DE10153603A1 - Difference measurement circuit for a control device and scales with electromagnetic force compensation having such a control device, whereby the output of the difference measurement circuit is largely temperature independent - Google Patents
Difference measurement circuit for a control device and scales with electromagnetic force compensation having such a control device, whereby the output of the difference measurement circuit is largely temperature independentInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Differenzmessschaltung für eine Regeleinrichtung, eine Regeleinrichtung für eine Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation sowie eine Waage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, 8 bzw. 12. The invention relates to a differential measurement circuit for a Control device, a control device for a balance with electromagnetic force compensation and a scale after the preamble of claim 1, 8 or 12.
Waagen mit elektromagnetischer Kraftkompensation, welche Regeleinrichtungen mit einer Differenzmessschaltung aufweisen, sind beispielsweise aus [1], U.S. Patentdokument Nr. 4,489,800 oder [2], der dazu korrespondierenden CH-Patentschrift Nr. 658 516 bekannt. Scales with electromagnetic force compensation, which Have control devices with a differential measurement circuit, are for example from [1], U.S. Patent Document No. 4,489,800 or [2], the corresponding Swiss Patent No. 658 516 known.
Die darin beschriebenen Waagen weisen, wie in Fig. 1 gezeigt, ein topfförmiges Permanentmagnetsystem 109 mit einem Luftspalt auf, in dem eine mit einem beweglichen Hebel 106 verbundene Spule 110 angeordnet ist, die von einem Kompensationsstrom Icmp durchflossen wird, dessen Mass von der auf den Hebel 106 einwirkenden Kraft abhängt. Die Lage des Hebels 106 wird von einer opto-elektrischen Messvorrichtung 111 gemessen, die mit einer Regeleinrichtung 10 verbunden ist, welche den Kompensationsstrom Icmp in Abhängigkeit der zugeführten Messsignale derart regelt, dass der Hebel 106 stets in gleicher Lage gehalten oder nach einer Laständerung zurückgeführt wird. As shown in FIG. 1, the scales described therein have a cup-shaped permanent magnet system 109 with an air gap, in which a coil 110 is connected, which is connected to a movable lever 106 and through which a compensation current I cmp flows, the size of which is based on that the force acting on the lever 106 depends. The position of the lever 106 is measured by an opto-electrical measuring device 111 , which is connected to a control device 10 , which regulates the compensation current I cmp as a function of the measurement signals supplied in such a way that the lever 106 is always held in the same position or returned after a change in load becomes.
Das Permanentmagnetsystem 109 ist in einer Konsole 104 angeordnet, die mittels Biegelagern 103a über Parallelführungslenker 103 mit einem Gehänge 101 verbunden ist, das einen zur Aufnahme einer zu messenden Last dienenden Ausleger 101a aufweist. Die Normalkomponente der von einer Last bewirkten Kraft wird vom Gehänge 101 durch eine Koppel 105 auf den Hebel 106 übertragen, der mittels eines Biegelagers 107 an einem Teil 104b der Konsole 104 aufgehängt ist. The permanent magnet system 109 is disposed in a bracket 104 which is connected by means of flexure pivots 103 a on parallel guide rod 103 having a hanger 101, which has a for receiving a load to be measured serving boom 101 a. The normal component of the force caused by a load is transmitted from the hanger 101 through a coupling 105 to the lever 106 , which is suspended from a part 104 b of the bracket 104 by means of a flexible bearing 107 .
In einer Bohrung 109a im Permanentmagnetsystem 109 ist ein Temperaturfühler 6a angeordnet, der mit einer Korrekturschaltung 6 verbunden ist, welche der Regeleinrichtung 10 ein von der Temperatur des Permanentmagnetsystems 109 abhängiges Korrektursignal zuführt. A temperature sensor 6 a is arranged in a bore 109 a in the permanent magnet system 109 and is connected to a correction circuit 6 , which supplies the control device 10 with a correction signal that is dependent on the temperature of the permanent magnet system 109 .
Zur Messung der Position des Hebels 106 weist die optoelektrische Messvorrichtung 111 zwei Fotodioden D1, D2 auf, die auf der Innenseite eines von der Konsole 104 gehaltenen Winkelteils 104a einer Leuchtdiode D3 gegenüber angeordnet sind. In den Raum zwischen den Fotodioden D1, D2 und der Leuchtdiode D3 ragt ein als Blende oder Schlitzblende ausgebildetes Endstück 106b des Hebels 106 derart hinein, dass von der Leuchtdiode D3 abgegebene Strahlung abhängig von der Position der Blende 106b zu den Fotodioden D1, D2 gelangen kann. Je nach Lage des Hebels 106 gelangt dabei mehr Strahlung zur ersten oder zur zweiten Fotodiode D1; D2, welche der Regeleinrichtung entsprechende Fotoströme I1 und I2 zuführen. To measure the position of the lever 106, the opto-electrical measuring device 111 on two photodiodes D1, D2, which are arranged on the inside of the console 104 held by the angle portion 104 a of a light-emitting diode D3 over. In the space between the photodiodes D1, D2 and the light-emitting diode D3, an end piece 106b of the lever 106 designed as a diaphragm or slot diaphragm protrudes such that radiation emitted by the light-emitting diode D3 depends on the position of the diaphragm 106b relative to the photodiodes D1, D2 can reach. Depending on the position of the lever 106 , more radiation reaches the first or the second photodiode D1; D2, which supply the control device with corresponding photo currents I 1 and I 2 .
