CH668317A5 - Wiegeeinrichtung. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wiegeeinrichtung mit einem Kraft-Eingangselement zum Abstützen eines zu wiegenden Gegenständes.

Eine typische vorbekannte Wiegeeinrichtung umfasst eine Plattform oder Waagschale zum Empfangen des zu messenden Gewichts. Die Waagschale ist über einen Kraftwandler mit einem Stützelement oder Rahmen gekoppelt. Bei verschiedenen Formen der vorbekannten Wiegeeinrichtung sind ein Wandler und die Waagschale mit einem Stützelement über Gestänge gekoppelt, die für die Gegenstände in der Schale eine relativ genaue Gewichtserfassung gestatten. Beispielsweise können Kraftsensoren Zugmesser oder eine bewegliche Spule in einem festen Magnetfeld in einer Rückkopplungsanordnung umfassen.

Während die vorbekannten Wiegeeinrichtungen ein relativ genaues Mass von Gegenständen liefern, die in die Waagschale gelegt werden, gibt es eine Anzahl von Nachteilen der bekannten Einrichtungen. Beispielsweise sind viele derartigen Einrichtungen besonders empfindlich für aussermittiges Auflegen des zu wiegenden Objektes in der Waagschale. Eine derartige aus-sermittige Belastung kann die Ursache für Fehler aufgrund von Reibungsverlusten sein. Um solchen Verlusten entgegenzuwirken, verwenden vorbekannte Wiegeeinrichtungen häufig verschiedene Formen von mechanischen Gestängen, um derartige Fehler zu reduzieren. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 4 026 416 eine Biegeanordnung, welche die Bewegung der Waagschale längs einer einzigen Abtastachse beschränkt. Derartige Anordnungen sind jedoch in ihrem Bewegungsbereich und folglich in dem Bereich der zulässigen Gewichte beschränkt.

Ein weiterer Nachteil vieler vorbekannter Wiegeeinrichtungen ist ihre Temperaturabhängigkeit, was auf Temperatureffek-. te am Abtastwandler und der zugeordneten Schaltung zurückzuführen sein kann.

Es ist folglich ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine sehr genaue und sehr präzise Wiegeeinrichtung vorzuschlagen.

Es ist ein weiteres Ziel, eine Wiegeeinrichtung mit Temperaturkompensation anzugeben.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgaben geht aus dem Patentanspruch 1 hervor. Ausführungsformen davon sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Details und Vorteile der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben, in denen:

Fig. 1 in schematischer Form eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine beispielhafte Ausführungsform der Einrichtung nach Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 zeigt;

Fig. 4 in schematischer Form den Positionssensör der Einrichtung nach Fig. 1 zeigt;

Fig. 5 eine Form für den Induktor des Positionssensors nach Fig. 4 zeigt und

Fig. 6 in Form eines Blockdiagramms den Prozessor der Einrichtung nach Fig. 1 zeigt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wiegeeinrichtung 210 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Diese Einrichtung umfasst eine Waagschale 212 und einen zugehörigen Stützpfosten 214, der für eine Bewegung längs einer Bezugsachse 216 geeignet ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die «Schale» durch irgendeinen anderen Typ eines Kraft-Eingangselementes ersetzt werden. Der Pfosten 214 ist über eine mechanische Dämpfungsanordnung 218 mit ëinem Bezugs- bzw. Stützelement 220 gekoppelt, welches bezüglich der Achse 216 feststeht. Die Schale 212 und deren Stützpfosten 214 sind mit einem Armaturelement 226 über eine Par-allelführungs-Gestängeanordnung 160 verbunden. Das Armaturelement 226 ist über eine Parallelführungs-Gestängeanord-nung 110 mit dem Stützelement 220 verbunden. Ein Kraftwandler 10 ist zwischen das Armaturelement 226 und das Stützele-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

668 317

ment 220 gekoppelt. Der Wandler 10 ist über eine Leitung 10a mit einem Bewegungssensor 244 gekoppelt. Ein Positionssensor 244 liefert seinerseits ein Ausgangssignal auf einer Leitung 244a, welches für die Bewegung eines Elementes des Kraftwandlers 10 repäsentativ ist, die sich aufgrund der Verlagerung der Schale 212 durch das in dieser Schale befindliche, zu messende Gewicht ergibt.

Ein Prozessor 250 spricht auf das Signal auf der Leitung 244a an und liefert ein Ausgangssignal auf der Leitung 250a. Dieses Signal ist repräsentativ für das Gewicht des Gegenstandes in der Waagschale 212.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht (ohne Waagschale 212) und Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine beispielhafte Ausführungsform der Wiegeeinrichtung gemäss Fig. 1.

Die verschiedenen Elemente der Einrichtung gemäss Fig. 1, die in Fig. 2 und 3 gezeigt sind, werden nun beschrieben.

Die Waagschale 212 ist eine kreisrunde, scheibenförmige Schale, die geeignet ist, einen von der Wiegeeinrichtung 210 zu wiegenden Gegenstand aufzunehmen. Ein kreisförmiger, zylindrischer Stützpfosten 214 steht von der Unterseite der Schale 212 ab. Dieser Pfosten 214 ist im wesentlichen auf eine nahezu reibungslose, gedämpfte Bewegung längs der Achse 216 beschränkt, und zwar durch Teile, die weiter unten beschrieben sind.

