DE9418210U1 - Electric scale with correction of the influence of moisture - Google Patents
Electric scale with correction of the influence of moistureInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Waage mit einem Meßwandler, der das Gewicht des Wägegutes in ein elektrisches Signal umwandelt, und mit einem Feuchteaufhehmer, der das Ausgangssignal des Meßwandlers so beeinflußt, daß die Feuchteabhängigkeit des Meßwandlers korrigiert wird.The invention relates to a scale with a measuring transducer that converts the weight of the weighing object into an electrical signal, and with a moisture sensor that influences the output signal of the measuring transducer in such a way that the moisture dependence of the measuring transducer is corrected.
Eine Waage dieser Art ist z.B. aus der DE 31 06 534 C2 bekannt; dort ist ein Feuchteaufnehmer mit analogelektrischem Ausgangssignal und nachgeschaltetem Analog/Digital-Wandler gezeigt, wobei das digitalisierte Signal des Meßwandlers und das digitalisierte Signal des Feuchteaufnehmers einem Mikroprozessor zugeführt wird, der das Signal des Meßwandlers so korrigiert, daß kein Feuchteeinfluß im Endergebnis auftritt.A scale of this type is known, for example, from DE 31 06 534 C2; there, a moisture sensor with an analogue electrical output signal and a downstream analogue/digital converter is shown, whereby the digitized signal of the transducer and the digitized signal of the moisture sensor are fed to a microprocessor, which corrects the signal of the transducer so that no moisture influence occurs in the final result.
Diese Lösung erfordert jedoch einen Feuchteaufhehmer mit elektrischem Ausgangssignal, einen Analog/Digital-Wandler für das Signal des Feuchteaufhehmers und die hard- und softwaremäßigen Voraussetzungen im Mikroprozessor zur digitalen Feuchtekorrektur.However, this solution requires a moisture sensor with an electrical output signal, an analog/digital converter for the signal from the moisture sensor and the hardware and software requirements in the microprocessor for digital moisture correction.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen preiswerten Feuchteaufnehmer anzugeben, der darüber hinaus die Möglichkeit bietet, die Feuchtekorrektur entweder durch analogelektrische Schaltungen oder durch digitale Rechenoperationen durchzufuhren. Die analogelektrische Feuchtekorrektur ist trotz der preiswerten digitalen Baugruppen deshalb interessant, weil so die Feuchtekorrektur direkt am Meßwandler durchgeführt werden kann und dadurch ein leichterer Austausch des Meßwandlers ohne Veränderungen im Mikroprozessor möglich ist; dies gilt nicht nur im Servicefall, sondern auch für den Ersatz eines Meßwandlers ohne Feuchtekorrektur durch einen Meßwandler mit Feuchtekorrektur.The object of the invention is to provide an inexpensive moisture sensor which also offers the possibility of carrying out the moisture correction either by analog electrical circuits or by digital calculations. Despite the inexpensive digital components, the analog electrical moisture correction is interesting because it allows the moisture correction to be carried out directly on the measuring transducer and thus enables an easier exchange of the measuring transducer without changes to the microprocessor; this applies not only in the case of servicing, but also when replacing a measuring transducer without moisture correction with a measuring transducer with moisture correction.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Dehnungsmeßstreifen als Feuchteaufnehmer eingesetzt ist und daß dieser Dehnungsmeßstreifen auf einer gekrümmten Oberfläche aufgeklebt ist.This object is achieved according to the invention in that at least one strain gauge is used as a moisture sensor and that this strain gauge is glued to a curved surface.
