DE3889253T3

DE3889253T3 - Digitale Einrichtung zum Kompensieren der Lastverschiebung.

Info

Publication number: DE3889253T3
Application number: DE3889253T
Authority: DE
Inventors: Neil C Griffen
Original assignee: Mettler Toledo LLC
Current assignee: Mettler Toledo International Inc
Priority date: 1987-06-12
Filing date: 1988-06-08
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2008-06-09
Also published as: US4799558A; BR8802844A; EP0295067B1; DE3889253D1; AU594619B2; JPS646827A; CN1014826B; AU1618888A; DE3889253T2; EP0295067A3; CA1304760C; EP0295067B2; EP0295067A2; CN88103475A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf eine kraftmessende Vorrichtung, wie etwa eine Waage, und im besonderen auf eine hinsichtlich der Position der Last auf der Vorrichtung kompensierte kraftmessende Vorrichtung. Sie bezieht sich außerdem auf entsprechende Verfahren.
Es ist allgemein bekannt, daß Unterschiede in der Lastposition auf Waagen die Genauigkeit der Wägemessungen vermindern und entsprechend der erforderlichen Genauigkeit der Wägevorrichtung mehr oder weniger kompensiert werden müssen. Bei drehmomentunempfindlichen Einzellastzellwaagen, bei denen die Gewichtsaufnahmeplatte und die Basisstütze direkt an der Lastzelle befestigt sind, wird der Effekt der Lastpositionsunterschiede durch die Bauart der Lastzelle selbst vermindert. Eine solche Lastzelle weist typischerweise einen Lastaufnehmer und an dem Lastaufnehmer angeordnete und miteinander zu einer elektrischen Brückenschaltung verbundene Dehnungsmeßstreifen auf. Die Lastzelle ist gewöhnlich so aufgebaut, daß (1) eine von einer Veränderung der Lastposition bewirkte Veränderung des Widerstandes eines Dehnungsmeßstreifens von einer solchen Veränderung des Widerstandes der anderen Dehnungsmeßstreifen begleitet wird, daß das Ausgangssignal der Brückenschaltung dazu neigt, unverändert zu bleiben, und/oder (2) die Dehnungsmeßstreifen in Bereichen oder in Richtungen positioniert sind, auf Grund derer sie relativ unempfindlich gegenüber Veränderungen der Lastposition sind. Eine drehmomentunempfindliche Doppelbalkenlastzelle mit darauf mittig und zur Mittelachse der Balken parallel angeordneten Dehnungsmeßstreifen wendet diese Techniken beide an.
Gewöhnlich ist eine weitere Verminderung von Lastpositionsfehlern erforderlich und ist auf mehrere verschiedene Weisen erreicht worden. Eine Technik beinhaltet das Honen des Lastaufnehmers zur geringfügigen Veränderung der Geometrie der Lastzelle. Diese Technik führt zu Verbesserungen, ist aber sehr arbeitsintensiv und zeitaufwendig.
Eine andere, im US-Patent 3,576,128 von Lockery vorgeschlagene Technik beinhaltet die Verwendung mit den Dehnungsmeßstreifen verbundener kompensierender Widerstände. Eine ähnliche, aber erheblich verbesserte Technik wurde in den US- Patenten 4,380,175 und 4,453,609 Griffen bzw. Griffen et al. vorgeschlagen. Durch Positionieren der Dehnungsmeßstreifen auf bestimmte Weise zusammen mit der Verwendung von mit bestimmten der Dehnungsmeßstreifen verschalteten Kompensationswiderständen wurden wesentlich verbesserte Ergebnisse mit erheblicher Verminderung des Arbeitsaufwandes erreicht.
Beim US-Patent 4,482,022 Komoto wird ein Kraftmeßwandler für eine mittige Belastungsposition kalibriert, und zur Erfassung einer Lastverschiebung aus der kalibrierten Mittenposition sind Hilfswandler vorgesehen. Die Ausgangssignale der Hilfswandler werden zum Einstellen der Verstärkung des Kraftmeßwandlers zur Korrektur jeder erfaßten Verschiebung aus der kalibrierten Position verwendet. In einem Papier von A.Gizmajer (VDI Berichte 212, 1974, S. 21 bis 26) wird eine Brücke für unterschiedliche Messungen benutzt.

ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Nach der Erfindung sind am Lastaufnehmer ein oder mehrere zusätzliche Sensoren zur Erfassung der Lastposition entlang zumindest einer von zwei zueinander quer gerichteten Achsen vorgesehen. Das (die) Ausgangssignal(e) des (der) Positionssensor(en) wird (werden) zusammen mit den Gewichtsangaben von dem Kraftmeßwandler einem Mikrocomputer zugeführt. Zur Berechnung eines korrigierten Gewichts, das denselben Wert für dieselbe oder eine gleiche an irgendeiner Position entlang einer oder beider Achsen auf der Wägevorrichtung einwirkenden Last hat, wird ein Algorithmus verwendet. Die Werte der für den Algorithmus erforderlichen Konstanten können fur jede einzelne Lastzelle durch Gewinnung von Daten zur Lastpositionscharakteristik der Lastzelle bestimmt werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß eine Korrektur hinsichtlich durch die Bauart der Lastzelle hervorlerufener Nichtlinearitäten in den Algorithmus eingefügt weren kann. Das gestattet Veränderungen in der Bauart der Lasthe, die bestimmte Möglichkeiten und Vorteile bieten, aber dazu neigen, Nichtlinearitäten einzuführen. Zum Beispiel können in einem Dehnungsmeßstreifen verwendenden Doppelbalkenlastaufnehrmer alle Dehnungsmeßstreifen an der oberen Oberfläche des Lastaufnehmers angeordnet werden zur Erleichterung von Zusammenbau und Konstruktion trotz der bei solcher Anbringung der Meßstreifen hervorgerufenen Nichtlinearitäten.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer die Erfindung ausführenden Vorrichtung;
Fig. 2 ist ein im Vergleich zu Fig. 1 mehr ins Einzelne gehendes Blockdiagramm einer bevorzugten Form einer die Erfindung ausführenden Wägevorrichtung;
Fig. 3 ist ein Seitenaufriß einer Wägevorrichtung, die eine an die Lastverschiebungskompensation nach der Erfindung angepaßte Doppelbalkenlastzelle beinhaltet;
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf nur die Lastzelle aus Fig. 3;
Fig. 5 ist eine Unteransicht nur der Lastzelle aus Fig. 3;
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm der positionserfassenden und kraftmessenden Dehnungsmeßstreifen aus den Figuren 3 bis 5;
Fig. 7 Fig. 7 ist eine Draufsicht auf die Wägevorrichtung aus Fig. 3, die bestimmte mittige und außermittige Belastungspositionen zeigt;
Fig. 8 ist eine Draufsicht auf eine Doppelbalkenlastzelle, die mehrere längs- und querpositionserfassende Dehnungsmeßstreifen verwendet und in der alle kraftmessenden und positionserfassenden Dehnungsmeßstreifen auf der oberen Oberfläche des oberen Lastzellenbalkens angeordnet sind;
Fig. 9A bis 9C sind Brückenschaltungen, die die längspositionserfassenden Dehnungsmeßstreifen, die querpositionserfassenden Dehnungsmeßstreifen bzw. die kraftmessenden Dehnungsmeßstreifen der Lastzelle aus Fig. 8 beinhalten;
Fig. 10 ist ein Frontaufriß einer zur Lastverschiebungskompensation nach der Erfindung mit positionserfassenden Dehnungsmeßstreifen versehenen Druckbalkenlastzelle;
Fig. 11 ist ein Seitenaufriß der Lastzelle aus Fig. 10;
Fig. 12 ist ein Seitenaufriß eines zur Lastverschiebungskompensation nach der Erfindung mit kapazitiven Gewichts- und Positionssensoren versehenen Lastzellenlastaufnehmers;
Fig. 13 ist eine horizontale Schnittansicht der Lastzelle aus Fig. 12 entlang der Linie 13-13 in Fig. 12;
Fig. 14 ist ein Seitenaufriß des Lastaufnehmers aus Fig. 12 mit einer anderen Anordnung kapazitiver Sensoren;
Fig. 15 ist eine horizontale Schnittansicht der Lastzelle aus Fig. 14 entlang der Linie 15-15 in Fig. 14;
Fig. 16 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung zur Bestimmung der Kapazität eines Sensorkondensators, wie etwa der in den Lastzellen aus den Figuren 12 - 15 verwendeten;
Fig. 17 ist ein Diagramm einer Schaltung, die die Verwendung eines einzelnen Referenzkondensators zur Bestimmung der Kapazität von 3 Sensorkondensatoren in der Schaltung aus Fig. 16 zuläßt;
Fig. 18 ist ein Frontaufriß eines Kondensators, der den relativen Effekt von außermittiger Belastung auf die Platten zeigt;
Fig. 19 ist ein Seitenaufriß des Kondensators aus Fig. 18;
Fig. 20 ist eine Draufsicht auf den Kondensator aus Fig. 18;
Fig. 21 ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb einer die Erfindung beinhaltenden Wägevorrichtung zeigt;
Fig. 22 ist ein Flußdiagramm der Lastverschiebungskorrektur-Subroutine in dem Flußdiagramm aus Fig. 21;
Fig. 23 ist eine Draufsicht auf eine Waagenplatte, die verschiedene bei der Aufnahme von Daten zur Bestimmung von Korrekturalgorithmuskonstanten verwendbare Lastpositionen zeigt; und
die Figuren 24A - 24C sind Flußdiagramme eines Programms zur Bestimmung der Lastverschiebungsberechnungskonstanten einer bestimmten, die Erfindung beinhaltenden Wägevorrichtung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Wie in Fig. 1 gezeigt, schließt eine die Erfindung ausführende elektronische Waage einen Lastzellenlastaufnehmer 10 ein. Der Lastaufnehmer 10 kann von einem im wesentlichen beliebigen Typ sein, der proportional zur Größe der auf ihn ausgeübten Last ausgelenkt wird, und dessen Auslenkung durch geeignete Einrichtungen, wie etwa Dehnungsmeßstreifen, kapazitive Elemente und dgl., gemessen und angegeben wird. Ein Satz solcher Kraftangeber wird durch den Block 14 dargestellt. Das Ausgangssignal des Kraftangebers 14 wird sich mit Veränderungen der Position derselben auf den Lastaufnehmer 10 aufgelegten Last zu einem gewissen Grad verändern. Positionserfassungselemente 16, 17 liefern Informationen zur Position der auf den Lastaufnehmer 10 aufgelegten Last in zwei zueinander quer gerichteten Richtungen. In einigen Fällen könnte es erforderlich oder wünschenswert sein, Unterschiede der Lastposition in nur einer Richtung zu kompensieren. In diesen Fällen braucht ein Positionserfassungselement oder -elemente nur zum Angeben der Lastposition in dieser Richtung vorgesehen zu werden. Die Positionssensoren 16, 17 können ein im wesentlichen beliebiger Sensortyp sein, der in der Lage ist, Auslenkungen des Lastaufnehmers zu messen, z.B. Dehnungsmeßstreifen oder kapazitive, piezoelektrische oder faseroptische Elemente. Die Kraftmessung des Kraftangebers 14 und die Positionsinformationen von den Sensoren 16, 17 werden durch einen Analogschalter (20) an einen Analog-Digital-(A/D-)Wandler 21 gekoppelt, wo die Analogsignale in Digitalform umgewandelt und an einen Mikrocomputer 24 geliefert werden. Mit dem Mikrocomputer 24 sind ein Speicher 25 und eine Anzeigeeinheit 27 verbunden. Der Mikrocomputer 24 steuert den Analogschalter 20 und den A/D-Wandler 21 zum Empfang von die Größe und Position einer Last auf dem Lastaufnehmer 10 betreffenden Daten. Der Mikrocomputer 24 verwendet die Lastgrößen- und Positionsinformation zur Erzeugung einer hinsichtlich Lastpositionsvariationen korrigierten Gewichtsangabe, wobei er während der Inbetriebnahme der Waage gewonnene und im Speicher 25 gespeicherte Informationen verwendet, und bewirkt die Anzeige des korrigierten Gewichts auf der Anzeigeinheit 27. Die Weise, in der dies erfolgt, wird im weiteren ausführlicher beschrieben.
Gemäß Fig. 2 schließt eine bevorzugte Form der die Erfindung beinhaltenden Wägevorrichtung eine allgemein mit 30 bezeichnete "digitale Lastzelle" ein, die über eine Schnittstelle an einen "Host" oder einen Waagensystemmikrocomputer 32 angeschlossen ist. Neben anderen Funktionen steuert der Mikrocomputer 32 eine Anzeigeeinrichtung 34 und einen Drucker 35 und empfängt Bedienerinformationen durch eine Tastatur 37. Das Wägesystem aus Fig. 2 unterscheidet sich von der typischeren Anordnung aus Fig. 1 vor allem darin, daß verschiedene elektronische Schaltungen unter Hinzufügung des A/D-Wandlers und eines dedizierten Lastzellenmikroprozessor und Speichers auf derselben gedruckten Schaltungskarte kombiniert worden sind. Das Ergebnis ist die digitale Lastzelle, die als Einheit für sich selbst kalibriert, kompensiert und korrigiert und in eine Vielzahl mikrocomputerkontrollierter Waagensysteme eingebaut werden kann. So eingebaut ist die digitale Lastzelle an den Waagen- oder Host-Mikrocomputer, wie etwa Mikrocomputer 32 in Fig. 2, schnittstellenmßig angeschlossen.
In der in Fig. 2 gezeigten Form schließt die digitale Lastzelle 30 viele gleiche Elemente wie in Fig. 1 ein. Der Kraftangeber 14 und die Positionssensoren 16, 17 liefern Analogsignale an entsprechende Sätze Vorverstärker und Filter 43 bis 45 und dann über einen elektronischen Schalter 47 an einen A-D-Wandler 50. Der A-D-Wandler ist vorzugsweise vom integrierenden Typ mit drei Steigungen (triple siope integrating type). Der Betrieb der digitalen Lastzelle wird von einem programmierten Mikroprozessor 60 und einem damit verbundenen nichtflüchtigen RAM-Speicher 62 gesteuert. Geeignete Mikroprozessoren sind die INTEL-Modelle 8049 und 8051.
Zusätzlich zur Steuerung des Betriebs der digitalen Lastzelle 30 arbeitet der Mikroprozessor 60 mit RAM 62 mit den Gewichtsdaten von dem A-D-Wandler 50 zur Kompensation der Effekte der Lastposition nach der Erfindung. Ferner kommuniziert der Mikroprozessor mit dem Host-Mikrocomputer 32 und überträgt dorthin Gewichtsdaten, die von dem Host-Mikrocomputer weiterverarbeitet und auf der Anzeigeeinrichtung 34 angezeigt werden können.
Es wird jetzt Bezug genommen auf die Figuren 3, 4 und 5, in denen ein allgemein mit 70 bezeichneter Doppelbalkenlastaufnehmer mit einem oberen Balken 71 und einem unteren Balken 72 gezeigt wird. Die Balken 71, 72 sind an einem Ende über das vertikale Teil 75 und an dem anderen Ende über das vertikale Teil 77 starr verbunden. Der Lastaufnehmer 70 ist an einem Ende über ein starres Abstandsteil 81 mit einer Stützbasis 82 verbunden. Das andere Ende des Lastaufnehmers 70 stützt über ein starres Abstandsteil 86 eine Gewichtsaufnahmeplatte 85. Ein Satz kraftmessende Dehnungsmeßstreifen 90 bis 93 ist auf konventionelle Weise an dem Lastaufnehmer 70 angeordnet. Die Dehnungsmeßstreifen 90 und 91 sind an der oberen Oberfläche des oberen Balkens 71 längs der Mittellängsachse des Balkens 71 ausgerichtet und auf ihr zentriert angeordnet, während die Dehnungsmeßstreifen 92 und 93 an der unteren Oberfläche des unteren Balkens 72 mit der gleichen Orientierung wie die Meßstreifen 90, 91 angeordnet sind.
Die Anordnung der Figuren 3 bis 5 ist, soweit bisher beschrieben, eine eine Doppelbalkenlastzelle verwendende konventionelle Waage. Die Dehnungsmeßstreifen 90 bis 93 können in einer elektrischen Brückenschaltung verbunden sein, um ein das Gewicht eines auf der Gewichtsaufnahmeplatte 85 aufgelegten Gegenstandes darstellendes elektrisches Analogausgangssignal zu liefern. Typischerweise wird man das Analogausgangssignal der Brückenschaltung über einen A-D-Wandler an eine Anzeigeeinrichtung anlegen, um eine Digitaldarstellung des Gewichts des Gegenstandes auf der Platte 85 zu liefern. Ferner wurde die bisher beschriebene Waage mehr oder weniger von den Effekten verschiedener Lastpositionen auf der Platte 85 beeinträchtigt, d.h. Veränderungen der Anordnung derselben Last auf der Platte 85 würden Veränderungen des Ausgangssignals der Dehnungsmeßstreifen 90 bis 93 ergeben. Die Waage würde auf diese Weise eine weitere Kompensation von Lastpositionsunterschieden erfordern, die auf eine der oben diskutierten Weisen vorgesehen werden könnte.
