DE102009009204B3

DE102009009204B3 - Method for floating regulation of floating unit, involves controlling electromagnet in operating process such that floating unit adopts floating position, and determining absolute position value based on calibration value

Info

Publication number: DE102009009204B3
Application number: DE200910009204
Authority: DE
Inventors: Frieder Dreisbach; Reiner Kleinrahm; Hans-Wilhelm Loesch; Cornelia Loesch-Will; Reza A H Seif; Wolfgang Wagner
Original assignee: Dreisbach Frieder Dr; Kleinrahm Reiner Dr-Ing; Losch Hans-Wilhelm Dr; Losch-Will Cornelia Dr; Seif Reza A H Dr
Current assignee: Waters GmbH
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2029-02-18

Abstract

The method involves supplying a position-measured value by a magnet element (20) and a position sensor (22). An electromagnet (14) is controlled such that it exerts force on the magnet element. The electromagnet is controlled in calibration process such that a floating unit (18) adopts two positions. The position-measured value supplied to the positions by the sensor is determined as a calibration value. The electromagnet is controlled in operating process such that the floating unit adopts a floating position. An absolute position value (x) is determined based on the calibration value. An independent claim is also included for a device for floating regulation of a floating unit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schweberegelung eines Schwebeteils.The The invention relates to a method and a device for levitation control a suspended part.

Eine Schweberegelung bzw. eine entsprechende, auch als Schwebelager bezeichnete Vorrichtung dient dazu, mit einem Elektromagneten ein Schwebeteil mit einem Magnetelement in der Schwebe zu halten. Hierbei kann das Schwebeteil, das neben dem Magnetelement üblicherweise einen oder mehrere Probekörper aufweist, räumlich getrennt von dem Elektromagneten angeordnet sein, beispielsweise innerhalb eines Behälters, so dass sich zwischen dem Elektromagneten und dem Permanentmagneten eine Behälterwand befindet.A Floating control or a corresponding, also referred to as a floating bearing Device is used, with a solenoid a suspended part with a magnetic element in suspension. This can be the Suspended part, which in addition to the magnetic element usually one or more specimens has, spatially be arranged separately from the electromagnet, for example inside a container, so that is between the electromagnet and the permanent magnet a container wall located.

Anwendungen von Schwebelagern sind neben bspw. Kraftmessgeräten oder reibungslosen Lagern, die zur Messung von z. B. Viskositäten nach dem Rotationsprinzip verwendet werden können, insbesondere Magnetschwebewaagen.applications of floating bearings are in addition to, for example, force gauges or frictionless bearings, for measuring z. B. viscosities according to the rotation principle can be used in particular magnetic levitation scales.

Bei einer Magnetschwebewaage kann der Elektromagnet an einer externen Kraftmesseinrichtung (Waage) angeordnet sein, so dass auf diese Weise das Schwebeteil mit einem daran angehängten Probenkörper berührungsfrei gewogen werden kann. Alternativ kann auch eine Kraftmessung durch den Elektromagneten selbst erfolgen, bspw. durch Erfassung des notwendigen Spulenstroms. In beiden Fällen ist es möglich, dass das Schwebeteil und insbesondere die Probe in einem Messraum angeordnet sind, in dem beliebige Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur, Atmosphäre, etc.) geschaffen werden können, der Elektromagnet und ggf. die Waage allerdings außerhalb, unter normalen Umgebungsbedingungen.at a magnetically suspended balance, the electromagnet can be connected to an external Force measuring device (balance) can be arranged so that in this way the suspended part with a attached sample body without contact can be weighed. Alternatively, a force measurement by the Solenoid itself, for example, by detecting the necessary Coil current. In both cases Is it possible, that the suspended part and in particular the sample in a measuring room are arranged in any ambient conditions (pressure, temperature, The atmosphere, etc.), the electromagnet and possibly the balance outside, under normal environmental conditions.

Somit ist es möglich, Kraft- und Masseänderungen des Probenkörpers unter kontrollierten Umgebungsbedingungen hochpräzise zu ermitteln. Auf diese Weise lassen sich sehr genau und direkt Transport- und Zustandsgrößen bestimmten (Sorption, Diffusion, Oberflächenspannung, Dichte), chemische Reaktionen untersuchen (Korrosion, Zersetzung, Verbrennung, etc.) oder Herstellungsprozesse simulieren (Polymerisation, Beschichtung, Trocknung, etc.).Consequently Is it possible, Force and mass changes of the specimen under high-precision controlled conditions. To this In this way, transport and state variables can be determined very precisely and directly (Sorption, diffusion, surface tension, Density), investigate chemical reactions (corrosion, decomposition, combustion, etc.) or simulate manufacturing processes (polymerization, coating, Drying, etc.).

Eine derartige Schwebewaage ist in der EP-0170709 A1 beschrieben. An der Waage ist ein Elektromagnet angeordnet, der eine Anziehungskraft auf ein Magnetelement eines Schwebeteils ausübt. Das Schwebeteil ist innerhalb eines Gehäuses angeordnet, das die Einstellung bestimmter Temperaturen, Drücke und die Befüllung mit bestimmten Gasen ermöglicht. Ein Deckel schließt das Gehäuse nach oben hin ab und trennt somit das Schwebeteil von dem Elektromagneten. Durch den Deckel hindurch wirkt von dem Elektromagneten eine Anziehungskraft auf das Magnetelement die gerade so stark ist, dass dieses eine schwebende Lage einnimmt. Die Kraft setzt sich aus einem rein permanentmagnetischen Anteil und einem elektromagnetischen vom Spulenstrom erzeugten Anteil zusammen. Die Lage des Schwebeteils wird mit Hilfe eines induktiven Sensors ermittelt, der ein elektrisches Sensorsignal liefert. Mit Hilfe eines PID-Reglers, dem das Sensorsignal zugeführt wird, wird die Ansteuerung des Elektromagneten so geregelt, dass sich eine Soll-Lage des Schwebeteils ergibt. Diese Soll-Lage kann entweder fest eingestellt oder durch eine zweite, überlagerte Regelung vorgegeben sein.Such a floating balance is in the EP-0170709 A1 described. On the scale, an electromagnet is arranged, which exerts an attraction force on a magnetic element of a floating part. The suspended part is arranged within a housing, which allows the setting of certain temperatures, pressures and the filling of certain gases. A lid closes the housing upwards and thus separates the suspended part from the electromagnet. Through the lid acts by the electromagnet, an attraction force on the magnetic element which is just so strong that this occupies a floating position. The force is composed of a purely permanent magnetic component and an electromagnetic component generated by the coil current. The position of the suspended part is determined by means of an inductive sensor which supplies an electrical sensor signal. With the help of a PID controller to which the sensor signal is supplied, the control of the electromagnet is controlled so that there is a desired position of the floating part. This desired position can either be set fixed or predetermined by a second, superimposed control.

Eine andere Variante der Schwebekupplung ohne externes Wägesystem ist in der WO 2007/065608 A1 beschrieben. Hier wird durch spezielle Spulen eine Schwebeanordnung erreicht, bei der die Haltekraft von der Position des Schwebeteils unabhängig ist. Da hierbei der Strom in einem Spulenpaar linear von der Masse des Schwebeteils abhängt, kann eine Erfassung ohne externe Waage erfolgen.Another variant of the floating coupling without external weighing system is in the WO 2007/065608 A1 described. Here is achieved by special coils Schweungsanordnung in which the holding force of the position of the floating part is independent. Since in this case the current in a coil pair depends linearly on the mass of the suspended part, a detection can take place without an external balance.

Derartige Magnetschwebewaagen und darin eingesetzte Schweberegelungen haben sich in der Praxis außerordentlich bewährt. Sie ermöglichen das Wägen von beliebigen Proben unter nahezu allen Messatmosphären (z. B. Vakuum, Gase, Flüssigkeiten). Der Arbeitsbereich reicht von Ultrahochvakuum bis 2.000 bar und von –200°C bis +2.000°C (auch in korrosiven oder toxischen Medien) und ist daher dem der herkömmlichen gravimetrischen Geräte bei weitem überlegen.such Magnetic levitation scales and levitation controls used therein have extraordinary in practice proven. they allow the weighing from any samples under almost all measurement atmospheres (eg. As vacuum, gases, liquids). The working range extends from ultra-high vacuum to 2,000 bar and from -200 ° C to + 2,000 ° C (also in corrosive or toxic media) and is therefore that of the conventional one gravimetric devices far superior.

