具有主动热流控制的天平的制作方法

本发明涉及一种经常用于研究、生产和测试实验室中的分析天平。

背景技术：

根据显示的称量结果(单元为克)的小数位的个数，分析天平领域可被划分成：

具有四个小数位的宏观分析天平(d＝0.0001g)，

具有五个小数位的半微量分析天平(d＝0.00001g)，

具有六个小数位的微量分析天平(d＝0.000001g)，以及

具有七个小数位的超微量分析天平(d＝0.0000001g)，

其中，d表示重量显示装置的数字递增量。

在一种典型构造中，分析天平自身呈现为位于工作台上供操作的一单元，其具有位于封闭的透明称量室内的称量盘、显示面板和位于前方、即面向操作人员的控制元件，并且还具有与称量室的后侧相邻并容纳天平的机械、电气和电子操作部件的壳体封围件。

在具有五个或五个以上小数位的天平中，尤其在微量天平和超微量天平中，称量室内的空气温度是一个关键因素。如果称量室内的温度不同于环境大气的温度，那么打开称量室门会由于内外之间的温度梯度而产生较强的空气流。由于从扰动至稳定需要花费可观的时间，因此称量过程由于显示稳定的结果之前的较长的过渡期而变慢，并且再现性也受到负面影响。在称量室的门被关闭之后，从环境大气进入称量室的空气会由于天平的电气元件和电子元件的功率损耗而升温。由于温度的升高，空气密度(并且由此对被称量的物体的空气浮力效应)将随时间发生变化，以使得指示的称量结果会在几分钟内发生迁移(即缓慢改变)。

此外，随着对天平中的功率消耗特征、比如图形用户界面、网络连接以及对外围设备的连接性的需求的增加，天平的电气元件和电子元件的功率损耗所导致的问题也增加。

根据由本申请的受让人所制造的微量和超微量天平中所使用的现有技术的解决方案，通过将天平的对温度敏感的部件与功率损耗部件集成在彼此通过线缆和/或插头连接器连接在一起的不同的模块化单元中，而将天平的对温度敏感的部件与功率损耗部件分开。第一单元即称量模块包括具有称量盘的称量室、和容纳称重传感器和仅仅最低要求的电子构件的第一封围件，所述第一封围件与称量室的后壁直接邻接并形成称量室的后壁。第二单元即电子模块，容置在第二封围件中并且大体包括模拟、数字电子器件以及关联的电源电路以支持称量模块。第三单元即显示模块或用户界面模块，占据第三封围件并包括触屏显示器，所述触屏显示器具有关联的电子器件和电源电路。这种模块化系统提供了对由温度诱发的影响称量操作的速度和准确性的空气流这一问题的一种满意的解决方案。然而，这种模块化系统本身比构造成单一单元的天平更昂贵且占据更多的空间。

根据本申请的受让人研发的并在ep1396711b1中公开的另一技术方案，构造成单一单元并具有称量室和容纳天平的称重传感器和电子器件的直接邻接的封围件的天平，包括热电式热泵模块、例如peltier(珀尔帖)元件，所述热电式热泵模块于称量室之外的位置处布置在天平上。热电式热泵模块的冷却侧热连接至位于称量室与称重传感器室之间的导热竖直分隔壁的底部。由此，通过合适地选取热电式热泵模块的出厂设置功率水平，可以将称量室的内部保持在接近环境的温度水平处，同时还形成了温度从后壁的底部向顶部升高的温度梯度。这具有下述效果：称量室内的空气温度也由下向上地升高，这促进了称量室内空气的稳定的热分层或层化。由于没有据此形成对称量盘作用的空气对流气流，由此指示的称量结果保持稳定。这种方案虽然解决了称量室内的空气流的问题，但是却没有充分解决与称重传感器共用同一封围件的电子器件和电源对称重传感器的热影响。

