DE19511353C1 - DMS-Wägeaufnehmer mit Ecklastkorrektur - Google Patents
DMS-Wägeaufnehmer mit EcklastkorrekturInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wägeaufnehmer mit einem oberen und einem
unteren Lenker zur Parallelführung eines Lastaufnehmers mitsamt einer
Waagschale und mit mindestens vier DMS, die die Materialdehnung in
ausgewählten Bereichen der Lenker messen und in eine Widerstandsänderung
umformen, wobei mindestens zwei DMS seitlich aus der Symmetrieebene des
Wägeaufnehmers heraus in eine Richtung verschoben sind und mindestens zwei
DMS seitlich aus der Symmetrieebene des Wägeaufnehmers heraus in die andere
Richtung verschoben sind.
Ein Wägeaufnehmer dieser Art mit genau vier DMS, die zu einer Wheatstoneschen
Brücke verschaltet sind, ist aus der EP 067 664 A2 bekannt. Gegenüber den sonst
üblichen Wägeaufnehmern, bei denen die vier DMS in der Symmetrieebene des
Wägeaufnehmers angeordnet sind, hat dieser Wägeaufnehmer gemäß der EP 067 664 A2
den Vorteil, daß ein Ecklastabgleich durch das Parallelschalten von
Abgleichwiderständen zu den DMS möglich ist, statt der sonst notwendigen
mechanischen Justierung der Parallelführung. Die Ermittlung der Größe der
Abgleichwiderstände für den Ecklastabgleich ist jedoch ziemlich umständlich,
insbesondere auch deshalb, weil der Ecklastabgleich in den beiden orthogonalen
Richtungen nicht getrennt werden kann. Weiterhin können durch verschiedene
Temperaturkoeffizienten der Abgleichwiderstände einerseits und der DMS
andererseits Temperaturfehler beim Ecklastabgleich auftreten, dasselbe gilt für
den Fall, daß sich die Abgleichwiderstände und die DMS auf verschiedenen
Temperaturen befinden. Der Ecklastabgleich durch Parallelwiderstände erfordert
also spezielle Widerstände mit dem gleichen Temperaturkoeffizienten wie die DMS
und eine geometrische Anordnung in der Nähe der DMS und eine gleiche
Wärmeableitung, damit DMS und Abgleichwiderstände die gleiche Temperatur
annehmen. Auch die Alterung muß gleich sein.
Weiterhin ist es aus der EP 0 295 067 A2 bekannt, aus vier, zur Symmetrieebene des
Wägeaufnehmers symmetrisch angeordneten DMS eine Wheatstonesche Brücke
aufzubauen, die ein unkorrigiertes, lastproportionales Ausgangssignal liefert, und
aus je einem oder zwei zusätzlichen DMS, die außerhalb der Symmetrieebene des
Wägeaufnehmers angeordnet sind, je ein Signal für die Position der Last in den
beiden orthogonalen Richtungen herzuleiten; diese Positionssignale korrigieren
dann das unkorrigierte, lastproportionale Ausgangssignal. Bei Benutzung von je
einem zusätzlichen DMS sind die Positionssignale in den beiden Richtungen und
das unkorrigierte Lastsignal jedoch miteinander verkoppelt, so daß der
Ecklastabgleich wieder sehr erschwert ist. Bei Benutzung von je zwei zusätzlichen
DMS verbleibt noch eine teilweise Verkopplung der drei Signale. Außerdem ist ein
Temperaturkoeffizient der DMS nur dann ohne Einfluß auf die Ausgangssignale,
wenn die Brückenergänzungswiderstände den gleichen Temperaturkoeffizienten
und die gleiche Temperatur besitzen und in gleicher Weise altern; daher sind
insgesamt 12 DMS bzw. Festwiderstände mit vorgegebenem Temperatur
koeffizienten notwendig, was den Aufwand deutlich in die Höhe treibt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einem Wägeaufnehmer der eingangs
genannten Art einen einfachen Ecklastabgleich zu ermöglichen, bei dem der
Abgleich in den beiden orthogonalen Richtungen sauber getrennt ist und bei dem
Temperaturänderungen keinen Einfluß auf den Ecklastabgleich haben.
Erfindungsgemäß wird dies in einer ersten Variante dadurch erreicht, daß genau
vier DMS vorhanden sind, daß durch verschiedenes Verschalten der vier DMS
drei Signale hergeleitet werden, wobei das erste Signal bei mittiger Belastung der
Waagschale lastproportional, bei außermittiger Belastung der Waagschale jedoch
mit einem Ecklastfehler behaftet ist, und wobei das zweite und dritte Signal
proportional zur Größe der außermittigen Belastung in den beiden orthogonalen
x- und y-Richtungen sind, und daß das zweite und das dritte Signal zur Korrektur
des ersten Signals benutzt wird.
In dieser Variante wird also nur durch verschiedenes Verschalten der vier DMS
ein unkorrigiertes Lastsignal und zwei Ecklastkorrektursignale hergeleitet; aus
diesen drei Signalen wird dann das ecklastkorrigierte Lastsignal abgeleitet.
