DE102007061786A1

DE102007061786A1 - Digitale Wägevorrichtung

Info

Publication number: DE102007061786A1
Application number: DE200710061786
Authority: DE
Inventors: Christian Oldendorf; Thomas Schink
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius Lab Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2027-12-20
Also published as: WO2009077024A1; DE102007061786B4

Abstract

Digitale Wägevorrichtung, umfassend - einen Kraftaufnehmer, der ein einer eingeleiteten Kraft entsprechendes, analoges Sensorsignal erzeugt, - einen Integrator, der das Sensorsignal als bei Betrieb dauerhaft an ihn angelegtes Messsignal sowie einen zeitweise an ihn angelegten Arbeitspegel eines Referenzsignals integriert, - einen dem Integrator nachgeschalteten Komparator (20), der ein Integrator-Ausgangssignal mit einem Schwellenwert vergleicht und bei Erreichen des Schwellenwertes jeweils eine Pulsflanke eines Pulssignals auf einer Komparatorpulsleitung (22) erzeugt, - Schaltsteuermittel, die in Abhängigkeit von dem Pulssignal einen Schalter (18) zum zeitweisen Anlegen des Arbeitspegels des Referenzsignals an den Integrator ansteuern, sowie - Wertbestimmungsmittel, die auf Basis einer von Zeitbestimmungsmitteln erfassten Dauer derjenigen Intervalle, während derer der Arbeitspegel des Referenzsignals an den Integrator angelegt ist, das Sensorsignal repräsentierende Wägewerte bestimmen, wobei der Kraftaufnehmer, der Integrator, der Komparator (20) und der Schalter (18) in einem ersten Modul zusammengefasst sind und dass die Schaltsteuermittel, die Zeitbestimmungsmittel und die Wertbestimmungsmittel in einem zweiten, separaten Modul zusammengefasst sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine digitale Wägevorrichtung, umfassend

– einen Kraftaufnehmer, der ein einer eingeleiteten Kraft entsprechendes, analoges Sensorsignal erzeugt,
– einen Integrator, der das Sensorsignal als bei Betrieb dauerhaft an ihn angelegtes Messsignal sowie einen zeitweise an ihn angelegten Arbeitspegel eines Referenzsignals integriert,
– einen dem Integrator nachgeschalteten Komparator, der ein Integrator-Ausgangssignal mit einem Schwellenwert vergleicht und bei Erreichen des Schwellenwertes jeweils eine Pulsflanke eines Pulssignals auf einer Komparatorpulsleitung erzeugt,
– Schaltsteuermittel, die in Abhängigkeit von dem Pulssignal einen Schalter zum zeitweise Anlegen des Arbeitspegels des Referenzsignals an den Integrator ansteuern, sowie
– Wertbestimmungsmittel, die auf Basis einer von Zeitbestimmungsmitteln erfassten Dauer derjenigen Intervalle, während derer der Arbeitspegel des Referenzsignals an den Integrator angelegt ist, das Sensorsignal repräsentierende Wägewerte bestimmen.

