WO1997017597A1 - Waage - Google Patents

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Publication number
WO1997017597A1
WO1997017597A1 PCT/EP1996/004874 EP9604874W WO9717597A1 WO 1997017597 A1 WO1997017597 A1 WO 1997017597A1 EP 9604874 W EP9604874 W EP 9604874W WO 9717597 A1 WO9717597 A1 WO 9717597A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor
temperature
calibration
pressure
conditioning
Prior art date
Application number
PCT/EP1996/004874
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Hermann
Original Assignee
Hermann Finance Corporation Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US08/575,792 external-priority patent/US5764541A/en
Application filed by Hermann Finance Corporation Ltd. filed Critical Hermann Finance Corporation Ltd.
Publication of WO1997017597A1 publication Critical patent/WO1997017597A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G5/00—Weighing apparatus wherein the balancing is effected by fluid action
    • G01G5/04—Weighing apparatus wherein the balancing is effected by fluid action with means for measuring the pressure imposed by the load on a liquid
    • G01G5/06—Weighing apparatus wherein the balancing is effected by fluid action with means for measuring the pressure imposed by the load on a liquid with electrical indicating means

Definitions

  • the invention relates to a balance according to the preamble of claim 1.
  • DE-A1-40 32 955 shows a pressure sensor in which the pressure sensor is arranged in the interior of a housing in direct contact with the pressure-transmitting liquid medium.
  • the volume of the liquid medium is kept as small as possible.
  • DE-A1-43 15 962 describes a pressure sensor in which a pressure sensor is arranged between two pressure-medium chambers filled with a liquid pressure-medium medium. Such a sensor has been proposed in particular for measuring pressures of corrosive media.
  • EP-A1-0 658 754 in turn shows an arrangement in which influences by electromagnetic radiation or by electrical charging of the oil filling on the pressure-dependent changes in resistance of the strain gauges made of polycrystalline silicon are to be avoided by providing metallic separating foils.
  • One of these foils is arranged in the immediate vicinity of the strain gauges, covering them.
  • a temperature compensation circuit is provided to compensate for temperature influences.
  • the object of the present invention is to provide a balance which is based on the principle of measuring a weight force via the change in pressure generated by it in a pressure medium.
  • the scale according to the invention has advantageous features compared to known scales - scales which are used in particular for weighing small weights and people for weighing ranges between approximately 2 and a few hundred kilograms.
  • the principle on which the scale is based such as measuring the weight force to be determined via the pressure which this weight force generates in a pressure medium, makes mechanical parts, such as weighing beams, unnecessary. There are therefore no torques to be compensated, and strain gauges which are difficult to assemble with known low output signals and thus necessary, current-intensive amplifier circuits with large temperature and inherent errors to be compensated for can also be dispensed with.
  • the balance according to the invention has a pressure sensor embedded in a pressure medium - wherein, if appropriate, further electronic components can also be embedded in the pressure medium.
  • the pressure medium is arranged within a basic structure with a corresponding recess and between this and a weighing plate and is hermetically sealed to the outside.
  • the pressure sensor is in particular a piezoresistive pressure sensor (other pressure sensors, such as, for example, electroresistive ones, are also possible).
  • the preferred measuring electronics which can optionally also be embedded in the diaphragm seal medium, has a programmable amplifier circuit for adjusting the offset and yarn, a programmable sensor supply for rough adjustment of the sensor output signal, a temperature compensation circuit, an A / D converter for converting the analog measurement signal, a memory, for example an EEPROM, for storing the resultant Compensation and setting parameters, a serial or parallel interface to an externally connectable microprocessor and a program for executing the error compensation and separation of the sensor useful signal from the sensor error signal and for converting the pressure values into weight values.
  • system can be designed as a modular system due to the differently arrangeable electronic components.
  • the sensor-measuring electronics arrangement described will be an arrangement which is preferable in many respects, since not only can this drastically reduce the manufacturing costs, but also the calibration of the balance is simple at the same time high accuracy regardless of the respective weighing range.
  • Such an arrangement enables the compensation of sensor, housing, temperature and intrinsic errors of the electronics with the balance fully assembled; the error compensation data and setting parameters that can be obtained during the calibration are stored in a non-volatile memory.
  • the measuring electronics could also be designed as "classic", so-called textbook electronics, consisting of an adjustable amplifier circuit (offset and gain adjustable), a current or voltage supply to the sensor, an A / D converter and a microprocessor with display.
  • an adjustable amplifier circuit offset and gain adjustable
  • a buffer and a high-resolution A / D converter (16 bits or more) can also be provided in order to separate the sensor error signal from Separate the useful sensor signal only in the microprocessor.
  • space requirements, power consumption, manufacturing and assembly complexity, and thus sources of error to be additionally calculated in, as well as higher component costs are generally to be regarded as disadvantageous. It is understood that these classic arrangements are within the scope of the present application.
  • the pressure medium is - at least against the weighing plate too - at least partially covered by a membrane which - at least indirectly - as a support for the weighing plate or for correspondingly dimensioned partial areas of the weighing plate, for example in the form of nipples, webs or foot-like projections or as part of the weighing plate itself.
  • the membrane is thus provided as an optionally force-transmitting element.
  • the design of the weighing plate and specifically by the choice of the size of the force-transmitting surface, gives the possibility, with the sensor-measuring electronics arrangement configured in the same way, of the weighing range of a weighing arrangement according to the desired use against lower or higher To move areas.
  • F ⁇ g.1 a representation of the principle of a scales according to the invention in section;
  • 6a shows a plan view of a balance
  • 6b shows a section according to AA of FIG. 6b; b
  • FIG. 6c shows detail I of FIG. 6b
  • FIG. 7a shows a plan view of a balance with the weighing plate removed, wherein
  • Figures 7b and 7c each show a section along B-B of Figure 7a for different designs
  • FIG. 8 shows a representation corresponding to FIG. 7a of an alternative design for an inventive one
  • FIG. 9 shows a further representation corresponding to FIG. 7a of a further alternative embodiment for a balance
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a conditioning IC
  • a pressure-medium medium 3 is introduced between a basic structure 1, which may be in several parts, but is essentially cup-shaped, and a weighing plate 2 in a cavity provided by a corresponding design of the basic structure 1.
  • This pressure medium 3 is an incompressible Liquid, the viscosity of which will have to be selected as required, such as silicone oil, or also a gel, such as silicone gel.
  • the pressure medium 3 is delimited at least on one side by a flat, thin structure, a membrane 5, so that it is held within the cavity given by the shape of the basic structure 1.
  • the membrane 5 is, for example, seated in a clamping connection 7 with a sealing ring assigned to the basic structure 1.
  • this membrane 5 can be made of metal or plastic, the thickness will vary between 0.01 mm and 0.5 mm, depending on the intended use.
  • a pressure sensor 4 is provided in the pressure medium 5, possibly articulated to the basic structure 1, for example a piezoresistive pressure sensor. Since a change in the crystal structure and thus the conductivity takes place in the case of a piezoresistive element when the pressure changes, the pressure change can be measured as a proportional change in resistance. The change in the specific resistance of the piezoresistive pressure sensor is thus a measure of the pressure force acting on it.
  • Battery (s) as a voltage source, amplifier for amplifying the electrical signal obtained,
  • a / D converter in connection with a microprocessor, optionally temperature sensors with corresponding electronic components for compensation of temperature influences on the sensor and pressure medium can be in be ⁇ known way.
  • a programmable circuit consisting of sensor supply and a downstream programmable A / D converter with signal amplifier electronics, is advantageously provided, with this system including memory (preferably an EEPROM) for the sensor- and balance-specific error compensation and calibration values in the oil encapsulates.
  • memory preferably an EEPROM
  • Pressure sensor and possibly also the associated electronics - described in detail below - are embedded in the diaphragm seal medium, the battery (s) - optionally exchangeable - m Basic structure 1 is (are) arranged.
  • the display and, where appropriate, further components, such as a microprocessor with an integrated display driver, RAM, ROM and I / Os (Smgle-Chip-micro-computer) will have to be provided in or on the basic structure (see below) ).
  • a receptacle 6 for the batteries is arranged on the basic structure 1.
  • a frame 13 encompasses the basic structure 1 and weighing plate 2, so that the latter cannot tip over even when the weight supports are unequal and could thus possibly damage the membrane.
  • the gap 14 between the basic structure 1 and the weighing plate 2 is also covered.
  • the membrane 5 delimiting the pressure medium medium 3 will have to be suitably designed.
  • the membrane 5 can be made of a somewhat elastic material, or it can also have expansion areas (see below).
  • the thickness of the membrane should not be kept too thick, so that the force acting on it is transferred correctly to the diaphragm seal medium and is not possibly supported by the membrane itself.
  • the pressure medium medium could also be provided in a cushion-like manner - the membrane would then be the "cushion cover" - between the weighing plate and the basic structure.
  • the geometry to be provided for the pressure medium medium can be of the most varied types, in this way increasing or reducing the force transmission surface, as described by way of example with reference to some figures below.
  • FIGS. 2 to 9 show examples of possible designs for scales in which the engagement surfaces of the weighing plate (pressure medium medium) basic structure are dimensioned differently and / or the membrane is designed differently.
  • the possibility of different weighing ranges is determined by determining the force-transmitting area given for the same sensors and on the other hand - for example in the case of personal scales - an increase in stability is achieved during the weighing process.
  • the choice of the size of the force-transmitting surface on the weighing plate thus provided makes it possible - with the same basic structures and the same electronic components - to select a wide variety of weighing ranges which are matched to the corresponding purposes.
  • FIG. 2 shows a configuration corresponding to that of FIG. 1, in which the weighing plate 2a and membrane 5a are formed in one piece - for example as an injection molded part.
  • the weighing plate 2a is designed here as a more stable, thicker area of the membrane.
  • the membrane 5a can sit tightly clamped on the basic structure 1 in the manner described above, or it can also be welded or glued.
  • the hermetic seal of the pressure medium 3 is essential.
  • FIG. 3 The design according to FIG. 3 is similar to that of FIG. 2, here the membrane 5b being divided several times and alternatingly having thicker areas 5b1 and thin areas 5b2, which - compared to the design of FIG. 1 - gives greater strength .
  • a membrane 5b can also be produced in one piece by injection molding. If necessary, such a membrane 5b with correspondingly large regions 5b1 and comparatively narrow regions 5b2 over the thicker regions 5b1 could also serve as a weighing plate, or a weighing plate 2 arranged above it can be provided, as shown in FIG to avoid possible injuries to the membrane 5b.
  • FIG. 4a and 4b show an embodiment variant for a balance according to the invention, FIG. 4a representing a section along EE of FIG. 4b.
  • the support body 12 is arranged above the scale surface hm, with intermediate, rather small-area membrane parts 5c which are attached to the support bodies 12, for example welded or glued, or in the case of a two-part design of these support bodies, as indicated by dash-dotted lines, held therein, glued, welded or injection-molded in one piece.
  • the weighing plate 2c engages with appropriately shaped, nipple-shaped projections 9c in these membrane parts, as a result of which the force-transmitting area is reduced (or a higher oil pressure is achieved) and the weighing range can thus be shifted towards smaller values.
  • the support body 12 or the lower support body parts can be fixedly arranged on the base structure 1, optionally injection-molded in one piece with this.
  • the membrane possibly with the corresponding upper support body parts (for example also in one piece, similar to FIG. 3), could then be laid over it and firmly connected to the lower support body parts, hermetically sealing the pressure medium.
  • the projections 9c can each be arranged between the individual support bodies 12, but web-shaped projections 9c1 could also be provided, as indicated by dashed lines.
  • the arrangement of the support bodies 12 with the membrane parts 5c lying therebetween, the surface area of which is determined by the number and dimensions of the support bodies 12, enables a large number of weighing plates to be designed differently, with a few or many individual nipple-like projections or with between the supports Ridge-shaped projections engaging the body rows or also with a bridge "net", depending on the weighing range to be provided.
  • a display 11 is arranged on the housing of the scale.
  • Fig. 5 shows another possibility of changing the weighing range - with otherwise the same measuring device.
  • the force-transmitting surface of the weighing plate 2d is enlarged, the lower surface of the weighing plate 2c is corrugated or nubbed, the counter plate of the basic structure 1d is shown in FIG formed approximately opposite, the diaphragm medium 3 covered by the membrane 5 over the entire surface.
  • the pressure sensor 4 is arranged in an extension 17d. The weighing range of such an arrangement can be shifted towards larger values by increasing the area, since the oil pressure is reduced with the same weight.
  • FIGS. 6a, 6b and 6c show an embodiment of a balance in which the basic structure 1e has an annular recess 8.
  • FIG. 6a shows the top view of such a scale.
  • a display 11 in particular a liquid crystal or LED or plasma display, is arranged on the basic structure of the housing of the scale and is excluded in the scale cover.
  • the pressure made available via the sensor arrangement in the chemical seal medium is displayed by the microprocessor after conversion from pressure to weight according to the desired measurement system by the microprocessor.
  • Fig. 6b shows a section along AA of Fig. 6a
  • Fig. 6c shows detail I of Fig. 6b.
  • the pressure medium 3 m is held in a cavity formed by the basic structure 1e.
  • the basic structure 1e could accordingly be formed in this area as a hollow body with supports, which carries the pressure medium.
  • the membrane 5e would then be attached to it - along the upper edges of the recess 8 in a manner corresponding to FIG. 6c.
  • An extension 17e is provided in the center of the area, for receiving at least the pressure sensor 4 or the sensor arrangement comprising the pressure sensor 4 (see further below). The dimensioning of this extension will accordingly depend on the space required for the pressure sensor or sensor arrangement.
  • On the weighing plate 2e there is provided a ring-shaped projection 9e corresponding to the ring-shaped recess 8 which engages in the ring-shaped recess 8.
  • the frame 13e of the housing encompasses the basic structure 1e and the weighing plate 2e.
  • the frame is in two parts executed and is latched, glued, snapped or possibly ultrasonically welded for assembly, so that the base plate and weighing plate cannot fall apart, and the weighing plate cannot be tilted or tilted due to one-sided weight supports and thus the membrane cannot be damaged.
  • the type of pressure sensor or sensor arrangement will depend on the intended use of the balance or on the requirements for accuracy.
  • FIG. 6c The detail I of FIG. 6b is shown in FIG. 6c, the detail II of FIG. 6b being designed correspondingly, but reversed, to this.
  • This shows a possible design variant for the connection between the membrane and the basic structure.
  • the membrane 5e is tightly connected via a connection piece 18 to the base structure 1e, which may be formed from plastic, in particular spot or line-like ultrasonically welded.
  • certain areas of the membrane 5e are designed as so-called stretching areas 10.
  • the membrane 5e can be made particularly thin there and possibly with an oversize, but alternatively or additionally, the membrane 5e as such can also be provided in a stretchable and elastic manner.
  • FIGS. 7a, 7b and 7c show arrangements with individual, discretely arranged recesses 8f and 8f1, respectively, with FIGS. 7b and 7c each showing a section along B-B of FIG.
  • the configurations of FIGS. 7b and 7c differ essentially only in the depth of the recesses 8f and 8f1 and the configuration of the membrane 5f.
