DE102017127690A1

DE102017127690A1 - Verfahren zur Generierung eines Ergebniswertes in einer elektromagnetisch kompensierenden Wägevorrichtung

Info

Publication number: DE102017127690A1
Application number: DE102017127690.4A
Authority: DE
Inventors: Falko Hilbrunner; Heinrich Feldotte; Alfred Klauer
Original assignee: Sartorius Lab Instruments GmbH and Co KG
Current assignee: Sartorius Lab Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2037-11-24
Also published as: WO2019101359A3; DE102017127690B4; WO2019101359A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung eines Ergebniswertes in einer elektromagnetisch kompensierenden Wägevorrichtung, bei dem ein eine Tauchspulenanordnung durchfließender Kompensationsstrom gemessen, durch Addition einer Korrekturfunktion korrigiert, nach vorgegebenen Rechenregeln in eine Ergebnisfunktion umgerechnet und ihr aktueller Wert zu einem vorgegebenen Zeitpunkt als Ergebniswert angezeigt wird,wobei die Tauchspulenanordnung mit einem von einem Hebellagesensor überwachten Ausgangshebel eines mechanischen Wägesystems verbunden ist, dessen Eingangshebel mit einer Lastaufnahme für eine zu wägende Last verbunden ist,und wobei der Kompensationsstrom von einem Regler in Abhängigkeit von einem Signal des Hebellagesensors so geregelt wird, dass Auslenkungen des Ausgangshebels durch in der Tauchspulenanordnung erzeugte Gegenkräfte kompensiert werden.Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Korrekturfunktion wenigstens zwei Summanden umfasst,- deren erster eine für die Auslenkung des Ausgangshebels repräsentative Funktion ist und- deren zweiter eine für die erste zeitliche Ableitung der Auslenkung des Ausgangshebels repräsentative Funktion ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Generierung eines Ergebniswertes in einer elektromagnetisch kompensierenden Wägevorrichtung, bei dem ein eine Tauchspulenanordnung durchfließender Kompensationsstrom gemessen, durch Addition einer Korrekturfunktion korrigiert, nach vorgegebenen Rechenregeln in eine Ergebnisfunktion umgerechnet und ihr aktueller Wert zu einem vorgegebenen Zeitpunkt als Ergebniswert angezeigt wird, wobei die Tauchspulenanordnung mit einem von einem Hebellagesensor überwachten Ausgangshebel eines mechanischen Wägesystems verbunden ist, dessen Eingangshebel mit einer Lastaufnahme für eine zu wägende Last verbunden ist, und wobei der Kompensationsstrom von einem Regler in Abhängigkeit von einem Signal des Hebellagesensors so geregelt wird, dass Auslenkungen des Ausgangshebels durch in der Tauchspulenanordnung erzeugte Gegenkräfte kompensiert werden.
Stand der Technik
Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus der DE 100 24 986 C2 .
Elektromagnetisch kompensierende Waagen, sogenannte EMK-Waagen sind dem Fachmann seit langem bekannt. Sie umfassen stets ein - häufig sehr komplex aufgebautes - mechanisches Wägesystem, d.h. ein Hebelsystem mit einem Eingangs- und einem Ausgangshebel, zwischen denen eine Kraft- bzw. Wegübersetzung realisiert ist. Der Eingangshebel trägt eine Lastaufnahme für die zu wägende Last. Der Ausgangshebel ist mit einer Tauchspulenanordnung gekoppelt. Typischerweise ist er fest mit einer von einem elektrischen Strom durchfließbaren Spule verbunden, welche in das Magnetfeld eines basisfesten Permanentmagneten eintaucht. Mit dieser Tauchspulenanordnung kann eine elektromagnetische Kraft erzeugt werden, die der durch die zu wägende Last erzeugten Lastkraft entgegenwirkt. Insbesondere ist es möglich, den hier als Kompensationsstrom bezeichneten Strom durch die Tauchspule mittels eines fein abgestimmten Reglers so zu regeln, dass sich Last- und Kompensationskraft exakt aufheben. Dieser Zustand wird hier als Kompensationszustand angesprochen. Dadurch werden größere Auslenkungen des Ausgangshebels während des Wägevorgangs und somit Fehler durch nicht-lineare Effekte vermieden. Der im Kompensationszustand fließende Kompensationsstrom ist ein Maß für die erzeugte Kompensationskraft und daher für die zu ermittelnde, durch ihn kompensierte Lastkraft. Er wird gemessen und in einen Ergebniswert, in der Regel einen Gewichtskraft- oder einen Massewert, umgerechnet und angezeigt. Diese Umrechnung, die in der Regel auf einer Kalibrierung im Vorfeld der Wägung beruht, ist dem Fachmann geläufig.
