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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erschütterungskompensation
des Gewichtssignals eines Wägesensors mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 sowie eine Wägeeinrichtung
mit einer derartigen Einrichtung zur Erschütterungskompensation.
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Um
die Anzahl von Wägevorgängen pro Zeitintervall
möglichst hoch zu halten, ist es bei herkömmlichen
Wägevorrichtungen bekannt, das Messsignal nur mit einem
Tiefpassfilter mit relativ hoher Grenzfrequenz zu beaufschlagen.
Hierdurch ergibt sich die gewünschte geringe Einschwingzeit
für das gefilterte Messsignal. Wirken also zusätzlich
zur zu erfassenden Last Störbeschleunigungen auf den Wägesensor,
beispielsweise in Form von relativ hochfrequenten Vibrationen, so
können derartige Störungen des Messsignals mittels
des Tiefpassfilters am Ausgang der Wägeeinrichtung eliminiert
werden.
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Zudem
besteht die Möglichkeit, dass auf den Wägesensor
nicht nur relativ hochfrequente, sondern auch niederfrequente Störbeschleunigungen
einwirken. Entsprechend niederfrequente Störbeschleunigungen
lassen sich mit einem üblichen Tiefpassfilter kaum mehr
eliminieren, da in diesem Fall die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters
derart gering gewählt werden müsste, dass die
Einschwingzeit nicht mehr in einem akzeptablen Bereich liegt.
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Es
ist daher üblich, Beschleunigungen als eine wesentliche
Störquelle bei der Gewichtsmessung durch geeignete Beschleunigungssensoren
zu erfassen und mit geeigneten Methoden zu kompensieren. Das Signal
des Beschleunigungssensors dient dabei zur Korrektur des noch mit
der Störgröße beaufschlagten Messsignals.
Vorrangig werden bei derartigen bekannten Wägeeinrichtungen
die Beschleunigungssensoren baugleich wie die eigentlichen Wägesensoren
aufgebaut und auch identisch in der unmittelbaren Umgebung der Wägesensoren ausgerichtet.
Häufig werden die Beschleunigungssensoren dabei mit der
selben Vorlast beaufschlagt, wie die Wägesensoren, wobei
im Fall des Wägesensors die Vorlast beispielsweise aus
einer Wägeschale oder der Fördereinrichtung eines
Wägeförderers bestehen kann.
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Mit
diesen Maßnahmen wird für den Beschleunigungssensor
in Bezug auf die (mechanischen) Störsignale annähernd
dasselbe dynamische Verhalten erreicht, das der Wägesensor
in Bezug auf die Störsignale aufweist. Um auch die auf
den Wägesensor wirkende eigentliche Lastkraft zu berücksichtigen,
wird die Verstärkung des Störgrößensignals
in Abhängigkeit von der Lastkraft bzw. von der auf den Wägesensor
aufgelegten Masse nachgeführt.
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Ist
der Wägesensor nicht mehr baugleich mit dem Beschleunigungssensor,
so ist es bekannt, mit einer analogen Signalverarbeitung ein starres
Abbildfilter zu realisieren, welches das Systemverhalten des eigentlichen
Wägesensors nachbildet. Das Systemverhalten wird dabei
beeinflusst durch das dynamische Verhalten der mechanischen Komponenten des
Wägesensors. Neben dem durch die mechanischen Komponenten
bedingten Systemverhalten beeinflussen bei bestimmten Wägesensoren
auch elektromechanische Komponenten das Systemverhalten. Beispielsweise
spielt diesbezüglich bei einem Wägesensor nach
dem Prinzip der elektrodynamischen Kraftkompensation der Positionsregler
eine entscheidende Rolle. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass
in der vorliegenden Beschreibung unter einem Wägesensor
ein beliebiger Kraftaufnehmer verstanden wird, der zum Zweck des
Wiegens eines beliebigen Guts einsetzbar ist.
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Ein
Problem bei diesem Stand der Technik ist jeweils, dass das dynamische
Verhalten des Wägesensors von der aufgelegten Masse, das
heißt von der Lastkraft abhängt und daher bei
veränderlicher Masse bzw. variierender Lastkraft das Abbildfilter nicht
mehr optimal angepasst ist. Beispielsweise sinken bei üblichen
Wägesensoren mit zunehmender Lastkraft die Eigenresonanzen
des Wägesensors. Eine Lösungsmöglichkeit
wäre es in diesem Fall, den Wägesensor entsprechend
groß und steif mit sehr hohen Eigenresonanzen zu baue.