  • the display 11 is provided on the cover or the basic structure. According to FIG. 7b, two such recesses 8f are connected to one another via channel-like recesses 16, the recessed extension 17f being provided at the intersection thereof. Correspondingly dimensioned projections 9f arranged on the weighing plate 2f engage in these recesses 8f. Between the basic structure 1f - or within the channels 16 provided in the basic structure 1f - and weighing plate 2f, the diaphragm seal medium 3 is provided, at least partially covered by a membrane 5f. The membrane 5f is fastened in the area of the recesses 8f to the basic structure 1f in a manner corresponding to FIG. 6c.
  • a further projection which engages in the extension 17f and is provided on the weighing plate 2f, could also be provided (not shown).
  • the discrete recesses 8f1 can be provided in a circle on the basic structure 1f1, wherein the pressure medium medium can be filled therein either in the form of a channel - according to FIGS. 7a and 7b - or in a large space.
  • the recesses 8f1 smd are covered by a membrane 5f which is fastened to the basic structure 1f1, corresponding approximately to FIG. 6c, and a thicker membrane part 5f1 approximately corresponding to the configuration in FIG. 3 as a support for the has projection 9f1 provided on the weighing plate 2f1.
  • 8 and 9 show further training options for scales according to the invention.
  • 8 shows four intersecting channels 16g, at the two ends of which a recess 8g is provided for engaging corresponding projections provided on the weighing plate;
  • the expansion 17 accommodating the pressure sensor or the sensor arrangement is provided in the center of the channels 16g.
  • FIG. 9 shows an embodiment in which three intersecting channels, forming recesses 8h, are formed, each of which is covered by a membrane - if appropriate in a manner corresponding to FIG. 7c. Appropriately shaped projections engaging in these channels are then provided on the weighing plate (not shown).
  • a sensor arrangement which proves to be particularly advantageous for the scales according to the invention is a programmable sensor signal conditioner and measurement error compensation circuit, as described in US Pat. No. 5,121,118 by the same applicant and also in US Pat on December 22, 1995, filed by the same applicant, the priority of which is claimed for the present application.
  • the content of US Pat. No. 5,121,118 is hereby fully disclosed.
  • the sensor arrangement open in these two documents relates to a so-called dual
  • 5,121,118 lies in the fact that this arrangement completely accomplishes temperature-dependent offset voltages and sensitivity changes in the sensor, as well as manufacturing tolerance-dependent scatter ranges of the sensor zero-point signal and the sensitivity under microprocessor control can and also compensate for all other error signals from manufacturing tolerances and changes in the signal range such as long-term zero point drifts, changes in the offset of the pressure in the pressure medium medium due to temperature and ambient pressure changes, changes in the bridge voltage due to moisture and Influences of contamination (contamination), voltage drop at the voltage source (battery wear) can be eliminated under program control or can be calibrated in a self-learning programmed manner and can be carried out automatically during the A / D conversion.
  • a second sensor for measurement could possibly be used for precision scales the conductivity in the pressure medium (oil contamination) and possibly also a third sensor for temperature measurement, the temperature determination at the pressure sensor, as described in US Pat. No. 5, 121, 118, should not be sufficient.
  • a piezo-resistive pressure sensor 4 is connected to a sensor signal conditioning circuit (SSC), in particular to an integrated circuit, hereinafter called conditioning IC 22.
  • SSC sensor signal conditioning circuit
  • conditioning IC 22 an integrated circuit
  • a temperature-dependent signal is determined directly on the IC 22 or the IC 22 measures the temperature signal as a bridge supply voltage signal, as described, for example, in the two documents listed above, directly on the piezoresistive pressure sensor 4.
  • the battery is also monitored the IC 22.
  • the conditioning IC 22 enables optimum use of piezoresistive sensors 4 and conversion of the analog measurement signals of the pressure sensor 4 into digital pressure and temperature values adapted to the application.
  • a microprocessor 23 ( ⁇ P), a voltage source (battery 50) and a display 11 are arranged outside the pressure medium 3, as can be seen schematically in FIG.
  • the display / computer unit 15 consisting of microprocessor 23, display 11 and voltage source 50 is connected via an interface 51 in the form of a sealed plug to the sensor arrangement 48 consisting of conditioning IC 22, sensor 4 and EEPROM 21 .
  • the interface 51 can be designed as a parallel or serial interface.
  • conditioning IC 22 and microprocessor 23 - and possibly also EEPROM 21 - are present as single chips and can be arranged within the pressure medium.
  • sensor 4 and EEPROM 21 can also be arranged within the pressure medium, conditioning IC 22 and microprocessor 23 are then located individually or on a single chip outside the same.
  • the sensor signal conditioning circuit 22 comprises means for programmable amplification and A / D conversion, in particular for offset and gam adaptation, means for programmable feeding of the sensors, means for compensating temperature effects in the signals of the Pressure sensor 4, means for determining compensation and adjustment parameters, means for storing the specific compensation and adjustment parameters, which are preferably stored in an EEPROM 21 arranged in the pressure medium 3, and means for checking the conditioning circuit and for connecting it with the external, or outside the
  • the memory means is preferably designed as a separate component (EEPROM), possibly also on the signal conditioning IC, or as a memory area of the microprocessor 23 located outside the pressure medium medium 3.
  • the connections of the conditioning circuit and the EEPROM lead through the housing in a pressure-resistant manner (eg injected plug).
  • a serial MICRO-WIRE interface, four connections
  • Eme 4B ⁇ t parallel microbus interface would result in 8 connections.
  • the piezoresistive sensor 4 is designed as a Wheatstone bridge circuit.
  • the sensor-bridge circuits (pressure sensor 4) are connected directly to the IC 22.
  • the IC 22 comprises a sensor interface 25 and a programmable supply 26 connected to it.
  • the sensor interface 25 is connected via a first one Multiplexer 27 and an intermediate memory / amplifier 28 are connected to an analog part 29 of the A / D converter.
  • This analog part 29 includes an offset, an integration and a comparator stage.
  • a digital part of the A / D converter comprises a counter 33 and a D / A converter 34, the output signal of the D / A converter 34 controlled by the counter 33 passing through the first multiplexer 37 m to the analog part 29 and is used there as a setting value for programming (activation) of offset integration and compensation values.
  • the A / D converter can preferably be operated using the dual slope method and is connected to a control means or the main control unit 30.
  • the main control unit 30 communicates with various parts of the IC via an internal bus 31 and with the external microprocessor 23 via a microprocessor interface 32.
  • a non-volatile memory in particular an EEPROM, is also connected to the external bus 52. for parameters, digital IC settings and error compensation values or reference voltages for A / D conversion. The parameters corresponding to the current temperature are used to compensate for temperature effects.
  • Digital values of the EEPROM are, if necessary directly, or after processing or conversion in the microprocessor 23 from the bus 31 via first register 36, a second one Multiplexer 37 and the D / A converter 34 are fed to the analog part 29 of the A / D converter.
  • the programmable supply 36 is set by the bus 31 via a decoder 43 and a step selector 44 in accordance with the pressure or temperature signal of the pressure sensor 4 to be measured. So that a set supply voltage is also applied to the desired sensor 4 or to its measuring bridge, the supply 26 is connected to the sensor interface 25.
  • the main control unit 30 becomes the output signal of the analog part
  • a versatile conditioning IC has, for example, an oscillator with a selectable frequency, with frequencies in the range from 500 to 800 kHz being expedient for static measurements (1-2 times per second).
  • the dual-slope method used in the IC 22 consists of a neutral phase (auto-zero phase) during which a stable input voltage can be set.
  • the input voltage or offset compensation value programmed on the A / D converter is placed on a capacitor (auto-zero cap) for the start of the A / D conversion.
  • a rising phase sensor signal integration phase
  • the output voltage of an integrator rises in proportion to the slope with the signal voltage of the measuring bridge with the pressure sensor.
  • the increase takes place during a time which is likewise predetermined by the counter 33 and is also programmable and thus leads to a bit precisely adjustable integrator final voltage.
  • the rise time can be selected so that a maximum integrator final voltage is not exceeded.
  • the rise phase is followed by a descent phase (de-integration phase), during which the output voltage of the integrator decreases proportionally to the negative slope starting from the final voltage with a reference voltage programmable on the D / A converter until the original output voltage or Offset voltage is reached again.
  • the reference voltage corresponding to the necessary compensations in particular the temperature compensation, can be applied from the D / A converter 34 to the integrator via the first multiplexer 27 and / or the programmable counter 33 , before the A / D conversion, as a function of the temperature.
  • the rise time is determined by means of counter 33 (full scale, fine range setting).
  • the descent time or the level of the counter 33 at the end of the descent phase is proportional to the ratio of the input voltage to the reference voltage.
  • the counter reading corresponds to the digital A / D value, which is a measure of the sensor voltage compensated by means of the reference voltage.
  • At least one calibration parameter is determined for two, in particular high and low, pressure and temperature values.
  • calibration parameters are determined and stored for four pressure values of the measuring range at two different temperatures.
  • Specific reference voltages (coarse adjustments) for offset and full-scale are determined at the lowest gauge temperature.
  • the values for the full-scale fine adjustments are calculated from the calibration parameters for any temperatures within an approved temperature operating range by interpolation, in particular polynomial interpolation, and - as already described - via the Counter 33 fed to the D / A converter.
  • the full-scale and offset rough settings remain unchanged.
  • the reference voltages are selected in accordance with the pressure or weight range to be measured and the components used, in particular in accordance with the counter 33.
  • a counter 33 with a counting range from 0 to 4096 (12B ⁇ t) for a personal scale with a measuring range of 0- 150kg, it is advisable to choose the reference voltages for the permitted temperatures so that with a weight of 150kg - in essentially independent of the temperature - a counter reading slightly less than 4096, for example 3700 is reached.
  • the counter reading when the scale is not loaded (0kg) should essentially be 700, or between 100 and 1000 depending on the temperature.
  • the coarse adjustment of sensor zero point and sensitivity of the pressure calibration are already taken into account in the analog part, in particular in its integration stage.
  • support points or support values of the calibration curves are interpolated between temperature calibration points (for example 15 ° C and 35 ° C) when the temperature changes according to the current temperature and are stored as current support values.
  • a weight value is interpolated at this determined value using the current base values and the calibration weights assigned to them.
  • a Lagrangian or Newtonian interpolation is preferably carried out.
  • the temperature signal at the pressure sensor 4 is evaluated at regular time intervals.
  • the temperature signal of the pressure sensor 4 is optionally converted into a digital value by means of the A / D converter or its analog and digital part 29, 33, 34.
  • reference voltages of the temperature sensor would have to be supplied to the A / D converter. Because the temperature values are resolved to a maximum of 8 bits for a scale application with only 12 bit resolution, ie there are no high demands on the accuracy of the temperature value, the temperature signal is preferably evaluated via a comparator 35 provided for this purpose.
  • a first input of the comparator 35 is connected to the sensor interface 25 in such a way that the temperature signal of the temperature sensor 4 can be fed to the comparator 35.
  • the second input of the comparator 35 is connected to the D / A converter 34 and this to the counter 33, so that a comparison voltage can be changed step by step.
  • the counter 33 is stopped when the sensor voltage is reached and then contains a value assigned to the temperature.
  • an amplification is selected so that a counter reading of 255 corresponds to a temperature of approximately 100 ° C.
  • the scale is preferably only calibrated in the fully assembled state.
  • Fig. 12 and Fig. 13 illustrate the calibration procedure.
  • Fig. 12 shows the temperature curve during oak.
  • t1 or t2 calibrations are carried out for a first or second temperature (for example 15 ° C. or 35 ° C.).
  • the load on the scales and the associated calibration steps (S1-S18) can be seen from the illustration in FIG.
  • FIG. 13 shows a calibration curve which is shifted through the selection of an offset and a reference voltage for the weight range from 0-150 kg (x-axis) m to a desired range of the digital values (y-axis).
  • the calibration curve is shown as a straight line. Due to the non-linearities of the scale, the real calibration curves deviate from straight lines.
  • the sensor signal area is marked with the area bar drawn in the y direction.
  • the size of the bars increases from the weight of 150kg to 0kg, because all calibration curves are set by programming the counter 33 in such a way that they lead through the point with the x, y coordinates 150kg, 3700 at any temperature (calibration ranges).
  • Different offset signals and zero point shifts of the sensors can therefore lead to increasing deviations from the ideal curve in the negative x direction, characterized by the scattering range upwards and downwards.
  • a calibration program is started by the loading, in which function tests and initializations of the electronics, in particular the capacitor IC 22 and the EEPROM, are carried out as part of the first four calibration steps (S1, S2, S3, S4) 21 (Fig. 10).
  • the scale display shows the calibration steps to be carried out.
  • the balance is brought to a first calibration temperature, preferably to 15 ° C., after the start of the calibration program (first insertion of the batteries) (all scales are in a room kept at 15 ° C.).
  • the calibration program waits during a predetermined time, or until a weight is applied and a high A / D value is read, and then, when the scale is not loaded (0kg, 1bar) in calibration step S5, the supply 26 of the pressure sensor 4 (FIG. 10) Set so that there is a measurement signal in a predetermined range.
  • an offset voltage must be determined and stored at least for the pressure sensor in a calibration step S6, which ensures that the digital pressure value of the unloaded scale is slightly above 0 at 0kg load.
  • the calibration step S6 increases or decreases the digital pressure values.
  • a reference voltage is determined and stored by means of steps S7 and S8, and the counter 33 set so that the digital pressure value at 15 ° C and 150kg is essentially 3700. According to FIG. 13, this corresponds to a change in the mean slope of the calibration curve.
  • the calibration steps S9 and S10 the current temperature value, or the digital value corresponding to this, and using the determined reference voltage for offset and full range and counter setting 33, the digital weight value is recorded and stored.
  • the subsequent calibration steps Sl 1 -Sl 3 are also carried out at 15 ° C with the reference and offset voltages for 15 ° C but each with the calibration loads 100kg, 50kg and 0kg.
  • the digital values corresponding to the calibration loads are saved and form the base values of the calibration curve at 15 ° C.
  • a personal scale is generally used in the temperature range of 15-35 ° C.
  • temperature effects in this or another, correspondingly predetermined, temperature range must be compensated optimally.
  • the support points of a further calibration curve are recorded.
  • the balance to be calibrated is placed in a calibration room at approx. 35 ° C.
  • calibration steps S14-S19 can be carried out analogously to calibration steps S8-S13.
  • the reference voltage for the offset and full range is not reset, only the counter 33 is programmed to the new temperature so that when 150 kg are placed, 3700 ADC counts are read again.
  • a digital temperature value and the digital values corresponding to the calibration loads are then read in and stored at 35 ° C.
  • Base values for pressure calibration curves between 15 and 35 ° C can therefore be determined by linear interpolation.
  • a third degree polynomial interpolation in particular a Lagrange or Newtonian interpolation, is optionally also used for the interpolation between the values known at different temperatures lynomial interpolation is used.
  • values at an intermediate temperature can also be determined, if necessary by linear interpolation (S20).
  • an interpolation of the second degree is expediently provided, in particular a Lagrangian or a Newtonian interpolation.
  • the above-described calibration of the sensor and IC also guarantees a calibration curve with different sensors for every temperature in the operating range, whose digital pressure values for loads from 0kg to 150kg essentially in the range from 700 to 3700 lie.
