Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Waage mit einem
Lastaufnehmer, mit einem Wägeaufnehmer zur Umwandlung einer Kraft in ein
elektrisches Signal, mit mindestens einem Hebel zwischen dem Lastaufnehmer und
dem Wägeaufnehmer, mit einem eingebauten Justiergewicht, das direkt oder über
eine Hebelübersetzung in Wirkverbindung mit dem Wägeaufnehmer gebracht
werden kann, und mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit, die mindestens
einen Speicherbereich zum Abspeichern eines Justierfaktors enthält.
Waagen dieser Art sind allgemein bekannt und beispielsweise in der
DE 31 44 103 A1 beschrieben. Die dort beschriebene Waage wird nachfolgend kurz
erläutert, um das mit der Erfindung zu lösende Problem bewusst zu machen. Die
Waage besteht gemäß Fig. 1 aus einem beweglichen Lastaufnehmer 2, der die
Waagschale 3 trägt und der über zwei Lenker 4 und 5 in Form einer
Parallelführung mit dem ortsfesten Teil 1 der Waage verbunden ist. Als Gelenke
dienen jeweils Blattfedern 6 an den Enden der Lenker 4 und 5. Die von der
Waagschale 3 auf den Lastaufnehmer 2 übertragene Kraft wird über ein
Koppelband 9 auf den kürzeren Hebelarm des Hebels 7 übertragen. Der Hebel 7 ist
mit einem Kreuzfedergelenk 8 am ortsfesten Teil 1 der Waage gelagert. Am
längeren Hebelarm des Hebels 7 greift die von der stromdurchflossenen Spule 11
erzeugte lastproportionale Gegenkraft an. Der Lagensensor 21 tastet dazu die Lage
des Übersetzungshebels 7 ab und liefert über einen Regelverstärker 22 den zur
Kompensation der Belastung notwendigen Strom. Dieser Kompensationsstrom
wird über bewegliche Zuleitungen 30 der Spule 11 zugeführt und durchfließt
gleichzeitig den Messwiderstand 23. Am Messwiderstand 23 wird eine
stromproportionale Messspannung abgegriffen, in einem Analog/Digital-Wandler
26 digitalisiert, in einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 verarbeitet und in
der Digitalanzeige 28 angezeigt. Weiter ist mit dem längeren Hebelarm des Hebels
7 ein dünnes Spannband 16 als Koppelglied zum Justiergewichtshebel 12
verbunden. Dieser Justiergewichtshebel 12 ist durch ein Federgelenk 13 am
ortsfesten Teil 1 der Waage gelagert. Auf den rechten Hebelarm des
Justiergewichtshebels 12 kann ein Justiergewicht 14 abgesenkt werden. In Fig. 1
ist das Justiergewicht 14 in der abgesenkten Position gezeichnet. Zum Anheben des
Justiergewichtes 14 wird die Nocke 15 um die Achse 25 gegenüber der
gezeichneten Stellung um 90° gedreht und hebt mittels des Stößels 18 das
Justiergewicht 14 an und trennt so die Wirkverbindung zum Justiergewichtshebel
12. Die Lage des Justiergewichtes 14 - abgesenkt oder angehoben - wird der
digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 durch ein Schaltelement 24 übermittelt.