Der Dämpfer 218 ist zwischen den Stützpfosten 214 und das Stützelement 220 gekoppelt. Der Dämpfer umfasst zwei im wesentlichen kreisrunde Elemente 218a und 218b. Die einander gegenüberliegenden Teile der Elemente 218a und 218b umfassen jeweils einen Satz von konzentrischen, kreisrunden Rippen. Die Rippen des Elementes 218a können dabei bei der Relativbewegung zwischen den beiden Elementen längs der Achse 216 derart zwischen die Rippen des Elementes 218b greifen, dass die zwischen den Rippen verdrängte Luft für eine reibungsarme Dämpfung der Relativbewegung der Elemente 218a und 218b sorgt.

Der Stützpfosten 214 ist mit einer Armatur 226 über ein Gestänge 160 gekoppelt. Das Gestänge 160 ist ein Gestänge, weiches die Bewegung eines Bezugselementes (welches dem Stützpfosten 214 entspricht) auf eine Bewegung längs einer Bezugsachse (welche der Achse 216 entspricht) beschränkt, die eine im wesentlichen feste Orientierung bezüglich der Armatur 226 hat.

Bei dem in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Armatur 226 die Form eines geschlossenen Metallblechgehäuses. Das Gestänge 160 hat im wesentlichen die Form, die in der US-Patentanmeldung, Serial Nr. 265 092 (SET-120) gezeigt ist, welche durch die Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wurde. Fig. 1 dieser Anmeldung zeigt das Gestänge 160.

Wie dort gezeigt ist, ist ein Gestänge 160 gezeigt, welches geeignet ist, die Bewegung eines Bezugselementes 162 (welches dem Pfosten 214 entspricht) auf eine Bewegung längs einer Bezugsachse 164 zu beschränken (welche der Achse 216 ent- . spricht), welche bezüglich eines Stützelementes 166 feststeht (welches der Armatur 226 entspricht). Das Gestänge 160 umfasst zwei Paare von V-förmigen, elastischen Biegeelementen. Das erste (oder obere) Paar umfasst die Elemente 168 und 170, und das zweite Paar (oder das untere) umfasst die Elemente 172 und 174. Jedes der Elemente 168, 170, 172 und 174 besitzt einen Scheitelendbereich und erste und zweite ferne Endbereiche.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die ersten fernen Endbereiche des oberen Paares von Biegeelementen (Elemente 168 und 170) miteinander gekoppelt, und die zweiten fernen Endbereiche des oberen Paares sind miteinander gekoppelt. In ähnlicher Weise sind die ersten fernen Endbereiche des unteren Paares von Biegeelementen (Elemente 172 und 174) miteinander gekoppelt, und die zweiten fernen Endbereiche des unteren Paares sind miteinander gekoppelt.

Die ersten fernen Endbereiche des oberen Paares von Bieger dementen sind ausserdem mit den entsprechenden ersten fernen Endbereichen des unteren Paares von Biegeelementen über ein starres Kopplungselement 176 mit der Länge L in der Richtung der Achse 216 gekoppelt. In ähnlicher Weise sind die zweiten fernen Endbereiche des oberen Paares von Biegeelementen auch mit den zweiten fernen Endbereichen des unteren Paares von Biegeelementen durch ein starres Kopplungselement 178 mit der Länge L in Richtung der Achse 216 gekoppelt

Der Scheitelbereich des oberen Biegeelementees 168 des oberen Paares ist mit dem Stützelement 166 (d.h. der Armatur 226) an einem Punkt Ml gekoppelt. In ähnlicher Weise ist der Scheitelbereich des oberen Elementes 172 des unteren Paares mit einem Stützelement 166 (d.h. mit der Armatur 226) an einem Punkt M2 gekoppelt, wobei die Punkte Ml und M2 in Richtung der Achse 164 (d.h. der Achse 216) durch einen Abstand L getrennt sind.

Der Scheitelteil des unteren Biegeelementes in dem oberen Paar ist mit dem Bezugselement 162 (d.h. mit dem Pfosten 214) an einem Punkt N1 gekoppelt. In ähnlicher Weise ist der Scheitelteil des unteren Elementes 174 des unteren Paares mit dem Bezugselement 162 (d.h. mit dem Pfosten 214) an einem Punkt N2 gekoppelt.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wirken die Verlän-. gerungen der Scheitelteile über die betreffenden Punkte T, U, V und W hinaus im wesentlichen als starre Kopplungen mit den betreffenden Pfosten 214 und der Armatur 226. Folglich ist der Abstand zwischen den Punkten Ml und M2 (M1M2) im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den Punkten T und U (TU), und der Abstand zwischen den Punkten N1 und N2 (NlN2)ist im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den Punkten V und W (VW), wobei sich alle diese Abstände M1M2, TU, N1N2 und VW auf Abstände in Richtung der Achse 216 beziehen. Im Ergebnis sind alle die Abstände QS, PR, VW und TU gleich dem Abstand L.

Ausserdem hat der Punkt S an der Oberfläche der Biegeelemente 172 und 174 gleiche Abstände von den Punkten W und U (d.h. SW = SU), der Punkt R hat den gleichen Abstand auf der Oberfläche der Biegeelemente 172 und 174 von den Punkten W und U (d.h. RW = RU), der Punkt Q hat den gleichen Abstand auf der Oberfläche der Biegeelemente 168 und 170 von den Punkten T und V (d.h. VQ = TQ) und der Punkt P hat den gleichen Abstand auf der Oberfläche der Biegeelemente 168 und 170 von den Punkten T und V (d.h. VP = TP)..