In einer zweiten Variante wird die Erfindungsaufgabe dadurch gelöst, daß die
Widerstandsänderungen der vier DMS einzeln ausgewertet werden, mit
individuellen Gewichtungsfaktoren multipliziert und dann aufaddiert werden.
Hierbei werden also die Ecklastabgleichparameter in Form von Gewichtungs
faktoren analogelektrisch oder digitaI/rechnerisch berücksichtigt.
In einer dritten Variante wird die Erfindungsaufgabe dadurch gelöst, daß vier
weitere DMS etwa in der Symmetrieebene des Wägeaufnehmers angeordnet sind,
daß die vier weiteren DMS zu einer Vollbrücke verschaltet sind, deren Ausgangs
signal bei mittiger Belastung der Waagschale lastproportional, bei außermittiger
Belastung der Waagschale jedoch mit einem Ecklastfehler behaftet ist, daß aus der
Widerstandsänderung der vier ersten DMS ein zweites und ein
drittes Signal hergeleitet werden, die proportional zur Größe der außermittigen
Belastung in den beiden orthogonalen x- und y-Richtungen sind und daß das
zweite und das dritte Signal zur Korrektur des ersten Signals benutzt wird.
In dieser Variante werden also die bekannten, symmetrisch angeordneten DMS
zur Erzeugung des unkorrigierten Lastsignals benutzt und die unsymmetrisch
angeordneten DMS werden durch verschiedenes Verschalten oder Verrechnen zur
Erzeugung der beiden Ecklastkorrektursignale benutzt.
In einer vierten Variante wird die Erfindungsaufgabe dadurch gelöst, daß vier
weitere DMS auf dem Wägeaufnehmer angeordnet sind, daß die insgesamt acht
DMS zu einer einzigen Wheatstoneschen Brücke verschaltet sind, daß längs der
Diagonalen der Brücke ein erstes Signal abgegriffen wird, das bei mittiger
Belastung der Waagschale lastproportional, bei außermittiger Belastung der
Waagschale jedoch mit einem Ecklastfehler behaftet ist, daß längs zweier Sehnen
ein zweites und ein drittes Signal abgegriffen werden, die einen Signalanteil
proportional zur Größe der außermittigen Belastung in den beiden orthogonalen
x- und y-Richtungen enthalten, und daß das zweite und das dritte Signal zur
Korrektur des ersten Signals benutzt werden.
In dieser Variante werden also die acht DMS zu einer einzigen Brücke verschaltet,
das unkorrigierte Lastsignal wird wie üblich längs der Diagonalen abgegriffen und
die beiden Ecklastkorrektursignale werden längs zweier Sehnen abgegriffen.
In einer fünften Variante wird die Erfindungsaufgabe dadurch gelöst, daß sechs
DMS auf der Oberseite eines Lenkers angeordnet sind, von denen zwei DMS in der
Symmetrieebene des Wägeaufnehmers angeordnet sind, zwei aus der
Symmetrieebene heraus in eine Richtung verschoben sind und zwei aus der
Symmetrieebene heraus in die andere Richtung verschoben sind, daß sechs weitere
DMS in gleicher Weise auf der Unterseite eines Lenkers angeordnet sind, daß die
in der Symmetrieebene angeordneten DMS zu einer Vollbrücke verschaltet sind,
deren Ausgangssignal bei mittiger Belastung der Waagschale lastproportional, bei
außermittiger Belastung der Waagschale mit einem Ecklastfehler behaftet ist, daß
die zwei DMS auf der einen Seite der Symmetrieebene auf der Oberseite eines
Lenkers und die zwei DMS auf der anderen Seite der Symmetrieebene auf der
Unterseite eines Lenkers zu einer zweiten Vollbrücke verschaltet sind, deren
Ausgangssignal proportional zur Größe der außermittigen Belastung in der einen
Richtung ist, daß die vier restlichen DMS zu einer dritten Vollbrücke verschaltet
sind, deren Ausgangssignal proportional zur Größe der außermittigen Belastung
in der anderen, zur ersten orthogonalen Richtung ist, und daß die Ausgangssignale
der zweiten und dritten Vollbrücke zur Korrektur des Ausgangssignals der ersten
Vollbrücke benutzt werden.
In dieser Variante stehen für die Erzeugung sowohl des unkorrigierten Lastsignals
als auch der beiden Ecklastkorrektursignale jeweils vier DMS zur Verfügung, die
in bekannter Weise jeweils zu einer Vollbrücke verschaltet werden können, so daß
in dieser Variante keine DMS umgeschaltet werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Wägeaufnehmers,
Fig. 2 eine Schaltung zur Auswertung der Widerstandsänderung der DMS,
Fig. 3 eine alternative Schaltung zur Auswertung der Widerstandsänderung der
DMS,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Wägeaufnehmers in einer zweiten Aus
gestaltung,
Fig. 5 die zur Ausgestaltung gemäß Fig. 4 gehörende Schaltung,
Fig. 6 eine Schaltungsalternative zur Schaltung gemäß Fig. 5,
Fig. 7 eine weitere Schaltungsalternative zur Schaltung gemäß Fig. 5,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des Wägeaufnehmers in einer dritten Aus
gestaltung,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht des Wägeaufnehmers in einer vierten Aus
gestaltung und
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht des Wägeaufnehmers in einer fünften Aus
gestaltung.
