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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Justieren einer elektronischen
Waage, die eine Waagschale, einen Messwertaufnehmer, ein eingebautes
Justiergewicht, eine Justiergewichtsschaltung, die das Justiergewicht
in Wirkverbindung mit dem Messwertaufnehmer bringen kann, und eine
digitale Signalverarbeitungseinheitumfasst.
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Verfahren
dieser Art einschließlich
der benutzten elektronischen Waagen, sind allgemein bekannt und
z. B. in der
DE 195
34 058 C1 und der
DE 37
14 540 A1 beschrieben.
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Für die Genauigkeit
hochauflösender
Waagen ist die richtige Justierung der Waage eine unabdingbare Voraussetzung.
Diese Justierung sollte optimalerweise kurz vor einer Messung erfolgen,
um zwischenzeitliche Änderungen
aufgrund von Temperaturschwankungen oder aufgrund einer Langzeitdrift auszuschließen. Dies
wird von den Benutzern jedoch häufig
vergessen oder wegen des Zeitaufwandes für die Justierung unterlassen.
Jeder verlässt
sich darauf, dass die Waage von früheren Messungen her noch richtig
justiert ist. Dies ist jedoch vor allen Dingen bei Waagen, die selten
benutzt werden, nicht der Fall. Um hier Messfehler zu vermeiden,
ist es bei vielen Waagen schon vorgesehen, dass die Justierung in
gewissen Zeitabständen
selbsttätig
vorgenommen wird oder zumindest angefordert wird. Die Größe dieses
Zeitabstandes ist jedoch immer nur ein Kompromiss zwischen dem Wunsch
nach richtiger Justierung (erfordert geringen Zeitabstand) und dem Wunsch,
längere
Messreihen ungestört
durchführen zu
können
(erfordert langen Zeitabstand). In der o.a.
DE 37 14 540 A1 ist alternativ
vorgeschlagen, dass ein Prüfprogramm
in der Waage aufgrund der Analyse der messtechnischen Vergangenheit,
sowie des Verlaufs von Störgrößen den
Kalibrierzeitpunkt festlegt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, dem Benutzer der Waage eine richtig
justierte Waage zur Verfügung
zu stellen ohne ihn zu zwingen, nach jeder Wägepause einen kompletten Justierzyklus
durchzuführen.
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Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, dass die Justiergewichtsschaltung das Justiergewicht
nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach der letzten Benutzung (Beginn
einer Ruhephase) in Wirkverbindung mit dem Messwertaufnehmer bringt
und bis zum Ende der Ruhephase dort belässt.
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Wird
die Waage also eine gewisse Zeit (z. B. 5 Minuten) nicht benutzt,
so erkennt sie diese Ruhepause und beginnt schon mit dem ersten
Teil eines Justierzyklusses und legt das Justiergewicht auf den Messwertaufnehmer
auf. In dieser Stellung verharrt die Waage und übernimmt laufend Messwerte
vom Messwertaufnehmer. Geht die Ruhephase nun zu Ende – was der
Waage z. B. durch das Signal eines eingebauten Näherungssensors, der eines sich
nähernden
Benutzer detektiert, signalisiert wird – so führt die Waage nur noch den
letzten Teil der Justierung, nämlich
das Abheben des Justiergewichtes, das Bestimmen des Nullpunktes
und das Berechnen des Justierfaktors durch und ist dann nach einer
minimalen Wartezeit wägebereit
und richtig justiert.
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Diese
noch verbleibende Wartezeit ist besonders gering, wenn die Justiergewichtsschaltung das
Absenken des Justiergewichtes zwar langsam und stoßfrei durchführt, das
Wiederanheben des Justiergewichtes jedoch schnell durchführt. Dies
ist ohne die Gefahr einer Beschädigung
des Messwertaufnehmers möglich,
da zu große
Kräfte
auf den Messwertaufnehmer beim Anheben sowieso ausgeschlossen sind.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren abhängigen Ansprüchen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen
beschrieben, dabei zeigt:
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1 ein
Schnittbild der Mechanik und ein Blockschaltbild der Elektronik
der Waage in einer beispielhaften Ausgestaltung,
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2 ein
Flussdiagramm zur Erläuterung der
Funktionsweise und
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3 ein
Detail der Waage in einer anderen beispielhaften Ausgestaltung.
