DE2601150A1

DE2601150A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur bildung von signalen fuer eine stillstandskontrolle eines elektrischen messwertgebers, insbesondere einer elektromagnetischen praezisions- und feinwaage

Info

Publication number: DE2601150A1
Application number: DE19762601150
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Melcher; Christian Oldendorf
Original assignee: Sartorius Werke GmbH
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1976-01-14
Filing date: 1976-01-14
Publication date: 1977-07-21
Also published as: CH614782A5; DE2601150B2; US4103750A; DE2601150C3

Description

MÜLLER-BORE · GROBKlNG · DÜUIjLL· · jSCIxÖN · HERTEL

26011bO

PAT E XXAIfVALTE

^if- JAN.

DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE (PATENTANWAUTVON 1927-1973) HANS W. GROENING. DIPL.-ING. DR. PAUL DEUFEL. DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN, DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL, DIPL.-PHYS.

Hl/S 2761

SARTORIUS-WEPJCE GmbH (und vorm. Göttinger Präzisionswaagenfabrik GmbH) 34oo Göttingen

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Bildung von Signalen für eine Stillstandskontrolle eines elektrischen Meßwertgebers, insbesondere einer elektromagnetischen Präzisions- und Fein-

waaae

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Bildung von Signalen für eine Stillstandskontrolle eines Meßwertgebers, insbesondere einer elektromagnetischen Präzisions- oder Feinwaage mit einem in den Wechselspannungen auskoppelnden Zweig eingesetzten, aktiven Filter oder einem Impedanzwandler, an dessen Ausgang Störsignale in Form von im Störbereich liegenden Wechselspannungen mit unterschiedlicher Frequenz anliegen. Der oben verwendete Begriff Feinwaagen umfaßt auch alle Arten von Analysen- und Mikrowaaaen.

Es,ist eine elektrische Waage mit einer Meßeinrichtung und einer Zähleinrichtung bekannt, die periodisch ein diaitales Meßergebnis liefert. Zusätzlich ist bei dieser bekannten elektrischen Waage noch eine einstellbare Vergleichseinrichtung vorgesehen, in welcher die Meßsignale der Waage in deren Ruhelage mit vor-

lltflfCJIEN 80 · SIEBEHTSTR. 4= · POSTFACH 86 0720 · KABEL·: SIUEBOPAT · TEL. (089) 471079 ■ TELEX 3-23639

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gegebenen Grenzwerten in der V/eise verglichen v/erden, daß nur dann ein digitalisiertes Meßergebnis in der Anzeigeeinrichtung dargestellt und/oder an diese übertragen wird, wenn zumindest für die Dauer einer Meßperiode diese Grenzwerte nicht erreicht oder überschritten werden. Da aus Sicherheitsgründen die Meßperiode bei dieser bekannten Schaltung ziemlich groß gewählt werden muß, dauert es eine verhältnismäßig lange Zeit, bis ein gefordertes Meßergebnis erhalten werden kann. Obendrein weist diese Schaltungsanordnung auch einen verhältnismäßig großen Aufwand an Schaltungsmitteln auf (DT-OS 2 323 200).

•Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei welchem bzw. welcher in verhältnismäßig kurzer Zeit, vorzugsweise in einer sehr kurzen Zeit_; ein brauchbares Signal für eine Stillstandsausv/ertung erhalten wird.

2rfir.dungsgemäß ist zur Lösung dieser Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung vorgesehen, daß hintereinander abgegriffene Werte der Störwechselspannungen mit vorgegebenen Größen verglichen werden. Weiterhin ist hierzu bei einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des vorstehend genannten erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß mit dem niedergohmigen Ausgang des Filters oder Impedanzwandlers ein Vergleicher verbunden ist, der einen umschaltbaren Spannungsspeicher aufweist, dem ein Differenzierglied und ein Verstärker nachgeschaltet sind, so daß bei Anliegen von Wechselspannungen im Störbereich diese differenziert, verstärkt und gegebenenfalls gleichgerichtet und am Schaltungsausgang für eine anschließende Stillstandsauswertung ausgekoppelt werden.