Dehnungsmeßstreifen (im folgenden als DMS abgekürzt) werden normalerweise eingesetzt um die Materialspannung zu messen. Auch in Meßwandlem von Waagen dienen sie dazu, die gewichtsabhängige Materialspannung in Federkörpern in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Die Feuchteabhängigkeit dieser DMS ist allgemein bekannt, wird jedoch in den Meßwandlem immer als Störeffekt angesehen und daher möglichst minimal gehalten. Die Erfindung geht nun den umgekehrten Weg, nutzt diesen Effekt aus und macht ihn durch das Aufkleben auf eine gekrümmte Oberfläche noch deutlich größer. Der Feuchteeinfluß beim DMS kommt nämlich vor allem durch das Quellen der Kunststoff-Folie unterhalb der eigentlichen dehnungsempfindlichen Schicht und durch das Quellen des Klebers zwischen der Kunststoff-Folie und dem - im allgemeinen metallischen - Substrat zustande. Dadurch vergrößert sich der Abstand zwischen der dehnungsempfindlichen Schicht und dem Substrat und aufgrund der Krümmung der Substratoberfläche wird die dehnungsempfindliche Schicht bei konvex gekrümmten Substrat stärker gedehnt, da die dehnungsempfindliche Schicht ja weiter nach außen in einen Bereich mit größerem Umfang gelangt; bei konkav gekrümmtem Substrat wird die dehnungsempfindliche Schicht entsprechend gestaucht. Je stärker die Krümmung der Substratoberfläche ist, desto größer ist der Effekt. - Die Applikation von DMS auf leicht konkave Dünnstellen-Bereiche zur Dehnungsmessung ist bei DMS-Meßwandlern für Waagen bekannt. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird jedoch der DMS nicht auf eine Dünnstelle geklebt und dient nicht der Messung der Materialdehnung in der Dünnstelle, sondern er wird auf einen massiven Bereich geklebt, der von der Last praktisch nicht gedehnt oder gestaucht wird. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird also nicht die Materialdehnung des Substrates auf den DMS übertragen und so meßbar gemacht, sondern es wird bei konstantem Substrat eine Längenänderung der dehnungsempfindlichen Schicht nur durch das Quellen der Kunststoff-Folie und des Klebers erreicht.Strain gauges (hereinafter abbreviated as DMS) are normally used to measure material tension. They are also used in measuring transducers of scales to convert the weight-dependent material tension in spring bodies into an electrical signal. The moisture dependence of these DMS is generally known, but is always seen as a disturbing effect in the measuring transducers and is therefore kept as minimal as possible. The invention now takes the opposite approach, exploits this effect and makes it significantly greater by gluing it to a curved surface. The moisture influence on the DMS comes about primarily through the swelling of the plastic film below the actual strain-sensitive layer and through the swelling of the adhesive between the plastic film and the - generally metallic - substrate. This increases the distance between the strain-sensitive layer and the substrate and, due to the curvature of the substrate surface, the strain-sensitive layer is stretched more in the case of a convexly curved substrate, since the strain-sensitive layer reaches further out into an area with a larger circumference; in the case of a concavely curved substrate, the strain-sensitive layer is compressed accordingly. The greater the curvature of the substrate surface, the greater the effect. - The application of strain gauges to slightly concave thin-point areas for strain measurement is known in strain gauge transducers for scales. In the design according to the invention, however, the strain gauge is not glued to a thin point and is not used to measure the material strain in the thin point, but rather it is glued to a solid area that is practically not stretched or compressed by the load. In the embodiment according to the invention, the material expansion of the substrate is not transferred to the strain gauge and thus made measurable, but rather, with a constant substrate, a change in the length of the expansion-sensitive layer is only achieved by the swelling of the plastic film and the adhesive.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben. Dabei zeigt:The invention is described below using the schematic figures. Showing:
Fig. 1 einen DMS auf einer konkaven Oberfläche,Fig. 1 a strain gauge on a concave surface,
Fig. 2 einen DMS auf einer konvexen Oberfläche,Fig. 2 a strain gauge on a convex surface,
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Fig. 3 einen Meßwandler mit vier DMS zur Gewichtsmessung und mit einem DMS zur Feuchtekorrektur,Fig. 3 a measuring transducer with four strain gauges for weight measurement and with one strain gauge for moisture correction,
Fig. 4 die zu Fig. 3 gehörige elektrische Schaltung in einer ersten Ausgestaltung,
Fig. 5 die zu Fig. 3 gehörige elektrische Schaltung in einer zweiten Ausgestaltung,
Fig. 6 einen Meßwandler nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation
mit einem DMS zur Feuchtekorrektur in einer analogelektrischen Korrekturschaltung,
Fig. 7 einen Meßwandler nach dem Prinzip der elektromagnetischen KraftkompensationFig. 4 shows the electrical circuit corresponding to Fig. 3 in a first embodiment, Fig. 5 shows the electrical circuit corresponding to Fig. 3 in a second embodiment, Fig. 6 shows a measuring transducer based on the principle of electromagnetic force compensation with a strain gauge for humidity correction in an analogue electrical correction circuit,
Fig. 7 a transducer based on the principle of electromagnetic force compensation
mit zwei DMS zur Feuchtekorrektur in einer digitalen Korrekturschaltung, Fig. 8 einen anschraubbaren Feuchtesensor mit DMS in einer ersten Ausgestaltung und Fig. 9 einen anschraubbaren Feuchtesensor mit DMS in einer zweiten Ausgestaltung.with two strain gauges for humidity correction in a digital correction circuit, Fig. 8 a screw-on humidity sensor with strain gauge in a first embodiment and Fig. 9 a screw-on humidity sensor with strain gauge in a second embodiment.
