具有主动热流控制的天平制造技术

一种天平(30)，所述天平(30)构造成具有封围在称量室(22)中的称量盘(21)、和具有与所述称量室(22)相邻的天平壳体(23)的单一单元，其中，所述天平壳体(23)容纳用于封围称重传感器的称重传感器室(24)、用于容纳电气元件和电子电路元件的电子器件室(25)、热电式热泵模块(27)、以及热流控制器(28)。根据本发明专利技术，所述天平(30)包括用来确定所述天平壳体(23)内沿着从所述称重传感器室(24)向所述电子器件室(25)的方向的净热流(Pnet)、并用来使所述净热流(Pnet)能够作为控制输入被所述热流控制器(28)获取的设备。所述热电式热泵模块(27)布置在所述天平壳体(23)内并基于所述控制输入被所述热流控制器(28)调节，以产生具有下述大小和方向的主动热流(PA)：所述主动热流(PA)能使所述净热流(Pnet)保持在基本上等于所述称重传感器室(24)内所产生的散热速率的水平上。

Balance with active heat flow control

A balance (30), the balance (30) configured to enclose in the weighing room with (22) in the pan (21), and with the weighing room (22) adjacent the balance housing (23) of the single unit, wherein the balance housing (23) for receiving enclose the weighing sensor and the weighing sensor chamber (24), for the electronic device room accommodating electrical and electronic circuit elements (25), thermoelectric heat pump module (27), and the flow controller (28). According to the invention, the balance (30) for determining the balance housing (23) in the room from the weighing sensor (24) to the electronic chamber (25) in the direction of the net heat flux (Pnet), and used to make the net heat flux (Pnet) can be used as control inputs the heat flow controller (28) acquisition equipment. The thermoelectric heat pump module (27) arranged in the balance housing (23) and the control input is the heat flux based controller (28) regulation, active thermal flow to produce has the size and direction of the (PA): the active heat flux (PA) can make the net heat flux (Pnet) remain in basically equal to that of the weighing sensor chamber (24) cooling rate generated by level.

