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Waage mit digitaler Anzeigeskala.
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Die Erfindung betrifft eine Waage mit digitaler, ein Binärmuster enthaltender
Anzeigeskala und eventuell einer mit der digitalen Anzeigeskala synchron laufenden
analogen Anzeigeskala, bei welcher das von der digitalen Anzeigeskala angezeigte
Wägeergebnis zur Weiterverarbeitungbeispielsweise durch eine elektronische Rechenanlage,
in eine Folge von binären elektronischen Impulsen umgewandelt wird.
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In vielen Anwendungsbereichen der Waagentechnik ist es notwendig,
die Belastung von Waagen elektronisch zu erfassen, beispielsweise, um einen Regelkreis
oder andere Einrichtungen zu beeinflussen. Zu diesem Zweck werden häufig Leuchtbildwaagen
verwendet. Bei Leuchtbildwaagen wird eine Skala an einer Optik vorbeibewegt und,
z.B. über eine Spiegeleinrichtung, auf eine Mattscheibe projiziert. Die Anzeigeskala
enthält in diesem Fall einen analogen Teil und einen digitalen Teil, der in binärdezimaler
oder einer anderen Verschlüsselung die gleichen Zahlenwerte darstellt wie der analoge
Teil der Skala. Der analoge Teil der Skala wird in der Regel auf eine Mattscheibe
projiziert, an der mittels einer auf der Mattscheibe fest angebrachten Markierung
das auf der Waage lastende Gewi-cht abgelesen werden kann. Der digitale Teil der
Markierung wurde bisher von photoelektrischen Abtastern abgetastet, wodurch eine
dem Gewichtswert entsprechende Zahl, dargestellt durch eine binäre Zeichenkette,
die z.B. 20 bit umfaßt, entsteht.
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Diese binäre Zeichenkette kann an eine digitale Auswerteinrichtung,
z.B. einen elektronischen Rechner, weitergegeben und dort weiter verarbeitet werden.
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Umfaßt die binäre Zeiohenkette z.B. 20 bit, so muß man wegen unvermeidbarer
mechanischer Ungenauigkeit zur Abtastung der Zeichenkette nicht 20, sondern 35 Elemente
vorsehen. Aus dem gleichen Grund muß man in der kleinsten Dezimalen einen sogenannten
einschrittigen Code und einen gewissen elektronischen Aufwand vorsehen, der diesen
Code in einen dem elektronischen Rechner verständlichen Code umwandelt. Ein weiterer
Aufwand ist nativ, um von den 35 Abtastelementen jeweils 20 auszuwählen und zur
Auswertung durchzuschalten (sogenannte V-Abtastung).
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Der elektronische Aufwand für die bekannten Abtastanordnungen ist
also recht erheblich und stellt zweifellos einen Nachteil dar.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung ist, daß besondere Maßnahmen
vorgesehen sein müssen, um eventuelle Auslenkungen des auf die Mattscheibe und auf
die Abtaster projizierten Bildes zu kompensieren. Wegen der starken Vergrößerung,
die die Skalen von Leuchtbildwaagen erfahren, wirken sich auch leichte Verschiebungen,
wie sie z.B. durch Erwärmung auftreten, unter Umständen so aus, daß die gesamte
Anzeigeskala auf der Mattscheibe und den Abtastern nach rechts oder links auswandert.
Dadurch erfassen die bekannten Abtastvorrichtungen den angezeigten Skalenwert falsch.
Es muß deshalb dafür gesorgt werden, daß solche Auslenkungen nicht auftreten, bzw.
kompensiert werden. Diese Maßnahfirmen bedeuten einen weiteren Aufwand, der ebenfalls
einen Nachteil der bekannten Anordnung darstellt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Waage zu schaffen, die diese Nachteile
nicht aufweist, Diese Aufgabe wird erfindungsgemäi dadurch gelöst, daß das auf die
digitale Anzeigeskala aufgebrachte Binärmuster von einer Fernsehkamera erfaßt und
der Spannun£sverlauf längs einer oder mehreren Zeilen des Fernsehbildes mit:-tels
elektronischer Einrichtungen in eine binäre Impulsfolge umgewandelt wird.
