制御された、および／または調節された力測定デバイス
【課題】制御された、および／または調節された力測定デバイス、具体的には天秤、を提供する。
【解決手段】力測定デバイスは、磁石システム（５０）中で可動なように配置され、少なくとも２つの巻線（Ｗ１、Ｗ２）を有する電気コイル（５３）を備え、巻線（Ｗ１、Ｗ２）は電流供給デバイス（ＰＢ）の部分的な電流源（ＰＢ１、ＰＢ２）の１つがそれに割り当てられ、巻線（Ｗ１，Ｗ２）への電流の供給を制御、および／または調節する。その制御および／または調節する方法は、力測定デバイス上に作用する力（Ｌ）に依存して、電流（Ｉ１、Ｉ２）によって生成される少なくとも２つの電磁気力の合計が補償力を形成し、かつ同時に、コイルによって消散されるパワーが、常に、所与の所定の値（Ｐｔｇ）を取る方法で、上記電流（Ｉ１、Ｉ２）が、巻線（Ｗ１、Ｗ２）のそれぞれを通じて送られる方法である、制御用および／または調節用デバイス（ＣＵ）を備える。
【解決手段】力測定デバイスは、磁石システム（５０）中で可動なように配置され、少なくとも２つの巻線（Ｗ１、Ｗ２）を有する電気コイル（５３）を備え、巻線（Ｗ１、Ｗ２）は電流供給デバイス（ＰＢ）の部分的な電流源（ＰＢ１、ＰＢ２）の１つがそれに割り当てられ、巻線（Ｗ１，Ｗ２）への電流の供給を制御、および／または調節する。その制御および／または調節する方法は、力測定デバイス上に作用する力（Ｌ）に依存して、電流（Ｉ１、Ｉ２）によって生成される少なくとも２つの電磁気力の合計が補償力を形成し、かつ同時に、コイルによって消散されるパワーが、常に、所与の所定の値（Ｐｔｇ）を取る方法で、上記電流（Ｉ１、Ｉ２）が、巻線（Ｗ１、Ｗ２）のそれぞれを通じて送られる方法である、制御用および／または調節用デバイス（ＣＵ）を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力測定デバイスに、具体的には天秤に関し、それは、電磁気力による補償の原理を利用する。
【背景技術】
【０００２】
この測定原理の下で、補償力としても言われる拮抗力が生成され、その力は、力測定デバイスによって測定されるべき力に対抗する。この補償の結果、力を受け、それを伝達するように働く力測定デバイスの可動部分が、設定された位置を維持するように調節される。したがって、天秤の場合、秤量重りの重量は、測定されるべき力になり、可動部分は、天秤皿、レバー、ロッドまたは秤量容器などの構成要素を含む。
【０００３】
多くの場合、補償力は、電磁気コイルによって生成され、その電磁気コイルは、磁石システムの空隙内を移動することができるように配置され、コイルは、それを通じて送られる電流を通す。この電流は、補償電流として呼ばれ、生成される補償力の測定値を表し、それゆえ力測定デバイス上に作用する力の測定値になる。この補償電流を測定することによって、対応する測定信号が得られ、その信号は、信号処理ユニットで解析され、表示器デバイスに送られる結果に変換される。
【０００４】
電磁気力による補償に基づく力測定デバイスは、補償電流によってコイル中で生成されるパワーが、流れる電流の大きさに依存し、それゆえ所与の時間のどの時点においても、作用する力の大きさによって決定されるという欠点がある。したがって、次々と行われる異なる力または負荷の測定の場合、異なるレベルのパワーが生成され、熱の形で放出される。
【０００５】
放出される熱量が変動し、かつその結果として温度変化が生じることになり、その結果、ゼロ点および測定範囲の幅は、不安定になる恐れがある。したがって、これらの影響要因は、特に、その測定精度の不変性に関する厳格な要求事項を満たす必要がある力測定デバイスの場合、できるだけ一定に保つべきである。
【０００６】
既知の最新技術では、コイルのパワー散逸が一定で、かつ秤量負荷から独立した状態になるようにする様々な方法が提供されている。たとえば、電気的エネルギーを熱に追加して変換する、追加のパワー消費デバイスを使用することが可能である。その結果、コイルパワーおよびパワー消費デバイスの追加の消散されたパワーの合計からなるパワーの総量は、ほぼ一定の状態のままになる。この構成では、追加のパワー消費デバイスは、生成される補償力に影響を及ぼさないように、力に対する影響に関するその挙動において、できるだけ中立とすべきである。
【０００７】
たとえば、独国特許第ＤＥ ２８ １９ ４５１号に、様々な力中立のパワー消費デバイスが、パワートランジスタ、半導体抵抗器、または２本巻き巻線のコイルの形で開示されており、そのコイルの場合、２つのコイル部分は、それらの電流が逆並列であるように、すなわち、大きさが等しいがその方向が反対であるように制御される。２本巻き巻線を有し、電流フローが等しくて逆並列であるコイルは、互いを中立化させる２つの力を互いに生成し、したがってその結果は、その全体の影響において力中立であるパワー消費デバイスになる。その実現に基づくので、このコンセプトは、以下の欠点を有する。
−有効でないパワーが生成される位置は、有効なパワーが生成される位置と形状的に一致しない。その結果、力測定デバイス中の温度分布は、測定されるべき補償力にやはり依存する。
−有効でないパワーは、補償コイル内に配置された、電流フローが逆並列であるコイル部中で放出される。この構成の場合、力測定デバイスの効率の程度が減少される、というのは、補償力の最大レベルにおいてでさえ、コイルの一部分だけが力の生成に使用可能であるからである。
【０００８】
力中立のパワー消費デバイスを実現する、さらなる方法として、補償電流に交流を加えるコンセプトが、独国第特許ＤＥ ３１ ３６ １７１号に開示されている。したがって、コイルの合成された平均補償力は、基本的には変化しない状態のままであり、そして追加のパワー消費は、電流のＡＣ成分を通して達成される。電流の方向を交番させることによって、２つの巻線の間の差が、平均化される。熱生成のこの形には、ＡＣ成分によって平均補償電流が変化しないように防止するために、広範囲に及ぶ対策を採ることが必要になるという欠点がある。
【０００９】
この欠点は、交番して電圧が加えられ、反対方向で作用する、２つの別々の巻線を有するコイルを使用することによって、回避することができる。この構成では、第１の巻線を通って流れる電流が、第１の力を生成し、第２の巻線を通って流れる電流が、第２の力を生成する。平均値として、２つの力は、事実上作用する補償力になる合成力を生成することになる。
【００１０】
２つの電流の制御のために、第１の期間中は第１の巻線を通り、それに続く第２の期間中は第２の巻線を通るように補償電流を導くように働く切り替えデバイスが、スイス国特許第ＣＨ ６３４ ６５４号に開示されている。これは、結果として、２つの期間にわたる総補償電流が、かなりの程度まで、一定の状態のままになる。しかし、電流フローの周期的な切り替えによって、強い交番力がコイル中に生成され、したがってかなりの量の可聴ノイズが引き起こされる。
【００１１】
フィルタ要素または平滑コンデンサによる電流の険しい周期的な交番がもたらすマイナスの影響を軽減するために、努力がなされた場合、コイル中のパワー散逸は、特定の瞬間のどれにおいても、生成された補償力に再び強く依存することになり、したがって所与の時間のどの時点においても、存在する秤量負荷に強く依存することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】独国特許第ＤＥ ２８ １９ ４５１号
【特許文献２】独国特許第ＤＥ ３１ ３６ １７１号
【特許文献３】スイス国特許第ＣＨ ６３４ ６５４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、本発明の目的は、力測定デバイスを提案することであり、その力測定デバイスは、電磁気力による補償の原理に基づいており、かつ力測定デバイスの簡単で費用効率が高い設計および動作を達成することができ、同時に力測定デバイスが、その測定精度および効率に関する厳しい要求事項を満たすことによって、特色づけられるものである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、上記の要求事項を満たし、かつ不愉快なノイズを発することなく動作させることができる、力測定デバイスを提案することである。
【００１５】
さらなる目的は、巻線のために利用できるスペースの最適な使用を達成することである。これは、巻線を保持するコイルシステムの一部分に割り当てられたスペースである。それは、本質的に、永久磁石の寸法によって、具体的にはコイルシステムが配置される磁石の隙間の寸法によって、範囲が定められる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
これらの課題は、力測定デバイスを用いて、および独立請求項に表された特徴を保有する方法によって解決される。本発明の有利な実施形態は、さらなる従属請求項に述べられる。
【００１７】
本発明は、力測定デバイスに、具体的には天秤に関し、それは、電磁気力による補償の原理に基づいており、磁石システム中に配置され、少なくとも２つの巻線を有する可動な電気コイルを備え、さらに、少なくとも２つの部分的な電流源を有する電流供給デバイスであって、上記の巻線のそれぞれは、上記の部分的な電流源の１つが、それに割り当てられる、電流供給デバイスを備え、さらに、部分的な電流源によって、巻線への電流の供給を制御する、および／または調節する、制御デバイスおよび／または調節デバイスであって、その制御および／または調節する方法は、力測定デバイス上に作用する力に依存して、電流によって生成される少なくとも２つの電磁気力の合計が補償力を形成し、かつ同時に、コイルによって消散されるパワーが、常に、所与の所定の値を取る方法で、その電流は、巻線のそれぞれを通じて送られる方法である、制御デバイスおよび／または調節デバイスを備える。この方法によって個々にかつ同時に電流が巻線に供給されるので、コイル中の熱発生速度は、電流フローの方向を周期的に交番させることなく、簡単で効率的な方法で制御することができる。さらに、基本的に直流の形で電流供給を行った場合、可聴ノイズの問題は、存在しない。
【００１８】
パワーの所与の所定の値は、補償力を発生するために各瞬間で求められるパワーより大きくする必要があり、さもないと、求められる補償力は、生成することができない。この制約を除けば、パワーの所与の所定の値は、原理上は、自由に選択することができる。たとえば、この値は、最適な温度分布を得るために、力測定デバイス上に作用する負荷に応じて指定することができる。しかし、パワーの所与の所定の値は、実施形態の例で述べるように、特定の所定の条件に従って定めることもできる。
【００１９】
本発明は、さらに、力測定デバイス、具体的には天秤を制御するのに適したデバイスに関し、それは、電磁気力による補償の原理に基づいており、磁石システム中に配置され、少なくとも２つの巻線を有する可動の電気コイルを備え、そして、上記の巻線に電流を供給するために次の方法を使用する。その方法は、力測定デバイス上に作用する力に応じて、電流によって生成される電磁気力が、それらの全体的な外側への作用において補償力を形成する方法で、その電流は、巻線のそれぞれを通じて送られる方法である。この構成では、少なくとも２つの電流が、巻線を通じて送られ、電流のそれぞれの強さは、コイル中に生成された総パワーを考慮して、上記のパワーの大きさが一定の状態のままであり、かつ合成された補償力から独立した状態のままである方法によって、制御される、および／または調節される。
【００２０】
コイルが２つ以上の部分を有しているので、電流を管理するために、追加の自由度が得られ、それによって、コイル中で消散される全体のパワーを、求められる補償力から独立に制御する可能性がもたらされる。言い換えると、力の発生およびコイル中のパワーを、互いから独立に、それらが互いに対して影響を相互に及ぼさない方法で、制御および／または調節することが可能になる。
【００２１】
このコンセプトは、パワーの全体のレベルをより高めることが可能になるという、重要な利点がある。その結果、測定範囲は、同じてこ比を保ちながら、著しく拡大することができる。たとえば、０〜４００グラムの測定範囲は、０グラム〜１キログラムの測定範囲まで拡大することができる。その代替えとして、または追加として、より小さいてこ比を使用することも可能である。
【００２２】
本発明は、個々の巻線のワイヤが一緒に巻かれている場合（すなわち、２つのワイヤの場合、２本巻き巻線の形である場合）、殊に有利であることが判明している。この種の巻線構成の場合、力測定デバイスの構成要素中のパワー散逸によって生じる温度、および上記の温度の局所的な分布は、最適に一定に保たれ、それによって、力測定デバイスの測定の精度および安定性が、高いレベルで達成される。
【００２３】
本発明の有利な実施形態では、所与の所定の値が一定である。このコンセプトの下で、所与の所定の値は、力測定デバイスの全負荷範囲にわたって一定とすることができ、あるいは負荷範囲の一部分だけで一定とすることもできる。たとえば、所与の所定の値は、ゼロ負荷から能力の８０％の範囲内では一定であるとして規定する、および所与の所定の値は、能力の８０％〜１００％の範囲内では、補償力を生成するために、その瞬間に求められるパワーがどのようであっても、それに従って規定することが考えられる。この結果として、負荷に対するパワー散逸から少なくとも部分的に独立であって、測定の高い安定性が達成される。
【００２４】
さらに有利な実施形態では、所与の所定の値は、力測定デバイスの測定能力内の負荷範囲について、具体的にはデバイスが可能である全負荷範囲について得られる異なるパワーの値に対して、最小値になる。これによって、コイルと大気温度の間の温度差をできるだけ低いレベルに保つことが可能になる、というのは、過度な熱の発生が避けられるからである。
【００２５】
好ましくは、本発明による力測定デバイスは、電流測定デバイスを含み、それは、測定された値に応じて、巻線を通る電流を制御する、および／または調節することができるように、力補償電流または力補償の複数の電流を測定する。
【００２６】
さらなる実施形態によれば、力測定デバイスは、補償力を生成するために、所与の瞬間のどれにおいても求められるコイル中のパワーを決定するように働くパワー推定器を含む。部分的な電流の合計に基づき、具体的には次の式を使用して、コイルのパワーを計算する、および／または推定することが、さらに好ましい。
【００２７】
Ｐ０＝Ｒ×（Ｉ１＋Ｉ２）２
ただし、Ｒは、コイルの総抵抗を表し、Ｉ１およびＩ２は、互いに対して並列に走るコイル巻線（Ｗ１およびＷ２）の部分的な電流を表す。２つのコイル巻線の並列構成に基づくコイルの総抵抗Ｒは、次の式を用いて得られる。
【００２８】
Ｒ＝１／（１／Ｒ１＋１／Ｒ２）
次に、制御および／または調節のための所与の所定の値Ｐｔｇは、瞬時パワーＰ０から導かれる。このようにして、簡単で効率的な方法で制御を確立することができる。
【００２９】
所与の所定の値Ｐｔｇが、最大の補償力におけるコイルのパワーになっている場合は、殊に有利である。
【００３０】
本発明による力測定デバイスは、少なくとも２つの電流を大部分直流として生成することを可能にする、適切な制御デバイスおよび／または調節デバイスを備えていることが、好ましい。この制御デバイスおよび／または調節デバイスは、複数のディスクリート回路要素から、または集積回路から組み立てることができ、あるいは、マイクロプロセッサ中のプログラム部分の形で実装することができる。集積度が高い場合は殊に、制御デバイスおよび／または調節デバイスの特に費用効率が高い設計を実現することが可能である。
【００３１】
さらなる実施形態では、力測定デバイスは、制御量を計算する目的のための制御量発生器を有し、その制御量は、部分的な電流源を制御する、および／または調節するように働き、具体的には非線形関数として構成され、いずれの時点でも、補償力を生成するために求められるパワーＰ０に依存する。
【００３２】
力測定デバイスは、制御量に従って部分的な電流源を制御する、および／または調節するように働くパワー分配器、具体的にはデジタルポテンショメータを含むことが好ましい。これによって、費用効率が高い設計を、規格構成要素を用いて達成することが可能になる。
【００３３】