Die Regeleinrichtung 10 weist eine Differenzmessschaltung 1 auf, die anhand der beiden Ströme I1 und I2 ein Differenzsignal, beispielsweise eine Differenzspannung uΔ bildet, welche gleich Null wird, wenn die Fotoströme I1 und I2 gleich gross sind. Die Differenzspannung uΔ wird einer nachgeschalteten Treiberschaltung 2 zugeführt, die einen entsprechenden Kompensationsstrom Icmp über einen Referenzwiderstand 3 an die Spule 110 abgibt, wodurch eine zur Last korrespondierende Gegenkraft erzeugt wird, welche den Hebel 106 in die Ausgangslage zurück führt. The control device 10 comprises a difference measuring circuit 1 on the basis of the two currents I 1 and I 2, a differential signal, for example, forms a differential voltage u Δ, which is equal to zero when the photocurrents I 1 and I 2 are equal. The differential voltage u Δ is fed to a downstream driver circuit 2 , which outputs a corresponding compensation current I cmp via a reference resistor 3 to the coil 110 , as a result of which a counterforce corresponding to the load is generated, which leads the lever 106 back to the starting position.
Die am Referenzwiderstand 3 durch den Kompensationsstrom Icmp verursachte Spannung wird von einem Wandlermodul 4 erfasst und in einen entsprechenden digitalen Wert gewandelt, der auf einer Anzeigeeinheit 5 angezeigt wird. The voltage at the reference resistor 3 caused by the compensation current I cmp is detected by a converter module 4 and converted into a corresponding digital value, which is displayed on a display unit 5 .
Differenzmessschaltungen, die zur Bildung eines Differenzsignals aus zwei Signalen geeignet sind, die von zwei Fotodioden abgegeben werden, sind beispielsweise aus [3], U.S. Patentdokument Nr. 3,727,708 sowie [4], der Offenlegungsschrift DE-AS 23 11 676 bekannt. Differential measuring circuits that form a Difference signal from two signals are suitable, that of two Photodiodes are emitted, for example from [3], U.S. Patent Document No. 3,727,708 and [4], the Publication DE-AS 23 11 676 known.
In [4] ist ein berührungslos arbeitender Weg-Spannungswandler mit einer aus zwei Einzeldioden bestehenden Differential- Fotodiode beschrieben, der durch den Schlitz einer entlang einem Weg beweglichen Blende, beispielsweise durch den im Endstück 106b des Hebels 106 vorgesehenen Schlitz 106a, optische Strahlung zuführbar ist. Sofern der Schlitz grösser ist als der Abstand zwischen den Einzeldioden, deren Kathoden an Masse gelegt sind, so werden Signale abgegeben, deren Differenz bei konstanter Beleuchtungsstärke proportional zur Auslenkung der Blende bzw. des Hebels 106 ist. In [4] a non-contact path-voltage converter is described with a differential photodiode consisting of two individual diodes, the optical radiation through the slit of an aperture movable along a path, for example through the slit 106 a provided in the end piece 106 b of the lever 106 is feedable. If the slot is larger than the distance between the individual diodes, the cathodes of which are connected to ground, signals are emitted whose difference at constant illuminance is proportional to the deflection of the diaphragm or lever 106 .
Wie nachstehend in Fig. 2 gezeigt, werden in dieser bekannten Schaltungsanordnung die von den Fotodioden D1 und D2 abgegebenen Fotoströme I1, I2 je einem Operationsverstärker OA1 bzw. OA2 zugeführt. Aufgrund der nahezu unendlich hohen Eingangsimpedanz der Operationsverstärker OA1, OA2 fliessen in deren Rückführungswiderständen R1, R2 Ströme, die den Fotoströmen I1, I2 entsprechen. Die zu den Strömen proportionalen Ausgangsspannungen der beiden Operationsverstärker OA1, OA2 werden über Widerstände R3, R4 an die Eingänge eines dritten Operationsverstärkers OA3 angelegt, der als Differenzverstärker arbeitet und an dessen Ausgang daher ein Differenzsignal uΔ anliegt, das proportional zur Differenz der Ausgangsspannungen der ersten beiden Operationsverstärker OA1, OA2 ist. Mittels dieses Differenzsignals uΔ wird in der oben beschriebenen Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation in einer Treiberschaltung 2 der Kompensationsstrom Icmp erzeugt, der der mit dem Hebel 106 verbundenen Spule 110 zugeführt wird. As shown in FIG. 2 below, in this known circuit arrangement the photocurrents I 1 , I 2 emitted by the photodiodes D1 and D2 are each supplied to an operational amplifier OA1 and OA2. Because of the almost infinitely high input impedance of the operational amplifiers OA1, OA2, currents corresponding to the photo currents I 1 , I 2 flow in their feedback resistors R1, R2. The output voltages of the two operational amplifiers OA1, OA2, which are proportional to the currents, are applied via resistors R3, R4 to the inputs of a third operational amplifier OA3, which operates as a differential amplifier and therefore has a differential signal u Δ at its output, which is proportional to the difference in the output voltages of the first two operational amplifiers OA1, OA2. By means of this difference signal u Δ , the compensation current I cmp , which is fed to the coil 110 connected to the lever 106 , is generated in a driver circuit 2 in the balance with electromagnetic force compensation described above.
