CH619779A5

CH619779A5 -

Info

Publication number: CH619779A5
Application number: CH1146677A
Authority: CH
Inventors: Felix Strobel; Rudolf Dr Stocker; Werner Zumbrunn
Original assignee: Mettler Instrumente Ag
Priority date: 1977-09-20
Filing date: 1977-09-20
Publication date: 1980-10-15
Also published as: JPS5448277A; DE2835133A1; FR2403548A1; GB1581980A; DE2835133C2; US4189017A; JPS5829856B2; FR2403548B1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Waage, mit einer Vergleicher angeordneten Integrator, an dem kontinuierlich die Einrichtung zur elektromagnetischen Kompensation der auf Regelspannung und periodisch eine konstante Referenzspan-einen Lastaufnehmer wirkenden Kraft, wobei der Kompensa- 35 nung liegt. Dabei kann zweckmässigerweise die Referenzspan-tionsstrom impulsweise einer Konstantstromquelle entnommen nung synchron mit dem Kompensationsstrom geschaltet wird, Signale eines Positionsgebers nach Passieren eines Reglers werden.

in einem Vergleicher die Dauer dieser Impulse bestimmen und Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen zur Lieferung eines digitalen Wägeresultates eine Mehrzahl erläutert. In den Zeichnungen sind solcher Impulse mit hochfrequenten Zeitmarken ausgezählt 40 Figur 1 ein Blockschema des relevanten Teils der bekannten wird, wobei das Ausgangssignal des Vergleichers in einem Syn- Waage,

chronisierer mit der nächsten Zeitmarke synchronisiert wird, Figur 2 ein Diagramm der zeitlichen Zusammenhänge zu bevor der Stromimpuls beendet wird, und wobei der Lastauf- Figur 1,

nehmer, der Positionsgeber, der Regler und der Vergleicher Fi gur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel des zweiten Regel-

Bestandteile eines mechanisch-elektrischen Regelkreises sind. 45 kreises

Eine derartige Waage ist bekannt z.B. aus der US-Patent- Figur 4 ein Zeitdiagramm zu Figur 3,

schrift 3 786 884. In ihr wird kein fertiges analoges Wägeresul- Figur 5 ein zweites Ausführungsbeispiel des zweiten Regel tat digitalisiert, sondern die Digitalisierung ist in den Regelkreis kreises und eingebaut. Aus Gründen des eindeutigen Zusammenhanges Figur 6 ein Zeitdiagramm zu Figur 5

Impulsdauer/Anzahl Zeitmarken ist es dabei notwendig, nach 50

Koinzidenz Regelsignal/Vergleichssignal die nächste Zeitmarke Die bekannte Waage (Figuren 1 und 2)

abzuwarten, bis der Kompensationsstrom abgeschaltet werden Die Waage 10 umfasst ein elektromagnetisches Kraftkom-