Der Kompensationszustand als solcher wird mittels eines sogenannten Hebellagesensors detektiert. Dieser beruht meist auf der optischen Abtastung einer Indikatorfahne am Ausgangshebel. Seine konkrete Gestaltung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung unerheblich. Insbesondere kann er digitaler oder analoger Natur sein. Wesentlich ist lediglich, dass der Hebellagesensor ein für die Regelung geeignetes, d.h. ein für die Auslenkung des Ausgangshebels aus seiner Nulllage repräsentatives Signal liefert.
Die im Idealfall eines unendlich schnell reagierenden Regelkreises, d.h. im Fall einer instantanen Kompensation resultierende Vermeidung jeglicher Auslenkung des Ausgangshebels - insbesondere auch bei Lastwechseln - ist bei praktisch realisierbaren Wägevorrichtungen jedoch nicht erreichbar. Beim Auflegen oder Abheben der Last kommt es regelmäßig zu einem mechanischen Überschwingen und/oder zu einem verzögerten, asymptotischen Kriechen in den Kompensationszustand. Ein stabiler Ergebniswert innerhalb der vorgegebenen, insbesondere auflösungsbedingten Toleranzen lässt sich daher nur mit Zeitverzögerung anzeigen. Dies ist besonders bei sog. Prüfwägungen (Check-Weighing), bei denen der Lastaufnahme in schneller Folge eine Vielzahl von auf die Einhaltung eines vorgegebenen Sollgewichts hin zu überprüfende Artikel zugeführt werden, nachteilig.
Aus der eingangs genannten, gattungsbildenden Druckschrift ist ein Verfahren bekannt, mit dem sich Fehler, die durch Erschütterungen der EMK-Waage auftreten, reduzieren lassen. Die Kompensationsstromfunktion, d.h. der als Funktion der Zeit gemessene Kompensationsstrom, wird, bevor aus ihr der Ergebniswert berechnet wird, rechnerisch korrigiert. Hierzu wird der erschütterungsbedingte Wechselanteil des Signals des Hebellagesensors ermittelt, quadriert und mit einem Polynom ersten Grades des jeweils aktuellen Wertes der Kompensationsstromfunktion multipliziert. Die resultierende Größe wird als Korrekturfunktion zur (unkorrigierten) Kompensationsstromfunktion addiert, wodurch sich eine um erschütterungsbedingte Fehler bereinigte, korrigierte Kompensationsstromfunktion ergibt, aus der nach Erreichen eines innerhalb vorgegebener Toleranzen stationären Wertes der gesuchte Ergebniswert errechnen lässt. Einen Hinweis auf eine Beschleunigung der Generierung dieses Ergebniswertes findet sich in der genannten Druckschrift jedoch nicht.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren derart weiterzubilden, dass ein zuverlässiger Ergebniswert früher angezeigt werden kann.
