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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Implementierung einer digitalen Messwertkorrektur bei einer in einer Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung, ein Verfahren zur digitalen Messwertkorrektur bei einer in einer Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung, und ein Kraftmesssystem mit einer Anschlussstruktur und einer in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung.
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Kraftmessvorrichtungen, wie beispielsweise eine Wägevorrichtung mit einer Wägezelle, werden dazu verwendet, um Kräfte, wie beispielsweise Gewichtskräfte von Wägegütern, zu messen. Kurz, zum Verwiegen von Objekten bzw. Wägegütern.
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Üblicherweise weist eine Kraftmessvorrichtung verschiedene Bauteile auf, wie eine Kraftaufnahme, bauliche Strukturen und Lager, welche die Kraftaufnahme (gegen einen Untergrund) lagern bzw. aufnehmen, einen Kraftsensor - auch Kraftaufnehmer, Kraftmesszelle oder Wägezelle genannt - und eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Messsignalen, d.h. von Kraftmessvorrichtungskraftsignalen.
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Eine zu messende Kraft wird mittels der Kraftaufnahme aufgenommen und (im Kraftnebenschluss bezüglich der Lager) an den Kraftsensor weitergeleitet. Der Kraftsensor formt die zugeführte Kraft in ein elektrisches Kraftmesssignal, das Kraftmessvorrichtungskraftsignal, um, welches zur der auf die Kraftmessvorrichtung einwirkenden Kraft korrespondiert.
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In diesbezüglich entsprechender Weise ergibt sich bei einer Wägevorrichtung die einwirkende Kraft durch die Gewichtskraft des Wägeguts, d.h. die Last, welche auf die Kraftaufnahme, beispielsweise in Form einer Waagschale („Behälterwaage“), wirkt. Diese Kraftwirkung wird auf den Kraftsensor weiterleitet und dort in das elektrische Kraftmessvorrichtungskraftsignal bzw. hier ein Wägevorrichtungskraftsignal umgewandelt.
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Das Kraftmessvorrichtungskraftsignal wird an eine Signalverarbeitungseinheit weitergeleitet, welche der weiteren Verarbeitung dieses Kraftmessvorrichtungskraftsignals und der Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals dient.
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Das Ausgangssignal wird meist an eine Anzeigeeinheit und/oder auch an eine weitere Verarbeitungsvorrichtung, zum Beispiel an einen Leitrechner oder an eine Anlagensteuerung, übertragen.
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Diese Kraftmessvorrichtungen oder Wägevorrichtungen finden typischerweise ihren Einsatz beim Verwiegen einzelner Wägegüter aber auch in automatisierten Produktions- und Testanlagen zum Verwiegen größerer Mengen von Wägegütern.
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Die Anforderungen an solche Kraftmessvorrichtungen bestehen in einer hohen Messgenauigkeit, einer hohen Reproduzierbarkeit und Stabilität der Messungen, insbesondere unter meist schwierigen, wie rauhen, Umgebungsbedingungen bzw. Messumgebungen. Außerdem sollen die Kraftmessvorrichtungen bzw. Wägevorrichtungen möglichst einfach und kostengünstig aufgebaut sein.
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Es ist bekannt, dass für genaue und stabile Messungen störende, das Messresultat verfälschende Einflüsse (mit-)gemessen und auf geeignete Weise korrigiert werden können.
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Beispielsweise beschreibt die
GB 1 495 278 ein Verfahren, bei dem die Einflüsse lastunabhängiger Parameter, insbesondere der Einfluss einer Temperatur korrigiert wird, welche von außen auf die Kraftmessvorrichtung bzw. Wägevorrichtung einwirkt. Dazu wird mittels eines Temperatursensors die einwirkende Umgebungstemperatur gemessen und ein dazu entsprechendes elektrisches Temperaturmesssignal erzeugt. Anhand dieses Temperaturmesssignals wird dann das Kraftmesssignal zu einem temperaturkorrigierten Ausgabesignal verarbeitet. Mit dieser Methode können auch zeitabhängige Phänomene korrigiert werden, beispielsweise das Kriechen mittels einer zeitabhängigen Exponentialfunktion.
