DE102009002599B4

DE102009002599B4 - Waage mit einem Ecklastsensor und Verfahren zur Messung von ecklastbedingten Verkippungen

Info

Publication number: DE102009002599B4
Application number: DE102009002599.5A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dörner; Dr. Müller Ralf; Christian Schrader
Original assignee: Sartorius Lab Instruments GmbH and Co KG
Current assignee: Sartorius Lab Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2029-04-24
Also published as: US8279428B2; DE102009002599A1; US20100271624A1

Abstract

Waage, insbesondere oberschalige Waage, mit einer Waagschale (01, 02), die auf mindestens einen Kraftaufnehmer eines Kraftmesssystems abgestützt oder an diesem aufgehängt ist, und mit einem Ecklastsensor (03; 41, 04, 06; 43, 08, 09) zur Messung von Verkippungen der Waagschale (01, 02) gegenüber dem Kraftaufnehmer, umfassend: – mindestens eine Lichtstrahlquelle (03; 41, 04, 06; 43), zur Emission mindestens eines ersten Lichtstrahles und eines zweiten Lichtstrahles auf eine an einer Unterseite einer die Waagschale (01, 02) umfassenden Anordnung angebrachte Reflexionsfläche (51), die bei Verkippung der Waagschale ebenfalls verkippt wird, wobei der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl jeweils gegenüber einem auf die Reflexionsfläche (51) der unverkippten Waagschale (01) gefällten Lot geneigt ist; – mindestens einen ersten optischen Sensor (08) und einen zweiten optischen Sensor (09), auf die bei Fehlen einer Verkippung der Waagschale jeweils ein vorbestimmter Teil des von der Reflexionsfläche (51) reflektierten ersten Lichtstrahles gerichtet ist; und – eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Verkippung der Waagschale (01, 02) in Abhängigkeit von der mit dem ersten optischen Sensor (08) gemessenen Lichtmenge und von der mit dem zweiten optischen Sensor (09) gemessenen Lichtmenge.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine insbesondere oberschalige Waage mit einer auf einem Kraftaufnehmer abgestützten Waagschale und mit einem Ecklastsensor zur Messung von Verkippungen der Waagschale gegenüber dem Kraftaufnehmer. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung von ecklastbedingten Verkippungen einer Waagschale einer oberschaligen Waage gegenüber einem die Waagschale abstützenden Kraftaufnehmer.
Die DE 30 03 862 A1 zeigt eine elektronische Waage mit einer Lastschale und mit einer Parallelführung für die Lastschale. Zur Reduzierung von Ecklastfehlern weist die Parallelführung Einstellelemente auf, die lediglich für eine Grobjustierung vorgesehen sind. Es ist mindestens ein Sensor vorgesehen, welcher der die von der Lastschale auf die Parallelführung übertragenen Drehmomente misst, mit denen der von der Waage ausgegebene Gewichtswert korrigiert werden kann.
Die DE 299 18 562 U1 zeigt eine Waage mit einer Waagschale zum Auflegen von Wägegut und mit einer die Waagschale abstützenden Kraftmesszelle. Die Waage weist Mittel auf, um den gemeinsamen Schwerpunkt des Wägegutes und der Waagschale in Kraftmessrichtung der Kraftmesszelle anzuordnen. Hierfür sind an der Waagschale mindestens zwei untereinander und von der Achse der Kraftmessrichtung beabstandete Kraftmesssensoren angeordnet.
Die DE 38 11 942 A1 zeigt eine elektronische Waage mit einem Ecklastsensor. Die Waage weist eine Lastschale auf, die sich über eine Unterschale auf einen Lastaufnehmer abstützt. Mithilfe des Ecklastsensors können die von der Lastschale auf den Lastaufnehmer übertragenen Drehmomente gemessen werden. Die Unterschale ist elastisch nachgiebig ausgeführt, wobei mindestens drei Abstandssensoren am Lastaufnehmer vorgesehen sind, welche die von der Größe der Last und deren Positionierung auf der Lastschale abhängigen Verbiegungen der Unterschale messen. Als Abstandssensoren werden beispielsweise Wirbelstrom-Sensoren oder optische Abstandssensoren vorgeschlagen. Die mit derartigen Abstandssensoren erzielbare Genauigkeit ist für viele Anwendungsfälle nicht ausreichend.
Die DE 195 02 694 C1 zeigt eine elektronische Waage mit einem Lastaufnehmer und einem kapazitiven Ecklastsensor. Der Ecklastsensor dient zur Messung des auf den Lastaufnehmer ausgeübten Drehmoments und besteht aus mindestens drei waagerechten Elektroden und einer waagerechten Gegenelektrode, wobei entweder die Elektroden oder die Gegenelektrode am Lastaufnehmer befestigt sind. Kommt es zu einer Ecklast, verändern sich die zwischen den Elektroden und der Gegenelektrode ausgebildeten Kapazitäten. Die Auswertung dieser Veränderungen lässt Rückschlüsse auf vorhandene Ecklasten zu. Auch die mit dieser Lösung erzielbare Genauigkeit ist für viele Anwendungsfälle nicht ausreichend.
Aus der DE 10 2006 031 950 B3 ist eine oberschalige Waage mit einer Waagschale und mit einem Ecklastsensor bekannt. Die Waagschale ist auf mindestens einem Kraftaufnehmer eines Kraftmesssystems abgestützt. Der Ecklastsensor gibt ein Signal, sobald sich das Wägegut auf der Waagschale in einer außermittigen Lage befindet. Der Ecklastsensor weist eine ebene Unterseite auf, mit der er auf der Waagschale oder einer Unterschale der Waage befestigt ist. Weiterhin weist der Ecklastsensor eine ebene Oberseite auf, auf welche die Waagschale aufgesetzt ist. Der Ecklastsensor ist über eine kraftwirkungsfreie Verbindung mit einer ortsfesten Korrekturelektronik verbunden. Die kraftwirkungsfreie Verbindung kann durch eine Funkverbindung oder durch eine optische Verbindung realisiert werden. Mit dieser Lösung werden elektrische Leitungen, welche zum Ecklastsensor führen und daher das Messergebnis verfälschen können, vermieden. Jedoch erfordert diese Lösung einen erhöhten Aufwand für die kraftwirkungsfreie Verbindung.
Die WO 2004/113832 A1 zeigt ein Verfahren und eine Messvorrichtung zur berührungslosen Messung von Winkeln oder Winkeländerungen an Gegenständen. Bei dieser Lösung wird ausgehend von einer Strahlungsquelle ein Strahlungsbündel über einen Strahlungsteiler zu einem reflektierenden Element geleitet. Das reflektierende Element ist Winkeländerungen unterworfen. Das reflektierte Strahlenbündel wird durch den Strahlteiler auf einem Detektor abgebildet, sodass die Winkeländerung gemessen werden kann. Der optische Sensor kann beispielsweise durch einen CCD-Flächensensor gebildet sein.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Waage mit einem Ecklastsensor zur Messung von Verkippungen der Waagschale bereitzustellen, bei welcher der Ecklastsensor hochgenaue Messungen ermöglicht und aufwandsarm realisierbar ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht weiterhin darin, ein Verfahren zur Messung von ecklastbedingten Verkippungen einer Waagschale einer Waage bereitzustellen, durch welches hochgenaue und aufwandsarme Messungen ermöglicht werden.