Darlegung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Korrekturfunktion wenigstens zwei Summanden umfasst,

- deren erster eine für die Auslenkung des Ausgangshebels repräsentative Funktion ist und
- deren zweiter eine für die erste zeitliche Ableitung der Auslenkung des Ausgangshebels repräsentative Funktion ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, den gemessenen Kompensationsstrom, d.h. die Kompensationsstromfunktion mit einer besonderen Korrekturfunktion zu korrigieren, die vom jeweils aktuellen Auslenkungsverhalten des Ausgangshebels (das bei einem idealen EMK-System ja eigentlich vollständig vermieden werden soll) abhängt. Insbesondere werden die eigentliche Auslenkung sowie ihre erste zeitliche Ableitung, d.h. die Geschwindigkeit des Ausgangshebels als Korrekturgrößen genutzt. Durch diese Korrektur wird der stationäre Endwert der (unkorrigierten) Kompensationsstromfunktion bereits vorweggenommen, sodass ein Ergebniswert berechnet werden kann, noch bevor das System seinen tatsächlichen Kompensationszustand gefunden hat. Die eigentliche Kompensationsstromregelung bleibt von dieser Korrektur unberührt und führt genau wie bei herkömmlichen EMK-Waagen nach einer vom Einschwing- bzw. Kriechverhalten des Wägesystems abhängigen Zeit zum Erreichen des Kompensationszustandes. Der Fachmann wird erkennen, dass die Korrekturfunktion mit der Zeit gegen Null läuft und diesen Wert genau dann erreicht, wenn das Gesamtsystem den Kompensationszustand erreicht.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Korrekturfunktion wird, wie die Erfinder erstmals festgestellt haben, erreicht, dass die resultierende, korrigierte Kompensationsstromfunktion, die zur Ermittlung des Ergebniswertes genutzt wird, weitestgehend konstant bleibt. Sie hat bereits zu einem frühen Zeitpunkt, zu dem der aktuelle Wert der Korrekturfunktion noch groß ist (weil der tatsächliche Kompensationsstrom noch weit von seinem stationären Endwert entfernt ist), bereits im Wesentlichen denselben Wert, wie im endgültigen Kompensationszustand, in dem der Wert der Korrekturfunktion gleich Null ist und der tatsächliche Kompensationsstrom seinen stationären Endwert erreicht hat. Mit anderen Worten kann der sich im statischen Kompensationszustand ergebende Wert der (unkorrigierten) Kompensationsstromfunktion bereits zu einem deutlich früheren Zeitpunkt vorhergesagt werden, nämlich als Wert der korrigierten Kompensationsstromfunktion zu diesem früheren Zeitpunkt. Hierdurch lässt sich die Anzeige eines Ergebniswertes nach dem Auflegen oder Abheben einer Last deutlich beschleunigen.
Eine Verbesserung der erfindungsgemäßen Korrektur kann erzielt werden, wenn die Korrekturfunktion einen weiteren, dritten Summanden umfasst, der eine für die zweite zeitliche Ableitung der Auslenkung des Ausgangshebels repräsentative Funktion ist. Bei dieser Ausführungsform wird also auch die Beschleunigung des Ausgangshebels mit in die Korrektur einbezogen.
Auf besonders bevorzugte Wichtungsfaktoren der einzelnen Summanden der Korrekturfunktion soll weiter unten im Kontext der allgemeinen physikalischen Herleitung der erfindungsgemäßen Korrektur noch näher eingegangen werden. Zunächst soll die praktische Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in unterschiedlichen Varianten diskutiert werden.
Wie erläutert, wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens der die Tauchspulenanordnung durchfließende Kompensationsstrom gemessen. Der Begriff des Messens kann dabei unterschiedlich ausgelegt werden. Insbesondere kann „Messen“ als Erzeugen einer entsprechenden Digitalwertfolge verstanden werden. In diesem Kontext kann die Erfindung durchgeführt werden, indem der Kompensationsstrom mittels eines Analog-digital-Wandlers als eine digitale Kompensationsstromfunktion erfasst wird und zwar zeitlich vor seiner erfindungsgemäßen Korrektur. Dieses Szenario soll nachfolgend als digitales Szenario angesprochen werden.
Alternativ ist es allerdings auch möglich, dass der Kompensationsstrom mittels eines analogen Stromsensors als eine analoge Kompensationsstromfunktion gemessen und zeitlich erst nach seiner Korrektur mittels eines Analog-digital-Wandlers als eine digitale Kompensationsstromfunktion erfasst wird. In diesem Kontext ist „Messen“ als Erzeugen eines entsprechenden, analogen Signals zu verstehen. Dieses Szenario soll nachfolgend als analoges Szenario angesprochen werden.
