DE3125133C2

DE3125133C2 -

Info

Publication number: DE3125133C2
Application number: DE19813125133
Authority: DE
Inventors: Manfred 6105 Ober-Ramstadt De Becker
Original assignee: Datron Electronic GmbH
Current assignee: Datron Electronic GmbH
Priority date: 1981-06-26
Filing date: 1981-06-26
Publication date: 1987-07-02
Also published as: DE3125133A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Messung von physikalischen Größen nach der Gattung des Hauptanspruchs bzw. des ersten Vorrichtungsanspruchs. Bei der Messung von physikalischen Größen ist bekannt, elektrische Bauelemente zu verwenden, die bei Einwirkung der physikalischen Größe mit einer Änderung ihrer elektrischen Eigenschaften reagieren. So ist es beispielsweise bekannt, zur Bestimmung von Gewichten, also für die Durchführung von Wiegevorgängen Meßzellen oder Meßdosen zu verwenden, die in Form von Meßbrücken aufgebaut sind und Widerstände beispielsweise in Form von sogenannten Dehnungsmeßstreifen aufweisen, die bei einer Belastung und damit verbundener mechanischer Spannungsänderung mit einer Änderung ihres elektrischen Widerstands reagieren. Durch die Anordnung solcher Dehnungsmeßstreifen in Form einer Meßbrücke lassen sich dann Differenzwerte mit entsprechender Genauigkeit feststellen. Nachteilig ist aber bei solchen, auf Meßbrücken zurückgehenden Wägezellen, daß sich zusätzlich zu dem das Gewicht anzeigenden Differenzsignal Störgrößen ergeben, also eine Verfälschung des Ausgangssignals durch Driften, Thermospannungen, Thermodriften und sonstige Einflüsse.

Es ist daher bekannt, solche Meßbrücken mit einer Wechselspannung, und zwar vorzugsweise mit einer Rechteckwechselspannung anzusteuern, wodurch Gleichspannungsdriften, Thermodriften und im übrigen die meisten der sonstigen Störgrößen eliminiert werden können; außerdem kann die Verstärkung und Weiterverarbeitung eines Wechselspannungs- Ausgangssignals einfacher sein.

Zum besseren Verständnis der durch die Erfindung erlangten Problemlösung ist es sinnvoll, den den Ausgangspunkt der Erfindung bildenden Stand der Technik anhand der Darstellung der Fig. 1, die sich daher auf ein bekanntes Verfahren und eine bekannte Vorrichtung zur Umsetzung speziell von Gewichten in eine elektrische, auch anzuzeigende Ausgangsgröße bezieht, im folgenden zunächst zu erläutern.

In Fig. 1 ist die Meßdose oder Meßzelle in Form einer Vollbrücke dargestellt und mit 1 bezeichnet; die Speisespannung in Form einer Rechteckspannung 2 wird an den Anschlüssen 3 zugeführt, während die sich ergebende Verstimmung der Meßbrücke bei Auflegen eines Gewichts wie üblich über der Meßdiagonalen abgenommen und einem nachgeschalteten Differenzverstärker 4 zugeführt ist. Vom Ausgang des Differenzverstärkers 4 gelangt das, positive und negative Rechteckhalbwellen aufweisende und bei 5 dargestellte Signal auf zwei im Gegentakt arbeitende Schalter S 1 und S 2, wobei dem Schalter S 2 das Signal bei 6 invertiert zugeführt wird. Durch die Rechteck-Wechselspannungsspeisung werden Gleichspannungsdriften und Thermodriften unterdrückt; durch das Sampeln mit den beiden Schaltern S 1 und S 2 wird lediglich ein solcher vorgegebener Teilbereich der gesamten Ausgangssignalhalbwelle jeweils ausgewählt, wie dies der Einschaltdauer der Schalter S 1 und S 2 entspricht - die Schaltfrequenzen für diese Schalter sind auf das Ausgangssignal 5 bezogen als f _{S 1} und f _{S 2} in Fig. 1 ebenfalls angegeben -, wobei Einschwingvorgänge und sonstige unsymmetrische Störgrößen eliminiert werden. Die Ausgangssignale der beiden Schalter S 1 und S 2 werden dann am Sample-Kondensator 6 zusammengeführt und integriert. Über einen nachgeschalteten Verstärker 7 und eine Filtereinheit 8 gelangt das so aufbereitete und lediglich einen einzigen, gefilterten positiven Wert darstellende Ausgangssignal der Meßbrückenschaltung 1 auf ein Digitalvoltmeter DVM mit Anzeigesegment 9.