Die genannte Aufgabe wird durch eine Waage gemäß dem beigefügten Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Messung von ecklastbedingten Verkippungen einer Waagschale einer Waage gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 17 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Waage handelt es sich insbesondere um eine oberschalige Waage mit einer Waagschale, die auf mindestens einen Kraftaufnehmer eines Kraftmesssystems abgestützt ist. Wie aus den nachfolgenden Erläuterungen für den Fachmann leicht erkennbar sein wird, lässt sich das erfindungsgemäße Prinzip aber auch auf unterschalige Waagen anwenden, die an mindestens einem Kraftaufnehmer aufgehängt sind. Die Waagschale dient der Aufnahme des Wägegutes. Das Kraftmesssystem dient zur Bestimmung der Gewichtskraft des Wägegutes. Die erfindungsgemäße Waage kann mit beliebigen Kraftaufnehmern und Kraftmesssystemen ausgeführt sein. Die erfindungsgemäße Waage umfasst weiterhin einen Ecklastsensor zur Messung von Verkippungen der Waagschale gegenüber dem Kraftaufnehmer. Zu Verkippungen der Waagschale kommt es insbesondere dann, wenn der Schwerpunkt des Wägeguts nicht mittig auf der Waagschale bzw. ausgerichtet mit der Krafteinleitungsachse des Kraftaufnehmers angeordnet ist, was auch als Ecklast bezeichnet wird. Die Ecklast führt zu einem auf die Waagschale wirkenden Drehmoment, welches auf den Kraftaufnehmer übertragen wird. Dieses Drehmoment hat Verkippungen der Waagschale zur Folge, wobei die Verkippungen durch das Spiel in den die Waagschale abstützenden Komponenten oder aber auch durch die Elastizität von elastischen Komponenten, welche die Waagschale abstützen, begrenzt und bestimmt werden. Für die Erfindung ist es zunächst unerheblich, wie die Komponenten zur Abstützung der Waagschale ausgeführt sind.
Erfindungsgemaß umfasst der Ecklastsensor eine Lichtstrahlquelle zur Emission eines ersten Lichtstrahles und vorzugsweise eines zweiten Lichtstrahles. Der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl sind auf eine Reflexionsfläche vorzugsweise auf der Unterseite einer die Waagschale umfassende Anordnung gerichtet. Im einfachsten Falle handelt es sich bei dieser Anordnung um die Unterseite der Waagschale selbst, die so ausgeführt ist, dass sie die beiden Lichtstrahlen gerichtet reflektiert. Es kann sich aber auch um eine Unterseite einer starr mit der Waagschale verbundenen Unterschale handeln. Jedenfalls sind die beiden Lichtstrahlen auf eine Unterseite zu richten, welche den Bewegungen, insbesondere den Kippbewegungen der Waagschale folgt. Der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl sind jeweils gegenüber der Reflexionsfläche der unverkippten Waagschale geneigt, d. h. sie sind gegenüber einem auf die Reflexionsfläche der unverkippten Waagschale gefällten Lot geneigt. Der Ecklastsensor der erfindungsgemäßen Waage umfasst weiterhin einen ersten optischen Sensor zur Messung des von der Reflexionsfläche reflektierten ersten Lichtstrahles. Ist keine Ecklast vorhanden, so ist ein vorbestimmter Teil des reflektierten ersten Lichtstrahles auf den ersten optischen Sensor gerichtet. Beispielsweise kann der Ecklastsensor derart ausgeführt sein, dass bei Fehlen einer Ecklast die Hälfte des von der Reflexionsfläche reflektierten ersten Lichtstrahles auf den ersten optischen Sensor trifft, wahrend die andere Hälfe des ersten reflektierten Lichtstrahles neben dem ersten optischen Sensor auftrifft. In gleicher Weise umfasst der Ecklastsensor der erfindungsgemäßen Waage einen zweiten optischen Sensor, auf den bei Fehlen der Ecklast ein vorbestimmter Teil des von der Reflexionsfläche reflektierten zweiten Lichtstrahles gerichtet ist.
Die mit dem ersten optischen Sensor gemessene Lichtmenge und die mit dem zweiten optischen Sensor gemessene Lichtmenge lassen einen Rückschluss auf die Existenz und das Ausmaß einer Verkippung der Waagschale gegenüber dem Kraftaufnehmer zu. Ist keine Verkippung vorhanden, so sind die vorbestimmten Teile des ersten Lichtstrahles und des zweiten Lichtstrahles auf den ersten optischen Sensor und den zweiten optischen Sensor gerichtet. Kommt es zu einer Verkippung der Waagschale, so kippt auch die Reflexionsfläche, wodurch sich die Richtungen des reflektierten ersten Lichtstrahles und des reflektierten zweiten Lichtstrahles andern. Dies führt dazu, dass der Anteil des reflektierten ersten Lichtstrahles, welcher auf den ersten optischen Sensor gerichtet ist, größer oder kleiner wird. Das gleiche gilt für den reflektierten zweiten Lichtstrahl, dessen Anteil, der auf den zweiten optischen Sensor gerichtet ist, ebenfalls größer oder kleiner wird. Jedenfalls ändern sich die Anteile der reflektierten Lichtstrahlen, welche auf die beiden optischen Sensoren treffen, und somit auch die von den beiden optischen Sensoren gemessenen Lichtmengen in Abhängigkeit von der Verkippung der Waagschale.
Daher umfasst der Ecklastsensor der erfindungsgemäßen Waage eine Auswerteinheit zur Bestimmung der Verkippung der Waagschale in Abhängigkeit von der mit dem ersten optischen Sensor gemessenen Lichtmenge und von der mit dem zweiten optischen Sensor gemessenen Lichtmenge.
Ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemaßen Waage besteht darin, dass an der Waagschale bzw. an der die Waagschale umfassenden Anordnung kein besonderer Sensor oder sonstige Mittel für eine kraftwirkungsfreie Verbindung erforderlich sind. Dort wird lediglich eine reflektierende Fläche benötigt. Die Genauigkeit des Ecklastsensors der erfindungsgemäßen Waage übersteigt die von üblichen Abstandssensoren. Bereits sehr geringfügige Verkippungen der Waagschale führen zu Richtungsänderungen der beiden Lichtstrahlen, welche deutlich messbare Veränderungen der von den beiden optischen Sensoren gemessenen Lichtmengen nach sich ziehen. Bereits existierende Waagen können mit dem beschriebenen Ecklastsensor nachgerüstet werden, wodurch aufwandsarm eine erfindungsgemäße Ausführung erzielt werden kann.
Die Lichtquelle befindet sich bevorzugt mittig unterhalb der unverkippten Waagschale, d. h. sie befindet sich unter dem Schwerpunkt der Waagschale. Demzufolge befindet sich die Lichtquelle auf einem Lot, welches auf die Reflexionsfläche der unverkippten Waagschale gefällt ist und durch den Schwerpunkt der Waagschale verläuft. Bei einer Waagschale mit einem rechteckigen oder kreisförmigen Grundriss befindet sich die Lichtstrahlquelle demzufolge unterhalb des Mittelpunktes des Rechteckes bzw. Kreises.
Der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl sind hinsichtlich ihrer geometrischen und ihrer fotometrischen Eigenschaften bevorzugt gleich ausgebildet. Demzufolge sind die Ausmaße der Lichtstrahlen aber auch die Spektren und die Strahlungsleistungen der beiden Lichtstrahlen gleich. Diese beiden Lichtstrahlen weisen gegenüber einem Lot, welches auf die Reflexionsfläche der unverkippten Waagschale gefällt ist, jeweils den gleichen Winkel auf und liegen mit diesem Lot gemeinsam in einer Ebene. Demzufolge strahlt die Lichtstrahlquelle zwei gleiche Lichtstrahlen symmetrisch auf die Reflexionsfläche der Unterseite der Waagschale bzw. einer die Waagschale umfassenden Anordnung. In der die Lichtstrahlen umfassenden Ebene liegt weiterhin bevorzugt eine horizontale Symmetrieachse der Waagschale. Bei dieser horizontalen Symmetrieachse kann es sich beispielsweise um die mittlere Längsachse einer Waagschale mit rechteckigem Grundriss handeln.