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Bei Waagen, die beispielsweise an elektronische Rechenanlagen als
Meßwertgeber angeschlossen sind, bedeutet das, daß praktisch die zur Waage gehörende
Elektronik und die zur Kompensation der waagerechten Verschiebung dienende Vorrichtung
durch eine Fernsehkamera ersetzt wird, wodurch die oben genannten Schwierigkeiten
entfallen bzw. durch entsprechende Programmierung des Rechners beseitigt werden
können.
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Ein AusfUhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung wird anhand
der Fig. 1 - 3 erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Anzeige-Skala, wie sie beispielsweise bei der Erfindung
angewendet werden kann. Sie besteht aus einem analogen Teil 1 und einem digitalen
Teil 2. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nicht nur der analoge
Teil 1 der Skala sondern die ganze SKala nach Fig. 1, also auch ihr digitaler Anteil
auf eine Mattscheibe projiziert. Diese Mattscheibe wird so abgedeckt, daß nur ein
schmaler Spalt, etwa von der Breite eines oder zweier Teilstriche der Analog-Skala
1, sichtbar bleibt. Auf der Mattscheibe entsteht dann ein Streifen, der im Bereich
der Digital-Skala eine gleichmäßige Unterteilung besitzt. Die einzelnen Abschnitte
dieses Streifens sind entweder hell oder dunkiel; hellen Stellen sei der Binärwert
"Lt' zugeordnet, dunklen der Wert 'tott. Die einzelnen Abschnitte des Spaltes werden
Kanäle genannt.
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Das prinzipielle Funktionieren der Erfindung wird am Beispiel einer
Zeichenkette von 6 bit dargestellt. Die Kanäle werden mit den Nummern 1 - O versehen.
In Fig. 2, erste Zeile sind die Nummern der Kanäle angegeben. Links und rechts der
Digital-Skala befinden sich je zwei weitere Signalspuren S1, S2 und Sn, S4" die
ebenfalls jeweils einen Kanal darstellen. Es liegen also in diesem Beispie] 10 Kanäle
vor. In der zweiten Zeile von Fig. 2 sind die OgL-Werte eingeschrieben, wie sie
etwa anfallen würden,
wenn man die Kanäle mit -Je einem Photoelement
pro Kanal abtasten würde. Die Spuren S1 und S4 haben immer den Wert L, S2 und S3
immer den Wert 0, die Kanäle 1 - 6 haben variable Signale.
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Bei Abtastung der Kanäle mittels einer Fernsehkamera ergibt sich
für eine Zeile ein Spannungsverlauf, wie er in der dritten Zeile in Fig. 2 schematisch
dargestellt ist. Ganz links ist ein Zeilenimpuls angedeutet, es folgen entsprechend
der O/L-Codierung der Zeile Spannungsimpulse. Schließlich folgt der nächste Zeilenimpuls.
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über diesen Spannungsverlauf in einer Zeile des Fernsehbildes wird,
wie es in Zeilen 4 und 5, Fig. 2 angedeutet ist, ein Zeitraster gelegt. Bei jedem
Rasterstrich wird ermittelt, ob die Spannung in der dritten Zeile 0 oder L ist,
und dieser Wert wird abgespeichert, so daß die in Fig. 2 Zeile 6 angegebene O/L-Folge
schließlich in aufeinanderfolgenden Speicherzellen zu finden ist.
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Sind z.B. 20 Kanäle abzutasten, mit den 4 Signalspuren S1 -also insgesamt
24 Kanäle, dann könnte das Zeitraster (Zeilen 4 und 5, Fig. 2) z.B. 200 Rasterstriche
pro Zeile aufweisen. Bei 625 Zeilen pro Bild, 25 Bildern pro Sekunde ergäbe sich
eine Rasterfrequenz von 200 x 625 x 25 = 312 500 Hz., d.h. es müßte ca. alle 3 Mikrosekunden
ein O/L-Wert abgespeichert werden.