Dies steht jedoch mit der häufig eine große Rolle
spielenden Forderung nach geringer Bauform und hoher messtechnischer Empfindlichkeit
im Widerspruch.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur
Erschütterungskompensation des Gewichtssignals eines Wägesensors
zu schaffen, die auch im Fall der Verwendung von Beschleunigungssensoren,
die nicht identisch mit der eigentlichen Messzelle bzw. dem Wägesensor
aufgebaut sind, eine hohe Messgenauigkeit zu gewährleisten,
auch wenn die auf den Wägesensor wirkende Lastkraft einen
großen Bereich abdeckt. Des Wei teren liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Wägeeinrichtung mit einer derartigen
Einrichtung zur Erschütterungskompensation zu realisieren.
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Die
Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche
1 bzw. 15.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass durch den Einsatz eines
adaptiven digitalen Filters im Signalpfad für die Ermittlung
der Störgröße der Frequenzgang des digitalen
Filters in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Wägeeinrichtung
bzw. der Einrichtung zur Erschütterungskompensation der gesamte
Frequenzgang des Kompensationssignalzweigs (einschließlich
des Beschleunigungssensors) für die betreffende Störgröße
(rein translatorische Beschleunigung in einer definierten Richtung oder
rein rotatorische Winkelbeschleunigung um eine definierte Achse)
an den Frequenzgang der im Wägesignalzweig befindlichen
Komponenten, insbesondere den lastkraftabhängigen Frequenzgang
des verwendeten Wägesensors (in Bezug auf dieselbe Störgröße),
angepasst werden kann. Durch eine geeignete digitale Signalverarbeitung
kann somit die jeweilige Störgröße, d.
h. die Beschleunigung in einer vorgegebenen translatorischen Richtung
oder die Winkelbeschleunigung um eine vorgegebene Achse, ermittelt
und von dem noch mit dieser Störgröße
behafteten Messsignal subtrahiert werden.
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Damit
kann mittels jeweils eines Kompensationssignalzweigs die Auswirkung
einer Störbeschleunigung in jeweils einem definierten Freiheitsgrad
durch die Erzeugung eines entsprechenden Störgrößensignals
berücksichtigt werden. Die ggf. mehreren Störgrößensignale
werden dann von dem noch gestörten Messsignal subtrahiert.
In jedem der einzelnen Kompensationssignalzweige kann durch die
entsprechende Nachbildung des Frequenzgangs des Wägesignalzweigs
in Bezug auf die jeweilige Störgröße
die von der auf den Wägesensor wirkenden Gesamtlast abhängige
Störgröße korrekt ermittelt und berücksichtigt
werden.
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Die
adaptive digitale Filtereinheit kann nach einer Ausführungsform
der Erfindung aus dem eigentlichen digitalen Filter bestehen, welches
eine vorgegebene Anzahl von Filterparametern aufweist, sowie aus
einer Filterparameter-Ermittlungseinheit, welcher die Führungsgröße
zugeführt ist und welche abhängig von dem ihr
zugeführten Führungssignal die Filterparameter
der Filtereinheit ermittelt und an das digitale Filter übergibt.
Die Führungsgröße kann dabei das Ausgangssignal
der Additionseinheit sein, mit welcher das noch störgrößenbehaftete
Messsignal und die ggf. mehreren jeweils mit einem negativen Vorzeichen beaufschlagten
Kompensationssignale der Kompensationssignalzweige addiert werden.
An Stelle der unmittelbaren Verwendung dieses addierten Signals
kann auch das mit einem Tiefpassfilter gefilterte Ausgangssignal
der Additionseinheit verwendet werden. Schließlich ist
es auch möglich, das noch störgrößenbehafte
digitale Messsignal als Führungssignal zu verwenden.
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Die
Filterparameter-Ermittlungseinheit kann dabei die Filterparameter
aus einer oder mehreren funktionalen analytischen Abhängigkeiten
aus dem Führungssignal berechnen.
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Nach
einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Filterparameter-Ermittlungseinheit
die Filterparameter aus einer oder mehreren gespeicherten Tabellen
ermitteln, in welcher die Filterparameter als Parametersätze
in Abhängigkeit von Werten für das Führungssignal
oder in Abhängigkeit von Wertebereichen für das
Führungssignal gespeichert sind.
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In
jedem Fall kann das Ermitteln der Filterparameter abhängig
von der Führungsgröße und das Zuführen
der ermittelten Filterparameter an das digitale Filter (und damit
der gesamte Vorgang der Erschütterungskompensation) als
geschlossene Regelschleife realisiert sein.