Der erste optische Sensor und der zweite optische Sensor weisen bevorzugt jeweils die Form eines Kreisringsektors auf, der parallel zur Reflexionsfläche der unverkippten Waagschale ausgerichtet ist. Der Mittelpunkt des Kreisringes, dessen Sektoren die Kreisringsektorformen der optischen Sensoren bilden, liegt auf einem Lot, welches auf die Reflexionsfläche der unverkippten Waagschale gefällt ist und durch die Lichtquelle verläuft.
Bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage ist eine Messung von Verkippungen in zwei Richtungen ermöglicht. Hierfür werden von der Lichtstrahlquelle weiterhin ein dritter Lichtstrahl und ein vierter Lichtstrahl auf die Reflexionsfläche emittiert. Der dritte Lichtstrahl und der vierte Lichtstrahl sind gegenüber einem auf die Reflexionsfläche der unverkippten Waagschale gefällten Lot geneigt und weisen gegenüber diesem Lot jeweils den gleichen Winkel auf. Zudem liegen sie gemeinsam mit diesem Lot in einer Ebene, die senkrecht zu derjenigen Ebene ist, in welcher der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl liegen. Bei Fehlen einer Ecklast ist ein vorbestimmter Teil des von der Reflexionsfläche reflektierten dritten Lichtstrahles auf einen dritten optischen Sensor gerichtet. In gleicher Weise ist bei Fehlen einer Ecklast ein vorbestimmter Teil des von der Reflexionsfläche vierten Lichtstrahles auf einen vierten optischen Sensor gerichtet. Folglich können Verkippungen gemessen werden, die in einer ersten Drehachse der Waagschale liegen, und Verkippungen, die in einer zu der ersten Drehachse senkrecht angeordneten Drehachse liegen. Die erfindungsgemäße Waage kann auch mit einer Lichtstrahlquelle ausgeführt sein, die weitere Lichtstrahlen emittiert, die nach Reflexion an der Reflexionsfläche auf weitere optische Sensoren gerichtet sind. Hierdurch kann die Genauigkeit bei der Bestimmung der Verkippungen erhöht werden oder es können weitere Verkippungsachsen berücksichtigt werden. Ebenso ist es denkbar, lediglich zwei optische Sensoren auf senkrecht zueinander stehenden Achsen anzuordnen, wenn man die Waagschale als steif ansieht und somit davon ausgehen kann, dass die Messergebnisse von auf einer Messachse diametral gegenüberliegenden Sensoren im Wesentlichen spiegelbildlich zueinander sind.
Die Lichtstrahlquelle ist bevorzugt durch eine einzige Lichtquelle gebildet. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage müssen beispielsweise alterungsbedingte Änderungen der Lichtstärke der Lichtstrahlquelle nicht durch eine erneute Einstellung ausgeglichen werden. Die von der Lichtstrahlquelle emittierten mehreren Lichtstrahlen werden sich aufgrund der Alterung der Lichtstrahlquelle im gleichen Maße ändern, sodass die Verringerung der Lichtstärke bei einem Vergleich der reflektierten Strahlen unberücksichtigt bleiben kann. Für besondere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Waage kann es aber auch vorteilhaft sein, die Lichtstrahlquelle mit mehreren Lichtstrahlquellen auszuführen, beispielsweise wenn die einzelnen Lichtstrahlen von unterschiedlichen Positionen emittiert werden sollen.
Die Lichtstrahlquelle emittiert bevorzugt einen Lichtkegel, welcher den ersten Lichtstrahl und den zweiten Lichtstrahl jeweils als Einzellichtstrahl umfasst. Die die beiden Lichtstrahlen bildenden Einzellichtstrahlen können beispielsweise auf der Peripherie des Lichtkegels gegeben sein. Der Lichtkegel kann durch eine Vielzahl an Einzellichtstrahlen gebildet sein, wobei der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl jeweils durch einen der vielen Einzellichtstrahlen gebildet sind.
Der Lichtstrahl kann aber auch durch einen homogen ausgeführten Lichtkegel gebildet sein, sodass die den ersten Lichtstrahl und den zweiten Lichtstrahl bildenden Einzellichtstrahle jeweils einen Ausschnitt aus dem Lichtkegel darstellen. Bei den Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Waage, die einen dritten Lichtstrahl und eine vierten Lichtstrahl oder auch weitere Lichtstrahlen nutzen, sind auch diese Lichtstrahlen durch Einzellichtstrahlen des homogenen Lichtkegels gebildet. Diejenigen Einzellichtstrahlen bzw. Ausschnitte des Lichtkegels, welche keinen Lichtstrahl gemäß der Erfindung bilden, bleiben bei der erfindungsgemäßen Waage ungenutzt. Diese Lichtkegelform bietet den Vorteil, dass eine Verdrehung der Reflexionsfläche keine Verfälschung des Messergebnisses bewirkt, da dies keine Änderung der an den Sensoren bestimmten Lichtstärke hervorruft.
Bei einer einfachen Ausführungsform ist der Lichtkegel vollständig mit Licht ausgefüllt. Die Reflexionsfläche weist die Form eines Kreisringes auf, der konzentrisch zum Lichtkegel angeordnet ist. Somit reflektiert die Reflexionsfläche insbesondere den ersten Lichtstrahl und den zweiten Lichtstrahl, während die meisten anderen Anteile des Lichtkegels nicht reflektiert werden. Weiterhin werden ein dritter Lichtstrahl und ein vierter Lichtstrahl gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform durch die kreisringförmige Reflexionsfläche reflektiert.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage ist der Lichtkegel hohlkegelförmig ausgebildet. Folglich weisen Querschnitte senkrecht zur Strahlungsrichtung die Form eines Kreisringes auf. Ein solcher hohlkegelförmiger Lichtkegel kann beispielsweise mit einer Ringlinse und/oder einer ringförmigen Blende in der Lichtstrahlquelle geformt werden. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass das Licht der einzigen Lichtquelle konzentriert wird, insbesondere auf die Bereiche des ersten Lichtstrahles und des zweiten Lichtstrahles sowie ggf. des dritten Lichtstrahles und des vierten Lichtstrahles.