Bezieht sich dieser ganze Auswerte- und Verarbeitungsvorgang auf die Messung eines Gewichtes, dann muß damit gerechnet werden, daß ständig Störgrößen vorhanden sind, beispielsweise solche, die durch das Auflegen des Gewichtes in Form von Schwingungen entstehen und allmählich abklingen, aber auch sonstige Störsignale, die auf Schwingungen des Gebäudes, auf Luftschwingungen u. dgl. zurückzuführen sind. Im allgemeinen gelingt es aber, durch den Sample-Vorgang, durch die Addition der beiden jeweils negativen und positiven Halbwellen am Kondensator 6 sowie durch eine geeignete Langzeitfilterung an der Filtereinheit 8 sicherzustellen, daß ein vom Digitalvoltmeter angezeigter Mittelwert auch tatsächlich dem angezeigten Gewicht entspricht, allerdings mit einer besonders schwerwiegenden Ausnahme, die in nachteiliger Weise sogar eine relativ häufige Begleiterscheinung bei solchen Meßverfahren ist und die durch keine der sich zur Verbesserung der bekannten Verfahren anbietenden Maßnahmen beseitigt oder kleingehalten werden kann. Diese Ausnahme besteht darin, daß die Frequenz des Störsignals mit der Speise- und der ihr entsprechenden Abtast- oder Sample- Frequenz in eine Schwebung geraten kann, was zur Folge hat, daß man diese Störung nicht mehr ausfiltern kann, da man durch den Sample-Vorgang immer zu dem Zeitpunkt abtastet und speichert, wenn die Gesamtkurve der Ausgangssignalwerte sich an einem oberen Punkt befindet, während zu späteren Zeitpunkten durch den Sample-Vorgang stets zu niedrige Meßpunkte abgetastet werden können. Ein solcher Meßfehler tritt also als periodische Langzeitschwankung des angezeigten Wertes oder Gewichtes um einen Mittelwert auf und ist auf eben das gezielte Sampeln nur eines vorgegebenen Meßsignalausschnitts zurückzuführen.

Da es sich bei einer solchen Schwebung um einen vergleichsweise langsam ablaufenden und sich wiederholenden Vorgang handelt, läßt sich eine solche Verfälschung auch nicht mehr ausfiltern und führt im Endeffekt zu dem Ergebnis, daß auch bei völlig ruhig erscheinendem Gewicht die Anzeige des Digitalvoltmeters bei 9 für einen vorgegebenen Zeitraum einen zu hohen Wert und dann einen zu niedrigen Wert anzeigt. Mit anderen Worten, da man die bei solchen Wägevorgängen auftretenden mechanischen Frequenzen nicht beherrschen kann und da das Entstehen einer Schwebung bei den bekannten Meßverfahren nicht verhindert werden kann, gelingt es auf keine denkbare Art, diesen, durch den geschilderten Mechanismus entstehenden Störfaktor zu beseitigen. Obwohl also das Gewicht stillsteht und obwohl die eigentliche Störschwingungsgröße eine relativ hohe Frequenz hat, die von dem Filter 8 ohne weiteres eliminiert werden könnte, wandert die Anzeige ständig nach oben und nach unten, zurückzuführen auf die sich bildende Schwebung. Die sich hier möglicherweise anbietende Lösung, mit der ganzen Abtastfrequenz einschließlich der Speisespannungsfrequenz so hoch zu gehen, daß man aus den Störgrößenfrequenzen, die mit dem Nutzsignal eine Schwebung bilden können, herauskommt, ist aus technischen Gründen nicht realisierbar, und zwar wegen der Einschwingzeiten an den Operationsverstärkern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ein solches Verfahren zur Messung und Bestimmung von physikalischen Größen, insbesondere von Gewichten derart zu verbessern, daß einerseits die Wechselspannungsspeisung der Eingangsmeßschaltung beibehalten werden kann, andererseits aber die erwähnten, auf Schwebungsbildung zurückzuführenden Langzeitschwankungen des Meßergebnisses zuverlässig eliminiert sind.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs bzw. des Unteranspruchs 3.