  • an OK value (check sum via the setting parameters and calibration values stored in the EEPROM) is stored and the balance is set to weighing operation. Since no temperature display is provided, no temperature norms have to be assigned to the digital temperature values. Accordingly, the calculation of ° C units from the recorded temperature calibration curves and the predetermined support points (15 ° C and 35 ° C) can be dispensed with.
  • a set of calibration values corresponding to this current temperature value is loaded. So- as soon as the temperature changes by essentially 1 ° C or more than two digital units, a set of calibration values corresponding to the new temperature is loaded. As already described, the calibration values corresponding to the temperature are determined by interpolation from the values measured during the calibration (self-learning calibration). Likewise, the digital pressure value is converted into an weight value using an interpolation using the current calibration values. In order to enable a display m of the desired weight unit (US / metric), the weight value of the unit is converted accordingly.
  • the weighing mode is designed as a control mode with a minimal power consumption.
  • a temperature value is determined in order to interpolate and load the corresponding calibration values (counter 33 and reference values of the calibration curve) in the event of temperature changes.
  • a weight determination is preferably carried out to check the zero point position. If the determined weight of the unloaded scale is not zero, an offset correction is preferably carried out. This zero point correction can compensate for errors in weight determination, for example, due to atmospheric pressure fluctuations or changes in altitude or temperature-related pressure fluctuations, as well as long-term drifts and other sensor bridge adjustments.
  • display mode is provided in which the weight is determined in shorter time intervals, in particular in intervals of 1 second.
  • the interval for the temperature measurement and the adjustment of the calibration values that may be necessary preferably remains at 1 minute.
  • the display remains on until the weight has stabilized and then switches off after a certain time, approx. 10 seconds.
  • a switch may be provided. The switchover is preferably carried out automatically. For this purpose, when changing from control to display mode, the load on the scale must be recognized within 2 to 3 seconds. Accordingly, a digital value of the pressure sensor signal must be determined at intervals of 2 to 3 seconds.
  • a 10 bit A / D conversion is preferably provided for the load detection. Switching on should take place, for example, when the 10-bit pressure value changes by at least 20 units (4 kg, for personal scales).
  • successive weight values are compared with one another. As soon as the determined weight fluctuates around a fixed value for only about 10 seconds within the double measurement resolution (+/- 0.1kg), the balance is switched back to control mode.
  • the sensor arrangement 48a according to FIG. 14 shows a sensor supply 54 which can be set with R1 and has a current source 53 for operating the pressure sensor 4 and for generating the desired potential difference of the sensor output signal.
  • the resistors R2 and R3 and the potentiometer P1 form the sensor offset and signal zero controller 49 for the sensor 4 and the downstream measuring arrangement, which consists of the buffer / differential amplifier 55, the A / D full-range controller 57 and the A / D converter 56a, wherein the sensor offset signal is roughly adjusted via R2 and R3 and the zero point fine adjustment of the sensor measurement signal via the potentiometer P1.
  • the resistance R4 compensates for the temperature response (TC) of the sensor sensitivity, or reduces it as much as possible.
  • One possibility of compensating for the temperature response (TC) of the sensor zero point would be to regulate the current source 53 at the positive input with an NTC resistor R8 (shown in dash-dot lines) so that the bridge current through the sensor 4 is opposite and changed in proportion to the temperature-dependent increase or decrease in the bridge resistance of the sensor 4 and thus compensate for the temperature response TC of the sensor zero point. It is self-evident that such an analog temperature error compensation can only be done approximately and therefore not with very high accuracy, because all analog error compensation methods have the disadvantage that error quantities caused by temperature effects compensate with the same temperature effects of other components become.
  • the signal gain is adjusted via the potentiometer P2 by trimming the reference voltage of the A / D converter 56a on the A / D full-range controller 57.
  • the corresponding specifications of the sensor 4 are used and these resistors are selected so that both maximum and minimum sensor offset and sensor sensitivity signals are sent via the potentiometer P1 and P2 can be compared and so that the area of the A / D converter 56a can be fully utilized, or the calibration points for zero point and full area can be placed on the desired A / D points.
  • the resistances R2, R3 and R4 can be found in the data sheet for each individual sensor, or else for each individual sensor by measuring the same in a test arrangement and for coordination (pairing of sensor and measuring circuit) on the sensor arrangement to equip.
  • each sensor arrangement has to be equipped with different resistances R2, R3 and R4, which are adapted to the respective sensor error behavior, as a result of which production and calibration become more complex and, compared to the sensor arrangement of FIG. 13, a not insignificantly higher current ⁇ Consumption results, even if on and off switches should be provided for all blocks of the analog measuring circuit consisting of 54, 55, 57 and 56a.
  • FIG. 15 shows a further "classic" sensor arrangement 48b which, in comparison to the arrangement 48a shown in FIG. 14, is also suitable for scales with higher accuracy requirements. This also enables, as in the case of the sensor arrangement 48 of FIG. 13, a self-learning automatic calibration, and that without individual coarse resistance adjustments and without iterative potentiometer femalignments.
  • the sensor arrangement 48b shows a sensor supply 54a with a current source 53a that can be adjusted via a resistor R1a in order to generate the desired potential difference of the sensor output signal.
  • the two ⁇ ensor bridge paths S1 and S2 are brought together here directly. Production-related sensor offset and zero point signal shifting of the downstream measuring arrangement are thus fed to the A / D converter 56b without fine or coarse adjustment of the measuring signal.
  • the measuring arrangement consists of the buffer / differential amplifier 55a with a permanently set gain 1 to A, which is appropriately adapted to the sensor signal range, the A / D full-range setting 57a with a reference voltage which is permanently set by the resistor R7, but which is adapted to the sensor signal range, and the A / D converter 56b.
  • the separation of useful and error signals takes place in software in the microprocessor, ie only after the A / D conversion. If the temperature response (TC) of the sensor sensitivity, the sensor zero point and the measuring arrangement itself is also to be compensated, then a temperature measurement must also be provided and the entire sensor arrangement 48b has a pressure / temperature calibration profile which corresponds to FIG. 12 ⁇ accordingly, but with significantly more support points, are exposed.
  • This temperature measurement can be carried out via a switching arrangement connected in parallel, a current supply 58a, a thermistor T8, a current limiting resistor R9 and a second A / D converter 58c or a multiplexer (not shown) for using the A / D converter 56b can be provided.
  • the recorded support points (A / D values for pressure (weight) and temperature) are stored in a matrix and with the equivalent pressure and temperature nominal values specified in the ROM with a correspondingly complex, polynomial interpolation of a higher degree and the associated correction calculation converts m error-compensated, calibrated weight units.
  • a high-resolution A / D converter 56b is required, which has at least 16, but preferably 18 bit resolution, over the entire bandwidth of the uncompensated, unconditioned sensor signal, which is associated with all possible error signals is superimposed, to be able to convert and to obtain 12 to 13 good bits, calibrated in weight units, for the display after the software separation of the useful and error signals in the microprocessor.
  • this sensor arrangement as elegant as it may seem, requires expensive, power-intensive components such as an 18-bit A / D converter and a high-performance microcontroller , as well as complex calibration due to the large number of pressure and temperature support points.
  • Eme scales with an arrangement according to Fig. 15 will therefore be of interest for the laboratory and industrial sectors. However, this will generally be too expensive for inexpensive consumer products with low power consumption.
  • a combination of the sensor arrangement 48a in FIG. 14 and the sensor arrangement 48b in FIG. 15 could also be provided, and an intermediate solution could thus be implemented which provides both analog and software-based error compensation circuits and thus the disadvantages of the two classic methods for taken all, reduced by a more advantageous third combination arrangement of 48a and 48b.
  • FIGS. 14 and 15 are exemplary; It goes without saying that these can be replaced by arrangements having the same effect and familiar to any person skilled in the art.
  • the individual components of the circuit arrangements of FIGS. 14 and 15 or also possible combinations (see above) can be in discrete form, or can also be implemented on an integrated circuit (IC) as an A / D mix, the ones to be adjusted externally Resistors can be trimmed with a laser and the potentiometers can also be available as digital potentiometers that can be set by the microprocessor.
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Abstract

Eine Vorrichtung zum Bestimmen von Gewichten weist eine Grundstruktur (1), eine darüber angeordnete Wägeplatte (2) und eine dazwischen angeordnete Sensoranordnung auf, wobei über die Sensoranordnung verfügbare Meß-Signale nach entsprechender Konvertierung einer Anzeige verfügbar sind. Zwischen Grundstruktur (1) und Wägeplatte (2) ist ein Druckmittlermedium (3) angeordnet, welches hermetisch abgeschlossen vorliegt. Die Sensoranordnung umfaßt einen - gegebenenfalls piezoresistiven - Drucksensor (4), wobei wenigstens der Druckaufnehmer (4) innerhalb des Druckmittlermediums (3) angeordnet ist.

Description

WAAGE
Die Erfindung betrifft eine Waage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind Systeme vorgeschlagen worden, die insbesondere für Drucksensoren Verwendung gefunden haben, bei denen zur Mes¬ sung von Drücken von bestimmten Medien der jeweilige Druck über eine Membran und eine zwischen Membran und einem Sen¬ sorelement angeordnete Flüssigkeit (bevorzugt Öl) übertragen wird.
So zeigt beispielweise die DE-A1-40 32 955 einen Drucksen- sor, bei dem der Druckaufnehmer im Inneren eines Gehäuses angeordnet ist, in direktem Kontakt mit dem Druck-übertra- genden, flüssigen Medium. Dabei wird, um Fehlmessungen auf¬ grund von Temperatureinflüssen möglichst zu vermeiden, das Volumen des flüssigen Mediums möglichst klein gehalten.
In der DE-A1-43 15 962 wird ein Drucksensor beschrieben, bei dem ein Druckaufnehmer zwischen zwei mit einem flüssigen Druckmittiermedium gefüllten Druckmittlerkammern angeordnet ist. Ein solcher Sensor ist insbesondere zur Messung von Drücken korrosiver Medien vorgeschlagen worden.
Die EP-A1 -0 658 754 wiederum zeigt eine Anordnung, bei der Einflüsse durch elektromagnetische Strahlungen bzw. durch elektrische Aufladung der Ölfüllung auf die druckabhängige Widerstandsänderungen der aus polykristallmem Silicium be¬ stehenden Dehnmeßstreifen vermieden werden sollen, indem me¬ tallische Trennfolien vorgesehen werden. Eine dieser Folien ist in unmittelbarer Nähe der Dehnmeßstreifen, diese über¬ deckend, angeordnet. Zum Ausgleich von Temperatureinflüssen ist eine Temperatur-Kompensationsschaltung vorgesehen. Die vorliegende Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, eine Waage bereitzustellen, der das Prinzip zugrunde liegt, eine Gewichtskraft über die von dieser in einem Druckmitt- lermedium erzeugte Druckänderung zu messen.
Das gelingt durch die Verwirklichung der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Alternative bzw. vorteilhafte Aus¬ bildungen sind durch die kennzeichnenden Merkmale der abhän¬ gigen Ansprüche beschrieben.
Die erfindungsgemäße Waage weist gegenüber bekannten Waagen - Waagen, die insbesondere zum Wiegen von Kleingewichten und Personen für Wägebereiche zwischen ca 2 und einigen hundert Kilogramm zum Einsatz kommen - vorteilhafte Merkmale auf. So werden durch das der Waage zugrundeliegende Prinzip, die zu bestimmende Gewichtskraft über den Druck zu messen, den diese Gewichtskraft in einem Druckmittiermedium erzeugt, me¬ chanische Teile, wie Wägebalken, verzichtbar. Es sind somit auch keine Drehmomente zu kompensieren, auf aufwendig zu montierende Dehnmeßstreifen mit bekannt geringen Ausgangssi¬ gnalen und damit nötigen, stromintensiven Verstärkerschal- tungen mit zu kompensierenden, großen Temperatur- und Eigen- fehlern kann gleichfalls verzichtet werden.
Die erfindungsgemäße Waage weist einen in einem Druckmitt- lermedium eingebetteten Drucksensor auf - wobei gegebenen¬ falls auch weitere elektronische Bauteile m dem Druckmitt¬ lermedium eingebettet sein können. Das Druckmittlermedium ist innerhalb einer eine entsprechende Ausnehmung aufweisen- den Grundstruktur und zwischen dieser und einer Wägeplatte angeordnet und nach außen hermetisch abgeschlossen.
Der Drucksensor ist insbesondere ein piezoresistiver Druck¬ sensor (auch andere Drucksensoren, wie beispielsweise elek- troresistive, sind möglich) . Die bevorzugte Meßelektronik, die gegebenenfalls auch im Druckmittlermedium eingebettet sein kann, weist eine programmierbare Verstärkerschaltung zur Offset- und Garn-Anpassung auf, eine programmierbare Sensorspeisung zur Grobeinstellung des Sensor-Ausgangssi- gnals, eine Temperaturkompensationsschaltung, einen A/D Wandler zur Umwandlung des analogen Meßsignals, einen Spei- eher, beispielsweise ein EEPROM, zur Abspeicherung der ge¬ wonnene Kompensations- und Einstellparameter, eine serielle oder parallele Schnittstelle zu einem extern anzuschließen¬ den Mikroprozessor und ein Programm zur Ausführung der Feh- lerkompensation und Trennung des Sensor-Nutzsignals vom Sen- sor-Fehlersignal und zur Umrechnung der Druckwerte in Ge¬ wichtswerte.
Wie weiter unten anhand von Ausführungsbeispielen näher er¬ läutert, ist das System aufgrund der unterschiedlich anor- denbaren elektronischen Bauteile als modulares System konzi- pierbar.
Es versteht sich, daß die beschriebene Sensor-Meßelektronik- Anordnung eine in vielfacher Hinsicht zu bevorzugende Anord- nung sein wird, da damit nicht nur die Herstellungskosten drastisch gesenkt werden können, sondern auch die Kalibra- tion der Waage in einfacher Weise gegeben ist, bei gleich¬ zeitig hoher Genauigkeit unabhängig vom jeweiligen Wägebe¬ reich. Eine solche Anordnung ermöglicht die Kompensation von Sensor-, Gehäuse-, Temperatur- und Eigenfehlern der Elektro¬ nik bei fertig montierter Waage; die während der Kalibration erhaltbaren Fehlerkompensationsdaten und Einstellparameter werden in einem nicht-flüchtigen Speicher abgelegt.
Die Meßelektronik könnte prinzipizell auch als "klassische", sogenannte Schulbuchelektronik konzipiziert sein, bestehend aus einer abgleichbaren Verstärkerschaltung " (Offset und Gain einstellbar) , einer Strom- oder SpannungsSpeisung des Sensors, einem A/D- Wandler und einem Mikroprozessor mit An- zeige. Anstelle der abgleichbaren Verstärkerschaltung kann auch ein Puffer und em hochauflösender A/D-Wandler (16 Bits oder mehr) vorgesehen sein, um das Sensor-Fehlersignal vom Sensor-Nutzsignal erst im Mikroprozessor zu trennen. Doch Platzbedarf, Stromverbrauch, Herstellungs- bzw. Montagekom¬ plexität und damit noch zusätzlich einzukalkulierende Feh¬ lerquellen werden im allgemeinen, ebenso wie höhere Bauteil- kosten, als nachteilig anzusehen sein. Es versteht sich, daß diese klassischen Anordnungen unter den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung fallen.
