DE3743073A1 - Elektromagnetisch kraftkompensierende waage mit optischem lagensensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einem zylindrischen Permanentmagnetsystem, mit einem Magnet­ deckel, der zumindest teilweise aus einem Material hoher Permeabilität besteht und zur magnetischen Abschirmung des Permanentmagnetsystems dient, mit einer Spule im Luft­ spalt des Permanentmagnetsystems zur Erzeugung der be­ lastungsabhängigen Gegenkraft, mit einem optischen Lagensensor und mit einem Regelverstärker zur Regelung des Stromes durch die Spule.

Waagen dieser Art sind allgemein bekannt und beispiels­ weise im DE-GM 84 16 544 beschrieben. Sender und Empfänger des optischen Lagensensors befinden sich dort am gehäuse­ festen Systemträger, während die Schlitzblende des optischen Lagensensors am Ende des Übersetzungshebels befestigt ist. In Fig. 1 ist das Prinzip des optischen Lagensensors nochmal zur Erläuterung gezeigt: Ein Sender 102 sendet Licht aus, das durch den Schlitz 107 in einer Schlitzblende 106 teilweise auf die beiden lichtempfindlichen Flächen 104 und 105 eines optischen Empfängers 103 fällt. Der Sender 102 und der Empfänger 103 sind an gehäusefesten Teilen 101 befestigt, während die Schlitzblende 106 mit den beweglichen Teilen der Waage verbunden ist und sich mit diesen - in Fig. 1 in senk­ rechter Richtung - bewegt; dadurch ändert sich die Licht­ verteilung auf den beiden lichtempfindlichen Flächen 104 und 105 und es ergibt sich ein der Auslenkung der Schlitz­ blende 106 proportionales elektrisches Differenzsignal. (Die Form und die Bauart des Schlitzes sind dabei für die Funktion unwesentlich; auch ein rundes Loch in einem Blech oder ein lichtdurchlässiger Bereich in einer ansonsten lichtundurchlässig beschichteten Glasplatte - um nur zwei Beispiele zu nennen - sollen unter "Schlitzblende" ver­ standen werden. Ebenso soll unter "Licht" z.B. auch infrarotes oder ultraviolettes Licht verstanden werden.)

Es ist weiterhin aus der DE-OS 30 33 272 bekannt, Sender und Empfänger des optischen Lagensensors am Permanent­ magnetsystem zu befestigen.

Nachteilig an allen diesen bekannten Ausführungen ist, daß der optische Lagensensor, der ja die Lage der Spule im Luftspalt des Permanentmagnetsystems erfassen soll, verhältnismäßig weit von dieser entfernt ist. Dies kann zum Beispiel aufgrund von Temperaturänderungen und/oder Tempe­ raturgradienten zu einer Relativverschiebung zwischen Spule und Lagensensor führen und damit die Genauigkeit der Waage beeinträchtigen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, aus dem Permanent­ magnetsystem, der Spule und dem optischen Lagensensor eine kompakte Einheit zu bilden, die Temperaturunterschiede und dadurch verursachte Lagenänderungen minimiert.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Waage der eingangs genannten Art der Sender und der Empfänger des optischen Lagensensors innerhalb des Magnetdeckels untergebracht sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 2 bis 11 beschrieben. Die Fig. 1 wurde bereits beim Stand der Technik erläutert.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch die Waage,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Übersetzungshebel aus Fig. 2,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Magnetdeckel aus Fig. 2,

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Magnetdeckel in einer zweiten Ausgestaltung,

Fig. 6 eine Draufsicht auf den Magnetdeckel in einer dritten Ausgestaltung,

Fig. 7 eine Draufsicht auf den Magnetdeckel in einer vierten Ausgestaltung,

Fig. 8 eine Draufsicht auf den Magnetdeckel in einer fünften Ausgestaltung,

Fig. 9 einen Schnitt durch den Magnetdeckel und das Permanentmagnetsystem in einer anderen Materialkombination,

Fig. 10 eine Draufsicht auf den Übersetzungshebel in einer anderen Ausgestaltung und

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht der Quertraverse aus Fig. 10 in einer anderen Ausgestaltung.