Der in Fig. 1 perspektivisch dargestellte Wägeaufnehmer besteht aus einem
einstückigen Metallblock 1, der durch eine innere Öffnung 2 in einen festen
Bereich 3, der mit einem nur angedeuteten Gehäuse 7 verbunden ist, in einen
Lastaufnehmer 4, der über ein Zwischenstück 8 die ebenfalls nur angedeutete
Waagschale 9 trägt, in einen oberen Lenker 5 und in einen unteren Lenker 6
unterteilt ist. Auf der Oberseite des oberen Lenkers 5 sind zwei DMS AR und
BR angebracht, auf der Unterseite des unteren Lenkers zwei DMS CL und DL.
Bezüglich der strichpunktiert eingezeichneten Symmetrieebene des Wägeauf
nehmers sind die DMS seitlich verschoben; und zwar die beiden DMS AR und
BR nach rechts, wenn man vom gehäusefesten Bereich des Wägeaufnehmers in
Richtung zum Lastaufnehmer blickt, und die beiden DMS CL und DL nach links.
Bei mittiger Belastung der Waagschale werden die beiden DMS BR und CL
gedehnt und die beiden DMS AR und DL gestaucht. Bei außermittiger Belastung
in der in Fig. 1 eingezeichneten x-Richtung überlagert sich bei den DMS AR und
BR eine zusätzliche Dehnung und bei den DMS CL und DL eine zusätzliche
Stauchung. Bei außermittiger Belastung in y-Richtung überlagert sich bei den
DMS BR und DL eine zusätzliche Dehnung und bei den DMS AR und CL eine
zusätzliche Stauchung.
In der in Fig. 2 gezeigten Auswerteschaltung sind nun in der gezeichneten Stellung
der Schalter S₁ . . . S₄ die vier DMS so zu einer Vollbrücke verschaltet, daß die
Widerstandserhöhung der gedehnten DMS BR und CL und die Widerstands
erniedrigung der gestauchten DMS AR und DL vorzeichenrichtig aufsummiert
werden und ein lastproportionales Ausgangssignal ergeben. Bei außermittiger
Belastung in x-Richtung heben sich die Widerstandserhöhungen der DMS AR und
BR auf, genauso heben sich die Widerstandserniedrigungen der DMS CL und DL
auf. Bei außermittiger Belastung in y-Richtung heben sich die
Widerstandserhöhungen der DMS BR und DL auf, genauso heben sich die
Widerstandserniedrigungen der DMS AR und CL auf. - Bei ideal gefertigtem
Wägeaufnehmer 1 und idealer Gleichheit der vier DMS würde das Ausgangssignal
der Schaltung in der gezeichneten Stellung der Schalter S₁ . . . S₄ bereits das
ecklastfreie Ausgangssignal darstellen. Bei dem realen Wägeaufnehmer treten in
diesem Signal jedoch Ecklastfehler auf, die nach dem Stand der Technik durch
Parallelwiderstände abgeglichen werden.
Bei der neuen Abgleichmethode werden nun anschließend an die erste Messung
zur Ermittlung des unkorrigierten Lastsignals die Schalter S₃ und S₄ vom Mikro
prozessor umgeschaltet. Dadurch werden die vier DMS in einer anderen
Zusammenstellung zu einer Vollbrücke verschaltet. In dieser Schalterstellung
addieren sich die Widerstandserhöhungen der DMS AR und BR und die Wider
standserniedrigungen der DMS CL und DL unter dem Einfluß eines
Drehmomentes bei außermittiger Belastung in x-Richtung vorzeichenrichtig zu
einem Ausgangssignal, während die lastabhängigen Widerstandserhöhungen und
Widerstandserniedrigungen sich aufheben, genauso heben sich die
Widerstandserhöhungen und Widerstandserniedrigungen auf, die durch die
Ecklastmomente in y-Richtung verursacht werden. In dieser Schalterstellung
erhält der Mikroprozessor also ein Signal, das proportional zum Ecklastmoment in
x-Richtung ist. - In einem anschließenden dritten Meßvorgang schaltet der
Mikroprozessor die Schalter S₃ und S₄ wieder in die gezeichnete Stellung und
schaltet statt dessen die Schalter S₁ und S₂ um. In dieser neuen
Zusammenschaltung addieren sich die Widerstandserhöhungen der DMS BR und
DL und die Widerstandserniedrigungen der DMS AR und CL unter dem Einfluß
eines Drehmomentes bei außermittiger Belastung in y-Richtung vorzeichenrichtig
zu einem Ausgangssignal, während die lastabhängigen und die in x-Richtung
ecklastabhängigen Widerstandserhöhungen und Widerstandserniedrigungen sich
aufheben.
Aus den beiden nacheinander erhaltenen Ecklastsignalen in x- und y-Richtung
und den bei der Erstkalibrierung ermittelten Ecklastfehlern, die in Form von
Korrekturkoeffizienten im Mikroprozessor abgespeichert sind, kann der
Mikroprozessor nun den Ecklastfehler im unkorrigierten Lastsignal korrigieren
und ein korrigiertes Lastsignal errechnen und zur Anzeige bringen.
