DE2323200A1 - Elektrische waage - Google Patents

Elektrische waage

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Description

Patentanwälte
Dipl.-lng. A. WEDDE
Dipl.-Ing. K. E M P L ~8; Mai 1373
München 80, Schumannstr. 2
Mettler Instrumente AG/Greifensee (Schweiz)
Elektrische Waage
Die Erfindung betrifft eine elektrische Waage, umfassend einen Lastaufnehmer, ein von diesem beeinflusstes Messglied 'sowie eine Zählimpulse zählende Einrichtung zur periodischen Erzeugung eines digitalen Messergebnisses. Beispiele für derartige Waagen sind
- Waagen, die eine elektromagnetische Kompensationseinrichtung zur Rückführung des Lastaufnehmers in seine Nulllage und ein Digitalvoltmeter umfassen, welches den der Wägelast proportionalen Kompensationsstrom über einen Messwiderstand ermittelt und in digitaler Form darstellt (vgl. z.B. das schweizerische Patent Nr. 521.575) ,
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- Waagen der eben beschriebenen Art, bei denen jedoch der Kompensationsstrom impulsweise zugeführt und die Länge dieser Impulse mittels konstantfrequenten Zählimpulsen ausgezählt wird, wobei die Summe der Zählimpulse das Gewicht repräsentiert (vgl. z.B. das schweizerische Patentgesuch
. Nr.5947/71) ,
- Waagen, bei denen eine oder mehrere vorgespannte Saiten zu Querschwingungen angeregt v/erden, deren Frequenz sich unter dem Einfluss der jeweiligen Wägelast ändert, wobei diese Frequenzänderung durch Zählung entsprechender Impulse als Mass für das Gewicht der Wägelast dient (vgl. z.B. das schweizerische Patentgesuch Nr. 12209/71).
Genereil bezieht sich die Erfindung auf alle Anordnungen, bei denen gewichtsproportionale Messwerte auf elektrischem Wege periodisch als digitale Messergebnisse dargestellt werden.
Ein grundsäztliches Problem bei allen Waagen liegt darin, dass Schwingungen verschiedener Art das Wägeergebnis verfälschen können. Dabei kann es sich beispielsweise um Störschwingungen von aussen handeln, die auf die Waage übertragen werden, oder um solche, die vom Wägegut selbst verursacht werden, z.B. bei Tierwägungen. Ausserdem muss die Waage nach jedem Belasten mit Wägegut erst einschwingen, bevor ein sinnvolles Wägeresultat erhalten werden kann. Letzteres , spielt besonders eine Rolle beim raschen Wägen von sukzessive zugeführten Objekten (z.B. bei 'Tablettenwaagen, die in Transportsysteme eingebaut sind).
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Diese Schwingungen sind umso störender, je höher die Anzeigegenauigkeit der Waage ist, und bilden eine der häufigsten Fehlerquellen. Bisher war es so, dass bei Ablesung der Wägeergebnisse durch den Wägenden jeweils die Beruhigung der Anzeige abgewartet werden musste, was eine bald zur Ermüdung führende Beanspruchung bedeutete.
Aufgabe der Erfindung war es, die erwähnte Fehlerquelle mit möglichst kleinem Zeitaufwand selbsttätig zu beseitigen.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einer Waage der eingangs erwähnten Art Mittel vorgesehen sind, welche den Schwingungen des Lastaufnehmers um seine jeweilige Ruhelage entsprechende Messwerte mit vorgegebenen Grenzwerten vergleichen, wobei nur dann ein digitales Messergsbnis dargestellt und/oder übertragen wird, wenn für die Dauer von wenigstens einer Messperiode diese Grenzwerte nicht erreicht werden.
Vorzugsweise sind dabei die vorgegebenen Grenzwerte einstellbar, damit der Zeitbedarf zum Wägen den jeweiligen Anforderungen an die Genauigkeit angepasst werden kann.
Im allgemeinen werden ,die den Schwingungen entsprechenden Messwerte Spannungen sein, z.B. solche, die dem Strom zur Kompensation der Wägelast bzw. der Regelspannung aus der dem Lastaufnehmer zugeordneten Pösitionsabtastung entsprechen? bei Saitenwaagen sind es den Frequenzen der Saitenschwingungen proportionale Spannungen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Anordnung so getroffen, dass der Beginn der Impulszählung vom Unterschreiten der erwähnten Grenzwerte ausgelöst wird. Damit wird das Einschwingen der Waage nach Belastung abgewartet und daraixfhin, entweder unmittelbar oder nach Ablauf einer zusätzlichen Verzögerung, die eigentliche Messung bzw. die Digitalisierung begonnen. Treten, z.B. durch äussere Anregung, erneut Schwingungen auf, so bewirkt gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ein neuerliches üeberschreiten der erwähnten Grenzewerte eine Unterbrechung der Zählung und eine Rückstellung des Impulszählers auf Null.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind je zwei obere und untere Grenzwerte vorgegeben, welche als Kriterien für die Lieferung eines digitalen Messergebnisses dienen. Dadurch ist ein zusätzliches Kriterium geschaffen, nämlich neben der Kontrolle der Amplituden eine Kontrolle der Abweichung des Mittelwertes der Schwingungen von Null innerhalb der Measperiode.
