DE3401857C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Waage, ins­ besondere Mikrowaage, mit einem an einem Spannband gelager­ ten Balken, an dessen beiden Armen je eine Waagschale zur Aufnahme des Wägegutes bzw. der Gegengewichte beweglich angebracht ist, mit einem Kompensationssystem, das das bei Übergewicht des Wägegutes oder der Gegengewichte auftreten­ de Drehmoment am Balken zu kompensieren gestattet, und mit zwei Lagensensoren, die an den beiden Armen des Balkens dessen Lageänderung erfassen, wie sie durch die DE-AS 15 49 280 bekannt ist.

Elektrische Waagen dieser Art sind auch näher in der US-PS 33 05 035 beschrieben. Das Kompensationssystem arbeitet dabei im allgemeinen nach dem Prinzip der elektromagne­ tischen Krafterzeugung durch eine stromdurchflossene Spule im Feld eines Permanentmagneten. Der zweiarmige, vorzugs­ weise symmetrische Balken zeichnet sich durch sehr gute Stabilität gegenüber Änderungen der Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchte, Luftdruck, etc.) aus. Die Spannband­ lagerung verursacht nur geringe Rückstellmomente und er­ laubt daher eine hohe Auflösung.

Nachteilig an dieser Bauart ist nur, daß je nach Größe des Wägegutes und der entsprechenden Größe der Gegengewichte die Spannbandlagerung des Balkens verschieden große senk­ rechte Kräfte aufnehmen muß, so daß das waagerechte Spann­ band belastungsabhängig mehr oder weniger durchhängt. Dadurch verändert sich die Lage der Kompen­ sationsspule gegenüber dem Permanentmagnetsystem, was zu einer Empfindlichkeitsänderung der Waage führt, falls das Permanentmagnetsystem nicht über einen größeren Bereich sehr konstanter Feldstärke verfügt.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine elektrische Waage der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß die Nachgiebigkeit der Spannbandlagerung zu keinerlei Empfindlichkeitsveränderungen der Waage führt, ohne daß besondere Ansprüche an die Homogenität des magnetischen Feldes des elektromagnetischen Kompensationssystemes gestellt werden müssen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß eine Schaltungs­ anordnung vorhanden ist, die die Differenz und den Mittel­ wert der Ausgangssignale der beiden Lagensensoren bilden und das eine dieser so erhaltenen Signale dem Eingang eines Regelverstärkers für das Kompensationssystem zuführen und das andere dieser so erhaltenen Signale einer Korrektur­ einheit für die Empfindlichkeit der Waage zuführen.

Neben der Differenz der Ausgangssignale der beiden Lagen­ sensoren, die - gleichartige Orientierung der beiden Lagensensoren vorausgesetzt - als Maß für die Winkellage des Balkens in bekannterWeise den Regelverstärker des Kompensationssystems steuert, wird auch der Mittelwert (also die halbe Summe) der Ausgangssignale der beiden Lagensensoren gebildet und dies Signal als Maß für den Durchhang des Spannbandes zur elektrischen Korrektur der durch eben diesen Durchhang des Spannbandes verursachten Empfindlichkeitsfehler der Waage benutzt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel einer Mikro­ waage mit einem elektromagnetischen Kompensationssystem und mit induktiven Lagensensoren beschrieben. Dabei zeigen die schematischen Figuren

Fig. 1 die für die Erfindung wesentlichen Teile einer elektrischen Mikrowaage in Draufsicht,

Fig. 2 eine Seitenansicht zu Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltbild der wesentlichen Teile der Elek­ tronik der Mikrowaage aus Fig. 1 und 2 und

Fig. 4 in einer anderen Ausgestaltung die für die Er­ findung wesentlichen Teile einer elektrischen Mikrowaage in Draufsicht.

Die elektrische Mikrowaage in Fig. 1 besteht aus einem Balken 1, der durch ein waagerechtes Spannband 2 dreh­ bar gelagert ist. An den nicht gezeichneten Enden des Balkens 1 sind in bekannter Weise die beiden Waagschalen zur Aufnahme des Wägegutes und der Gegengewichte ange­ bracht. Weiter ist am Balken 1 eine etwa rechteckige Kompensationsspule 3 befestigt, die sich mit zwei Schen­ keln im Feld eines ortsfesten Permantenmagnetsystems 4 befindet. Weiter sind zwei Lagensensoren in Form von zwei senkrecht stehenden, ortsfesten Spulen 5 und 6 zu erkennen.