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Die
EP 2 457 070 B1 beschreibt ebenfalls ein Temperatureffekt korrigierendes Verfahren für eine Wägevorrichtung. Dieses Verfahren zur Temperaturkorrektur wird in deren normalem Betrieb durchgeführt und weist folgende Schritte auf: Erzeugung eines elektrischen, zur einwirkenden Kraft korrespondierenden Kraftmesssignals mittels einer Kraftmesszelle; Messung einer Temperatur mittels eines in Distanz von den wärmeerzeugenden Bauteilen der Kraftmessvorrichtung angeordneten Temperatursensors, welche Temperatur hauptsächlich zu einer auf die Kraftmessvorrichtung einwirkenden Umgebungstemperatur korrespondiert und Erzeugung eines der gemessenen Temperatur entsprechenden elektrischen Temperaturmesssignals; Verarbeitung des Kraftmesssignals anhand des Temperaturmesssignals und des Kraftmesssignals zu einem temperaturkorrigierten Ausgabesignal; Übertragung des Ausgabesignals an eine Anzeigeeinheit und/oder an eine weitere Verarbeitungseinheit. Dabei wird bei dem Schritt der Verarbeitung aus dem Kraftmesssignal und dem Temperaturmesssignal, mindestens ein der Korrektur des Ausgabesignals dienender Korrekturparameter mittels eines zugrunde liegenden thermodynamischen Modells, mittels welchem Temperaturen, die an bzw. in der Nähe wärmeerzeugender Bauteile auftreten, berechnet werden können, berechnet, welcher Korrekturparameter eine Temperaturdifferenz charakterisiert, die zwischen einer Systemtemperatur und der gemessen Temperatur und/oder zwischen einer ersten Systemtemperatur und einer zweiten Systemtemperatur besteht.
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Diese bekannten Verfahren, wie die nach der
GB 1 495 278 und der
EP 2 457 070 B1 , führen so zu einer verbesserten Kraftmessung, indem sie auswertungsseitig rechnerisch ansetzen bzw. eingreifen.
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Eine weitere Verbesserung bei solchen Kraftmessvorrichtungen bzw. Wägevorrichtungen hinsichtlich genannter Anforderungen ergibt sich, werden diese im Rahmen einer Direktkraftmesstechnik bzw. Direktwägetechnik eingesetzt. Der zu einer verbesserten Kraftmessung führende Ansatz bzw. Eingriff erfolgt hier somit bautechnisch bzw. mechanisch.
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Bei der Direktwägetechnik, wie beispielsweise in „news, Neues von SCHENCK PROCESS, Heavy Industry 12.2005DE, 20 Jahre SCHENCK - Direktwägetechnik, optimale wägetechnische Lösungen für die Stahlindustrie“, beschrieben, sind die Kraftsensoren bzw. Wägezellen im Kraftfluss in die Anschlussstruktur eingebaut, meist verschraubt, ohne, dass (weitere) Lager bzw. wägetechnische Lagerungselemente zwischen der Kraftaufnahme und dem Untergrund vorhanden sind, wodurch der Kraftfluss ausschließlich über Kraftsensoren bzw. Wägezellen geleitet wird.
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Vereinfacht und anschaulich ausgedrückt, die Anschlussstruktur wird zum Teil der Wägezelle, kurz die Anschlussstruktur wird zur Wägezelle.
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Daraus ergeben sich für die Direktwägetechnik insbesondere Vorteile, wie keine Kraftnebenschlüsse, die vor allem über lange Zeiträume schwer beherrschbar sind, keine beweglichen Teile, keine mechanischen Einstellarbeiten, kein spezielles Fachwissen für die Montage der Wägezellen erforderlich, vollkommen wartungsfrei und unempfindlich gegenüber Verschmutzung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Kraftmesssystem zur Verfügung zu stellen, welche es ermöglichen, Kraftmessungen mit höherer Genauigkeit durchführen zu können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren ein Verfahren zur Implementierung einer digitalen Messwertkorrektur bei einer in einer Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung, ein Verfahren zur digitalen Messwertkorrektur bei einer in einer Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung und ein Kraftmesssystem mit einer Anschlussstruktur und einer in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Die Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf die Verfahren als auch auf das Kraftmesssystem.