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Die
elektronische Waage in 1 besteht aus einem gehäusefesten
Systemträger 3,
an dem über
zwei Lenker 4 und 5 mit den Gelenkstellen 6 ein Lastaufnehmer 2 in
senkrechter Richtung beweglich befestigt ist. Der Lastaufnehmer 2 trägt in seinem oberen
Teil die Waagschale 1 zur Aufnahme des Wägegutes
und überträgt die der
Masse des Wägegutes entsprechende
Kraft über
ein Koppelelement 9 auf den Lastarm des Übersetzungshebels 7.
Der Übersetzungshebel 7 ist
durch ein Kreuzfedergelenk 8 am Systemträger 3 gelagert.
Am Kompensationsarm des Übersetzungshebels 7 ist
ein Spulenkörper
mit einer Spule 11 befestigt. Die Spule 11 befindet
sich im Luftspalt eines Permanentmagnetsystems 10 und erzeugt
die Kompensationskraft. Die Größe des Kompensationsstromes
durch die Spule 11 wird dabei in bekannter Weise durch
einen Lagensensor 13 und einen Regelverstärker 14 so
geregelt, dass Gleichgewicht zwischen dem Gewicht des Wägegutes
und der elektromagnetisch erzeugten Kompensationskraft herrscht.
Der Kompensationsstrom erzeugt am Messwiderstand 15 eine
Messspannung, die einem Analog-/Digital-Wandler 17 zugeführt wird.
Das digitalisierte Ergebnis wird von einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 18 übernommen
und in der Anzeigeeinheit 19 digital angezeigt. Zur Bedienung
der Waage sind Tasten 37 und 37' vorgesehen, die Taste 37 dient
z. B. zum Tarieren der Waage. Weiter ist ein Temperatursensor 26 vorhanden,
der die Temperatur des Messwertaufnehmers in ein digitales Signal
umformt und über
die Leitung 32 der digitalen Signalverarbeitungseinheit 18 zuführt. Die
digitale Signalverarbeitungseinheit 18 kaan dadurch Temperaturfehler des
Messwertaufnehmers korrigieren.
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Der
Lastarm des Übersetzungshebels 7 ist über den
Befestigungspunkt des Koppelelementes 9 hinaus verlängert (Arm 12)
und läuft
in einem nach unten abgekröpften
Teil 22 aus. Am Teil 22 sind drei senkrecht stehende
Zentrierstifte befestigt, von denen in 1 nur die
beiden Zentrierstifte 24 und 25 zu erkennen sind.
Diese Zentrierstifte tragen das Justiergewicht 16. Das
Justiergewicht weist eine von unten kommende Bohrung 29 auf,
die in einer kegeligen Fläche 23 ausläuft. Diese
Bohrung geht genau durch den Schwerpunkt des Justiergewichtes, so
dass die kegelige Fläche
senkrecht über
dem Schwerpunkt des Justiergewichtes liegt.
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Weiter
ist in 1 eine Hubvorrichtung für das Justiergewicht angedeutet,
die aus einem Stachel 20 besteht, der in einer gehäusefesten
Hülse 21 in
senkrechter Richtung beweglich geführt ist. Die Vorrichtung zum
Bewegen des Stachels ist nur durch einen Exzenter 28 und
einen Elektromotor 30 angedeutet. Der Stachel 20 reicht
durch ein Loch 27 im Teil 22 bis in die Bohrung 29 im
Justiergewicht 16. In der gezeichneten Stellung endet der
Stachel 20 mit seiner kegelförmigen Spitze dicht unterhalb
der kegeligen Fläche 23.
Damit liegt das Justiergewicht auf den Zentrierstiften und damit
auf dem Übersetzungshebel 7/12/22 auf
und die Wirkverbindung zwischen Justiergewicht und Messwertaufnehmer
ist hergestellt. Wird nun der Motor über die Leitung 36 von
der digitalen Signalverarbeitungseinheit 18 angesteuert und
damit der Stachel durch den Exzenter 28 angehoben, so kommt
der Stachel mit der kegeligen Fläche 23 in
Kontakt, hebt das Justiergewicht 16 vom Übersetzungshebel
ab und drückt
es gegen gehäusefeste
Anschläge 39.
