DE19959968A1 - Waage - Google Patents

Abstract

Eine Waage mit Unterteil und dazu relativ beweglichem Oberteil und einem Meßumformer läßt sich besonders robust und einfach ausgestalten, wenn der Meßumformer erfindungsgemäß als optoelektronische Einheit ausgebildet ist, die eine Lichtquelle und eine lichtempfindliche Sensoranordnung aufweist. In einem speziellen Ausführungsbeispiel besteht die Lichtquelle aus einer Leuchtdiode (24), die über einen Lichtwellenleiter (24) einen Lichtstrahl auf einen vertikal angeordneten CCD-Sensor (28) gibt, an den eine Auswerteeinheit (30) mit nachgeschalteter Anzeige (20) angeschlossen ist. Mit dem Lichtwellenleiter (26) ist das bewegliche Oberteil der Waage gekoppelt. Die Licht-Auftreffstelle auf dem CCD-Sensor entspricht also dem Bewegungshub des Oberteils, mithin dem zu ermittelnden Gewicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Waage mit einem Unterteil, einem relativ zu dem Unterteil beweglichen Oberteil, auf dem das Wägegut aufgenommen wird, und mit einem Meßumformer, der den Bewegungshub des Oberteils in ein Gewichtssignal umsetzt, das auf eine Gewichtsanzeige gegeben wird.

Solche Waagen sind in großen Stückzahlen als sogenannte Haushaltswaagen im Gebrauch. Der Meßumformer besteht in der Regel aus einer rein mechanischen Einrichtung, die den Bewegungshub des Oberteils in ein mechanisches oder elektrisches Signal umsetzt, um eine mechanische oder elektrische Anzeige zu betreiben.

Auch bei Verwendung einer elektrischen Schaltung zum Umsetzen des mechanischen Gewichtssignals in ein elektrisches Signal zwecks Anzeige auf beispielsweise eine LCD-Anzeigevorrichtung ist der Vorgang des Meßumformens aufwendig, was sich unter anderem in dem stets erforderlichen Abgleich- und Eichvorgang äußert. Außer den rein mechanischen und elektromechanischen Vorrichtungen gibt es Waagen mit kapazitivem Meßaufnehmer. Allerdings sind diese Meßaufnehmer bezüglich elektromagnetischer Störungen ziemlich empfindlich.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Waage geschaffen werden, die einfach aufgebaut ist, sich durch besondere Robustheit auszeichnet und störunanfällig ist.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Meßumformer der Waage als optoelektronische Einheit ausgebildet ist, die eine Lichtquelle und eine lichtempfindliche Sensoranordnung aufweist.

Durch die optoelektronische Einheit lassen sich die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile elegant beheben. Der Meßumformer hat die Aufgabe, den Bewegungshub des Oberteils der Waage in ein auswertbares Signal umzusetzen. Die üblichen Bauelemente, die als Lichtquelle bzw. als lichtempfindliche Sensoranordnung fungieren können, sind gegen Störeinflüsse weitestgehend immun. In aller Regel kann der Abgleich- und Eichvorgang bei den erfindungsgemäßen Waagen durch einfachen Knopfdruck erfolgen. Ein durch Knopfdruck erzeugtes Signal wird dahingehend verarbeitet, daß die dann herrschende Lagebeziehung zwischen Lichtquelle und Sensoranordnung als "Null" interpretiert wird, wobei sämtliche nachfolgenden Meßwerte auf diesen Nullpunkt bezogen werden.

Bei der Lichtquelle handelt es sich in der Regel um eine Leuchtdiode oder Laserdiode, an die gegebenenfalls ein Lichtwellenleiter angeschlossen ist. Je nach Ausführungsform kann der von der Lichtquelle gelieferte Lichtstrahl aber auch durch die Luft auf die Sensoranordnung gelangen.