Die Lichtquelle ist bevorzugt durch ein Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser (VCSEL) gebildet. Derartige Halbleiterlaser strahlen das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips ab und sind daher zur Emission von Licht geeignet, welches über eine Ringlinse zu einem hohlkegelförmigen Lichtkegel geformt wird. Der VCSEL kann gemeinsam mit dem ersten optischen Sensor und dem zweiten optischen Sensor auf einem einzigen Siliziumsubstrat angeordnet werden. Der erste optische Sensor und der zweite optische Sensor sind jeweils als Fotodiode ausgebildet. Die beiden Fotodioden sind rotationssymmetrisch gegenüber dem VCSEL angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist der gesamte Ecklastsensor, abgesehen von der Auswerteeinheit, auf einen einzigen Siliziumchip konzentriert, wodurch er ein kompaktes Bauteil ausbildet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage sind der vorbestimmte Teil des reflektierten ersten Lichtstrahles, welcher bei Fehlen einer Ecklast auf den ersten optischen Sensor gerichtet ist, und der vorbestimmte Teil des reflektierten zweiten Lichtstrahles, welcher bei Fehlen einer Ecklast auf den zweiten optischen Sensor gerichtet ist, hinsichtlich ihrer geometrischen und fotometrischen Eigenschaften gleich. Dieses Merkmal ist beispielsweise dann gegeben, wenn die Anordnung bestehend aus der Lichtstrahlquelle mit den beiden von ihr emittierten Lichtstrahlen und den beiden optischen Sensoren vollständig symmetrisch ausgeführt ist. Ist eine Ecklast vorhanden, so verkippen die Waagschale und die Reflexionsfläche, sodass die beiden reflektierten Lichtstrahlen jeweils entweder auf den jeweiligen optischen Sensor hinzubewegt werden oder von dem jeweiligen optischen Sensor wegbewegt werden. Folglich kommt es entweder dazu, dass der Teil, der auf den ersten optischen Sensor reflektierten ersten Lichtstrahles verringert ist, während der Teil des auf den zweiten optischen Sensor reflektierten zweiten Lichtstrahles vergrößert ist, oder es kommt dazu, dass der Teil des auf den ersten optischen Sensor reflektierten ersten Lichtstrahles vergrößert ist, wahrend der Teil des auf den zweiten optischen Sensor reflektierten zweiten Lichtstrahles verringert ist. Es kommt also grundsätzlich dazu, dass die mit einem der beiden optischen Sensoren gemessene Lichtmenge größer wird, während die mit den anderen der beiden optischen Sensoren gemessene Lichtmenge kleiner wird. Folglich entsteht bereits bei sehr geringfügigen Verkippungen eine große Differenz zwischen den mit den beiden optischen Sensoren gemessenen Lichtmengen.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage ist derjenige Teil des reflektierten ersten Lichtstrahles, welcher bei Fehlen einer Ecklast nicht auf den ersten optischen Sensor gerichtet ist, auf einen Bereich zwischen dem ersten optischen Sensor und der Lichtstrahlquelle gerichtet. In gleicher Weise ist derjenige Teil des reflektierten zweiten Lichtstrahles, welcher bei Fehlen einer Ecklast nicht auf den zweiten optischen Sensor gerichtet ist, auf einen Bereich zwischen dem zweiten optischen Sensor und der Lichtstrahlquelle gerichtet. Folglich werden bei Fehlen einer Ecklast die beiden optischen Sensoren auf ihren inneren, d. h. zu der Lichtstrahlquelle gerichteten Randbereichen von den beiden Lichtstrahlen beleuchtet. Alternativ kann die erfindungsgemäße Waage so ausgeführt sein, dass die Außenbereiche der beiden optischen Sensoren von den beiden Lichtstrahlen beleuchtet werden.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Messung von ecklastbedingten Verkippungen einer Waagschale einer oberschaligen Waage gegenüber einem die Waagschale abstützenden Kraftaufnehmer eines Kraftmesssystems. Bei diesem Verfahren werden ein erster Lichtstrahl und ein zweiter Lichtstrahl auf eine Reflexionsfläche auf einer Unterseite einer die Waagschale umfassenden Anordnung gerichtet. Der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl sind jeweils gegenüber einem auf die Reflexionsfläche der unverkippten Waagschale gefallten Lot geneigt. Mithilfe eines ersten optischen Sensors wird derjenige Anteil des von der Reflexionsflache reflektierten ersten Lichtstrahles gemessen, der auf diesen optischen Sensor trifft. In gleicher Weise wird mithilfe eines zweiten optischen Sensors derjenige Anteil des von der Reflexionsfläche reflektierten zweiten Lichtstrahles gemessen, der auf den zweiten optischen Sensor trifft. Die mit dem ersten optischen Sensor gemessene Lichtmenge und die mit dem zweiten optischen Sensor gemessene Lichtmenge werden miteinander verglichen. Das Resultat aus diesem Vergleich lässt Rückschlusse auf die mögliche Verkippung der Waagschale und somit auf eine Ecklast zu. Ist keine Ecklast vorhanden, so liegt keine Verkippung der Waagschale vor und die mit dem ersten optischen Sensor gemessene Lichtmenge steht zu der mit dem zweiten optischen Sensor gemessenen Lichtmenge in einem vorbestimmten Verhältnis, beispielsweise in einem gleichen Verhältnis. Befindet sich das Wägegut auf der Waagschale nicht mittig, so ist eine Ecklast vorhanden und es kommt zu einer Verkippung der Waagschale. Die Verkippung der Waagschale führt gleichfalls zu einer Verkippung der Reflexionsfläche, sodass die beiden reflektierten Lichtstrahlen eine Richtungsänderung erfahren. Hierdurch verändern sich die Anteile der beiden reflektierten Lichtstrahlen, die auf die beiden optischen Sensoren treffen, wodurch die mit den beiden optischen Sensoren gemessenen Lichtmengen sich im Verhältnis zueinander ändern. Diese Veranderung ist ein Maß für die Verkippung der Waagschale. Die ermittelte Verkippung der Waagschale ist vom Kraftmesssystem zu berücksichtigen, um die von den Sensoren des Kraftmesssystems ermittelte Gewichtskraft zu korrigieren. Auf diese Weise können äußerst geringe Gewichtskräfte mit einer sehr hohen Genauigkeit gemessen werden.
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden weiterhin ein dritter Lichtstrahl und ein vierter Lichtstrahl auf die Reflexionsfläche gerichtet. Der dritte Lichtstrahl und der vierte Lichtstrahl sind gegenüber einem auf die Reflexionsfläche der unverkippten Waagschale gefällten Lot geneigt und liegen gemeinsam mit diesem in einer Ebene, die senkrecht zu einer Ebene ist, in welcher der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl liegen. Mithilfe eines dritten optischen Sensors wird derjenige Anteil des von der Reflexionsfläche reflektierten dritten Lichtstrahles gemessen, der auf den dritten optischen Sensor trifft. In gleicher Weise wird mithilfe eines vierten optischen Sensors derjenige Anteil des von der Reflexionsfläche reflektierten vierten Lichtstrahles gemessen, der auf den vierten optischen Sensor trifft. Die mit dem dritten optischen Sensor gemessene Lichtmenge und die mit dem vierten optischen Sensor gemessene Lichtmenge werden miteinander verglichen. Das Resultat aus dem Vergleich zwischen der mit dem ersten optischen Sensor gemessenen Lichtmenge und der mit dem zweiten optischen Sensor gemessenen Lichtmenge und das Resultat aus dem Vergleich zwischen der mit dem dritten optischen Sensor gemessenen Lichtmenge und der mit dem vierten optischen Sensor gemessenen Lichtmenge lassen Rückschlüsse auf die mögliche Verkippung der Waagschale in einer ersten Drehachse und in einer dazu senkrechten zweiten Drehachse zu. Dadurch kann der Einfluss einer ecklastbedingten Verkippung der Waagschale auf das Kraftmesssystem noch genauer berücksichtigt werden, wodurch die Messgenauigkeit der Waage nochmals gesteigert ist.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1: eine Prinzipskizze einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen oberschaligen Waage;
2: ein Strahlenverlauf bei der in 1 gezeigten Waage mit einer unverkippten Waagschale;
3: ein Strahlenverlauf bei der in 1 gezeigten Waage mit einer verkippten Waagschale;
4: ein Strahlenverlauf bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen oberschaligen Waage;
5: ein Strahlenverlauf bei der in 4 gezeigten Ausführungsform mit einer verkippten Waagschale;
6: ein Diagramm zur Veranschaulichung der Änderung der optischen Leistung bei einer Verkippung der Waagschale;
7: ein Diagramm zur Veranschaulichung der Strahlungsverteilungen bei der in 2 gezeigten Waage;
8: eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen oberschaligen Waage in einer Prinzipdarstellung;
9: ein Strahlenverlauf bei der in 8 gezeigten Waage mit einer unverkippten Waagschale;
10: ein Strahlenverlauf bei der in 8 gezeigten Waage mit einer verkippten Waagschale;
11: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen oberschaligen Waage;
12: ein Strahlenverlauf bei der in 11 gezeigten Waage mit einer unverkippten Waagschale;
13: ein Strahlenverlauf bei der in 11 gezeigten Waage mit einer verkippten Waagschale;
14: eine Ansicht von oben auf die in 1 gezeigte Waage; und
15: eine Prinzipskizze einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage.
