JP2010512522A - 気泡水準器を含む電子秤 - Google Patents

Abstract

本発明は、トランスデューサー（１．．．１６）、デジタル信号処理装置（１８）、デジタルディスプレイ（１９）、気泡（２３）を形成しつつ部分的に液体（２２）で満たされた容器（２１）からなる気泡水準器（２０）、および気泡（２３）の変位を検出するための、デジタル信号処理装置内の回路装置またはプログラム部分を含む、電子秤に関する。本発明は、気泡（２３）の直径を検出するための、追加の回路装置またはプログラム部分を特徴とする。気泡の直径は、秤の垂直方向の振動により変化する。本発明による秤は、デジタル信号処理装置（１８）が、直径値信号を利用しながら、振動により誤って伝えられるトランスデューサー（１．．．１６）の信号値を、計算によって補正することを可能にする。

Description

発明分野および背景
本発明は、計測センサー、デジタル信号処理装置、デジタルディスプレイ、および一つの気泡を形成しながら部分的に液体で満たされた容器を含む気泡水準器、およびデジタル信号処理装置内の、気泡の変位を検出するための回路装置またはプログラム部分を含む、電子秤に関する。

この種類の秤は一般に知られており、例えばDE 32 34 372 C2に記載されている。気泡水準器からの電気信号は、デジタル手段を用いて、秤が傾いている場合に余弦効果によって生じる秤の誤差を補正するために用いられる。これは、秤を、調節用の脚によって正確に水平に配置する必要がもうないことを意味する。

しかし、これらの秤は実用化されておらず、その理由は、気泡水準器のコストがその便益に比べて高すぎると考えられているからである。

発明の目的
したがって本発明の目的は、前記種類の秤であって、気泡水準器が秤の信号処理に追加の便益をもたらすような秤を開発することである。

この目的は、本発明により、気泡の直径を検出するための、追加の回路装置またはプログラム部分を備えることによって達成される。

気泡水準器内の気泡は、傾斜した場合にその位置が変位するだけでなく、自身に作用する重力加速度の関数としてその直径が変化する。重力加速度が大きい場合、気泡は薄くなり、大きな直径を有するが、逆に重力加速度が小さい場合、気泡は液体の表面張力のためより球状となり、その直径はより小さくなる。重力加速度が、例えば垂直方向の振動により変化すると、それに同期して気泡の直径が変化し、直径信号の変化から、振動の大きさおよび位相位置に関する結論を導くことができる。その結果デジタル信号処理装置は、変位についての信号から重量測定結果に対する傾きの影響を周知の方法で補正し、同時に直径信号に基づく振動影響の補正も行うことができる。

気泡の位置を、例えば光学的に、フォトダイオードなどの２つの光感受性要素を気泡の端において用いて感知する場合、この２つの光感受性要素からの信号値の差から変位が得られる。そのうえ好都合なことに、次に気泡の直径は、この２つの光感受性要素からの信号値の和から決定される。これは、直径の決定のために特別のスキャニングセンサーは必要なく、既存のセンサーからの信号値を別に評価するだけで十分であることを意味する。気泡の位置が電気的に感知される場合も同様である。

さらなる特徴および利点を、概略図を参照して記載する。
図１は、光学式位置検出機能を有する気泡水準器を備えた秤セットの、主要部分の断面図である。 図２は、図１の気泡水準器内の、光感受性要素の配置を示す図である。 図３は、小さな重力加速度を与えられた場合の、図１の気泡水準器内の気泡の形状を示す図である。 図４は、大きな重力加速度を与えられた場合の、図１の気泡水準機内の気泡の形状を示す図である。 図５は、外乱の補正のグラフ表示である。 図６は、気泡の変位および直径をアナログ計測するための、可能性のある回路である。

好ましい態様の詳細な説明
図１の電子秤は、ハウジングに固定された支持部材１を含み、ここで荷重キャリヤ２は、２つのロッド４および５を介して節点６に、該荷重キャリヤが垂直方向に可動であるように接続されている。荷重キャリヤは、その上部において、計量される品物を受けるための荷重パン３を保持し、および、計量される品物の質量に対応する力を、狭窄部位１２および１３を有する結合要素９を介して、伝送レバー７の短レバーアームへと伝達する。伝送レバー７は、支持部材１上に、曲げピボット８によって搭載されている。永久磁石システム１０の空隙に配置されその中を電流が流れるコイル１１が発生する補償力は、伝送レバー７の長レバーアームに適用される。補償電流の大きさは、周知の様式で、位置センサー１６および制御増幅器１４により、計量される品物の重量と電磁補償力との間のバランスをとるように制御される。補償電流は、計測レジスター１５の両端に測定電圧を発生させ、該電圧は、アナログ／デジタル変換器１７に供給される。デジタル化された結果はデジタル信号処理装置１８に送られて、ディスプレイ１９にデジタル形式で表示される。