Um eine Kalibrierung der hochauflösenden Waagen zur Korrektur von Nullpunkt- und Empfindlichkeitsdriften bei unbelasteter Waage zu ermöglichen hat sich eine Messlastankopplung bewährt, bei der das Schwebeteil aus der Messpunktlage in eine etwas tiefer liegende Nullpunktlage herabgefahren werden kann. Dabei wird ein Käfig, an dem die Messlast hängt, auf einer Auflage abgesetzt. Das Schwebeteil ist somit in einer Lage oberhalb einer Lastankopplungsposition kraftschlüssig mit der Last verbunden und unterhalb der Lastankopplungsposition frei, so dass die Waage im unbelastetem Zustand kalibriert werden kann.Around a calibration of the high-resolution scales for correction of zero point and sensitivity drift with unloaded To enable Libra has proved a Meßlastankopplung, in which the suspended part from the measuring point position into a slightly lower zero position can be lowered. In this case, a cage on which the load is suspended on discontinued a circulation. The suspended part is thus in one position above a load coupling position positively connected to the load and freely below the load-coupling position, so that the scale can be calibrated in the unloaded state.

Weiter bekannt ist es, mit nur einer Magnetschwebewaage die Masseänderung von zwei Probekörpern zu messen. Dazu wird zusätzlich zur ersten Messlastankopplung eine zweite Messlastankopplung vorgesehen. Durch das kontrollierte Anfahren von verschiedenen vertikalen Positionen des Schwebeteils können dann wahlweise nur eine oder beide Probenkörper angekoppelt werden.Further it is known, with only a magnetic levitation the mass change of two specimens to eat. This is in addition provided for the first Meßlastankopplung a second Meßlastankopplung. By the controlled approach of different vertical positions of the floating part then optionally only one or both specimens are coupled.

Aufgrund der extrem hohen Auflösung und Genauigkeit derartiger Vorrichtungen (es können bspw. Proben mit bis zu 10 g Masse bei einer Auflösung von 1 µg mit einer Reproduzierbarkeit von +/–2µg gewogen werden) machen sich bereits sehr untergeordnete Effekte als spürbare Messfehler bemerkbar. So wird zwar für den Teil der Gehäusewandung (Deckel), der von dem magnetischen Feld durchdrungen wird, ein geeignetes nichtmagnetisches Material verwendet. Dennoch ergibt sich eine geringfügige Beeinflussung der Feldverteilung, die zu einem von der Position des Schwebeteils abhängigen Messfehler führen kann. Während der durch Positionsdrift verursachte Fehler bei Schweberegelungen mit externer Waage noch relativ gering ist, macht sich der Einfluss bei der Wägung durch Erfassung des Spulenstroms erheblich stärker bemerkbar.by virtue of the extremely high resolution and accuracy of such devices (for example, samples with up to 10 g mass at a resolution of 1 μg weighed with a reproducibility of +/- 2μg) already very minor effects noticeable as noticeable measurement errors. So is indeed for the part of the housing wall (Lid), which is penetrated by the magnetic field, a suitable non-magnetic material used. Nevertheless, there is a slight influence the field distribution leading to one from the position of the floating part dependent Lead to measurement errors can. While the error caused by position drift in the case of floating controls With external scales still relatively low, the influence makes itself when weighing Significantly more noticeable by detecting the coil current.

Zum anderen hat sich eine gewisse Temperaturabhängigkeit des Zusammenhangs zwischen magnetischer Haltekraft und Abstand zwischen Magnetelement und Elektromagnet gezeigt.To the others has a certain temperature dependence of the context between magnetic holding force and distance between magnetic element and electromagnet shown.

Die verwendeten Lagesensoren weisen zwar eine recht gute relative Genauigkeit auf, zeigen aber z. T. ein ausgeprägtes Driftverhalten. Während die Sensorwerte über kurze Zeiträume eine hohe Auflösung zeigen, führt die starke Drift dazu, dass der Sensorwert nur als momentaner, relativer Verschiebewert des Schwebeteils, nicht aber als absoluter Positionswert verwendet werden kann.The Although used position sensors have a fairly good relative accuracy on, but show z. T. a pronounced drift behavior. While the sensor values over short periods a high resolution show leads the strong drift causes the sensor value to be more instantaneous, more relative Displacement value of the floating part, but not as an absolute position value can be used.

In der DE 197 39 840 A1 ist eine elektromagnetisch betätigbare Stellvorrichtung beispielhaft anhand eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine dargestellt. Die Stellvorrichtung besteht aus einem Stellorgan mit einer Schubstange und einem quer zur Schubstange angeordneten Anker. Zwei Elektromagnete sind axial zur Schubstange angeordnet. Der Anker ist zwischen den Elektromagneten in axialer Richtung bewegbar. Zwei gegensinnig wirkende Rückstellfedern halten den Anker im stromlosen Zustand der Elektromagnete in einer Mittelstellung. Indem die Elektromagnete abwechselnd von elektrischem Strom durchflossen werden, wird der Anker abwechselnd von einer der Polflächen angezogen. Der Anker bewegt sich periodisch hin und her und bewegt dadurch das Stellorgan. Ein Wegsensorelement ist an der Schubstange angeordnet. Zur Anpassung des Regel- und Steuerverhaltens werden automatische Kalibrierschritte durchgeführt, bei denen der Wegsensor in den beiden Endlagen des Ankers an den Polflächen kalibriert wird.In the DE 197 39 840 A1 is an electromagnetically operable actuator exemplified using a gas exchange valve of an internal combustion engine. The adjusting device consists of an actuator with a push rod and an armature arranged transversely to the push rod. Two electromagnets are arranged axially to the push rod. The armature is movable between the electromagnets in the axial direction. Two oppositely acting return springs hold the armature in the de-energized state of the electromagnets in a middle position. By alternately flowing through the electromagnets of electric current, the armature is alternately attracted by one of the pole faces. The armature periodically moves back and forth, thereby moving the actuator. A displacement sensor element is arranged on the push rod. To adapt the control and regulating behavior, automatic calibration steps are carried out in which the displacement sensor in the two end positions of the armature is calibrated on the pole faces.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schweberegelung anzugeben, bei denen eine Absolutposition des Schwebeteils in der Schwebelage von außen exakt ermittelbar und ggf. ansteuerbar ist.It Object of the invention, a method and an apparatus for Specify levitation control in which an absolute position of the suspended part in the floating area from the outside can be determined exactly and possibly controlled.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 19. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.These Task is solved by a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 19. Addicts claims refer to advantageous embodiments of the invention.

Erfindungsgemäß sind ein Kalibriervorgang und die anschließende Verwendung von dort ermittelten Kalibrierwerten in einem Betriebsvorgang vorgesehen. In dem Kalibriervorgang, der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Kalibrierungs-Steuerungsmitteln automatisch durchgeführt wird, wird der Magnet so angesteuert, dass das Schwebeteil verschiedene geometrisch genau definierte Lagen einnimmt. Die von dem Lagesensor an den Lagen gelieferten Ausgangssignale (Lage-Messwerte) werden als Kalibrierwerte ermittelt. Die Kalibrierwerte können bspw. mit anderen für eine Kalibrierung relevanten Werten zur Parametrisierung eines Modells dienen. Damit diese speziell ausgewählten Lagen, an denen die Kalibrierwerte ermittelt werden, von außerhalb auch ohne zusätzliche Beobachtungsmöglichkeit exakt ansteuerbar und erkennbar sind, werden solche Lagen ausgewählt, bei denen das Schwebeteil an weiteren, in ihrer Lage bekannten Teilen anliegt (Fixpositionen). Hierbei – wie bei dem Sensor – ist unter ”Lage” bevorzugt eine vertikale, lineare Verschiebeposition zu verstehen; entsprechend ist der Sensor bevorzugt als Linearsensor ausgeführt. Die weiteren Teile der Vorrichtung, an denen das Schwebeteil in den jeweiligen Lagen anliegt sind, wie unten näher erläutert wird, insbesondere das die Bewegung des Schwebeteils begrenzende Gefäß bzw. eine oder mehrere auf gehäusefesten Auflagen ruhende Lastankopplungen. Somit sind bevorzugt alle Kalibrierlagen relativ zu dem Gehäuse fix. Dadurch, dass sich je nach Lage des Schwebeteils eine Anlage an diese Teile ergibt, ist es leicht möglich, während des Kalibriervorgangs die entsprechende Lage exakt anzufahren. Insbesondere kann das Erreichen einer der Kalibrierlagen dadurch erkannt werden, dass bei einem kontinuierlichen Verfahren des Schwebeteils sich ab Erreichen der Kalibrierlage die zur Erzielung einer weiteren Lageveränderung notwendige Anziehungskraft (und entsprechende Ansteuerung des Elektromagneten) sprunghaft ändert. Dies umfasst bei stetiger Erhöhung der Ansteuerung des Elektromagneten auch den Fall, dass das Schwebeteil sich bereits an einem oberen Anschlag befindet und eine weitere Erhöhung der Anziehungskraft nicht mehr zu einer weiteren Lageveränderung führt.According to the invention are a Calibration process and the subsequent use of there determined Calibration values provided in a single operation. In the calibration process, in the apparatus according to the invention with calibration control means automatically performed is, the magnet is controlled so that the floating part different geometrically takes exactly defined positions. The of the position sensor Output signals (position measured values) delivered at the positions are called Calibration values determined. For example, the calibration values may be with others for calibration relevant values for the parameterization of a model. In order to this specially selected Locations where the calibration values are determined from outside as well without additional observability are exactly controllable and recognizable, such layers are selected at which the suspended part of other, known in their position parts is present (fixed positions). Here - as with the sensor - is preferred under "Location" to understand a vertical, linear displacement position; corresponding the sensor is preferably designed as a linear sensor. The other parts of the Device on which the suspended part rests in the respective layers are, as explained below, in particular the vessel limiting the movement of the suspended part or a or more on the housing Conditions resting load connections. Thus, all calibration positions are preferred relative to the housing fix. The fact that, depending on the position of the floating part of a plant at these parts, it is easily possible during the calibration process to approach the corresponding position exactly. In particular, the achievement can one of the Kalibrierlagen be recognized by the fact that at a continuous movement of the suspended part from reaching the Calibration layer to achieve a further change in position necessary attraction (and corresponding activation of the electromagnet) changes abruptly. This includes continuous increase the control of the electromagnet also the case that the suspended part is already at an upper stop and another increase the attraction is no longer a further change in position leads.

