DE19960418C2 - Elektronische Waage mit Justiergewicht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Waage mit einem Lastaufnehmer, mit einem Wägeaufnehmer zur Umwandlung einer Kraft in ein elektrisches Signal, mit mindestens einem Hebel zwischen dem Lastaufnehmer und dem Wägeaufnehmer, mit einem eingebauten Justiergewicht, das direkt oder über eine Hebelübersetzung in Wirkverbindung mit dem Wägeaufnehmer gebracht werden kann, und mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit, die mindestens einen Speicherbereich zum Abspeichern eines Justierfaktors enthält.

Waagen dieser Art sind allgemein bekannt und beispielsweise in der DE 31 44 103 A1 beschrieben. Die dort beschriebene Waage wird nachfolgend kurz erläutert, um das mit der Erfindung zu lösende Problem bewusst zu machen. Die Waage besteht gemäß Fig. 1 aus einem beweglichen Lastaufnehmer 2, der die Waagschale 3 trägt und der über zwei Lenker 4 und 5 in Form einer Parallelführung mit dem ortsfesten Teil 1 der Waage verbunden ist. Als Gelenke dienen jeweils Blattfedern 6 an den Enden der Lenker 4 und 5. Die von der Waagschale 3 auf den Lastaufnehmer 2 übertragene Kraft wird über ein Koppelband 9 auf den kürzeren Hebelarm des Hebels 7 übertragen. Der Hebel 7 ist mit einem Kreuzfedergelenk 8 am ortsfesten Teil 1 der Waage gelagert. Am längeren Hebelarm des Hebels 7 greift die von der stromdurchflossenen Spule 11 erzeugte lastproportionale Gegenkraft an. Der Lagensensor 21 tastet dazu die Lage des Übersetzungshebels 7 ab und liefert über einen Regelverstärker 22 den zur Kompensation der Belastung notwendigen Strom. Dieser Kompensationsstrom wird über bewegliche Zuleitungen 30 der Spule 11 zugeführt und durchfließt gleichzeitig den Messwiderstand 23. Am Messwiderstand 23 wird eine stromproportionale Messspannung abgegriffen, in einem Analog/Digital-Wandler 26 digitalisiert, in einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 verarbeitet und in der Digitalanzeige 28 angezeigt. Weiter ist mit dem längeren Hebelarm des Hebels 7 ein dünnes Spannband 16 als Koppelglied zum Justiergewichtshebel 12 verbunden. Dieser Justiergewichtshebel 12 ist durch ein Federgelenk 13 am ortsfesten Teil 1 der Waage gelagert. Auf den rechten Hebelarm des Justiergewichtshebels 12 kann ein Justiergewicht 14 abgesenkt werden. In Fig. 1 ist das Justiergewicht 14 in der abgesenkten Position gezeichnet. Zum Anheben des Justiergewichtes 14 wird die Nocke 15 um die Achse 25 gegenüber der gezeichneten Stellung um 90° gedreht und hebt mittels des Stößels 18 das Justiergewicht 14 an und trennt so die Wirkverbindung zum Justiergewichtshebel 12. Die Lage des Justiergewichtes 14 - abgesenkt oder angehoben - wird der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 durch ein Schaltelement 24 übermittelt.

Zum Justieren der Waage wird nun das Nullsignal des Wägeaufnehmers 10/11/21/22 in der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 gespeichert, dann das Absenken des Justiergewichtes 14 durch einen nicht dargestellten Motor veranlasst, das Signal des Wägeaufnehmers übernommen und anschließend das Justiergewicht 14 wieder in die Normalstellung angehoben. Dieser ganze Vorgang wird von der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 gesteuert, die auch aus der Differenz der Signale des Wägeaufnehmers mit und ohne Justiergewicht 14 den Justierfaktor der Waage berechnet und im Speicher 17 abspeichert. Der Justierfaktor ist dabei der Umrechnungsfaktor zwischen den Impulsen vom Analog/Digital-Wandler 26 und dem in der Anzeigeeinheit 28 in Gewichtseinheiten ausgegebenen Ergebnis. Bei Waagen mit Hebelübersetzung zwischen Waagschale und Justiergewicht ist dieses Übersetzungsverhältnis genauso wie die Größe des Justiergewichtes im Justierfaktor mit eingerechnet. Ist die digitale Signalverarbeitungseinheit 27 durch einen Mikroprozessor realisiert, so kann der in Fig. 1 gesondert gezeichnete Speicher 17 für den Justierfaktor selbstverständlich innerhalb des Speichers dieses Mikroprozessors integriert sein.

