DE2935654C2

DE2935654C2 -

Info

Publication number: DE2935654C2
Application number: DE2935654A
Authority: DE
Inventors: Peter Gossau Ch Kunz
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Toledo GmbH Switzerland
Priority date: 1978-10-20
Filing date: 1979-09-04
Publication date: 1988-04-28
Also published as: DE2935654A1; CH634654A5; DE7925060U1; GB2032112B; FR2439391A1; US4245711A; FR2439391B1; GB2032112A

Description

Die Erfindung betrifft eine Waage mit elektromagnetischer Last kompensation, umfassend einen Lastaufnehmer, ein Permanentmagnet system, eine in dessen Luftspalt angeordnete stromdurchflossene Spule, welche eine zwischen ihren beiden Enden gelegene Anzapfung in einen ersten Spulenteil und in einen im gleichen Wickelsinn weiter gewickelten zweiten Spulenteil unterteilt, einen zwischen dem Last aufnehmer und der Spule angeordneten Übersetzungshebel, eine die Spule speisende Konstantstromquelle, einen der Spule zugeordneten, zwischen einer ersten und einer zweiten Schaltstellung umschaltbaren Schalter, eine die Schaltstellung bestimmende Regelschaltung, welche den Schalter während Zeitabschnitten von lastabhängiger Dauer in der ersten Schaltstellung hält, in der der erste Spulenteil vom Strom der Konstantstromquelle durchflossen ist, und welche den Schalter während der verbleibenden Zeit in der zweiten Schaltstellung hält, in der der erste Spulenteil stromlos ist.

Bei einer bekannten Waage dieser Art (DE-OS 26 43 437) sind die beiden Ausgangspole der Konstantstromquelle stets an die Reihen schaltung von ersten und zweiten Spulenteil angeschlossen. Der als Ein- Aus-Schalter ausgebildete Schalter liegt parallel zu dem ersten Spulenteil, so daß in seiner Schließstellung nur der zweite Spulenteil vom Strom der Konstantstromquelle durchflossen ist, während in seiner Offenstellung beide Spulenteile gleichsinnig vom Strom durchflossen werden. Der zweite Spulenteil übt somit unabhängig von der Stellung des Schalters eine konstante Kraft im Luftspalt des Permanentmagnetsystems aus, während die in gleicher Richtung erfolgende Kraftausübung des ersten Spulenteils von der durch die Regelschaltung bestimmten Öffnungsdauer des Schalters innerhalb aufeinanderfolgender Zeitperioden abhängt. In der bekannten Waage dient die erwähnte konstante Kraft dazu, den größten Teil einer Totlast und/oder Tara zu kompensieren, so daß die Öffnungsdauer des Schalters im wesentlichen nur durch die festzustellende Last bestimmt ist. Wird das Wägeergebnis durch Auszählen von während der Offenstellung des Schalters anfallenden Zählimpulsen ermittelt, läßt sich somit vermeiden, daß die Auf lösung der Waage durch eine ggf. hohe Totlast und/oder Tara beeinträchtigt wird bzw. es kann bei einer vorgegebenen Auflösung die Zählimpulsfrequenz reduziert werden.

Zu dem gleichen Zweck ist es auch bekannt, die Kompensationsspule in zwei getrennte Teilspulen aufzuteilen und den Schalter als Umschalter auszubilden, wobei die eine Teilspule ständig vom Strom des Konstantstromgenerators durchflossen ist, der abhängig von der Schaltstellung des Umschalters auch die andere Teilspule im gleichen Sinn oder eine Ersatzlast durchströmt. Bekannt ist ferner eine ebenfalls diesem Zweck dienende Ausführungsform, bei der die Kompensationsspule ungeteilt und ohne Anzapfung ausgebildet ist, wobei eine Reihenschaltung aus einem Ein-Aus-Schalter und einem Widerstand parallel zur Kompensationsspule geschaltet ist. In der Schließstellung des Schalters verzweigt sich der Strom der Konstantstromquelle und die Kompensationsspule wird von einem Teil strom in einer vorgegebenen Richtung durchströmt, welcher die Tot last und/oder Tara kompensiert. Bei geöffnetem Schalter wird die Kompensationsspule in der gleichen Richtung mit dem vollen Strom der Konstantstromquelle beaufschlagt, wobei die Totlast/Tara und eine der Öffnungszeit des Schalters entsprechende Wägelast kompensiert wird.

