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Dokumentenidentifikation DE3149990C2 01.02.1990
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 3149990
Offenlegungstag 30.06.1983
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.02.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.02.1990
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 im Meßwiderstand dadurch auszugleichen, daß ein zusätzlicher, in seiner Amplitude komplementär geregelter Wechselstrom durch Spule und Meßwiderstand geschickt wird. Um auch bei geringer Tatkraft der elektromagnetischen Kraftkompensation und dementsprechend geringem Kompensationsgleichstrom eine genaue Regelung der Amplitude des zusätzlichen Wechselstromes zu ermöglichen, schlägt die Erfindung vor, parallel zu Spule und Meßwiderstand einen Spannungsteiler (21, 22 in Fig. 1) zu schalten, der einen stark temperaturabhängigen Widerstand (21) aufweist. In diesem Parallelzweig sind Gleich- und Wechselstrom um einen konstanten Proportionalitätsfaktor höher als im aus Spule und Meßwiderstand gebildeten Hauptzweig. Der Parallelzweig ist weiterhin Teil einer Widerstandsmeßbrücke, die die Amplitude des zusätzlichen Wechselstromes so regelt, daß der stark temperaturabhängige Widerstand (21) seine Soll-Übertemperatur und damit seinen Soll-Widerstandswert beibehält.

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 dem in Reihe dazu geschalteten 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&min;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 parallel zur Spule geschaltet ist und 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.

Es ist zur Regelung der Amplitude des Wechselspannungsgenerators also ein Parallelpfad zu Spule und Meßwiderstand vorgesehen, in dem Gleich- und Wechselstrom beispielsweise um einen Faktor 10 größer sind als in der Spule und dem Meßwiderstand, so daß eine sehr viel höhere elektrische Leistung zur Verfügung steht. Dieser Parallelpfad enthält weiterhin einen stark temperaturabhängigen Widerstand und ist als Zweig einer Brückenschaltung so ausgebildet, daß der Widerstandswert dieses stark temperaturabhängigen Widerstandes direkt in der Schaltung bestimmt werden kann und das Eingangssignal der Regelschaltung für die Amplitude des Wechselspannungsgenerators liefert.

Vorteilhafterweise wird der stark temperaturabhängige Widerstand durch den Glühfaden einer Glühbirne gebildet. In diesem Fall läßt sich eine sehr hohe Übertemperatur erzielen, so daß eventuelle Änderungen der Umgebungstemperatur dagegen vernachlässigt werden können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ausgang des Wechselspannungsgenerators über einen ersten Kondensator an eine Mittelanzapfung der Spule und über einen zweiten Kondensator an den mittleren Punkt des Spannungsteilers angeschlossen. In dieser Ausgestaltung bleibt die Induktivität der Spule ohne Einfluß, so daß sich der benötigte Wechselstrom schon mit geringen Amplituden des Wechselspannungsgenerators erzielen läßt. Ebenso erzeugt der zusätzliche Wechselstrom in der Spule keine Kraft auf das Wägesystem und kann daher keine Schwingungen anregen.

Weiter kann der Meßwiderstand kapazitiv überbrückt sein, um den Wechselstromwiderstand gering zu halten.

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 Kompensationsgleichstrom. Dieser wird über bewegliche Zuleitungen 10 der Spule 9 zugeführt und durchfließt ebenfalls den Meßwiderstand 13. Am Meßwiderstand 13 wird eine stromproportionale Meßspannung abgegriffen, in einem Analog/Digital-Wandler 14 digitalisiert, in einer digitalen Rechenschaltung 15 verarbeitet und in der Digitalanzeige 16 angezeigt.