さらに好ましい実施形態では、制御量発生器は、制御量ｘが次の式に従って計算されるように構成される。
【００３４】
【数１】
【００３５】
ただし、ａ、ｂおよびｃは、所与の定数を表し、Ｐ＊は、コイルの正規化されたパワーを表し、その正規化パワーは、コイルの全負荷パワーＰｔｏｔおよび瞬時パワーＰ０の項として、次のように計算される。
【００３６】
Ｐ＊＝Ｐｔｏｔ／Ｐ０
この観点から瞬時パワーＰ０は、いずれの時点でも求められる補償力を生成するために必要なパワー量である。
【００３７】
さらに好ましい実施形態では、部分的な電流源のそれぞれは、コイル巻線に電流を供給するために、それぞれのコイル巻線に直接接続される。これによって、それぞれのコイル巻線中の電流は、直接制御され、および／または調節され、したがって特に効率的な方法で制御する、および／または調節することが可能になる。
【００３８】
さらに、部分的な電流源は、所与のオフセット電圧に従って、少なくとも１つのコイル巻線に直流を供給するために、設けることが有利である。
【００３９】
本発明の有利な実施形態では、力生成コイルは、複数の部分に、好ましくは別々で並列に制御される２つの部分に分割され、コイル部分の巻線は、同じ巻き数を有することが好ましい。これは、巻線のそれぞれが補償力への負担分を生成することが可能であり、巻線が並列で動作した場合、部分的な電流の合計Ｉ＝ΣＩｉが、補償力を生成するために求められる補償電流を構成することを意味する。２つ以上の部分からなる、この種の力生成コイルの場合、２つの部分からなり、その部分のそれぞれが、部分的な電流源、いわゆる電流ブースタから別々に供給されることが好ましい。この構成は、力測定デバイスの可動部分を釣り合った状態に保持するために求められる補償電流を測定する電流測定デバイスをさらに含む。この補償電流に基づくパワー推定器を使用して、力測定デバイスを釣り合い状態にするために求められる補償力は、本発明に従って、コイル全体のパワーが、いずれの時点でも求められる補償力から独立した最小値で一定に保たれる方法で、パワー分配器の助けを得てコイル部分を適切に制御することによって、生成される。
【００４０】
本発明の有利な実施形態では、少なくとも２つの電流は、コイルの補償電流の瞬時パワーに依存する制御量に従って、同時に制御され、および／または調節される。この簡略化されたコンセプトは、制御の複雑さを減少させ、したがって特に費用効率が高く安定した回路を構築する可能性を広げる。
【００４１】
本発明のさらに有利な実施形態では、最大の補償電流においてコイル中で生成される総パワーは、
Ｐｔｏｔ＝ΣＲｉ×Ｉｉ２
であり、ただし、Ｒｉは、抵抗値を表し、Ｉｉは、互いに対して並列に走るコイル巻線の部分的な電流を表す。
【００４２】
補償電流Ｉｃｐが実際の計量信号ｗになるので、この電流値は、測定する必要があり、必要なら、変換され、その値が求められる。Ｉｃｐの値の基づき、その瞬間において求められるように補償力を生成するために、放出する必要があるコイルパワーＰ０は、次の基本式によって決定される。
【００４３】
Ｐ０＝Ｒ×Ｉｃｐ２
ただし、Ｒは、コイル全体のオーム等価インピーダンスを表し、Ｉは、瞬時補償電流Ｉｃｐを表す。
【００４４】
本発明の特に有利な実施形態では、電流の強さは、
Ｉ１＝ｘ×Ｉ＋Ｉｏｆｆｓｅｔ１
Ｉ２＝（１−ｘ）×Ｉ−Ｉｏｆｆｓｅｔ２
であり、２つのコイル部分を有するコイルでは、総パワーに依存する、少なくとも１つの非線形関数に従って、制御される。
【００４５】
この関数は、基本的に次の式によって決定されることが好ましい。
【００４６】
【数２】
【００４７】
ただし、ａ、ｂおよびｃは、定数であり、Ｐ＊＝Ｐｔｏｔ／Ｐ０は、最大補償電流におけるコイルの全負荷パワーＰｔｏｔと、補償力を生成するために、いずれの時点においても求められるパワーＰ０との間の比を表す。関数のこのプロファイルによって得られるものは、総コイルパワーは、秤量負荷に対する独立度が最適になるということである。また、同様の特性を有する、他の適切に設計された関数プロファイル、たとえば簡単な、または次数がより高い多項式の合成物、あるいは指数関数の合成物を使用することが考えられる。
【００４８】
この計算は、力測定デバイス中に構成された制御デバイスおよび／または調節デバイスによって、実施されることが好ましい。たとえば、これらの演算は、簡単な回路によるアナログのプロセスを通じて、またはマイクロプロセッサ中の少数の計算ステップによるデジタルのプロセスを通じて実施することができる。
【００４９】
本発明の特に有利な実施形態では、オフセット電流が、２つのコイル電流のそれぞれ上に重ねられる。これらの電流の目的は、補償電流が小さいときでさえ、一定レベルのパワーをコイル中に生成するということである。このコンセプトの好ましい実施では、制御デバイスおよび／または調節デバイスは、所与のオフセット電圧に従って巻線に直流を供給するために、各コイル巻線に専用で各コイル巻線に接続された部分的な電流源を有する。
【００５０】
本発明のこの実施形態によるデバイスは、補償電流がその最小値と最大値の間で極性を変化させる、させないにせよ、それにかかわらず、力測定デバイスの可動部分を釣り合った状態にさせる能力を常に保持する。
【００５１】
本発明のさらなる実施形態では、制御デバイスおよび／または調節デバイスは、少なくとも２つの切り替え要素を含み、それらは、部分的な電流を実質的にパルス形状の形に変調するように働き、部分的な電流の時間プロファイル中で、部分的な電流がその間同時に流れている時間間隔を規定することができる。切り替え要素を使用した簡単かつ費用効率が高い手段によって、追加の熱量を生成することが可能になる。
【００５２】
時間プロファイルのための基礎は、期間の長さによって特徴付けられる、周期的なプロセスである。このプロセスでは、期間は、切り替え要素の同時で周期的な切り替えによって定められ、それによって、２つの部分的な電流の切り替えが実施される。切り替え要素のこの同時の作動の場合、追加の熱が生成されず、したがってこの動作モードは、最新技術を反映する。さらに、この動作モードのために、第１の部分的な電流が、その間、第１の巻線を通って流れる実効時間間隔ｔ＊が定められる。実効時間間隔ｔ＊および期間の長さｔｓから、次の比に従って計量信号ｗを決定することができる。
【００５３】
ｗ＝ｔ＊／ｔｓ
したがって、計量信号は、印加された力に直接関係付けられる。
【００５４】
本発明によれば、追加の熱量を生成するために、第１の制御信号が、実効時間間隔ｔ＊の終了時に対して遅延時間を有して、切り替えられる。遅延時間の長さは、第１の時間間隔ｔｐ１として言われる、つまり、切り替えは、時間ｔ＊＋ｔｐ１に起こる。同様に、第２の制御信号は、期間ｔｓの開始時または終了時には切り替えられず、第２の時間間隔ｔｐ２だけ遅延されて、すなわち時間ｔｓ＋ｔｐ２に切り替えられる。これらの事象は、周期的に時間０、ｔｓ、２ｔｓ、３ｔｓなどにおいて繰り返される。したがって、各期間ｔｓ内に、第１の時間間隔ｔｐ１および第２の時間間隔ｔｐ２が存在し、その間、制御信号が重なり合う。したがって、これらの時間間隔中、第１の部分的な電流および第２の部分的な電流は、第１および第２の巻線をそれぞれ通って同時に流れる。これによって、これらの時間間隔中、熱が、巻線中で力中立の形で生成されるという結果がもたらされる。
【００５５】
第１の時間間隔ｔｐ１および第２の時間間隔ｔｐ２は、同一であるように選択され、したがって第１の制御信号ＳＷＩ１と第２の制御信号ＳＷＩ２の間で対称であることが、好ましい。この対称性は、２つの遅延時間値ｔｐ１およびｔｐ２について、共通の遅延時間値ｔｐの形でほぼ同一であるという選択を通じて達成される。
【００５６】
好ましくは、共通の遅延時間値ｔｐは、次の式によって計算される。
【００５７】
【数３】
【００５８】
ただし、ｔｓは、期間の長さを表し、ｗは、計量信号を表す。値ｗによって、遅延時間値ｔｐは、印加された力Ｌにこのように依存する。
【００５９】
有利な実施形態では、制御デバイスおよび／または調節デバイスは、少なくとも１つの遅延要素を含み、それは、制御信号によって切り替え要素を制御する目的のために、少なくとも１つの切り替え要素に接続され、その制御信号は、時間間隔に対応する遅延時間値に依存する。これによって、制御信号を生成するための簡単な方法がもたらされる。
【００６０】
本発明のさらに有利な実施形態では、制御デバイスおよび／または調節デバイスは、印加された力に応じて遅延時間値を計算することを可能にする算術ユニットを含み、その算術ユニットは、計算された遅延時間値を遅延要素に伝えるために、遅延要素に接続される。この構成によって、調節における複雑な関係を合体化させるための簡単な方法がもたらされる。
【００６１】
本発明のさらに好ましい実施形態では、力測定デバイスは、測定ユニットを含み、それは、印加化された力に応じた測定信号を算術ユニットに伝える目的のために、算術ユニットに接続され、その測定信号から、負荷に応じた遅延時間値を、算術ユニット中で計算することができる。
【００６２】
また、本発明は、３つ以上のコイル巻線を有するコイルに関する設計において使用することができる。たとえば、３つのコイル巻線を有するコイルでは、巻線の中の２つが一方向に力を生成することができ、さらに、残された巻線がその反対方向の力を生成する。４つのコイル巻線を有するコイルの場合、力は、同様な方法で組み合わすことができる。
【００６３】
本発明による方法の細部および本発明によるデバイスは、図面に大変図式的な方法で示した実施形態の説明から明らかになるはずである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】天秤１を示す図であり、その天秤は、その設計に関して例として働くことができ、象徴的に示した負荷Ｌ、秤量皿２および表示器ユニット３を備えている、図である。
【図２】電磁気力による補償のコンセプトに基づく、力測定容器１０の原理を断面図で示す図であり、コイル５３が、磁石システム５０の空隙５１中で移動するように配置される、図である。
【図３】例として、本発明による制御デバイスおよび／または調節デバイスＣＵの概略ブロック図、電流測定デバイスＭ、信号処理ステージのＡ／ＤおよびＤＳＰ、図式的に描いた磁石システム５０、ならびに図２による、２つのコイル巻線Ｗ１およびＷ２を有するコイルシステム５３を示す図である。
【図４】図４ａは、関数ｘ（Ｐ０）の形状に関する、すなわち補償力を生成するために、いずれの時点でも求められるパワーＰ０の関数としての制御変数ｘに関する例を示す図である。
【００６５】
図４ｂは、図４ａの例に関連付けられたコイル電圧ＵＡ１およびＵＡ２を示す図である。
【００６６】
図４ｃは、図４ａの例に関連付けられた電流ＩＡ１およびＩＡ２を示す図である。
【００６７】
図４ｄは、コイルシステムの関連した総パワーＰｔｏｔを示す図である。
【図５】簡略化した、例としての、図３のブロック図の細部を示す図であり、パワー分配器ＰＤがデジタルポテンショメータの形であり、２つの部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２が、そのデジタルポテンショメータの下流にある、図である。
【図６】関連するコイルにパルス形状の電流を供給するために、制御信号ＳＷＩ１およびＳＷＩ２によってそれぞれ制御される切り替え要素Ｓ１およびＳ２を備えた、さらなる実施形態の大変簡略化されたブロック図を示す図である。
【図７】大変簡略化された形で、図６に示した制御信号ＳＷＩ１およびＳＷＩ２の時間グラフを示す図である。
【図８】切り替え要素Ｓ１およびＳ２が、単一の共通の制御信号ＳＷＩによって制御されるスイッチングトランジスタとして構成された、図６のブロック図の電子回路による実施の例を示す図である。
【図９】大変簡略化された形で、図８に示した制御信号ＳＷＩ、ＳＷＩ１およびＳＷＩ２の時間グラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
図１に、象徴的に示した負荷Ｌをかけられた天秤１の形で、力測定デバイスの例を示す。天秤の場合、測定されるべき力Ｌは、通常、測定されるべき分銅または秤量重りの秤量負荷であり、それは、秤量皿２上に作用する。天秤１の目的は、印加された力Ｌに対して正確で安定な出力値に到達することであり、それは、表示器ユニット３、たとえばデジタル液晶ディスプレイ上に表示される。
【００６９】
図２に、大変簡略化された断面の図面で、電磁気力による補償の原理に基づく、計量技術の分野で使用するのに適した力測定容器１０を示す。力測定容器１０は、湾曲部４５を介してガイド部材４４のペアの端部に結合された固定部分４２および垂直に変位可能な部分４３を有する、平行に誘導するリンケージを備えた力伝達機構を含む。垂直に変位可能な部分４３は、測定されるべき負荷Ｌ（図式的に示す）を受けるように働く、片持ち伸張部４１の形の秤量皿を保持する。負荷Ｌによって生じる力の垂直成分が、垂直に変位可能な部分４３から結合要素４９を介してレバー４６の短レバーアーム４８に伝達される。レバー４６は、固定部分４２の一部分上の湾曲支え部４７によって支持される。力測定容器は、カップ形状の磁石システム５０をさらに含み、それは、空隙を含み、固定接続部によって固定部分４２に取り付けられる。空隙５１中に配置されるのは、レバー４６のより長いレバーアームに接続されたコイル５３である。コイル５３は、電流、いわゆる補償電流Ｉｃｐを通し、その大きさは、レバー４６上に作用する力に依存する。レバー４６の位置は、制御デバイスおよび／または調節デバイス６０に接続された位置測定デバイス５４によって、測定される。制御デバイスおよび／または調節デバイス６０は、位置測定デバイス５４から受け取った測定信号に基づき補償電流Ｉｃｐを、レバー４６が、同じ位置に常に保持される方法で、または負荷の変化が生じた後、レバー４６が同じ位置に戻される方法で、制御する、および／または調節する。
【００７０】
この測定原理によれば、電磁気コイルは、レバー上に作用する力、つまり印加された力Ｌに対抗する、いわゆる補償力Ｋを生成する。補償力Ｋを生成する補償電流Ｉｃｐは、測定されるべき印加された力Ｌの測定値を表す。この補償電流Ｉｃｐの大きさを決定し、その後に適切な信号処理を実施することによって、計量信号ｗが生成され、それは、天秤の表示器ユニットに送られ、そこで対応する測定値として表示される。しかし、また、計量信号ｗは、さらなる処理ユニット、たとえば主コンピュータ、システムコントローラまたは遠隔位置のコントローラユニットに送ることができる。
【００７１】
電磁気コイル５３は、電気的に伝導性で絶縁されたコイルワイヤの１つまたは複数の巻線から構成される。図２の簡略化された描写では、コイルワイヤの数巻きだけが概略的に示されている。しかし、通常、コイル５３は、大きい巻き数、たとえば数百回の巻線を有する。
【００７２】
印加された力Ｌの大きさが変動することに応じて、それに対応する形で変動する補償電流Ｉｃｐが、コイル５３を通じて送られる。その結果、負荷依存の瞬時パワーＰ０が、コイル５３中に生成され、したがって、それは、熱源として振る舞う。この熱源によって、影響を受けた構成要素、具体的にはコイル５３および磁石システム５０の温度変化が、それに対応して引き起こされる。本発明は、負荷から独立したパワー量を使用することによって、追加の温度上昇および力測定デバイス中のその分布を、できるだけもっとも一定した状態に、かつもっとも低いレベルに保つことを目的とする。
【００７３】
例として、図３に、制御デバイスおよび／または調節デバイスＣＵの概略ブロック図、電流測定デバイスＭ、アナログ／デジタル変換器Ａ／Ｄおよびデジタル信号処理ユニットＤＳＰの形の信号処理ユニット、および図２による、２つのコイル巻線Ｗ１およびＷ２を有するコイル５３を有する図式的に描かれた磁石システム５０を示す。カップ形状の磁石システム５０は、その空隙中で、第１のコイル巻線Ｗ１および第２のコイル巻線Ｗ２を囲繞する磁場Ｂを生成する。より明確にするために、磁石システム５０は、その円筒形のシェルを切り開いて示してある。
【００７４】
コイル５３のコイル巻線Ｗ１およびＷ２のそれぞれは、単一巻きで象徴的に示してあるが、実際には、コイル巻線は、通常、巻き数が大きい。第１のコイル巻線Ｗ１は、実線として示してあり、第２のコイル巻線Ｗ２は、破線として示してある。
【００７５】
