-
Die Erfindung bezieht sich auf eine
elektronische Waage mit einer Waagschale zur Aufnahme des Wägegutes,
mit einem Wägeaufnehmer,
mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit und mit einer Anzeigeeinheit
zur Anzeige des Wägeergebnisses.
-
Um den Benutzer der Waage einen gewissen
Hinweis auf die Genauigkeit zu geben, mit der die Waage die gerade
aufgelegte Last bestimmen kann, ist es aus der
DE-OS 29 13 923 bekannt, der Anzeigeeinheit einen
Signalgeber zuzuordnen, der aufleuchtet, sobald die Messunsicherheit
der Waage einen gewissen Grenzwert überschreitet. Außerdem ist
in der
DE-OS 29 13 923 die
Möglichkeit
vorgesehen, die Anzeige der Waage auf Stufen von zwei Digit oder
fünf Digit
umzuschalten.
-
Alle diese Maßnahmen führen jedoch nur zur einer sehr
groben Angabe der Messunsicherheit der Waage, auch sind in der
DE-OS 2913 923 alle Angaben,
wie die Größe der Messunsicherheit
bestimmt wird, sehr vage.
-
Die Bestimmung der Standardabweichung
beim Kalibrieren bzw. Justieren einer Waage durch mehrmaliges Auflegen
des Kalibriergewichtes ist bereits aus der DE-OS 40 32 620 bekannt, ebenso aus der
EP 864 852 die Übertragung
dieses Verfahrens auf beliebige Lasten. In beiden Fällen ist
aber das mehrmalige Auflegen und Abheben der Last vorgesehen, sodass
diese Methoden für
den normalen Wägebetrieb
unbrauchbar sind.
-
Aufgabe der Erfindung ist es nun,
dem Bediener der Waage genaue Angaben über die Messfehler der Waage
zur Verfügung
zu stellen. Diese Werte sollen einfach und auf nachprüfbare Weise
ermittelt werden, damit sie im Rahmen des Einsatzes der Waage in
Qualitätssicherungssystemen
den geforderten Nachweispflichten genügen.
-
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,
dass innerhalb der Anzeigeeinheit ein zusätzlicher Anzeigebereich vorhanden
ist, in dem die Messunsicherheit des aktuellen Wägeergebnisses angezeigt wird,
und dass in der digitalen Signalverarbeitungseinheit Speichermittel
für mindestens
zwei Parameter und Rechenmittel, die aus den gespeicherten Parametern
und der linearen Gleichung U(m)=U0+b·mdie
massenabhängige
Messunsicherheit der Waage berechnen und laufend an den zusätzlichen
Anzeigebereich ausgeben, vorhanden sind, wobei m die Masse des Wägegutes
ist, b = (Umax – U0)/mmax , U0 die Messunsicherheit bei kleiner Last
(m ungefähr
Null), Umax die Messunsicherheit bei der
Höchstlast
mmax und U(m) die Messunsicherheit bei der
Last m.
-
Die lineare Formel
macht die Berechnung der
Messunsicherheit einfach. U
0 und U
max können
in einem Kalibrierprogramm vom Benutzer selbst, von der Qualitätssicherungs-Abteilung
des Benutzers oder auch von einem Labor des Deutschen Kalibrierdienstes
bestimmt und in die digitale Signalverarbeitungseinheit eingespeichert
werden. Dadurch ist die Rückführbarkeit
der ermittelten Werte gewährleistet.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand
der schematischen Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
-
1 eine
perspektivische Ansicht der Waage mit zusätzlichem Anzeigebereich,
-
2 die
Anzeigeeinheit der Waage aus 1 bei
unbelasteter Waagschale,
-
3 die
Anzeigeeinheit der Waage aus 1 bei
Belastung der Waage nahe ihrer Höchstlast,
-
4 die
Anzeigeeinheit der Waage aus 1 in
einer zweiten Ausgestaltung
-
5 eine
Anzeigeeinheit in einer weiteren Ausgestaltung
-
6 ein
Blockschaltbild der Elektronik der Waage.