Parallel zur Spule 9 und dem Meßwiderstand 13 ist eine erste Spannungsteilerschaltung 21, 22 vorgesehen, die aus einem stark temperaturabhängigen Widerstand in Form des Glühfadens einer Glühlampe 21 und einem Festwiderstand 22 besteht. Weiter ist eine zweite Spannungsteilerschaltung aus zwei Festwiderständen 23 und 24 an den Ausgang des Regelverstärkers angeschlossen. Weiterhin ist ein Wechselspannungsgenerator 17 vorgesehen, der über den Kondensator 19 kapazitiv einen zusätzlichen Wechselstrom sowohl durch die Spule 9 und den Meßwiderstand 13, als auch durch den Spannungsteiler 21, 22, als auch durch den Spannungsteiler 23, 24 fließen läßt. Der Ausgang des Regelverstärkers 12 ist dabei hochohmig als Stromquelle ausgebildet, so daß über ihn kein Wechselstrom abfließen kann. Mit Hilfe des Vorwiderstandes 26 ist die Schaltung so abgeglichen, daß das Verhältnis der Ströme durch den Spannungsteiler 21, 22 einerseits und durch Spule 9 und Meßwiderstand 13 andererseits für Gleich- und Wechselstrom gleich ist. Soll z.B. der Gleichstrom durch den Spannungsteiler 21, 22 um den Faktor 10 größer sein als der Gleichstrom durch die Spule 9 und den Meßwiderstand 13, so soll auch der Wechselstrom durch den Spannungsteiler 21, 22 um den Faktor 10 größer sein als der Wechselstrom durch die Spule 9 und den Meßwiderstand 13. Eine Vergrößerung des Vorwiderstandes 26 läßt bei konstantem Kompensationsgleichstrom 9 einen höheren Gleichstrom durch den Spannungsteiler 21, 22 fließen, aber - bei ebenfalls konstant angenommener Amplitude des Wechselspannungsgenerators 17 - einen geringeren Wechselstrom, so daß über diesen Vorwiderstand 26 ein Abgleich möglich ist.

Die beiden Spannungsteilerschaltungen 21, 22 und 23, 24 sind so dimensioniert, daß beim Soll-Arbeitspunkt des stark temperaturabhängigen Widerstandes 21 die aus ihnen gebildete Brücke abgeglichen ist; die Differenzspannung am Eingang des integrierenden Verstärkers 25 ist dann Null, so daß sich seine Ausgangsspannung nicht verändert. Diese Ausgangsspannung wird dem Steuereingang 17a des Wechselspannungsgenerators 17 zugeführt und bestimmt dessen Amplitude, die also ebenfalls konstant bleibt. Einzelheiten der Schaltung des Wechselspannungsgenerators 17 sind in der bereits zitierten DE-OS 30 02 462 erläutert.

Wird nun beispielsweise zusätzliche Last auf die Waagschale 7 gebracht, so erhöht sich der vom Regelverstärker 12 gelieferte Kompensationsgleichstrom. Dadurch steigt die Verlustleistung in der Spule 9, im Meßwiderstand 13, im stark temperaturabhängigen Widerstand 21 und in den Festwiderständen 22, 23 und 24. Im stark temperaturabhängigen Widerstand 21 führt dies zu einer Widerstandsänderung und zwar bei der in Fig. 1 gezeichneten Realisation des stark temperaturabhängigen Widerstandes 21 als Glühfaden einer Glühlampe mit positivem Temperaturkoeffizienten zu einer Erhöhung des Widerstandes. Dadurch ist die aus den Widerständen 21 bis 24 gebildete Brücke nicht mehr abgeglichen und der integrierende Verstärker 25 erhält eine - durch die RC-Glieder 32 und 33 vom Wechselspannungsanteil befreite - Differenzgleichspannung, so daß sich die Steuerspannung für den Wechselspannungsgenerator 17 und damit dessen Wechselspannungsamplitude solange verringert, bis die Verlustleistung im stark temperaturabhängigen Widerstand 21 ihren Soll-Wert wieder erreicht hat. Wegen der Proportionalität der Gleich- und Wechselströme in der Spule 9 und im Meßwiderstand 13 einerseits und im stark temperaturabhängigen Widerstand 21 andererseits, bleibt damit auch in der Spule 9 und im Meßwiderstand 13 die Verlustleistung auf ihrem Soll-Wert.

Eine andere Ausgestaltung der elektrischen Waage zeigt Fig. 2. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. In dieser Ausgestaltung ist der Ausgang des Wechselspannungsgenerators 17 über einen Kondensator 19 an eine Mittelanzapfung 10a der Spule 9 angeschlossen. Der zusätzliche Wechselstrom fließt dann von der Mittelanzapfung 10a einmal über die eine Spulenhälfte und den Meßwiderstand 13 und zum anderen über die andere Spulenhälfte, den Symmetrierwiderstand 20 und den in dieser Ausgestaltung niederohmigen Ausgang des Regelverstärkers 12 ab. Der Symmetrierwiderstand 20 ist so abgeglichen, daß diese beiden Teilströme gleich sind.

Der Ausgang des Wechselspannungsgenerators 17 ist weiter über einen Kondensator 29 an den mittleren Punkt 27 des Spannungsteilers 21, 22 angeschlossen, so daß ein zusätzlicher Wechselstrom auch über den Festwiderstand 22 und den stark temperaturabhängigen Widerstand 21 fließt. Das Abgleichpotentiometer 30 wird so eingestellt, daß wieder Gleich- und Wechselstrom in der Spule 9 und im Meßwiderstand 13 proportional sind zum Gleich- und Wechselstrom in dem stark temperaturabhängigen Widerstand 21.