Nach der Erfindung wird, wie in Fig. 4 gezeigt, ein zusätzliches Paar Dehnungsmeßstreifen 99, 100 auf der oberen Oberfläche des oberen Balkens 71 angeordnet. Der Dehnungsmeßstreifen 99 ist an einer Seite des Dehnungsmeßstreifens 91 an geordnet und seine Dehnungserfassungselemente sind parallel zur Längsachse des Balkens 71 ausgerichtet, so daß er Lastpositionen entlang der oder parallel zu der Längsachse des Balkens 71 erfassen kann. Der Dehnungsmeßstreifen 100 ist lateral an einer Seite des Dehnungsmeßstreifens 90 angeordnet, und seine Dehnungserfassungselemente sind in einem Winkel zu der Längsachse des Balkens 71 ausgerichtet, so daß er Lastpositionen senkrecht zu der Längsachse des Balkens erfassen kann. Der Winkel des Meßstreifens 100 kann in einem Bereich von wenigen Grad bis 90 Grad liegen, um einen erwünschten Ausgangssignalpegel des Meßstreifens bei bestimmten Anwendungen zu erreichen. Der Dehnungsmeßstreifen 99 liefert bei einer gegebenen Last Ausgangssignale, die entsprechend Veränderungen der Lastposition in der Längsrichtung verschieden sind. Genauso liefert der Meßstreifen 100 bei einer gegebenen Last Ausgangssignale, die entsprechend Veränderungen in der Lastposition in Richtungen quer zu der Längsachse des Balkens 71 verschieden sind. Zusammen liefern die Meßstreifen 99, 100 den Effekt verschiedener Lastpositionen auf der Platte 85 anzeigende Informationen, die mit Informationen der kraftmessenden Dehnungsmeßstreifen 90 bis 93 kombiniert werden können, um eine für eine beliebige Lastposition richtige Gewichtsangabe zu liefern.
Die positionserfassenden Dehnungsmeßstreifen 99 und 100 und die kraftmessenden Dehnungsmeßstreifen 90 bis 93 können in dem Blockdiagramm aus Fig. 1 oder aus Fig. 2 auf die in Fig. 6 gezeigte Weise eingebunden werden. Die kraftmessenden Dehnungsmeßstreifen 90 bis 93 sind in einer elektrischen Brückenschaltung 105 auf die konventionelle Weise angeordnet. Der Ausgang der Brückenschaltung 105 ist über den Vorverstärker 44 mit dem Analogschalter 47 in Fig. 2 oder direkt mit dem Analogschalter 47 in Fig. 1 verbunden. Der Längspositionsdehnungmeßstreifen 99 und der Querpositionsdehnungsmeßstreifen 100 sind jeweils in einer Brückenschaltung mit drei festen Widerständen verbunden. Weil die Meßstreifen 99, 100 die einzigen aktiven Elemente in der jeweiligen Brückenschaltung sind, geben die Brückenschaltungsausgangssignale die Ausgangssignale oder Veränderungen des Widerstands des entsprechenden Meßstreifens an. Der Ausgang jeder einzelnen Brückenschaltung ist über die Vorverstärker 43, 45 mit dem Analogschalter 47 in Fig. 2 oder direkt mit dem Analogschalter 20 in Fig. 1 verbunden.
Wenn in der Waage aus den Figuren 1 bis 6 das gleiche Gewicht am gleichen Punkt auf der Platte 85 zu verschiedenen Zeitpunkten aufgelegt wird, wird das Gewichtssignal der Brückenschaltung 105 das gleiche sein. Wenn jedoch das Gewicht in einer anderen Position aufgelegt wird, kann das Ausgangssignal der Brückenschaltung 105 abhängig von der Richtung und Größe der Verschiebung des Gewichts ansteigen, abfallen oder gleichbleiben. Die durch die Verschiebung des Gewichts in irgendeiner bestimmten Richtung auf der Platte 105 hervorgerufene Ausgangssignaldifferenz ist ungefähr proportional zu der Strecke der Verschiebung und dem Gewicht des Gegenstandes. Das heißt,
Differenz = A * Gewicht * Verschiebung (1)
wobei A eine Konstante und eine Funktion der Richtung ist.
Durch die Bestimmung der Differenzen für zwei beliebige nichtparallele Richtungen, wie etwa entlang der Längsachse der Balken 33, 34 und rechtwinklig dazu, kann die Differenz für eine beliebige Position auf der Platte 85 bestimmt werden. Die Gesamtdifferenz kann gewöhnlich als Summe der Differenzen für die beiden nichtparallelen Richtungen angesehen werden. Auf diese Weise kann die Differenz, oder der Lastverschiebungsfehler, bestimmt werden, wenn die Verschiebung und die Größe der Last zusammen mit der Lastverschiebungscharakteristik der bestimmten Lastzelle bekannt sind. Die positionserfassenden Meßstreifen 99 und 100 liefern zu sowohl der Größe als auch der Verschiebung der Last proportionale Signale. Die Information aus den Meßstreifen 99 und 100 und aus der Brückenschaltung 105 ermöglicht es dem Mikrocomputer 24 (Fig. 1) oder dem Mikroprozessor 60 (Fig. 2), das Ausgangssignal der Brückenschaltung 105 hinsichtlich Lastverschiebungsfehler zu korrigieren.
Ein Algorithmus, der eine hinsichtlich Lastverschiebung in einer beliebigen Richtung, z.B. der Längsrichtung korrigierte Gewichtsangabe liefert, beinhaltet den unkorrigierten Meßwert plus einen Korrekturterm hinsichtlich der Verschiebung in dieser Richtung. Der Korrekturterm muß, wie in Gleichung (1) angegeben, sowohl die Größe des Gewichts als auch seine Verschiebung in der betreffenden Richtung berücksichtigen. Die positionserfassenden Meßstreifen 99 und 100 liefern Meßwerte, die diese Kriterien für die Längs- bzw. Querrichtung erfüllen. Die Summe der Korrekturterme für beide Richtungen plus dem unkorrigierten Meßwert liefert eine hinsichtlich der Lastpositionsunterschiede in allen Richtungen korrigierte Gewichtsangabe.
Folglich lautet eine einfache Form eines Algorithmus zur Korrektur des Lastverschiebungsfehlers
Cr = A * RR + B * LG + C * TG (2)
wobei
CR das hinsichtlich der Lastposition korrigierte Gewicht ist,
RR das unkorrigierte Gewicht ist,
LG der Meßwert des längspositionserfassenden Meßstreifens (99) ist,
TG der Meßwert des querpositionserfassenden Meßstreifens (100) ist,
und A, B und C Konstanten mit von der einzelnen Lastzelle abhängigen Werten sind.
In der Praxis wird der die Längsposition erfassende Meßstreifen 99 ein Ausgangssignal mit der auf der Platte 85 mittig angeordneten Last als Referenzposition erzeugen, während der Quermeßstreifen 100 abhängig von seinem Ausrichtungswinkel das gleiche tun kann oder nicht. Der bedeutungstragende Wert für sowohl den Längsmeßstreifen 99 als auch den Quermeßstreifen 100 ist die Differenz zwischen ihrer Meßwertausgabe bei der in der entsprechenden Richtung verschobenen Last und bei der Last in der Anfangs- oder Referenzposition. In Gleichung (2) berücksichtigt die Verwendung des Koeffizienten A für das unkorrigierte Gewicht mit einem Wert ungleich eins Referenzpositionsmeßwerte ungleich null für einen oder beide Pösitionsmeßstreifen.
Die Werte der Konstanten A, B, C für jede einzelne Lastzelle können nach Konstruktion und Zusammenbau der Lastzelle bestimmt werden. Ein bekanntes Gewicht wird in verschiedenen Positionen auf die Lastaufnahmeplatte aufgelegt, und in jeder Lastposition werden von der gewichtsangebenen Brücke 105, dem längspositionserfassenden Meßstreifen 99 und dem querpositionserfassenden Meßstreifen 100 Meßwerte aufgenommen. Die so aufgenommenen Daten können zur Bestimmung der Werte der Konstanten A, B, C für die einzelne Lastzelle verwendet werden. Fig. 7 und die Tabelle 1 unten zeigen diesen Ablauf für einen idealisierten Fall.
Wie in Fig. 7 gezeigt, wird ein bekanntes Gewicht in die Position 1 in der Mitte der Platte 85 aufgelegt. Für die Brücke 105, den längspositionserfassenden Meßstreifen 99 und den querpositionserfassenden Meßstreifen 100 werden Meßwerte in Form von digitalen Zählwerten aufgenommen und in der entsprechenden Spalte von Tabelle 1 als Position-l-Meßwerte aufgezeichnet. TABELLE 1
Dasselbe Gewicht wird dann in eine andere Position verschoben, in diesem Beispiel in Position 2, in der das Gewicht in der Längsrichtung versetzt ist, und es werden die gleichen Meßwerte aufgenommen und in Tabelle 1 aufgezeichnet. Das Gewicht wird dann in die Position 3 bewegt, in der es quer versetzt ist, und es werden die gleichen Meßwerte in Tabelle 1 aufgezeichnet. Die Meßwerte für jede der Positionen 1, 2 und 3 können dann in die obige Gleichung (2) eingesetzt werden, was zu drei Gleichungen mit drei Unbekannten A, B und C führt. Die Lösung der Gleichungen mit den in Tabelle 1 gegebenen beispielhaften Meßwerten liefert Werte von
A = 1,00604
B = - ,0201207
C = - ,00377264.
Die obige Gleichung (2) und die für die bestimmte Lastzelle bestimmten Werte der Konstanten A, B und C können in dem Speicher 25 (Fig. 1) oder RAM 62 (Fig. 2) gespeichert und zur Korrektur jedes Gewichtsmeßwertes hinsichtlich der Lastposition während des Betriebs der Waage verwendet werden.
Die Erfindung ist oben anhand eines Doppelbalkenlastaufnehmers beschrieben worden, der vier Dehnungsmeßstreifen zur Kraftmessung und jeweils einen einzelnen Dehnungsmeßstreifen zur Erfassung jeder der Längs- und Querlastpositionen verwendet. Es ist jedoch zu beachten, daß die Erfindung genauso auf im wesentlichen jeden beliebigen Typ von Lastaufnehmer, einschließlich Einfachbalken, Scherbalken, Druckzellen und anderer Anordnungen, anwendbar ist, und daß andere Typen Kraftmeß- und/oder Positionserfassungselemente und -anordnungen verwendet werden können. Zum Beispiel können mehrere, zu einer Brückenanordnung verbundene Dehnungsmeßstreifen zur Längs- und/oder Querpositionserfassung verwendet werden. Auch andere Typen von Wandlern, wie Wandler mit variabler Kapazität, können als Kraftmeß- und/oder Positionserfassungselemente verwendet werden. Weiterhin können andere Formen von Algorithmen als die oben gezeigten verwendet werden, um eine präzisere Lastverschiebungskorrektur zu erreichen und andere Fehler zusätzlich zu den Lastpositionsfehlern zu korrigieren.
Eine etwas weiter fortentwickelte, bestimmte Vorteile bietende Lastzellenanordnung ist in den Figuren 8 bis 10 gezeigt. In Fig. 8 ist der obere Balken 115 eines Doppelbalkenlastaufnehmers, der mit dem Lastaufnehmer 70 in Fig. 3 identisch sein kann, mit 12 Dehnungsmeßstreifen versehen, die alle auf seiner oberen Oberfläche angeordnet sind. Die kraftmessenden Dehnungsmeßstreifen 120, 121, 122 und 123 sind alle auf der oberen Oberfläche des oberen Balkens 115 symmetrisch zur Mittellängsachse des Balkens angeordnet, anstatt daß zwei der Meßstreifen auf der oberen Oberfläche des oberen Balken 115 und zwei der Meßstreifen auf der unteren Oberfläche des unteren Balkens (nicht gezeigt) wie in den Figuren 3 bis 5 angeordnet sind. Die kraftmessenden Meßstreifen 120 bis 123 sind in der Brückenschaltung 124 aus Fig. 9A verbunden.
