CH662656A5

CH662656A5 - FORCE OR PRESSURE MEASURING DEVICE.

Info

Publication number: CH662656A5
Application number: CH310382A
Authority: CH
Inventors: Dennis K Briefer
Original assignee: Setra Systems Inc
Priority date: 1981-05-19
Filing date: 1982-05-18
Publication date: 1987-10-15
Also published as: DE3218511C2; CA1171178A; JPH0247690B2; GB2098744B; JPS57196123A; DE3218511A1; GB2098744A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraft- oder Druckmesseinrichtung. The invention relates to a force or pressure measuring device.

Typische bekannte Kraftmesseinrichtungen in Form von Waagen umfassen beispielsweise eine Plattform oder eine Waagschale zur Aufnahme des zu messenden Gewichts. Die Typical known force measuring devices in the form of scales include, for example, a platform or a weighing pan for receiving the weight to be measured. The

Waagschale ist über einen Kraftwandler mit einem Abstützglied oder Rahmen verbunden. Bei vielfältigen Ausführungsformen bekannter Messeinrichtungen sind der Wandler und die Waagschale mit dem Stützglied über Anlenkungen verbunden, die so ausgestaltet sind, dass sie ein relativ genaues Ermitteln des Gewichts in der Waagschale erlauben. Beispielsweise können die Kraftfühler Dehnungsmesser aufweisen oder eine bewegliche Spule in einem feststehenden Magnetfeld in einer Rückkopplungsanordnung. The weighing pan is connected to a support member or frame via a force converter. In various embodiments of known measuring devices, the transducer and the weighing pan are connected to the support member via articulations which are designed in such a way that they allow the weight in the weighing pan to be determined relatively accurately. For example, the force sensors can have strain gauges or a movable coil in a fixed magnetic field in a feedback arrangement.

Zwar liefern bekannte Wägeeinrichtungen eine relativ genaue Messung des in die Waagschale gelegten Gegenstands, es bestehen jedoch eine Reihe von Nachteilen bei den bekannten Einrichtungen. Beispielsweise sind viele solche Einrichtungen besonders empfindlich gegenüber einer aus-serzentrischen Belastung durch das zu wägende Objekt in der Waagschale. Eine derartige ausserzentrische Belastung kann zu Fehlern führen, die durch Reibungsverluste bedingt sind. Um derartigen Verlusten entgegenzuwirken, verwenden die Wägeeinrichtungen nach dem Stand der Technik häufig unterschiedlich ausgebildete mechanische Anlenkungen zur Verringerung derartiger Fehler. Beispielsweise ist im US-Patent4 026 416 eine biegsame Anordnung offenbart, welche die Bewegung der Waagschale entlang einer einzigen Messachse beschränkt. Derartige Anordnungen sind jedoch in ihrem Bewegungsbereich relativ begrenzt, wodurch auch der zur Verfügung stehende Wägebereich eingeschränkt ist. Although known weighing devices provide a relatively precise measurement of the object placed in the weighing pan, there are a number of disadvantages with the known devices. For example, many such devices are particularly sensitive to an off-center load from the object to be weighed in the weighing pan. Such an off-center load can lead to errors that are caused by friction losses. To counteract such losses, the weighing devices according to the prior art often use differently designed mechanical linkages to reduce such errors. For example, US Pat. No. 4,026,416 discloses a flexible arrangement that limits the movement of the weighing pan along a single measurement axis. However, such arrangements are relatively limited in their range of motion, which also limits the weighing range available.

Ein weiterer Nachteil von Wägeeinrichtungen nach dem Stand der Technik sind Veränderungen bei Temperaturschwankungen, die infolge von Temperatureinwirkungen auf den Kraftfühlwandler und die zugehörige Schaltung, wie auch infolge von Temperaturschwankungen der verschiedenen mechanischen Bestandteile auftreten können. Somit ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Kraft- oder Druckmesseinrichtung zu schaffen, welche gegenüber Umgebungstemperaturschwankungen kompensiert ist. Another disadvantage of weighing devices according to the prior art are changes in temperature fluctuations that can occur as a result of temperature effects on the force transducer and the associated circuit, as well as as a result of temperature fluctuations of the various mechanical components. It is therefore an object of the invention to provide a force or pressure measuring device which is compensated for fluctuations in ambient temperature.