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Bei dem Verfahren zur Implementierung einer digitalen Messwertkorrektur bei einer in einer Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung, insbesondere einer Wägevorrichtung mit einer Wägezelle, ist vorgesehen, dass
- - ein parametrierbares, auf die in der Anschlussstruktur eingebaute Kraftmessvorrichtung wirkende Störeffekte berücksichtigendes und ein fehlerbehaftetes Messverhalten der in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung abbildendes Funktionsmodell der in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung („elektronischer Zwilling“)
- - unter Verwendung eines für eine Referenzbelastung generierten Kraftmessvorrichtungsreferenzkraftsignals und einem für die Referenzbelastung von dem parametrierbaren Funktionsmodell generierten Funktionsmodellreferenzkraftsignals
- - parametriert wird.
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Nach dem Verfahren zur digitalen Messwertkorrektur bei einer in einer Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung, insbesondere einer Wägevorrichtung mit einer Wägezelle, ist vorgesehen, dass unter Verwendung eines parametrierbaren, auf die in der Anschlussstruktur eingebaute Kraftmessvorrichtung wirkende Störeffekte berücksichtigenden und ein fehlerbehaftetes Messverhalten der in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung abbildenden Funktionsmodells der in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung („elektronischer Zwilling“), insbesondere des nach dem Verfahren zur Implementierung einer digitalen Messwertkorrektur parametrierten Funktionsmodells der in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung („angelernter elektronischer Zwilling“),
- - ein fehlerbehaftetes Kraftmessvorrichtungskraftsignal der in der Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung unter Verwendung eines unter Verwendung des fehlerbehafteten Kraftmessvorrichtungskraftsignals und dem Funktionsmodell generierten Funktionsmodellkraftsignals in einer Fehlerschleife korrigiert wird.
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Das Kraftmesssystem sieht eine Anschlussstruktur, eine in die Anschlussstruktur eingebaute Kraftmessvorrichtung, insbesondere eine Wägevorrichtung mit einer Wägezelle, und einen Funktionsbaustein für eine digitale Messwertkorrektur eines von der in der Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung generierten fehlerbehafteten Kraftmessvorrichtungskraftsignals vor, wobei
- - der Funktionsbaustein mindestens ein parametrierbares, auf die in der Anschlussstruktur eingebaute Kraftmessvorrichtung wirkende Störeffekte berücksichtigendes und ein fehlerbehaftetes Messverhalten der in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung abbildendes Funktionsmodell der Kraftmessvorrichtung („elektronischer Zwilling“) aufweist, insbesondere darüber hinaus dann auch (der Funktionsbaustein) zur Durchführung des Verfahrens zur Implementierung einer digitalen Messwertkorrektur und/oder des Verfahrens zur digitalen Messwertkorrektur eingerichtet ist.
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Vereinfacht ausgedrückt, das Verfahren bzw. die Verfahren sowie auch das Kraftmesssystem verbinden einen auswertungsseitigen rechnerischen Ansatz, d.h. die digitale Messwertkorrektur, mit einem bautechnischen bzw. mechanischen Ansatz, d.h. der Direktkraftmesstechnik bzw. Direktwägetechnik, für eine verbesserte Kraftmessung.
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Der bautechnische bzw. mechanische Ansatz sieht bei den Verfahren bzw. dem Kraftmesssystem die Direktkraftmesstechnik bzw. Direktwägetechnik vor, indem die Kraftmessvorrichtung, insbesondere eine Wägevorrichtung mit einer Wägezelle, in die Anschlussstruktur eingebaut, beispielsweise an-/verschraubt oder eingepresst, ist.
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Der - neuartige - auswertungsseitige rechnerische Ansatz basiert auf einen bzw. den elektronischen Zwilling, welcher - vereinfacht und kurz ausgedrückt - ein Abbild der - fehlerbehafteten - direktmess-/-wägetechnischen Kraftmessvorrichtung darstellt.
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D.h., der elektronische Zwilling stellt ein parametrierbares, auf die in der Anschlussstruktur eingebaute Kraftmessvorrichtung wirkende Störeffekte berücksichtigendes und ein fehlerbehaftetes Messverhalten der in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung abbildendes Funktionsmodell der in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung dar.