位置測定デバイスによって生成される測定信号ＵＰＳは、位置制御デバイスＰＣＬに送られ、そこでその値が求められ、必要なら、送るために、適切な形に処理される。位置制御デバイスＰＣＬの出力部は、パワー分配器ＰＤの第１の入力部に接続され、したがって位置制御デバイスＰＣＬの位置調節器出力信号ＵＵが、パワー分配器ＰＤのための第１の入力変数として利用できる。この構成では、位置調節器出力信号ＵＵは、位置測定デバイスからの入力として受け取った測定信号ＵＰＳに対応し、したがってパワー分配器ＰＤは、力測定デバイス上に作用する力Ｌに依存した入力量を受け取る。
【００７６】
パワー分配器ＰＤは、その出力部側で２つの部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２、いわゆる電流ブースタに接続され、したがってパワー分配器ＰＤによって生成される制御電圧ＵＨ１およびＵＨ２は、互いから独立して、部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２に送ることができる。
【００７７】
第１の増幅係数Ｋ１を使用して、第１の部分的な電流源ＰＢ１は、第１のコイル電圧ＵＡ１を生成し、それは、第１の部分的な電流源ＰＢ１の出力部に存在する。第１の部分的な電流源ＰＢ１の出力端子は、第１の巻線Ｗ１の第１のコネクタ端子に接続され、第１の巻線Ｗ１の第２のコネクタ端子は、グラウンド電位に接続される。第１の巻線Ｗ１のライン抵抗、いわゆる第１のコイル抵抗Ｒ１は、抵抗器（点線）として等価回路の要素の形で表現される。ここで、巻線Ｗ１の第１のコネクタ端子が第１のコイル電圧ＵＡ１に保たれた場合、部分的な電流源ＰＢ１によって生成され、その大きさが、第１のコイル抵抗Ｒ１に依存する第１の電流Ｉ１は、第１の巻線Ｗ１を通ってグラウンド電位に流れることになる。
【００７８】
第１の部分的な電流源ＰＢ１と同じようにして、かつ第１の部分的な電流源ＰＢ１から独立して、第２の部分的な電流源ＰＢ２は、コイルの第２の巻線Ｗ２に接続される。同様に、第２の増幅係数Ｋ２を使用して、第２のコイル電圧ＵＡ２が第２の部分的な電流源ＰＢ２によって生成され、したがって部分的な電流源ＰＢ２によって生成され、その大きさが第２のコイル抵抗Ｒ２に依存する第２の電流Ｉ２は、第２の巻線Ｗ２を通ってグラウンド電位に流れることになる。
【００７９】
第１の部分的な電流源ＰＢ１および第２の部分的な電流源ＰＢ２は、一点鎖線によって示すように、電流供給デバイスＰＢに組み合わすことができる。
【００８０】
第１の巻線Ｗ１のグラウンド電位への接続、および第２の巻線Ｗ２のグラウンド電位への接続は、共通の導体ラインに結合され、したがってコイル電流Ｉ１およびＩ２は、回路のこの部分で互いに結合され、コイル電流Ｉ１およびＩ２の合計が、補償電流Ｉｃｐを形成し、それは、グラウンド電位に流れる。
【００８１】
合計電流の大きさ、すなわち、補償電流Ｉｃｐは、コイル中に生成される補償力Ｋの測定値を表し、したがって力測定デバイス上に作用する力Ｌの測定値になる。したがって、補償電流Ｉｃｐは、電流測定デバイスＭによって測定され、対応する測定信号が、計量信号ｗの形で生成され、それは、アナログ／デジタル変換器によってデジタル形式に変換される。Ａ／Ｄ変換器の下流に配置されたデジタル信号処理ユニットＤＳＰ中で、計量信号ｗは、さらなる処理を受ける。デジタル信号処理ユニットＤＳＰは、たとえば、増幅器、低域通過フィルタまたは正規化器を含むことができる。デジタル信号処理ユニットＤＳＰの出力部において、処理済の計量信号が、ここで、さらなる使用のために、たとえばディスプレイ上に表示する、または主コンピュータに送るために利用できる。
【００８２】
アナログ／デジタル変換器Ａ／Ｄの出力部は、パワー推定器ＰＥに接続され、それゆえ補償電流Ｉｃｐに対応するデジタル計量信号ｗは、パワー推定器ＰＥの入力部に示される。パワー推定器ＰＥは、次の式に従って補償力を生成するために、その瞬間にコイル中で必要なパワーＰ０を推定する。
【００８３】
Ｐ０＝Ｒ×Ｉｃｐ２
ただし、Ｒは、コイル５３の総抵抗を表し、Ｉｃｐは、計量信号ｗに対応する補償電流の大きさを表す。２つの巻線Ｗ１およびＷ２は、回路中で互いに対して並列であるので、コイルの総抵抗Ｒは、次の式によって見出される。
【００８４】
Ｒ＝１／（１／Ｒ１＋１／Ｒ２）
ただし、Ｒ１は、第１のコイル抵抗を表し、Ｒ２は、第２のコイル抵抗を表す。抵抗値Ｒ１およびＲ２が等しい場合、Ｒは、第１のコイル抵抗の２分の１に等しくなる、すなわちＲ＝Ｒ１／２になる。
【００８５】
さらに、パワー推定器ＰＥは、次の関係に従って正規化定数Ｐｔｏｔの観点から、コイル中の瞬時パワーＰ０を正規化する機能を果たす。
【００８６】
Ｐ＊＝Ｐｔｏｔ／Ｐ０
ただし、Ｐ＊は、コイルの正規化されたパワーを表し、Ｐｔｏｔは、全負荷におけるコイルの総パワーを表す。
【００８７】
力測定デバイスの場合、用語「ゼロ負荷」は、力が力測定デバイス上に作用しない場合の動作条件を定義し、一方用語「全負荷」は、印加された力Ｌが測定可能な力の指定された最大値に等しい場合の動作条件を定義し、全負荷パワーＰｔｏｔは、次の式に従って計算することができる。
【００８８】
Ｐｔｏｔ＝Ｒ×ＩＵ２
ただし、ＩＵは、全負荷時の補償電流Ｉｃｐを表す。
【００８９】
したがって、コイルの正規化パワーＰ＊は、ゼロ負荷に対する無限大の値と全負荷に対する１の値との間になる。
【００９０】
パワー推定器ＰＥの出力部は、制御量発生器ＸＧの入力部に接続され、したがって、コイルの正規化パワーＰ＊に対応する値を制御量発生器ＸＧに送ることができる。
【００９１】
手元にある場合、制御量発生器ＸＧは、入力量から、すなわち正規化パワーＰ＊から次の式に従って制御量ｘを計算する。
【００９２】
【数４】
【００９３】
したがって、制御量ｘの値は、ゼロ負荷時における１／２の値と、全負荷時における０の値との間になる。
【００９４】
制御量発生器ＸＧの出力部は、計算された制御量ｘをパワー分配器ＰＤに送るために、パワー分配器ＰＤの第２の入力部に接続され、したがってパワー分配器は、第２の入力量として制御量ｘを受け取る。
【００９５】
パワー分配器中で、２つの上記の制御電圧ＵＨ１およびＵＨ２が、制御量ｘおよび上記に述べた位置調節器出力信号ＵＵから、次の式に従って決定される。
【００９６】
ＵＨ１＝ＵＵ×ｘ＋Ｕｏｆ１
ＵＨ２＝ＵＵ×（１−ｘ）＋Ｕｏｆ２
２つの制御電圧ＵＨ１およびＵＨ２が決定された後、上記に述べた部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２がそれによって制御される量が、ここで利用できる。その結果、これによって、ループが閉じられて、パワー分配器ＰＤが上記に述べたように機能することが可能になる。
【００９７】
したがって、この回路構成は、２つの制御ループ、すなわち補償力Ｋの調節のための第１の制御ループ、および巻線Ｗ１およびＷ２中で生成される総パワーＰｔｏｔが、補償力Ｋの異なる強さの範囲にわたって、基本的に一定である方法で電流を分配するための第２の制御ループを表す。
【００９８】
回路の個々の構成要素は、たとえば、制御ユニットおよび／または調節ユニットＣＵ（破線で示す）として、互いに適切に組み合わすことができる。さらに、回路の構成要素、具体的にはパワー推定器ＰＥおよび制御量発生器ＸＧは、集積回路中の機能ブロックとして、またはマイクロプロセッサ中のプログラム部分として実現することができる。したがって、制御デバイスおよび／または調節デバイスＣＵは、アナログまたはデジタルの設計、あるいはどのような種類の組み合わせた構成を使用しても、構築することができる。
【００９９】
本発明の特に有利な実施形態では、第１の部分的な電流源ＰＢ１は、規定された固定の大きさの追加の第１のオフセット電圧Ｕｏｆ１を有して第１の電流Ｉ１を生成する。似たように、第２の部分的な電流源ＰＢ２は、規定された固定の大きさの追加の第２のオフセット電圧Ｕｏｆ２を有して第２の電流を生成する。したがって、次の電流Ｉ１およびＩ２は、巻線Ｗ１およびＷ２をそれぞれ通って流れる。
【０１００】
Ｉ１＝Ｋ１／Ｒ１×（ｘ×ＵＵ＋Ｕｏｆ１）
Ｉ２＝Ｋ２／Ｒ２×（（１−ｘ）×ＵＵ＋Ｕｏｆ２）
ただし、Ｕｏｆ１およびＵｏｆ２は、オフセット電圧を表し、これらの式中のさらなるシンボルは、ここで以前に定義されたものと同じである。
【０１０１】
オフセット電圧Ｕｏｆ１およびＵｏｆ２は、全負荷時の合計電流ＩＵの観点から、次の式に従って決定することが好ましい。
【０１０２】
Ｕｏｆ１＝Ｒ１×ＩＵ／Ｋ１／２
Ｕｏｆ２＝−Ｒ２×ＩＵ／Ｋ２／２
ただし、ＩＵは、コイル電流を表し、それは、最新技術の力測定デバイス中で、全負荷の下で生じることになるはずである。
【０１０３】
したがって、オフセット電圧Ｕｏｆ１およびＵｏｆ２を追加した結果として、直流が、電流Ｉ１およびＩ２のそれぞれ上に重ねられる。
【０１０４】
図４ａに、関数Ｆ（Ｐ０）の形状に関する、すなわち補償力を生成するために、いずれの時点でもコイル中に求められるパワーＰ０の関数としての制御変数ｘに関する例を示す。このグラフでは、制御量ｘは、縦座標として表され、補償力を生成するために、所与の時点で求められるパワーＰ０は、横座標として表される。関数Ｆ（Ｐ０）のプロファイルは、以前に述べた式に対応する。
【０１０５】
【数５】
【０１０６】
なお、
Ｐ＊＝Ｐｔｏｔ／Ｐ０
であり、ただし、Ｐ＊は、コイルの正規化されたパワーを表し、全負荷パワーＰｔｏｔは、正規化定数を表し、Ｐ０は、いずれの時点でも求められるパワーを表す。
【０１０７】
ゼロ負荷時、すなわちＰ０＝０であるとき、制御量ｘは、その最大値、ｘ＝１／２を取ると仮定する。全負荷時（Ｐ０＝Ｐｔｏｔ）、制御量ｘは、その最小値、ｘ＝０を取ると仮定する。関数Ｆ（Ｐ０）のプロファイルは、非線形である。
【０１０８】
図４ｂに、図４ａの制御量ｘに対応し、部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２によってそれぞれ生成される、２つのコイル電圧ＵＡ１およびＵＡ２のプロファイルを示す。この図では、コイル電圧ＵＡは、縦座標軸として表され、補償力を生成するために、いずれの時点においても求められるパワーＰ０は、横座標として表される。第１のコイル電圧ＵＡ１のプロファイルは、実線で示し、第２のコイル電圧ＵＡ２のプロファイルは、破線で示してある。
【０１０９】
図４ｃに、図４ｂに示した電圧ＵＡ１およびＵＡ２を第１の巻線Ｗ１および第２の巻線Ｗ２にそれぞれ印加した結果として、流れる２つの電流Ｉ１およびＩ２のプロファイルを示す。このグラフでは、電流Ｉは、縦座標に沿って測定され、補償力を生成するために、いずれの時点においても求められるパワーＰ０は、横座標に沿って測定されている。第１の電流Ｉ１のグラフは、実線として描かれ、第２の電流Ｉ２のプロファイルは、破線として描かれている。さらに、補償電流Ｉｃｐ、すなわち２つの電流Ｉ１およびＩ２の合計のプロファイルは、点線で表されている。
【０１１０】
最後に、図４ｄに、コイル５３中に生成される総パワーＰｔｏｔのプロファイルを表し、Ｐｔｏｔは、縦座標に沿って測定され、補償力を生成するために、いずれの時点においても求められるパワーＰ０は、横座標に沿って測定されている。パワーＰｔｏｔは、範囲全体にわたって一定であり、したがって印加された負荷から独立している。
【０１１１】
図５に、簡略化した、例としての、図３のブロック図の細部を示す図であり、パワー分配器ＰＤがデジタルポテンショメータの形であり、２つの部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２が、そのデジタルポテンショメータの下流にある、図を示す。
【０１１２】
２つの部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２は、その両方が同じ方法で構成される。各部分的な電流源は、フィードバックループを有する、２つの演算増幅器の従来の直列構成を含む。第１の部分的な電流源ＰＢ１は、負電流供給源Ｖｎｅｇに接続され、第２の部分的な電流源ＰＢ２は、正電流供給源Ｖｐｏｓに接続される。抵抗値Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚ１およびＲｚ２の選択によって、次の関係に従って、増幅係数Ｋ１およびＫ２、ならびにオフセット電圧Ｕｏｆ１およびＵｏｆ２は、確立することができる。
【０１１３】
Ｋ１＝Ｒｙ／Ｒｘ
Ｋ２＝Ｒｙ／Ｒｘ
Ｕｏｆ１＝−Ｒｚ１／（Ｒｚ１＋Ｒｘ）×Ｖｎｅｇ
Ｕｏｆ２＝−Ｒｚ２／（Ｒｚ２＋Ｒｘ）×Ｖｐｏｓ
２つのコイル電圧ＵＡ１およびＵＡ２は、部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２の出力部にそれぞれ存在し、それぞれの巻線Ｗ１およびＷ２に送られる。
【０１１４】
２つの部分的な電流源の入力部は、デジタルポテンショメータの出力部に接続される。デジタルポテンショメータは、電圧分圧器として機能し、位置調節器出力信号ＵＵとグラウンド電位との間にある出力電圧を生成する。
【０１１５】
パワー分配器中で、上記に述べた２つの制御電圧ＵＨ１およびＵＨ２は、制御量ｘおよび以前に述べた位置調節器出力信号ＵＵから、次の式に従って決定される。
【０１１６】
ＵＨ１＝ＵＵ×ｘ＋Ｕｏｆ１
ＵＨ２＝ＵＵ×（１−ｘ）＋Ｕｏｆ２
図６に、関連するコイルにパルス形状の電流を供給するために、制御信号ＳＷＩ１およびＳＷＩ２によってそれぞれ制御される、および／または調節される切り替え要素Ｓ１およびＳ２を備えた、さらなる実施形態の大変簡略化されたブロック図を示す。
【０１１７】
第１のコイルおよび第２のコイルは、それらのそれぞれの抵抗値、すなわち第１のコイル抵抗Ｒ１および第２のコイル抵抗Ｒ２によって表される。抵抗Ｒ１を有する第１の巻線は、一方側で正供給電圧Ｖｐｏｓに接続され、他方側で第１の切り替え要素Ｓ１の第１のコネクタ端子に接続される。第１の切り替え要素Ｓ１の第２のコネクタ端子は、第１の部分的な電流源ＰＢ１を経由して、負供給電圧Ｖｎｅｇに接続される。第１の切り替え要素Ｓ１は、３つのコネクタ端子を有する二路スイッチとして構成され、第３のコネクタ端子は、共通の回路電位に接続される。その結果、第１の部分的な電流源ＰＢ１からの接続は、抵抗Ｒ１を有する第１の巻線と、共通の回路電位との間で切り替えることができる。第１のスイッチ位置では、抵抗Ｒ１を有する第１の巻線は、第１の部分的な電流源ＰＢ１に接続され、したがって第１の部分的な電流Ｉ１が、抵抗Ｒ１を有する第１の巻線を通って流れる。
【０１１８】
コイル抵抗Ｒ２を有する第２の巻線のための回路構成は、コイル抵抗Ｒ１を有する第１の巻線に類似している。したがって、第２の部分的な電流源ＰＢ２からの接続は、Ｒ２によって表された第２の巻線と、共通の回路電位との間で切り替えることができる。この場合、スイッチＳ２がその第２の位置にあるとき、コイル抵抗Ｒ２を有する第２の巻線は、第２の部分的な電流源ＰＢ２に接続され、したがって第２の部分的な電流Ｉ２が、抵抗値Ｒ２を有する第２の巻線を通って流れる。
【０１１９】
前述の例などでのように、これら２つのコイルは、部分的な電流Ｉ１およびＩ２が同じ方向に流れる場合、生成される力が、反対方向の力になる（コイル終端部の構成のこの極性は、黒色点によって示す）方法で、回路中に接続される。さらに、２つのコイルの切り替え要素Ｓ１およびＳ２に向かう側の終端部は、コンデンサＣを介して、互いに接続される。
【０１２０】
切り替え要素Ｓ１およびＳ２は、アナログ／デジタル変換器Ａ／Ｄ中に入力される制御電圧Ｕｃｔｌを使用して、個別に制御される。アナログ／デジタル変換器は、第１のパルス幅変調信号ＰＷＭおよび第２のパルス幅変調信号ＰＷＭ＊を生成する。
【０１２１】
アナログ／デジタル変換器Ａ／Ｄの第１の出力部は、一方においては第１のゲートＧ１の第１の入力部に接続され、他方においては第１の遅延要素Ｄ１の第１の入力部に接続され、したがって第１のゲートＧ１および第１の遅延要素Ｄ１は、第１のパルス幅変調信号ＰＷＭを受け取る。第１の遅延時間値ｔｐ１を表す信号が、第１の遅延要素Ｄ１の時間遅れを制御するために、第１の遅延要素Ｄ１の第２の入力部に入力される。第１の遅延要素Ｄ１の出力部は、第１のゲートＧ１の第２の入力部に接続される。ここで、第１のゲートＧ１の出力部は、第１の切り替え要素Ｓ１を制御するように働く第１の制御信号ＳＷＩ１を配信する。