Das Druckmittlermedium wird - wenigstens gegen die Wäge- platte zu - wenigstens bereichsweise von einer Membran abge¬ deckt, die - wenigstens mittelbar - als Auflager für die Wä¬ geplatte, bzw. für entsprechend dimensionierte Teilbereiche der Wägeplatte, beispielsweise in Form von Nippeln, Stegen oder fußartigen Vorsprüngen oder auch als Bestandteil der Wägeplatte selbst dient. Die Membran ist somit als gegebe¬ nenfalls mittelbar kraftübertragendes Element vorgesehen.
Über die Gestaltung der Wägeplatte, und zwar durch die Wahl der Größe der kraftübertragenden Fläche, ist die Möglichkeit gegeben, bei an sich gleich ausgebildeter Sensor-Meßelektro- nik-Anordnung den Wägebereich einer Waagen-Anordnung dem ge¬ wünschten Einsatz entsprechend gegen niedrigere oder höhere Bereiche hin zu verschieben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichungen rem beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
Fιg.1 eine Darstellung des Prinzips emer erfindungsge¬ mäßen Waage im Schnitt;
Fig.2 bis 5 Ausbildungsvarianten erfindungsgemäßer Waagen im Schnitt;
Fig.6a eine Draufsicht auf eine Waage;
Fig.6b einen Schnitt nach A-A der Fig.6b; b
Fig.6c das Detail I der Fig.6b;
Fig.7a eine Draufsicht auf eine Waage bei abgenommener Wä¬ geplatte, wobei
Fig.7b und 7c jeweils einen Schnitt längs B-B der Fig.7a für unterschiedliche Ausbildungen zeigen;
Fig.8 eine der Fig.7a entsprechende Darstellung einer al- ternativen Ausbildung für eine erfindungsgemäße
Waage;
Fig.9 eme weitere Darstellung entsprechend Fig.7a einer weiteren alternativen Ausbildung für eine Waage;
Fig.10 eme schematische Darstellung von Drucksensor, Sen¬ soranordnung, Rechner/Anzeige-Einheit und Spannungs¬ quelle;
Fig.11 eme schematische Darstellung eines Konditionie- rungs-IC;
Fig.12 einen typischen Temperatur- und Druckverlauf während des Eichvorganges
Fig.13 eme Darstellung von Eichkurven und
Fig.14 und 15 Darstellungen von alternativen Sensoranord¬ nungen.
In Fig.l ist das Prinzip gezeigt, das der erfindungsgemaßen Waage zugrunde liegt. Zwischen einer Grundstruktur 1 , die gegebenenfalls mehrteilig ausgebildet sein kann, jedoch im wesentlichen topfförmig ist, und einer Wägeplatte 2 ist in einem durch eine entsprechende Ausbildung der Grundstruktur 1 gegebenen Hohlraum ein Druckmittlermedium 3 eingebracht. Dieses Druckmittlermedium 3 ist eine inkompressible Flüssigkeit, deren Viskosität je nach Bedarf zu wählen sein wird, wie beispielsweise Silikonöl, oder auch em Gel, wie beispielsweise Silikongel. Das Druckmittlermedium 3 ist we¬ nigstens einseitig von einem flächenhaften, dünnen Gebilde, einer Membran 5, begrenzt, so daß es innerhalb des durch die Formgebung der Grundstruktur 1 gegebenen Hohlraums gehalten ist. Um den Austritt von Druckmittlermedium 3 zu unterbin¬ den, wird die Membran 5 beispielsweise m einer der Grund¬ struktur 1 zugeordneten Klemmverbindung 7 mit Dichtring sit- zen. Diese Membran 5 kann - je nach Einsatz - aus Metall oder Kunststoff sein, die Dicke wird sich zwischen 0,01mm und 0,5mm bewegen, in Abhängigkeit vom Verwendungszweck.
In dem Druckmittlermedium 5 ist em Drucksensor 4 vorgese- hen, gegebenenfalls an der Grundstruktur 1 angelenkt, bei¬ spielsweise em piezoresistiver Drucksensor. Da bei einem piezoresistiven Element bei Druckänαerungen eme Veränderung des Kristallgefüges und damit der Leitfähigkeit erfolgt, kann die Druckänderung als proportionale Widerstandsänderung gemessen werden. Die Änderung des spezifischen Widerstandes des piezoresistiven Drucksensors ist somit em Maß für die auf diesen wirkende Druckkraft. Batterie (n) als Spannungs¬ quelle, Verstärker zur Verstärkung des erhaltenen elektri¬ schen Signals, A/D-Wandler in Verbindung mit emem Mikropro- zessor, gegebenenfalls Temperatursensoren mit entsprechenden elektronischen Komponenten zur Kompensation von Temperatur¬ einflüssen auf Sensor und Druckmittlermedium können in be¬ kannter Weise vorgesehen sein. Vorteilhafter wird eine pro¬ grammierbare Schaltung, bestehend aus Sensorspeisung und nachgeschaltetem programmierbaren A/D Wandler mit Signalver¬ stärkerelektronik vorgesehen, wobei sich dieses System samt Speicher (vorzugsweise em EEPROM) für die sensor- und waa¬ genspezifischen Fehlerkompensations- und -kalibrationswerte im Öl einkapseln läßt. Drucksensor und gegebenenfalls auch die zugehörige Elektronik - weiter unten im Detail beschrie¬ ben - sind im Druckmittlermedium eingebettet, wobei die Bat¬ terie (n) - gegebenenfalls austauschbar - m der Grundstruktur 1 angeordnet ist (sind) . Die Anzeige und gege¬ benenfalls weitere Komponenten, wie beipielsweise em Mikro¬ prozessor mit integriertem Anzeigetreiber, RAM, ROM und I/Os (Smgle-Chip-Mikro-Computer) werden in bzw. an der Grund- Struktur vorzusehen sein (siehe weiter unten) . Eme Aufnahme 6 für die Batterien ist an der Grundstruktur 1 angeordnet. Em Rahmen 13 umfängt Grundstruktur 1 und Wägeplatte 2, so daß letztere auch bei ungleicher Gewichtsaufläge nicht ver¬ kippen und somit gegebenenfalls die Membran verletzen könnte. Auch wird der Spalt 14 zwischen Grundstruktur 1 und Wägeplatte 2 überdeckt.
Aufgrund der Belastung der Wägeplatte durch unterschiedliche Gewichte bzw. aufgrund unterschiedlicher Belastung derselben wird die das Druckmittlermedium 3 abgrenzende Membran 5 ge¬ eignet auszubilden sein. So kann die Membran 5 gegebenen¬ falls aus emem einigermaßen elastischen Material sein, oder auch Dehnbereiche (s.weiter unten) aufweisen. Die Stärke der Membran ist nicht zu dick zu halten, damit die auf sie wir- kende Kraft einwandfrei auf das Druckmittlermedium übertra¬ gen und nicht gegebenenfalls durch die Membran selbst abge¬ stützt wird.
Das Druckmittlermedium könnte auch kissenartig - die Membran wäre dann die "Kissenhülle" - zwischen Wägeplatte und Grund¬ struktur ausgebildet vorgesehen sein. Die für das Druckmitt¬ lermedium vorzusehende Geometrie kann unterschiedlichster Art sein, dergestalt die Kraftübertragungsfläche vergrößernd oder auch verkleinernd, wie rem beispielhaft anhand einiger Figuren weiter unten beschrieben.
In den Figuren 2 bis 9 smd beispielhaft mögliche Ausbildun¬ gen für Waagen gezeigt, bei denen die Eingriffsflächen Wäge¬ platte-(Druckmittlermedium) -Grundstruktur anders dimensio- niert sind und/oder die Membran andersartig ausgebildet ist. Damit ist über die Bestimmung der kraftübertragenden Fläche einerseits die Möglichkeit unterschiedlicher Wägebereiche für gleiche Sensoren gegeben und andererseits - beispiels¬ weise bei Personenwaagen - eine Stabilitätssteigerung wäh¬ rend des Wägevorgangs erreicht. Die somit gegebene Wahl der Größe der kraftübertragenden Fläche an der Wägeplatte ermög- licht - bei gleichartigen Grundstrukturen und gleichen elek¬ tronischen Bauteilen - die Auswahl verschiedenster, den ent¬ sprechenden Verwendungszwecken angepaßter Wägebereiche.
Fig.2 zeigt eme der Fιg.1 entsprechende Ausbildung, bei der Wägeplatte 2a und Membran 5a einstückig - beispielsweise als Spritzgußteil - ausgebildet smd. Die Wägeplatte 2a ist hier als stabilerer, dickerer Bereich der Membran ausgebildet. Die Membran 5a kann an der Grundstruktur 1 in der oben be¬ schriebenen Weise dicht eingeklemmt sitzen oder auch einge- schweißt oder geklebt werden. Wesentlich ist die hermetische Abdichtung des Druckmittlermediums 3.
Die Ausbildung entsprechend der Fig.3 ist derjenigen der Fig.2 ähnlich, wobei hier die Membran 5b mehrfach unterteilt ist und alternierend dickere Bereiche 5b1 und dünne Bereiche 5b2 aufweist, womit eine - im Vergleich zur Ausbildung der Fιg.1 - größere Festigkeit gegeben ist. Eine solche Membran 5b kann ebenfalls im Spritzgußverfahren einstückig herge¬ stellt werden. Gegebenenfalls könnte eme solche Membran 5b mit entsprechend groß gestalteten Bereichen 5b1 und ver¬ gleichsweise schmalen Bereichen 5b2 über die dickeren Berei¬ che 5b1 gleichzeitig auch als Wägeplatte dienen, oder es kann - entsprechend der Fιg.1 - eine darüber angeordnete Wä¬ geplatte 2 vorgesehen werden, um allfällig mögliche Verlet- zungen der Membran 5b zu vermeiden.
Fig.4a und 4b zeigen eine Ausbildungsvariante für eine er¬ findungsgemäße Waage, wobei Fig.4a einen Schnitt längs E-E der Fig.4b darstellt. Hier smd Stützkörper 12 über die Waa- genfläche hm angeordnet, mit dazwischenliegenden, eher kleinflächigen Membranteilen 5c, die an den Stützkörpern 12 befestigt smd, beispielsweise angeschweißt oder angeklebt, bzw. bei zweiteiliger Ausbildung dieser Stützkörper, wie beispielhaft strichpunktiert angedeutet, darin gehalten, verklebt, verschweißt oder einteilig gespritzt. Die Wäge¬ platte 2c greift mit entsprechend geformten, nippeiförmigen Vorsprüngen 9c in diese Membranteile ein, wodurch die kraft¬ übertragende Fläche verringert (respektive ein größerer Öl¬ druck erzielt wird) und damit der Wägebereich gegen kleinere Werte verschoben werden kann. Die Stützkörper 12 bzw. die unteren Stützkörperteile können an der Grundstruktur 1 fest angeordnet sein, gegebenenfalls einstückig mit dieser spritzgegossen. Die Membran, gegebenenfalls mit den entspre¬ chenden oberen Stützkörperteilen (beispielsweise auch ein¬ stückig, ähnlich der Figur 3 ausgebildet) , könnte dann dar¬ übergelegt und mit den unteren Stützkörperteilen fest ver- bunden werden, das Druckmittlermedium hermetisch ab¬ schließend.
Wie insbesondere aus der Draufsicht der Fig.4b zu entnehmen ist, können die Vorsprünge 9c jeweils zwischen den einzelnen Stützkörpern 12 angeordnet sein, es könnten aber auch steg- förmige Vorsprünge 9c1 - wie strichliert angedeutet - vorge¬ sehen sein. Die Anordnung der Stützkörper 12 mit den dazwi¬ schenliegenden Membranteilen 5c, deren Flächenerstreckung von Anzahl und Dimensionierung der Stützkörper 12 bestimmt wird, ermöglicht eine Vielzahl von unterschiedlich auszubil¬ denden Wägeplatten mit einzelnen wenigen oder vielen einzel¬ nen nippelartigen Vorsprüngen oder mit zwischen die Stütz¬ körperreihen eingreifenden, stegförmigen Vorsprüngen oder auch mit einem Steg-"Netz", ganz in Abhängigkeit von dem vorzusehenden Wägebereich. Eine Anzeige 11 ist am Gehäuse der Waage angeordnet.
Fig.5 zeigt eine weitere Möglichkeit, den Wägebereich - bei ansonsten gleicher Meßeinrichtung - zu verändern. Hier wird die kraftübertragende Fläche der Wägeplatte 2d vergrößert, die Unterfläche der Wägeplatte 2c ist gewellt bzw. genoppt ausgebildet, die Gegenplatte der Grundstruktur 1d ist in etwa gegengleich ausgebildet, das Druckmittlermedium 3 von der Membran 5 ganzflächig abgedeckt. In einer Erweiterung 17d ist - wie oben dargestellt - wenigstens der Drucksensor 4 angeordnet . Der Wägebereich einer solchen Anordnung kann durch Vergrößerung der Fläche gegen gegen größere Werte ver¬ schoben werden, da sich der Öldruck bei gleichem Gewicht re¬ duziert.
Die Figuren 6a, 6b und 6c zeigen eme Ausbildung einer Waage, bei der die Grundstruktur 1e eme ringförmige Ausneh¬ mung 8 aufweist. Figur 6a stellt die Draufsicht auf eine solche Waage dar. Eine Anzeige 11, insbesondere eine Flüs¬ sigkristall- oder auch LED- oder Plasma-Anzeige, ist an der Grundstruktur des Gehäuses der Waage angeordnet und in der Waagenabdeckung ausgenommen. Der über die Sensoranordnung verfügbar gemachte Druck im Druckmittlermedium wird vom Mi¬ kroprozessor nach Umrechnung Druck-Gewicht dem gewünschten Maßsystem entsprechend vom Mikroprozessor angezeigt. Fig.6b stellt einen Schnitt längs A-A der Fig.6a dar, während Fig.6c das Detail I der Fig.6b wiedergibt. In dem innerhalb der ringförmigen Ausnehmung 8 liegenden Bereich ist das Druckmittlermedium 3 m einem durch die Grundstruktur 1e ge¬ bildeten Hohlraum gehalten. Die Grundstruktur 1e könnte dem¬ nach in diesem Bereich als das Druckmittlermedium führender Hohlkörper mit Stützen ausgebildet sein. Die Membran 5e wäre dann daran - längs der Oberkanten der Ausnehmung 8 in einer der Fig.6c entsprechenden Weise zu befestigen. Im Zentrum des Bereichs ist eine Erweiterung 17e vorgesehen, zur Auf¬ nahme wenigstens des Drucksensors 4, bzw. der den Drucksen- sor 4 umfassenden Sensoranordnung (siehe weiter unten) . Die Dimensionierung dieser Erweiterung wird sich demnach nach dem Platzbedarf für Drucksensor bzw. Sensoranordnung rich¬ ten. An der Wägeplatte 2e ist ein der ringförmigen Ausneh¬ mung 8 entsprechend dimensionierter, ebenfalls ringförmiger Vorsprung 9e vorgesehen, der in die ringförmige Ausnehmung 8 eingreift. Der Rahmen 13e des Gehäuses umgreift Grundstruk¬ tur 1e und Wägeplatte 2e. Der Rahmen ist zweiteilig ausgeführt und wird zur Montage eingeklinkt, verklebt, ver¬ schnappt oder allenfalls auch Ultraschall-verschweißt , damit Grundplatte und Wägeplatte nicht auseinanderfallen können, und sich die Wägeplatte durch einseitige Gewichtsaufläge nicht schrägstellen oder verkanten kann und damit die Mem¬ bran nicht beschädigt werden kann. Wie weiter unten näher dargestellt, wird sich die Art des Drucksensors bzw. der Sensoranordnung nach dem Einsatzzweck der Waage, bzw. nach den Anforderungen an die Genauigkeit richten.
