CH665025A5

CH665025A5 - Elektromagnetisch kraftkompensierende waage sowie verfahren zum betrieb dieser waage.

Info

Publication number: CH665025A5
Application number: CH3140/84A
Authority: CH
Inventors: Peter Kunz
Original assignee: Mettler Instrumente Ag
Priority date: 1984-06-29
Filing date: 1984-06-29
Publication date: 1988-04-15
Also published as: JPS6118828A; DE3515969A1; US4627505A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch kraftkompensierende Waage, mit einer für gewichtsabhängige Zeitabschnitte an eine Kompensationsspule anschaltbaren Konstantstromquelle, mit einer Regel- und Vergleichsschaltung für die Steuerung der Anschaltdauer der Konstantstromquelle, und mit einer Auswerteschaltung zur Aufbereitung des Wägeergebnisses in digitaler Form und zu dessen Darstellung in einer Digitalanzeige.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Waage.

Bei modernen elektrischen Waagen spielt die Zuverlässigkeit der Messwertgewinnung und -darstellung eine zunehmende Rolle. Da in vielen Fällen eine unzutreffende Gewichtsanzeige nicht aus sich heraus als fehlerhaft erkennbar ist, insbesondere, wenn es sich um kleinere Abweichungen vom wahren Wert handelt, legt man in steigendem Masse Wert auf Massnahmen zur Funktionsfehlererkennung, im folgenden kurz FFE genannt. So sind beispielsweise schon verschiedene Methoden zur FFE bei Digitalanzeigen bekannt geworden, da sich der unbemerkte Ausfall einzelner Anzeigeelemente besonders gravierend auswirken kann.

Trotz verbesserter Zuverlässigkeit sind aber auch andere bei der Messwertgewinnung und -aufbereitung verwendete Komponten potentiell fehlerträchtig, insbesondere durch Alterungserscheinungen.

Die vorliegende Erfindung entstand aus der Aufgabenstellung, im Sinne einer FFE eine permanente Überwachung wesentlicher Komponenten der Waage mit mässigem Aufwand zu ermöglichen. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst durch die in den Patentansprüchen 1 bzw. 5 aufgeführten Merkmale.

Damit ist sichergestellt, dass aus Änderungen im Verhalten eines besonders kritischen Elementes, eben der Konstantstromquelle, keine unbemerkten Fehler resultieren können. Gleichzeitig ist damit auch die ordnungsgemässe Funktion des A-/D-Wandlers überprüft.

Jedenfalls Waagen mit höheren Ansprüchen an die Spezifikation verfügen über Temperaturfühler zur Berücksichtigung von Temperatureinflüssen. Dementsprechend ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung zur Korrektur von Temperaturschwankungen eine einen genau temperaturabhängigen Strom abgebende Stromquelle (Temperatur-Stromquelle) und eine Schaltung zur Digitalisierung dieses Stromes vorgesehen und die Auswerteschaltung zur Verrechnung des digitalisierten Signals mit dem Gewichtswert ausgelegt,

wobei eine zweite, der ersten gleichende Temperatur-Strom-quelle vorgesehen ist, welche an die genannte Digitalisie-rungsschaltung anschaltbar ist, und wobei die Auswerteschaltung ferner zum Vergleichen der beiden digitalisierten Werte ausgelegt ist. Dabei ist zweckmässigerweise die genannte Digitalisierungsschaltung der von der Gewichtswertdigitalisierung unabhängige A-/D-Wandler. Damit ist auch die Gefahr von unbemerkten Funktions-Fehlern aus der Temperaturkorrektur gebannt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ferner ein der Kompensationsspule zugeordneter, zwischen diese und Erde geschalteter Widerstand vorgesehen, der in Verbindung mit der FFE-Schaltung eine Überwachung von Stromschalter

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und Kompensationsspule bewirkt. Damit sind zusätzlich weitere Komponenten in die FFE einbezogen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist

Figur 1 ein Blockschema,

Figur 2 ein Signaldiagramm, und

Figur 3 ein Flussdiagramm.

Für das Ausführungsbeispiel wurde eine Waage gewählt, wie sie ausführlich in der US-Patentschrift 4 245 711 beschrieben ist. Auf die genannte Schrift wird bezüglich der Funktionsweise der Waage verwiesen, soweit es um die Gewichtsermittlung und-darstellung geht. Imfolgenden wird daher im wesentlichen nur das gemäss der vorliegenden Erfindung neue beschrieben.

