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Dokumentenidentifikation DE3218943C2 02.08.1990
Titel Elektrische Federwaage
Anmelder Sartorius GmbH, 3400 Göttingen, DE
Erfinder Cornelius, Klaus, Ing.(grad.), 3406 Lenglern, DE
DE-Anmeldedatum 19.05.1982
DE-Aktenzeichen 3218943
Offenlegungstag 24.11.1983
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 02.08.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.08.1990
IPC-Hauptklasse G01G 7/04
IPC-Nebenklasse G01G 3/15   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Waage mit einem Lastaufnehmer und mit einer mit diesem Lastaufnehmer mechanisch gekoppelten Meßfeder, deren Auslenkung in senkrechter Richtung lastproportional ist.

Eine solche Waage ist durch die EP 00 03 473 A1 bekannt, wobei zwischen dem Lastträger und einem Gestell eine Lastfeder und zwischen dem Lastträger und dem Krafteingang des Meß-Systems eine schwächere Meßfeder angeordnet ist.

Um bei diesen Federwaagen ein elektrisches Ausgangssignal zu erhalten, ist es auch üblich, auf die Meßfeder eine Dehnungsmeßstreifen-Brücke zu kleben. Diese Dehnungsmeßstreifen geben aber nur ein kleines Signal ab, außerdem zeigen sie wegen der Kleberschicht zwischen Dehnungsmeßstreifen und Meßfeder Kriecherscheinungen und sind stark feuchteempfindlich. Dadurch läßt sich mit diesen Federwaagen nur eine für Waagen verhältnismäßig geringe Auflösung von vielleicht 10 000 Schritten erzielen. Dies gilt ähnlich auch für aufgedampfte Dehnungsmeßstreifen.

Daneben sind Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation bekannt, die leicht Auflösungen von mehr als 500 000 Schritten erlauben. Will man dies Prinzip jedoch für Waagen mit einer Höchstlast von 1 kg und mehr anwenden, so ergibt sich bei direkt kompensierenden Waagen wegen der Größe der elektromagnetisch zu erzeugenden Kraft ein hoher Leistungsbedarf, so daß sich thermische Probleme einstellen; außerdem ist ein Batteriebetrieb nicht möglich. Diese Nachteile sind zwar bei Waagen mit einer mechanischen Kraftuntersetzung, beispielsweise in Form eines Hebelwerkes umgangen, diese Hebelwerke erfordern jedoch viele aufwendige Lagerstellen und sind empfindlich gegenüber mechanischen Verspannungen, die beispielsweise durch Temperaturgradienten oder durch schlechte Aufstellung oder durch ausmittige Belastung verursacht sein können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Federwaage so weiterzubilden, daß das bewährte Verfahren der elektromagnetischen Kraftkompensation zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignales herangezogen werden kann; weiter ist es Aufgabe der Erfindung, mit einer geringen elektromagnetisch erzeugten Kraft auszukommen und trotzdem keine störanfälligen mechanischen Kraftuntersetzungen zu benötigen; weiter ist es Aufgabe der Erfindung, beliebige Taralasten ohne elektromagnetisch erzeugte Kraft kompensieren zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer Waage mit einem Lastaufnehmer und mit einer mit diesem Lastaufnehmer mechanisch gekoppelten Meßfeder, deren Auslenkung in senkrechter Richtung lastproportional ist, mindestens ein drehfedernd gelagerter oder drehfedernder Hebel vorhanden ist, der mit dem Lastaufnehmer mechanisch nicht verbunden ist und der eine Spule trägt, die in den Luftspalt eines Permanentmagnetsystems hineinragt, daß ein Lagenindikator vorhanden ist, der die Lage des Hebels relativ zum Lastaufnehmer in senkrechter Richtung rückwirkungsfrei abtastet, und daß dieser Lagenindikator den Strom durch die Spule so steuert, daß die Lage des Hebels relativ zum Lastaufnehmer möglichst unverändert bleibt.

Dadurch ergibt sich eine Kraftuntersetzung im Verhältnis der Federkonstante der mit dem Lastaufnehmer mechanisch gekoppelten Meßfeder zur Federkonstanten der Lagerung des Hebels. Dieses Verhältnis kann ohne konstruktiven Aufwand leicht sehr große Werte ( ≤1000) aufnehmen, so daß nur ein sehr kleines Permanentmagnetsystem und eine geringe elektrische Leistung notwendig ist. Weiter ist der Hebel mit dem Lastaufnehmer nur über den Lagenindikator verbunden, so daß bei geeigneter Ausbildung dieses Lagenindikators geringe waagerechte Verschiebungen zwischen Hebel und Lastaufnehmer nicht stören. Neben der Kraftuntersetzung läßt sich auch eine beliebige Taralastunterdrückung erreichen, indem die mechanische Nullage des Hebels entsprechend gewählt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Fig. 1 bis 3 beschrieben, die drei verschiedene Ausgestaltungen der elektrischen Federwaage zeigen, wobei die für die Erdindung wesentlichen mechanischen Teile jeweil im Längsschnitt und die wesentlichen elektronischen Baugruppen in Form eines Blockschaltbildes dargestellt sind.