Bekannt ist es ferner (US-PS 39 55 638), die Richtung eines Kompensationsstromes mit lastabhängiger Amplitude bei Halblast umzukehren, d. h. dieselben Windungen der Kompensationsspule werden bei kleineren Lasten vom Strom einer Polarität, bei größeren Lasten vom Strom der entgegengesetzten Polarität durch flossen. Bekannt ist auch eine Waage (DE-AS 27 22 093), bei welcher der durch die Kompensationsspule fließende Strom in rascher Folge abwechselnd positive und negative Werte enthält. Bei derartigen Waagen sind zur Stromumschaltung von einer Polarität auf die andere zwei Stromquellen und/oder kritische Bauteile erforderlich, wobei im Falle der Umschaltung mit hoher Frequenz die Form und Konstanz der Schaltflanken einen merklichen Einfluß auf die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse hat.

Für gattungsgemäße Waagen verwendbare Kompensations- und Regel schaltungen sind bekannt (US-PS 37 86 678, US-PS 37 86 884, US-PS 38 16 156). Der mechanische Aufbau einer Waage mit elektro magnetischer Lastkompensation und Übersetzungshebel ist ebenfalls bekannt (US-PS 41 09 738). Bei der praktischen Ausführung solcher Waagen ist es zweckmäßig, für verschiedene Typen der gleichen Familie möglichst viele gleiche Bestandteile zu verwenden. So ist es beispielsweise erwünscht, für Waagen verschiedener Übersetzungen und damit verschiedener Höchstlasten die gleichen Übersetzungshebel zu verwenden. Dies führt dann allerdings dazu, daß in gewissen Fällen an einem Ende des Hebels noch eine Zusatzlast nötig wird. Diese Maßnahme ist unbefriedigend, weil sie den Material- und Montageaufwand vergrößert und das Eigengewicht der ganzen Waage erhöht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit einfachen Mitteln Zusatzlasten bzw. Ausgleichsgewichte dann ganz oder teilweise entbehrlich zu machen, wenn für eine, mehrere verschiedene Typen umfassende Waagenfamilie weitgehend übereinstimmende Bestandteile verwendet werden, beispielsweise beim Einsatz der gleichen Über setzungshebel für Waagen verschiedener Höchstlasten.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Waage der eingangs genannten Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schalter als Umschalter ausgebildet ist, daß der eine Ausgangspol der Konstantstromquelle stets über die Anzapfung an die Spule ange schlossen ist und daß der Umschalter den Strom der Konstantstrom quelle alternierend in seiner ersten Schaltstellung durch den ersten Spulenteil bzw. in seiner zweiten Schaltstellung durch den zweiten Spulenteil leitet, dergestalt, daß die Spule im Feld des Permanentmagnetsystems in der ersten Schaltstellung eine Kraft wirkung in einer Richtung und in der zweiten Schaltstellung in entgegengesetzter Richtung ausübt.

Die Größe und Richtung der von der Kompensationsspule ausgeübten resultierenden Kraft hängt u. a. ab von der Lage der Anzapfung und von der Länge der jeweiligen Teilimpulse innerhalb eines Zeit intervalls. Sie kann also entgegen dem Angriff der Wägelast oder in der gleichen Richtung mit ihr wirken; für einen bestimmten Belastungsfall wird die resultierende Kraft Null. Vorteile ergeben sich auch durch den Wegfall der Ersatzlast und durch die Reduzierung der Verlustleistung der Spule im Verhältnis zu Aus führungsformen mit einer mechanischen Zusatzlast.

Zweckmäßigerweise ist dem Umschalter ein Flipflop zugeordnet. Diese Ausführungsform ist speziell dann von Vorteil, wenn bereits in der Schaltung vorhandene Flipflops noch freie Kapazität auf weisen.

Vorzugsweise sind die beiden Spulenteile übereinander gewickelt. Dies bedingt einen relativ geringen Herstellungsaufwand und eine optimale Raumausnützung (letztere ergäbe sich auch bei bifilar gewickelten Spulenteilen).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Darstellung der wesentlichen Teile der Waage sowie ein Blockschema des elektrischen Teils;

Fig. 2 ein Detail zur Fig. 1;

Fig. 3 eine Variante zu Fig. 2,

Fig. 4 ein weiteres Detail, und

Fig. 5 ein Strom-Zeit-Diagramm.