Mit dieser Konfiguration und in Verbindung mit dem Dämpfer 218 ist das Bezugselement 162 (entsprechend dem Pfosten 214 in Fig. 2 und 3) auf relativ grosse gedämpfte Bewegungen im wesentlichen längs der Achse 164 beschränkt (die der Achse 216 in Fig. 2 und 3 entspricht), die bezüglich des Stützelementes 166 (entsprechend Fig. 2 und 3) fixiert ist. Solche Bewegungen können in Abhängigkeit von Kräften auftreten, die durch Gegenstände in der Schale 212 herbeigeführt werden.

Die Armatur 226 ist auch mit dem Stützelement (oder Gehäuse) 220 über das Gestänge 110 verbunden. Das Gestänge 110 ist ein Gestänge, welches die Bewegung des Bezugselementes (welches der Armatur 226 entspricht) auf eine Bewegung längs -einer Bezugsachse beschränkt, welche parallel zur Achse 216 verläuft und welche eine im wesentlichen feste Orientierung bezüglich des Stützelementes 220 besitzt.

Beim gezeigten Ausführungsbeispiel hat das Gestänge 220 im wesentlichen die Form, die in der durch die Bezugnahme eingeschlossenen US-Patentanmeldung Serial Nr. 265 089 (SET-115) gezeigt ist. Fig. 1 dieser Anmeldung zeigt das Gestänge 110.

Das Gestänge 110 ist geeignet, die Bewegung eines Bezugselementes 112 (welches der Armatur 226 entspricht) auf eine Bewegung längs der Achse 116 zu begrenzen (die einer Achse parallel zur Achse 216 entspricht), wobei diese erste Bezugsach-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

668 317

4

se 116 bezüglich eines Stützelementes 220 fixiert ist. Das Gestänge 110 umfasst ein Paar länglicher. Biegeelemente 124 und 126. Die Biegeelemente 124 und 126 sind, wie gezeigt, Träger mit Biegungen (die durch die Bezugszeichen 125 bzw. 127 angedeutet sind), die an einem Ende liegen. Die Biegungen 125 und 127 an den Enden jedes der Elemente 124 und 126 sind durch die betreffenden Trägerteile 124a und 126a mit dem Stützelement 220 verbunden.

Das andere Ende jedes der Elemente 124 und 126 ist mittels einer einstellbaren Kopplungsanordnung mit dem Stützelement 220 verbunden. Die einstellbare Kopplungsanordnung für das Element 124 umfasst eine Schraube 130 in der Nähe des freien Endes des Elementes 124 sowie eine zugeordnete Gewindebohrung mit einem Verlängerungsteil 132 des Stützelementes 220. Der Bewegung dieses Endes der Biegung 124 wirkt eine Feder 134 entgegen. Bei dieser Konfiguration kann die Schraube 130 gedreht werden, um das freie Ende des Biegeelementes 124 in der Richtung der Achse 116 einstellbar zu positionieren.

In ähnlicher Weise umfasst die einstellbare Kupplungsvorrichtung für das Element 126 eine Schraube 131 in der Nähe des freien Endes des Elementes 126, eine zugeordnete Gewindebohrung in dem Verlängerungsteil 132 und eine Feder 135. Die Schraube 131 kann gedreht werden, um das freie Ende des Biegeelementes 126 in der Richtung der Achse 116 einstellbar zu positionieren.

Das Gestänge 110 umfasst ferner zwei V-förmige Biegeelemente 136 und 138, wobei jedes der Elemente 136 und 138 ein Scheitelende (mit einer Biegung oder Angel) und zwei ferne Endbereiche (jeweils mit einer Biegung oder Angel) umfasst. Die Scheitelbereiche der Biegeelemente 136 und 138 sind (über Verlängerungsträgerteile 136a und 138a über die Scheitelbiegung hinaus) mit den Enden des Bezugselementes 112 an Punkten B bzw. C gekoppelt, wobei die Punkte B und C in der Richtung der Achse 116 durch den Abstand X getrennt sind.

Das erste und das zweite ferne Ende des Elementes 136 sind an den Kupplungspunkten A bzw. D über Verlängerungsträgerteile 136b bzw. 136c (jenseits der Biegungen am fernen Ende) und über zugeordnete Distanzelemente 142 bzw. 143 mit den Biegeelementen 124 und 126 an Punkten zwischen den Biegungen und den freien Enden dieser Elemente verbunden. Die Punkte A und D liegen längs einer Achse 140, welche nominell parallel senkrecht zur Achse 116 liegt. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Punkte A und D in der Grössenordnung von 1/10 der Distanz von der Biegung zum freien Ende des betreffenden Elementes 124 und 126.

Das erste und das zweite ferne Ende des V-förmigen Elementes 138 sind mit dem Stützelement 220 (durch Verlängerungsträgerbereiche 138b bzw. 138c jenseits der Biegungen am fernen Ende) mit ihren jeweiligen Biegungen verbunden, die an den Punkten E bzw. F liegen. Die Punkte E und F liegen auf einer dritten Bezugsachse 144, welche senkrecht zur Achse 116 ist.

Wenn die Achse 140 parallel zur Achse 144 ist und von dieser durch den Abstand X in Richtung der Achse 116 getrennt ist, dann ist die Bewegung des Bezugselementes 112 derart beschränkt, dass sie im wesentlichen längs der Achse 116 erfolgt. Ausserdem ist das Element 112 im wesentlichen widerstandsfähig gegenüber Momenten um die Achse 116.