Das Blockschema der Figur 1 zeigt den Aufbau der Schaltung. Eine Konstantstromquelle 10 (unter anderem umfassend eine Referenzdiode Ref I, z.B. vom Typ LM 385 NS) ist über einen Stromschalter 12 wahlweise an die beiden Zweige einer Kompensationsspule 14 schaltbar, welche in bekannter Weise im Luftspalt eines Permanentmagnetsystems angeordnet ist (nicht gezeichnet). Ein mit G bezeichneter Komplex 16 symbolisiert die zur Gewichtsermittlung erforderlichen bekannten Schaltungselemente (vgl. die oben genannte US-Patentschrift), umfassend die Regel- und Vergleichsschaltung einschliesslich der Positionsgeberschaltung für den Lastaufnehmer der Waage. Mit 18 ist ein Mikrocomputer bezeichnet, der die gesamte Schaltung steuert, das Gewicht berechnet und es für eine Digitalanzeige 20 bereitstellt.

Körperlich nahe beieinander am Permanentmagnetsystem angeordnet sind zwei gleiche Temperatur-Stromquellen 22, 24 (Tl bzw. T2). Sie erzeugen einen linear temperaturabhängigen Strom und können von Typ LM 334 NS sein. Ein elektronischer Umschalter 26 (mit S bezeichnet) wird vom Mikrocomputer 18 gesteuert und verbindet abwechselnd die Ströme aus Ti, T2 und von der Konstantstromquelle 10 (Ic) mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers (A/D) 28. Letzterer umfasst in bekannter Weise einen Integrator und einen Komparator und arbeitet nach dem Mehrrampenprinzip. Der Ausgang des (Komparators des) A-/D-Wandlers 28 ist zum Mikrocomputer 18 geführt und steuert dort eine Zählschaltung.

Anhand des Signaldiagramms der Figur 2 sei nun das Verfahren erläutert.

Der Kurvenzug S gibt die Stellung des Schalters 26 wieder: Während der Messung T1 ist die Temperatur-Stromquelle 22 an den A-/D-Wandler 28 angeschlossen, während der Messung T2 die Temperatur-Stromquelle 24, und während der Messung L der Strom aus der Konstantstromquelle 10. Danach wiederholt sich die genannte Reihenfolge, und zwar permanent.

Die beiden Kurvenzüge A/D geben die Lade-/Entlade-zyklen des Integrators (oberer Kurvenzug) und die Ausgangssignale des Komparators wieder (Unterer Kurvenzug): In bekannter Weise wird während eines konstanten Zeitabschnittes tK (im vorliegenden Beispiel: 107 ms) das jeweilige Eingangssignal intergriert (Laden eines Kondensators); anschliessend wird im A-/D-Wandler 28 vom Eingangssignal auf ein bekanntes Signal (Ref II) umgeschaltet und mit diesem der Kondensator entladen und die entsprechende Zeit tM mittels Taktimpulsen ermittelt. Die Anzahl Taktimpulse ist jeweils proportional zum Eingangssignal.

Im vorliegenden Beispiel werden die Taktimpulse im Mikrocomputer 18 gezählt. Dabei werden jeweils 16 einzelne Messzyklen t von Ti bzw. T2 bzw. Lzu einer Messung, d.h. zu

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einem Messergebnis, zusammengefasst und dann weiter verarbeitet. Die Weiterverarbeitung besteht darin, dass das Messergebnis von L mit einem im Mikrocomputer 18 fest gespeicherten, bei der Werkseinstellung der Waage ermittelten Kontrollwert verglichen wird und letzterem - innerhalb einer gewissen Toleranz - entsprechen muss, ansonsten ein Fehlersignal erzeugt wird. Die beiden Werte aus den Messungen T1 und T2 werden jeweils auf Übereinstimmung überprüft, ebenfalls innerhalb einer kleinen Bandbreite.

Die Kurvenzüge Ti, T2 und L zeigen die jeweiligen Messabschnitte der einzelnen Signale: Simultan mit dem Abschalten des jeweiligen Eingangssignals im A-/D-Wandler 28 und dem Anschalten des Referenzsignals (Ref II) beginnt das Zählelement im Mikrocomputer 18 Taktimpulse zu zählen, bis der Messabschnitt tM beendet ist (Ausgangssignal des Komparators, siehe oben).