Zum Justieren der Waage wird nun das Nullsignal des Wägeaufnehmers
10/11/21/22 in der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 gespeichert, dann das
Absenken des Justiergewichtes 14 durch einen nicht dargestellten Motor
veranlasst, das Signal des Wägeaufnehmers übernommen und anschließend das
Justiergewicht 14 wieder in die Normalstellung angehoben. Dieser ganze Vorgang
wird von der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 gesteuert, die auch aus der
Differenz der Signale des Wägeaufnehmers mit und ohne Justiergewicht 14 den
Justierfaktor der Waage berechnet und im Speicher 17 abspeichert. Der
Justierfaktor ist dabei der Umrechnungsfaktor zwischen den Impulsen vom
Analog/Digital-Wandler 26 und dem in der Anzeigeeinheit 28 in
Gewichtseinheiten ausgegebenen Ergebnis. Bei Waagen mit Hebelübersetzung
zwischen Waagschale und Justiergewicht ist dieses Übersetzungsverhältnis
genauso wie die Größe des Justiergewichtes im Justierfaktor mit eingerechnet. Ist
die digitale Signalverarbeitungseinheit 27 durch einen Mikroprozessor realisiert, so
kann der in Fig. 1 gesondert gezeichnete Speicher 17 für den Justierfaktor
selbstverständlich innerhalb des Speichers dieses Mikroprozessors integriert sein.
Diese beschriebene Mechanik und Elektronik einer Waage sind Stand der Technik
und im Vorstehenden daher nur ganz kurz und zusammenfassend erläutert.
Nachteilig an dieser bekannten Waagenbauform ist, dass die Kraftuntersetzung
durch den Übersetzungshebel 7 im Allgemeinen nichtlinear ist: durch die
belastungsabhängige Durchbiegung des Übersetzungshebels 7 ändert sich das
Hebelverhältnis geringfügig. Dieser Effekt ist zwar nur klein und die Änderung
liegt im Promille-Bereich, bei hochauflösenden Waagen mit Schrittzahlen von z. B.
10.000 bis über 100.000 ist aber auf Grund dieses Effektes eine elektronische
Linearisierung innerhalb der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 notwendig.
Beim Justiervorgang hat diese Nichtlinearität der Waagenmechanik zur Folge,
dass sich der Umrechnungsfaktor zwischen der Wirkung des internen
Justiergewichtes 14 und der Wirkung eines Gewichtes auf der Waagschale 3
ändert. Wirkt zum Beispiel bei leerer Waagschale 3 ein Justiergewicht 14 von
100 Gramm genauso wie ein Gewicht von 20,000 Kilogramm auf der
Waagschale 3, so ändert sich dieses Verhältnis bei einer mit 10 Kilogramm
vorbelasteten Waagschale beispielsweise auf 100 Gramm zu 20,070 Kilogramm. Ist
also bei der Herstellung der Waage der Wert des Justierfaktors im Speicherbereich
17 bei leerer Waagschale richtig bestimmt und eingespeichert, so ergibt sich bei
einer Kontrollmessung, die mit 10 Kilogramm Vorlast auf der Waagschale 3
durchgeführt wird, eine scheinbare Änderung um 70 Gramm, obwohl sich an der
Waage nichts verändert hat. Dieser Effekt ist gerade bei Industriewaagen störend,
da hier durch kundenspezifische Aufbauten auf der Waagschale, wie z. B. Behälter
oder Förderbänder, der Zustand "leere Waagschale" manchmal gar nicht mehr
ohne Aufwand erreicht werden kann. Trotzdem ist bei Hochlastwaagen eine
Justierung, bei der das Justiergewicht mit einem anderen Übersetzungsverhältnis
als das Wägegut auf der Waagschale auf den Wägeaufnehmer einwirkt, weit
verbreitet, da ein direkt am Lastaufnehmer 2 angreifendes internes Justiergewicht
viel zu groß und schwer für einen Einbau in eine Waage wäre.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Waage der Eingangs genannten Art
anzugeben, die sich bei beliebigen Vorlasten auf der Waagschale fehlerfrei
justieren lässt.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass elektronische Hilfsmittel
vorhanden sind, die beim Aufliegen des eingebauten Justiergewichtes die
Wägewerte und/oder daraus berechnete Justierwerte in Abhängigkeit von der
Größe der Vorlast, mit der der Lastaufnehmer belastet ist, - also in Abhängigkeit
vom Signal des Wägeaufnehmers direkt bevor das eingebaute Justiergewicht in
Wirkverbindung mit dem Wägeaufnehmer gebracht wird - verändern.