この種類の秤は一般にそのデザインおよび機能において周知であり、このため、これらについては上記に簡潔かつ簡明にのみ記載した。

電気式気泡水準器２０もまた、秤に内蔵される。気泡水準器は、部分的に液体２２を充填した透明容器２１を含み、これにより気泡２３は容器の最も高い部位に形成される。容器２１の最上面の曲面のため、この気泡２３の位置は秤の傾きに依存する。図では、この曲面は誇張して示されている。容器２１の下の中央に配置されているのは、発光ダイオード（ＬＥＤ）２４であり、これはその放射線を垂直方向上方に、下部容器壁、液体２２、気泡２３および上部容器壁を通って発生する。吸収されない放射線は次に２つの光感受性要素−例えば２つのフォトダイオード−２５および２５’により記録される。液体２２は、ＬＥＤからの放射線を部分的に吸収するように選択され着色されている。その結果、光感受性要素２５および２５’上に落ちる光の強度は、これが通過する液体の厚さに、したがって気泡２３の位置に強く依存する。ＬＥＤ２４には、電流供給ユニット２８から定常電流が供給される。光感受性要素２５および２５’からの出力信号は、２つの増幅器２６により増幅され、マルチプレクサ２９を介してアナログ／デジタル変換器２７に供給され、そこでデジタル化される。デジタル信号処理装置１８は、次に、信号間の差と気泡水準器の周知の特性曲線から、秤の傾きを計算することができ、したがって、アナログ／デジタル変換器１７から供給された秤システムの測定値を補正することができる。

明確にするために、図１は一方向だけの傾斜位置の感知を示している。両方向の感知には球状の気泡水準器が有効に利用され、一般的にはボックス型水準器と呼ばれるが、本発明の場合、形状および配置が図２に示されるような、全４つの光感受性要素２５、２５’、２５”、２５”’を有する。これらの信号値の差（差信号）を利用して光感受性要素２５および２５’はＸ方向の傾斜を感知し、同時に光感受性要素２５”および２５”’はＹ方向の傾斜を感知する。また、光感受性要素２５”および２５”’それぞれの下流に接続されているのは増幅器であり、マルチプレクサ２９は２つの追加の入力（図には示さず）を有する。

図３および４に、気泡の形状に対する重力加速度の影響を示す。重力加速度が小さい場合は、表面張力の影響が主であり、気泡の形状は図３に示すように球状に近づく。重力加速度がより大きくなると、重力加速度の影響はより強くなり、気泡は図４に示すようにより平らな形に圧縮される。秤の垂直方向の振動が生じると、より大きいおよびより小さい重力加速度が振動に同期して生じる。したがって、気泡の直径もまた振動に同期して変化する。デジタル信号処理装置１８は、２つの光感受性要素２５および２５’からの積算信号から、および／または２つの光感受性要素２”および２５”’からの積算信号から、直径を計算することができる。そのための前提条件は、当然ながら、マルチプレクサ２９およびアナログ／デジタル変換器２７が、振動の大きさおよび位相位置を正確に再現できる程十分に速いことである。主要な振動は約０．１Ｈｚ〜１０Ｈｚの周波数範囲内であるため、これは困難ではない。より高い周波数、例えば５０Ｈｚを超えるものを有する振動は、一般のデジタルフィルターで効果的に抑制可能であり、この周波数範囲において外乱信号をそれに加えてさらに抑制する必要はない。

図５は、例を用いて、ｔ_０の時点で起こった外乱の補正を示す。グラフａは、秤の外側から作用する外乱を示す。通常の重力加速度ｇ_０を、ｔ_０の時点から外乱加速度に重ねて示す；外乱加速度は、増加する重力加速度と共に始まって、数周期の後に比較的迅速に消滅する。この外乱は、計測センサーの信号に比例的に作用し、これは例えば、グラフｂに示すように測定レジスタ１５から検出できる。外乱加速度は、グラフｃに示すように、気泡の直径にも同様の様式で作用する。デジタル信号処理装置１８は、計測センサーからの信号を好適な補正アルゴリズムで補正することができ、そのため秤ディスプレイ１９において、外乱は、効果が全くないか、または大幅に低下した効果（グラフｄ）しか示さない。

