受控和/或被调节的力测量设备的制作方法

专利名称：受控和/或被调节的力测量设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及力测量设备，尤其涉及秤，其依靠电磁力补偿原理。
背景技术：
在此测量原理下，生成也称作补偿力的反向力，该反向力反作用于由力测量设备 测量的力。此补偿的结果是，将用于接收和传送力的力测量设备的活动部分调节为维持于 设定位置。因此，在秤的情况下，称重对象的重量表示被测量的力，并且活动部分包括诸如 秤盘、杆、棒、或称重传感器(weighing cell)的元件。在许多情况下，由电磁线圈生成补偿力，电磁线圈被布置成使得其能够在磁系统 的气隙中移动，并且电磁线圈承载通过其发送的电流。称作补偿电流的此电流表示生成的 补偿力的度量，并从而表示作用于力测量设备上的力的度量。通过测量此补偿电流，获得 相应的测量信号，该测量信号被在信号处理单元中分析并被转换成传送至指示器设备的结^ o基于电磁力补偿的力测量设备具有的缺点是，补偿电流在线圈中生成的功率取决 于流动的电流的幅度并从而取决于任何给定时间作用的力的量。因此，使不同力或负载的 测量彼此遵循，生成不同水平的功率并将其以热的形式释放。作为被释放的热的变化量和作为结果而发生的温度变化的结果，零点和测量范围 的跨度变得不稳定。因此，应当尽可能地将这些影响因素保持恒定，尤其是在其测量精度的 不变性需要符合严格要求的力测量设备中。现有技术提供不同的获得恒定并独立于称重负载的线圈功率耗散的方法。使用例 如将附加电能转换为热的附加功率消耗设备是可能的。结果，构成线圈功率和功率消耗设 备的附加地耗散的功率的总和的功率总量很大程度上保持恒定。在此布置中，附加功率消 耗设备的对于力影响的行为应当尽可能为中性的，以不影响生成的补偿力。例如，在DE2819451中，公开了功率晶体管、半导体电阻器、或具有双线绕组的线 圈的形式的各种中性力(force-neutral)功率消耗设备，在具有双线绕组的线圈中，控制 两个线圈部分，使得它们的电流反平行，即幅度相等但是方向相反。在具有双线绕组和相等 反平行电流的线圈中，产生彼此相互抵消的两个力，使得结果是在其总效果上是力中性的 功率消耗设备。取决于此实施，此概念具有以下缺陷_生成非生产性功率的位置与生成生产性功率的位置几何结构上不相同。结果，力 测量设备中的温度分布仍然取决于待测量的补偿力。-非生产性功率被在位于补偿线圈内的具有反平行电流的线圈部分中释放。利用 此布置，降低了力测量设备的有效度，因为即使在最大的补偿力水平时，也只有线圈的部分 用于生成力。作为实施中性力功率消耗设备的另一方法，DE3136171中公开了增加交变电流来 补偿电流的概念。从而，得到的线圈的平均补偿力保持基本不变，并通过电流的AC分量实 现了附加功率消耗。通过交替变换电流的方向，两个绕组中的差异得到了平衡。此形式的热生成的缺点是，必需进行昂贵的测量以防止AC分量引起平均补偿电流的改变。通过使用具有被交替通电的以相反方向作用的两个分开绕组的线圈，此缺点能够 被克服。在此布置中，通过第一绕组流动的电流生成第一力，通过第二绕组流动的电流生成 第二力。作为平均，两个力将产生表示有效地作用的补偿力的合力。为了控制两个电流，CH634654中公开了开关设备，其用于指引补偿电流在第一时 间间隔期间通过第一绕组，且在随后的第二时间间隔期间通过第二绕组。其结果是两个时 间间隔的总补偿电流在大的程度上保持恒定。然而，电流的周期开关在线圈中生成强的交 变力并从而引起相当大的听得见的噪声量。如果通过滤波器元件或平滑电容器来努力减轻电流的急转的周期交变的负面影 响，线圈中的功率耗散将再次强烈取决于在特定时刻生成的补偿力，并从而取决于任何给 定时间存在的称重负载。

发明内容
因此，本发明的目的是提出一种力测量设备，其基于电磁力补偿原理并且基于如 下事实而显示出特色能够实现力测量设备的简单、具有成本效益的设计和操作，并且同 时，力测量设备符合其测量精度和效率的严格要求。本发明的另一目的是提出符合前述要求并且能够在操作时不制造烦人噪声的力 测量设备。另一目的是实现可用于绕组的空间的最优使用。这是分配给线圈系统的承载绕组 的部分的空间。其本质上由永磁体的尺寸划定界限，具体是由在其中布置线圈系统的磁体 间隙划定界限。这些任务由具有独立权利要求中所呈现的特征的力测量设备和力测量方法解决。 本发明的有利的实施例在进一步的从属权利要求中描述。本发明涉及力测量设备，具体是秤，其基于电磁力补偿原理，该力测量设备具有活 动电线圈，所述电线圈布置在磁体系统中并具有至少两个绕组，该力测量设备还具有电流 供应设备，所述电流供应设备具有至少两个分流电流源，其中，每个所述绕组分配有一个所 述分流电流源，该力测量设备还具有控制设备和/或调节设备，所述控制设备和/或调节设 备通过分流电流源控制和/或调节至绕组的电流供应，使得取决于作用于所述力测量设备 上的力，通过每个所述绕组发送电流，使得由其生成的所述至少两个电磁力的和形成所述 补偿力，并且同时，由所述线圈耗散的功率总是取给定的预定值。通过逐个和同时以此方式 向所述绕组供应电流，能够以简单且有效的方式控制线圈中热生成的速率，无需电流的方 向的周期交替。此外，利用基本直流电流形式的电流供应，听得见的噪声的问题不存在了。功率的给定的预定值需要大于每个时刻所需的产生补偿力的功率，否则，不能生 成所需的补偿力。除此限制之外，原理上能够自由选择功率的给定的预定值。例如，能够将 此值指定为取决于作用于力测量设备上的负载，使得获得最佳温度分布。