-
In der perspektivischen Ansicht in 1 erkennt man das Gehäuse der
Waage, das aus dem Unterteil 1 und dem Oberteil 2 besteht,
die Waagschale 3 zur Aufnahme des Wägegutes, die Anzeigeeinheit 4 zur
Anzeige des Wägeergebnisses
und Bedienungstasten 5 und 6. Die Taste 5 dient
zum Tarieren (Nullstellen) der Waagenanzeige und die Taste 6 zum
Auslösen
einer automatischen Justierung. Die beiden Bedienungstasten 5 und 6 sind
nur beispielhaft für
eventuell vorhandene weitere Bedienungstasten dargestellt.
-
Die Anzeigeeinheit 4 ist
in 2 noch mal allein
und vergrößert dargestellt.
Unterhalb der Anzeigenzeile 10 für die Anzeige des Wägeergebnisses
befindet sich ein zusätzlicher
Anzeigebereich 4' mit
einer Anzeigenzeile 12 für die Anzeige der Messunsicherheit
U des aktuellen Wägeergebnisses.
Für kleine
Lasten beträgt
die Messunsicherheit 0,0007 g, weshalb dieser Wert auch bei der
Waageanzeige 0,000 g angezeigt wird.
-
In 3 ist
die Anzeigeeinheit 4 und 4' derselben Waage bei Belastung
nahe der Höchstlast,
die beispielsweise 1.500 g betrage, dargestellt. Für diese
Last betrage die Messunsicherheit 0,0024 g, wie in der unteren Zeile 12 angezeigt
ist.
-
Die Berechnung der belastungsabhängigen Messunsicherheit
erfolgt nach den bekannten Regeln der Statistik, die in ihrer Anwendung
auf Waagen beispielsweise in der DKD-Richtlinie 7–1 „Kalibrierung
elektronischer nichtselbstätiger
Waagen" zusammengestellt
sind. Danach ist die Messunsicherheit U
0 bei
kleinen Lasten nahe Null:
dabei bedeutet s die Standardabweichung
der Waage, die durch mehrmaliges Auflegen desselben Gewichtes ermittelt
wird, und d den kleinsten Ziffernschritt. (Im Beispiel von
1–
3 ist
d = 0,001 g). Der Vorfaktor 2 sorgt dabei für ein statistisches Vertrauensniveau
von ca. 95 %.
-
Bei beliebigen Lasten m auf der Waage
ist die Messunsicherheit U:
-
-
Dabei ist vk der
Anteil der Messunsicherheit, der aus der Unsicherheit der Justierung
herrührt,
ve der Anteil der Messunsicherheit, der
aus dem Einfluss der Ecklast herrührt, va und
|a| sind die Anteile, die aus der Nichtlinearität der Waagenkennlinie herrühren, und
vT ist der Anteil, der aus dem Temperatureinfluss
herrührt. Diese
Formel (3) für
die Messunsicherheit kann durch eine lineare Gleichung angenähert werden:
-
-
Dabei ist mmax die
Höchstlast
der Waage und Umax die Messunsicherheit
bei Höchstlast.
-
Mit dieser linearen Gleichung (4)
ist nun leicht eine Berechnung der jeweiligen Messunsicherheit U(m) in
der digitalen Signalverarbeitungseinheit der Waage möglich. Es
müssen
nur die beiden Parameter U0 und Umax (oder U0 und b =(Umax – U0)/mmax)abgespeichert
sein und das aktuelle Wägeergebnis
m muss übernommen
werden.
-
Die beiden Parameter U0 und
Umax bzw. U0 und
(Umax – U0)/mmax können entweder
vom Bediener der Waage ermittelt und in den Speicher der digitalen
Signalverarbeitungseinheit eingegeben werden oder die Bestimmung
und Einspeicherung der beiden Parameter erfolgt von einer zentralen
Qualitätssicherungsstelle
in der Firma des Bedieners oder die Bestimmung der beiden Parameter
erfolgt durch ein Labor eines Kalibrierdienstes und wird anschließend in
den Parameterspeicher der digitalen Signalverarbeitungseinheit übernommen.