Im Rahmend es digitalen Szenarios ist es besonders günstig, wenn auch die Hebellage des Ausgangshebels digital gemessen wird. Mit anderen Worten ist hierbei vorgesehen, dass der Hebellagesensor einen Analog-digital-Wandler umfasst und als sein Signal eine digitale Hebellagefunktion liefert, welche als die für die Auslenkung des Ausgangshebels repräsentative Funktion verwendet wird. Hiervon umfasst sind auch solche Ausführungsformen, bei denen der Hebellagesensor sowohl ein digitales als auch ein analoges Signal liefert, wobei letzteres z.B. für eine analoge Regelung des Kompensationsstroms genutzt werden kann. Auch muss der Analog-digital-Wandler keineswegs in ein gemeinsames Gehäuse mit den übrigen Bestandteilen des Hebellagesensors integriert sein; die A/D-Wandlung kann ohne Weiteres auch von einem separaten Funktionselement durchgeführt werden. Es stehen in jedem Fall zwei digitale Funktionen, nämlich die digitale Kompensationsstromfunktion und die digitale Hebellagefunktion zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
Im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dann bevorzugt vorgesehen, dass die für die zeitlichen Ableitungen der Auslenkung des Ausgangshebels repräsentativen Funktionen digital aus der digitalen Hebellagefunktion berechnet und die durch digitale Summation daraus resultierende, digitale Korrekturfunktion digital zu der digitalen Kompensationsstromfunktion addiert wird. Es resultiert eine digitale korrigierte Kompensationsstromfunktion, aus der dann der Ergebniswert berechnet werden kann. Diese Ergebniswertberechnung braucht sich in nichts von den dem Fachmann bekannten, üblichen Umrechnungen des Kompensationsstroms in einen Ergebniswert zu unterscheiden. In der Regel basiert diese Umrechnung auf einer Kalibrierung, die bereits herstellerseitig vor Auslieferung einer entsprechenden Wägevorrichtung durchgeführt und gegebenenfalls in Abständen vom Benutzer wiederholt werden kann.
Alternativ zur digitalen Messung der Hebellage ist es auch möglich, diese digital aus der digitalen Kompensationsstromfunktion rückzurechnen. Insbesondere ist bei dieser Alternative bevorzugt vorgesehen, dass aus der digitalen Kompensationsstromfunktion unter Einbeziehung der inversen Übertragungsfunktion des Reglers eine digitale Hebellagefunktion berechnet wird, welche als die für die Auslenkung des Ausgangshebels repräsentative Funktion verwendet wird. Diese Variante bietet sich insbesondere an, wenn für die Erfassung der Hebellage kein schneller digitaler Sensor zur Verfügung steht. Dies ist häufig im Fall einer rein analogen Regelung des Kompensationsstroms der Fall. Beispielsweise kann der Hebellagesensor in Form einer gesplitteten Fotodiode ausgestaltet sein und ein rein analoges Signal an den Regler liefern. Anstatt dieses Signal zu digitalisieren, kann es auch durch der Kenntnis der Übertragungsfunktion und insbesondere deren Inversen aus dem Kompensationsstromsignal, insbesondere aus der digitalen Kompensationsstromfunktion, rückgerechnet werden. Die Übertragungsfunktion eines analogen Reglers und ihre Inverse können, sofern sie nicht ohnehin bekannt sind, von einem Fachmann auf dem Gebiet der Mess- und Regeltechnik ohne weiteres durch geeignete Messungen ermittelt werden. Im Fall eines digitalen Reglers ist diese Übertragungsfunktion stets explizit bekannt; in diesem Fall allerdings, in dem bereits für die Regelung eine digitale Hebellagenfunktion erforderlich ist, wird die (zusätzliche) Ermittlung der digitalen Hebellagenfunktion durch Rückrechnung eher selten sinnvoll sein.