【０１２２】
アナログ／デジタル変換器の第２の出力部は、第１の出力部に類似して、第２のパルス幅変調信号ＰＷＭ＊から、第２の切り替え要素Ｓ２の制御のために、第２の遅延時間値ｔｐ２を有する第２の制御信号ＳＷＩ２を生成するために、第２の切り替え要素Ｓ２に、第２の遅延要素Ｄ２および第２のゲートＧ２を経由して接続される。
【０１２３】
第１の遅延時間値ｔｐ１および第２の遅延時間値ｔｐ２を適切に選択することによって、第１の制御信号ＳＷＩ１の時間プロファイルは、第２の制御信号ＳＷＩ２の時間プロファイルに対して変化させることができる。制御信号ＳＷＩ１およびＳＷＩ２の時間プロファイルは、図７に大変簡略化した形で示す。
【０１２４】
時間プロファイルのための基礎は、期間の長さｔｓによって特徴付けられた周期的なプロセスである。このプロセスでは、期間は、切り替え要素Ｓ１およびＳ２の周期的な切り替えによって定められ、したがって切り替え要素Ｓ１およびＳ２を同時に作動させる場合、２つの部分的な電流の間の周期的な切り替えによって定められる。切り替え要素Ｓ１およびＳ２を同時に動作させる場合、熱が追加して生成されず、したがってこの動作モードは、最新技術を反映する。さらに、この動作モードの場合、実効時間間隔ｔ＊が定められ、その間、第１の部分的な電流Ｉ１が、コイル抵抗Ｒ１を有する第１の巻線を通って流れる。実効時間間隔ｔ＊および期間の長さｔｓから、計量信号ｗは、次の比に従って決定することができる。
【０１２５】
ｗ＝ｔ＊／ｔｓ
したがって、計量信号ｗは、印加された力に直接関係付けられる。
【０１２６】
この実効時間間隔ｔ＊の間、第２の部分的な電流Ｉ２のフローは、コンデンサＣを流れる充電釣り合い電流を除き、中断される。実効時間間隔ｔ＊の終了時に、この動作モードの下で２つの切り替え要素Ｓ１およびＳ２を同時に作動させ、したがって残された時間間隔ｔｓ−ｔ＊の間、第２の部分的な電流Ｉ２が、コイル抵抗Ｒ２を有する第２のコイルを通って流れる。最後に、期間ｔｓの終了時に、２つの切り替え要素Ｓ１およびＳ２は、切り替えられてそれらの元の位置に戻され、したがって新しい期間が開始される。
【０１２７】
本発明によれば、追加の熱量を生成するために、第１の制御信号ＳＷＩ１は、実効時間間隔ｔ＊の終了時に対して遅延時間を有して切り替えられる。遅延時間の長さは、第１の時間間隔ｔｐ１によって表される、すなわち、切り替えが、時間ｔ＊＋ｔｐ１に起きる。同様に、第２の制御信号ＳＷＩ２は、期間ｔｓの開始時または終了時に切り替えられず、さらに第２の時間間隔ｔｐ２だけ遅延される、すなわち時間ｔｓ＋ｔｐ２に切り替えられる。これらの事象は、周期的に時間０、ｔｓ、２ｔｓ、３ｔｓなどにおいて繰り返される。したがって、各期間ｔｓ内に、第１の時間間隔ｔｐ１および第２の時間間隔ｔｐ２が存在し、その間、制御信号が重なる。これらの時間間隔の間、第１の部分的な電流Ｉ１および第２の部分的な電流Ｉ２は、抵抗値Ｒ１およびＲ２を有する第１および第２の巻線をそれぞれ通って、このように同時に流れている。これによって、これらの時間間隔中、熱が、巻線中において力中立で生成されるという結果がもたらされる。
【０１２８】
第１の時間間隔ｔｐ１および第２の時間間隔ｔｐ２は、同一になるように選択され、したがって、第１の制御信号ＳＷＩ１と、第２の制御信号ＳＷＩ２との間に対称性があることが好ましい。この対称性は、２つの遅延時間値ｔｐ１およびｔｐ２を共通の遅延時間値ｔｐの形でほぼ同一であるように選択することによって、達成される。
【０１２９】
好ましくは、共通の遅延時間値ｔｐは、次の式に従って計算される。
【０１３０】
【数６】
【０１３１】
ただし、ｔｓは、期間の長さを表し、ｗは、計量信号を表す。値ｗによって、遅延時間値ｔｐは、印加された負荷Ｌにこのように依存する。
【０１３２】
図８に、切り替え要素Ｓ１およびＳ２が、付随した論理ゲートを有するスイッチングトランジスタとして構成された、図６のブロック図の電子回路による実施の例を示す。この構成では、第１の切り替え要素Ｓ１は、スイッチングトランジスタのペアであって、それらスイッチングトランジスタは、それらのそれぞれの開と閉の状態の間を同時であるが、反対方向に変化するように構成される、スイッチングトランジスタのペアと、ゲートのペアであって、それらゲートは、スイッチングトランジスタに割り当てられ、互いを補完するように構成される、ゲートのペアとから形成され、したがって、第１の部分的な電流源ＰＢ１の接続が、第１の巻線（そのコイル抵抗Ｒ１によって表す）と共通の回路電位との間で、第１の制御信号ＳＷＩ１に従って切り替えることができる。第２の切り替え要素Ｓ２は、第１の切り替え要素Ｓ１と同じ方法で構成され、したがって第２の部分的な電流源ＰＢ２の接続が、第２の巻線（そのコイル抵抗Ｒ２によって表す）と共通の回路電位との間で、第２の制御信号ＳＷＩ２に従って切り替えることができる。
【０１３３】
第１の制御信号ＳＷ１および第２の制御信号ＳＷ２は、共通の制御信号ＳＷＩから、遅延要素Ｄならびに２つの論理ゲートＯＲおよびＮＡＮＤによって生成される。制御信号ＳＷＩは、この場合、単独で２つの部分的な電流Ｉ１とＩ２の間で同時に切り替えさせることになる、その制御信号として言うことができる。さて、本発明によれば、この制御信号ＳＷＩは、ゲートＮＡＮＤの第１の入力部に、ならびに遅延要素Ｄの入力部およびゲートＯＲの第２の入力部に送られる。遅延要素Ｄの出力部は、ゲートＮＡＮＤの第２の入力部に、ならびにゲートＯＲの第１の入力部に接続され、したがって共通の制御信号ＳＷＩは、遅延間隔ｔｐだけ遅延させられて、ゲートＯＲおよびＮＡＮＤを制御するために使用される。ゲートＯＲの出力信号は、第１の制御信号ＳＷＩ１になり、そしてゲートＮＡＮＤの出力信号は、第２の制御信号ＳＷＩ２になる。２つの制御信号ＳＷＩ１およびＳＷＩ２は、ここで、切り替え要素Ｓ１およびＳ２、より具体的には上記に述べたように相補ゲートのペアを制御するために使用される。
【０１３４】
図９に、大変簡略化された形で、図８による制御信号ＳＷＩ、ＳＷＩ１およびＳＷＩ２の時間プロファイルを表す。制御信号ＳＷＩから、第１の制御信号ＳＷＩ１が、ゲートＯＲによって生成され、第２の制御信号ＳＷＩ２が、ゲートＮＡＮＤによって生成される。この構成では、第１の制御信号ＳＷＩ１の立下りが、制御信号ＳＷＩに対して時間間隔ｔｐだけ遅延させられる。似たように、第２の制御信号ＳＷＩ２の立下りが、制御信号ＳＷＩに対して時間間隔ｔｐだけやはり遅延させられる。したがって、第１の遅延時間値ｔｐ１および第２の遅延時間値ｔｐ２が、等しくなるように選択され、それゆえ共通の遅延時間値ｔｐに対応する場合、結果として生じる状況が図７と同様になる。その結果、共通の遅延時間値ｔｐは、上記に述べた式に従って決定することができる。
【符号の説明】
【０１３５】
１ 力測定デバイス
２ 秤量皿
３ 表示器ユニット
１０ 力測定容器
４１ 片持ち伸張部
４２ 固定部分
４３ 垂直可動部分、垂直に変位可能な部分
４４ ガイド部材
４５、４７ 湾曲部、湾曲支え部
４６ レバー
４８ レバーアーム
４９ 結合要素
５０ 磁石システム
５１ 空隙
５３ コイル
５４ 位置センサ、位置測定デバイス
６０ 制御デバイスおよび／または調節デバイス
Ｌ 印加された力、負荷
Ｋ１、Ｋ２ 増幅係数
Ａ／Ｄ アナログ／デジタル変換器
Ｂ 磁石システムの磁場
Ｃ コンデンサ
ＣＵ 制御デバイスおよび／または調節デバイス
Ｄ、Ｄ１、Ｄ２ 遅延要素
ＤＳＰ デジタル信号処理ユニット
ＰＤ パワー分配器
Ｇ１、Ｇ２ 論理ゲート
ＮＡＮＤ、ＯＲ 論理ゲート
Ｉ 総電流
Ｉｃｐ 補償電流
Ｉｕ 全負荷時のコイル電流
Ｉ１、Ｉ２ 部分的な電流
Ｋ 補償力
Ｍ 電流測定デバイス
ＰＣＬ 位置調節器、位置制御デバイス
ＰＯ 補償力を生成するために、いずれの時点でも求められるパワーの量
Ｐｔｏｔ 全負荷時のコイルの総パワー、全負荷パワー
Ｐｔｇ 所与の所定のパワーの値
Ｐ＊ コイルの正規化されたパワー
Ｒ コイルの総抵抗
Ｒ１、Ｒ２ コイル抵抗
Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚ１、Ｒｚ２ 抵抗値
Ｕｃｔｌ 制御電圧
Ｕｏｆ１、Ｕｏｆ２ オフセット電圧
ＵＰＳ 測定信号
ＵＵ 位置調節器出力信号
ＵＨ１、ＵＨ２ 制御電圧
ＵＡ１、ＵＡ２ コイル電圧
ＰＥ パワー推定器
ＰＢ 電流供給デバイス
ＰＢ１、ＰＢ２ 電流ブースタ、部分的な電流源
Ｓ１、Ｓ２ 切り替え要素
ＳＷＩ、ＳＷＩ１、ＳＷＩ２ 制御信号
Ｖｐｏｓ／Ｖｎｅｇ 正／負供給電圧
ｗ 計量信号
Ｗ１、Ｗ２ 巻線、コイル部分
ｘ 制御量
ＸＧ 制御量発生器
ｔｓ 期間の長さ
ｔ＊ 実効時間間隔
ｔｐ、ｔｐｌ、ｔｐ２ 遅延時間値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力測定デバイスに、具体的には天秤に関し、それは、電磁気力による補償の原理を利用する。
【背景技術】
【０００２】
この測定原理の下で、補償力としても言われる拮抗力が生成され、その力は、力測定デバイスによって測定されるべき力に対抗する。この補償の結果、力を受け、それを伝達するように働く力測定デバイスの可動部分が、設定された位置を維持するように調節される。したがって、天秤の場合、秤量重りの重量は、測定されるべき力になり、可動部分は、天秤皿、レバー、ロッドまたは秤量容器などの構成要素を含む。
【０００３】
多くの場合、補償力は、電磁気コイルによって生成され、その電磁気コイルは、磁石システムの空隙内を移動することができるように配置され、コイルは、それを通じて送られる電流を通す。この電流は、補償電流として呼ばれ、生成される補償力の測定値を表し、それゆえ力測定デバイス上に作用する力の測定値になる。この補償電流を測定することによって、対応する測定信号が得られ、その信号は、信号処理ユニットで解析され、表示器デバイスに送られる結果に変換される。
【０００４】
電磁気力による補償に基づく力測定デバイスは、補償電流によってコイル中で生成されるパワーが、流れる電流の大きさに依存し、それゆえ所与の時間のどの時点においても、作用する力の大きさによって決定されるという欠点がある。したがって、次々と行われる異なる力または負荷の測定の場合、異なるレベルのパワーが生成され、熱の形で放出される。
【０００５】
放出される熱量が変動し、かつその結果として温度変化が生じることになり、その結果、ゼロ点および測定範囲の幅は、不安定になる恐れがある。したがって、これらの影響要因は、特に、その測定精度の不変性に関する厳格な要求事項を満たす必要がある力測定デバイスの場合、できるだけ一定に保つべきである。
【０００６】
既知の最新技術では、コイルのパワー散逸が一定で、かつ秤量負荷から独立した状態になるようにする様々な方法が提供されている。たとえば、電気的エネルギーを熱に追加して変換する、追加のパワー消費デバイスを使用することが可能である。その結果、コイルパワーおよびパワー消費デバイスの追加の消散されたパワーの合計からなるパワーの総量は、ほぼ一定の状態のままになる。この構成では、追加のパワー消費デバイスは、生成される補償力に影響を及ぼさないように、力に対する影響に関するその挙動において、できるだけ中立とすべきである。
【０００７】
たとえば、独国特許第ＤＥ ２８ １９ ４５１号に、様々な力中立のパワー消費デバイスが、パワートランジスタ、半導体抵抗器、または２本巻き巻線のコイルの形で開示されており、そのコイルの場合、２つのコイル部分は、それらの電流が逆並列であるように、すなわち、大きさが等しいがその方向が反対であるように制御される。２本巻き巻線を有し、電流フローが等しくて逆並列であるコイルは、互いを中立化させる２つの力を互いに生成し、したがってその結果は、その全体の影響において力中立であるパワー消費デバイスになる。その実現に基づくので、このコンセプトは、以下の欠点を有する。
−有効でないパワーが生成される位置は、有効なパワーが生成される位置と形状的に一致しない。その結果、力測定デバイス中の温度分布は、測定されるべき補償力にやはり依存する。
−有効でないパワーは、補償コイル内に配置された、電流フローが逆並列であるコイル部中で放出される。この構成の場合、力測定デバイスの効率の程度が減少される、というのは、補償力の最大レベルにおいてでさえ、コイルの一部分だけが力の生成に使用可能であるからである。
【０００８】
力中立のパワー消費デバイスを実現する、さらなる方法として、補償電流に交流を加えるコンセプトが、独国第特許ＤＥ ３１ ３６ １７１号に開示されている。したがって、コイルの合成された平均補償力は、基本的には変化しない状態のままであり、そして追加のパワー消費は、電流のＡＣ成分を通して達成される。電流の方向を交番させることによって、２つの巻線の間の差が、平均化される。熱生成のこの形には、ＡＣ成分によって平均補償電流が変化しないように防止するために、広範囲に及ぶ対策を採ることが必要になるという欠点がある。
【０００９】
この欠点は、交番して電圧が加えられ、反対方向で作用する、２つの別々の巻線を有するコイルを使用することによって、回避することができる。この構成では、第１の巻線を通って流れる電流が、第１の力を生成し、第２の巻線を通って流れる電流が、第２の力を生成する。平均値として、２つの力は、事実上作用する補償力になる合成力を生成することになる。
【００１０】
２つの電流の制御のために、第１の期間中は第１の巻線を通り、それに続く第２の期間中は第２の巻線を通るように補償電流を導くように働く切り替えデバイスが、スイス国特許第ＣＨ ６３４ ６５４号に開示されている。これは、結果として、２つの期間にわたる総補償電流が、かなりの程度まで、一定の状態のままになる。しかし、電流フローの周期的な切り替えによって、強い交番力がコイル中に生成され、したがってかなりの量の可聴ノイズが引き起こされる。
【００１１】
フィルタ要素または平滑コンデンサによる電流の険しい周期的な交番がもたらすマイナスの影響を軽減するために、努力がなされた場合、コイル中のパワー散逸は、特定の瞬間のどれにおいても、生成された補償力に再び強く依存することになり、したがって所与の時間のどの時点においても、存在する秤量負荷に強く依存することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】独国特許第ＤＥ ２８ １９ ４５１号
【特許文献２】独国特許第ＤＥ ３１ ３６ １７１号
【特許文献３】スイス国特許第ＣＨ ６３４ ６５４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、本発明の目的は、力測定デバイスを提案することであり、その力測定デバイスは、電磁気力による補償の原理に基づいており、かつ力測定デバイスの簡単で費用効率が高い設計および動作を達成することができ、同時に力測定デバイスが、その測定精度および効率に関する厳しい要求事項を満たすことによって、特色づけられるものである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、上記の要求事項を満たし、かつ不愉快なノイズを発することなく動作させることができる、力測定デバイスを提案することである。
【００１５】
さらなる目的は、巻線のために利用できるスペースの最適な使用を達成することである。これは、巻線を保持するコイルシステムの一部分に割り当てられたスペースである。それは、本質的に、永久磁石の寸法によって、具体的にはコイルシステムが配置される磁石の隙間の寸法によって、範囲が定められる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
これらの課題は、力測定デバイスを用いて、および独立請求項に表された特徴を保有する方法によって解決される。本発明の有利な実施形態は、さらなる従属請求項に述べられる。
【００１７】
