DE19523034C1 - Verfahren zur Eliminierung von Drifterscheinungen bei elektronischen Waagen und Waage zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Eliminierung von Drifterscheinungen bei der Bestimmung des Gewichtes einer Last mittels einer elektronischen Waage mit einem Meßwertaufnehmer, mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit, mit einer Anzeigeeinheit und mit einer Bedienungstastatur.

Verfahren zur Eliminierung von Drifterscheinungen bei einer unbelasteten Waage sind als Nullnachführeinrichtungen bzw. unter dem Begriff "auto-zero" allgemein bekannt. Auch zur Eliminierung von Drifterscheinungen bei einer belasteten Waage ist bereits ein Verfahren aus der DE 30 35 126 C2 und aus der US 4139892 bekannt. In beiden Fällen wird bei geringen Änderungen des vom Meßwertaufnehmer ermittelten Wertes angenommen, daß es sich um Drifterscheinungen der Waage handelt und der Wert im Tara- bzw. Nullregister wird entsprechend nachgeführt, so daß der an gezeigte Wert für die Last konstant bleibt. Dadurch werden aber alle langsamen Laständerungen unterdrückt, beispielsweise das Verdunsten von Flüssigkeiten, so daß die Waage für diese Messungen nicht geeignet ist, bzw. das Drifteliminierungsverfahren für diese Anwendungsfälle ausgeschaltet werden muß.

Aus der EP 0454 916 A1 ist weiterhin eine Kriechkorrektur bekannt, die z. B. das Kriechen von Meßwertaufnehmern mit Dehnungsmeßstreifen nach einer Laständerung korrigiert. Dazu wird die inverse Transferfunktion zur Transferfunktion des Meßwertaufnehmers gebildet und durch eine digitalelektronische Schaltung nachgebildet. Diese Schaltung kann jedoch nur den systematischen Kriechfehler korrigieren, nicht jedoch die Drift, die durch wechselnde Umgebungseinflüsse verursacht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Eliminierung von Drifterscheinungen bei der Ermittlung des Gewichtes einer Last anzugeben, das besser in der Lage ist, zwischen Drift der Waage und geringen Gewichtsänderungen der Last zu unterscheiden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei unbelasteter Waage die zeitliche Veränderung des Nullpunktes Δm₀/ΔT = a₀ gemessen und ein in geeigneter Weise gefilterter Mittelwert gebildet und in der digitalen Signalverarbeitungseinheit abgespeichert wird, daß nach dem Auflegen einer Last zum Zeitpunkt t₀ der Wert im Nullpunktspeicher pro Zeiteinheit um den Wert ·f(t-t₀) erhöht wird und daß die Funktion f(t-t₀) für t-t₀ = 0 den Wert 1 hat und mit wachsendem t-t₀ allmählich auf den Wert 0 abfällt.

Es wird also bei unbelasteter Waage der Ist-Wert der Drift aufgenommen, gemittelt und abgespeichert. Bei Belastung der Waage wird dann auf der Grundlage des zuletzt abgespeicherten Driftmittelwerts der zukünftige Verlauf extrapoliert und vom Lastwert abgezogen. Die Extrapolation wird dabei so gewählt, daß zuerst mit 100% des abgespeicherten Driftmittelwertes korrigiert wird und die Korrektur allmählich so zurückgefahren wird, daß die Korrektur pro Zeiteinheit auf Null zurückgeht. Dadurch wird dem Umstand Rechnung getragen, daß die Umgebungsbedingungen und die anderen Ursachen für die Drift der Waage, wie z. B. die Alterung von Bauelementen, in der ersten Zeit nach dem Aufbringen der Last mit großer Wahrscheinlichkeit genauso sind wie vor dem Aufbringen der Last, daß mit wachsender Zeit dies jedoch immer unsicherer wird, so daß die weitere Extrapolation mit dem alten Driftwert daher nicht mehr sinnvoll ist. - Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit in der Lage, auch geringe Änderungen des Gewichts der Last anzuzeigen, da sich die Nullpunktskorrektur nur nach dem abgespeicherten Driftverhalten vor Aufbringen der Last richtet und unabhängig von eventuellen langsamen Änderungen des Gewichts der Last ist.