Diese beschriebene Mechanik und Elektronik einer Waage sind Stand der Technik und im Vorstehenden daher nur ganz kurz und zusammenfassend erläutert.

Nachteilig an dieser bekannten Waagenbauform ist, dass die Kraftuntersetzung durch den Übersetzungshebel 7 im Allgemeinen nichtlinear ist: durch die belastungsabhängige Durchbiegung des Übersetzungshebels 7 ändert sich das Hebelverhältnis geringfügig. Dieser Effekt ist zwar nur klein und die Änderung liegt im Promille-Bereich, bei hochauflösenden Waagen mit Schrittzahlen von z. B. 10.000 bis über 100.000 ist aber auf Grund dieses Effektes eine elektronische Linearisierung innerhalb der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 notwendig. Beim Justiervorgang hat diese Nichtlinearität der Waagenmechanik zur Folge, dass sich der Umrechnungsfaktor zwischen der Wirkung des internen Justiergewichtes 14 und der Wirkung eines Gewichtes auf der Waagschale 3 ändert. Wirkt zum Beispiel bei leerer Waagschale 3 ein Justiergewicht 14 von 100 Gramm genauso wie ein Gewicht von 20,000 Kilogramm auf der Waagschale 3, so ändert sich dieses Verhältnis bei einer mit 10 Kilogramm vorbelasteten Waagschale beispielsweise auf 100 Gramm zu 20,070 Kilogramm. Ist also bei der Herstellung der Waage der Wert des Justierfaktors im Speicherbereich 17 bei leerer Waagschale richtig bestimmt und eingespeichert, so ergibt sich bei einer Kontrollmessung, die mit 10 Kilogramm Vorlast auf der Waagschale 3 durchgeführt wird, eine scheinbare Änderung um 70 Gramm, obwohl sich an der Waage nichts verändert hat. Dieser Effekt ist gerade bei Industriewaagen störend, da hier durch kundenspezifische Aufbauten auf der Waagschale, wie z. B. Behälter oder Förderbänder, der Zustand "leere Waagschale" manchmal gar nicht mehr ohne Aufwand erreicht werden kann. Trotzdem ist bei Hochlastwaagen eine Justierung, bei der das Justiergewicht mit einem anderen Übersetzungsverhältnis als das Wägegut auf der Waagschale auf den Wägeaufnehmer einwirkt, weit verbreitet, da ein direkt am Lastaufnehmer 2 angreifendes internes Justiergewicht viel zu groß und schwer für einen Einbau in eine Waage wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Waage der Eingangs genannten Art anzugeben, die sich bei beliebigen Vorlasten auf der Waagschale fehlerfrei justieren lässt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass elektronische Hilfsmittel vorhanden sind, die beim Aufliegen des eingebauten Justiergewichtes die Wägewerte und/oder daraus berechnete Justierwerte in Abhängigkeit von der Größe der Vorlast, mit der der Lastaufnehmer belastet ist, - also in Abhängigkeit vom Signal des Wägeaufnehmers direkt bevor das eingebaute Justiergewicht in Wirkverbindung mit dem Wägeaufnehmer gebracht wird - verändern.

Die Erfindung bedient sich also einer elektronischen Korrektur, die gerade so groß ist, dass der Einfluss der Mechanik aufgehoben wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der elektronischen Hilfsmittel ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Realisierung der erfindungsgemäßen elektronischen Hilfsmittel,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Realisierung der erfindungsgemäßen elektronischen Hilfsmittel und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer dritten Realisierung der erfindungsgemäßen elektronischen Hilfsmittel.

Fig. 1 wurde bereits beim Stand der Technik erläutert.

Eine erste Realisierung der elektronischen Hilfsmittel ist in Fig. 2 gezeigt, wobei nur der für die Erläuterung der Erfindung notwendige Teil der Elektronik dargestellt ist; die restliche Elektronik und die Mechanik der Waage kann genauso aufgebaut sein wie in Fig. 1 dargestellt. Zusätzlich zum Speicher 17 für den Justierfaktor ist ein Speicher 107 vorhanden, in dem mehrere Koeffizienten a_n eines Polynoms abgespeichert sind. Im Allgemeinen reicht dabei ein quadratisches Polynom, sodass im Speicher 107 zwei Koeffizienten a₁ und a₂ abgespeichert sind. In der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 ist dann ein Bereich bzw. Programmabschnitt 106 vorhanden, der die Berechnung des quadratischen Therms