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Dabei kann „parametrierbar“ meinen, dass - bei einem Parameter aufweisenden Modell, hier dem elektronischen Zwilling, - diese Parameter, genauer deren Parameterwerte, verändert bzw. angepasst werden können.
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Über diese Parameter „im Gesamten“ (Anzahl, Art, Verknüpfung, ...) und deren veränderliche/anpassbare Werte kann ein Modell bzw. der elektronische Zwilling für die bzw. für die Kraftmessvorrichtung zu berücksichtigende Störeffekte und deren spezifischen Einfluss auf die Kraftmessvorrichtung konfiguriert werden.
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Störeffekte, insbesondere auch solche zusätzlichen, welche erst aus der Direktwägetechnik bzw. aus dem Einbau in die Anschlussstruktur resultieren, können beispielsweise sein eine Position einer Krafteinleitung und/oder Kraftausleitung, Querkräfte, Torsionskräfte, Stöße, ein Cosinusfehler, insbesondere ein Cosinusfehler durch Kippen der Anschlussstruktur, eine Änderung von mechanischen Eigenschaften der Anschlussstruktur, eine Änderung der mechanischen Eigenschaften der Verbindung der Anschlussstruktur, ein Verschleiß an der Kraftmessvorrichtung, ein Temperaturkoeffizient des Nullpunkts ((temperaturbedingter) Nullpunktfehler), ein Temperaturkoeffizient des Kennwerts (Fehler des Übertragungsfaktors), ein Temperaturgradient (Fehler durch Temperaturgradient), ein Empfindlichkeitsfehler, insbesondere ein temperaturbedingten Empfindlichkeitsfehler, ein Linearitätsfehler, eine Hysterese und/oder ein Kriechen.
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Anders als bisher bei einem auswertungsseitigen rechnerischen Messwertkorrekturansatz bzw. diesbezüglich verwendeten Modell, wie dem einen eine Temperaturdifferenz charakterisierenden Korrekturparameter ermittelnden thermodynamischen (Temperatur-)Modell („(Stör-)Effektmodell“), ist das nach den Verfahren bzw. bei der Kraftmessvorrichtung verwendete Funktionsmodell, d.h. der elektronische Zwilling, ein Funktionsmodell der Kraftmessvorrichtung, ähnlich einer Regelstrecke bzw. einem Übertragungssystem, - und bildet dessen fehlerbehaftetes Messverhalten ab („Funktionsmodell“).
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Hierdurch, d.h. durch den elektronischen Zwilling im Besonderen, können gleichzeitig mehrere und verschiedene (Stör-)Aspekte - und diese für die spezifische/individuelle Kraftmessvorrichtung berücksichtigt werden.
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Hierdurch wird die „individualisierte“ Messfehlerkorrektur für die (individuelle) Kraftmessvorrichtung hochgenau - und so auch die Kraftmessungen der (individuellen) Kraftmessvorrichtung hochgenau, stabil und zuverlässig.
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Zweckmäßig kann es weiter sein, wenn die Parametrierung des Funktionsmodells bzw. elektronischen Zwillings unter Verwendung eines Fehlerminimierungsverfahrens, insbesondere einer Methode der minimalen Fehlerquadrate, durchgeführt wird („Lernen“) .
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Dabei kann es weiter zweckmäßig sein, die minimalen Fehlerquadrate unter Verwendung des Kraftmessvorrichtungsreferenzkraftsignals und des Funktionsmodellreferenzkraftsignals zu bilden.
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Auch kann vorgesehen sein, dass Parameter des Funktionsmodells bzw. elektronischen Zwillings händisch festgelegt werden.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Funktionsmodell bzw. elektronische Zwilling, insbesondere unter Berücksichtigung einer Temperatur, ein Eingangssignal, insbesondere ein Kraftsignal, weiter insbesondere ein, insbesondere von einer Kalibrierkraftmessvorrichtung für die Referenzbelastung generiertes, Referenzkraftsignal, auf ein Ausgangssignal, insbesondere ein Funktionsmodellkraftsignal, weiter insbesondere das Funktionsmodellreferenzkraftsignal, abbildet.
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Auch kann vorgesehen sein, dass in der Fehlerschleife eine Abweichung zwischen dem fehlerbehafteten Kraftmessvorrichtungskraftsignal und dem Funktionsmodellkraftsignal gebildet, insbesondere summiert oder integriert, wird.