Das Gestänge 110 ist besonders leicht so einzustellen, dass die Achsen 140 und 144 parallel sind. Im allgemeinen können die Schraubenl30 und 131 einstellbar positioniert werden, um eine «Feinabstimmung» oder eine exakte Kontrolle dieser Bewegung zu erreichen. Die Lage der "Verbindung des Endes der Elemente 136 und 138 längs der Biegeelemente 124 und 126 kann selektiv gewählt werden, um eine Nonius-Kontrolle der Echtheit dieser Bewegung zu liefern.

Beim gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Abstand zwischen den Punkten A und B gleich dem Abstand zwischen den Punkten D und B. Der Abstand zwischen den Punkten F und C ist gleich dem Abstand zwischen den Punkten E und C. Diese Beziehungen erlauben den maximalen Bewegungsbereich des Elementes 112 längs der Achse 116; es können jedoch auch andere Beziehungen benutzt werden.

Bei der beschriebenen Konstruktion bzw. Konfiguration für das Gestänge 110 gestatten die beiden Einstellschrauben 130 und 131 ein vollständiges Ausrichten bzw. eine «Feinabstimmung» des Gestänges zur Optimierung der Bewegung der Armatur 226. Das Gestänge ist besonders widerstandsfähig gegen Momente, die durch aussermittige Belastung in irgendeiner Richtung durch ein zu wiegendes Objekt in der Schale 212 entstehen.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Elemente 124, 126, 134 und 136 relativ starre Träger mit Biegungen an bestimmten Stellen. Bei anderen Ausführungsbeispielen können diese Elemente durch Elemente mit verteilter Biegung, beispielsweise Stahlfedern, ersetzt werden.

Der Kraftwandler 10 ist zwischen die Armatur 226 und das Stützelement 220 gekoppelt. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Kraftwandler 10 ein kapazitiver Sensor im wesentlichen von der in Fig. 1 der US-Patentanmeldung Serial Nr. 265 087 (SET-114) gezeigten Form; die bezügliche Offenbarung wurde durch die obige Bezugnahme in die vorliegenden Unterlagen eingeschlossen.

Wie dort gezeigt, umfasst der Kraftwandler 110 ein Paar von einem rechteckigen Querschnitt aufweisenden länglichen Elementen 12 und 14, die sich längs einer gemeinsamen zentralen Achse 16 erstrecken. Das längliche Element 12 ist auch in Fig. 2 gezeigt. Die Elemente 12 und 14 besitzen an ihren einander benachbarten Enden komplementäre Flächen. Wie gezeigt, bilden die gesamten Endbereiche der Elemente 12 und 14 die komplementären Flächen, obwohl die komplementären Flächen bei anderen Ausführungsbeispielen nur ein Teil der benachbarten Enden sein können.

Beim gezeigten Ausführungsbeispiel umfassen die Flächen der Elemente 12 und 14 planare Bereiche 20 bzw. 22, die in der Richtung einer ersten Bezugsachse 30 versetzt sind, wobei diese Achse senkrecht zu der zentralenAchse 16 verläuft. Die plana-ren Bereiche 20 und 22 sind parallel zu einer zweiten Bezugsachse 24, welche senkrecht zu den Achsen 16 und 30 verläuft. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die planaren Bereiche 20 und 22 auch parallel zur zentralenAchse 16, obwohl die planaren Bereiche bei anderen Ausführungsbeispielen auch win-kelmässig gegenüber der Achse 16 versetzt sein können. Wie gezeigt, sind die Flächen auf beiden Seiten der Flächen 20 und 22 parallel zur Achse 30 und senkrecht zur Achse 16, obwohl andere Orientierungen dieser Flächen ebenfalls benutzt werden könnten. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Elemente 12 und 14 im wesentlichen identisch. Diese Elemente sind verbunden, um den Wandler 10 zu bilden. Die länglichen Elemente 12 und 14 umfassen jeweils zwei planare Schlitze, die, ausgehend von ihren komplementären Flächen, in zu den Achsen 16 und 24 parallelen Ebenen verlaufen.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die beiden Schlitze in den beiden Elementen 12 und 14 von identischer Tiefe. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann in jedem der Elemente 12 und 14 der eine Schlitz eine Tiefe A und der andere Schlitz eine Tiefe B haben, wobei mindestens A oder B von Null verschieden ist und wobei die Summe A + B einem vorgegebenen Wert gleich ist. Ausserdem sind die beiden Schlitze in dem Element 12 in Richtung der Achse 20 im Abstand voneinander vorgesehen, so dass der obere Trägerteil 12a und der untere Trägerteil 12b des Elementes 12 (d.h. die durch die Schlitze und die äusseren Endflächen des Elementes 12 begrenzten Trägerteile) für Momente bezüglich zu der Achse 24 paralleler Achsen relativ flexibel sind.

Beim betrachteten Ausführungsbeispiel sind die Elemente 12

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

668 317

und 14 im wesentlichen identisch. Folglich werden die beiden Schlitze des Elementes 14 so beträchtet, dass sie den «oberen» Trägerteil 14a und den «unteren» Trägerteil 14b definieren.

Die ebenen Bereiche 20 und 22 der Elemente 12 und 14 tragen jeweils ein im wesentlichen ebenes elektrisch leitfähiges Element 34 bzw. 36.