これらの補正アルゴリズムは、例えば、荷重パン３への重量が大きいほど、より大きな補正が必要となる事実を考慮して、当業者により容易に設計可能である。

前述においては、気泡水準器２０からの現在の直径信号を、計測センサーからの現在の信号の補正に直接用いることを仮定した。当然ながらこれは、直径信号の周波数および位相挙動は、補正の周波数範囲においては、計測センサーの周波数および位相挙動に一致しているとの前提条件に基づく。この一致は、例えば、気泡水準器内の液体２２の粘性の正しい選択および、直径信号のアナログまたはデジタルフィルタリングを通して実現することができる。同様に、計測センサーからの信号は、上記のように振動の補正を行う前に、周知の様式でフィルタリングすることができる。

しかし代替的に、より単純な補正戦略も可能である。例えば、デジタル信号処理装置１８は、直径信号における変化の平均振幅を容易に決定可能であり、これによって、外乱加速度の平均振幅もまた決定可能である。得られた信号に基づき、計測センサーからの信号のフィルタリングにおいて、少なくとも１つのフィルターステージを調節することができる。外乱加速度が小さい場合、計測センサーからの信号はわずかにのみフィルタリングを行い、一方外乱加速度が大きい場合は、フィルターの時定数を増加させて、記録状態の悪化に関わらず安定な出力表示を実現する。

別の有利な態様において、直径信号における変化の周波数のみを決定する。次に、例えばアナログ／デジタル変換器１７のサンプリング周波数を変えることにより、サンプリング周波数が外乱周波数の倍数となるようにして、この外乱周波数を特に効果的に抑制する。同様のことが、デジタル信号処理装置１８でのデジタルフィルタリングの好適な調節によっても当然ながら可能である。この代替案は当然ながら、外乱加速度が、図５で仮定されたように短期のものでなく、より長い期間秤に作用するような場合に、特に有利である。これの１例は、平衡の悪い回転機械による、建物の振動である。

これまでに記載した振動の補正の変形は、全て計測センサーからの信号の、デジタル信号処理装置１８における補正に基づく。しかし、アクチュエータを例えば秤の脚部に設けて、該アクチュエータにより、気泡水準器により計測される任意の傾きおよび任意の振動を機械的に補正することも可能である。秤の傾いた位置については、この手順は、例えばモーター駆動の調節用脚などにより、周知であり実現されている。同様の様式で、外乱加速度についても、必要な周波数範囲において調節可能なアクチュエータを用いる場合には可能である。例えば圧電アクチュエータはこれに好適である。これらのアクチュエータは、例えば制御回路において、気泡水準器からの振動信号を（ほとんど）ゼロに調節するように制御される。

本発明は、透過光による光学式気泡水準器を備えた秤セットの例を用いて、上記のように説明される。しかし、気泡水準器の別の態様も可能である。たとえばＬＥＤは、気泡水準器の光感受性要素２５．．．２５”’と同じ側に配置できる。そのとき光感受性要素は、これも気泡の位置により変化する反射光を検出する。この発光ダイオードは、例えば図２の３０で示されたような位置に配置される。

気泡の位置の光学式検出の代わりに、電気的検出もまた可能である。図２に示すように、容器２１の内側に中心電極および４つの電極セグメントに区分されたリング状の電極が備えられた場合は、気泡の位置が変位すると、中心電極と個々の電極セグメントの間の電気抵抗も変化する。このためには、水準器内の液体は好適な特定の電気抵抗を持っているだけでよい。容量評価もまた可能である。その場合、気泡の位置が変化すると、液体２２の誘電率に基づき、電極間の静電容量が変化する。

上記において、気泡２３の変位を２次元的に感知するためには、常に２つの光感受性要素２５．．．２５”’または４つの電極セグメントが使用いられた。これは、Ｘ方向およびＹ方向（図２参照）の変位が、相対する光感受性要素または電極セグメントの信号値の差から直接得られることから、最も簡単に説明できる事例である。しかしながら、やや大きな数学的努力により、例えば正三角形の頂点に配置された３つの光感受性要素または３つの電極セグメントから、ＸおよびＹ方向の変位を決定することも可能である。

図１の気泡水準器からの信号を評価するために、アナログ／デジタル変換器２７において各光感受性要素２５．．．２５”’からの信号のデジタル化を行う。しかし、アナログ電気的手段による差信号および積算信号を利用した回路もまた可能である。この種類の回路を図６に示すが、明確にするために１方向のみについて示す。２つの光感受性要素２５および２５’（フォトダイオードとして示す）を、２つの等価レジスタ３５および３５’と共に、第１ホイートストンブリッジに接続する。次に差信号を、ブリッジ増幅器３７の出力において取り出すことができる。第１ブリッジ全体は、３つのさらなるブリッジレジスタ３２、３３および３４と共に、第２ホイートストンブリッジを含み、これの対角方向から、増幅器３６を介して積算信号を取り出すことができる。ホイートストンブリッジへの供給電圧を、端子３８に適用する。光感受性要素２５および２５’からの信号が互いに反対方向に変化した場合、第２ホイートストンブリッジのバランスは変化せず、したがってこれは光感受性要素２５および２５’の差信号に影響されない。対応する様式において、光感受性要素２５および２５’からの信号における同方向の変化は、増幅器３７の出力信号に影響を及ぼさない。各々の場合、増幅器３６および３７の出力は、積算信号または差信号を供給するのみである。

