DE2924081C2

DE2924081C2 - Scale with electromagnetic force compensation

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.The invention relates to a scale with electromagnetic force compensation, consisting of a movable part which takes up a load and can be deflected from a zero position under the influence of this load, a scanning device which responds to this deflection and allows an electric current to flow via a control circuit in a compensation coil, which causes the load part to be returned to the zero position in a magnetic field, a second compensation system with a constant load, the compensation coil of which is immersed in the same magnetic field, two analog/digital converters which digitize the current of the two compensation systems, and a quotient generator which forms the quotient of the two force measurements as a measure of the load to be determined.

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.Scales of this type are already known (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) and all have the advantage that they are largely insensitive to changes in the magnetic data, the location-dependent changes in the acceleration due to gravity and the influence of slight inclination. However, these scales require high-precision analogue/digital converters in order to enable temperature-stable and long-term stable measurement values to be determined.

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.The object of the invention is to create an electromagnetic force-compensating scale of the type mentioned at the beginning, which on the one hand exploits all the advantages of known ratio scales and, in addition, eliminates errors resulting from different temperature coefficients and different aging behavior of the analog/digital converters with the current dividers contained therein.

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.This object is achieved according to the invention in that two changeover switches are provided which, during a first time interval, supply the current of the first compensation system to the first analog/digital converter and the current of the second compensation system to the second analog/digital converter, but during a second time interval supply the current of the first compensation system to the second analog/digital converter and the current of the second compensation system to the first analog/digital converter, and that by comparing the results, the different temperature coefficients and the different aging of the current dividers and the remaining analog/digital converter circuit are mathematically eliminated.

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 an advantageous development of the invention, in order to eliminate the errors resulting from the temperature response of the zero point of the second compensation system, it is provided that the temperature response of at least the second compensation system is stored in a data processing memory, or that in another embodiment the second compensation system can be at least approximately completely relieved of load by lifting a reference weight.

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.In a further advantageous embodiment, a digital filter is connected downstream of each analog/digital converter. The coefficients of the digital filters are specified separately and switched synchronously with the switching of the switch. This provides usable measurement results even when the installation platform is subject to vibrations.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Diese zeigt:An embodiment of the invention is explained below with reference to the drawings. These show:

in schematischer Darstellung, teilweise im Schnitt, ein Wägesystem in Verbindung mit einem Blockschaltbild der elektrischen Bauteile.A schematic representation, partly in section, of a weighing system together with a block diagram of the electrical components.

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.According to the figure, the hollow cylindrical iron yoke 1 forms the stationary part of the weighing device and is attached to fixed points 24 of the scale housing or the like and accommodates the permanent magnet 2 inside, which is attached rotationally symmetrically in the iron yoke 1 with a brass ring 3. The coil 4 of the reference system is immersed in the upper air gap of the magnet system. This consists of the balance beam 5 carrying the coil with its main bearing 6 , which is also held at fixed points 24 , the weight support 26 for the reference weight 28 with secondary bearing 7 and the position sensor 8. The PID controller 9 connected to the position sensor 8 allows a current I _R to flow through the force coil 4 depending on the position sensor 8 , the magnitude of which generates a torque on the balance beam 5 that is opposite to the torque of the reference weight 28 . The current is thus a measure of the reference weight 28 and is fed to the current divider 10 of the A/D converter 11 via the changeover switch 13 in the position shown. The digital measurement signal is filtered in the digital filter 12 and fed to the downstream data processing device 29 .

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.A compensation system constructed symmetrically to the reference system is used to determine the unknown weight G, the force of which acts on the secondary bearing 14. This compensation system consists of a balance beam 15 with its main bearing 16 , which is also held at fixed points 24 of the balance housing or the like, and has a force coil 17 at its other end. The force coil 17 is immersed in the lower air gap of the same magnetic circuit, which is formed from the permanent magnet 2 and the iron yoke 1. Here too, the control circuit allows a compensation current I to flow through the force coil 17 as a function of the position sensing 18 via a PID controller 19 , which compensates for the torque from the applied load G. The measuring current I is fed to the current divider 20 of the A/D converter 21 via the changeover switch 23 in the position shown, digitized, filtered with a second digital filter 22 and also processed here by the data processing 29 to form the quotient with the reference signal.