然而，也能够根据 专门的预定条件来定义功率的给定的预定值，这在实施例的范例中描述。本发明还涉及用于控制力测量设备的合适的设备，具体是秤，其基于电磁力补偿 原理，该力测量设备具有活动电线圈，所述电线圈布置在磁体系统并具有至少两个绕组，所 述合适的设备使用以下方法向所述绕组供应电流取决于作用于所述力测量设备上的力，通过每个所述绕组发送电流，使得由其生成的所述电磁力在其中的向外效果上形成所述补 偿力。在此布置中，通过绕组发送所述至少两个电流，并且通过考虑线圈中生成的总功率来 控制和/或调节电流的相应强度，使得所述功率的幅度保持恒定，与得到的补偿力无关。由于线圈具有不止一个部分，获得了管理电流的附加的自由度，这提供了控制线 圈中耗散的总的功率的可能性，而与所需的补偿力无关。换句话说，彼此独立地控制和/或 调节力生成和线圈中的功率，使得它们彼此不相互影响变得可能。此概念的重要优点是其容许获得较高的总的功率水平。结果，能够显著地提高测 量范围，同时保持相同的杠杆比率。例如，能够将0至400克的测量范围扩展至0克至1千 克的测量范围。替代地，或附加地，使用较小的杠杆比率也是可能的。如果将各个绕组的线缠绕在一起(即，在两根线的情况下，以双线绕组的形式)， 本发明被证明是特别有利的。利用此绕组布置，力测量设备的元件中的功率耗散生成的温 度和所述温度的局部分布最佳地保持恒定，由此，实现了力测量设备的高水平的测量精度 和稳定性。在本发明一个有利的实施例中，所述给定的预定值恒定。根据此概念，给定的预定 值能够在力测量设备的整个负载范围上恒定，或者其也可以仅在所述负载范围的部分上恒 定。例如，可以设想，在从零负载至80%的负载量的范围内，将给定的预定值规定为恒定，而 在从80%至100%的负载量范围内，根据生成补偿力的时刻所需的任何功率来规定给定的 预定值。此至少部分独立于负载上的功率耗散的结果是，实现了高的测量稳定性。在另一有利的实施例中，所述给定的预定值表示相对于不同功率值的最小值，所 述不同功率值是对所述力测量设备的测量能力内的负载范围获得的，具体是设备有能力的 整个负载范围所获得的。这容许将线圈和环境温度之间的温度差异保持在尽可能低的水 平，因为其避免了生成过量的热。优选地，根据本发明的所述力测量设备包括电流测量设备，所述电流测量设备测 量单个补偿力电流或多个补偿力电流，使得取决于所测量的值，能够控制和/或调节通过 所述绕组的所述电流。根据另一实施例，力测量设备包括功率估计器，所述功率估计器用于确定任意给 定的时刻所需的用于生成所述补偿力的所述线圈中的功率。所述功率估计器还优选地基于 所述分流电流的和来计算和/或估计所述线圈的功率，具体是通过以下公式来进行计算P0 = RX (11+12)2，其中，R表示所述线圈的总电阻，11、12表示在彼此并联的线圈绕组(W1、W2)中的 分流电流。利用以下公式获得基于两个线圈绕组的并联布置的线圈的总电阻R:R = 1/(1/R1+1/R2)。接下来，根据瞬时功率P0推导用于控制和/或调节的给定的预定值Ptg。以此方 式，能够以简单并有效的方式确立控制。如果给定的预定值Ptg表示最大补偿力时的线圈的功率，则是尤其有利的。优选地，根据本发明的力测量设备装备有合适的控制和/或调节设备，其容许将 所述至少两个电流生成为在很大程度上连续的电流。能够由多个分离的电路元件或由集成 电路来组装此控制和/或调节设备，或者，其能够以微处理器中的程序部分的形式实现。特 别是，利用高度的集成，实现控制和/或调节设备的特别有成本效益的设计是可能的。
在另一实施例中，所述力测量设备具有用于计算控制量的控制量发生器，所述控 制量用于所述分流电流源的所述控制和/或调节，并且具体是构成为非线性函数，取决于 任意时间点所需的用于生成所述补偿力的功率Po。优选地，所述力测量设备包括功率分配器，具体是数字电位计，所述功率分配器用 于根据所述控制量来控制和/或调节所述分流电流源。这容许以标准化的元件来实现有成 本效益的设计。在另一优选实施例中，所述控制量发生器配置成使得按照以下公式来计算所述控 制量X χ= a - b-V^ + c-VpM ,其中，a、b、和c表示给定的常数，且P*表示线圈的归一化功率，P*根据线圈的满负 载功率Ptot和瞬时功率PO按照以下公式计算P* = Ptot/P0,此上下文中的瞬时功率PO是任意时间点所需的生成补偿力所需的功率的量。在另一优选实施例中，每个所述分流电流源直接连接至相应的线圈绕组，以向所 述绕组供应电流。这容许直接地并从而以尤其有效的方式控制和/或调节相应线圈绕组中 的电流。此外，有利地装配分流电流源，以根据给定的偏移电压向所述至少一个线圈绕组 供应直流电流。在本发明的有利的实施例中，力生成线圈分成多个部分，优选地两个部分，具有分 开的、并联的控制，其中线圈部分的绕组优选地具有相同数量的线匝。这意味着每个绕组能 够对补偿力起作用，并且如果绕组并联操作，分流电流的和I =Σ Ii构成生成补偿力所需 的补偿电流。利用由超过一个部分，优选地两个部分，构成的此种力生成线圈，从分流电流 源向每个部分单独供电，分流电流源为所谓的电流助推器。该布置还包括电流测量设备，其 测量将力测量设备的移动部分保持平衡所需的补偿电流。利用基于此补偿电流的功率估计 器，根据本发明借助于功率分配器通过合适地控制线圈部分，生成使力测量设备平衡所需 的补偿力，使得整个线圈的功率恒定处于最小值，与任意时间点所需的补偿力不相关。在本发明的有利的实施例中，根据控制量来同时控制和/或调节所述至少两个电 流，控制量取决于线圈的补偿电流的瞬时功率。此简化的概念展现了降低控制的复杂性并 从而建立尤其有成本效益并稳定的电路的可能性。在本发明另一有利的实施例中，最大补偿电流时线圈中生成的总功率为Ptot =Σ RiXIi2,其中，Ri表示电阻值，Ii表示彼此并联的线圈绕组的分流电流。作为补偿电流，Icp表示实际称重信号W，此电流值需要测量，并且如果需要，被转 换并估计。基于Icp的值，通过如下基本方程确定线圈功率Ρ0，PO必需被释放以如此刻所 需地生成补偿力PO = RXIcp2,其中，R表示整个线圈的欧姆等效阻抗，I表示瞬时补偿电流Icp。在本发明的尤其有利的实施例中，根据取决于总功率的至少一个非线性函数来控 制具有两个线圈部分的线圈中的电流强度