Die drei nacheinander erfolgenden Messungen benötigen jeweils nur eine kurze
Zeit von 10 . . . 100 ms, so daß die Zeit zur Ermittlung eines korrigierten Meßwertes
trotz der dreifachen Messung kurz bleibt.
Die in Fig. 2 gezeichneten Schalter S₅ . . . S₈ werden für das Umschalten der DMS zu
den verschiedenen Brücken nicht benötigt; sie dienen vielmehr dazu, die Anzahl
der Schalter in den einzelnen Brückenzweigen so anzugleichen, daß sich in allen
drei benutzten Zusammenschaltungen der Einfluß der Schalter
(Durchlaßwiderstand und eventueller Temperaturkoeffizient) auf das
Ausgangssignal aufhebt. Die Schalter S₅ . . . S₈ sind zusätzlich so plaziert, daß bei
der Ermittlung des unkorrigierten Lastsignals möglichst wenige Schalter einen
Einfluß haben. Da die Ecklastkorrektursignale nur Korrektursignale sind, also
maximal einen Einfluß in der Größenordnung einiger Prozent auf das korrigierte
Endsignal haben, bestehen für die Ecklastkorrektursignale keine so hohen
Anforderungen an die Stabilität und Genauigkeit wie für das unkorrigierte
Lastsignal.
Durch das im vorstehenden beschriebene Abgleichverfahren kann durch die drei
unmittelbar nacheinander ermittelten Signale der Ecklastabgleich nur durch
Rechenoperationen im Mikroprozessor erfolgen. Es müssen nur die beiden
Korrekturkoeffizienten in x- und in y-Richtung abgespeichert werden, die durch je
eine ausmittige Belastung in beiden Richtungen leicht ermittelt werden können.
Trotz dieser Vorteile werden nur vier DMS benötigt. Der Aufwand für die acht
Schalter S₁ . . . S₈ ist deutlich geringer als der Aufwand für zusätzliche DMS.
Auch eine gegebenenfalls notwendige Nachjustierung kann ohne Änderung in der
Hardware (wie beim Abgleich durch Parallelwiderstände) nur durch geänderte
Korrekturkoeffizienten erfolgen.
Auch der Einfluß von Temperaturänderungen auf den Ecklastabgleich ist gering,
da jeweils komplette Vollbrücken verschaltet werden, bei denen sich Temperatur
koeffizienten aufheben. Außerdem können sich keine Temperaturunterschiede
aufbauen, da die vier DMS auf den metallischen Wägeaufnehmer in gutem
thermischen Kontakt zueinander angeordnet sind.
Auch eine analogelektrische Lösung des Ecklastabgleichs ist möglich: Dazu wird
ein Bruchteil, der durch einen Bewertungswiderstand festgelegt ist, des
Ecklastsignals in x- und in y-Richtung zu dem unkorrigierten Lastsignal
hinzuaddiert und ergibt so das korrigierte Lastsignal. Diese analogelektrische
Variante kann überall da eingesetzt werden, wo kein Mikroprozessor zur
rechnerischen Korrektur zur Verfügung steht. Diese Variante ähnelt dem
bekannten Verfahren des Abgleichens durch Parallelwiderstände, hat jedoch den
Vorteil, daß die Ecklast in x- und y-Richtung ohne gegenseitige Beeinflussung
durch den entsprechenden Bewertungswiderstand eingestellt werden kann.
Eine alternative Schaltung zur Auswertung der Widerstandsänderung der DMS ist
in Fig. 3 gezeigt. Hier ist jeder der DMS AR, BR, CL und DL mit einem
Festwiderstand R zu einer Halbbrücke ergänzt. Zusätzlich ist eine Halbbrücke
aus zwei Festwiderständen R vorgesehen. Alle Halbbrücken werden durch dieselbe
Brückenspeisespannung U gespeist. Die Ausgangsspannungen der Halbbrücken
mit einem DMS werden nun relativ zu der Halbbrücke mit festen Widerständen
nacheinander gemessen. Der Mikroprozessor erhält so vier Signale, die pro
portional zur Widerstandsänderung der einzelnen DMS sind. Aus diesen Signalen
könnte der Mikroprozessor das unkorrigierte Lastsignal, das proportional zu
ΔR(BR) + ΔR(CL) - ΔR(AR) - ΔR(DL) ist, ausrechnen; außerdem das
Ecklastsignal in x-Richtung, das proportional zu ΔR(AR) + ΔR(BR)
- ΔR(CL) - ΔR(DL ) ist, und das Ecklastsignal in y-Richtung, das
proportional zu ΔR(BR) + ΔR(DL) - ΔR(AR) - ΔR(CL) ist. Dann müßte er
diese beiden Ecklastsignale mit den zugehörigen Koeffizienten für den
Ecklastfehler in x- und y-Richtung (Koeff-x und Koeff-y) multiplizieren und zum
unkorrigierten Lastsignal hinzuaddieren. - Wie man leicht nachrechnet, erhält
man das gleiche Endergebnis, wenn man das Signal ΔR(AR) mit dem
Gewichtungsfaktor (-1 + Koeff-x - Koeff-y) multipliziert, das Signal ΔR(BR)
mit dem Gewichtungsfaktor (+1 + Koeff-x + Koeff-y) multipliziert, das Signal
ΔR(CL) mit dem Gewichtungsfaktor (+1 - Koeff-x - Koeff-y) multipliziert, das
Signal ΔR(DL) mit dem Gewichtungsfaktor (-1 - Koeff-x + Koeff-y) multipliziert
und anschließend alle vier Summanden aufaddiert. Auch mit dieser Schaltung
müssen nur die beiden Korrekturkoeffizienten Koeff-x und Koeff-y im
Mikroprozessor gespeichert sein, der Ecklastabgleich erfolgt dann nur durch
Rechenschritte im Mikroprozessor.