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Zweckmäßigerweise wird man eine Serienparallelwandlung verwenden und
Wörter von der Wortlänge des Rechners erzeugen. Wenn der Rechner eine Wortlänge
von 16 bit hat, wird man 16 bit parallel in den Rechner übernehmen. Man hätte dann
nur etwa alle 50 Mikrosekunden ein Wort zu übernehmen, was bei den Operationszeiten
der heute verfügbaren elektronischen Kleinrechner keine Schwierigkeiten bereitet.
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Die im Rechner abgespeicherte O/L-Folge beginnt im Kanal S1 mit einer
Reihe von L's. Die Anzahl dieser L's hängt von der Breite des Kanals S1 ab und vom
Vergrößerungsmaßstablder sich aus der
Entfernung der Kamera von
der Mattscheibe ergibt. In Fig. 3 wird das verdeutlicht. In der oberen Zeile (a)
von Fig. 3 ist die gleiche Vergrößerung wie in Fig. 2 angenommen. S1 ist fünf Rasterstriche
lang. Das heißt, es werden fünf L's hintereinander erzeugt. In der zweiten Zeile
(b) von Fig. 3 ist S1 dagegen 14 Rasterstriche lang, das Bild ist so groß abgebildet,
der Bildbereich umfaßt nicht mehr die ganze Skala. Auf diese Weise kann man eine
Aussage erhalten, ob die ganze Skala im Bildbereich liegt. Es ist auch möglich/
zu diesem Zweck zusätzlich die Anzahl der Nullen links von der Spur Sl zu kontrollieren.
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Als nächstes wird die Nummer des Rasterstrlches, an dem der Kanal
S1 links begrenzt ist (in Fig. 2 ist das der Rasterpunkt 6) und die Nummer des Rasterpunktes,
an dem der Kanal S4 rechts begrenzt ist (in Fig. 2, das ist der Rasterpunkt 50),
festgestellt. Es wird die Differenz (in Fig. 2: 50 - 6 - 44) gebildet.
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Die Differenz gibt ein Maß für die Breite, mit der die Codespuren
abgebildet sind. Für jeden einzelnen Kanal kann jetzt die Nummer des Rasterstriches,
der am nächsten an der Mitte des Kanals liegt, berechnet werden.
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In Fig. 2 sind also 10 Kanäle auf 44 Rasterstriche verteilt, jeder
Kanal ist also 4,4 Rasterstriche breit. Die Mitte von liegt auf 6 + 4,4/2 = 8,2,
die Mitte des Kanals 1 auf 8,2 + 2 x 4,4 w 17, die Mitte des Kanals 2 auf 17 + 4,4
= 21,4 usw. Man wird nun die zu den Rasterstrichen 17, 21 usw. gehörenden O/L-Werte
aus dem Speicher entnehmen und erhält so die in Fig. 2, Zeile 2 angegebene O/L-Folge,
also den Meßwert.
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Dem Signalverlauf, wie er in Fig. 2, Zeile 3 dargestellt ist, können
sich jedoch Störsparnrnngen überlagern. Um die Wirkung dieser Sti3rungen auszuschließen,
kann man 2 Methoden aiiwenden.
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1. Man wertet nicht nur das Bit in der Mitte jedes Kanales aus, sondern
zieht auch die benachbarten Bits heran, die das gleiche Signal haben müssen. Bei
25 Bildern pro Sekunde, 625 Zeilen pro Bild und 30 Kanälen pro Zeile werden damit
Jedoch nur Störungen erkannt, deren Frequenz größer ist als 25 x 625 x 30 = 468
750 Hz.
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2. Man wertet mehrere aufeinanderfolgende Zeilen aus. Wenn über die
Höhe des Bildschirmes z.B. 62 Teilstriche abgebildet sind, dann entfallen auf Jeden
Teilstrich 10 Zeilen des Fernsehbildes. Bei stillstehender Waage muß es also immer
10 aufeinanderfolgende Zeilen mit gleichem O/L-Muster geben. Bei sich bewegender
Waage sind es entsprechend mehr oder weniger Zeilen mit gleichem O/L-Muster.