I1 = XX^IoffsetlI2= (1-x) X H0ffset2。优选地，此函数本质上由以下公式确定χ= a - b-V^ + c-VpM ,其中，a、b、和c表示常数，且P* = Ptot/P0表示最大补偿电流时线圈的满负载功 率Ptot和任意时间点所需的生成补偿力的功率PO之间的比率。利用该函数的此分布所实 现的是总的线圈功率将最佳程度地独立于称重负载。也可以设想使用具有类似特性的其它 合适地设计的函数分布，例如由简单的或较高次多项式或指数函数构成的函数分布。此计算优选地由布置在力测量设备中的控制设备和/或调节设备执行。例如，能 够借助于简单电路通过模拟处理或借助于微处理器中小数量的计算步骤通过数字处理来 执行这些操作。在本发明的尤其有利的实施例中，将偏移电流叠置于两个线圈电流的每一个上。 这些电流的目的是在线圈中生成恒定水平的功率，甚至在补偿电流小时。在此概念的优选 实施中，控制和/或调节设备具有专用于每个线圈绕组并连接至每个线圈绕组的分流电流 源，以根据给定的偏移电压向绕组供应直流电流。根据本发明的此实施例的设备总是维持使力测量设备的活动部分处于平衡状态 的能力，不管补偿电流是否在其最小值和最大值之间改变极性。在本发明的另一实施例中，控制和/或调节设备包括至少两个开关元件，所述开 关元件用于将分流电流调制成基本脉冲形状的形式，其中，在分流电流的时间分布中，能够 规定时间间隔，在该时间间隔中，分流电流同时流动。使用开关元件，以简单并具有成本效 益的方式生成附加量的热是可能的。时间分布的基础是周期处理，其特征在于周期的长度。在此处理中，通过开关元件 的同时周期开关定义周期，由此执行两个分流电流的开关。利用开关元件的此同时致动，没 有生成附加的热，使得此操作模式反映现有技术。此外，对此操作模式，定义有效的时间间 隔t*，在此间隔中，第一分流电流流过第一绕组。根据有效时间间隔t*和周期长度ts，能够 按照以下比率确定称重信号w :W = t*/tSo从而，称重信号与施加的力直接相关连。根据本发明，为了生成附加量的热，相对于有效时间间隔t*的结束一延迟来开关 第一控制信号。延迟的长度称作第一时间间隔tpl，即开关发生在时刻t*+tpl。类似地，在 周期ts的开始或结束不开关第二控制信号，而是延迟第二时间间隔tp2，即在时刻ts+tp2。 这些事件在时刻0、ts、2ts、3ts等自身周期性地重复。因此，在每个周期ts中存在第一时 间间隔tpl和第二时间间隔tp2，其间控制信号交叠。在这些时间间隔中，第一分流电流和 第二分流电流从而分别同时流过第一和第二绕组。其后果是在这些时间间隔期间，在绕组 中以中性力方式生成热。优选地，第一时间间隔tpl和第二时间间隔tp2选择为相同，使得在第一控制信号 SWIl和第二控制信号SWI2之间存在对称。此对称通过以公共延迟值tp的形式选择很大程 度上相同的两个延迟值tpl和tp2来实现。优选地，按照以下公式计算公共延迟值tp
tp=ts.(-1/2+√1/4+1/4+w(1-w),其中，ts表示周期长度，w表示称重信号。通过值W，延迟值tp从而取决于所施加 的力L。在有利的实施例中，控制和/或调节设备包括至少一个延迟元件，所述至少一个 延迟元件连接至至少一个开关元件以通过控制信号来控制所述开关元件，其中，所述控制 信号取决于与所述时间间隔对应的延迟值。这提供生成控制信号的简单方法。在本发明的另一有利的实施例中，控制和/或调节设备包括算术单元，其容许计 算取决于所施加的力的延迟值，其中，算术单元连接至所述延迟元件，以向所述延迟元件传 输所计算的延迟值。此布置提供简单方法以在调节中并入复杂的关系。在本发明的另一优选实施例中，力测量设备包括测量单元，所述测量单元连接至 所述算术单元以向所述算术单元传输取决于所施加的力的测量信号，能够根据所述测量信 号在所述算术单元中计算取决于负载的延迟值。本发明还能够用于具有两个以上线圈绕组的线圈的设计。例如，在具有三个线圈 绕组的线圈中，两个绕组能够生成一个方向的力，而其余绕组生成相反方向的力。在具有四 个线圈绕组的线圈的情况下，能够以类似方式组合力。


根据附图中以非常示意性的方法表示的实施例的描述，根据本发明的方法和根据 本发明的设备的细节将是明显的，其中图1示出秤1，其设计可以用作范例，具有象征性地表示的负载L、称重盘2和指示 器单元3;图2示例以横截面视图示出的基于电磁力补偿概念的力测量传感器10的原理，具 有布置成在磁体系统50的气隙51中移动的线圈53 ；图3示出了根据本发明的控制和/或调节设备CU、电流测量设备M、信号处理级A/ D和DSP、根据图2的示意性绘出的磁体系统50和线圈系统53的框图，线圈系统53具有两 个线圈绕组Wl和W2 ；图4示出了 a)函数X(PO)的形式的范例，即控制变量χ作为功率PO的函数，PO是 任意时间点所需的生成补偿力的功率；b)与图4a)的范例相关联的线圈电压Uai和UA2 ;c) 电流Iai和Ia2，该电流与图4a的范例相关联；以及d)线圈系统的相关联的总功率ptot ；图5表示简化的并用作范例的图3的框图的细节，具有数字电位计形式的功率分 配器PD和其下游的两个电流源PBl和PB2 ；图6表示具有开关元件Si、S2的另一实施例的高度简化的框图，开关元件Si、S2 分别由控制信号SWIl和SWI2控制，以向相关联的线圈供应脉冲形状的电流；图7以高度简化的形式表示图6中所示的控制信号SWIl和SWI2的时间曲线；图8表示图6的框图示意图的电子电路实施的范例，其中，开关元件Sl和S2配置 为由单个公共控制信号SWI控制的开关晶体管；图9以高度简化的形式表示图8中所示的控制信号SWI、SffIl和SWI2的时间曲线。