Hierbei gelingt es, durch Abstimmung der Frequenz der Speisewechselspannung für die Meßbrücke auf die Meßratenfrequenz des der Verstärkerkette nachgeschalteten digitalen Voltmeters die Fehler des bisherigen Sample- Vorgangs zu vermeiden und gleichzeitig durch Speicherung und gegebenenfalls Invertierung je nach Phasenlage eine einwandfreie, auch auf Schwebungseinflüsse zurückgehende Meßfehler eliminierende Mittelwertbildung durchzuführen, also auch den Einfluß unsymmetrischer Störquellen beseitigen zu können.

Hierzu wird so vorgegangen, daß als erster Teilschritt der Meßbrücke ein Digitalvoltmeter nachgeschaltet wird zur Auswertung des über der Meßbrückendiagonalen sich ergebenden Signals. Ein solches Digitalvoltmeter hat eine Wiederholungsmeßrate, die sich durch ein bestimmtes Signal, welches auch als sogenanntes "ready-Signal" bezeichnet werden kann und welches an einem bestimmten Ausgang des Digitalvoltmeters vorliegt, äußert.

Den durch das Schwebungsphänomen in das Meßverfahren hineingelangenden Meßfehlern wird nun dadurch begegnet, daß zunächst die Speisewechselspannung der Rechteckspannung für die Brückenspeisung mit dieser Wiederholungsrate bzw. der Meßzyklusrate des nachgeschalteten Digitalvoltmeters korreliert wird. Mit anderen Worten, die Polarität der Speisung der Meßbrücke kehrt sich immer dann um, wenn das Digitalvoltmeter eine neue Messung veranlaßt; üblicherweise ergeben sich solche ständigen Messungen daher in Abständen von beispielsweise zwischen 100-300 ms bei üblichen Digitalvoltmetern und dies ist auch die zeitliche Schwingungsbreite T der Brücken- Speisewechselspannung als Rechteckspannung. Durch diese Korrelierung gelingt es nun, das Fehler-Signal unsymmetrisch zu machen und es ist dann in einem weiteren Schritt möglich, durch eine in einer zentralen Logikschaltung erfolgten Mittelwertbildung jeweils eines vorhergehenden, gespeicherten Meßwerts mit dem jeweils aktuellen neuen Meßwert diesen unsymmetrischen Fehler herauszuheben und so vollständig zu beseitigen.

Der Erfindung gelingt daher durch die Kombinationswirkung dieser Schritte entsprechend dem Kennzeichen des Hauptanspruchs die Lösung eines besonders unangenehmen und bisher nicht beseitigbaren Störgrößeneinflusses in der Wiegetechnik; eines Störgrößeneinflusses, der auf Schwingungen zurückzuführen ist und andererseits auch, was für sein Erkennen besonders schwierig ist, nicht immer auftritt, sondern nur dann, wenn die beteiligten Frequenzen miteinander eine Schwebung bilden können.

Probleme mit Einschwingvorgängen allgemein ergeben sich bei vorliegender Erfindung in nennenswerter Weise ohnehin nicht; der angezeigte Endwert ist dann durch solche Erscheinungen nicht beeinflußt.