Die prinzipielle Anordnung der DMS zur Feuchtekorrektur ist in Fig. 1 zur Erläuterung der Wirkungsweise vergrößert dargestellt. In einem massiven Substrat 1 ist mittels einer (z.B. eingefrästen) Hohlkehle 15 eine konkave Oberfläche 15' erzeugt. Dort ist ein DMS eingeklebt; dieser besteht aus einer isolierenden Trägerfolie 3, einer dehnungsempfindlichen, elektrisch leitfähigen Schicht 4 und einer Abdeckschicht 5. Die elektrischen Anschlüsse zur dehnungsempfindlichen Schicht sind mit 14 bezeichnet. Die Kleberschicht zwischen DMS und Substrat ist mit 2 bezeichnet. Der DMS ist in bekannter Weise so temperaturkompensiert, daß sich sein Widerstand bei Temperaturänderungen und der dadurch verursachten Ausdehnung von Substrat und DMS nicht ändert. Da das Substrat 1 unter der Hohlkehle 15 sehr massiv ist und/oder diese Stelle des Substrates keinen äußeren Kräften ausgesetzt ist, wird vom Substrat keine Dehnung oder Stauchung auf den DMS übertragen. Der Widerstand des DMS ist also weder temperatur- noch lastabhängig. Der Widerstand des DMS ändert sich vielmehr nur in Abhängigkeit von der Feuchte: Bei größer werdender Luftfeuchte nimmt sowohl die Trägerfolie 3 als auch die Kleberschicht 2 Wasser auf und quillt. Diese Dickenänderung führt zusammen mit der konkaven Oberfläche 15' dazu, daß die dehnungsempfindliche Schicht 4 gestaucht wird und dadurch ihren elektrischen Widerstand erniedrigt. Je nach Krümmungsradius der Hohlkehle 15 und je nach Feuchteabhängigkeit der Dicke der Trägerfolie und der Kleberschicht kann die feuchteabhängige Widerstandsänderung bis zu einem Promille betragen, einem Wert, der in der normalen Anwendung von DMS erst bei Maximalbelastung erreicht wird.The basic arrangement of the strain gauges for moisture correction is shown enlarged in Fig. 1 to explain the mode of operation. A concave surface 15' is created in a solid substrate 1 by means of a (e.g. milled) groove 15. A strain gauge is glued into this; this consists of an insulating carrier film 3, a strain-sensitive, electrically conductive layer 4 and a cover layer 5. The electrical connections to the strain-sensitive layer are designated 14. The adhesive layer between the strain gauge and the substrate is designated 2. The strain gauge is temperature-compensated in a known manner so that its resistance does not change in the event of temperature changes and the resulting expansion of the substrate and strain gauge. Since the substrate 1 under the groove 15 is very solid and/or this part of the substrate is not exposed to any external forces, no expansion or compression is transferred from the substrate to the strain gauge. The resistance of the strain gauge is therefore neither temperature- nor load-dependent. Rather, the resistance of the strain gauge changes only depending on the humidity: As the humidity increases, both the carrier film 3 and the adhesive layer 2 absorb water and swell. This change in thickness, together with the concave surface 15', leads to the strain-sensitive layer 4 being compressed and thus reducing its electrical resistance. Depending on the radius of curvature of the concave groove 15 and the humidity-dependence of the thickness of the carrier film and the adhesive layer, the humidity-dependent change in resistance can be up to one per mille, a value that is only reached at maximum load in normal strain gauge use.
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In Fig. 2 ist in gleicher Weise ein DMS auf einer konvexen Oberfläche 17 gezeigt. Als Substrat 16 kann z.B. ein Rundstab eingesetzt werden. Die Kleberschicht 2', die Trägerfolie 3', die dehnungsempfindliche Schicht 4' mit den Anschlüssen 14' und die Abdeckschicht 5' entsprechen den entsprechenden Schichten in Fig. 1. Beim Quellen der Kleberschicht 2' und der Trägerfolie 3' wird in diesem Fall wegen der anderen Krümmung die dehnungsempfindliche Schicht 4' gedehnt und dementsprechend erhöht sich deren Widerstand bei steigender Feuchte.In Fig. 2, a strain gauge is shown in the same way on a convex surface 17. A round rod can be used as the substrate 16, for example. The adhesive layer 2', the carrier film 3', the strain-sensitive layer 4' with the connections 14' and the cover layer 5' correspond to the corresponding layers in Fig. 1. When the adhesive layer 2' and the carrier film 3' swell, the strain-sensitive layer 4' is stretched in this case due to the different curvature and its resistance increases accordingly with increasing humidity.