Die elektrische Waage in Fig. 2 besteht aus einem gehäuse­ festen Systemträger 1, an dem über zwei Lenker 4 und 5 mit den Gelenkstellen 6 ein Lastaufnehmer 2 in senkrechter Richtung beweglich befestigt ist. Der Lastaufnehmer 2 trägt in seinem oberen Teil die Lastschale 3 zur Aufnahme des Wägegutes und überträgt die der Masse des Wägegutes ent­ sprechende Kraft über ein Koppelelement 11 auf den kürzeren Hebelarm des Übersetzungshebels 7. Der Übersetzungshebel 7 ist durch zwei Federgelenke 8 am Systemträger 1 gelagert. Am längeren Hebelarm des Übersetzungshebels 7 ist eine Spule 13 befestigt. Die Spule 13 befindet sich im Luft­ spalt eines Permanentmagnetsystems 14 und erzeugt die belastungsabhängige Gegenkraft. Die Größe des Stromes durch die Spule 13 wird dabei in bekannter Weise durch den optischen Lagensensor 20, 21, 22 und den Regelverstärker 16 so geregelt, daß Gleichgewicht zwischen dem Gewicht des Wägegutes und der elektromagnetisch erzeugten Gegenkraft herrscht. Der elektrische Anschluß 23 zur Spule 13 ist dabei in Fig. 2 nur ganz schematisch angedeutet. Der Strom durch die Spule 13 erzeugt am Meßwiderstand 15 eine Meß­ spannung, die einem Analog/Digital-Wandler 17 zugeführt wird. Das digitalisierte Ergebnis wird von einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 18 übernommen und in der An­ zeige 19 digital angezeigt.

Der optische Lagensensor besteht aus dem Strahlungs­ sender 21, dessen Stromversorgung der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurde, dem Strahlungsempfänger 22 und der Schlitzblende 20. Der Strahlungssender 21 und der Strahlungsempfänger 22 sind am Deckel 24 des Permanent­ magnetsystems 14 befestigt, nähere Einzelheiten werden später anhand von Fig. 4 erläutert. Die Schlitzblende 20 ist am Übersetzungshebel 7 befestigt. Die Schlitz­ blende 20 befindet sich dabei etwa in der Verlängerung der Achse der Spule 13 auf der gegenüberliegenden Seite des Übersetzungshebels 7. Durch diese Anordnung bilden das hintere Ende des Übersetzungshebels 7, die Spule 13 und die Schlitzblende 20 eine kompakte, geometrisch sehr stabile Einheit.

Der Übersetzungshebel 7 ist in Fig. 3 nochmal alleine in Draufsicht in einer beispielhaften Ausgestaltung gezeigt. Außer der schon beschriebenen Spule 13 und der Schlitz­ blende 20 erkennt man eine vordere Quertraverse 9, die die beiden Federgelenke 8 trägt und auf deren gegenüber­ liegenden Seite das Koppelelement 11 mittels einer Mutter 10 auf einem Gewindestift 12 befestigt ist. Die Dicke der vorderen Quertraverse 9 bestimmt also die Länge des kürzeren Hebelarms des Übersetzungshebels 7.

Fig. 4 zeigt in einer Draufsicht auf den Magnetdeckel 24 in einer gegenüber den Fig. 2 und 3 vergrößerten Dar­ stellung die Einzelheiten des optischen Lagensensors. Der Strahlungssender 21 befindet sich auf einer kleinen Pla­ tine 26, der Strahlungsempfänger 22 befindet sich ebenfalls auf einer kleinen Platine 27. Beide Platinen sind in einem Teil 25 befestigt, zum Beispiel eingeklebt. Das Teil 25 weist neben der Öffnung 28 für die beiden Platinen eine zylindrische Außenfläche auf, mit der es in ein ent­ sprechendes rundes Loch im Magnetdeckel 24 paßt. Dadurch ist eine senkrechte Verschiebbarkeit von Sender und Empfänger gegeben. Die Fixierung nach der Montage und Justage erfolgt in bekannter Weise z.B. durch eine nicht dargestellte Madenschraube. Kann auf die Justierbarkeit verzichtet werden, so kann selbstverständlich das Teil 25 wegfallen und das etwa rechteckige Loch 28 befindet sich direkt im Magnetdeckel 24 (in Fig. 4 muß man sich dazu nur den Kreis 25 wegdenken.). Weiter erkennt man in Fig. 4 die Fahne 20, die am Übersetzungshebel 7 befestigt ist und von unten in die Öffnung 28 hineinragt.