Im Kontext des oben genannten analogen Szenarios, bei dem keine digitale, sondern eine analoge Kompensationsstromfunktion gemessen und vor ihrer Digitalisierung bereits korrigiert wird, ist in Bezug auf die Hebellageermittlung bevorzugt vorgesehen, dass auch der Hebellagesensor als ein analoger Sensor ausgebildet ist, der als sein Signal eine analoge Hebellagefunktion liefert, welche als die für die Auslenkung des Ausgangshebels repräsentative Funktion verwendet wird. Hier stehen also zwei analoge Funktionen, nämlich die analoge Kompensationsstromfunktion und die analoge Hebellagefunktion zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
Im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dann bevorzugt vorgesehen, dass die für die zeitlichen Ableitungen der Auslenkung des Ausgangshebels repräsentativen Funktionen analog aus der analogen Hebellagefunktion erzeugt werden und die durch analoge Summation daraus resultierende, analoge Korrekturfunktion analog zu der analogen Kompensationsstromfunktion addiert wird. Mit anderen Worten spielt sich die Messung der Ausgangsgrößen, die Berechnung der Korrekturfunktion und die eigentliche Korrektur vollständig im analogen Bereich ab. Eine Digitalisierung erfolgt erst im letzten Schritt vor der Berechnung des Ergebniswertes aus der korrigierten Kompensationsstromfunktion.
Nachfolgend soll die physikalische Basis der vorliegenden Erfindung skizziert werden. Unter Vernachlässigung einer eventuell auf der Lastaufnahme aufliegenden Last besteht zwischen dem Strom durch die Tauchspulenanordnung (kurz: Spulenstrom) und der Auslenkung des Ausgangshebels ein durch die Mechanik des Wägesystems vorgegebener Zusammenhang: Der Spulenstrom erzeugt ein durch das Wägesystem bestimmtes Auslenkungsverhalten des Ausgangshebels. Das Wägesystem lässt sich dabei aus systemtheoretischer Sicht als elektrisch angetriebenes, gedämpftes FederMasse-System beschreiben. Die (bekannte) Form der zugehörigen Schwingungsdifferenzialgleichung lautet: $F (t) = I (t) * B l = M_{m s} \ddot{x} (t) + R_{m s} \dot{x} (t) + \frac{1}{C_{m s}} x (t),$
wo F die Kraft, I der Spulenstrom, Bl der Kraftfaktor der Tauchspulenanordnung mit B dem Magnetfeld des Permanentmagneten und l der Länge der Tauchspule, M_ms die bewegte Masse des Wägesystems, R_ms die Dämpfung des Wägesystems, C_ms die Federnachgiebigkeit des Wägesystems x die Auslenkung des Ausgangshebels und t die Zeit ist.
Es lassen sich also drei Stromanteile identifizieren, nämlich $I 1 (t) = \frac{1}{C_{m s} B l} x (t),$
$I 2 (t) = \frac{R_{m s}}{B l} \dot{x} (t)$
und $I 3 (t) = \frac{M_{m s}}{B l} \ddot{x} (t) .$
Die Erfindung beruht nun darauf, quasi im Rahmen einer Umkehrung des Wirkprinzips aus dem Auslenkungsverhalten des Ausgangshebels auf denjenigen Spulenstrom zu schließen, der zur Erreichung einer vollständigen Lastkompensation (Auslenkung des Ausgangshebels = 0) „fehlt“ und diesen im Rahmen der erfindungsgemäßen Korrektur zu „ergänzen“ und zwar gemäß den oben identifizierten Stromanteilen. Der Fehlanteil des Spulenstroms wird also in die drei oben genannten Stromanteile unterteilt, die dadurch die Funktion dreier unabhängiger Korrekturterme erhalten. Dabei haben die Erfinder erkannt, dass insbesondere die beiden erstgenannten Korrekturterme I1 und I2 von besonderer Bedeutung sind. Sie werden daher als Summanden für Bildung der erfindungsgemäßen Korrekturfunktion herangezogen.
Der dritte Korrekturterm 13 ist von geringerer Bedeutung und muss nicht zwingend in die Korrektur einbezogen werden. Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung zur Verbesserung der Korrektur kann er jedoch ebenfalls als (weiterer) Summand der Korrekturfunktion genutzt werden. Der Fachmann wird dabei die resultierenden Geschwindigkeitsvorteile aufgrund der schnelleren Bereitstellung einer Basis zur Berechnung des Ergebniswertes einerseits gegen die Nachteile der damit verbundenen rechnerischen und messtechnischen Verkomplizierung andererseits gegeneinander abzuwägen haben.