Das Zusammenwirken des feuchteempfindlichen DMS mit einem Meßwandler, der die lastabhängige Formänderung eines Federkörpers mittels DMS erfaßt, ist in den Figuren 3 und 4 gezeigt. Fig. 3 stellt einen Schnitt durch den Federkörper dar, Fig. 4 die zugehörige elektrische Schaltung. Auf einer Grundplatte 20 ist der gehäusefeste Teil 23 des Federkörpers befestigt, die andere Seite 22 des Federkörpers trägt die Waagschale 21. Durch zwei Bohrungen 26 und 27 und einen sie verbindenden Schnitt sind ein oberer Lenker 24 und ein unterer Lenker 25 entstanden und Dünnstellen, die die vier DMS 6,7,8 und 9 tragen. Unter Belastung werden die DMS 6 und 9 gedehnt und die DMS 7 und 8 gestaucht. Die DMS 6...9 sind zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verbunden (Fig. 4), die von einer Spannungsquelle U0 versorgt wird. Die Ausgangsspannung der Wheatstoneschen Brückenschaltung wird einem Verstärker 10 zugeführt, dann digitalisiert (Analog/Digital-Wandler 11), in einem Mikroprozessor 12 weiterverarbeitet und in einer Digitalanzeige 13 angezeigt. - Die bisher beschriebenen Teile des Meßwandlers und der Schaltung sind allgemein bekannt und daher nur ganz kurz erläutert.The interaction of the moisture-sensitive strain gauge with a measuring transducer, which records the load-dependent change in shape of a spring body by means of a strain gauge, is shown in Figures 3 and 4. Figure 3 shows a section through the spring body, Figure 4 the associated electrical circuit. The housing-fixed part 23 of the spring body is attached to a base plate 20, the other side 22 of the spring body carries the weighing pan 21. Two holes 26 and 27 and a cut connecting them have created an upper link 24 and a lower link 25 and thin spots that carry the four strain gauges 6, 7, 8 and 9. Under load, the strain gauges 6 and 9 are stretched and the strain gauges 7 and 8 are compressed. The strain gauges 6...9 are connected to form a Wheatstone bridge circuit (Figure 4), which is supplied by a voltage source U 0 . The output voltage of the Wheatstone bridge circuit is fed to an amplifier 10, then digitized (analog/digital converter 11), further processed in a microprocessor 12 and displayed on a digital display 13. - The parts of the transducer and the circuit described so far are generally known and are therefore only explained very briefly.
Zur Feuchtekorrelctur des Meßwandlers ist nun ein DMS gemäß Fig. 2 vorgesehen: Auf einem Teil 29 mit konvexer Oberfläche ist ein DMS 28 aufgeklebt. Das Teil 29 ist dabei durch eine Schraube 30 am gehäusefesten Teil des Meßwandlers 22...25 festgeschraubt. Der DMS 28 ist in der Schaltung in der Zuführung der Speisespannung für die Wheatstonesche Brückenschaltung eingebaut. Wenn also bei zunehmender Feuchte der DMS 28 auf der konvexen Oberfläche gedehnt wird und sein elektrischer Widerstand steigt, so sinkt die Speisespannung an der Wheatstoneschen Brücke und die Empfindlichkeit wird kleiner. Dadurch wird bei richtiger Dimensionierung der ursprüngliche, positive Feuchtigkeitskoeffizient des Meßwandlers korrigiert. Die Größe der Feuchtekorrektur kann durch die Krümmung der Oberfläche des Teils 29 und durch den elektrischen Widerstand des Feuchte-DMS 28 im Verhältnis zum elektrischen Widerstand der anderen DMS 6.„9 einfach gewählt werden. Ein Feinabgleich ist in bekannter Weise durch einen (hohen) Widerstand parallel zum Feuchte-DMS 28 möglich.A strain gauge as shown in Fig. 2 is now provided for the humidity correction of the measuring transducer: A strain gauge 28 is glued to a part 29 with a convex surface. The part 29 is screwed to the housing-fixed part of the measuring transducer 22...25 by a screw 30. The strain gauge 28 is installed in the circuit in the supply voltage for the Wheatstone bridge circuit. If the strain gauge 28 is stretched on the convex surface with increasing humidity and its electrical resistance increases, the supply voltage on the Wheatstone bridge drops and the sensitivity becomes smaller. This corrects the original, positive humidity coefficient of the measuring transducer if it is dimensioned correctly. The size of the humidity correction can be easily selected by the curvature of the surface of the part 29 and by the electrical resistance of the humidity strain gauge 28 in relation to the electrical resistance of the other strain gauges 6.9. A fine adjustment is possible in a known manner by a (high) resistance parallel to the humidity strain gauge 28.
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Eine alternative Schaltungsanordnung für den gleichen Meßwandler ist in Fig. 5 gezeigt. Gleiche Teile wie in Fig. 4 sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Der Feuchte-DMS 38 ist in dieser Ausgestaltung auf der konkaven Innenfläche 33 der Bohrung 26 weit weg von den Dünnstellen angebracht; dadurch wird der DMS 38 bei steigender Feuchte gestaucht und erniedrigt seinen elektrischen Widerstand. Wird der DMS 38 nun gemäß Fig. 5 als feuchteabhängiger Belastungswiderstand geschaltet, so führt eine Widerstandserniedrigung zu einer Erniedrigung der Brückenausgangsspannung und so zu einer Korrektur des ursprünglichen, positiven Feuchtekoeffizienten des Meßwandlers. Ein Feinabgleich ist in diesem Falle durch einen einstellbaren Vorwiderstand vor dem DMS 38 möglich.An alternative circuit arrangement for the same measuring transducer is shown in Fig. 5. The same parts as in Fig. 4 are designated with the same reference numbers. In this design, the humidity strain gauge 38 is mounted on the concave inner surface 33 of the bore 26 far away from the thin spots; as a result, the strain gauge 38 is compressed as the humidity increases and reduces its electrical resistance. If the strain gauge 38 is now connected as a humidity-dependent load resistor according to Fig. 5, a reduction in resistance leads to a reduction in the bridge output voltage and thus to a correction of the original, positive humidity coefficient of the measuring transducer. In this case, a fine adjustment is possible by means of an adjustable series resistor in front of the strain gauge 38.