具体实施例方式图1示出了具有象征性地表示的负载L的秤1形式的力测量设备的范例。在秤 的情况下，待测量的力L典型地为待测量的称重对象的重量或称重负载，其作用在称重盘2 上。秤1的目的是获得在指示器单元3上显示的施加的力L的精确的和稳定的输出值，指 示器单元3例如是数字液晶显示器。在高度简化的横截面视图中，图2示例了力测量传感器10，其基于电磁力补偿原 理并适用于称重技术领域。力测量传感器10包括具有平行引导的联接的力传输机构，该联 接具有固定部分42和竖直可移动部分43，它们通过弯曲部45联接至一对导引构件44的端 部。竖直可移动部件43承载悬臂式延伸部41形式的称重盘，悬臂式延伸部41用于容纳待 测量的负载L (示意性地表示的)。负载L产生的力的法向分量通过耦合元件49从竖直可 移动部分43传输至杠杆46的短杠杆臂48。杠杆46由固定部分42的部分上的柔性支点 47支撑。力测量传感器还包括杯形磁体系统50，其含有气隙并以固定连接连接至固定部分 42。气隙51中布置有线圈53，其连接至杠杆46的较长杠杆臂。线圈53承载电流，所谓的 补偿电流Icp，其幅度取决于作用于杠杆46上的力。由位置测量设备54测量杠杆46的位 置，位置测量设备54连接至控制和/或调节设备60。控制和/或调节设备60基于从位置 测量设备54接收的测量信号来控制和/或调节补偿电流Icp，以使得杠杆46总保持在相同 位置或在负载发生改变之后返回到相同位置。根据此测量原理，电磁线圈产生作用于杠杆上的力，所谓的补偿力K，其与所施加 的力L反向。生成补偿力K的补偿电流Icp表示待测量的所施加的力L的度量。通过确定 此补偿电流Icp的幅度，然后进行合适的信号处理，生成称重信号w，称重信号w传输至秤的 指示器单元，在指示器单元处，称重信号w作为对应的测量值被显示。然而，称重信号w也 能够传递至另外的处理单元，例如，提前量计算机、系统控制器或远程设置的控制器单元。电磁线圈53包括一个或多个导电且绝缘的线圈线的绕组。在图2的简化的表述 中，仅示意性地示出了线圈线的一些线匝。然而，典型地，线圈53的绕组具有大量线匝，例 如数百个线匝。取决于所施加的力L的可变幅度，通过线圈53发送以相应方式变化的补偿电流 Icp0结果，在线圈53中生成取决于负载的瞬时功率P0，线圈53因此用作热源。此热源引 起受影响的元件的相应的温度改变，受影响的元件具体是线圈53和磁体系统50。通过使用 不取决于负载的功率量，本发明的目的是以最恒定和最低水平的可能保持力测量设备中的 附加温度升高和其分布。作为范例，图3示出了控制和/或调节设备CU、电流测量设备M、模拟/数字转换 器A/D和数字信号处理单元DSP形式的信号处理单元、根据图2的示意性绘出的具有线圈 53的磁体系统50的框图，线圈53具有两个线圈绕组Wl和W2。杯形磁体系统50在其气隙 中生成围绕第一线圈绕组Wl和第二线圈绕组W2的磁场B。为更清楚，磁体系统50示为其 柱形外壳被切开。线圈53的每个线圈绕组Wl和W2由单个线匝象征性地表示，但是实际上，线圈绕 组典型地具有大量线匝。第一线圈绕组Wl表示为实线，且第二线圈绕组W2表示为虚线。位置测量设备生成的测量信号Ups被发送至位置控制设备PCL，在位置控制设备PCL处对该测量信号进行评估，并且如果需要，将其处理成被传输的合适形式。位置控制设 备PCL的输出连接至功率分配器PD的第一输入端，使得位置控制设备PCL的位置调节器输 出信号Uu可用作用于功率分配器PD的第一输入变量。在此布置中，位置调节器输出信号 Uu对应于从位置测量设备作为输入接收的测量信号Ups，使得功率分配器PD接收取决于作 用于力测量设备上的力L的输入量。功率分配器PD在其输出侧连接至两个分流电流源(partial currentsource) PBl 和PB2，所谓的电流助推器，使得功率分配器PD生成的控制电压Um和Uh2能够被彼此独立 地发送至分流电流源PBl和PB2。使用第一放大因子K1，第一分流电流源PBl生成第一线圈电压Uai，其存在于第一 分流电流源PBl的输出端。第一分流电流源PBl的输出端子连接至第一绕组Wl的第一连 接器端子，且第一绕组Wl的第二连接器端子连接至地电位。第一绕组Wl的线电阻，所谓的 第一线圈电阻Rl以作为电阻器(点线)的等效电路元件的形式表示。现在，如果绕组Wl 的第一连接器端子保持在第一线圈电压Uai则第一电流Il将通过第一绕组Wl流至地电位， 第一电流由分流电流源PBl生成且其幅度取决于第一线圈电阻R1。以与第一分流电流源PBl相同的方式并且与第一分流电流源PBl不相关，第二分 流电流源PB2连接至线圈的第二绕组W2。同样，使用第二放大因子K2，由第二分流电流源 PB2生成第二线圈电压Ua2，使得第二电流12将通过第二绕组W2流至地电位，第二电流由分 流电流源PB2生成且其幅度取决于第二线圈电阻R2。