本発明は、力測定デバイスに、具体的には天秤に関し、それは、電磁気力による補償の原理に基づいており、磁石システム中に配置され、少なくとも２つの巻線を有する可動な電気コイルを備え、さらに、少なくとも２つの部分的な電流源を有する電流供給デバイスであって、上記の巻線のそれぞれは、上記の部分的な電流源の１つが、それに割り当てられる、電流供給デバイスを備え、さらに、部分的な電流源によって、巻線への電流の供給を制御する、および／または調節する、制御デバイスおよび／または調節デバイスであって、その制御および／または調節する方法は、力測定デバイス上に作用する力に依存して、電流によって生成される少なくとも２つの電磁気力の合計が補償力を形成し、かつ同時に、コイルによって消散されるパワーが、常に、所与の所定の値を取る方法で、その電流は、巻線のそれぞれを通じて送られる方法である、制御デバイスおよび／または調節デバイスを備える。この方法によって個々にかつ同時に電流が巻線に供給されるので、コイル中の熱発生速度は、電流フローの方向を周期的に交番させることなく、簡単で効率的な方法で制御することができる。さらに、基本的に直流の形で電流供給を行った場合、可聴ノイズの問題は、存在しない。
【００１８】
パワーの所与の所定の値は、補償力を発生するために各瞬間で求められるパワーより大きくする必要があり、さもないと、求められる補償力は、生成することができない。この制約を除けば、パワーの所与の所定の値は、原理上は、自由に選択することができる。たとえば、この値は、最適な温度分布を得るために、力測定デバイス上に作用する負荷に応じて指定することができる。しかし、パワーの所与の所定の値は、実施形態の例で述べるように、特定の所定の条件に従って定めることもできる。
【００１９】
本発明は、さらに、力測定デバイス、具体的には天秤を制御するのに適したデバイスに関し、それは、電磁気力による補償の原理に基づいており、磁石システム中に配置され、少なくとも２つの巻線を有する可動の電気コイルを備え、そして、上記の巻線に電流を供給するために次の方法を使用する。その方法は、力測定デバイス上に作用する力に応じて、電流によって生成される電磁気力が、それらの全体的な外側への作用において補償力を形成する方法で、その電流は、巻線のそれぞれを通じて送られる方法である。この構成では、少なくとも２つの電流が、巻線を通じて送られ、電流のそれぞれの強さは、コイル中に生成された総パワーを考慮して、上記のパワーの大きさが一定の状態のままであり、かつ合成された補償力から独立した状態のままである方法によって、制御される、および／または調節される。
【００２０】
コイルが２つ以上の部分を有しているので、電流を管理するために、追加の自由度が得られ、それによって、コイル中で消散される全体のパワーを、求められる補償力から独立に制御する可能性がもたらされる。言い換えると、力の発生およびコイル中のパワーを、互いから独立に、それらが互いに対して影響を相互に及ぼさない方法で、制御および／または調節することが可能になる。
【００２１】
このコンセプトは、パワーの全体のレベルをより高めることが可能になるという、重要な利点がある。その結果、測定範囲は、同じてこ比を保ちながら、著しく拡大することができる。たとえば、０〜４００グラムの測定範囲は、０グラム〜１キログラムの測定範囲まで拡大することができる。その代替えとして、または追加として、より小さいてこ比を使用することも可能である。
【００２２】
本発明は、個々の巻線のワイヤが一緒に巻かれている場合（すなわち、２つのワイヤの場合、２本巻き巻線の形である場合）、殊に有利であることが判明している。この種の巻線構成の場合、力測定デバイスの構成要素中のパワー散逸によって生じる温度、および上記の温度の局所的な分布は、最適に一定に保たれ、それによって、力測定デバイスの測定の精度および安定性が、高いレベルで達成される。
【００２３】
本発明の有利な実施形態では、所与の所定の値が一定である。このコンセプトの下で、所与の所定の値は、力測定デバイスの全負荷範囲にわたって一定とすることができ、あるいは負荷範囲の一部分だけで一定とすることもできる。たとえば、所与の所定の値は、ゼロ負荷から能力の８０％の範囲内では一定であるとして規定する、および所与の所定の値は、能力の８０％〜１００％の範囲内では、補償力を生成するために、その瞬間に求められるパワーがどのようであっても、それに従って規定することが考えられる。この結果として、負荷に対するパワー散逸から少なくとも部分的に独立であって、測定の高い安定性が達成される。
【００２４】
さらに有利な実施形態では、所与の所定の値は、力測定デバイスの測定能力内の負荷範囲について、具体的にはデバイスが可能である全負荷範囲について得られる異なるパワーの値に対して、最小値になる。これによって、コイルと大気温度の間の温度差をできるだけ低いレベルに保つことが可能になる、というのは、過度な熱の発生が避けられるからである。
【００２５】
好ましくは、本発明による力測定デバイスは、電流測定デバイスを含み、それは、測定された値に応じて、巻線を通る電流を制御する、および／または調節することができるように、力補償電流または力補償の複数の電流を測定する。
【００２６】
さらなる実施形態によれば、力測定デバイスは、補償力を生成するために、所与の瞬間のどれにおいても求められるコイル中のパワーを決定するように働くパワー推定器を含む。部分的な電流の合計に基づき、具体的には次の式を使用して、コイルのパワーを計算する、および／または推定することが、さらに好ましい。
【００２７】
Ｐ０＝Ｒ×（Ｉ１＋Ｉ２）２
ただし、Ｒは、コイルの総抵抗を表し、Ｉ１およびＩ２は、互いに対して並列に走るコイル巻線（Ｗ１およびＷ２）の部分的な電流を表す。２つのコイル巻線の並列構成に基づくコイルの総抵抗Ｒは、次の式を用いて得られる。
【００２８】
Ｒ＝１／（１／Ｒ１＋１／Ｒ２）
次に、制御および／または調節のための所与の所定の値Ｐｔｇは、瞬時パワーＰ０から導かれる。このようにして、簡単で効率的な方法で制御を確立することができる。
【００２９】
所与の所定の値Ｐｔｇが、最大の補償力におけるコイルのパワーになっている場合は、殊に有利である。
【００３０】
本発明による力測定デバイスは、少なくとも２つの電流を大部分直流として生成することを可能にする、適切な制御デバイスおよび／または調節デバイスを備えていることが、好ましい。この制御デバイスおよび／または調節デバイスは、複数のディスクリート回路要素から、または集積回路から組み立てることができ、あるいは、マイクロプロセッサ中のプログラム部分の形で実装することができる。集積度が高い場合は殊に、制御デバイスおよび／または調節デバイスの特に費用効率が高い設計を実現することが可能である。
【００３１】
さらなる実施形態では、力測定デバイスは、制御量を計算する目的のための制御量発生器を有し、その制御量は、部分的な電流源を制御する、および／または調節するように働き、具体的には非線形関数として構成され、いずれの時点でも、補償力を生成するために求められるパワーＰ０に依存する。
【００３２】
力測定デバイスは、制御量に従って部分的な電流源を制御する、および／または調節するように働くパワー分配器、具体的にはデジタルポテンショメータを含むことが好ましい。これによって、費用効率が高い設計を、規格構成要素を用いて達成することが可能になる。
【００３３】
さらに好ましい実施形態では、制御量発生器は、制御量ｘが次の式に従って計算されるように構成される。
【００３４】
【数１】
【００３５】
ただし、ａ、ｂおよびｃは、所与の定数を表し、Ｐ＊は、コイルの正規化されたパワーを表し、その正規化パワーは、コイルの全負荷パワーＰｔｏｔおよび瞬時パワーＰ０の項として、次のように計算される。
【００３６】
Ｐ＊＝Ｐｔｏｔ／Ｐ０
この観点から瞬時パワーＰ０は、いずれの時点でも求められる補償力を生成するために必要なパワー量である。
【００３７】
さらに好ましい実施形態では、部分的な電流源のそれぞれは、コイル巻線に電流を供給するために、それぞれのコイル巻線に直接接続される。これによって、それぞれのコイル巻線中の電流は、直接制御され、および／または調節され、したがって特に効率的な方法で制御する、および／または調節することが可能になる。
【００３８】
さらに、部分的な電流源は、所与のオフセット電圧に従って、少なくとも１つのコイル巻線に直流を供給するために、設けることが有利である。
【００３９】
本発明の有利な実施形態では、力生成コイルは、複数の部分に、好ましくは別々で並列に制御される２つの部分に分割され、コイル部分の巻線は、同じ巻き数を有することが好ましい。これは、巻線のそれぞれが補償力への負担分を生成することが可能であり、巻線が並列で動作した場合、部分的な電流の合計Ｉ＝ΣＩｉが、補償力を生成するために求められる補償電流を構成することを意味する。２つ以上の部分からなる、この種の力生成コイルの場合、２つの部分からなり、その部分のそれぞれが、部分的な電流源、いわゆる電流ブースタから別々に供給されることが好ましい。この構成は、力測定デバイスの可動部分を釣り合った状態に保持するために求められる補償電流を測定する電流測定デバイスをさらに含む。この補償電流に基づくパワー推定器を使用して、力測定デバイスを釣り合い状態にするために求められる補償力は、本発明に従って、コイル全体のパワーが、いずれの時点でも求められる補償力から独立した最小値で一定に保たれる方法で、パワー分配器の助けを得てコイル部分を適切に制御することによって、生成される。
【００４０】
本発明の有利な実施形態では、少なくとも２つの電流は、コイルの補償電流の瞬時パワーに依存する制御量に従って、同時に制御され、および／または調節される。この簡略化されたコンセプトは、制御の複雑さを減少させ、したがって特に費用効率が高く安定した回路を構築する可能性を広げる。
【００４１】
本発明のさらに有利な実施形態では、最大の補償電流においてコイル中で生成される総パワーは、
Ｐｔｏｔ＝ΣＲｉ×Ｉｉ２
であり、ただし、Ｒｉは、抵抗値を表し、Ｉｉは、互いに対して並列に走るコイル巻線の部分的な電流を表す。
【００４２】
補償電流Ｉｃｐが実際の計量信号ｗになるので、この電流値は、測定する必要があり、必要なら、変換され、その値が求められる。Ｉｃｐの値の基づき、その瞬間において求められるように補償力を生成するために、放出する必要があるコイルパワーＰ０は、次の基本式によって決定される。
【００４３】
Ｐ０＝Ｒ×Ｉｃｐ２
ただし、Ｒは、コイル全体のオーム等価インピーダンスを表し、Ｉは、瞬時補償電流Ｉｃｐを表す。
【００４４】
本発明の特に有利な実施形態では、電流の強さは、
Ｉ１＝ｘ×Ｉ＋Ｉｏｆｆｓｅｔ１
Ｉ２＝（１−ｘ）×Ｉ−Ｉｏｆｆｓｅｔ２
であり、２つのコイル部分を有するコイルでは、総パワーに依存する、少なくとも１つの非線形関数に従って、制御される。
【００４５】
この関数は、基本的に次の式によって決定されることが好ましい。
【００４６】
【数２】
【００４７】
ただし、ａ、ｂおよびｃは、定数であり、Ｐ＊＝Ｐｔｏｔ／Ｐ０は、最大補償電流におけるコイルの全負荷パワーＰｔｏｔと、補償力を生成するために、いずれの時点においても求められるパワーＰ０との間の比を表す。関数のこのプロファイルによって得られるものは、総コイルパワーは、秤量負荷に対する独立度が最適になるということである。また、同様の特性を有する、他の適切に設計された関数プロファイル、たとえば簡単な、または次数がより高い多項式の合成物、あるいは指数関数の合成物を使用することが考えられる。
【００４８】
この計算は、力測定デバイス中に構成された制御デバイスおよび／または調節デバイスによって、実施されることが好ましい。たとえば、これらの演算は、簡単な回路によるアナログのプロセスを通じて、またはマイクロプロセッサ中の少数の計算ステップによるデジタルのプロセスを通じて実施することができる。
【００４９】
本発明の特に有利な実施形態では、オフセット電流が、２つのコイル電流のそれぞれ上に重ねられる。これらの電流の目的は、補償電流が小さいときでさえ、一定レベルのパワーをコイル中に生成するということである。このコンセプトの好ましい実施では、制御デバイスおよび／または調節デバイスは、所与のオフセット電圧に従って巻線に直流を供給するために、各コイル巻線に専用で各コイル巻線に接続された部分的な電流源を有する。
【００５０】
本発明のこの実施形態によるデバイスは、補償電流がその最小値と最大値の間で極性を変化させる、させないにせよ、それにかかわらず、力測定デバイスの可動部分を釣り合った状態にさせる能力を常に保持する。
【００５１】
本発明のさらなる実施形態では、制御デバイスおよび／または調節デバイスは、少なくとも２つの切り替え要素を含み、それらは、部分的な電流を実質的にパルス形状の形に変調するように働き、部分的な電流の時間プロファイル中で、部分的な電流がその間同時に流れている時間間隔を規定することができる。切り替え要素を使用した簡単かつ費用効率が高い手段によって、追加の熱量を生成することが可能になる。
【００５２】
時間プロファイルのための基礎は、期間の長さによって特徴付けられる、周期的なプロセスである。このプロセスでは、期間は、切り替え要素の同時で周期的な切り替えによって定められ、それによって、２つの部分的な電流の切り替えが実施される。切り替え要素のこの同時の作動の場合、追加の熱が生成されず、したがってこの動作モードは、最新技術を反映する。さらに、この動作モードのために、第１の部分的な電流が、その間、第１の巻線を通って流れる実効時間間隔ｔ＊が定められる。実効時間間隔ｔ＊および期間の長さｔｓから、次の比に従って計量信号ｗを決定することができる。
【００５３】
ｗ＝ｔ＊／ｔｓ
したがって、計量信号は、印加された力に直接関係付けられる。
【００５４】
本発明によれば、追加の熱量を生成するために、第１の制御信号が、実効時間間隔ｔ＊の終了時に対して遅延時間を有して、切り替えられる。遅延時間の長さは、第１の時間間隔ｔｐ１として言われる、つまり、切り替えは、時間ｔ＊＋ｔｐ１に起こる。同様に、第２の制御信号は、期間ｔｓの開始時または終了時には切り替えられず、第２の時間間隔ｔｐ２だけ遅延されて、すなわち時間ｔｓ＋ｔｐ２に切り替えられる。これらの事象は、周期的に時間０、ｔｓ、２ｔｓ、３ｔｓなどにおいて繰り返される。したがって、各期間ｔｓ内に、第１の時間間隔ｔｐ１および第２の時間間隔ｔｐ２が存在し、その間、制御信号が重なり合う。したがって、これらの時間間隔中、第１の部分的な電流および第２の部分的な電流は、第１および第２の巻線をそれぞれ通って同時に流れる。これによって、これらの時間間隔中、熱が、巻線中で力中立の形で生成されるという結果がもたらされる。
【００５５】
第１の時間間隔ｔｐ１および第２の時間間隔ｔｐ２は、同一であるように選択され、したがって第１の制御信号ＳＷＩ１と第２の制御信号ＳＷＩ２の間で対称であることが、好ましい。この対称性は、２つの遅延時間値ｔｐ１およびｔｐ２について、共通の遅延時間値ｔｐの形でほぼ同一であるという選択を通じて達成される。
【００５６】
好ましくは、共通の遅延時間値ｔｐは、次の式によって計算される。
【００５７】
【数３】
【００５８】
ただし、ｔｓは、期間の長さを表し、ｗは、計量信号を表す。値ｗによって、遅延時間値ｔｐは、印加された力Ｌにこのように依存する。
【００５９】
有利な実施形態では、制御デバイスおよび／または調節デバイスは、少なくとも１つの遅延要素を含み、それは、制御信号によって切り替え要素を制御する目的のために、少なくとも１つの切り替え要素に接続され、その制御信号は、時間間隔に対応する遅延時間値に依存する。これによって、制御信号を生成するための簡単な方法がもたらされる。
【００６０】
本発明のさらに有利な実施形態では、制御デバイスおよび／または調節デバイスは、印加された力に応じて遅延時間値を計算することを可能にする算術ユニットを含み、その算術ユニットは、計算された遅延時間値を遅延要素に伝えるために、遅延要素に接続される。この構成によって、調節における複雑な関係を合体化させるための簡単な方法がもたらされる。
【００６１】
本発明のさらに好ましい実施形態では、力測定デバイスは、測定ユニットを含み、それは、印加化された力に応じた測定信号を算術ユニットに伝える目的のために、算術ユニットに接続され、その測定信号から、負荷に応じた遅延時間値を、算術ユニット中で計算することができる。
【００６２】
また、本発明は、３つ以上のコイル巻線を有するコイルに関する設計において使用することができる。たとえば、３つのコイル巻線を有するコイルでは、巻線の中の２つが一方向に力を生成することができ、さらに、残された巻線がその反対方向の力を生成する。４つのコイル巻線を有するコイルの場合、力は、同様な方法で組み合わすことができる。
【００６３】