Der obere Trägerteil 12a und der untere Trägerteil 14b der Elemente 12 bzw. 14 sind durch das Element 42 verbunden, während der untere Trägerteil 12b und der obere Trägerteil 14a der Elemente 12 bzw. 14 durch das Element 44 verbunden sind. In der so erhaltenen Konstruktion sind die komplementären Flächen der Elemente 12 und 14 gegenseitig in Richtung der Achse 16 versetzt und die einander gegenüberliegenden leitfähigen Oberflächen der Elemente 34 und 36 sind gegeneinander in Richtung der Achse 30 versetzt. Bei der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Elemente 12 und 14 aus Quarz, und die angrenzenden Elemente 42 und 44 bestehen ebenfalls aus Quarz, so dass diese Elemente sämtlich durch Schmelzen verbunden werden können, um eine monolithische Struktur zu bilden. Bei anderen Ausführungsformen können andere Materialien, wie z.B. Titansilikat, Keramikmaterialien oder andere dielektrische Materialien verwendet werden.

Der Wandler 10 umfasst ausserdem ein starres Stützelement 50, welches starr an dem Element 14 befestigt ist und ein starres Eingangskraft-Element 52, welches starr an dem Element 12 befestigt ist. Diese Elemente 50 und 52 können ebenfalls aus Quarz bestehen und mit den zugeordneten Blöcken 12 bzw. 14 durch Schmelzen verbunden sein. Das Stützelement 50 ist mit der oberen planaren Oberfläche eines Wandlerstützelementes 56 verbunden.

Beim Arbeiten mit dem Wandler 10 wird eine zu messende Kraft im wesentlichen parallel zur Achse 216 über die Schale 212, den Pfosten 214, das Gestänge 160, die Armatur 226 und die starren Kopplungselemente 227 und 229 auf das Eingangselement 52 ausgeübt. Diese Kraft wird auf dem rechten Teil (wie in Fig. 3 gezeigt) des Elementes 14 übertragen. Aufgrund der auf das Element 52 ausgeübten Kraft wird auf den linken Teil (wie in Fig. 3 gezeigt) des Elementes 12 an der oberen Oberfläche 220a des Stützelementes 220a eine gleiche und entgegengesetzte Kraft ausgeübt. In Abhängigkeit von dem auf den Wandler 10 ausgeübten Kräftepaar verformen sich das obere und das untere Trägerelement in einer solchen Weise, dass die leitfähigen Elemente 34 und 36 um eine Strecke auseinanderbewegt werden, die mit der Grösse des auf den Wandler ausgeübten Kräftepaares verknüpft ist, wobei sie (die leitfähigen Elemente) ihre parallele gegenseitige Lage beibehalten. Die Grösse der Kapazität des effektiven Kondensators, der durch die Elemente 34 und 36 gebildet wird, kann konventionell gemessen werden und liefert ein Mass für die Kraft, die auf das Element 52 ausgeübt wird.

Da der Wandler 10 gegenüber Momenten und Kräften in anderen Richtungen als längs einer zur Achse 216 parallelen Achse sehr widerstandsfähig ist, muss die ausgeübte Kraft vorher nicht genau parallel zur Achse 216 sein.

Da sich das obere und das untere Trägerelement verformen, ergibt sich in diesen Elementen eine Spannung. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der Übergang, der durch die Verbindungselemente 42 und 44 gebildet wird, an Biegekraft-Umkehrpunkten, d.h. dort, wo die Biegemomente Null sind, und zwar wegen der Symmetrie des Systems, bei dem die Schlitztiefen A und B gleich sind und bei dem die Blöcke 12 und 14 im wesentlichen ähnlich sind. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung, beispielsweise dort, wo sich die Schlitztiefen A und B unterscheiden und insbesondere dort, wo eine der Schlitztiefen A und B Null sein kann, tritt die Verbindung der Elemente nicht an diesen Momentennullpunkten auf. Die bevorzugte Ausführungsform hat jedoch diese Charakteristik, Unter diesen Bedingungen wird der Übergang, der durch die Verbindungselemente

42 und 44 gebildet wird, schwach belastet, und es kann folglich ein relativ geringwertiger und damit billiger Übergang verwendet werden.

Wo die Erfindung aus Quarz konstruiert wird, ist der Kraftwandler 10 beispielsweise durch eine sehr geringe Hysterese und ein sehr geringes Kriechen unter einer Belastung mit einem Präzisions-Index in der Grössenordnung von 10-5 bis 10~6 gekennzeichnet. Darüber hinaus ist die Anordnung durch eine relativ geringe, durch Wärme hervorgerufene Änderung der Kapazität gekennzeichnet.

Der Kraftwandler 10 spricht im allgemeinen nur auf die resultierende Kraft längs einer einzigen, zur Achse 216 parallelen Achse an und hält ein relativ hohes Rückweisungsverhältnis für Kräfte in anderen Ebenen aufrecht.

Die Elemente 12 und 14 des vorliegenden Ausführungsbeispieles können ohne weiteres aus einem rechteckigen länglichen Quarz-Block konstruiert sein, der so geschnitten ist, dass die komplementären Flächen gebildet werden. Die beiden Blöcke mit diesen komplementären Oberflächen haben lediglich ein Paar von Schlitzen, die eingeschnitten sind, um die oberen und unteren Trägerteile zu bilden. Diese Trägerteile sind beispielsweise durch Verschmelzen verbunden, um eine robuste monolithische Struktur zu bilden. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung können andere Materialien einschliesslich Metalle für die Elemente 12 und 14 verwendet werden, vorausgesetzt, dass mindestens eines der Elemente 34 und 36 gegenüber dem jeweils anderen isoliert ist.