In der Seitenansicht in Fig. 2 erkennt man die Lage die­ ser beiden Sensorspulen 5 und 6 relativ zur Kompensations­ spule 3 genauer. In Fig. 2 sind dabei der Übersichtlich­ keit halber die Befestigungen 65 und 66 der beiden Sensor­ spulen 5 und 6 an der Grundplatte 7 nur angedeutet und die Befestigungselemente für das Spannband 2 ganz weggelassen.

Das Permanentmagnetsystem 4 besteht aus einem Permantenmagneten 41, der in der Richtung links-rechts (in Fig. 1 und 2) magnetisiert ist, und einem Eisenrück­ schluß 42; der Stützkörper 43 ist unmagnetisch und dient nur der Halterung des Permanentmagneten 41. Ein Strom in der Kompensationsspule 3 erzeugt also in dieser ein Drehmoment und versucht, die Spule 3 und den Balken 1 um die durch das Spannband 2 gegebene Drehachse zu drehen.

Das elektrische Schaltbild der Mikrowaage ist in Fig. 3 wiedergegeben. Eine Wechselspannungsquelle 13 mit einer Frequenz in der Größenordnung von 100 kHz speist über einen Übertrager 12 eine konstante Wechselspannung in die Kompensationsspule 3 ein. (Der Meßwiderstand 14 ist für die Wechselspannung durch den Kondensator 15 kurzge­ schlossen, der Ausgang des Regelverstärkers 11 durch den Kondensator 16.) Dadurch wird in den beiden Sensorspulen 5 und 6 eine von der Lage des Balkens 1 und der Kompen­ sationsspule 3 abhängige Wechselspannung induziert. Diese beiden Wechselspannungen werden durch die beiden gleichen, aber entgegengesetzt gepolten Dioden 20 und die beiden gleichen Kondensatoren 21 in zwei Gleichspannungen U ₁ und U ₂ mit entgegengesetztem Vorzeichen umgeformt. Die beiden ebenfalls gleichen Widerstände 22 liefern dann an ihrem Verbindungspunkt 23 die Differenz der beiden Gleichspannungen U ₁-U ₂ an den Eingang des Regelverstärkers 11.

Der Regelverstärker 11 liefert dann an seinem Ausgang einen Kompensationsgleichstrom, der in der Kompensationsspule 3 ein rücktreibendes Drehmoment erzeugt und so die Kompen­ sationsspule 3 und den Balken 1 wieder in die Soll-Lage, die durch die Bedingung U₁-U ₂ = 0 gegeben ist, zu­ rückzudrehen versucht. Die Größe dieses Kompensations­ gleichstromes ist ein Maß für den Lastunterschied auf den beiden Seiten des Balkens 1 und wird an dem Meßwider­ stand 14 als analoge Spannung abgegriffen. Die Funktions­ weise solch einer kompensierenden Waage ist allgemein be­ kannt und wurde daher hier nur ganz kurz erläutert.

Der Schaltungsteil 8 in Fig. 3 weist nun neben dem Diffe­ renzausgang 23 einen weiteren Ausgang 24 für den Mittel­ wert der Ausgangssignale der beiden Sensorspulen 5 und 6 auf. Bei der Bildung dieses Mittelwertes macht die Schal­ tung nach Fig. 3 davon Gebrauch, daß der Regelverstärker 11 integrales Verhalten aufweisen soll (beispielsweise ein PID-Regler) und somit seinen Ausgangsgleichstrom solange verändert, bis das Eingangssignal des Regelverstärkers, also U ₁-U ₂, zu Null wird. Gemäß der Gleichung
(U ₁ + U ₂)/2 = U ₂ + (U ₁-U ₂)/2 ist
aber für U ₁-U ₂ = 0 der Mittelwert (U ₁ + U ₂)/2 gleich U ₂. Im eingeschwungenen Zustand der Waage ist also die am Ausgang 24 abgegriffene Spannung U ₂ gleich dem Mittelwert der beiden Sensorspulen 5 und 6 und gibt damit den Durchgang des Spannbandes 2 wieder.