Das im vorstehenden für die Drift des Nullpunktes erläuterte Verfahren kann in vorteilhafter Weiterbildung erweitert werden auf die Drift der Empfindlichkeit. Dazu muß nur von Zeit zu Zeit die Empfindlichkeit gemessen werden, was bei Waagen mit eingebauter Kalibriergewichtsschaltung kein Problem ist, und aus den einzelnen gemessenen Werten die mittlere Empfindlichkeitsdrift errechnet und abgespeichert werden; die Driftkorrektur für die Empfindlichkeit kann dann in der entsprechenden Weise wie für den Nullpunkt beschrieben durchgeführt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Waage,

Fig. 2 beispielhaft den Zeitverlauf des Nullpunktes einer Waage und die Extra­ polation nach dem Auflegen einer Last,

Fig. 3 ein zweites Beispiel für den Zeitverlauf des Nullpunktes,

Fig. 4 ein Beispiel für den Zeitverlauf der Empfindlichkeit einer Waage und die Extrapolation während des Wägebetriebes.

Im Blockschaltbild der Waage in Fig. 1 erkennt man den Meßwertaufnehmer 1 mit der Waagschale 2, den Analog/Digital-Wandler 4, die digitale Signalverarbeitungseinheit 5, die Anzeige 6 und die Bedienungstasten 16. Zur Nullstellung der Waage ist innerhalb der digitalen Signalverarbeitungseinheit 5 ein Speicher 7 vorhanden. In diesen Speicher 7 wird das Signal des Meßwertaufnehmers 1 bei unbelasteter Waagschale 2 eingespeichert und anschließend vom aktuellen Signal des Meßwertaufnehmers 1 subtrahiert, so daß bei unbelasteter Waagschale der Wert 0 in der Anzeige 6 erscheint. Verändert sich im Laufe der Zeit der Nullpunkt des Meßwertaufnehmers 1 geringfügig, so wird bei Waagen mit Nullnachführeinrichtung der Wert im Speicher 7 jeweils um diese kleinen Differenzen erhöht, so daß die Waagenanzeige 6 auf dem Wert 0 verharrt. - Die Funktionsweise der beschriebenen Komponenten einer elektronischen Waage und der Nullnachführeinrichtung sind allgemein bekannt und daher im vorstehenden nur ganz kurz erläutert.

In der erfindungsgemäßen Waage wird nun zusätzlich die zeitliche Veränderung des Nullpunktes des Meßwertaufnehmers 1 Δm₀/Δt = a₀ bei leerer Waagschale fortlaufend gemessen, daraus gleitend ein Mittelwert gebildet und dieser Wert im Speicher 8 abgespeichert. Dadurch kann die digitale Signalverarbeitungs­ einheit 5 auch nach dem Auflegen einer Last den wahrscheinlichen weiteren Verlauf des Nullpunktes des Meßwertaufnehmers extrapolieren und diesen Wert vom Lastsignal des Meßwertaufnehmers subtrahieren. Dieses ist beispielhaft in Fig. 2 gezeigt. Im oberen Diagramm ist der zeitliche Verlauf des Signals vom Meßwertaufnehmer 1 gezeigt. Bis zum Zeitpunkt t₀ ist die Waage dabei unbelastet. Im mittleren Diagramm ist die Korrektur dargestellt, die die Nullnachführeinrichtung durchführt. Nach der Korrektur ergibt sich dann der Wert für die Anzeige, der im unteren Diagramm dargestellt ist und der bis zum Zeitpunkt t₀ konstant gleich 0 ist. Im oberen Diagramm ist dabei durch die Welligkeit der Kurve angedeutet, daß der Nullpunkt der Waage statistischen Einflüssen unterliegt und etwas schwankt. Diese Schwankungen liegen im allgemeinen unterhalb von 1 Digit und sind daher nur im höher aufgelösten Meßwert innerhalb der digitalen Signalverarbeitungseinheit 5 erkennbar, nicht jedoch in der Anzeige. Die Anzeige der Waage zeigt daher im allgemeinen keine Schwankungen. Die Korrektur im mittleren Diagramm arbeitet ebenfalls mit gemittelten Werten, so daß auch im mittleren Diagramm die Kurve ohne Welligkeit gezeichnet ist.