1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen oberschaligen Waage in einer Prinzipdarstellung. Die erfindungsgemäße oberschalige Waage umfasst zunächst eine Waagschale 01, die durch eine waagerechte Linie symbolisiert ist. Für das erfindungsgemäße Prinzip ist es unerheblich, ob es sich um die Waagschale selbst oder um eine Unterschale handelt. Im Weiteren ist die Waagschale in einem verkippten Zustand 02 symbolisiert. Unterhalb des Mittelpunktes der Waagschale 01 befindet sich eine Lichtquelle (VCSEL (Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser 03), die in Richtung des Mittelpunktes der Waagschale 01 ausgerichtet ist. Das Licht des VCSEL 03 fällt zunächst durch eine Ringlinse 04 und durch eine als Ringblende 06 ausgeführte Blende, wodurch das Licht des VCSEL 03 hohlkegelartig geformt wird. Das Licht des VCSEL 03 durchläuft im Weiteren ein Borofloat-Glas 07, welches aus Borosilikatglas besteht. Das vom VCSEL 03 emittierte Licht fällt auf die Unterseite der Waagschale 01, 02, welche hochgradig reflektierend ausgeführt ist, sodass das Licht gerichtet reflektiert wird. Das reflektierte Licht fällt zumindest teilweise auf einen ersten optischen Sensor (Fotodiode 08) und auf einen zweiten optischen Sensor (Fotodiode 09), die gemeinsam mit dem VCSEL 03 in einer Ebene liegen und gleichweit von diesem entfernt angeordnet sind.
2 zeigt einen Strahlenverlauf an der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen oberschaligen Waage, wenn sich die Waagschale 01 in einem unverkippten Zustand befindet. Das von der Ringlinse 04 und der Ringblende 06 (gezeigt in 1) geformte Licht des VCSEL 03 tritt als hohlkegelförmiger Lichtkegel 11 aus dem Borofloat-Glas 07 aus. In der gezeigten Schnittdarstellung ist der Lichtkegel 11 durch zwei Strahlenbündel verdeutlicht. Der Lichtkegel 11 wird von der reflektierenden Unterseite der Waagschale 01 reflektiert, wobei er seine Hohlkegelform beibehält. Ein Querschnitt durch den Lichtkegel 11 parallel zur Waagschale 01 weist die Form eines Kreisringes auf. Diametral gegenüberliegende Ausschnitte aus der Kreisringform des Querschnitts des Lichtkegels 11 treffen auf die erste Fotodiode 08 und auf die zweite Fotodiode 09, wobei nur ein außen liegender Anteil 12 des Ausschnittes aus der Kreisringform auf die erste Fotodiode 08 gerichtet ist. In gleicher Weise ist nur ein außen liegender Anteil 13 des anderen Ausschnittes aus der Kreisringform auf die zweite Fotodiode 09 gerichtet. Die anderen Teile der Ausschnitte aus der Kreisringform des Querschnitts des Lichtkegels 11 fallen nicht auf die erste Fotodiode 08 bzw. die zweite Fotodiode 09, sondern sind auf eine Grundfläche 14 gerichtet. Der Anteil 12 des Lichtkegels 11, der auf die erste Fotodiode 08 gerichtet ist, und der Anteil 13 des Lichtkegels 11, der auf die zweite Fotodiode 09 gerichtet ist, sind in Bezug auf ihre geometrischen und fotometrischen Eigenschaften gleich. Dies ist der Fall, da die Anordnung umfassend den VCSEL 03 die Waagschale 01 und die beiden Fotodioden 08, 09 symmetrisch zu einer Gerade, welche durch den VCSEL 03 und den Mittelpunkt der Waagschale 01 verläuft, ausgebildet ist. Insbesondere ist die Waagschale 01 in dem gezeigten Zustand unverkippt, d. h. sie ist parallel zu der Ebene, in welcher die beiden Fotodioden 08, 09 liegen, ausgerichtet.
3 zeigt einen Strahlenverlauf an der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen oberschaligen Waage mit verkippter Waagschale 02. Die unverkippte Waagschale 01 ist zum Vergleich ebenfalls dargestellt. Aufgrund der Verkippung der Waagschale 02 wird der Lichtkegel 11 nicht symmetrisch von der Unterseite der verkippten Waagschale 02 reflektiert. Folglich verändern sich die Anteile 12, 13 der Kreisringform des Querschnittes des Lichtkegels 11, welche auf die erste Fotodiode 08 und auf die zweite Fotodiode 09 fallen. Der Anteil 12 der Kreisringform des Lichtkegels 11, welcher auf die erste Fotodiode 08 gerichtet ist, ist im Vergleich zum unverkippten Zustand vergrößert. In dem gezeigten verkippten Zustand der Waagschale 02 ist der gesamte Anteil 12 der Kreisringform des Querschnittes des Lichtkegels 11 auf die erste Fotodiode 08 gerichtet. Hingegen ist derjenige Anteil 13 des Ausschnittes aus der Kreisringform des Querschnittes des Lichtkegels 11, welcher auf die zweite Fotodiode 09 gerichtet ist, verringert. Nur noch ein geringer Anteil des Ausschnittes aus der Kreisringform des Querschnittes des Lichtkegels 11 fällt auf die zweite Fotodiode 09.
4 zeigt einen Strahlenverlauf bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemaßen oberschaligen Waage, bei der im Vergleich zu der in 1 gezeigten Ausführungsform lediglich der Abstand der ersten Fotodiode 08 zum VCSEL 03 und der Abstand der zweiten Fotodiode 09 zum VCSEL 03 verringert sind. Dies führt dazu, dass die außen liegenden Teile der Ausschnitte aus der Kreisringform des Querschnittes des Lichtkegels 11 nach der Reflexion durch die unverkippte Waagschale 01 nicht auf die erste Fotodiode 08 und auf die zweite Fotodiode 09, sondern auf die Grundfläche 14 treffen. Folglich sind die innen liegenden Anteile 12, 13 der Ausschnitte aus der Kreisringform des Querschnittes des Lichtkegels 11 auf die erste Fotodiode 08 und auf die zweite Fotodiode 09 gerichtet. Diese beiden Anteile 12, 13 sind ebenso wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage bei der unverkippten Waagschale 01 gleich groß. Bei dieser Ausführungsform ist die zugehörige Kennlinie der Lichtverteilung in Abhängigkeit von der Verkippung von der Waagschale 01, 02 steiler, sodass diese Ausführungsform kompakter als die in 1 gezeigte Ausführungsform ausgeführt werden kann.
