DE2924081C2

DE2924081C2 - Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation

Info

Publication number: DE2924081C2
Application number: DE19792924081
Authority: DE
Inventors: Erich 3406 Bovenden Knothe; Franz-Josef 3414 Hardegsen Melcher
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1979-06-15
Filing date: 1979-06-15
Publication date: 1987-03-12
Also published as: DE2924081A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation, bestehend aus einem beweglichen, eine Last aufnehmenden Teil, das unter dem Einfluß dieser Last aus einer Nullage auslenkbar ist, einer Abtastvorrichtung, die auf diese Auslenkung anspricht und über einen Regelkreis in einer Kompensationsspule einen elektrischen Strom fließen läßt, welcher in einem Magnetfeld die Rückführung des Lastteiles in die Nullage bewirkt, einem zweiten Kompensationssystem mit konstanter Last, dessen Kompensationsspule in das gleiche Magnetfeld eintaucht, zwei Analog/Digital-Wandler, die den Strom der beiden Kompensationssysteme digitalisieren, und einem Quotientenbildner, der den Quotient aus den beiden Kraftmessungen als Maß für die zu bestimmende Last bildet.
Waagen dieser Art sind bereits bekannt (US-PS 33 22 222, DE-OS 22 24 135, DE-PS 11 94 167, US-PS 36 88 854, CH-PS 530 624, DE-AS 22 33 850) und zeigen alle den Vorteil, daß sie weitgehend unempfindlich auf Veränderungen der Magnetdaten, der ortsabhängig veränderlichen Erdbeschleunigung und der Beeinflussung durch geringe Schrägstellung reagieren. Diese Waagen benötigen jedoch hochpräzise Analog/Digital-Wandler, um eine temperaturstabile und langzeitstabile Meßwertermittlung zu ermöglichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektromagnetisch kraftkompensierende Waage der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welche einerseits alle genannten Vorteile bekannter Quotientwaagen ausschöpft und darüber hinaus Fehler, die sich aus unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten und unterschiedlichem Alterungsverhalten der Analog/Digital-Wandler mit den darin enthaltenen Stromteilern ergeben, auszuschalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Umschalter vorgesehen sind, die während eines ersten Zeitintervalls den Strom des ersten Kompensationssystems dem ersten Analog/Digital-Wandler und den Strom des zweiten Kompensationssystems dem zweiten Analog/Digital-Wandler zuführen, während eines zweiten Zeitintervalls jedoch den Strom des ersten Kompensationssystems dem zweiten Analog/ Digital-Wandler und den Strom des zweiten Kompensationssystems dem ersten Analog/Digital-Wandler zuführen, und daß durch Vergleich der Ergebnisse die unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten und die unterschiedliche Alterung der Stromteiler und der restlichen Analog/Digital-Wandler- Schaltung rechnerisch eliminiert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zur Eliminierung der Fehler, die sich aus dem Temperaturgang des Nullpunktes des zweiten Kompensationssystems ergeben, vorgesehen, daß der Temperaturgang mindestens des zweiten Kompensationssystems in einem Speicher der Datenverarbeitung gespeichert ist, oder daß in einer anderen Ausgestaltung das zweite Kompensationssystem durch Abheben eines Referenzgewichtes wenigstens näherungsweise ganz entlastet werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist jedem der Analog/Digital-Wandler ein Digitalfilter nachgeschaltet. Dabei werden die Koeffizienten der Digitalfilter getrennt vorgegeben und synchron mit dem Umschalten des Umschalters mit umgeschaltet. Dadurch werden auch bei Erschütterungen der Aufstellplattform verwertbare Meßergebnisse geliefert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Diese zeigt:
in schematischer Darstellung, teilweise im Schnitt, ein Wägesystem in Verbindung mit einem Blockschaltbild der elektrischen Bauteile.