In einer Weiterbildung kann ferner die Anzahl der Nulldurchgänge der Schwingungen des beweglichen Teils während der jeweiligen Messperiode berücksichtigt werden. Diese Massnahme bedeutet eine zusäztliche Verfeinerung der Kontrolle und wird später noch näher erläutert.
In bestimmten Fällen kann es zweckmässig sein, eine Anzeige des Messwertes vorzusehen, obwohl die Ruhekriterien nicht
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oder nicht ganz erfüllt sind, so z.B. im Falle von Grobwägungen, bei denen die letzten Stellen des Resultates nicht benötigt werden. Für derartige Fälle ist eine Anordnung vorteilhaft, bei welcher das jeweilige digitale Messergebnis nach jeder Messung geliefert wird, wobei jedoch bei Nichterfüllung der Ruhekriterien ein optisches oder akustisches Signal di*e Anzeige begleitet und/oder eine Datenübertragung verhindert wird.
Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
In den Zeichnungen, in denen auf die Aufnahme von für das Verständnis der Erfindung nicht wesentlichen Details verzichtet wurde, stellen dar
Fig. 1 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels ,
Fig. 2 den Aufbau der Stillstandskontrolle dieses Beispiels, Fig. 3 ein Diagramm der wichtigsten Funktionen der Stillstandskontrolle,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels und
Fig. 5 den Aufbau der Stillstandskontrolle aus Fig. 4.
Beispiel I (Fig. 1-3)
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Anordnung umfasst folgende Komponenten:
- eine die Wägelast P aufnehmende Waage 10 mit elektromagnetischer Kompensation,
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- ein Steuergerät 11, enthaltend einen Messverstärker und den Regelkreis sowie die Stromversorgung,
- ein nach dem Zweirampenprinzip arbeitendes Digitalvoltmeter (DVM) 12 zur digitalen Anzeige des Gewichtes der Wägelast,
- ein Speicher gerät 13 zur Aufnahme von vom DVM Übermittel- ν ten Daten,
- eine Stillstandskontrolle (SSK) 14, sowie
- einen Schalter 15 zur Auslösung des Mess- resp. Datenübertragungsbefehls ; dieser kann sowohl ein von Hand zu betätigender Schalter als auch beispielsweise ein fotoelektrischer Schalter (bei selbsttätiger Beschickung der Waage) sein.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Elemente und Funktionen der SSK 14 seien anhand eines Wägevorganges erläutert.
Eine Last P wird auf die Waage 10 gegeben. Deren beweglicher Teil wird ausgelenkt und in bekannter Weise durch die elektromagnetische Kraft einer stromdurchflossenen Spule in einem Magnetfeld in die Ausgangslage (Nullage) zurückgeführt, d.h. die Last P wird elektromagnetisch kompensiert. Die Beibehaltung der Nullage wird durch eine Positions-Abtastvorrichtung und einen ihr nachgeordneten Regelkreis kontrolliert. Die Grosse des Kompensationsstroms resp. der Regelspannung ist ein Mass für das Gewicht. Die Regelspannüng wird im DVM 12 in regelmässigen Perioden von z.B. 200 ms nach dem Zweirampenprinzip digitalisiert und das Ergebnis in
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Gewichtseinheiten angezeigt und im Datenspeicher 13 gespeichert. Die SSK 14 gewährleistet dabei, dass nur dann ei- · ne "richtige* Anzeige auf dem DVM 12 erscheint und nur dann die Messdaten auf den Speicher 13 übertragen werden, wenn die Schwingungen der Waage ein vorgegebenes Höchstmass nicht tiberschreiten. Diese Kontrolle geschieht wie folgti Das vom Messverstärker im Steuergerät 11 kommende Analogsignal (die verstärkte Regelspannung) passiert einen Impedanzwandler 16 und ein Differenzierglied 17. Dann wird es einem Integrator 19 zugeführt, der den (verstärkten) Wechselspannungsanteil des ursprünglichen Analogsignals liefert. Ein Regler 20 ermöglicht es dem Integrator 19, bei jeder Messung bei Null zu beginnen. Dem Integrator 19 vorgeschaltet ist ein Regelwiderstand 18, mit dem die Empfindlichkeit der Anordnung eingestellt werden kann«
Zum Analogteil der SSK 14 gehören weiterhin der Komparator 23, der auf zwei Schwellwerte (Toleranzgrenzen) eingestellt ist, sowie die dazugehörigen Referenzspannungen 22. Im Komparator 23 werden das differenzierte Siganl (B) und das integrierte Signal (B1) mit dem oberen Schwellwert und das integrierte Signal (B1) ferner mit dem unteren Schwellwert verglichen.
