DE1449916A1

DE1449916A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Wiegen von in Bewegung befindlichen Objekten mit wechselnder Lastverteilung

Info

Publication number: DE1449916A1
Application number: DE19641449916
Authority: DE
Inventors: Cass George Robert
Original assignee: Canadian National Railway Co
Current assignee: Canadian National Railway Co
Priority date: 1964-06-15
Filing date: 1964-12-22
Publication date: 1969-01-09
Also published as: BE662364A; FR1423144A; NL6500603A; SE326310B; GB1077508A; NO121918B; US3276525A; DE1449916B2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Wiegen von in Bewegung befindlichen Objekten mit wechselnder Lastverteilung, Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein. Vorrichtung zum wiegen von in Bewegung befindlichen Gbjekten mit wechselnder Lastverteilung, insbesondere zum Wiegen von Eisenhbahnwaggons mit einer Genazuigkeit innerhalb von # 0,15 % des wirklichen statischen Gewichts des Eisenbahnwaggons, wihrend dieser über eine Brückenwaage mit einer Geschwindigkeit bis zu 24 km/Std. fährt.
In der folgenden Beschreibung wird das Wiegen von in Bewegung befindlichen Eisenbahnwaggons besonders erläutert, es versteht sich jedoch, daß die Grundprinzipien der in der Beschreibund dargelegten, dynamischen Wägung auf jede Porm dynamischer Wägung angewandt werden können, beispielsweise auf das Wiegen von lebendem, ein Förderband entlangwanderndem Vieh, beim Bergbau oder ähnlichen Unternchmen fUr das Wiegen von auf einem Förderband transportierten Erzkübeln, u. dgl.
Für jedes in Bewegung befindliche Objekt sind die wahrscheinlichsten Schwingungsarten diejenigen, die das System ausfuhren kann, beispielsweise werden bei einem völlig vom Balken einer Brückenwaage getragenen Eisenbahnwaggon die querschwingungen (winkelige Schwingungen um die kurze oder Querachse) und die Längsschwingungen (winkelige Schwingungen um die Längsachse) völlig kompensiert, da eine Gewichtsabnahme auf einor Seite oder einem Ende eines Waggons als entsprechende gewichtszunahme auf der anderen Seite bzw. dem anderen Ende des Waggons erscheint.
Die einzige, nicht kompensierte Schwingung ist die Wechselschwingung in vetikaler Richtung, das Federn bzw. stampfen, was aus zahlreichen Ursachen entstehen kann, wie beisplelarloise durch die folgenden : 8) federnde Schwingung des Fahrzeuges in seiner Aufhängung, während es über die Brückenwaage fährt ; b) Schwigen der Brückenwaagebalken auf natürliche Weise infolge der Anregung durch das bewegte Fahrzeug (z.B. durch unrunde Räder, durch einen Stoß, dor durch das Fahrzeug erfolgt, wenn oa die Pugen in den Schienen beim Auffahren auf die Brückenwaage kreuzt, msw.) ; o) Schwingungen, die von außen aufgenommen werden und die auf die Brückenwaggenhalterungen Ubor den Boden einwirken.
Eine weitere Schwingungsursache entsteht dadurch, daß der Eisenbahnwaggon bei seiner Annäherung an die Br@lckenwaage einen Ablaufberg passiert und frei auf den Geleisen ein Gefälle von gewähnlich 6%iger Neigung abwärtsfährt, bevor er die Brückenwaage paaiert, die ein Gefälle von gewöhnlich 1 3/4%iger Neigung aufweist. die relativ plötzliche Neigungsänderung verstärkt somit die in a) erwähnts federnde Schwingung.
Es wurde festgestellt, daß die unterste Frequenz und somit die ungünstigste Bedingung für die bei bewegten Eisenbahnwaggons verursachte federnde Schwingung otwa 3 Pcrioden/Sek. bei einem vollbeladenen waggon betrpgt, und es ist zu erwarten, daß diese Frequens im Ergebnis eines jeden Wiegesystems erscheint.
Dies bedeutet, daß im ungünstigsten Fall sich die Aber eine gewisse Zeitdauer abgenommenen Gewichtsanzeigen dreimal in jeder Sekunde von maximalen in minimale Werte des wirklichen Gewichts ändern. Wenn man nochmals den ungünstigsten fall annimmt, können diese maximalen und minimalen Werte zu momentanen Gewichtsanzeigen mit bis zu # 20 % Unterschied vom tatsächlichen ewicht des Fahrzeuges führen.
Durch die Schwingungen, die unter den bei b) und c) aufgefrrrten Bedingungen entstehen, kommen weitere maximale und minimale Werte, jedoch von höherer Frequenz, hinzu, die der Federungefrequenz überlagert werden.
Daher muß bei jedem Wiegesystem zum Wiegen eines in Bewegung bfindlichen Fahrzeuges mit annchmbarer Genauigkeit aus einer Reihe von sich verändernden, momentanen Gewichtsanseigen das wirkliche Gewicht des fahrzeugs ausgewertet werden, da jede einselne, momentane Gewichtsanzeige etwa 20 % über oder unter dem wirklichen Gewicht des Fahrzeugs liegen kann, die meisten der heutzutage gebräuchlichen Wiegesysteme sind nicht in der Lage, das wirkliche Gewicht aus einer Reihe von sich ändernden, momentanen Gewichtswerten auszuwerten. Das Fahrzeug muß deshalb angehalten und das wirkliche Gewicht statisch bestimmt werden.