Gemäß der Figur bildet der hohlzylinderförmige Eisenrückschluß 1 den ortsfesten Teil der Wägevorrichtung und ist an Festpunkten 24 des Waagengehäuses oder dergleichen befestigt und nimmt im Innern den Dauermagneten 2 auf, der mit einem Messingring 3 rotationssymmetrisch im Eisenrückschluß 1 befestigt ist. In den oberen Luftspalt des Magnetsystems taucht die Spule 4 des Referenzsystems ein. Dieses besteht aus dem die Spule tragenden Waagebalken 5 mit seinem Hauptlager 6, welches ebenfalls an Festpunkten 24 gehalten ist, aus der Gewichtsauflage 26 für das Referenzgewicht 28 mit Nebenlager 7 und der Lagenabtastung 8. Der mit der Lagenabtastung 8 verbundene PID- Regler 9 läßt in Abhängigkeit der Lagenabtastung 8 durch die Kraftspule 4 einen Strom I _R fließen, der in seiner Größe ein Drehmoment am Waagebalken 5 erzeugt, welches dem Drehmoment des Referenzgewichtes 28 entgegengerichtet ist. Der Strom ist somit ein Maß für das Referenzgewicht 28 und wird über den Umschalter 13 in der gezeichneten Stellung dem Stromteiler 10 des A/D-Wandlers 11 zugeführt. Das digitale Meßsignal wird im Digitalfilter 12 gesiebt und der nachgeschalteten Datenverarbeitungseinrichtung 29 zugeleitet.
Ein symmetrisch zum Referenzsystem aufgebautes Kompensationssystem dient zur Bestimmung des unbekannten Gewichtes G, dessen Kraft am Nebenlager 14 angreift. Dieses Kompensationssystem besteht aus einem Waagebalken 15 mit seinem Hauptlager 16, welches ebenfalls an Festpunkten 24 des Waagengehäuses oder dergleichen gehalten ist, und trägt an seinem anderen Ende eine Kraftspule 17. Die Kraftspule 17 taucht in den unteren Luftspalt desselben Magnetkreises, der aus dem Dauermagneten 2 und dem Eisenrückschluß 1 gebildet ist. Der Regelkreis läßt auch hier in Abhängigkeit der Lagenabtastung 18 über einen PID-Regler 19 einen Kompensationsstrom I durch die Kraftspule 17 fließen, der das Drehmoment aus der aufgelegten Last G kompensiert. Der Meßstrom I wird über den Umschalter 23 in der gezeichneten Stellung dem Stromteiler 20 des A/D-Wandlers 21 zugeführt, digitalisiert, mit einem zweiten Digitalfilter 22 gesiebt und auch hier von der Datenverarbeitung 29 zur Quotientenbildung mit dem Referenzsignal verarbeitet.
Die Datenverarbeitung 29 beinhaltet z.B. einen Mikroprozessor und übernimmt in bekannter Weise die Tarierung, die Stillstandsindikation, die Steuerung der Anzeige 25 und den Datentransport für externe Geräte. Daneben speichert die Datenverarbeitung 29 die Koeffizienten der Digitalfilter 12 und 22. Diese Koeffizienten bewerten in bekannter Weise die einzelnen Teilmeßergebnisse der jeweiligen A/D-Wandler, um einen möglichst schnellen Stillstand des aus den einzelnen Teilmeßergebnissen errechneten Anzeigewertes zu erreichen.
Die Umschalter 13 und 23 werden von der Datenverarbeitung 29 in vorgegebenen Intervallen synchron umgeschaltet. In der gezeichneten Stellung wird der Strom I _R des Referenzsystems 4 . . . 9 dem Stromteiler 10 und dem dazugehörigen A/D-Wandler 11 zugeführt und der Strom I des Kompensationssystems 14 . . . 19 dem Stromteiler 20 und dem zugehörigen A/D-Wandler 21 zugeführt. Nach dem Umschalten wird dagegen der Strom I _R des Referenzsystems 4 . . . 9 dem Stromteiler 20 und dem zugehörigen A/D-Wandler 21 zugeführt und der Strom I des Kompensationssystems 14 . . . 19 dem Stromteiler 10 und dem zugehörigen A/D-Wandler 11 zugeführt. Dadurch werden Drifteinflüsse der beiden Stromteiler 10 und 20 sowie der beiden A/D-Wandler 11 und 21 durch Vergleich kompensierbar gemacht. Die Filterkennwerte der beiden Digitalfilter 12 und 22 werden von der Datenverarbeitung 29 im Gleichtakt zu den Umschaltern 13 und 23 mit umgeschaltet.
Weiter ist in der Figur gezeichnet, daß die Datenverarbeitung 29 eine Hubvorrichtung 27 steuert, die das Referenzgewicht 28 aus seiner Halterung 26 hebt und so die Verbindung zum Nebenlager 7 aufhebt. Auf diese Weise kann der Nullpunkt des Referenzwägesystems festgestellt werden und bei der Quotientenbildung rechnerisch berücksichtigt werden. In einer einfacheren Ausgestaltung kann der Temperaturgang des Nullpunktes des Referenzsystems einmalig ermittelt und in einem Speicher der Datenverarbeitung 29 abgespeichert werden, um bei der Quotientenbildung rechnerisch berücksichtigt zu werden.
Selbstverständlich kann das Wägesystem in seinem mechanischen Aufbau auch anders entsprechend dem Stand der Technik aufgebaut sein, z.B. kann eine oberschalige Anordnung gewählt werden statt der unterschaligen, oder es kann eine Parallelführung nach Roberval benutzt werden statt der Balken-Ausführung oder das Magnetsystem kann nur einen Luftspalt, in den beide Kompensationsspulen eintauchen, besitzen.