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Das
digitale Filter kann zur Erleichterung der Auslegung des gesamten
Filters in wenigstens ein erstes digitales Teilfilter, dessen Filterparameter
in Abhängigkeit von der Führungsgröße
adaptiv ermittelt werden, und in wenigstens ein zweites digitales Teilfilter
aufgeteilt sein, dessen Filterparameter unabhängig von
der Führungsgröße konstant gehalten werden.
Dabei kann mittels des jeweils zweiten digitalen Teilfilters in
einem Kompensationssignalzweig derjenige Anteil des Frequenzgangs
des Wägesignalzweigs berücksichtigt werden, der
von der auf den Wägesensor wirkenden Lastkraft unabhängig
ist. Selbstverständlich schließt dieser Anteil
auch denjenigen Anteil des Frequenzgangs des Wägesignalzweigs
ein, der vollständig von einer Beschleunigungsstörgröße,
die auf den Wägesensor wirkt, unabhängig ist.
Hierbei kann es sich beispielsweise um den Frequenzgang von elektronischen
Komponenten, beispielsweise digitalen oder analogen Filtern, handeln.
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Die
Filterparameter des wenigstens einen zweiten digitalen Teilfilters
können in einem Kalibriervorgang abhängig von
den Charakteristika des Wägezweigs ermittelt werden, die
von der auf den Wägesensor wirkenden Lastkraft unabhängig
sind. Die Ermittlung kann unter Verwendung einer übergeordneten
Steuereinheit erfolgen oder auch mittels der Filterparameter-Ermittlungseinheit,
die hierzu in einen Kalibriermodus überführbar
sein kann.
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Werden
mehrere Störgrößen, beispielsweise für
unterschiedliche Beschleunigungsfreiheitsgrade, ermittelt, so können
die wenigstens einen zweiten digitalen Teilfilter in den verschiedenen
Kompensationssignalzweigen identisch ausgebildet sein, das heißt
eine identische Filterstruktur aufweisen und mit denselben Filterparametern
arbeiten.
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In
diesem Fall kann die Struktur der gesamten Kompensationseinrichtung
dann auch so gewählt werden, dass die Kompensationszweige
einen gemeinsamen Teilzweig aufweisen, in welchem ein zweites digitales
Teilfilter liegt, welches für sämtliche Kompensationssignalzweige
den nicht von der Lastkraft abhängigen Teil des Frequenzgangs
des Wägesignalzweigs nachbildet.
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Nach
einer Ausführungsform der Erfindung kann das digitale Filter
und damit auch jedes der wenigstens einen bzw. zweiten digitalen
Teilfilters in mehrere Filter zweiter Ordnung aufgeteilt sein oder aus
jeweils einem Filter zweiter Ordnung bestehen. Hierdurch wird die
Auslegung der Filter erleichtert. Für diejenigen Teilfilter
zweiter Ordnung, die als adaptive Teilfilter ausgebildet sind, ergibt
sich eine einfachere funktionale Abhängigkeit der Filterparameter von
der Führungsgröße.
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Jede
Filtereinheit in einem Kompensationssignalzweig kann erfindungsgemäß eine
digitale Verstärkereinheit umfassen, die als digitale Multiplikationseinheit
ausgebildet ist. Die digitale Verstärkereinheit eines Kompensationssignalzweiges
kann dabei jeweils vom ersten digitalen Teilfilter umfasst sein. Denn
hierbei handelt es sich lediglich um einen konstanten Multiplikationsfaktor
vor der Filterfunktion.
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Der
Verstärkungsfaktor der digitalen Verstärkereinheit
kann dabei auch adaptiv in Abhängigkeit von der Führungsgröße
ermittelt werden.
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Ist
lediglich ein einziger Kompensationszweig vorgesehen, so kann erfindungsgemäß das adaptive
digitale Filter auch im Wägezweig vorgesehen sein, wobei
auch in diesem Fall (analog der vorhergehenden Beschreibung) der
Frequenzgang des Wägezweigs ein schließlich des
Wägesensors an den Frequenzgang des Kompensationszweigs
einschließlich des Beschleunigungssensors angepasst wird.