Dieses Signal wird einer Korrektureinheit 9 für die Emp­ findlichkeit der Waage zugeführt. Daß bei nicht einge­ schwungener Waage der Korrektureinheit 9 ein falsches Signal zugeführt wird, stört nicht, da bei nicht einge­ schwungener Waage der Meßwert sich zeitlich schnell ändert und eine genaue Massenbestimmung sowieso nicht möglich ist.

Da die Ortsabhängigkeit der magnetischen Feldstärke eines Permanentmagnetsystems 4 meist durch ein Maximum mit ei­ nem etwa quadratischen Abfall nach oben und unten hin charakterisiert ist, und da man die Soll-Einschwinglage der Kompensationsspule 3 üblicherweise in dieses Maximum legt, ist die Größe der von der Korrektureinheit 9 durch­ zuführenden Empfindlichkeitskorrektur etwa proportional zum Quadrat des Spannbanddurchhanges. Bei linearer Kenn­ linie der Lagensensoren 5 und 6 muß die Korrektureinheit 9 also eine etwa quadratische Kennlinie aufweisen. Dazu ist in Fig. 3 ein spannungsgesteuerter Oszillator 30 vorgesehen, dessen Frequenz proportional zum Eingangssignal ist. Der spannungsgesteuerte Oszillator 30 stößt einen Mono-Flop 31 an, der jeweils für eine konstante Zeit den mechanischen oder elektrischen Schalter 32 schließt. Da der dem Inte­ grator 34 über den Widerstand 33 zufließende Strom pro­ portional zum Eingangssignal auf der Leitung 24 ist, und da die Zeitdauer des Stromflusses ebenfalls proportional zu diesem Eingangssignal ist, ändert sich die dem Inte­ grator 34 zugeführte Ladung quadratisch mit dem Eingangs­ signal auf der Leitung 24. Die hinter dem RC-Glied 35 an­ stehende, gemittelte Spannung ändert sich damit ebenfalls quadratisch mit der Eingangsspannung.

Die Empfindlichkeitsbeeinflussung durch die Korrektur­ einheit 9 wird in Fig. 3 durch eine Beeinflussung des Referenzstromes im Analog/Digital-Wandler 10 realisiert. Der Analog/Digital-Wandler arbeitet in diesem Beispiel nach dem Mehrfachrampen-Prinzip, wie es in der DE-PS 21 14 141 im einzelnen beschrieben ist. Dabei wird die Meßspannung über einen Widerstand 50 als Meßstrom einem Integrator 51 zugeführt. Zu bestimmten Zeiten schaltet die Steuereinheit 55 über einen Schalter 54 die Referenz­ spannungsquelle 52 mit entgegengesetzter Polarität dazu, so daß über den Widerstand 53 ein Referenzstrom zum Inte­ grator 51 fließt. Der Referenzstrom ist dabei größer als der Meßstrom über den Widerstand 50, so daß sein Einfluß überwiegt und der Integrator 51 abintergriert. Die Schließ- und Öffnungszeit des Schalters 54 wird nun von der Steuer­ einheit 55 so geregelt, daß sich Auf- und Abintegration im zeitlichen Mittel gegeneinander aufheben. Die Schließ­ zeit ist dann proportional zum Verhältnis Meßstrom zu Referenzstrom und wird durch das Auszählen von Taktim­ pulsen aus einem Pulsgenerator 56 in einem Zähler 57 digitalisiert und in der Anzeige 58 angezeigt. Der normalerweise konstante Referenzstrom wird nun in Fig. 3 durch einen aus der Korrektureinheit 9 stammenden Strom geringfügig verändert. Dies geschieht über den Wider­ stand 36 für den quadratischen Anteil an der Empfind­ lichkeitskorrektur und - falls nötig - über den Wider­ stand 37 für den linearen Anteil an der Empfindlichkeits­ korrektur. Die Größe der Korrektur kann jeweils durch die Wahl des Widerstandes an die durch den Spannbanddurchhang verursachte Empfindlichkeitsänderung im Meßsystem ange­ paßt werden, so daß sie in der Anzeige 58 nicht mehr in Erscheinung tritt.