Fig. 5 zeigt den Magnetdeckel in einer zweiten Ausge­ staltung. Der Magnetdeckel 34 weist hier ein rundes Loch 33 und einen Schlitz 35 längs eines Durchmessers auf. Der Schlitz 35 hat etwa eine Tiefe von 1/2 bis 2/3 der Dicke des Magnetdeckels 34. Im Schlitz 35 sind zwei längliche Platinen 36 und 37 befestigt, wobei die Pla­ tine 36 den Strahlungssender 31 trägt und die Platine 37 den Strahlungsempfänger 32. Die rückseitigen Anschlüsse 38 des Strahlungssenders 31 ragen durch die Platine 36 hindurch und sind dort im Loch 33 gut zugänglich für den elektrischen Anschluß. Genauso ragen die Anschlüsse 39 des Strahlungsempfängers 32 durch die Platine 37 hindurch und können dort ebenfalls elektrisch angeschlossen werden. Durch den Schlitz 35 ist ein Tiefenanschlag für die Platinen vorhanden, so daß eine sehr reproduzierbare Be­ festigung - zum Beispiel Klebung - der Platinen im Magnet­ deckel 34 möglich ist. Selbstverständlich braucht der Schlitz nicht die volle Länge des Durchmessers des Magnet­ deckels 34 zu besitzen, es reicht eine Länge entsprechend der Länge der Platinen 36 und 37. Genauso kann der Schlitz 35 seitlich etwas versetzt sein, falls man für die Anschlüsse 38 mehr Platz braucht als für die Anschlüsse 39 oder umgekehrt. Weiter erkennt man in Fig. 5 wieder die Schlitzblende 20, die mit dem beweglichen Teil der Waage verbunden ist.

In Fig. 6 ist eine dritte Ausgestaltung des Magnetdeckels gezeigt. Der Magnetdeckel 44 weist hier nur einen Schlitz 45 längs eines Durchmessers auf, der in der Mitte so weit vertieft ist, daß hier eine Öffnung 43 entsteht. Durch diese Öffnung 43 ragt von unten die Schlitzblende 20 hindurch. Der Strahlungssender 41 ist auf einer länglichen Platine 46 montiert, wobei hier davon ausgegangen ist, daß die Kontaktierung auf der Vorderseite erfolgt und die Platine mit der Rückseite und der Unterkante direkt an der Seitenfläche bzw. an der Unterseite des Schlitzes 45 anliegen kann. Die elektrischen Anschlüsse erfolgen dann an dem Teil der Platine 46, der über den Magnetdeckel 44 hinausragt. Die Verbindung von Platine und Magnetdeckel kann wieder durch Kleben erfolgen. In gleicher Weise erfolgt die Befestigung und Kontaktierung des Strahlungs­ empfängers 42 auf einer länglichen Platine 47. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in der einfachen Fertigbarkeit, da sich die Bearbeitung des Magnetdeckels auf einen Fräs­ vorgang für den Schlitz 45 einschließlich der Öffnung 43 beschränkt.

Eine vierte Ausgestaltung des Magnetdeckels ist in Fig. 7 gezeigt. Hier weist der Magnetdeckel 54 ein mittiges Loch 55, das rund oder - wie gezeichnet - etwa rechteckig sein kann, und zwei gestrichelt gezeichnete radiale Bohrungen 50 und 53, die von gegenüberliegenden Stellen des Außenrandes bis zum mittigen Loch 55 verlaufen, auf. Diese radialen Bohrungen 50 und 53 verlaufen nicht mittig im Magnetdeckel 54, sondern sind so weit nach oben versetzt, daß sie die obere Begrenzungsebene anschneiden und dort schmale Schlitze 57 und 58 entstehen. Diese Ausgestaltung ist für solche Strahlungssender und -empfänger gedacht, die auf einer kleinen Kreisplatte mit einer Fahne als Ver­ längerung aufgebaut sind. Diese Fahne kann dann durch die schmalen Schlitze ragen, so daß die schmalen Schlitze gleichzeitig für eine Verdrehsicherung von Sender und Empfänger sorgen. In Fig. 7 ist daher der Strahlungs­ sender 51 nur gestrichelt innerhalb der Bohrung 50 ge­ zeichnet und nur seine Fahne 59 ist im schmalen Schlitz 58 zu erkennen. Genauso erkennt man vom gestrichelt gezeich­ neten Strahlungsempfänger 52 nur die Fahne 56 im schmalen Schlitz 57.