Die erfindungsgemässe Kraft- oder Druckmesseinrichtung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gekennzeichnet. Ausführungsformen davon sind durch die abhängigen Ansprüche umschrieben. The force or pressure measuring device according to the invention is characterized by the features of claim 1. Embodiments thereof are set out in the dependent claims.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below with the aid of exemplary embodiments and the drawing. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kraftmesseinrichtung nach den Merkmalen der Erfindung, 1 is a schematic representation of a force measuring device according to the features of the invention,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des in Fig. 1 gezeigten Prozessors, und Fig. 2 is a block diagram of the processor shown in Fig. 1, and

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Druck-Messeinrichtung nach den Merkmalen der Erfindung. Fig. 3 is a block diagram of a pressure measuring device according to the features of the invention.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kraftmesseinrichtung 210 nach der Erfindung. Diese Einrichtung umfasst ein Krafteinleitmittel in Form einer Waagschale 212 und einer zugehörigen Stützsäule 214, die für eine Bewegung entlang einer Bezugsachse 216 ausgelegt ist. Die Stützsäule 214 ist mittels eines mechanischen Dämpfers 218 an ein Referenzglied (oder Gehäuse) 220 angeschlossen, welches bezüglich der Achse 216 feststeht. Die Waagschale 212 und ihre Stützsäule 214 wird über eine Parallelführungs-Anlenk-mechanik 160 an eine Armatur 226 angeschlossen. Die Armatur 226 steht über eine Parallelführungs-Anlenkme-chanik 110 mit dem Abstützglied 220 in Verbindung. Ein Kraftwandler 10 ist zwischen die Armatur 226 und die Abstützung 220 eingefügt. Der Kraftwandler 10 ist ferner über eine Leitung 10a (Fig. 2) mit einem Lagenfühler 244 verbunden. Dieser Lagenfühler 244 liefert seinerseits ein Ausgangssignal auf eine Leitung 244a, welches die Bewegung eines Elements des Kraftwandlers 10 repräsentiert, wie sie 1 shows a schematic illustration of a force measuring device 210 according to the invention. This device comprises a force introduction means in the form of a weighing pan 212 and an associated support column 214, which is designed for movement along a reference axis 216. The support column 214 is connected by means of a mechanical damper 218 to a reference member (or housing) 220 which is fixed with respect to the axis 216. The weighing pan 212 and its support column 214 are connected to a fitting 226 via a parallel guide linkage mechanism 160. The fitting 226 is connected to the support member 220 via a parallel guide linkage mechanism 110. A force transducer 10 is inserted between the armature 226 and the support 220. The force transducer 10 is also connected to a position sensor 244 via a line 10a (FIG. 2). This position sensor 244 in turn provides an output signal on line 244a which represents the movement of an element of force transducer 10 as it is

2 2nd

5 5

10 10th

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20 20th

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65 65

3 3rd

662 656 662 656

infolge der Verlagerung der Waagschale 212 durch das zu messende Gewicht in dieser Waagschale zustandekommt. as a result of the displacement of the weighing pan 212 due to the weight to be measured in this weighing pan.

Ein Prozessor 250 spricht auf das Signal auf der Leitung 244a an, um ein Ausgangssignal an einer Leitung 250a zu liefern. Das letztgenannte Signal repräsentiert das Gewicht des auf die Waagschale 212 gelegten Gegenstands. A processor 250 is responsive to the signal on line 244a to provide an output signal on line 250a. The latter signal represents the weight of the object placed on the weighing pan 212.

Fig. 2 zeigt den Prozessor 250 der Einrichtung 210 in Form eines Blockschaltbilds. Der Prozessor 250 umfasst einen ersten (oder Gewichts-)Oszillator, welcher ein Signal auf der Leitung 244a erzeugt, das eine Frequenz hat, die die festgestellte Kraft repräsentiert, welche durch eine Belastung auf der Waagschale 212 aufgebracht wurde. Der Gewichtsoszillator schliesst den Kraftwandler 10 und den Lagenfühler 244 ein, wie in der vorgenannten weiteren Anmeldung beschrieben. Das Signal auf der Leitung 244a ist an einen Zähler 260 angeschlossen, welcher digitale Zählsignale Fw auf der Leitung 260a (Fw) erzeugt, die die Frequenz des Signals auf der Leitung 244a repräsentieren. 2 shows the processor 250 of the device 210 in the form of a block diagram. The processor 250 includes a first (or weight) oscillator that generates a signal on line 244a that has a frequency that represents the determined force that was applied to the weighing pan 212 by a load. The weight oscillator includes the force transducer 10 and the position sensor 244, as described in the aforementioned further application. The signal on line 244a is connected to a counter 260 which generates digital count signals Fw on line 260a (Fw) which represent the frequency of the signal on line 244a.