Bestimmte Vorteile werden erzielt, indem alle der kraftmessenden Dehnungsmeßstreifen 120 bis 123 auf derselben Balkenfläche angeordnet werden. Ein Hauptvorteil ist die Erleichterung der Anbringung der Dehnungsmeßstreifen an dem Balken, die sowohl den Arbeitsaufwand als auch die Kosten vermindert. Ein Nachteil einer solchen Anordnung ist jedoch, daß Lastverschiebungsfehler als nichtlineare Funktion des aufgelegten Gewichts auftreten. Daher wird eine für Halblastbedingungen ausgeführte Verschiebungskompensation bei Vollast schlechte Ergebnisse ergeben, oder es wird ein durch Auflegen von Gewichten in der Mitte der Waagenplatte ausgeführter Linearitätstest erheblich verschiedene Ergebnisse von einem durch außermittiges Auflegen von Gewichten auf die Platte ausgeführten Linearitätstest liefern. Die Nichtlinearitäten sind eine Funktion der Längsposition des Gewichts und man nimmt an, daß sie durch Verformung der Lastzelle verursacht werden. Die Nichtlinearitätseffekte neigen dazu, sich bei Anordnung von Dehnungsmeßstreifen sowohl auf dem oberen als auch auf dem unteren Balken zu kompensieren, aber nicht, wenn alle kraftmessenden Meßstreifen auf einer Balkenfläche sind. Weil diese Nichtlinearitätsfehler eine Funktion der Längsposition des Gewichts sind, kann eine genaue Bestimmung des Fehlers erreicht werden, wenn sowohl die Größe als auch die Position des Gewichts bekannt sind. Die Anordnung aus Fig. 8 ist dann nach der Erfindung sowohl hinsichtlich von Lastverschiebungsfehlern als auch von Positionsnichtlinearitäten korrigierbar.
Ein Paar längspositionserfassende Meßstreifen 126, 127 sind an der oberen Oberfläche des oberen Balkens 115 angeordnet, wobei ihre Dehnungserfassungselemente so ausgerichtet sind, daß sie gegen Lastpositionsveränderungen in der Längsrichtung empfindlich sind. Ferner ist ein Paar querpositionserfassende Dehnungsmeßstreifen 130, 131 auf der oberen Oberfläche des oberen Balkens 115 angeordnet, wobei ihre Dehnungserfassungselemente so ausgerichtet sind, daß sie gegen Lastpositionsveränderungen in Richtungen quer zur Mittellängsachse des Balkens 115 empfindlich sind. Vier inaktive oder "Dummy"-Dehnungsmeßstreifen 135 bis 138 sind zwischen den zueinander in Längsabstand angeordneten aktiven Dehnungsmeßstreifen angeordnet, wobei ihre Dehnungserfassungselemente rechtwinklig zur Mittellängsachse des Balkens 115 ausgerichtet sind.
Die längspositionserfassenden Meßstreifen 126 und 127 sind in der Brückenschaltung 140 aus Fig. 98 mit den inaktiven Meßstreifen 135 und 136 verbunden. Die querpositionserfassenden Meßstreifen 130 und 131 sind in der Brückenschaltung 142 aus Fig. 9C mit den inaktiven Meßstreifen 137 und 138 verbunden. Der einzige Zweck der inaktiven Meßstreifen 135 und 136 in der Brückenschaltung 140 aus Fig. 98 und der inaktiven Meßstreifen 137 und 138 in der Brückenschaltung 142 aus Fig. 9C ist die Vervollständigung der entsprechenden Bruckenschaltungen. Anstatt der inaktiven Meßstreifen können aktive Meßstreifen verwendet werden, um bei Bedarf die Brückenempfindlichkeit zu erhöhen.
Nach der Erfindung kann jeder Gewichtsmeßwert der kraftmessenden Brücke 124 sowohl bezüglich der Lastverschiebung als auch der Nichtlinearitätsfehler durch Kombination mit verschiedenen Korrekturtermen korrigiert werden, die von den Meßwerten der längspositionserfassenden Brücke 140 aus Fig. 9B und der querpositionserfassenden Brücke 142 aus Fig. 9C sowie der Charakteristik der einzelnen Lastzelle selbst abhängen.
Ein geeigneter Ausdruck zur Berechnung einer solchen korrigierten Gewichtsangabe lautet wie folgt:
CW = CR * L, (3)
wobei
CR = RR + LG [E1 + E3 * RR + E5 * RR²] (4)
+ TG [E2 + E4 * RR + E6 * RR²]
und
L = 1 + E7 * CR + E8 * CR², (5)
wobei
CW = hinsichtlich Lastposition und Linearität korrigierte Gewichtsangabe,
L = Linearitätskorrekturfaktor,
CR, RR, LG und TG die gleichen Bedeutungen haben wie in Gleichung (2) und LG und TG die Meßwerte der Brücken 140, 142 sind
und
E1 bis E8 Konstanten sind.
In den meisten Fällen kann mit den Gleichungen (4) und (5) eine ausreichende Genauigkeit erzielt werden, wenn E5, E6 und E8 als Null definiert werden. In manchen Fällen wird es erwünscht sein, die vollständige Form der Gleichungen anzuwenden.
In der Lastzellenanordnung aus Fig. 8 könnten zwei der kraftmessenden Dehnungsmeßstreifen 120 bis 123 natürlich an dem unteren Balken (nicht gezeigt) des Lastaufnehmers wie in Fig. 3 angeordnet werden, wodurch der Nachteil der Nichtlinearität genauso wie die Vorteile der Anordnung aller Meßstreifen auf derselben Balkenfläche im wesentlichen wegfallen. In diesem Fall könnte die darausfolgende Anordnung hinsichtlich der Lastposition unter Verwendung nur der obigen Gleichung (4) kompensiert werden.
Die Werte der Koeffizienten E1 bis E8 in den obigen Gleichungen (4) und (5) können für jede einzelne Lastzelle bestimmt werden, nachdem die Lastzelle konstruiert und zusammengebaut ist. Vorzugsweise werden die Werte der Koeffizienten durch einen im folgenden beschriebenen iterativen Prozeß bestimmt.
Die Figuren 10 und 11 zeigen eine Druckbalkenlastzelle 160 mit vier aktiven, oder lasterfassenden, an der Außenseite des Lastaufnehmers 166 in 90º-Abständen auf konventionelle Weise angeordneten Dehnungsmeßstreifen 161 bis 164. Die Meßstreifen 161 und 163 sind zugerfassende Meßstreifen, während die Meßstreifen 162 und 164 druckerfassende Meßstreifen sind. Ferner ist ein Paar positionserfassende Meßstreifen 170 und 171 an dem Lastaufnehmer 166 in 90º-Abständen zur Erfassung der Positionen von Gewichten auf einer von der Lastzelle 160 gestützen Gewichtsaufnahmeplatte (nicht gezeigt) angeordnet. Der Positionsmeßstreifen 170 ist unter dem Druckmeßstreifen 162 angeordnet, um Positionen einer Last erfassen zu können, die in einer zu einer durch die Meßstreifen 162 und 164 laufenden Achse parallelen Richtung verschoben sind. Genauso kann der Meßstreifen 171 entlang einer durch die Meßstreifen 161, 163 laufenden Achse verschobene Lastpositionen erfassen. Eine die Lastzelle aus den Figuren 11 und 12 verwendende Waage kann hinsichtlich von Unterschieden der Lastposition auf im wesentlichen die gleiche Weise wie oben in Verbindung mit den Figuren 1 bis 6 beschrieben kompensiert werden. Die lasterfassenden Dehnungsmeßstreifen 161 bis 164 sind bei ihrer Verwendung in einer Brückenschaltung zu dem Kraftangeber 14 in Fig. 1 oder 2 verbunden. Die positionserfassenden Meßstreifen 170, 171 sind auf die gleiche Weise wie die Meßstreifen 99 und 100 in Fig. 6 zu den Positionssensoren 16, 17 in dem System aus Fig. 1 oder 2 verbunden.
Die obige Gleichung (2) kann als Lastverschiebungskompensationsalgorithmus verwendet werden. Die Werte der Koeffizienten A, B, C in der Gleichung (2) können für einzelne Drucklastzellen nach der Konstruktion und dem Zusammenbau der Lastzelle auf die gleiche Weise wie oben für die Figuren 1 bis 6 beschrieben bestimmt werden. Ein bekanntes Gewicht wird auf eine von der Lastzelle 160 gestützte Platte in verschiedene Positionen aufgelegt, und in jeder Position werden von einer die Meßstreifen 161 bis 164 umfassenden gewichtsangebenden Brücke und von den positionserfassenden Meßstreifen 170, 171 Meßwerte aufgenommen. Die so aufgenommenen Daten werden in einer Tabelle wie der obigen Tabelle 1 aufgezeichnet und die Koeffizienten in Gleichung (2) z.B. durch gleichzeitige Lösung von mit den in der Tabelle aufgelisteten Daten ausgeschriebenen Gleichungen bestimmt. Der Lastverschiebungskompensationsalgorithmus, wie etwa die obige Gleichung (2), und die für die Konstanten A, B und C für die einzelne Lastzelle bestimmten Werte werden in dem zugehörigen Waagenspeicher, wie etwa dem Speicher 25 in Fig. 1 oder dem RAM 62 in Fig. 2, gespeichert und zur Korrektur jedes Gewichtsmeßwertes hinsichtlich der Lastposition während des Betriebs der Waage verwendet.
Es wird nun Bezug genommen auf die Figuren 12 und 13, die einen vorzugsweise aus einem einheitlichen Block aus Keramik gebildeten Lastaufnehmer 200 zeigen, der aber genauso aus anderen geeigneten Materialien gebildet sein kann. Der Lastaufnehmer 200 ist so bearbeitet, daß ein Lastaufnahmeabschnitt 202 an einem Ende, ein Laststützabschnitt 204 an dem entgegengesetzten Ende und Biegebalken 206 und 207 gebildet sind. Ein erster Auslegerbalken 210 und ein zweiter Auslegerbalken 212 erstrecken sich von dem Stützabschnitt 204 auf den Lastaufnahmeabschnitt 202 zu. Ein dritter Auslegerbalken 214 erstreckt sich von dem Lastaufnahmeabschnitt 202 auf den Stützabschnitt 204 zu und ist mit dem Balken 212 in Flucht. Der Stützabschnitt 204 ruht auf einem Stützteil 215. Die Struktur wirkt als Parallelogrammverbindung, so daß die Last, die auf den Lastaufnahmeabschnitt 202 aufgelegt ist, dessen Abwärtsbewegung und die des Balkens 214 bewirken wird, bis die durch die Biegebalken 206 und 207 verursachte Rückstellkraft der einwirkenden Kraft gleichkommt, während der Stützabschnitt 204 und die Balken 210 und 212 in ihrer Position bleiben. Die Auslenkung des Lastaufnahmeabschnitts 202 und des Balkens 214 wird dann ein Maß für die einwirkende Kraft sein.
Jeder der Balken 210, 212 und 214 ist mit einer oder mehreren Elektroden versehen, die jeweils eine Platte eines der Parallelplattenkondensatoren 218, 219, 221 oder 222 bilden. Der Kondensator 218 ist zwischen in Bezug zueinander festen gegenüberliegenden Seiten der Balken 210 und 212 ausgebildet und hat deswegen einen im wesentlichen festen Kapazitätswert. Die Kondensatoren 219, 221 und 222 sind zwischen in Bezug zueinander beweglichen Seiten der Balken 210 und 214 ausgebildet, so daß sich ihre Kapazitätswerte mit der Auslenkung des Balkens 214 und daher mit der auf den Lastaufnahmeabschnitt 202 einwirkenden Last verändern. Der feste Kondensator 218 kann als Referenz für den veränderlichen, gewichtserfassenden Kondensator 219 und, wenn gewünscht, für die veränderlichen Kondensatoren 221 und 222 verwendet werden. Wie unten beschrieben, kann ein zu der Kapazität des Kondensators 219 und daher zu der einwirkenden Last proportionales Analogsignal erhalten werden.
Der Kondensator 219 ist an dem Lastaufnehmer 200 mittig angeordnet, um seine Empfindlichkeit für an verschiedenen Positionen bezüglich des Lastaufnahmeabschnitts 202 aufgelegte Lasten zu minimieren. Trotz einer solchen Anordnung ist der Lastaufnehmer 200 jedoch empfindlich für durch Veränderungen der Position einer auf den Lastaufnehmer einwirkenden Last hervorgerufene Fehler. Nach der Erfindung sind die Kondensatoren 221 und 222 zur Angabe der Position der Last vorgesehen, so daß das Ausgangssignal der Lastzelle hinsichtlich verschiedener Lastpositionen kompensiert werden kann.
Die Kondensatoren 221 und 222 sind auf den Balken 210 und 214 in einem Längs- und einem Querabstand von dem Kondensator 219 angeordnet, um für außermittig auf dem Lastaufnehmer angeordnete Lasten empfindlicher als der Kondensator 219 zu sein. Der Kapazitätswert jedes Kondensators 221, 222 wird sich nicht nur mit der einwirkenden Last, sondern auch mit der Lastposition verändern. Diese Information kann dazu verwendet werden, eine hinsichtlich der Position korrigierte Gewichtsangabe zu liefern.