Zur Ermittlung der bevorzugten Wichtungsfaktoren $\frac{1}{C_{m s} B l}, \frac{R_{m s}}{B l} bzw . \frac{M_{m s}}{B l}$
stehen dem Fachmann unterschiedliche Ansätze zur Verfügung. Der Kraftfaktor BI beispielsweise ist unmittelbar statisch messbar. Ebenso die Federnachgiebigkeit C_ms. Alternativ kann die Federnachgiebigkeit C_ms auch im Rahmen einer dynamischen Messung ermittelt werden. Die Dämpfung R_ms und die bewegte Masse M_ms können hingegen nur im Rahmen dynamischer Messungen ermittelt werden. Solch dynamische Messungen können beispielsweise als sog. Sprungantwort-Messungen durchgeführt werden, bei denen das Wägesystem sprungartig ausgelenkt und sein Antwort(schwingungs)verhalten - vorzugsweise spektral aufgelöst - analysiert wird. Alternativ können sie auch als sog. Frequenzantwort-Messungen durchgeführt werden, bei denen das Wägesystem harmonisch - vorzugsweise bei unterschiedlichen Frequenzen - ausgelenkt und sein Antwort(schwingungs)verhalten analysiert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Figurenliste
Es zeigen:

1: einen beispielhaften Spulenstromverlauf als Abweichung von einem Nominalstrom von 1 mA (1a) sowie den Verlauf des Fehlstroms und seiner drei Fehlstromanteile (1b), gemessen an einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichteten Wägevorrichtung, sowie
2: Kompensationsstromfunktion, Korrekturfunktion und korrigierte Kompensationsstromfunktion bei einem negativen (2a) und einem positiven (2b) Lastwechsel, gemessen an derselben Wägevorrichtung wie in 1.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 dient der allgemeinen Illustration der physikalischen Zusammenhänge, welche der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen. 2 dient der Illustration eines konkreten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt in ihrer 1a einen Ausschnitt des Verlaufs eines sich asymptotisch an einen vorgegeben Nominalstrom von 1 mA annähernden Stromes durch die Tauchspule einer beispielhaften EMK-Waage. Der Stromverlauf ist als Abweichung Δ vom Nominalstrom in ppm (parts per million) gegen die Zeit in Sekunden (s) dargestellt. Die EMK-Waage ist so dimensioniert, dass sich bei Anliegen des Nominalstroms eine gegebene Referenzstellung des Ausgangshebels des Wägesystems einstellt. Abweichungen vom Nominalstrom führen hingegen zu entsprechenden Auslenkungen des Ausgangshebels von seiner Referenzstellung.

Die Systemparameter der rein beispielhaft ausgewählten EMK-Waagen betrugen:

Bl	3,86*10³ N/A	Kraftfaktor der Tauchspulenanordnung (B: Magnetfeld des Permanentmagneten; l : Läge der Tauchspule)
M_ms	7,07*10² kg	bewegte Masse des Wägesystems
C_ms	1,42*10^-6 m/N	Federnachgiebigkeit des Wägesystems
R_ms	2,69*10⁴ kg/s	Dämpfung des Wägesystems
L	0,06273 H	Induktivität der Tauchspule
R_Spule	155,257 Ω	Widerstand der Tauchspule
R_mess	500 Ω	Messwiderstand des Kompensationsstromsensors
K_{Uab_x}	3,94*10⁶ V/m	Empfindlichkeit des Hebellagesensors (Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung des Hebellagesensors und dem zugehörigen Weg)

In ihrer 1b zeigt 1 mehrere resultierende Graphen von dem Stromverlauf von 1a zugeordneten Fehlstromanteilen in mA als Funktionen der Zeit. Graph a repräsentiert den Verlauf des zur Erreichung des Nominalstroms jeweils erforderlichen Gesamtfehlstroms. Graph b repräsentiert den sich gemäß obiger Formel 2.1 ergebenden, von der Auslenkung x(t) des Ausgangshebels abhängigen und vorzugsweise mit der reziproken Federnachgiebigkeit I/C_ms gewichteten Fehlstromanteil I1. Graph c repräsentiert den sich gemäß obiger Formel 2.2 ergebenden, von der ersten zeitlichen Ableitung ẋ(t) der Auslenkung des Ausgangshebels abhängigen und vorzugsweise mit der Dämpfung R_ms gewichteten Fehlstromanteil 12. Graph d repräsentiert den sich gemäß obiger Formel 2.3 ergebenden, von der zweiten zeitlichen Ableitung ẍ(t) der Auslenkung des Ausgangshebels abhängigen und vorzugsweise mit der bewegten Masse M_ms gewichteten Fehlstromanteil I3. Man erkennt deutlich, dass sich die Fehlstromanteile I1 und I2 einander entgegengesetzt verhalten und eine nicht unerhebliche Größe erreichen. Der Fehlstromanteil 13 ist hingegen über seinen gesamten Verlauf recht klein. Diese Erkenntnis führt dazu, dass ein I3 entsprechender Korrekturterm bei einer einfachen Ausführungsform der Erfindung vernachlässigt werden kann.
Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, besteht die Erfindung darin, eine Korrekturfunktion zu berechnen, die wenigstens I1 und I2, vorzugsweise auch I3 entsprechende Summanden aufweist und diese Korrekturfunktion zu der Kompensationsstromfunktion, die den tatsächlich durch die Tauchspulenanordnung fließenden Kompensationsstrom repräsentiert, hinzuzuaddieren. Der Kompensationsstrom ist stets die Stellgröße der EMK-Regelung, bei der die Auslenkung des Ausgangshebels als Regelgröße und seine Referenz-, insbesondere seine Nulllage als Führungsgröße dient. Diese Regelung ist von der erfindungsgemäßen Wertekorrektur nicht betroffen. Letztere betrifft lediglich die Ermittlung eines Ergebniswertes aus dem zusätzlich als im Wesentlichen lastproportionale Messgröße dienenden Kompensationsstrom. Diese Messgröße wird erfasst, erfindungsgemäß korrigiert und in den anzuzeigenden Ergebniswert umgerechnet.
2 zeigt das Verhalten derselben EMK-Waage wie in 1 für den Fall eines Lastwechsels, hier insbesondere des Abhebens einer Last in 2a und des Auflegens einer Last in 2b. Graph a repräsentiert dabei jeweils den tatsächlichen Verlauf des Kompensationsstroms in der Tauchspulenanordnung. Graph b repräsentiert jeweils die erfindungsgemäß ermittelte Korrekturfunktion. Und Graph c repräsentiert jeweils die Summe aus Graph a und Graph b, d.h. die korrigierte Kompensationsstromfunktion, die erfindungsgemäß der anschließenden Berechnung des Ergebniswertes zugrunde gelegt wird.
Man erkennt deutlich, dass Graph c jeweils zu einem sehr viel früheren Zeitpunkt sein Endniveau erreicht hat als Graph a, der schlussendlich jedoch dasselbe Endniveau erreicht. Aus der korrigierten Kompensationsstromfunktion (Graph c) lässt sich also sehr viel früher ein korrekter, stabiler Ergebniswert der Wägung ermitteln als aus der unkorrigierten Kompensationsstromfunktion (Graph a). Die Erfindung führt also bei jeder Wägung zu deutlicher Zeiteinsparung, was sich insbesondere bei schnell ablaufenden, häufig wiederholten Prüfwägungen zu einem erheblichen wirtschaftlichen Vorteil aufsummiert.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10024986 C2 [0002]

Claims

Verfahren zur Generierung eines Ergebniswertes in einer elektromagnetisch kompensierenden Wägevorrichtung, bei dem ein eine Tauchspulenanordnung durchfließender Kompensationsstrom gemessen, durch Addition einer Korrekturfunktion korrigiert, nach vorgegebenen Rechenregeln in eine Ergebnisfunktion umgerechnet und ihr aktueller Wert zu einem vorgegebenen Zeitpunkt als Ergebniswert angezeigt wird, wobei die Tauchspulenanordnung mit einem von einem Hebellagesensor überwachten Ausgangshebel eines mechanischen Wägesystems verbunden ist, dessen Eingangshebel mit einer Lastaufnahme für eine zu wägende Last verbunden ist, und wobei der Kompensationsstrom von einem Regler in Abhängigkeit von einem Signal des Hebellagesensors so geregelt wird, dass Auslenkungen des Ausgangshebels durch in der Tauchspulenanordnung erzeugte Gegenkräfte kompensiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturfunktion wenigstens zwei Summanden umfasst, - deren erster eine für die Auslenkung des Ausgangshebels repräsentative Funktion ist und - deren zweiter eine für die erste zeitliche Ableitung der Auslenkung des Ausgangshebels repräsentative Funktion ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturfunktion einen weiteren, dritten Summanden umfasst, der eine für die zweite zeitliche Ableitung der Auslenkung des Ausgangshebels repräsentative Funktion ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsstrom zeitlich vor seiner Korrektur mittels eines Analog-digital-Wandlers als eine digitale Kompensationsstromfunktion erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebellagesensor einen Analog-digital-Wandler umfasst und als sein Signal eine digitale Hebellagefunktion liefert, welche als die für die Auslenkung des Ausgangshebels repräsentative Funktion verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus der digitalen Kompensationsstromfunktion unter Einbeziehung der inversen Übertragungsfunktion des Reglers eine digitale Hebellagefunktion berechnet wird, welche als die für die Auslenkung des Ausgangshebels repräsentative Funktion verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die für die zeitlichen Ableitungen der Auslenkung des Ausgangshebels repräsentativen Funktionen digital aus der digitalen Hebellagefunktion berechnet werden und die durch digitale Summation daraus resultierende, digitale Korrekturfunktion digital zu der digitalen Kompensationsstromfunktion addiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dass der Kompensationsstrom mittels eines analogen Stromsensors als eine analoge Kompensationsstromfunktion gemessen und zeitlich erst nach seiner Korrektur mittels eines Analog-digital-Wandlers als eine digitale Kompensationsstromfunktion erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebellagesensor als ein analoger Sensor ausgebildet ist, der als sein Signal eine analoge Hebellagefunktion liefert, welche als die für die Auslenkung des Ausgangshebels repräsentative Funktion verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die für die zeitlichen Ableitungen der Auslenkung des Ausgangshebels repräsentativen Funktionen analog aus der analogen Hebellagefunktion erzeugt werden und die durch analoge Summation daraus resultierende, analoge Korrekturfunktion analog zu der analogen Kompensationsstromfunktion addiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Summand der Korrekturfunktion mit der Formel $I 1 (t) = \frac{1}{C_{m s} B l} x (t)$
beschreibbar ist, wobei Bl der Kraftfaktor der Tauschspulenanordnung, C_ms die Federnachgiebigkeit des Wägesystems und x(t) die Hebellagefunktion ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Summand der Korrekturfunktion mit der Formel $I 2 (t) = \frac{R_{m s}}{B l} \dot{x} (t)$
beschreibbar ist, wobei Bl der Kraftfaktor der Tauschspulenanordnung, R_ms die Dämpfung des Wägesystems und ẋ(t) die erste zeitliche Ableitung der Hebellagefunktion ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3 bis 11, soweit auf Anspruch 2 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Summand der Korrekturfunktion mit der Formel $I 3 (t) = \frac{M_{m s}}{B l} \ddot{x} (t)$
beschreibbar ist, wobei Bl der Kraftfaktor der Tauschspulenanordnung, M_ms die bewegte Masse des Wägesystems und ẍ(t) die zweite zeitliche Ableitung der Hebellagefunktion ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftfaktor der Tauschspulenanordnung und/oder die Federnachgiebigkeit des Wägesystems im Vorfeld im Rahmen einer statischen Messung ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Federnachgiebigkeit des Wägesystems, die Dämpfung des Wägesystems und/oder die bewegte Masse des Wägesystems im Vorfeld im Rahmen einer dynamischen Messung einer Sprungantwort des Wägesystems ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Federnachgiebigkeit des Wägesystems, die Dämpfung des Wägesystems und/oder die bewegte Masse des Wägesystems im Vorfeld im Rahmen einer dynamischen Messung einer Frequenzantwort des Wägesystems ermittelt werden.