Stand der Technik
Derartige Wagevorrichtungen sind allgemein bekannt. Es handelt sich dabei um Wägevorrichtungen mit einem sogenannten integrierenden A/D-Wandler zur Analog/Digital-Wandlung des analogen Sensorsignals. Das Prinzip des integrierenden A/D-Wandlers ist in vielfältigen Varianten seit langem bekannt. Beispielhaft seien hier die DE 21 14 141 , die DE 28 20 601 C2 sowie die DE 100 40 373 A1 genannt. Beim integrierenden A/D-Wandler wird das Messsignal an einen Eingang eines als Integrator beschalteten Operationsverstärkers angelegt. Zur Beschaltung als Integrator wird der Ausgang des Operationsverstärkers über einen Kondensator mit seinem Messsignal-Eingang verbunden. Ebenfalls mit dem Messsignal-Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist die Zuleitung für ein Gleichspannungs-Referenzsignal. Dieses Referenzsignal wird nur zeitweise mit einem Arbeitspegel zugeschaltet. Während der übrigen Zeit liegt es mit einem betragsmäßig niedrigeren Ruhepegel an oder ist vollständig von dem Eingang des Operationsverstärkers getrennt. Während eines ersten Taktanteils eines Messtaktes, in dem der Arbeitspegel des Referenzsignals nicht anliegt, wird der Kondensator durch das im Operationsverstärker verstärkte Messsignal aufgeladen. Wird nach einer vorgegebenen Zeitspanne der Arbeitspegel des Referenzsignals zugeschaltet, entlädt sich der Kondensator während eines zweiten Taktanteils, wodurch das Integrator-Ausgangssignal abfällt. Der Zeitpunkt eines Null-Durchgangs oder allgemeiner eines Schwellenwert-Durchgangs des Integrator-Ausgangssignals wird mittels eines nachgeschalteten Komparators erfasst. Dieser erzeugt dann eine Pulsflanke, die nachgeschaltete Schaltsteuermittel veranlasst, den Arbeitspegel des Referenzsignals wieder vom Integrator-Eingang zu trennen, so dass ein neuer Messtakt mit der Aufladung des Kondensators beginnen kann. Die Dauer des zweiten Taktanteils, d. h. die Zeitspanne, während derer der Arbeitspegel des Referenzsignals am Integrator anliegt, wird mit geeigneten Zeitmessmitteln, beispielsweise einem getakteten Zähler, gemessen. Die gemessene Zeitdauer, hier als Messintervall bezeichnet, stellt ein Maß für die im ersten Taktanteil erfolgte Aufladung des Kondensators und somit für den Pegel des Messsignals dar. Im Fall der Zeitmessung mittels getakteten Zählers kann der Zählerwert unmittelbar als digitales Maß für das Messsignal benutzt werden. Im Hinblick auf die konkrete Ansteuerung des Schalters für das Referenzsignal sind unterschiedliche Varianten bekannt, die zu Zyklen konstanter oder variabler Länge führen. Weiter sind sowohl monopolare als auch bipolare Varianten möglich.
Der Artikel Rauchschwalbe, U.: "Digitale Wägezellen: Innovation oder Marketing-Gag?", wdm wägen dosieren mischen, Ausgabe 1, März 2007 Diskutiert ausführlich Vor- und Nachteile digitaler Wägezellen beim Einsatz in industriellen Wägevorrichtungen im Vergleich zu analogen Wägezellen. Industrielle Wägevorrichtungen umfassen typischerweise eine Mehrzahl von Wägezellen, die an unterschiedlichen Positionen eine Wägeplattform unterstützen. Eine auf die Wägeplattform einwirkende Gewichtskraft wird über die Krafteinleitungseinrichtung jeder Wägezelle zu deren Sensor geleitet, der einen Teilmesswert erzeugt. Eine geeignete Kombination der Teilmesswerte ergibt den Kombinationswert, der die Gewichtskraft repräsentiert, die insgesamt auf die Wägeplattform einwirkt.
Bei vielen bekannten Vorrichtungen sind die Sensoren analoge Sensoren, die an ihrem Ausgang eine analoge elektrische Spannung erzeugen. Parallelschaltung sämtlicher die Wägeplattform unterstützender analoger Wägezellen entspricht einer Summierung der Spannungen zu einer Kombinationsspannung. Die analoge Kombinationsspannung wird bei solchen Vorrichtungen typischerweise digitalisiert und als eine Folge digitaler Werte zur weiteren Verarbeitung oder Auswertung weitergeleitet.