Die Ausgänge der ersten beiden Operationsverstärker OA1, OA2 sind in der in [4], Fig. 2 gezeigten Schaltungsanordnung über weitere Widerstände mit dem Eingang eines weiteren Operationsverstärkers verbunden, mittels dessen der resultierende Summenstrom mit einem Referenzstrom verglichen wird. Durch entsprechende Steuerung einer im Ausgangskreis des weiteren Operationsverstärkers angeordneten Lichtquelle, beispielsweise der Diode D3, wird die Differenz des Summenstroms und des Referenzstroms auf Null geregelt, wodurch die Summe der Fotoströme I1 und I2 weitgehend konstant gehalten wird. In the circuit arrangement shown in [4], FIG. 2, the outputs of the first two operational amplifiers OA1, OA2 are connected via further resistors to the input of a further operational amplifier, by means of which the resulting total current is compared with a reference current. The difference between the total current and the reference current is regulated to zero by appropriate control of a light source, for example the diode D3, arranged in the output circuit of the further operational amplifier, as a result of which the sum of the photo currents I 1 and I 2 is kept largely constant.
Zur Bildung des Differenzsignals werden in den in [3] oder [4] beschriebenen Differenzmessschaltungen mehrere Widerstände und Operationsverstärker benötigt, deren Temperatur- und Betriebsverhalten das resultierende Differenzsignal uΔ ungünstig beeinflussen können, wodurch in einer Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation Messfehler verursacht werden. Die Operationsverstärker weisen meist störende Offsetspannungen auf, welche wie die Widerstände in Abhängigkeit der normalerweise nicht stabilen Umgebungstemperatur störende Abweichungen erfahren können. To form the differential signal, several resistors and operational amplifiers are required in the differential measuring circuits described in [3] or [4], the temperature and operating behavior of which can adversely affect the resulting differential signal u Δ , which causes measurement errors in a balance with electromagnetic force compensation. The operational amplifiers mostly have disturbing offset voltages which, like the resistors, can experience disturbing deviations depending on the normally unstable ambient temperature.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Differenzmessschaltung sowie eine Regeleinrichtung und eine Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation zu schaffen, welche mit der verbesserten Differenzmessschaltung ausgerüstet sind. The present invention is therefore based on the object an improved differential measurement circuit and a Control device and a balance with electromagnetic To create force compensation, which with the improved Differential measuring circuit are equipped.
Insbesondere soll eine Differenzmessschaltung geschaffen werden, deren Ausgangssignale weitgehend unabhängig von Schwankungen der Umgebungstemperatur sind. In particular, a differential measurement circuit is to be created be, whose output signals largely independent of Fluctuations in the ambient temperature.
Ferner soll eine Differenzmessschaltung geschaffen werden, die mit weniger aktiven und passiven Bauteilen einfacher aufgebaut werden kann. Furthermore, a differential measurement circuit is to be created, which constructed more easily with less active and passive components can be.
Diese Aufgaben werden mit einer Differenzmessschaltung, einer Regeleinrichtung und einer Waage gelöst, welche die in Anspruch 1, 8 bzw. 12 angegebenen Merkmale aufweisen. These tasks are done with a differential measurement circuit, a Control device and a scale solved, which the in Claim 1, 8 and 12 have specified features.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben. Advantageous embodiments of the invention are in others Claims specified.
Die erfindungsgemässe Differenzmessschaltung, der von zwei Fotodioden abgegebene Fotoströme zuführbar sind, ist geeignet, ein zur Differenz der Fotoströme I1, I2 proportionales Signal zu erzeugen, das wesentlich unabhängiger von Schwankungen der Umgebungstemperatur ist als die oben beschriebenen bekannten Schaltungen. The differential measurement circuit according to the invention, to which photo currents emitted by two photodiodes can be fed, is suitable for generating a signal which is proportional to the difference between the photo currents I 1 , I 2 and which is considerably more independent of fluctuations in the ambient temperature than the known circuits described above.
Erfindungsgemäss ist ein Schalter derart mit den beiden Fotodioden und einem Knotenpunkt KΔ verbunden und von einer Steuereinheit zwischen zwei Zuständen zt1, zt2 periodisch umschaltbar, dass während eines ersten Periodenanteils t1 im ersten Schaltzustand zt1 der erste Fotostrom I1 und während eines zweiten, gleich grossen Periodenanteils t2 im zweiten Schaltzustand zt2 der zweite Fotostrom I2 dem Knotenpunkt KΔ zuführbar ist, an dem eine entsprechende Ladungsdifferenz resultiert, die als Regelgrösse eines Regelkreises verwendbar ist. According to the invention, a switch is connected to the two photodiodes and a node K Δ and can be periodically switched between two states z t1 , z t2 by a control unit such that the first photocurrent I 1 during a first period component t1 in the first switching state z t1 and during a second , period portion t2 of the same size in the second switching state z t2, the second photocurrent I 2 can be fed to the node K Δ , at which a corresponding charge difference results, which can be used as a control variable of a control loop.
In einer Waage kann daher eine als Lichtquelle dienende Leuchtdiode vorgesehen werden, deren Strahlung den beiden Fotodioden einer erfindungsgemässen Differenzmessschaltung durch eine verschiebbare Blende zuführbar ist, deren Position mittels einer Regeleinrichtung konstant gehalten wird. A scale that serves as a light source can therefore be used in a scale Light-emitting diode are provided, the radiation of which the two Photodiodes of a differential measurement circuit according to the invention can be fed through a displaceable screen, its position is kept constant by means of a control device.