如虚点线所示，能够将第一分流电流源PBl和第二分流电流源PB2组合成电流供 应设备PB。将至地电位的第一绕组Wl的连接和至地电位的第二绕组W2的连接组合成公共导 线，使得将线圈电流Il和12在电路的此部分中结合在一起，且线圈电流Il和12的和形成 流至地电位的补偿电流Icp。总和电流的幅度，即补偿电流Icp的幅度表示线圈中生成的补偿力K的度量，并从 而表示作用于力测量设备上的力L的度量。因此，由电流测量设备M测量补偿电流Icp，且 以称重信号w的形式生成对应的测量信号，称重信号被通过模拟/数字转换器转换成数字 格式。在布置在A/D转换器的下游的数字信号处理单元DSP中，称重信号w受到进一步的 处理。数字信号处理单元DSP能够包括例如放大器、低通滤波器、或规范器。在数字信号 处理单元DSP的输出端，完成的称重信号现在可用于进一步的使用，例如，被呈现在显示器 上，或传输至提前量计算机(lead computer) 0模拟/数字转换器A/D的输出端连接至功率估计器PE，使得对应于补偿电流Icp 的数字称重信号w呈现于功率估计器PE的输入端。功率估计器PE根据如下公式估计功率 P0, PO是生成补偿力的时刻线圈中所需的功率PO = RXIcp2,其中，R表示线圈53的总电阻，且Icp表示对应于称重信号w的补偿电流的幅度。 因为两个绕组Wl和W2在电路中彼此并联，所以线圈的总电阻R由以下公式得到R = 1/(1/R1 十 1/R2)，其中，Rl表示第一线圈电阻，R2表示第二线圈电阻。在电阻值Rl和R2相等的情 况下，R将等于第一线圈电阻的一半R = R1/2。
另外，功率估计器PE就归一化常数Ptot根据以下关系执行线圈中的瞬时功率PO 的归一化的功能P* = Ptot/PO,其中，P*表示线圈的归一化的功率，且Ptot表示满负载时线圈的总功率。在力测量设备的情况下，术语“零负载”定义没有力作用于力测量设备上的操作条 件，而“满负载”定义所施加的力L等于可测量的力的指定的最大值的操作条件，能够根据 以下公式计算满负载功率Ptot Ptot = RXIU2,其中，IU表示满负载时的补偿电流Icp。因此，线圈的归一化的功率P*位于零负载的无限大值和满负载的1之间。功率估计器PE的输出端连接至控制量发生器XG的输入端，使得对应于线圈的归 一化功率P*的值能够传输至控制量发生器XG。在当前情况下，控制量发生器XG根据输入量，即根据归一化功率P*按以下方程计 算控制量χ:
torn] χ= - - - Vp7 + --Vp* -ι。 2 2 2因此，控制量χ的值位于零负载的值1/2和满负载的值O之间。控制量发生器XG的输出端连接至功率分配器PD的第二输入端，以将计算的控制 量χ传输至功率分配器PD，使得后者接收控制量χ作为第二输入量。在功率分配器中，按照以下方程根据上述控制量χ和位置调节器输出信号Uu来确 定前述控制电压UHl和UH2 Um = UuXx+UoflUH2 = UuX (1-x)+Uof2。确定两个控制电压Um和Uh2之后，该两个量现在是可利用的，利用该两个量控制前 述分流电流源PBl和PB2。因此，这闭合该环路，以容许功率分配器PD以上述方式起作用。因此，此电路布置表示两个控制环路，即用于调节补偿力K的第一控制环路和用 于电流分配的第二控制环路，以使得绕组W1、W2中生成的总功率Ptot在补偿力K的不同强 度的范围上基本恒定。电路的各个元件能够被合适地相互组合，例如，作为控制和/或调节单元CU (由虚 线表示)。此外，电路的元件，具体是功率估计器PE和控制量发生器XG，能够被作为功能块 实施在集成电路中或作为程序部分实现在微处理器中。从而能够使用模拟或数字设计或任 何种类的混合配置来构建控制和/或调节设备CU。在本发明的特别有利的实施例中，第一分流电流源PBl利用具有规定的固定幅度 的附加第一偏移电压Uofl生成第一电流II。类似地，第二分流电流源PB2利用具有规定的 固定幅度的附加第二偏移电压Uof2生成第二电流。从而，流动电流Il和12分别流过绕组 Wl 禾口 W2 Il = Kl/Rl X (χ X Uu+Uofi)12 = K2/R2 X ((l_x) XUu+Uof2)其中，Uofl和Uof2表示偏移电压，方程中的其它符号与先前于此定义的相同。
优选地，按照以下方程根据满负载时的总和电流IU来确定偏移电压Uofl和 Uof2 Uofl = RlX IU/ (ΚΙ X 2)Uof2 = -R2 X IU/ (K2 X 2)，其中，IU表示现有力测量设备中满负载时发生的线圈电流。从而，作为附加偏移电压Uofl和Uof2的结果，将直流电流叠置于每个电流Il和 12上。图4a)示出了函数F(PO)的形式的范例，即控制变量χ作为功率PO的函数，PO是 线圈中任意时间点所需的生成补偿力的功率。在曲线图中，控制量X表示为纵坐标，在给定 时间点所需的生成补偿力的功率PO表示为横坐标。函数F(PO)的分布对应于前述方程χ= - - --Vp7 + - VpM ,