In den Figuren 14 und 15 wird die Lastzelle 200 aus den Figuren 12 und 13 mit dem Referenzkondensator 218, dem gewichtserfassenden Kondensator 219 und dem positionserfassenden Kondensator 221 in den gleichen Positionen wie in den Figuren 12 und 13 gezeigt. Der positionserfassende Kondensator 222 ist jedoch durch einen Kondensator 222a mit an den gegenüberliegenden senkrechten Stirnseiten der Balken 212 und 214 angeordneten Platten ersetzt worden. In dieser Position ist der Kondensator 222a empfindlicher für Lastpositionsunterschiede entlang der Längsachse der Lastzelle 200, im Vergleich zu quer dazu, als der Kondensator 222 in den Figuren 12 und 13.
Es ist klar, daß die Kondensatoren in den Figuren 13 bis 16 (richtig: 12 bis 15) zur Erfüllung ihres Zweckes auf viele Arten angeordnet werden können. Es ist nur erforderlich, daß die Kondensatoren zur Lieferung von Informationen über Gewicht und Lastposition verwendet werden können.
Es wird nun Bezug auf Fig. 16 genommen, in der eine Schaltungsanordnung gezeigt wird, die einen Referenzkondensator 218 und einen gewichtserfassenden Kondensator 219 zur Lieferung eines die Größe der auf den Lastaufnehmer 200 einwirkenden Last angebenden Analogsignals verwendet. In dem Kapazitätsmeßsystem aus Fig. 16 sind die Kondensatoren 218 und 219 in Reihe geschaltet, während ihr gemeinsamer Anschluß mit einem Eingang eines Rückkopplungsnetzwerks 230 verbunden ist. Die verbleibenden Anschlüsse der Kondensatoren 218 und 219 sind mit verschiedenen Ausgangsanschlüssen eines Schalternetzwerks 232 verbunden. Ein dritter Ausgangsanschluß des Schalternetzwerks 232 ist mit einem zweiten Eingangsanschluß des Rückkopplungsnetzwerks 230 verbunden. Das Rückkopplungssignal vom Rückkopplungsnetzwerk 230 ist mit dem Eingang des Schalternetzwerks 232 verbunden.
Das Schalternetzwerk 232 verbindet periodisch das Rückkopplungssignal und eine Anzahl Referenzpotentiale mit den Kondensatoren 218 und 219 und dem Rückkopplungsnetzwerk 230, so daß die durchschnittliche in den Kondensatoren 218, 219 während jedes Zyklus gespeicherte Ladung im wesentlichen einem vorbestimmten Wert gleich ist. Das von dem Rückkopplungsnetzwerk 230 erzeugte Rückkopplungssignal stellt die Differenz zwischen der in den Kondensatoren 218 und 219 gespeicherten Ladung und dem vorbestimmten Wert dar. Das Rückkopplungssignal ist daher eine vorbestimmte Funktion der Kapazität des veränderlichen Kondensators 219, die andererseits eine Funktion der auf den Lastaufnehmer 200 einwirkenden Last ist. Die Anordnung aus Fig. 16 ist in dem US-Patent 4,054,833, erteilt am 18. Oktober 1977, ausführlicher beschrieben.
Zu denen aus Fig. 16 identische Schaltungen können auch zur Lieferung von Signalen verwendet werden, die den Kapazitätswert der positionserfassenden Kondensatoren 221 und 222 in Fig. 12 und 13 oder der Kondensatoren 221 und 222a in den Figuren 14 und 15 angeben. In diesen Fällen muß entweder ein dem Referenzkondensator 218 entsprechender zusätzlicher Referenzkondensator für jeden einzelnen positionserfassenden Kondensator vorgesehen sein, oder der einzige Referenzkondensator 218 muß in jede einzelne der drei Kapazitätserfassungsschaltungen eingeschaltet werden. Im ersten Fall könnten die zusätzlichen Referenzkondensatoren an dem Balken 212 des Lastaufnehmers 200 in Fig. 13 oder Fig. 15 zusammen mit dem Referenzkondensator 218 angeordnet sein. Im zweiten Fall hat der einzige Referenzkondensator 218, wie in Fig. 17 gezeigt, einen direkt mit jedem der drei Schalternetzwerke 232 verbundenen Anschluß 218a. Der verbleibende Anschluß 218b wird durch den Analogschalter 250 der Reihe nach zu dem Rückkopplungsnetzwerk 230 und dem Erfassungskondensator jeder einzelnen Schaltung durchgeschaltet. Der Analogschalter 250 wird durch den Mikroprozessor 24 in Fig. 1 oder den Mikroprozessor 60 in Fig. 2 gesteuert, um den gemeinsamen Referenzkondensator 218 der Reihe nach mit jeder einzelnen Kapazitätserfassungsschaltung zu verbinden, wenn die Schaltung durch den Analogschalter 20 (Fig. 1) oder den Analogschalter 47 (Fig. 2) mit einem A/D- Wandler verbunden wird.
Andere Schaltungsanordnungen und Kombinationen als die in den Figuren 16 und 17 gezeigten können zur Lieferung von die Kapazität des Gewichtserfassungskondensators 219 und der Positionserfassungskondensatoren 221, 222 und 222a angebenden Signalen verwendet werden. Zum Beispiel können bekannte, keine Referenzkondensatoren verwendende Kapazitätserfassungsschaltungen verwendet werden, um alle drei Kapazitätswerte in jeder der Figuren 12 und 14 zu gewinnen. Ferner kann die Schaltungsanordnung aus Fig. 16 zur Angabe des Kapazitätswerts eines oder mehrerer der Kondensatoren 219, 221 und 222 (oder 222a) verwendet werden, während die übrigen Kapazitätswerte von einer keinen Referenzkondensator verwendenden Schaltung bestimmt werden.
Welche Kapazitätserfassungsschaltung oder -schaltungen auch verwendet werden, sie füllt/füllen die Blöcke 14, 16 und 17 in dem System aus Fig. 1 oder Fig. 2 aus.
In der kapazitiven Lastzelle aus den Figuren 12 bis 15 ist die Kapazität des Gewichtserfassungskondensators 219 direkt proportional zu der Überlappungsfläche der Platten und umgekehrt proportional zu der Entfernung zwischen ihnen. Auf die Lastzelle einwirkende Lasten sollten idealerweise nur die Entfernung zwischen den Platten verändern. Außermittig einwirkende Lasten erzeugen jedoch eine Relativbewegung der Platten als Funktion der Position der einwirkenden Last. Diese Relativbewegung kann als Veränderung der Plattenentfernung, als Drehung einer Platte bezüglich der anderen um eine zu den Platten parallele Achse und als Bewegung einer Platte bezüglich der anderen in einer die sich bewegende Platte enthaltenden Ebene auftreten. Die veränderte oder neue Kapazität des Kondensators kann dann als die ursprüngliche oder alte Kapazität plus die durch jeden der erwähnten Effekte erzeugte Kapazitätsveränderung ausgedrückt werden, das heißt
C(neu) = C(alt) + dC&sub1; +dC&sub2; +dC&sub3;
wobei
dC&sub1; sich auf Veränderungen der Plattenentfernung bezieht,
dC&sub2; sich auf Veränderungen der Plattenorientierung bezieht,
dC&sub3; sich auf Veränderungen der Plattenstellung bezieht.
Für kleine Veränderungen ist
dC&sub1; proportional zu dS, und
dC&sub3; proportional zu dA,
wobei dS eine kleine Veränderung der Plattenentfernung ist und dA eine kleine Veränderung der Überlappungsfläche der Platten ist.
Bezüglich Veränderungen der Plattenparallelität betrachte man den Kondensator 300 in den Figuren 18 bis 20, bei dem die obere Platte 301 um einen Winkel p in der Längsrichtung und einen Winkel q in der Querrichtung bezüglich der unteren Platte 302 geneigt ist. Jede Platte hat eine Länge 1 und Tiefe m. Die Mitten der Platten sind um einen konstanten Abstand D&sub0; entfernt. Wenn y die Längsachse und x die Querachse des Kondensators 300 ist, ist die Kapazität dC&sub2; einer Fläche dx mal dy am Punkt x, y, an dem die Platten um den Abstand D entfernt sind
dC&sub2; = k dx dy / D .
Aus den Figuren 18 bis 20 ist
D = D&sub0; (1 + y tan p/D&sub0; + x tan q/D )
= D&sub0; (1 + ax + by)
wobei a = tan q/D&sub0; und b = tan p/D&sub0;
und
wovon gezeigt werden kann, daß es entspricht
wobei 1 und m die Länge und Tiefe der Kondensatorplatten sind. Also ist
C&sub2; = F(a,b,n).
Der Gesamtfehler kann beschrieben werden als
dC = dC&sub1; + dC&sub2; + dC&sub3;
wobei dC&sub1; = f(dS), veränderung der Plattenentfernung, ist,
dC&sub2; = F(da, db), Veränderung der Längs- und Querwinkel der Platten, ist,
DC&sub3; = g(dA), Veränderung der überlappenden Fläche der Platten, ist.
Anhand der Figuren 12 bis 15 kann man erkennen, daß für jede Position eines Gewichts auf einer von der Lastzelle gestützten Plattform ein eindeutiger Wert für a und b existiert. Die genaue Beziehung zwischen a, b und der Gewichtsposition wird von der Geometrie und dem Material des Lastzellenlastaufnehmers abhängen und sich mit der Bauart der Lastzelle verändern.
Ferner wird die Entfernung S zwischen den Mitten der Platten auch eine Funktion der Gewichtsposition sein. Die Veränderung von S, dS, kann durch eine Funktion von a und b angenähert werden als
dS = E&sub1;da + E&sub2;db
und S = S&sub0; + dS = S&sub0; + E&sub1;da + E&sub2;db,
wobei S&sub0; die anfängliche Plattenentfernung ist und
E&sub1; und E&sub2; Konstanten sind.
Darüber hinaus kann die Veränderung von A, dA, auch durch eine Funktion von a und b angenähert werden als
dA = E&sub3;da + E&sub4;db
und A = A&sub0; + dA = A&sub0; +E&sub3;da + E&sub4;db,
wobei A&sub0; die anfängliche Überlappungsfläche der Platten ist, und E&sub3; und E&sub4; Konstanten sind.
Durch Einsetzen folgt
dC= dC&sub1; + dC&sub2; +dC&sub3; = f(dS) + F(da,db) + g(dA)
= E&sub5;da + E&sub6;db + F(da,db) + E&sub7;da + E&sub8;db
= da(E&sub5; + E&sub7;) + db(E&sub6; +E&sub8;) + F(da,db)
= G * da + H * db + F(da,db)
Die vollständige Form von F(da,db) kann vereinfacht und genähert werden zu F(da,db) = I * ABS(da) + J * ABS(db) wobei I und J Konstanten sind,
Es wird wieder Bezug genommen auf Fig. 13 zusammen mit den Figuren 18 bis 20, wobei zu beachten ist, daß die Positionserfassungskondensatoren 221 und 222 parallel zu einer der Achse x in den Figuren 19 und 20 entsprechenden Querachse ausgerichtet sind, und daß der Gewichtserfassungskondensator 219 von den Kondensatoren 221 und 222 längs einer der Achse y in den Figuren 18 und 20 entsprechenden Längsachse beabstandet ist. Eine in der Querrichtung außermittig auf die Lastzelle 200 einwirkende Last würde eine relative Neigung der oberen und unteren Platten der Kondensatoren 221 und 222 um einen dem Winkel q in Fig. 17 entsprechenden Winkel hervorrufen. In diesem Fall ist tan q, oder b, eine ungefähr lineare Funktion der Differenz zwischen den Kapazitäten der Kondensatoren 221 und 222. Genauso ist für eine Lastverschiebung in der Längsrichtung tan p, oder a, eine ungefähr lineare Funktion der Differenz zwischen der Summe der Kapazitäten der Kondensatoren 221 und 222 und der zweifachen Kapazität des Kondensators 219. Folglich kann Gleichung (6) geschrieben werden als
dC = G * (C&sub2;&sub2;&sub2; - C&sub2;&sub2;&sub1;) + H * (C&sub2;&sub2;&sub1; + C&sub2;&sub2;&sub2; - 2C&sub2;&sub1;&sub9;)
+ I * ABS (C&sub2;&sub2;&sub2; -C&sub2;&sub2;&sub1;)
+ J * ABS (C&sub2;&sub2;&sub1; + C&sub2;&sub2;&sub2; -2C&sub2;&sub1;&sub9;) (7)
wobei cn die angegebenen Kapazitäten der numerierten Kondensatoren sind.
Dieser Ausdruck kann zur Kompensation von Nichtlinearitäten und zur Verbesserung der allgemeinen Genauigkeit durch Hinzufügen von höheren Potenztermen erweitert werden zu
dCx = G * (C222 - C221) + H * (C221 + C222 - 2C219)
+ I * ABS (C222 - C221)
+ J * ABS (C221 + C222 - 2C219)
+ K * (C222 - C221)²
+ L * (C221 + C222 - 2C219)²