Eine mit einer erfindungsgemässen Differenzmessschaltung versehene Regeleinrichtung regelt die Position der Blende in Abhängigkeit der Ladungsdifferenz derart, dass von den beiden Fotodioden Fotoströme I1, I2 gleicher Grösse abgegeben werden. A control device provided with a differential measurement circuit according to the invention controls the position of the diaphragm as a function of the charge difference in such a way that photo currents I 1 , I 2 of the same size are emitted by the two photodiodes.
Beispielsweise wird in der Differenzmessschaltung eine zur Ladungsdifferenz proportionale Differenzspannung uΔ erzeugt, die an eine Treiberschaltung abgegeben wird, welche einen zur Differenzspannung uΔ proportionalen Kompensationsstrom Icmpeiner mechanisch mit der Blende verbundenen und in einem Magnetfeld verschiebbar gelagerten Spule zuführt. For example, a differential voltage u Δ which is proportional to the charge difference is generated in the differential measuring circuit and is output to a driver circuit which supplies a compensation current I cmp proportional to the differential voltage u Δ to a coil mechanically connected to the diaphragm and displaceably mounted in a magnetic field.
Die Regeleinrichtung kann daher vorteilhaft in hochpräzisen und stabilen Waagen mit elektromagnetischer Kraftkompensation eingesetzt werden, in der eine zu messende Last mit einer Kraft auf einen Hebel einwirkt, die durch eine Gegenkraft kompensiert wird, welche mittels des in der Spule fliessenden Kompensationsstroms Icmp erzeugt wird. The control device can therefore advantageously be used in high-precision and stable scales with electromagnetic force compensation, in which a load to be measured acts on a lever with a force which is compensated by a counterforce which is generated by means of the compensation current I cmp flowing in the coil.
In einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Differenzmessschaltung ist der Knotenpunkt KΔ mit dem invertierende Eingang eines Operationsverstärkers verbunden, an dessen Ausgang eine Differenzspannung uΔ gebildet wird, die proportional zur Ladungsdifferenz ist, die am invertierenden Eingang auftritt. In a preferred embodiment of the differential measurement circuit, the node K Δ is connected to the inverting input of an operational amplifier, at the output of which a differential voltage u Δ is formed, which is proportional to the charge difference that occurs at the inverting input.
Die erfindungsgemässe Differenzmessschaltung, die einfach aufgebaut ist, weist nur wenige Bauelemente auf, die zudem weitgehend unabhängig von der Umgebungstemperatur arbeiten oder lediglich Änderungen verursachen, die praktisch keine Auswirkungen auf das von der Differenzmessschaltung gebildete Differenzsignal haben. Sofern sich beispielsweise die Frequenz des von der Steuereinheit dem Schalter zugeführten Steuersignals entsprechend dem Verlauf der Umgebungstemperatur langsam ändert, bleibt dies auf die Differenz der beiden Fotoströme ohne Einfluss, da sich die entsprechenden Periodenanteile in gleicher Weise ändern. The differential measurement circuit according to the invention is simple is constructed, has only a few components, which also work largely independently of the ambient temperature or just cause changes that are practically none Effects on that formed by the differential measurement circuit Have differential signal. Provided, for example, the frequency of the switch supplied by the control unit Control signal according to the course of the ambient temperature slowly changes, this remains due to the difference between the two Photo streams have no influence since the corresponding ones Change period parts in the same way.
In einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung ist die Anode der ersten Fotodiode mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und die Anode der zweiten Fotodiode mit Masse verbunden. Die miteinander verbundenen Kathoden der Fotodioden sind mittels des Schalters im zweiten Schaltzustand an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und im ersten Schaltzustand an Masse oder an den invertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers angeschlossen, der virtuell an Masse anliegt. In a preferred embodiment of the invention Anode of the first photodiode with the inverting input of the Operational amplifier and the anode of the second photodiode Ground connected. The interconnected cathodes of the Photodiodes are in the second switching state by means of the switch to the inverting input of the operational amplifier and in first switching state to ground or to the inverting Input of another operational amplifier connected, which is virtually grounded.
Dem invertierenden Eingang des weiteren, als Integrator beschalteten Operationsverstärkers wird vorzugsweise ein Referenzstrom I0 zugeführt, so dass in Abhängigkeit der Differenz der während des ersten Periodenanteils fliessenden Fotoströme I1, I2 und des während des ersten und des zweiten Periodenanteils fliessenden Referenzstromes I0 am Ausgang des weiteren Operationsverstärkers eine Summenspannung uΣ gebildet wird, die somit abhängig von der Grösse des Referenzstroms I0 und der Fotoströme I1, I2 ist. Durch Regelung der Betriebsspannung der Leuchtdiode in Abhängigkeit der Summenspannung uΣ können die Fotoströme I1, I2 daher in einfacher Weise konstant gehalten werden. A reference current I 0 is preferably fed to the inverting input of the further operational amplifier connected as an integrator, so that, depending on the difference between the photo currents I 1 , I 2 flowing during the first period portion and the reference current I 0 am flowing during the first and the second period portion Output of the further operational amplifier, a sum voltage u Σ is formed, which is thus dependent on the size of the reference current I 0 and the photo currents I 1 , I 2 . By regulating the operating voltage of the light-emitting diode as a function of the sum voltage u Σ , the photo currents I 1 , I 2 can therefore be kept constant in a simple manner.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt. The invention will be explained in more detail below with the aid of drawings explained. It shows.