在文献de102009055622a1所描述的单一单元构造的另一分析天平中，具有称量盘的称量室置于容纳称重传感器和电子器件的封围起来的基座的顶部上。形成称量室的底板的第一导热板连接至热电式热泵模块的冷却侧，而热电式热泵模块的加热侧通过热管连接至形成称量室的顶棚的第二导热板。建议的是，借助于反馈控制电路来调节热电式热泵模块的功率，其中，所述反馈控制电路具有分别靠近称量室的内部的顶部和底部布置的第一温度传感器和第二温度传感器，并且，第一温度传感器和第二温度传感器的信号的平均值被用作反馈量。在另一改进实施例，第三温度传感器安装在称量室之外，即暴露于环境大气，并且根据第一度传感器和第二温度传感器的前述平均信号并附加地根据第三温度传感器的信号来调节热电式热泵模块的功率。

在用于防止由电子器件产生的热在分析天平的称量室中引起空气对流气流的现有技术方案的前述示例中，人员将意识到下述发展进程，从

a)整体被动的技术方案，其中，该方案依靠将天平的功率损耗部件容置在空间上分开的多个模块化单元中，至

b)主动开式回路的技术方案，其中，该方案使用无反馈控制而运行的热电式热泵模块，至

c)主动闭式回路的技术方案，其中，该方案利用这样的热电式热泵模块：该热电式热泵模块的功率基于由温度传感器测得的一个或多个实际温度通过反馈控制来调节。

如上所述，将天平的功率损耗部件容置在空间上分开的多个模块化单元中的被动式解决方案被证实在防止电子器件所散发的热影响称量操作的速度和准确性上是令人满意的，但是与单一单元的构造相比，这种模块化系统的较高成本以及由分开的模块化单元占用的较大的工作表面面积被视作是缺点。因此，申请人旨在这样的解决方案：使模块化系统的称量模块和电子模块基本上组成单一单元的分析天平，该单一单元的分析天平包括具有称量盘的称量室、称重传感器、以及天平的所有的模拟、数字电子器件及关联的电源电路。

作为第一种解决方式，下述方案被研究：在该方案中，前述分开的称量模块(称量室和称重传感器)和电子模块(模拟和数字电子器件以及关联的电源电路)以在它们之间布置有被动绝热屏障的方式组装成一个本体。基于在称量模块和电子模块内分别测得的相应的运行温度之间的差，可以计算得出聚氨酯绝热屏障需要厚度为80mm，以将从电子模块向称量模块的热流减小至允许的0.05瓦。这已经将产品的尺寸增加至被认为不可接受的程度。

由此，通过被动绝热屏障来减小热流这种想法已经被放弃，而通过呈至少一个热电式热泵模块(具体是peltier模块)的形式的、借助来自热流测量布置结构的闭路反馈而控制的主动补偿设备来调节热流的构思得到了支持。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于提供一种天平，具体是一种分辨率为10^-5至10^-7克的分析天平，该天平具有主动反馈调节式控制设备，用以防止由天平的电子器件和电源电路所产生的热进入称重传感器和称量室。

特别需要注意的是，从一开始，本发明着力于下述解决方式：基于热流的反馈信号被用来控制单一单元的分析天平中由发热的电子器件和热电式热泵模块所引起的热流，这与现有技术中利用基于温度的反馈信号来控制温度的思想(如文献de102009055622a1中所建议的)相反。

根据本发明，上述目标是通过具有权利要求1的特征的天平来实现。本发明的另外的改进的实施例和细节将在从属权利要求中提出。

根据本发明的天平构造为具有封围在称量室中的称量盘并具有与称量室相邻的天平壳体的单一单元，其中，所述天平壳体容纳用于容纳称重传感器的称重传感器室、用于容纳电气元件和电子电路元件的电子器件室、热电式热泵模块、以及热流控制器。根据本发明，天平包括一设备，该设备用来确定天平壳体内沿着从称重传感器室向电子器件室的方向的、作为热流控制器的控制输入信号的净热流pnet。进一步而言，根据本发明，热电式热泵模块布置在天平壳体内并被热流控制器基于所述控制输入信号调节，以产生具有下述大小和方向的主动热流pa：该主动热流pa能使净热流pnet的水平保持为基本上等于称重传感器室内的散热速率。