Ein Temperaturfühler 264 liefert ein Oszillatorsignal zur Leitung 264a, dessen Frequenz die Umgebungstemperatur der Einrichtung 210 wiedergibt. Das Signal auf der Leitung 264a ist mit einem Zähler 266 verbunden, welcher digitale Zählsignale (Ft) zu einer Leitung 266a liefert, die repräsentativ sind für die Frequenz des Signals auf der Leitung 264a. Die Leitungen 260a und 266a sind an einen Mikroprozessor 270 angeschlossen. A temperature sensor 264 supplies an oscillator signal to line 264a, the frequency of which reflects the ambient temperature of the device 210. The signal on line 264a is connected to a counter 266, which provides digital count signals (Ft) to line 266a representative of the frequency of the signal on line 264a. Lines 260a and 266a are connected to a microprocessor 270.

Der Mikroprozessor 270 umfasst einen Random-Speicher (RAM) 272 und einen Festspeicher (ROM) 274 sowie ein Eingang/Ausgang-Tastenfeld 276. Der Mikroprozessor 270 liefert auch ein Ausgangssignal auf eine Leitung 250a, das sich zum Betreiben einer herkömmlichen Anzeige eignet. Ein Takt-Netzwerk 280 liefert Zeit-Steuersignale an die Einheiten des Prozessors 250. Microprocessor 270 includes random access memory (RAM) 272 and read only memory (ROM) 274, as well as an input / output keypad 276. Microprocessor 270 also provides an output signal on line 250a that is suitable for operating a conventional display. A clock network 280 provides timing signals to the units of processor 250.

Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung kann der Mikroprozessor vom Typ Mostek 38P70/02, der ROM-Speicher 274 von der Firma Hitachi mit der Typenbezeichnung HM462532 und der RAM-Speicher 272 von NCR mit der Typenbezeichnung 2055 sein. According to one embodiment of the invention, the microprocessor can be of the Mostek 38P70 / 02 type, the ROM memory 274 from Hitachi with the type designation HM462532 and the RAM memory 272 from NCR with the type designation 2055.

Ausserdem sind die Signale auf den Leitungen 244a und 264a durch Frequenzen gekennzeichnet, die repräsentativ sind für das Gewicht eines auf einer Waagschale liegenden Gegenstandes bzw. der Temperatur der Einrichtung 210. Die Zähler 260 und 266 werden durch das Takt-Netzwerk 280 gesteuert, so dass sie als Fenster-Zähler arbeiten und digitale Zählsignale liefern, die die Frenquenz der Signale auf den Leitungen 244a und 264a (Fw und Ft) repräsentieren. In addition, the signals on lines 244a and 264a are characterized by frequencies which are representative of the weight of an object lying on a weighing pan or the temperature of the device 210. The counters 260 and 266 are controlled by the clock network 280 so that they operate as window counters and provide digital count signals that represent the frequency of the signals on lines 244a and 264a (Fw and Ft).

Generell speichert der Speicher 272 Konstanten Kij, die repräsentativ sind für eine temperaturkompensierte Messfunktion W(F,T). The memory 272 generally stores constants Kij, which are representative of a temperature-compensated measurement function W (F, T).

Die Funktion W(F,T) ist definiert: The function W (F, T) is defined:

m m

W (F, T) = £ ai (TO F-' (1) W (F, T) = £ ai (TO F- '(1)

i = I i = I

wobei F die Funktion für die in die Einrichtung eingeleitete unkompensierte Kraft durch das Gewicht eines Gegenstandes undT die Temperatur der Kraftmesseinrichtung 210 darstellt. In dieser Gleichung bedeutet n where F represents the function for the uncompensated force introduced into the device by the weight of an object and T represents the temperature of the force measuring device 210. In this equation, n means

ai(T)= H Kij TJ-',miti = 1,2,... m (2) ai (T) = H Kij TJ - ', miti = 1,2, ... m (2)

j=l wobei Kij Konstanten sind. Bei der dargestellten Ausführungsform sind m = 4 und n = 3. Die Werte Fw und Ft werden verwendet in Verbindung mit einem Signal, das die j = l where Kij are constants. In the illustrated embodiment, m = 4 and n = 3. The values Fw and Ft are used in conjunction with a signal that the

Funktion W(F,T) repräsentiert und aus einer Eingangskraft F abgeleitet ist, die Fw sowie einer Temperatur T entspricht, die mit Ft korrespondiert. Damit wird ein temperaturkompensierter Wert geschaffen, der repräsentativ ist für das Gewicht eines Gegenstandes auf der Waagschale 212. Function W (F, T) represents and is derived from an input force F, which corresponds to Fw and a temperature T, which corresponds to Ft. This creates a temperature-compensated value that is representative of the weight of an object on the weighing pan 212.

