DE2945940A1

DE2945940A1 - Verfahren und vorrichtung zum automatischen waegen

Info

Publication number: DE2945940A1
Application number: DE19792945940
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Peter 6382 Friedrichsdorf Lohberg
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1979-11-14
Filing date: 1979-11-14
Publication date: 1981-05-21
Also published as: JPS56501620A; US4417632A; WO1981001463A1; GB2081906B; GB2081906A

Description

390-05/CASCH/KRI 8. November 1979

Batteile - Institut e.V., Frankfurt/Main

Verfahren und Vorrichtung

zum automatischen Wägen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum automatischen Wägen, bei dem im Rahmen eines Regelvorgangs die Abweichung des Waagebalkens von der Ruhelage elektromagnetisch und/oder durch andere Methoden, z.B. durch Substitutionsgewichte, kompensiert und die hierfür erforderliche Kompensationskraft als Maß für die zu bestimmende Masse benutzt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation, gegebenenfalls in Verbindung mit anderen Kompensationssystemen, z.B. Substitutionsschaltgewichten, und unter Verwendung eines Mikroprozessors sowie einer Einrich-

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tung zur Signalisierung der Abweichung des Waagebalkens von der Ruhelage aufgebaut und besitzt eine digitale Anzeige.

Es sind elektronische Waagen bekannt, bei denen nach Art einer geschlossenen Regelschleife ein am Waagebalken befestigter Sensor einem elektromagnetischen Kraftkompensationssystem das Nichtvorhandensein der Ruhelage signalisiert. In Abhängigkeit von dieser Abweichung wird ein Strom ausreichender Größe erzeugt, um die Verdrehung des Waagebalkens zu kompensieren. Dabei wird der Sensor automatisch in die Nullage zurückgeführt. Der zum Herbeiführen der Nullage erforderliche Strom wird gemessen und als ein Maß für das zu bestimmende Gewicht benutzt (z.B. Gast, Peinwerktechnik 53, I67-172, 19^9). Neuere Entwicklungen sehen Mikroprozessoren vor, welche die aus der Regelschleife erhaltenen Meßwerte speichern und verrechnen können. Der Mikroprozessor dient dabei lediglich zur Auswertung der Meßergebnisse und hat innerhalb der Regelschleife keine Aufgabe.

Ferner sind Substitutionswaagen bekannt, bei denen durch Abheben von Schaltgewichten eine Gewichtskompensation vorgenommen wird.

Die Kraftkompensationssysteme herkömmlicher Waagen müssen mit einer Präzision arbeiten, die dem gesamten aufzulösenden

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Wägebereich entspricht. Bei Analysenwaagen z.B. darf der Fehler nur Bruchteile eines Promilles betragen. Temperatureinflüsse und eventuelle andere Störgrößen müssen über denselben Bereich durch physikalische Maßnahmen kompensiert werden. So

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müssen z.B. Schaltgewichte von 100 g auf 10 genau angefertigt sein, wodurch das Herstellungsverfahren aufwendiger wird. Bei solchen Systemen muß ferner der Nullindikator die exakte Ruhelage des Waagebalkens anzeigen können, da jede Abweichung einen mehr oder weniger großen Meßfehler verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, womit unter Vermeidung der Nachteile oben genannter Methoden und Vorrichtungen Störfaktoren, z.B. Temperatureinflüsse, auf einfache Weise exakt kompensiert werden können. Ferner soll lediglich die Abweichung des Waagebalkens signalisiert werden und nicht dessen genaue Ruhelage.

Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art lösen läßt, wenn Kompensationskräfte benutzt werden, die nach abnehmenden Potenzen eines Zahlensystems geeigneter Basis gestuft sind, wobei ausgehend von größeren zu kleineren Kompensationskräften der Gewichtswert jeder Potenz jeweils durch (n-1) Quantisierungsschritte kompensiert wird, wobei η diejenige Zahl Quantisierungsschritte innerhalb des verwendeten Zahlensystems bedeutet, die eine

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Überkompensation verursacht, und daß das Gewicht aus der Summe der Kompensationskräfte aller Potenzen ermittelt wird. Das Wägeergebnis wird aus der Addition der Summe der Kompensationskräfte aller Potenzen und aus der Summe zahlenmäßig, elektronisch gespeicherter Korrekturwerte bestimmt, wobei die Korrekturwerte den Kompensationsfehlern entsprechen, welche zu jedem Kompensationsschritt einmalig im Rahmen eines Eichvorgangs ermittelt wurden. Einige vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 3 und H beschrieben.

Bei der Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist die Einrichtung zur Signalisierung der Abweichung des Waagebalkens von der Ruhelage mit einem Mikroprozessor verbunden, der ein Stromverteilernetzwerk steuert, welches in Verbindung mit einer Präzisionsstromquelle Ströme quantisierter Stärken erzeugt, die mindestens eine elektromagnetische Kraftkompensationseinrichtung speisen. Vorzugsweise ist für jede Potenz eine gesonderte Kraftkompensationseinrichtung vorgesehen. Es ist jedoch auch denkbar, mehrere Kraftkompensationseinrichtungen zusammenzufassen. Ferner ist in Verbindung mit dem Mikroprozessor ein elektronischer Speicher vorhanden, in dem Korrekturwerte abrufbar gespeichert sind, wobei die Korrekturwerte den Kompensationsfehlern entsprechen, welche zu jedem Kompensationsschritt einmalig im Rahmen eines Eichvorgangs ermittelt wurden.

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Die erfindungsgemäße Gewichtskompensation kann ausschließlich elektromagnetisch oder durch andere Methoden, z.B. durch Substitutionsgewichte, erfolgen. Die Gewichtskompensation kann aber auch teilweise nach dem Substitutionsprinzip, teilweise elektromagnetisch vorgenommen werden.

Bei der vorliegenden Erfindung wird der sonst übliche, kontinuierlich bis zur Rückführung des Waagebalkens ablaufende Regelvorgang in eine begrenzte Anzahl diskreter Schritte überführt, z.B. wenn die Kompensationsschritte dekadisch gestuft werden, pro Dekade 10 Schritte. Ein besonderer Vorteil liegt darin, daß jedem dieser Schritte ein Gewichtskorrekturwert zugeordnet werden kann. Deshalb genügt es, ein Substitutions-

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schaltgewicht von 100 g auf nur 10 genau herzustellen und den verbleibenden Fehler durch eine einmalige genaue Wägung zu ermitteln. Dieser verbleibende Fehler wird als zahlenmäßiger Korrekturwert als zum jeweiligen Gewicht zugehörig elektronisch gespeichert. Analoges gilt auch für die elektromagnetischen Kraftkompensationssysteme, die einzelnen Dekaden zugeordnet sind. Die an sie bei der Fertigung gestellten Genauigkeitsanforderungen reduzieren sich dadurch auf den Prozentbereich. Das Wägeergebnis entsteht demzufolge aus der Ad-

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dition der Summe der z.B. auf 10 genauen Gewichtskompensationswerte aller Dekaden und der Summe der den beteiligten Kompensationsstufen zugeordneten und gespeicherten Korrektur-

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werte. Die Erfindung reduziert den bisher üblichen Fertigungsaufwand also praktisch auf eine genaue Eichwägung, d.h. Bestimmung der Korrekturwerte. Die Einrichtung zur Signalisierung der Abweichung des Waagebalkens muß nicht die genaue Ruhelage anzeigen. Im allgemeinen Fall genügt die binäre Entscheidung, ob das Gewicht zu groß oder zu klein ist .Im Sonderfall wird, wenn mit dem η-ten Schritt das exakte Restgewicht bereits kompensiert ist, d.h. keine eindeutige binäre Entscheidung erfolgt, im (n+l)-ten Schritt das Gewicht als zu groß erkannt und dennoch durch den Algorithmus auf (n-1), d.h. den exakten Wert reduziert.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß Störgrössen, insbesondere Temperatureinflüsse, einfacherweise dadurch genau kompensiert werden können, daß unterschiedliche Korrekturtabellen, die abhängig von der Größe des Störparameters sind, angewendet werden. Das Verhalten der Waage kann nahezu beliebig nicht-linear sein. Durch das Einführen entsprechender Korrekturtabellen läßt sich das Gewicht exakt ermitteln.