Dies bodtngt viele Nachteile und ist sehr unwirtschaftlich, da ein Anhalten des in Bewegung befindlichen Objekts und ein anschließendes, statisches Wiegen desselben erforderlich genacht wird, wodurch die Anzahl der in einer gegebenen Zeitdauer wiegbaren Objekte beträchtlich eingeschränkt wird.
Ein weitgehend angewandtes Wiegesystem umfaßt einen Servomechanismus zum Abgleich des Nullwerts zur Messung des Ausgangs von Lastzellen. dieses system kenn zur Gewichtsbestimmung eines in Bewegung befindlichen Objekts verwendet werden; die ausgangsanzeige enthält jedoch immer noch Ungenauigkeiten bis zu # 2,5 % des wirklicen Gewichts des Objekts auf Grund der Trägheit des Servomechanismus, der dazu neigt, den momentanen Gewichteveränderungen zu folgen.
Die vorliegende Erfindung ist ein Vorfahren und eine Vorrichtung zum dynamischen Wiegen eines in Bewegung befindlichen Objekts, ohne daß die Geschwindigkeit gewandert wird, mit der sich das Objekt bewegt, und mit einer Genanigkeit innerhalb eines Wertes von # 0,15 % des tatsächlichen Gewichts des Objekts.
In der Grundform der Erfindung werden die Brückenwaagebalken auf mehreren spannungsmesserlastzellen getragan, die für einen gegebenen Spannungseingang einen der momentanen Belastung auf der Brücke proportionalen Spannungsausgang erzeugen. Diese Ausgangsspannung wird dann verstärkt und für eine bestimmte Zeitdauer einer zweipoligen Siebkette zugefuhrt, die in wirksamer Weise eine unvollständige mathematische Integration des Ausgangssignale durchführt und einen Ausgang erzeugt, der im wesentlichen gleich dem wsrklichen, statischen Gewicht des Objekts plus einem Schwingungsglied ist, dessen Amplitude auf 1/13 ihres ursprünglichen Wertes verringert ist. Dieses verbesserte ausgangssignal aus der zweipoligen Siebkette wird dann während einer bestimmten Zeitdauer in einen elektronischen Integrator eingespeist, der eine vollatändige mathematische Integration des Signals durchführt und einen Ausgang herworbringt, der dem tatsächlichen, statischen Gewicht des Objekts plus einem Schwingungsglied gleich ist, das auf eine maximale Amplitude. von + 0,15 % + des wirklichen, statischen Gewichts des Objekts reduziert wurde. Diese Grundform umfaßt die Faktoren der Integrationszeit und der Gleichstrom-Erregerspannung, wobei alle beide leichten Änderungen unterworfen sein können und äußerst genau stabilisiert sein müssen, ua übereinstimmend Gewichtsanzeigen mit der erforderlichen Genauigkeit zu erzeugen.
Bei Alternativ-Ausführungsformen der Erfindung ist eine weitere Integrationsetufe mit dem soeben beschriebenen Integrator parallelgeschaltet und führt eine vollständige Integration der Gleichstrom-Srregerspannung für die gleiche bestimmte Zeitdauer durch als für die vollständige Integration, die mit dem von der zweipoligen Siebkette erhaltenen Signal durchgeführt wird. bui diese Weise eracheinen gleiche Faktoren von Integrationaseit und Gleichstom-Erregerspannung in den Ausgängen aus beiden Integrationstufen, und wenn diese Ausgänge untereinander dividiert werden, heben sich diese Faktoren gegenseitig auf und lassen den Quotient übrig, der die Gewichtsanzeige unabhängig sowohl von Zeit oder Gleichstrom-Erregerspannung darstellt.
Bs ist daher das lIauptziel der vorliegenden erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dynamischen Wiegen von in Bewegung befindlichen Eisenbahnwaggons wechselnder Last,?erteilung bis zu einer Genauigkeit zu schaffen, die gleich oder besser als # 0,15% des statischen Gewichts des Eisenbahnwaggons ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum dynamischen Wiegen von in Bewegung befindlichen Eisenbahnwaggons wechselnder Lastverteilung bis zu der oben genannten Genauigkeit., ohne daß es erforderlich ist, die Geschwindigkeit zu ändern, mit der sich der Waggon bewegt.
Durch die Erfindung sollen ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dynamischen Wiegen von in Bewegung befindlichen Eisenbahnwaggons wechselnder Lastverteilung geschaffen werden, wodurch die öglicherweise auftretenden Variablen, z.B. die Spannung der Stromversorgung und Ungenauigkoiten des Zeitgebers, aus den die Gewichtsanzeigen ergebenden Faktoren eliminiert und somit übereinstimmend genaue Gewichtsanzeigen geliefert werden, ohne daß diese möglichen veränderlichen Paktoren genau stabilisiert werden müssen.