Das Detail I der Fig.6b ist m Fig.6c gezeigt, wobei das De¬ tail II der Figur 6b zu diesem entsprechend, aber seitenver¬ kehrt, ausgebildet ist. Daraus ist eine mögliche Ausbil- dungsvariante für die Verbindung Membran-Grundstruktur zu ersehen. Anstelle der anhand der Fιg.1 beispielhaft be¬ schriebenen Klemmverbindung mit Dichtring ist hier die Mem¬ bran 5e über em Anschlußstück 18 mit der - gegebenenfalls aus Kunststoff geformten Grundstruktur 1e - insbesondere punkt- bzw. linienartig Ultraschall-geschweißt - dicht ver- bunden. Wie bereits weiter oben dargestellt und aufgrund der hier gezeigten - rem fakultativen - Ausbildung smd be¬ stimmte Bereiche der Membran 5e als sogenannte Dehnbereiche 10 ausgebildet. Die Membran 5e kann dort besonders dünn und gegebenenfalls mit Übermaß ausgebildet sein, alternativ oder auch zusätzlich kann die Membran 5e als solche aber auch dehnbar elastisch vorgesehen werden.
Die Fig.7a, 7b und 7c zeigen Anordnungen mit einzelnen, dis¬ kret voneinander angeordneten Ausnehmungen 8f bzw. 8f1 , wo- bei Fig.7b und 7c jeweils einen Schnitt längs B-B der Fig.7a darstellt. Die Ausbildungen der Fig.7b und 7c unterscheiden sich im wesentlichen nur durch die Tiefe der Ausnehmungen 8f bzw 8f1 und die Ausgestaltung der Membran 5f.
An der Abdeckung bzw. der Grundstruktur ist die Anzeige 11 vorgesehen. Entsprechend Fig. 7b smd jeweils zwei solcher Ausnehmungen 8f über kanalartige Ausnehmungen 16 miteinander verbunden, wobei im Schnittpunkt derselben die vertiefte Erweiterung 17f vorgesehen ist. An der Wägeplatte 2f angeordnete, ent- sprechend dimensionierte Vorsprünge 9f greifen in diese Aus¬ nehmungen 8f ein. Zwischen Grundstruktur 1f - bzw.innerhalb der in der Grundstruktur 1f vorgesehenen Kanäle 16 - und Wä¬ geplatte 2f ist, wenigstens teilweise von einer Membran 5f abgedeckt, das Druckmittlermedium 3 vorgesehen. Die Membran 5f ist dabei im Bereich der Ausnehmungen 8f an der Grund¬ struktur 1f m emer der Fig.6c entsprechenden Weise befe¬ stigt.
Gegebenenfalls könnte auch em weiterer, in die Erweiterung 17f eingreifender, an der Wägeplatte 2f vorgesehener Vor¬ sprung vorgesehen sein (nicht dargestellt) .
Entsprechend Fig.7c können die diskreten Ausnehmungen 8f1 kreisförmig an der Grundstruktur 1f1 vorgesehen sein, wobei das Druckmittlermedium innerhalb dieser entweder kanalformig - entsprechend den Fig.7a und auch 7b - oder aber in einem großflächigem Zwischenraum eingefüllt sein kann. Die Ausneh¬ mungen 8f1 smd von einer Membran 5f abgedeckt, die - in etwa der Fig.6c entsprechend - an der Grundstruktur 1f1 be- festigt ist und einen dickeren Membranteil 5f1 - in etwa der Ausbildung der Fig.3 entsprechend - als Auflager für den an der Wägeplatte 2f1 vorgesehenen Vorsprung 9f1 aufweist. Es wird sich im wesentlichen als vorteilhaft erweisen, wenn - insbesondere bei relativ klemflächigen, an der Wägeplatte ausgebildeten Vorsprüngen bzw. nippelartigen Ausbuchtungen - jene Membranteile, die mit den entsprechend ausgebildeten Teilen der Wägeplatte in Eingriff zu stehen kommen und somit als Auflager dienen, verstärkt ausgebildet smd.
In den Fig.8 und 9 smd weitere Ausbildungsmoglichkeiten für erfindungsgemäße Waagen dargestellt. So zeigt Fig.8 vier sich kreuzende Kanäle 16g, an deren bei¬ den Enden jeweils eme Ausnehmung 8g zum Eingriff von an der Wägeplatte vorgesehenen entsprechenden Vorsprüngen vorgese¬ hen ist; im Mittelpunkt der Kanäle 16g ist die den Drucksen- sor bzw. die Sensoranordnung aufnehmende Erweiterung 17 vor¬ gesehen.
Fig.9 zeigt dagegen eme Ausbildung, bei der drei sich kreu¬ zende Kanäle, Ausnehmungen 8h bildend, ausgebildet smd, die jeweils von Membran abgedeckt sind - gegebenenfalls m emer der Fig.7c entsprechenden Weise. An der Wägeplatte (nicht dargestellt) sind dann entsprechend geformte, in diese Kanäle eingreifende Vorsprünge vorgesehen.
Ganz allgemein ist festzustellen, daß sich aus meßtechni¬ schen Gründen eme symmetrische Anordnung anbieten wird, bei der die Ausnehmung(en) oder entsprechende alternative Vari¬ anten symmetrisch angeordnet bzw. ausgebildet smd, und wo¬ bei die Positionierung des Drucksensors bzw. der Sensoran- Ordnung zentriert vorgenommen ist. Gegebenenfalls könnten anstelle des einen Drucksensors auch mehrere Drucksensoren vorgesehen sein, was gegebenenfalls für große Wägeflächen von Vorteil ist, bzw. auch dazu dienen kann, Wägefehler zu erkennen (Signalabweichung der Sensoren) , oder wenn sich das Öl als Folge von einseitiger Wägeplattenbelastung verschie¬ ben sollte und somit Druckunterschiede entstehen (Dämpfen des Einschwingvorganges durch zwei Messungen) .
Jede Messung ist je nach Sensorart und Meßgröße mit unter- schiedlichsten Fehlern behaftet. Meßfehler aufgrund von Um¬ welteinflüssen, Gerätegrößen, statistischen Fehlern, bzw. aufgrund von Signalaufbereitung analoger Meßsignale können bekannter Weise durch im allgemeinen relativ aufwendige, teure platzkonsumierende, stromintensive Schaltungen kompen- siert werden. Eine Sensoranordnung, die sich für die erfindungsgemäße Waage als besonders vorteilhaft erweist, ist eine program¬ mierbare Sensor-Signalkonditiomerungs- und Meßfehlerkompen- sations-Schaltung, wie in der US-5, 121 ,118 desselben Anmel- ders beschrieben und wie auch in der am 22.Dezember 1995 eingereichten US-Anmeldung desselben Anmelders beschrieben, deren Priorität für die vorliegende Anmeldung beansprucht ist. Der Inhalt der US-5, 121, 118 gilt hiermit als vollum¬ fänglich geoffenbart. Die in diesen beiden Dokumenten geof- fenbarte Sensoranordnung betrifft einen sogenannten Dual-
Slope-Analog-Digital-Wandler, bei dem die Sensor-Signal-Kon- ditionierung während der A/D-Wandlung stattfindet. Durch die Programmierbarkeit der Signalaufbereitungsschaltung ist der in der Anordnung vorgesehene Mikrokontroller entlastet. Diese Schaltung besteht aus einem einzigen Halbleiter-Chip, dessen Einstell- und Kalibrationsparameter für den Sensor- Abgleich in emem EEPROM abgespeichert werden und der über em Interface mit emem externen Mikroprozessor verbindbar ist. Der Drucksensor bzw. gegebenenfalls auch andere Senso- ren können direkt an den Halbleiter-Chip angeschlossen wer¬ den. Der große Vorteil dieser in der US-5, 121 ,118 geoffen¬ barten Anordnung liegt darin, daß diese Anordnung tempera¬ turabhängige Offsetspannungen und Empfmdlichkeitsänderungen des Sensors, wie auch Herstellungstoleranz-abhängige Streu- bereiche des Sensor-Nullpunktsignals und der Empfindlichkeit unter Mikroprozessorkontrolle vollends kompensieren kann und darüber hinaus auch alle anderen Fehlersignale aus Herstel- lungstoleranzen und Änderungen des Signalbereichs wie Lang- zeit-Nullpunktdrifts, Offsetänderungen des Druckes im Druck- mittlermedium durch Temperatur- und Umgebungs-Druckänderun¬ gen, Änderungen der Brückenspannung aufgrund von Feuchtig¬ keit und Verschmutzungseinflüßen (Kontaminierung) , Span¬ nungsabfall an der Spannungsquelle (Batterieverschleiß) un¬ ter Programmkontrolle eliminiert respektive selbstlernend programmiert kalibriert werden können und während der A/D- Wandlung automatisch durchgeführt werden. Für Präzisionswaa¬ gen könnten gegebenenfalls ein zweiter Sensor zur Messung der Leitfähigkeit im Druckmittlermedium (Ölverunremugungen) und gegebenenfalls auch em dritter Sensor zur Temperatur- messung angeschlossen werden, sollte die Temperaturbestim¬ mung am Drucksensor, wie m der US-5, 121 ,118 beschrieben, nicht hinreichend sein.
Fig.10 zeigt eine bevorzugte Ausführung, die auf kostengün¬ stige Weise (selbstlernende Kalbibrierung) und mit großer Genauigkeit die Bestimmung des Gewichtes gewährleistet. Dazu wird em piezo-resistiver Drucksensor 4 an eine Sensor-Si- gnal-Konditionierungs-Schaltung (SSC) , insbesondere an eine integrierte Schaltung, im folgenden Konditionierungs-IC 22 genannt, angeschlossen. Der Sensor 4, eme Wheatstone-Brük- kenschaltung und vorzugsweise auch der Konditionierungs-IC 22 sind dabei - gegebenenfalls m der Erweiterung 17
(beispielsweise Fig.7a) - im Druckmittlermedium 3 (s. oben) zusammen mit einem Speicher, insbesondere einem EEPROM 21 angeordnet. Gegebenenfalls erfolgt die Bestimmung eines tem¬ peraturabhängigen Signals direkt auf dem IC 22 oder der IC 22 mißt das Temperatursignal als Brückenspeisespannungssi- gnal , wie beispielsweise in den beiden oben aufgeführten Do¬ kumenten beschrieben, direkt am piezoresistiven Drucksensor 4. Vorzugsweise erfolgt auch die Batterieüberwachung mit dem IC 22. Der Konditionierungs-IC 22 ermöglicht emen optimalen Einsatz von piezoresistiven Sensoren 4 und eme der Anwen¬ dung angepaßte Umwandlung der analogen Meßsignale des Druck¬ sensors 4 in digitale Druck- und Temperatur-Werte. Außerhalb des Druckmittiermediums 3 ist ein Mikroprozessor 23 (μP) , eme Spannungsquelle (Batterie 50) und eme Anzeige 11 ange- ordnet, wie schematisch aus Fig.10 zu ersehen ist. Die aus Mikroprozessor 23, Anzeige 11 und Spannungsquelle 50 beste¬ hende Anzeige/Rechner-Einheit 15 ist über eme Schnittstelle 51 in Form eines dichten Steckers mit der aus Konditionie- rungs-IC 22 , Sensor 4 und EEPROM 21 bestehenden Sensoranord- nung 48 verbunden. Die Schnittstelle 51 kann als parallele oder serielle Schnittstelle ausgebildet sein. Alternative Anordnungen sind möglich, wobei gegebenenfalls Konditionierungs-IC 22 und Mikroprozessor 23 - und gegebe¬ nenfalls auch EEPROM 21 - als Single-Chip vorliegen und in¬ nerhalb des Druckmittlermediums angeordnet sein können. Es können aber auch nur Sensor 4 und EEPROM 21 innerhalb des Druckmittiermediums angeordnet sein, Konditionierungs-IC 22 und Mikroprozessor 23 liegen dann einzeln oder auf einem einzigen Chip integriert außerhalb desselben.
Die Sensor-Signal-Konditionierungs-Schaltung 22 umfaßt Mit¬ tel zur programmierbaren Verstärkung und A/D-Umwandlung, insbesondere zur Offset- und Gam-Anpassung, Mittel zur pro¬ grammierbaren Speisung der Sensoren, Mittel zur Kompensation von Temperatureffekten in den Signalen des Drucksensors 4 , Mittel zum Bestimmen von Kompensations- und Emstellparame- tern, Mittel zum Speichern der bestimmten Kompensations- und Einstellparameter, welche vorzugsweise in einem im Druck¬ mittlermedium 3 angeordneten EEPROM 21 abgelegt werden und Mittel zur Kontrolle der Konditionierungs-Schaltung und zur Verbindung dieser mit dem externen, bzw. außerhalb des
Druckmittlermediums 3 angeordneten Mikroprozessors 23 und der Anzeige 11. Das Speichermittel ist vorzugsweise als ge¬ trenntes Bauteil (EEPROM) , gegebenenfalls auch auf dem Si- gnal-Konditionierungs-IC, oder aber als Speicherbereich des außerhalb des Druckmittlermediums 3 liegenden Mikroprozessor 23 ausgebildet. Die Anschlüsse der Konditionierungs-Schal¬ tung und des EEPROM führen druckbeständig durch das Gehäuse (z.B. eingespritzter Stecker) . Zur Reduktion der Anzahl der durch das Gehäuse führenden Leitungen wird nebst der durch das Gehäuse führenden Speisung (zwei Anschlüsse) zwischen der Konditionierungsschaltung 22 und dem EEPROM zum Mikro¬ prozessor 23 vorzugsweise eine serielle (MICRO-WIRE-Schnitt- stelle, vier Anschlüsse) vorgesehen, um die Anzahl der Lei¬ tungen auf ein Minimum zu begrenzen. Eme 4Bιt parallele Mi- krobus-Schnittstelle würde 8 Anschlüsse nach sich ziehen. Fig.11 zeigt eme vereinfachte, schematische Darstellung wichtiger Elemente einer bevorzugten Ausführungsform des Konditionierungs-IC 22. Der piezoresistive Sensor 4 ist als Wheatstone-Brückenschaltungen angelegt. Die Sensor- Brücken- Schaltungen (Drucksensor 4) werden direkt an den IC 22 ange¬ schlossen. Zum Betreiben des Drucksensors 4 und zum Messen von Druck- und Temperatursignalen an ein und demselben Drucksensor umfaßt der IC 22 em Sensor-Interface 25 und eine damit verbundene programmierbare Speisung 26. Zur Ver- arbeitung der Sensorsignale ist das Sensor-Interface 25 über einen ersten Multiplexer 27 und einen Zwischenspei¬ cher/Verstärker 28 mit einem Analogteil 29 des A/D-Wandlers verbunden. Dieser Analogteil 29 beinhaltet eme Offset-, eine Integrations- und eine Komparatorstufe. Em Digitalteil des A/D-Wandlers umfaßt einen Zähler 33 und emen D/A-Wand¬ ler 34, wobei das Ausgangssignal des vom Zähler 33 gesteuer¬ ten D/A-Wandlers 34 über den ersten Multiplexer 37 m den Analogteil 29 gelangt und dort als Einstellwert benützt wird zur Programmierung (AufSchaltung) von Offset-Integrations- und Kompensationswerten.