【技术实现步骤摘要】
具有主动热流控制的天平
本专利技术涉及一种经常用于研究、生产和测试实验室中的分析天平。
技术介绍
根据显示的称量结果(单元为克)的小数位的个数，分析天平领域可被划分成：具有四个小数位的宏观分析天平(d＝0.0001g)，具有五个小数位的半微量分析天平(d＝0.00001g)，具有六个小数位的微量分析天平(d＝0.000001g)，以及具有七个小数位的超微量分析天平(d＝0.0000001g)，其中，d表示重量显示装置的数字递增量。在一种典型构造中，分析天平自身呈现为位于工作台上供操作的一单元，其具有位于封闭的透明称量室内的称量盘、显示面板和位于前方、即面向操作人员的控制元件，并且还具有与称量室的后侧相邻并容纳天平的机械、电气和电子操作部件的壳体封围件。在具有五个或五个以上小数位的天平中，尤其在微量天平和超微量天平中，称量室内的空气温度是一个关键因素。如果称量室内的温度不同于环境大气的温度，那么打开称量室门会由于内外之间的温度梯度而产生较强的空气流。由于从扰动至稳定需要花费可观的时间，因此称量过程由于显示稳定的结果之前的较长的过渡期而变慢，并且再现性也受到负面影响。在称量室的门被关闭之后，从环境大气进入称量室的空气会由于天平的电气元件和电子元件的功率损耗而升温。由于温度的升高，空气密度(并且由此对被称量的物体的空气浮力效应)将随时间发生变化，以使得指示的称量结果会在几分钟内发生迁移(即缓慢改变)。此外，随着对天平中的功率消耗特征、比如图形用户界面、网络连接以及对外围设备的连接性的需求的增加，天平的电气元件和电子元件的功率损耗所导致的问题也增加。根据由本申请的受让人所制造的微量和超微量天平中所使用的现有技术的解决方案，通过将天平的对温度敏感的部件与功率损耗部件集成在彼此通过线缆和/或插头连接器连接在一起的不同的模块化单元中，而将天平的对温度敏感的部件与功率损耗部件分开。第一单元即称量模块包括具有称量盘的称量室、和容纳称重传感器和仅仅最低要求的电子构件的第一封围件，所述第一封围件与称量室的后壁直接邻接并形成称量室的后壁。第二单元即电子模块，容置在第二封围件中并且大体包括模拟、数字电子器件以及关联的电源电路以支持称量模块。第三单元即显示模块或用户界面模块，占据第三封围件并包括触屏显示器，所述触屏显示器具有关联的电子器件和电源电路。这种模块化系统提供了对由温度诱发的影响称量操作的速度和准确性的空气流这一问题的一种满意的解决方案。然而，这种模块化系统本身比构造成单一单元的天平更昂贵且占据更多的空间。根据本申请的受让人研发的并在EP1396711B1中公开的另一技术方案，构造成单一单元并具有称量室和容纳天平的称重传感器和电子器件的直接邻接的封围件的天平，包括热电式热泵模块、例如Peltier(珀尔帖)元件，所述热电式热泵模块于称量室之外的位置处布置在天平上。热电式热泵模块的冷却侧热连接至位于称量室与称重传感器室之间的导热竖直分隔壁的底部。由此，通过合适地选取热电式热泵模块的出厂设置功率水平，可以将称量室的内部保持在接近环境的温度水平处，同时还形成了温度从后壁的底部向顶部升高的温度梯度。这具有下述效果：称量室内的空气温度也由下向上地升高，这促进了称量室内空气的稳定的热分层或层化。由于没有据此形成对称量盘作用的空气对流气流，由此指示的称量结果保持稳定。这种方案虽然解决了称量室内的空气流的问题，但是却没有充分解决与称重传感器共用同一封围件的电子器件和电源对称重传感器的热影响。在文献DE102009055622A1所描述的单一单元构造的另一分析天平中，具有称量盘的称量室置于容纳称重传感器和电子器件的封围起来的基座的顶部上。形成称量室的底板的第一导热板连接至热电式热泵模块的冷却侧，而热电式热泵模块的加热侧通过热管连接至形成称量室的顶棚的第二导热板。建议的是，借助于反馈控制电路来调节热电式热泵模块的功率，其中，所述反馈控制电路具有分别靠近称量室的内部的顶部和底部布置的第一温度传感器和第二温度传感器，并且，第一温度传感器和第二温度传感器的信号的平均值被用作反馈量。在另一改进实施例，第三温度传感器安装在称量室之外，即暴露于环境大气，并且根据第一度传感器和第二温度传感器的前述平均信号并附加地根据第三温度传感器的信号来调节热电式热泵模块的功率。在用于防止由电子器件产生的热在分析天平的称量室中引起空气对流气流的现有技术方案的前述示例中，人员将意识到下述发展进程，从a)整体被动的技术方案，其中，该方案依靠将天平的功率损耗部件容置在空间上分开的多个模块化单元中，至b)主动开式回路的技术方案，其中，该方案使用无反馈控制而运行的热电式热泵模块，至c)主动闭式回路的技术方案，其中，该方案利用这样的热电式热泵模块：该热电式热泵模块的功率基于由温度传感器测得的一个或多个实际温度通过反馈控制来调节。如上所述，将天平的功率损耗部件容置在空间上分开的多个模块化单元中的被动式解决方案被证实在防止电子器件所散发的热影响称量操作的速度和准确性上是令人满意的，但是与单一单元的构造相比，这种模块化系统的较高成本以及由分开的模块化单元占用的较大的工作表面面积被视作是缺点。因此，申请人旨在这样的解决方案：使模块化系统的称量模块和电子模块基本上组成单一单元的分析天平，该单一单元的分析天平包括具有称量盘的称量室、称重传感器、以及天平的所有的模拟、数字电子器件及关联的电源电路。作为第一种解决方式，下述方案被研究：在该方案中，前述分开的称量模块(称量室和称重传感器)和电子模块(模拟和数字电子器件以及关联的电源电路)以在它们之间布置有被动绝热屏障的方式组装成一个本体。基于在称量模块和电子模块内分别测得的相应的运行温度之间的差，可以计算得出聚氨酯绝热屏障需要厚度为80mm，以将从电子模块向称量模块的热流减小至允许的0.05瓦。这已经将产品的尺寸增加至被认为不可接受的程度。由此，通过被动绝热屏障来减小热流这种想法已经被放弃，而通过呈至少一个热电式热泵模块(具体是Peltier模块)的形式的、借助来自热流测量布置结构的闭路反馈而控制的主动补偿设备来调节热流的构思得到了支持。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于提供一种天平，具体是一种分辨率为10-5至10-7克的分析天平，该天平具有主动反馈调节式控制设备，用以防止由天平的电子器件和电源电路所产生的热进入称重传感器和称量室。特别需要注意的是，从一开始，本专利技术着力于下述解决方式：基于热流的反馈信号被用来控制单一单元的分析天平中由发热的电子器件和热电式热泵模块所引起的热流，这与现有技术中利用基于温度的反馈信号来控制温度的思想(如文献DE102009055622A1中所建议的)相反。根据本专利技术，上述目标是通过具有权利要求1的特征的天平来实现。本专利技术的另外的改进的实施例和细节将在从属权利要求中提出。根据本专利技术的天平构造为具有封围在称量室中的称量盘并具有与称量室相邻的天平壳体的单一单元，其中，所述天平壳体容纳用于容纳称重传感器的称重传感器室、用于容纳电气元件和电子电路元件的电子器件室、热电式热泵模块、以及热流控制器。根据本专利技术，天平包括一设备，该设备用来确定天平壳体内沿着从称重传感器室向电子器件室的方向的、作为热流控制器的控制输入信号的净热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种天平(10；20；30；40)，所述天平(10；20；30；40)构造成具有封围在称量室(12；22)中的称量盘(21)、和具有与所述称量室(12；22)相邻的天平壳体(14；23)的单一单元，其中，所述天平壳体(14；23)容纳用于封围称重传感器的称重传感器室(24)、用于容纳电气元件和电子电路元件的电子器件室(25)、热电式热泵模块(27)、以及热流控制器(28)，其特征在于，所述天平(10；20；30；40)包括用来确定所述天平壳体(14；23)内沿着从所述称重传感器室(24)向所述电子器件室(25)的方向的净热流(Pnet)、并用来使所述净热流(Pnet)能够作为控制输入被所述热流控制器(28)获取的设备，所述热电式热泵模块(27)布置在所述天平壳体(14；23)内并基于所述控制输入被所述热流控制器(28)调节，以产生具有下述大小和方向的主动热流(PA)：所述主动热流(PA)能使所述净热流(Pnet)保持在基本上等于所述称重传感器室(24)内所产生的散热速率的水平上。