5 zeigt einen Strahlenverlauf bei der in 4 gezeigten Ausführungsform, wenn der Lichtkegel 11 von der verkippten Waagschale 02 reflektiert wird. Zum Vergleich ist wiederum die unverkippte Waagschale 01 angedeutet. Im Gegensatz zu dem in 3 gezeigten Strahlenverlauf ist der Anteil 12 der Kreisringform des Querschnittes des Lichtkegels 11, welcher auf die erste Fotodiode 08 gerichtet ist, verringert, während der Anteil 13 des Ausschnittes der Kreisringform des Querschnittes des Lichtkegels 11, welcher auf die zweite Fotodiode 09 gerichtet ist, vergrößert ist.
6 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Änderung der von den beiden Fotodioden 08, 09 (gezeigt in 1) gemessenen Lichtleistung in Abhängigkeit von der Verkippung der Waagschale 01, 02. Auf der x-Achse des Diagramms ist der Winkel der Verkippung der Waagschale 01, 02 in Grad aufgetragen. Auf der y-Achse des Diagramms ist die gemessene Lichtleistung in mW aufgetragen. Ein erster Graph 21 stellt die gemessene Lichtleistung der ersten Fotodiode 08 dar. Ein zweiter Graph 22 stellt die mit der zweiten Fotodiode 09 gemessene Lichtleistung dar. Wenn die Waagschale 01 nicht verkippt ist, d. h. dass der Winkel gleich 0 ist, so sind die mit den beiden Fotodioden 08, 09 gemessenen Lichtleistungen der Graphen 21, 22 nahezu gleich und unterscheiden sich nur aufgrund von Rauschen geringfügig. Verkippt die Waagschale 02, so steigt die mit der ersten Fotodiode 08 gemessene Lichtleistung des Graphen 21, während die mit der zweiten Fotodiode 09 gemessene Lichtleistung des Graphen 22 im gleichen Maße sinkt. Ein dritter Graph 23 stellt die Differenz zwischen der mit der ersten Fotodiode 08 gemessenen Lichtleistung des Graphen 21 und der mit der zweiten Fotodiode 09 gemessenen Lichtleistung des Graphen 22 dar. Es ist zu erkennen, dass diese Differenzlinie des Graphen 23 linear zum Winkel der Verkippung der Waagschale 02 steigt, sodass mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine sehr genaue Messung des Winkels der Verkippung ermöglicht ist. Das Differenzsignal ändert sich in einem mit herkömmlichen elektronischen Einheiten gut auswertbaren Umfang.
7 zeigt in einem Diagramm eine Strahlungsverteilung des Lichtkegels 11 (gezeigt in 2) in einer Ebene parallel zu der unverkippten Waagschale 01. Auf der x-Achse des Diagramms ist der Abstand zu dem VCSEL 03 (gezeigt in 1) in mm aufgetragen. Auf der y-Achse des Diagramms ist die Lichtleistungsdichte in mW/m² aufgetragen. Bei einer idealen Lichtverteilung innerhalb der Hohlkegelform des Lichtkegels 11 wäre der Signalverlauf der Lichtleistungsdichte über den Abstand durch zwei Rechtecksignale repräsentiert. Bei der gezeigten tatsächlichen Verteilung der Lichtleistungsdichte sind innerhalb der Hohlkegelform des Lichtkegels 11 jedoch jeweils zwei Signalspitzen 31 ausgebildet.
8 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen oberschaligen Waage in einer Prinzipdarstellung. Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage umfasst als Lichtquelle eine LED 41, deren Licht zunächst durch ein Borofloat-Glas 42 und anschließend durch eine als Ringblende 43 ausgeführte Blende fällt. Die gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage umfasst in gleicher Weise wie die in 1 gezeigte Ausführungsform die Waagschale 01 und die beiden Fotodioden 08, 09. Der Durchmesser des Emissionsbereichs der LED 41 beträgt 50 μm.
9 zeigt einen Strahlenverlauf bei der in 8 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage. Zu erkennen ist, dass das Licht der LED 41 erst durch die Ringblende 43 zu einem hohlkegelförmigen Lichtkegel 44 geformt wird. Daher ist die Lichtleistungsverteilung innerhalb der Hohlkegelform des Lichtkegels 44 gegenüber dem in 2 gezeigten Lichtkegel 11 verändert. Insbesondere ist die Lichtleistung in einem mittleren Bereich der Kreisringform des Querschnittes des Lichtkegels 44 erhöht. In gleicher Weise wie bei dem in 2 gezeigten Strahlenverlauf treffen jeweils ein Teil der Ausschnitte der Kreisringform des Querschnittes des Lichtkegels 44 auf die erste Fotodiode 08 und auf die zweite Fotodiode 09, nachdem der Lichtkegel 44 von der unverkippten Waagschale 01 reflektiert wurde.
10 zeigt einen Strahlenverlauf bei der in 8 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage, bei welcher der Lichtkegel 44 von der verkippten Waagschale 02 reflektiert wird. In gleicher Weise wie bei dem in 3 gezeigten Strahlenverlauf ist derjenige Anteil des Ausschnittes der Kreisringform des Querschnittes des reflektierten Lichtkegels 44, welcher auf die erste Fotodiode 08 gerichtet ist, vergrößert. Ebenso ist derjenige Anteil des Ausschnittes der Kreisringform des Querschnittes des Lichtkegels 44, welcher nach Reflexion von der verkippten Waagschale 02 auf die zweite Fotodiode 09 gerichtet ist, verkleinert.
11 zeigt eine einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen oberschaligen Waage. Bei dieser Ausführungsform wird im Gegensatz zu der in 8 gezeigten Ausführungsform das Licht der LED 41 nicht durch eine Ringblende oder eine Ringlinse geformt. Das Licht der LED 41 durchläuft das Borofloat-Glas 42 und trifft auf die Unterseite der Waagschale 01. Im Unterschied zu den in 1 und 8 gezeigten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Waage weist die Unterseite der Waagschale 01 dieser Ausführungsform keine vollständig reflektierende Fläche auf. Anstelle dessen weist die Unterseite der Waagschale 01 eine als kreisringförmige Spiegelfläche 51 ausgeführte Reflexionsfläche auf. Die LED 41 emittiert einen Lichtkegel, der keine besondere Formung aufweist, sodass er in Form eines vollständig gefüllten Kegels auf die Unterseite der Waagschale 01 trifft. Dieser vollständig gefüllte Lichtkegel wird auf der Unterseite der Waagschale 01 nur durch die kreisringförmige Spiegelfläche 51 reflektiert, wodurch der reflektierte Lichtkegel eine Hohlkegelform erhält.
12 zeigt einen Strahlenverlauf bei der in 11 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage. Das Licht der LED 41 durchläuft das Borofloat-Glas 42, wo es als vollständig gefüllter Lichtkegel 52 austritt. Der vollständig gefüllte Lichtkegel 52 wird ausschließlich an der kreisringförmigen Reflexionsfläche (Spiegelfläche) 51 reflektiert, wodurch der reflektierte Lichtkegel 52 eine Hohlkegelform bekommt. Ebenso wie bei dem in 02 gezeigten Strahlenverlauf sind jeweils nur Teile der Ausschnitte der Kreisringform des Querschnittes des reflektierten Lichtkegels 52 auf die erste Fotodiode 08 und auf die zweite Fotodiode 09 gerichtet, wobei diese Teile bei einer unverkippten Lage der Waagschale 01 gleich groß sind.
13 zeigt einen Strahlenverlauf bei der in 11 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage, wenn die Waagschale 02 verkippt ist. In gleicher Weise wie bei dem in 3 gezeigten Strahlenverlauf ist der Anteil des reflektierten Lichtkegels 52, welcher auf die erste Fotodiode 08 trifft, vergrößert, wahrend der Anteil des Lichtkegels 52, welcher auf die zweite Fotodiode 09 trifft, verkleinert ist.