Die in Fig. 1 gezeigte erste Ausgestaltung der elektrischen Federwaage befindet sich in einem Gehäuse 1, von dem nur die für die Befestigung des Wägesystems wichtigen Teile angedeutet sind. Der Lastaufnehmer 2 ist über zwei Lenker 4 und 5 in Form einer Parallelführung mit dem Gehäuse 1 verbunden; er trägt an seinem oberen Ende die Lastschale 3 zur Aufnahme des Wägegutes. Weiter ist der Lastaufnehmer 2 durch eine Meßfeder 6 mit dem Gehäuse 1 verbunden. Außerdem ist ein zweiarmiger Hebel 7 vorgesehen, der durch ein Federelement 8 drehbar am Gehäuse 1 befestigt ist. Dieser Hebel 7 trägt an seinem vorderen Ende die geerdete Platte eines kapazitiven Lagenindikators 11, dessen beide Gegenelektroden am Lastaufnehmer 2 isoliert befestigt sind. Am hinteren Ende trägt der Hebel 7 eine Spule 13, die in den Luftspalt eines ortsfesten Permanentmagnetsystems 10 hineinragt. Der kapazitive Lagenindikator 11 steuert nun über einen elektronischen Regelverstärker 12 den Strom durch die Spule 13 so, daß sich die mit dem Hebel 7 verbundene geerdete Platte immer in der Mitte zwischen den beiden, mit dem Lastaufnehmer verbundenen Gegenelektroden befindet.

Senkt sich beispielsweise der Lastaufnehmer 2 unter Belastung in senkrechter Richtung ab, so läßt der durch den Lagenindikator 11 gesteuerte Regelverstärker 12 einen Strom in der Richtung durch die Spule 13 fließen, daß diese Spule 13 nach oben gedrückt wird. Die Stärke dieses Stromes wird dabei so geregelt, daß der Hebel 7 an seinem vorderen Ende gerade der Absenkung des Lastaufnehmers 2 folgt. Die durch den Strom in der Spule 13 elektromagnetisch erzeugte Kraft muß dabei nur die geringe Federkonstante der Feder 8 der Hebellagerung überwinden, sie kann also sehr klein sein; trotzdem ist sie streng proportional zur Absenkung des Lastaufnehmers 2 in senkrechter Richtung und damit auch streng lastproportional. Die so erreichte Kraftuntersetzung ist in weiten Grenzen wählbar. Da der kapazitive Lagenindikator bei richtiger Gestaltung unempfindliche gegenüber kleinen seitlichen Verschiebungen oder Kippungen ist, stört eine geringe Deformation des Gehäuses sehr viel weniger als bei üblichen Hebelwerken.

Der Kompensationsstrom durch die Spule 13 durchfließt weiter einen Widerstand 14 und erzeugt dort einen lastproportionalen Spannungsabfall. Dieser Spannungsabfall wird in einem Analog/ Digital-Wandler 15 digitalisiert, von einer Recheneinheit 16 weiterverarbeitet und in einer Digitalanzeige 17 angezeigt.

Der Schwerpunkt des Hebels 7 kann durch ein verschiebbares Gewichtsstück 9 in seiner Höhe verändert werden. Dies kann zum einen dazu benutzt werden, um den Schwerpunkt des Hebels in seinen Drehpunkt zu legen, damit das Eigengewicht des Hebels beispielsweise bei einer Schrägstellung der Waage kein Drehmoment auf den Hebel ausüben kann; die Waage wird dadurch unempfindlich gegenüber Schrägstellungen. Zum anderen kann der Schwerpunkt aber auch außerhalb des Drehpunktes gelegt werden und so die effektive Drehfederkonstante der Hebellagerung verändert werden; dadurch ist eine einfache Justiermöglichkeit für das Kraftuntersetzungsverhältnis und damit für die Empfindlichkeit der Waage gegeben.