Ein Temperaturkoeffizient der Festwiderstände, der vom Temperaturkoeffizienten
der DMS abweicht, hat keinen Einfluß auf das Ergebnis: Dieser Temperatur
koeffizient ist nämlich in allen vier Signalen gleichartig vorhanden; und da in den
Gewichtungsfaktoren die +1 und die -1 jeweils zweimal vorkommen, hebt sich der
Einfluß des Temperaturkoeffizienten bei der Summation heraus. Genauso
kommen die beiden Vorzeichen beim Koeff-x und beim Koeff-y gleich häufig vor,
so daß sich hier ein Temperaturkoeffizient ebenfalls aufhebt. Für die Widerstände
R ist ein gleicher Temperaturkoeffizient wie die DMS und gleiche Temperatur also
nicht erforderlich; die Widerstände R müssen nur unter sich gleich sein.
Eine zweite Ausgestaltung des Wägeaufnehmers ist in Fig. 4 gezeigt, die zugehörige
Auswerteschaltung in Fig. 5. Gleiche Teile wie in den Fig. 1 bzw. 2 sind mit
den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmal erläutert. Der
Wägeaufnehmer trägt in dieser Ausgestaltung zusätzliche DMS AM, BM, CM und
DM, die alle vier in der Symmetrieebene des Wägeaufnehmers angeordnet sind.
Diese vier zusätzlichen DMS sind so zu einer Vollbrücke zusammengeschaltet (Fig.
5 links), daß das Ausgangssignal proportional zur Last ist (unkorrigierter
Lastwert). Die vier DMS AR, BR, CL und DL können durch die Schalter S₁ und S₂
in der schon beschriebenen Weise zu zwei verschiedenen Vollbrücken
zusammengeschaltet werden, die jeweils ein Ausgangssignal liefern, das
proportional zum Ecklastmoment in x- bzw. y-Richtung ist. Die Auswertung
erfolgt dann, wie bereits beschrieben, durch Addition einer x- bzw.
y-Ecklastkorrektur zu dem unkorrigierten Lastwert.
In dieser Ausgestaltung wird also das erste Signal, der unkorrigierte Lastwert,
durch eine fest verdrahtete Vollbrücke erzeugt. Dadurch werden eventuelle Fehler
durch die Widerstände der Schalter in diesem Signal vermieden. Schalter zum
Umschalten befinden sich nur in den beiden Brücken zur Erzeugung der beiden
Ecklastkorrektursignale. Da die Ecklastkorrektursignale nur Korrektursignale
sind, also maximal einen Einfluß in der Größenordnung einiger Prozent auf das
korrigierte Endsignal haben, bestehen für die Ecklastkorrektursignale keine so
hohen Anforderungen an die Stabilität und Genauigkeit wie für das unkorrigierte
Lastsignal.
In der umschaltbaren Brücke in Fig. 5 rechts müssen zur Erzeugung des x- bzw.
y-Ecklastsignals die beiden DMS AR und DL mittels der Schalter S₁ und S₂
vertauscht werden. Dies ist gleichbedeutend mit einer Vorzeichenumkehr. Diese
Vorzeichenumkehr kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung mit einer
Wechselspannungsansteuerung und -auswertung der Brücke kombiniert werden;
dies ist in Fig. 6 gezeigt. Die drei Halbbrücken AR/DL, CL/BR und R/R werden
mit einer Rechteckwechselspannung versorgt. Die beiden Brücken
diagonalspannungen werden in der gezeichneten Weise durch die beiden
Wechselspannungsverstärker V verstärkt und anschließend durch je einen
Demodulator wieder in eine Gleichspannung umgewandelt. Dieser Demodulator ist
in Fig. 6 durch einen Umschalter S₉ bzw. S₁₀ und durch je einen Inverter 11
angedeutet. - Die Wechselspannungsspeisung einer Brückenschaltung und die
Demodulation des Ausgangssignals ist allgemein bekannt und daher im
vorstehenden nur ganz kurz beschrieben.