由此，称重传感器室中的元件所发散的热必须被知晓并充分恒定，或者该散热的大小需要被计算或测量并作为附加的输入发送给热流控制器。

在本发明的优选实施例中，热电式热泵模块是具有第一侧或冷侧以及第二侧或热侧的peltier模块。当peltier模块作为热泵运行时，热流控制器发送经过peltier模块的电流，从而使peltier模块从第一侧移走热并在第二侧上产生热，由此形成由第一侧向第二侧的主动热流pa。作为一种优选的内部布置，天平壳体沿着从称重传感器室向电子器件室的方向依次容纳第一内壁、间隙空间、以及第二内壁，其中，peltier模块以它的第一侧热连接至第一内壁并以它的第二侧热连接至第二内壁而布置在间隙空间内，其中，peltier模块周围的剩余间隙空间填充以绝热材料，并且，天平壳体内沿着从称重传感器室向电子器件室的方向的净热流pnet等于主动热流pa减去沿着与主动热流pa相反的方向穿过绝热材料的被动热流pi后所得到的差，即pnet＝pa-pi。

在本发明的一优选实施例，peltier模块除了用作热泵外，还可以用作用来确定净热流pnet的设备。在该实施例中，peltier模块能够交替地在热泵模式与热电式发电器模式之间切换。在热电式发电器模式中，如果peltier模块的第一侧与第二侧之间存在温度差δti，那么peltier模块可以向热流控制器发送与温度差δti对应的电信号。基于在peltier模块以发生器模式工作时接收到的代表δti的电信号，热流控制器计算净热流pnet，也将在图3的描述中更具体地解释。在peltier模块切换回热泵模式之后，热流控制器如上所述那样基于pnet的计算值调节供应给peltier模块的功率，以产生具有所需大小的主动热流pa。

在另一类似的、peltier模块仅作为热泵运行的优选实施例中，天平壳体在称重传感器室与第一内壁之间还容纳有与称重传感器室邻接的第三内壁、以及由具有热阻(rth)的绝热材料制成的边界层，该边界层布置在第三内壁与第一内壁之间。所述用来确定净热流pnet的设备包括一对温度传感器，这对温度传感器分别布置在第三内壁处和第一内壁处。基于由这对温度传感器所生成的至少一个温度信号，热流控制器计算穿过边界层的热流pnet。

根据本发明的一优选施例，上述温度传感器对包括用于测量第三内壁的第一温度t1的第一温度传感器和用于测量第一内壁的第二温度t2的第二温度传感器。基于由第一温度传感器和第二温度传感器分别发送的温度信号t1、t2，热流控制器根据下述公式计算穿过边界层的热流pnet：

在一替代且同样优选的实施例中，所述温度传感器对包括一对反向串联(anti-serially)连接的热电偶，这对热电偶的节点分别布置在第三内壁上和第一内壁上。上述热电偶对可以直接测量第三内壁的第一温度与第一内壁的第二温度t2之间的温度差δt＝t1-t2，并将温度差信号δt发送给热流控制器，并且，基于该温度差信号δt，热流控制器根据下述公式计算穿过边界层的热流pnet：

在理论上，任何类型的市售热流传感器可以被用来测量穿过边界层的热流，而不局限于任何特定的技术。例如，第二peltier模块可以用作热流传感器，在这种情况下，所述第二peltier模块可以运行为其输出信号可以用作热流信号的热电式发电器。