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Weitere
Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm der Signalverarbeitungskomponenten einer
im Übrigen nicht näher dargestellten Wägeeinrichtung
mit einer ersten Ausführungsform einer Einrichtung zur Erschütterungskompensation
mit einem einzigen Störgrößensensor;
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2 eine
Darstellung ähnlich 1 einer weiteren
Ausführungsform einer Wägeeinrichtung mit einer
Einrichtung zur Erschütterungskompensation, welche zwei
Störgrößensensoren aufweist, und
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3 eine
Darstellung ähnlich 2 einer weiteren
Ausführungsform einer Wägeeinrichtung mit einer
Einrichtung zur Erschütterungskompensation, welche zwei
Störgrößensensoren aufweist, deren Signale
zur Berechnung einer anderen Störgröße und/oder
zur Berechnung des Einflusses der jeweiligen Störgröße
am Ort des Wägesensors verknüpft werden.
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1 zeigt
eine Wägeeinrichtung 1, von der lediglich die
für das Verständnis der vorliegenden Erfindung
relevanten Komponenten in einem schematischen Blockdiagramm dargestellt
sind. Die Wägeeinrichtung 1 umfasst einen Wägesensor 3,
der mit einer Lastkraft FL beaufschlagt
ist, die von einer zu wiegenden Masse mL auf
einen Lastaufnehmer des Wägesensors 3 ausgeübt
wird. Der Wägesensor kann nach dem Prinzip der elektromagnetischen
Kraftkompensation oder nach jedem möglichen anderen physikalischen
Prinzip zur Erfassung der Gewichtskraft einer zu wiegenden Masse
mL funktionieren. Dabei ist es für
die vorliegende Erfindung unerheblich, ob der Wägesensor 3 als
selbstständige Wägezelle und beispielsweise mit
einer Analog-/Digitalwandlereinheit 5 integriert ausgebildet
ist, oder ob der Wägesensor 3 als separate, eigenständige
Einheit vorliegt.
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Das
zunächst noch analoge Messsignal oder Wägesignal
umess(t) des Wägesensors 3 ist
dem Wandlereingang der Analog-/Digitalwandlereinheit 5 zugeführt,
die an ihrem Ausgang ein digitales Wägesignal umess(ti) erzeugt,
wobei die digitalisierten Abtastwerte des digitalen Messignals umess(ti) mit Umess,i bezeichnet sind. Das digitalisierte
Messsignal ist einer Additionseinheit 7 zugeführt.
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Die
Wägeeinrichtung 1 umfasst des Weiteren einen Beschleunigungssensor 9 zur
Erfassung einer Beschleunigungsstörgröße
in einer vorgegebenen translatorischen Richtung oder um eine vorgegebene
rotatorische Achse. Beispielsweise kann der Beschleunigungssensor 9 nur
auf Beschleunigungen reagieren, die in Richtung der Einleitung der
Lastkraft FL auf den Wägesensor,
das heißt in vertikaler Richtung, wirken. Derartige Beschleunigungen
beeinflussen selbstverständlich auch das analoge Messsignal umess(t) bzw. das digitalisierte Signal umess(ti).
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Das
analoge Ausgangssignal BA(t) des Beschleunigungssensors 9 ist
einer weiteren Analog-/Digitalwandlereinheit 11 zugeführt,
die das analoge Störgrößensignal BA(t)
abtastet und in ein digitalisiertes Signal BA(ti)
umsetzt. Die Abtastzeitpunkte der beiden Analog- /Digitalwandlereinheiten 5 bzw. 11 sind
dabei vorzugsweise möglichst zeitgleich gewählt,
um eine spätere Kompensation einer entsprechenden Phasenverschiebung
zu vermeiden. Die Abtastung erfolgt in beiden Fällen in äquidistanten Zeitabschnitten.
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Das
digitalisierte Ausgangssignal bzw. die betreffenden Abtastwerte
BA(ti) des digitalisierten Störgrößensignals
werden zunächst einer digitalen Verstärkereinheit 13 zugeführt,
wobei diese als einfache digitale Multiplikatoreinheit ausgebildet
sein kann.
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Das
so verstärkte digitalisierte Störgrößensignal
wird einer digitalen Filtereinheit 15 zugeführt. Die
digitale Filtereinheit 15 kann als eigenständige Signalverarbeitungseinheit
realisiert sein oder durch eine Mikrocontrollereinheit, die eine
entsprechende Filtersoftware umfasst. Das digitale Ausgangssignal der
Filtereinheit 15 wird mit einem negativen Vorzeichen beaufschlagt
und als Korrektursignal bzw. Kompensationssignal der Additionseinheit 7 zugeführt. Auf
diese Weise wird von den digitalisierten Werten Umess,i des
noch mit der Störgröße beaufschlagten Wägesignals
umess(ti) jeweils
der betreffende verstärkte (d. h. mit einem vorgegebenen
Faktor multiplizierte) Wert des digital gefilterten Störgrößensignals
BAi subtrahiert, so dass am Ausgang der
Additionseinheit 7 das korrigierte bzw. kompensierte Wägesignal ukorr(ti) vorliegt.