2 2 2且P* = Ptot/P0其中，P*表示归一化的线圈功率，满载功率Ptot表示归一化常数，且PO表示任意 时间点所需的功率。在零负载时，即PO = O时，控制量χ取其最大值χ= 1/2。在满负载时(PO = Ptot), 控制量X取最小值X = O。函数F(PO)的分布是非线性的。图4b)示出了两个线圈电压UAl和UA2的分布，该两个线圈电压对应于图4a)的控 制量X，且分别由分流电流源PBl和PB2生成。在此图示中，线圈电压UA表示为纵轴，任意 时间点所需的生成补偿力的功率PO表示为横坐标。第一线圈电压Uai的分布由实线表示， 第二线圈电压Ua2的分布由断线表示。图4c)示出了两个电流Il和12，该两个电流作为图4b)中所示的电压UAl和UA2 的结果流动并分别施加至第一绕组Wl和第二绕组W2。在曲线图中，沿纵坐标测量电流I， 且沿横坐标测量任意时间点所需的生成补偿力的功率P0。第一电流Il的曲线图绘示为实 线，且第二电流12的分布绘示为断线。另外，补偿电流Icp的分布，即两个电流Il和12的 和由点线表示。最后，图4d)表示线圈53中生成的总功率Ptot的分布，Ptot是沿纵坐标测量的， 任意时间点所需的生成补偿力的功率PO是沿横坐标测量的。功率Ptot在整个范围上恒定 并从而与所施加的负载不相关。图5示出了简化的和用作范例的图3的框图的细节，具有数字电位计形式的功率 分配器PD和其下游的两个分流电流源PBl和PB2。两个分流电流源PBl和PB2以相同方式配置。每个分流电流源包括具有反馈环路 的两个运算放大器的常规串联布置。第一分流电流源PBl连接至负电流源Vneg，第二分流 电流源PB2连接至正电流源Vpos。通过选择电阻值Rx、Ry和Rzl、Rz2，能够按照以下关系 确立放大因子Kl和K2以及偏移电压Uofl和Uof2 Kl =Ry/7Rx
K2 =Ry/7Rx
Uofl=--Rzl/'(Rzl+Rx) XVneg
Uof2=--Rz2/'(Rz2+Rx) XVpos
两个线圈电压UAl和UA2分别呈现于分流电流源PBl和PB2的输出端，被传递至 相应的绕组Wl和W2。两个分流电流源的输入端连接至数字电位计的输出端。数字电位计，用作电压分 配器，生成位于位置调节器输出信号Uu和地电位之间的输出信号。在功率分配器中，按照以下方程根据控制量χ和前述位置调节器信号Uu来确定上 述两个控制电压Uhi和Uh2 Um = UuXx+UoflUH2 = UuX (1-x)+Uof2。图6表示具有开关元件Si、S2的另一实施例的高度简化的框图，开关元件Si、S2 分别由控制信号SWIl和SWI2控制和/或调节，以向关联的线圈供应脉冲形状的电流。第一线圈和第二线圈由其相应的电阻值表示，即第一线圈电阻Rl和第二线圈电 阻R2。具有电阻Rl的第一绕组在一侧连接至正电源电压Vpos，且在另一侧连接至第一开关 元件Sl的第一连接器端子。第一开关元件Sl的第二连接器端子通过第一分流电流源PBl 连接至负电源电压Vneg。第一开关元件Sl配置为具有三个连接器端子的双向开关，其中， 第三连接器端子连接至公共电路电位。结果，能够在具有电阻Rl的第一绕组和公共电路电 位之间开关与第一分流电流源PBl的连接。在第一开关位置，具有电阻Rl的第一绕组连接 至第一分流电流源PB1，使得第一分流电流Il流过具有电阻Rl的第一绕组。用于具有线圈电阻R2的第二绕组的电路布置类似于具有线圈电阻Rl的第一绕 组。从而，能够在由R2表示的第二绕组和公共电路电位之间开关与第二分流电流源PB2的 连接。在此情况下，当开关S2在其第二位置时，具有电阻R2的第二绕组连接至第二分流电 流源PB2，使得第二分流电流12流过具有电阻值R2的第二绕组。如在前述范例中，两个线圈连接在电路中，使得对于以相同方向流动的分流电流 II、12，生成的力的方向相反(线圈终端的配置的极性由黑点表示)。此外，朝向开关元件 S1和S2的两个线圈的终端通过电容器C彼此连接。使用进入模拟/数字转换器A/D的控制电压Uctl逐个控制开关元件Sl和S2。模 拟/数字转换器生成第一脉宽调制信号PWM和第二脉宽调制信号PWM*。模拟/数字转换器A/D的第一输出端一方面连接至第一门Gl的第一输入端，并且 另一方面连接至第一延迟元件Dl的第一输入端，使得第一门Gl和第一延迟元件Dl接收第 一脉宽调制信号PWM。表示第一延迟值tpl的信号进入第一延迟元件Dl的第二输入端，以 控制第一延迟元件Dl的时间延迟。第一延迟元件Dl的输出端连接至第一门Gl的第二输 入端。第一门Gl的输出端现在传递用于控制第一开关元件Sl的第一控制信号SWI1。类似于第一输出端，模拟/数字转换器的第二输出端通过第二延迟元件D2和第二 门G2连接至第二开关元件S2，以根据第二脉宽调制信号PWM*生成具有第二延迟值tp2第 二控制信号SWI2，用于控制第二开关元件S2。合适地选择第一延迟值tpl和第二延迟值tp2，能够与第二控制信号SWI2的时间 分布相关地改变第一控制信号SWIl的时间分布。图7中以高度简化的形式示出了控制信 号SffIl和SffI 2的时间分布。时间分布的基础是特征在于周期ts的长度的周期过程。在此过程中，由开关元件 Sl和S2的周期开关定义周期，并从而在开关元件Sl和S2同时致动的情况下由两个分流电