Durch Wahl der Beschaltungsart (gemäß Fig. 4 oder Fig. 5) und durch Wahl einer konvexen oder konkaven Oberfläche, auf die der Feuchte-DMS geklebt wird, kann also das Vorzeichen der Feuchtekorrektur beliebig gewählt werden und an das Vorzeichen des Feuchtekoeffizienten des zu korrigierenden Meßwandlers angepaßt werden. Die Größe der Korrektur kann durch den Krümmungsradius der Oberfläche, auf die der DMS geklebt wird, und durch den elektrischen Widerstand des DMS gewählt werden. Ein Abgleich ist durch Parallel- oder Vorwiderstände möglich.By selecting the type of wiring (as shown in Fig. 4 or Fig. 5) and by selecting a convex or concave surface to which the humidity strain gauge is glued, the sign of the humidity correction can be chosen as desired and adapted to the sign of the humidity coefficient of the measuring transducer to be corrected. The size of the correction can be selected by the radius of curvature of the surface to which the strain gauge is glued and by the electrical resistance of the strain gauge. Adjustment is possible using parallel or series resistors.
Statt der Schaltungen aus Fig. 4 oder 5 sind selbstverständlich weitere Schaltungsvarianten möglich, die leicht von jedem Fachmann entworfen werden können. So kann z.B. aus dem feuchteabhängigen DMS und einem Festwiderstand ein feuchteabhängiger Spannungsteiler aufgebaut werden; oder der feuchteabhängige DMS kann als verstärkungsbestimmender Widerstand in die Rückkopplung eines Operationsverstärkers eingebaut werden.Instead of the circuits in Fig. 4 or 5, other circuit variants are of course possible, which can easily be designed by any expert. For example, a humidity-dependent voltage divider can be constructed from the humidity-dependent strain gauge and a fixed resistor; or the humidity-dependent strain gauge can be installed as a gain-determining resistor in the feedback of an operational amplifier.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Feuchtekorrektur bei einem DMS-Meßwandler ist, daß der Feuchte-DMS genauso aufgebaut ist und aus dem gleichen Material besteht wie die Meßwandler-DMS. Dadurch ist auch das zeitliche Verhalten bei einer (sprungartigen) Feuchteänderung gleich (gleiche Zeitkonstanten) und die Feuchtekorrektur auch während einer Feuchteänderung sehr gut wirksam. Das gleiche gilt auch für die eventuelle Temperaturabhängigkeit des Feuchteeinflusses sowie für den eventuellen Einfluß von anderen Substanzen - beispielsweise Lösungsmitteln - die immer gleichartig quellend auf die Meßwandler-DMS und auf den Feuchte-DMS einwirken.A particular advantage of the moisture correction according to the invention for a strain gauge transducer is that the moisture strain gauge is constructed in the same way and is made of the same material as the transducer strain gauge. This means that the temporal behavior in the event of a (sudden) change in moisture is the same (same time constants) and the moisture correction is very effective even during a change in moisture. The same applies to the possible temperature dependence of the moisture influence and to the possible influence of other substances - for example solvents - which always have a similar swelling effect on the transducer strain gauge and on the moisture strain gauge.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße Feuchtekorrektur vorteilhafterweise mit einer Temperaturkompensation kombiniert werden. Dazu muß nur z.B. der DMS 28 in Fig. 3 und 4 einen entsprechenden Temperaturkoeffizienten besitzen. Wird der Temperaturkoeffizient des Meßwandlers 22...25 durch den Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls des Werkstoffes des Meßwandlers verursacht, so ist er im allgemeinen positiv. Dieser positive Temperaturkoeffizient wird durch einen positiven Temperaturkoeffizienten des DMS 28 korrigiert. Dieser positive Temperaturkoeffizient läßt sich z.B. durch eine entsprechende Wahl der Legierung des DMS 28 erreichen, einfacher jedoch, indem z.B. ein für Stahl als Subtrat temperaturkompensierter DMS auf ein Material mit größerem Wärmeausdehnungskoeffizienten, z.B. also Aluminium, geklebt wird. - Bei Meßwandlern, deren Feuchtekoeffizient und deren Temperaturkoeffizient innerhalb einer Serie nur wenig schwankt, bei denen also kein individueller Abgleich notwendig ist, kann dadurch mit einem einzigen DMS 28 durch Wahl der richtigen Krümmung des Teiles 29 der Feuchtekoeffizient und durch Wahl des richtigen Materials des Teiles 29 der Temperaturkoeffizient etwa auf Null gebracht werden. - Ist dagegen ein individueller Abgleich des Feuchtekoeffizienten und des Temperaturkoeffizienten notwendig, so ist es zweckmäßiger, den feuchteabhängigen DMS 28 und einen getrennten temperaturabhängigen Widerstand in Reihe in die Zuführung der Versorgungsspannung zur Wheatstoneschen Brückenschaltung zu schalten, um durch Parallelwiderstände einen individuellen Abgleich zu ermöglichen.Furthermore, the moisture correction according to the invention can advantageously be combined with temperature compensation. For this, the strain gauge 28 in Fig. 3 and 4, for example, only needs to have a corresponding temperature coefficient. If the temperature coefficient of the measuring transducer 22...25 is caused by the temperature coefficient of the elastic modulus of the material of the measuring transducer, it is generally positive. This positive temperature coefficient is corrected by a positive temperature coefficient of the strain gauge 28. This positive temperature coefficient can be achieved, for example, by an appropriate choice of the alloy of the strain gauge 28, but more simply by gluing a strain gauge that is temperature-compensated for steel as a substrate to a material with a higher coefficient of thermal expansion, e.g. aluminum. - For measuring transducers whose humidity coefficient and temperature coefficient fluctuate only slightly within a series, and for which no individual adjustment is necessary, the humidity coefficient can be brought to approximately zero with a single strain gauge 28 by selecting the correct curvature of part 29 and the temperature coefficient by selecting the correct material of part 29. - If, however, an individual adjustment of the humidity coefficient and the temperature coefficient is necessary, it is more appropriate to connect the humidity-dependent strain gauge 28 and a separate temperature-dependent resistor in series in the supply voltage to the Wheatstone bridge circuit in order to enable an individual adjustment using parallel resistors.