在又一优选实施例中，电子器件室被划分成容纳对温度敏感的、主要为模拟电子电路的称量电子器件腔、以及容纳对温度更加不敏感的、主要为数字电路和其它功率损耗元件的数字电子器件腔。与上文描述的第一个实施例相比，天平壳体从称重传感器室向电子器件室彼此相邻地依次容纳下述附加元件：与称重传感器室邻接的第三内壁、由具有热阻rth的绝热材料制成的边界层、第四内壁、以及位于第四内壁与第一内壁之间的称量电子器件腔。用来确定净热流pnet的设备包括一对温度传感器，这一对温度传感器分别布置在第三内壁上和第四内壁上。基于从这一对温度传感器向热流控制器发送的至少一个温度信号，热流控制器计算穿过边界层的热流，类似于上述实施例。

在前述实施例的布置结构中，封围在称量电子器件腔中的电路元件包括例如a/d转换器和它的基准电压，这些电路元件对温度敏感但产生的热量相对较小。配属给数字电子器件腔的电路元件对特定的运行范围内的温度变化不敏感，但是它们的散热可能具有波动并且其散热大小的数量级大于称量电子器件的散热的数量级。通过前述实施例，可以使对温度敏感的称量电子器件与数字电子器件的温度波动隔开。

进一步而言，在前述实施例中，除了需要移走称重传感器室内产生的热之外，热电式热泵模块还需要额外移走称量电子器件腔内产生的热。因此，热电式热泵模块的冷却功率需要相应地增大。

在根据本发明的天平的另一改进实施例中，散发额外的热的附加电子元件、比如显示面板或倾斜计(电子倾斜感应装置)可以集成在或附接至称重传感器室。这些附加电子元件的散热速率可以是可变的或间歇的，并且所述散热速率的大小需要被计算或测量并作为附加输入发送给热流控制器，以根据需要调节净热流pnet，从而可以移走由于附加电子元件而增加的热量。

在本发明的所有实施例中，下述设计是有利的：天平壳体具有外壁部，所述外壁部具有暴露于天平的环境大气的冷却翅片。特别有利的是，冷却翅片布置在用于围住电子器件室的外壁的部分上。

附图说明

将在下文中通过附图中示意性示出的实施例来说明根据本发明的天平，其中，

图1：示出根据现有技术的模块化天平；

图2：示出根据本发明的天平的前视图；

图3：示出本发明的第一实施例，具有称重传感器室与电子器件室之间的主动热流控制；

图4：示出本发明的第二实施例，具有称重传感器室与电子器件室之间的主动热流控制；

图4a：示出图4的实施例的替代热传感器布置结构；以及

图5：示出本发明的第三实施例，其中，天平壳体的内部被划分成称重传感器室、称量电子器件腔和数字电子器件腔。

具体实施方式

图1示出于由本申请的受让人所制造的属于现有技术的天平1。该天平1的对温度敏感的部件、即称量室5和相邻的称重传感器室4一起组合成称量模块2。产生大部分功率损耗的模拟和数字电子器件以及电气部件一起组合成独立的模块化单元3(通常称之为称量终端)，所述模块化单元3在此包括触屏显示器6和电子模块7。如上所述，现有技术中的天平1的模块化布局提供了一种解决分析天平中由功率损耗的电子和电气部件导致的热问题的满意的解决方案，但是模块化结构本身比构造成单一单元的天平更昂贵且更占用空间。

因此，本申请本身所要完成的任务在于将现有技术的天平1的称量模块2和电子模块7组合成如图2中的天平10所代表的单一单元，其中，图2示出了根据本发明的天平10的如它自身向用户所呈现的透视性前视图，所述天平10具有圆柱形称量室12和位于前方的门把手13、与圆柱形称量室12相邻的带有冷却翅片15的天平壳体14、高度可调的脚架16、以及位于后方的电源—和连接插口17。在现有技术的天平1中配属给称重传感器室5和电子模块7的部件现在封围在天平壳体14中。可选的附属性的重量显示装置18以直接位于称量室12上方的方式安装在天平壳体上。天平10的主用户界面(类似于现有技术的天平1的触屏显示器6)仍然构造成独立的模块(图2中未示出)。将主用户界面保留为独立的模块的原因是为了保护天平10免受由操作者的手按压触屏或其它输入设备(在天平10中一体集成有其它输入设备的情况下)上的键时引起的热干扰和机械干扰。