Figur 3 verdeutlicht den Ablauf einer Messung. Zu Beginn werden im Mikrocomputer 18 der Zykluszähler Z und der Summierer (M) auf Null gesetzt, ebenso der Zeitgeber für tk und der Messzähler für tM.Ferner wird, vom Mikrocomputer 18 gesteuert, der jeweilige Messstrom angeschaltet (in Figur 3 : der Strom aus der Temperaturstromquelle 22 (T1)). Ist die vorgegebene Zeit tk von 107 ms abgelaufen, so wird der Messstrom ab-und der Referenzstrom (Ref II) angeschaltet sowie der Messzähler gestartet. Dieser zählt während der Zeit tM, d.h. so lange, bis der Komparatorausgang des A-/D-Wandlers 28 den Nulldurchgang signalisiert. Dann wird der Referenzstrom abgeschaltet, der Messzähler gestoppt und dessen Resultat in den Summierer übernommen. Der Zykluszähler Z wird fortgeschaltet, und der Zyklus beginnt von neuem, bis 16 Zyklen vollendet sind. Dann wird der kumulierte Messwert M aus den 16 Einzelzählungen tM dem Rechner übergeben zur Weiterverarbeitung. Sodann beginnt die folgende Messung, nun für den Strom aus der Temperaturstromquelle 24 (T2), nach deren Abschluss diejenige für Ic. Das Ablaufschema ist jeweils gleich wie in Figur 3 gezeigt; lediglich beim Schritt 3 ändern sich die Schalterstellungen entsprechend (ST2ein für T2, Sic ein für Ic).

Im vorliegenden Fall steht nach jeweils etwa 2 s ein neuer Messwert (T1 bzw. T2 bzw. Ic) zur Verfügung, d.h., die oben erwähnten Kontrollrechnungen liefern periodisch aller ca. 7 s für die Temperaturfühler 22,24 und für die Konstantstromquelle 10 ein neues Ergebnis.

Mit dieser Kadenz sind auch strenge Anforderungen an die FFE erfüllt, und es rechtfertigt sich, von einer permanenten Überwachung zu sprechen. Stellt sich bei einer der Kontrollrechnungen ein Fehler heraus, so wird ein Fehlersignal erzeugt. Hierzu können, je nach Bedarf, verschiedene für sich bekannte Möglichkeiten zum Zuge kommen (einzeln oder kumuliert), beispielsweise ein optisches Signal (Blinken oder Dunkelsteuern der Anzeige oder ersetzen der numerischen Anzeige durch z.B. «ERROR»), oder ein akustisches Signal (z.B. ein Piep- oder Pfeifton).

Unabhängig von der hier beschriebenen FFE wird das digitalisierte Temperatursignal einer der beiden Temperaturstromquellen 22 oder 24 in für sich bekannter Weise zur Korrektur des Gewichtssignales angewendet, indem letzteres nach einer entsprechenden Formel mit ersterem verrechnet wird, um den Einfluss von Temperaturschwankungen auf das Gewichtsergebnis zu kompensieren.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass mit der beschriebenen FFE-Methode auch gleich das korrekte Funktionieren des A-/D-Wandlers 28 in die Überwachung einbezogen ist.

Nachzutragen bleibt ein weiterer Aspekt des beschriebenen Ausführungsbeispiels: Der in Figur 1 eingezeichnete Widerstand 30 verändert den Konstantstrom Ic, sobald im

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Schalter 12 ein Leckstrom oder in der Spule 14 ein Kurz-schluss auftritt (was bei Verwendung metallischer Spulenträger nie ganz ausgeschlossen werden kann). Damit sind auch die genannten beiden Komponenten in die Überwachung einbezogen.

Im Rahmen der Erfindung sind mancherlei Variationen möglich. Selbstverständlich kann die konkrete Wahl der Länge der Zeitabschnitte tic wie auch die Anzahl der Messzyklen je Messung in einem weiten Bereich variiert werden, je nach den Gegebenheiten im Einzelfall. Auch können den einzelnen Signalen unterschiedliche Anzahlen von Messzyklen zugeteilt werden; ferner könnten im Bedarfsfalle einzelne Kontrollen öfter als andere vorgenommen werden (z.B. die Kontrolle von Ic in grösseren Abständen als diejenige von TiundT2).

Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf Waagen des im genannten US-Pantent beschriebenen Typs beschränkt, sondern könnte auch andere Waagen mit Impulskompensation umfassen (z.B. wie beschrieben im US-Patent 3 786 884). Vorteile der Erfindung liegen unter anderem darin, dass wl is in p™ fällen ran EiclMörden geforderte