Bei dieser Konstruktion bzw. Konfiguration des Wandlers 10 ist die Kapazität über den Leitungen 10a (die mit den leitfä-higen Elementen 34 und 36 verbunden sind) repräsentiv für den Abstand zwischen diesen Elementen 34 und 36, weil sich dieser Abstand wiederum in Abhängigkeit von der auf den Wandler ausgeübten Kraft ändert.

Der Positionssensor 244 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 gezeigt. Der Sensor 244 ist mit den Leitungen 10a vom Kraftwandler 10 gekoppelt. Die Kapazität, die mit diesen Anschlüssen verknüpft ist, tritt in Wechselwirkung mit dem Kreis des Sensors 244, um einen Oszillator zu bilden. Der Oszillator liefert ein Signal auf einer Leitung 244a, welches durch eine Frequenz gekennzeichnet ist, die mit der Kapazität zwischen den Leitungen 10a und mit der Induktivität der Induktivitätsspule 90 verknüpft ist und damit mit der auf die Schale 212 ausgeübten Kraft.

In der bevorzugten Ausführungsform ist die Induktivität 90 ein ausserordentlich präzises, stabiles induktives Schaltungselement der in der Zeichnung der US-Patentanmeldung Serial Nr. 265 090 (SET-119) gezeigten Form; diese Offenbarung wurde durch die Bezugnahme in die vorliegenden Unterlagen aufgenommen.

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform für die Induktivität 90 der Schaltung gemäss Fig. 4. Die Induktivität 90 besteht aus einem starren, zylindrischen, dielektrischen Trägerelement 91. Das Trägerelement ist eine geschmolzene Quarzstange mit kreisrundem Querschnitt und einem Durchmesser von 15,8 mm. Eine Windung erstreckt sich zwischen zwei Anschlüssen 92 und 93. Die Wicklung umfasst vierzig Windungen auf der Stange 91. Die einzelnen Windungen haben einen gleichmässigen Abstand von jeweils 0,3 mm voneinander.

Die Wicklung besteht aus einem zusammengesetzten Draht 94. Der Draht 94 ist beim Ausführungsbeispiel ein «Copper-ply»-Draht mit einem Durchmesser von 0,19 mm, wie er von der Firma National Standard Corporation, Niles, Michigan hergestellt wird. Dieser zusammengesetzte Draht hat einen gehärteten Stahlkern und auf diesem Kern einen Kupfermantel, wobei das Kupfer etwa 40% des Gewichts des Drahts ausmacht. Die Zugfestigkeit des Drahts liegt in der Grössenordnung von 140 kg/mm2.

Bei der Herstellung des Elementes 90 wird die Quarzstange

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

668 317

6

91 an einer Drehbank montiert und gedreht, wobei der Draht 94 unter einer Spannung in der Grössenordnung von 85% seiner Zugfestigkeit gehalten wird. Die Windungen werden dann unter Spannung gehalten, indem man die Enden der Wicklung an der Stange 91 mit Zement befestigt. Die Elemente 96 und 97, die in der Zeichnung gezeigt sind, stellen den Zement an den Enden der Wicklung dar. Beispielsweise kann der verwendete Zement ein Cyanacrylat-Kleber sein. Weiterhin könnte ein Epoxydharz-Kleber verwendet werden.

Bei dieser Ausbildung an den Enden 92 und 93 liefert das Element 90 eine charakteristische Induktivität der Grössenordnung von 10 |0.H mit einer Temperaturänderung von 2 ppm pro Gràd Fahrenheit. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere zusammengesetzte Drahtformen verwendet werden. Beispielsweise kann die Ummantelung aus Silber oder Gold auf einem Stahlkern oder aus einem anderen Kernmaterial mit hoher Zugfestigkeit bestehen. Ausserdem kann das Trägerelement 91 aus irgendeinem anderen Material als Quarz bestehen, wie z.B. aus einer Keramik Oder aus Titansilikat. In ähnlicher Weise kann auch mit anderen Geometrien des Trägerelementes gearbeitet werden, beispielsweise mit Stäben, die anstelle eines kreisringförmigen Querschnittes einen elliptischen Querschnitt haben. Das Stützelement kann massiv oder hohl sein.

Bei dieser Konfiguration bilden der Kraftwandler und der Positionssensor 244 einen Oszillator, der durch eine hohe Temperaturstabilität gekennzeichnet ist und der auf der Leitung 244a ein Ausgangssignal liefert, welches seine Frequenz in Abhängigkeit von der Kraft ändert, die auf den Kraftwandler 10 ausgeübt wird.

- Fig. 6 zeigt den Prozessor 250 des Systems 210 in Form eines Blockdiagramms. Der Prozessor 250 umfasst einen ersten (oder Gewichts-)Oszillator, der ein Signal auf einer Leitung 244a liefert, welches eine Frequenz hat, die repräsentativ für die erfasste Kraft ist, die von einem Gewicht auf die Schale 212 ausgeübt wird. Der Gewichtsoszillator umfasst den Kraftwandler 10 Und den Positionssensor 244, wie in der einbezogenen . Anmeldung beschrieben. Das Signal auf der Leitung 244a wird einem Zähler 260 zugeführt, der digitale Zählsignale Fw auf der Leitung 260a liefert (Fw), welche repräsentativ für die Frequenz des Signals auf der Leitung 244a sind.