Diese und weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgendon, ausführlichen Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten ausführungsbeispiele. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Eisenbahnwaggons, der über eine auf Lastzellen getragene Brückenwaage fährt; Fig. 2 ein Diagramm der Ausgangsspannungen aus den in Fig. 1 gezeigten Lastzellen, wobei diese Ausgangsspannungen proportional den momentanen Belastungen auf der Brückenwaage sind; Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild der zweipoligen, in der Erfindung verwendeten Siebkette ; Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild der errindungagemäßen Grundform unter Verwendung eines Analogintegrators; Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild ähnlich dem von Fig. 4, jedoch unter Verwendung eines Digitalintegrators ; Pig. 6 ein schematisches Blockechaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung von zwei parallelgeschalteten Anaplogintegratoren; und Pig. 7 ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung von zwei parallelgeschalteten Digitalintegratoren.
In der Zeichnung haben gleiche Teile jeweils gleiche Bezugszeichen. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Eisenbahnwaggons 11, der über eine Brückenwaage 12 mit einen 1 3/4%igem Geftille fährt, nachdem er eine Erhebung 15 passiert und einen Ablaufberg 14 mit einem 6%igen Gefälle abwärtsgefahren ist. Die Brückenwaage 12 wird frei auf acht Spannungamesserlastzellen 15 (vier pro Seite) getragen.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm der Ausgangsspannungen aus den Lastzellen 15, die den momentanen Belastungen auf der Brücken- Waage 12 proportional sind.
Die Lastzellen 15 sind grundsätzlich Wandler, die einen der ihnen auferlegton Belastung propertionalen, elektrischen ausgang erzeugen. In der folgenden Beschreibung der Erfindung sind die Last?aOllCn 15 von passiver Art und benötigen eine gleichmäßige, gleichstromerregte Eingangsspannung, um die erforderliche Ausgangsspannung für eine gegebene Belastung liefern zu können.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß bei der Annäherung des Eisenbahnwaggone 11 an die Brückenwaage 12 ursprünglich keine Belastung auf der Brücke, wie durch to angegeben ist, und somit keine ausgangaspannung vorhanden ist, Sobald der reisenbahnwaggon 11 auf die Brückenwaage 1? auffährt, rufen die nachfolgenden auff@hrenden Räder eine zunehmonde Ausgangsspannung hervor, bis der Waggon 11 sich ganz auf der Brücke befindet, d.h. völlig vom Baklen getragen wird. Dieser Zustand ist bei t1 erreicht. las Spannungsausgangssignal von t1 bis t2 stellt die Zeit dar, in welcher der Waggon völlig vom Balken getragen ist. Danach sinkt die Ausgangsspannung wieder ab, während die Räder nacheinander die Brückenwaage 12 verlassen. Die durch t1 bis t2 dargestellte Ausgangsspannung ist daher das Signal, das in Betracht gezogen werden muß un das wirkliche, statische Gewicht WO des Waggons 11 zu bestimmen.
Eine Untersuchung dos Signals zwischen t1 und t2 zeigt, baß die wechselnde Komponente der Federschwingung 16, die Wo überlagert ist, eine maximale Amplitude von α1 aufweist. Ebenfalls zeigt eine weitere Untersuchung des Signals zwischen t1 und t2 deutlich die der Schwingung Uberlagerten, höheren Frequenzen, die durch die Vibrationen der Brückenstruktur usw. bedingt sind, sowie die harten, durch flache Räder verursachten Stöße.
Gemäß der Erfindung geht die theoretische Bestimmung des wirklichen Gewichts folgondermaßen vor sich: Das Gewichtssignal von t1 bis t2 soll in Betrscht gezogen werden. Unter der Annabme, daß das momentane Gewicht zu einer beliebigen Zeit t gleich Wt und das tatsächliche, statische Gewicht des Waggons gleicht Wo ist, da@n ergibt die graphische Darstellung von t1 bis t2 : hierin bedeuten: Wi = die natürliche Schwingungsfrequenz des Waggons, mindestens 20 rad/Sek. w2 = die natÜrliche Vibration der Brücke, etwa 180 rad/sek. wn = die anderen höheren Frequenzen, α1 = die schwingungsamplitude als Bruchteil des statischen Gewichts (etwa 0,2 oder 20 % des tatsächlichen, statischen Gewichts), α2, αn ... usw. = die amplituden der anderen, höheren Frequenzen, Q1, Q2, Qn ... usw, = die momentanen Phasenwinkel der verschiedenen Schwingungskomponenten zur Zeit t.
Es ist ersichtlich, daß bei n@chfolgenden Integrationen der Gleichung (1) die Schwingungskomponenten um 1/w für jede Integration reduziert werden; bei der orsten Integration erhält man daher: Da α2 sehr klein ist (etwa 0,010 und w2 etwa 180 beträgt, können alle Gliedor über w1 vernachlässigt werden. Daher ergibt sich für das Integral von Gleichung (2) : da der Ausdruck für den Beginn der Integration der Ausdruck 0 ist.
Eine zweite Integration der Gleichung (3) ergibt; wiederum ist zu Beginn der Integration der Auodruck gleich 0.
Es ist ersichtlich, daß, wenn t bestimmt ist (z.B. 1 Sekunde), das Schwingungsglied aof 1/400 seiner ursprünglichen amplitude verringert wurde. somit können die α1/w1 -glieder vernachlässigt werden.
Das Glied α1/w1 kann jedoch nicht unberücksichtigt bleiben.
Dieses Glied resultierto aus den ursprünglichen bedingungen von der ersten Integration. Der erste Integrationsprozess muß daher leicht abgeändert werden, um diese ursprüngliche Bedingung zu behandeln. Dies kann auf zwei Arten erfolgen : a) Berechnung von K1 zur Zeit t und Subtraktion. b) Lasse K1 "vergessen" sein.