本発明による方法の細部および本発明によるデバイスは、図面に大変図式的な方法で示した実施形態の説明から明らかになるはずである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】天秤１を示す図であり、その天秤は、その設計に関して例として働くことができ、象徴的に示した負荷Ｌ、秤量皿２および表示器ユニット３を備えている、図である。
【図２】電磁気力による補償のコンセプトに基づく、力測定容器１０の原理を断面図で示す図であり、コイル５３が、磁石システム５０の空隙５１中で移動するように配置される、図である。
【図３】例として、本発明による制御デバイスおよび／または調節デバイスＣＵの概略ブロック図、電流測定デバイスＭ、信号処理ステージのＡ／ＤおよびＤＳＰ、図式的に描いた磁石システム５０、ならびに図２による、２つのコイル巻線Ｗ１およびＷ２を有するコイルシステム５３を示す図である。
【図４】図４ａは、関数ｘ（Ｐ０）の形状に関する、すなわち補償力を生成するために、いずれの時点でも求められるパワーＰ０の関数としての制御変数ｘに関する例を示す図である。
【００６５】
図４ｂは、図４ａの例に関連付けられたコイル電圧ＵＡ１およびＵＡ２を示す図である。
【００６６】
図４ｃは、図４ａの例に関連付けられた電流ＩＡ１およびＩＡ２を示す図である。
【００６７】
図４ｄは、コイルシステムの関連した総パワーＰｔｏｔを示す図である。
【図５】簡略化した、例としての、図３のブロック図の細部を示す図であり、パワー分配器ＰＤがデジタルポテンショメータの形であり、２つの部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２が、そのデジタルポテンショメータの下流にある、図である。
【図６】関連するコイルにパルス形状の電流を供給するために、制御信号ＳＷＩ１およびＳＷＩ２によってそれぞれ制御される切り替え要素Ｓ１およびＳ２を備えた、さらなる実施形態の大変簡略化されたブロック図を示す図である。
【図７】大変簡略化された形で、図６に示した制御信号ＳＷＩ１およびＳＷＩ２の時間グラフを示す図である。
【図８】切り替え要素Ｓ１およびＳ２が、単一の共通の制御信号ＳＷＩによって制御されるスイッチングトランジスタとして構成された、図６のブロック図の電子回路による実施の例を示す図である。
【図９】大変簡略化された形で、図８に示した制御信号ＳＷＩ、ＳＷＩ１およびＳＷＩ２の時間グラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
図１に、象徴的に示した負荷Ｌをかけられた天秤１の形で、力測定デバイスの例を示す。天秤の場合、測定されるべき力Ｌは、通常、測定されるべき分銅または秤量重りの秤量負荷であり、それは、秤量皿２上に作用する。天秤１の目的は、印加された力Ｌに対して正確で安定な出力値に到達することであり、それは、表示器ユニット３、たとえばデジタル液晶ディスプレイ上に表示される。
【００６９】
図２に、大変簡略化された断面の図面で、電磁気力による補償の原理に基づく、計量技術の分野で使用するのに適した力測定容器１０を示す。力測定容器１０は、湾曲部４５を介してガイド部材４４のペアの端部に結合された固定部分４２および垂直に変位可能な部分４３を有する、平行に誘導するリンケージを備えた力伝達機構を含む。垂直に変位可能な部分４３は、測定されるべき負荷Ｌ（図式的に示す）を受けるように働く、片持ち伸張部４１の形の秤量皿を保持する。負荷Ｌによって生じる力の垂直成分が、垂直に変位可能な部分４３から結合要素４９を介してレバー４６の短レバーアーム４８に伝達される。レバー４６は、固定部分４２の一部分上の湾曲支え部４７によって支持される。力測定容器は、カップ形状の磁石システム５０をさらに含み、それは、空隙を含み、固定接続部によって固定部分４２に取り付けられる。空隙５１中に配置されるのは、レバー４６のより長いレバーアームに接続されたコイル５３である。コイル５３は、電流、いわゆる補償電流Ｉｃｐを通し、その大きさは、レバー４６上に作用する力に依存する。レバー４６の位置は、制御デバイスおよび／または調節デバイス６０に接続された位置測定デバイス５４によって、測定される。制御デバイスおよび／または調節デバイス６０は、位置測定デバイス５４から受け取った測定信号に基づき補償電流Ｉｃｐを、レバー４６が、同じ位置に常に保持される方法で、または負荷の変化が生じた後、レバー４６が同じ位置に戻される方法で、制御する、および／または調節する。
【００７０】
この測定原理によれば、電磁気コイルは、レバー上に作用する力、つまり印加された力Ｌに対抗する、いわゆる補償力Ｋを生成する。補償力Ｋを生成する補償電流Ｉｃｐは、測定されるべき印加された力Ｌの測定値を表す。この補償電流Ｉｃｐの大きさを決定し、その後に適切な信号処理を実施することによって、計量信号ｗが生成され、それは、天秤の表示器ユニットに送られ、そこで対応する測定値として表示される。しかし、また、計量信号ｗは、さらなる処理ユニット、たとえば主コンピュータ、システムコントローラまたは遠隔位置のコントローラユニットに送ることができる。
【００７１】
電磁気コイル５３は、電気的に伝導性で絶縁されたコイルワイヤの１つまたは複数の巻線から構成される。図２の簡略化された描写では、コイルワイヤの数巻きだけが概略的に示されている。しかし、通常、コイル５３は、大きい巻き数、たとえば数百回の巻線を有する。
【００７２】
印加された力Ｌの大きさが変動することに応じて、それに対応する形で変動する補償電流Ｉｃｐが、コイル５３を通じて送られる。その結果、負荷依存の瞬時パワーＰ０が、コイル５３中に生成され、したがって、それは、熱源として振る舞う。この熱源によって、影響を受けた構成要素、具体的にはコイル５３および磁石システム５０の温度変化が、それに対応して引き起こされる。本発明は、負荷から独立したパワー量を使用することによって、追加の温度上昇および力測定デバイス中のその分布を、できるだけもっとも一定した状態に、かつもっとも低いレベルに保つことを目的とする。
【００７３】
例として、図３に、制御デバイスおよび／または調節デバイスＣＵの概略ブロック図、電流測定デバイスＭ、アナログ／デジタル変換器Ａ／Ｄおよびデジタル信号処理ユニットＤＳＰの形の信号処理ユニット、および図２による、２つのコイル巻線Ｗ１およびＷ２を有するコイル５３を有する図式的に描かれた磁石システム５０を示す。カップ形状の磁石システム５０は、その空隙中で、第１のコイル巻線Ｗ１および第２のコイル巻線Ｗ２を囲繞する磁場Ｂを生成する。より明確にするために、磁石システム５０は、その円筒形のシェルを切り開いて示してある。
【００７４】
コイル５３のコイル巻線Ｗ１およびＷ２のそれぞれは、単一巻きで象徴的に示してあるが、実際には、コイル巻線は、通常、巻き数が大きい。第１のコイル巻線Ｗ１は、実線として示してあり、第２のコイル巻線Ｗ２は、破線として示してある。
【００７５】
位置測定デバイスによって生成される測定信号ＵＰＳは、位置制御デバイスＰＣＬに送られ、そこでその値が求められ、必要なら、送るために、適切な形に処理される。位置制御デバイスＰＣＬの出力部は、パワー分配器ＰＤの第１の入力部に接続され、したがって位置制御デバイスＰＣＬの位置調節器出力信号ＵＵが、パワー分配器ＰＤのための第１の入力変数として利用できる。この構成では、位置調節器出力信号ＵＵは、位置測定デバイスからの入力として受け取った測定信号ＵＰＳに対応し、したがってパワー分配器ＰＤは、力測定デバイス上に作用する力Ｌに依存した入力量を受け取る。
【００７６】
パワー分配器ＰＤは、その出力部側で２つの部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２、いわゆる電流ブースタに接続され、したがってパワー分配器ＰＤによって生成される制御電圧ＵＨ１およびＵＨ２は、互いから独立して、部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２に送ることができる。
【００７７】
第１の増幅係数Ｋ１を使用して、第１の部分的な電流源ＰＢ１は、第１のコイル電圧ＵＡ１を生成し、それは、第１の部分的な電流源ＰＢ１の出力部に存在する。第１の部分的な電流源ＰＢ１の出力端子は、第１の巻線Ｗ１の第１のコネクタ端子に接続され、第１の巻線Ｗ１の第２のコネクタ端子は、グラウンド電位に接続される。第１の巻線Ｗ１のライン抵抗、いわゆる第１のコイル抵抗Ｒ１は、抵抗器（点線）として等価回路の要素の形で表現される。ここで、巻線Ｗ１の第１のコネクタ端子が第１のコイル電圧ＵＡ１に保たれた場合、部分的な電流源ＰＢ１によって生成され、その大きさが、第１のコイル抵抗Ｒ１に依存する第１の電流Ｉ１は、第１の巻線Ｗ１を通ってグラウンド電位に流れることになる。
【００７８】
第１の部分的な電流源ＰＢ１と同じようにして、かつ第１の部分的な電流源ＰＢ１から独立して、第２の部分的な電流源ＰＢ２は、コイルの第２の巻線Ｗ２に接続される。同様に、第２の増幅係数Ｋ２を使用して、第２のコイル電圧ＵＡ２が第２の部分的な電流源ＰＢ２によって生成され、したがって部分的な電流源ＰＢ２によって生成され、その大きさが第２のコイル抵抗Ｒ２に依存する第２の電流Ｉ２は、第２の巻線Ｗ２を通ってグラウンド電位に流れることになる。
【００７９】
第１の部分的な電流源ＰＢ１および第２の部分的な電流源ＰＢ２は、一点鎖線によって示すように、電流供給デバイスＰＢに組み合わすことができる。
【００８０】
第１の巻線Ｗ１のグラウンド電位への接続、および第２の巻線Ｗ２のグラウンド電位への接続は、共通の導体ラインに結合され、したがってコイル電流Ｉ１およびＩ２は、回路のこの部分で互いに結合され、コイル電流Ｉ１およびＩ２の合計が、補償電流Ｉｃｐを形成し、それは、グラウンド電位に流れる。
【００８１】
合計電流の大きさ、すなわち、補償電流Ｉｃｐは、コイル中に生成される補償力Ｋの測定値を表し、したがって力測定デバイス上に作用する力Ｌの測定値になる。したがって、補償電流Ｉｃｐは、電流測定デバイスＭによって測定され、対応する測定信号が、計量信号ｗの形で生成され、それは、アナログ／デジタル変換器によってデジタル形式に変換される。Ａ／Ｄ変換器の下流に配置されたデジタル信号処理ユニットＤＳＰ中で、計量信号ｗは、さらなる処理を受ける。デジタル信号処理ユニットＤＳＰは、たとえば、増幅器、低域通過フィルタまたは正規化器を含むことができる。デジタル信号処理ユニットＤＳＰの出力部において、処理済の計量信号が、ここで、さらなる使用のために、たとえばディスプレイ上に表示する、または主コンピュータに送るために利用できる。
【００８２】
アナログ／デジタル変換器Ａ／Ｄの出力部は、パワー推定器ＰＥに接続され、それゆえ補償電流Ｉｃｐに対応するデジタル計量信号ｗは、パワー推定器ＰＥの入力部に示される。パワー推定器ＰＥは、次の式に従って補償力を生成するために、その瞬間にコイル中で必要なパワーＰ０を推定する。
【００８３】
Ｐ０＝Ｒ×Ｉｃｐ２
ただし、Ｒは、コイル５３の総抵抗を表し、Ｉｃｐは、計量信号ｗに対応する補償電流の大きさを表す。２つの巻線Ｗ１およびＷ２は、回路中で互いに対して並列であるので、コイルの総抵抗Ｒは、次の式によって見出される。
【００８４】
Ｒ＝１／（１／Ｒ１＋１／Ｒ２）
ただし、Ｒ１は、第１のコイル抵抗を表し、Ｒ２は、第２のコイル抵抗を表す。抵抗値Ｒ１およびＲ２が等しい場合、Ｒは、第１のコイル抵抗の２分の１に等しくなる、すなわちＲ＝Ｒ１／２になる。
【００８５】
さらに、パワー推定器ＰＥは、次の関係に従って正規化定数Ｐｔｏｔの観点から、コイル中の瞬時パワーＰ０を正規化する機能を果たす。
【００８６】
Ｐ＊＝Ｐｔｏｔ／Ｐ０
ただし、Ｐ＊は、コイルの正規化されたパワーを表し、Ｐｔｏｔは、全負荷におけるコイルの総パワーを表す。
【００８７】
力測定デバイスの場合、用語「ゼロ負荷」は、力が力測定デバイス上に作用しない場合の動作条件を定義し、一方用語「全負荷」は、印加された力Ｌが測定可能な力の指定された最大値に等しい場合の動作条件を定義し、全負荷パワーＰｔｏｔは、次の式に従って計算することができる。
【００８８】
Ｐｔｏｔ＝Ｒ×ＩＵ２
ただし、ＩＵは、全負荷時の補償電流Ｉｃｐを表す。
【００８９】
したがって、コイルの正規化パワーＰ＊は、ゼロ負荷に対する無限大の値と全負荷に対する１の値との間になる。
【００９０】
パワー推定器ＰＥの出力部は、制御量発生器ＸＧの入力部に接続され、したがって、コイルの正規化パワーＰ＊に対応する値を制御量発生器ＸＧに送ることができる。
【００９１】
手元にある場合、制御量発生器ＸＧは、入力量から、すなわち正規化パワーＰ＊から次の式に従って制御量ｘを計算する。
【００９２】
【数４】
【００９３】
したがって、制御量ｘの値は、ゼロ負荷時における１／２の値と、全負荷時における０の値との間になる。
【００９４】
制御量発生器ＸＧの出力部は、計算された制御量ｘをパワー分配器ＰＤに送るために、パワー分配器ＰＤの第２の入力部に接続され、したがってパワー分配器は、第２の入力量として制御量ｘを受け取る。
【００９５】
パワー分配器中で、２つの上記の制御電圧ＵＨ１およびＵＨ２が、制御量ｘおよび上記に述べた位置調節器出力信号ＵＵから、次の式に従って決定される。
【００９６】
ＵＨ１＝ＵＵ×ｘ＋Ｕｏｆ１
ＵＨ２＝ＵＵ×（１−ｘ）＋Ｕｏｆ２
２つの制御電圧ＵＨ１およびＵＨ２が決定された後、上記に述べた部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２がそれによって制御される量が、ここで利用できる。その結果、これによって、ループが閉じられて、パワー分配器ＰＤが上記に述べたように機能することが可能になる。
【００９７】
したがって、この回路構成は、２つの制御ループ、すなわち補償力Ｋの調節のための第１の制御ループ、および巻線Ｗ１およびＷ２中で生成される総パワーＰｔｏｔが、補償力Ｋの異なる強さの範囲にわたって、基本的に一定である方法で電流を分配するための第２の制御ループを表す。
【００９８】
回路の個々の構成要素は、たとえば、制御ユニットおよび／または調節ユニットＣＵ（破線で示す）として、互いに適切に組み合わすことができる。さらに、回路の構成要素、具体的にはパワー推定器ＰＥおよび制御量発生器ＸＧは、集積回路中の機能ブロックとして、またはマイクロプロセッサ中のプログラム部分として実現することができる。したがって、制御デバイスおよび／または調節デバイスＣＵは、アナログまたはデジタルの設計、あるいはどのような種類の組み合わせた構成を使用しても、構築することができる。
【００９９】
本発明の特に有利な実施形態では、第１の部分的な電流源ＰＢ１は、規定された固定の大きさの追加の第１のオフセット電圧Ｕｏｆ１を有して第１の電流Ｉ１を生成する。似たように、第２の部分的な電流源ＰＢ２は、規定された固定の大きさの追加の第２のオフセット電圧Ｕｏｆ２を有して第２の電流を生成する。したがって、次の電流Ｉ１およびＩ２は、巻線Ｗ１およびＷ２をそれぞれ通って流れる。
【０１００】
Ｉ１＝Ｋ１／Ｒ１×（ｘ×ＵＵ＋Ｕｏｆ１）
Ｉ２＝Ｋ２／Ｒ２×（（１−ｘ）×ＵＵ＋Ｕｏｆ２）
ただし、Ｕｏｆ１およびＵｏｆ２は、オフセット電圧を表し、これらの式中のさらなるシンボルは、ここで以前に定義されたものと同じである。
【０１０１】
オフセット電圧Ｕｏｆ１およびＵｏｆ２は、全負荷時の合計電流ＩＵの観点から、次の式に従って決定することが好ましい。
【０１０２】
Ｕｏｆ１＝Ｒ１×ＩＵ／Ｋ１／２
Ｕｏｆ２＝−Ｒ２×ＩＵ／Ｋ２／２
ただし、ＩＵは、コイル電流を表し、それは、最新技術の力測定デバイス中で、全負荷の下で生じることになるはずである。
【０１０３】
したがって、オフセット電圧Ｕｏｆ１およびＵｏｆ２を追加した結果として、直流が、電流Ｉ１およびＩ２のそれぞれ上に重ねられる。
【０１０４】
図４ａに、関数Ｆ（Ｐ０）の形状に関する、すなわち補償力を生成するために、いずれの時点でもコイル中に求められるパワーＰ０の関数としての制御変数ｘに関する例を示す。このグラフでは、制御量ｘは、縦座標として表され、補償力を生成するために、所与の時点で求められるパワーＰ０は、横座標として表される。関数Ｆ（Ｐ０）のプロファイルは、以前に述べた式に対応する。
【０１０５】
【数５】
【０１０６】
なお、
Ｐ＊＝Ｐｔｏｔ／Ｐ０