Vorteilhafterweise besteht der Spannungsspeicher aus Kondensatoren, die abwechselnd und nacheinander auf den Kondensator des Differenziergliedes umschaltbar sind, welcher unmittelbar über den Schalter mit jeweils einem der Kondensatoren des Spannungs-Speichers verbunden ist. Vorzugsweise ist dieser Spannungsspeicher mittels digitaler, beispielsweise vom nachgeschalteten

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Anlalog-Digitalwandler abgezweigter Signale umschaltbar^ hierbei sind die Schaltungselemente sowie die digitale Meßfrequenz so bemessen, daß ein etwa integrales Verhalten erreichbar ist.

Vorteilhafterweise ist die Meßfrequenz wesentlich höher als die Frequenzen der im Störbereich liegenden Wechselspannungen; und zwar ist die Meßfrequenz mindestens doppelt so hoch, beträgt jedoch vorteilhafterweise das Fünffache und vorzugsweise das Zehnfache der Frequenzen der im Störbereich liegenden Wechselspannungen.

Ferner ist eine v/eitere Schaltungsanordnung zur Durchführung des eingangs genannten erfindungsgeraäßen Verfahrens vorgesehen, bei welcher mit dem nieder-ohmigen Ausgang des Filters oder Impedanzwanälers ein Komparator nit einstellbarer Sollamplitude zur Acplitudenüberwachung verbunden ist. Vorteilhafterweise ist diesem Komparator ein ncnostabiler Multivibrator nachgeschaltet, der zurückgesetzt wird, wenn das Störsignal die am Komparator eingestellte Sollamplitude überschreitet.

Die zuletzt beschriebene Schaltungsanordnung ist so ausgelegt, daß ein Meßschritt 500 ^msek dauert, so daß, da in dem Vergleicher hintereinander abgegriffene Werte miteinander verglichen werden, mindestens zwei Meßwerte, d.h. 1 sek, gewartet werden muß, bis frühestens ein Signal an die Stillstandsauswertung abgegeben wird und damit ein Wert in einer der Waage zugeordneten Anzeigeeinrichtung erscheint. Wenn sich jedoch der Meßwertgeber zu Beginn des ersten Meßschrittes noch nichtberuhigt hat, verlängert sich die minimale Meßdauer, d.h. die Zeit, nach welcher frühestens ein Stillstandssignal abgegeben und damit ein Anzeigewert erscheinen kann, um nochmals zwei Meßschritte, d.h. um nochmals 1 sek.

Im Unterschied hierzug können mit der zuerst beschriebenen Schaltungsanordnung, in welcher einem umschaltbaren Spannungs-Speddaerein Differenzierglied nachgeschaltet ist, 200 Messungen/sek durchgeführt werden; d.h. ein Meßschritt dauert nurmehr 5msek.

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Das bedeutet aber, daß, wenn sich, \tfie bei dem vorstehend angegebenen Beispieljder Meßwertgeber während des ersten Meßschrittes beruhigt hat, während der dritten und vierten Meßschritte keine Spannungsdifferenzen mehr auftreten und somit nach dem vierten Meßschritt, d.h. bereits nach 20msek und
nicht erst nach 2000 msek, ein Signal an der Stillstandsauswertung anliegt und damit ein Meßwert erhalten und angezeigt werden kann. In dem gewählten Beispiel ist somit bei Verwendung der ersten Schaltungsanordnung, welche den Spannungsspeicher und das nachgeschaltete Differenzierglied aufweist, bezüglich der zweiten beschriebenen Schaltungsanordnung, in welcher ein Amplitudenvergleich durchgeführt wird, eine Verbesserung um den Faktor 100 erreicht.

Mit dieser Schaltungsanordnung ist also viel schneller feststellbar, wann eine Beruhigung des Meßwertgebers eingetreten is-u, und entsprechend früher kann auch eine Anzeige erhalten v/erden. Umfangreiche Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, daß mit der Schaltungsanordnung, welche einen Spannungsteiler und das nachgeschaltete Differenzierglied aufweist, im Vergleich zu der anderen Schaltungsanordnung, in v/elcher ein Amplitudenvergleich durchgeführt wird, im Durchschnitt mindestens eine Verbesserung von 40 Prozent erzielt worden ist. Bei diesen Untersuchungen hat sich auch ergeben, daß die Frequenzen der störenden und das Ergebnis beeinflussenden Wechselspannungen max.' 10 bis 15 Hz betragen. Der Zeitgewinn, welcher mit der Schaltungsanordnung erreichjbar ist, bei welcher 200 Messungen/sek durchgeführt v/erden können, gegenüber der eingangs beschriebenen, bekannten Schaltungsanordnung ist beträchtlich und. liegt im' Durchschnittweit*"hcher als; 40 Prozent. - ■ - „.-_v..:.·.:.: — _ ·