Von derartigen Kalibrierlagen werden erfindungsgemäß mindestens zwei verwendet. Bevorzugt werden mindestens drei, besonders bevorzugt vier Lagen zur Kalibrierung genutzt.From Such calibration layers are used according to the invention at least two. At least three, more preferably four layers are preferred used for calibration.

Beim Kalibriervorgang wird einerseits der von dem Sensor gelieferte Lage-Messwert als Kalibrierwert erfasst. Andererseits ist es auch möglich, zusätzlich weitere Werte zu erfassen, um für die Kalibrierung ein verfeinertes Modell nutzen zu können. Zusätzliche Werte, die an den Kalibrierlagen zusammen mit dem Lage-Messwerte in Wertesätzen erfasst werden können, umfassen eine Ansteuergröße des Elektromagneten, ein Waagensignal (falls der Elektromagnet an einer externen Waage befestigt ist), die Temperatur am Sensor und den Druck. Aus den Kalibrierwerten (und ggf. den weiteren erfassten Werten) kann – bspw. durch Interpolation – eine Kalibrierungsfunktion ermittelt werden, die den Zusammenhang zwischen dem vom Sensor gelieferten Lagesignal und der tatsächlichen Absolutposition des Schwebeteils beschreibt.During the calibration process, on the one hand, the position measured value supplied by the sensor is detected as the calibration value. On the other hand, it is also possible to additionally capture other values in order for the calib to be able to use a refined model. Additional values that can be detected on the calibration layers along with the location measurements in sets of values include a solenoid control quantity, a scale signal (if the solenoid is attached to an external balance), the temperature at the sensor, and the pressure. From the calibration values (and possibly the further detected values) a calibration function can be determined, for example by interpolation, which describes the relationship between the position signal supplied by the sensor and the actual absolute position of the suspended part.

In einem anschließenden Betriebsvorgang (bei einer Schwebewaage: Messvorgang) wird anhand der Kalibrierwerte ein Lagewert ermittelt, der aufgrund der vorherigen Kalibrierung ein absoluter Wert ist, d. h. die Lage des Schwebeteils gegenüber dem Gefäß absolut festlegt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt dies durch Vorgabewert-Steuermittel. Diese geben einen Sollwert für die Ansteuerung des Elektromagneten vor. Der Sollwert wird hierbei anhand der zuvor ermittelten Kalibrierwerte so vorgegeben, dass die Position des Schwebeteils einem absoluten Lagewert entspricht.In a subsequent Operating procedure (with a floating balance: measuring process) is based on the calibration values a position determined based on the previous Calibration is an absolute value, i. H. the position of the floating part compared to the Vessel absolutely sets. In the device according to the invention this is done by default value control means. These give a setpoint for the activation of the electromagnet. The setpoint is hereby determined on the basis of the previously determined calibration values such that the position of the suspended part corresponds to an absolute position value.

Auf diese Weise wird eine hochgenaue Kalibrierung gewährleistet, die unter denselben Umgebungsbedingungen wie die spätere Messung bei automatischer Steuerung erfolgen kann. Hierbei ist keine zusätzliche externe Beobachtung notwendig. Es kann bereits ausreichen, nur das Ausgangssignal des Sensors und die Ansteuerung des Elektromag neten zu betrachten. Allein durch das vorherige Einmessen der Lage der bekannten Teile und das Anfahren der entsprechenden Anlagepositionen an diese Teile wird so eine hochgenaue Zuordnung der Sensorausgangssignale zu entsprechenden Absolutpositionen erzielt. Ist eine derartige Zuordnung bekannt, so können darauf folgende Messungen stets bei einer regelbaren entsprechenden gleichen Absolutposition (d. h. festem Abstand zwischen Elektromagnet und Magnetelement) durchgeführt werden, so dass die oben beschriebenen Fehlereinflüsse durch Temperaturdrift und Kraftübertragungsfehler am Deckel konstant bleiben und somit leicht eliminierbar sind (bzw. bei Differenzmessungen prinzipbedingt entfallen).On this way a highly accurate calibration is ensured under the same environmental conditions as the later measurement can be done with automatic control. There is no additional external observation necessary. It may already be enough, only that Output signal of the sensor and the control of the Elektromag Neten consider. Alone by the previous measurement of the situation of known parts and the approach of the corresponding investment positions To these parts, a highly accurate assignment of the sensor output signals achieved to corresponding absolute positions. Is such a Assignment known, so can following measurements always with a controllable corresponding same absolute position (i.e., fixed distance between electromagnet and magnetic element) so that the above-described error influences through Temperature drift and power transmission error remain constant on the lid and thus are easily eliminated (or at Differential measurements omitted due to the principle).

Eine hinreichend genaue Kenntnis der Absolutposition kann es auch ermöglichen, statt der bisher lediglich verwendeten zwei-stufigen Lastankopplung eine mehrstufige, d. h. bspw. drei-stufige oder vier-stufige Lastankopplung vorzusehen, bei denen oberhalb einer dritten bzw. vierten Lastankopplungsposition zusätzliche Proben angekoppelt werden. Angesichts des sehr geringen Hubes derartiger Schwebevorrichtungen von bspw. 0,5 bis 2 cm, üblicherweise im Bereich von 1 cm ist für die genaue Ansteuerung einer größeren Anzahl von Lastankopplungen eine exakte Erfassung der Absolutposition wichtig.A A sufficiently accurate knowledge of the absolute position can also enable instead of the previously used two-stage load coupling one multi-level, d. H. For example, three-stage or four-stage load coupling to provide, in which above a third or fourth load coupling position additional Samples are coupled. Given the very small stroke of such Floating devices of, for example, 0.5 to 2 cm, usually in the range of 1 cm is for the exact control of a larger number of load coupling an exact detection of the absolute position important.

Bei Magnetschwebewaagen, die für die Erfassung der Masse (bzw. einer Masseänderung) des Schwebeteils eine Ansteuergröße des Elektromagneten oder eine Ansteuergröße einer weiteren Feldspule, die ebenfalls ein auf das Schwebeteil wirkendes magnetisches Feld erzeugt (bspw. in WO 2007/065608 A1 den Spulenstrom) verwenden, kann durch die mit der erfindungsgemäßen Kalibrierung ermöglichte höhere Lagekonstanz die Genauigkeit um mehrere Größenordnungen verbessert werden.Magnetic levitation scales, which for the detection of the mass (or a mass change) of the floating part, a drive variable of the electromagnet or a drive variable of another field coil, which also generates a force acting on the floating magnetic field (eg WO 2007/065608 A1 use the coil current), the accuracy can be improved by several orders of magnitude by the higher positional stability enabled by the calibration according to the invention.

Wie bereits erwähnt wird besonders bevorzugt, dass die Kalibrierung in mindestens zwei der folgenden vier Lagen des Schwebeteils erfolgt:

– in einer Ruhelage, die das Schwebeteil bei abgeschalteten Elektromagneten einnimmt,
– in einer ersten Lastankopplungsposition,
– in einer zweiten Lastankopplungsposition,
– in einer Endlage, in der das Schwebeteil an einem oberen Endanschlag anliegt (dies kann die Wandung des den Messraum umgebenden Gefäßes sein).

As already mentioned, it is particularly preferred that the calibration takes place in at least two of the following four layers of the suspended part:

In a rest position, which occupies the suspended part with the electromagnet turned off,
In a first load coupling position,
In a second load coupling position,
- In an end position, in which the suspended part rests against an upper end stop (this may be the wall of the vessel surrounding the measuring space).