In einer speziellen Ausführungsform besteht die Sensoranordnung aus einer vertikalen Sensoranordnung, beispielsweise einem linearen CCD- Sensor, der punktuell von einem von der Lichtquelle kommenden Lichtstrahlbündel belichtet wird, abhängig von dem Bewegungshub des Oberteils. Der Ausgang des Sensors läßt sich dann in einfacher Weise in ein dem Gewicht entsprechendes Anzeigesignal umsetzen. Die Beziehung zwischen Bewegungshub des Oberteils und Gewicht wird werkseitig durch entsprechende Hardware- oder Softwaremaßnahmen einer Auswerteelektronik einprogrammiert. In einer speziellen Ausführungsform kann zwischen einer ortsfesten Lichtquelle und dem Sensor-Array ein Lichtwellenleiter verlaufen, wobei an einer mittleren Stelle des Lichtwellenleiters das Oberteil der Waage angekoppelt ist. Auf diese Weise wird eine Hebelübersetzung am freien Ende des Lichtleiters gegenüber dem Sensor-Array erreicht.

Man kann auch einen horizontal angeordneten Sensor vorsehen, wobei die einzelnen Elemente dieses Sensor-Arrays durch eine schräge Blende gegenüber einer Lichtquelle abhängig vom Bewegungshub des Oberteils abgeblendet werden.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung befindet sich zwischen einer Lichtstrahlquelle und einem Lichtdetektor, beispielsweise einem Fototransistor, ein Zerhackerelement, beispielsweise ein Hell-Dunkel- Streifenmuster, wobei das Oberteil der Waage mit entweder der Lichtquelle oder dem Zerhackerelement gekoppelt ist, so daß ein von der Lichtquelle gelieferter Lichtstrahl von dem Zerhackerelement abhängig vom Bewegungshub des Oberteils in Lichtimpulse zerlegt wird, die von dem Fototransistor dann in elektrische Impulse umgesetzt werden, die sich von einem elektronischen Zähler zählen lassen. Der Zählerstand wird dann über einen Umsetzer auf eine Anzeigevorrichtung gegeben.

Die oben angesprochenen speziellen Ausführungsformen der Erfindung sind ausschließlich digitaler Natur. Die digitale Datenverarbeitung der Gewichtssignale eröffnet ein umfangreiches Feld für spezielle Auswertungen der Gewichtssignale, beispielsweise einen tages- oder wochenweisen Vergleich mit älteren Gewichtsdaten und dergleichen.

In einer speziellen Ausführungsform ist vorgesehen, daß ein positionsempfindliches Lichtdetektorelement, insbesondere eine positionsempfindliche Diode vorgesehen ist, die Licht von einer Lichtstrahlquelle empfängt, wobei die Auftreffstelle des Lichtstrahls auf der positionsempfindlichen Diode von dem Bewegungshub des Oberteils abhängt, also entweder die Lichtstrahlquelle oder die Diode mit dem Oberteil gekoppelt ist, oder ein Lichtwellenleiter zwischen Lichtquelle und Diode mit dem Oberteil gekoppelt ist. Eine solche positionsempfindliche Diode ist im Stand der Technik bekannt. Der Diodenstrom hängt ab von der Auftreffstelle des Lichtstrahls. Der Diodenstrom ist folglich ein analoges Signal entsprechend dem Bewegungshub des Oberteils. Dieses Analogsignal kann entweder direkt auf ein Analog-Anzeigegerät gegeben werden, beispielsweise ein Amper- Meßgerät, oder man kann das Analogsignal mit Hilfe eines Analog- Digital-Wandlers in digitale Daten umsetzen.

Man kann auch beide Arten der Anzeige mittels Analogsignal einerseits und digitalem Signal andererseits gemeinsam an der Waage vorsehen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittansicht einer Personenwaage;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Meßumformers für die in Fig. 1 gezeigte Waage,

Fig. 3 und 4 jeweils eine alternative Ausführungsform eines Meßumformers;

Fig. 5 eine schematische Darstellung zum Erläutern der Hebelwirkung bei dem Meßumformer nach Fig. 2;

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur näheren Erläuterung der Arbeitsweise des Meßumformers nach Fig. 3;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung zum Erläutern der Auswertung der Ausgangssignale der Sensoranordnung;

Fig. 8 und 9 jeweils eine alternative Ausführungsform eines Meßumformers.