Die Lösung a) zieht einen langwierigen, mathematischen Prozess mit sich.
Deshalb wurde die Lösung b) gew@hlt und folgendermaßen durchgefährt : Das wechselnde Lastisgnnl 16 in Fig. 2 wird durch die in Fig. 3 gezoigte, zweipolige Siebkette laufen gelassen. Dabei bedeuten oin der Eingang für das Signal und eo der ausgang desselben.
Diese Siebkette führt in wirkssmer Weise eine unvollst@ndige Integration des Eingangssignals ein aus und liefert einen ausgang eo, der dem statischen Gewicht Wo plus einem Schwingungsglied gleich ist, dessen Amplitude auf 1/13 ihres ursprünglichen Wertas reduziert ist.
Dies ist mathematisch folgendermaßen dargestellt : aber @1/g1 = @2/g2 = 1/wo = 1/5 (6) Das in Gleichung (5) verwendete Symbol d stellt den Differtialoperator dar.
Die Werte der in Fig. 3 gezeigten Komponenten sind folgende : Kapazitäten : C1 = 20 µF (Mikrofarad) ; C2 = 0,6 µF ; Leitwerte : g1 - 100 µS (Hilcrosiemens) ; g2 = 3 µS ; g3 = 1 µS. g1, g2 und g3 sind widerstände im Wert von 10.000 Ohm, 333.000 Ohm bzw. 1.000.000 Ohm.
Ein einsetzen dieser Werte in die gleichung (5) und deren auflösung zeigen, daß wenn man das Gewichtssignal zur Zeit t1 plötzlich aufbringt, eo sich innerhalb 1,7 x 10-4 Teilen des tats@chlichen Gewichts Wo innerhalb zweier Sekunden aufbaut. dies stellt die charateristische Lösung der Differentialgleichung (50 dar.
Gleichzcitig wird das sinusförmige Glied α1 durch einen Faktor 1/17,4 verringert. Das Einheits- oder gleichstromglied wird um 1/1,34 herabgesetzt, so daß das Abnehmeverhältnis 1/13 beträgt. auf diese Weise ist der Ausgang dieser Siebkette ein einheitsglied plus einem Schwingungsglied, dessen amplitude bis auf 1/13 ihres frühren wertes reduziert ist. Hach zwei Sekunden erhält man: Der Faktor 1/1,34 , der festgelegt wird, ist vernachlässigbar.
Die Integration von Gleichung (7) ergibt nun einen Ausgang, der dem wirklichen, statischen Gewicht wo plus einem Schwingungsglied gleich ist, dessen Amplitude weiter auf ein Maximum von 0,15 « von W0 reduziert ist.
Somit ergibt sine Integration: Da w1 » 20 und cos # höchntens # 1 ist, ergibt sich : Man erkennt also au. Gleichung (9), daß das Ergebnis umso genauer wird, über eine je längere Zeitdauer man eine Integration ausführt. Wenn t eine Sekunde ist, ergibt sich: WennoL1 gleich 0,2 beträgt, erhält man: Aus Gleichung (11) erkennt man, daß die Maximalamplitude des Schwingungsgliedes gleich 0,15% von Wo wird, so daß hierdurch das angestrebte Ziel der Erfindung erreicht ist.
In gleichung (11) wird eine Schwingungsfrequenz von 20 rad pro Sek. angenommen. In der eigentlichen Praxis wird ein -oll beladener Eisenbahnfrachtwaggen eine Schwingungsfrequenz von nicht weniger als 21 bis 22 rad/Sek. haben. Die Gleichung (11) geht daher von ungünstigeren Voraussetzungen als den in der Praxis vorliegenden aus. In der Praxis wird daher die amplitude dc. Schwingungsgliedes immer erheblich geringer sein als das Maximum von 0,15 % von WO in Gleichung (tt).
Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur durchführung der theoretischen Berechnungen.
Eine Gleichstromquelle 18 liefert 13,714 Volt, als E gezeigt, zur Erregung von Lastzellen 15. Jede Lastzelle erzeugt eine Eingangsspannung von 0,00175 Volt pro Volt Gleichstrom-Erregerspannung bei einer Belastung von 200.000 lbs. (ca.
90.aoO kg). Somit ist die gesamte Spannung aus den acht Zellen 15 (in vier Paaren) ew = 1,75 x 10-3 x ###### = 0,003 volt fUr 200.000 lbs Belastung auf der Brücke 12, falls die Gleichstrom-Erregerspannung 13,714 Volt beträgt. ew wird einem Verstärker 19 zugeführt, der einen Verstärkungsfaktor 500 hat, so daß ein Eingang ein von 1,5 Volt der im einzelnen in Fig. 3 gezeigten zweipoligen Siebkette 20 zur Verfügung steht. Die Siebkette 20 hat einen Dämpfungsfaktor von 0,745. Das Ausgangssignal eO 3 1,5 x 0,745 Volt wird also dem Potentiometer 21 mit einer Dämpfung von O, 9 eingespeist, um einen Ausgang es = 1,00 volt zu liefern.