图3示出了根据本发明的天平20的第一实施例，该天平20具有图2的天平10的单一单元式构造并且具有封围在称量室22中的称量盘21和与称量室22相邻的天平壳体23，其中，天平壳体23围出容纳称重传感器(图中未示出)的称重传感器室24、容纳电气元件和电子电路元件(未示出)的电子器件室25、热电式热泵模块27(通常为peltier模块27)、以及热流控制器28。peltier模块27夹置在第一内壁33与第二内壁35之间，并且，包围peltier模块27的间隙空间34填充有绝热材料37。内壁33和35由导热材料制成，以使得第一内壁33具有基本上均匀的第一温度，并且第二内壁35具有基本上均匀的第二温度。

图3进一步示出了天平20中热源和热流。如上所述，分析天平的称重传感器对温度非常敏感，由此，称重传感器室24中产生的热保持为极小，通常为0.1w(如在图中以图框标示出的)的数量级。相反，根据本发明的天平中的电子器件室中产生的热通常为3w的数量级。由于电子器件室25中存在较大的散热并由此具有较高的温度，因此会形成从内壁35穿过绝热材料37向着内壁33的被动热流pi。在另一方面，peltier模块27从内壁33移走热并在内壁35这一侧上产生热，从而形成沿着被动热流pi的相反方向的主动热流pa。差pa-pi＝pnet代表沿着从称重传感器室24向电子器件室25的方向的净热流。最后，箭头po代表借助冷却翅片36从电子器件室25向外的热流。

在图3的实施例中，peltier模块27可以交替地在两种操作模式之间切换。在第一操作模式中，peltier模块充当形成如上所述的主动热流pa的热泵模块。在第二操作模式中，peltier模块充当peltier模块的第一侧与第二侧之间的温度差的传感器。如果peltier模块的第一侧与第二侧之间存在温度差δti，那么peltier模块会生成代表温度差δti的呈电压形式的电信号并将该电信号发送给热流控制器28。

响应于温度差δti而生成呈电压形式的电信号被称作seebeck效应。可以通过下述公式从测得的电压useebeck来计算所述温度差：

δti＝k2·useebeck，

其中，因子k2主要取决于可以在天平的产品开发中所确定的peltier模块的特性。

接下来，基于温度差δti，可以通过下述公式来计算穿过绝热材料37的热流pi：

pi＝k1·δti，

其中，因子k1取决于绝热材料37的尺寸和特性并且可在天平的产品开发中实验确定。最后，热流pnet确定为先前在peltier模块的热泵模式中发生的热流pa减去由温度差δti通过上一个公式所确定的热流pi后的差，即

pnet＝pa-pi。

基于净热流pnet，热流控制器28确定出peltier模块27在它将被切换回热泵模式后所要产生的主动热流pa。peltier模块27被热流控制器28调节以产生具有下述大小和方向的主动热流pa：该主动热流pa能将净热流pnet保持在这样的控制水平，即移走称重传感器室24内所产生的热所必需的水平。

如果称重传感器室24增加附加的功率损耗部件，比如图2中所示的、可选的、附属性的、使用约0.2瓦的重量显示装置18、或使用约0.1瓦的电子水平指示器，那么称重传感器室24所产生的功率损耗也相应地增加并且还可以是可变的。由于这会影响需要由热流控制器28保持的热流pnet的所需的水平，因此附加的功率损耗需要被计算或测量并作为附加的输入提供给热流控制器28。