１ ハウジングに固定された支持部材
２ 荷重キャリヤ
３ 荷重パン
４ ロッド
５ ロッド
６ 節点
７ 伝送レバー
８ 曲げピボット
９ 結合要素
１０ 永久磁石システム
１１ コイル
１２ 狭窄部位
１３ 狭窄部位
１４ 制御増幅器
１５ 測定レジスタ
１６ 位置センサー
１７ アナログ／デジタル変換器
１８ デジタル信号処理装置
１９ ディスプレイ
２０ 傾斜計
２１ 透明容器
２２ 液体
２３ 気泡
２４ 発光ダイオード
２５、２５’ 光感受性要素
２５”、２５”’ 光感受性要素
２６ 増幅器
２７ アナログ／デジタル変換器
２８ 電力供給ユニット
２９ マルチプレクサ
３０ ＬＥＤの位置／中心電極の位置
３２ ブリッジレジスタ
３３ ブリッジレジスタ
３４ ブリッジレジスタ
３５、３５’ レジスタ
３６ ブリッジ増幅器
３７ ブリッジ増幅器
３８ 電力供給電圧用端子

Claims (13)

1. 計測センサー（１．．．１６）、デジタル信号処理装置（１８）、デジタルディスプレイ（１９）、および気泡（２３）を形成しつつ部分的に液体（２２）で満たされた容器（２１）を含む気泡水準器（２０）、およびデジタル信号処理装置内の、気泡（２３）の変位を検出するために備えられた回路装置またはプログラム部分を含む秤であって、追加の回路装置（３２．．．３６）またはプログラム部分は、気泡（２３）の直径を検出するために備えられていることを特徴とする電子秤。
2. 気泡（２３）の変位の検出および直径の検出を、同一の光学式補助装置（２４、２５．．．２５”’）により行うことを特徴とする、請求項１に記載の電子秤。
3. 光学式補助装置が、光源として中心に配置されたＬＥＤ（２４）および少なくとも３つの光感受性要素（２５、２５’、２５”、２５”’）を含み、ここで該光感受性要素は、中心軸上に配置されたＬＥＤの周りに環状セグメントとして配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の電子秤。
4. 気泡（２３）の変位が、相対する２つの光感受性要素（２５、２５’、２５”、２５”’）からの信号値の差から導出され、気泡（２３）の直径値の変化が、少なくとも２つの光感受性要素（２５、２５’、２５”、２５”’）からの信号値の積算により推測されることを特徴とする、請求項３に記載の電子秤。
5. 気泡（２３）の変位および直径が、同一の電気的補助装置により検出されることを特徴とする、請求項１に記載の電子秤。
6. 電気的補助装置が、中心に配置された中心電極および、少なくとも３つの電極セグメントに区分けされたリング状電極を含むことを特徴とする、請求項５に記載の電子秤。
7. 気泡（２３）の変位が、相対する２つの電極セグメントからの信号値の差から各々の場合に導出され、気泡（２３）の直径値の変化が、少なくとも２つの電極セグメントからの信号値の積算から導出されることを特徴とする、請求項６に記載の電子秤。
8. 光感受性要素（２５、２５’、２５”、２５”’）からの個別の信号値または電極セグメントからの個別の信号値がアナログ／デジタル変換器（２７）に供給され、該個別の信号値の差および和を形成するプログラム部分が、デジタル信号処理装置に備えられていることを特徴とする、請求項４または７に記載の電子秤。
9. 直径値信号を用いて、秤の表示への振動影響を補正することを特徴とする、請求項１に記載の電子秤の操作方法。
10. 計測センサー（１．．．１６）からの信号が、デジタル信号処理装置（１８）内で直径値信号に応じてデジタル的に補正されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 直径値信号を用いて、電子秤の脚部に配置されたアクチュエータを制御すること、およびアクチュエータが秤に作用する振動を抑制することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
12. デジタル信号処理装置（１８）に備えられたフィルターのうち少なくとも一つの時定数が、直径値信号変動の振幅に応じて調整されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
13. 計測センサー（１．．．１６）の下流に接続されたアナログ／デジタル変換器（１７）のサンプリング周波数が、直径値信号変動の周波数に応じて調整されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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