Ein Ersatz solcher analoger Wägezellen durch digitale Wägezellen, der im Hinblick auf die Modularität des Systems und die Vermeidung störanfälliger Analogleitungen wünschenswert wäre, führt, wie in dem oben genannten Artikel ausführlich diskutiert, zu verschiedenen Schwierigkeiten. Digitale Wägezellen erzeugen zu bestimmten Messzeitpunkten digitale Messwerte. Typischerweise umfasst auch der Sensor einer digitalen Wägezelle einen oder mehrere analoge Kraftaufnehmer, wie beispielsweise Dehnmessstreifen, die eine analoge Spannung erzeugen, welche von einem Analog-Digital-Wandler des Sensors in eine Folge einzelner digitaler Messwerte gewandelt wird, wobei jeder digitale Messwert die zum Messzeitpunkt den Kraftaufnehmer beaufschlagende Kraft repräsentiert. Um die digitalen Messwerte mehrerer Wägezellen zu kombinieren, müssen die einzelnen Werte über eine Datenkommunikationsleitung an eine zentralsteuereinheit gesendet und dort weiter verarbeitet werden. Hierzu ist zunächst eine Aufbereitung der Messwerte zu Versandeinheiten erforderlich, die über die Datenkommunikationsleitung versendet werden können. Eine weit verbreitete Schnittstellennorm digitaler Wägezellen ist die serielle RS 485 Schnittstelle, über die die Information betreffend die Messwerte nach einem standardisierten Protokoll versendet wird. Es sind auch andere Schnittstellen- bzw. Bussysteme möglich, wobei die Aufbereitung der Messwerte zu Versandeinheiten stets in Anpassung an das verwendete Kommunikationsnetzwerk zu erfolgen hat. Anders als im analogen Fall, bei dem die Messwertkombination durch die Parallelschaltung der Zellen ohne jeglichen Zeitverzug erfolgt, ist im Fall digitaler Wägezellen die zeitliche Abstimmung der zu kombinierenden Werte von besonderer Bedeutung. Typischerweise arbeiten die digitalen Wägezellen daher synchronisiert, wobei die Synchronisierung beispielsweise durch einen Synchronisierungspuls von der Zentralsteuereinheit her erfolgt, der alle Wägezellen gleichzeitig zur Erzeugung eines digitalen Messwertes auffordert und anschließend die in den einzelnen Messzellen zwischengespeicherten Messwerte sequenziell abfragt. Die sequenziell abgefragten Messwerte werden dann in der Zentralsteuereinheit zu einem Kombinationswert verarbeitet, der dem Synchronisationszeitpunkt zugeordnet wird. Auf diese Weise entsteht in der Zentralsteuereinheit eine Folge einzelner zeitlich zugeordneter Kombinationswerte, die einen abgetasteten Verlauf der auf die Wageplattform einwirkenden Gewichtskraft repräsentieren. Nachteilig bei diesem System ist die erhebliche Länge des Intervalls zwischen einzelnen Kombinationswerten, die mit der Anzahl der zu berücksichtigenden Wägezellen ansteigt. Dies ist nachteilig für dynamische Wägeprozesse ebenso wie für Dosiervorgänge, bei denen eine genaue und schnelle Prognostizierbarkeit des Verlaufs der auf die Wägevorrichtungen einwirkenden Gewichtskraft von wesentlicher Bedeutung ist.
Ein Verzicht auf die Synchronisierung der Messzeitpunkte kann zwar zu einer lediglich von der Geschwindigkeit der Datenkommunikationsleitung und der zentralsteuereinrichtung abhängigen Beschleunigung der Kombinationswert-Aktualisierung führen; allerdings liegen dann jedem Kombinationswert Einzel-Messwerte zugrunde, die zu unterschiedlichen Messzeitpunkten aufgenommen wurden, was insbesondere bei dynamischen Prozessen zu einer erheblichen Ungenauigkeit des Messergebnisses führt.
Der oben genannte Artikel schlägt eine wenigstens teilweise Rückkehr zu analogen Wägezellen vor. Insbesondere wird vorgeschlagen, die analogen Signale zur Vermeidung von Störungen über eine kurze Analogleitungsstrecke zu einem mehrkanaligen A/D-Wandler zu leiten, der die analogen Eingangssignale auf allen Kanälen synchron digitalisiert und die erzeugten Digitalwerte kombiniert. Nachteilig bei diesem Konzept sind der Verlust der Modularität, die durch die Einführung der digitalen Wägezellen gewonnen wurde, und die Wiedereinführung analoger Leitungsabschnitte mit ihren bekannten Störungs- und Kalibrierungsproblemen.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannte Wägevorrichtung mit einer Mehrzahl von synchron arbeitenden Wägezellen störungsresistenter und im Aufbau flexibler zu gestalten.
Darlegung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass der Kraftaufnehmer, der Integrator, der Komparator und der Schalter in einem ersten Modul zusammengefasst sind und dass die Schaltsteuermittel, die Zeitbestimmungsmittel und die Wertbestimmungsmittel in einem zweiten, separaten Modul zusammengefasst sind.
Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt in einer speziellen Zuordnung funktionaler Elemente zu unterschiedlichen Modulen. Wie oben ausführlich diskutiert, ist es im Fall der klassischen digitalen Wägezellen bekannt, die gesamte Kraftaufnahme und Digitalisierung in der Wägezelle vorzunehmen und den digitalen Wägewert an eine Zentraleinheit zu übermitteln. Andererseits ist es ebenso bekannt, lediglich die analoge Kraftaufnahme in der Wägezelle durchzuführen und das Analogsignal zu einem zentralen A/D-Wandler zu übertragen. Die vorliegende Erfindung nimmt jedoch eine andere Aufteilung der funktionalen Elemente vor. Erfindungsgemäß werden die der funktionalen Einheit des A/D-Wandlers zuzuordnenden Elemente aufgespalten und unterschiedlichen Modulen zugeordnet. Insbesondere werden all diejenigen Elemente, in die analoge Signale eingespeist werden und/oder die keine digitalen Signale ausgeben, dem ersten Modul zugeordnet, wo hingegen sämtliche anderen funktionalen Elemente dem zweiten Modul zugeordnet werden. Auf diese Weise wird erreicht, dass die gesamte Analogdatenverarbeitung bis zur Erzeugung eines ersten Digitalsignals in der Wägezelle, d. h. dem ersten Modul, durchgeführt wird und die weitere Verarbeitung des Digitalsignals bis hin zur Ermittlung des digitalen Gesamtwertes, der die Informationen mehrerer Wägezellen umfassen kann, in einem rein digital arbeitenden, zweiten Modul durchgeführt wird. Entsprechendes gilt auch für den Informationsfluss in umgekehrter Richtung, d. h. von dem digitalen zweiten Modul zum analog arbeitenden ersten Modul.
Die praktische Konsequenz dieser speziellen Aufteilung der funktionalen Elemente ist, dass es, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform realisiert, möglich ist, dass das erste Modul und das zweite Modul steuertechnisch nur über ein Leitungspaar verbunden sind, welches die Komparatorpulsleitung und eine die Schaltsteuermittel und den Schalter verbindende Schaltleitung umfasst. Beide Leitungen sind rein digitaler Natur. Unter einer digitalen Leitung wird hier eine Leitung verstanden, über die ein lediglich zwei Pegel umfassendes Informationssignal übermittelt wird. Derartige Leitungen sind bekanntermaßen besonders störungsresistent, was ihren wesentlichen Vorteil gegenüber analogen Leitungen begründet, bei denen der Informationsgehalt des übermittelten Signals im kontinuierlichen Pegelverlauf liegt. Entsprechend lang kann das Leitungspaar zwischen der erfindungsgemäßen Wägezelle und ihrem Digitalmodul sein. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft aus bei Systemen, die eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung darstellen und eine Mehrzahl von ersten Modulen umfassen, die mechanisch mit einer Wägeplattform verbunden sind und über jeweils ein Leitungspaar mit einem den ersten Modulen gemeinsamen, zweiten Modul verbunden sind. Aufgrund der Störungsresistenz der digitalen Leitungspaare muss beim Aufbau solcher Systeme nämlich auf die räumliche Verteilung der Wägezellen untereinander sowie zu ihrem gemeinsamen zweiten Modul zumindest unter elektronischen und steuertechnischen Aspekten keine Rücksicht genommen werden.
Mithilfe der vorliegenden Erfindung kann auch das oben diskutierte Problem der Synchronisierung einer Mehrzahl von Wägezellen auf einfache Weise gelöst werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Ausgabe eines Schaltsignals, welches das Anlegen des Arbeitspegels des Referenzsignals an den Integrator veranlasst, von dem gemeinsamen zweiten Modul an die ersten Module gleichzeitig auf allen Schaltleitungen erfolgt. Unabhängig vom speziellen Aufbau der funktionalen Elemente des gemeinsamen zweiten Moduls ist eine Synchronisierung der Schaltleitungen bzw. der über die Schaltleitungen ausgegebenen Schaltsignale problemlos möglich. Es ist daher kein separates Synchronisierungssignal für sämtliche Wägezellen erforderlich; vielmehr wird das die jeweilige Abintegrationsphase unmittelbar auslösende Schaltsignal von dem gemeinsamen zweiten Modul an allen ersten Module ausgegeben.