与图3的使peltier模块27既用作热泵又用作确定热流pnet的间接式设备的前述实施例相反的是，图4的天平30使用了专门只用来确定净热流pnet的单独设备。如图所示，热流确定设备构造成一对温度传感器31、32，这一对温度传感器31、32布置在由已知热阻rth的绝热材料制成的平坦边界层29的相反的两侧上。温度传感器31、32分别在边界层29的面向称重传感器室24的那一侧上于第三内壁38中测量第一温度t1和在边界层29的面向电子器件室25的那一侧上于第一内壁33中测量第二温度t2。基于从传感器31、32接收到的电信号，热流控制器28根据下述公式计算穿过边界层29(等于净热流pnet＝pa-pi)的热流：

图4a示出图4的温度感应布置结构的一替代例。用来确定穿过边界层29的热流的设备包括一对反向串联连接的热电偶，其中，两种热电偶材料a和b以a-b-a的顺序连接在一起并且节点a-b和b-a(分别示出为31’、32’)布置在边界层29的两相反侧上。这样的热电偶对31’、32’可以直接测量温度差t1-t2并将相应的信号发送给热流控制器28。

图5示出根据本发明的天平40的另外的实施例，该天平40与图3的天平20和图4的天平30的区别在于：天平40的电子器件室25现在被划分成用于容纳对温度敏感的、主要为模拟电子电路的称量电子器件腔41、以及用于容纳主要为数字电路和其它功率损耗元件的数字电子器件腔42。天平40与天平20和30相同的部件采用与图3和4中相同的附图标记表示。

在图5的天平40中，称量电子器件腔41以第四内壁39与边界层29相邻，而称量电子器件腔41的相对侧由第一内壁33界定。数字电子器件腔42于第二内壁35之外占据了天平壳体23的端部。与图4的天平30类似的是，穿过边界层29的热流的量借助于温度传感器31、32确定，热流控制器28基于该热流的量来调节由peltier模块27产生的主动热流pa。

图5进一步示出了天平40中发生的、从电功率向热的耗散所引起的热流。如图3和4的前述示例，称重传感器室24内的称重传感器通常耗散0.1瓦的数量级，从而导致从称重传感器室24穿过边界层29向称量电子器件腔41的较小的热流。通常而言，称量电子器件腔41中的主要模拟电子器件耗散0.5瓦，而数字电子器件腔42内的电路耗散2.5瓦，从而形成借助冷却翅片36、向外的、相应较大的热流po以及穿过绕着热泵模块27、填充间隙空间34的绝热材料37、朝向称量电子器件腔41的相应较大的热流pi。热泵模块27产生由热流控制器28决定的主动热流pa以将热流pnet保持在所需的水平。

尽管本发明已经通过几个具体实施例的呈现予以说明，但是不言而喻是，可以基于本发明的教导得到多种附加的变型例，例如通过将各实施例的特征相互组合和/或通过交换实施例的彼此冲突的各功能单元。例如，如图4a所示的用来确定热流pnet的替代设备、或将peltier模块交替地用作热泵和温度差δti的感应设备的构思显然也可以应用于图5的实施例。

附图标记列表

1代表现有技术的天平

2称量模块

3称量终端

4称重传感器格

5称量室

6触屏显示器

7电子模块

10根据本发明的天平，总体构造

12称量室

13门把手

14天平壳体

15冷却翅片

16高度脚架

17连接插口

18可选的附属性的重量显示装置

20天平，本发明的第一实施例

21称量盘

22称量室

23天平壳体

24称重传感器室

25电子器件室

27热电式热泵模块，peltier模块，peltier元件

28热流控制器

29边界层

30天平，本发明的第二实施例

31，32温度传感器

31’，32’热电偶节点

33第一内壁

34间隙空间

35第二内壁

36冷却翅片

37绝热材料

38第三内壁

39第四内壁

40天平，本发明的第三实施例

41称量电子器件腔

42数字电子器件腔

pnet从室24向室25的净热流

pa由热泵模块驱动的主动热流

po通过冷却翅片向外的热流

pi穿过绝热材料37的热流

rth29的热阻

t1，t2分别由31、32测量的温度

δti绝热材料37上的温度差

δt由31’、32’测量的温度差