Das gezeigte Ausführungsbeispiel kann auch in der Weise betrieben werden, dass die für die Kraft repräsentativen Daten erzeugt und im Speicher 272 gespeichert werden. Zur Durchführungdieser Betriebsweise werden aufeinanderfolgend vier bekannte Gewichte auf die Waagschale 212 bei jeweils einer von drei Temperaturen gelegt. The exemplary embodiment shown can also be operated in such a way that the data representative of the force is generated and stored in the memory 272. To perform this mode of operation, four known weights are successively placed on the weighing pan 212 at one of three temperatures.

Der Prozessor 250 erzeugt dann eine Reihe von zwölf simultanen Gleichungen auf der Grundlage von W(F,T). Der Prozessor 250 löst diese zwölf simultanen Gleichungen und liefert Signale, die repräsentativ sind für ai, ausgewertet bei den Temperaturen Ti, T2 undTß, a2 ermittelt bei denTempe-raturen Ti, T2 und T3, a3 ermittelt bei den Temperaturen Ti, T2 und T3 und a4 ermittelt bei Ti, T2, T3. Processor 250 then generates a series of twelve simultaneous equations based on W (F, T). Processor 250 solves these twelve simultaneous equations and provides signals representative of ai, evaluated at temperatures Ti, T2 and Tß, a2 determined at temperatures Ti, T2 and T3, a3 determined at temperatures Ti, T2 and T3 and a4 determined at Ti, T2, T3.

Der Prozessor 250 verwendet dann diese zwölf resultierenden Werte für ai, um einen Satz von zwölf gleichzeitigen, auf der Gleichung (2) basierenden Ku-Werten zu bilden. Generell werden die drei Werte für ai, bei den Temperaturen Ti, T2 und T3, die Werte für a2 bei den drei Temperaturen, die Werte für a3 bei den drei Temperaturen, und die Werte für a4 der drei Temperaturen verwendet zur Bestimmung von K.j, i = 1.. .4, j = 1 .. .3. Processor 250 then uses these twelve resulting values for ai to form a set of twelve simultaneous Ku values based on equation (2). In general, the three values for ai, at the temperatures Ti, T2 and T3, the values for a2 at the three temperatures, the values for a3 at the three temperatures, and the values for a4 of the three temperatures are used to determine Kj, i = 1 .. .4, j = 1 .. .3.

Nach der Bestimmung dieser Werte für K.j ist die Funktion W(F,T) vollständig spezifiziert. Diese Werte repräsentierende Daten werden im Speicher RAM 272 gespeichert. After determining these values for K.j, the function W (F, T) is fully specified. Data representing these values is stored in the RAM 272.

Betriebsweise Mode of operation

Generell bestimmt der Prozessor 250 den Funktionsverlauf für die Kraftmesseinrichtung 210, wobei ein Gewichtswert (W) eine Funktion der Frequenz des Oszillators des Fühlers 244 (F) für die aufgebrachten Gewichte und die Temperatur des Systems 210 (T) darstellt. Eine Reihe von Referenzgewichten werden auf die Waagschale 212 jeweils bei einer von mehreren Temperaturen gelegt. Entsprechend dem Auflegen der Gewichte auf die Waagschale 212 wird die Last der Gewichte auf der Waagschale auf den Kraftwandler 10 übertragen, wobei die Anlenkungen 160 und 110 in Einfluss von Lastmomenten um die Achse 216, was durch ein ausser-zentrisches Beladen mit den Gewichten auftreten kann, auf einen Minimalwert beschränken. Die auf den Wandler 10 aufgebrachten Kräfte bewirken eine Relativbewegung der leitenden Oberflächen des Wandlers, was zu Kapazitätsänderungen führt. Diese Kapazitätsänderungen bewirken entsprechende Veränderungen der Ausgangsfrequenz des Oszillators auf der Leitung 244a. Der Prozessor verarbeitet dann diese Werte in der oben beschriebenen Weise, um W(F,T) vollständig zu bestimmen und speichert dann die diese Funktion repräsentierenden Daten in den Speicher RAM 272. In general, processor 250 determines the functional curve for force measuring device 210, wherein a weight value (W) represents a function of the frequency of the oscillator of sensor 244 (F) for the applied weights and the temperature of system 210 (T). A series of reference weights are placed on the weighing pan 212 each at one of several temperatures. In accordance with the placing of the weights on the weighing pan 212, the load of the weights on the weighing pan is transferred to the force transducer 10, the linkages 160 and 110 being influenced by load moments about the axis 216, which can occur due to an off-center loading of the weights , to a minimum. The forces applied to transducer 10 cause relative movement of the conductive surfaces of the transducer, which leads to changes in capacitance. These changes in capacitance cause corresponding changes in the output frequency of the oscillator on line 244a. The processor then processes these values in the manner described above to fully determine W (F, T) and then stores the data representing this function in memory RAM 272.