a₁.m_V + a₂.m_V ² (1)

vornehmen kann. Die Masse m_V ist dabei direkt die Gesamtvorlast auf der Waagschale 3, ohne dass in der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 gespeicherte Tarawerte abgezogen werden. Die Vorlast wird direkt vor dem Auflegen des Justiergewichtes 14 auf Grund des Signals vom Analog/Digital- Wandler 26 errechnet und bis zum Abschluss der Justierung in der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 gespeichert. Wird dann beim Auflegen des Justiergewichtes 14 ein Justierfaktor f (m_V) ermittelt, so wird nicht dieser Faktor f(m_V) im Speicher 17 abgespeichert, sondern der nach der Formel

f(0) = f(m_V) + a₁.m_V + a₂.m_V ² (2)

korrigierte Wert. Die Koeffizienten a₁ und a₂ werden dabei aus dem Speicher 107 abgefragt, der Wert von m_V ist in der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 gespeichert.

Wird die Justierung (wie bei der Herstellung der Waage im Werk) mit leerer Waagschale 3, also m_V = 0, durchgeführt, so ist der Korrekturtherm in Gleichung (2) null, der Justierfaktor f(0) = f(m_V) wird also unverändert übernommen. Wird die Justierung jedoch mit einer Vorlast m_V durchgeführt, so wird die Korrektur gemäß Gleichung (2) durchgeführt und der so errechnete Justierfaktor f(0) in den Speicher 17 eingespeichert.

Auf diese Weise wird also die Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Wirkung des Kalibriergewichtes 14 und einer Belastung auf der Waagschale ausgeglichen. Die Koeffizienten a₁ und a₂ werden bei der Herstellung der Waage im Werk entsprechend der Nichtlinearität der Mechanik der Waage bestimmt und in den Speicher 107 eingespeichert.

Je nach Größe der Nichtlinearität der Mechanik und je nach Anforderungen an die Genauigkeit der Waage reicht es häufig auch, nur den Koeffizienten a₁ in Gleichung (2) zu benutzen und a₂ = 0 zu setzen; andererseits kann durch die Ergänzung weiterer Summanden a_n.m_V ⁿ mit n ≧ 3 in Gleichung (2) eine exaktere Korrektur erreicht werden. - Ist die Mechanik der Waage deutlich temperaturabhängig, so können bei hohen Anforderungen an die Korrekturgenauigkeit die Koeffizienten a_n auch temperaturabhängig vorgegeben und abgespeichert sein.

Im Vorstehenden wurde die Korrekturrechnung während des Justiervorganges durchgeführt und der korrigierte Justierfaktor im Speicher 17 abgespeichert. Es ist jedoch auch möglich, den unkorrigierten Justierfaktor im Speicher 17 abzuspeichern und die Korrekturrechnung beim Abfragen des gespeicherten Justierfaktors durchzuführen. Dazu muss natürlich der Wert der Vorlast m_V beim Justiervorgang zusätzlich abgespeichert sein, wie es die erweiterte Schaltung gemäß Fig. 3 erlaubt. Im Blockschaltbild von Fig. 3 ist wieder nur ein Teil der Elektronik eingezeichnet, der Rest der Elektronik und die Mechanik der Waage kann wie in Fig. 1 gezeichnet ausgeführt sein. In der Schaltung gemäß Fig. 3 ist neben dem Speicher 17, in dem in dieser Ausgestaltung der beim letzten Justiervorgang ermittelte, unkorrigierte Justierfaktor abgespeichert ist, der Speicher 107 für Korrekturfaktoren a_n und ein Speicher 117 vorhanden, in dem die Vorlast m_V beim letzten Justiervorgang abgespeichert ist.

In dieser Ausgestaltung wird erst dann, wenn der Wert des Justierfaktors abgefragt wird, der Bereich bzw. Programmabschnitt 106 aktiviert, der die Korrekturrechnung gemäß Gleichung (2) für den Justierfaktor durchführt. Die Koeffizienten a_n können dabei aus dem Speicher 107 abgefragt werden, der Wert für m_V ist im Speicher 117 gespeichert und der unkorrigierte Wert f(m_V) für den Justierfaktor ist im Speicher 17 gespeichert. Dann kann der korrigierte Justierfaktor f(0) gemäß Gleichung (2) ausgerechnet und in die digitale Signalverarbeitungseinheit 27 übernommen werden.