Die in 1 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage weist gegenüber den Ausführungsformen, die in den 8 und 11 gezeigt sind, den Vorteil auf, dass ein sehr hoher Anteil des von dem VCSEL 03 als Lichtquelle emittierten Lichtes zu dem hohlkegelförmigen Lichtkegel 11 geformt wird. Dies wird insbesondere durch die Kombination der Ringlinse 04 und der Ringblende 06 (gezeigt in 1) erreicht.
14 zeigt eine Ansicht von oben auf die in 1 dargestellte Waage. Es handelt sich wiederum um eine Prinzipdarstellung, wobei die Waagschale 01 nicht gezeigt ist. In der Darstellung sind insbesondere die Querschnittsformen des Borofloat-Glases 07, der ersten Fotodiode 08 und der zweiten Fotodiode 09 zu erkennen. Das Borofloat-Glas 07 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei das VCSEL 03 in der Mitte dieser Kreisform angeordnet ist. Die erste Fotodiode 08 und die zweite Fotodiode 09 weisen einen gleichen Querschnitt auf, der jeweils einem Kreisringsektor gleicht. Die Kreisringsektorformen sind dem kreisringförmigen Querschnitt des reflektierten Lichtkegels 11 (gezeigt in 2) angepasst. Der Anteil 12 der Kreisringform des Lichtkegels 11, welcher auf die erste Fotodiode 08 gerichtet ist, ändert sich aufgrund der Kreisringsektorform der ersten Fotodiode 08 linear, wenn die Waagschale 02 (gezeigt in 3) verkippt wird. Ebenso ändert sich der Anteil 13 der Kreisringform des Lichtkegels 11, welcher auf die zweite Fotodiode 09 gerichtet ist, aufgrund der Kreisringsektorform der zweiten Fotodiode 09 linear, wenn die Waagschale 02 verkippt wird. Die linearen Veränderungen der mit den beiden Fotodioden 08, 09 gemessenen Lichtmengen erlauben eine einfache und genaue Bestimmung der Verkippung der Waagschale 02.
15 zeigt eine perspektivische Prinzipdarstellung einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waage, bei welcher eine Messung von Verkippungen in zwei Richtungen ermöglicht ist. Der Strahlenverlauf an dieser Waage ist ebenfalls dargestellt. Zur Darstellung von Flächen sind kartesische Gitter verwendet. Die in 15 gezeigte Waage umfasst ebenso wie die in 1 gezeigte Waage die unverkippte Waagschale 01, das VCSEL 03, das Borofloat-Glas 07, die Ringblende 06 (nicht dargestellt), die Ringlinse 04 (nicht dargestellt), die erste Fotodiode 08 und die zweite Fotodiode 09. Weiterhin weist die Waage einen dritten optischen Sensor (Fotodiode 61) und einen vierten optischen Sensor (Fotodiode 62) auf, die in derselben Ebene wie die erste Fotodiode 08 und die zweite Fotodiode 09 angeordnet sind. Die vier Fotodioden 08, 09, 61, 62 sind gleich ausgeführt und weisen einen gleichen Abstand zum VCSEL 03 auf. Die vier Fotodioden 08, 09, 61, 62 sind gleich verteilt um den VCSEL 03 angeordnet, d. h. der Winkel zwischen zwei der vier Fotodioden 08, 09, 61, 62 beträgt jeweils 90°. Jede der vier Fotodioden 08, 09, 61, 62 befindet sich in Bezug zum VCSEL 03 in jeweils einem Quadranten. Jede der vier Fotodioden 08, 09, 61, 62 weist die Form eines Kreisringsektors auf, der parallel zur unverkippten Waage 01 ausgerichtet ist.
In der gezeigten Prinzipdarstellung ist der Lichtkegel 11 durch vier Strahlenbündel verdeutlicht, wobei Strahlen der Strahlenbündel jeweils in einer Ebene liegen. Für die Beschreibung der Funktion wird aber davon ausgegangen, dass der Lichtkegel 11 umlaufend vollständig, d. h. über 360° ausgebildet ist. Der Lichtkegel 11 wird von der reflektierenden Unterseite der Waagschale 01 reflektiert, wobei er seine Hohlkegelform beibehält. Ein Querschnitt durch den Lichtkegel 11 parallel zur Waagschale 01 besitzt die Form eines Kreisringes. Diametral gegenüberliegende Ausschnitte aus der Kreisringform des Querschnitts des Lichtkegels 11 treffen auf die vier Fotodioden 08, 09, 61, 62. Wie bei dem in 2 gezeigten Strahlenverlauf ist nur der außen liegende Anteil 12 des entsprechenden Ausschnittes aus der Kreisringform auf die erste Fotodiode 08 gerichtet. Ebenso ist nur der außen liegende Anteil 13 des entsprechenden Ausschnittes aus der Kreisringform auf die zweite Fotodiode 09 gerichtet. In gleicher Weise ist nur ein außen liegender Anteil 63 des entsprechenden Ausschnittes aus der Kreisringform auf die dritte Fotodiode 61 gerichtet. Auch ist nur ein außen liegender Anteil 64 des entsprechenden Ausschnittes aus der Kreisringform auf die vierte Fotodiode 62 gerichtet. Die anderen Teile der Ausschnitte aus der Kreisringform des Querschnitts des Lichtkegels 11 fallen nicht auf die vier Fotodioden 08, 09, 61, 62, sondern sind auf die Grundfläche 14 gerichtet. Die Grundfläche 14 ist absorbierend ausgeführt. Der Anteil 12 des Lichtkegels 11, der auf die erste Fotodiode 08 gerichtet ist; der Anteil 13 des Lichtkegels 11, der auf die zweite Fotodiode 09 gerichtet ist; der Anteil 63 des Lichtkegels 11, der auf die dritte Fotodiode 61 gerichtet ist; und der Anteil 64 des Lichtkegels 11, der auf die vierte Fotodiode 62 gerichtet ist, sind in Bezug auf ihre geometrischen und fotometrischen Eigenschaften gleich.
Kommt es zu einer Verkippung der Waagschale 01, wird der Lichtkegel 11 nicht symmetrisch von der Unterseite der verkippten Waagschale 02 (gezeigt in 3) reflektiert. Folglich verändern sich die Anteile 12, 13, 63, 64 der Kreisringform des Querschnittes des Lichtkegels 11, welche auf die vier Fotodioden 08, 09, 61, 62 fallen. In einem bestimmten Fall ist es möglich, dass die Differenz zwischen den Anteilen 12 und 13 bzw. 63 und 64 trotz einer Verkippung gleich Null bleibt. Dies ist davon abhängig, in welche Richtung die Waagschale 02 verkippt ist, d. h. um welche Drehachse die Waagschale 02 verkippt ist. Ist die Waagschale 02 um eine Drehachse verkippt, die senkrecht zu der von der ersten Fotodiode 08, der zweiten Fotodiode 09 und dem VCSEL 03 aufgespannten Ebene angeordnet ist, so ändert sich nur die Differenz zwischen dem Anteil 12 des Lichtkegels 11, der auf die erste Fotodiode 08 gerichtet ist, und dem Anteil 13 des Lichtkegels 11, der auf die zweite Fotodiode 09 gerichtet ist. Die Differenz zwischen dem Anteil 63 des Lichtkegels 11, der auf die dritte Fotodiode 61 gerichtet ist, und dem Anteil 64 des Lichtkegels 11, der auf die vierte Fotodiode 62 gerichtet ist, bleibt bei einer solchen Verkippung unverändert. Ist die Waagschale 02 jedoch um eine Drehachse verkippt, die beliebig schräg zu der Anordnung umfassend die vier Fotodioden 08, 09, 61, 62 angeordnet ist, ändert sich jeder der vier Anteile 12, 13, 63, 64, die auf die vier Fotodioden 08, 09, 61, 62 gerichtet sind. Die Anordnung der vier Fotodioden 08, 09, 61, 62 in vier Quadranten erlaubt die Messung von Verkippungen, die in einer ersten Drehachse der Waagschale liegen, und von Verkippungen, die in einer zu der ersten Drehachse senkrecht angeordneten Drehachse liegen.