Im Rahmen der bisherigen Erläuterungen wurden unterschiedliche funktionale Elemente des zweiten Moduls mit unterschiedlichen Bezeichnungen versehen. Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass dies nicht notwendig impliziert, dass derartige funktional getrennte Einheiten baulich getrennten Einheiten entsprechen. Vielmehr ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, sämtliche funktionale Elemente des zweiten Moduls in einem Mikroprozessor zu realisieren. Die Realisierung innerhalb des Mikroprozessors erfolgt durch eine geeignete Kombination von Hardware und Software, die sich der Fachmann im Lichte der hiesigen Offenbarung anhand seines Fachwissens leicht erschließen kann. Die Realisierung des zweiten Moduls als ein einzelner Mikroprozessor gilt insbesondere auch für diejenigen Ausführungsformen, bei denen mehrere erste Module ein gemeinsames zweites Modul nutzen. Es ist offensichtlich, dass ein als gemeinsames zweites Modul fungierender Mikroprozessor eine geeignete Anzahl an Eingängen haben muss, die über Leitungspaare mit den jeweils zugeordneten ersten Modulen verbunden.
Bei einer solchen Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, wenn in dem Mikroprozessor ein Zähler und für jedes angeschlossene erste Modul ein mit dem Zählwertausgang gekoppeltes Register vorgesehen ist, dessen dem Zählerstand zum Zeitpunkt der Pulsflanke des zugeordneten Komparatorpulssignals entsprechender Inhalt bei einer von der Pulsflanke veranlassten Änderung des zugeordneten Schaltsignals festgehalten und als Maß für das Sensorsignal des zugeordneten Sensors ausgelesen wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass es nicht erforderlich ist, zur Bestimmung der Dauer des Messintervalls für jede Wägezelle einen separaten Zähler vorzusehen, der von dem Komparatorpulssignal und dem Schaltsignal gestartet bzw. gestoppt wird. Vielmehr ist es hinreichend und unter dem Aspekt des Prozessor-Layouts vorteilhaft, nur einen Zähler vorzusehen, der seinen jeweiligen Zählerstand synchron in Register einspeist, von denen jeweils eines einem ersten Moduls zugeordnet ist. Beim Null-Setzen des Zählers wird das Schaltsignal gesetzt und über die Schaltleitung zum Schalter übermittel, der den Arbeitspegel des Referenzsignals an den Integrator anlegt. Danach läuft der Zähler hoch, wobei sein Zählerstand jeweils in die Register eingeschrieben wird. Am Ende der Abintegrationsphase, die in der Regel für jede der Wägezellen entsprechend der jeweils eingeleiteten Kraft zu einem anderen Zeitpunkt endet, erzeugt das Komparatorpulssignal eine Änderung des Schaltsignals, die den Wert des jeweils zugeordneten Registers kurzfristig einfriert, so dass dieser Wert als Maß für den Sensorwert der jeweils zugeordneten Wägezelle ausgelesen werden kann. Liegen die entsprechende Werte sämtlicher Wägezellen vor, kann der Mikroprozessor eine geeignete Kombination der Einzelwerte zur Berechnung des Gesamtwägewertes vornehmen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1: ein schematisches Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2: ein schematisches Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3: ein schematisches Timing-Diagramm zur Illustration der Funktion der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der gezeigten Ausführungsform sind drei Wägezellen 1, 2, 3, mit einem gemeinsam genutzten Digitalmodul 4 verbunden. Die Anzahl der Wägezellen ist für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich. Insbesondere können mehr, weniger oder auch nur eine einzelne Wägezelle realisiert sein. Typischerweise sind die Wägezellen 1, 2, 3 mechanisch mit einer Wägeplattform verbunden, die ein zu wiegendes Objekt aufnimmt. Nachfolgend sollen nur die Einzelheiten der Wägezellen 1 diskutiert werden, die im Wesentlichen baugleich mit den übrigen Wägezellen 2, 3 ist, sodass eine Übertragung für den Fachmann einfach ist, zumal einander entsprechende Bezugszeichen einander entsprechende Bauteile bezeichnen.
