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Dokumentenidentifikation DE3409998C2 05.04.1990
Titel Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation
Anmelder Sartorius GmbH, 3400 Göttingen, DE
Erfinder Knothe, Erich Ing.(grad.), 3406 Bovenden, DE;
Melcher, Franz-Josef, Ing.(grad.), 3414 Hardegsen, DE;
Berg, Christoph, Dipl.-Phys.Dr., 3404 Adelebsen, DE
DE-Anmeldedatum 19.03.1984
DE-Aktenzeichen 3409998
Offenlegungstag 26.09.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 05.04.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.04.1990
IPC-Hauptklasse G01G 7/04
IPC-Nebenklasse G01G 23/48   
Zusammenfassung Um bei einer Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation die Verlustleistung in der Spule herabzusetzen, schlägt die Erfindung eine intermittierende Betriebsweise vor. Dazu sind Schaltmittel (21) vorhanden, die den Stromfluß durch die Spule (11) unterbrechen können, so daß sich bei unterbrochenem Stromfluß die beweglichen Teile (2 bis 9) der Waage gegen einen der Anschläge (24 oder 25) legen. Diese Schaltmittel (21) werden von der digitalen Signalverarbeitungseinheit (18) gesteuert. Weiter sind im Rahmen der digitalen Signalverarbeitungseinheit Speichermittel (20) vorhanden, die während der Dauer der Unterbrechung des Stromflusses durch die Spule den zuletzt ermittelten Gewichtswert speichern (Fig. 1).

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einer Waagschale, mit einem Waagschalenträger, der in senkrechter Richtung beweglich - beispielsweise durch zwei Lenker einer Parallelführung - mit einem gehäusefesten Stützteil verbunden ist, mit einem Anschlag, der die Bewegung des Waagschalenträgers in senkrechter Stellung begrenzt, mit einem Permanentmagneten, mit einer stromdurchflossenen Spule, die sich im Luftspalt des Permanentmagneten befindet und zur Erzeugung einer gewichtsproportionalen Gegenkraft dient, mit einem Regelkreis, der den Strom durch die Spule regelt, und mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit.

Waagen dieser Art sind allgemein bekannt und beispielsweise in der DE-OS 26 37 539 beschrieben. Dabei handelt es sich um eine Ausführungsform, bei der der Regelkreis einen lastabhängigen Gleichstrom durch die Spule fließen läßt, wie dies beispielsweise auch in dem DE-GM 82 30 865.9 beschrieben ist. Es gibt aber auch Ausführungsformen, bei denen der Regelkreis hochfrequente Stromimpulse mit lastabhängiger Breite oder mit lastabhängiger Folgefrequenz durch die Spule schickt, wie es beispielsweise in der DE-PS 11 94 167 beschrieben ist.

Nachteilig an diesen bekannten Ausführungsformen ist, daß der Stromfluß durch die Spule zu einer Erwärmung des Meßsystems führt, was sich besonders bei höherern Lasten stark bemerkbar macht. Diese Erwärmung begrenzt bei vorgegebener Größe des Permanentmagneten die elektromagnetisch erzeugbare Gegenkraft.

Weiter ist es aus der DE-OS 20 38 214 bekannt, durch kurzes Schwächen des Kompensationsstromes eine hängende Waagschale auf eine Schalenbremse abzusetzen, um ein Pendeln der Waagschale zu beenden. Diese zur Schwingungsdämpfung eingeführte Maßnahme ergibt keine nennenswerte Reduzierung der elektrischen Verlustleistung; außerdem wird während des Schalenbremsvorganges ein falsches Gewicht angezeigt.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, die elektrische Verlustleistung des kraftkompensierenden Systems bei gleicher Tragkraft herabzusetzen bzw. die Tragkraft bei gleicher elektrischer Verlustleistung zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, daß bei einer Waage der oben angegebenen Gattung ein Schalter vorhanden ist, der den Stromfluß durch die Spule unterbrechen kann, so daß sich bei unterbrochenem Stromfluß die beweglichen Teile der Waage sowohl im belasteten wie auch unbelasteten Zustand gegen den Anschlag legen, daß der Anschlag sich über ein kraftempfindliches Element abstützt, daß der Schalter von der digitalen Signalverarbeitungseinheit gesteuert wird und daß im Rahmen der digitalen Signalverarbeitungseinheit ein Speicher vorhanden ist, der während der Dauer der Unterbrechung des Stromflusses durch die Spule den zuletzt ermittelten Gewichtswert speichert.