であり、ただし、Ｐ＊は、コイルの正規化されたパワーを表し、全負荷パワーＰｔｏｔは、正規化定数を表し、Ｐ０は、いずれの時点でも求められるパワーを表す。
【０１０７】
ゼロ負荷時、すなわちＰ０＝０であるとき、制御量ｘは、その最大値、ｘ＝１／２を取ると仮定する。全負荷時（Ｐ０＝Ｐｔｏｔ）、制御量ｘは、その最小値、ｘ＝０を取ると仮定する。関数Ｆ（Ｐ０）のプロファイルは、非線形である。
【０１０８】
図４ｂに、図４ａの制御量ｘに対応し、部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２によってそれぞれ生成される、２つのコイル電圧ＵＡ１およびＵＡ２のプロファイルを示す。この図では、コイル電圧ＵＡは、縦座標軸として表され、補償力を生成するために、いずれの時点においても求められるパワーＰ０は、横座標として表される。第１のコイル電圧ＵＡ１のプロファイルは、実線で示し、第２のコイル電圧ＵＡ２のプロファイルは、破線で示してある。
【０１０９】
図４ｃに、図４ｂに示した電圧ＵＡ１およびＵＡ２を第１の巻線Ｗ１および第２の巻線Ｗ２にそれぞれ印加した結果として、流れる２つの電流Ｉ１およびＩ２のプロファイルを示す。このグラフでは、電流Ｉは、縦座標に沿って測定され、補償力を生成するために、いずれの時点においても求められるパワーＰ０は、横座標に沿って測定されている。第１の電流Ｉ１のグラフは、実線として描かれ、第２の電流Ｉ２のプロファイルは、破線として描かれている。さらに、補償電流Ｉｃｐ、すなわち２つの電流Ｉ１およびＩ２の合計のプロファイルは、点線で表されている。
【０１１０】
最後に、図４ｄに、コイル５３中に生成される総パワーＰｔｏｔのプロファイルを表し、Ｐｔｏｔは、縦座標に沿って測定され、補償力を生成するために、いずれの時点においても求められるパワーＰ０は、横座標に沿って測定されている。パワーＰｔｏｔは、範囲全体にわたって一定であり、したがって印加された負荷から独立している。
【０１１１】
図５に、簡略化した、例としての、図３のブロック図の細部を示す図であり、パワー分配器ＰＤがデジタルポテンショメータの形であり、２つの部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２が、そのデジタルポテンショメータの下流にある、図を示す。
【０１１２】
２つの部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２は、その両方が同じ方法で構成される。各部分的な電流源は、フィードバックループを有する、２つの演算増幅器の従来の直列構成を含む。第１の部分的な電流源ＰＢ１は、負電流供給源Ｖｎｅｇに接続され、第２の部分的な電流源ＰＢ２は、正電流供給源Ｖｐｏｓに接続される。抵抗値Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚ１およびＲｚ２の選択によって、次の関係に従って、増幅係数Ｋ１およびＫ２、ならびにオフセット電圧Ｕｏｆ１およびＵｏｆ２は、確立することができる。
【０１１３】
Ｋ１＝Ｒｙ／Ｒｘ
Ｋ２＝Ｒｙ／Ｒｘ
Ｕｏｆ１＝−Ｒｚ１／（Ｒｚ１＋Ｒｘ）×Ｖｎｅｇ
Ｕｏｆ２＝−Ｒｚ２／（Ｒｚ２＋Ｒｘ）×Ｖｐｏｓ
２つのコイル電圧ＵＡ１およびＵＡ２は、部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２の出力部にそれぞれ存在し、それぞれの巻線Ｗ１およびＷ２に送られる。
【０１１４】
２つの部分的な電流源の入力部は、デジタルポテンショメータの出力部に接続される。デジタルポテンショメータは、電圧分圧器として機能し、位置調節器出力信号ＵＵとグラウンド電位との間にある出力電圧を生成する。
【０１１５】
パワー分配器中で、上記に述べた２つの制御電圧ＵＨ１およびＵＨ２は、制御量ｘおよび以前に述べた位置調節器出力信号ＵＵから、次の式に従って決定される。
【０１１６】
ＵＨ１＝ＵＵ×ｘ＋Ｕｏｆ１
ＵＨ２＝ＵＵ×（１−ｘ）＋Ｕｏｆ２
図６に、関連するコイルにパルス形状の電流を供給するために、制御信号ＳＷＩ１およびＳＷＩ２によってそれぞれ制御される、および／または調節される切り替え要素Ｓ１およびＳ２を備えた、さらなる実施形態の大変簡略化されたブロック図を示す。
【０１１７】
第１のコイルおよび第２のコイルは、それらのそれぞれの抵抗値、すなわち第１のコイル抵抗Ｒ１および第２のコイル抵抗Ｒ２によって表される。抵抗Ｒ１を有する第１の巻線は、一方側で正供給電圧Ｖｐｏｓに接続され、他方側で第１の切り替え要素Ｓ１の第１のコネクタ端子に接続される。第１の切り替え要素Ｓ１の第２のコネクタ端子は、第１の部分的な電流源ＰＢ１を経由して、負供給電圧Ｖｎｅｇに接続される。第１の切り替え要素Ｓ１は、３つのコネクタ端子を有する二路スイッチとして構成され、第３のコネクタ端子は、共通の回路電位に接続される。その結果、第１の部分的な電流源ＰＢ１からの接続は、抵抗Ｒ１を有する第１の巻線と、共通の回路電位との間で切り替えることができる。第１のスイッチ位置では、抵抗Ｒ１を有する第１の巻線は、第１の部分的な電流源ＰＢ１に接続され、したがって第１の部分的な電流Ｉ１が、抵抗Ｒ１を有する第１の巻線を通って流れる。
【０１１８】
コイル抵抗Ｒ２を有する第２の巻線のための回路構成は、コイル抵抗Ｒ１を有する第１の巻線に類似している。したがって、第２の部分的な電流源ＰＢ２からの接続は、Ｒ２によって表された第２の巻線と、共通の回路電位との間で切り替えることができる。この場合、スイッチＳ２がその第２の位置にあるとき、コイル抵抗Ｒ２を有する第２の巻線は、第２の部分的な電流源ＰＢ２に接続され、したがって第２の部分的な電流Ｉ２が、抵抗値Ｒ２を有する第２の巻線を通って流れる。
【０１１９】
前述の例などでのように、これら２つのコイルは、部分的な電流Ｉ１およびＩ２が同じ方向に流れる場合、生成される力が、反対方向の力になる（コイル終端部の構成のこの極性は、黒色点によって示す）方法で、回路中に接続される。さらに、２つのコイルの切り替え要素Ｓ１およびＳ２に向かう側の終端部は、コンデンサＣを介して、互いに接続される。
【０１２０】
切り替え要素Ｓ１およびＳ２は、アナログ／デジタル変換器Ａ／Ｄ中に入力される制御電圧Ｕｃｔｌを使用して、個別に制御される。アナログ／デジタル変換器は、第１のパルス幅変調信号ＰＷＭおよび第２のパルス幅変調信号ＰＷＭ＊を生成する。
【０１２１】
アナログ／デジタル変換器Ａ／Ｄの第１の出力部は、一方においては第１のゲートＧ１の第１の入力部に接続され、他方においては第１の遅延要素Ｄ１の第１の入力部に接続され、したがって第１のゲートＧ１および第１の遅延要素Ｄ１は、第１のパルス幅変調信号ＰＷＭを受け取る。第１の遅延時間値ｔｐ１を表す信号が、第１の遅延要素Ｄ１の時間遅れを制御するために、第１の遅延要素Ｄ１の第２の入力部に入力される。第１の遅延要素Ｄ１の出力部は、第１のゲートＧ１の第２の入力部に接続される。ここで、第１のゲートＧ１の出力部は、第１の切り替え要素Ｓ１を制御するように働く第１の制御信号ＳＷＩ１を配信する。
【０１２２】
アナログ／デジタル変換器の第２の出力部は、第１の出力部に類似して、第２のパルス幅変調信号ＰＷＭ＊から、第２の切り替え要素Ｓ２の制御のために、第２の遅延時間値ｔｐ２を有する第２の制御信号ＳＷＩ２を生成するために、第２の切り替え要素Ｓ２に、第２の遅延要素Ｄ２および第２のゲートＧ２を経由して接続される。
【０１２３】
第１の遅延時間値ｔｐ１および第２の遅延時間値ｔｐ２を適切に選択することによって、第１の制御信号ＳＷＩ１の時間プロファイルは、第２の制御信号ＳＷＩ２の時間プロファイルに対して変化させることができる。制御信号ＳＷＩ１およびＳＷＩ２の時間プロファイルは、図７に大変簡略化した形で示す。
【０１２４】
時間プロファイルのための基礎は、期間の長さｔｓによって特徴付けられた周期的なプロセスである。このプロセスでは、期間は、切り替え要素Ｓ１およびＳ２の周期的な切り替えによって定められ、したがって切り替え要素Ｓ１およびＳ２を同時に作動させる場合、２つの部分的な電流の間の周期的な切り替えによって定められる。切り替え要素Ｓ１およびＳ２を同時に動作させる場合、熱が追加して生成されず、したがってこの動作モードは、最新技術を反映する。さらに、この動作モードの場合、実効時間間隔ｔ＊が定められ、その間、第１の部分的な電流Ｉ１が、コイル抵抗Ｒ１を有する第１の巻線を通って流れる。実効時間間隔ｔ＊および期間の長さｔｓから、計量信号ｗは、次の比に従って決定することができる。
【０１２５】
ｗ＝ｔ＊／ｔｓ
したがって、計量信号ｗは、印加された力に直接関係付けられる。
【０１２６】
この実効時間間隔ｔ＊の間、第２の部分的な電流Ｉ２のフローは、コンデンサＣを流れる充電釣り合い電流を除き、中断される。実効時間間隔ｔ＊の終了時に、この動作モードの下で２つの切り替え要素Ｓ１およびＳ２を同時に作動させ、したがって残された時間間隔ｔｓ−ｔ＊の間、第２の部分的な電流Ｉ２が、コイル抵抗Ｒ２を有する第２のコイルを通って流れる。最後に、期間ｔｓの終了時に、２つの切り替え要素Ｓ１およびＳ２は、切り替えられてそれらの元の位置に戻され、したがって新しい期間が開始される。
【０１２７】
本発明によれば、追加の熱量を生成するために、第１の制御信号ＳＷＩ１は、実効時間間隔ｔ＊の終了時に対して遅延時間を有して切り替えられる。遅延時間の長さは、第１の時間間隔ｔｐ１によって表される、すなわち、切り替えが、時間ｔ＊＋ｔｐ１に起きる。同様に、第２の制御信号ＳＷＩ２は、期間ｔｓの開始時または終了時に切り替えられず、さらに第２の時間間隔ｔｐ２だけ遅延される、すなわち時間ｔｓ＋ｔｐ２に切り替えられる。これらの事象は、周期的に時間０、ｔｓ、２ｔｓ、３ｔｓなどにおいて繰り返される。したがって、各期間ｔｓ内に、第１の時間間隔ｔｐ１および第２の時間間隔ｔｐ２が存在し、その間、制御信号が重なる。これらの時間間隔の間、第１の部分的な電流Ｉ１および第２の部分的な電流Ｉ２は、抵抗値Ｒ１およびＲ２を有する第１および第２の巻線をそれぞれ通って、このように同時に流れている。これによって、これらの時間間隔中、熱が、巻線中において力中立で生成されるという結果がもたらされる。
【０１２８】
第１の時間間隔ｔｐ１および第２の時間間隔ｔｐ２は、同一になるように選択され、したがって、第１の制御信号ＳＷＩ１と、第２の制御信号ＳＷＩ２との間に対称性があることが好ましい。この対称性は、２つの遅延時間値ｔｐ１およびｔｐ２を共通の遅延時間値ｔｐの形でほぼ同一であるように選択することによって、達成される。
【０１２９】
好ましくは、共通の遅延時間値ｔｐは、次の式に従って計算される。
【０１３０】
【数６】
【０１３１】
ただし、ｔｓは、期間の長さを表し、ｗは、計量信号を表す。値ｗによって、遅延時間値ｔｐは、印加された負荷Ｌにこのように依存する。
【０１３２】
図８に、切り替え要素Ｓ１およびＳ２が、付随した論理ゲートを有するスイッチングトランジスタとして構成された、図６のブロック図の電子回路による実施の例を示す。この構成では、第１の切り替え要素Ｓ１は、スイッチングトランジスタのペアであって、それらスイッチングトランジスタは、それらのそれぞれの開と閉の状態の間を同時であるが、反対方向に変化するように構成される、スイッチングトランジスタのペアと、ゲートのペアであって、それらゲートは、スイッチングトランジスタに割り当てられ、互いを補完するように構成される、ゲートのペアとから形成され、したがって、第１の部分的な電流源ＰＢ１の接続が、第１の巻線（そのコイル抵抗Ｒ１によって表す）と共通の回路電位との間で、第１の制御信号ＳＷＩ１に従って切り替えることができる。第２の切り替え要素Ｓ２は、第１の切り替え要素Ｓ１と同じ方法で構成され、したがって第２の部分的な電流源ＰＢ２の接続が、第２の巻線（そのコイル抵抗Ｒ２によって表す）と共通の回路電位との間で、第２の制御信号ＳＷＩ２に従って切り替えることができる。
【０１３３】
第１の制御信号ＳＷ１および第２の制御信号ＳＷ２は、共通の制御信号ＳＷＩから、遅延要素Ｄならびに２つの論理ゲートＯＲおよびＮＡＮＤによって生成される。制御信号ＳＷＩは、この場合、単独で２つの部分的な電流Ｉ１とＩ２の間で同時に切り替えさせることになる、その制御信号として言うことができる。さて、本発明によれば、この制御信号ＳＷＩは、ゲートＮＡＮＤの第１の入力部に、ならびに遅延要素Ｄの入力部およびゲートＯＲの第２の入力部に送られる。遅延要素Ｄの出力部は、ゲートＮＡＮＤの第２の入力部に、ならびにゲートＯＲの第１の入力部に接続され、したがって共通の制御信号ＳＷＩは、遅延間隔ｔｐだけ遅延させられて、ゲートＯＲおよびＮＡＮＤを制御するために使用される。ゲートＯＲの出力信号は、第１の制御信号ＳＷＩ１になり、そしてゲートＮＡＮＤの出力信号は、第２の制御信号ＳＷＩ２になる。２つの制御信号ＳＷＩ１およびＳＷＩ２は、ここで、切り替え要素Ｓ１およびＳ２、より具体的には上記に述べたように相補ゲートのペアを制御するために使用される。
【０１３４】
図９に、大変簡略化された形で、図８による制御信号ＳＷＩ、ＳＷＩ１およびＳＷＩ２の時間プロファイルを表す。制御信号ＳＷＩから、第１の制御信号ＳＷＩ１が、ゲートＯＲによって生成され、第２の制御信号ＳＷＩ２が、ゲートＮＡＮＤによって生成される。この構成では、第１の制御信号ＳＷＩ１の立下りが、制御信号ＳＷＩに対して時間間隔ｔｐだけ遅延させられる。似たように、第２の制御信号ＳＷＩ２の立下りが、制御信号ＳＷＩに対して時間間隔ｔｐだけやはり遅延させられる。したがって、第１の遅延時間値ｔｐ１および第２の遅延時間値ｔｐ２が、等しくなるように選択され、それゆえ共通の遅延時間値ｔｐに対応する場合、結果として生じる状況が図７と同様になる。その結果、共通の遅延時間値ｔｐは、上記に述べた式に従って決定することができる。
【符号の説明】
【０１３５】
１ 力測定デバイス
２ 秤量皿
３ 表示器ユニット
１０ 力測定容器
４１ 片持ち伸張部
４２ 固定部分
４３ 垂直可動部分、垂直に変位可能な部分
４４ ガイド部材
４５、４７ 湾曲部、湾曲支え部
４６ レバー
４８ レバーアーム
４９ 結合要素
５０ 磁石システム
５１ 空隙
５３ コイル
５４ 位置センサ、位置測定デバイス
６０ 制御デバイスおよび／または調節デバイス
Ｌ 印加された力、負荷
Ｋ１、Ｋ２ 増幅係数
Ａ／Ｄ アナログ／デジタル変換器
Ｂ 磁石システムの磁場
Ｃ コンデンサ
ＣＵ 制御デバイスおよび／または調節デバイス
Ｄ、Ｄ１、Ｄ２ 遅延要素
ＤＳＰ デジタル信号処理ユニット
ＰＤ パワー分配器
Ｇ１、Ｇ２ 論理ゲート
ＮＡＮＤ、ＯＲ 論理ゲート
Ｉ 総電流
Ｉｃｐ 補償電流
Ｉｕ 全負荷時のコイル電流
Ｉ１、Ｉ２ 部分的な電流
Ｋ 補償力
Ｍ 電流測定デバイス
ＰＣＬ 位置調節器、位置制御デバイス
ＰＯ 補償力を生成するために、いずれの時点でも求められるパワーの量
Ｐｔｏｔ 全負荷時のコイルの総パワー、全負荷パワー
Ｐｔｇ 所与の所定のパワーの値
Ｐ＊ コイルの正規化されたパワー
Ｒ コイルの総抵抗
Ｒ１、Ｒ２ コイル抵抗
Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚ１、Ｒｚ２ 抵抗値
Ｕｃｔｌ 制御電圧
Ｕｏｆ１、Ｕｏｆ２ オフセット電圧
ＵＰＳ 測定信号
ＵＵ 位置調節器出力信号
ＵＨ１、ＵＨ２ 制御電圧
ＵＡ１、ＵＡ２ コイル電圧
ＰＥ パワー推定器
ＰＢ 電流供給デバイス
ＰＢ１、ＰＢ２ 電流ブースタ、部分的な電流源
Ｓ１、Ｓ２ 切り替え要素
ＳＷＩ、ＳＷＩ１、ＳＷＩ２ 制御信号
Ｖｐｏｓ／Ｖｎｅｇ 正／負供給電圧
ｗ 計量信号
Ｗ１、Ｗ２ 巻線、コイル部分
ｘ 制御量
ＸＧ 制御量発生器
ｔｓ 期間の長さ
ｔ＊ 実効時間間隔
ｔｐ、ｔｐｌ、ｔｐ２ 遅延時間値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
力測定デバイス（１）、具体的には天秤であって、電磁気力による補償の原理に基づいており、
磁石システム（５０）中で可動なように配置され、少なくとも２つの巻線（Ｗ１、Ｗ２）を有する電気コイル（５３）と、
さらに、少なくとも２つの部分的な電流源（ＰＢ１、ＰＢ２）を有する電流供給デバイス（ＰＢ）であって、前記巻線（Ｗ１、Ｗ２）のそれぞれは、前記部分的な電流源（ＰＢ１、ＰＢ２）の１つがそれに割り当てられる、電流供給デバイス（ＰＢ）と、