Dies ist die Normalstellung des Justiergewichtes (Wägestellung,
Trennung der Wirkverbindung zwischen Justiergewicht und Messwertaufnehmer),
während
die in 1 gezeichnete abgesenkte Stellung nur für den Justiervorgang
eingenommen wird. Die abgesenkte Stellung des Justiergewichtes wird
in der Anzeigeeinheit 19 durch das Aktivieren eines Cal-Symbols 31 angezeigt.
Der Schwerpunkt des Justiergewichtes 16 lässt sich durch
die Schraube 38 geringfügig
verschieben, wodurch ein Feinabgleich erreicht werden kann.
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Die
bisher beschriebenen Teile der Waage sind als Stand der Technik
bekannt und deshalb in ihrem Aufbau und ihrer Funktion nur ganz
kurz beschrieben. Die zeichnerische Darstellung der einzelnen Teile
stellt nur eine von vielen Möglichkeiten
zur Realisation dar. Die elektronische Waage weist nun weiter innerhalb
der digitalen Signalverarbeitungseinheit ein Zeitglied 34 auf,
das beim Benutzen der Waage immer wieder auf Null zurückgestellt
wird, das also nur dann ein Ablaufsignal gibt, wenn die Waage eine
vorgegebene Zeit (z. B. 5 Minuten) ununterbrochen nicht benutzt
wurde und die Anzeige Null zeigt. Weiter weist die elektronische
Waage einen Näherungssensor 35 auf,
der zusammen mit der zugehörigen
Auswerteschaltung 33 ein Signal an die digitale Signalverarbeitungseinheit 18 abgibt,
sobald sich ein Bediener der Waage nähert.
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Der
Ablauf des erfindungsgemäßen Justierverfahrens
ergibt sich dann aus dem Flussdiagramm der 2, das den
in der digitalen Signalverarbeitungseinheit 18 gespeicherten
Programmablauf zeigt. Bei der normalen Benutzung der Waage wird die
Waage häufig
nicht die Null anzeigen, so dass im Entscheidungsschritt 40 die
Antwort häufig „nein" lautet. Dann durchläuft die
Waage die Programmschleife 48. Auch bei einer Waagenanzeige
Null lautet vor Ablauf des Zeitgliedes 34 die Antwort im
Entscheidungsschritt 41 „nein" und die Waage verbleibt in der Programmschleife 48/48a.
Die Programmschleife 48 bzw. 48/48a wird
also beim normalen Wägen
nicht verlassen. Erst wenn die Waage eine gewisse Zeit unbenutzt
steht und das Zeitglied 34 abläuft, ergibt der Entscheidungsschritt 41 ein „ja" und die digitale
Signalverarbeitungseinheit 18 steuert über die Leitung 36 den
Elektromotor 30 an und veranlasst das Auflegen des Justiergewichtes 16.
Nach dem Einschwingen des Messwertaufnehmers auf den stationären Endwert
(„Stillstand") wird der Messwert
von der digitalen Signalverarbeitungseinheit 18 übernommen
und abgespeichert (Programmschritt 42). Der Programmablauf
geht dann zum Entscheidungsschritt 43 weiter und fragt
das Signal des Näherungssensors 35 ab.
Solange die Waage unbenutzt bleibt, kommt kein Signal vom Näherungssensor
und die Waage verbleibt in der Programmschleife 49. Während der
Ruhephase bleibt damit das Justiergewicht aufgelegt und die digitale
Signalverarbeitungseinheit 18 erhält laufend die Messwerte und
kann laufend den Justierfaktor aktualisieren. Erst wenn der Näherungssensor
das Nähern
einer Bedienungsperson detektiert, verlässt das Programm die Programmschleife 49,
steuert den Motor zum Abheben des Justiergewichtes an, ermittelt
nach Stillstand den Nullpunkt der Waage, errechnet den Justierfaktor und
speichert diesen in der digitalen Signalverarbeitungseinheit 18 ab
(Programmschritt 44). Anschließend geht die Waage in den
normalen Wägemodus über (Programmschritt 45)
und der Programmablauf beginnt wieder von vorne.