Fig. 1 zeigt eine Personenwaage 2 mit einem auf dem Boden stehenden Unterteil 4 und einem dazu relativ beweglichen Oberteil 6, das gegenüber dem Unterteil 4 über einen Federmechanismus 8 abgestützt ist. Das Oberteil 6 wird bei Belastung gegen die Kraft der Federn in Pfeilrichtung bewegt. In dem durch Unterteil und Oberteil gebildeten Gehäuse der Waage 2 sind außerdem untergebracht: eine Batterie 10, ein Wegumformer 12 mit einem ortsfesten Teil 14 und einem beweglichen Teil 16, ein Fenster 18, eine LCD-Anzeige 20 und Leitungen 22, die von dem Wegumformer 12 zu der LCD-Anzeige 20 führen. Nicht dargestellt ist eine elektronische Schaltung, die das durch den optoelektronischen Wegumformer 12 gelieferte Signal in ein Anzeigesignal für die LCD-Anzeige 20 umsetzt. Solche Schaltungen sind für den Fachmann mühelos zu realisieren, nachdem dieser die vorliegende Erfindungsbeschreibung studiert hat.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform für den in Fig. 1 allgemein dargestellten Meßumformer oder Wegumformer 12.

Gemäß Fig. 2 gibt eine als Leuchtdiode ausgebildete Lichtquelle 24 einen Lichtstrahl durch einen als Kunststoffaser ausgebildeten Lichtwellenleiter 26 auf einen vertikal angeordneten linearen CCD- Sensor 28, dessen Ausgang an eine Auswerteelektronik 30 angeschlossen ist, die ein Signal an die LCD-Anzeige 20 liefert.

Das bewegliche Teil 16A des in Fig. 2 gezeigten Meßumformers ist über einen Träger 3 an einem definierten Punkt des Lichtwellenleiters 26 angekoppelt. Der Bewegungshub des Oberteils 6 der Waage 2 (vgl. Fig. 1) wird somit umgesetzt in eine auf Grund der Hebelwirkung übersetzte Bewegung der freien Spitze des Lichtwellenleiters 26, so daß der aus diesem freien Ende des Lichtwellenleiters austretende Lichtstrahl auf eine bestimmte Stelle des CCD-Sensors 28 fällt. Die Auswerteelektronik 30 ermittelt die Stelle, an der der Lichtstrahl auf dem CCD-Sensor 28 auftrifft und wandelt das entsprechende Signal in ein Gewichts- Anzeigesignal um. Der in Fig. 2 gezeigte bewegliche Teil 16A entspricht dem in Fig. 1 allgemein dargestellten beweglichen Teil 16.

Bei dem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist ein bewegliches Teil 16B (entsprechend dem in Fig. 1 allgemein dargestellten beweglichen Teil 16) als vertikal bewegliche Blende mit einer schräg verlaufenden Unterkante ausgebildet.

Ein horizontal angeordneter linearer CCD-Sensor 28' ist derart fluchtend mit dem beweglichen Teil 16B auf einem Träger 34 angeordnet, daß abhängig vom Bewegungshub des Oberteils 6 der Waage ein mehr oder weniger großer Teil des CCD-Sensors 28' von dem Teil 16B verdeckt wird.

Fig. 4 zeigt die in Fig. 3 dargestellte Anordnung aus einer um 90° gedrehten Perspektive in geschnittener Darstellung. Das bewegliche Teil 16B ist mit dem Oberteil 6 der Waage nicht direkt, sondern über ein Biegeglied 40 gekoppelt, welches von dem Oberteil an der mit einem Pfeil bezeichneten Stelle beaufschlagt wird. Das dem beweglichen Teil 16B abgewandte Ende des Biegeglieds 40 wird von einer Stütze 38 gehaltert. Eine Lichtquelle 24' gibt einen Lichtstrahl in Richtung des horizontalen CCD-Sensors 28'. Eine Auswerteschaltung 30' nimmt eine Auswertung vor, die die in den Fig. 6 und 7 dargestellten Besonderheiten berücksichtigt.

Nach Fig. 6 hat der Sensor 28' eine Längserstreckung H, wobei seine Längsmittelachse M auf einer solchen Höhe liegt, daß unter Berücksichtigung der schrägen Unterseite des beweglichen Teils 16B der maximale Bewegungshub des Oberteils 6 der Waage einerseits zu einer vollständigen Freigabe des CCD-Sensors 28' gegenüber der Lichtquelle 24' führt, andererseits den Sensor vollständig verdeckt.

Abhängig davon, wieviel Einzelelemente 28a, 28b, 28c. . . des CCD- Sensors 2' Licht empfangen bzw. kein Licht empfangen, erfolgt die entsprechende Erzeugung eines Gewichtsanzeigesignals.