Gegenüber den üblichen Waagen, bei denen der Regelkreis der elektromagnetischen Kraftkompensation dauernd für Kraftgleichgewicht sorgt - in der Ausführungsform mit Stromimpulsen durch die Spule in der zeitlichen Mittelwertbildung durch die träge Masse der beweglichen Teile der Waage - wird gemäß der Erfindung die elektromagnetische Kraftkompensation nur kurzzeitig - beispielsweise für eine Sekunde - betrieben und dann für einige Zeit außer Betrieb gesetzt. Dabei ist die Zeitdauer der Unterbrechung wesentlich länger als die Reaktionszeit der Waage, so daß sich die beweglichen Teile entsprechend ihrer Massenverteilung auf den Anschlag legen. Durch die Abstützung des Anschlages über ein kraftempfindliches Element können größere Laständerungen in der Ruhephase - also bei unterbrochener elektromagnetischer Kraftkompensation - erkannt werden und das Einschalten des Regelkreises veranlassen.

Dazu ist es vorteilhaft, daß die digitale Signalverarbeitungseinheit während der Ruhephase das kraftempfindliche Element überwacht.

Das kraftempfindliche Element kann vorteilhafterweise ein Piezoelement sein. Diese Elemente haben den Vorteil, daß das Signal von konstanten Vorlasten leicht durch Kurzschließen des Elementes zu Null gemacht werden kann und dann nur Laständerungen zu einem Ausgangssignal führen.

Stellt das kraftempfindliche Element am Anschlag keine Änderung der Kraftwirkung fest, so wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Dauer der Stromunterbrechung von der digitalen Signalverarbeitungseinheit lastabhängig gesteuert: Bei geringer Last auf der Waagschale wird die Dauer der Stromunterbrechung kurz gewählt und bei größerer Last verlängert. Dadurch wird die Lastabhängigkeit der elektrischen Verlustleistung wesentlich vermindert.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird die Dauer der Stromunterbrechung in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Temperaturfühlers an der Spule oder am Permanentmagneten gesteuert: Bei geringer Übertemperatur am Ort des Temperaturfühlers wird die Dauer der Stromunterbrechung kurz gewählt, während sie bei größerer Übertemperatur allmählich verlängert wird. Dadurch wird eine Temperaturstabilisation des Meßsystems erreicht. Bei seltener Benutzung der Waage oder bei kleinen Lasten wird außerdem ein fast kontinuierlicher Betrieb erreicht und erst bei höheren Lasten und längerer Verweilzeit auf der Waagschale wird durch die sich einstellende höhere Übertemperatur die Dauer der Stromunterbrechung verlängert.

Weiter kann die digitale Signalverarbeitungseinheit vorteilhafterweise die Zeitdauer, während der der Regelkreis betrieben wird, nach einem Stillstandskriterium festlegen. Durch Vergleich von aufeinanderfolgenden Meßergebnissen vom Meßsystem, die beispielsweise alle 20 oder 100 ms in die digitale Signalverarbeitungseinheit übernommen werden, stellt die digitale Signalverarbeitungseinheit den Stillstand der Waage fest und unterbricht dann den Regelkreis.

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

Fig. 1 einen Schnitt durch das Meßsystem einer elektrischen Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation und

Fig. 2 den Anschlag aus dem Meßsystem von Fig. 1 in vergrößerter Darstellung.