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Das fehlerbehaftete Kraftmessvorrichtungskraftsignal kann durch Anlegen einer zu messenden Belastung an die in der Anschlussstruktur eingebaute Kraftmessvorrichtung erzeugt werden, kann durch Zeit, durch Kriechen, durch Temperatureinfluss oder durch andere Fehlerquellen entstehen.
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Dementsprechend kann das Funktionsmodell unter Berücksichtigung einer Temperatur ein Eingangssignal, insbesondere ein Kraftsignal, weiter insbesondere das in der Fehlerschleife integrierte Kraftsignal, auf ein Ausgangssignal, insbesondere das Funktionsmodellkraftsignal, abbilden.
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Bei einer weiteren Weiterbildung kann auch vorgesehen werden, dass die einzelnen bei dem Funktionsmodell berücksichtigten Störeffekte unter Verwendung einzelner, unabhängiger Stör-effekteabbildungen (Funktionsblöcke) in dem Funktionsmodell abgebildet werden.
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Hier kann es dann weiter zweckmäßig sein, dass die Stör-effekteabbildungen jeweils Differenzialgleichungen verwenden.
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Ferner ist nach Weiterbildungen vorgesehen, dass das Kraftmesssystem in einer Behälter-, Silo-, Tank-, Gleis-, Straßenfahrzeug-, Prozess-, Plattform-, Dosier-, Förder-, Tundish-, Gießpfannen- oder Mischerwaage oder in kraftbasierte Diagnose- oder Justiersysteme eingebaut ist bzw. die Verfahren dort implementiert sind.
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Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammengefasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit den erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. dem erfindungsgemäßen Kraftmesssystem kombinierbar.
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Auch wenn in der Beschreibung bzw. in den Patentansprüchen einige Begriffe jeweils im Singular oder in Verbindung mit einem Zahlwort verwendet werden, soll der Umfang der Erfindung für diese Begriffe nicht auf den Singular oder das jeweilige Zahlwort eingeschränkt sein. Ferner sind die Wörter „ein“ bzw. „eine“ nicht als Zahlwörter, sondern als unbestimmte Artikel zu verstehen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Zusammenhang mit der bzw. den Zeichnungen/Figuren näher erläutert wird/werden. Gleiche Bauteile/Komponenten und Funktionen weisen in den Zeichnungen/Figuren gleiche Bezugszeichen auf. Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf darin angegebene Kombinationen von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung eingebracht und mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden.
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Es zeigen bzw. verdeutlichen:
- 1 einen Teil einer Behälterwaage, hier eine Gichtbunkerwaage bei einem Hochofen, mit einer Direkwägetechnik;
- 2 schematisch eine digitale Messwertkorrektur;
- 3 ein Blockschaltbild eines parametrierbaren, auf einen in einer Anschlussstruktur eingebauten Wägebalken wirkende Störeffekte berücksichtigenden und ein fehlerbehaftetes Messverhalten des in die Anschlussstruktur eingebauten Wägebalken abbildenden Funktionsmodells („elektronischer Zwilling“);
- 4 schematisch ein Parametrieren („Training“) des parametrierbaren Funktionsmodells bzw. elektronischen Zwillings;
- 5 ein Training des parametrierbaren Funktionsmodells bzw. elektronischen Zwillings anhand von Signalverläufen;
- 6 eine digitale Messwertkorrektur mit dem parametrierbaren Funktionsmodell bzw. elektronischen Zwilling;
- 7 eine digitale Messwertkorrektur mit dem parametrierbaren Funktionsmodell bzw. elektronischen Zwilling anhand von Signalverläufen.
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1 zeigt einen Teil einer Behälterwaage 10, hier eine Gichtbunkerwaage 10 bei einem Hochofen, mit einer Direkwägetechnik.
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Dazu ist, wie 1 verdeutlicht, ein Gichtbunker 11 unmittelbar auf einem Kraftsensor 2, d.h. drei Wägevorrichtungen mit Kraftsensoren 2, eines Typs Wägebalken DWB (in 1 ist nur einer sichtbar) gelagert.