Der Ausgang es wird daraufhin in einen Analogintegrator 22 geleitet, der auf einen Verstärkungsfaktor 2 eingestellt ist und daher einen ausgang e1 = 2 Volt/Sek. für ein Volt Eingang liefert. Der Ausgang Q1 wird anschließend einem Digitalvoltmeter 23 zugeführt, das mit einer Skala versehen ist, deren Wert bei einer Eingangsspannung von 2 Volt das Gewicht von 200.000 lbs. anzeigt.
Der Zeitgeber 24 ist so geschaltet, daß er sowohl Analogintegrator 22 als auch Digitalvoltmeter 23 wie gewünscht betätigt und durch das Schließen des Spurschalters 25 in Gang gebracht wird, der sich auf den Schienen der Br2ckenwaage 12 befindet und schließt, wenn ein Waggon 11 zwei Sekunden lang voll vom Balken getragen wurde.
Der Ausgang vom Digitalvoltmeter 23 wird direkt als Gowichtsanzeige gelesen oder wird einem geeigneten Ausdrucker zugeleitet.
Die Länge der Brückenwaage 12 und die Geschwindigkeit, mit welcher ein Waggon 11 dar2berfährt, sind derart gewtihlt, daß der Waggon 11 für mindestens 3 Sekunden voll vom Balken getragen wird.
Im Betrieb wird daher die Ausgangsspannung aus den Lastzellen 15 der Siebkette 20 eingespeist, sobald der Waggon 11 auf die Brückenwaage 12 fährt. Wenn der Waggon voll vom Balken getragen wird, ist diese Spannung dem statischen Gewicht WO des Waggons 11 plus einer Schwingungskomponente mit einer Amplitude von bis zu + 20 % von WO gleich. Die Siebkette 20 führt eine unvollständige Integration deß Eingangssignals ein durch und redusiert nach einer Dauer von 2 Sekunden die Amplitude der Schwingungskomponente auf 1/13 ihres ursprünglichen Werten.
Nachdem der Waggon 11 zwei Sekunden lang voll vom Balken getragen wurde, schließt der Spurschalter 25 und setzt den Zeitgeber 24 in Betrieb, der den Analogintegrator 22 eine Sekunde lang in der "Integrier"-Stellung hält, worauf der @eitgeber 24 den Integrator 22 in die "Halte"-Stellung bringt und gleichzeitig dem Digltalsroltaeter 23 einen "Lese"-Befehl signalisiert.
Der Analogintegrator 22 führt eine vollstpndige Integration das Eingangssig nals es durch und liefert nach einer Dauer ton einer Sekunde ein Ausgangssignal, das dem Wert Wo plus einer nun auf einen Maximalwert von #0,15% von WO reduzierten Schwingungskomponente entspricht. Auf diese Weise gibt der Digitalvoltmeter 23 eine dem wirklichen, statischen Gewicht des Waggons 11 entsprechende Gewichtsanzeige an mit einem maximalen Fehler von + 0,15 % des tatsächlichen Gewichts, oder zeigt die Audruckstufe entsprechend an, Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ähnlich ist, in welcher jedoch eine bessere Meßgerätausrüstung vorhanden ist.
Eine Gleichstromquelle 18 liefert wieder 13,714 Volt für die Erregung von Lastzellen 15, die wiederum einen gesamten Ausgang ew = 0,003 Volt für 200.000 lbs Belastung auf der Brücke 12 erzeugen. ew wird ebenfalls durch Verstärker 19, Siebkette 20 und Potentiometer 21 geleitet, um einen Ausgang es w 1 Volt zu liefern, der einem Digitalintegrator 26 eingespeist wird.
Der digitalintegrator 26 erzeugt einen Ausgang von 10.000 Impulsen pro Sekunde für I Volt Eingang. Der Ausgang aus dem Digitalintegrator 26 wird dem Impulsverdoppler 27 zugeleitet, der einen Ausgang von 20.000 Impulsen pro Sekunde pro 200.000 lbs Belaetung auf der Brücke 12 erzeugt.
Bei diesem Beispiel werden die ausgangsimpulse vom Impulsverdoppler 27 einem Digitalzähler 28 zugeleitet. Der Digitalzähler 28 umfaßt eine sehr genaue Quarzuhr, die genau die Zeit steuert, in welcher der Digitalzähler 28 in seiner Zählstellung gehalten ist.
Nachdem also der Waggon 11 zwei Sekunden lang von: Balken getragen wurde, schließt der Spurschalter 25 und betätigt die Quarzuhr, die den Digitalzähler 28 genau eine Sekunde lang in der Zählstellung hält, was eine Anzeige von 20.000 Impulsen ergibt. Nach der Zählung wird eine Null angehängt, um eine Ausgangaanzeige von 200.000 für eine Belastung von 200.000 1bs. auf der Brücke 12 zu schaffen.
Die Ausgangsanzeige von 200.000 wird einem Peradrucker 29 zugeleitet, um eine zweckmäßige Aufzeichnung der Gewichtsanzeige zu bekommen.
Die Genauigkeit dieses Prozesses hängt von der Stabilität der Gleichstromquelle und tton der Genauigkeit des Verstärkungsfaktors des Verstärkers, den widerstandsverhältnissen, dem Verstärkungsfaktor des Digitalintegrators und von der Genauigkeit der Einstellung von einer Sekunde durch den Zähler ab. Die Genauigkeit der Meßgerätausrüstung läßt sich auf 0,01% halten.