Die elektrische Waage in Fig. 1 besteht aus einem gehäusefesten Stützteil 1, an dem über zwei Lenker 4 und 5 mit den Gelenkstellen 6 ein Waagschalenträger 2 in senkrechter Richtung beweglich befestigt ist. Der Waagschalenträger 2 trägt in seinem oberen Teil die Lastschale 3 zur Aufnahme des Wägegutes und überträgt die der Masse des Wägegutes entsprechende Kraft über ein Koppelelement 9 mit den Dünnstellen 12 und 13 auf den kürzeren Hebelarm des Übersetzungshebels 7. Der Übersetzungshebel 7 ist durch ein Kreuzfedergelenk 8 am Stützteil 1 gelagert. Am längeren Hebelarm des Übersetzungshebels 7 greift die Kompensationskraft an, die durch eine stromdurchflossene Spule 11 im Luftspalt eines Permanentmagneten 10 erzeugt wird. Die Größe des Kompensationsstromes wird bei geschlossenem Schalter 21 in bekannter Weise durch den Lagensensor 16 und den Regelverstärker 14 so geregelt, daß Gleichgewicht zwischen dem Gewicht des Wägegutes und der elektromagnetischen Kompensationskraft herrscht. Der Kompensationsstrom erzeugt am Meßwiderstand 15 eine Meßspannung, die dem hochohmigen Eingang eines Analog/Digital-Wandlers 17 zugeführt wird. Das digitalisierte Ergebnis wird von einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 18 übernommen und in der Anzeigeeinheit 19 angezeigt. Weiter sind Anschläge 24 und 25 zu erkennen, die mittels der Quertraverse 23 am gehäusefesten Stützteil 1 befestigt sind und den Weg des Übersetzungshebels 7 und damit auch den Weg des Waagschalenträgers 2 nach oben und unten begrenzen.

Der Mikroprozessor 18&min; der digitalen Signalverarbeitungseinheit 18 steuert nun über eine Leitung 22 den Schalter 21. Dabei wird vor dem Öffnen des Schalters 21 zunächst der gerade angezeigte letzte Meßwert in einen Speicher 20 übernommen, so daß dieser Wert während der Zeit, in der der Schalter 21 geöffnet ist, unverändert in der Anzeige 19 angezeigt werden kann. Beim Öffnen des Schalters 21 wird der Strom durch die Spule 11 unterbrochen und die Spule erzeugt keine Kompensationskraft mehr. Die Massenverhältnisse der beweglichen Teile 2 bis 9 und das Übersetzungsverhältnis des Übersetzungshebels 7 sind nun so gewählt, daß sich dann der Übersetzungshebel 7 bereits ohne Last auf der Waagschale 3 an den oberen Anschlag 25 anlegt. Mit Last auf der Waagschale 3 legt er sich dann erst recht an diesen Anschlag 25 an.

Ein bevorzugter Aufbau des Anschlages 25 ist in Fig. 2 vergrößert dargestellt. Wie bereits erläutert, legt sich der Übersetzungshebel 7 bei unterbrochenem Stromfluß durch die Spule 11 gegen den oberen Anschlag 25. Dieser Anschlag 25 stützt sich gemäß Fig. 2 über eine Scheibe 26 aus einem piezoelektrischen Material am oberen gehäusefesten Teil 28 ab. Die piezoelektrische Scheibe 26 ist auf der Oberseite und auf der Unterseite mit je einer Metallelektrode 29 und 30 versehen, wobei die eine Metallelektrode 30 leitend mit dem Gehäuse 1 verbunden ist, während die andere Metallelektrode 27 durch eine Isolierschicht 33 isoliert ist und mittels der Leitung 27 mit dem Mikroprozessor 18&min; der digitalen Verarbeitungseinheit 18 verbunden ist. Die piezoelektrische Scheibe 26 erzeugt in bekannter Weise bei Belastung eine Ladung auf ihren Elektroden. Zusammen mit dem Öffnen des Schalters 21 erdet nun der Mikroprozessor 18&min; die Leitung 27, so daß die Ladungsmenge, die beim Abstützen des Übersetzungshebels 7 am Anschlag 25 entsteht, kurzgeschlossen wird. Nach dem Abklingen des Prellvorganges des Übersetzungshebels 7 am Anschlag 25 hebt der Mikroprozessor 18&min; diesen Kurzschluß auf und überwacht statt dessen die Leitung 27 auf ein Spannungssignal. Ein Spannungssignal tritt nämlich nur dann auf, wenn durch Vergrößern oder Verkleinern der Last zusätzliche Ladungen durch die piezoelektrische Scheibe 26 auf den Elektroden 29 und 30 erzeugt werden. In diesem Fall wird sofort der Schalter 21 geschlossen und dadurch der Regelkreis wieder in Funktion gesetzt. Die beweglichen Teile 2 bis 9 der Waage schwingen wieder in ihre durch den Lagensensor 16 vorgegebenen Einschwinglage ein und der Analog/Digital-Wandler 17 liefert laufend Meßwerte an die digitale Signalverarbeitungseinheit 18. Diese prüft nun aufeinanderfolgende Meßwerte auf Gleichheit und sobald dies der Fall ist (Stillstand der Waage), wird dieser Meßwert an die Anzeige 19weitergegeben und wird statt des bisher angezeigten Wertes aus dem Speicher 20 angezeigt. Selbstverständlich reagiert die piezoelektrische Scheibe 26 nicht so empfindlich wie die Waage selbst, so daß über den kraftempfindlichen Anschlag eigentlich nur große Laständerungen erkannt werden sollten. Die Erfahrung hat aber gezeigt, daß durch den Stoß beim Auflegen normalerweise auch kleinere Laständerungen erkannt werden.