Im folgenden wird nunmehr die Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnung erläutert; in dieser zeigen:

Fig. 1 schematisch und teilweise als Blockschema', einen

Meßwertgeber in Form einer Waage mit einem nachge-

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schalteten Analog-Digitalxtfandler sowie einem ausgekoppelten Filter oder Impedanzwandler;

ig. 2 teilweise als Blockschema eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 3 ebenfalls teilva.se als Blockschema eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die als Erschütterungsdetektor verwendbar ist.

In Fig. 1 ist schematisch eine Waage 10 dargestellt, welche über eine Ausganssleitung 12 und einen Festwiderstand 14 beispielsweise mit einen Analog-Digitalwandler 20 verbunden ist. Hinter dem Festwiderstand 14 v/erden mittels eines Kondensators 16 im Störbereich liegende V/echselspannungen kapazitiv aus der Leitung 12 ausgekoppelt, v/ob ei dem Meßsignal auf der Leitung 12 nur eine ninimale E-ergie entzogen wird. Die ausgekoppelten Wechselsparmungen werden beispielsweise einem Tiefpaßfilter 18 zugeführt und dadurch v/irksam gedämpft. Anstelle des Tiefpaßfilters kann auch ein Impedanzwandler verwendet werden. Die gedämpften Wechselspannungen liegen dann an dem niederohmigen Ausgang χ des Filters beziehungsweise eines Impedanzwandlers an.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßten Schaltungsanordnung dargestellt, an deren Eingang χ die niederohmigen Ausgangssignale des Tiefpaßfilters oder Impedanzwandlers 18 anliegen. Diese Wechselspannungen v/erden dann über einen Wideband IL und einen schematisch dargestellten Schalter 24 einem Spannungsspeieher 22 zugeführt, welcher zwei Kondensatoren Oy. und Cp auf v/eist. Am zweiten Eingang DE der Schaltungsanordnung liegen schematisch dargestellte Digitalimpulse mit einer Frequenz von beispielsweise 200 Hz an d.h. ein Impuls dauert jeweils 5msek, Dem schematisch dargestellten Schalter 24 und damit dem Spannungsspeicher 22 ist ein Differenzierglied 28 so nachgeschaltet, daß ein Kondensator G^ des Differenzxerglieds 28 unmittelbar mit dem Schalter 24 und damit, in Abhängigkeit von dessen Schaltstellung,

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unmittelbar mit einender beiden Kondensatoren CL und Cp des Spannungsspeichers 22 verbunden ist. Dem Differenzierglied 28 ist über einen einstellbaren Widerstand R_x ein Verstärker 30

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nachgeschaltet, dessen Ausgang über Diode Dp und einen Widerstand Rr₇ mit dem zur Stillstandsauswertung führenden Ausgang ST verbunden ist. Damit sowohl positive als auch negative Differenzierimpulse ausgewertet und verwendet werden können, ist dem Verstärker obendrein noch ein Inverter 32 nachgeschaltet, dessen Ausgang ebenfalls über eine Diode D., umd de'-. Widerstand Rr- mit dem zur Stillstands auswertung führenden Ausgang ST verbunden ist«. Der Ausgang des Verstärkers 30 sowie der Ausgang des Inverters 32 sind jeweils über einen Widerstand R^ beziehungsweisa' R,- auf den jeweiligen Eingang rückgekoppelt. Darüber

hinaus sind zwischen dem Eingangswiderstand R. und Erde eine Diode D,, zwischen dein Verstärker 30 und dem Inverter 32 ein Widerstand R₁- und zwischen dem Ausgangswiderstand Rr₇ und Erde ein weiterer Widerstand Rg vorgesehen.