In Fig. 8 ist eine fünfte Ausgestaltung des Magnet­ deckels gezeigt. Der Magnetdeckel 64 weist hier einen Schlitz 65, ein mittiges Loch 63 und eine radiale Bohrung 60 senkrecht zum Schlitz 65 auf. Die radiale Bohrung 60 ist, genauso wie bei Fig. 7 beschrieben, so weit nach oben versetzt, daß ein schmaler Schlitz 68 entsteht, in der die Fahne 69 des Strahlungssenders 61 geführt wird. Der Strahlungsempfänger 62 sitzt auf einer Platine 67, die im Schlitz 65 festgeklebt ist. Die Kontaktierung des Strahlungsempfängers 62 kann entweder auf der Rückseite der Platine 67 im hinteren Teil 66 des mittigen Loches 63 er­ folgen. Genausogut kann die Platine 67 jedoch - wie bei Fig. 6 gezeichnet - länger ausgebildet werden und die Kon­ taktierung kann im Bereich außerhalb des Magnetdeckels 64 erfolgen. Diese Ausgestaltung ist besonders günstig, wenn der Strahlungssender 61 in runder Bauform vorliegt, während der Strahlungsempfänger 62 in flacher Bauform vorliegt.

Bisher ist davon ausgegangen worden, daß der Magnetdeckel ganz aus einem Material besteht; damit der Magnetdeckel seine abschirmende Funktion erfüllt, muß dies Weicheisen oder ein ähnliches Material hoher Permeabilität sein. Es ist jedoch auch möglich, den Magnetdeckel als Sandwich- Konstruktion aus zwei verschiedenen Materialien aufzubauen. Dies ist in Fig. 9 gezeigt. Der Magnetdeckel besteht hier aus einer Scheibe 73 aus beliebigem Material und einer dünnen Hülse 74 aus Weicheisen. Die Scheibe 73 hat hier ein mittiges Loch 70, das in der oben beschriebenen Weise den Strahlungssender 71 und den Strahlungsempfänger 72 der optischen Abtastung trägt; in das Loch 70 ragt von unten die Schlitzblende 20 hinein. Das Permanentmagnetsystem 14, die Spule 13 und der Übersetzungshebel 7 können wie in Fig. 1 ausgestaltet sein. Die Scheibe 73 kann in einer der oben beschriebenen verschiedenen Ausgestaltungen ausgeführt sein, wobei je nach Ausführung die Weicheisenhülse 74 oben ganz geschlossen sein kann oder oben ein mittiges Loch aufweist.

In Fig. 10 ist nochmals der Übersetzungshebel in einer anderen Ausgestaltung gezeigt. Der Übersetzungshebel 77 ist hier am Ende gabelförmig in zwei Teile 76 und 78 aufge­ spalten. Eine Quertraverse 75 verbindet diese beiden Teile 76 und 78 und trägt auf der Unterseite die Spule 13 und auf der Oberseite die Schlitzblende 20. Die Quer­ traverse 75 kann zum Beispiel aus demselben Material wie der Übersetzungshebel 76, 77, 78 bestehen - zum Beispiel aus Aluminium oder Messing. Sie kann aber auch aus Keramik bestehen, um die in der Spule 13 erzeugte Wärme nicht so stark zum Übersetzungshebel 76, 77, 78 zu übertragen. Die Schlitzblende könnte dann zum Beispiel auch als dünne Scheibe mit Schlitz einstückig mit der Quertraverse 75 ausgeformt sein. Die Richtung der Schlitzblende - parallel zur Quertraverse 75 oder parallel zum Teil 77 des Übersetzungshebels - ist dabei beliebig. Genauso kann selbstverständlich auch in allen vorher beschriebenen Ausgestaltungen, bei denen der Übersetzungshebel 7 direkt als Träger für die Spule 13 und die Schlitzblende 20 diente, die Ebene der Schlitzblende senkrecht - wie ge­ zeichnet - oder parallel zum Übersetzungshebel 7 liegen. Der Magnetdeckel muß dann nur entsprechend jeweils um 90° gedreht werden.