Die Zeitdauer, während der der Schalter 21 geschlossen bleibt, ist im Mikroprozessor 18&min; entweder fest vorgegeben - beispielsweise mit einer Sekunde - wobei diese fest vorgegebene Zeitdauer natürlich ausreichen muß, um den Stillstand der Waage zu erreichen. Vorteilhafterweise übernimmt der Mikroprozessor 18&min; jedoch sofort nach Stillstand der Waage den Meßwert auch in den Speicher 20 und öffnet den Schalter 21 wieder. In dieser Ausführungsart erreicht man die kürzeste mögliche Einschaltdauer für den Kompensationsstrom durch die Spule 11 und damit die geringste mittlere Verlustleistung.

Die Zeitdauer, während der der Schalter 21 jeweils geöffnet bleibt, falls das kraftempfindliche Element 26 am Anschlag keine Kraftänderung feststellt, kann durch das Programm im Mikroprozessor 18&min; fest vorgegeben sein. Bevorzugt werden jedoch zwei Ausführungsformen, bei denen entweder die Öffnungszeit des Schalters 21 vom Mikroprozessor 18&min; lastabhängig so gesteuert wird, daß der Schalter 21 bei kleinen Lasten schon nach kürzerer Zeit wieder geschlossen wird, während er bei großen Lasten länger offenbleibt; oder der Mikroprozessor 18&min; steuert die Öffnungszeit des Schalters 21 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Temperaturfühlers 31: Bei geringer Übertemperatur wird der Schalter 21 schon nach kürzerer Zeit wieder geschlossen, während er bei großer Übertemperatur länger offenbleibt. Dazu ist in Fig. 1 ein Temperaturfühler 31 gut wärmeleitend am Permanentmagneten 10 befestigt, der die Temperatur des Permanentmagneten 10 dem Mikroprozessor 18&min; über die Leitung 32 meldet.

Beide bevorzugte Ausführungsformen führen neben der Verringerung der mittleren Verlustleistung dazu, daß die Änderung der Verlustleistung in Abhängigkeit von der Last auf der Waagschale 3 ohne zusätzliche Maßnahmen geringer ist als die Waagen nach dem Stand der Technik. In beiden bevorzugten Ausführungsformen ist es auch möglich, daß der Mikroprozessor 18&min; der digitalen Signalverarbeitungseinheit 18 bis zu einer bestimmten Last bzw. bis zu einer bestimmten Übertemperatur am Temperaturfühler 31 den Schalter dauernd geschlossen läßt und erst bei Überschreiten der Grenzen die intermittierende Betriebsweise einsetzt.

In einer weiterführenden Ausgestaltung berücksichtigt der Mikroprozessor 18&min; bei der Festlegung der Öffnungszeit des Schalters 21 außerdem, ob die in aufeinanderfolgenden Öffnungszeiten des Schalters 21 im Speicher 20 abgespeicherten Werte gleich waren bzw. sich nur geringfügig unterschieden oder ob sie sich stark unterschieden; im ersten Fall wird die nächste Öffnungszeit des Schalters 21 etwas länger gewählt, im zweiten Fall etwas kürzer.

