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Dokumentenidentifikation DE3149989C2 03.08.1989
Titel Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation
Anmelder Sartorius GmbH, 3400 Göttingen, DE
Erfinder Behrend, Lothar, 3407 Gleichen, DE;
Knothe, Erich, Ing.(grad.), 3406 Bovenden, DE;
Melcher, Franz-Josef, Ing.(grad.);
Ober, Jürgen, Ing.(grad.), 3414 Hardegsen, DE
DE-Anmeldedatum 17.12.1981
DE-Aktenzeichen 3149989
Offenlegungstag 30.06.1983
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.08.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.08.1989
IPC-Hauptklasse G01G 7/04
Zusammenfassung Bei hochauflösenden elektrischen Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation ist es bekannt, die lastabhängige Wärmeentwicklung in der Spule und dem Meßwiderstand dadurch auszugleichen, daß ein zusätzlicher, in seiner Amplitude komplementär geregelter Wechselstrom durch Spule und Meßwiderstand geschickt wird. Zur Amplitudenregelung dieses Wechselstromes schlägt die Erfindung eine vereinfachte Schaltung (Fig. 1) vor, die einen stark temperaturabhängigen Widerstand (20) umfaßt, dessen Widerstandswert auf einen festen Soll-Wert eingeregelt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches. Eine solche Waage ist durch die DE-OS 30 02 462 bekannt.

Der zusätzliche Wechselstrom soll in der Spule und im Meßwiderstand für eine belastungsunabhängige Übertemperatur sorgen. Zur Regelung der Amplitude des Wechselspannungsgenerators ist in der DE-OS 30 02 462 entweder ein Temperaturfühler, beispielsweise in Form eines NTC's, der die Temperatur des Heizwiderstandes bestimmt, oder ein Strahlungssensor, der die Helligkeit des als Glühfaden ausgebildeten Heizwiderstandes bestimmt, vorgesehen. Weiter ist auf die Möglichkeit der digitalen Steuerung über einen Mikroprozessor hingewiesen. Alle diese Ausgestaltungen sind insofern verbesserungswürdig, da sie verhältnismäßig aufwendiger sind und teure Bauelemente benötigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für die oben bezeichnete Waage eine Schaltung zur Erzeugung einer belastungsunabhängigen Übertemperatur mit vermindertem Bauelementeaufwand zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Heizwiderstand einen stark temperaturabhängigen Widerstandswert aufweist und dieser Widerstandswert direkt als Eingangsgröße der Regelschaltung benutzt wird und Bestandteil einer Schaltung ist, deren Spannungsversorgung entweder durch den Kompensationsgleichstrom oder durch den zusätzlichen Wechselstrom erfolgt und daß die Regelschaltung die Amplitude des zusätzlichen Wechselstromes so regelt, daß der Abgleichpunkt der Schaltung und damit der Widerstandswert des Heizwiderstandes einen möglichst konstanten Wert behält.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 eine erste Ausgestaltung der elektrischen Waage und

Fig. 2 eine zweite Ausgestaltung der elektrischen Waage.

Die elektrische Waage in Fig. 1 besteht aus einem beweglichen Lastaufnehmer 3, der die Lastschale 7 trägt und über zwei Lenker 5 und 6 in Form einer Parallelführung mit dem ortsfesten Teil 1 der Waage verbunden ist. Als Gelenke dienen jeweils Blattfedern 5a, 5b, 6a, 6b an den Enden der Lenker 5 und 6. Der Lastaufnehmer 3 trägt an einem vorstehenden Arm 4 eine Spule 9, die mit dem Feld eines ortsfesten Permanentmagnetsystems 2 in Wechselwirkung steht. Der Lagensensor 11 tastet die Lage des Lastaufnehmers 3 ab und liefert über einen Regelverstärker 12 den zur Kompensation der Belastung notwendigen Strom. Dieser Kompensationsgleichstrom wird über bewegliche Zuleitungen 10b und 10c der Spule 9 zugeführt und durchfließt ebenfalls den Heizwiderstand 20 und den Meßwiderstand 13. Am Meßwiderstand 13 wird eine stromproportionale Meßspannung abgegriffen, in einem Analog/Digital-Wandler 14 digitalisiert, in einer digitalen Rechenschaltung 15verarbeitet und in der Digitalanzeige 16 angezeigt.

Weiter ist ein Wechselspannungsgenerator 17 vorgesehen, der über einen Kondensator 19 an eine Mittelanzapfung 10a der Spule 9 angeschlossen ist. Der so eingespeiste zusätzliche Wechselstrom teilt sich dort in zwei gleiche Teilströme auf, wobei der eine Teilstrom über die eine Spulenhälfte und den Meßwiderstand 13 fließt, während der andere Teilstrom über die andere Spulenhälfte und den Heizwiderstand 20 in den niederohmigen Ausgang des Regelverstärkers 12 fließt. Sind die Widerstandswerte des Heizwiderstandes 20 und des Meßwiderstandes 13 gleich, so sind die beiden Teilwechselströme gleich und führen mit dem ebenfalls für beide Widerstände gleichen Kompensationsgleichstrom zu gleichen Wärmebelastungen der beiden Widerstände. Im einzelnen ist dies in der schon zitierten DE-OS 30 02 462 erläutert.