Schließlich ist bei vorliegender Erfindung neben der erheblichen Vereinfachung und der schon dadurch erzielten Betriebssicherheit noch von besonderem Vorteil, daß die Erfindung auch und insbesondere für digitale Systeme einsetzbar ist, so daß die Verarbeitung insgesamt auf digitaler Basis erfolgen kann.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Zuordnung eines Hilfsspeichers zu der die Mittelwertbildung jeweils durchführenden Steuerlogikschaltung, wobei durch die Triggerung vom für den Meßzyklus maßgebenden Ausgang des Digitalvoltmeters sowohl die Speisewechselspannung für die Meßbrücke jeweils umschaltet als auch die zentrale Steuerlogikschaltung eine neue Mittelwertbildung durchführt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen Blockbilddarstellung den üblichen Aufbau einer bekannten Schaltung zur Durchführung hier speziell von Wägevorgängen, wobei wesentliche Verarbeitungsbereiche für die aus der Meßzelle gewonnenen Daten analog ausgelegt sind (Stand der Technik),

Fig. 2 ebenfalls in einer schematischen im wesentlichen eine Blockbilddarstellung bildenden Schaltung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur digitalen Verarbeitung und Anzeige von Wägeergebnissen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Schaltungsaufbaus beschrieben, der sich insbesondere eignet zur Bestimmung von Gewichten, also für Wägevorgänge; es versteht sich aber, daß der Einsatz der Erfindung auch bei anderen physikalischen Meßverfahren immer dann nutzvoll und geeignet ist, wenn die Eingangsschaltung, die das elektrische, weiter zu verarbeitende und anzuzeigende Ausgangssignal erzeugt, durch ein Wechselspannungssignal fremdgespeist ist, insbesondere wenn bei der Verarbeitung sogenannte Sample-and-Hold-Techniken angewendet werden.

Entsprechend Fig. 2 gelangt das Ausgangs-Differenzsignal der vorverstärkenden Einheiten 4′ der Meßzelle 1′ sofort auf den Meßeingang 10 des Digitalvoltmeters DVM, welches für sich gesehen von bekanntem Aufbau und so ausgelegt ist, daß es sowohl positive als auch negative eingehende Spannungen einwandfrei messen kann, wobei die Meßrate oder Wiederholungsrate des Digitalvoltmeters in der Größenordnung zwischen beispielsweise 100 bis 300 ms liegen kann. Demnach ergibt sich am Ausgang 11 des Digitalvoltmeters ein Ausgangswert in digitalisierter Form, der seriell oder parallel oder in beliebigen bit-Paketen einer nachgeschalteten zentralen Steuerlogikschaltung 12 zugeführt wird. Dieser Ausgangswert ist abwechselnd mit einem positiven und einem negativen Vorzeichen behaftet und muß daher von der zentralen Steuerlogikschaltung 12, wie gleich noch erläutert wird, für jeden zweiten Wert invertiert werden. Im Takt seiner Meßrate erzeugt das Digitalvoltmeter an einem Ausgang 13 ein sogenanntes ready- Signal, welches zur Erzeugung der die Meßbrücke 1′ speisenden Rechteck-Wechselspannung verwendet wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß mit dem ready- Signal über die Leitung 13 a ein astabiler Flipflop 14 getriggert wird, so daß an dessen Q- und -Ausgängen synchron zum ready-Signal Schaltspannungen entstehen, die Schalter S 1′ und S 2′ so ansteuern, daß jeweils abwechselnd eine positive und eine negative Spannungsquelle +U _B′ -U _B′ sinnvollerweise über einen Operationsverstärker 15 auf die Speiseanschlüsse der Meßbrücke gelangen. Mit dem gleichen ready-Signal ist über eine Verbindungsleitung 16 a die zentrale Steuerlogikschaltung 12 an ihrem Eingang 16 beaufschlagt. Die zentrale Steuerlogikschaltung 12 arbeitet so, daß im Takt des zugeführten ready- Signals jeweils immer ein seinem Eingang 17 zugeführtes, unmittelbar vom digitalen Voltmeter DVM stammendes Eingangssignal b in Form eines digitalen Worts addiert wird mit dem jeweils vorhergehenden digitalen Meßwert a, welchen die zentrale Steuerlogikschaltung 12 einem zugeordneten Speicher 18 entnimmt. Die Summe der beiden Werte a + b wird dann halbiert und als echter Mittelwert des zu bestimmenden Gewichts vollkommen störspannungs- und fehlerfrei entsprechend bei 19 zur Anzeige gebracht. Innerhalb der zentralen Steuerlogikschaltung 12 befindet sich daher eine Additionsstufe 12 a sowie ein Inverter 12 b, der so geschaltet ist, daß er entsprechend dem ihm über eine Verbindungsleitung 20 zugeführten -Signals jeweils den einer negativen Rechteck-Halbwelle entsprechenden Eingangssignalwert invertiert. Da es sich hier um eine digitale Verarbeitung handelt, ist der Hinweis auf diesen Inverter 12 b lediglich symbolisch zu verstehen und bei einem praktischen Ausführungsbeispiel kann so gearbeitet werden, daß für die Invertierung des Signals eine Vorzeichenumkehr erfolgt bzw. bei einem vorliegenden Zählerstand der Restwert ausgewertet wird.