+ M * [(C&sub2;&sub2;&sub2; - C&sub2;&sub2;&sub1;) (C&sub2;&sub2;&sub1; + C&sub2;&sub2;&sub2; - 2C&sub2;&sub1;&sub9;)]
+ N * ABS [(C222 - 0221)
* (C&sub2;&sub2;&sub1; + C&sub2;&sub2;&sub2; - 2C&sub2;&sub1;&sub9;)] (8)
wobei G-N Konstanten mit von der einzelnen Lastzelle abhängigen Werten sind und dCx das erweiterte dC ist.
In der Anordnung aus den Figuren 14 und 15 werden die Kondensatoren 221 und 219 quer verschoben, so daß tan q, oder b, eine ungefähr lineare Funktion der Differenz zwischen den Kapazitäten der Kondensatoren 221 und 219 ist. Die Kondensatoren 222a und 219 werden längs verschoben, so daß tan p, oder a, eine ungefähr lineare Funktion der Differenz zwischen den Kapazitäten der Kondensatoren 222a und 219 ist. Folglich kann Gleichung (6) für die Anordnung aus den Figuren 14 und 15 geschrieben werden als
dc = G * (C&sub2;&sub2;&sub1; - C&sub2;&sub1;&sub9;) + H * (C222a - C&sub2;&sub1;&sub9;)
+ I * ABS (C&sub2;&sub2;&sub1; - C&sub2;&sub1;&sub9;)
+ J * ABS (C222a - C&sub2;&sub1;&sub9;) (7A)
> Dieser Ausdruck kann auf die gleiche Weise und zum gleichen Zweck wie bei Gleichung (8) erweitert werden zu
dCx = G * (C&sub2;&sub2;&sub1; - C&sub2;&sub1;&sub9;) + H * (C222a - C&sub2;&sub1;&sub9;)
+ I * ABS (C&sub2;&sub2;&sub1; - C&sub2;&sub1;&sub9;)
+ J * ABS (C222a - C&sub2;&sub1;&sub9;)
+ K * (C&sub2;&sub2;&sub1; - C&sub2;&sub1;&sub9;)² + L * (C&sub2;&sub2;&sub2;A - C&sub2;&sub1;&sub9;)²
+ M * [(C&sub2;&sub2;&sub1; - C&sub2;&sub1;&sub9;) (C222a - C&sub2;&sub1;&sub9;)]
+ N * ABS [(C&sub2;&sub2;&sub1; - C&sub2;&sub1;&sub9;) (C222a - C&sub2;&sub1;&sub9;)] (8A)
Der Kapazitätswert des Gewichtserfassungskondensators 219, der dem Gewicht eines Gegenstandes auf der Waage entspricht, lautet bezüglich der Lastposition korrigiert
Cc = C&sub2;&sub1;&sub9; + dC (9)
oder Ccx = C&sub2;&sub1;&sub9; + dCx zur Kompensation von Nichtlinearitäten.
Die Werte der Konstanten G-J in den Gleichungen (7), (7A) oder G-N in den Gleichungen (8), (8A) für eine einzelne Lastzelle können nach Konstruktion und Zusammenbau der Lastzelle bestimmt werden. Vorzugsweise werden die Werte der Konstanten durch einen im folgenden beschriebenen iterativen Prozeß auf die gleiche Weise wie die Konstanten E1 bis E8 in den obigen Gleichungen (4) und (5) bestimmt.
Die Figuren 21 und 22 zeigen den durch den Mikroprozessor 60 gesteuerten Betrieb der digitalen Lastzelle 30 aus Fig. 2 bei der Korrektur von Gewichtsdaten zur Kompensation der Effekte der Lastverschiebung nach der Erfindung. Der Mikroprozessor 60 aus Fig. 2 ist in der Lage, mit einem Host- Mikrocomputer 32 entweder in einem Kalibrierungsmodus oder in einem Anwendungsmodus zu kommunizieren. Der Betrieb im Kalibrierungsmodus würde für die Eingabe von Lastverschiebungskompensationsalgorithmuskonstanten in die digitale Lastzelle auftreten. Im folgenden wird der Anwendungsmodus beschrieben, wobei als Beispiel die obigen Gleichungen (3) bis (5) mit den Konstanten E5, E6 und E8 gleich null als Korrekturalgorithmus für die Lastzelle aus Fig. 8 verwendet werden. Zu Anfang sollte beachtet werden, daß die Variablen in den Gleichungen (3) bis (5) und in den anderen oben ausgeführten Lastverschiebungskorrekturalgorithmen wie folgt verallgemeinert werden können:
WGT ist der unkorrigierte Gewichtsmeßwert von dem Kraftangeber 14 in Fig. 2;
POS1 ist die Lastpositionsangabe von dem ersten Positionssensor, z.B. Positionssensor 16 in Fig. 2;
POS2 ist die Lastpositionsangabe von dem zweiten Positionssensor, z.B. Positionssensor 17 in Fig. 2;
WGTC ist die hinsichtlich der Lastposition von dem Mikroprozessor 60 in Fig. 2 korrigierte Gewichtsangabe; und
WGTCL ist die bezüglich der Lastposition und der Linearität korrigierte Gewichtsangabe.
Die mit diesen verallgemeinerten Ausdrücken und mit E5, E6 und E8 gleich null geschriebenen Gleichungen (3) bis (5) lauten wie folgt:
WGTC = WGT + POS1 (E1 + E3 * WGT) + POS2 (E2 + E4 * WGT) (10)
L = 1 + E7 * WGTC (11)
WGTCL = L * WGTC (12)
Die Gleichungen (10) bis (12) werden in den Flußdiagrammen der Figuren 21 und 22 verwendet.
Gemäß den Figuren 21 und 22 wird das System nach START in Block 350 in Block 352 initialisiert, um alle Bereiche des Systems in ihre Anfangszustände zurückzusetzen. Die Ausgangssignale der Positionssensoren 16 und 17 und des Kraftangebers 14 in Fig. 2 werden der Reihe nach ausgelesen und in Block 354 werden A/D-Wandlungen durch eine ADCONV genannte Subroutine ausgeführt. Die aus den A/D-Wandlungen hervorgehen den Gewichts- und Positionsmeßwerte werden in Block 355 zu den entsprechenden Registern bewegt. In Block 357 wird WGT zur Erzeugung von WGTCL mittels einer ADJFIN genannten, in Fig. 22 illustrierten und im weiteren beschriebenen Programmsubroutine hinsichtlich der Lastposition und Linearität korrigiert.
In Block 375 testet das Programm die Gültigkeit der bei der Lastverschiebungskorrektursubroutine ADJFIN verwendeten Konstanten, die in dem RAM 62 (Fig. 2) gespeichert sind. Wenn festgestellt wird, daß die Lastverschiebungskorrekturkonstanten ungültig sind, steigt das Programm durch Punkt 377 zu Block 379 aus, wo ein "Unmöglich"- Wert zur Kennzeichnung ungültiger Daten in das WGTCL Register geladen wird. Das Programm kehrt dann durch Punkt 381 zu Block 383 zurück. Dort werden die digitalen Lastzellendaten zu dem Host-Mikrocomputer 32 (Fig. 2) mittels einer mit X DATA bezeichneten Subroutine übertragen. Das Programm kehrt dann durch den Eintrittspunkt 385 in die Hauptschleife in Block 354 zurück.
Wenn wieder gemäß Block 375 dort festgestellt wird, daß die Lastverschiebungsalgorithmuskonstanten gültig sind, schreitet das Programm zu Block 390 fort, wo eine Überprüfung durchgeführt wird, um zu bestimmen, ob der in Block 354 gewonnene und später korrigierte Gewichtsmeßwert im positiven Bereich des A/D-Wandlers 50 (Fig. 2) liegt. Wenn festgestellt wird, daß die Gewichtsdaten gültig sind, schreitet das Programm fort zu Punkt 381 und zu Block 383, wie oben beschrieben. Wenn in Block 390 bestimmt wird, daß die Gewichtsdaten ungültig sind, schreitet das Programm zu Block 392 fort, wo ein "Unmöglich"- Wert (von dem in Block 379 verschieden) in das WGTCl-Register zur Kennzeichnung ungültiger Daten geladen wird. Das Programm schreitet dann zu Block 383 fort, wie oben beschrieben.
Die Prozedur für die Korrektur der Gewichtsangaben hinsichtlich Lastposition und Linearität unter Verwendung der obigen Gleichungen (10) bis (12) wird in Fig. 22 gezeigt. Zu Berechnungszwecken wird Gleichung (10) wie folgt in mehrere Ausdrücke zerlegt:
Term 1 = POS1 (E1 + E3 * WGT)
Term 2 = POS 2 (E2 + E4 * WGT)
WGTC = WGT + Term 1 + Term 2
Gemäß Fig. 22 wird die Lastverschiebungskompensationssubroutine ADJFIN an Punkt 390 begonnen. In Block 391 wird eine Überprüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob der Host ein Kalibrierungssystem ist. Ist das der Fall, wird keine Verschiebungskompensation ausgeführt und das Programm verzögert sich in Block 392 vor der Rückkehr in die Hauptschleife, um die Zeit aufzubrauchen, die bei der Verschiebungskompensationsberechnung und der Kompensation verbraucht worden wäre. Wenn in Block 391 bestimmt wird, daß der Host ein Anwendungssystem ist, schreitet das Programm zu dem Verschiebungskompensationsprozedur bei Punkt 393 fort.
Die Verschiebungs- (und Linearitäts-) kompensationskonstanten werden in Block 395 aus dem RAM 62 ausgelesen. Dann wird in Block 396 eine Überprüfung durchgeführt, um sicherzustellen, daß sich die gespeicherten Konstanten, seit sie geladen wurden, nicht verändert haben. Wenn irgendeine Konstante als ungültig erachtet wird, kehrt das Programm in die Hauptschleife zurück. Wenn alle Konstanten gültig sind, wird Term 1 des Verschiebungskompensationsalgorithmus in Block 398 berechnet und gespeichert, und es wird Term 2 in Block 399 berechnet und gespeichert. In Block 400 wird das positionskorrigierte Gewicht WGTC berechnet und gespeichert. Der Linearitätskorrekturfaktor L wird in Block 401 berechnet und gespeichert. Schließlich wird in Block 405 WGTCL, das hinsichtlich Lastposition und Linearität korrigierte Gewicht, als Produkt aus WGT und L berechnet, und das Programm kehrt in die Hauptschleife zurück.
Wie oben erwähnt, werden die Konstanten E1 bis E4 und E7 (und, wenn verwendet, E5, E6 und E8) in den obigen Gleichungen (10) bis (12) für jede einzelne Lastzellenvorrichtung 60 vorherbestimmt und für die Verwendung bei der Lastpositions- und Linearitätskompensation gespeichert. Die Darstellung der Lastzellenplatte in Fig. 23 und das Flußdiagramm in den Figuren 24A bis 24C zeigen einen Prozeß zur Bestimmung der Konstanten E1 bis E4 und E7.
Es wird nun Bezug genommen auf Fig. 23, in der eine von dem Doppelbalkenlastzellenlastaufnehmer 115 aus Fig. 8 gestützte Lastaufnahmeplatte 415 gezeigt ist. Zur Berechnung der Konstanten E1 bis E4 und E7 erforderliche Daten werden gewonnen, indem eine Anzahl Gewichtsmeßwerte mit bekannten Gewichten in verschiedenen Positionen auf der Platte 415 aufgenommen werden, wobei die Lastzelle 115 und die Platte 415 Teil des Systems aus Fig. 2 sind. Die verschiedenen Werte für J in derselben Position auf der Platte 415 (z.B. J = 1, 6) stellen verschiedene Gewichte in dieser Position dar. In jede Gewichtsposition J auf der Platte 415 werden bekannte Gewichte gesetzt und Meßwerte für WGT, POS1 und POS2 werden für jedes Gewicht und jede Position aufgenommen. Im besonderen wird ein bekanntes Gewicht von z.B. der halben Waagenvollast in der Mittelposition 1 aufgelegt, und es werden die Meßwerte aufgenommen. Dasselbe Gewicht wird dann in die Position 2 und dann in die Position 3 bewegt, womit Längsverschiebungen des Gewichts vorgenommen werden, und es werden die gleichen Meßwerte aufgenommen. Dasselbe Gewicht wird dann in die Position 4 und dann in die Position 5 bewegt, womit Gewichtsquerverschiebungen vorgenommen werden, und es werden die gleichen Meßwerte für jede dieser Positionen aufgenommen. Dann wird ein der ganzen Vollast der Waage entsprechendes bekanntes Gewicht der Reihe nach in jede der gleichen Positionen (J = 6 bis 10) gesetzt und es werden WGT-, POS1- und POS2-Meßwerte für jede dieser Plattenpositionen gewonnen.
Die resultierenden Daten ergeben 10 Gleichungen (J = 1 bis 10) in der Form der obigen Gleichungen (10) und (12). Die Gleichungen 1 bis 5 werden mit dem Gewicht der halben Vollast erhalten, und die Gleichungen 6 bis 10 mit dem Gewicht der ganzen Waagenvollast in den entsprechenden gleichen Plattenpositionen. Die Gleichungen 1 und 6 verwenden mit den beiden verschiedenen, in der Mitte der Platte 415 angeordneten Gewichten gewonnene Meßwerte. Genauso verwenden die Gleichungen 2 und 7 und die Gleichungen 3 und 8 Meßwerte in den gleichen beiden längsverschobenen Gewichtspositionen. Die Gleichungen 4 und 9 bzw. die Gleichungen 5 und 10 verwenden Meßwerte in den gleichen beiden querverschobenen Gewichtspositionen. In den so gewonnenen 10 Gleichungen sind die Konstanten E1 bis E4 und E7 die zu bestimmenden Größen. Die Konstanten E1 und E3 in jeder Gleichung beeinflussen die Längspositionsangabe POS1, während die Konstanten E2 und E4 die Querpositionsangabe POS2 beeinflussen.