In Fig. 2 ist nun angenommen, daß zum Zeitpunkt t₀ eine Last auf die Waagschale 2 des Meßwertaufnehmers 1 gelegt wird. Vom Zeitpunkt t₀ an steht also der wirkliche Verlauf des Nullsignals des Meßwertaufnehmers nicht mehr zur Verfügung. Aufgrund des letzten Nullsignals, das im Speicher 7 abgespeichert ist, und des im Speicher 8 abgespeicherten Wertes für kann die digitale Signalverarbeitungseinheit 5 den wahrscheinlichen weiteren Verlauf des Nullsignals jedoch extrapolieren, wie dies im mittleren Diagramm von Fig. 2 gezeigt ist, diesen extrapolierten Wert vom aktuellen Lastsignal des Meßwertaufnehmers (oberes Diagramm) abziehen und so die im unteren Diagramm gezeichnete Waagenanzeige errechnen. Ist die aufgelegte Last konstant und ändert der Meßwertaufnehmer seine Drift nicht, so wird dementsprechend die Anzeige der Waage nach dem Auflegen der Last driftfrei immer denselben Wert anzeigen.

Die eben gemachte Voraussetzung, daß der Meßwertaufnehmer zum Zeitpunkt t₀ seine Drift nicht ändert, ist zuerst mit hoher Wahrscheinlichkeit erfüllt; mit wachsender Zeit ist es jedoch allmählich unsicherer, ob die Umgebungsbedingungen und die anderen Ursachen für die Nullpunktsdrift des Meßwertaufnehmers unverändert sind, ob die Nullpunktsdrift des Meßwertaufnehmers also wirklich noch genauso ist wie vor dem Zeitpunkt t₀. Deshalb ist vorgesehen, daß die Korrektur pro Zeiteinheit, die mit beginnt, allmählich auf Null zurückgenommen wird. Im mittleren Diagramm von Fig. 2 verringert sich also allmählich die Steigung der Korrekturkurve. Das hat zur Folge, daß die Waagenanzeige allmählich anfängt zu driften, falls die Last konstant ist und der Meßwertaufnehmer weiterhin mit konstantem weiterdriftet. Dieser Nachteil wird als kleineres Übel bewußt in Kauf genommen, um zu vermeiden, daß die Drift in der Anzeige bei einer Änderung des Driftverhaltens des Meßwertaufnehmers eventuell nach längerer Zeit durch die Korrektur vergrößert wird und daß die Korrektur sich eventuell über lange Zeit zu einem relativ großen, falschen Wert aufsummiert. Wichtig ist vielmehr, daß die Korrektur in der ersten Zeit nach dem Lastwechsel mit sehr großer Wahrscheinlichkeit zu einer richtigen Korrektur des Driftverhaltens der Waage führt.

Die Zeitkonstante des allmählichen Zurücknehmens der Driftkorrektur kann entsprechend dem üblichen Verhalten der Waage gewählt werden und wird etwa in der Größenordnung Stunden liegen. Die Funktion f(t-t₀), die das allmähliche Zurücknehmen der Driftkorrektur steuert, kann z. B. die Form

f(t-t₀) = [k+(t-t₀)] / [k+(t-t₀) + (t-t₀)²]

haben oder die Form

f(t-t₀) = [1+k(t-t₀)] · e^-k(t-t₀).

Beide Funktionen beginnen für t-t₀ = 0 mit dem Wert 1, haben für t-t₀ = 0 eine waagerechte Tangente (d. h. die Zurücknahme der Driftkorrektur beginnt am Anfang nur sehr langsam) und nähern sich für große t-t₀ dem Wert 0. Dieser etwa glockenförmige Verlauf kann ohne großen Rechenaufwand dadurch erreicht werden, daß der Wert aus zwei hintereinander geschalteten, gleitenden Mittelwertfiltern aus den einzelnen a₀ errechnet wird und daß ab dem Zeitpunkt t₀, d. h. also vom Auflegen der Last an, in das erste Filter der Wert 0 eingeschrieben wird. Dadurch kann die Mittelwertbildung für die einzelnen a₀ und das Zurücknehmen der Driftkorrektur durch dasselbe Filter erreicht werden.

Die in Fig. 2 gezeichneten zeitlichen Änderungen sind der Deutlichkeit halber viel zu groß gezeichnet. In Wirklichkeit bewegen sich alle Drifteffekte in der Größenordnung weniger Digit.

Da das beschriebene Korrekturverfahren das Signal des Meßwertaufnehmers nach der Aufbringung der Last zum Zeitpunkt t₀ nicht zur Ermittlung der Größe der Korrektur heranzieht, werden auch kleine Laständerungen (z. B. Verdunsten) richtig wiedergegeben. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Das Signal des Meßwertaufnehmers ist nach dem Aufbringen der Last zum Zeitpunkt t₀ etwa konstant (oberes Diagramm). Trotzdem erkennt die Waage aufgrund der vorherigen Drift des Nullpunktes die Änderung der Last und zeigt sie richtig an (unteres Diagramm).