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Bei der bisher üblichen Abtastung mußte man wegen unvermeidbarer Ungenauigkeiten
einen einschrittigen Code und/oder die sogenannte V-Abtastung wählen. Bei der hier
vorgeschlagenen Abtastmethode kann man mehrere aufeinanderfolgende Zeilen auswerten
und schließlich eine davon auswählen, die nicht durch mechanische Ungenauigkeiten
beeinflußt ist.
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Die Auswertung kann vereinfacht werden, indem man die Mattscheibe
bis auf einen Spalt abdeckt. Die Breite des Spaltes beträgt wenige Teile der Waagenskala,
z.B. 2 Teile. Das Fernsehbild wird dadurch nur zu einem Teil ausgenutzt. In den
unbenutzten Teil können andere Datenträger eingeblendet werden, z.B. eine Lochkarte
mit Daten, die für die Waage wichtig sind, wie Werte für die Kompensation des Nachlaufes
der einzelnen Komponenten.
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Das Fernsehhild mit Analog-Skala, Digital-Skala und eveiitiieli Lochkarte
kann auf einem Monitor in der Stellerzentrale zur liontrolle angezeigt werden. Wenn
mehrere Waagen vorhanden sln(l.
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bzw. wenn in der Anlage weitere Pernsehkameras ii' andere Z,we -e
z.B.
zur optischen Uberwachung des Materialflusses installiert sind, so wird nur ein
Monitor benötigt, wobei mittels eines Umschalters das gewünschte Bild anwählbar
ist. Wenn mehrere Kameras zur Aufnahme von Binärmustern vorgesehen sind, braucht
die zum Anschluß an den die elektronische Rechenanlage benötigte Elektronik, z.B.
der Serienparallelwandler, nur einmal vorhanden zu sein, wobei ebenfalls mittels
eines Umschalters die gewünschte Kamera aufgeschaltet wird.
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Das geschilderte Verfahren ist auch zur Abtastung anderer Datenträger,
z.B. einer Lochkarte anwendbar. Bei der Abtastung von Lochkarten ist es jedoch erforderlich,
sich mittels einer Zählung der Zeilen des Fernsehbildes über die Position der Richtung
senkrecht zur Zeile zu orientieren. Es ist notwendig, die Länge der Lochkarte, ausgedrückt
in Zeilen des Fernsehbildes zu messen und daraus die Lage der'Spalten der Lochkarte
zu berechnen. Bei 80 Spalten der Lochkarte und~365 Zeilen des Fernsehbildes ergeben
sich ca. 4 Fernsehzeilen pro Lochkartenspalte.
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Die Beleuchtung des abzutastenden Objektes kann im Auflicht oder im
Durchlicht erfolgen. Bei einer Lochkarte würden z.B. bei einer Beleuchtung mit Auflicht
die Karte hell und die Löcher dunkel erscheinen. Im Durchlicht wäre es umgekehrt.
Bei einer Leuchtbildwaage kann anstelle der Mattscheibe eine Projektionsfläche angebracht
werden, so daß es möglich ist, die Fernsehkamera im Inneren der Waagen zu montieren.
Zweckmäßigerweise wird in diesem Fall die Analogskala zweimal vorgesehen. Die eine
Analogskala wird auf die Projektionsfläche projiziert, von dort durch die Fernsehkamera
aufgenommen und auf dem Monitor abgebildet, während die zweite auf eine Mattscheibe
projiziert wird, so daß sie voii außen abgelesen werden kann.