Hierbei wird zur Erzielung einer besseren Genauigkeit bevorzugt, dass alle vier dieser Lagen verwendet werden. Es können jedoch auch lediglich an zwei oder drei der Lagen Kalibrierwerte ermittelt werden.in this connection For the sake of better accuracy it is preferred that all four of these layers are used. However, it can also only two or three of the position calibration values are determined.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden aus den bekannten Kalibrierlagen und dem dort jeweils aufgenommenen Sensorsignal Sätze von Werten (bzw. bei zwei Werten: Wertepaare) gebildet und aus den Sätzen eine Kalibrierkurve mit Zuordnung von Sensorausgangssignalen zur dazugehörigen absoluten Lage des Schwebeteils ermittelt. Eine derartige Kalibrierkurve kann bspw. durch linear interpolierte Abschnitte zwischen den Wertesätzen, oder durch andere mathematische Anpassungen einer (ggf. auch abschnittsweise definierten) Kurve an die Wertepaare gebildet werden. Eine derartige Kalibrierkurve kann bspw. durch eine Zuordnungstabelle (lookup-table) oder durch entsprechende Berechnungsvorschriften realisiert werden. Im Betriebsvorgang wird mit Hilfe dieser Kalibrierkurve dann das jeweils vom Sensor gelieferte Signal einem Lagewert zugeordnet.According to one Development of the invention will become known from the calibration and the sensor signal received there, sets of values (or with two values: value pairs) formed and from the sentences one Calibration curve with assignment of sensor output signals to the corresponding absolute Location of the suspended part determined. Such a calibration curve can for example, by linearly interpolated sections between the sets of values, or through other mathematical adaptations of a (possibly also in sections defined) curve to the value pairs are formed. Such Calibration curve can, for example, by an assignment table (lookup table) or realized by appropriate calculation rules. In the operating process is then using the calibration curve each supplied by the sensor signal associated with a position value.

Besonders bevorzugt erfolgen während eines längeren Betriebszeitraumes im zeitlichen Abstand mehrere Kalibriervorgänge, bspw. alle 30 Minuten. Bei diesen Kalibriervorgängen werden dann jeweils alle zur Kalibrierung verwendeten Kalibrierlagen angefahren und die entsprechenden Kalibrierwerte für die nachfolgenden Messungen ermittelt. So wird auch bei einer Veränderung der Umgebungsbedingungen während der Messperiode eine hohe Genauigkeit beibehalten.Especially preferably done during a longer one Operating period at a time interval several calibration operations, eg. every 30 minutes. In these calibration procedures are then all each Calibration positions used for calibration are approached and the corresponding Calibration values for the subsequent measurements are determined. So will a change the environmental conditions during maintained a high accuracy of the measurement period.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:following becomes an embodiment the invention described in more detail with reference to drawings. In the drawings demonstrate:

1 eine Prinzipskizze eines Längsschnittes durch ein Schwebelager; 1 a schematic diagram of a longitudinal section through a suspension bearing;

2a, 2b Prinzipskizzen der Vorrichtung aus 1 in einer Ruhelage und einer Endlage; 2a . 2 B Schematic diagrams of the device 1 in a rest position and a final position;

3 für die Vorrichtung aus 1, 2a, 2b ein Diagramm mit Darstellung einer Kalibrierkurve zur Zuordnung von Sensorausgangsspannungen U_a zu Positionen x; 3 for the device 1 . 2a . 2 B a diagram showing a calibration curve for the assignment of sensor output voltages U _a to positions x;

4 eine Prinzipskizze einer Schwebewaage mit zwei Lastankopplungen; 4 a schematic diagram of a floating balance with two load couplings;

5a–5d Prinzipskizzen durch einen Teil der Magnetschwebewaage aus 4 in einer Ruhelage, einer ersten und zweiten Lastankopplungsposition und einer Endlage; 5a - 5d Schematic diagrams through a part of the magnetic levitation balance 4 in a rest position, a first and second load coupling position and an end position;

6 ein Diagramm mit Darstellung einer Kalibrierkurve zur Zuordnung von Sensorausgangsspannungen U_a zu Positionen x. 6 a diagram showing a calibration curve for the assignment of sensor output voltages U _a to positions x.

In 1 ist ein einfaches unterschaliges Magnetschwebelager 10 dargestellt mit einem feststehenden Elektromagneten 14 und darunter befindlichen Gefäß 16. Innerhalb des Gefäßes 16 ist ein Schwebeteil 18 angeordnet, das an seinem oberen Ende ein Permanentmagnetelement 20 und am unteren Ende eine Last 30 aufweist.In 1 is a simple underneath magnetic levitation bearing 10 represented with a fixed electromagnet 14 and vessel below 16 , Inside the vessel 16 is a suspended part 18 arranged, which at its upper end a permanent magnet element 20 and at the bottom a load 30 having.

Am Schwebeteil 18 ist ein linearer Lagesensor 22 vorgesehen, der eine gehäusefeste Spule 24 und einen am Schwebeteil 18 angeordneten Ferritkern 26 umfasst. Je nach Lage des Schwebeteils 18 und damit unterschiedlicher Eindringtiefe des Kerns 26 in die Spule 24 verändert sich deren Induktivität. Hierbei ist die Spule 24 Teil eines Schwingkreises (nicht dargestellt), dessen Frequenz sich durch die Änderung der Induktivität verschiebt. Mit einer geeigneten Schaltung in einer Auswerteeinheit 56 wird hieraus ein Sensorausgangssignal (analoges Spannungssignal) U_a erzeugt, das eine relative Zuordnung zur Position des Schwebeteils 18 ermöglicht.At the suspended part 18 is a linear position sensor 22 provided, which is a housing-fixed coil 24 and one on the floating part 18 arranged ferrite core 26 includes. Depending on the position of the floating part 18 and thus different penetration depth of the core 26 in the coil 24 their inductance changes. Here is the coil 24 Part of a resonant circuit (not shown) whose frequency shifts by the change in inductance. With a suitable circuit in an evaluation unit 56 From this, a sensor output signal (analog voltage signal) U _{a is} generated, which is a relative assignment to the position of the floating part 18 allows.

Im Betrieb des Schwebelagers 10 wird der Elektromagnet 14 durch die Steuereinheit 50 so angesteuert, dass er einen Betriebspunkt BP1 einnimmt, in dem das Schwebeteil 18 im Schwebezustand gehalten wird.In operation of the floating bearing 10 becomes the electromagnet 14 through the control unit 50 so driven that it occupies an operating point BP1, in which the suspended part 18 is kept in limbo.

Die Steuereinheit 50 enthält ein Steuerungselement 52, in dem durch manuelle Eingabe oder über eine Computerschnittstelle die Betriebsart vorgegeben wird. Sie steuert einen Sollwertregler 54 an, der einen Sollwert S für die Position des Schwebeteils 18 vorgibt. Die relative Position des Schwebeteils 18 wird durch den Sensor 22 erfasst und durch die Auswerteinheit 56 in einen lageproportionalen Spannungswert U_a gewandelt. Dieser wird als IST-Wert mit dem Sollwert S verglichen und die sich daraus ergebende Diffe renz dem schnellen PID-Regler 58 als Regelabweichung zugeführt. Dieser generiert daraus eine Ansteuerspannung U_M für den Elektromagneten, so dass der voreingestellte Wert S für die Position des Schwebeteils 18 erreicht wird.The control unit 50 contains a control element 52 in which the operating mode is specified by manual input or via a computer interface. It controls a setpoint controller 54 on, a setpoint S for the position of the floating part 18 pretends. The relative position of the floating part 18 is through the sensor 22 recorded and by the evaluation unit 56 converted into a position-proportional voltage value U _a . This is compared as an actual value with the setpoint value S and the resulting difference to the fast PID controller 58 supplied as a control deviation. This generates a drive voltage U _M for the electromagnet, so that the preset value S for the position of the floating part 18 is reached.

Während allerdings der Lagesensor 22 langfristig nur einen relativen Wert für die Lage des Schwebeteils 18 liefert, der einer von verschiedenen Faktoren abhängigen Drift unterliegt, ist es von Interesse, die Absolutposition x_BP1, die das Schwebeteil im aktuellen Betriebspunkt BP1 einnimmt, zu ermitteln, so dass diese im Betrieb dauerhaft auf einen konstanten Wert eingeregelt werden kann.While, however, the position sensor 22 long term only a relative value for the position of the floating part 18 provides that is subject to a drift dependent on various factors, it is of interest to determine the absolute position x _BP1 , which occupies the floating part in the current operating point BP1, so that it can be permanently adjusted in operation to a constant value.