Für die Erzeugung der beiden Ecklastsignale in x- und in y-Richtung werden die
beiden Schalter S₉ und S₁₀ einmal synchron (gleichphasig) umgeschaltet und
einmal gegenphasig. Bei gleichphasigem Umschalten steht am Ausgang 12 ein
Signal an, das proportional zu ΔR(BR) - ΔR(CL) ist, am Ausgang 13 ein
Signal, das proportional zu ΔR(DL) - ΔR(AR) ist. Am Ausgang des
Summierverstärkers 14 erhält man also ein Signal proportional zu ΔR(BR)
- ΔR(CL) + ΔR(DL) - ΔR(AR), und damit proportional zum Ecklastmoment
in y-Richtung. Wird jedoch der Schalter S₁₀ gegenphasig zum Schalter S₉
betrieben, so steht am Ausgang 13 ein Signal an, das proportional zu ΔR(AR)
- ΔR(DL) ist. Am Ausgang des Summierverstärkers 14 erhält man dann ein
Signal, das proportional zu ΔR(BR) - ΔR(CL) + ΔR(AR) - ΔR(DL) ist und
damit proportional zum Ecklastmoment in x-Richtung. Bei der in Fig. 6
gezeichneten Schaltung kann also allein durch gleichphasiges bzw. gegenphasiges
Ansteuern der Schalter S₉ und S₁₀ im Demodulator das Ecklastsignal in x- und in
y-Richtung erhalten werden.
Selbstverständlich ist auch eine Auswertung der drei Halbbrücken in Fig. 6 bei
Gleichspannungsspeisung möglich: Die Ausgangsspannungen der beiden
Verstärker V würden dann einzeln nacheinander digitalisiert und dem
Mikroprozessor zugeführt und der Mikroprozessor würde dann einmal die
Summe und einmal die Differenz dieser beiden Signale bilden, um das
Ecklastsignal in y- und x-Richtung zu erhalten.
Eine weitere Schaltungsvariante zur Auswertung der Widerstandsänderungen der
DMS in der Ausgestaltung gemäß Fig. 4 ist in Fig. 7 gezeigt. In dieser Schaltung
sind alle acht DMS AR, BR, CL, DL, AM, BM, CM, DM zu einer einer einzigen
Wheatstoneschen Brücke verschaltet. (Für die DMS gelten in der Fig. die nicht
eingeklammerten Indizes.) Längs der mittleren Diagonalen ist der Verstärker 15
angeschlossen. Wie man leicht nachrechnet, ist das Signal an dieser Stelle
lastproportional (unkorrigiert), während sich die Ecklasteinflüsse in erster
Näherung aufheben. Längs der oberen Sehne der Brückenschaltung ist der
Verstärker 16 angeschlossen. Wie man ebenfalls leicht nachrechnet, besteht das
Signal an dieser Stelle aus der Summation eines lastproportionalen Anteils und
eines Anteils, der proportional zum Ecklastmoment in y-Richtung ist. In gleicher
Weise besteht das Signal längs der unteren Sehne, wo der Verstärker 17
angeschlossen ist, aus der Summation eines lastproportionalen Anteils und eines
Anteils, der proportional zum Ecklastmoment in x-Richtung ist. Die drei Signale
werden entweder einzeln digitalisiert (wie gezeichnet) oder durch einen
Multiplexer mit einem nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler nacheinander
digitalisiert und anschließend dem Mikroprozessor zugeführt. Der Mikroprozessor
kann dann durch Subtraktion des lastabhängigen Anteils die reinen Ecklastsignale
in x- und y-Richtung errechnen und damit das unkorrigierte Lastsignal
korrigieren. Dasselbe Endergebnis erhält man, wenn man die drei Signale mit
entsprechenden Korrekturkoeffizienten multipliziert und dann aufaddiert, wie es
schon im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert wurde.
Diese Schaltungsvariante hat die Vorteile, daß kein Schalter notwendig ist und daß
das Ausgangssignal für den unkorrigierten Lastwert bei gleicher Verlustleistung
pro DMS den doppelten Wert erreicht - verglichen mit der Schaltung gemäß
Fig. 5 -, so daß z. B. der Einfluß des Rauschens der DMS und der Verstärker
geringer ist.
Eine dritte Ausgestaltung des Wägeaufnehmers ist in Fig. 8 gezeigt. In dieser
Ausgestaltung sind ebenfalls acht DMS vorhanden, die vier zusätzlichen DMS AL,
BL, CR, DR befinden sich jedoch nicht in der Symmetrieebene des
Wägeaufnehmers, sondern sind symmetrisch zu den ursprünglichen DMS AR, BR,
CL, DL angeordnet. Die acht DMS sind zu einer einzigen Wheatstoneschen Brücke
verschaltet, wie sie in Fig. 7 gezeichnet ist, wobei für diese Ausgestaltung die
Indizes in Klammern gelten. Die Funktionsweise und Auswertung ist genauso wie
bereits anhand von Fig. 7 erläutert wurde.
Diese Ausgestaltung des Wägeaufnehmers hat gegenüber der Ausgestaltung gemäß
Fig. 4 in Verbindung mit der Schaltung gemäß Fig. 7 den Vorteil, daß das
Ecklastsignal für die y-Richtung um den Faktor 2 höher ausfällt.