Gemäß den Flußdiagrammen in den Fig. 24 und 25 werden die oben beschriebenen Meßwerte der Gewichts- und Positionsinformation zunächst in Block 430 für jede der zehn in Fig. 23 bezeichneten Positionen aufgenommen. In Block 431 werden die Daten, wenn nötig, normalisiert, indem ein Nullastmeßwert von jedem der in Block 430 aufgenominenen Meßwerte subtrahiert wird.
Dann wird in Block 434 ein Anfangswert für die Konstante E1 als das Verhältnis der Differenz der Gewichtsmeßwerte zwischen den Längspositionen 2 und 3 in Fig. 23 zu der Differenz der Längspositionssensormeßwerte für die Positionen 2 und 3 berechnet. In Block 436 wird ein Anfangswert für die Konstante E2 als das Verhältnis der Differenz zwischen den Gewichtsmeßwerten in den Querpositionen 4 und 5 zu der Differenz zwischen den Querpositionssensormeßwerten in diesen gleichen Positionen berechnet. Das Programm springt dann zu Block 438 zur Subroutine WCAL, in der die Gleichungen (10) und (12) mit den Anfangswerten für E1 und E2 zur Berechnung von WGTC(J) und WGTCL(J) für jede Gewichtsposition J auf der Platte 415 in Fig. 23 verwendet werden.
In den Blöcken 440 bis 445 führt das Programm eine iterative Schleife von in diesem Beispiel 50 Wiederholungen, bei denen die Konstante E1 verändert wird, aus, wird die Subroutine WCAL zur Berechnung neuer Werte für WGTC(J) und WGTCL(J) angewendet, wird die Konstante E2 verändert, wird die Subroutine WCAL wieder angewendet und wird der ganze Prozeß 50 mal wiederholt. Vor dem Eintritt in die iterative Schleife wird der Wiederholungszähler N in Block 439 initialisiert. In Block 440 wird die Konstante E1 bei jeder Wiederholung durch algebraische Hinzufügung eines Bruchteils des Anfangs- oder des zuvor berechneten Wertes zu diesem Wert verändert. Der hinzugefügte Bruchteil wird durch das Verhältnis der Differenz zwischen den aus den Gleichungen 2 und 3 (WGTC(2) und WGTC(3)) bei der unmittelbar vorhergehenden Ausführung der Subroutine WCAL erhaltenen korrigierten Gewichten und den in den Gleichungen 2 und 3 (WGT(2) und WGT(3)) bei derselben Ausführung der Subroutine WCAL verwendeten Gewichtsmeßwerten bestimmt. Dann wird in Block 441 die Subroutine WCAL unter Verwendung des unmittelbar zuvor gewonnenen Wertes für E1N wiederholt. Der Wert der Konstanten E2 wird in Block 442 bei jeder Wiederholung durch Hinzufügung eines Bruchteils des Anfangs- oder des zuvor berechneten Wertes zu dem Wert verändert, wobei der Bruchteil durch das Verhältnis der Differenz zwischen den aus den Gleichungen 4 und 5 in Block 441 gewonnenen korrigierten Gewichten und der Differenz zwischen den in den Gleichungen 4 und 5 in Block 441 verwendeten Gewichtsmeßwerten. Die Subroutine WCAL wird in Block 443 unter Verwendung des unmittelbar zuvor gewonnenen Werts für E2N wiederholt.
Wenn die 50 Iterationen abgeschlossen sind, wie in Block 445 bestimmt wird, schreitet das Programm zu den Blöcken 450 und 451 fort, wo Anfangswerte für die Konstanten E3 und E4 aus den in den jeweiligen Blöcken ausgeschriebenen Gleichungen berechnet werden. In den Blöcken 455 bis 465 führt das Programm eine weitere, zu der oben in den Blöcken 440 bis 445 beschriebenen ähnliche, aber die Konstanten E3 und E4 sowie E1 und E2 einbeziehende iterative Schleife aus. Nach Initialisierung des Wiederholungszählers N in Block 452 werden die Konstanten E1 und E2 verändert, und die Subroutine WCAL wird in den Blöcken 455, 456, 457 und 459 auf die gleiche Weise wie oben beschrieben ausgeführt. In Block 460 wird die Konstante E3 durch Hinzufügung eines Bruchteils des Anfangs- oder des direkt zuvor berechneten Wertes zu diesem Wert verändert, wobei der Bruchteil durch das Verhältnis der Differenz zwischen den aus den Gleichungen 7 und 8 gewonnenen korrigierten Gewichten zu den in den Gleichungen 7 und 8 in der Subroutine WCAL in Block 459 verwendeten Gewichtsmeßwerten bestimmt ist. Nach jeder Berechnung in Block 460 wird die Subroutine WCAL in Block 461 ausgeführt. Dann wird im Block 462 der Wert der Konstanten E4 durch Hinzufügung eines Bruchteils des zuvor berechneten Werts zu diesem Wert verändert, wobei dieser Bruchteil durch das Verhältnis der Differenz zwischen den in Block 461 aus den Gleichungen 9 und 10 gewonnenen korrigierten Gewichten zu der Differenz der in den Gleichungen 9 und 10 verwendeten Gewichtsmeßwerte bestimmt ist. In Block 463 wird wieder die Subroutine WCAL ausgeführt, und das Programm kehrt, wenn fünfzig Wiederholungen nicht abgeschlossen sind, zu Block 455 zum Beginn einer weiteren Iteration zurück. Die Iterationen setzen sich fort, bis 50 Wiederholungen abgeschlossen worden sind, wie im Block 465 bestimmt wird.
Das Programm führt in den Blöcken 470 bis 493 eine weitere iterative Schleife aus. In dieser Schleife werden die bis jetzt in dem Programm berechneten Werte der Konstanten E1 bis E4 hinsichtlich verschiedener Gewichtsdaten eingestellt, wobei ein Halblastgewicht für die Gleichungen und Gewichtspositionen 1 bis 5 verwendet worden ist, während ein Vollastgewicht für die Gleichungen und Gewichtspositionen 6 bis 10 verwendet wurde. Bis zu diesem Punkt in dem Programm sind die Konstanten E1 und E2 nur unter Verwendung von Halblastgewichtsdaten berechnet und verändert worden, während die Konstanten E3 und E4 nur unter Verwendung von Vollastgewichtsdaten berechnet und verändert worden sind.
Nachdem der Wiederholungszähler N in Block 466 initialisiert ist, wird der zuletzt gewonnene Wert der Konstanten E1 in Block 470 auf die gleiche Weise wie zuvor wieder verändert unter Verwendung von Halblast- oder "Niedriggewicht"-Information, im besonderen Meßwerten und Berechnungen für die Gewichtspositionen und Gleichungen 2 und 3. Dann wird in Block 471 der letzte Wert für E1 (in Block 455 gewonnen) verändert unter Verwendung von Vollast- oder "Hochgewicht"-Information, im besonderen Meßwerten und Berechnungen für die Gleichungen und Gewichtspositionen 7 und 8. In Block 472 wird aus dem "Niedriggewicht"-E1 aus Block 470 und dem "Hochgewicht"-E1 aus Block 471 ein gewichteter Mittelwert berechnet. Bei dieser Berechnung wird dem "Niedriggewicht"- El die doppelte Berechnungsgewichtung des "Hochgewicht"-E1 gegeben, weil Halb- und Vollastgewichte bei der Erzeugung der jeweiligen Niedrig- und Hochgewichtsinformation verwendet wurden. In Block 473 wird wieder die Subroutine WCAL ausgeführt zur Berechnung von WGTC(J) und WGTCL(J) unter Verwendung des in Block 472 gewonnenen gewichteten Mittelwerts von E1.
In den Blöcken 475 bis 478 werden die für die Konstante E1 in den Blöcken 470 bis 473 ausgeführten Schritte für die Konstante E2 ausgeführt. In Block 475 wird E2 unter Verwendung von "Niedriggewicht"-Information berechnet und in Block 476 unter Verwendung von "Hochgewicht"-Information. Ein gewichteter Mittelwert des "Niedriggewicht"- und "Hochgewicht"-E2 wird dann in Block 477 auf die gleiche Weise wie oben für die Konstante E1 beschrieben berechnet. In Block 478 wird wieder die Subroutine WCAL ausgeführt zur Berechnung von WGTC(J) und WGTCL(J) unter Verwendung der gewichteten Mittelwerte von E1 und E2.
Die Blöcke 480 bis 483 wiederholen die oben bei den Blöcken 470 bis 479 für die Konstanten E1 und E2 beschriebenen Schritte für die Konstante E3. In Block 483 wird die Subroutine WCAL unter Verwendung der gewichteten Mittelwerte der Konstanten E1, E2 und E3 ausgeführt.
In den Blöcken 486 bis 489 werden die oben für die Gewinnung gewichteter Mittelwerte von E1, E2 und E3 beschriebenen Schritte für die Konstante E4 wiederholt. Ein gewichteter Mittelwert von E4 wird in Block 488 aus dem in Block 486 gewonnenen "Niedriggewicht"-Wert von E4 und dem in Block 487 gewonnenen "Hochgewicht"-Wert gewonnen. In Block 489 wird wieder die Subroutine WCAL ausgeführt unter Verwendung der gewichteten Mittelwerte für die Konstanten E1 bis E4.
Ein Wert für die Konstante E7 wird zum ersten Mal in Block 491 unter Verwendung von in Block 489 aus den Gleichungen 1 und 6 gewonnenen Werten des korrigierten Gewichts WGTC berechnet. Diese Gleichungen verwenden Daten aus den Gewichtspositionen 1 und 6, die mittige Lastpositionen bei halber bzw. voller Last in Fig. 23 sind. Der berechnete Wert WGTC(1) muß bei der Berechnung von E7 verdoppelt werden, weil er nur eine Hälfte des Gewichts in dem Wert von WGTC(6) enthält. Die Subroutine WCAL wird in Block 492 ausgeführt unter Verwendung des in Block 491 berechneten Wertes für E7.
Wie in den Blöcken 494 und 495 angegeben, wird die ganze Schleife von Block 470 bis Block 495 wiederholt, bis 50 Wiederholungen ausgeführt worden sind, was als ausreichend zum Erhalten genauer Werte für die Konstanten E1 bis E4 und E7 erachtet wird. In Block 497 werden diese Konstanten in den Lastzellenmikroprozessor 60 in Fig. 2 eingegeben zur Verwendung mit den Lastverschiebungs- und Linearitätskorrekturalgorithmen bei den Lastverschiebungs- und Linearitätskorrekturen während des Betriebs der Wägevorrichtung.
Wie oben erwähnt, kann es manchmal erwünscht sein, die vollständige Form der obigen Gleichungen (10) bis (12) zu verwenden, in der die Konstanten E5, E6 und E8 nicht gleich Null sind und berechnet werden müssen. In diesem Fall wären zusätzliche Meßwertdaten von auf der Platte 415 in Fig. 23 angeordneten Gewichten notwendig. Solche Meßwerte könnten mit in der Mitte zwischen den Positionen 1, 6 und den Positionen 2, 7 und in der Mitte zwischen den Positionen 1, 6 und den Positionen 3, 8 angeordneten Gewichten zur Gewinnung zusätzlicher Längsverschiebungsdaten aufgenommen werden. In der Mitte zwischen den Positionen 1, 6 und den Positionen 4, 9 und in der Mitte zwischen den Positionen 1, 6 und den Positionen 5, 10 angeordnete Gewichte könnten zur Gewinnung zusätzlicher Querverschiebungsdaten verwendet werden. In dem Programm aus den Figuren 24A bis 24C würden Anfangswerte für die Konstanten E5 und E6 nach den Blöcken 465 in Fig. 24B eingeführt. Die danach folgende Prozedur wäre analog zu der oben beschriebenen Prozedur, wobei die zusätzlichen Konstanten E5 und E6 auf die gleiche Weise wie die Konstanten El1 bis E4 behandelt würden. Die anfängliche Berechnung der Konstanten E8 würde nach dem Block 492 in Fig. 24C eingeführt und sofort von einer weiteren Ausführung der Subroutine WCAL gefolgt.
Zu den in den Figuren 21 und 22 sowie 23 bis 24C gezeigten analoge Programme können zur Lastverschiebungs- und Linearitätkorrektur bzw. zur Berechnung von Korrekturalgorithmuskonstanten für im wesentlichen jeden beliebigen Typ Lastzellenlastaufnehmer und Sensoren, einschließlich der oben beschriebenen und in den Figuren 12 bis 20 gezeigten Lastzelle mit kapazitiven Sensoren, verwendet werden.