Ein Temperatursensor 264 liefert ein oszillierendes Signal auf der Leitung 264a, in dem die Frequenz des Signals auf dieser Leitung repräsentativ für die Temperatur des Systems 210 ist. Das Signal auf der Leitung 264a wird einem Zähler 266 zugeführt, der digitale Zählsignale (FT) auf der Leitung 266a liefert, die repräsentativ für die Frequenz des Signals auf der Leitung 264a sind. Die Leitungen 260a und 266a sind zu einem Mikroprozessor 270 geführt.

Der Mikroprozessor 270 umfasst einen zugehörigen Schreib/Lese-Speicher (Speicher mit wahlfreiem Zugriff = RAM) 272 und einen Lesespeicher (ROM) 274 sowie ein Eingabe/Ausgabe-Tastenfeld 276. Der Mikroprozessor 270 liefert ferner ein Àusgangssignal auf der Leitung 250a, welches geeignet ist, eine konventionelle Anzeige anzusteuern. Ein Zeitgebernetzwerk 280 liefert die Zeitsteuersignale für die Blöcke in dem Prozessor 250.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann der Mikroprozessor ein Mostek-Typ 38P70/02 sein; der ROM 274 ist ein Hitachi-Typ HM 462532 und ein RAN 272 ist ein NCR-Typ 2055.

Im Betrieb sind die Signale auf der Leitung 244a und 264a durch Frequenzen gekennzeichnet, die repräsentativ für das Gewicht eines Gegenstandes auf einer Schale bzw. die Temperatur des Systems 210 sind. Die Zähler 260 und 266 werden durch das Zeitgebernetzwerk 280 gesteuert, damit sie als Fensterzähler arbeiten, welche digitale Zählerstände liefern, welche repräsentativ für die Frequenzen der Signale auf der Leitung 244a und 264a (Fw und Ft)" sind.

Im allgemeinen speichert der Speicher 272 Daten, die repräsentativ für eine Eichfunktion W(F,T) sind.

Die Eichfunktion W(F,T) ist definiert als m

W(F,T) = £ a;(T)Fw i=l wobei F eine Funktion des Gewichts eines Gegenstandes ist und wobei T repräsentativ für die Temperatur des Wiegesystems 210 ist. In dieser Definition,

n a;(T) = E KijT1-1

j = l wobei Ky Konstante sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, M = 4 und N = 3. Im allgemeinen können die Werte Fw und Ft benutzt werden, um die Eichfunktion auszuwerten, um einen Wert zu liefern, der repräsentativ für das Gewicht eines Objektes auf der Schäle 212 ist.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel kann auch in einem Eichbetrieb benutzt werden, um die Eichfunktiön zu erzeugen und im Speicher 272 Daten zu speichern, die repräsentativ für diese Funktion sind. Zur Durchführung dieses Eichverfahrens mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Folge von vier bekannten Gewichten bei jeweils drei Temperaturen auf die Schale 212 gelegt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann eine andere Zahl von Gewichten und Temperaturen verwendet werden.

Der Prozessor 250 erzeugt dann im Ergebnis einen Satz von vier gleichzeitigen Gleichungen, basierend auf W(F,T), wobei diese Funktion jedem der Gewichte gleichgesetzt wird und wobei der ermittelte Wert für Fw für jedes Gewicht für F «eingestöpselt» wird. Der Prozessor 250 löst diese vier gleichzeitigen Gleichungen, um Signale zu liefern, die repräsentativ für ai, gemessen bei den Temperaturen Ti, T2 und T3;

für a2 gemessen bei den Temperaturen Ti, T2 und T3;

für a3 gemessen bei den Temperaturen Ti, T2 und T3 und für a4 gemessen bei den Temperaturen Ti, T2 und T3 sind. Der Prozessor 250 verwendet dann diese resultierenden Werte für ai, um die Funktion ai(T) für Ky zu lösen. Im allgemeinen werden die drei Werte für ai (d.h. bei den Temperaturen Ti, T2 und T3) den drei Werten von ai (d.h. bei den drei anderen Temperaturen Ti, T2 und T3) gleichgesetzt, und die Auflösung erfolgt für die Werte Kn, K12 und K13.

In ähnlicher Weise werden die Werte von a2 bei den drei Temperaturen verwendet, um K21, K22 und K23 zu bestimmen, und die Werte von a3 werden verwendet, um K31, K32 und K33 zu bestimmen, während die Werte von a4 verwendet werden, um K41, K42, K43 zu bestimmen.

Im Anschluss an die Bestimmung dieser Werte für Ky ist die Eichfunktion W(F,T) vollständig spezifiziert. Die Daten, die für diese Werte repräsentativ sind, werden um RAM 272 gespeichert.

In einem allgemeinen Eichbetrieb bestimmt der Prozessor 250 eine «Eichoberfläche» für das Wiegesystem 210, wobei ein Gewichtswert (W) eine Funktion der Frequenz des Oszillators des Sensors 244 (F) für aufgelegte Gewichte und die Temperatur des Systems 210 (T) ist. Dieser funktionsmässige Zusammenhang W(F,T), der die Eichoberfläche für das System 210 beschreibt, wird als die Eichfunktion bezeichnet. Eine Folge von Bezugsgewichten wird bei jeder von einer Anzahl von Temperaturen auf die Waagschale 212 gelegt. In Abhängigkeit von dem Auflegen der Gewichte auf die Waagschale 212 wird die Kraft, die von dem Gewicht auf die Schale ausgeübt wird, zu dem Kraftwandler 10 übertragen, wobei die Gestänge 160 und 110 die Wirkung von Momenten, die bezüglich der Achse 216

-5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

668 317

erzeugt werden (wie sich das bei einer äussermittigen Belastung mit dem Gewicht ergeben könnte) auf ein Minimum reduziert werden. Die auf den Wandler 10 ausgeübten Kräfte bewirken Relativbewegungen der leitfähigen Oberflächen dieses Wandlers, die zu Kapazitätsänderungen führen. Diese Kapazitätsänderungen bewirken entsprechende Änderungen in der Ausgangsfrequenz des Oszillators auf der Leitung 244a. Der Prozessor benutzt dann diese Werte in der vorstehend beschriebenen Weise, um W(F,T) vollständig zu definieren und speichert dann die für diese Funktion repräsentativen Daten im RAM 272.