Es liegt innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens, daß die zentrale Steuerlogikschaltung 12 ein für sich gesehen bekannter Mikroprozessor oder ein sonstiger geeigneter Rechner ist, der nach jedem Voltmeterzyklus die Dosenspeisung umdreht, den augenblicklichen Meßwert mit jeweils dem vorhergehenden Meßwert addiert und von dem Ergebnis die Hälfte nimmt und zur Anzeige bringt und gleichzeitig in den Speicher 18 jeweils wieder den neu eingegangenen digitalen Meßwert setzt.

Hierbei kann es zur Meßwertverarbeitung sinnvoll sein, vor das Digitalvoltmeter noch ein Filter 20′ anzuordnen oder eine solche Filterung auch innerhalb der zentralen Steuerlogikschaltung 12 vorzunehmen, wenn diese beispielsweise ein Mikroprozessor ist, also eine Filterung auf digitaler Basis durchzuführen.

Ein übliches, positive und negative Werte verarbeitendes Digitalvoltmeter ist normalerweise so ausgelegt, daß mit möglichst geringer Verlustzeit gearbeitet wird; so kann ein Digitalvoltmeter bei einem 100 msec Meßzyklus 90 msec lang messen und die restlichen 10 msec für andere Zwecke einsetzen. Bei einer derart langen Meßzeit, und zwar lang mit Bezug auf gegebenenfalls auftretende Einschwingvorgänge, die stets nur in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden liegen, spielen vom Einschwingen herrührende Störgrößen keine Rolle mehr; sie sind vollständig vernachlässigbar.

Der erfindungsgemäße Meß- und Datenverarbeitungsvorgang arbeitet daher vollkommen störgrößenfrei und ist auch völlig unempfindlich gegenüber der Bildung möglicher Schwebungen, da durch die Signalverarbeitung in der zentralen Steuerlogikschaltung 12 - Addition des aktuellen Werts mit dem jeweils vorhergehenden Wert und Halbierung des Ergebnisses - Störgrößen gleichgültig welcher Frequenz herausfallen. Nimmt man beispielsweise an, daß sich auf der oberen Eingangsleitung zum Differenzverstärker 4′ eine unsymmetrische Störgröße von -200 mV bemerkbar macht, dann ergibt sich am Ausgang des Differenzverstärkers 4′ etwa in der positiven Speisespannungshalbwelle anstelle einer Ausgangsspannung von 4 Volt nur eine Ausgangsspannung von 3,8 Volt, während in der nachfolgenden negativen Speisespannungshalbwelle die Ausgangsspannung -4,2 Volt beträgt. Man erkennt, daß bei der angegebenen Addition und Halbierung jeweils des aktuellen Wertes mit dem vorhergehenden Wert bei entsprechender Invertierung für den Wert der negativen Halbwelle der zur Anzeige gelangende Wert stets der Größe von 4 Volt entspricht, unabhängig davon, wie hoch der Einfluß der unsymmetrischen Stellgröße ist und im übrigen auch unabhängig davon, mit welcher Frequenz dieser auftritt. Hierbei darf nicht übersehen werden, daß für die geläufigen Störspannungsschwingungen und deren Eliminierung das Filter 20 zuständig ist, welches vor das Digitalvoltmeter geschaltet ist.