Beim Kraftmessen verarbeitet in Abhängigkeit vom Auflegen des zu messenden Gewichts auf die Waagschale 212 der Prozessor 250 die entsprechenden Signale (auf der Leitung 244a) in Verbindung mit den Signalen vom Temperaturoszillator 264 (auf der Leitung 264a), um die Werte der Messfunktion W(F,T) bei entsprechenden Werten für F und T zu ermitteln. Dieser Wert von W(F,T) wird in ein Signal umgewandelt, das das Gewicht auf der Waagschale 212 bei der herrschenden Temperatur 210 repräsentiert. When measuring force, the processor 250 processes the corresponding signals (on the line 244a) in conjunction with the signals from the temperature oscillator 264 (on the line 264a) in dependence on the placing of the weight to be measured on the weighing pan 212 in order to obtain the values of the measuring function W (F , T) with corresponding values for F and T. This value of W (F, T) is converted into a signal representing the weight on the weighing pan 212 at the prevailing temperature 210.

Fig. 3 zeigt in Form eines Blockschaltbildes ein Druckmesseinrichtung 278, welche einen Drucksensor 280 und einen Prozessor 250 umfasst. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Drucksensor 280 ein Oszillator, der einen kapazitiven Druckwandler als Fühlelement besitzt (wie z.B. das Modell 270 von der Firma Setra Systems, Inc., das eine verformbare Membran besitzt). Im allgemeinen arbeitet die FIG. 3 shows in the form of a block diagram a pressure measuring device 278, which comprises a pressure sensor 280 and a processor 250. In the preferred embodiment, pressure sensor 280 is an oscillator that has a capacitive pressure transducer as a sensing element (such as Model 270 from Setra Systems, Inc., which has a deformable membrane). Generally the works

5 5

10 10th

15 15

20 20th

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662656 4 662656 4

Einrichtung 278 im wesentlichen genauso wie der Aufbau torsignal erzeugt, dessen Frequenz eine Funktion des zuge-nach Fig. 1 mit Ausnahme des Sensors 280, der ein Oszilla- führten Drucks darstellt. Means 278 generates essentially the same as the structure of the gate signal, the frequency of which is a function of the FIG.

B B

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

662656 PATENT CLAIMS

1. Force or pressure measuring device with temperature compensation, characterized by

A) an arrangement for storing constants Kij, which are representative of a temperature-compensated measurement function W (F, T), in which m

W (F, T) = X ai (T) F "1 (1)

i = 1

where F is a function of the force or pressure applied to the device, T represents the ambient temperature, and n

ai (T) = £ Kij Ti "1, with i = 1.2, ... m (2)

j = l,

B) an arrangement for generating a sensor signal Fw, Fw representing the force or pressure introduced at ambient temperature,

C) an arrangement for generating a temperature signal Fr, where Ft represents the ambient temperature and

D) an arrangement for generating a force or pressure signal for the result from the stored function, including an arrangement for evaluating W (F, T), where F = Fw and T = Ft.

2. Force or pressure measuring device according to claim 1, characterized by an arrangement for generating the function W (F, T), this arrangement comprising:

A) an arrangement for generating a sequence of sensor signals depending on the introduction of a sequence of m predetermined forces or pressures into the device, the device being at n temperatures Ti, T2,... Tn.

B) an arrangement for resolving the function W (F, T)

according to ai (T) and for the generation of signal coefficients which represent ai (T) for each of the n temperatures, where i = 1,2, ..., m, and where F is equal to a respective sensor signal which at the associated temperature is generated, and where W (F, T) is equal to the respective forces or

Presses associated with the sensor signals

C) an arrangement for the resolution of ai (T) according to Ky and for the generation of signals which represent Kij for each i value, j = 1,2, ..., n and as (T) being equal to a respective signal coefficient, of the temperatures Ti,

T2, ... Tn is assigned and T is equal to the respective temperatures which are assigned to these signal coefficients.

3. Force or pressure measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that M = 4 and N = 3.

4. Force or pressure measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the arrangement for generating the sensor signal comprises a first oscillator, wherein Fw represents the frequency of this first oscillator, that the arrangement for generating the temperature signal comprises a second oscillator and that Ft represents the frequency of this second oscillator.