Die zwei Ausgänge des Komparators 23 führen über je einen Otpokuppler (Fotodiode und -transistor) 21 zur digitalen Speicherung 24, umfassend die Flip Flops FF 1 und FF 2. FF 1 speichert, jeweils bis zum nächsten Beginn einer Messperiode t,
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ein Ueberschreiten des oberen Schwellwertes dep" Analogsignale. FF 2 liefert das zweite Kriterium, nämlich die Ab- - weichung des Wechselspannungsintegrals von Null. Dabei ist die Anordnung so getroffen, dass FF 2 von jedem Ueberschreiten des kleineren Grenzwertes geschaltet wird: Beim ersten ueberschreiten innerhalb einer Messperiode in die Lage "Unruhe"; beim zweiten in die Lage "Stillstand" und so fort.
Sind FF 1 und FF2 am Ende einer Messperiode t in der Lage "Stillstand", so wird dieser Zustand bis zum Beginn der folgenden Messperiode in einer digitalen Verzögerungsschaltung 25, umfassend die Flip Flops FF 3 und FF 4,gespeichert: FF 3 speichert die Signale aus FF 1 und FF 2 und kippt nach Ablauf .dieser Verzögerung, d.h. bei Beginn der neuen Messperiode, wieder in die andere Lage, während gleichzeitig FF 4 das Signal "Stillstand" an die Anzeige resp. Datenübertragung abgibt. Das Vorsignal aus FF 3 kann beispielsweise zur Neubeschickung der Waage herangezogen werden.
Eine Synchronisierschaltung 26 stimmt die Dauer der Messperioden (Kontrollperioden) t in der SSK 14 und der Messperioden im DVM 12 mittels Impulsen (Α,Α1) zum Regler 20 sowie zur Speicherung 24 und zur Verzögerung 25 aufeinander ab. Die Leitung zum Regler 20 führt ebenfalls über einen Optokuppler 21, so dass Analogteil und Digitalteil der SSK 14 galvanisch getrennt sind.
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Das DVM 12 weist ein Leuchtsignal 12 a ("Error") auf. Dieses Signal leuchtet so lange, wie die Waage unruhig ist. Gleichzeitig mit dem "Stillstand"-Signal des FF 4 erlischt sie. Nunmehr kann abgelesen werden.
Bei dem hier beschriebenen Beispiel wurde die maximale Empfindlichkeit der Stxllstandskontrolle so gewählt, dass, bei 10.000 Digits für den Wägebereich, "Stillstand" nur für solche Abweichungen des Mittelwertes der Schwingungen von Null angenommen wurde, die weniger als 1 Digit je Messperiode entsprechen.
Beispiel II (Fig. 4 und 5)
Der Grundaufbau des zweiten Ausführungsbeispiels stimmt weitgehend mit dem des Beispiels I überein: Der Lastaufnehmer einer Waage 30 wird unter einer Last P aus seiner Nullage ausgelenkt. Die Auslenkung erzeugt in der Positionsabtastung 31 ein Wechselspannungssignal, das dem PID-Regler 32 zugeführt wird. Die resultierende Regelspannung wird in einem Verstärker 33 verstärkt und bestimmt die Grosse des durch die Kompensationsspule 36 fliessenden Stromes. Die Grosse dieses den Lastaufnehmer in seiner Nulllage haltenden Stromes ist ein Mass für das Gewicht der Last P und wird mittels eines Digitalvoltmeters (DVM) 35, das den Spannungsabfall an einem Messwiderstand 34 misst, digital dargestellt»
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Die Funktionsweise der Stillstandskontrolle 36 ist hier Wie folgt: Das Signal aus der Positionsabtastung 31 wird einem Verstärker 37 zugeführt und in einer Gleichrichterschaltung 39 gleichgerichtet. Anschliessend gelangt es in eine Triggerschaltung 40.(Schmitt-Trigger). Hier wird die Grosse des Signals mit einem vorgegebenen, einstellbaren \ Schwellwert verglichen.
Das DVM 35 ist wiederum ein nach dem Zweirampenprinzip die Messspannung auszählendes Gerät.