Über einen Widerstand 10, der mit dem Ausgang eines in 1 nicht dargestellten Kraftaufnehmers verbunden ist, wird ein der in den Kraftaufnehmer eingeleiteten Gewichtskraft eines zu wiegenden Objektes entsprechender Strom in den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers eingeleitet. Der Operationsverstärker 12 ist als ein Integrator geschaltet, d. h. sein Ausgang ist über einen Kondensator 14 zu dem invertierenden Eingang rückgekoppelt. Dieser ist zusätzlich über einen Widerstand 16 und einen Schalter 18 mit einer nicht näher dargestellten Referenzspannungsquelle verbunden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Verbindung mittels des Schalters 18 zwischen einem schwebendem Zustand und einem mit einem Referenzpotential verbundenen Zustand schaltbar. Bei alternativen Ausführungsformen kann der Schalter 18 auch zwischen zwei unterschiedlichen Pegeln eines Referenzsignals hin und herschalten. Dem Ausgang des Operationsverstärkers 12 nachgeschaltet ist ein Komparator 20, der das von dem Integrator gelieferte Signal INT1 mit einem Schwellenwert (hier dem Massepotential) vergleicht und bei Erreichen des Schwellenwertes eine Pulsflanke eines Komparatorpulssignals KIP1 auf eine Komparatorpulsleitung 22 ausgibt, das in ein Digitalmodul 4 eingeleitet wird. Das Digitalmodul 4 ist vorzugsweise als ein Mikroprozessor ausgebildet. In der Darstellung von 1 sind zwei der in dem Mikroprozessor realisierten Funktionalitäten, nämlich die Schaltsteuermittel 28, die den Schalter 18 ansteuern, und ein Zähler 32 separat dargestellt. Die Darstellung der Schaltsteuermittel 28 erfolgt gemäß der Funktionalität eines getakteten Flipflops, wobei eine vergleichbare Funktionalität jedoch auch mit anderen Bauteilen und insbesondere bei Integration der Schaltsteuermittel in den Mikroprozessor erreicht werden kann. In Abhängigkeit von dem Komparatorpulssignal KIP1 und einem das Null-Setzen des Zählers 32 anzeigenden Ausgangssignal des Zählers 32 erzeugen die Schaltsteuermittel 28, deren Ausgang mit einer Schaltleitung 30 verbunden sind, ein Schaltsignal AOP1, welches den Schalter 18 ansteuert. Eine derartige, digitale Wägevorrichtung ist grundsätzlich bekannt, sodass die Einzelheiten der Schalteransteuerung und der Digitalwertermittlung hier nicht vertieft ausgeführt werden müssen. Insbesondere das bevorzugt angewandte Mehrfachrampenverfahren zur Digitalisierung eines analogen Messwertes, das vorzugsweise im Rahmen der Erfindung eingesetzt wird, ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
3 zeigt ein Timing-Diagramm, welches schematisch die das Integratorsignale INT1, INT2, INT3, die Komparatorpulssignale KIP1, KIP2, KIP3 und die Schaltsignale AOP1, AOP2, AOP3 einer drei Wägezellen umfassenden Wagevorrichtung als fette Linien darstellt. Nachfolgend sollen die Signale INT1, KIP1 und AOP1, die zu einer ersten Wägezelle gehören, erläutert werden. Die übrigen in 3 gezeigten Signale sind entsprechend zu verstehen. Während einer Aufintegrationsphase Iup, während derer das Schaltsignal AOP1 einen LO-Pegel aufweist und der Schalter 18 geöffnet ist, liegt nur das Messsignal an dem Operationsverstärker 12 an. Das Integratorsignal INT erhöht sich entsprechend. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit endet die Aufintegrationsphase Iup und der Zähler 32 wird auf Null gesetzt und gestartet. Dabei wird ein Setz-Signal an den Setz-Eingang des Flipflops 28 gesendet, der hierdurch gesetzt wird, d. h. sein Ausgangssignal, das Schaltsignal AOP1 geht auf HI-Pegel sodass der Schalter 18 geschlossen wird und die im Kondensator 14 akkumulierte Ladung abgebaut wird. Das Integratorsignal INT1 fällt entsprechend. Die Zeitspanne, die erforderlich ist, um das Integratorsignal INT1 unter einen vorgegebenen Schwellenwert zu senken und während derer der Zähler 32 hochzählt, ist repräsentativ für die zuvor aufintegrierte Ladung und somit für das Messsignal. Das Erreichen des Schwellenwertes wird von dem Komparator 20 durch Ausgabe einer Pulsflanke des Komparatorpulssignals KIP1 signalisiert. Diese Pulsflanke setzt den Flipflop 28 zurück, sodass sein Ausgangssignal, das Schaltsignal AOP1 wieder auf LO-Pegel geht. Dieser Übergang stoppt den Zähler 32. Die Dauer dieses Abintegrations- oder Messintervalls Im kann somit am nicht gesondert dargestellten Zählwertausgang des Zählers 32 abgelesen werden. Man beachte, dass das in 3 dargestellte Timing-Diagramm nur eine Variante möglicher Ansteuerungen der A/D-Wandlung darstellt. Andere Varianten können von der vorliegenden Erfindung profitieren. Wesentlich ist, dass ein für das Messsignal repräsentatives Zeitintervall mittels der von dem Komparator 20 erzeugten Pulsflanke und dem Schaltsignal AOP1 bzw. einem diesem vorgelagerten Steuersignal ermittelt werden kann. Entsprechend sind die übrigen in 3 gezeigten Signale zu verstehen, wobei INT2, KIP2 und AOP2 den Fall eines kleineren und INT3, KIP3 und AOP3 den Falle eines größeren Wägewertes der zugeordneten Wägezelle illustrieren.