Die Erfindung bedient sich also einer elektronischen Korrektur, die gerade so groß
ist, dass der Einfluss der Mechanik aufgehoben wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der elektronischen Hilfsmittel ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben.
Dabei zeigt:
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Realisierung der erfindungsgemäßen
elektronischen Hilfsmittel,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Realisierung der erfindungsgemäßen
elektronischen Hilfsmittel und
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer dritten Realisierung der erfindungsgemäßen
elektronischen Hilfsmittel.
Fig. 1 wurde bereits beim Stand der Technik erläutert.
Eine erste Realisierung der elektronischen Hilfsmittel ist in Fig. 2 gezeigt, wobei
nur der für die Erläuterung der Erfindung notwendige Teil der Elektronik
dargestellt ist; die restliche Elektronik und die Mechanik der Waage kann genauso
aufgebaut sein wie in Fig. 1 dargestellt. Zusätzlich zum Speicher 17 für den
Justierfaktor ist ein Speicher 107 vorhanden, in dem mehrere Koeffizienten an
eines Polynoms abgespeichert sind. Im Allgemeinen reicht dabei ein quadratisches
Polynom, sodass im Speicher 107 zwei Koeffizienten a1 und a2 abgespeichert sind.
In der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27 ist dann ein Bereich bzw.
Programmabschnitt 106 vorhanden, der die Berechnung des quadratischen
Therms
a1.mV + a2.mV 2 (1)
vornehmen kann. Die Masse mV ist dabei direkt die Gesamtvorlast auf der
Waagschale 3, ohne dass in der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27
gespeicherte Tarawerte abgezogen werden. Die Vorlast wird direkt vor dem
Auflegen des Justiergewichtes 14 auf Grund des Signals vom Analog/Digital-
Wandler 26 errechnet und bis zum Abschluss der Justierung in der digitalen
Signalverarbeitungseinheit 27 gespeichert. Wird dann beim Auflegen des
Justiergewichtes 14 ein Justierfaktor f (mV) ermittelt, so wird nicht dieser Faktor
f(mV) im Speicher 17 abgespeichert, sondern der nach der Formel
f(0) = f(mV) + a1.mV + a2.mV 2 (2)
korrigierte Wert. Die Koeffizienten a1 und a2 werden dabei aus dem Speicher 107
abgefragt, der Wert von mV ist in der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27
gespeichert.
Wird die Justierung (wie bei der Herstellung der Waage im Werk) mit leerer
Waagschale 3, also mV = 0, durchgeführt, so ist der Korrekturtherm in
Gleichung (2) null, der Justierfaktor f(0) = f(mV) wird also unverändert
übernommen. Wird die Justierung jedoch mit einer Vorlast mV durchgeführt, so
wird die Korrektur gemäß Gleichung (2) durchgeführt und der so errechnete
Justierfaktor f(0) in den Speicher 17 eingespeichert.
Auf diese Weise wird also die Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen
der Wirkung des Kalibriergewichtes 14 und einer Belastung auf der Waagschale
ausgeglichen. Die Koeffizienten a1 und a2 werden bei der Herstellung der Waage
im Werk entsprechend der Nichtlinearität der Mechanik der Waage bestimmt und
in den Speicher 107 eingespeichert.
Je nach Größe der Nichtlinearität der Mechanik und je nach Anforderungen an
die Genauigkeit der Waage reicht es häufig auch, nur den Koeffizienten a1 in
Gleichung (2) zu benutzen und a2 = 0 zu setzen; andererseits kann durch die
Ergänzung weiterer Summanden an.mV n mit n ≧ 3 in Gleichung (2) eine exaktere
Korrektur erreicht werden. - Ist die Mechanik der Waage deutlich
temperaturabhängig, so können bei hohen Anforderungen an die
Korrekturgenauigkeit die Koeffizienten an auch temperaturabhängig vorgegeben
und abgespeichert sein.
