CH621409A5

CH621409A5 -

Info

Publication number: CH621409A5
Application number: CH202678A
Authority: CH
Inventors: Rudolf Dr Stocker
Original assignee: Mettler Instrumente Ag
Priority date: 1978-02-24
Filing date: 1978-02-24
Publication date: 1981-01-30
Also published as: FR2418451B1; FR2418451A1; US4212361A; DE2852959A1; GB1586448A

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Massenmesser mit einem Lastteil und einem Referenzteil sowie mit einer Schaltung zur Verarbeitung von Signalen des Last- und des Referenzteiles, welche Verarbeitung eine Verhältnisbildung zur Lieferung des Messergebnisses umfasst.

Massenmesser können als Kombinationen zweier Kraftmesser aufgefasst werden, wobei die beiden Kraftmesser nach physikalischem Prinzip und konstruktiver Ausführung regelmässig, aber nicht zwingend, von gleicher Art sind. Durch die Kombination lässt sich eine Reihe der bei Kraftmessern vorhandenen Störeinflüsse neutralisieren, wie z.B. Änderungen der Erdbeschleunigung oder Schrägstellungen der Waage. Die Einflüsse von Störbeschleunigungen hingegen lassen sich bei konventionellen Massenmessern nicht vollständig eliminieren; diese sind nur gegenüber sehr niederfrequenten Beschleunigungen unempfindlich. Je nach Bauweise kann dabei ein solcher Massenmesser bereits ab Frequenzen über 0,1 Hz stark vibrationsempfindlich sein.

Sofern die Auflösung des Wägeergebnisses nicht sehr niedrig gehalten wird, wirken sich Störbeschleunigungen oberhalb der oben näherungsweise angegebenen Grenzfrequenz auf die Anzeige aus, da die variable Messlast im Lastteil zu ungleichen dynamischen Eigenschaften von Last- und Referenzteil führt.

Es ist bei Kraft- und Massenmessern bekannt, zur Verringerung des Einflusses von Störbeschleunigungen elektrische Filter mit niedriger Grenzfrequenz (z.B. 10 Hz) zu verwenden. Diese können den kritischen Frequenzbereich von oben her zwar merklich einengen, jedoch verlängert sich mit abnehmender Grenzfrequenz des Filters die Messzeit, was häufig unerwünscht ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, einen Massenmesser der eingangs erwähnten Art trotz kurzer Wägezeit auch bei höheren Anzeigeauflösungen weitgehend unempfindlich gegen Störbeschleunigungen zu machen, unabhängig von deren Frequenz. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Verarbeitungsschaltung wenigstens eine zusätzliche Verknüpfungsschaltung umfasst, die dem Referenzsignalpfad ein Signal des Lastteils zuführt und wenigstens ein frequenzabhängiges Glied aufweist.

Der Massenmesser gemäss dieser Erfindung ist bezüglich seiner Unempfindlichkeit gegen Störbeschleunigungen bei sehr tiefen Frequenzen angenähert einem entsprechenden konventionellen Massenmesser vergleichbar. Sein Fortschritt gegenüber diesem liegt in der wesentlich verringerten Empfindlichkeit gegenüber Störbeschleunigungen auch aller übrigen Frequenzen.

Die dem erfindungsgemässen Vorgehen zugrunde liegenden Berechnungen zeigen, dass theoretisch eine vollständige Eliminierung des Einflusses von Störbeschleunigungen auf das Messresultat möglich ist. Praktisch werden allerdings aufgrund von Annäherungen bei der Übertragung der realen Kraftmesser in die entsprechenden physikalischen Modelle, ferner von Bauteiltoleranzen sowie von Kompromissen bei der Schaltungsauslegung Näherungen verwirklicht, die jedoch schon bei mässigem Schaltungsaufwand je nach angewandtem Messprinzip und je nach Störfrequenz Reduktionen der vorher vorhandenen Anzeigeschwankungen von bis zu 99% bewirken können.