Dieses korrigierte digitale Signal ukorr(ti) wird einer Tiefpassfiltereinheit 17 zugeführt, die
beispielsweise durch die Bildung eines gleitenden Mittelwerts realisiert
sein kann. Am Ausgang der Wägeeinrichtung 1 liegt
dann das korrigierte und tiefpassgefilterte digitale Wägesignal
u(ti) vor.
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Um
ein jeweils in Betrag und Phase korrektes digitales Störgrößensignal
zu erzeugen, welches mit dem negativen Vorzeichen beaufschlagt der
Additionseinheit 7 zugeführt wird, ist es erforderlich, dass
der Frequenzgang des Kompensationssignalzweigs (in Bezug auf die
betreffende mechanische Beschleunigungsstörgröße)
einschließlich des damit verbundenen Beschleunigungssensors
möglichst identisch ist mit dem Frequenzgang des Wägesignalzweigs
einschließlich des Wägesensors (in Bezug auf dieselbe
mechanische Beschleunigungsstörgröße)
oder diesen zumindest mit einer ausreichenden (vorgegebenen) Genauigkeit
annähert. Der Kompensationssignalzweig umfasst dabei die
Analog-/Digitalwandlereinheit 11, die digitale Verstärkereinheit 13 und
die digitale Filtereinheit 15, während der Wägesignalzweig
die Analog-/Digitalwandlereinheit 5 umfasst.
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Werden
für den Wägesensor 3 und den Beschleunigungssensor 9 jeweils
baugleiche Sensoren mit identischen Eigenschaften verwendet, so
könnten, wie im Stand der Technik bekannt, die digitale Verstärkereinheit 13 und
die digitale Filtereinheit 15 zumindest dann entfallen,
wenn auf beide Sensoren jeweils die selbe Lastkraft FL wirkt.
Da dies jedoch kaum realisierbar ist, muss eine Korrektur des erfassten
Messsignals umess(t) bzw. umess(ti) bereits aus diesem Grund erfolgen, da
der Frequenzgang des Wägesensors 3 und damit der
gesamte Frequenzgang des Wägesignalzweigs einschließlich
des Wägesensors regelmäßig von der Lastkraft
FL abhängt.
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Werden
nicht baugleiche Sensoren für den Wägesensor 3 und
den Beschleunigungssensor 9 verwendet, so müssen
im Kompensationszweig nicht nur der Einfluss der unterschiedlichen
Lastkräfte auf den Frequenzgang des Wägesensors,
sondern auch die unterschiedlichen Eigenschaften, d. h. generell unterschiedliche
Frequenzgänge der Sensoren und ggf. der in den Zweigen
unterschiedlich ausgebildeten elektronischen Signalverarbeitungskomponenten kompensiert
werden.
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Zur
Kompensation der lastkraftabhängigen Veränderung
des Frequenzgangs des Wägesensors wird der digitalen Filtereinheit 15 und
erforderlichenfalls auch der digitalen Verstärkereinheit 13 das
Ausgangssignal u(ti) der Wägeeinrichtung
zugeführt. Auf diese Weise können die Filtereinheit 15 bzw.
die digitale Verstärkereinheit 13 jeweils die
Filterparameter bzw. den Verstärkungsfaktor so in Abhängigkeit
vom Ausgangssignal u(ti) festlegen, dass
für die momentan auf den Wägesensor 3 wirkende
Lastkraft FL der Frequenzgang des Wägesignalzweigs
einschließlich des Frequenzgangs des Wägesensors
mit dem Frequenzgang des Kompensationssignalzweigs einschließlich
des Frequenzgangs des Beschleunigungssensors (in Bezug auf die vorbestimmte
Beschleunigungsstörgröße) übereinstimmt.
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Die
Filtereinheit 15 kann dabei, wie bereits vorstehend erläutert,
auch die Funktion der digitalen Verstärkereinheit 13 übernehmen.
Die digitale Filtereinheit 15 kann aus dem eigentlichen
digitalen Filter sowie einer Filterparameter-Ermittlungseinheit
bestehen, welcher das Ausgangssignal u(ti)
als Führungsgröße zugeführt
ist. Die Filterparameter-Ermittlungseinheit kann dabei auch den
konstanten Multiplikationsfaktor ermitteln, welcher die digitale
Verstärkereinheit 13 realisiert.