Der A/D-Wandler ist, um eme hohe Genauigkeit zu erzielen, vorzugsweise im Dual-Slope-Verfahren betreibbar und mit ei¬ nem Kontrollmittel bzw. der Hauptkontroll-Einheit 30 verbun- den. Die Hauptkontroll-Emheit 30 kommuniziert über einen internen Bus 31 mit verschiedenen Teilen des IC' s, sowie über em Mikroprozessor-Interface 32 mit dem externen Mikro¬ prozessor 23. Ebenfalls am externen Bus 52 angeschlossen ist em nicht flüchtiger Speicher, insbesondere em EEPROM, für Parameter, digitale IC-Einstellungen und Fehlerkompensati- ons-Werte bzw. Referenzspannungen für die A/D-Wandlung. Zur Kompensation von Temperatureffekten werden etwa jeweils die der aktuellen Temperatur entsprechenden Parameter verwendet. Digitale Werte des EEPROM's werden, gegebenfalls direkt, oder aber nach der Bearbeitung bzw. Umrechnung im Mikropro¬ zessor 23 vom Bus 31 über erste Register 36, einem zweiten Multiplexer 37 und den D/A-Wandler 34 dem Analogteil 29 des A/D-Wandlers zugeführt.
Die programmierbare Speisung 36 wird vom Bus 31 über einen Decoder 43 und eine Schritt-Wählstufe 44 dem jeweils zu mes¬ senden Druck- oder Temperatursignal des Drucksensors 4 ent¬ sprechend eingestellt. Damit eine eingestellte Speisespan¬ nung auch an den gewünschten Sensor 4 bzw. an dessen Meßbrücke angelegt wird, ist die Speisung 26 mit dem Sensor- Interface 25 verbunden.
Unter den mit der Hauptkontroll-Emheit 30 verbundenen Tei¬ len befinden sich insbesondere der Zähler 33, der D/A-Wand¬ ler 34 und die programmierbare Speisung 26. Zudem wird der Hauptkontroll-Emheit 30 das Ausgangssignal des Analogteils
29 und des Digitalteils, insbesondere des Zählers 33 zuge¬ führt. Zwischen dem Zähler 33 und der Hauptkontroll-Emheit
30 smd zweite Register 38 und em Zähler-Interface 39 mit Befehlsdecodern angeordnet. Der Zähler 33 ist über den Takt- geber 40 und den Pulsgenerator 41 mit dem Oszillator 42 ver¬ bunden. Ein vielseitig einsetzbarer Konditionierungs-IC hat etwa einen Oszillator mit wählbarer Frequenz, wobei für sta¬ tische Messungen (1-2 mal pro Sekunde) Frequenzen im Bereich von 500 bis 800kHZ zweckmäßig smd.
Das im IC 22 zur Anwendung gebrachte Dual-Slope-Verfahren besteht aus einer neutralen Phase (Autozero-Phase) , während der eine stabile Eingangsspannung einstellbar ist. Die am A/D-Wandler programmierte Eingangsspannung bzw. der Offset- Kompensationswert wird für den Start der A/D-Wandlung auf einen Kondensator (Auto-Zero-Cap) gelegt. In einer an die neutrale Phase anschließenden Anstiegsphase (Sensor-Signal- Integrations-Phase) steigt die Ausgangsspannung eines Inte¬ grators mit einer zur Signalspannung der Meßbrücke mit dem Drucksensor proportional zur Steigung an. Der Anstieg er¬ folgt während einer vom Zähler 33 vorgegebenen und ebenfalls programmierbaren Zeit und führt dadurch zu einer auf das Bit genau einstellbaren Integrator-Endspannung. Die Anstiegszeit ist so wählbar, daß eine maximale Integrator-Endspannung nicht überschritten wird. An die Anstiegsphase schließt eine Abstiegsphase (De-Integrations-Phase) an, während der die Ausgangsspannung des Integrators von der Endspannung ausge¬ hend mit einer am D/A-Wandler programmierbaren Referenzspan¬ nung proportionalen zur negativen Steigung abnimmt, bis die ursprüngliche AusgangsSpannung bzw. Offsetspannung wieder erreicht ist. Um die gewünschte negative Steigung zu erzie- len, kann die jeweils den nötigen Kompensationen, insbeson¬ dere der Temperaturkompensation, entsprechende Referenzspan¬ nung vom D/A-Wandler 34 über den ersten Multiplexer 27 an den Integrator angelegt und/oder der programmierbare Zähler 33, vor der A/D-Wandlung, als Funktion der Temperatur einge- stellt werden.
Die Anstiegszeit wird mittels des Zählers 33 bestimmt (Full- Scale, Fein-Bereichs-Einstellung) . Die Abstiegszeit bzw. der Stand des Zählers 33 am Ende der Abstiegsphase ist propor- tional zum Verhältnis der Eingangsspannung zur Referenzspan¬ nung. Das heißt, daß der Zählerstand dem digitalen A/D-Wert entspricht, welcher mittels der Referenzspannung em kompen¬ siertes Maß für die Sensorspannung ist. Mit dieser program¬ mierbaren Dual-Slope-Methode ist es daher möglich, die Sen- sor-Signalkompensation während der A/D-Wandlung durchzufüh¬ ren und damit weder A/D-Auflösungsverluste (Trennung von Fehler- und Nutzsignal im Mikroprozessor) zu erhalten noch stromintensive, teure und aufwendig abzugleichende Verstär- kerschaltungen vor den A/D-Wandler zu schalten. Die zur Kompensation nötigen Einstellwerte für Offset, Full-Scale und Temperaturgang werden mittels eines selbstlernenden Eichvorganges und einer zwischen den Eichpunkten vorgese¬ henen Interpolation vom Mikroprozessor selbständig bestimmt.
Das heißt, daß während des Eichvorganges insbesondere zumin¬ dest je für zwei, insbesondere hohe und tiefe, Druck- und Temperaturwerte Eichparameter bestimmt werden. Vorzugsweise werden für vier Druckwerte des Meßbereichs jeweils bei zwei verschiedenen Temperaturen Eichparameter bestimmt und ge¬ speichert. Spezifische Referenzspannungen (Grobabgleiche) für Offset und Full-Scale werden bei der tiefsten Eichtempe- ratur bestimmt. Die Werte für die Full-Scale-Feineinstellun- gen (temperaturabhängige Programmierung des Zählers 33) wer¬ den für beliebige Temperaturen innerhalb eines zugelassenen Temperatur-Betriebsbereiches aus den Eichparametern durch Interpolation, insbesondere polynomische Interpolation be- rechnet und - wie bereits beschrieben - über den Zähler 33 dem D/A-Wandler zugeführt. Die Full-Scale- und Offset- Grobemstellungen bleiben unverändert.
Die Referenzspannungen werden dem zu messenden Druck- bzw. Gewichtsbereich und den verwendeten Komponenten, insbeson¬ dere dem Zähler 33 entsprechend, gewählt. Bei der Verwendung eines Zählers 33 mit einem Zählbereich von 0 bis 4096 (12Bιt) für eme Personenwaage mit einem Meßbereich von 0- 150kg ist es zweckmäßig, die Referenzspannungen für die zu- gelassenen Temperaturen so zu wählen, daß bei einem Gewicht von 150kg - im wesentlichen unabhängig von der Temperatur - jeweils ein Zählerstand etwas kleiner als 4096, beispiels¬ weise 3700 erreicht wird. Der Zählerstand bei unbelasteter Waage (0kg) sollte im wesentlichen bei 700, bzw. abhängig von der Temperatur zwischen 100 und 1000, liegen. Durch eine derartige Wahl der Referenzspannungen gehören die tempera¬ turabhängigen Eichkurven zu einer Kurvenschar, deren Kurven bei einem Gewicht von 150kg (Full-Scale) durch die tempera¬ turabhängige Full-Scale-Feinprogrammierung des Zählers 33 alle durch den Wert 3700 laufen und eine Auflösung von im wesentlichen 0.05kg (= 1 Bit) ermöglichen.
Durch das Verwenden von programmierbaren Referenzspannungen für Full-Scale und Offset werden bereits im Analogteil, ins- besondere in dessen Integrationsstufe, der Grobabgleich von Sensor-Nullpunkt und Empfindlichkeit der Druckeichung be¬ rücksichtigt. Die beispielsweise bei 0kg, 50kg, 100kg und 150kg liegenden Stützstellen bzw. Stützwerte der Eichkurven werden bei Temperaturänderungen der aktuellen Temperatur entsprechend zwischen Temperatur-Eichstellen (beispielsweise 15°C und 35°C) interpoliert und als aktuelle Stützwerte ge- speichert. Um einem Zählerstand bzw. einem ermittelten digi¬ talen Druckwert ein Gewicht zuzuordnen, wird bei diesem er¬ mittelten Wert mittels der aktuellen Stützwerte und der die¬ sen zugeordneten Eichgewichten em Gewichtswert interpo¬ liert. Vorzugsweise wird eine Lagrange ' sehe oder eme Newtonsche Interpolation durchgeführt.
Um jederzeit einen aktuellen Temperaturwert zur Verfügung zu haben, wird das Temperatur-Signal am Drucksensors 4 in re¬ gelmäßigen Zeitintervallen ausgewertet. Zur Bestimmung eines aktuellen Temperaturwertes wird das Temperatursignal des Drucksensors 4 gegebenenfalls mittels des A/D-Wandlers bzw. dessen Analog- und Digitalteils 29,33,34 in einen digitalen Wert gewandelt. Für die A/D-Wandlung eines Temperatursigna- les müßten dem A/D-Wandler Referenzspannungen des Tempera- tursensors zugeführt werden. Weil für eme Waagenanwendung mit nur 12 Bit Auflösung die Temperaturwerte auf maximal 8 Bit aufgelöst werden, also keine hohen Anforderungen an die Genauigkeit des Temperaturwertes gestellt ist, wird das Tem¬ peratursignal vorzugsweise über einen dafür vorgesehenen Komparator 35 ausgewertet. Dazu wird em erster Eingang des Komparators 35 mit dem Sensor-Interface 25 so verbunden, daß das Temperatursignal des Temperatursensors 4 dem Komparator 35 zuführbar ist. Der zweite Eingang des Komparators 35 ist mit dem D/A-Wandler 34 und dieser mit dem Zähler 33 verbun- den, so daß eme Vergleichsspannung schrittweise veränderbar ist. Der Zähler 33 wird beim Erreichen der SensorSpannung gestoppt und enthält dann einen der Temperatur zugeordneten Wert. Um einen einfachen Zusammenhang zwischen dem Tempera¬ turwert des Drucksensors 4 und der aktuellen Temperatur zu erhalten, wird eine Verstärkung so gewählt, daß ein Zähler¬ stand von 255 einer Temperatur von ca. 100°C entspricht. Um die Herstellung emer erfindungsgemäßen Waage so günstig wie möglich zu machen, wird die Waage vorzugsweise erst im vollständig zusammengebauten Zustand geeicht. Es werden also nicht einzelne Komponenten geeicht oder abgeglichen, noch vorabgeglichene Sensoren eingesetzt, sonderen auf die me¬ chanisch und elektrisch fertig montierte Waage werden bei einer ersten und mindestens einer zweiten Betriebstemperatur mindestens je drei genau bekannte Eichgewichte (für eme Personenwaage vorzugsweise 150kg, 100kg, 50kg) und an- schließend nichts bzw. em Leergewicht (0kg) aufgelegt Die Eichung mittels vierer Gewichte kann aber auch bei nur einer Temperatur, nämlich Raumtemperatur, erfolgen. Das Wägen wird erst nach dem Durchlaufen des Eichvorganges ermöglicht. Ge- gegebenenfalls können aus Kostengründen Ausführungsformen vorgesehen sein, wo keine Em- , Aus- und Bedienungsschalter vorgesehen smd. Solange die Waage mit genügend geladenen Batterien versehen ist, ist diese in emem Grundbetriebszu- stand (abgeschaltete Anzeige) mit äußerst geringem Stromver¬ brauch. Bei einer Belastung der Waage mit einem Gewicht än- dert sich der Betriebszustand und die Waage zeigt an.
Fig.12 und Fig.13 verdeutlichen das Eichprozedere. Fig.12 zeigt den Temperaturverlauf beim Eichen. In einem ersten bzw. zweiten Zeitabschnitt t1 bzw. t2 werden jeweils für eine erste bzw. zweite Temperatur (beispielsweise 15°C bzw. 35°C) Eichungen vorgenommen. Die Waagen-Belastung und die damit einhergehenden Eichschritte (S1-S18) sind aus der Dar¬ stellung der Fig.12 zu entnehmen. Fig.13 zeigt eme Eich¬ kurve, die durch die Wahl einer Offset- und einer Referenz- Spannung für den Gewichtsbereich von 0-150kg (x-Achse) m einen gewünschten Bereich der digitalen Werte (y-Achse) ver¬ schoben wird. Der Einfachheit halber ist die Eichkurve als Gerade dargestellt. Aufgrund von Nichtlinearitäten der Waage, weichen die realen Eichkurven von Geraden ab. Um dieser Tatsache und dem Streubereich von Empfindlichkeit und Nullpunkt zu entsprechen, ist der Sensor-Signal-Bereich mit dem in y-Richtung eingezeichneten Bereichsbalken markiert. Die Größe der Balken nimmt vom Gewicht 150kg gegen 0kg zu, weil alle Eichkurven durch die Programmierung des Zählers 33 so gelegt werden, daß sie bei jeder Temperatur (Kalibrationsbereiche) durch den Punkt mit den x,y Koordinaten 150kg, 3700 führen. Unterschiedliche Offsetsignale und Nullpunktverschiebungen der Sensoren kön¬ nen daher in negativer x-Richtung zu zunehmenden Abweichun¬ gen zur idealen Kurve führen, gekennzeichnet durch den Streubereich nach oben und unten.
Bei einer ungeeichten Waage wird durch das Belasten ein Eichprogramm gestartet, bei dem im Rahmen der ersten vier Eichschritte (S1 ,S2,S3,S4) Funktionstests und Initialisie¬ rungen der Elektronik, insbesondere des Konditiomer-IC' s 22 und des EEPROM' s 21 (Fig.10) durchgeführt werden. Während des anschließenden Eichens gibt die Waagen-Anzeige den durchzuführenden Eichschritte an. Bei einem bevorzugten Eichprogramm wird die Waage nach dem Start des Eichprogramms (erstmaliges Einsetzen der Batterien) auf eine erste Eich- temperatur, vorzugsweise auf 15°C gebracht (alle Waagen ste¬ hen in einem auf 15°C gehaltenen Raum) . Das Eichprogramm wartet während emer vorgegebenen Zeit, oder bis em Gewicht aufgelegt wird und em hoher A/D-Wert gelesen wird, um dann bei unbelasteter Waage (0kg, 1bar) im Eichschritt S5 etwa die Speisung 26 des Drucksensors 4 (Fig.10) so einzustellen, daß sich em Meßsignal in einem vorgegebenen Bereich ergibt. Nebst der Speisung des Drucksensoren 4 muß zumindest für den Drucksensor m einem Eichschritt S6 eine Offsetspannung er¬ mittelt und gespeichert werden, welche gewährleistet, daß der digitale Druckwert der unbelasteten Waage bei 0kg Bela¬ stung etwas über 0 liegt. Gemäß Fig.13 bewirkt der Eich- schritt S6 eine Erhöhung bzw. Erniedrigung der digitalen Druckwerte.