Im Vorstehenden wurde die Korrekturrechnung während des Justiervorganges
durchgeführt und der korrigierte Justierfaktor im Speicher 17 abgespeichert. Es
ist jedoch auch möglich, den unkorrigierten Justierfaktor im Speicher 17
abzuspeichern und die Korrekturrechnung beim Abfragen des gespeicherten
Justierfaktors durchzuführen. Dazu muss natürlich der Wert der Vorlast mV beim
Justiervorgang zusätzlich abgespeichert sein, wie es die erweiterte Schaltung
gemäß Fig. 3 erlaubt. Im Blockschaltbild von Fig. 3 ist wieder nur ein Teil der
Elektronik eingezeichnet, der Rest der Elektronik und die Mechanik der Waage
kann wie in Fig. 1 gezeichnet ausgeführt sein. In der Schaltung gemäß Fig. 3 ist
neben dem Speicher 17, in dem in dieser Ausgestaltung der beim letzten
Justiervorgang ermittelte, unkorrigierte Justierfaktor abgespeichert ist, der
Speicher 107 für Korrekturfaktoren an und ein Speicher 117 vorhanden, in dem
die Vorlast mV beim letzten Justiervorgang abgespeichert ist.
In dieser Ausgestaltung wird erst dann, wenn der Wert des Justierfaktors
abgefragt wird, der Bereich bzw. Programmabschnitt 106 aktiviert, der die
Korrekturrechnung gemäß Gleichung (2) für den Justierfaktor durchführt. Die
Koeffizienten an können dabei aus dem Speicher 107 abgefragt werden, der Wert
für mV ist im Speicher 117 gespeichert und der unkorrigierte Wert f(mV) für den
Justierfaktor ist im Speicher 17 gespeichert. Dann kann der korrigierte
Justierfaktor f(0) gemäß Gleichung (2) ausgerechnet und in die digitale
Signalverarbeitungseinheit 27 übernommen werden.
Eine andere Möglichkeit für die Realisierung der erfindungsgemäßen
elektronischen Hilfsmittel ist die Benutzung einer elektronischen Tabelle statt des
einfachen Speichers 107. Je nach Größe der Vorlast mV auf der Waagschale bei der
Justierung wird der zugehörige Wert für die Korrektur des Justierfaktors aus
einer bei der Herstellung der Waage abgespeicherten Tabelle entnommen. Dabei
kann ggf. zwischen benachbarten Tabellenwerten linear interpoliert werden, auch
temperaturabhängige Tabellenwerte sind wieder möglich.
Eine weitere Möglichkeit der Korrektur bietet sich bei Waagen, bei denen die
elektronische Linearisierung innerhalb der digitalen Signalverarbeitungseinheit 27
durch einen Polynom mit mehreren Koeffizienten bn erfolgt. Diese abgespeicherten
Koeffizienten bn können dann während der Justierung in Abhängigkeit von der
gemessenen Größe der Vorlast mV auf der Waagschale 3 verändert werden. Die
Koeefizienten bn' während des Justiervorganges können aus den abgespeicherten
Koeffizienten bn beispielweise gemäß folgender Gleichung hergeleitet werden:
bn' = bn + c1.mV + c2.mV 2 (3)
Die Koeffizienten c1 und c2 für die vorlastabhängige Änderung sind dann in dieser
Ausgestaltung im Speicherbereich 107 abgespeichert, wie es in Fig. 2
eingezeichnet ist. - Selbstverständlich besteht auch hier wieder die Möglichkeit, die
Koeffizienten cn temperaturabhängig vorzugeben.