Aus 1 ist deutlich erkennbar, dass die Verbindung zwischen den Wägezellen 1, 2, 3 und dem gemeinsamen Digitalmodul 4 auf jeweils ein digitales Leitungspaar, jeweils bestehend aus der Komparatorpulsleitung 22 und der Schaltleitung 30, reduziert ist. Der räumliche Abstand zwischen den Wägezellen, 1, 2, 3 und dem Digitalmodul 4 kann somit nahezu beliebig groß gestaltet werden, was die Flexibilität bei komplexen Aufbauten erheblich erhöht.
2 zeigt im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie 1, wobei jedoch das Digitalmodul auf besonders vorteilhafte Weise organisiert ist. Nachfolgend soll nur auf die Unterschiede zu der Ausführungsform von 1 eingegangen werden. Anstelle der Realisierung eines eigenen Zählers für jede Wägezelle 1, 2, 3 wird nur ein für alle Wägezellen 1, 2, 3 zuständiger Zähler realisiert. der Zählwertausgang des Zählers 32 ist mit den Messzellen jeweils zugeordneten Registern verbunden. Das Setz-Signal beim Null-Setzen des Zählers 32 in 2 erfolgt simultan für sämtliche Schaltsteuermittel bzw. Flipflops 28. Die Abintegrationsphase beginnt daher in jeder Messstelle 1, 2, 3 gleichzeitig. In der Regel wird die Abintegrationsphase in den einzelnen Wägezellen 1, 2, 3 gemäß den unterschiedlichen Messsignalen der Wägezellen 1, 2, 3 zu unterschiedlichen Zeitpunkten enden. Zu diesen unterschiedlichen Zeitpunkten wird von dem jeweils zugeordneten Komparator die Pulsflanke erzeugt, die die zugeordneten Schaltsteuermittel 28 rücksetzt, wodurch das zugeordnete Schaltsignal wieder auf LO-Pegel geht. Dieser Übergang latcht das zugeordnetes Register 34, welches mit dem Zählwertausgang des zugeordneten Zählers 32 verbunden ist. Dies bedeutet, dass der Inhalt des Registers 34 während der Abintegrationsphase dem jeweils aktuellen Zählerwert des Zählers 32 entspricht und bei Beendigung der Abintegrationsphase eingefroren wird. Das Register 34 kann dann ausgelesen und der ausgelesene Wert geeignet weiterverarbeitet werden. Auf diese Weise wird erreicht, dass ohne besondere Synchronisierungsmaßnahmen alle Wägezellen 1, 2, 3 synchron messen und die jeweiligen Messergebnisse in dem Digitalmodul weiterverarbeitet und insbesondere zu einem Gesamtwägewert kombiniert werden können.
Natürlich stellen die in den Figuren gezeigten und in der speziellen Beschreibung diskutierten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann der hiesigen Offenbarung ein breites Variationsspektrum anhand gegeben. Insbesondere kann das Timing der Ansteuerung der einzelnen Komponenten je nach Einzelfall variieren. Auch können einzelne Elemente oder Elementengruppen durch im Wesentlichen entsprechend arbeitende Elementengruppen ersetzt werden. Das Digitalmodul 4 ist bevorzugt als ein Mikroprozessor mit mehreren Eingängen ausgebildet, wobei die konkret realisierte Logik durch eine Kombination seiner Hardware und Software erreicht wird.