In Fig. 11 ist nochmal eine gegenüber Fig. 10 abgewandelte Bauart der Quertraverse gezeigt. Diese Quertraverse 85 ist als Stanzbiegeteil mit U-förmigem Querschnitt ausgebildet. Der waagerechte Steg des U ist dabei auf beiden Seiten länger ausgebildet, so daß Laschen 83 und 84 entstehen, mit denen die Quertraverse 85 von unten an die beiden Teile 76 und 78 des Übersetzungshebels 77 (in Fig. 10) angeschraubt werden können. Der eine senkrechte Steg 87 weist über seine gesamte Länge die gleiche Höhe auf, während der andere Steg 86 in der Mitte verlängert ist, so daß eine Schlitz­ blende 80 entsteht. Diese Variante erlaubt eine sehr einfache Herstellung der Quertraverse und der Schlitz­ blende.

Claims (14)

1. Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraft­ kompensation

• - mit einem zylindrischen Permanentmagnetsystem,
• - mit einem Magnetdeckel, der zumindest teilweise aus einem Material hoher Permeabilität besteht und zur magnetischen Abschirmung des Permanentmagnetsystems dient,
• - mit einer Spule im Luftspalt des Permanentmagnet­ systems zur Erzeugung der belastungsabhängigen Gegen­ kraft,
• - mit einem optischen Lagensensor und
• - mit einem Regelverstärker zur Regelung des Stromes durch die Spule,

dadurch gekennzeichnet, daß Sender (21, 31, 41, 51, 61, 71) und Empfänger (22, 32, 42, 52, 62, 72) des optischen Lagen­ sensors innerhalb des Magnetdeckels (24, 34, 44, 54, 64, 73/ 74) untergebracht sind.

2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetdeckel (24, 34,) ein mittiges Loch (28, 33) aufweist.

3. Waage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetdeckel (34) zusätzlich einen Schlitz (35) längs eines Durchmessers oder so geringfügig seitlich ver­ setzt, daß er das mittige Loch (33) noch trifft, aufweist.

4. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetdeckel (44) einen Schlitz (45) etwa längs eines Durchmessers aufweist und daß dieser Schlitz (45) in der Mitte des Magnetdeckels (44) so weit vertieft ist, daß an dieser Stelle eine durchgehende Öffnung (43) ent­ steht.

5. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetdeckel (54) ein mittiges Loch (55) und zwei radiale Bohrungen (50, 53), die von gegenüberliegenden Stellen des Außenrandes bis zum mittigen Loch (55) verlaufen, aufweist.

6. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetdeckel (64) ein mittiges Loch (63), einen Schlitz (65) längs eines Durchmessers oder so gering­ fügig seitlich versetzt, daß er das mittige Loch (63) noch trifft, und eine radiale Bohrung (60) senkrecht zum Schlitz (65), die im mittigen Loch (63) endet, aufweist.

7. Waage nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale(n) Bohrung(en) (50, 53, 60) nicht in der Mitte des Magnetdeckels (54, 64) verläuft/verlaufen, sondern zur oberen oder unteren Begrenzungs­ ebene hin versetzt ist/sind.

8. Waage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale(n) Bohrung(en) (50, 53, 60) die obere oder untere Begrenzungsebene anschneidet/anschneiden.

9. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetdeckel (24, 34, 44, 54, 64) ganz aus einem Material hoher Permeabilität besteht.

10. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetdeckel (73) aus einem beliebigen Material besteht und auf der einen Be­ grenzungsebene eine Schicht (74) aus einem Material hoher Permeabilität trägt.

11. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger (7, 75, 85) sich etwa längs eines Durchmessers wenigstens teilweise durch das Per­ manentmagnetsystem (14) erstreckt und auf der Ober- oder Unterseite die Spule (13) und auf der gegenüberliegenden Seite die Schlitzblende (20, 80) des optischen Lagen­ sensors trägt.

12. Waage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (85) als Stanzbiegeteil mit U-förmigen Quer­ schnitt ausgebildet ist, wobei die Schlitzblende (80) des optischen Lagensensors durch die Verlängerung eines der Schenkel (86) gebildet wird.

13.Waage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (75) aus Keramik besteht.