADU 15 dergestalt daß er den Strom / durch die Kompensationsspulenanordnung
4 und den Referenzstrom durch das Referenzsystem direkt aufnehmen kann, dann ergibt
sich bei einer Wägung ein direkter Massenvergleich.
Ferner läßt sich diese Erfindung auch bei Balken- bzw. Hebelwaagen und sonstigen kraftübersetzenden Waagen
und Kraftmeßeinrichtungen verwenden, wobei die gepulste Form des Stromes /durch die Kompensationsspulenanordnung
4 ein leichtes Vibrieren des kraftübersetzenden Systems und damit einen verringerten
Einfluß von Lagerreibungskräften bewirkt
Voraussetzung ist bei allen Ausführungsbeispielen der Erfindung daß die zeitliche Änderung des durch die
Kompensationsspulenanordnung fließenden Stroms von den positiven auf die negativen Stromwerte so
rasch erfolgt, daß das Wäge- und Kraftmeßsystem auf Grund seiner Trägheit diesem ständigen Wechsel nicht
folgen kann, so daß die auf Grund des Stroms / auf das Wäge- und Kraftmeßsystem ausgeübte Kraft dem
zeitlichen Mittelwert des pulsbreitenmodulierten Stroms entspricht
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (16)
1. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung mit einem Lastaufnahmeteil, der auslenkbar am festen Teil des
Wäge- und Kraftmeßsystems angeordnet ist und eine in einem konstanten Magnetfeld befindliche
Kompensationspulenanordnung besitzt, mit mindestens einem Lagesensor, der belastungsabhängige
Auslenkungen des Lastaufnahmeteils aus einer vorgegebenen Lage feststellt und ein Sensorsignal
einem elektrischen Regelkreis zuführt, der den Strom durch die Kompensationsspulenanordnung so
regelt, daß der Lastaufnahmeteil in seine vorgegebene Lage zurückgebracht wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Regelkreis (7, 8, 9, 10, 11) Schaltungseinheiten (10, 11) aufweist, die dem
durch die Kompensationsspulenanordnung (4) fließenden Strom durch die Belastung vorgegebene,
abwechselnd positive und negative Werte geben.
2. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaltungseinheiten (10, 11) den positiven und den negativen Werten des durch die Kompensationsspulenanordnung
(4) fließenden Stromes nach Abschluß der mit einer Richtungsänderung des Tragteils (5)
verbundenen Änderung des Stromes dieselbe Maximalamplitude verleihen.
3. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaltungseinheiten (10, 11) den zeitlichen Beginn des Stromflusses in einer Richtung durch die
Kompensationsspulenanordnung (4) in fest vorgegebenen Zeitabständen wiederholen.
4. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltungseinheiten (10, 11) ein breitenmoduliertes Pulssignal als Strom durch
die Kompensationsspulenanordnung (4) abgeben.
5. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaltungseinheiten (10, 11) einer Serienschaltung aus Lagesensoren (7, T) einer Anpassungsschaltung
(8) und einem Regler (9) nachgeschaltet sind und einen Pulsbreiten-Modulator (10) enthalten, der am
Ausgang eine pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannung abgibt, deren Tastverhältnis in Abhängigkeit
von der Ausgangsspannung des Reglers (9) steuerbar ist und einer Endstufe (10) zugeführt wird, die
den pulsbreitenmodulierten Strom durch die Kompensationsspulenanordnung
(4) liefert.
6. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler
(9) als PID-Regler ausgebildet ist.
7. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Pulsbreitenmodulator (10) zur Erzeugung der pulsbreitenmodulierten Ausgangsspannung eine periodische
Sägezahnspannung mit der Ausgangsspannung des Reglers (9) vergleicht und zum Zeitpunkt
der Übereinstimmung der beiden Spannungen die w> pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannung von
einem ersten Wert auf einen zweiten Wert schaltet.
8. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der positive und der negative Wert des Stroms durch die Kompensationsspulenanordnung
(4) nach Abschluß der mit einer Richtungsänderung des Tragteils (5) verbundenen Änderung dieses
Stromes vom gleichen Betrage sind, und daß elektrische Einrichtungen (21; 22) vorgesehen sind,
um den Betrag des Stromes durch die Kompensationsspulenanordnung (4) in Abhängigkeit von an
einem Thermoelement abnehmbaren Temperatursignal zu regeln.
9. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
elektrischen Einrichtungen (21; 22) einen weiteren PID-Regler (22) enthalten, der einerseits mit dem
Thermoelement (20) und andererseits mit der Endstufe (11) des Regelkreises (7 bis 11) verbunden
ist.
10. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strom durch die Kompensationsspulenanordnung (4) proportionales Signal einem mittelwertbildenden
Analog-Digital-Umsetzer (15) zur weiteren Verarbeitung als Eingangssignal zuführbar
ist
11. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach
Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsspulenanordnung (4) ein Strommeßwiderstand
(14) nachgeschaltet ist, an dem über einen Tiefpaß (13) das Eingangssignal des Analog-Digital-Umsetzers
(15) abgreifbar ist.
12. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der
zeitliche Ablauf des im mittelwertbildenden Analog-Digital-Umsetzers (15) stattfindenden Analog-Digital-Wandlungsvorganges
in einer konstanten Phasenbeziehung zum Strom durch die Kompensationsspulenanordnung
(4) steht.
13. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die
Frequenz der im Pulsbreiten-Modulator (10) zur Pulsbreitenmodulation benötigten Sägezahnspannung
von der Zeitbasis (16,17,18) des mittelwertbildenden
Analog-Digital-Umsetzers (15) steuerbar ist.
14. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß ein elektrisches Referenzsystem (30) vorgesehen ist, daß eine Referenzspulenanordnung
(31) konzentrisch zur Kompensationspulenanordnung (4) im Luftspalt (3) des Permantentmagneten
(1) aufweist, die durch eine eigene elastische Aufhängung (32) in Richtung der Auslenkung der
Kompensationsspulenanordnung (4) auslenkbar ist und über Referenz-Lagesensoren (33) und einen
Referenzregelkreis (34) mittels eines durch die Referenzspulenanordnung (31) fließenden Referenzgleichstromes
gegen eine Referenzlast in einer vorgegebenen, konstanten Lage haltbar ist.
15. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem
Referenzgleichstrom proportionale Größe dem Analog-Digital-Umsetzer (15) zur vergleichenden
Messung des durch die Kompensationsspulenanordnung (4) fließenden Stromes zuführbar ist.
16. Gewichts- und Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der
Analog-Digital-Umsetzer (15) so ausgelegt ist, daß der Strom durch die Kompensationsspulenanordnung
(4) und der Referenzgleichstrom durch die Referenzspulenanordnung (31) direkt dem Analog-Digital-Umsetzer
(15) zuführbar sind.
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