Fig. 1 eine Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation, die eine mit einer Differenzmessschaltung versehene Regeleinrichtung aufweist, Fig. 1 a balance with electromagnetic force compensation, comprising a measuring circuit provided with a differential control device,
Fig. 2 eine bekannte Differenzmessschaltung, 2 shows a known differential measurement circuit ,
Fig. 3 eine erfindungsgemässe Differenzmessschaltung mit einem Schalter in einem ersten Schaltzustand, Fig. 3 shows an inventive differential measuring circuit with a switch in a first switching state,
Fig. 4 die erfindungsgemässe Differenzmessschaltung mit einem Schalter in einem zweiten Schaltzustand. Fig. 4 shows the differential measuring circuit according to the invention with a switch in a second switching state.
Fig. 1 zeigt eine Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation, die eine mit einer Differenzmessschaltung 1 versehene Regeleinrichtung 10 aufweist. Fig. 1 shows a balance with electromagnetic force compensation, comprising a differential provided with a measuring circuit 1 controller 10.
Der prinzipielle Aufbau der Waage von Fig. 1 ist aus [1] und [2] bekannt. Die darin beschriebenen Waagen weisen, wie in Fig. 1 gezeigt und einleitend beschrieben, ein topfförmiges Permanentmagnetsystem 109 mit einem Luftspalt auf, in dem eine mit einem beweglichen Hebel 106 verbundene Spule 110 angeordnet ist, die von einem Kompensationsstrom Icmp durchflossen wird, dessen Mass von der auf den Hebel 106 einwirkenden Kraft abhängt. Die Lage des Hebels 106 wird von einer optoelektrischen Messvorrichtung 111 gemessen, die mit einer Regeleinrichtung 10 verbunden ist, welche den Kompensationsstrom Icmp in Abhängigkeit der zugeführten Messsignale derart regelt, dass der Hebel 106 stets in gleicher Lage gehalten oder nach einer Laständerung zurückgeführt wird. The basic structure of the scale of Fig. 1 is known from [1] and [2]. The scales described therein, as shown in FIG. 1 and described in the introduction, have a cup-shaped permanent magnet system 109 with an air gap, in which a coil 110 is connected, which is connected to a movable lever 106 and through which a compensation current I cmp , the measure of which depends on the force acting on the lever 106 . The position of the lever 106 is measured by an optoelectric measuring device 111 , which is connected to a control device 10 , which regulates the compensation current I cmp as a function of the supplied measurement signals in such a way that the lever 106 is always held in the same position or is returned after a load change.
Das Permanentmagnetsystem 109 ist in einer Konsole 104 angeordnet, die mittels Biegelagern 103a über Parallelführungslenker 103 mit einem Gehänge 101 verbunden ist, das einen zur Aufnahme einer zu messenden Last dienenden Ausleger 101a aufweist. Die Normalkomponente der von einer Last bewirkten Kraft wird vom Gehänge 101 durch eine Koppel 105 auf ein Endstück 106c des Hebels 106 übertragen, der mittels eines Biegelagers 107 an einem Teil 104b der Konsole 104 aufgehängt ist. The permanent magnet system 109 is disposed in a bracket 104 which is connected by means of flexure pivots 103 a on parallel guide rod 103 having a hanger 101, which has a for receiving a load to be measured serving boom 101 a. The normal component of the force caused by a load is transmitted from the hanger 101 through a coupling 105 to an end piece 106 c of the lever 106 which is suspended from a part 104 b of the bracket 104 by means of a flexible bearing 107 .
Zur Messung der Position des Hebels 106 weist die optoelektrische Messvorrichtung 111 zwei Fotodioden D1, D2 auf, die auf der Innenseite eines von der Konsole 104 gehaltenen Winkelteils 104a einer Leuchtdiode D3 gegenüber angeordnet sind. In den Raum zwischen den Fotodioden D1, D2 und der Leuchtdiode D3 ragt ein als Blende dienendes, mit einem Schlitz 106a versehenes Endstück 106b des Hebels 106 derart hinein, dass von der Leuchtdiode D3 abgegebene Strahlung nur durch den Schlitz 106a hindurch zu den Fotodioden D1, D2 gelangen kann. Je nach Lage des Hebels 106 gelangt dabei mehr Strahlung zur ersten oder zur zweiten Fotodiode D1; D2, welche der Regeleinrichtung 10 entsprechende Ströme I1 und I2 zuführen. To measure the position of the lever 106, the opto-electrical measuring device 111 on two photodiodes D1, D2, which are arranged on the inside of the console 104 held by the angle portion 104 a of a light-emitting diode D3 over. In the space between the photodiodes D1, D2 and the light-emitting diode D3, an end piece 106b of the lever 106 serving as a diaphragm and provided with a slot 106a protrudes in such a way that radiation emitted by the light-emitting diode D3 only through the slot 106a to the Can reach photodiodes D1, D2. Depending on the position of the lever 106 , more radiation reaches the first or the second photodiode D1; D2, which feed the currents I 1 and I 2 corresponding to the control device 10 .