Das Permanentmagnetsystem 10, das in der Figur als zylindersymmetrischer Topfmagnet gezeichnet ist, kann selbstverständlich bei gleicher Funktionsweise auch beliebig anders ausgeführt sein, z. B. in Form zweier C-förmiger, einander zugewandter Permanentmagnete mit einer Flachspule im Zwischenraum oder auch als Drehmoment-erzeugendes Drehspulsystem.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung der elektrischen Federwaage. Die Meßfeder 26 ist hierbei so ausgebildet, daß sie gleichzeitig als Parallelführung für den Lastaufnehmer 22 wirkt. Dazu weist sie eine etwa rechteckige Durchbrechung 20 auf, so daß oben und unten je ein schmaler Steg 24 und 25 stehenbleibt. Diese beiden Stege wirken wie die Lenker einer Parallelführung. Befestigt ist die Meßfeder 26 an einem Teil des Gehäuses 21. Der Lastaufnehmer 22 trägt an seinem oberen Ende die Lastschale 23 und an seinem unteren Ende die Leuchtdiode und die Fotoempfänger eines optischen Lagenindikators 31. Die Schlitzblende des optischen Lagenindikators ist mit einem Hebel 27 verbunden, der durch ein Federelement 28 drehbar mit einem Teil des Gehäuses 21 verbunden ist. Zusätzlich zum Federelement 28 verbindet eine Spiralfeder 29 mit gleicher Drehachse den Hebel 27 und das Gehäuse 21. Das gehäusefeste Ende der Spiralfeder 29 wird in einer beweglichen Hülse 39 gehalten, so daß die freie Länge der Spiralfeder 29 verändert werden kann. Dadurch läßt sich die Gesamtfederkonstante der Hebellagerung einstellen. Der Hebel 27 trägt an seinem vorderen Ende weiter eine Spule 33, die in den Luftspalt eines gehäusefesten Permanentmagnetsystems 30 hineinragt. Der Strom durch die Spule 33 wird - wie bereits erläutert - durch den Lagenindikator 31 über den Regelverstärker 32 so gesteuert, daß die Lage des Hebels 27 relativ zum Lastaufnehmer 22 am Ort des Lagensensors 31 möglichst unverändert bleibt. Dieser Strom durchfließt den Widerstand 34, der dort auftretende Spannungsabfall wird im Analog/Digital- Wandler 35 digitalisiert, in der digitalen Recheneinheit 36 weiterverarbeitet und in der Digitalanzeige 37 angezeigt.

Der Hebel 27 trägt an seinem hinteren Ende ein Gegengewicht 38, das so bemessen ist, daß bei leerer Waagschale 23 der Strom durch die Spule 33 zu Null wird. Selbstverständlich können durch entsprechende Dimensionierung dieses Gegengewichtes oder durch eine entsprechende Null-Lage des Federelementes 28 und der Spiralfeder 29 auch feste Taralasten auf der Lastschale berücksichtigt werden, so daß der Strom durch die Spule 33 direkt proportional zur Nettobelastung ist.

Eine dritte Ausgestaltung der elektrischen Federwaage zeigt Fig. 3. Die Meßfeder besteht hier aus zwei Biegebalken 44 und 45, die zusammen mit einem Teil des Gehäuses 41 und mit dem Lastaufnehmer 42 die Parallelführung bilden. Der Hebel 47 ist ebenfalls als Biegebalken ausgebildet und wird durch einen zweiten Biegebalken 48 und einem Verbindungsstück 49 zu einer Parallelführung ergänzt. Bei einer lastabhängigen Absenkung des Lastaufnehmers 42 ergibt sich durch die Parallelführung sowohl des Lastaufnehmers 42 als auch des Verbindungsstückes 49 keine Winkeländerung zwischen diesen beiden Teilen und bei gleicher Lenkerlänge für beide Parallelführungen auch keine seitliche Verschiebung. Die mit dem Verbindungsstück 49 verbundene, geerdete Elektrode des kapazitiven Lagenindikators 51 führt dann keine seitliche Bewegung oder Kippung gegenüber den beiden, mit dem Lastaufnehmer 42 verbundenen Gegenelektroden aus. Dasselbe gilt für die Spule 53 relativ zum Permanentmagnetsystem 50, das in dieser Ausgestaltung statt am Gehäuse am Lastaufnehmer 42 befestigt ist. In dieser Ausgestaltung ist damit die senkrechte, lastabhängige Relativbewegung der Spule 53 gegenüber dem Permanentmagnetsystem 50 ausgeschaltet, so daß auf eine breite Zone homogener magnetischer Feldstärke im Luftspalt des Permanentmagnetsystems verzichtet werden kann; dadurch läßt sich das Permanentmagnetsystem noch kleiner dimensionieren. Daß dabei die an der Spule elektromagnetisch erzeugte Kraft als Reaktionskraft am Permanentmagnetsystem ebenfalls vom Lastaufnehmer und der Meßfeder aufgenommen werden muß, stört nicht, da bei einer Kraftübersetzung von z. B. 1 : 1000 die Reaktionskraft nur 1 Promille der vom Wägegut aufgebrachten Kraft beträgt. In der Ausgestaltung nach Fig. 3 wird die Federkonstante der Meßfeder durch die Federkonstante der beiden Biegebalken 44 und 45 gegeben, entsprechend ist die Federkonstante der Drehlagerung des Hebels 47 durch die Federkonstante der beiden Biegebalken 47 und 48 gegeben. Eine Justierung einer Federkonstante ist in dieser Ausgestaltung nicht vorgesehen; die Empfindlichkeitseinstellung kann in bekannter Weise dann z. B. am Widerstand 54 oder in der digitalen Recheneinheit 56 erfolgen. Die Funktion der elektrischen Komponenten 52 . . . 57 entspricht der bereits beschriebenen Funktion der entsprechenden elektrischen Komponenten 12 . . . 17 in Fig. 1 und 32 . . . 37 in Fig. 2.