Das im vorstehenden für die Korrektur der Nullpunktdrift des Meßwertaufnehmers beschriebene Verfahren kann auch für die Korrektur der Drift der Empfindlichkeit herangezogen werden. Dazu weist der Meßwertaufnehmer 1 in Fig. 1 vorteilhafterweise ein Kalibriergewicht auf, das durch das Gewichtssymbol 3 angedeutet ist. Dieses Kalibriergewicht kann auf Befehl der digitalen Signalverarbeitungseinheit 5 durch einen Motor so in Wirkverbindung mit dem Meßwertaufnehmer 1 gebracht werden, daß es wie eine von außen aufgebrachte Last wirkt. Durch Bestimmung der Differenz der Signale mit und ohne aufgelegtes Kalibriergewicht kann dann die Empfindlichkeit des Meßwertaufnehmers überprüft und gegebenenfalls nachjustiert werden. Der dazu notwendige Empfindlichkeits-Korrekturfaktor ist im Speicher 9 in der digitalen Signalverarbeitungseinheit 5 gespeichert. Zur Berücksichtigung der zeitlichen Drift der Empfindlichkeit wird die Empfindlichkeitsbestimmung von Zeit zu Zeit wiederholt und der Quotient ΔE/Δt = e₀ gebildet und daraus ein Mittelwert .

Dieser Mittelwert wird im Speicher 10 abgespeichert. Ist nun ab dem Zeitpunkt t₀ eine Nachjustierung nicht mehr möglich, weil z. B. eine Last auf der Waagschale liegt oder weil dauernd gewogen wird, so überbrückt die digitale Signalverarbeitungseinheit 5 diese Zeit ohne aktuelle Neumessung der Empfindlichkeit durch eine Extrapolation der in der Vergangenheit gemessenen Kurve, wie es in Fig. 4 dargestellt ist und wie es für den Nullpunkt weiter oben ausführlich erläutert wurde. Wieder wird die Größe der Korrektur pro Zeit­ einheit allmählich zurückgenommen, um eine falsche Korrektur und ein allmähliches Aufsummieren der Korrektur nach langen Zeiten zu vermeiden. - Selbstverständlich ist es auch möglich, die Empfindlichkeitsbestimmung mit einem externen Kalibriergewicht durchzuführen. Der zeitliche Abstand Δt der einzelnen Empfindlichkeitsbestimmungen braucht dabei nicht konstant zu sein.

Die in Fig. 1 weiter dargestellten Speicher 11 . . . 14 dienen z. B. dazu, den Zeitpunkt t₀, einen Tarawert etc. abzuspeichern.

Weiterhin ist es möglich, daß nach dem Betätigen einer Taste 16′ die abgespeicherten Werte von und/oder in der Anzeigeeinheit 6 angezeigt werden. Dadurch hat der Bediener der Waage jederzeit die Möglichkeit, sich über die aktuelle Drift der Waage zu informieren und z. B. Wägungen mit sehr hohen Genauigkeitsansprüchen nur durchzuführen, wenn die Driftwerte unterhalb gewisser Schwellen liegen. Liegen die Driftwerte zu hoch, so kann er solange warten, bis beispielsweise die Temperaturänderungen, die die hohen Driftwerte verursachten, abgeklungen sind und die Waage sich stabilisiert hat. Dasselbe gilt z. B. auch für die Zeit nach dem Einschalten der Versorgungsspannung, in der die Waage zuerst eine deutlich höhere Drift zeigt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Eliminierung von Drifterscheinungen bei der Bestimmung des Gewichtes einer Last mittels einer elektronischen Waage mit einem Meßwertaufnehmer (1), mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit (5), mit einer Anzeigeeinheit (6) und mit einer Bedienungstastatur (16), dadurch gekennzeichnet, daß bei unbelasteter Waage die zeitliche Veränderung des Nullpunktes Δm₀/Δt = a₀ gemessen und ein in geeigneter Weise gefilterter Mittelwert gebildet und in der digitalen Signalverarbeitungseinheit (5) abgespeichert wird, daß nach dem Auflegen einer Last zum Zeitpunkt t₀ der Wert im Nullpunktspeicher pro Zeiteinheit um den Wert ·f(t-t₀) erhöht wird und daß die Funktion f(t-t₀) für t-t₀ = 0 den Wert 1 hat und mit wachsendem t-t₀ allmählich auf den Wert 0 abfällt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 für eine Waage, die zusätzlich ein Kalibriergewicht (3) enthält, das mittels eines Motors mit dem Meßwertaufnehmer (1) in Wirkverbindung gebracht werden kann, wobei der sich ergebende Empfindlichkeits-Korrekturfaktor in einem Empfindlichkeits­ speicher (9) abgespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich das Kalibriergewicht (3) in vorgegebenen Zeitabständen in Wirkverbindung mit dem Meßwertaufnehmer (1) gebracht wird und dadurch die jeweilige Empfindlichkeit E des Meßwertaufnehmers (1) festgestellt und abgespeichert wird, daß aus den aufeinanderfolgend gemessenen Empfindlichkeiten und aus der zwischen den Messungen verstrichenen Zeit Δt der Quotient ΔE/Δt = e₀ berechnet wird, daß aus mehreren Werten von e₀ ein Mittelwert berechnet und abgespeichert wird, daß nach dem Auflegen einer Last zusätzlich zur Nullpunktkorrektur der Empfindlichkeits-Korrekturfaktor im Empfindlich­ keitsspeicher pro Zeiteinheit um den Wert ·f(t-t₀) erhöht wird und daß die Funktion f(t-t₀) für t-t₀ = 0 den Wert 1 hat und mit wachsendem t-t₀ allmählich auf den Wert 0 abfällt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion f(t-t₀) an der Stelle t-t₀ = 0 eine waagerechte Tangente besitzt, daß also f′(t₀) = 0 gilt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch zwei hintereinander geschaltete Mittelwertfilter aus den einzelnen a₀ gebildet wird und daß die Funktion ·f(t-t₀) dadurch gebildet wird, daß für t<t₀ der Wert 0 in das erste Mittelwertfilter eingeschrieben wird.