Die Regeleinrichtung 10 weist eine Differenzmessschaltung 1 auf, die anhand der beiden Ströme I1 und I2 ein Differenzsignal bzw. eine Differenzspannung uΔ bildet, welche gleich Null wird, wenn die Fotoströme I1 und I2 gleich sind. Die Differenzspannung uΔ wird einer nachgeschalteten Treiberschaltung 2 zugeführt, die einen entsprechenden Kompensationsstrom Icmp über einen Referenzwiderstand 3 an die Spule 110 abgibt, wodurch eine zur Last korrespondierende Gegenkraft erzeugt wird, welche den Hebel 106 in die Ausgangslage zurück führt. Die am Referenzwiderstand 3 durch den Kompensationsstrom Icmp verursachte Spannung wird von einem Wandlermodul 4 erfasst und in einen entsprechenden digitalen Wert gewandelt, der auf einer Anzeigeeinheit 5 angezeigt wird. The control device 10 includes a differential measuring circuit 1, which is I 1 and I 2, a differential signal or a difference voltage u Δ based on the two currents is equal to zero when the photocurrents I 1 and I 2 are equal. The differential voltage u Δ is fed to a downstream driver circuit 2 , which outputs a corresponding compensation current I cmp via a reference resistor 3 to the coil 110 , as a result of which a counterforce corresponding to the load is generated, which leads the lever 106 back to the starting position. The voltage at the reference resistor 3 caused by the compensation current I cmp is detected by a converter module 4 and converted into a corresponding digital value, which is displayed on a display unit 5 .
Die in Fig. 2 gezeigte Differenzmessschaltung, die beispielsweise aus [3] und [4] bekannt ist, wurde einleitend beschrieben. The differential measurement circuit shown in FIG. 2, which is known for example from [3] and [4], has been described in the introduction.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine erfindungsgemässe Differenzmessschaltung 1, die mit zwei Fotodioden D1, D2 verbunden ist, deren Kathoden miteinander verbunden und an einen Schaltkontakt eines Schalters SW angeschlossen sind, welcher die Kathoden in einem ersten, in Fig. 3 gezeigten Schaltzustand zt1 mit Massepotential und in einem zweiten, in Fig. 4 gezeigten Schaltzustand zt2 an den invertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers OAΔ anlegt, der ferner mit der Anode der ersten Diode D1 verbunden ist. Die Anode der zweiten Diode D2 ist mit Masse verbunden. Fig. 3 and Fig. 4 show an inventive differential measuring circuit 1, which is connected to two photodiodes D1, D2 whose cathodes are connected together and connected to a switching contact of a switch SW, which is the cathode switching state shown in a first, in Fig. 3 z t1 with ground potential and in a second switching state z t2 shown in FIG. 4 is applied to the inverting input of a first operational amplifier OA Δ , which is also connected to the anode of the first diode D1. The anode of the second diode D2 is connected to ground.
Während des ersten Schaltzustandes zt1 sind die Kathoden der beiden Fotodioden D1, D2 mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers OAΣ verbunden, der virtuell an Masse liegt und Massepotential aufweist, da der nichtinvertierende Eingang an Masse liegt und die Differenz der Spannungen an den Eingängen des Operationsverstärkers OAΣ vernachlässigbar klein ist. During the first switching state z t1 , the cathodes of the two photodiodes D1, D2 are connected to the inverting input of a second operational amplifier OA Σ , which is virtually grounded and has ground potential, since the non-inverting input is grounded and the difference in the voltages at the inputs of the operational amplifier OA Σ is negligibly small.
Der Schalter SW wird von einer mit einem Frequenzgenerator FG verbundenen Steuereinheit CTRL zwischen den beiden Schaltzuständen zt1, zt2 periodisch derart umgeschaltet, dass die Periodenanteile t1, t2 für beide Schaltzustände zt1, zt2 jeweils gleich gross sind. The switch SW is periodically switched between the two switching states z t1 , z t2 by a control unit CTRL connected to a frequency generator FG in such a way that the period components t1 , t2 are each of the same size for both switching states z t1 , z t2 .
Während des ersten Schaltzustandes zt1 fliesst daher der von der ersten Fotodiode D1 erzeugter Fotostrom I1 zum invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers OAΔ. Während des zweiten Schaltzustandes zt2 fliesst der von der zweiten Fotodiode D2 erzeugter Fotostrom I2 vom invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers OAΔ gegen Masse. During the first switching state z t1 , the photocurrent I 1 generated by the first photodiode D1 therefore flows to the inverting input of the first operational amplifier OA Δ . During the second switching state z t2 , the photocurrent I 2 generated by the second photodiode D2 flows from the inverting input of the first operational amplifier OA Δ to ground.
Der erste Operationsverstärker OAΔ, dessen Ausgang mittels eines Widerstandes RΔ und eines Kondensators CΔ mit dem invertierenden Eingang verbunden ist, arbeitet als verzögernder Proportional-Regler. Am Ausgang des Operationsverstärkers OAΔ wird daher eine Differenzspannung uΔ gebildet, welche proportional zur mittleren Differenz der beiden Fotoströme I1, I2 ist, da die hochfrequenten Anteile ausgemittelt werden. The first operational amplifier OA Δ , the output of which is connected to the inverting input by means of a resistor R Δ and a capacitor C Δ , operates as a delaying proportional controller. At the output of the operational amplifier OA Δ a differential voltage Δ u is formed which is proportional to the average difference of the two photo currents I 1, I 2, as the high-frequency components are averaged out.
In den mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OAΔ verbundenen Knoten KΔ fliesst während des ersten Periodenanteils t1 die Ladung I1.t1, die während des zweiten Periodenanteils t2 durch die Ladung I2.t2 teilweise oder vollständig kompensiert wird. Da die Periodenanteile t1, t2 gleich sind kompensieren sich die Ladungen vollständig falls die Fotoströme I1, I2 gleich gross sind, wonach die Differenzspannung uΔ am Ausgang des Operationsverstärkers OAΔ in diesem Fall gleich Null wird. In the connected to the inverting input of the operational amplifier OA Δ node K Δ I 1 .t1 the charge, which is partially or fully compensated by the charge .T2 I 2 during the second period t2 fraction flows during the first period component t1. Since the period components t1, t2 are equal, the charges compensate each other completely if the photo currents I 1 , I 2 are of the same size, after which the differential voltage u Δ at the output of the operational amplifier OA Δ becomes zero in this case.