Ein besonderer Vorzug der Erfindung liegt darin, dass zur Erzielung des gewünschten Erfolges die zusätzliche Verknüpfungsschaltung nur lineare Netzwerke erfordert. Dies bedeutet eine nennenswerte Erleichterung und Vereinfachung des Schaltungsaufwandes. Zweckmässigerweise weist die Verarbeitungsschaltung im Last- und im Referenzsignalpfad wenigstens je ein gleiches Filter auf.

Eine Anwendung der Erfindung auf einen Massenmesser, bei welchem der Last- und der Referenzteil jeder für sich aus einer Gleichgewichtslage auslenkbar ist und je ein Positionsgeber entsprechende Ausgangssignale liefert, ferner mit je einem Regelkreis zur Rückführung von Last- und Referenzteil in die Gleichgewichtslage, ist dadurch gekennzeichnet, dass Eingänge der Verknüpfungsschaltung mit Ausgängen der Positionsgeber verbunden sind. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass die Verknüpfungsschaltung die Reglerparameter nicht einbeziehen muss.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft dort anwendbar, wo es um Meine Wägezeiten geht, also z.B. bei Kontroll- oder Abfüllwaagen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen ist

Figur 1 eine Prinzipdarstellung der Signalflussrichtung gemäss der Erfindung,

Figur 2 ein Schaltschema eines ersten Ausführungsbeispiels,

Figur 3 eine Prinzipdarstellung des Übertragungsverhaltens in Abhängigkeit von der Frequenz,

Figur 4 ein Schaltschema eines zweiten Ausführungsbeispiels, und

Figur 5 ein Schaltschema eines dritten Ausführungsbeispiels.

Aus Figur 1 ist das Prinzip des Erfindungsgedankens erkennbar. Ein Kraftmesser 10 wird mit der Wägelast mj belastet und gibt ein lastabhängiges Signal ab, in der Regel eine Spannung. Dieses Signal wird, gegebenenfalls nach Passieren von Netzwerken 12,14 weitgehend beliebiger Art (z.B. Filtern), als lastabhängiges Eingangssignal X einem Dividierer 22 zugeführt. Dieser kann beispielsweise ein Analogbaustein sein oder ein dividierender Analog-Digital-Wandler.

Ein weiterer Kraftmesser 16 ist mit einer konstanten Referenzmasse m0 belastet und liefert ein Ausgangssignal U0, welches ähnlich dem Signal Ui Netzwerke 18,20 passieren kann und als Signal Y ebenfalls dem Dividierer 22 zugeführt wird, dessen Ausgangssignal, gegebenenfalls nach geeigneter Umrechnung z.B. in Gewichtseinheiten, einer Anzeige 24 zugeleitet wird.

Der bis hierher konventionellen Verarbeitungsschaltung 12, 14,18, 20,22 ist nun gemäss der Erfindung eine Verknüpfungsschaltung 26 zugeordnet, welche die Signalflusspfade von Ux und U0 zwischen den Kraftmessern 10,16 und dem Dividierer 22 verknüpft, und zwar in der Weise, dass dem Referenzsignal ein lastabhängiges Signal des Lastpfades zugeführt wird. Der Ort der Verzweigung kann dabei variieren, d.h. die Verknüp-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

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fung muss nicht notwendigerweise zwischen den Netzwerken 12 und 14 bzw. 18 und 20 geführt sein; auch können die Netzwerke 12 und 18 bzw. 14 und 20 ganz entfallen.

Im allgemeinen genügt eine Verknüpfung 26. Es sind aber auch Fälle denkbar, in denen mehrere Verknüpfungen mit gleicher Signalflussrichtung zweckmässig sind.

Als Kraftmesser kommen im Prinzip alle in Betracht, die eine lastabhängige Ausgangsspannung liefern, also beispielsweise Federkraftmesser mit elektrischer Abtastung oder Deh-nungsmessstreifen-Kraftmesszellen, aber auch Kraftmesser mit elektromagnetischer Kraftkompensation. Handelt es sich bei den Kraftmessern um solche mit digitalem Ausgangssignal (z.B. Saitenmesszellen), so treten an die Stelle der analogen Verar-beitungs- und Verknüpfungsschaltungen entsprechende logische Verknüpfungen bzw. Programme für die digitale Verrech- i nung.