In dieser Ausführungsform kann der Ausgang folgendermaßen dargestellt werden: Ausgang g E x k1 x W x k2 x k3 x k4 x k5 x 2 x t (12) hierin bedeuten: E = Gleichstrom-Erregerspannung = 13,714 Volt 1,75 x 10-3 k1 = Lastzellenfaktor = Volt pro Gleichstromvolt 8 pro 200.000 lbs.
W = das Gewicht in 200.000 lbs-Anteilen (oder Brüche derselben) k2 s Verstärkungsfaktor des Verstärkers S 500 k3 = Dämpfungsfaktor der Siebkette = 0,745 k4 r Potentiometerverhältnis = 0,9 k5 = Faktor des digitalintegrators = 10.000 Impulse/Sek. pro 1 Volt Eingang 2 = Impulsverdopplungafaktor t = Zählzeit = 1 sekunde.
Die Darstellung des ausgangs für die Grundvorrichtung mäß fig. 4 ist ähnlich.
Daher hängt bei beiden der erwähnten Ausführungsformen die Genauigkeit des Ergebnisses *on der Stabilität der Gleichstromquelle und genauer Zeitgebung ab. In der zweiten Ausführungsfrom wird dies in zweckmäßiger Weise durch genaue Stabilisierung der Gleichstromquelle und durch Verwendung einer genauen Quarzuhr erreicht.
Fig. 6 zeigt ein schematischea Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform, in welcher ein zweiter Analogintegrator zur Grundvorrichtung parallelgeschaltet ist und eine Integration der Gleichstrom-Erregerspannung E wkthrend der gleichen Zeitdauer durchführt, während der der erste Analogintegrator der Grundvorrichtung die Integration durchführt. Die Ausgänge sowohl aus dem ersten als auch aus dem zweiten Integrator hängen daher von den gleichen Faktoren der Gleichstrom-Erregerspannung und der Integrationszeit ab. Diese Ausgänge werden einem Digital-Quetientenmesser zugefUhrt, der den Quotienten vom Ausgang des ersten zum Ausgang des zweiten Integrators bildet, wobei die beiden Faktoren, Gleichstrom-Erregerspannung und Integrationszeit, gestrichen werden, so daß das Ergebnis von diesen Werten unabhängig ist.
Bei dieser Ausführungsform liefert die Gleichstromquelle 18 wieder 13,714 Volt zur Erregung von Lastzellen 15, die einen gesamten Ausgang von ew e 0,003 Volt für 200.000 lbs belastung auf der Brückenwaage 12 erzeugen. wird wieder durch Verstärker 19, Siebkette 20 und Potentiometer 21 geleitet, um einen Ausgang es 9 1 Volt zu schaffen, der einem Analogintegrator 22 eingespeist wird. Der Integrator 22 hat einen Verstärkungsfaktor 2 und liefert einen Ausgang e1 s 2 Volt für 1 Volt Eingang.
Die gleichstromquelle 18 liefert ebenfalls 13,714 Volt 1 parallel zum Potentiometer 30, der einen Dämpfungsfaktor 13,714 aufweist und somit dem Analogintegrator 31 einen Eingang von 1 Volt zuführt. Der Integrator 31 1 hat einen Verstärkungsfaktor 1 und liefert somit einen Ausgang ek 1 Volt.
Die Avsgänge el und ek werden einem Digital-quotientenmesser 32 eingespeist, der den Quotienten e1 durch ek bildet und einen Ausgang liefert, welcher dem wirklichen, statischen Gewicht WO des Waggons 11 plus einer Schwingungskomponente mit einer maximalen Amplitude von # 0,15 % von wo gleich ist. die analogintegratoren 22 und 31 werden gleichzeitig vom Zeitj;eber 24 betätigt.
Im Betrieb, nachdem also der Waggon zwei Sekunden lang voll vom Balken getragen wurde, schließt der Spurschalter 25 und -setzt den Zeitgeber 24 in Betrieb, der gleichzeitig die Analogintegratoren 22 und 31 in ihre "Integrier"-Stellung etwa eine Sekunde (T) lang bringt. Nach diouer Zeitdauer bringt der Zeitgeber 24 die Integratoren 22 und 31 in die 11llalte"-Stellung und signalisiert gleichzeitig dem Digital-Quotientenmesser 32 einen Lesebefehl.
Der Digital-Quotientenmesser 32 bildet den Quotienten des Ausgangs e1 aus dem Integrator 22 durch den Ausgang ek aus dem Integrator 31 und ist mit einer Skala versehen, die bei 200.000 lbs Belastung auf der Brücke t2 den Wert 200.000 anzeigt. Der Ausgang aus dem Analogintegrator 22 ist e1 = E x k1 x W x k2 x k3 x k4 x k5 x T (13) hierin bedeuten: E = Gleichstrom-Erregerspannung = 13,714 Volt W = Gewicht in 200.000 lbs-anteilen (oder Brüchen derselben) k1 = Lastzellenfaktor = #### # #### Volt pro Gleichstromvolt 8 pro 200.000 lbs. k2 = Verstärkungsfaker des Verstärkers = 500 k3 = Dämpfungsfaktor der siebkette = 0,745 k4 = Potentiometerverhältnis = 0,9 (Potentiometer 21) k5 = Verstärkungsfaktor des Integrators 22 = 2 T = Integrationszeit = etwa 1 Sekunde.
Ebenfalls ist der Ausgang vom Analogintegrator 31 : ek = E x k6 x k7 x T (14) hierin bedeuten: 1 k6 Dämpfungsfaktor des Potentiometers 30 = 13,714 k7 = Verstärkungsfaktor des Integrators 31 = 1 Der Digital-Quotientenmesser 52 findet auf diese Weise das Verhältnis von e1 zu ek. e1 E. K1. W. k2. k3. k4. k5. F Der Ausgang R = = ek E. k6. k7. T k1. W. k2. k3. k4. k5.
R = (15) k6 . k7 Man kann feststellen, daß E und T in Gleichung (15) gestrichen wurden und diese Ausführungsform daher auf Grund der parallelen Integratoren unabhängig von Schwankungen der Gleichstrom@ersorgung und Integrationszeit (innerhalb grenzen) ist.
Alle Glieder in Gleichung (15) sind festgelegt und äußerst stabil. Durch geeignete Wahl von k4 und k6 kann die Gleichung (15) normalisiert werden und itfr 200.000 lbs Belastung auf der Brücke 12 200.000 anzeigen. Zahlenmäßig ausgedrückt bedeutet dies: @@ R = 2,00000 (als Verhältnis) ; multiplisiert man mit einem Faktor von 105, so erhält man: R = 200.000 lbs (äquivalent). diese Ausführungsform erzielt eine äußerst gute Stabilität über eine lange Zeitdauer, da alle Glieder von Gleichung (15) als Verhältnisse fester passiver Komponenten (widerständen und Xondensatoren) dargestellt werden können.
Fig. 7 zeigt noch eine weitere Ausführungsform, die ähnlich der in Fig. 6 dargestellten ist, bei welcher jedoch anstelle der Analogintegratoren Digitalintegratoren verwendet werden und ein Digitalzähler den Digital-Quotientenmesser ersetzt.
Bei dieser Ausführung beträgt der Ausgang am Punkt A 20 000 Impulse/Sek., wie fÜr die erste in Pig. 6 gezeigte Auführungsform. Ein zweiter, mit dem Digitalintegrator 26 parallelgeschalteter Digitalintegrator 33 hat einen Eingang von 1 Volt, der aus der Gleichstromquelle 18 durch das Potentiometer 30 zugeleitet wird. Der Ausgang am Punkt B beträgt somit 10 000 AImpulse/Sek. Dies ist der direkte Ausgang vom Integrator 33.
Die Ausgänge an den Punkten A und B werden einem Digitalzähler 34 eingespeist. Nachdem der Waggon 11 zwei Sekunden lang voll vom Balken getragen wurde, schließt der Spurschalter 25 und meldet es der Start-Stop-steuerung 35 im Digitalzähler 34, der gleichzeitig die mit den Punkten A und B verbundenen Tore 36 bzw. 37 öffnet und zu zählen beginnt. Wenn das Tor 36 geöffnet ist, fängt das Register 38 an, die vom Digitalintegrator 26 über den Impulsverdoppler 27 erhaltenen Impulse zu zählen. Ist das Tor 37 geöffnet, fängt das Register 39 an, die Impulse vom Integrator 33 zu zählen, und sobald genau 10 000 Impulse gezählt worden sind, erregt das Register 39 die Start-Stop-Steuerung 35, die daraufhin gleichzeitig die Tore 36 und 37 schließt und das Zählen beendet. Auf diese Weise liefert der Digitalintegrator 33 die Zeitgeberimpulse, welche die Integrat9ionszeit des Digitalintegrators 26 steuern. Nachdem 10 000 Impulse im 38 Register 39 gezählt worden sind, zeigt das Register/den Wert 20 000 an, wobei eine Null hinzugefügt wird, damit es für 200.000 lbs Belastung auf der Brücke 12 200.000 heißt.
Jede Änderung in der Spannung der Gleichstromquelle 18 spieglt sich in den Ausgängen aus beiden Integratoren 26 und 33 wider und beeinträchtigt die Genauigkeit des Ergebnisses nicht.
Erforderlichenfalls kan wieder ein Ausdrucker verwendet werden, um die Anzeige im Register 38 in zweckmäßiger Welse aufzuzeichnet.
In den beschriebenen Ausführungsformen wurde die Meßgerätausstattung so ausgelegt, daß sie Vielfaches oder Brüche von 200.000 lbs Gewichtseinheiten anzeigt, es versteht sich Jedoch, daß die Meßgerätausrüstung ebensogut so gewählt werden kann, daX sie beliebige Gewichtseinheiten verwendet.
Es möge beachtet werden, daß der Ausdruck "unvollständige Integration" in der Beschreibung sich-suf den Ausgang on der zweipoligen Siebkette 20 bezieht, die nach 2 Sekunden die Amplitude der Schwingungskomponente auf 1/13 ihres ursprünglichen Wertes verringert, und daß der Ausdruck "vollständige Integratien" sich auf die Ausgänge non den Analog- und Diritalintegratoren bezieht, die nach einer Sekunde die Amplitude der Schwingungskomponente auf zusätzlich 1/20 reduzieren.