In Fig. 6 ist ein Meßwandler nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einem DMS zur Feuchtekorrektur gezeigt. Der Meßwandler besteht aus einem gehäusefesten Systemträger 41, an dem über zwei Lenker 44 und 45 mit den Gelenkstellen 46 ein Lastaufhehmer 42 in senkrechter Richtung beweglich befestigt ist. Der Lastaufhehmer 42 trägt in seinem oberen Teil die Lastschale 43 zur Aufnahme des Wägegutes und überträgt die der Masse des Wägegutes entsprechende Kraft über ein Koppelelement 49 auf den Lastarm des Übersetzungshebels 47. Der Übersetzungshebel 47 ist durch ein Kreuzfedergelenk 48 am Systemträger 41 gelagert. Am Kompensationsarm des Übersetzungshebels 47 ist ein Spulenkörper mit einer Spule 51 befestigt. Die Spule 51 befindet sich im Luftspalt eines Permanentmagnetsystems 50 und erzeugt die Kompensationskraft. Die Größe des Kompensationsstromes durch die Spule 51 wird dabei durch den Lagensensor 56 und den Regelverstärker 54 so geregelt, daß Gleichgewicht zwischen dem Gewicht des Wägegutes und der elektromagnetisch erzeugten Kompensationskraft herrscht. Der Kompensationsstrom erzeugtFig. 6 shows a measuring transducer based on the principle of electromagnetic force compensation with a strain gauge for moisture correction. The measuring transducer consists of a housing-mounted system carrier 41, to which a load receiver 42 is attached so that it can move in a vertical direction via two links 44 and 45 with the joints 46. The load receiver 42 carries the load tray 43 in its upper part to hold the weighing goods and transfers the force corresponding to the mass of the weighing goods via a coupling element 49 to the load arm of the transmission lever 47. The transmission lever 47 is mounted on the system carrier 41 by a cross spring joint 48. A coil body with a coil 51 is attached to the compensation arm of the transmission lever 47. The coil 51 is located in the air gap of a permanent magnet system 50 and generates the compensation force. The size of the compensation current through the coil 51 is controlled by the position sensor 56 and the control amplifier 54 so that there is a balance between the weight of the weighing object and the electromagnetically generated compensation force. The compensation current generates
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am Meßwiderstand 55 eine Meßspannung, die einem Analog/Digital-Wandler 57 zugeführt wird. Das digitalisierte Ergebnis wird von einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 58 übernommen und in der Anzeige 59 digital angezeigt. - Die bisher beschriebenen Teile des Meßwandlers sind allgemein bekannt und daher nur ganz kurz erläutert.a measuring voltage is generated at the measuring resistor 55, which is fed to an analog/digital converter 57. The digitized result is taken over by a digital signal processing unit 58 and shown digitally on the display 59. - The parts of the measuring converter described so far are generally known and are therefore only explained very briefly.