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Zur
Ermittlung der Filterparameter kann die Filterparameter-Ermittlungseinheit über
funktionale Abhängigkeiten verfügen, welche jeweils
einen Filterparameter in Abhängigkeit von der Führungsgröße darstellen.
Selbstverständlich können die Filterparameter
jedoch auch aus gespeicherten Tabellen ermittelt werden, in welchen
die Filterparameter als Parametersätze in Abhängigkeit
von Werten für die Führungsgröße
oder in Abhängigkeiten von Wertbereichen für die
Führungsgröße gespeichert sind. Das Bestimmen
der Filterparameter kann generell empirisch, beispielsweise in einem
Kalibriermodus der Filtereinheit bzw. der Filterparamter-Ermittlungseinheit und/oder
rein rechnerisch (beispielsweise durch Simulation) erfolgen.
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Selbstverständlich
kann der digitalen Filtereinheit 15 bzw. der digitalen
Verstärkereinheit 13 anstelle des Ausgangssignals
u(ti) der Wägeeinrichtung 1 auch
das nicht tiefpassgefilterte Ausgangssignal ukorr(ti) der Additionseinheit 7 oder auch
das noch störgrößenbehaftete digitale
Messsignal umess(ti)
als Führungssignal zugeführt werden.
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Damit
kann durch die Verwendung einer adaptiven digitalen Filtereinheit 15 und
ggf. zusätzlich durch die adaptive digitale Verstärkereinheit 13 der Einfluss
von Frequenzgangveränderungen durch unterschiedliche Lastkräfte
FL, die auf den Wägesensor 3 wirken,
kompensiert werden.
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Um
eine möglichst genaue Korrektur zur erreichen, wird man
den Beschleunigungssensor 9 möglichst nahe am
Wägesensor positionieren oder diesen sogar in den Wägesensor
integrieren. Kann dies nicht gewährleistet werden, so kann
die Tatsache, dass die am Ort des Beschleunigungssensors 9 erfasste
Beschleunigungsstörgröße am Ort des Wägesensors
einen anderen Wert aufweisen kann, in einer entsprechenden Ortsabhängigkeit
berücksichtigt werden. Diese kann ebenfalls in der Filtereinheit 15 bzw.
der Verstärkereinheit 13 bei der Berechnung der Filterkoeffizienten
bzw. bei der Berechnung des Verstärkungsfaktors berücksichtigt
werden.
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Während
bei der Ausführungsform nach
1 nur eine
einzige Beschleunigungsstörgröße korrigiert
wird (d. h. es wird nur der Einfluss einer Komponente von beliebigen
Beschleunigungen in einer definierten translatorischen Richtung
oder um eine Achse korrigiert), zeigt
2 eine weitere
Ausführungsform einer Wägeeinrichtung
10,
welche zwei Beschleunigungssensoren
9 zur Korrektur von
zwei gleichen oder unterschiedlichen Beschleunigungsgrößen
umfasst. Auch hierbei sei zunächst davon ausgegangen, dass
die Beschleunigungssensoren möglichst nah am Ort des Wägesensors
angeordnet sind, so dass eine Korrektur der Ortsabhängigkeit (wie
z. B. in der
DE
10 2005 018 708 B4 der Anmelderin beschrieben) nicht erfolgen
muss.
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Von
den Beschleunigungssensoren 9 kann beispielsweise ein erster
Beschleunigungssensor die Beschleunigung in Lasteinleitungsrichtung
der auf den Wägesensor wirkenden Lastkraft FL erfassen, während
der zweite Beschleunigungssensor die Winkelbeschleunigung um eine
Achse erfasst, die senkrecht zur Lasteinleitungsrichtung und senkrecht
zu einer Achse eines Lastarms verläuft (beispielsweise senkrecht
zur Ebene, in welcher die Parallelogrammlenker einer Wägezelle
liegen, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation
funktioniert).
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Die
Ausführungsform nach 2 weist
somit zwei Kompensationssignalzweige auf, die jeweils eine Analog-/Digitalwandlereinheit 11 umfassen,
welcher jeweils das analoge Mess signal bzw. Störgrößensignal
BA1(t), BA2(t) der
Beschleunigungssensoren 9 zugeführt ist. Weiterhin
umfasst jeder Kompensationssignalzweig wiederum jeweils eine digitale Verstärkereinheit 13,
welcher das digitalisierte Störgrößensignal
BA1(ti) und BA2(ti) der betreffenden Analog-/Digitalwandlereinheit
zugeführt ist. Das verstärkte digitale Störgrößensignal
BA1(ti) und BA2(ti) wird jeweils
einer digitalen Filtereinheit 15a zugeführt, welche
wiederum adaptiv ausgebildet ist. Hierzu wird jeder digitalen Filtereinheit
das digitale Ausgangssignal u(ti) der Einrichtung 1 zugeführt.