Sofern die Fotoströme I1, I2 nicht gleich gross sind, entsteht
eine Ladungsdifferenz X ≠ 0 wie folgt:
X = I1.t1 - I2.t2
If the photo currents I 1 , I 2 are not of the same size, a charge difference X ≠ 0 arises as follows:
X = I 1 .t1 - I 2 .t2
Da die Periodenanteile t1, t2 je der Hälfte der Periodendauer
T entsprechen gilt weiter:
X = I1.T/2 - I2.T/2 bzw.
X = T.[I1 - I2]/2.
Since the period components t1, t2 each correspond to half of the period T, the following also applies:
X = I 1 .T / 2 - I 2 .T / 2 or
X = T. [I 1 - I 2 ] / 2.
Der über die Periodendauer T gemittelte Differenzstrom
IΔ = [I1 - I2]/2
fliesst durch den Rückführungswiderstand RΔ und erzeugt somit
eine Differenzspannung uΔ am Ausgang des Operationsverstärkers
OAΔ, die proportional zur Differenz der Fotoströme I1, I2 ist.
The differential current averaged over the period T.
I Δ = [I 1 - I 2 ] / 2
flows through the feedback resistor R Δ and thus generates a differential voltage u Δ at the output of the operational amplifier OA Δ , which is proportional to the difference in the photo currents I 1 , I 2 .
Es ist ersichtlich, dass die Bildung der Differenzspannung uΔ durch Änderungen der Umgebungstemperatur kaum beeinflusst werden kann, da entsprechende Fehlerquellen fehlen. Die Fotodioden D1, D2 sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und besitzen somit praktisch dieselbe Temperatur. Kritische Asymmetrien in den Stromzweigen werden vollständig vermieden. Änderungen des Rückführungswiderstandes RΔ sind unproblematisch, da in der Regel auf eine Differenzspannung uΔ = 0 geregelt wird, um den benötigten Kompensationsstrom Icmp aufrecht zu erhalten. It can be seen that the formation of the differential voltage u Δ can hardly be influenced by changes in the ambient temperature, since corresponding sources of error are missing. The photodiodes D1, D2 are preferably arranged in a common housing and thus have practically the same temperature. Critical asymmetries in the current branches are completely avoided. Changes in the feedback resistance R Δ are unproblematic, since a differential voltage u Δ = 0 is generally used to maintain the required compensation current I cmp .
Sofern die von der Leuchtdiode D3 abgegebene Strahlung und das Verhalten der Fotodioden D1, D2 stets konstant sind, wird der zweite Operationsverstärker OAΣ nicht benötigt. Die Kathoden der beiden Fotodioden D1, D2 können in diesem Fall während des ersten Schaltzustandes zt1 direkt an Masse gelegt werden. If the radiation emitted by the light-emitting diode D3 and the behavior of the photodiodes D1, D2 are always constant, the second operational amplifier OA Σ is not required. In this case, the cathodes of the two photodiodes D1, D2 can be connected directly to ground during the first switching state z t1 .
Wie in [4], Spalte 2 beschrieben, können Beleuchtungsschwankungen, die das Messergebnis beeinflussen, durch Alterung der Lichtquelle, den Temperaturgang oder Instabilitäten der Stromquelle verursacht werden. Ferner ist die Alterung der Fotodioden D1, D2 selbst zu berücksichtigen. In [4] wird daher eine Schaltung vorgeschlagen, mittels der die Summe der Fotoströme I1, I2 stabilisiert werden kann. Die dort vorgeschlagene Schaltung weist wiederum Bauteile auf, die herstellungs- und temperaturabhängig sind. Die Fotoströme I1, I2 werden darin über zwei verschiedene Stromzweige mit aktiven und passiven Bauteilen einem Operationsverstärker zugeführt. As described in [4], column 2, lighting fluctuations that influence the measurement result can be caused by aging of the light source, the temperature response or instabilities of the power source. The aging of the photodiodes D1, D2 itself must also be taken into account. A circuit is therefore proposed in [4] by means of which the sum of the photo currents I 1 , I 2 can be stabilized. The circuit proposed there in turn has components that are production and temperature dependent. The photocurrents I 1 , I 2 are fed to an operational amplifier via two different current branches with active and passive components.
In der in Fig. 3 gezeigten Schaltungsanordnung sind die Kathoden der beiden Fotodioden D1, D2 während des ersten Schaltzustandes zt1 mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers OAΣ verbunden, der virtuell an Masse liegt. Der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers OAΣ ist über einen Widerstand R0 ferner mit einer Referenzspannung U0 verbunden. In the circuit arrangement shown in FIG. 3, the cathodes of the two photodiodes D1, D2 are connected during the first switching state z t1 to the inverting input of the second operational amplifier OA Σ , which is virtually grounded. The inverting input of the second operational amplifier OA Σ is also connected to a reference voltage U 0 via a resistor R 0 .
Dem mit dem invertierenden Eingang des zweiten
Operationsverstärkers OAΣ verbundenen Knoten KΣ fliesst daher während
jeder Periodendauer T die Ladung
QT = I0.T
zu.