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Der
Programmschritt 44 erfordert dabei nur eine relativ kurze
Zeit, da das Justiergewicht nur von der Justierstellung in die normale
Wägestellung
angehoben werden muss. Da bei dieser Bewegung keine Stöße auf den
Messwertaufnehmer ausgeübt
werden können,
kann diese Bewegung sehr schnell erfolgen. Im Gegensatz dazu muss
das Absenken des Justiergewichtes 16 auf den Übersetzungshebel 7/12/22 langsam
erfolgen, damit das Justiergewicht 16 keine stoßförmigen Kräfte auf
den Übersetzungshebel
ausübt.
Konstruktiv können
diese verschiedenen Geschwindigkeiten durch eine entsprechende Formgebung
des Exzenters 28 oder durch verschiedene Drehzahlen des
Elektromotors 30 leicht erreicht werden. – Da der
Programmschritt 45 nur eine elektronische Umschaltung beinhaltet
und damit praktisch ohne Zeitverzögerung abläuft, erfordert das Durchlaufen
der Programmschritte 44 und 45 nur eine kurze
Zeit – deutlich
kürzer
als wenn ein kompletter Justierzyklus durchlaufen werden müsste.
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Die
Erfindung wurde im Vorstehenden anhand einer Waage mit Näherungssensor
als Beispiel beschrieben. Selbstverständlich sind auch andere Ausgestaltungen
möglich.
Zum Beispiel kann bei einer Waage ohne Näherungssensor das Ende der
Ruhephase und damit das Anheben des Justiergewichtes (Programmschritt
44)
durch das Betätigen
einer beliebigen Taste – z.
B. der Tarataste
37 – eingeleitet werden.
Oder bei einer Waage mit Datenein-/-ausgang (in
1 nicht
dargestellt) kann der Programmschritt
44 durch einen Befehl über den
Dateneingang ausgelöst
werden. Oder bei einer Waage mit Transponder-Leseeinheit, wie sie z. B. aus der
DE 101 34 281 B4 bekannt
ist, kann der Programmschritt
44 durch das Identifizierungssignal
eines autorisierten Benutzers der Waage ausgelöst werden.
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Das
Anheben des Justiergewichtes gemäß Programmschritt 44 wird
zweckmäßigerweise
auch dann ausgelöst,
wenn die Waage ausgeschaltet wird oder wenn die Waage von der Spannungsversorgung getrennt
wird. Dadurch wird sichergestellt, dass bei einem eventuellen Transport
der Waage die Wirkverbindung zwischen Justiergewicht und Messwertaufnehmer
getrennt ist und eine Beschädigung
des Messwertaufnehmers ausgeschlossen ist. Dazu ist selbstverständlich ein
entsprechender Energiespeicher notwendig, um dem Motor 28 auch
nach der Trennung von der Spannungsversorgung noch für mindestens
einmal Anheben des Justiergewichtes mit Energie zu versorgen. Die
Bestimmung eines Justierfaktors erfolgt in diesem Fall natürlich nicht.
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Solange
das Justiergewicht auf dem Übersetzungshebel 7/12/22 aufliegt,
also in Wirkverbindung mit dem Messwertaufnehmer steht, wird vorteilhafterweise
ein Cal-Symbol 31 in der Anzeigeeinheit 19 angesteuert,
um den Zustand der Waage kenntlich zu machen. Zusätzlich wird
vorteilhafterweise auch die Anzeige des Wägeergebnisses unterdrückt.
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Solange
das Justiergewicht auf dem Übersetzungshebel 7/12/22 aufliegt, übernimmt
die digitale Signalverarbeitungseinheit 18 vorteilhafterweise laufend
Messwerte vom Messwertaufnehmer und bildet daraus einen gleitenden
Mittelwert. Dieser gleitende Mittelwert steht dann zur Berechnung
des Justierfaktors zur Verfügung.
Die Ermittlung des Nullpunkt-Wertes erfolgt demgegenüber nur
kurz, um die Wartezeit am Ende der Ruhephase nicht zu verlängern. Zweckmäßigerweise
werden bei der eben angegebenen gleitenden Mittelwertbildung die
letzten Messwerte vor dem Ende der Ruhephase nicht mehr zu Mittelung
benutzt, da die Gefahr besteht, dass sie beispielsweise durch Erschütterungen,
die die Bedienperson verursacht, verfälscht wird.