Um dies zu ermöglichen wird erfindungsgemäß eine Kalibrierung vorgeschlagen, mit der – für den aktuellen Betriebszustand – eine Zuordnung des Sensorausgangssignals U_a zu einer absoluten Position x des Schwebeteils 18 möglich ist, also ein möglichst genauer funktionaler Zusammenhang U_a(x). Kann ein solcher Zusammenhang mit hinreichender Genauigkeit angegeben werden, so ist es möglich, im Betrieb des Schwebelagers eine Ansteuerung eines festen, absoluten Betriebspunktes vorzunehmen.To make this possible, a calibration is proposed according to the invention, with the - for the current operating state - an assignment of the sensor output signal U _a to an absolute position x of the floating part 18 is possible, ie the most accurate functional relationship U _a (x) possible. If such a relationship can be stated with sufficient accuracy, it is possible to carry out a control of a fixed, absolute operating point during operation of the floating bearing.

Allgemein besteht die Kalibrierung darin, einen analytischen und/oder empirischen Zusammenhang zwischen verschiedenen erfassten Daten zu erstellen und anhand dieses Zusammenhangs eine Kalibrierung vorzunehmen. Die hierbei betrachteten Größen können insbesondere einzeln oder zu mehreren aus der folgenden Gruppe ausgewählt werden: Lagesignal U_a des Sensors 24, Ansteuerspannung U_M des Elektromagneten 14, Waagensignal Wa einer mit dem Elektromagneten 14 gekoppelten Waage 12 (siehe 4), Temperatur T und/oder Druck p.Generally, the calibration is to establish an analytical and / or empirical relationship between different acquired data and to perform a calibration based on this relationship. The variables considered in this case can be selected individually or in particular from the following group: Position signal U _{a of} the sensor 24 , Drive voltage U _{M of} the electromagnet 14 Waagensignal Wa one with the electromagnet 14 coupled scales 12 (please refer 4 ), Temperature T and / or pressure p.

Das so gebildete, bspw. parametrisierte Modell wird, wie nachfolgend beschrieben, an verschiedenen durch den Behälter 16 definierten Fixpositionen festgelegt bzw. überprüft.The thus-formed, for example, parameterized model is, as described below, at different through the container 16 Defined fixed positions are defined or checked.

Eine weitere Verfeinerung bzw. Verifikation des Modells kann, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, zusätzlich durch Analyse des dynamischen Verhaltens des Schwebeteils 18 erfolgen, nämlich indem das Schwebeteil 18 durch geeignete Ansteuerung des Elektromagneten 14 gezielt in Bewegung versetzt wird und die unter den herrschenden Umgebungsbedingungen resultierenden Änderungen am Sensorsignal U_a betrachtet werden.Further refinement or verification of the model can, as will be explained in more detail below, additionally by analysis of the dynamic behavior of the floating part 18 take place, namely by the suspended part 18 by suitable control of the electromagnet 14 is deliberately set in motion and the resulting under the prevailing environmental conditions changes in the sensor signal U _{a are} considered.

Im späteren, kalibrierten Betrieb des Schwebelagers ist es anhand der vorliegenden Kalibrierdaten dann möglich, einen absoluten Betriebspunkt BP1, d. h. eine entsprechende Position des Schwebeteils 18 gezielt anzusteuern, indem aus der Kalibrierung der Sollwert S_BP1 ermittelt wird, der genau dem Sensorsignal U_a,BP1 an der Sensorposition x_BP1 entspricht. Durch den PID-Regler 58 wird dadurch der Elektromagnet 14 so angesteuert, dass das Schwebeteil 18 stabil in der Position x_BP1 gehalten wird.In later, calibrated operation of the floating bearing, it is based on the present Kalibrierda Then possible, an absolute operating point BP1, ie a corresponding position of the floating part 18 to selectively control by the setpoint S _{BP1 is} determined from the calibration, which corresponds exactly to the sensor signal U _{a, BP1} at the sensor position x _BP1 . Through the PID controller 58 becomes thereby the electromagnet 14 so controlled that the suspended part 18 is held stably in the position x _BP1 .

Nachfolgend wird als Beispiel eines einfachen Kalibrierverfahrens ein Vorgehen erläutert, bei dem von den verschiedenen erfassbaren Werten nur das Sensorsignal (Lagesignal) U_a an Fixpunkten betrachtet wird und ein rein empirisches Modell durch Interpolation zwischen den Fixpositionen zur Kalibrierung eingesetzt wird.Below, as an example of a simple calibration method, a procedure is explained in which, of the various detectable values, only the sensor signal (position signal) U _a at fixed points is considered and a purely empirical model is used by interpolation between the fixed positions for calibration.

Bei diesem ersten Beispiel eines Kalibrierverfahrens wird der gesuchte Zusammenhang U_a(x) an mindestens zwei durch den Behälter 16 definierten Positionen (Fixpositionen) ermittelt. Dazu wird während eines Kalibriervorgangs das Sensorsignal U_a an diesen Positionen unter den aktuell herrschenden Bedingungen ermittelt.In this first example of a calibration method, the desired relationship U _a (x) is at least two through the container 16 determined positions (fixed positions). For this purpose, the sensor signal U _{a is determined} at these positions under the currently prevailing conditions during a calibration process.

Für das in 1 gezeigte einfache Schwebelager bietet sich als erster Kalibrierpunkt P1 die Ruhelage, d. h. die Position des Schwebeteils 18 bei ausgeschalteter Schweberegelung x_AUS und das in dieser Lage gemessene Sensorsignal U_a,AUS an. Diese Einstellung des Schwebelagers ist in 2a dargestellt und lässt sich einfach durch die externe Steuerung des Sollwertgenerators 54 anfahren. In dieser Position wird für den ersten Kalibrierpunkt P1 ein erstes Wertepaar (x_AUS, U_a,AUS) ermittelt und abgespeichert.For the in 1 shown simple floating bearing offers itself as the first calibration point P1, the rest position, ie the position of the floating part 18 with deactivated levitation control x _OFF and the sensor signal U _{a, OFF} measured in this position. This adjustment of the floating bearing is in 2a and can be easily controlled by the external control of the setpoint generator 54 approach. In this position, a first value pair (x _OFF , U _{a, OFF} ) is determined and stored for the first calibration point P1.

Als zweiter Kalibrierpunkt P2 für das einfache Schwebelager wird die Endlage, d. h. die oberste mögliche Position x_MAX des Schwebeteils 18 an der oberen Behälterwand bei maximaler Anziehung zwischen dem Permanentmagneten 20 und dem Elektromagneten 14 gewählt. Das in dieser Lage gemessene Sensorsignal U_a,MAX ergibt den zweiten Kalibrierpunkt. Diese Einstellung des Schwebelagers ist in 2b dargestellt und lässt sich ebenfalls einfach durch die externe Steuerung des Sollwertgenerators anfahren. In dieser Position wird für den zweiten Kalibrierpunkt P2 ein zweites Wertepaar (x_MAX, U_a,MAX) ermittelt und abgespeichert.The second calibration point P2 for the simple levitation bearing becomes the end position, ie the uppermost possible position x _{MAX of} the suspended part 18 on the upper vessel wall at maximum attraction between the permanent magnet 20 and the electromagnet 14 selected. The sensor signal U _{a, MAX} measured in this position yields the second calibration point. This adjustment of the floating bearing is in 2 B can also be easily approached by the external control of the setpoint generator. In this position, a second value pair (x _MAX , U _{a, MAX} ) is determined and stored for the second calibration point P2.

Der spätere Betriebspunkt BP1 des Schwebelagers 10 liegt zwischen den beiden so ermittelten Kalibrierpunkten. Als funktionaler Zusammenhang zwischen der Absolutposition x und dem Sensorsignal U_a wird im einfachsten Fall eine lineare Interpolation zwischen den Kalibrierpunkten vorgeschlagen. Der prinzipielle funktionale Zusammenhang ist in 3 dargestellt.The later operating point BP1 of the floating bearing 10 lies between the two calibration points determined in this way. As a functional relationship between the absolute position x and the sensor signal U _a , a linear interpolation between the calibration points is proposed in the simplest case. The principal functional relationship is in 3 shown.

Hier wird auch verdeutlicht, wie der Sollwert S = S_BP1 für die Absolutposition x_BP1 für den sich an die Kalibrierung anschließenden Betrieb des Schwebelagers 10 aus der Kalibrierung ermittelt wird.Here, it is also clarified how the desired value S = S _BP1 for the absolute position x _BP1 for the operation of the floating bearing following the calibration 10 is determined from the calibration.

Durch die regelmäßige Aktualisierung der Kalibrierung während des Betriebs des Schwebelagers 10 wird sichergestellt, dass sich das Schwebeteil 18 im Betrieb dauerhaft bei der gleichen Position im Behälter befindet.By regularly updating the calibration during the operation of the floating bearing 10 will ensure that the suspended part 18 permanently in the same position in the container during operation.