Selbstverständlich können auch andere Bauelemente oder Anordnungen als in Fig. 1 gewählt werden. Beispielsweise kann der Schalter 21 statt durch ein mechanisches Relais durch einen FET-Schalter oder einen Schalttransistor realisiert sein. Ebenfalls kann der Schalter 21 an anderer Stelle innerhalb des Regelkreises angeordnet sein, beispielsweise innerhalb des Regelverstärkers 14 oder bei der Stromzuführung zum Regelverstärker 14. Hauptsache ist, daß dadurch der Strom durch die Spule 11 unterbrochen werden kann. Ebenso kann der Temperaturfühler 31 an einer anderen Stelle des Permanentmagneten 10 oder auch an der Spule 11 befestigt sein, ohne daß seine Funktionsweise sich dadurch ändert.

Die Erfindung wurde im vorstehenden am Beispiel einer Waage mit Parallelführung und Übersetzungshebel beschrieben. Selbstverständlich ist sie auch für Waagen ohne Übersetzungshebel, bei denen die Kompensationskraft direkt am Waagschalenträger 2 angreift, einsetzbar; der Anschlag zur Wegbegrenzung muß in diesem Fall direkt mit dem Waagschalenträger 2 zusammenwirken. Selbstverständlich kann auch bei der gezeichneten Waage mit Übersetzungshebel 7 der Anschlag zur Wegbegrenzung statt mit dem Übersetzungshebel 7 mit dem Waagschalenträger 2 zusammenwirken. Weiter kann die Erfindung selbstverständlich auch für eine Brückenwaage eingesetzt werden.

Der Speicher 20 ist in Fig. 1 der Deutlichkeit halber als getrennte Baueinheit gezeichnet; selbstverständlich kann dieser Speicher auch durch einen Teil des RAM des Mikroprozessors 18&min; gebildet werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einer Waagschale, mit einem Waagschalenträger, der in senkrechter Richtung beweglich - beispielsweise durch zwei Lenker einer Parallelfühführung - mit einem gehäusefesten Stützteil verbunden ist, mit einem Anschlag, der die Bewegung des Waagschalenträgers in senkrechter Richtung begrenzt, mit einem Permanentmagneten, mit einer stromdurchflossenen Spule, die sich im Luftspalt des Permanentmagneten befindet und zur Erzeugung einer gewichtsproportionalen Gegenkraft dient, mit einem Regelkreis, der den Strom durch die Spule regelt, und mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (21) vorhanden ist, der den Stromfluß durch die Spule (11) unterbrechen kann, so daß sich bei unterbrochenem Stromfluß die beweglichen Teile (2 bis 9) der Waage sowohl im belasteten wie auch unbelasteten Zustand gegen den Anschlag (25) legen, daß der Anschlag (25) sich über ein kraftempfindliches Element (26) abstützt, daß der Schalter (21) von der digitalen Signalverarbeitungseinheit (18) gesteuert wird und daß im Rahmen der digitalen Signalverarbeitungseinheit (18) ein Speicher (20) vorhanden ist, der während der Dauer der Unterbrechung des Stromflusses durch die Spule (11) den zuletzt ermittelten Gewichtswert speichert.
  2. 2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Signalverarbeitungseinheit (18) während der Zeit, in der der Schalter (21) geöffnet ist und damit der Stromfluß durch die Spule (11) unterbrochen ist, das kraftempfindliche Element (26) auf eine Änderung der Kraftwirkung überwacht und den Schalter (21) wieder schließt, sobald das kraftempfindliche Element (26) eine Änderung der Kraftwirkung signalisiert.
  3. 3. Waage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Anschlag (25) über ein Piezoelement (26) abstützt.
  4. 4. Waage nch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Stromunterbrechung von der digitalen Signalverarbeitungseinheit (18) lastabhängig so gesteuert wird, daß bei größerer Last auch die Dauer der Stromunterbrechung größer gewählt wird.
  5. 5. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler (31) in thermischem Kontakt zur Spule (11) oder zum Permanentmagneten (10) vorhanden ist, und daß die Dauer der Stromunterbrechung von der digitalen Signalverarbeitungseinheit (18) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal dieses Temperaturfühlers (31) so gesteuert wird, daß bei höherer Temperatur des Temperaturfühlers (31) die Dauer der Stromunterbrechung größer gewählt wird.
  6. 6. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer des Stromflusses etwa 1 Sekunde beträgt.
  7. 7. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Signalverarbeitungseinheit (18), den Stromfluß durch die Spule (11) unterbricht, sobald sie anhand der Meßergebnisse den Stillstand der Waage festgestellt hat.






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