Claims

1. Verfahren zur Messung von physikalischen Größen durch Umsetzung in ein elektrisches Signal und dessen Auswertung und/oder Anzeige, insbesondere zur Messung von Gewichten mit Meßdosen, Wägezellen u. dgl., wobei einer Meßbrückenschaltung, die mindestens ein durch den Einfluß der physikalischen Größe eine Änderung seines elektrischen Verhaltens erfahrendes Brückenelement (Wiederstands-Dehnungsmeßstreifen) enthält, eine Speisewechselspannung zugeführt und zur Auswertung synchron zu dieser das Brückenausgangssignal bei gegebener Phasenlage invertiert, gegebenenfalls noch gefiltert wird, gekennzeichnet durch die Merkmalskombination, daß

a) Meßbrückenausgangssignal einem positive und negative Eingangsspannungen verarbeitenden, für sich gesehen bekannten Digitalvoltmeter (DVM) unmittelbar zugeführt wird,
b) gleichzeitig die Frequenz der Meßbrücken-Speisewechselspannung auf die Meß- oder Wiederholungsrate des Digitalvoltmeters (DVM) abgestimmt und
c) das in beliebiger, binärcodierter digitaler Form vorliegende Ausgangssignal des Digitalvoltmeters (DVM) für negative und positive Werte so, wie diese sich bei jeder erneuten Messung des Digitalvoltmeters aufgrund dessen Wiederholungsrate ergeben, gespeichert und
d) dieser gespeicherte Wert mit dem jeweiligen neuen, aktuellen Meßwert vorzeichenrichtig einer Mittelwertbildung unterworfen und ausgewertet, gegebenenfalls angezeigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweils einen die Wiederholungsrate bestimmenden Digitalvoltmeter-Meßzyklus anzeigende ready- Signal zur Bestimmung der Frequenz der Speisewechselspannung der Meßbrücke in Form einer Rechteckspannung sowie zur jeweils neuen Mittelwertbildung durch eine zentrale Steuerlogikschaltung (12) verwendet wird, wobei jeweils im Falle einer negativen Speisewechselspannung- Halbwelle ein Invertierungsbefehl vom Wechselspannungserzeuger zur zentralen Steuerlogikschaltung (12) geführt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Meßverfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Meßbrücke, einer Erzeugerschaltung für die Speisewechselspannung der Meßbrücke und einem dieser nachgeschalteten Digitalvoltmeter, dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine zentrale eine Mittelwertbildung zwischen dem jeweils neuen Ausgangswert des Digitalvoltmeters (DVM) und dem jeweils vorhergehenden Meßwert durchführende Steuerlogikschaltung (12) und ein mit ihr verbundener Hilfsspeicher (18) verwendet sind, der jeweils einen Meßwert zur Mittelwertbildung zwischenspeichert, und
b) der die Beendigung eines jeweiligen Meßzyklus des Digitalvoltmeters (DVM) angebende Ausgang (ready- Ausgang) (13) sowohl mit der die Speisewechselspannung für die Meßbrücke (1′) erzeugenden Flipflop- Schalter-Anordnung (14, S 1′, S 2′, 15) als auch mit der zentralen Steuerlogikschaltung (12) jeweils zur Veranlassung einer neuen Mittelwertbildung verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse der Brückenmeßdiagonalen mit den Eingängen eines Differenzverstärkers (4′) verbunden sind, dem das Digitalvoltmeter (DVM) nachgeschaltet ist unter Zwischenschaltung eines Filters (20), und daß der ready-Signal-Ausgang (13) an einem der Erzeugerschaltung für die Speisewechselspannung zugeordneten astabilen Flipflop (14) zur Triggerung angeschlossen ist.