14流之间的周期开关定义周期。利用开关元件Sl和S2的同时致动，不生成附加的热，使得操 作模式反映现有技术的状态。此外，对于此操作模式，在第一分流电流Il流过具有线圈电 阻Rl的第一绕组期间定义有效时间间隔t*。能够按照如下比率根据有效时间间隔t*和周 期长度ts来确定称重信号w W = t*/tSo从而，称重信号w与施加的力直接相关联。在此有效时间间隔t*期间，除通过电容器C的电荷平衡电流外，中断第二分流电 流12的流动。在有效时间间隔t*结束时，在此操作模式下同时致动两个开关元件Sl和S2， 使得在其余时间间隔ts-t*期间，第二分流电流12流过具有线圈电阻R2的第二线圈。最 终，在周期ts结束时，两个开关元件Sl和S2开关回它们原来的位置并从而开始新的周期。根据本发明，为了生成附加热量，相对于有效时间间隔t*的结束一延迟来开关第 一控制信号SWI1。延迟的长度由第一时间间隔tpl表示，即开关发生在时刻t*+tpl。类似 地，在周期ts的开始或结束不开关第二控制信号SWI2，而是延迟第二时间间隔tp2，即在时 刻ts+tp2。这些事件在时刻0、ts、2ts、3ts等自身周期地重复。因此，在每个周期ts中存 在第一时间间隔tpl和第二时间间隔tp2，其间控制信号交叠。在这些时间间隔中，第一分 流电流Il和第二分流电流12从而同时流过分别具有电阻值Rl和R2的第一和第二绕组。 其后果是在这些时间间隔期间，在绕组中以中性力方式生成热。优选地，第一时间间隔tpl和第二时间间隔tp2选择为相同，使得在第一控制信号 SWIl和第二控制信号SWI2之间存在对称。此对称通过以公共延迟值tp的形式选择很大程 度上相同的两个延迟值tpl和tp2来实现。优选地，按照以下公式计算公共延迟值tp
(ι [ -)tn = t, ■——+ J- + w(l-w),
P 3 { 2 \4其中，ts表示周期长度，w表示称重信号。通过值W，延迟值tp从而取决于所施加 的力L。图8表示图6的框图示意图的电子电路实施的范例，其中，开关元件Sl和S2配置 为与逻辑门关联的开关晶体管。在此布置中，第一开关元件Si由一对开关晶体管和一对 门形成，该一对开关晶体管布置成使得它们在它们相应的断开和闭合状态中同时改变，但 是方向相反，该一对门指定给开关晶体管并布置成彼此互补，使得能够根据第一控制信号 SWIl在第一绕组(由其线圈电阻Rl象征)和公共电路电位之间开关第一分流电流源PBl 的连接。第二开关元件S2以与第一开关元件Sl相同的方式配置，使得能够根据第二控制 信号SWI2在第二绕组(由其线圈电阻R2象征)和公共电路电位之间开关第二分流电流源 PB2的连接。根据延迟元件D和两个逻辑门OR和NAND的公共控制信号SWI中值生成第一控制 信号SWl和第二控制信号SW2。控制信号SWI在此情况下能够描述为控制信号本身会在两 个分流电流Il和12之间引起同时开关。现在，根据本发明，将此控制信号SWI发送至门 NAND的第一输入端和延迟元件D的输入端以及门OR的第二输入端。延迟元件D的输出端 连接至门NAND的第二输入端和门OR的第一输入端，使得由延迟间隔tp迟滞的公共控制信 号SWI用于控制门OR和NAND。门OR的输出信号表示第一控制信号SWI1，门NAND的输出信
15号表示第二控制信号SWI2。两个控制信号SWIl和SWI2现在用于控制开关元件Sl和S2， 更具体地，该对互补门，如上所述。 图9以高度简化的形式表示根据图8的控制信号SWI、SffIl和SWI2的时间分布。 根据控制信号SWI，由门OR生成第一控制信号SWI1，由门NAND生成第二控制信号SWI2。在 此布置中，第一控制信号SWIl的下降沿(descending flank)相对于控制信号SWI延迟了 时间间隔tp。类似地，第二控制信号SWI2的下降沿相对于控制信号SWI也延迟了时间间隔 tp。从而，导致的状况类似于图7中第一延迟值tpl和第二延迟值tp2选择为相等并从而 对应于公共延迟值tp的情况。结果，能够按照上述方程确定公共延迟值tp。
0168]参考符号列表0169]1力测量设备0170]2称重盘0171]3指示器单元0172]10力测量传感器0173]41悬臂延伸部0174]42固定部分0175]43竖直活动部分0176]44导引构件0177]45,47弯曲部、弯曲支点0178]46杠杆0179]48杠杆臂0180]49耦合元件0181]50磁体系统0182]51气隙0183]53线圈0184]54位置传感器0185]60控制和/或调节设备0186]L施加的力，负载0187]K1、K2放大因子0188]A/D模拟/数字转换器0189]B磁体系统的磁场0190]C电容器0191]CU控制和/或调节设备0192]D、D1、D2延迟元件0193]DSP数字信号处理单元0194]PD功率分配器0195]G1、G2逻辑门0196]NAND、OR逻辑门0197]I总电流0198]Icp补偿电流
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Iu满负载时的线圈电流11,12分流电流，电流K补偿力M电流测量设备PCL位置调节器PO任意时间点所需的生成补偿力的功率量Ptot满负载时线圈的总功率，满负载功率Ptg给定的预定功率值P*线圈的归一化功率R线圈的总电阻R1、R2线圈电阻Rx、Ry、Rzl、Rz2 电阻值Uctl控制电压Uofl、Uof 2 偏移电压Ups测量信号Uu位置调节器输出信号Um、Uh2控制电压Uai、Ua2 线圈电压PE功率估计器PB电流供应设备PBU PB2电流助推器，分流电流源S1、S2开关元件SffI, SffIU Sff12 控制信号Vpos/Vneg正/负电源电压W称重信号WU W2绕组，线圈部分χ控制量XG控制量发生器ts周期长度t*有效时间间隔tp、tpl、tp2 延迟值
权利要求
一种力测量设备(1)，具体是秤，该力测量设备基于电磁力补偿原理，该力测量设备具有电线圈(53)，所述电线圈布置成在磁体系统(50)中是活动的并具有至少两个绕组(W1、W2)，该力测量设备还具有电流供应设备(PB)，所述电流供应设备具有至少两个分流电流源(PB1、PB2)，其中，所述绕组(W1、W2)中的每一个分配有一个所述分流电流源(PB1、PB2)，该力测量设备还具有控制设备和/或调节设备(CU)，所述控制设备和/或调节设备通过所述分流电流源(PB1、PB2)控制和/或调节所述绕组的电流供应，使得取决于作用于所述力测量设备上的力(L)，通过所述绕组(W1、W2)发送电流(I1、I2)，使得由此生成的所述至少两个电磁力的和形成所述补偿力，并且同时，由所述线圈耗散的功率总是取给定的预定值(Ptg)。