Bei Anliegen von im Störbereich liegenden Wechselspannungen wird bei dieser Schaltungsanordnung,gesteuert durch die am Eingang DE zugeführten Digitalimpulse; in Abhängigkeit von der Stellung des Schalters 24- äner der beiden Kondensatoren Gy, beziehungsweise Co des Spannungsspeichers 22 aufgeladen· Es handelt sich also um eine sogenannte Sample and Hold-Schaltung. Durch jeden am Eingang DE anliegenden DigitalimpuD.s wird somit der Schalter 24 von dem einen zu dem anderen Kondensator umgeschaltet» Entsprechend der Stellung des Schalters 24- wird dann jeweils die halbe Ladung eines der beiden Kondensatoren Gy. oder Cp des Spannungsteilers auf den Kondensator G-, des Differenziergliedes umgeladen, so daß jeweils die beiden, über den Schalter 24- unmittelbar miteinander verbundenen Kondensatoren Gy, bzw. Cp und Ο-, auf die gleiche Spannung geladen sind.

Treten nunmehr zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Digitalimpulsenam Schaltungseingang χ Spannungsdifferenzen an dem Analogsignal auf, so werden diese Sparmungsdifferenzen mittels des Differenziergliedes 28 differenziert und in dem nachgeschal-

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teten Verstärker 30 verstärkt. Je nachdem, ob es sich im positive oder um negative Differenzierimpulse handelt, v/erden sie entweder unmittelbar über die Diode D^ oder über den Widerstand R_n-, den Inverter 32 und die diesem nachgeschaltete Diode D-, ausgekoppelt und dann über den Widerstand En dem zur Stillstandsauswertung führenden Ausgang ST zugeführt. Sobald dann in zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Digitalimpulsen am Eingang χ keine Spannungsdifferenzen mehr auftreten, ist dadurch angezeigt, daß ein Stillstand bzw. eine geforderte Beruhigung der Waage erreicht ist. Da bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung ohne weiteres Digitalimpulse mit einer Frequenz von 200 Kz angelegt und verarbeitet v/erden können, ist somit bereits vier Meßschritte, d.h. 20msek, nach Auftreten der letzten festgestellten Spannungsdifferenz eine Anzeige in der AnzeL geeinrichtung ~öglich. Vorteilhafterweise können bei der in Fig. dargestellten Schaltungsanordnung der Eingangswiderstand R. und die beiden Eondensatoren CL und G^ des Spannungsspeichers 22 sowie die an Singang DE anliegende Steuerfrequenz so bemessen werden, daß ein integrales Verhalten erreicht werden kann, daß dem des Analog-Digital-Wandlers ähnlich ist.

In Fig. 3 ist noch eine weitere, driftfrei arbeitende Schaltungsanordnung beschrieben, die insbesondere in Verbindung mit einem aktiven Tiefpaß 18 (Fig. 1) als analoger Erschütterungsdetektor bei Waagen verwendbar ist. Hierbei ist die Schaltungsanordnung ebenfalls mit dem Ausgang χ des aktiven Tiefpasses 18 verbunden. Die am Ausgang χ abgegriffenen Spannungen sind proportional den der Meßspannung überlagerten, im Störbereich liegenden Wechselspannungen und können damit als Erschütterungskriterium für den Meßwertgeber, beispielsweise die Waage 10, angesehen werden.

Jede Halbwelle der an der Stelle χ abgegriffenen, niederohmigen Storspannungen -wird durch Verstärker 3^ und 3S verstärkt und dann in Dioden D^ und D,- gleichgerichtet, wobei dann die in Fig. schematisch dargestellten Halbwellen erhalten werden. Die verstärken und gleichgerichteten Störspannungen werden dann in einem

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Komparator 38 mit einer an diesem eingestellten Sollamplitude verglichen.

Sobald die verstärkten und gleichgerichteten Störspannungen die Sollamplitude und damit die Schwelle des Koinparators 38 überschreiten, wird ein dem Komparator 38 nachgeschalteter monostabiler Multivibrator oder Monovibrator 40 zurückgesetzt und dadurch um dessen Verzögerungszeit verzögert. Dieser Vorgang, nämlich daß der Monovibrator 5 angeschaltet und dadurch sein Ausgang entsprechend verzögert wird, sobald das Störsignal die Schwelle des Komparator 38 überschreitet, wiederholt sich solange, bis sich die S-crö spannungen an der Abgriff stelle x, d«h. die Storspannungen. auf dem Aus gangs signal der Waage 10, soweit beruhigt haben, daß die Schwelle des Komparators 38 nicht mehr überschritten wird«