1: Wägezelle
2: Wägezelle
3: Wägezelle
4: Digitalmodul
10: Widerstand
12: Operationsverstärker
14: Kondensator
16: Widerstand
18: Schalter
20: Komparator
22: Komparatorpulsleitung
28: Schaltsteuereinrichtung/Flipflop
30: Schaltleitung
32: Zeitmessmittel/Zähler
34: Register
INT1: Integratorsignal
INT2: Integratorsignal
INT3: Integratorsignal
KIP1: Komparatorpulssignal
KIP2: Komparatorpulssignal
KIP3: Komparatorpulssignal
AOP1: Schaltsignal
AOP2: Schaltsignal
AOP3: Schaltsignal
Iup: Aufintegrationsphase
Im: Messintervall

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2114141 [0002]
- DE 2820601 C2 [0002]
- DE 10040373 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Rauchschwalbe, U.: "Digitale Wägezellen: Innovation oder Marketing-Gag?", wdm wägen dosieren mischen, Ausgabe 1, März 2007 [0003]

Claims

Digitale Wägevorrichtung, umfassend – einen Kraftaufnehmer, der ein einer eingeleiteten Kraft entsprechendes, analoges Sensorsignal erzeugt, – einen Integrator (12, 14), der das Sensorsignal als bei Betrieb dauerhaft an ihn angelegtes Messsignal sowie einen zeitweise an ihn angelegten Arbeitspegel eines Referenzsignals integriert, – einen dem Integrator nachgeschalteten Komparator (20), der ein Integrator-Ausgangssignal mit einem Schwellenwert vergleicht und bei Erreichen des Schwellenwertes jeweils eine Pulsflanke eines Pulssignals auf einer Komparatorpulsleitung (22) erzeugt, – Schaltsteuermittel (28), die in Abhängigkeit von dem Pulssignal einen Schalter (18) zum zeitweise Anlegen des Arbeitspegels des Referenzsignals an den Integrator (12, 14) ansteuern, sowie – Wertbestimmungsmittel, die auf Basis einer von Zeitbestimmungsmitteln (32) erfassten Dauer derjenigen Intervalle, während derer der Arbeitspegel des Referenzsignals an den Integrator (12, 14) angelegt ist, das Sensorsignal repräsentierende Wägewerte bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnehmer, der Integrator (12, 14), der Komparator (20) und der Schalter (18) in einem ersten Modul (1, 2, 3) zusammengefasst sind und dass die Schaltsteuermittel (28), die Zeitbestimmungsmittel (32) und die Wertbestimmungsmittel in einem zweiten, separaten Modul (4) zusammengefasst sind.
Wägevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Modul (4) als ein Mikroprozessor ausgebildet ist.
Wägevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modul (1, 2, 3) und das zweite Modul (4) steuertechnisch nur über ein Leitungspaar (22, 30) verbunden sind, welches die Komparatorpulsleitung (22) und eine die Schaltsteuermittel (28) und den Schalter (18) verbindende Schaltleitung (30) umfasst.
Wägevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl erster Module (1, 2, 3) mechanisch mit einer Wägeplattform verbunden und über jeweils ein Leitungspaar (22, 30) mit einem den ersten Modulen (1, 2, 3) gemeinsamen, zweiten Modul (4) verbunden sind.
Wägevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgabe eines Schaltsignals, welches das Anlegen des Arbeitspegels des Referenzsignals an den Integrator (12, 14) veranlasst, von dem gemeinsamen zweiten Modul (4) an die ersten Module (1, 2, 3) gleichzeitig auf allen Schaltleitungen (30) erfolgt.
Wägevorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5 soweit rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Mikroprozessor ein Zähler (32) und für jedes angeschlossene erste Modul (1, 2, 3) ein mit dem Zählwertausgang gekoppeltes Register (34) vorgesehen ist, dessen dem Zählerstand zum Zeitpunkt der Pulsflanke des zugeordneten Komparatorpulssignals entsprechender Inhalt bei einer von der Pulsflanke veranlassten Änderung des zugeordneten Schaltsignals festgehalten und als Maß für das Sensorsignal des zugeordneten Sensors ausgelesen wird.