kann. Aus dieser kleinen Zeitdifferenz resultiert ein Fehler, der pensationssystem, symbolisiert durch die Kompensationsspule über den relativ trägen mechanisch-elektrischen Regelkreis wie- 12. Die Position des Lastaufnehmers 14 wird abgetastet und in der ausgeglichen werden muss. Dieser Ausgleich benötigt eine 55 einer Geberschaltung 16 zu einem Signal verarbeitet, das in Vielzahl von Impulsperioden (Rampen) und stellt sich als perio- einem PID-Regler 18 zur Regelspannung 19 geformt wird. In dische Schwankung um den «richtigen» Mittelwert dar, deren einem Pulslängenmodulator (PLM) 20 wird die Regelspannung Amplitude eine zweistellige Anzahl von Zeitmarken ausmachen mit einer periodischen Rampe (Sägezahnspannung) 21 vergli-kann. Dieser sogenannte Digitalisierungsfehler spielt so lange chen. Bei Koinzidenz beider Spannungen (Punkt K) erfolgt ein keine Rolle, wie die Anzeigeauflösung klein ist im Verhältnis 60 Ausgangssignal, das zu einem Synchroniserer 22 gelangt. Dieser zur verwendeten Zeitmarkenfrequenz, und tritt umgekehrt gibt beim Eintreffen der nächsten Zeitmarke 23 vom Oszillator dann als Anzeigeschwankung in Erscheinung, wenn die Anzei- (Zeitmarkengeber) 24 ein Ausgangssignal ab, das einen Strom-geauflösung relativ zur Zeitmarkenfrequenz hoch ist, jeweils Schalter 26 öffnet. Damit wird eine Stromquelle 28 von der bezogen auf eine gegebene Integrationszeit (= Anzahl der pro Spule 12 getrennt. Beim nächsten Start einer Rampe 21 wird Wägeresultat ausgezählten Stromimpulse). Er macht sich ferner 65 der Schalter 26 wieder geschlossen. Eine digitale Steuer- und dann störend bemerkbar, wenn zwar die sichtbare Anzeige Auswerteschaltung 30 übernimmt unter anderem die Zählung ruhig bleibt, aber z.B. aufgrund von Eichvorschriften auch noch der Zeitmarken 23 während der Anschaltdauer der Stromquelle eine unsichtbare Dezimale eine gewisse Stabilität aufweisen soll. 28 (Länge der Stromimpulse 29, vgl. Figur 2).

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Für weitere Einzelheiten wird auf die oben erwähnte US-Patentschrift 3 786 884 verwiesen.

Wie aus Figur 2 erhellt, folgt aus der Synchronisiererbedingung von PLM-Signal und Zeitmarke in jeder Rampe (Periode t) ein Fehler At, der sich bei einem typischen Integrationsinter-vall von einigen hundert Rampen (Beispiel: t=2 ms, Integrationszeit 1 s) zu einem Fehler von z.B. 50 Zeitmarken summieren kann. Entsprechen 10 Zeitmarken einer Anzeigeeinheit der letzten sichtbaren Stelle, so folgt daraus eine Schwankung der Anzeige (= ein Digitalisierungsfehler) um 5 Einheiten der m letzten sichtbaren Stelle.

Beispiel I (Figuren 3 und 4)

In dieser Ausführungsform wird der bekannte Regelkreis gemäss Figur 1 um eine interne Regelschlaufe (in Figur 1 15

gestrichelt angedeutet) nach Figur 3 erweitert, bestehend im wesentlichen aus einer Torschaltung 32, einem Integrator 34 und einem Spannungsinverter 36. Die Torschaltung 32 erhält das Koinzidenzsignal a vom PLM 20 sowie, um die Zeit At (vgl. Figur 2) später, das Ausgangssignal b vom Synchronisierer 22. 211 Die Länge der Zeitspanne At (in Figur 3 und 4 mit f' bezeichnet) repräsentiert den Digitalisierungsfehler innerhalb einer Rampe. Während f' wird im Integrator 34 ein Kondensator mit einem konstanten Strom aufgeladen. Am Ende der Zeit f' wird das erreichte Potential f von einem zweiten Kondensator über- 25 nommen, und dort bis zum Ende des folgenden Intervalls f ' gespeichert, während der erste Kondensator zu Beginn des folgenden Impulses 25 (Rampenstart) wieder auf ein konstantes Bezugspotential entladen wird. Die Spannung f des zweiten Kondensators gelangt zum Inverter 36, von dort als Fehlerspan- 30 nung-f zum Spannungsteiler 38,40 und wird am Eingang des PLM 20 dem Regelsignal überlagert.

In Figur 4 ist der zeitliche Zusammenhang erkennbar. Zu Beginn der Periode t startet die aufsteigende Flanke einer Zeitmarke 23 die Rampe 21, schliesst den Schalter 26 und 35 startet die Zählung der Zeitmarken in der Auswerteschaltung 30 (vgl. Figur 1 und die oben erwähnte US-Patentschrift 3 786 884). Gleichzeitig wird die Torschaltung 32 gestartet. Bei Koinzidenz der korrigierten Regelspannung 19' mit der Rampe 21 wird das Ausgangssignal a des PLM 20 neben dem Synchro- 40 nisierer 22 auch der Torschaltung 32 zugeführt. Ferner erhält diese bei der nächsten aufsteigenden Flanke einer Zeitmarke 23 (der Schalter 26 wird geöffnet) das Rückstellsignal b vom Synchronisierer 22. Während der Zeitspanne f ' (Länge zwischen den Impulsen a und b) wurde die Fehlerspannung f 45 aufgebaut, die nach Inversion als -f der Regelspannung 19 überlagert wird.