Zusätzlich weist der Meßwandler in Fig. 6 einen DMS 52 auf, der auf die Oberfläche eines konvexen Teiles 53 geklebt ist und der elektrisch parallel zum Meßwiderstand 55 geschaltet ist. Zum Abgleich ist ein veränderlicher Vorwiderstand 61 vorgesehen. Die Feuchtekorrektur funktioniert dann in entsprechender Weise wie bereits beschrieben: Bei steigender Feuchte wird der DMS 52 gedehnt und erhöht seinen elektrischen Widerstand; dadurch steigt der elektrische Widerstand der Parallelschaltung aus dem Meß widerstand 55 und den Widerständen 52 und 61; dadurch steigt bei gleichem Strom durch die Spule 51 die Spannung am Analog/Digital-Wandler 57; dadurch wird ein angenommener negativer Feuchtekoeffizient des Meßwandlers korrigiert.In addition, the measuring transducer in Fig. 6 has a strain gauge 52 which is glued to the surface of a convex part 53 and which is electrically connected in parallel to the measuring resistor 55. A variable series resistor 61 is provided for adjustment. The humidity correction then functions in the same way as already described: As the humidity increases, the strain gauge 52 is stretched and increases its electrical resistance; as a result, the electrical resistance of the parallel circuit consisting of the measuring resistor 55 and the resistors 52 and 61 increases; as a result, with the same current through the coil 51, the voltage at the analog/digital converter 57 increases; as a result, an assumed negative humidity coefficient of the measuring transducer is corrected.
Hat der Meßwandler dagegen einen positiven Feuchtekoeffizient, so kann der Feuchte-DMS auf eine konkave Oberfläche - z.B. bei 60 auf den Systemträger 41 - geklebt werden und die elektrische Schaltung unverändert gelassen werden.If, however, the measuring transducer has a positive humidity coefficient, the humidity strain gauge can be glued to a concave surface - e.g. at 60 to the system carrier 41 - and the electrical circuit can be left unchanged.
Eine andere Schaltungsvariante zur Feuchtekorrektur zusammen mit einem Meßwandler nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation zeigt Fig. 7. Gleiche Teile wie in Fig. 6 sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Ein erster Feuchte-DMS 70 ist auf einem konkaven Teil 60 des Systemträgers 41 aufgeklebt, ein zweiter Feuchte-DMS 71 auf einem konvexen Teil 60'. Dadurch ändern sie ihren elektrischen Widerstand unter Feuchteeinfluß entgegengesetzt und können zusammen mit zwei Festwiderständen 72 und zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verbunden werden, deren Ausgangsspannung in bekannter Weise über einen Verstärker 74 und einen Analog/Digital-Wandler 75 digitalisiert werden kann und dem Mikroprozessor 58 zur digitalen Korrektur zugeführt werden kann. Dieser Aufbau mit zwei Feuchte-DMS auf entgegengesetzt gekrümmten Oberflächen hat in Verbindung mit der Wheatstoneschen Brückenschaltung den Vorteil, daß ein eventuell vorhandener restlicher Temperaturkoeffizient der Feuchte-DMS keinen Einfluß auf die Feuchtekorrektur hat.Another circuit variant for humidity correction together with a measuring transducer based on the principle of electromagnetic force compensation is shown in Fig. 7. The same parts as in Fig. 6 are designated with the same reference numbers. A first humidity strain gauge 70 is glued to a concave part 60 of the system carrier 41, a second humidity strain gauge 71 to a convex part 60'. As a result, they change their electrical resistance in opposite directions under the influence of humidity and can be connected together with two fixed resistors 72 and 73 to form a Wheatstone bridge circuit, the output voltage of which can be digitized in a known manner via an amplifier 74 and an analog/digital converter 75 and can be fed to the microprocessor 58 for digital correction. This structure with two humidity strain gauges on oppositely curved surfaces, in conjunction with the Wheatstone bridge circuit, has the advantage that any residual temperature coefficient of the humidity strain gauge has no influence on the humidity correction.
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Der Feuchte-DMS kann entweder auf einem konvex oder konkav gekrümmten Bereich des Meß wandlers direkt aufgeklebt sein, oder er kann auf ein gesondertes Teil aufgeklebt sein, das z.B. durch eine Schraube an den Meßwandler angeschraubt wird. Diese zweite Möglichkeit ist besonders für eine Nachrüstung von Meßwandlern interessant und für den Fall, daß die Anpassung der Feuchtekorrektur an den Feuchtekoeffizienten des Meßwandlers in groben Stufen durch DMS auf verschieden gekrümmten Oberflächen und als Feinabgleich durch Vorbzw. Parallel-Widerstände erfolgen soll. Je nach gemessenem Feuchtekoeffizient des Meßwandlers kann dann ein passendes Korrekturteil ausgewählt, befestigt und angeschlossen werden. - In den Figuren 8 und 9 sind daher solche anschraubbaren Teile dargestellt.The humidity strain gauge can either be glued directly to a convex or concave curved area of the measuring transducer, or it can be glued to a separate part that is screwed onto the measuring transducer, for example. This second option is particularly interesting for retrofitting measuring transducers and in the event that the humidity correction is to be adjusted to the humidity coefficient of the measuring transducer in rough steps using strain gauges on differently curved surfaces and as a fine adjustment using pre- or parallel resistors. Depending on the measured humidity coefficient of the measuring transducer, a suitable correction part can then be selected, attached and connected. - Such screw-on parts are therefore shown in Figures 8 and 9.