さらに、前記部分的な電流源（ＰＢ１、ＰＢ２）によって前記巻線への電流の供給を制御する、および／または調節する制御デバイスおよび／または調節デバイス（ＣＵ）であって、その制御および／または調節する方法は、前記力測定デバイス上に作用する力（Ｌ）に依存して、電流（Ｉ１、Ｉ２）によって生成される少なくとも２つの電磁気力の合計が補償力を形成し、かつ同時に、前記コイルによって消散されるパワーが、常に、所与の所定の値（Ｐｔｇ）を取る方法で、前記電流（Ｉ１、Ｉ２）が、前記巻線（Ｗ１、Ｗ２）のそれぞれを通じて送られる方法である、制御デバイスおよび／または調節デバイス（ＣＵ）とを備える、力測定デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の力測定デバイスにおいて、
前記所与の所定の値（Ｐｔｇ）が一定であることを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項３】
請求項１または２に記載の力測定デバイスにおいて、
前記所与の所定の値（Ｐｔｇ）は、前記力測定デバイスの測定能力内の負荷範囲について、具体的には、前記力測定デバイスが前記印加された力（Ｌ）をその範囲中で測定することが可能である総範囲について、得られる異なるパワーの値に対して、最小値になることを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項４】
請求項１乃至３の１項に記載の力測定デバイスにおいて、
前記力測定デバイスは、力補償電流または複数の力補償電流を測定する電流測定デバイス（Ｍ）を含み、それによって、前記測定された値に応じて、前記巻線（Ｗ１、Ｗ２）を通って流れる前記電流（Ｉ１、Ｉ２）を制御する、および／または調節することができることを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項５】
請求項１乃至４の１項に記載の力測定デバイスにおいて、
前記力測定デバイスは、前記補償力を生成するために、いずれの時点でも求められ、かつ、それに基づき、パワーが、所与の所定の値（Ｐｔｇ）に制御される、および／または調節される、前記コイルの瞬時パワー（Ｐ０）を決定するように働くパワー推定器（ＰＥ）を含むことを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載の力測定デバイスにおいて、
前記パワー推定器（ＰＥ）は、前記電流Ｉ１とＩ２の合計に基づき、具体的には次の式に従って、前記コイルの前記瞬時パワーを計算するように構成され、
Ｐ０＝Ｒ×（Ｉ１＋Ｉ２）２
ただし、Ｒは、前記コイルの総抵抗を表し、Ｉ１およびＩ２は、互いに対して並列に走る前記巻線Ｗ１およびＷ２中をそれぞれ流れる、部分的な電流を表すことを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項７】
請求項１乃至６の１項に記載の力測定デバイスにおいて、
前記力測定デバイスは、制御量（ｘ）を計算するように働く制御量発生器（ＸＧ）を含み、
前記制御量（ｘ）は、前記部分的な電流源（ＰＢ１、ＰＢ２）を制御する、および／または調節するために使用され、具体的には、非線形関数Ｆ（Ｐ０）であり、前記補償力を生成するために、いずれの時点でも求められるパワー（Ｐ０）の量に依存することを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項８】
請求項７に記載の力測定デバイスにおいて、
前記力測定デバイスは、パワー分配器（ＰＤ）、具体的にはデジタルポテンショメータを含み、
前記パワー分配器は、前記制御量（ｘ）に従って前記部分的な電流源（ＰＢ１、ＰＢ２）を制御する、および／または調節するように働くことを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項９】
請求項８に記載の力測定デバイスにおいて、
前記制御量発生器（ＸＧ）は、前記制御量（ｘ）が次の式に従って計算されるように構成され、
【数１】
ただし、ａ、ｂおよびｃは、所与の定数を表し、Ｐ＊は、次の式に従い、
Ｐ＊＝Ｐｔｏｔ／Ｐ０
Ｐ＊は、前記いずれの時点でも求められる補償力を生成するために必要である、前記コイルの前記瞬時パワーＰ０の正規化された値を表すことを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項１０】
請求項１乃至９の１項に記載の力測定デバイスにおいて、
前記部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２は、前記巻線Ｗ１およびＷ２に前記電流Ｉ１およびＩ２を供給するために、前記巻線Ｗ１およびＷ２にそれぞれ直接接続されることを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の１項に記載の力測定デバイスにおいて、
前記部分的な電流源（ＰＢ１、ＰＢ２）は、前記少なくとも１つの巻線（Ｗ１、Ｗ２）に、所定の所与のオフセット電圧（Ｕｏｆ１、Ｕｏｆ２）に従って、直流を送る目的で設計されることを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項１２】
請求項１乃至１０の１項に記載の力測定デバイスにおいて、
前記制御デバイスおよび／または調節デバイス（ＣＵ）は、前記部分的な電流（Ｉ１およびＩ２）を実質的にパルス形状の形に分解するように働く少なくとも２つの切り替え要素（Ｓ１およびＳ２）を含み、
前記部分的な電流（Ｉ１およびＩ２）の時間プロファイル中で、前記部分的な電流（Ｉ１およびＩ２）がその間同時に流れている時間間隔は、規定することができることを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項１３】
請求項１２に記載の力測定デバイスにおいて、
前記制御デバイスおよび／または調節デバイス（ＣＵ）は、制御信号（ＳＷＩ１、ＳＷＩ２）によって切り替え要素（Ｓ１、Ｓ２）を制御するために、少なくとも１つの前記切り替え要素（Ｓ１、Ｓ２）に接続された、少なくとも１つの遅延要素（Ｄ、Ｄ１、Ｄ２）を含み、
前記制御信号（ＳＷＩ１、ＳＷＩ２）は、前記時間間隔に対応する遅延時間値（ｔｐ、ｔｐ１、ｔｐ２）に依存することを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項１４】
請求項１３に記載の力測定デバイスにおいて、
前記制御デバイスおよび／または調節デバイス（ＣＵ）は、前記印加された力（Ｌ）に依存した前記遅延時間値（ｔｐ、ｔｐ１、ｔｐ２）を計算するように動作可能である算術ユニットを含み、
前記算術ユニットは、計算された遅延時間値（ｔｐ、ｔｐ１、ｔｐ２）を前記遅延要素（Ｄ、Ｄ１、Ｄ２）に送るために、前記遅延要素に接続されることを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項１５】
請求項１４に記載の力測定デバイスにおいて、
前記力測定デバイスは、前記算術ユニットに、前記印加された力（Ｌ）に依存する測定信号を送るために、前記算術ユニットに接続された測定ユニットを含み、したがって前記負荷に依存した遅延時間値（ｔｐ、ｔｐ１、ｔｐ２）は、前記算術ユニット中で計算することができることを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項１】
力測定デバイス（１）、具体的には天秤であって、電磁気力による補償の原理に基づいており、
磁石システム（５０）中で可動なように配置され、少なくとも２つの巻線（Ｗ１、Ｗ２）を有する電気コイル（５３）と、
さらに、少なくとも２つの部分的な電流源（ＰＢ１、ＰＢ２）を有する電流供給デバイス（ＰＢ）であって、前記巻線（Ｗ１、Ｗ２）のそれぞれは、前記部分的な電流源（ＰＢ１、ＰＢ２）の１つがそれに割り当てられる、電流供給デバイス（ＰＢ）と、
さらに、前記部分的な電流源（ＰＢ１、ＰＢ２）によって前記巻線への電流の供給を制御する、および／または調節する制御デバイスおよび／または調節デバイス（ＣＵ）であって、その制御および／または調節する方法は、前記力測定デバイス上に作用する力（Ｌ）に依存して、電流（Ｉ１、Ｉ２）によって生成される少なくとも２つの電磁気力の合計が補償力を形成し、かつ同時に、前記コイルによって消散されるパワーが、常に、所与の所定の値（Ｐｔｇ）を取る方法で、前記電流（Ｉ１、Ｉ２）が、前記巻線（Ｗ１、Ｗ２）のそれぞれを通じて送られる方法である、制御デバイスおよび／または調節デバイス（ＣＵ）とを備える、力測定デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の力測定デバイスにおいて、
前記所与の所定の値（Ｐｔｇ）が一定であることを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項３】
請求項１または２に記載の力測定デバイスにおいて、
前記所与の所定の値（Ｐｔｇ）は、前記力測定デバイスの測定能力内の負荷範囲について、具体的には、前記力測定デバイスが前記印加された力（Ｌ）をその範囲中で測定することが可能である総範囲について、得られる異なるパワーの値に対して、最小値になることを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項４】
請求項１乃至３の１項に記載の力測定デバイスにおいて、
前記力測定デバイスは、力補償電流または複数の力補償電流を測定する電流測定デバイス（Ｍ）を含み、それによって、前記測定された値に応じて、前記巻線（Ｗ１、Ｗ２）を通って流れる前記電流（Ｉ１、Ｉ２）を制御する、および／または調節することができることを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項５】
請求項１乃至４の１項に記載の力測定デバイスにおいて、
前記力測定デバイスは、前記補償力を生成するために、いずれの時点でも求められ、かつ、それに基づき、パワーが、所与の所定の値（Ｐｔｇ）に制御される、および／または調節される、前記コイルの瞬時パワー（Ｐ０）を決定するように働くパワー推定器（ＰＥ）を含むことを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載の力測定デバイスにおいて、
前記パワー推定器（ＰＥ）は、前記電流Ｉ１とＩ２の合計に基づき、具体的には次の式に従って、前記コイルの前記瞬時パワーを計算するように構成され、
Ｐ０＝Ｒ×（Ｉ１＋Ｉ２）２
ただし、Ｒは、前記コイルの総抵抗を表し、Ｉ１およびＩ２は、互いに対して並列に走る前記巻線Ｗ１およびＷ２中をそれぞれ流れる、部分的な電流を表すことを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項７】
請求項１乃至６の１項に記載の力測定デバイスにおいて、
前記力測定デバイスは、制御量（ｘ）を計算するように働く制御量発生器（ＸＧ）を含み、
前記制御量（ｘ）は、前記部分的な電流源（ＰＢ１、ＰＢ２）を制御する、および／または調節するために使用され、具体的には、非線形関数Ｆ（Ｐ０）であり、前記補償力を生成するために、いずれの時点でも求められるパワー（Ｐ０）の量に依存することを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項８】
請求項７に記載の力測定デバイスにおいて、
前記力測定デバイスは、パワー分配器（ＰＤ）、具体的にはデジタルポテンショメータを含み、
前記パワー分配器は、前記制御量（ｘ）に従って前記部分的な電流源（ＰＢ１、ＰＢ２）を制御する、および／または調節するように働くことを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項９】
請求項８に記載の力測定デバイスにおいて、
前記制御量発生器（ＸＧ）は、前記制御量（ｘ）が次の式に従って計算されるように構成され、
【数１】
ただし、ａ、ｂおよびｃは、所与の定数を表し、Ｐ＊は、次の式に従い、
Ｐ＊＝Ｐｔｏｔ／Ｐ０
Ｐ＊は、前記いずれの時点でも求められる補償力を生成するために必要である、前記コイルの前記瞬時パワーＰ０の正規化された値を表すことを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項１０】
請求項１乃至９の１項に記載の力測定デバイスにおいて、
前記部分的な電流源ＰＢ１およびＰＢ２は、前記巻線Ｗ１およびＷ２に前記電流Ｉ１およびＩ２を供給するために、前記巻線Ｗ１およびＷ２にそれぞれ直接接続されることを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の１項に記載の力測定デバイスにおいて、
前記部分的な電流源（ＰＢ１、ＰＢ２）は、前記少なくとも１つの巻線（Ｗ１、Ｗ２）に、所定の所与のオフセット電圧（Ｕｏｆ１、Ｕｏｆ２）に従って、直流を送る目的で設計されることを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項１２】
請求項１乃至１０の１項に記載の力測定デバイスにおいて、
前記制御デバイスおよび／または調節デバイス（ＣＵ）は、前記部分的な電流（Ｉ１およびＩ２）を実質的にパルス形状の形に分解するように働く少なくとも２つの切り替え要素（Ｓ１およびＳ２）を含み、
前記部分的な電流（Ｉ１およびＩ２）の時間プロファイル中で、前記部分的な電流（Ｉ１およびＩ２）がその間同時に流れている時間間隔は、規定することができることを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項１３】
請求項１２に記載の力測定デバイスにおいて、
前記制御デバイスおよび／または調節デバイス（ＣＵ）は、制御信号（ＳＷＩ１、ＳＷＩ２）によって切り替え要素（Ｓ１、Ｓ２）を制御するために、少なくとも１つの前記切り替え要素（Ｓ１、Ｓ２）に接続された、少なくとも１つの遅延要素（Ｄ、Ｄ１、Ｄ２）を含み、
前記制御信号（ＳＷＩ１、ＳＷＩ２）は、前記時間間隔に対応する遅延時間値（ｔｐ、ｔｐ１、ｔｐ２）に依存することを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項１４】
請求項１３に記載の力測定デバイスにおいて、
前記制御デバイスおよび／または調節デバイス（ＣＵ）は、前記印加された力（Ｌ）に依存した前記遅延時間値（ｔｐ、ｔｐ１、ｔｐ２）を計算するように動作可能である算術ユニットを含み、
前記算術ユニットは、計算された遅延時間値（ｔｐ、ｔｐ１、ｔｐ２）を前記遅延要素（Ｄ、Ｄ１、Ｄ２）に送るために、前記遅延要素に接続されることを特徴とする、力測定デバイス。
【請求項１５】
請求項１４に記載の力測定デバイスにおいて、
前記力測定デバイスは、前記算術ユニットに、前記印加された力（Ｌ）に依存する測定信号を送るために、前記算術ユニットに接続された測定ユニットを含み、したがって前記負荷に依存した遅延時間値（ｔｐ、ｔｐ１、ｔｐ２）は、前記算術ユニット中で計算することができることを特徴とする、力測定デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２７１３１４（Ｐ２０１０−２７１３１４Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１０−１１５１９０（Ｐ２０１０−１１５１９０）
【出願日】平成２２年５月１９日（２０１０．５．１９）
【出願人】（５９９０８２２１８）メトラー−トレド アクチェンゲゼルシャフト (130)
【住所又は居所原語表記】Ｉｍ Ｌａｎｇａｃｈｅｒ， ８６０６ Ｇｒｅｉｆｅｎｓｅｅ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１５１９０（Ｐ２０１０−１１５１９０）
【出願日】平成２２年５月１９日（２０１０．５．１９）
【出願人】（５９９０８２２１８）メトラー−トレド アクチェンゲゼルシャフト (130)
【住所又は居所原語表記】Ｉｍ Ｌａｎｇａｃｈｅｒ， ８６０６ Ｇｒｅｉｆｅｎｓｅｅ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ
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