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Jeder Kraftsensor 2 ist dabei einerseits fest zum Gichtbunker verschraubt sowie auch andererseits fest zum Untergrund (Anschlussstruktur 1).
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Dadurch sind - bei dieser Direktwägetechnik - keine weiteren externen wägetechnischen Lagerungselemente zwischen dem Behälter bzw. Gichtbunker 11 und dem Untergrund erforderlich. Daraus ergeben sich folgende Vorteile: - es gibt keine Kraftnebenschlüsse, die vor allem über lange Zeiträume schwer beherrschbar sind, - es gibt keine beweglichen Teile, - es gibt keine mechanischen Einstellarbeiten, - für die Montage der Wägebalken ist kein spezielles Fachwissen erforderlich, - die Waage arbeitet vollkommen wartungsfrei und unempfindlich gegenüber Verschmutzung.
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In Abhängigkeit und korrespondierend zum Gewicht/Last des Gichtbunkers 11 liefert der Kraftsensor 2 ein (elektrisches) Kraftmessvorrichtungskraftsignal, welches, wie in 1 (und 2) angedeutet, mittels einer Leitung 12 an eine Signalverarbeitungseinheit 13, kurz Auswerteeinheit/-elektronik 13, weitergeleitet wird, welche der weiteren Verarbeitung dieses Kraftmessvorrichtungskraftsignals und der Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals dient (vgl. 2).
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Im Idealfall sollen Kraftsensoren 2, die Kraft, die gemessen bzw. ermittelt werden soll, in ein proportional elektrisches Signal, dem Kraftmessvorrichtungskraftsignal, umwandeln.
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In der Realität ist dieser Prozess immer fehlerbehaftet, so dass Störkomponenten im Signal auftreten.
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Dies beruht unter anderem auf der Funktionsweise des Kraftsensors, welcher nicht-lineare und cross-talk Effekte sowie Temperaturabhängigkeiten aufweist, dies insbesondere im Fall einer Direktwägetechnik, wie hier verwendet, wo die Kraftsensoren mit einer Anschlussstruktur fest verbunden sind, was zusätzliche Störeffekte verursacht.
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Um die - diesbezüglich fehlerbehafteten - Kraftmessvorrichtungskraftsignale genauer, stabiler und zuverlässiger zu machen, werden diese, wie 2 verdeutlicht, in bzw. mittels der Auswerteelektronik 13 korrigiert. Kurz, es findet in der Auswertelektronik 13 eine digitale Messwertkorrektur des Kraftmessvorrichtungskraftsignals statt.
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Dazu ist in der Auswertelektronik 13, wie 2 verdeutlicht, ein spezieller Funktionsbaustein 8 vorgesehen (vgl. insbesondere 3), mittels welchem diese digitale Fehlerkorrektur bewirkbar bzw. umsetzbar ist.
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In dem Funktionsbaustein 8 ist ein parametrierbares, auf den in der Anschlussstruktur 1 eingebauten Kraftsensor 2 wirkende Störeffekte berücksichtigendes und ein fehlerbehaftetes Messverhalten des in die Anschlussstruktur 1 eingebauten Kraftsensors 2 abbildendes Funktionsmodell 3 des Kraftsensors 2 („elektronischer Zwilling“, 3) implementiert.
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Kurz, die (fehlerbehafte) Funktionsweise/Messverhalten des Kraftsensors 2 wird mittels des Funktionsbausteins 8 bzw. elektronischen Zwillings 3 nachgebildet/simuliert.
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Für die digitale Messwertkorrektur des Kraftmessvorrichtungskraftsignals mittels des elektronischen Zwillings 3 können dann, wie 2 auch verdeutlicht, eventuelle Störgrößen wie Temperatur oder eine Last an unterschiedlichen Positionen und unterschiedlichen Zeitpunkten gemessen werden.
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3 verdeutlicht in einem Blockschaltbild dieses parametrierbare, auf den in der Anschlussstruktur 1 eingebauten Kraftsensor 2 wirkende Störeffekte berücksichtigende und das fehlerbehaftete Messverhalten des in die Anschlussstruktur 1 eingebauten Kraftsensors 2 abbildende Funktionsmodell 3 des Kraftsensors, kurz im Folgenden nur „elektronischer Zwilling“ 3.