Im Gewichtsmessbetrieb bzw. im Wägebetrieb verwendet der Prozessor 250 in Abhängigkeit vom Auflegen eines zu messenden Gewichts auf die Schale 212 diese Signale (auf der Leitung 244a) in Verbindung mit dem,Signal von dem Temperaturoszillator 264 (auf der Leitung 264a), um den Wert der Eichfunktion W(F,T) bei den betreffenden Werten für F und T zu identifizieren. Dieser Wert von W(F,T) wird in ein Signal umgewandelt, welches bei der gegenwärtigen Temperatur des Sy-5 stems repräsentativ für das Gewicht auf der Schale 212 ist.

Die Erfindung kann in anderen speziellen Ausführungsformen realisiert werden, ohne vom Grundgedanken oder wesentlichen Charakteristiken desselben abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsbeispiele sind daher in jeder Beziehung als er-lo läuternd und nicht als einschränkend zu betrachten; der Schutzumfang der Erfindung wird eher durch die anliegenden Ansprüche als durch die vorstehende Beschreibung angezeigt, und alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Bereich der Äquivalenz der Ansprüche kommen, sollen daher hiermit umfasst wer-15 den.

3 Blätter Zeichnungen

Claims (6)

1. 668 317

   2

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Wiegeeinrichtung mit einem Kraft-Eingangselement (212) zum Abstützen eines zu wiegenden Gegenstandes, gekennzeichnet durch

   — ein starres Armaturelement (226),

   — ein erstes Gestänge (110) mit Mitteln zum Koppeln des Armaturelementes und eines Bezugselenientes (220), wodurch das Armaturelement (226) auf eine Bewegung im wesentlichen parallel zu einer Bezugsachse (216) beschränkt ist, wobei die Bezugsachse bezüglich des Bezugselementes (22Ó) fixiert ist,

   — ein zweites Gestänge (160) mit Mitteln zum federnden Koppeln des Kraft-Eingangselementes (212) und des Armaturelementes (226),

   — einen Dämpfer (218), der zwischen das Kraft-Eingangs-element 212) und das Bezugselement (220) gekoppelt ist und Dämpfungseinrichtungen umfasst, um die Relativbewegung des Kraft-Eingangselementes (212) bezüglich dem Bezugselement (220) zu dämpfen,

   — einen Kraftwandler (10), der zwischen das Armaturelement und das Bezugselement gekoppelt ist, wobei der Kraft-wandler (10) ein Paar von komplementären, einander gegenüberliegenden Oberflächen aufweist, die einen gegenseitigen Abstand voneinander haben, der mit der am Wandler liegenden Kraft verknüpft ist, und

   — einen Positionssensor (244) zum Erzeugen eines Signals; welches für den Abstand zwischen den komplementären, einander gegenüberliegenden Oberflächen des Kraftwandlers (10) repräsentativ ist.
2. 2. Wiegeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gestänge (160) Einrichtungen umfasst, um das Kraft-Eingangselement (212) auf eine Bewegung im wesentlichen längs einer parallel zur Bezugsachse (216)"liegenden Wiegeachse zu beschränken und bei dem der Dämpfer (218) ein Fluiddämpfer ist und ein Paar von einander gegenüberliegenden Elementen mit zueinander komplementären, einander gegenüberliegenden Oberflächen umfasst, wobei das eine Element dieses Elementpaares mit dem Bezugselement (220), und das andere Element des Paares mit dem Kraft-Eingangselement gekoppelt ist und für eine Relativbewegung längs der Wiegeachse geeignet ist, wobei die einander gegenüberliegenden Oberflächen eine Anzahl von alternierend aufeinanderfolgenden Rippen und Rinnen aufweisen und der Fluidstrom zwischen den Rippen und Rinnen aufgrund der genannten Relativbewegung die Dämpfung bewirkt.
3. 3. Wiegeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen im wesentlichen parallel sind.
4. 4. Wiegeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen kreisringförmig und konzentrisch sind.
5. 5. Wiegeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gestänge (110) einstellbare Mittel zum Steuern des Bereichs der Bewegung des Armaturelementes (226) im wesentlichen längs der Bezugsachse (216) umfasst.
6. 6. Wiegeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftwandler (10) leitfähige Elemente auf einander gegenüberliegenden Teilen der einander gegenüberliegenden Oberflächen aufweist, dass der Positionssensor (244) einen elektrischen Schaltkreis umfasst, der mit den leitfähigen Elementengekoppelt ist, wodurch diese und der Schaltkreis einen Oszillator bilden, der eine charakteristische Frequenz hat, die mit dem Abstand der komplementären, einander gegenüberliegenden Oberflächen verknüpft ist.