Zur räumlichen Ausführung ist zu bemerken, dass es für die Anwendung der Erfindung prinzipiell keine Rolle spielt, ob die beiden Kraftmesser 10 und 16 räumlich getrennt, ob sie in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet oder gar zu einem : einzigen Gerät zusammengefasst sind (wobei die letzten beiden Varianten gewisse Vorteile bieten).

Beispiel I (Figuren 2 und 3)

Diese Ausführungsform ist zugeschnitten auf Kraftmesser-Paare mit einer analogen Deformationsmessung, also z.B. Federwaagen mit elektrischer Abtastung der Auslenkung oder Lastzellen mit Dehnungsmessstreifen (DMS).

Das Lastsignal U, gelangt nach Passieren eines Tiefpassfilters 26 (Operationsverstärker 02, Kondensator C5 und Widerstand R7) als Signal X an den Eingang des Dividierers (22). Ausserdem wird das Lastsignal Ui, ebenso wie das Referenzsignal U0, einem subtrahierenden Differentiator 28 zugeführt. Das resultierende Signal U+ wird nach nochmaliger Differentiation durch den Kondensator C4 bei Punkt 30 (Summations-punkt am invertierenden Eingang von 03) dem Referenzsignal U0 überlagert, und nach Filterung im Tiefpass 32 steht das Signal Y am zweiten Eingang des Dividierers (22) an. Der Tiefpass 32, bestehend aus Operationsverstärker 03, Kondensator C6 und Widerstand R8, ist dabei gleich aufgebaut wie der Tiefpass 26.

Die Verknüpfungsschaltung 28 (Widerstände R! bis R4, Kondensatoren C1; C2, C4 und Operationsverstärker Oj) wirkt bei tiefen Frequenzen als Differentiator 2. Ordnung und bei höheren Frequenzen als Differentiator 1. Ordnung.

Aus den Differentialgleichungen von Mess- und Referenzsystem lässt sich unter der Voraussetzung, dass jedes System nur eine Feder, eine Masse und ein Dämpfungselement enthält, folgende Beziehung ableiten, in welcher die Beschleunigung b nicht mehr enthalten ist und die Messlast mj explizit vorliegt:

mj _ (X + PQ)U]

m" (X + pe)U0 + p2m0(U0-U1)

U,

mj mn

1 + pT

U„

1 + pT

+

p2m„ (U„ •••• Ut) (X + PQ) (1 + pT)

25

30

In der oben beschriebenen Schaltung erfüllen die Tiefpassfilter 26, 32 die Funktion 1/(1 + pT), und die Verknüpfung 28 erzeugt die Subtraktion sowie die Funktion p2m0/(X + pq), wobei die Frequenz X/2itQ den Übergang zwischen der Wirkung als Differentiator 2. Ordnung (unterhalb) bzw. 1. Ordnung (oberhalb) bildet.

In Figur 3 ist qualitativ der Einfluss von Störbeschleunigungen auf die Anzeige dargestellt. Dabei steht F für die Anzeigeschwankung bei gegebener Auflösung und gegebener Beschleunigungsamplitude, f für die Störfrequenz.

Die ausgezogene Kurve A veranschaulicht das Verhalten eines Kraftmessers: Bei allen Frequenzen unterhalb der durch das jeweilige Filterverhalten bestimmten Grenzfrequenz wird die Anzeige von Störbeschleunigungen stark beeinflusst. Für einen konventionellen Massenmesser mit bezüglich der höheren Frequenzen gleichem Filterverhalten zeigt die gestrichelte Kurve B, dass nur bei sehr tiefen Frequenzen eine Beruhigung der Anzeige eintritt, d.h. nur hier haben Störbeschleunigungen keinen Einfluss mehr; im übrigen sind die Anzeigeschwankungen vergleichbar denjenigen beim Kraftmesser (Kurve A). Die strichpunktierte Kurve C zeigt, bei sonst unveränderten Parametern, die starke Verringerung der Anzeigeschwankungen auch bei Störungen im mittleren Frequenzbereich, die sich bei Anwendung der erfindungsgemässen Verknüpfungsschaltung erzielen lässt.