Wie in Fig. 7 näher dargestellt ist, liefern die einzelnen Elemente 28a, 28b. . . 28f. . . des CCD-Sensors 28' nicht nur zweiwertige Signale "EIN" und "AUS", sondern auch Zwischensignale, wenn nämlich das bewegliche Teil 16B mit seiner Schrägen einige Elemente des CCD- Sensors teilweise bedeckt. So z. B. kann die an den CCD-Sensor 28' angeschlossene Auswerteelektronik berücksichtigen, daß z. B. das Element 28B nur 5% Lichteinfall aufweist, während die anschließenden Elemente 28C bis 28E 30%, 60% bzw. 90% Licht empfangen und erst das dann anschließende Element 28F das volle Licht (100%) empfängt. Auf diese Weise kann die Auswerteelektronik die Vertikalstellung des beweglichen Teils 16B exakt ermitteln und ein entsprechend genaues Anzeigesignal für das Gewicht auf der Waage erzeugen.

Fig. 5 zeigt schematisch die durch die Anordnung nach Fig. 2 erreichte Hebelwirkung. Der Träger 3 des beweglichen Teils 16A greift an einer Stelle des Lichtwellenleiters 26 an, die von der Lichtquelle 24 einen Abstand W 1 und von dem CCD-Sensor 28 einen Abstand W2 hat. Mit h ist der Bewegungshub des Lichtwellenleiters 26 an der Verbindungsstelle mit dem Träger 3 bezeichnet. Mit "H" ist der nutzbare Bereich des vertikal angeordneten linearen CCD-Sensors 28 bezeichnet. Dabei ergibt sich gemäß Fig. 5 die Beziehung

h/H = W1/W.

Durch entsprechende Wahl der Werte W1 und W2 läßt sich der gewünschte Übersetzungseffekt erreichen. Man kann also bei dieser Anordnung auch bei äußerst geringen Hüben des Oberteils 6 der Waage 2 ein gut auswertbares Meßsignal gewinnen.

Bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform wird kein CCD-Sensor verwendet, sondern ein lichtempfindlicher Detektor, hier in Form eines Fototransistors 44.

Das bewegliche Teil 16C gemäß Fig. 8 ist mit dem Oberteil 6 der Waage 2 gekoppelt und trägt eine Leuchtdiode als Lichtquelle 24, die über ein Zerhackerelement 42 den Lichtstrahl auf den Fototransistor 44 sendet, wo der Lichtstrahl bei Bewegung des Oberteils und damit des Teils 16C in Form von Impulsen ankommt. Der Zerhacker 42 ist z. B. ein Streifenmuster aus abwechselnd opaken und transparenten Feldern, so daß der bewegte Ausgangsstrahl der Lichtquelle 24 bei einer vertikalen Relativbewegung zwischen dem Teil 16C und dem Zeiger 42 in eine Impulsfolge umgewandelt wird. Diese optischen Impulse oder Lichtimpulse werden von dem Fototransistor 44 in elektrische Impulse umgesetzt, die von einem Zähler 46 gezählt werden. Ein an den Zähler 46 angeschlossener Umsetzer 48 bildet aus den Zählerstand-Signalen Signale, die für die Anzeige 50 geeignet sind.

Man erkennt, daß anstelle des beweglichen Teils 16C nach Fig. 8 und des ortsfesten Zerhackers 42 auch die Lichtquelle 24 ortsfest sein kann, während der Zerhacker 42 mit dem Oberteil 6 der Waage gekoppelt ist.

Die in Fig. 9 dargestellte Ausführungsform der Erfindung stellt insofern eine Besonderheit dar, als sie im Gegensatz zu sämtlichen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ein analoges Meßsignal liefert.