Von der im mechanischen Aufbau konventionellen Waage ist in Fig. 1 eine Waagschale 10 zu erkennen, die auf einem Lastaufnehmer oder Träger 12 ruht. Der Träger 12 ist im mit 14 bezeichneten ortsfesten Teil der Waage mittels zwei Lenkern 16 parallel geführt. Ein zweiarmiger Hebel 18 ist über Biegelager 20 im festen Teil 14 schwenkbar gelagert und trägt über ein Hängekoppel 22 den Lastauf nehmer 12. Am freien Ende des Hebels 18 ist ein fotoelek trischer Lagesensor 24 angeordnet. Benachbart dazu ist ortsfest ein rotationssymmetrisches Permanentmagnetsystem 26 vorgesehen, in welches eine am Hebel 18 befestigte Kom pensationsspule 28 taucht.

Die Struktur der Waage und des Permanentmagnetsystems ist beschrieben beispielsweise in der oben bereits erwähnten US-PS 41 09 738. Aus den ebenfalls obengenannten US-Pa tentschriften 37 86 678, 37 86 884 und 38 16 156 ist Auf bau und Wirkungsweise des elektrischen Teils bekannt, auf dessen Funktion daher hier nur summarisch eingegangen wird:

Das Signal des Lagesensors 24 wird über die Positionsge berschaltung 30 einem PID-Regler 32 zugeführt. Das dort gebildete Regelsignal wird in einem Pulslängenmodulator (PLM) 34 mit einer periodischen Sägezahnspannung vergli chen. Der PLM 34 wird in starrem Rhythmus gestartet (Takt geber 36, Teiler 38) und steuert über einen Synchronisier- Flipflop 40 einen Schalter 42, der den Konstantstrom I von einer Stromquelle 44 periodisch an die Spule 28 schaltet. Der PLM 34 steuert ferner ein Tor 46, das vom Taktgeber 36 beaufschlagt wird. Dessen hochfrequente Taktimpulse werden während lastproportionaler Zeitabschnitte vom Zähler 48 gezählt. Ein weiterer vom Taktgeber 36 beaufschlagter Teiler 50 steuert einen Rechner 52, der periodisch die Zählerstände vom Zähler 48 übernimmt und daraus das Meß ergebnis bildet, welches zur Digitalanzeige 54 gelangt.

Bei bekannten Waagen gemäß den als Referenz zu Fig. 1 obengenannten US-Patenten ist jeweils eine Kompensations spule vorgesehen, die stets nur in einer Richtung vom Kom pensationsstrom durchflossen wird und dies im Normalfalle nur während eines Teiles jedes durch die Länge einer Säge zahnspannungsrampe im PLM 34 bestimmten Zeitintervalls. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind nun die Spule 28 und der Schalter 42 verändert, was für das vorliegende Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 2 bis 4 erläutert wird.

Die Spule 28 ist unter Bildung von zwei Windungspaketen 28 a, 28 b auf einen Spulenträger 56 gewickelt (Fig. 4). An der Anzapfung ist ein Anschlußdraht 58 herausgeführt, zwei andere Anschlußdrähte 60, 62 führen zum Anfang bzw. Ende der ganzen Spule 28. Der Spulenträger 56 ist am He bel 18 befestigt.

Der Schalter 42 wird gemäß Fig. 2 von zwei Feldeffekt- Transistoren (FET) 64, 66 gebildet, die von den Ausgängen bzw Q des Flipflop 40 gesteuert werden. Parallel zu den Spulenteilen 28 a und 28 b liegt je ein Kondensator 68 a, 68 b, in bekannter Weise zur Glättung der Stromimpulse die nend. Die Leitung 60 führt zum FET 64, die Leitung 62 zum FET 66, während Leitung 58 mit der Speisespannung V ver bunden ist. Die anderen Anschlüsse der FET 64, 66 sind mit der Stromquelle 44 verbunden.

Die Anordnung funktioniert wie folgt: Jeweils beim Start eines Intervalls T (Beginn der Sägezahnrampe im PLM 34, siehe auch Fig. 5) wird der FET 66 vom Ausgang Q des Flipflops 40 angesteuert, der Strom I fließt auf dem Weg V - Lei tung 58 - Spulenteil 28 b - Leitung 62 - FET 66 - Strom quelle 44, die Kompensationsspule erzeugt im Permanent magnetsystem 26 eine Kraft nach unten. Während dieser lastabhängigen Zeitspanne t ₁ (siehe Fig. 5) werden die Taktimpulse im Zähler 48 gezählt. Erreicht die Sägezahn spannung im PLM 34 den Wert der Regelspannung, so wird der Flipflop 40 vom PLM 34 umgeschaltet: Nunmehr ist der Ausgang aktiv, und der Konstantstrom I fließt auf dem Weg V - Leitung 58 - Spulenteil 28 a - Leitung 60 - FET 64 - Stromquelle 44, d. h. die Kraftwirkung kehrt sich um für den Rest des Intervalls T, bis beim Beginn der nächsten Sägezahnspannungsrampe der Flipflop 40 wieder umgeschaltet wird.