Die Amplitude der Ausgangsspannung des Wechselspannungsgenerators 17 ist durch eine Gleichspannung am Eingang 17a regelbar. Diese Gleichspannung wird von der Regelschaltung 18 geliefert. Sie besteht aus einem integrierenden Verstärker 21, der seine Ausgangsspannung in bekannter Weise solange ändert, bis die Differenzspannung zwischen seinen beiden Eingängen Null ist. Die Spannung am ersten Eingang des Verstärkers 21 wird aus einem 1 : 1 Spannungsteiler 22 vom Ausgang des Regelverstärkers 12 abgenommen und beträgt also 50% der Ausgangsspannung des Regelverstärkers 12. Der zweite Eingang des Verstärkers 21 wird über ein RC-Glied 23, das den Wechselspannungsanteil unterdrückt, an die Mittelanzapfung 10a der Spule 9 angeschlossen. Wegen der Gleichheit der beiden Spulenhälften und der Gleichheit der Widerstandswerte des Meßwiderstandes 13 und des Heizwiderstandes 20 im Soll-Arbeitspunkt ergibt sich also im abgeglichenen Zustand auch am zweiten Eingang des Verstärkers 21 50% der Ausgangsspannung des Regelverstärkers 12. Die Amplitude des Wechselspannungsgenerators 17 wird also in diesem Fall nicht verstellt.

Der Heizwiderstand 20 befindet sich nach dem eben Gesagten in einer Brückenschaltung, deren einer Brückenzweig aus dem Heizwiderstand 20, den beiden Hälften der Spule 9 und dem Meßwiderstand 13 besteht, und deren anderer Brückenzweig aus dem Spannungsteiler 22 besteht. Die Versorgungsspannung dieser Brücke liefert der Regelverstärker 12, während der Verstärker 21 die Brückendiagonale bildet und bei Verstimmung der Brücke die Amplitude des Wechselspannungsgenerators 17 so nachregelt, daß die Soll-Temperatur und damit der Soll-Widerstandswert des Heizwiderstandes 20 wieder erreicht wird.

Wird z. B. die Waage plötzlich stärker belastet, so daß der Regelverstärker 12 einen größeren Kompensationsgleichstrom liefert, so steigt die Verlustleistung im Heizwiderstand 20 an und er erhöht seinen Widerstandswert. (In Fig. 1 ist bei der Polung des Verstärkers 21 ein Heizwiderstand 20 mit positivem Temperaturkoeffizienten vorausgesetzt worden.) Dadurch ist der Brückenabgleich gestört, der Spannungsteiler 22 liefert eine höhere Spannung als der Spannungsteiler aus dem Heizwiderstand 20, der Spule 9 und dem Meßwiderstand 13. Die Ausgangsspannung des integrierenden Verstärkers 21 sinkt also - und damit auch die Amplitude des Wechselspannungsgenerators 17 - bis die Verlustleistung im Heizwiderstand 20 und damit dessen Widerstandswert wieder ihren ursprünglichen Wert erreicht.

Eine andere Ausgestaltung der elektrischen Waage zeigt Fig. 2. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. Der Widerstandswert des Heizwiderstandes 20 wird hier in einer Wechselspannungsbrückenschaltung bestimmt. Der Wechselspannungsgenerator 17 liefert die Versorgungsspannung der Brücke. Der eine Brückenzweig wird durch die eine Hälfte der Spule 9 zwischen den Anschlüssen 10a und 10b und dem Heizwiderstand 20 gebildet (wieder wird ein niederohmiger Ausgang des Regelverstärkers 12 vorausgesetzt), der andere Brückenzweig wird durch die andere Hälfte der Spule 9 zwischen den Anschlüssen 10a und 10c und dem Meßwiderstand 13 gebildet. Die Diagonalspannung der Brücke wird kapazitiv über zwei Kondensatoren 24 und 25 ausgekoppelt, mit zwei Gleichrichtern 26 und 27 gleichgerichtet, durch zwei RC-Glieder 28 und 29 gesiebt und dann als Differenz dem integrierenden Verstärker 21 zugeführt.

Beim Soll-Arbeitspunkt des Heizwiderstandes sind die Spannungsteilerverhältnisse der beiden Brückenzweige gleich, so daß die kapazitiv an den Kondensatoren 24 und 25 ausgekoppelten Wechselspannungen gleich sind und nach der Gleichrichtung und Siebung die Differenzspannung Null für den Verstärker 21 ergeben. Eine Abweichung des Widerstandswertes des Heizwiderstandes 20 vom Sollwert wird wie bei der Schaltung nach Fig. 1 durch eine Änderung der Amplitude des Wechselspannungsgenerators 17 rückgängig gemacht.