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.The data processing 29 contains, for example, a microprocessor and in the known manner takes over the taring, the standstill indication, the control of the display 25 and the data transport for external devices. In addition, the data processing 29 stores the coefficients of the digital filters 12 and 22 . These coefficients evaluate the individual partial measurement results of the respective A/D converters in the known manner in order to achieve the fastest possible standstill of the display value calculated from the individual partial measurement results.

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.The changeover switches 13 and 23 are switched synchronously by the data processing 29 at predetermined intervals. In the position shown, the current I _R of the reference system 4 . . . 9 is fed to the current divider 10 and the associated A/D converter 11 and the current I of the compensation system 14 . . . 19 is fed to the current divider 20 and the associated A/D converter 21. After switching, however, the current I _R of the reference system 4 . . . 9 is fed to the current divider 20 and the associated A/D converter 21 and the current I of the compensation system 14 . . . 19 is fed to the current divider 10 and the associated A/D converter 11 . This makes it possible to compensate for drift effects of the two current dividers 10 and 20 as well as the two A/D converters 11 and 21 by comparison. The filter characteristics of the two digital filters 12 and 22 are switched by the data processing 29 in synchronism with the switches 13 and 23 .

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.The figure also shows that the data processing unit 29 controls a lifting device 27 which lifts the reference weight 28 from its holder 26 and thus removes the connection to the auxiliary bearing 7. In this way, the zero point of the reference weighing system can be determined and taken into account when calculating the quotient. In a simpler embodiment, the temperature variation of the zero point of the reference system can be determined once and stored in a memory of the data processing unit 29 in order to be taken into account when calculating the quotient.

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.Of course, the mechanical design of the weighing system can also be different according to the state of the art, e.g. an upper pan arrangement can be chosen instead of the lower pan arrangement, or a parallel guide according to Roberval can be used instead of the beam design, or the magnet system can have only one air gap into which both compensation coils are immersed.

Claims

1. Scale with electromagnetic force compensation, consisting of

- a movable part that supports a load and can be deflected from a zero position under the influence of this load,

- a scanning device which responds to this deflection and allows an electric current to flow through a control circuit in a compensation coil, which causes the load part to return to the zero position in a magnetic field,

- a second compensation system with constant load, whose compensation coil is immersed in the same magnetic field,

- two analogue/digital converters that digitize the current of the two compensation systems,

- and a quotient generator which forms the quotient of the two force measurements as a measure for the load to be determined,

dadurch gekennzeichnet,characterized,

- that two changeover switches ( 13 , 23 ) are provided which, during a first time interval, supply the current of the first compensation system ( 14...19 ) to the first analog/digital converter ( 20 , 21 ) and the current of the second compensation system ( 4...9 ) to the second analog/digital converter ( 10 , 11 ), but during a second time interval supply the current of the first compensation system ( 14...19 ) to the second analog/digital converter ( 10 , 11 ) and the current of the second compensation system ( 4...9 ) to the first analog/digital converter ( 20 , 21 ),

- and that by comparing the results, the different temperature coefficients and the different ageing of the current dividers ( 10 , 20 ) and the remaining analog/digital converter circuit ( 11 , 21 ) are mathematically eliminated.

2. Balance according to claim 1, characterized in that the temperature response of the zero point of at least the second compensation system ( 4 . . . 9 ) is stored in a data processing memory ( 29 ).

3. Balance according to claim 1, characterized in that the second compensation system ( 4 . . . 9 ) can be at least approximately completely relieved by lifting a reference weight ( 28 ).

4. Balance according to one of claims 1 to 3, characterized in that a digital filter ( 12 , 22 ) is connected downstream of each of the analog/digital converters ( 11 , 21 ), the coefficients of the digital filters being predetermined separately and being switched synchronously with the switching of the changeover switches ( 13 , 23 ).