Nachfolgend wird ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kalibrierverfahrens beschrieben, dass an einer Magnetschwebewaage durchgeführt wird, wobei eine Parametrisierung bzw. Verifikation des empirischen Modells an weiteren Fixpunkten erfolgt. Von den möglichen für die Kalibrierung verwendbaren Daten wird hierbei neben dem Lagesignal U_a auch die Ansteuerspannung U_M des Elektromagneten und/oder ein Waagensignal W_a der Waage betrachtet, um die Fixpositionen zu erkennen.Hereinafter, a second embodiment of a calibration method will be described, which is carried out on a magnetic levitation, wherein a parameterization or verification of the empirical model takes place at other fixed points. Of the possible data that can be used for the calibration, in addition to the position signal U _a , the drive voltage U _{M of} the electromagnet and / or a balance signal W _{a of} the balance are also considered in order to detect the fixed positions.

In 4 ist eine Magnetschwebewaage 110 dargestellt, die über ein Schwebelager mit einem an einer Waage 12 mit einem Waagensignal W_a angebrachten Elektromagneten 14 verfügt. Innerhalb des darunter befindlichen Gefäßes 116 ist wie beim zuvor erläuterten Schwebelager 10 ein Schwebeteil 118 mit einem Permanentmagnetelement 20 angeordnet. Soweit das Gefäß 116 und das Schwebeteil 118 über gleiche Teile wie das zuvor erläuterte Schwebelager 10 verfügen, sind diese mit gleichen Bezugsziffern versehen und werden hier nicht erneut erläutert.In 4 is a magnetic levitation balance 110 represented by a levitation bearing with a on a balance 12 with a scale signal W _a mounted electromagnet 14 features. Inside the vessel below 116 is like the previously discussed floating bearing 10 a suspended part 118 with a permanent magnet element 20 arranged. As far as the vessel 116 and the suspended part 118 over the same parts as the previously explained floating bearing 10 are provided with the same reference numerals and will not be explained again here.

Am unteren Ende des Schwebeteils 118 ist eine erste Lastankopplung 28 vorgesehen.At the bottom of the floating part 118 is a first load coupling 28 intended.

Diese umfasst einen mit einer als erste Last vorgesehenen Behälter 30 verbundenen Käfig 32, der im Ruhezustand auf einer gehäusefesten Ablage 34 ruht. Ein am Ende des Schwebeteils 18 befestigter Mitnehmer 36 tritt ab einer Lastankopplungsposition mit dem Käfig 32 in Eingriff, so dass in einer Lage des Schwebeteils 118 oberhalb der ersten Lastankopplungsposition das Schwebeteil 118 mit der ersten Last 30 verbunden ist, aber unterhalb der ersten Lastankopplungsposition frei von jeglicher Last ist. Die Lastankopplung wird beim Messvorgang dazu verwendet, dass die Waage 12 im unbelasteten Zustand kalibriert bzw. eine Drift der unbelasteten Waage korrigiert werden kann.This includes one with a container provided as a first load 30 connected cage 32 , at rest on a cabinet-fixed shelf 34 rests. One at the end of the floating part 18 attached driver 36 occurs from a load-coupling position with the cage 32 engaged, so that in a position of the floating part 118 above the first load coupling position, the suspended part 118 with the first load 30 is connected, but below the first load coupling position is free of any load. The load coupling is used during the measuring process to ensure that the balance 12 calibrated in the unloaded state or a drift of the unloaded balance can be corrected.

Über eine zweite Lastankopplung 38 ist eine zweite Last 40 ankoppelbar, die im Ruhezustand auf einer gehäusefesten Ablage 44 ruht. Ein mit der ersten Last 30 und dem Käfig 32 verbundener Mitnehmer 46 tritt ab einer zweiten Lastankopplungsposition mit der zweiten Last 40 in Eingriff und hebt diese an. So ist das Schwebeteil 118 in einer Lage oberhalb der zweiten Lastankopplungsposition kraftschlüssig mit der zweiten Last verbunden, unterhalb der zweiten Lastankopplungsposition aber frei von der zweiten Last 40.Via a second load connection 38 is a second load 40 can be coupled, which at rest on a housing-fixed tray 44 rests. One with the first load 30 and the cage 32 connected driver 46 occurs from a second load-coupling position with the second load 40 engage and raise these. That is the suspended part 118 in a position above the second load coupling position frictionally connected to the second load, but below the second load coupling position but free from the second load 40 ,

Wie bei der oben beschriebenen Schweberegelung 10 ist auch bei der Magnetschwebewaage 110 eine Steuereinheit 50 mit einem Steuerungselement 52, Sollwertregler 54, Auswerteeinheit 56 und PID-Regler 58 vorgesehen.As with the levitation control described above 10 is also with the magnetic levitation balance 110 a control unit 50 with a control element 52 , Setpoint controller 54 , Evaluation unit 56 and PID controller 58 intended.

Bei der Kalibrierung der Magnetschwebewaage 110 mit zwei Lastankopplungen 36, 46 können zusätzlich zu den Fixpositionen P1 (Ruhelage) und P2 (Endlage) weitere Fixpositionen als Kalibrierpunkte an den beiden Lastankoppelpositionen verwendet werden.During the calibration of the magnetic levitation balance 110 with two load connections 36 . 46 In addition to the fixed positions P1 (rest position) and P2 (end position), additional fixed positions can be used as calibration points at the two load coupling positions.

Durch das Steuerelement 52 der Steuerung 50 wird der Ablauf des nachfolgend beschriebenen Kalibrierprogramms gesteuert:
Im Rahmen des Kalibriervorgangs werden durch unterschiedliche Ansteuerung des Elektromagneten 14 unterschiedliche Positionen x des Schwebeteils 18 angesteuert und dabei jeweils der Sensorausgangswert U_a beobachtet. Die verschiedenen Positionen sind in 5a–5d dargestellt.Through the control 52 the controller 50 the sequence of the calibration program described below is controlled:
As part of the calibration process by different control of the electromagnet 14 different positions x of the floating part 18 controlled and in each case the sensor output value U _a observed. The different positions are in 5a - 5d shown.

Als erste Position wird wie in 5a dargestellt die Ruhelage P1 verwendet. Hierbei wird der Elektromagnet 14 ausgeschaltet. Das Schwebeteil 118 sinkt dann in die dargestellte Ruhelage, bei der der Mitnehmer 36 innerhalb des Käfigs 32 der ersten Lastankopplung 28 ruht. Da die geometrischen Verhältnisse des Gefäßes 16, insbesondere dessen Länge und die Position der Ablage 34 ebenso bekannt sind wie die Länge des Schwebeteils 118, ergibt sich in der Ruhelage ein Abstand x_AUS, der einem bekannten Wert entspricht. Gleichzeitig ergibt sich eine zugehörige Sensorausgangsspannung U_a,AUS. In dieser Position wird für den ersten Kalibrierpunkt P1 ein erstes Wertepaar (x_AUS, U_a,AUS) ermittelt und abgespeichert.As first position will be like in 5a represented the rest position P1 used. This is the electromagnet 14 switched off. The suspended part 118 then sinks into the illustrated rest position, in which the driver 36 inside the cage 32 the first load coupling 28 rests. Because the geometric relationships of the vessel 16 , in particular its length and the position of the tray 34 as well as the length of the suspended part 118 , results in the rest position, a distance x _OFF , which corresponds to a known value. At the same time results in an associated sensor output voltage U _{a, OFF} . In this position, a first value pair (x _OFF , U _{a, OFF} ) is determined and stored for the first calibration point P1.

Ausgehend von der in 5a dargestellten Ruhelage wird nun die in 5b dargestellte erste Lastankopplungsposition P3 angefahren. Hierzu wird die Regelung durch den PID-Regler 28 in Betrieb genommen und das Schwebeteil 18 abgehoben. Durch die gezielte Sollwertveränderung durch das Steuerungselement 52 wird das Schwebeteil 18 weiter angehoben, bis die in 5b dargestellte erste Lastankopplungsposition erreicht wird. Bei dieser Position tritt an der ersten Lastankopplung 28 der Mitnehmer 36 mit dem Käfig 32 in Eingriff.Starting from the in 5a shown rest position is now the in 5b approached shown first load coupling position P3. This is done by the PID controller 28 put into operation and the suspended part 18 lifted. Due to the targeted setpoint change by the control element 52 becomes the suspended part 18 further raised until the in 5b shown first load coupling position is achieved. At this position occurs at the first load coupling 28 the driver 36 with the cage 32 engaged.