Sin Stillstand bzw. eine weitgehende Beruhigung des Meßwertgebers in -Form der Waage 1 ist dann erreicht, wenn der Komparator 38 über einen bestimmten, festgelegten Zeitraum, leispielsweise über zwei Meßschritte von jeweils 500 sek, d.h. 1 sek lang, nicht mehr angesprochen hat. Mit Hilfe der in dem Komparator 38 vorgenommenen Amplitudenüberwachung bzw. dem Vergleich einer eingestellten Sollamplitude mit der Amplitude der abgegriffenen Störspannung ist mit einem verhältnismäßig geringen Schaltungsaufwand ein Erschütterungsdetektor für die Waage 10 geschaffen, an dessen Ausgang ST nur dann ein Stillstandssignal anliegt, wenn die Waage den Stillstand bzw· eine geforderte Beruhigung erreicht hat.

Hierbei ist der Aufwand für die als Erschütterungsdetektor verwendbare Schaltungsanordnung deshalb so gering, weil das Ausgangssignal aktiven Tiefpasses 18 niederohmig ist und somit in diesem Fall auf einen Impedanzwandler verzichtet werden kann.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

' 1. Verfahren zur Bildung von Signalen für eine Stillstands- ~kontrolle eines elektrischen Meßwertgebers, insbesondere einer elektromagnetischen Präzisions- und Feinwaage, mit einem in den Wechselspannung auskoppelnden Zweig eingesetzten, aktiven Filter oder einem Impedanzwandler, an dessen Ausgang Störsignale in Form von im Störbereich liegenden Wechselspannungen mit unterschiedlicher Frequenz anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß hintereinander abgegriffene Werte der Wechselspannungen im Störbereich mit vorgegebenen Größen verglichen w erden.
2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß mit dem niederohmigen Ausgang (x) des Filters oder Impedanzwandlers (13) ein Vergleicher verbunden ist, der einen umschaltbaren (2-) Spannungsspeicher (22) aufweist, dem ein Differenzierglied (28) und ein Verstärker (30) nachgeschaltet sind, so daß bei Anliegen von Wechselspannungen im Störbereich diese differenziert, verstärkt und gegebenenfalls gleichgerichtet und am Schaltungsausgang (ST) für eine anschließende Stillstandsauswertung ausgekoppelt werden.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η-z ei chnet, daß der Spannungsspeicher (22) aus Kondensatoren (C1, 02) besteht, die abwechselnd und nacheinander auf den Kondensator (C,) des Differenziergliedes (28) umschaltbar sind.
4·. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 ,-oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kondensatoren (C^, C₂) des Spannungsspeichers (22) unmittelbar mit dem Kondensator (C.,) des Differenzierglieds (28) verbunden ist.

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ORIGINAL INSPECTED
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanxmngsspeieher (22) mittels digitaler, beispielsweise vom Analog-Digitalwandler (20) abgezweigter Signale umschaltbar ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spannungsspeieher (22) ein Widerstand (R.) derart vorausgeschaltet ist, daß die Schaltungselemente (G., Cp, R.) und die digitale Meßfrequenz (am Eingang DE) so benessen sind, daß ein etwa integrales Verhalten erreichbar ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfrequenz wesentlich höher als die !Frequenzen der im Störbereich liegenden Wechselspamungen isr.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η-seichnet, daß die Meßfrequenz mindestens doppelt so hoch wie die Frequenzen cfec in Störbereich liegenden Wechselspannungen ist.
9- Schaltungsanordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfrequenz insbesondere das Fünffache, vorzugsweise das Zehnfache der Frequenzen d3? im Störbereich liegenden Wechselspammngen ist.
10. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem nieder-ohmigen Ausgang des Filters oder des Impedanzwandlers (18) ein Komparator mit einstellbarer Sollamplitude zur Amplitudenüberwachung verbunden ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator (38) €*in monstabilder Multivibrator (40) nachgeschaltet ist, der zurückgesetzt wird, wenn das Störsignal die am Komparator eingestellte Sollamplitude überschreitet.

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12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbwellen der Wechselspanaungen im Störbereich in gesonderten Verstärkern (34, 36) verstärkt und anschließend gleichgerichtet (D^, IL·) werden.

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