Für die Eichschritte S7-S10 wird die Waage bei 15°C mit
150kg belastet. Mittels der Schritte S7 und S8 wird eine Re¬ ferenzspannung ermittelt und gespeichert, und der Zähler 33 so eingestellt, daß der digitale Druckwert bei 15°C und 150kg im wesentlichen bei 3700 liegt. Dies entspricht gemäß Fig.13 einer Änderung der mittleren Steigung der Eichkurve. In den Eichschritten S9 und S10 werden der aktuelle Tempera- turwert, bzw. em diesem entsprechender digitaler Wert, und unter Verwendung der ermittelten Referenzspannung für Off¬ set- und Vollbereich und Zähleremstellung 33 der digitale Gewichtswert erfaßt und gespeichert. Die nachfolgenden Eich- schritte Sl 1 -Sl 3 werden ebenfalls bei 15°C mit der Referenz- und der Offsetspannung für 15°C aber j e mit den Eichbela- stungen 100kg, 50kg und 0kg durchgeführt. Die den Eichbela- stungen entsprechenden digitalen Werte werden gespeichert und bilden die Stützwerte der Eichkurve bei 15°C.
Da eme Personenwaage im allgemeinen im Temperaturbereich von 15-35°C eingesetzt wird, müssen Temperatureffekte m diesem bzw. einem anderen, entsprechend vorgegebenen, Tempe¬ raturbereich otpimal kompensiert werden. Dazu werden nebst der Eichkurve für 15° noch bei mindestens einer anderen Tem- peratur, vorzugsweise bei 35°C, die Stützstellen emer wei¬ teren Eichkurve erfaßt. Die zu kalibrierende Waage wird dazu in einen Kalibrationsraum mit ca. 35°C gebracht. Sobald die Temperatur im wesentlichen stabil bei 35°C liegt, können Eichschritte S14-S19 analog zu den Eichschritten S8-S13 durchgeführt werden. Die Referenzspannung für Offset- und Vollbereich werden dabei nicht neu eingestellt, lediglich der Zähler 33 wird auf die neue Temperatur programmiert, daß bei Auflage von 150 kg wieder 3700 ADC-Counts gelesen wer¬ den. Darauf folgend wird em digitaler Temperaturwert und die den Eichbelastungen entsprechenden digitalen Werte bei 35°C eingelesen und gespeichert.
Da die bei 15°C und bei 35°C ermittelten Werte nicht stark unterschiedlich sind, kann m diesem Fall auf die Eichung emer weiteren dazwischen liegenden Temperatur verzichtet werden. Stützwerte für Druckeichkurven zwischen 15 und 35°C können daher durch lineare Interpolation bestimmt werden. Da CD für die Interpolation zwischen den Stützstellen der Eich¬ kurve einer festen Temperatur eme polynomische Interpolation dritten Grades, insbesondere eine La- grange'sche oder eme Newtonsche Interpolation vorgesehen ist, wird gegebenenfalls auch für die Interpolation zwischen den bei verschiedenen Temperaturen bekannten Werten eme po¬ lynomische Interpolation verwendet. Nebst den Werten bei 15 und 35°C können auch, gegebenenfalls durch lineare Interpo¬ lation (S20) , Werte bei einer dazwischen liegenden Tempera- tur bestimmt werden. Bei größeren Temperaturbereichen wird zweckmäßigerweise eine Interpolation zweiten Grades, insbe¬ sondere eine Lagrange ' sehe oder eme Newtonsche Interpola¬ tion vorgesehen.
Die oben beschriebene, vom Mikroprozessor selbstständig und selbstlernend durchgeführte Eichung von Sensor und IC garan¬ tiert auch bei unterschiedlichen Sensoren für jede Tempera¬ tur im Betriebsbereich eme Eichkurve, deren digitale Druck¬ werte für Belastungen von 0kg bis 150kg im wesentlichen im Bereich von 700 bis 3700 liegen. In einem letzten Eich- schritt S21 wird bei erfolgreich abgeschlossener Eichung em OK-Wert (Check-Summe über die im EEPROM abgelegten Einstell¬ parameter und Eichwerte) gespeichert und die Waage auf Wäge¬ betrieb gestellt. Da keine Temperaturanzeige vorgesehen ist, müssen den digitalen Temperaturwerten keine Temperaturnomi- nale zugeordnet werden. Entsprechend kann die Berechnung von °C-Eιnheιten aus den aufgenommenen Temperatur-Eichkurven und den vorgegebenen Stützstellen (15°C und 35°C) verzichtet werden.
Zu Beginn des Wägebetriebes wird zumindest em Wert zur Steuerung der Speisung 26 und ein Offsetwert in den Sensor- Signal-Konditionierungs-IC geladen. Vor dem Laden von Eich¬ werten und somit vor einer mit diesen durchgeführten Ge- Wichtsbestimmung muß eme Temperaturbestimmung erfolgen.
Nach der Temperaturbestimmung wird em diesem aktuellen Tem¬ peraturwert entsprechender Set von Eichwerten geladen. So- bald sich die Temperatur um im wesentlichen 1 °C bzw. mehr als zwei digitale Einheiten ändert, wird em der neuen Temperatur entsprechender Set von Eichwerten geladen. Die der Temperatur entsprechenden Eichwerte werden, wie bereits beschrieben, mittels Interpolation aus den während der Kali- brations (selbstlernende Eichung) gemessenen Werten be¬ stimmt. Ebenso wird der digitale Druckwert mit einer, die aktuellen Eichwerte verwendenden Interpolation m einen Ge¬ wichtswert umgerechnet. Um eine Anzeige m der gewünschten Gewichtseinheit (US/metrisch) zu ermöglichen, wird der Ge¬ wichtswert der Einheit entsprechend umgerechnet.
Bei unbelasteter Waage ist der Wägebetrieb als Kontrollbe¬ trieb mit einem minimalen Stromverbrauch ausgelegt. In re- gelmäßigen Zeitmtervallen von beispielsweise 1 Minute wird etwa em Temperaturwert bestimmt, um bei Temperaturänderun¬ gen auch die entsprechenden Eichwerte (Zahler 33 und Stütz¬ werte der Eichkurve) zu interpolieren und zu laden. An die Temperaturmessung anschließend wird zur Kontrolle der Null- punktslage vorzugsweise eme Gewichtsbestimmung durchge¬ führt. Liegt das ermittelte Gewicht der unbelasteten Waage nicht bei Null, so wird vorzugsweise eine Offsetkorrektur durchgeführt. Durch diese Nullpunktskorrektur können etwa Fehler der Gewichtsbestimmung aufgrund von atmosphärischen, oder durch Veränderungen der Höhenlage bedingte oder tempe¬ raturbedingte Druckschwankungen, als auch Langzeitdrifts und andere Sensor-Brückenverstellungen kompensiert werden.
Bei belasteter Waage ist em Anzeigebetrieb vorgesehen, bei dem die Gewichtsbestimmung in kürzeren Zeitmtervallen, ins¬ besondere in Intervallen von 1 Sekunde erfolgt. Das Inter¬ vall für die Temperaturmessung und das gegebenenfalls nötige Anpassen der Eichwerte bleibt vorzugsweise bei 1 Minute. Die Anzeige bleibt eingeschaltet, bis sich das Gewicht stabili- siert hat und schaltet dann nach einer gewissen Zeit, ca. 10 Sekunden aus. Um zwischen Kontroll- und Anzeigebetrieb umzuschalten, ist gegebenenfalls em Schalter vorgesehen. Vorzugsweise erfolgt die Umschaltung automatisch. Dazu muß beim Wechsel vom Kon¬ troll- zum Anzeigebetrieb das Belasten der Waage innerhalb von 2 bis 3 Sekunden erkannt werden. Entsprechend muß em digitaler Wert des Drucksensorsignals in Intervallen von 2 bis 3 Sekunden bestimmt werden. Wegen der kleinen Anforde¬ rung an die Genauigkeit und der Notwendigkeit den Stromver¬ brauch so tief wie möglich zu halten, wird für die Bela- stungserkennung vorzugsweise eine 10 Bit A/D-Wandlung vorge¬ sehen. Die Einschaltung soll etwa bei einer Änderung des 10 Bit Druckwertes um mindestens 20 Einheiten (4kg, bei Perso¬ nenwaagen) erfolgen. Beim Wechsel vom Anzeige- zum Kontroll¬ betrieb werden aufeinanderfolgende Gewichtswerte miteinander verglichen. Sobald das bestimmte Gewicht während ca. 10 Se¬ kunden lediglich innerhalb der doppelten Meßauflösung (+/- 0.1kg) um einen festen Wert schwankt, wird die Waage wieder auf Kontrollbetrieb geschaltet.
In Fig.14 und 15 sind alternative, sogenannte "klassische" Schaltanordnungen dargestellt, die anstelle der in Fig.10 dargestellten Sensoranordnung 48 vorgesehen sein könnten. Die Sensoranordnung 48a nach Fig.14 zeigt eine mit R1 ein¬ stellbare Sensorspeisung 54 mit Stromquelle 53 zum Betreiben des Drucksensors 4 und zur Erzeugung der gewünschten Poten- tialdifferenz des Sensorausgangsignales. Die Widerstände R2 und R3 und das Potentiometer P1 bilden den Sensor-Offset und Signalnullpunkt-Regler 49 für den Sensor 4 und die nachge¬ schaltete Meßanordnung, die aus dem Puffer/Differenzver- stärker 55, dem A/D-Vollbereichsregler 57 und dem A/D-Wand¬ ler 56a besteht, wobei über R2 und R3 eine Grobeinstellung des Sensor-Offset-Signals vorgenommen wird und über das Po¬ tentiometer P1 die Nullpunktfeineinstellung des Sensor-Meß- signals. Mit dem Widerstand R4 wird der Temperaturgang (TC) der Sensorempfindlichkeit kompensiert, bzw. so gut wie mög¬ lich reduziert. Der Temperaturgang (TC) des Sensor-Nullpunk¬ tes, wie auch der Temperaturgang (TC) der Sensoranordnung selbst, bestehend aus 54,55,57 und 56a, wird nicht kompen¬ siert und als Fehlersignal vom A/D-Wandler 56a gewandelt. Eine Möglichkeit, den Temperaturgang (TC) des Sensor-Null¬ punktes zu kompensieren, bestünde darin, die Stromquelle 53 am Plus-Emgang mit einem NTC-Widerstand R8 (strichpunktiert gezeichnet) zu regeln, so daß sich der Brückenstrom durch den Sensor 4 gegengleich und proportional zur temperaturab¬ hängigen Erhöhung oder Erniedrigung des Brückenwiderstandes des Sensors 4 verändert und damit den Temperaturgang TC des Sensor-Nullpunktes kompensiert. Daß solch eine analoge Tem- peraturfehlerkompensation nur ungefähr und damit nicht mit sehr hoher Genauigkeit erfolgen kann, erklärt sich von selbst, denn allen analogen Fehlerkompensations-Verfahren haftet der Nachteil an, daß Fehlergrößen, hervorgerfuen durch Temperatureffekte, mit gegengleichen Temperatureffek¬ ten anderer Bauteile kompensiert werden.
Das Ausgangssignal des Drucksensors 4 wird sodann einem Puf¬ fer/Differenzverstärker 55 zugeführt, der aufgrund seiner hohen Eingangsimpedanz dieses Ausgangssignal verstärkt, wo¬ bei der Verstärkungsfaktor A=1+R6/R5 mit den Widerständen R6 und R5 dem zu erwartenden, maximalen und minimalen Sensor- Signal fest angepaßt, bzw. grob eingestellt wird, ehe das Ausgangssignal dem A/D-Wandler 56a zugeführt wird. Die Fem- emstellung der Signalverstärkung wird über das Potentiome¬ ter P2 durch Trimmen der Referenzspannung des A/D-Wandlers 56a am A/D-Vollbereichsregler 57 vorgenommen.
Weil die Feineinstellung von Signalnullpunkt mit Pl und Si- gnalverStärkung (A/D-Vollbereich oder Full-Scale) mit P2 nicht voneinander unabhängig sind, müssen zur Kalibrierung einer Sensoranordnung wie in Fig.14 die Potentiometer P1 und P2 iterativ durch alternierendes Auflegen des Full-Scale- und Nullpunkt (Leer) -Gewichtes abgeglichen werden, was dazu führt, daß jede Waage einzeln und zudem durch manuelles Po¬ tentiometer-Trimmen abgeglichen werden muß. Damit ist kein automatischer oder gar selbstlernender Abgleich möglich. Außerdem ist durch die zwei Kalibrationspunkte nur eme li¬ neare Kalibration möglich; damit werden Nichtlinearitäts- Fehler des Sensors, wie auch die vorstehend beschriebenen Temperaturfehler von Sensor und nachgeschalteter Messanord- nung vom A/D-Wandler 56a mitgewandelt. Wegen der begrenzten Auflösung und Einstellbarkeit der Potentiometer P1 und P2 können zusätzliche Kalibrationsfehler eingehen, so daß der A/D-Wandler 56a mit 10 Bit Auflösung auskommt. Aufgrund der A/D-gewandelten Fehler kann jedenfalls keine höhere Ge- nauigkeit erzielt werden als +/-5 Bit, bezogen auf eine 10 Bit-A/D-Wandlung.
Zur Bestimmung der Widerstände R1 , R5 und R6 und des NTC R8 , sofern vorgesehen, werden die entsprechenden Spezifikationen des Sensors 4 herangezogen und diese Widerstände so gewählt, daß sowohl maximale als auch minimale Sensor-Offset- und Sensor-Empfmdlichkeits-Signale über die Potentiometer P1 und P2 abgeglichen werden können und damit der Bereich des A/D-Wandlers 56a voll ausgenütz werden kann, respektive die Eichpunkte für Nullpunkt und Vollbereich auf die gewünschte A/D-Punkte gelegt werden können.
Die Widerstände R2, R3 und R4 smd dem Datenblatt eines je¬ den einzelnen Sensors zu entnehmen, oder aber für jeden ein- zelnen Sensor durch Ausmessen desselben m emer Testanord¬ nung zu bestimmen und zur Abstimmung (Paarung von Sensor und Meßschaltung) auf der Sensoranordnung zu bestücken. Dies führt dazu, daß jede Sensoranordnung mit unterschiedlichen, dem jeweiligen Sensor-Fehlerverhalten angepaßten Widerstän- den R2, R3 und R4 bestückt werden muß, wodurch Fertigung und Kalibration aufwendiger werden und im Vergleich zur Sensora¬ nordnung der Fig.13 ein nicht unwesentlich höherer Strom¬ verbrauch resultiert, selbst wenn für alle Blöcke der analo¬ gen Meßschaltung, bestehend aus 54, 55, 57 und 56a, Ein- und Aus-Schalter vorgesehen werden sollten. Die m Fig.14 dargestellte Schaltanordnung 48a mit analoger Fehlerkompensation durch Widerstandsgrobabgleich und Potentiometer-Femabgleich wird sich nicht für die Herstel¬ lung einer selbstkalibπerenden, hochauflösenden und sehr genauen Waage eignen, kann aber für die Herstellung von Waa¬ gen mit begrenzter Genauigkeit und Auflösung eingesetzt wer¬ den, bei denen Stromverbrauch, Anzahl der Bauteile und Kali- brations- und Herstellkosten von eher untergeordneter Bedeu¬ tung sind.