Durch die so erfolgte Ankopplung der Last 30 ist für das weitere Anheben des Schwebeteils 18 eine deutlich höhere Ansteuerung notwendig, d. h. die zur Erzielung einer weiteren Lageveränderung notwendige Anziehungskraft steigt sprunghaft an. Hierdurch ist die in 3 gezeigte erste Lastankopplungsposition von außen rein anhand der elektrischen Größe U_M zu erkennen. Durch diese sprunghafte Veränderung von U_M ist das Erreichen der Position P3 der ersten Lastankopplung deutlich erkennbar. Ergänzend oder alternativ hierzu kann das Waagensignal W_a zur Erkennung des Erreichens der Fixposition verwendet werden.Due to the coupling of the load 30 is for further lifting of the floating part 18 a much higher control necessary, ie the necessary to achieve a further change of power attraction increases abruptly. This is the in 3 shown first load coupling position from the outside purely on the basis of the electrical size U _M to recognize. Due to this sudden change in U _M , reaching the position P3 of the first load coupling is clearly recognizable. Additionally or alternatively, the scale signal W _{a can be used} to detect the reaching of the fixed position.

Zur Position P3 ist aufgrund der genau bekannten geometrischen Abmessungen der Positionswert x₁ bekannt. Durch das Steuerelement 52 wird die vom Sensor 22 ermittelte lageproportionale Spannung U_a,1 aufgezeichnet. Dadurch ist ein zweites Wertepaar P3 (x₁, U_a,1) für die Ermittlung der Kalibrierkurve festgestellt.For the position P3, the position value x _{1 is} known due to the precisely known geometrical dimensions. Through the control 52 will be the one from the sensor 22 determined position-proportional voltage U _{a, 1} recorded. As a result, a second value pair P3 (x ₁ , U _{a, 1} ) for the determination of the calibration curve is detected.

Im weiteren Verlauf der Ansteuerung wird dann eine zweite Lastankopplungsposition P4 (5c) erreicht, bei der der Mitnehmer 46 die zweite Last 40 ankoppelt. Auch die zweite Lastankopplungsposition P4 mit bekannter geometrischer Position x₂ ist wiederum durch die sprunghafte Veränderung von U_M (bzw. alternativ des Waagesignals W_a) deutlich erkennbar. Wie bei der ersten Lastankopplungsposition x₁ wird auch die zweite Lastankopplungsposition P4 durch die Ansteuervorrichtung automatisch erkannt. Der zugehörige Sensorausgangswert U_a,2 wird abgespeichert und somit ein drittes Wertepaar (x₂, U_a,2) ermittelt.In the further course of the control, a second load coupling position P4 (FIG. 5c ), at which the driver 46 the second load 40 couples. The second load coupling position P4 with known geometric position x ₂ is again clearly recognizable by the abrupt change of U _M (or alternatively of the balance signal W _a ). As with the first load coupling position x ₁ , the second load coupling position P4 is automatically detected by the drive device. The associated sensor output value U _{a, 2} is stored and thus determines a third pair of values (x ₂ , U _{a, 2} ).

Bei weiter steigender Ansteuerung am Magneten 14 wird schließlich eine obere Anschlagposition P2 des Schwebeteils 18 erreicht, bei dem das Magnetelement 20 am oberen Rand des Gefäßes 16 anliegt. Auch diese Position wird von der Steuervorrichtung automatisch erkannt und so in dieser Endlage das vierte Wertepaar (x₃, U_a,3) ermittelt.With further increasing activation at the magnet 14 Finally, an upper stop position P2 of the floating part 18 reached, in which the magnetic element 20 at the top of the vessel 16 is applied. This position is automatically detected by the control device and thus determined in this end position, the fourth pair of values (x ₃ , U _{a, 3} ).

Die so an den Punkten P1–P4 ermittelten Wertepaare werden zu einer in 6 grafisch dargestellten Kalibrierkurve zusammengefasst. In 6 zeigt die gepunktete Linie beispielhaft einen angenommenen tatsächlichen Verlauf der Abhängigkeit der Sensorspannung U_a von der Absolutposition x. Die vier ermittelten Wertepaare P1–P4 liegen auf dieser Linie. In einer ersten Ausführung wird nun zwischen den vier Messpunkten linear interpoliert, um eine Annäherung an den tatsächlichen Verlauf der Abhängigkeit mit rechnerisch einfachen Mitteln zu erreichen. In weiteren Ausführungen können andere Interpolationen vorgenommen werden, insbesondere Interpolationen mit Polynomen verschiedener Ordnung etc.The value pairs thus determined at the points P1-P4 become an in 6 graphically represented calibration curve. In 6 shows the dotted line by way of example an assumed actual course of the dependence of the sensor voltage U _a of the absolute position x. The four determined value pairs P1-P4 are on this line. In a first embodiment, linear interpolation is now carried out between the four measuring points in order to achieve an approximation to the actual course of the dependence with computationally simple means. In other embodiments, other interpolations can be made, in particular interpolations with polynomials of different order, etc.

Die Kalibrierkurve wird in einer digitalen Repräsentation – entweder als Berechnungsvorschrift oder als Wertetabelle – in der Steuereinheit 52 abgespeichert. Damit ist der Kalibriervorgang beendet.The calibration curve is displayed in a digital representation - either as a calculation rule or as a value table - in the control unit 52 stored. This completes the calibration process.

In nun folgenden Messvorgängen können die benötigten gravimetrischen Messungen an den beiden Lasten 30, 40 durchgeführt werden. Bei dieser Messung wird jeweils wie in 1 gezeigt durch die Steuereinheit 52 und den Sollwertregler 54 ein Sollwert S für den Abstand des Magnetelements 20 vom Deckel des Behälters 16 vorgegeben. Durch die Steuereinheit 52 ist sichergestellt, dass der Sollwert S für einen gewünschten Absolutwert der Position x korrekt berechnet wird, so dass der PID-Regler 58 die Position des Schwebeteils 18 entsprechend einregelt.In subsequent measuring procedures, the required gravimetric measurements can be made on the two loads 30 . 40 be performed. In this measurement, each as in 1 shown by the control unit 52 and the setpoint controller 54 a desired value S for the distance of the magnetic element 20 from the lid of the container 16 specified. Through the control unit 52 it is ensured that the setpoint S for a desired absolute value of the position x is calculated correctly, so that the PID controller 58 the position of the floating part 18 adjusted accordingly.

Bei den verschiedenen nun durchgeführten Messungen können aufgrund der bekannten Absolutposition Einflüsse aufgrund der nichtlinearen Abhängigkeit von Magnetanziehungskraft und Abstand einerseits sowie Einflüsse durch Störungen des Magnetfelds an der Gehäusewandung andererseits eliminiert werden bzw. diese fallen bei Differenzmessungen systembedingt heraus.at the various measurements now performed can due to the known absolute position influences due to the non-linear dependence of magnetic attraction and distance on the one hand, as well as influences by disorders the magnetic field on the housing wall On the other hand, these are eliminated or fall in differential measurements systemic out.

Um eventuellen Drifteffekten, bspw. durch Einfluss der Umgebungsbedingungen, entgegenzuwirken, wird die Kalibrierung zwischen den Messungen mehrfach wiederholt. Bevorzugt erfolgt in Intervallen von bspw. 30 Minuten eine Neukalibrierung nach dem beschriebenen Verfahren mit Ermittlung einer jeweils aktuellen Kalibrierkurve (6). Die Steuereinheit 52 wird dann entsprechend aktualisiert, so dass stets exakte absolute Positionswerte x für das Schwebeteil 18 eingeregelt werden.In order to counteract possible drift effects, for example due to the influence of environmental conditions, the calibration is repeated several times between the measurements. Preferably, at intervals of, for example, 30 minutes, a recalibration according to the method described with determination of a respective current calibration curve ( 6 ). The control unit 52 is then updated accordingly, so that always exact absolute position values x for the suspended part 18 be adjusted.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform eines Kalibrierverfahrens werden zusätzlich zu den Größen Lagesignal U_a und Ansteuerspannung U_M des Elektromagneten die Temperatur T im Bereich des Sensors 24 und der Druck p innerhalb des Behälters 16 erfasst. Hierbei wird die Kalibrierung wie im oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel an vier Fixpunkten P1–P4 durchgeführt und hierbei nicht lediglich Wertepaare aus Absolutposition x und Sensorausgangsspannung U_a ermittelt und abgespeichert, sondern es werden zusätzlich die Temperatur T und der Druck p ermittelt und für jeden Fixpunkt entsprechende Sätze von Kalibrierwerten (U_a, U_M, W_a, T, p) abgespeichert. Um ein empirisches Modell der Temperatur- und Druckabhängigkeit zu erhalten wird anschließend derselbe Kalibriervorgang bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen durchgeführt. Die so ermittelten Kalibrierwerte können als Stützstellen einer mehrdimensionalen Funktion f (U_a, U_M, W_a, T, p) angesehen werden, die in der oben beschriebenen Weise, nun allerdings in mehr Dimensionen, zur Kalibrierung genutzt werden kann, indem bspw. zwischen den Stützstellen interpoliert wird.In a further alternative embodiment of a calibration method, in addition to the variables position signal U _a and control voltage U _{M of} the electromagnet, the temperature T in the region of the sensor 24 and the pressure p within the container 16 detected. Here, the calibration is performed as in the second embodiment described above at four fixed points P1-P4 and this not only value pairs of absolute position x and sensor output voltage U _{a is} determined and stored, but it is additionally determined the temperature T and the pressure p and corresponding for each fixed point Sets of calibration values (U _a , U _M , W _a , T, p) are stored. In order to obtain an empirical model of the temperature and pressure dependence, the same calibration process is then carried out at different pressures and temperatures. The calibration values determined in this way can be regarded as supporting points of a multi-dimensional function f (U _a , U _M , W _a , T, p) which can be used for calibration in the manner described above, but now in more dimensions, by, for example. interpolated between the interpolation points.