Prüfgewicht zur Funktionsprüfung der Waage verzichtet 5 werden kann (eine FFE-Schaltung gemäss der Erfindung ist wesentlich einfacher und billiger als der Einbau eines Prüfgewichtes). Ferner lässt sich die beschriebene FFE-Schaltung auch (bei Wahl entsprechender Komponenten) in Waagen mit niedriger Speisespannung und kleinem Stromverbrauch io anwenden, z.B. in batteriebetriebenen Waagen. Im obigen Beispiel wird der Konstantstrom Ic in unverändeter Grösse an den Schalter 26 geführt (via Operationsverstärker 31 kann auch eine Reduktion vorgenommen werden (wobei der Reduktionsfaktor konstant bleiben muss), beispielsweise auf is Vio des ursprünglichen Wertes. Damit, dass nur ein verkleinertes Abbild des Konstantstroms für die Prüfung herangezogen wird, lässt sich die Belastung des Schalters 26 sowie des A/D-Wandlers 28 entsprechend klein halten.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

665025 PATENTANSPRÜCHE

1. Elektromagnetisch kraftkompensierende Waage, mit einer für gewichtsabhängige Zeitabschnitte an eine Kompensationsspule anschaltbaren Konstantstromquelle, mit einer Regel- und Vergleichsschaltung für die Steuerung der Anschaltdauer der Konstantstromquelle, und mit einer Auswerteschaltung zur Aufbereitung des Wägeergebnisses in digitaler Form und zu dessen Darstellung in einer Digitalanzeige, gekennzeichnet durch eine Funktionsfehlererken-nungsschaltung, FFE-Schaltung benannt, zur Überwachung der Konstantstromquelle (10), wobei die FFE-Schaltung

- einen von der Gewichtswertdigitalisierung unabhängigen A-/D-Wandler (28) zur periodischen Digitalisierung des Konstantstroms, sowie

- eine Schaltung ( 18) zum Vergleich des digitalisierten Wertes des Konstantstrom mit einem vorgegebenen Wert umfasst.

2. Waage nach Anspruch 1, bei welcher zur Korrektur von Temperaturschwankungen eine einen genau temperaturabhängigen Strom abgebende Stromquelle (22), Temperatur-Stromquelle benannt, und eine Schaltung zur Digitalisierung dieses Stroms vorgesehen ist und die Auswerteschaltung (18) zur Verrechnung des digitalisierten Signals mit dem Gewichtswert ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite, der ersten gleichende Temperatur-Stromquelle (24) vorgesehen ist, welche an die genannte Digitalisierungs-schaltung anschaltbar ist, und dass die Auswerteschaltung

( 18) ferner zum Vergleichen der beiden digitalisierten Werte ausgelegt ist.

3. Waage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Digitalisierungschaltung der von der Gewichtswertdigitalisierung unabhängige A-/D-Wandler (28) ist

4. Waage nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, ferner gekennzeichnet durch einen der Kompensationsspule (14) zugeordneten, zwischen diese und Erde geschalteten Widerstand (30), der in Verbindung mit der FFE-Schaltung eine Überwachung von Stromschalter (12) und Kompensationsspule (14) bewirkt.

5. Verfahren zum Betrieb einer elektromagnetisch kraftkompensierenden Waage gemäss Anspruch 1, bei welchem eine Konstantstromquelle, gesteuert von einer Regel- und Vergleichsschaltung, für gewichtsproportionale Zeitabschnitte an die Kompensationsspule geschaltet und die Länge dieser Zeitabschnitte mit Taktimpulsen ausgezählt wird, bei welchem ferner in einer digitalen Auswerteschaltung die gewichtsproportionalen Taktimpulssummen zu in einer Digitalanzeige darstellbaren Gewichtsergebnissen verrechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantstromquelle ( 10) mittels einer Funktionsfehlererkennungs-schaltung, FFE-Schaltung benannt, überwacht wird, dergestalt, dass der Konstantstrom periodisch in einem von der Gewichtswert-Digitalisierung getrennten A-/D-Wandler (28) digitalisiert und der digitalisierte Stromwert in der Auswerteschaltung (18) mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird, wobei die Auswerteschaltung (18) ein Fehlersignal generiert, wenn die Abweichung der beiden verglichenen Werte einen vorgegebenen Betrag überschreitet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem digitalisierte Signale einer hochlinear temperaturabhängigen Stromquelle (22), Temperatur-Stromquelle benannt, in der Auswerteschaltung ( 18) mit den Gewichtswerten zur Lieferung eines korrigierten Anzeigewertes verrechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass intermittierend die Signale einer zweiten Temperatur-Stromquelle (24) digitalisiert und in der Auswerteschaltung (18) mit den digitalisierten Signalen der ersten Temperatur-Stromquelle (22) verglichen werden, wobei die Auswerteschaltung (18) ein Fehlersignal generiert,

wenn die Abweichung der beiden verglichenen Werte einen vorgegebenen Betrag überschreitet.