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Dabei werden, wie 3 auch verdeutlicht, in dem elektronischen Zwilling 3 einzelne Funktionsblöcke 9 gebildet, welche die unterschiedlichen, zu berücksichtigenden Störeffekte numerisch - unter Verwendung von an die jeweilige individuelle Situation anpassbaren Parametern - modellieren, nämlich beispielhaft hier in 3 für einen Linearitätsfehler, für eine Hysterese und für ein Kriechen. Die einzelnen Parameter sind in 3 durch mehrerer hintereinander angeordnete Blöcke dargestellt und nicht näher bezeichnet.
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Für eine solche numerische Modellierung stehen auf Differentialgleichungen basierende Modelle zur Verfügung, wie beispielsweise ein Dahl-Modell für die Hysterese, und ein numerischer Filter, beispielsweise ein Tief- oder Hochpassfilter für das Kriechen.
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In entsprechender Weise können auch weitere Störeffekte, wie eine Position einer Krafteinleitung und/oder Kraftausleitung, Querkräfte, Torsionskräfte, Stöße, ein Cosinusfehler, insbesondere ein Cosinusfehler durch Kippen der Anschlussstruktur, eine Änderung von mechanischen Eigenschaften der Anschlussstruktur, eine Änderung der mechanischen Eigenschaften der Verbindung der Anschlussstruktur, ein Verschleiß an der Kraftmessvorrichtung, ein Temperaturkoeffizient des Nullpunkts ((temperaturbedingter) Nullpunktfehler), ein Temperaturkoeffizient des Kennwerts (Fehler des Übertragungsfaktors), ein Temperaturgradient (Fehler durch Temperaturgradient), ein Empfindlichkeitsfehler, insbesondere ein temperaturbedingten Empfindlichkeitsfehler, - in gleicher modularer Weise (durch entsprechende Funktionsmodule/-blöcke) - in dem elektronischen Zwilling abgebildet werden.
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Weitere analoge Größen wie Last, Temperatur oder Position werden wie 3 zeigt, noch gemessen und dem elektronischen Zwilling 3 zugeführt.
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Die Unterteilung in verschiedene Funktionsblöcke 9 erlaubt es, gewisse Kompensationen bzw. Störeffekte - je nach Situation - auszuschalten.
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Eine gewisse jeweilige Anzahl von Parametern 5 bestimmen dabei jeweils Betrag und Form der unterschiedlichen Störeffekte („Graubox“) .
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Diese werden für den jeweiligen Kraftsensor 2 bzw. in der/für die jeweilige Einbausituation anhand von Messdaten experimentell bestimmt („Parametrierung“/„Lernen“/„Training“) (vgl. 4, 5, 6).
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4 verdeutlicht schematisch, wie die Parametrierung des elektronischen Zwillings 3 unter Verwendung eines Fehlerminimierungsverfahrens 4, hier der Methode der minimalen Fehlerquadrate 4, durchgeführt wird („Lernen“ („Training“)).
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Wie 4 zeigt, werden hier die Fehlerquadrate aus der Differenz eines Kraftmessvorrichtungsreferenzkraftsignals („Signal“) und eines entsprechenden/zugehörigen Funktionsmodellreferenzkraftsignals („Modell“) gebildet.
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5 zeigt wie - für bekannte Referenzkräfte/Referenzbelastungen - die diesbezüglichen von Kraftsensor 2, erzeugten Kraftsignale mit entsprechenden - aus für diese bekannten Referenzkräfte/Referenzbelastungen - vom elektronischen Zwilling 3 generierten Kraftsignale verglichen werden (Kurve 1: Referenzsignal; Kurve 2: Sensorsignal bzw. Kurve 2': Differenz Kurve 2 Kurve 1; Kurve 3: Signal des elektronischen Zwillings bzw. Kurve 3': Differenz Kurve 3 Kurve 1; Kurve 4: Temperatur(-verlauf) (Kurven (oben) wg. Darstellbarkeit gegeneinander verschoben).
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Der elektronische Zwilling 3 „lernt“ bzw. wird dabei „trainiert“, d.h. dessen Parameter 5 werden derart angepasst, dass sein Ausgangssignal das Ausgangssignal der Kraftmessvorrichtung 2 möglichst gut abbildet, kurz, dass die Fehler möglichst klein werden.