Die als Schalter wirkende Anordnung 42 stellt einen voll durchgesteuerten Differentialverstärker dar: Im einen Fall fließt der Strom nur durch den FET 64, im anderen Fall ausschließlich durch den FET 66. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sie noch schneller arbeitet als der konven tionell eingesetzte Schalttransistor.

Fig. 3 zeigt eine Variante, die beispielsweise dann zweck mäßig sein kann, wenn vom Flipflop 40 nur noch ein Aus gang (Q oder ) zur Verfügung steht. Der andere Ausgang wird hier durch zwei Widerstände 70, 72 "ersetzt", die bei passender Dimensionierung funktionell dem fehlenden Flipflop-Ausgang entsprechen: Das Verhältnis der Wider stände 70 und 72 ist so zu wählen, daß das am FET 64 lie gende Potential zwischen Null und dem Potential des Si gnals Q liegt.

In der bereits erwähnten Fig. 5 ist ein Beispiel für den Stromverlauf in der Spule über der Zeit aufgetragen. Stets wird ein Spulenteil vom Konstantstrom I durchflossen (der jeweils andere Spulenteil ist stromlos), und bei Beginn jedes neuen Intervalls T sowie nach Ablauf jedes Zeitab schnitts t ₁ wird der Strom durch den jeweils anderen Spu lenteil geleitet. Das gezeigte Beispiel in Fig. 5 ent spricht etwa einer Belastung der Waage mit einem Drittel der Wägekapazität.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt das Windungs verhältnis 1 : 3, d. h. die Anzapfung liegt bei einem Viertel der Gesamtwindungszahl. Damit beträgt die maximal nach unten wirkende Kompensationskraft das Dreifache der maximal nach oben wirkenden Kompensationskraft. Wird durch Ände rung der Lagerabstände eine andere Hebelübersetzung ge wählt, so ist das Windungsverhältnis entsprechend anzu passen. Auf die eingangs erwähnten, sonst bei gleichem Hebel notwendigen Ausgleichsgewichte kann damit im wesent lichen verzichtet werden.

Als vorteilhafte Nebenwirkung der Erfindung ist das im Vergleich zu konventionellen Waagen wesentlich günstigere Temperaturverhalten zu erwähnen: Die Lastabhängigkeit der Verlustleistung in der Spule ist merklich verringert.

Claims

1. Waage mit elektromagnetischer Lastkompensation, umfassend

- einen Lastaufnehmer,
- ein Permanentmagnetsystem,
- eine in dessen Luftspalt angeordnete, stromdurchflossene Spule, welche eine zwischen ihren beiden Enden gelegene Anzapfung in einen ersten Spulenteil und in einen im gleichen Wickelsinn weitergewickelten zweiten Spulenteil unterteilt,
- einen zwischen dem Lastaufnehmer und der Spule angeordneten Übersetzungshebel,
- eine die Spule speisende Konstantstromquelle,
- einen der Spule zugeordneten, zwischen einer ersten und einer zweiten Schaltstellung umschaltbaren Schalter,
- eine die Schaltstellung bestimmende Regelschaltung, welche den Schalter während Zeitabschnitten von lastabhängiger Dauer in der ersten Schaltstellung hält, in der der erste Spulenteil vom Strom der Konstantstromquelle durchflossen ist und welche den Schalter während der verbleibenden Zeiten in der zweiten Schalt stellung hält, in der der erste Spulenteil stromlos ist,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Schalter als Umschalter (42) ausgebildet ist,
daß der eine Ausgangspol der Konstantstromquelle (44) stets über die Anzapfung (58) an die Spule (28) angeschlossen ist und
daß der Umschalter (42) den Strom der Konstantstromquelle alternierend in seiner ersten Schaltstellung durch den ersten Spulenteil (28) bzw. in seiner zweiten Schaltstellung durch den zweiten Spulenteil (28 b) leitet, dergestalt, daß die Spule (28) im Feld des Permanentmagnet systems (26) in der ersten Schaltstellung eine Kraftwirkung in einer Richtung und in der zweiten Schaltstellung in entgegengesetzter Richtung ausübt.

2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Umschalter (42) ein Flipflop (40) zugeordnet ist.

3. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulenteile (28 a, 28 b) übereinander gewickelt sind.