Das Gewicht der Spule 53 und des Verbindungsteiles 49 wird in dieser Ausgestaltung nicht durch ein Gegengewicht kompensiert, wie in der Ausgestaltung nach Fig. 2, sondern durch eine geringe Verbiegung der Biegebalken 47 und 48. Der Lagenindikator 51 wird dann so eingebaut, daß bei leerer Lastschale (einschließlich ggf. zu berücksichtigender Taralasten) und ohne Spulenstrom gerade seine Null-Lage erreicht wird.

Der in Fig. 3 als getrennte Einheit gezeichnete kapazitive Lagenindikator 51 kann in dieser Ausgestaltung leicht in das Permanentmagnetsystem 50 und die Spule 53 integriert werden, wie es in der DE 30 12 979 A1 beschrieben ist.

Die Erfindung wurde im vorstehenden anhand von drei Ausgestaltungen beschrieben. Weitere Ausgestaltungen kann jeder Fachmann leicht angeben, indem die unterschiedlichen Details der beschriebenen Ausgestaltungen in anderer Weise kombiniert werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Waage mit einem Lastaufnehmer und mit einer mit diesem Lastaufnehmer mechanisch gekoppelten Meßfeder, deren Auslenkung in senkrechter Richtung lastproportional ist, dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß mindestens ein drehfedernd gelagerter Hebel (7, 27) oder drehfedernder Hebel (47) vorhanden ist, der mit dem Lastaufnehmer (2, 22, 42) mechanisch nicht verbunden ist und der eine Spule (13, 33, 53) trägt, die in den Luftspalt eines Permanentmagnetsystems (10, 30, 50) hineinragt,
    2. - daß ein Lagenindikator (11, 31, 51) vorhanden ist, der die Lage des Hebels (7, 27, 47) relativ zum Lastaufnehmer (2, 22, 42) in senkrechter Richtung rückwirkungsfrei abtastet und
    3. - daß dieser Lagenindikator (11, 31, 51) den Strom durch die Spule (13, 33, 53) so steuert, daß die Lage des Hebels (7, 27, 47) relativ zum Lastaufnehmer (2, 22, 42) möglichst unverändert bleibt.
  2. 2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom durch die Spule (13, 33, 53) ein Maß für die aufgelegte Last darstellt.
  3. 3. Waage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagenindikator (31) ein optischer Lagenindikator ist.
  4. 4. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Permanentmagnetsystem (50) mit dem Lastaufnehmer (42) verbunden ist.
  5. 5. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gewichtsstück (9) vorgesehen ist, um den Schwerpunkt des Hebels (7) zu justieren.
  6. 6. Waage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spiralfeder (29) und eine bewegliche Hülse (39) vorgesehen sind, um die Federkonstante der Hebellagerung zu justieren.
  7. 7. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Hebel (48) vorgesehen ist, der zusammen mit dem ersten Hebel (47) eine Parallelführung bildet.
  8. 8. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfeder (44, 45) ein Teil der Parallelführung für den Lastaufnehmer (42) ist.
  9. 9. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfeder (26) so ausgebildet ist, daß sie als Parallelführung für den Lastaufnehmer (22) dient.
  10. 10. Waage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagenindikator (11) als kapazitiver Lagenindikator ausgebildet ist, der über einen elektronischen Regelverstärker (12) den Strom durch die Spule (13) so steuert, daß sich eine mit dem Hebel (7) verbundene geerdete Platte immer in der Mitte zwischen den beiden, mit dem Lastaufnehmer (22) verbundenen Gegenelektroden befindet.






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