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Wie 4 auch verdeutlicht, entstammen die anzupassenden Parameter 5 des elektronischen Zwillings 3 dessen - die einzelnen Störeffekte berücksichtigen Funktionsmodule/-blöcke 9, hier beispielhaft angedeutet für die Störeffekte Linearitätsfehler, Hysterese und Kriechen.
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Mit Trainingsende und angepassten Parametern 5 bei dem elektronischen Zwilling 3 steht so - mit dem elektronischen Zwilling 3 - ein Funktionsmodell 3 des Kraftsensors 2 zur Verfügung, welches dessen bzw. deren Fehlverhalten/fehlerbehaftetes Messverhalten nachbildet.
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6 verdeutlicht dann die eigentliche Fehlerkorrektur, d.h., wie das fehlerbehaftete Kraftmessvorrichtungskraftsignal mittels des (trainierten) elektronischen Zwillings 3 korrigiert wird.
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Wie 6 zeigt, erfolgt die Messwertkorrektur in einer (einfachen) (Fehler-)Schleife 6 - gebildet aus einem Komperator 14, einem Integrator 15 und dem elektronischen Zwilling 3.
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Der Schleife 6 wird am Komperator 14 das gemessene fehlerbehaftete Kraftmessvorrichtungskraftsignal zugeführt; durchläuft den Integrator 15 (, in welchem das Signal aufintegriert wird,) und anschließend den elektronischen Zwilling 3, dessen Ausgangssignal wieder zum Komperator 14 zurückgeführt wird.
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Diese Fehlerkorrektur durch diesen Schleifenaufbau 6 hat den Vorteil, dass dieselben Funktionsblöcke 9 für die Korrektur und die Lernphase (vgl. 4) benutzt werden. Bei kleinen Fehlern konvergiert die Schleife 6 äußerst schnell, d.h. schon nach einem oder sehr wenigen Durchläufen konvergiert die Schleife 6 auf einen stabilen fehlerkorrigierten Lastwert bzw. dem korrigierten Lastsignal hin.
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Dieses korrigierte Lastsignal kann, wie 6 auch zeigt, zwischen Integrator 15 und digitalem Zwilling 3 abgegriffen (und einer Anzeige (16, nicht dargestellt) zugeführt) werden.
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7 verdeutlicht die Messwertkorrektur anhand von Signalverläufen.
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7 zeigt wie für bekannte Referenzkräfte/Referenz-belastungen Kurve 1 die von dem Kraftsensor erzeugten Kraftsignale Kurve 2 anhand zugrundeliegender Parameter in einer Korrekturschleife korrigiert werden. (Kurve 1: Referenzsignal; Kurve 2: Sensorsignal bzw. Kurve 2': Differenz Kurve 2 Kurve 1; Kurve 5: korrigiertes Lastsignal bzw. Kurve 5': Differenz Kurve 5 Kurve 1; Kurve 4: Temperaturverlauf mit Störeffekt Temperaturanstieg. Die Kurven 1,2 und 5 sind wegen der Darstellbarkeit gegeneinander verschoben).
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anschlussstruktur
- 2
- Kraftsensor
- 3
- parametrierbares Funktionsmodell, elektronischer Zwilling
- 4
- Fehlerminimierungsverfahren, Methode minimaler Fehlerquadrate
- 5
- Parameter
- 5.1
- Linearität
- 5.2
- Kriechen mechanisch - Messkörper, Anschlussstruktur
- 5.3
- Hysterese
- 5.4
- Dynamik von thermischen Effekten
- 5.5
- Kriechen von DMS
- 5.6
- K-Faktor DMS
- 5.7
- mechanischer Faktor
- 6
- (Fehler-)Schleife
- 7
- Kraftmesssystem
- 8
- Funktionsbaustein
- 9
- Funktionsblock
- 10
- Behälterwaage, Gicht
- 11
- Gichtbunker
- 12
- Leitung
- 13
- Signalverarbeitungseinheit, Auswerteeinheit/-elektronik
- 14
- Komperator
- 15
- Integrator
- 16
- Anzeige
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 1495278 [0011, 0013]
- EP 2457070 B1 [0012, 0013]