In Figur 4 wird deutlich, wie das Fehlzeitintervall f' und damit die Fehlerspannung -f von Rampe zu Rampe zunimmt, bis bei genügender Verkürzung der Impulsdauer eine Zeit- 50 marke weniger einläuft und gezählt wird und das Fehlzeitintervall f' und damit die Fehlerspannung-f sprunghaft zurückgeht. Die Prinzipdarstellung lässt erkennen, dass damit der Digitalisierungsfehler unabhängig von der Grösse von At nicht mehr grösser als eine Zeitmarke wird. Dementsprechend macht, unabhängig von Integrationszeit und Zeitmarkenfrequenz, die Schwankung der Anzeige nur noch den Gegenwert einer Zeitmarke aus. Dieser Gegenwert kann in einem dezimalen oder anderen Verhältnis zur Zeitmarke stehen.

Beispiel II (Figur 5 und 6)

Die zusätzliche Regelschlaufe dieses Beispiels umfasst einen Schalter 42 und einen Integrator 44 (Widerstände 38', 40', Kondensator 46 und Verstärker 48). Der Schalter 42 wird synchron mit dem Schalter 26 geöffnet und geschlossen (je nach Konfiguration der Waage sind auch andere Zuordnungen der Schaltpunkte möglich, so z.B. Öffnungszeit des einen Schalters = Schliesszeit des anderen, oder aber eine konstante Schaltverzögerung bei einem der Schalter). Er verbindet den Integrator intermittierend mit einer Referenzspannung V, welche eine der Regelspannung entgegengesetzte Polarität hat. Aus der Überlagerung der (im Gleichgewichtsfall konstanten) Regelspannung 19 mit der Referenzspannung V ergibt sich am Ausgang des Integrators 44 ( = Eingang des PLM 20) eine unregelmässige Dreieckspannung 19', vgl. Figur 6. Man erkennt deutlich die Schaltpunkte: Beim Start einer Rampe 21 mit der aufsteigenden Flanke einer Zeitmarke 23 schliessen beide Schalter 26 und 42, es fliesst sowohl der Kompensationsstrom zur Spule 12 als auch der Strom aus der Referenzspannung V zum Integrator 44, es wird «abintegriert». Der Betrag der Referenzspannung muss dabei (bei gleich grossen Widerständen 38', 40') grösser sein als der grösstmögliche Wert der Regelspannung. Am Koinzidenzpunkt K passiert die Spannung 19' die Rampe 21. Sie sinkt weiter bis zum Zeitpunkt der nächsten aufsteigenden Zeitmarkenflanke. In diesem Moment veranlasst der Synchronisierer 22 das gleichzeitige öffnen der Schalter 26 und 42, und es liegt wiederum nur die Regelspannung 19 am Integratoreingang, bis die nächste Rampe 21 gestartet wird.

Man erkennt in Figur 6 die sich mit jeder Rampe 21 ändernde Länge der Intervalle 25 zwischen Rampenbeginn und Koinzidenzpunkt K einerseits und die sprunghaften Änderungen der Impulslängen 29', wenn der Fehler grösser als die Differenz zwischen zwei Zeitmarken geworden ist. Ähnlich wie im Beispiel I wird damit auch hier der Digitalisierungsfehler auf den Wert einer Zeitmarke reduziert.

Es versteht sich, dass die Figuren 2,4 und 6 nicht massstäb-lich sind. Insbesondere die Zeitmarken 23 wurden stark ver-grössert dargestellt, um die Wirkungsweise verdeutlichen zu können. In Wirklichkeit entfallen auf eine Rame 21 viel mehr Zeitmarken 23 (beispielsweise, bei einer Rampenzeit t von 2 ms und einer Taktfrequenz von 2 MHz, 1000 Zeitmarken).