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Beim Übergang
in den Wägemodus
gemäß Programmschritt 45 wird
die Anzeige der Waage zweckmäßigerweise
tariert. Bei einer Waage mit motorisch betätigbarem Windschutz (nicht
gezeichnet) kann innerhalb des Programmschrittes 45 auch
der Motor zum Öffnen
eines Wandelementes des Windschutzes angesteuert werden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird im Programmschritt 42 die
Wirkverbindung zwischen der Waagschale 1 und dem Messwertaufnehmer
(2... 15) unterbrochen, bevor das Justiergewicht 16 aufgelegt
wird. Und im Programmschritt 44 wird zuerst das Justiergewicht
angehoben und anschließend
erst die Wirkverbindung zwischen der Waagschale und dem Messwertaufnehmer
wieder hergestellt. Dadurch wird bei aufgelegtem Justiergewicht
beispielsweise der Windeinfluss über
die Waagschale auf den Messwertaufnehmer vermieden; aber auch ein
versehentliches Auflegen von Wägegut
auf die Waagschale während
der Ruhephase wirkt sich nicht auf den Justierfaktor aus.
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Das
Unterbrechen der Wirkverbindung zwischen der Waagschale 1 und
dem Messwertaufnehmer (2...15) ist z. B. durch die in 3 schematisch gezeigte
Anordnung möglich:
Die beiden Motoren 50 und 53 können über die Exzenter 51 und 54 die
zugehörigen
Stacheln 52 und 55 anheben und so die Waagschale 1 vom
Lastaufnehmer 2 trennen. Die Stacheln 52 und 55 sind
dabei in gehäusefesten
Teilen 56 geführt.
Die Ansteuerung der Motoren 50 und 53 erfolgt
dabei über
Leitungen 57 und 58 durch die digitale Signalverarbeitungseinheit 18.
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In
einer anderen vorteilhaften Weiterbildung unterbricht die Justiergewichtsschaltung
die Wirkverbindung zwischen dem Justiergewicht und dem Messwertaufnehmer
während
der Ruhephase kurzzeitig, um den Nullpunkt der Waage hin und wieder zu
kontrollieren und gegebenenfalls nachzustellen. Anschließend wird
die Wirkverbindung sofort wieder hergestellt. Die Waage verbleibt
also auch in dieser Ausgestaltung währen der Ruhephase fast immer
im Zustand mit Wirkverbindung zwischen Justiergewicht und Messwertaufnehmer.
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- 1
- Waagschale
- 2
- Lastaufnehmer
- 3
- Systemträger
- 4
- Lenker
- 5
- Lenker
- 6
- Gelenkstellen
- 7
- Übersetzungshebel
- 8
- Kreuzfedergelenk
- 9
- Koppelelement
- 10
- Permanentmagnetsystem
- 11
- Spule
- 12
- Arm
(Verlängerung
des Übersetzungshebels)
- 13
- Lagensensor
- 14
- Regelverstärker
- 15
- Messwiderstand
- 16
- Justiergewicht
- 17
- Analog-/Digital-Wandler
- 18
- digitale
Signalverarbeitungseinheit
- 19
- Anzeigeeinheit
- 20
- Stachel
- 21
- Hölse
- 22
- abgekröpfter Teil
des Übersetzungshebels
- 23
- kegelige
Fläche
- 24
- Zentrierstift
- 25
- Zentrierstift
- 26
- Temperatursensor
- 27
- Loch
- 28
- Exzenter
- 29
- Bohrung
- 30
- Elektromotor
- 31
- Cal – Symbol
- 32
- Leitung
- 33
- Auswerteschaltung
des Näherungssensors
- 34
- Zeitglied
- 35
- Näherungssensor
- 36
- Leitung
- 37,
37'
- Tasten
- 38
- Schraube
- 39
- Anschläge
- 40
- Entscheidungsschritt
- 41
- Entscheidungsschritt
- 42
- Programmschritt
- 43
- Entscheidungsschritt
- 44
- Programmschritt
- 45
- Programmschritt
- 48/48a
- Programmschleife
- 49
- Programmschleife
- 50
- Motor
- 51
- Exzenter
- 52
- Stachel
- 53
- Motor
- 54
- Exzenter
- 55
- Stachel
- 56
- gehäusefeste
Teile
- 57
- Leitung
- 58
- Leitung