Beispiel II (Figur 4)

Bei diesem Beispiel arbeiten die beiden Kraftmesser mit elektromagnetischer Kraftkompensation. Die beiden Ausgangssignale U! und U0 sind hier die den beiden Kompensationsströmen entsprechenden Spannungen. Infolge der Anwesenheit von Regelkreisen zur Rückführung der Lastaufnehmer in die Sollbzw. Gleichgewichtsposition wird hier die Verknüpfungsschaltung etwas komplexer als im Beispiel I.

Unter der Annahme gleicher Kompensationssysteme und gleicher PID-Regler im Mess- und im Referenzsystem, mit einer Ubertragungsfunktion der Regelstrecke von fs —

r\

Ol = Konstante)

X + pq + p2m ferner mit Reglern nach der Funktion

50

fR = V(pT, + 1 +

1

PT2

■ ) (V = Konstante)

Darin bedeuten X die Federkonstante,

q den Reibungskoeffizienten der Dämpfung, und p die Ableitung nach der Zeit (p = d/dt).

Dabei wurden gleiches Last- und Referenzsystem vorausgesetzt (also z.B. Xt = X(), ü! = Q0). Bei ungleichen Systemen ändert sich am Prinzip nichts, lediglich die Gleichungen werden etwas komplizierter.

Zur Eliminierung höherfrequenter Störbeschleunigungen sollen beide Pfade mit der Funktion

55

60

sowie mit je einem Filter im Last-nach der Funktion pT2 (X + pq)

1 +

und im Referenzsignalpfad

1 (1 + pT3)"

Vr|(l + pT2 + p2T,T2)

kann folgende Beziehung abgeleitet werden:

Ui

1

(X + pq) (1 + pT)

gefiltert werden. Es ergibt sich

(T = eine Zeitkonstante)

65

El: m0

1 +pT3

Un

-+

P3mnT?

Un~Ui

1 + pT3 ' Vr|(l + pT2 + p2T,T2) + pT2 (X + po) 1 + pT3

621 409

4

Dieser Beziehung entspricht das Schaltbild in Figur 4:

— Die beiden Tiefpassfilter 34 und 36 erfüllen die Funktion 1/(1+pT3),

- das subtrahierende Netzwerk 38 bildet die Differenz Uo-Uj,

— das Netzwerk 40 ist ein Hochpass 3. Ordnung und wirkt bei tiefen Frequenzen als Differentiator 3. Ordnung, bei hohen Frequenzen als Differentiator 1. Ordnung. Es erfüllt die Funktion gemäss dem 1. Faktor des 2. Summanden im Nenner der obigen Beziehung.

- Die Sommation der beiden Summanden im Nenner der obigen Beziehung erfolgt beim Punkt 42 (invertierender Eingang des Operationsverstärkers 04 im Tiefpass 36).

Beispiel III (Figur 5)

Dieses Ausführungsbeispiel zeigt eine Variante zu Beispiel II. Hier werden ausser den Messignalen U1; U0 auch die Positionsgebersignale Uj, u0 in die Verarbeitung einbezogen. Diese Methode gestattet es, auf die Berücksichtigung der Reglerfunktion zu verzichten. Daraus ergibt sich eine zwar an Netzwerken etwas reichere Schaltung, die jedoch hinsichtlich der Auslegung leichter zu handhaben ist, da die einzelnen Funktionen einfacher sind.

Im Gegensatz zu Figur 4 sind der besseren Übersichtlichkeit halber in Figur 5 die Tiefpassfilter nicht eingezeichnet.