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE Nun ist es zwar theoretisch möglich, den Digitalisierungs-

1. Elektrische Waage, mit einer Einrichtung zur elektroma- fehler durch entsprechende Wahl der Zeitmarkenfrequenz gnetischen Kompensation der auf einen Lastaufnehmer wirken- beliebig klein zu halten. Der praktischen Anwendung dieser den Kraft, wobei der Kompensationsstrom impulsweise einer Möglichkeit stehen jedoch einige wesentliche Nachteile gegen-Konstantstromquelle entnommen wird, Signale eines Positions- s über. So nimmt beispielsweise der Aufwand bei einer Steigegebers nach Passieren eines Reglers in einem Vergleicher die rung der Zeitmarkenfrequenz im Bereich Megahertz rasch Dauer dieser Impulse bestimmen, und zur Lieferung eines digi- überproportional zu. Ferner stösst die Verwendung moderner talen Wägeresultates mit hochfrequenten Zeitmarken eine Komponenten (z.B. Rechnerbausteine oder Mikroprozessoren) Mehrzahl solcher Impulse ausgezählt wird, wobei das Ausgangs- in der digitalen Auswertung und Steuerung auf Probleme, wenn signal des Vergleichers in einem Synchronisierer mit der nach- io die Taktfrequenz zu hoch wird.

sten Zeitmarke synchronisiert wird, bevor der Stromimpuls Einer anderen Möglichkeit, nämlich die Integrationszeit beendet wird, und wobei der Lastaufnehmer, der Positionsge- soweit zu erhöhen, bis der Digitalisierungsfehler nicht mehr ber, der Regler und der Vergleicher Bestandteil eines mecha- nennenswert in Erscheinung tritt, steht die Forderung nach nisch-elektrischen Regelkreises sind, dadurch gekennzeichnet, kurzen Wägezeiten entgegen.

dass innerhalb dieses Regelkreises eine zusätzliche, den i s Aus der vorstehend umrissenen Situation entstand die Auf-

Lastaufnehmer überbrückende Regelschlaufe vorgesehen ist. gäbe, den Digitalisierungsfehler ohne Erhöhung der Zeitmar-
2. Elektrische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekenn- kenfrequenz und ohne Verlängerung der Integrationszeit zu zeichnet, dass die zusätzliche Regelschlaufe einen Integrator reduzieren. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung (34) enthält, der vom Synchronisierer (22) gesteuert wird und vor, bei einer Waage der eingangs umschriebenen Art innerhalb eine Fehlerspannung liefert, welche am Eingang des Verglei- 20 des mechanisch-elektrischen Regelkreises eine zusätzliche, den chers der Regelspannung überlagert wird. Lastaufnehmer überbrückende Regelschlaufe vorzusehen.
3. Elektrische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Damit wird die mechanische Trägheit so weit ausgeschaltet, dass zeichnet, dass die zusätzliche Regelschlaufe einen zwischen dem im stationären (eingeschwungenen) Zustand (die Waage ist im Regler und dem Vergleicher angeordneten Integrator (44) ent- Gleichgewicht) der Digitalisierungsfehler sozusagen kurzge-hält, an dem kontinuierlich die Regelspannung und periodisch 25 schlössen ungleich rascher ausgeregelt werden kann.

eine konstante Referenzspannung liegt. Eine vorteilhafte Ausbildung ist dabei dadurch gekenn-
4. Elektrische Waage nach Anspruch 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass die zusätzliche Regelschlaufe einen Integrator zeichnet, dass die Referenzspannung synchron mit dem Kom- enthält, der vom Synchronisierer gesteuert wird und eine Feh-pensationsstrom geschaltet wird. lerspannung liefert, welche am Eingang des Vergleichers der

30 Regelspannung überlagert wird.

_ Eine weitere bevorzugte Ausführungsform enthält in der zusätzlichen Regelschlaufe einen zwischen dem Regler und dem