Bezugszeichenliste

01: unverkippte Waagschale
02: verkippte Waagschale
03: VCSEL
04: Ringlinse
05
06: Ringblende
07: Borofloat-Glas
08: erste Fotodiode
09: zweite Fotodiode
10
11: Lichtkegel
12: Anteil des reflektierten ersten Lichtstrahles
13: Anteil des reflektierten zweiten Lichtstrahles
14: Grundfläche
21: erster Graph
22: zweiter Graph
23: dritter Graph
31: Signalspitze
41: LED
42: Borofloat-Glas
43: Ringblende
44: Lichtkegel
51: kreisringförmige Spiegelfläche
52: Lichtkegel
61: dritte Fotodiode
62: vierte Fotodiode
63: Anteil des reflektierten dritten Lichtstrahles
64: Anteil des reflektierten vierten Lichtstrahles

Claims

Waage, insbesondere oberschalige Waage, mit einer Waagschale (01, 02), die auf mindestens einen Kraftaufnehmer eines Kraftmesssystems abgestützt oder an diesem aufgehängt ist, und mit einem Ecklastsensor (03; 41, 04, 06; 43, 08, 09) zur Messung von Verkippungen der Waagschale (01, 02) gegenüber dem Kraftaufnehmer, umfassend: – mindestens eine Lichtstrahlquelle (03; 41, 04, 06; 43), zur Emission mindestens eines ersten Lichtstrahles und eines zweiten Lichtstrahles auf eine an einer Unterseite einer die Waagschale (01, 02) umfassenden Anordnung angebrachte Reflexionsfläche (51), die bei Verkippung der Waagschale ebenfalls verkippt wird, wobei der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl jeweils gegenüber einem auf die Reflexionsfläche (51) der unverkippten Waagschale (01) gefällten Lot geneigt ist; – mindestens einen ersten optischen Sensor (08) und einen zweiten optischen Sensor (09), auf die bei Fehlen einer Verkippung der Waagschale jeweils ein vorbestimmter Teil des von der Reflexionsfläche (51) reflektierten ersten Lichtstrahles gerichtet ist; und – eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Verkippung der Waagschale (01, 02) in Abhängigkeit von der mit dem ersten optischen Sensor (08) gemessenen Lichtmenge und von der mit dem zweiten optischen Sensor (09) gemessenen Lichtmenge.
Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche durch eine ebene Unterseite der Waagschale (01, 02) oder durch eine ebene Unterseite einer starr mit der Waagschale (01, 02) verbundenen Unterschale gebildet ist.
Waage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlquelle (03; 41, 04, 06; 43) unterhalb der Waagschale (01, 02) angeordnet ist und in Lotrichtung mit einem auf die Reflexionsfläche der unverkippten Waagschale (01) gefällten Lot, welches durch den Schwerpunkt der Waagschale (01, 02) verläuft, ausgerichtet ist.
Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl hinsichtlich ihrer geometrischen und fotometrischen Eigenschaften gleich sind und jeweils den gleichen Winkel gegenüber einem auf die Reflexionsfläche der unverkippten Waagschale (01) gefällten Lot aufweisen, mit dem sie gemeinsam in einer Ebene liegen.
Waage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ebene, in welcher der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl liegen, weiterhin eine horizontale Symmetrieachse der unverkippten Waagschale (01) angeordnet ist.
Waage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass von der Lichtstrahlquelle (03; 41, 04, 06; 43) weiterhin ein dritter Lichtstrahl und ein vierter Lichtstrahl auf die Reflexionsfläche emittierbar sind; wobei der dritte Lichtstrahl und der vierte Lichtstrahl gegenüber einem auf die Reflexionsfläche der unverkippten Waagschale (01) gefällten Lot geneigt sind und einen gleichen Winkel gegenüber diesem Lot aufweisen, mit dem sie gemeinsam in einer Ebene liegen, die senkrecht zu einer Ebene ist, in welcher der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl liegen; wobei bei Fehlen einer Verkippung ein vorbestimmter Teil des von der Reflexionsfläche reflektierten dritten Lichtstrahles auf einen dritten optischen Sensor (61) gerichtet ist; und wobei bei Fehlen einer Verkippung ein vorbestimmter Teil des von der Reflexionsfläche reflektierten vierten Lichtstrahles auf einen vierten optischen Sensor (62) gerichtet ist.
Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlquelle (03; 41, 04, 06; 43) eine einzige Lichtquelle (03; 41) umfasst.
Waage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass von der Lichtstrahlquelle (03; 41, 04, 06; 43) ein Lichtkegel (11; 44; 52) emittierbar ist, welcher den ersten Lichtstrahl und den zweiten Lichtstrahl jeweils als Einzellichtstrahl umfasst.
Waage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtkegel (52) vollständig mit Licht ausgefüllt ist und dass die Reflexionsfläche (51) die Form eines Kreisringes aufweist, der konzentrisch zum Lichtkegel (52) angeordnet ist.
Waage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtkegel (11; 44) hohlkegelförmig ausgebildet ist.
Waage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlquelle (03; 41, 04, 06; 43) eine Ringlinse (04) und/oder eine ringförmige Blende (06; 43) zur Formung des hohlkegelförmigen Lichtkegels (11; 44) umfasst.
Waage nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle durch einen Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser (03) gebildet ist.
Waage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste optische Sensor (08) und der zweite optische Sensor (09) jeweils durch eine Fotodiode gebildet sind und gemeinsam mit dem Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser (03) auf einem Siliziumsubstrat angeordnet sind, wobei die beiden Fotodioden (08, 09) rotationssymmetrisch gegenüber dem Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser (03) angeordnet sind.
Waage nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Teil des reflektierten ersten Lichtstrahles, welcher bei Fehlen einer Verkippung auf den ersten optischen Sensor (08) gerichtet ist, und der vorbestimmte Teil des reflektierten zweiten Lichtstrahles, welcher bei Fehlen einer Verkippung auf den zweiten optischen Sensor (09) gerichtet ist, hinsichtlich ihrer geometrischen und fotometrischen Eigenschaften gleich ausgebildet sind, wobei bei Vorhandensein einer Verkippung der Teil des auf den ersten optischen Sensor (08) reflektierten ersten Lichtstrahles verringert ist, während der Teil des auf den zweiten optischen Sensor (09) reflektierten zweiten Lichtstrahles vergrößert ist, oder umgekehrt.
Waage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige Teil des reflektierten ersten Lichtstrahles, welcher bei Fehlen einer Verkippung nicht auf den ersten optischen Sensor (08) gerichtet ist, auf einen Bereich zwischen dem ersten optischen Sensor (08) und der Lichtstrahlquelle (03) gerichtet ist, und dass derjenige Teil des reflektierten zweiten Lichtstrahles, welcher bei Fehlen einer Verkippung nicht auf den zweiten optischen Sensor (09) gerichtet ist, auf einen Bereich zwischen dem zweiten optischen Sensor (09) und der Lichtstrahlquelle (03) gerichtet ist.