Claims

1. Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation, bestehend aus

- einem beweglichen, eine Last aufnehmenden Teil, das unter dem Einfluß dieser Last aus einer Nullage auslenkbar ist,

- einer Abtastvorrichtung, die auf diese Auslenkung anspricht und über einen Regelkreis in einer Kompensationsspule einen elektrischen Strom fließen läßt, welcher in einem Magnetfeld die Rückführung des Lastteiles in die Nullage bewirkt,

- einem zweiten Kompensationssystem mit konstanter Last, dessen Kompensationsspule in das gleiche Magnetfeld eintaucht,

- zwei Analog/Digital-Wandler, die den Strom der beiden Kompensationssysteme digitalisieren,

- und einen Quotientenbildner, der den Quotient aus den beiden Kraftmessungen als Maß für die zu bestimmende Last bildet,

dadurch gekennzeichnet,

- daß zwei Umschalter (13, 23) vorgesehen sind, die während eines ersten Zeitintervalls den Strom des ersten Kompensationssystems (14 . . . 19) dem ersten Analog/Digital-Wandler (20, 21) und den Strom des zweiten Kompensationssystems (4 . . . 9) dem zweiten Analog/Digital-Wandler (10, 11) zuführen, während eines zweiten Zeitintervalls jedoch den Strom des ersten Kompensationssystems (14 . . . 19) dem zweiten Analog/Digital-Wandler (10, 11) und den Strom des zweiten Kompensationssystems (4 . . . 9) dem ersten Analog/Digital-Wandler (20, 21) zuführen,

- und daß durch Vergleich der Ergebnisse die unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten und die unterschiedliche Alterung der Stromteiler (10, 20) und der restlichen Analog/Digital-Wandler-Schaltung (11, 21) rechnerisch eliminiert werden.

2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgang des Nullpunktes mindestens des zweiten Kompensationssystems (4 . . . 9) in einem Speicher der Datenverarbeitung (29) gespeichert ist.

3. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kompensationssystem (4 . . . 9) durch Abheben eines Referenzgewichtes (28) wenigstens näherungsweise ganz entlastet werden kann.

4. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Analog/Digital-Wandler (11, 21) ein Digitalfilter (12, 22) nachgeschaltet ist, wobei die Koeffizienten der Digitalfilter getrennt vorgegeben sind und synchron mit dem Umschalten der Umschalter (13, 23) mit umgeschaltet werden.