【技术特征摘要】
2015.10.29 EP 15192034.51.一种天平(10；20；30；40)，所述天平(10；20；30；40)构造成具有封围在称量室(12；22)中的称量盘(21)、和具有与所述称量室(12；22)相邻的天平壳体(14；23)的单一单元，其中，所述天平壳体(14；23)容纳用于封围称重传感器的称重传感器室(24)、用于容纳电气元件和电子电路元件的电子器件室(25)、热电式热泵模块(27)、以及热流控制器(28)，其特征在于，所述天平(10；20；30；40)包括用来确定所述天平壳体(14；23)内沿着从所述称重传感器室(24)向所述电子器件室(25)的方向的净热流(Pnet)、并用来使所述净热流(Pnet)能够作为控制输入被所述热流控制器(28)获取的设备，所述热电式热泵模块(27)布置在所述天平壳体(14；23)内并基于所述控制输入被所述热流控制器(28)调节，以产生具有下述大小和方向的主动热流(PA)：所述主动热流(PA)能使所述净热流(Pnet)保持在基本上等于所述称重传感器室(24)内所产生的散热速率的水平上。2.根据权利要求1所述的天平(10；20；30；40)，其特征在于，所述热电式热泵模块(27)为帕尔贴模块(27)，所述帕尔贴模块(27)具有第一侧和第二侧并以热泵模式运行，其中，所述热流控制器(28)能够用于驱动经过所述帕尔贴模块(27)的电流，由此使所述帕尔贴模块(27)从所述第一侧移走热并在所述第二侧上产生热、进而形成从所述第一侧向所述第二侧的所述主动热流(PA)，所述天平壳体(23)沿着从所述称重传感器室(24)向所述电子器件室(25)的方向依次容纳第一内壁(33)、间隙空间和第二内壁(35)，其中，所述帕尔贴模块(27)布置在所述间隙空间中而使它的第一侧热连接至所述第一内壁(33)并使它的第二侧热连接至所述第二内壁(35)，并且，所述帕尔贴模块(27)周围的剩余的间隙空间(34)被填充绝热材料(37)，而且，所述天平壳体(14；23)内沿着从所述称重传感器室向所述电子器件室的方向的净热流(Pnet)等于所述主动热流PA减去沿着从所述电子器件室向所述称重传感器室的方向穿过所述绝热材料(37)的被动热流PI，即Pnet＝PA-PI；3.根据权利要求2所述的天平(20)，其特征在于，用来确定所述净热流(Pnet)的设备包括暂时从所述热泵模式切换成热电式发电器模式的所述帕尔帖模块(27)，并且在所述热电式发电器模式中，如果所述绝热材料(37)上于所述第一内壁(33)与所述第二内壁(35)之间存在温度差(ΔTI)，那么所述帕尔贴模块(27)根据比例关系ΔTI＝k2·USeebeck生成表示所述温度差(ΔTI)的电压信号USeebeck，并且，所述热流控制器(28)能够用于接收所述电压信号USeebeck，以根据另外的比例关系PI＝k1·ΔTI＝k1·k2·USeebeck计算所述被动热流PI并确定出净热流Pnet＝PA-PI。4.根据权利要求1所述的天平(30)，其特征在于，所述天平壳体(23)还容纳与所述称重传感器室(24)邻接的第三内壁(38)以及由具有热阻(Rth)的绝热材料制成的边界层(29)，所述边界层布置在所述第三内壁(38)与所述第一内壁(33)之间，并且所述用来确定所述净热流(Pnet)的设备包括一对温度传感器，这一对温度传感器分别布置在所述第三内壁(38)上和所述第一内壁(33)上，并能够用于向所述热流控制器(28)发送至少一个温...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·比勒，D·莫克，M·盖泽，
申请(专利权)人：梅特勒托莱多有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH