DE19511353C1 - DMS-Wägeaufnehmer mit Ecklastkorrektur - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wägeaufnehmer mit einem oberen und einem unteren Lenker zur Parallelführung eines Lastaufnehmers mitsamt einer Waagschale und mit mindestens vier DMS, die die Materialdehnung in ausgewählten Bereichen der Lenker messen und in eine Widerstandsänderung umformen, wobei mindestens zwei DMS seitlich aus der Symmetrieebene des Wägeaufnehmers heraus in eine Richtung verschoben sind und mindestens zwei DMS seitlich aus der Symmetrieebene des Wägeaufnehmers heraus in die andere Richtung verschoben sind.

Ein Wägeaufnehmer dieser Art mit genau vier DMS, die zu einer Wheatstoneschen Brücke verschaltet sind, ist aus der EP 067 664 A2 bekannt. Gegenüber den sonst üblichen Wägeaufnehmern, bei denen die vier DMS in der Symmetrieebene des Wägeaufnehmers angeordnet sind, hat dieser Wägeaufnehmer gemäß der EP 067 664 A2 den Vorteil, daß ein Ecklastabgleich durch das Parallelschalten von Abgleichwiderständen zu den DMS möglich ist, statt der sonst notwendigen mechanischen Justierung der Parallelführung. Die Ermittlung der Größe der Abgleichwiderstände für den Ecklastabgleich ist jedoch ziemlich umständlich, insbesondere auch deshalb, weil der Ecklastabgleich in den beiden orthogonalen Richtungen nicht getrennt werden kann. Weiterhin können durch verschiedene Temperaturkoeffizienten der Abgleichwiderstände einerseits und der DMS andererseits Temperaturfehler beim Ecklastabgleich auftreten, dasselbe gilt für den Fall, daß sich die Abgleichwiderstände und die DMS auf verschiedenen Temperaturen befinden. Der Ecklastabgleich durch Parallelwiderstände erfordert also spezielle Widerstände mit dem gleichen Temperaturkoeffizienten wie die DMS und eine geometrische Anordnung in der Nähe der DMS und eine gleiche Wärmeableitung, damit DMS und Abgleichwiderstände die gleiche Temperatur annehmen. Auch die Alterung muß gleich sein.

Weiterhin ist es aus der EP 0 295 067 A2 bekannt, aus vier, zur Symmetrieebene des Wägeaufnehmers symmetrisch angeordneten DMS eine Wheatstonesche Brücke aufzubauen, die ein unkorrigiertes, lastproportionales Ausgangssignal liefert, und aus je einem oder zwei zusätzlichen DMS, die außerhalb der Symmetrieebene des Wägeaufnehmers angeordnet sind, je ein Signal für die Position der Last in den beiden orthogonalen Richtungen herzuleiten; diese Positionssignale korrigieren dann das unkorrigierte, lastproportionale Ausgangssignal. Bei Benutzung von je einem zusätzlichen DMS sind die Positionssignale in den beiden Richtungen und das unkorrigierte Lastsignal jedoch miteinander verkoppelt, so daß der Ecklastabgleich wieder sehr erschwert ist. Bei Benutzung von je zwei zusätzlichen DMS verbleibt noch eine teilweise Verkopplung der drei Signale. Außerdem ist ein Temperaturkoeffizient der DMS nur dann ohne Einfluß auf die Ausgangssignale, wenn die Brückenergänzungswiderstände den gleichen Temperaturkoeffizienten und die gleiche Temperatur besitzen und in gleicher Weise altern; daher sind insgesamt 12 DMS bzw. Festwiderstände mit vorgegebenem Temperatur­ koeffizienten notwendig, was den Aufwand deutlich in die Höhe treibt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einem Wägeaufnehmer der eingangs genannten Art einen einfachen Ecklastabgleich zu ermöglichen, bei dem der Abgleich in den beiden orthogonalen Richtungen sauber getrennt ist und bei dem Temperaturänderungen keinen Einfluß auf den Ecklastabgleich haben.

Erfindungsgemäß wird dies in einer ersten Variante dadurch erreicht, daß genau vier DMS vorhanden sind, daß durch verschiedenes Verschalten der vier DMS drei Signale hergeleitet werden, wobei das erste Signal bei mittiger Belastung der Waagschale lastproportional, bei außermittiger Belastung der Waagschale jedoch mit einem Ecklastfehler behaftet ist, und wobei das zweite und dritte Signal proportional zur Größe der außermittigen Belastung in den beiden orthogonalen x- und y-Richtungen sind, und daß das zweite und das dritte Signal zur Korrektur des ersten Signals benutzt wird.

In dieser Variante wird also nur durch verschiedenes Verschalten der vier DMS ein unkorrigiertes Lastsignal und zwei Ecklastkorrektursignale hergeleitet; aus diesen drei Signalen wird dann das ecklastkorrigierte Lastsignal abgeleitet.

In einer zweiten Variante wird die Erfindungsaufgabe dadurch gelöst, daß die Widerstandsänderungen der vier DMS einzeln ausgewertet werden, mit individuellen Gewichtungsfaktoren multipliziert und dann aufaddiert werden.

Hierbei werden also die Ecklastabgleichparameter in Form von Gewichtungs­ faktoren analogelektrisch oder digitaI/rechnerisch berücksichtigt.

In einer dritten Variante wird die Erfindungsaufgabe dadurch gelöst, daß vier weitere DMS etwa in der Symmetrieebene des Wägeaufnehmers angeordnet sind, daß die vier weiteren DMS zu einer Vollbrücke verschaltet sind, deren Ausgangs­ signal bei mittiger Belastung der Waagschale lastproportional, bei außermittiger Belastung der Waagschale jedoch mit einem Ecklastfehler behaftet ist, daß aus der Widerstandsänderung der vier ersten DMS ein zweites und ein drittes Signal hergeleitet werden, die proportional zur Größe der außermittigen Belastung in den beiden orthogonalen x- und y-Richtungen sind und daß das zweite und das dritte Signal zur Korrektur des ersten Signals benutzt wird.

In dieser Variante werden also die bekannten, symmetrisch angeordneten DMS zur Erzeugung des unkorrigierten Lastsignals benutzt und die unsymmetrisch angeordneten DMS werden durch verschiedenes Verschalten oder Verrechnen zur Erzeugung der beiden Ecklastkorrektursignale benutzt.

In einer vierten Variante wird die Erfindungsaufgabe dadurch gelöst, daß vier weitere DMS auf dem Wägeaufnehmer angeordnet sind, daß die insgesamt acht DMS zu einer einzigen Wheatstoneschen Brücke verschaltet sind, daß längs der Diagonalen der Brücke ein erstes Signal abgegriffen wird, das bei mittiger Belastung der Waagschale lastproportional, bei außermittiger Belastung der Waagschale jedoch mit einem Ecklastfehler behaftet ist, daß längs zweier Sehnen ein zweites und ein drittes Signal abgegriffen werden, die einen Signalanteil proportional zur Größe der außermittigen Belastung in den beiden orthogonalen x- und y-Richtungen enthalten, und daß das zweite und das dritte Signal zur Korrektur des ersten Signals benutzt werden.

In dieser Variante werden also die acht DMS zu einer einzigen Brücke verschaltet, das unkorrigierte Lastsignal wird wie üblich längs der Diagonalen abgegriffen und die beiden Ecklastkorrektursignale werden längs zweier Sehnen abgegriffen.

In einer fünften Variante wird die Erfindungsaufgabe dadurch gelöst, daß sechs DMS auf der Oberseite eines Lenkers angeordnet sind, von denen zwei DMS in der Symmetrieebene des Wägeaufnehmers angeordnet sind, zwei aus der Symmetrieebene heraus in eine Richtung verschoben sind und zwei aus der Symmetrieebene heraus in die andere Richtung verschoben sind, daß sechs weitere DMS in gleicher Weise auf der Unterseite eines Lenkers angeordnet sind, daß die in der Symmetrieebene angeordneten DMS zu einer Vollbrücke verschaltet sind, deren Ausgangssignal bei mittiger Belastung der Waagschale lastproportional, bei außermittiger Belastung der Waagschale mit einem Ecklastfehler behaftet ist, daß die zwei DMS auf der einen Seite der Symmetrieebene auf der Oberseite eines Lenkers und die zwei DMS auf der anderen Seite der Symmetrieebene auf der Unterseite eines Lenkers zu einer zweiten Vollbrücke verschaltet sind, deren Ausgangssignal proportional zur Größe der außermittigen Belastung in der einen Richtung ist, daß die vier restlichen DMS zu einer dritten Vollbrücke verschaltet sind, deren Ausgangssignal proportional zur Größe der außermittigen Belastung in der anderen, zur ersten orthogonalen Richtung ist, und daß die Ausgangssignale der zweiten und dritten Vollbrücke zur Korrektur des Ausgangssignals der ersten Vollbrücke benutzt werden.

In dieser Variante stehen für die Erzeugung sowohl des unkorrigierten Lastsignals als auch der beiden Ecklastkorrektursignale jeweils vier DMS zur Verfügung, die in bekannter Weise jeweils zu einer Vollbrücke verschaltet werden können, so daß in dieser Variante keine DMS umgeschaltet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Wägeaufnehmers,

Fig. 2 eine Schaltung zur Auswertung der Widerstandsänderung der DMS,

Fig. 3 eine alternative Schaltung zur Auswertung der Widerstandsänderung der DMS,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Wägeaufnehmers in einer zweiten Aus­ gestaltung,

Fig. 5 die zur Ausgestaltung gemäß Fig. 4 gehörende Schaltung,

Fig. 6 eine Schaltungsalternative zur Schaltung gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine weitere Schaltungsalternative zur Schaltung gemäß Fig. 5,

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des Wägeaufnehmers in einer dritten Aus­ gestaltung,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht des Wägeaufnehmers in einer vierten Aus­ gestaltung und

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht des Wägeaufnehmers in einer fünften Aus­ gestaltung.

Der in Fig. 1 perspektivisch dargestellte Wägeaufnehmer besteht aus einem einstückigen Metallblock 1, der durch eine innere Öffnung 2 in einen festen Bereich 3, der mit einem nur angedeuteten Gehäuse 7 verbunden ist, in einen Lastaufnehmer 4, der über ein Zwischenstück 8 die ebenfalls nur angedeutete Waagschale 9 trägt, in einen oberen Lenker 5 und in einen unteren Lenker 6 unterteilt ist. Auf der Oberseite des oberen Lenkers 5 sind zwei DMS A_R und B_R angebracht, auf der Unterseite des unteren Lenkers zwei DMS C_L und D_L.

Bezüglich der strichpunktiert eingezeichneten Symmetrieebene des Wägeauf­ nehmers sind die DMS seitlich verschoben; und zwar die beiden DMS A_R und B_R nach rechts, wenn man vom gehäusefesten Bereich des Wägeaufnehmers in Richtung zum Lastaufnehmer blickt, und die beiden DMS C_L und D_L nach links.

Bei mittiger Belastung der Waagschale werden die beiden DMS B_R und C_L gedehnt und die beiden DMS A_R und D_L gestaucht. Bei außermittiger Belastung in der in Fig. 1 eingezeichneten x-Richtung überlagert sich bei den DMS A_R und B_R eine zusätzliche Dehnung und bei den DMS C_L und D_L eine zusätzliche Stauchung. Bei außermittiger Belastung in y-Richtung überlagert sich bei den DMS B_R und D_L eine zusätzliche Dehnung und bei den DMS A_R und C_L eine zusätzliche Stauchung.

In der in Fig. 2 gezeigten Auswerteschaltung sind nun in der gezeichneten Stellung der Schalter S₁ . . . S₄ die vier DMS so zu einer Vollbrücke verschaltet, daß die Widerstandserhöhung der gedehnten DMS B_R und C_L und die Widerstands­ erniedrigung der gestauchten DMS A_R und D_L vorzeichenrichtig aufsummiert werden und ein lastproportionales Ausgangssignal ergeben. Bei außermittiger Belastung in x-Richtung heben sich die Widerstandserhöhungen der DMS A_R und B_R auf, genauso heben sich die Widerstandserniedrigungen der DMS C_L und D_L auf. Bei außermittiger Belastung in y-Richtung heben sich die Widerstandserhöhungen der DMS B_R und D_L auf, genauso heben sich die Widerstandserniedrigungen der DMS A_R und C_L auf. - Bei ideal gefertigtem Wägeaufnehmer 1 und idealer Gleichheit der vier DMS würde das Ausgangssignal der Schaltung in der gezeichneten Stellung der Schalter S₁ . . . S₄ bereits das ecklastfreie Ausgangssignal darstellen. Bei dem realen Wägeaufnehmer treten in diesem Signal jedoch Ecklastfehler auf, die nach dem Stand der Technik durch Parallelwiderstände abgeglichen werden.

Bei der neuen Abgleichmethode werden nun anschließend an die erste Messung zur Ermittlung des unkorrigierten Lastsignals die Schalter S₃ und S₄ vom Mikro­ prozessor umgeschaltet. Dadurch werden die vier DMS in einer anderen Zusammenstellung zu einer Vollbrücke verschaltet. In dieser Schalterstellung addieren sich die Widerstandserhöhungen der DMS A_R und B_R und die Wider­ standserniedrigungen der DMS C_L und D_L unter dem Einfluß eines Drehmomentes bei außermittiger Belastung in x-Richtung vorzeichenrichtig zu einem Ausgangssignal, während die lastabhängigen Widerstandserhöhungen und Widerstandserniedrigungen sich aufheben, genauso heben sich die Widerstandserhöhungen und Widerstandserniedrigungen auf, die durch die Ecklastmomente in y-Richtung verursacht werden. In dieser Schalterstellung erhält der Mikroprozessor also ein Signal, das proportional zum Ecklastmoment in x-Richtung ist. - In einem anschließenden dritten Meßvorgang schaltet der Mikroprozessor die Schalter S₃ und S₄ wieder in die gezeichnete Stellung und schaltet statt dessen die Schalter S₁ und S₂ um. In dieser neuen Zusammenschaltung addieren sich die Widerstandserhöhungen der DMS B_R und D_L und die Widerstandserniedrigungen der DMS A_R und C_L unter dem Einfluß eines Drehmomentes bei außermittiger Belastung in y-Richtung vorzeichenrichtig zu einem Ausgangssignal, während die lastabhängigen und die in x-Richtung ecklastabhängigen Widerstandserhöhungen und Widerstandserniedrigungen sich aufheben.

Aus den beiden nacheinander erhaltenen Ecklastsignalen in x- und y-Richtung und den bei der Erstkalibrierung ermittelten Ecklastfehlern, die in Form von Korrekturkoeffizienten im Mikroprozessor abgespeichert sind, kann der Mikroprozessor nun den Ecklastfehler im unkorrigierten Lastsignal korrigieren und ein korrigiertes Lastsignal errechnen und zur Anzeige bringen.

Die drei nacheinander erfolgenden Messungen benötigen jeweils nur eine kurze Zeit von 10 . . . 100 ms, so daß die Zeit zur Ermittlung eines korrigierten Meßwertes trotz der dreifachen Messung kurz bleibt.

Die in Fig. 2 gezeichneten Schalter S₅ . . . S₈ werden für das Umschalten der DMS zu den verschiedenen Brücken nicht benötigt; sie dienen vielmehr dazu, die Anzahl der Schalter in den einzelnen Brückenzweigen so anzugleichen, daß sich in allen drei benutzten Zusammenschaltungen der Einfluß der Schalter (Durchlaßwiderstand und eventueller Temperaturkoeffizient) auf das Ausgangssignal aufhebt. Die Schalter S₅ . . . S₈ sind zusätzlich so plaziert, daß bei der Ermittlung des unkorrigierten Lastsignals möglichst wenige Schalter einen Einfluß haben. Da die Ecklastkorrektursignale nur Korrektursignale sind, also maximal einen Einfluß in der Größenordnung einiger Prozent auf das korrigierte Endsignal haben, bestehen für die Ecklastkorrektursignale keine so hohen Anforderungen an die Stabilität und Genauigkeit wie für das unkorrigierte Lastsignal.

Durch das im vorstehenden beschriebene Abgleichverfahren kann durch die drei unmittelbar nacheinander ermittelten Signale der Ecklastabgleich nur durch Rechenoperationen im Mikroprozessor erfolgen. Es müssen nur die beiden Korrekturkoeffizienten in x- und in y-Richtung abgespeichert werden, die durch je eine ausmittige Belastung in beiden Richtungen leicht ermittelt werden können. Trotz dieser Vorteile werden nur vier DMS benötigt. Der Aufwand für die acht Schalter S₁ . . . S₈ ist deutlich geringer als der Aufwand für zusätzliche DMS.

Auch eine gegebenenfalls notwendige Nachjustierung kann ohne Änderung in der Hardware (wie beim Abgleich durch Parallelwiderstände) nur durch geänderte Korrekturkoeffizienten erfolgen.

Auch der Einfluß von Temperaturänderungen auf den Ecklastabgleich ist gering, da jeweils komplette Vollbrücken verschaltet werden, bei denen sich Temperatur­ koeffizienten aufheben. Außerdem können sich keine Temperaturunterschiede aufbauen, da die vier DMS auf den metallischen Wägeaufnehmer in gutem thermischen Kontakt zueinander angeordnet sind.

Auch eine analogelektrische Lösung des Ecklastabgleichs ist möglich: Dazu wird ein Bruchteil, der durch einen Bewertungswiderstand festgelegt ist, des Ecklastsignals in x- und in y-Richtung zu dem unkorrigierten Lastsignal hinzuaddiert und ergibt so das korrigierte Lastsignal. Diese analogelektrische Variante kann überall da eingesetzt werden, wo kein Mikroprozessor zur rechnerischen Korrektur zur Verfügung steht. Diese Variante ähnelt dem bekannten Verfahren des Abgleichens durch Parallelwiderstände, hat jedoch den Vorteil, daß die Ecklast in x- und y-Richtung ohne gegenseitige Beeinflussung durch den entsprechenden Bewertungswiderstand eingestellt werden kann.

Eine alternative Schaltung zur Auswertung der Widerstandsänderung der DMS ist in Fig. 3 gezeigt. Hier ist jeder der DMS A_R, B_R, C_L und D_L mit einem Festwiderstand R zu einer Halbbrücke ergänzt. Zusätzlich ist eine Halbbrücke aus zwei Festwiderständen R vorgesehen. Alle Halbbrücken werden durch dieselbe Brückenspeisespannung U gespeist. Die Ausgangsspannungen der Halbbrücken mit einem DMS werden nun relativ zu der Halbbrücke mit festen Widerständen nacheinander gemessen. Der Mikroprozessor erhält so vier Signale, die pro­ portional zur Widerstandsänderung der einzelnen DMS sind. Aus diesen Signalen könnte der Mikroprozessor das unkorrigierte Lastsignal, das proportional zu ΔR(B_R) + ΔR(C_L) - ΔR(A_R) - ΔR(D_L) ist, ausrechnen; außerdem das Ecklastsignal in x-Richtung, das proportional zu ΔR(A_R) + ΔR(B_R) - ΔR(C_L) - ΔR(D_L ) ist, und das Ecklastsignal in y-Richtung, das proportional zu ΔR(B_R) + ΔR(D_L) - ΔR(A_R) - ΔR(C_L) ist. Dann müßte er diese beiden Ecklastsignale mit den zugehörigen Koeffizienten für den Ecklastfehler in x- und y-Richtung (Koeff-x und Koeff-y) multiplizieren und zum unkorrigierten Lastsignal hinzuaddieren. - Wie man leicht nachrechnet, erhält man das gleiche Endergebnis, wenn man das Signal ΔR(A_R) mit dem Gewichtungsfaktor (-1 + Koeff-x - Koeff-y) multipliziert, das Signal ΔR(B_R) mit dem Gewichtungsfaktor (+1 + Koeff-x + Koeff-y) multipliziert, das Signal ΔR(C_L) mit dem Gewichtungsfaktor (+1 - Koeff-x - Koeff-y) multipliziert, das Signal ΔR(D_L) mit dem Gewichtungsfaktor (-1 - Koeff-x + Koeff-y) multipliziert und anschließend alle vier Summanden aufaddiert. Auch mit dieser Schaltung müssen nur die beiden Korrekturkoeffizienten Koeff-x und Koeff-y im Mikroprozessor gespeichert sein, der Ecklastabgleich erfolgt dann nur durch Rechenschritte im Mikroprozessor.

Ein Temperaturkoeffizient der Festwiderstände, der vom Temperaturkoeffizienten der DMS abweicht, hat keinen Einfluß auf das Ergebnis: Dieser Temperatur­ koeffizient ist nämlich in allen vier Signalen gleichartig vorhanden; und da in den Gewichtungsfaktoren die +1 und die -1 jeweils zweimal vorkommen, hebt sich der Einfluß des Temperaturkoeffizienten bei der Summation heraus. Genauso kommen die beiden Vorzeichen beim Koeff-x und beim Koeff-y gleich häufig vor, so daß sich hier ein Temperaturkoeffizient ebenfalls aufhebt. Für die Widerstände R ist ein gleicher Temperaturkoeffizient wie die DMS und gleiche Temperatur also nicht erforderlich; die Widerstände R müssen nur unter sich gleich sein.

Eine zweite Ausgestaltung des Wägeaufnehmers ist in Fig. 4 gezeigt, die zugehörige Auswerteschaltung in Fig. 5. Gleiche Teile wie in den Fig. 1 bzw. 2 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmal erläutert. Der Wägeaufnehmer trägt in dieser Ausgestaltung zusätzliche DMS A_M, B_M, C_M und DM, die alle vier in der Symmetrieebene des Wägeaufnehmers angeordnet sind. Diese vier zusätzlichen DMS sind so zu einer Vollbrücke zusammengeschaltet (Fig. 5 links), daß das Ausgangssignal proportional zur Last ist (unkorrigierter Lastwert). Die vier DMS A_R, B_R, C_L und D_L können durch die Schalter S₁ und S₂ in der schon beschriebenen Weise zu zwei verschiedenen Vollbrücken zusammengeschaltet werden, die jeweils ein Ausgangssignal liefern, das proportional zum Ecklastmoment in x- bzw. y-Richtung ist. Die Auswertung erfolgt dann, wie bereits beschrieben, durch Addition einer x- bzw. y-Ecklastkorrektur zu dem unkorrigierten Lastwert.

In dieser Ausgestaltung wird also das erste Signal, der unkorrigierte Lastwert, durch eine fest verdrahtete Vollbrücke erzeugt. Dadurch werden eventuelle Fehler durch die Widerstände der Schalter in diesem Signal vermieden. Schalter zum Umschalten befinden sich nur in den beiden Brücken zur Erzeugung der beiden Ecklastkorrektursignale. Da die Ecklastkorrektursignale nur Korrektursignale sind, also maximal einen Einfluß in der Größenordnung einiger Prozent auf das korrigierte Endsignal haben, bestehen für die Ecklastkorrektursignale keine so hohen Anforderungen an die Stabilität und Genauigkeit wie für das unkorrigierte Lastsignal.

In der umschaltbaren Brücke in Fig. 5 rechts müssen zur Erzeugung des x- bzw. y-Ecklastsignals die beiden DMS A_R und D_L mittels der Schalter S₁ und S₂ vertauscht werden. Dies ist gleichbedeutend mit einer Vorzeichenumkehr. Diese Vorzeichenumkehr kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung mit einer Wechselspannungsansteuerung und -auswertung der Brücke kombiniert werden; dies ist in Fig. 6 gezeigt. Die drei Halbbrücken A_R/D_L, C_L/B_R und R/R werden mit einer Rechteckwechselspannung versorgt. Die beiden Brücken­ diagonalspannungen werden in der gezeichneten Weise durch die beiden Wechselspannungsverstärker V verstärkt und anschließend durch je einen Demodulator wieder in eine Gleichspannung umgewandelt. Dieser Demodulator ist in Fig. 6 durch einen Umschalter S₉ bzw. S₁₀ und durch je einen Inverter 11 angedeutet. - Die Wechselspannungsspeisung einer Brückenschaltung und die Demodulation des Ausgangssignals ist allgemein bekannt und daher im vorstehenden nur ganz kurz beschrieben.

Für die Erzeugung der beiden Ecklastsignale in x- und in y-Richtung werden die beiden Schalter S₉ und S₁₀ einmal synchron (gleichphasig) umgeschaltet und einmal gegenphasig. Bei gleichphasigem Umschalten steht am Ausgang 12 ein Signal an, das proportional zu ΔR(B_R) - ΔR(C_L) ist, am Ausgang 13 ein Signal, das proportional zu ΔR(D_L) - ΔR(A_R) ist. Am Ausgang des Summierverstärkers 14 erhält man also ein Signal proportional zu ΔR(B_R) - ΔR(C_L) + ΔR(D_L) - ΔR(A_R), und damit proportional zum Ecklastmoment in y-Richtung. Wird jedoch der Schalter S₁₀ gegenphasig zum Schalter S₉ betrieben, so steht am Ausgang 13 ein Signal an, das proportional zu ΔR(A_R) - ΔR(D_L) ist. Am Ausgang des Summierverstärkers 14 erhält man dann ein Signal, das proportional zu ΔR(B_R) - ΔR(C_L) + ΔR(A_R) - ΔR(D_L) ist und damit proportional zum Ecklastmoment in x-Richtung. Bei der in Fig. 6 gezeichneten Schaltung kann also allein durch gleichphasiges bzw. gegenphasiges Ansteuern der Schalter S₉ und S₁₀ im Demodulator das Ecklastsignal in x- und in y-Richtung erhalten werden.

Selbstverständlich ist auch eine Auswertung der drei Halbbrücken in Fig. 6 bei Gleichspannungsspeisung möglich: Die Ausgangsspannungen der beiden Verstärker V würden dann einzeln nacheinander digitalisiert und dem Mikroprozessor zugeführt und der Mikroprozessor würde dann einmal die Summe und einmal die Differenz dieser beiden Signale bilden, um das Ecklastsignal in y- und x-Richtung zu erhalten.

Eine weitere Schaltungsvariante zur Auswertung der Widerstandsänderungen der DMS in der Ausgestaltung gemäß Fig. 4 ist in Fig. 7 gezeigt. In dieser Schaltung sind alle acht DMS A_R, B_R, C_L, D_L, A_M, B_M, C_M, D_M zu einer einer einzigen Wheatstoneschen Brücke verschaltet. (Für die DMS gelten in der Fig. die nicht eingeklammerten Indizes.) Längs der mittleren Diagonalen ist der Verstärker 15 angeschlossen. Wie man leicht nachrechnet, ist das Signal an dieser Stelle lastproportional (unkorrigiert), während sich die Ecklasteinflüsse in erster Näherung aufheben. Längs der oberen Sehne der Brückenschaltung ist der Verstärker 16 angeschlossen. Wie man ebenfalls leicht nachrechnet, besteht das Signal an dieser Stelle aus der Summation eines lastproportionalen Anteils und eines Anteils, der proportional zum Ecklastmoment in y-Richtung ist. In gleicher Weise besteht das Signal längs der unteren Sehne, wo der Verstärker 17 angeschlossen ist, aus der Summation eines lastproportionalen Anteils und eines Anteils, der proportional zum Ecklastmoment in x-Richtung ist. Die drei Signale werden entweder einzeln digitalisiert (wie gezeichnet) oder durch einen Multiplexer mit einem nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler nacheinander digitalisiert und anschließend dem Mikroprozessor zugeführt. Der Mikroprozessor kann dann durch Subtraktion des lastabhängigen Anteils die reinen Ecklastsignale in x- und y-Richtung errechnen und damit das unkorrigierte Lastsignal korrigieren. Dasselbe Endergebnis erhält man, wenn man die drei Signale mit entsprechenden Korrekturkoeffizienten multipliziert und dann aufaddiert, wie es schon im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert wurde.

Diese Schaltungsvariante hat die Vorteile, daß kein Schalter notwendig ist und daß das Ausgangssignal für den unkorrigierten Lastwert bei gleicher Verlustleistung pro DMS den doppelten Wert erreicht - verglichen mit der Schaltung gemäß Fig. 5 -, so daß z. B. der Einfluß des Rauschens der DMS und der Verstärker geringer ist.

Eine dritte Ausgestaltung des Wägeaufnehmers ist in Fig. 8 gezeigt. In dieser Ausgestaltung sind ebenfalls acht DMS vorhanden, die vier zusätzlichen DMS A_L, B_L, C_R, D_R befinden sich jedoch nicht in der Symmetrieebene des Wägeaufnehmers, sondern sind symmetrisch zu den ursprünglichen DMS A_R, B_R, C_L, D_L angeordnet. Die acht DMS sind zu einer einzigen Wheatstoneschen Brücke verschaltet, wie sie in Fig. 7 gezeichnet ist, wobei für diese Ausgestaltung die Indizes in Klammern gelten. Die Funktionsweise und Auswertung ist genauso wie bereits anhand von Fig. 7 erläutert wurde.

Diese Ausgestaltung des Wägeaufnehmers hat gegenüber der Ausgestaltung gemäß Fig. 4 in Verbindung mit der Schaltung gemäß Fig. 7 den Vorteil, daß das Ecklastsignal für die y-Richtung um den Faktor 2 höher ausfällt.

Eine vierte Ausgestaltung des Wägeaufnehmers ist in Fig. 9 gezeigt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 bzw. Fig. 4 bzw. Fig. 8 sind wieder mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Gegenüber Fig. 4 weist diese vierte Ausgestaltung nochmals vier zusätzliche DMS A_L, B_L, C_R und D_R auf, so daß insgesamt zwölf DMS auf dem Wägeaufnehmer appliziert sind. Die in der Symmetrieebene angeordneten DMS A_M, B_M, C_M und D_M sind zu einer Vollbrücke verschaltet (wie in Fig. 5 links) und erzeugen das unkorrigierte Lastsignal; die vier zusätzlichen DMS A_L, B_L, C_R und D_R sind ebenfalls zu einer Vollbrücke verschaltet und erzeugen das Ecklastsignal z. B. in x-Richtung; die vier schon in Fig. 1 gezeigten DMS A_R, B_R, C_L und D_L sind ebenfalls zu einer Vollbrücke verschaltet und erzeugen das Ecklastsignal z. B. in y-Richtung.

In dieser Ausgestaltung werden ebenfalls keine Schalter benötigt, der Aufwand an DMS ist jedoch höher. Dieser Aufwand für die DMS läßt sich dadurch etwas reduzieren, daß die drei nebeneinander liegenden DMS, also z. B. die DMS A_L, A_M, und A_R jeweils zu einem Dreier-DMS zusammengefaßt werden. Auch ist es möglich, alle sechs DMS auf einer Seite eines Lenkers zu einem Sechser-DMS zusammenzufassen und so auch den Verdrahtungsaufwand gering zu halten.

Da das Signal der Ecklastbrücke in x-Richtung im allgemeinen größer ist als das Signal der Ecklastbrücke in y-Richtung, können die DMS A_R, B_R, C_R, D_R, A_L, B_L, C_L und D_L schräg zur Symmetrieebene angeordnet werden, wie es in der Ausgestaltung gemäß Fig. 10 gezeigt ist. Beträgt der Winkel zur Symmetrieebene etwa 10 . . . 20°, so sinkt das Signal in x-Richtung nicht wesentlich, während das Signal in y-Richtung deutlich ansteigt. Dasselbe ist auch in der Ausgestaltung gemäß Fig. 4 möglich, während in den Ausgestaltungen gemäß Fig. 1 und 8 diese Schräganordnung nicht sinnvoll ist, da die Gefahr besteht, daß durch kleine Winkelungenauigkeiten das Signal für den (unkorrigierten) Lastwert zusätzlich ecklastabhängig wird.

Claims (16)

1. Wägeaufnehmer mit einem oberen (5) und einem unteren Lenker (6) zur Parallelführung eines Lastaufnehmers (4) mitsamt einer Waagschale (9) und mit mindestens vier DMS (A_R, B_R, C_L, D_L), die die Materialdehnung in ausgewählten Bereichen der Lenker messen und in eine Widerstandsänderung umformen, wobei mindestens zwei DMS (A_R, B_R) seitlich aus der Symmetrieebene (10) des Wägeaufnehmers heraus in eine Richtung verschoben sind und mindestens zwei DMS (C_L, D_L) seitlich aus der Symmetrieebene des Wägeaufnehmers heraus in die andere Richtung verschoben sind, dadurch gekennzeichnet, daß genau vier DMS (A_R, B_R, C_L, D_L) vorhanden sind, daß durch verschiedenes Verschalten der vier DMS (A_R, B_R, C_L, D_L) drei Signale hergeleitet werden, wobei das erste Signal bei mittiger Belastung der Waagschale (9) lastproportional, bei außermittiger Belastung der Waagschale jedoch mit einem Ecklastfehler behaftet ist, und wobei das zweite und dritte Signal proportional zur Größe der außermittigen Belastung in den beiden orthogonalen x- und y-Richtungen sind, und daß das zweite und das dritte Signal zur Korrektur des ersten Signals benutzt werden.

2. Wägeaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die DMS (A_R, B_R, C_L, D_L) durch Schalter (S₁ . . . S₄) nacheinander zu drei verschiedenen Vollbrücken verschaltet werden und daß die Ausgangssignale der drei Vollbrücken das erste, zweite und dritte Signal darstellen.

3. Wägeaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Schalter (S₅ . . . S₈) so in den Vollbrücken angeordnet sind, daß sich der Einfluß des Widerstandes der Schalter auf die Ausgangssignale der drei Vollbrücken aufhebt.

4. Wägeaufnehmer nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsänderungen der DMS (A_R, B_R, C_L, D_L) einzeln ausgewertet werden, mit individuellen Gewichtungsfaktoren multipliziert und dann aufaddiert werden.

5. Wägeaufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder DMS (A_R, B_R, C_L, D_L) zusammen mit einem Festwiderstand (R) zu einer Halbbrücke verschaltet ist und daß die Ausgangsspannungen dieser vier Halbbrücken relativ zu einer fünften Halbbrücke aus zwei Festwiderständen (R) gemessen werden.

6. Wägeaufnehmer nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier weitere DMS (A_M, B_M, C_M, D_M) etwa in der Symmetrieebene des Wägeaufnehmers angeordnet sind, daß die vier weiteren DMS (A_M, B_M, C_M, D_M) zu einer Vollbrücke verschaltet sind, deren Ausgangssignal bei mittiger Belastung der Waagschale (9) lastproportional, bei außermittiger Belastung der Waagschale jedoch mit einem Ecklastfehler behaftet ist, daß aus der Widerstandsänderung der vier ersten DMS (A_R, B_R, C_L, D_L) ein zweites und ein drittes Signal hergeleitet werden, die proportional zur Größe der außermittigen Belastung in den beiden orthogonalen x- und y-Richtungen sind und daß das zweite und das dritte Signal zur Korrektur des ersten Signals benutzt werden.

7. Wägeaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vier ersten DMS (A_R, B_R, C_L, D_L) zu zwei Halbbrücken verschaltet sind, daß die Ausgangsspannungen dieser beiden Halbbrücken relativ zu einer dritten Halbbrücke aus zwei Festwiderständen (R) gemessen werden, daß die Summe und die Differenz dieser beiden Ausgangsspannungen gebildet werden und daß diese das zweite und das dritte Signal bilden.

8. Wägeaufnehmer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Halbbrücken mit einer Wechselspannung gespeist werden, daß die Ausgangsspannungen verstärkt und durch eine Demodulator gleichgerichtet werden und daß zur Bildung der Summe und der Differenz der Ausgangsspannungen das Vorzeichen des Demodulators umgeschaltet wird.

9. Wägeaufnehmer nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier weitere DMS (A_M, B_M, C_M, D_M oder A_L, B_L, C_R, D_R) auf dem Wägeaufnehmer angeordnet sind, daß die insgesamt acht DMS (A_R, B_R, C_L, D_L; A_M, B_M, C_M, D_M oder A_L, B_L, C_R, D_R) zu einer einzigen Wheatstoneschen Brücke verschaltet sind, daß längs der Diagonalen der Brücke ein erstes Signal abgegriffen wird, das bei mittiger Belastung der Waagschale (9) lastproportional, bei außermittiger Belastung der Waagschale jedoch mit einem Ecklastfehler behaftet ist, daß längs zweier Sehnen ein zweites und ein drittes Signal abgegriffen werden, die einen Signalanteil proportional zur Größe der außermittigen Belastung in den beiden orthogonalen x- und y-Richtungen enthalten, und daß das zweite und das dritte Signal zur Korrektur des ersten Signals benutzt werden.

10. Wägeaufnehmer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sehnen, längs denen das zweite und das dritte Signal abgegriffen wird, so gewählt sind, daß ohne Belastung des Wägeaufnehmers das Signal jeweils etwa Null ist.

11. Wägeaufnehmer nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die vier zusätzlichen DMS (A_M, B_M, C_M, D_M) etwa in der Symmetrieebene des Wägeaufnehmers angeordnet sind.

12. Wägeaufnehmer nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die vier zusätzlichen DMS (A_L, B_L, C_R, D_R) symmetrisch zu den vier ursprünglichen DMS (A_R, B_R, C_L, D_L) angeordnet sind.

13. Wägeaufnehmer nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sechs DMS (A_R, A_M, A_L, B_R, B_M, B_L) auf der Oberseite eines Lenkers angeordnet sind, von denen zwei DMS (A_M, B_M) in der Symmetrieebene (10) des Wägeaufnehmers angeordnet sind, zwei (A_R, B_R,) aus der Symmetrieebene (10) heraus in eine Richtung verschoben sind und zwei (A_L, B_L) aus der Symmetrieebene (10) heraus in die andere Richtung verschoben sind, daß sechs weitere DMS (C_R, C_M, C_L, D_R, D_M, D_L) in gleicher Weise auf der Unterseite eines Lenkers angeordnet sind, daß die in der Symmetrieebene angeordneten DMS (A_M, B_M, C_M, D_M) zu einer Vollbrücke verschaltet sind, deren Ausgangssignal bei mittiger Belastung der Waagschale (9) lastproportional, bei außermittiger Belastung der Waagschale mit einem Ecklastfehler behaftet ist, daß die zwei DMS (A_R, B_R) auf der einen Seite der Symmetrieebene (10) auf der Oberseite eines Lenkers und die zwei DMS (C_L, D_L) auf der anderen Seite der Symmetrieebene (10) auf der Unterseite eines Lenkers zu einer zweiten Vollbrücke verschaltet sind, deren Ausgangssignal proportional zur Größe der außermittigen Belastung in der einen Richtung ist, daß die vier restlichen DMS (A_L, B_L, C_R, D_R) zu einer dritten Vollbrücke verschaltet sind, deren Ausgangssignal proportional zur Größe der außermittigen Belastung in der anderen, zur ersten orthogonalen Richtung ist, und daß die Ausgangssignale der zweiten und dritten Vollbrücke zur Korrektur des Ausgangssignals der ersten Vollbrücke benutzt werden.

14. Wägeaufnehmer nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die nebeneinanderliegenden DMS jeweils zu einem Mehrfach-DMS zusammengefaßt sind.

15. Wägeaufnehmer nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß alle DMS, die sich auf einer Seite eines Lenkers befinden, zu einem Mehrfach-DMS zusammengefaßt sind.

16. Wägeaufnehmer nach einem der Ansprüche 6 bis 8 oder 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß alle außerhalb der Symmetrieebene (10) angeordneten DMS (A_L, A_R, B_L, B_R, C_L, C_R, D_L, D_R) schräg zur Symmetrieebene angeordnet sind.