In einer zusätzlichen Ausführungsform kann das Verhalten des Systems zwischen den Fixpunkten durch Betrachtung des dynamischen Verhaltens genauer charakterisiert werden. Hierfür wird der Elektromagnet 14 so angesteuert, dass sich am Schwebeteil 18 eine Schwingungsbewegung in Vertikalrichtung ergibt. Die durch die Ansteuerung des Elektromagneten 14 vorgegebene Frequenz der Schwingungsbewegung liegt bevorzugt unterhalb von 1 kHz und besonders bevorzugt bei 0,1 Hz bis 200 Hz. Die Amplitude der Schwingung wird bevorzugt so gewählt, dass sie geringer ist als die Hälfte des Abstandes zwischen zwei Fixpositionen des Schwebeteils 18, damit eine freie Schwingung ohne Anlage sichergestellt ist.In an additional embodiment, the behavior of the system between the fixed points can be more accurately characterized by considering the dynamic behavior. This is the electromagnet 14 so controlled that on the suspended part 18 gives a vibrational movement in the vertical direction. The by the control of the electromagnet 14 predetermined frequency of the oscillation movement is preferably below 1 kHz and more preferably at 0.1 Hz to 200 Hz. The amplitude of the oscillation is preferably chosen so that it is less than half the distance between two fixed positions of the floating part 18 so that a free vibration is ensured without installation.

Eine Auswertung erfolgt durch Vergleich des vorgegebenen Steuersignals U_M am Elektromagneten 14 mit dem resultierenden Sensorsignal U_a am Sensor 24. Wird bspw. am Elektromagneten 14 eine Sinusschwingung bekannter Amplitude, Frequenz und Phasenlage vorgegeben, so wird das Ausgangssignal U_a des Sensors 24 – ggf. nach einer Einschwingzeit – ebenfalls ein periodisches Signal sein. Durch Auswertung von Amplitude, Frequenzanteilen und Phasenlage des Ausgangssignals U_a im Vergleich zum Anregungssignal U_M werden Informationen über das System gewonnen, die zusätzlich zur Kalibrierung genutzt werden können.An evaluation is carried out by comparing the predetermined control signal U _{M to} the electromagnet 14 with the resulting sensor signal U _a on the sensor 24 , For example, on the electromagnet 14 given a sine wave of known amplitude, frequency and phase, so the output signal U _{a of} the sensor 24 - If necessary, after a settling time - also be a periodic signal. By evaluating the amplitude, frequency components and phase position of the output signal U _a in comparison to the excitation signal U _M information about the system is obtained, which can be used in addition to the calibration.

Claims

Method for levitation control of a suspended part ( 18 ) with at least one magnetic element ( 20 ) and a sensor ( 22 ) for providing a position measurement (U _a ), wherein an electromagnet ( 14 ) is driven in such a way that it exerts a force on the magnetic element ( 20 ), characterized in that - in at least one calibration process, the electromagnet ( 14 ) is controlled so that the suspended part ( 18 ) assumes at least two layers on which there are in each case at other, known in their position parts ( 16 . 32 . 44 ), whereby the signal from the sensor ( 22 ) position measurements (U _{a, 0} ; U _{a, 1} ; U _a2 ; U _{a, 3} ) delivered to the layers are determined as calibration values, and in at least one operating operation the electromagnet ( 14 ) is controlled so that the suspended part ( 18 ) assumes a floating position, wherein based on the calibration values an absolute position value (x) is determined.

The method of claim 1, wherein - in which Calibration process at least one of the layers is detected by that from reaching the situation to achieve another change of position necessary attraction changes abruptly.

Method according to one of the preceding claims, in which - one of the layers corresponds to a position of rest which separates the suspended part ( 18 ) with switched off electromagnet ( 14 ) occupies.

Method according to one of the preceding claims, in which - one of the layers corresponds to an end position in which the suspended part ( 18 ) abuts against an upper end stop.

Method according to claim 4, in which - the suspended part ( 18 ) in a vessel ( 16 ), - and the upper end stop corresponds to the vessel wall.

Method according to one of the preceding claims, in which - the suspended part ( 18 ) with a load coupling ( 28 ), wherein it is in a position above a load coupling position (x ₁ ) with a load ( 30 ) and below the load coupling position (x ₁ ) free of the load ( 30 ), wherein one of the layers corresponds to the load coupling position.

Method according to claim 6, in which - the suspended part ( 18 ) additionally with a second load coupling ( 46 ), wherein it is in a position above a second load-coupling position (x ₂ ) with a second load ( 40 ) and below the second load-coupling position (x ₂ ) free of the second load ( 40 ), wherein one of the layers corresponds to the second load coupling position (x ₂ ).

Method according to claim 6, in which - more than two load connections ( 28 . 46 ) are provided.

Method according to one of the preceding claims, wherein the - at at least three layers of calibration values are recorded.

The method of claim 9, wherein - at least four-layer calibration values are recorded.

Method according to one of the preceding claims, in which - sets of values are formed which comprise at least one each of the sensor ( 22 ) Delivered position-measurement value (U _a), and include the known location of the other parts, - and a calibration curve is determined with an assignment of sensor output signals to the corresponding position of the suspended part of the value pairs, - and the calibration curve used in the operation process to an absolute Position value (x) to determine or control.

Method according to Claim 11, in which - the value sets additionally comprise one or more of the following values: temperature (T), pressure (p), control value (U _M ) of the electromagnet, scale signal (W _a ).

Method according to one of the preceding claims, in which - the electromagnet ( 14 ) on a weighing device ( 12 ) and in the operation a weighing of the floating to the electromagnet ( 14 ) coupled floating part ( 18 ), the electromagnet ( 14 ) is controlled so that the suspended part ( 18 ) is maintained in a predetermined absolute position (x), - whereby the observance of the predetermined absolute position (x) is monitored by determining a position value (x) on the basis of the calibration values.

Method according to one of the preceding claims, in which - in the operating process, a weighing of the floating on the electromagnet ( 14 ) coupled floating part ( 18 ) is effected by a drive value (U _M ) of the electromagnet ( 14 ) or at least one additional field coil is measured, - wherein the electromagnet ( 14 ) and / or the field coil is controlled so that the suspended part ( 18 ) is maintained in a predetermined absolute position (x), - whereby the observance of the predetermined absolute position (x) is monitored by determining a position value (x) on the basis of the calibration values.

Method according to one of the preceding claims, wherein the - in temporal distance several calibration operations and between measuring operations are performed.

Method according to one of the preceding claims, in which - in the calibration process, the electromagnet ( 14 ) is controlled with a time-variant control variable (U _M ) so that the suspended part ( 18 ) is set into a vibratory motion, and position readings (U _a ) of the sensor ( 22 ) of the oscillatory motion are evaluated.

Method according to Claim 16, in which - the activation of the electromagnet ( 14 ) takes place with a periodic signal of a frequency of 0.1 Hz to 200 Hz.

Method according to one of claims 16, 17, in which - at least one of the following variables is determined and in relation to the activation of the magnet ( 14 ) is evaluated: amplitude of the sensor signal (U _a ), phase angle of the sensor signal (U _a ), frequency components of the sensor signal (U _a ).

Device for levitation control of a suspended part ( 18 ) with - at least one magnetic element ( 20 ) and a sensor ( 22 ) for the delivery of a position measured value (U _a ), - and at least one electromagnet ( 14 ) of a force on the magnetic element ( 20 ), characterized by - calibration control means ( 50 ) for controlling a calibration process, in which the electromagnet ( 14 ) is controlled so that the suspended part ( 18 ) assumes at least two layers, on which it bears in each case on further parts known in their position, wherein the sensor ( 22 ) position measurements (U _{a, 0} ; U _{a, 1} ; U _{a, 2} ; U _{a, 3} ) delivered at the two layers are determined as calibration values, and - default value control means ( 52 . 54 ) for specifying a desired value (S) for driving the electromagnet ( 14 ) in an operating process in which the electromagnet ( 14 ) is controlled so that the suspended part ( 18 ) assumes a floating position, wherein the setpoint value (S) is predetermined on the basis of the calibration values such that the position of the floating part ( 18 ) corresponds to an absolute position value (x).