Ist nach nahezu beendetem Einschwingen des Lastaufnehmers der Waage 30 das Signal aus der Positionsabtastung 31 kleiner als der erwähnte Schwellwert/ so löst die Triggerschaltung 40 im DVM 35 den Beginn der Digitalisierung aus. Bleibt die Waage nunmehr (relativ) ruhig, d.h. wird der erwähnte Schwellwert des Abtastsignals nicht wieder erreicht, so erscheint auf der Anzeige am Ende des Messzyklus das digitalisierte Gewicht. Treten jedoch nach Beginn des Messzyklus erneut unzulässig hohe Störschwingungen auf, so erhält das DVM 35 vom Trigger 40 ein Signal, das die Zählung annulliert und den Zählerstand löscht. Erst nach erneuter Beruhigung der Waage folgt ein neuerliches Startsignal vom Trigger 40, das einen neuen Messzyklus im DVM 35 in Gang setzt.
Für manche Fälle ist es günstig, den Schmitt-Trigger 40 noch mit einem Verzögerungsglied 38 zu versehen, um nach dem er-
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sten Unterschreiten des Schwellwertes der Wechselspannung aus der Abtastvorrichtung 31 noch eine weitere Beruhigung eintreten zu lassen, bevor der Trigger das DVM 35 startet.
Die im Beispiel II beschriebene Anordnung eignet sich auch sehr gut für Waagen, bei denen der Storm impulsweise der Kompensationsspule zugeführt und die Länge dieser Impulse mit hochfrequenten Zählimpulsen ausgezählt wird. Auch .in diesem Fall werden die Triggersignale der entsprechenden Zählersteuerung zugeführt. Im bereits oben erwähnten schweizerischen Patentgesuch Nr. 5947/71 ist dabei die Anordnung so beschrieben, dass die Summe der .Zählimpulse einer Mehrzahl von Einzelmessungen (beispielsweise 100 Messungen von je 2 ms Dauer) zur digitalen Darstellung des Messergebnisses gebildet wird. Dadurch wird eine höhere Auflösung sowie eine bessere Mittelwertbildung erreicht. Bei jener Anordnung folgten die Messzyklen einander in starrer Sequenz, d.h.jeder begonnene Zyklus wurde zu Ende geführt, ob er zu einem sinnvollen Ergebnis führte oder nicht. Bei der· hier beschriebenen Anordnung hingegen werden die Messzyklen getriggert, d.h. bei "Unruhe" wird der Zyklus sofort abgebrochen und bei "Stillstand" sofort neu in Gang gesetzt. Die hieraus resultierende Zeitersparnis mach sich in vielen Fällen vorteilhaft bemerkbar.
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Claims (9)

  1. Patentansprüche
    /l.)Elektrische Waage, umfassendeinen Lastaufnehmer, ein von diesem beeinflusstes Messglied sowie eine Zählimpulse zählende Einrichtung zur periodischen Erzeugung eines digitalen Messergebnisses, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, welche den Schwingungen des Lastaufnehmers um seine jeweilige Ruhelage entsprechende Messwert mit vorgegebenen Grenzwerten vergleichen, wobei nur dann ein digitales Messergebnis dargestellt und/oder übertragen wird, wenn für die Dauer von wenigstens einer Messperiode diese Grenzwerte nicht erreicht werden.
  2. 2. Elektrische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Grenzwerte einstellbar sind.
  3. 3. Elektrische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn der Impulszählung vom Unterschreiten der erwähnten Grenzwerte ausgelöst wird.
  4. 4. Elektrische Waage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn der Impulszählung erst nach Ablauf einer zusätzlichen Verzögerung ausgelöst wird.
  5. 5. Elektrische Waage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein neuerliches üeberschreiten der erwähnten Grenzwerte eine Unterbrechung der Zählung und eine Rückstellung des Impulszählers auf Null bewirkt.
  6. 6. Elektrische Waage .nach Anspruch 3, 4 oder 5, bei welcher zur digitalen Darstellung des Messergebnisses während eines Messzyklus, der aus einer Mehrzahl von Einzelmessungen
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    besteht, die Gesamtsumme der Zählimpulse gebildet.wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterschreiten der erwähnten Grenzwerte den Beginn eines neuen Messzyklus
    auslöst, ohne dass der Ablauf des vorangegangenen Messzyklus abgewartet wird.
  7. 7. Elektrische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei obere und untere Grenzwerte vorgegeben
    sind, welche als Kriterien für die Lieferung eines digitalen Messergebnisses dienen.
  8. 8. Elektrische Waage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der üeberschreitungen der unteren
    Grenzwerte während der jeweiligen Messperiode berücksichtigt wird.
  9. 9. Elektrische Waage nach den Ansprüchen 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige digitale Messergebnis nach jeder Messung geliefert wird, wobei jedoch bei Nichterfüllung der Ruhekriterien ein optisches oder akustisches Signal die Anzeige begleitet und/oder eine
    Datenübertragung verhindert wird.
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