5. Elektronische Waage mit einem Meßwertaufnehmer (1), mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit (5), mit einer Anzeigeeinheit (6) und mit einer Bedienungstastatur (16) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der digitalen Signalverarbeitungseinheit (5) ein Rechner und Speicher (7 . . . 14) vorhanden sind, die bei unbelasteter Waage die zeitliche Veränderung des Nullpunktes Δm₀/Δt = a₀ errechnen und einen in geeigneter Weise gefilterten Mittelwert errechnen und abspeichern, die nach dem Auflegen einer Last zum Zeitpunkt t₀ den Wert im Nullpunktspeicher pro Zeiteinheit um den Wert ·f(t-t₀) erhöhen, wobei die Funktion f(t-t₀) für t-t₀ = 0 den Wert 1 hat und mit wachsendem t-t₀ allmählich auf den Wert 0 abfällt.

6. Elektronische Waage nach Anspruch 5, die zusätzlich ein Kalibriergewicht (3) enthält, das mittels eines Motors mit dem Meßwertaufnehmer (1) in Wirkverbindung gebracht werden kann, wobei der sich ergebende Empfindlichkeits-Korrekturfaktor in einem Empfindlichkeitsspeicher (9) abgespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner und die Speicher (7 . . . 14) in der digitalen Signalverarbeitungseinheit (5) so ausgestaltet sind, daß sie bei Bedarf zusätzlich veranlassen, daß das Kalibriergewicht (3) in vorgegebenen Zeitabständen in Wirkverbindung mit dem Meßwertaufnehmer (1) gebracht wird und dadurch die jeweilige Empfindlichkeit E des Meßwertaufnehmers (1) festgestellt und abgespeichert wird, daß der Rechner und die Speicher (7 . . . 14) aus den aufeinanderfolgend gemessenen Empfindlichkeiten und aus der zwischen den Messungen verstrichenen Zeit Δt den Quotienten ΔE/Δt berechnen und abspeichern, daß sie aus mehreren Werten von ΔE/Δt einen Mittelwert = berechnen und abspeichern, daß sie nach dem Auflegen einer Last zusätzlich zur Nullpunktkorrektur den Empfindlichkeits-Korrekturfaktor im Empfindlichkeitsspeicher pro Zeit­ einheit um den Wert ·f(t-t₀) erhöhen, wobei die Funktion f(t-t₀) für t-t₀ = 0 den Wert 1 hat und mit wachsendem t-t₀ allmählich auf den Wert 0 abfällt.

7. Elektronische Waage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bedienungstaste (16′) vorhanden ist, bei deren Betätigung der abgespeicherte Wert von und/oder von in der Anzeigeeinheit (6) angezeigt wird.