Je nach Anforderungen des benutzten Qualitätssicherungssystems kann dadurch
die mehr oder weniger genaue Rückführbarkeit
auf das nationale Massenormal sichergestellt werden. Zweckmäßigerweise
werden die ermittelten und abgespeicherten Parameter von Zeit zu
Zeit beispielsweise einmal im Jahr, überprüft und gegebenenfalls neu überschrieben.
-
Bisher ist immer die absolute Messunsicherheit
U ausgerechnet und angezeigt worden. Es ist jedoch auch möglich, die
relative Messunsicherheit U/m auszurechnen und anzuzeigen. Dies
ist beispielhaft in 4 gezeigt,
wobei dasselbe Zahlenbeispiel wie in 3 zugrunde
gelegt ist. Statt der absoluten Messunsicherheit von 0,0024 g ist
hier in der unteren Zeile 12 die relative Messunsicherheit
von 0,0016 ‰ angezeigt.
-
In 5 erfolgt
die Anzeige in der Form „Wägeergebnis ± Messunsicherheit" im Beispiel also 1496,483 ± 0,0024
g.
-
In 6 ist
ein Blockschaltbild der Elektronik der Waage gezeigt. Der Wägeaufnehmer 13 mit
der Waagschale 3 ist nur ganz schematisch dargestellt.
Die digitale Signalverarbeitungseinheit 14 ist z. B. durch einen
Mikroprozessor realisiert. Innerhalb der digitalen Signalverarbeitungseinheit 14 befinden
sich Speicher 15, die zumindest die beiden Parameter U0 und Umax bzw. U0 und (Umax – U0)/mmax abspeichern.
Das Programm des Mikroprozessors errechnet dann in bekannter und
daher hier nicht erläuterter
Weise das Wägeergebnis und
zeigt es in der oberen Zeile 10 der Anzeigeeinheit 4 an.
Zusätzlich
errechnet der Mikroprozessor aus den beiden im Speicher 15 abgespeicherten
Parametern und dem Wägeergebnis
m gemäß Gleichung
(4) die Unsicherheit U und zeigt sie in der unteren Zeile 12 des
zusätzlichen
Anzeigebereiches 4' an. Ändert sich
dabei der Wägewert
m, so wird die Anzeige der Messunsicherheit U entsprechend angepasst.
-
Enthält die elektronische Waage
zusätzlich
eine Justiergewichtsschaltung und einen Temperaturaufnehmer, so
kann in Gleichung (3) der temperaturabhängige Anteil vT genauer
bestimmt werden und muss nicht entsprechend dem
-
Temperaturkoeffizienten und dem maximalen
Gebrauchstemperaturbereich der Waage nach oben abgeschätzt werden.
Dazu werden im Speicher 15 der digitalen Signalverarbeitungseinheit 14 zwei
weitere Speicherplätze
belegt: In einem Speicherplatz wird der Temperaturkoeffizient der
Waage im Gebrauchstemperaturbereich abgespeichert, im zweiten Speicherplatz
wird die Temperatur TCal bei der letzten
Justierung abgespeichert. Der Wert von vT in
Gleichung (3) wird dann proportional zum Quadrat des Produktes aus
dem Temperaturkoeffizienten und der Temperaturdifferenz zwischen
der momentanen Temperatur und der Temperatur TCal angenommen.
Dementsprechend ändert
sich der Parameter Umax= bzw. (Umax – U0)/mmax in Gleichung
(4) in Abhängigkeit
von der obigen Temperaturdifferenz. – Durch diese Maßnahme wird
die errechnete Messunsicherheit etwas geringer und liegt näher an der
wirklichen Messunsicherheit U. – Selbstverständlich kann
dasselbe Verfahren auch auf den Anteil der Messunsicherheit, der
aus dem Ecklastfehler resultiert, angewandt werden, falls der Wägeaufnehmer über einen
Ecklastsensor verfügt.
Der Wert von ve in Gleichung (3) kann dann
realistischer berechnet werden und muss nicht nach oben hin abgeschätzt werden.