Das anschraubbare Teil 80 in Fig. 8 ähnelt einer Kabelschelle. Es besitzt einen gekrümmten Teil 82 und einen ebenen Teil 83 mit einem Loch 81 zur Befestigung. Der DMS zur Feuchtekorrektur kann entweder auf die äußere, konvexe Oberfläche 82' geklebt sein (DMS 84) oder auf die innere, konkave Oberfläche 82" (DMS 85) oder es können beide DMS 84 und 85 aufgeklebt sein, falls eine Wheatstonesche Brückenschaltung wie in Fig. 7 realisiert werden soll. Das Teil 80 kann leicht als Stanz-Biege-Teil hergestellt werden.The screw-on part 80 in Fig. 8 resembles a cable clamp. It has a curved part 82 and a flat part 83 with a hole 81 for fastening. The strain gauge for humidity correction can either be glued to the outer, convex surface 82' (strain gauge 84) or to the inner, concave surface 82" (strain gauge 85) or both strain gauges 84 and 85 can be glued if a Wheatstone bridge circuit as in Fig. 7 is to be realized. The part 80 can easily be manufactured as a stamped and bent part.
Eine alternative Ausgestaltung eines anschraubbaren Teiles zeigt Fig. 9. Das Teil 90 besteht aus einem zylindrischen Stab, der in seinem unteren Teil 91 Gewinde trägt und in ein Gewindeloch am Meßwandler eingeschraubt werden kann. Der DMS 92 zur Feuchtekorrektur ist auf den oberen, gewindelosen Teil des Stabes geklebt. Zur Erleichterung des Einschraubens weist das Teil 90 am oberen Ende einen Schlitz 93 auf.An alternative design of a screw-on part is shown in Fig. 9. The part 90 consists of a cylindrical rod which has a thread 91 in its lower part and can be screwed into a threaded hole on the measuring transducer. The strain gauge 92 for moisture correction is glued to the upper, threadless part of the rod. To make screwing in easier, the part 90 has a slot 93 at the upper end.
Im vorstehenden sind immer Schaltungen zur Korrektur von Feuchtekoeffizienten der Empfindlichkeit angegeben. Selbstverständlich kann mit dem erfindungsgemäßen DMS auf einer gekrümmten Oberfläche auch ein Feuchtekoeffizient des Nullpunktes des Meßwandlers korrigiert werden. Dazu muß nur in der Wheatstoneschen Brückenschaltung gemäß Fig. 4 und 5 der feuchteabhängige DMS zwischen einem Pol der Versorgungsspannung U0 und einem Eingang des Verstärkers 10 angeschlossen werden; er liegt damit parallel zu einem der DMS 6...9. Zum Erhalt der Symmetrie der Brückenschaltung muß dann zusätzlich ein Festwiderstand parallel zum DMS im benachbarten Brückenzweig geschaltet werden. - In der Schaltung nach Fig. 6 muß ein feuchteabhängiger Zusatzstrom über den Meßwiderstand 55 geleitetIn the above, circuits for correcting humidity coefficients of sensitivity are always given. Of course, a humidity coefficient of the zero point of the measuring transducer can also be corrected with the strain gauge according to the invention on a curved surface. To do this, the humidity-dependent strain gauge only has to be connected between a pole of the supply voltage U 0 and an input of the amplifier 10 in the Wheatstone bridge circuit according to Fig. 4 and 5; it is thus parallel to one of the strain gauges 6...9. To maintain the symmetry of the bridge circuit, an additional fixed resistor must then be connected parallel to the strain gauge in the adjacent bridge branch. - In the circuit according to Fig. 6, a humidity-dependent additional current must be passed through the measuring resistor 55.
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werden. - In der Schaltung nach Fig. 7 kann das Rechenprogramm des Mikroprozessors selbstverständlich sowohl die Empfindlichkeit als auch den Nullpunkt korrigieren. Einzelheiten dieser Schaltungen kann jeder Fachmann leicht entwerfen.- In the circuit shown in Fig. 7, the microprocessor's calculation program can of course correct both the sensitivity and the zero point. Details of these circuits can easily be designed by any person skilled in the art.
Ebenso kann jeder Fachmann leicht verschiedene Schaltungen für die Analog/Digital-Wandlung angeben. Z. B. kann der feuchteabhängige DMS als frequenzbestimmender Widerstand in einen R-C-Oszillator eingebaut sein; dadurch wird ein frequenzanaloges Signal erzeugt, das im Mikroprozessor leicht digitalisiert werden kann.Likewise, any expert can easily specify various circuits for analog/digital conversion. For example, the humidity-dependent strain gauge can be built into an R-C oscillator as a frequency-determining resistor; this generates a frequency-analog signal that can easily be digitized in the microprocessor.
Ebenso kann natürlich die beim DMS-Meßwandler erläuterte Kombination von Feuchtekorrektur und Temperaturkorrektur auch für Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation oder nach anderen Prinzipien eingesetzt werdenLikewise, the combination of humidity correction and temperature correction explained for the strain gauge transducer can of course also be used for scales based on the principle of electromagnetic force compensation or other principles.
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