Wiederum liegt gleiche Ausbildung von Mess- und Referenzsystem bezüglich des Messprinzips vor, wie im Beispiel II. Unterschiedliche konstruktive Ausbildung führt zu verschiedenen Werten der Konstanten (Indizes 1 bzw. 0). Damit lässt sich folgende Beziehung für die Signalverarbeitung aufstellen (ß = Konstante):

fiII ± }'l + PÖ1 ßiU, + Uj m, _

m0

ß0U0 +

kp + PQu

Ilo

-«0

+ p2m.

o f — - —)

V % nJ

Dieser Beziehung entspricht Figur 5: — Die Netzwerke 42 und 44 erzeugen die Funktionen

- Die Netzwerke 46 und 48 wirken als Differenzierglieder 1. Ordnung, und das Netzwerk 50 (mit RnC5 = Ri2C6) arbeitet als Subtrahierer und ebenfalls Differenzierglied 1. Ordnung. Die Netzwerke 46,48 und 50 zusammen verwirklichen die

Funktion p2m0

/ Up Ui

1% -ih

*i + P8i ili bzw.

P6o

%

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40

— Die Additionen erfolgen über die Widerstände R5, R7 bzw. R6, R8, R13.

Über die gezeigten und erläuterten Netzwerke hinaus wird 0 ferner zweckmässig sein, in den Eingangspfaden von Uj und U0 noch je ein Filter vorzusehen, um ein sonst mögliches Übersteuern der Differenzierkreise zu vermeiden. Dies gilt übrigens auch für Beispiel II. —

Beschrieben wurde die Verwendung von Differenziergliedern. Stattdessen könnten in bekannter Weise auch Integratoren in einem Gegenkopplungspfad verwendet werden.

Weitere Variationen des Erfindungsgedankens sind möglich. Die jeweilige Ausgestaltung der Verknüpfungsschaltung hängt u.a. ab vom Messprinzip, das in den Kraftmessern angewendet wird, und von den Konstruktionsdaten der Systeme.

Wesentliche Vorteile des hier vorgestellten Prinzips sind:

— Es ist bei direkt messenden Systemen (d.h. bei solchen ohne Regelkreis), wie z.B. Federwaagen oder DMS-Zeilen, die einzig erkennbare Lösung zur (theoretisch vollständigen) Elimi-nierung von Störbeschleunigungen bei gleichzeitiger voller Ausnützung der vom Messystem her möglichen Wäge- bzw. Messfrequenz.

- Es ist bei Systemen mit Regelkreisen eine einfachere Alternative zur Möglichkeit, das Regelverhalten an wechselnde Lasten anzupassen (bei jener Möglichkeit wird die Regelung unlinear und ist somit schwerer beherrschbar).

- Es ist auch auf digitale Systeme anwendbar. Bei digitaler Signalverarbeitung sind die logischen Schaltkreise bzw. die Rechnerprogramme sinngemäss entsprechend den oben für den Fall der analogen Signalverarbeitung beispielsweise angeführten Verknüpfungsparametern auszulegen.

— Es erlaubt die Konstruktion von schnell arbeitenden Systemen mit ruhiger Anzeige unabhängig von der Frequenz der Störvibrationen.

- Es setzt nicht die Anwendung desselben Messprinzips im Mess- und im Referenzteil voraus.

2 Blatt Zeichnungen

Claims

621 409

1. Elektrischer Massenmesser mit einem Lastteil und einem Referenzteil sowie mit einer Schaltung zur Verarbeitung von Signalen des Last- und des Referenzteils, welche Verarbeitung eine Verhältnisbildung zur Lieferung des Messergebnisses umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsschaltung wenigstens eine zusätzliche Verknüpfungsschaltung umfasst, die dem Referenzsignalpfad ein Signal des Lastteils zuführt und wenigstens ein frequenzabhängiges Glied aufweist.

2. Elektrischer Massenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Verknüpfungsschaltung nur lineare Netzwerke umfasst.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Elektrischer Massenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsschaltung im Last- und im Referenzsignalpfad wenigstens je ein gleiches Filter aufweist.

4. Elektrischer Massenmesser nach Anspruch 1, bei welchem der Last- und der Referenzteil jeder für sich aus einer Gleichgewichtslage auslenkbar ist und je ein Positionsgeber entsprechende Ausgangssignale liefert, ferner mit je einem Regelkreis zur Rückführung von Last- und Referenzteil in die Gleichgewichtslage, dadurch gekennzeichnet, dass Eingänge der Verknüpfungsschaltung mit Ausgängen der Positionsgeber verbunden sind.