Eine andere Möglichkeit für die Realisierung der erfindungsgemäßen elektronischen Hilfsmittel ist die Benutzung einer elektronischen Tabelle statt des einfachen Speichers 107. Je nach Größe der Vorlast m_V auf der Waagschale bei der Justierung wird der zugehörige Wert für die Korrektur des Justierfaktors aus einer bei der Herstellung der Waage abgespeicherten Tabelle entnommen. Dabei kann ggf. zwischen benachbarten Tabellenwerten linear interpoliert werden, auch temperaturabhängige Tabellenwerte sind wieder möglich.

Eine weitere Möglichkeit der Korrektur bietet sich bei Waagen, bei denen die elektronische Linearisierung innerhalb der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 durch einen Polynom mit mehreren Koeffizienten b_n erfolgt. Diese abgespeicherten Koeffizienten b_n können dann während der Justierung in Abhängigkeit von der gemessenen Größe der Vorlast m_V auf der Waagschale 3 verändert werden. Die Koeefizienten b_n' während des Justiervorganges können aus den abgespeicherten Koeffizienten b_n beispielweise gemäß folgender Gleichung hergeleitet werden:

b_n' = b_n + c₁.m_V + c₂.m_V ² (3)

Die Koeffizienten c₁ und c₂ für die vorlastabhängige Änderung sind dann in dieser Ausgestaltung im Speicherbereich 107 abgespeichert, wie es in Fig. 2 eingezeichnet ist. - Selbstverständlich besteht auch hier wieder die Möglichkeit, die Koeffizienten c_n temperaturabhängig vorzugeben.

Aber auch eine analogelektrische Lösung der Korrektur ist möglich. Dies ist in Fig. 4 gezeigt. Hier wird die Referenzspannung (Zehnerdiode 110) des Analog/Digital-Wandlers 26 beeinflusst: Am Messwiderstand 23 wird dazu das zur Last auf der Waagschale 3 proportionale Signal abgenommen, durch einen Spannungsfolger 113 entkoppelt, in einem Sample- and Hold-Verstärker 114 gespeichert und über einen großen Vorwiderstand 112 als Strom in den kleinen Widerstand 111 eingespeist. Dadurch erhält die Referenzspannung am Referenzeingang 126 des Analog/Digital-Wandlers 26 einen masseproportionalen Anteil:

U_Ref = U_Zener + d.m_V (4)

Die Größe der Konstanten d wird über das Verhältnis der beiden Widerstände 111 und 112 zueinander eingestellt, das Vorzeichen ggf. durch Umschaltung des Spannungsfolgers 113 in einen Inverter.

Diese Korrektur wird nur beim Justieren aktiviert: Vor dem Auflegen des Justiergewichtes wird durch das kurzzeitige Schließen des Schalters 116 der Wert der Belastung der Waagschale 3 vor dem Auflegen des Justiergewichtes 14 gespeichert. Beim Auflegen des Justiergewichtes 14 wird durch das Schließen des Schalters 115 die Korrektur aktiviert und nach dem Ende der Justierung, also nach dem Wiederabheben des Justiergewichtes 14, durch Öffnen des Schalters 115 wieder deaktiviert. - Die Größe der Beeinflussung, also die Größe von d in Gleichung (4), wird entsprechend der Nichtlinearität der Mechanik der Waage so gewählt, dass die Veränderung von U_Ref in Gleichung (4) gerade so groß ist, dass der Einfluss der Nichtlinearität der Mechanik kompensiert wird.

Die Schaltung in Fig. 4 ist nur eine Prinzipschaltung zur Erläuterung der Funktion. Selbstverständlich wird man z. B. statt des großen Vorwiderstandes 112 eine Stromquellenschaltung benutzen, um den belastungsproportionalen Strom in den Widerstand 111 einzuspeisen. Will man nicht nur eine linear mit der Belastung m_V auf der Waagschale sich ändernde Referenzspannung, sondern auch einen quadratischen Anteil, so kann dies jeder Fachmann durch elektronische Bauelemente mit nichtlinearer Kennlinie leicht erreichen, dasselbe gilt für eine evtl. notwendige Temperaturabhängigkeit.