Eine vierte Ausgestaltung des Wägeaufnehmers ist in Fig. 9 gezeigt. Gleiche Teile
wie in Fig. 1 bzw. Fig. 4 bzw. Fig. 8 sind wieder mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet. Gegenüber Fig. 4 weist diese vierte Ausgestaltung nochmals vier
zusätzliche DMS AL, BL, CR und DR auf, so daß insgesamt zwölf DMS auf dem
Wägeaufnehmer appliziert sind. Die in der Symmetrieebene angeordneten DMS
AM, BM, CM und DM sind zu einer Vollbrücke verschaltet (wie in Fig. 5 links) und
erzeugen das unkorrigierte Lastsignal; die vier zusätzlichen DMS AL, BL, CR und
DR sind ebenfalls zu einer Vollbrücke verschaltet und erzeugen das Ecklastsignal
z. B. in x-Richtung; die vier schon in Fig. 1 gezeigten DMS AR, BR, CL und DL sind
ebenfalls zu einer Vollbrücke verschaltet und erzeugen das Ecklastsignal z. B. in
y-Richtung.
In dieser Ausgestaltung werden ebenfalls keine Schalter benötigt, der Aufwand an
DMS ist jedoch höher. Dieser Aufwand für die DMS läßt sich dadurch etwas
reduzieren, daß die drei nebeneinander liegenden DMS, also z. B. die DMS AL,
AM, und AR jeweils zu einem Dreier-DMS zusammengefaßt werden. Auch ist es
möglich, alle sechs DMS auf einer Seite eines Lenkers zu einem Sechser-DMS
zusammenzufassen und so auch den Verdrahtungsaufwand gering zu halten.
Da das Signal der Ecklastbrücke in x-Richtung im allgemeinen größer ist als das
Signal der Ecklastbrücke in y-Richtung, können die DMS AR, BR, CR, DR, AL, BL,
CL und DL schräg zur Symmetrieebene angeordnet werden, wie es in der
Ausgestaltung gemäß Fig. 10 gezeigt ist. Beträgt der Winkel zur Symmetrieebene
etwa 10 . . . 20°, so sinkt das Signal in x-Richtung nicht wesentlich, während das
Signal in y-Richtung deutlich ansteigt. Dasselbe ist auch in der Ausgestaltung
gemäß Fig. 4 möglich, während in den Ausgestaltungen gemäß Fig. 1 und 8 diese
Schräganordnung nicht sinnvoll ist, da die Gefahr besteht, daß durch kleine
Winkelungenauigkeiten das Signal für den (unkorrigierten) Lastwert zusätzlich
ecklastabhängig wird.
Claims (16)
1. Wägeaufnehmer mit einem oberen (5) und einem unteren Lenker (6) zur
Parallelführung eines Lastaufnehmers (4) mitsamt einer Waagschale (9) und
mit mindestens vier DMS (AR, BR, CL, DL), die die Materialdehnung in
ausgewählten Bereichen der Lenker messen und in eine Widerstandsänderung
umformen, wobei mindestens zwei DMS (AR, BR) seitlich aus der
Symmetrieebene (10) des Wägeaufnehmers heraus in eine Richtung verschoben
sind und mindestens zwei DMS (CL, DL) seitlich aus der Symmetrieebene des
Wägeaufnehmers heraus in die andere Richtung verschoben sind, dadurch
gekennzeichnet, daß genau vier DMS (AR, BR, CL, DL) vorhanden sind, daß
durch verschiedenes Verschalten der vier DMS (AR, BR, CL, DL) drei Signale
hergeleitet werden, wobei das erste Signal bei mittiger Belastung der
Waagschale (9) lastproportional, bei außermittiger Belastung der Waagschale
jedoch mit einem Ecklastfehler behaftet ist, und wobei das zweite und dritte
Signal proportional zur Größe der außermittigen Belastung in den beiden
orthogonalen x- und y-Richtungen sind, und daß das zweite und das dritte
Signal zur Korrektur des ersten Signals benutzt werden.
2. Wägeaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die DMS
(AR, BR, CL, DL) durch Schalter (S₁ . . . S₄) nacheinander zu drei verschiedenen
Vollbrücken verschaltet werden und daß die Ausgangssignale der drei
Vollbrücken das erste, zweite und dritte Signal darstellen.
3. Wägeaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche
Schalter (S₅ . . . S₈) so in den Vollbrücken angeordnet sind, daß sich der Einfluß
des Widerstandes der Schalter auf die Ausgangssignale der drei Vollbrücken
aufhebt.
4. Wägeaufnehmer nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Widerstandsänderungen der DMS (AR, BR, CL, DL)
einzeln ausgewertet werden, mit individuellen Gewichtungsfaktoren
multipliziert und dann aufaddiert werden.
5. Wägeaufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder DMS
(AR, BR, CL, DL) zusammen mit einem Festwiderstand (R) zu einer Halbbrücke
verschaltet ist und daß die Ausgangsspannungen dieser vier Halbbrücken
relativ zu einer fünften Halbbrücke aus zwei Festwiderständen (R) gemessen
werden.
6. Wägeaufnehmer nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß vier weitere DMS (AM, BM, CM, DM) etwa in der
Symmetrieebene des Wägeaufnehmers angeordnet sind, daß die vier weiteren
DMS (AM, BM, CM, DM) zu einer Vollbrücke verschaltet sind, deren
Ausgangssignal bei mittiger Belastung der Waagschale (9) lastproportional, bei
außermittiger Belastung der Waagschale jedoch mit einem Ecklastfehler
behaftet ist, daß aus der Widerstandsänderung der vier ersten DMS (AR, BR,
CL, DL) ein zweites und ein drittes Signal hergeleitet
werden, die proportional zur Größe der außermittigen Belastung in den beiden
orthogonalen x- und y-Richtungen sind und daß das zweite und das dritte
Signal zur Korrektur des ersten Signals benutzt werden.
7. Wägeaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vier
ersten DMS (AR, BR, CL, DL) zu zwei Halbbrücken verschaltet sind, daß die
Ausgangsspannungen dieser beiden Halbbrücken relativ zu einer dritten
Halbbrücke aus zwei Festwiderständen (R) gemessen werden, daß die Summe
und die Differenz dieser beiden Ausgangsspannungen gebildet werden und daß
diese das zweite und das dritte Signal bilden.
8. Wägeaufnehmer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die drei
Halbbrücken mit einer Wechselspannung gespeist werden, daß die
Ausgangsspannungen verstärkt und durch eine Demodulator gleichgerichtet
werden und daß zur Bildung der Summe und der Differenz der
Ausgangsspannungen das Vorzeichen des Demodulators umgeschaltet wird.
9. Wägeaufnehmer nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß vier weitere DMS (AM, BM, CM, DM oder AL, BL, CR, DR)
auf dem Wägeaufnehmer angeordnet sind, daß die insgesamt acht DMS (AR,
BR, CL, DL; AM, BM, CM, DM oder AL, BL, CR, DR) zu einer einzigen
Wheatstoneschen Brücke verschaltet sind, daß längs der Diagonalen der
Brücke ein erstes Signal abgegriffen wird, das bei mittiger Belastung der
Waagschale (9) lastproportional, bei außermittiger Belastung der Waagschale
jedoch mit einem Ecklastfehler behaftet ist, daß längs zweier Sehnen ein
zweites und ein drittes Signal abgegriffen werden, die einen Signalanteil
proportional zur Größe der außermittigen Belastung in den beiden
orthogonalen x- und y-Richtungen enthalten, und daß das zweite und das dritte
Signal zur Korrektur des ersten Signals benutzt werden.
10. Wägeaufnehmer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sehnen,
längs denen das zweite und das dritte Signal abgegriffen wird, so gewählt sind,
daß ohne Belastung des Wägeaufnehmers das Signal jeweils etwa Null ist.
11. Wägeaufnehmer nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die vier zusätzlichen DMS (AM, BM, CM, DM) etwa in der
Symmetrieebene des Wägeaufnehmers angeordnet sind.
12. Wägeaufnehmer nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die vier zusätzlichen DMS (AL, BL, CR, DR) symmetrisch
zu den vier ursprünglichen DMS (AR, BR, CL, DL) angeordnet sind.
13. Wägeaufnehmer nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß sechs DMS (AR, AM, AL, BR, BM, BL) auf der Oberseite
eines Lenkers angeordnet sind, von denen zwei DMS (AM, BM) in der
Symmetrieebene (10) des Wägeaufnehmers angeordnet sind, zwei (AR, BR,) aus
der Symmetrieebene (10) heraus in eine Richtung verschoben sind und zwei
(AL, BL) aus der Symmetrieebene (10) heraus in die andere Richtung
verschoben sind, daß sechs weitere DMS (CR, CM, CL, DR, DM, DL) in gleicher
Weise auf der Unterseite eines Lenkers angeordnet sind, daß die in der
Symmetrieebene angeordneten DMS (AM, BM, CM, DM) zu einer Vollbrücke
verschaltet sind, deren Ausgangssignal bei mittiger Belastung der Waagschale
(9) lastproportional, bei außermittiger Belastung der Waagschale mit einem
Ecklastfehler behaftet ist, daß die zwei DMS (AR, BR) auf der einen Seite der
Symmetrieebene (10) auf der Oberseite eines Lenkers und die zwei DMS (CL,
DL) auf der anderen Seite der Symmetrieebene (10) auf der Unterseite eines
Lenkers zu einer zweiten Vollbrücke verschaltet sind, deren Ausgangssignal
proportional zur Größe der außermittigen Belastung in der einen Richtung ist,
daß die vier restlichen DMS (AL, BL, CR, DR) zu einer dritten Vollbrücke
verschaltet sind, deren Ausgangssignal proportional zur Größe der
außermittigen Belastung in der anderen, zur ersten orthogonalen Richtung ist,
und daß die Ausgangssignale der zweiten und dritten Vollbrücke zur
Korrektur des Ausgangssignals der ersten Vollbrücke benutzt werden.
14. Wägeaufnehmer nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die nebeneinanderliegenden DMS jeweils zu einem Mehrfach-DMS
zusammengefaßt sind.
15. Wägeaufnehmer nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß alle DMS, die sich auf einer Seite eines Lenkers befinden, zu einem
Mehrfach-DMS zusammengefaßt sind.
16. Wägeaufnehmer nach einem der Ansprüche 6 bis 8 oder 13 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß alle außerhalb der Symmetrieebene (10) angeordneten
DMS (AL, AR, BL, BR, CL, CR, DL, DR) schräg zur Symmetrieebene angeordnet
sind.
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