Aber auch eine analogelektrische Lösung der Korrektur ist möglich. Dies ist in
Fig. 4 gezeigt. Hier wird die Referenzspannung (Zehnerdiode 110) des
Analog/Digital-Wandlers 26 beeinflusst: Am Messwiderstand 23 wird dazu das zur
Last auf der Waagschale 3 proportionale Signal abgenommen, durch einen
Spannungsfolger 113 entkoppelt, in einem Sample- and Hold-Verstärker 114
gespeichert und über einen großen Vorwiderstand 112 als Strom in den kleinen
Widerstand 111 eingespeist. Dadurch erhält die Referenzspannung am
Referenzeingang 126 des Analog/Digital-Wandlers 26 einen masseproportionalen
Anteil:
URef = UZener + d.mV (4)
Die Größe der Konstanten d wird über das Verhältnis der beiden Widerstände 111
und 112 zueinander eingestellt, das Vorzeichen ggf. durch Umschaltung des
Spannungsfolgers 113 in einen Inverter.
Diese Korrektur wird nur beim Justieren aktiviert: Vor dem Auflegen des
Justiergewichtes wird durch das kurzzeitige Schließen des Schalters 116 der Wert
der Belastung der Waagschale 3 vor dem Auflegen des Justiergewichtes 14
gespeichert. Beim Auflegen des Justiergewichtes 14 wird durch das Schließen des
Schalters 115 die Korrektur aktiviert und nach dem Ende der Justierung, also
nach dem Wiederabheben des Justiergewichtes 14, durch Öffnen des Schalters 115
wieder deaktiviert. - Die Größe der Beeinflussung, also die Größe von d in
Gleichung (4), wird entsprechend der Nichtlinearität der Mechanik der Waage so
gewählt, dass die Veränderung von URef in Gleichung (4) gerade so groß ist, dass
der Einfluss der Nichtlinearität der Mechanik kompensiert wird.
Die Schaltung in Fig. 4 ist nur eine Prinzipschaltung zur Erläuterung der
Funktion. Selbstverständlich wird man z. B. statt des großen Vorwiderstandes 112
eine Stromquellenschaltung benutzen, um den belastungsproportionalen Strom in
den Widerstand 111 einzuspeisen. Will man nicht nur eine linear mit der Belastung
mV auf der Waagschale sich ändernde Referenzspannung, sondern auch einen
quadratischen Anteil, so kann dies jeder Fachmann durch elektronische
Bauelemente mit nichtlinearer Kennlinie leicht erreichen, dasselbe gilt für eine
evtl. notwendige Temperaturabhängigkeit.
Im Vorstehenden ist immer die Benutzung des Justiergewichtes zum Justieren -
also zum Abspeichern eines neuen Justierfaktors - beschrieben. Wird das
Justiergewicht zum Kalibrieren - also zum Überprüfen des abgespeicherten
Justierfaktors - benutzt, so werden die erfindungsgemäßen elektronischen
Hilfsmittel in gleicher Weise benutzt, nur dass die Abweichung gegenüber der
letzten Justierung nicht als geänderter Justierfaktor abgespeichert - und damit
korrigiert - wird, sondern nur als abweichende Anzeige in der Anzeigeeinheit 28
angezeigt wird. In entsprechender Weise werden die erfindungsgemäßen
elektronischen Hilfsmittel für die erstmalige Bestimmung des Wertes des
eingebauten Justiergewichtes bei der Herstellung der Waage eingesetzt.
Die in Fig. 1 dargestellte Mechanik der Waage ist selbstverständlich nur ein
mögliches Beispiel. Auch Brückenwaagen beispielsweise zeigen häufig ein
nichtlineares Übersetzungsverhältnis und werden daher durch die
erfindungsgemäßen Korrekturmittel verbessert. - Der Wägeaufnehmer ist in
Fig. 1 als nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation
arbeitend gezeichnet. Selbstverständlich sind die erfindungsgemäßen
Korrekturmittel auch bei anderen Wägeaufnehmern, wie z. B. schwingenden
Saiten, Dehnungsmessstreifen oder piezoelektrischen Wandlern, vorteilhaft.