Die Widerstände 21 bis 24 bilden wieder eine Widerstandsmeßbrücke, die vom Ausgang des Regelverstärkers 12 mit Spannung versorgt wird. Bei Abweichungen des Widerstandswertes des stark temperaturabhängigen Widerstandes 21 von seinem Soll-Wert regelt der integrierende Verstärker 25 die Amplitude des Wechselspannungsgenerators 17 nach, bis dieser Soll-Wert wieder erreicht ist. Wegen der Proportionalität der Gleich- und Wechselströme im stark temperaturabhängigen Widerstand 21 einerseits und in Spule 9 und Meßwiderstand 13 andererseits bedeutet eine konstante Verlustleistung im stark temperaturabhängigen Widerstand 21 auch eine konstante Verlustleistung in der Spule 9 und im Meßwiderstand 13.

Varianten dieser Schaltungen kann jeder Fachmann leicht angeben. Z.B. kann statt des stark temperaturabhängigen Widerstandes 21 mit positivem Temperaturkoeffizienten ein Festwiderstand benutzt werden und der Widerstand 22 wird statt als Festwiderstand als NTC ausgebildet. Es können sogar beide Widerstände 21 und 22 einen Temperaturkoeffizienten mit entgegengesetztem Vorzeichen aufweisen, wodurch die Empfindlichkeit der Schaltung erhöht wird.

Weiter kann z.B. der Spannungsteiler 23, 24 entfallen, wenn der Widerstandswert des Festwiderstandes 22 etwa mit dem Soll-Wert des stark temperaturabhängigen Widerstandes 21 übereinstimmt. In diesem Fall kann der aus dem Symmetrierwiderstand 20 und der einen Hälfte der Spule 9 einerseits und aus der anderen Hälfte der Spule 9 und dem Meßwiderstand 13 andererseits gebildete 1 : 1 Spannungsteiler benutzt werden. Der Eingang 33 des integrierenden Verstärkers 25 müßte also über ein RC-Glied zur Unterdrückung der Wechselspannung an die Mittelanzapfung 10a der Spule 9 angeschlossen werden.

Weiterhin kann es bei Waagen mit geringem Kompensationsgleichstrom auch ausreichend sein, wenn in der Spule 9 die Verlustleistung belastungsunabhängig bleibt. In diesem Fall kann der Meßwiderstand durch einen in Fig. 2 angedeuteten Kondensator 28 überbrückt werden. Der Symmetrierwiderstand 20 braucht dann nur noch einen sehr kleinen Widerstandswert aufzuweisen. Das Abgleichpotentiometer 30 müßte dann entsprechend unsymmetrisch eingestellt werden. Diese Variante hat den Vorteil, daß wegen des geringen Symmetrierwiderstandes 20 praktisch die volle Ausgangsgleichspannung des Regelverstärkers 12 für die Spule 9 und den Meßwiderstand 13 zur Verfügung steht.


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 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, dadurch gekennzeichnet,
    5. e) daß der Heizwiderstand (21) parallel zur Spule (9) geschaltet ist und einen stark temperaturabhängigen Widerstandswert aufweist und dieser Widerstandswert direkt als Eingangsgröße der Regelschaltung (18) benutzt wird und Bestandteil einer Schaltung (9, 13, 19, 21 bis 33) bzw. (9, 10a, 13, 19 bis 33) ist, deren Spannungsversorgung entweder durch den Kompensationsgleichstrom oder durch den zusätzlichen Wechselstrom erfolgt,
    6. f) und daß die Regelschaltung (18) die Amplitude des zusätzlichen Wechselstromes so regelt, daß der Abgleichpunkt der Schaltung (9, 13, 19, 21 bis 33) bzw. (9, 10a, 13, 19 bis 33) und damit der Widerstandswert des Heizwiderstandes (21) einen möglichst konstanten Wert behält.
  2. 2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - der stark temperaturabhängige Widerstand (21) durch den Glühfaden einer Glühbirne gebildet ist.
  3. 3. Waage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - der Ausgang des Wechselspannungsgenerators (17) über einen Kondensator (19) an eine Mittelanzapfung (10a) der Spule (9) und über einen weiteren Kondensator (29) an den mittleren Punkt (27) des Spannungsteilers (21, 22) angeschlossen ist.
  4. 4. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - der Meßwiderstand (13) durch einen dritten Kondensator (28) kapazitiv überbrückt ist.






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