Der elektronische Speicheraufwand hierfür ist mit z.B. ca. 80 Plätzen pro Korrekturliste nach dem gegenwärtigen Stand der Mikrocomputertechnik sehr gering.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung werden im folgenden anhand einer lediglich einen Ausführungsweg dar-

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stellenden Zeichnung näher erläutert. Die Beschreibung erfolgt dabei an einer Waage, die einen Meßbereich von l6O g auf 10,ug aufzulösen gestattet. Die Kraftkompensation erfolgt teilweise nach dem Substitutionsprinzip, teilweise elektromagnetisch.

Auf der linken Seite des Waagebalkens 1 befindet sich eine Lastschale 2 mit der auszuwiegenden Masse M. Eine Indikationseinrichtung 3j signalisiert einem Mikroprozessor ^ die Abweichung von der Ruhelage, d.h. eine Lastauflage. Die rechte Seite des Waagebalkens ist zusätzlich mit elektromagnetischen Kraftkompensationseinrichtungen 5,6 versehen, die z.B. als Tauchspul- oder Drehspulsysteme ausgebildet sein können. Die Kraftkompensationseinrichtungen 5 und 6 werden aus einem Stromverteilernetzwerk 7 gespeist. Die Stromverteilung wird durch den Mikroprozessor ¹I gesteuert. Das Verteilernetzwerk 7 erhält Stromzuführungen von einer Präzisionsstromquelle 8 hoher zeitlicher Konstanz und von einer zweiten Stromquelle größerer Leistung, an die geringere Konstanzanforderungen gestellt sind. Im Prinzip kann man jedoch auf die zweite Stromquelle 9 auch verzichten. Weitere Steuerausgänge sind mit einer Substitutionsgewichtsschaltung 10 sowie der Gewichtsanzeige 11 verbunden. Das Gerät verfügt außerdem über eine Einrichtung 12 zur elektronischen Speicherung von Strom- bzw. Gewichtskorrekturwerten.

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Die Wägevorgänge werden zyklisch wiederholt. Ein Wägevorgang läuft wie folgt ab:

Die Einrichtung 3 signalisiert dem Mikroprozessor 4 eine Lastauflage. Der Mikroprozessor H erzeugt über das Verteilernetzwerk 7 und die Stromquelle 9 einen in 160 gleichen Stufen ansteigenden Strom I , der die Kraftkompensationseinrichtung 5 speist. Die Kompensationskraft entsteht proportional dem Produkt von Stromstärke und magnetischer Induktion, so daß bei konstanter Induktion B die Stromstärke I ein Maß für das kompensierende Gewicht darstellt. Die Kompensationseinrichtung 5 ist so ausgelegt, dj
1 g - 1 % entspricht.

5 ist so ausgelegt, daß eine Stromstufe I einem Gewicht von

Wird dem Mikroprozessor ¹I der Umschlag der Einrichtung 3 signalisiert, veranlaßt dieser die Gewichtsschaltung 10 zum Abheben (n-1) g entsprechenden Substitutionsgewichten G , wenn η die Anzahl der Stufen I war, die den Indikatorumschlag auslösten. Damit ist die Masse M im Grammbereich bestimmt. Der Mikroprozessor 4 erzeugt nun über das Stromverteilernetzwerk mittels der Präzisionsstromquelle 8 dekadisch gestaffelte Ströme I^ bis Lq, die mit der Induktion B. Kompensationskräf-

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te im Bereich 10 g, mit B₂ Kompensationskräfte im Bereich

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10 g usw. hervorrufen können. Jede Dekade, beginnend mit der ersten Stelle hinter dem Komma, wird in Zehntelschritten

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durch Erhöhung des Stroms (I. auf I₂ auf I, usw.) dahingehend geprüft, ob der Indikator einen Umschlag signalisiert. Ist dies nach η Schritten der Fall, wird diese Dekade durch einen (n-1) Schritten entsprechenden Haltestrom kompensiert und danach die nächste Dekade geprüft.