Claims

1. Lastpositionskompensierte Wägevorrichtung mit einem Lastaufnehmer (10, 70, 166, 200), einer an dem Lastaufnehmer angebrachten Wandlereinrichtung (14, 90, 91, 92, 93, 120, 121, 122, 123, 219, 221, 222) zur Erzeugung von die Größe von auf den Lastaufnehmer einwirkenden Lasten darstellenden Ausgangssignalen, einer separaten Lastpositionserfassungseinrichtung (16, 17, 99, 100, 126, 127, 130, 131, 221, 222) zusätzlich zu der Wandlereinrichtung, wobei die Lastpositionserfassungseinrichtung die Größe und die Position in mindestens einer von zwei zueinander quer gerichteten Richtungen von auf den Lastaufnehmer einwirkenden Lasten darstellende Ausgangssignale erzeugt, einer Einrichtung (25) zur Speicherung eines mathematischen Ausdrucks für lastpositionskompensierte Last als Funktion der Ausgangssignale der Lastpositionserfassungseinrichtung und der Wandlereinrichtung, und einer Einrichtung (24) zur Anwendung dieses Ausdrucks und der Ausgangssignale der Lastpositionserfassungseinrichtung und der Wandlereinrichtung zur Lieferung von Lastangaben, die unabhängig von den Positionen in mindestens der einen Richtung der auf den Lastaufnehmer einwirkenden Lasten sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung bezüglich dem Lastaufnehmer derart symmetrisch angeordnet ist, daß ihre Empfindlichkeit gegenüber an unterschiedlichen Positionen einwirkenden Lasten minimiert wird, um dadurch nur die Größe der auf den Lastaufnehmer einwirkenden Lasten darstellende Ausgangssignale zu erzeugen, und daß die Lastpositionserfassungseinrichtung an dem Lastaufnehmer bezüglich dem Lastaufnehmer derart angebracht ist, daß sie gegenüber an unterschiedlichen Positionen einwirkenden Lasten empfindlicher als die Wandlereinrichtung ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastpositionserfassungseinrichtung eine erste und eine zweite Erfassungseinrichtung zur Erzeugung von Lastpositionen in zwei zueinander quer gerichteten Richtungen darstellenden Ausgangssignalen aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausdruck die Form aufweist:

Cr = A*RR+B*LG+C*TG, wobei

CR das korrigierte Gewicht darstellt

RR das unkorrigierte Gewicht darstellt

LG und TG die Ausgangssignale der Positionserfassungseinrichtung sind, und

A, B und C Konstanten mit für die einzelne Wägevorrichtung bestimmten Werten sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mathematische Ausdruck eine oder mehrere für die einzelne Wägevorrichtung bestimmte Konstanten enthält.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastaufnehmer mindestens ein proportional zu auf den Lastaufnehmer einwirkenden Lasten bewegliches Teil (71, 72, 166) aufweist und die Wandlereinrichtung eine auf dem beweglichen Teil angeordnete Einrichtung aufweist, die auf die Bewegung des beweglichen Teils zur Lieferung einer Angabe der Größe der auf den Lastaufnehmer einwirkenden Last anspricht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastaufnehmer ein Paar von ansprechend auf auf den Lastaufnehmer einwirkende Lasten relativbeweglichen Teilen (210, 214) aufweist, und bei der die Lastpositionserfassungseinrichtung mindestens einen Kondensator (221, 222) mit einer auf jedem der relativbeweglichen Teile angeordneten Platte aufweist.

7. Wägevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die relativbeweglichen Teile sich parallel zu der Längsachse des Lastaufnehmers erstreckende Auslegerbalken aufweisen.

8. Wägevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastaufnehmer ein Paar von ansprechend auf auf den Lastaufnehmer einwirkende Lasten relativbeweglichen Teilen (210, 214) aufweist, und bei der die Wandlereinrichtung einen Kondensator mit einer auf jedem der relativbeweglichen Teile angeordneten Platte aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastaufnehmer mindestens ein Balkenteil (71, 72) aufweist und die Wandlereinrichtung mindestens einen auf dem Balkenteil angeordneten Dehnungsmeßstreifen (90, 91, 92, 93) zur Lieferung eines die Größe von auf das Balkenteil einwirkenden Kräften angebenden Ausgangssignals aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassungseinrichtung einen auf einer Oberfläche des Balkens positionierten ersten Dehnungsmeßstreifen (99) zur Erfassung der Verschiebung einer Last in einer zur Längsachse des Balkens parallelen Richtung aufweist und einen auf einer Oberfläche des Balkens positionierten zweiten Dehnungsmeßstreifen (100) zur Erfassung einer Verschiebung einer Last in einer zu der Längsachse des Balkens transversalen Richtung.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastaufnehmer einen ersten und zweiten parallelen Balken und eine die Balken an beiden Enden zur Bildung einer Parallelogrammstruktur starr miteinander verbindende Einrichtung aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß alle Dehnungsmeßstreifen an der äußeren Oberfläche eines der Balken angeordnet sind und eine Einrichtung zur Berechnung einer Lastangabe vorgesehen ist, die sowohl hinsichtlich Lastposition als auch Linearität der Lastangabe mit wechselnder Größe der Last kompensiert ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung auf dem Lastaufnehmer angeordnete Dehnungsmeßstreifen (90, 91, 92, 93, 161, 162, 163, 164) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Vorhandensein eines hinsichtlich Nichtlinearitäten in dem Ausgangssignal der Wandlereinrichtung korrigierenden Terms in dem mathematischen Ausdruck, und bei der die Einrichtung zur Anwendung dieses Ausdrucks hinsichtlich der Nichtlinearitäten korrigierte Lastangaben hefert.

15. Verfahren zur Lastverschiebungskompensation einer digitalen Waage mit einer Lastzelle, die aufweist einen Lastaufnehmer (10, 70, 160, 200), eine an dem Lastaufnehmer angebrachte Wandlereinrichtung (14, 90, 91, 92, 93, 120, 121, 122, 123, 219, 221, 222) zur Erzeugung von die Größe von auf die Waage einwirkenden Gewichten darstellenden Ausgangssignalen, einer separaten Gewichtspositionserfassungseinrichtung (16, 17, 99, 100, 126, 127, 130, 131, 221, 222) zusätzlich zu der Wandlereinrichtung, wobei die Gewichtspositionserfassungseinrichtung die Größe und die Position in mindestens einer von zwei zueinander quer gerichteten Richtungen von auf den Lastaufnehmer einwirkenden Lasten darstellende Ausgangssignale erzeugt, und eine Einrichtung (30) zur Umwandlung der Ausgangssignale in digitale Angaben, wobei das Verfahren die Schritte aufweist des Entwickeins eines mathematischen Ausdrucks für positionskorrigiertes Gewicht als Funktion der Ausgangssignale der Positionserfassungseinrichtung und der Wandlereinrichtung und des Speicherns des Ausdrucks zur Verwendung bei der Bestimmung einer positionskorrigierten Gewichtsangabe, wobei die Waage ferner aufweist eine Einrichtung (27, 34) zur Anzeige der digitalen Gewichtsangabe, gekennzeichnet durch derartiges symmetrisches Anordnen der Wandlereinrichtung bezüglich dem Lastaufnehmer, daß ihre Empfindlichkeit gegenüber an unterschiedlichen Positionen einwirkenden Lasten minimiert wird, um dadurch nur die Größe der auf die Waage einwirkenden Lasten darstellende Ausgangssignale zu erzeugen, und derartiges Anbringen der Lastpositionserfassungseinrichtung an dem Lastaufnehmer bezüglich dem Lastaufnehmer, daß sie gegenüber an unterschiedlichen Positionen einwirkenden Lasten empfindlicher als die Wandlereinrichtung ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, ferner gekennzeichnet durch den Schritt der Aufnahme eines Terms zur Korrektur von in dem Gewichtsgrößensignal enthaltenen Nichtlinearitäten in den mathematischen Ausdruck, und einer Speicherung des Ausdrucks zur Bestimmung einer sowohl hinsichtlich Position als auch Nichtlinearität korrigierten Gewichtsangabe.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch den Einschluß des Schrittes einer Schaffung einer ersten und einer zweiten Gewichtspositionserfassungseinrichtung zur Lieferung von die Position des Gewichts in zwei zueinander quer gerichteten Richtungen darstellenden Signalen.

18. Verfahren zur Herstellung einer kompensierten Waage mit den Schritten der Bereitstellung eines Lastaufnehmers (10, 70, 166, 200), der Bereitstellung einer an dem Lastaufnehmer angebrachten Kraftwandlereinrichtung (14, 90, 91, 92, 93, 120, 121, 122, 123, 219, 221, 222) zur Lieferung von die Größe von auf den Lastaufnehmer einwirkenden Lasten darstellenden Ausgangssignalen, der Bereitstellung einer separaten Positionserfassungseinrichtung (16, 17, 99, 100, 126, 127, 130, 131, 221, 222) zusätzlich zu der Wandlereinrichtung, wobei die Positionserfassungseinrichtung die Größen und die Positionen in mindestens einer von zwei zueinander quer gerichteten Richtungen von auf den Lastaufnehmer einwirkenden Lasten darstellende Ausgangssignale erzeugt, der Bestimmung der Ausgangssignale der Kraftwandlereinrichtung und der Positionserfassungseinrichtung für außermittig auf den Lastaufnehmer einwirkende Lasten, der Verwendung dieser Ausgangssignale zur Entwicklung eines Ausdrucks für hinsichtlich der Effekte außermittiger Belastung des Lastaufnehmers korrigierte Last als Funktion der Ausgangssignale der Positionserfassungseinrichtung und der Wandlereinrichtung, und der Speicherung des Ausdrucks zur Anwendung bei der Berechnung der korrigierten Last, wobei die Wandlereinrichtung derart symmetrisch bezüglich dem Lastaufnehmer angeordnet ist, daß ihre Empfindlichkeit gegenüber an unterschiedlichen Positionen einwirkenden Lasten minimiert wird, um dadurch nur die Größe der auf den Lastaufnehmer einwirkenden Lasten darstellende Ausgangssignale zu erzeugen, und die Lastpositionserfassungseinrichtung an dem Lastaufnehmer derart bezüglich dem Lastaufnehmer angebracht ist, daß sie gegenüber an unterschiedlichen Positionen einwirkenden Lasten empfindlicher als die Wandlereinrichtung ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, weiter gekennzeichnet durch den Schritt der Aufnahme eines hinsichtlich Nichtlinearität in dem Ausgangssignal der Wandlereinrichtung korrigierenden Terms in den Ausdruck.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der mathematische Ausdruck für die korrigierte Last eine oder mehrere Konstanten beinhaltet, und durch den Einschluß der Schritte einer Bestimmung der Werte der Konstanten für die einzelne Waage und Speicherung der Werte zur Anwendung bei der Berechnung korrigierter Lasten.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Konstanten durch Positionierung bekannter Lasten an verschiedenen Stellen auf dem Lastaufnehmer, Bestimmung der Antworten der Kraftwandlereinrichtung und der Positionserfassungseinrichtung auf diese Gewichte und Verwendung der Antworten und der Ausdrücke zur Bestimmung der Werte der Konstanten bestimmt werden.