Eine andere Ausgestaltung der elektrischen Mikrowaage zeigt Fig. 4. In dieser für höhere Lasten bestimmten Ausführung ist der Balken 1′ aus zwei Streben aufgebaut, die an mehreren Stellen miteinander verbunden sind. Zwischen den Streben befinden sich zwei Spulen 3′ und 3′′, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Magnete 4′ und 4′′ sind so aufgebaut, daß sich am mittleren Teil 44′ bzw. 44′′ der eine Magnetpol befindet, während sich der andere Magnetpol an den beiden äußeren Teilen 45′ bzw. 45′′ befindet. Dadurch entsteht in einer einzelnen Spule kein Drehmoment sondern eine Kraft und erst die beiden gleich großen, aber entgegengesetzt gerichteten Kräfte der beiden Spulen 3′ und 3′′ ergeben das Kompensations- Drehmoment. Die beiden Lagensensoren sind in dieser Ausführung wieder als zwei senkrecht stehende Spulen 5 und 6 ausgeführt, wobei jede Sensorspule einer Kompen­ sationsspule zugeordnet ist. Die elektrische Schaltung ist dann wie in Fig. 3 aufgebaut. Wieder wird das Diffe­ renzsignal der beiden Sensorspulen 5 und 6 dem Regel­ verstärker zugeführt und das Mittelwertsignal der Korrek­ tureinheit 9 zur Korrektur der durch den Spannbanddurch­ hang und die Ortsabhängigkeit der magnetischen Feld­ stärke in den beiden Permanentmagnetsystemen verursachten Empfindlichkeitsfehler.

Durch diese Korrekturmöglichkeit können einfach aufge­ baute Permanentmagnetsysteme benutzt werden, ohne daß sich eine lastabhängige Empfindlichkeitsänderung der Waage bemerkbar macht, so daß eine hohe Auflösung des Kompensationsbereiches möglich ist.

Claims (9)

1. Elektrische Waage, insbesondere Mikrowaage,

• - mit einem an einem Spannband gelagerten Balken, an dessen beiden Armen je eine Waagschale zur Aufnahme des Wägegutes bzw. der Gegengewichte beweglich ange­ bracht ist,
• - mit einem Kompensationssystem, das das bei Übergewicht des Wägegutes oder der Gegengewichte auftretende Dreh­ moment am Balken zu kompensieren gestattet, und
• - mit zwei Lagensensoren, die an den beiden Armen des Balkens dessen Lageänderung erfassen,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine Schaltungsanordnung (8) vorhanden ist, die die Differenz und den Mittelwert der Ausgangssignale der beiden Lagensensoren (5, 6) bilden und das eine dieser so er­ haltenen Signale dem Eingang eines Regelverstärkers (11) für das Kompensationssystem zuführen und das andere dieser so erhaltenen Signale einer Korrektureinheit (9) für die Empfindlichkeit der Waage zuführen.

2. Elektrische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker (11) des Kompensationssystems integrales Verhalten besitzt und somit die Differenz der Ausgangssignale der beiden Lagensensoren (5, 6) im ein­ geschwungenen Zustand der Waage zu Null regelt, und daß als Mittelwertsignal das Ausgangssignal eines der beiden Lagensensoren (5 oder 6) benutzt wird.

3. Elektrische Waage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Lagensensoren (5, 6) induktive Lagen­ sensoren eingesetzt sind.

4. Elektrische Waage nach Anspruch 3 mit einem elektromagne­ tischen Kompensationssystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule(n) (3, 3′, 3′′) des elektromagnetischen Kompen­ sationssystems mit einer konstanten Wechselspannung be­ aufschlagt wird/werden, die in zwei ortsfesten Sensor­ spulen (5, 6) eine lagenabhängige Wechselspannung indu­ ziert.

5. Elektrische Waage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (8), die die Diffe­ renz und den Mittelwert der Ausgangssignale der beiden Lagensensoren (5, 6) bilden, aus zwei Dioden (20) mit nachfolgenden Ladekondensatoren (21) besteht.

6. Elektrische Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinheit (9) eine Schaltung (30 . . . 35) zur Erzeugung einer nichtline­ aren Kennlinie enthält.

7. Elektrische Waage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinheit (9) einen spannungsgesteuerten Oszillator (30), einen Schalter (32) und einen Mittel­ wertbildner (34, 35) zur Erzeugung einer quadratischen Kennlinie enthält.

8. Elektrische Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem Analog/Digital-Wandler (10) zur Digitalisierung des Wägeergebnisses, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinheit (9) die Referenzspannung bzw. den Referenzstrom des Analog/Digital-Wandlers beeinflußt.