The node K Σ connected to the inverting input of the second operational amplifier OA Σ therefore flows during each period T
Q T = I 0 .T
to.
Während des ersten Periodenanteils t1, der einer halben Periodendauer T/2 entspricht, fliessen vom Knoten KΣ hingegen die Fotoströme I1 und I2 der Dioden D1 und D2 gegen Masse. In diesem Fall bildet der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers OAΔ die virtuelle Masse, der der Strom I1 der ersten Fotodiode D1 zufliesst. During the first period component t1, which corresponds to half a period T / 2, however, the photo currents I 1 and I 2 of the diodes D1 and D2 flow from the node K Σ to ground. In this case, the inverting input of the first operational amplifier OA Δ forms the virtual ground to which the current I 1 of the first photodiode D1 flows.
Innerhalb einer Periodendauer T entsteht im Knoten KΣ daher
eine Ladungsdifferenz Y wie folgt:
Y = I0.T - (I1 + I2).T/2,
Y = T.[I0 - (I1 + I2)/2].
Within a period T, a charge difference Y therefore arises in the node K Σ as follows:
Y = I 0 .T - (I 1 + I 2 ) .T / 2,
Y = T. [I 0 - (I 1 + I 2 ) / 2].
Der Referenzstrom I0 ist derart gewählt, dass sich bei einer Ladungsdifferenz Y = 0 die gewünschten Fotoströme I1, I2 einstellen. The reference current I 0 is selected in such a way that the desired photo currents I 1 , I 2 occur when the charge difference Y = 0.
Die Leuchtdiode D3 wird daher mittels des Ausgangssignals uΣ
des zweiten, als Integrator arbeitenden Operationsverstärkers
OAΣ derart geregelt, dass die Ladungsdifferenz Y gleich Null
wird und somit die nachstehende Bedingung erfüllt ist:
I0 = (I1 + I2)/2.
The light-emitting diode D3 is therefore regulated by means of the output signal u Σ of the second operational amplifier OA Σ working as an integrator such that the charge difference Y becomes zero and the following condition is therefore fulfilled:
I 0 = (I 1 + I 2 ) / 2.
Zu berücksichtigen ist dabei, dass nicht primär die von der Leuchtdiode D3 abgegebene Strahlung, sondern die Summe der Fotoströme I1, I2 konstant gehalten wird. It should be taken into account here that it is not primarily the radiation emitted by the light-emitting diode D3, but the sum of the photo currents I 1 , I 2 that is kept constant.
Oben wurden verschiedene vorzugsweise Ausgestaltungen der
erfindungsgemässen Differenzmessschaltung beschrieben.
Ausgehend von der erfindungsgemässen Lösung, gemäss der ein
Schalter derart mit den beiden Fotodioden und einem
Knotenpunkt KΔ verbunden und von einer Steuereinheit zwischen
zwei Zuständen zt1, zt2 periodisch umschaltbar ist, dass am
Knotenpunkt KΔ eine Ladungsdifferenz resultiert, die als
Regelgrösse eines Regelkreises verwendbar ist, können die
beschriebenen oder auch weitere Differenzmessschaltung
realisiert werden, die in fachmännischer Art den vorliegenden
Gegebenheiten angepasst sind. Die am Knotenpunkt KΔ
resultierende Ladungsdifferenz kann in eine Differenzspannung
uΔ, in einen Differenzstrom oder in ein entsprechendes
digitales Signal gewandelt werden, wie dies beispielsweise in
[5], U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 11.
Auflage, 1. Nachdruck, Springer Verlag, Berlin 1999, Kapitel
18.9, Seiten 1059 und 1060 beschrieben ist.
Literaturverzeichnis
[1] U.S. Patentdokument Nr. 4,489,800
[2] CH Patentschrift Nr. 658 516
[3] U.S. Patentdokument Nr. 3,727,708
[4] DE-AS 23 11 676
[5] U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiterschaltungstechnik,
11. Auflage, 1. Nachdruck, Springer Verlag, Berlin
1999
Various preferred configurations of the differential measurement circuit according to the invention have been described above. Starting from the solution according to the invention, according to which a switch is connected to the two photodiodes and a node K Δ in such a way and can be periodically switched between two states z t1 , z t2 by a control unit that a charge difference results at the node K Δ , which is a controlled variable Control circuit can be used, the described or other differential measurement circuit can be implemented, which are expertly adapted to the present circumstances. The charge difference resulting at the node K Δ can be converted into a differential voltage u Δ , into a differential current or into a corresponding digital signal, as described, for example, in [5], U. Tietze, Ch. Schenk, semiconductor circuit technology, 11th edition, 1. Reprint, Springer Verlag, Berlin 1999, chapter 18.9, pages 1059 and 1060. References [1] US Patent Document No. 4,489,800
[2] CH Patent No. 658 516
[3] US Patent Document No. 3,727,708
[4] DE-AS 23 11 676
[5] U. Tietze, Ch. Schenk, semiconductor circuit technology, 11th edition, 1st reprint, Springer Verlag, Berlin 1999
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|---|---|---|---|
| DE2001153603 DE10153603A1 (en) | 2001-11-02 | 2001-11-02 | Difference measurement circuit for a control device and scales with electromagnetic force compensation having such a control device, whereby the output of the difference measurement circuit is largely temperature independent |
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| DE10153603A1 true DE10153603A1 (en) | 2003-05-22 |
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ID=7704254
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