Die Schaltung nach Fig. 2 mit der Wechselspannungsbrücke hat gegenüber der Schaltung nach Fig. 1 mit der Gleichspannungsbrücke den Vorteil, daß alle Schaltelemente kapazitiv angekoppelt sind und so den Kompensationsgleichstrom nicht verfälschen können. Demgegenüber stellt in der Schaltung nach Fig. 1 der Eingangswiderstand des Verstärkers 21 einen Nebenschluß für einen Teil der Spule 9 und den Meßwiderstand 13 dar, der Eingangswiderstand muß also entsprechend hoch liegen, um eine Beeinträchtigung der Genauigkeit der Waage zu verhindern. Weiter hat die Schaltung nach Fig. 2 den Vorteil, daß bei großer Amplitude des Wechselspannungsgenerators 17 sich auch eine große Meßempfindlichkeit der Widerstandsmeßbrücke ergibt, so daß große Amplituden besonders genau geregelt werden. Demgegenüber weist die Widerstandsmeßbrücke nach Fig. 1 bei großen Kompensationsgleichströmen, also bei geringer Wechselspannungsamplitude, die größte Empfindlichkeit auf. Mit kleiner werdendem Kompensationsgleichstrom sinkt die Empfindlichkeit, weshalb der Kompensationsgleichstrom in dieser Schaltung nicht unter einen gewissen Wert sinken darf und auch nicht sein Vorzeichen ändern darf. Der etwas größere Bauelementeaufwand der Schaltung nach Fig. 2 läßt sich reduzieren, wenn die über die Kondensatoren 24 und 25 abgegriffenen Wechselspannungen direkt den Eingängen eines Differenzverstärkers zugeführt werden und die Ausgangswechselspannung je nach Vorzeichen eine Wechselspannungs- Mit- bzw. Gegenkopplung im Wechselspannungsgenerator 17 bildet.

Der Heizwiderstand 20 wird in beiden Schaltungen zweckmäßigerweise durch den Glühfaden einer Glühbirne gebildet. Dieser Glühfaden hat im Zustand der leichten Rotglut einen großen positiven Temperaturkoeffizienten so daß sich eine große Meßempfindlichkeit ergibt. Durch die hohe Übertemperatur gehen Änderungen der Umgebungstemperatur nur in einem sehr kleinen Verhältnis ein. Aber auch andere PTC-Widerstände oder NTC-Widerstände können für den Heizwiderstand eingesetzt werden. Bei Benutzung eines NTC-Widerstandes ist die Polung des Verstärkers 21 in Fig. 1 und 2 selbstverständlich umgekehrt zu wählen, um das entgegengesetzte Vorzeichen des Temperaturkoeffizienten auszugleichen.


Anspruch[de]
  1. 1. Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit
    1. a) wenigstens einer Spule, die sich im Luftspalt eines ortsfesten Permanentmagnetsystems befindet und über einen Lagensensor und einen Regelverstärker mit einem von der Belastung der Waage abhängigen Kompensationsgleichstrom beaufschlagt wird,
    2. b) einem Meßwiderstand, der von demselben Kompensationsgleichstrom durchflossen wird und an dessen beiden Enden ein von der Belastung der Waage abhängiges Signal abgegriffen und einem Analog/ Digital-Wandler zugeführt werden kann,
    3. c) einem Heizwiderstand, der in Reihe mit der Spule und dem Meßwiderstand geschaltet ist,
    4. d) und einem von einer Regelschaltung in seiner Amplitude geregelten Wechselspannungsgenerator, der durch die Spule, den Meßwiderstand und den Heizwiderstand zusätzlich zum Kompensationsgleichstrom einen Wechselstrom fließen läßt,
  2. dadurch gekennzeichnet,
    1. e) daß der Heizwiderstand (20) einen stark temperaturabhängigen Widerstandswert aufweist und dieser Widerstandswert direkt als Eingangsgröße der Regelschaltung (18) benutzt wird und Bestandteil einer Schaltung (20, 9, 13, 21, 22) bzw. (9, 10a, 10b, 20, 13) ist, deren Spannungsversorgung entweder durch den Kompensationsgleichstrom oder durch den zusätzlichen Wechselstrom erfolgt,
    2. f) und daß die Regelschaltung (18) die Amplitude des zusätzlichen Wechselstromes so regelt, daß der Abgleichpunkt der Schaltung (20, 9, 13, 21, 22) bzw. (9, 10a, 10b, 20, 13) und damit der Widerstandswert des Heizwiderstandes (20) einen möglichst konstanten Wert behält.
  3. 2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - der Heizwiderstand (20) aus dem Glühfaden einer Glühbirne besteht.
  4. 3. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - der Heizwiderstand (20) aus einem PTC besteht.
  5. 4. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - der Heizwiderstand (20) aus einem NTC besteht.
  6. 5. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - der Ausgang des Wechselspannungsgenerators (17) kapazitiv an eine Mittelanzapfung (10a) der Spule (9) angeschlossen ist.
  7. 6. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - der Heizwiderstand (20) zwischen der Spule (9) und dem Ausgang des Regelverstärkers (12) geschaltet ist.






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