Ein mit dem Oberteil 6 der Waage 2 gekoppeltes bewegliches Teil 16D trägt eine Leuchtdiode oder Laserdiode 24 als Lichtquelle. Der von dieser Lichtquelle 24 abgegebene Lichtstrahl trifft auf eine positionsempfindliche Fotodiode 52. Solche Fotodioden sind bekannt. Abhängig von der Auftreffstelle des Lichtstrahls fließt durch die positionsempfindliche Fotodiode 52 ein mehr oder weniger starker Strom. Üblicherweise sind diese positionsempfindlichen Fotodioden, in Fig. 9 nur schematisch angedeutet, mit vier Elektroden ausgestattet, die paarweise einen Summenstrom und einen Differenzstrom liefern, der die Auftreffstelle auf der Diodenoberfläche eindeutig kennzeichnet. Gemäß Fig. 9 entspricht der Strom durch die positionsempfindliche Fotodiode 52 dem Bewegungshub des Oberteils 6 der Waage 2 nach Fig. 1. Der durch die Fotodiode 52 fließende Strom wird von einer Auswerteschaltung 54 als Analogsignal auf eine Anzeige gegeben, und/oder er wird in ein digitales Signal umgesetzt und kann dann für eine Anzeige und für andere Zwecke ausgewertet werden. Ersichtlich kann bei ortsfester Lichtquelle 24 auch die Fotodiode 52 von dem bewegten Oberteil der Waage bewegt werden.

Sämtliche für die oben erläuterten Ausführungsbeispiele benötigten Bauelemente sind handelsübliche Bauelemente, die der Fachmann in der Weise verwenden kann, daß die oben beschriebenen Funktionen im Rahmen der Erfindung erzielt werden.

Claims (9)

1. Waage, mit einem Unterteil, einem relativ zu dem Unterteil beweglichen Oberteil, auf dem das Wägegut aufgenommen wird, und mit einem Meßumformer, der den Bewegungshub des Oberteils in ein Gewichtssignal umsetzt, das auf eine Gewichtsanzeige gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßumformer als optoelektronische Einheit ausgebildet ist, die eine Lichtquelle und eine lichtempfindliche Sensoranordnung aufweist.

2. Waage nach Anspruch 1, mit einem linearen vertikalen Sensore- Array, insbesondere CCD-Array, das punktuell von einem von der Lichtquelle ausgegebenen Lichtstrahlbündel belichtet wird, welches abhängig von dem Bewegungshub des Oberteils entlang dem Sensor- Array bewegt wird.

3. Waage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtstrahlbündel von einer ortsfesten Lichtquelle über einen Lichtwellenleiter auf das Sensor-Array gelenkt wird, wobei der Lichtwellenleiter mechanisch mit dem Oberteil gekoppelt ist.

4. Waage nach Anspruch 1, bei der die Sensoranordnung ein lineares Sensor-Array, insbesondere CCD-Array, in horizontaler Lage ist, wobei zwischen der Lichtquelle und dem Sensor eine Blende liegt, die abhängig vom Bewegungshub des Oberteils einen vorbestimmten Teil des Sensor-Arrays abdeckt.

5. Waage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem linearen Sensor-Array und dem Oberteil eine Übersetzungseinrichtung zum Umsetzen des Bewegungshubs des Oberteils vorhanden ist, so daß das Verhältnis eines gegebenen Hubs des Oberteils zu der Länge des linearen Sensor-Arrays kleiner als "1" ist.

6. Waage nach Anspruch 5 in Verbindung mit Anspruch 3, bei der das Oberteil mit dem Lichtwellenleiter an einer Stelle gekoppelt ist, die einen definierten Abstand (W2) von dem Sensor-Array aufweist.

7. Waage nach Anspruch 5 in Verbindung mit Anspruch 4, bei der die Blende eine Schräge aufweist, wobei zwischen der Schrägen und der Längsachse des Sensor-Arrays ein Winkel eingeschlossen wird, der kleiner als 10° ist, insbesondere 0, 5, . . ., 3° beträgt.

8. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßumformer eine Lichtstrahlquelle (24), ein lichtempfindliches Detektorelement, z. B. einen Fototransistor, mit daran angeschlossenem Zähler und ein Zerhackerelement (42) aufweist, wobei der Bewegungshub des Oberteils dadurch von dem Zerhackerelement in zählbare Impulse umgesetzt wird, das die Lichtquelle relativ zu dem Zerhackerelement (42) durch das Oberteil bewegt wird.

9. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßumformer eine Lichtstrahlquelle (24) und eine positionsempfindliche Diode aufweist, wobei der von der Lichtquelle abgegebene Lichtstrahl auf eine Stelle der Diode auftrifft, die von der Stellung des Oberteils abhängt.