Jede digitale Filtereinheit 15a berücksichtigt
die jeweils unterschiedlichen Einflüsse der Lastkraft FL auf den Frequenzgang der Beschleunigungssensoren 9 in Bezug
auf die jeweils unterschiedliche Störgröße. Anschließend
werden die digital adaptiv gefilterten Ausgangssignale der digitalen
Filtereinheiten 15a mittels einer Additionseinheit 19 addiert
und das addierte digitale Signal einer weiteren digitalen Filtereinheit 15b zugeführt,
die ebenfalls adaptiv ausgebildet ist. Da die digitale Filtereinheit 15b infolge
der Addition von jedem der beiden Kompensationssignalzweige umfasst
ist (statt dessen könnte die Filtereinheit 15b doppelt
vorhanden und jeweils in jedem der beiden Zweige vor dem Additionspunkt
vorgesehen sein), kann sie zur Berücksichtigung von Einflüssen
dienen, die in jedem der beiden Zweige auftreten, beispielsweise
zur Berücksichtigung einer Lastabhängigkeit des
Frequenzgangs, die beiden Beschleunigungssensoren gemeinsam ist.
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Das
Ausgangssignal der digitalen Filtereinheit 15b wird einer
weiteren digitalen Filtereinheit 15c zugeführt,
die als einfache, nicht-adaptive Filtereinheit ausgebildet ist.
Diese ist ebenfalls jedem der beiden Kompensationszweige zugeordnet
und kann Einflüsse berücksichtigen, die in jedem
Zweig in identischer Weise auftreten, beispielsweise die Anpassung
eines nicht-lastabhängigen Unterschieds des Frequenzgangs
der Beschleunigungssensoren 9 gegenüber dem Frequenzgang
des Wägesensors 3 oder einen in beiden Zweigen
vorhandenen Frequenzgangunterschied, der durch weitere elektronische
Komponenten verursacht ist (analoge Verstärker etc.).
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Das
so ermittelte digitale Korrektursignal wird dann wiederum mit einem
negativen Vorzeichen beaufschlagt und zum digitalisierten Messsignal
mittels der Additionseinheit 7 addiert.
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Wie
bereits vorstehend kurz erläutert können die beiden
Kompensationssignalzweige selbstverständlich auch vollkommen
unabhängig voneinander ausgebildet sein und jeweils eine
Analog-/Digitalwandlereinheit 11, eine digitale Verstärkereinheit 13 und
digitale Filter einheiten 15a, 15b und 15c umfassen,
wobei dann zwei separate Kompensationssignale im Additionspunkt,
der von der Additionseinheit 7 gebildet ist, vom digitalen
Messsignal umess(ti)
subtrahiert werden. Dies bedeutet jedoch einen erhöhten Aufwand,
da der zusätzliche Additionspunkt 19 weit weniger
ins Gewicht fällt als eine Verdopplung der digitalen Filtereinheiten 15b und 15c.
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Die
adaptiv ausgebildeten Filtereinheiten 15a und 15b können
selbstverständlich jeweils so ausgebildet sein, wie dies
zuvor im Zusammenhang mit 1 erläutert
wurde. Es kann jedoch auch eine gemeinsame Filterparameter-Ermittlungseinheit
für die beiden in den noch getrennten Teilzweigen der Kompensationssignalzweige
liegenden Filtereinheiten 15a vorgesehen sein, oder eine
zentrale Filterparameter-Ermittlungseinheit, die für sämtliche
adaptiv ausgebildeten digitalen Filtereinheiten 15a, 15b die Filterparameter
bestimmt. Ebenso kann auch wiederum die digitale Verstärkereinheit 13 in
jedem der Teilzweige in das jeweilige digitale Filter 15a integriert und
ebenfalls adaptiv ausgebildet sein.
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Die
digitalen Filtereinheiten 15a, 15b können (ebenso
wie die digitale Filtereinheit in 1) in jeweils
kaskadierte Teilfiltereinheiten zweiter Ordnung aufgesplittet sein.
Dies bietet den Vorteil einer einfacheren Dimensionierung der Filter
und einer einfacheren Ermittlung der Filterparameter. Wie aus 2 ersichtlich,
kann beispielsweise die Filtereinheit 15b in Form zweier
kaskadierter Filtereinheiten zweiter Ordnung ausgebildet sein. Die
Filtereinheit 15a in den beiden Teilzweigen kann selbstverständlich ebenfalls
jeweils als ein oder mehrere kaskadierte Filtereinheiten zweiter
Ordnung realisiert sein.