2.如权利要求1所述的力测量设备，其特征在于，所述给定的预定值(Ptg)恒定。
3.如权利要求1或2所述的力测量设备，其特征在于，所述给定的预定值(Ptg)表示相 对于不同功率值的最小值，所述不同功率值是对所述力测量设备的测量能力内的负载范围 获得的，具体是对总范围所获得的，在所述总范围内，所述力测量设备能够测量所施加的力 (L)。
4.如权利要求1至3的一项所述的力测量设备，其特征在于，所述力测量设备包括电流 测量设备(M)，所述电流测量设备测量单个力补偿电流或多个力补偿电流，使得取决于所测 量的值，能够控制和/或调节流过所述绕组(W1、W2)的所述电流(11、12)。
5.如权利要求1至4的一项所述的力测量设备，其特征在于，所述力测量设备包括功率 估计器(PE)，所述功率估计器用于确定任意时间点所需的用于生成所述补偿力的所述线圈 的瞬时功率(PO)，并基于所述瞬时功率将功率控制和/或调节至给定的预定值(Ptg)。
6.如权利要求5所述的力测量设备，其特征在于，所述功率估计器(PE)配置为基于所 述电流Il和12的和来计算所述线圈的所述瞬时功率，具体是通过以下方程来进行计算PO = RX (I1+I2)2，其中，R表示所述线圈的总电阻，II、12表示分别在彼此并联的所述绕组Wl和W2中流 动的分流电流。
7.如权利要求1至6的一项所述的力测量设备，其特征在于，所述力测量设备包括用于 计算控制量(χ)的控制量发生器(XG)，所述控制量用于所述分流电流源(PB1、PB2)的所述 控制和/或调节，并且所述控制量具体是非线性函数F(PO)，其取决于任意时间点所需的用 于生成所述补偿力的功率(PO)的量。
8.如权利要求7所述的力测量设备，其特征在于，所述力测量设备包括功率分配器 (PD)，具体是数字电位计，所述功率分配器用于根据所述控制量(χ)来控制和/或调节所述 分流电流源(PB1、PB2)。
9.如权利要求8所述的力测量设备，其特征在于，所述控制量发生器(XG)配置成使得 按照以下方程来计算所述控制量(χ)χ= a - b ■ Vp7 + c ■ VpM，其中，a、b、和c表示给定的常数，且P*表示生成任意时间点所需的补偿力所需的所述 线圈的所述瞬时功率值PO的归一化值，P*按照以下方程计算P* = Ptot/P0。
10.如权利要求1至9的一项所述的力测量设备，其特征在于，所述分流电流源PBl和 PB2直接分别连接至所述绕组Wl和W2，以向所述绕组供应所述电流Il和12。
11.如权利要求1至10的一项所述的力测量设备，其特征在于，所述分流电流源(PB1、 PB2)设计为根据预定的给定偏移电压(Uofl、Uof2)向所述至少一个绕组(W1、W2)传送直 流电流。
12.如权利要求1至10的一项所述的力测量设备，其特征在于，所述控制和/或调节设 备(CU)包括用于将所述分流电流(II和12)分成基本脉冲形状的形式的至少两个开关元 件(Si和S2)，其中，能够在所述分流电流(II和12)的时间分布中规定时间间隔，在所述间 隔期间，所述分流电流(II和12)同时流动。
13.如权利要求12所述的力测量设备，其特征在于，所述控制和/或调节设备(CU)包 括至少一个延迟元件(D、DU D2)，所述至少一个延迟元件连接至至少一个开关元件(Si、 S2)以通过控制信号(SWI1、SWI2)来控制所述开关元件(Si、S2)，其中，所述控制信号 (SffIU Sff12)取决于与所述时间间隔对应的延迟值(tp、tpl、tp2)。
14.如权利要求13所述的力测量设备，其特征在于，所述控制和/或调节设备(CU)包 括算术单元，用于计算取决于所施加的力(L)的所述延迟值(tp、tpl、tp2)，其中，所述算术 单元连接至所述延迟元件(D、D1、D2)，以向所述延迟元件(D、D1、D2)传输所计算的延迟值(tp、tpl、tp2) ο
15.如权利要求14所述的力测量设备，其特征在于，所述力测量设备包括测量单元，所 述测量单元连接至所述算术单元以向所述算术单元传输取决于所施加的力(L)的测量信 号，使得能够在所述算术单元中计算所述取决于负载的延迟值(tp、tpl、tp2)。全文摘要
本发明涉及一种力测量设备(1)，具体是秤，其基于电磁力补偿原理，该力测量设备具有电线圈(53)，所述电线圈布置成在磁体系统(50)中是活动的并具有至少两个绕组(W1、W2)，该力测量设备还具有电流供应设备(PB)，所述电流供应设备具有至少两个分流电流源(PB1、PB2)，其中，所述绕组(W1、W2)中的每一个分配有一个所述分流电流源(PB1、PB2)，该力测量设备还具有控制和/或调节设备(CU)，所述控制和/或调节设备通过分流电流源(PB1、PB2)控制和/或调节所述绕组的电流供应，使得取决于作用于所述力测量设备上的力(L)，通过所述绕组(W1、W2)的每一个发送电流(I1、I2)，使得由电流生成的所述至少两个电磁力的和形成所述补偿力，并且同时，由所述线圈耗散的功率总是取给定的预定值(Ptg)。
文档编号G01G7/04GK101893471SQ20101018539
公开日2010年11月24日 申请日期2010年5月19日 优先权日2009年5月20日
发明者S·巴尔蒂斯伯格, T·克佩尔 申请人:梅特勒-托利多公开股份有限公司