In Fig.15 ist eine weitere "klassische" Sensoranordnung 48b dargestellt, die im Vergleich zu der in Fig.14 dargestellten Anordnung 48a auch für Waagen mit höheren Genauigkeitsanfor¬ derungen geeignet ist. Damit wird ebenfalls, wie bei der Sensoranordnung 48 der Fιg.13, eme selbstlernende automati¬ sche Kalibration ermöglicht, und zwar ohne individuelle Wi- derstandsgrobabgleiche und ohne iterative Potentiometer- Femabgleiche.
Die Sensoranornung 48b zeigt eme über einen Widerstand R1a einstellbare Sensorspeisung 54a mit Stromquelle 53a zur Er¬ zeugung der gewünschten Potentialdifferenz des Sensoraus- gangsignales. Die beiden Ξensor-Bruckenpfade S1 und S2 sind hier direkt zusammengeführt. Damit werden fertigungsbedmg- ter Sensor-Offset und Nullpunktsignal-Verschiebung der nach¬ geschalteten Meßanordnung, ohne Fein- oder Grobabgleich des Meßsignals durchzuführen, dem A/D-Wandler 56b zugeführt. Die Meßanordnung besteht aus dem Puffer/Differenzverstärker 55a mit fix eingestellter, dem Sensorsignalbereich entsprechend angepaßter Verstärkung 1 bis A, der A/D-Vollbereichseinstel- lung 57a mit einer durch den Widerstand R7 fest eingestell¬ ten, dem Sensorsignalbereich jedoch angepaßten Referenzspan¬ nung, und dem A/D-Wandler 56b. Die Trennung von Nutz- und Fehler-Signal erfolgt bei dieser Sensoranordnung software- mäßig im Mikroprozessor, also erst nach der A/D-Wandlung. Soll auch der Temperaturgang (TC) der Sensorempfindlichkeit, des Sensor-Nullpunktes und der Meßanordnung selbst, kompen¬ siert werden, dann muß auch eme Temperaturmessung vorgese¬ hen werden und die gesamte Sensoranordnung 48b einem Druck/Temperatur-Kalibrationsprofil, der Fig.12 entspre¬ chend, jedoch mit wesentlich mehr Stützstellen, ausgesetzt werden. Diese Temperaturmessung kann über eine parallel ge¬ schaltete Schaltanordnung vorgenommen werden, wobei eme Stromspeisung 58a, ein Thermistor T8, ein Strombegrenzungs- widerstand R9 und em zweiter A/D-Wandler 58c oder em Mul¬ tiplexer (nicht dargestellt) zur Benutzung des A/D-Wandlers 56b vorgesehen werden können.
Die aufgenommenen Stützstellen (A/D-Werte für Druck (Gewicht) und Temperatur) werden dabei in einer Matrix abge¬ speichert und mit den im ROM vorgegebenen äquivalenten Druck- und Temperatur-Nominalen mit einer entsprechend kom¬ plexen, polynommalen Interpolation höheren Grades und damit einhergehenden Korrekturrechnung m fehlerkompensierte, ka- librierte Gewichtseinheiten umgerechnet.
Sowohl wegen der großen Anzahl von Stützstellen für Druck und Temperatur, als auch wegen der aufwendigen Softwarekom- pensations-Methode wird nicht weiter auf die Berechnung (Algorithmen), die der Mikroprozessor auszuführen hat, ein¬ gegangen.
Für diese Sensoranordnung ist em hochauflösender A/D-Wand¬ ler 56b erforderlich, der mindestens über 16, vorzugsweise jedoch über 18 Bit-Auflösung verfügt, um die gesamte Band¬ breite des unkompensierten, nicht konditionierten Sensorsi- gnals, welches mit allen möglichen Fehlersignalen überlagert ist, wandeln zu können und um nach erfolgter softwaremäßiger Trennung von Nutz- und Fehler-Signal im Mikroprozessor noch 12 bis 13 gute, in Gewichtseinheiten kalibrierte Bits für die Anzeige zu erhalten. Wegen der erforderlichen hohen Rechenleistung und dem großen EEPROM-, RAM- und ROM-Bedarf verlangt diese Sensoranordnung, so elegant sie auch erscheinen mag, teure, stromintensive Bauteile, wie einen 18 Bit-A/D-Wandler und einen Hochlei- stungs-Mikrokontroller, ebenso wie eine aufwendige Kalibra- tion aufgrund der großen Anzahl an Druck- und Temperatur- Stützstellen.
Eme Waage mit einer Anordnung entsprechend der Fig.15 wird daher im wesentlichen für den Labor- und Industriebereich von Interesse sein. Für kostengünstige Konsum-Produkte mit niedrigem Stromverbrauch wird dies jedoch im allgemeinen zu aufwendig sein.
Alternativ könnte auch eme Kombination der Sensoranordnung 48a der Fig.14 und der Sensoranordnung 48b der Fig.15 vorge¬ sehen und damit eine Zwischenlösung realisiert werden, die sowohl analoge, als auch softwaremäßige Fehlerkompensations- schaltungen vorsieht und damit die Nachteile der beiden klassischen Methoden für sich alleme genommen, durch eine vorteilhaftere dritte Kombinations-anordnung von 48a und 48b reduziert .
Die in den Fig.14 und 15 gezeigten Schaltungen und elektro- nischen Bauteile smd rem beispielhaft; es versteht sich, daß diese durch gleichwirkende, jedem Fachmann geläufige An¬ ordnungen ersetzbar smd.
Die einzelnen Bauteile der Schaltungsanordnungen der Fig.14 und 15 bzw. auch möglicher Kombinationen (siehe oben) können m diskreter Form vorliegen, oder auch auf einer integrier¬ ten Schaltung (IC) als A/D-Mix realisiert werden, wobei die extern abzugleichenden Widerstände mit einem Laser getrimmt werden können und die Potentiometer auch als digitale Poten- tiometer, die vom Mikroprozessor aus einstellbar sind, vor¬ liegen können.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zum Bestimmen von Gewichten mit einer
Grundstruktur (1 ,1a, 1b) , einer darüber angeordneten Wäge¬ platte (2, 2a, 2b) und einer dazwischen angeordneten Sen- soranordnung, wobei über die Sensoranordnung verfügbare Meß-Signale nach entsprechender Konvertierung einer An¬ zeige (11) verfügbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Grundstruktur (1 ,1a, 1b) und Wägeplatte (2, 2a, 2b) em Druckmittlermedium (3) angeordnet ist, welches Druck- mittlermedium (3) hermetisch abgeschlossen vorliegt, und daß die Sensoranordnung (48;48a;48b) emen Drucksensor (4) umfaßt, wobei wenigstens der Drucksensor (4) inner¬ halb des Druckmittlermediums (3) - gegebenenfalls an der Grundstruktur (1 ,1a, 1b) angelenkt - angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (4) wenigstens em in einer Brücken¬ schaltung - vorzugsweise m einer Wheatstone-Brücken- schaltung - angeordnetes piezoresistives Element umfaßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Sensoranordung (48) eme Sensor-Kondi- tionierungs-Schaltung umfaßt, insbesondere einen Kondi- tionierungs-IC (22) .
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung weiters wenigstens einen Speicher für Kalibrierungsdaten, insbesondere m Form emes EEPROM (21) , umfaßt bzw. diesem zugeordnet ist, wobei gegebenen¬ falls der Drucksensor (4) an der Sensor-Konditiomerungs- Schaltung angeschlossen und diese mit dem Speicher und mit einer Anzeige/Rechner-Emheit und einer Spannungs- quelle verbunden ist, wobei die Anzeige/Rechner-Emheit emen mit der Anzeige (11) verbundenen Mikroprozessor (23) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4 , dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Konditionierungs-IC (22) wenigstens folgende Bauteile aufweist:
- einen im Dual-Slope-Verfahren betreibbaren Analog-Digi- tal-Wandler mit einer Offset-, einer Integrations- und einer Komparatorstufe, welche Stufen zusammen den Ana¬ logteil (29) bilden, und einem Zähler (33) , der in der Dual-Slope-Anstiegsphase die Anstiegszeit kontrolliert und am Ende der Abstiegsphase emen digitalen Wert be- stimmbar macht;
- einen Verstärker (28) , der das Signal des Drucksensors (4) verstärkt und dem Analogteil (29) zuführt;
- eine Hauptkontroll-Einheit (30) , die über mindestens ein Interface (32) mit dem Mikroprozessor (23) und dem EEPROM (21) , über einen Digital-Analog-Wandler (34) mit dem Analogteil (29) und über ein Zähler-Interface (39) mit dem Zähler (33) verbunden ist, so daß Kompensati¬ onswerte vom EEPROM (21) dem Analogteil (29) und/oder dem Zähler (33) zuführbar sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Konditionierungs-IC (22) einen ersten Multiplexer (27) umfaßt, der dem Analogteil (29) das Sensorsignal und Referenzspannungen zuführbar macht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Konditionierungs-IC (22) einen zweiten Multiplexer (37) umfaßt, der dem Digital-Analog-Wandler (34) Werte des Zählers (33) und über erste Register (36) Werte vom EEPROM zuführbar macht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Konditionierungs-IC (22) ein Sen¬ sor-Interface (25) umfaßt, das mit einer, vorzugsweise programmierbaren, Speisung (26) und dem Verstärker (28) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung (26) von der Hauptkontroll-Emheit (30) über einen Decoder (43) und eme Schrittwählstufe (44) einstellbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Konditionierungs-IC (22) zur Aus¬ wertung eines Temperatursignals einen Komparator (35) um¬ faßt, der eine vom Digital-Analog-Wandler (34) stammende und vom Zähler (33) veränderbare Vergleichsspannung mit der Signalspannung vergleicht, wobei der Zählerstand beim Erreichen der Signalspannung als Maß für die Temperatur verwendbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Sensoranordnung (48a;48b) weiters we- nigstens eines der folgenden Bauteile umfaßt:
- wenigstens eme einstellbare Sensorspeisung (54) und/oder wenigstens eine auf einen bestimmten Wert ein¬ gestellte Sensorspeisung (54a) ;
- einen Sensor-Offset- und Signalnullpunkt-Regler (49) ; - wenigstens einen Puffer, insbesondere einen Differenz- verstärker (55;55a) ;
- einen Temperaturgang-Kompensator (R4) ;
- einen A/D-Vollbereichsregler (57) und/oder eine A/D- Vollbereichsemstellung (57a) mit fester Referenzspan- nung;
- einen A/D-Wandler (56a;56b) mit wenigstens 8 bis 10 Bit Auflösung, gegebenenfalls mit 14 bis 16 Bit - vorzugs¬ weise 18 Bit - Auflösung, wobei gegebenenfalls em Speicher für Kalibrierungsdaten, insbesondere m Form emes EEPROM, vorgesehen ist und wo¬ bei die Sensoranordnung (48a;48b) mit einer An- zeige/Rechner-Einheit verbunden ist, die insbesondere einen mit der Anzeige verbundenen Mikroprozessor (23) aufweist .
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auch das EEPROM (21) , insbe¬ sondere auch der Konditionierungs-IC (22) bzw. die Schaltanordnung (48;48a;48b) und gegebenenfalls auch der Mikroprozessor (23) im Druckmittlermedium (3) angeordnet ist bzw. sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (23) die Vorrich¬ tung in einem Eichmodus zur Bestimmung von Eichparametern und einem Wägemodus betreibbar macht, wobei der Wägemodus bei unbelasteter Wägeplatte (2,2a, 2b) einem Kontrollmodus zum Erkennen von Belastungen der Wägeplatte (2, 2a,2b) und bei belasteter Wägeplatte (2,2a, 2b) einem Anzeigemodus zur Gewichtsbestimmung und -anzeige entspricht.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (23) im Eichmodus das Erfassen von Eichparametern bei mindestens einer, vorzugsweise zwei verschiedenen Temperaturen und vorzugsweise bei vier ver¬ schiedenen Belastungen der Wägeplatte (2, 2a, 2b) steuerbar und die erfaßten Eichparameter dem EEPROM zuführbar macht .
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (23) im Kontrollmodus
- die Anzeige (11) ausgeschaltet hält; - den Konditionierungs-IC (22) in einen Stromsparmodus mit kleinerer Gewichtsauflösung und gegebenenfalls län¬ geren Intervallen zwischen Gewichtsmessungen versetzt und
- beim Auftreten von signifikanten Belastungen der Wäge- platte (2, 2a, 2b) auf den Anzeigemodus umstellt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (23) im Anzeigemodus
- die Anzeige (11) eingeschaltet hält und dieser Ge¬ wichtswerte zuführt; - den Konditionierungs-IC (22) in einen Modus mit hoher Gewichtsauflösung und kurzen Intervallen von insbeson¬ dere 1 Sekunde zwischen Gewichtsmessungen versetzt;
- bei, vom Konditionierungs-IC (22) in regelmäßigen Zeit- abständen von insbesondere im wesentlichen 1 Minute er¬ faßten, signifikanten Temperaturänderungen zwischen den Eichparametern der aktuellen Temperatur entsprechende Kompensationswerte interpoliert und dem EEPROM (21 ) zu¬ führt und - auf den Kontrollmodus umstellt, wenn das Gewicht wäh¬ rend einer vorgegebenen Zeit, von vorzugsweise 10 Se¬ kunden, unverändert bleibt.
17. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß das Druckmittlermedium (3) we¬ nigstens einseitig und insbesondere gegen die Wägeplatte zu von einer - gegebenenfalls elastischen - Membran (5) abgedeckt ist, wobei gegebenenfalls die Membran (5) an den Grenzbereichen mit der Grundstruktur (1,1a, 1b) mit dieser verschweißt, insbesondere Ultraschall-verschweißt,
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittlermedium in we¬ nigstens einem m der Grundstruktur (1,1a, 1b) vorgese¬ henen Hohlraum, gegebenenfalls in Form von - insbesondere symmetrisch angeordneten - Ausnehmungen (8,16,17) vorge¬ sehen ist, wobei insbesondere entsprechend geformte Vor- sprünge an der Wägeplatte (2a,2b) in diese Ausnehmungen eingreifen, wobei die diese Ausnehmungen wenigstens teil¬ weise überdeckende Membran als Auflager für die Vor- sprünge dient.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Membran Dehnbereiche (10) aufweist, wo¬ bei an diesen Bereichen die Membran dünner ausgebildet ist und/oder ein Übermaß aufweist.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittlermediuqm em Öl, insbesondere Silikonöl oder gegebenenfalls em Gel, gegebenenfalls Silkongel, ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wägeplatte und Membran ein¬ stückig ausgebildet sind.
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