Obwohl sämtlichen, eingangs beschriebenen Ausführungsformen eine unvollständige Integration und eine darauffolgende vollständige Integration zugrundeliegt, könnte in den Pällen, in denen die Schwingungskomponente des in Bewegung befindlichen Objekts Wesentlich geringer als # 20 % ist, eine einzige oder eine Anzahl von unvollständigen Integrationsstufen ohne eine darauffolgende vollständige Integrationsstufe, oder eine vollständige Integrationsstufe allein verwendet werden. wenn sich beispielsweise ein Eisenbahnfrachtwaggon langsam über eine Brückenwaage bewegt, kann die Schwingungskomponente so klein sein, daß sie nur 1 oder 2 % des wirklichen Gewichts beträgt, und in diesem Fall reduziert das durch die Siebkette oder einen Integrator laufende Gewichtosignal die Schwingungskomponente bis auf einen innerhab zulässiger Fehlergrenzen liegenden Wert.
Gleichseitig kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei verlängerter Integrationszeit der Einfluß der Schwingungskomponenten mit + 20 s übersteigenden Amplituden bis auf einen innerhalb annehmbarer fehlergrenzen liegenden Wert reduziert werden.
Patentansprüche

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zur dynamischen Gewichtsbestimmung eines auf einer Unterlage, gegebenenfalls mit Wechselbelastung, z.b. federnd, und/oder unterschiedlicher Lastverteilung bewegten Objekts, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß während einer beatimmten Zeitdauer die von dem Objekt auf die Unterlage übertragenen Kräfte in elektrische Signale umgewandelt und diese über di meßdauer integriert und einer Auswerteinrichtung zur Gewichtsanzeige zugeführt werden.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Lastzellen (15) zur Umwandlung der von dem Objekt auf die Unterlage übertragenen Kräfte in elektrische Signale vorgesehen sind, die ein der momentanen Belastung proportionsles alektrisches Eingangssignal (ew) erzeugen, das dem statischen Gewicht des zu wiegenden Objekts plus überlagerten Schwingungskomponenten gleich ist, und daß ein Integrator (26) zur Integration dieses Eingangssignals über die Meßdauer vorgesehen ist, dem eins Auswerteinrichtung (23,29) zur Gewichtsanzeige nachgeschaltet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastzellen gleichstromerregt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß ein Verstärker (19) vorgesehen ist, der zwischen die Lastzellen und den Integrator zwischengeschaltet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator ein Analogintegrator ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator ein Digitalintegrator ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (22,26,31,33) die Amplituden (d) der überlagerten Schwingungskomponenten (16) auf 1/20 der Eingangsamplituden reduziert.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator ein Dämpfungsglied (20) vorgeschaltet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Dämpfungnglieder vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsglied eine RC-Siebkette ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Dämpfungsglieder die Amplituden der überlagerten Schwingungskomponenten auf 1/13 der Eingangsamplituden reduzieren.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Integrator (31,33) vorgesehen ist, der von der die Lastzellen (15) erregenden Gleichspannungsquelle (18) erregt wird, und daß der erste Integrator (22,26) ds srerstarke Eingangssignal (e8) mathematisch integriert, wobei ein in der Amplitude der überlagerten Schwingungskomponenten gedämpftes Ausgangssignal (e1) erhalten wird, und daß eine Vergleichseinrichtung vorgesehen ist, die das rom ersten Integrator gelieferte Ausgangssignal (al) mit dem vom zweiten Integrator gelieferten Ausgangssignal (e@) zur Erzeugung einer von der Aus-und gangsgleichspannung (E)/der Meßdauer (T) unabhängigen Wiegeanzeige (R) vergleicht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Integratoren Analogintegratoren (22,31) mit vorgeschalteten Potentiometern (21,30) sind, und daß als Vergleichs einrichtung ein Digital-Quotientenmesser (32) vorgeschen ist, der an die Ausgänge der beiden Integratoren angeschlossen und von einem Zeitgeber gesteuert ist, der gleichzeitig die Integrationszeiten der beiden Integratoren einzustellen gestattet (Fig.6).
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Integratoren Digitalintegratoren (26,33) mit vorgeschalteten Potentiometern (21,30) sind, und daß dem ersten Digitalintegrator (26) ein Impulsverdoppler (27) sowie ein Zähler (34) nachgeschaltet sind, der die vom zweiten Digitalintegrator (33) erhaltenen Impulse zur Steuerung der Zähldauer der rom Impulsverdoppler erhaltenen, dem statischen Gewicht des zu wie genden Objekts proportionalen Impulszahl verwendet (Fig. 7).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewichtsbestimmung von Eisenbahnwaggons die Unterlage ovn dem Waagebalken (12) einer Brückenwaage gebildet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dxtdurch gekennzeichnet, daß dem Integrator als Auswerteinrichtung zur Gewichtsanzeige des Objekts mit einer Genauigkeit von # 0, 15% ein auf Last geeichtes Digialvoltmeter nachgeschaltet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur anpassung der Lastanzeige an die Spannungsanzeige des iigitalvoltmeters zwischen die Siebkette (20) und den Integrator (22) ein Potontiometer (21) zwischengeschaltet ist.
18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Integrator ein Digitalintegrator mit vorgeechaltetem Potentiometer (21) vorgesehen ist, dem ein Impulszähler (28) zur Zählung der vom Integrator gelieferten, lastproportionalen Impulse mit einem Zeitgeber (24) zur genauen Einstellung der Integrationsdauer des ligitalintegrators nachgeschaltet ist.