Die so gewonnenen Werte aller Dekaden werden vom Mikroprozessor Jj addiert, nach dem ein zu jedem Wert gehöriger im Speicher 12 gespeicherter Korrekturwert berücksichtigt wird.

Die Arbeit mit Korrekturwerten verringert die Anforderung an den technischen Abgleich der Kraftkompensationen auf den Prozentbereich. Die Toleranzen müssen jedoch so gestaltet sein, daß eine Dekade sicher erreicht, bzw. leicht überschritten wird. Der Mikroprozessor *J veranlaßt sodann die Gewichtsanzeige und startet einen neuen Wägezyklus, wenn sich die Lastauflage ändert. Während dieses neuen Wägevorgangs bleibt die jeweils letzte Anzeige unverändert.

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Claims

Patentansprüche

M.J Verfahren zum automatischen Wägen, bei dem im Rahmen eines Regelvorgangs die Abweichung des Waagebalkens von der Ruhelage elektromagnetisch und/oder durch andere Methoden, z.B. durch Substitutionsgewichte, kompensiert und die hierfür erforderliche Kompensationskraft als Maß für die zu bestimmende Masse benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Kompensationskräfte benutzt werden, die nach abnehmenden Potenzen eines Zahlensystems geeigneter Basis gestuft sind, wobei ausgehend von größeren zu kleineren Kompensationskräften der Gewichtswert jeder Potenz jeweils durch (n-1) Quantisierungsschritte kompensiert wird, wobei η diejenige Zahl Quantisierungsschritte innerhalb des verwendeten Zahlensystems bedeutet, die eine Überkompensation verursacht, und daß das Gewicht aus der Summe der Kompensationskräfte aller Potenzen ermittelt wird.

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ORIGINAL INSPECTED
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wägeergebnis aus der Addition der Summe der Kompensationskräfte aller Potenzen und der Summe zahlenmäßig elektronisch gespeicherter Korrekturwerte bestimmt wird, wobei die Korrekturwerte den Kompensationsfehlern entsprechen, welche zu jedem Kompensationsschritt einmalig im Rahmen eines Eichvorgangs ermittelt wurden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationskräfte dekadisch gestuft werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Korrekturwerte sowohl bei elektromagnetischer Kraftkompensation als auch bei Kompensation nach anderen Methoden, z.B. durch Substitutionsgewichte, berücksichtigt werden.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis H, mit digitaler Anzeige, aufgebaut nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation, gegebenenfalls in Verbindung mit anderen Kompensationssystemen, z.B. Substitutionsgewichten und unter Verwendung eines Mikroprozessors sowie einer Einrichtung zur Signalisierung der Abweichung des Waagebalkens von der Ruhelage, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (3) zur

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Signalisierung der Abweichung des Waagebalkens von der Ruhelage mit dem Mikroprozessor (4) verbunden ist, der ein Stromverteilernetzwerk (7) steuert, welches in Verbindung mit einer Präzisionsstromquelle (8) Ströme quantisierter Stärken erzeugt, die mindestens eine elektromagnetische Kraftkompensationseinrichtung (5,6) speisen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Potenz eine gesonderte Kraftkompensationseinrichtung (B₁, B~, B₇,...) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für mehrere Potenzen eine Kraftkompensationseinrichtung vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit dem Mikroprozessor (4) ein elektronischer Speicher (12) vorgesehen ist, in dem Korrekturwerte abrufbar gespeichert sind, wobei die Korrekturwerte den Kompensationsfehlern entsprechen, welche zu jedem Kompensationsschritt einmalig im Rahmen eines Eichvorgangs ermittelt wurden.

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