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Das
jeweilige Störgrößensignal (in einer translatorischen
Richtung oder um eine rotatorische Achse) kann auch aus den Signalen
von zwei oder mehreren Beschleunigungssensoren ermittelt werden,
wie dies z. B. in der
DE
10 2005 018 708 B4 der Anmelderin beschrieben ist. Beispielsweise
kann aus den Signalen von zwei translatorischen Beschleunigungssensoren,
die in einem bestimmten Abstand angeordnet sind, die Winkelbeschleunigung
um eine Achse ermittelt werden, die senkrecht auf der Verbindungsstrecke
der beiden Beschleunigungssensoren steht.
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3 zeigt
eine weitere Variante ähnlich
2, wobei
die eigentlichen Störsignale (in Bezug auf eine translatorische
oder rotatorische Dimension) in den beiden Teilzweigen jeweils durch
eine Verknüpfung der beiden digitalisierten Signale der
Beschleunigungssensoren
9 ermittelt werden. Bei den Beschleunigungssensoren
9 in
3 kann
es sich beispielsweise, wie in der
DE 10 2005 018 708 B4 der
Anmelderin beschrieben, um zwei Beschleunigungssensoren handeln,
die in einer Linie mit dem Wägesensor
3 angeordnet
sind und von diesem um jeweils eine vorgegebene Strecke beabstandet
sind. Die Beschleunigungssensoren
9 können dabei
wieder nur gegenüber Beschleunigungen empfindlich sein,
die in Richtung der Lastkraft F
L wirken,
das heißt sie erfassen nur diejenigen Komponenten von beliebigen
Beschleunigungen, die in vertikaler Richtung verlaufen. Unter Verwendung
der Geometriedaten kann dann durch eine Verknüpfung der
digitalisierten Störgrößensignale BA
1(t
i) und BA
2(t
i) jeweils die
am Ort des Wägesensors
3 wirkende rein translatorische
Beschleunigung in Richtung der Lastkraft F
L und
die am Ort des Wägesensors
3 wirkende rotatorische
Beschleunigung (Winkelbeschleunigung) um eine Achse ermittelt werden,
die auf der Lastkraft und auf der Verbindungslinie der Sensoren
senkrecht steht und durch die Position des Wägesensors
3 verläuft.
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Normalerweise
müsste zur Ermittlung der digitalisierten Störsignale
am Ort des Wägesensors jeweils eine mit vorgegebenen Faktoren
gewichtete Addition der digitalisierten Störgrößensignale
BA1(ti) beziehungsweise
BA2(ti) (translatorische
Beschleunigung am Ort des Wägesensors 3) bzw.
durch eine Differenzbildung der jeweils gewichteten Störgrößensignale
erfolgen. Durch die Verwendung einer jeweils adaptiven Filtereinheit 15a in
den Kompensationszweigen kann jedoch auf die Gewichtung vor entsprechenden
Additionseinheiten 19, 21 verzichtet werden. Stattdessen
kann durch die Ermittlung der am Ort des Wägesensors 3 wirkenden
Störgrößensignale durch eine unmittelbare
Verknüpfung, beispielsweise Addition oder Subtraktion der
tatsächlich erfassten und digitalisierten Störgrößensignale
(ohne Gewichtung mit einem entsprechenden die Ortsabhängigkeit
berücksichtigenden Faktor) vorgenommen werden, wobei die
Ortsabhängigkeit durch eine entsprechende Festlegung der
Filterparameter (einschließlich von Parametern von jeweils
einer digitalen Verstärkereinheit in jedem Kompensationssignalzweig)
berücksichtigt wird.
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Bei
der Ausführungsform in 3 wird davon
ausgegangen, dass die Beschleunigungssensoren 9 baugleich
sind bzw. ein ausreichend gleiches Verhalten in Bezug auf die zu
erfassende Störgröße aufweisen. Damit
kann auf die Kompensation unterschiedlicher Anteile des Frequenzgangs
der Beschleunigungssensoren 9 verzichtet werden. Hierzu müsste
erforderlichenfalls unmittelbar nach der Digitalisierung der analogen
Sensorsignale ein weiteres, ggf. adaptives digitales Filter vorgesehen
werden, bevor eine Verknüpfung der digitalisierten Sensorsignale
erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005018708
B4 [0044, 0052, 0053]