Im Vorstehenden ist immer die Benutzung des Justiergewichtes zum Justieren - also zum Abspeichern eines neuen Justierfaktors - beschrieben. Wird das Justiergewicht zum Kalibrieren - also zum Überprüfen des abgespeicherten Justierfaktors - benutzt, so werden die erfindungsgemäßen elektronischen Hilfsmittel in gleicher Weise benutzt, nur dass die Abweichung gegenüber der letzten Justierung nicht als geänderter Justierfaktor abgespeichert - und damit korrigiert - wird, sondern nur als abweichende Anzeige in der Anzeigeeinheit 28 angezeigt wird. In entsprechender Weise werden die erfindungsgemäßen elektronischen Hilfsmittel für die erstmalige Bestimmung des Wertes des eingebauten Justiergewichtes bei der Herstellung der Waage eingesetzt.

Die in Fig. 1 dargestellte Mechanik der Waage ist selbstverständlich nur ein mögliches Beispiel. Auch Brückenwaagen beispielsweise zeigen häufig ein nichtlineares Übersetzungsverhältnis und werden daher durch die erfindungsgemäßen Korrekturmittel verbessert. - Der Wägeaufnehmer ist in Fig. 1 als nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation arbeitend gezeichnet. Selbstverständlich sind die erfindungsgemäßen Korrekturmittel auch bei anderen Wägeaufnehmern, wie z. B. schwingenden Saiten, Dehnungsmessstreifen oder piezoelektrischen Wandlern, vorteilhaft.

Claims (10)

1. Elektronische Waage mit einem Lastaufnehmer (2), mit einem Wägeaufnehmer (10/11/21/22) zur Umwandlung einer Kraft in ein elektrisches Signal, mit mindestens einem Hebel (7) zwischen dem Lastaufnehmer und dem Wägeaufnehmer, mit einem eingebauten Justiergewicht (14), das direkt oder über eine Nebelübersetzung in Wirkverbindung mit dem Wägeaufnehmer gebracht werden kann, und mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit (27), die mindestens einen Speicherbereich (17) zum Abspeichern eines Justierfaktors enthält, dadurch gekennzeichnet, dass elektronische Hilfsmittel (27, 106, 107, 111-116, 117) vorhanden sind, die beim Aufliegen des eingebauten Justiergewichtes (14) die Wägewerte und/oder daraus berechnete Justierwerte in Abhängigkeit von der Größe der Vorlast, mit der der Lastaufnehmer belastet ist, - also in Abhängigkeit vom Signal des Wägeaufnehmers (10/11/21/22) direkt bevor das eingebaute Justiergewicht (14) in Wirkverbindung mit dem Wägeaufnehmer gebracht wird - verändern.

2. Elektronische Waage nach Anspruch 1, bei der innerhalb der digitalen Signalverarbeitungseinheit (27) mehrere Koeffizienten für eine Linearisierung der Kennlinie abgespeichert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Hilfsmittel (27, 106, 107) während des Aufliegens des Justiergewichtes (14) diese Koeffizienten für die Linearisierung in Abhängigkeit von der Größe der Vorlast verändern.

3. Elektronische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Hilfsmittel (27, 106, 107) den beim Justiervorgang in den Speicherbereich (17) einzuspeichernden Justierfaktor verändern.

4. Elektronische Waage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Hilfsmittel (27, 106, 107) den beim Justiervorgang in den Speicherbereich (17) einzuspeichernden Korrekturfaktor f(0) gemäß der Formel
verändern, wobei a_n Konstanten sind und f(m_V) der bei der Vorlast m_V ermittelte Justierfaktor ist.

5. Elektronische Waage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Hilfsmittel (27, 106) den beim Justiervorgang in den Speicherbereich (17) einzuspeichernden Justierfaktor aus einer Tabelle entnehmen.

6. Elektronische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Hilfsmittel (27, 106, 107) beim Kalibrieren den für die Anzeige des Kalibrierergebnisses benutzten Justierfaktor verändern, diese Veränderung aber nicht abspeichern.

7. Elektronische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Hilfsmittel (27, 106, 107, 117) einen Speicherbereich (117) umfassen, in dem die Vorlast vor dem Auflegen des eingebauten Justiergewichtes (14) abgespeichert wird.

8. Elektronische Waage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der im Speicherbereich (17) abgespeicherte Justierfaktor beim Auslesen entsprechend dem im Speicherbereich (117) abgespeicherten Wert der Vorlast verändert wird.

9. Elektronische Waage nach Anspruch 1 mit einem Analog/Digital-Wandler, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Hilfsmittel (111 . . . 116) die Referenzspannung des Analog/Digital-Wandlers während des Aufliegens des eingebauten Justiergewichtes verändern.

10. Elektronische Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung temperaturabhängig erfolgt.