DE2601150C3

DE2601150C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Bildung von Signalen für die Stillstandskontrolle einer elektromagnetischen Präzisions- und Feinwaage

Info

Publication number: DE2601150C3
Application number: DE2601150A
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef 3371 Ellierode Melcher; Christian 3400 Goettingen Oldendorf
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1976-01-14
Filing date: 1976-01-14
Publication date: 1979-06-28
Also published as: US4103750A; DE2601150A1; DE2601150B2; CH614782A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur Bildung von Signalen für die Stillstandskontrolle einer elektromagnetischen Präzisions- und Feinwaage der im Oberbegriff der Ansprüche 1, 2 bzw. 10 angegebenen Gattung.

Es ist eine elektrische Waage mit einer Meßeinrichtung und einer Zähleinrichtung bekannt, die periodisch ein digitales Meßergebnis lietert. Zusätzlich ist bei dieser bekannten elektrischen Waage noch eine einstellbare Vergleichseinrichtung vorgesehen, in welcher die Meßsignale der Waage in deren Ruhelage mit vorgegebenen Grenzwerten in der Weise verglichen werden, daß nuir 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 überschrillten werden. Da aus Sicherheitsgründen die Meßperiode bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ziemlich groß gewählt werden muß, dauert es relativ lange, bis das gewünschte Meßergebnis erhalten werden kann. Außerdem ist die bekannte Schaltungsanordnung auch relativ aufwendig und komplex aufgebaut (DE-OS 2 323 200).

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Schaltungsanordnung zur Bildung von Signalen für die Stillstandskontrolle einer elektrischen Präzisions- und Feinwaage der angegebenen Gattung zu schaffen, mit dem bzw. der in einer sehr viel kürzeren Zeitspanne ein brauchbares Signal für die Stillstandskontrolle erhalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1, 2 und 10 angegebenen Merkmale gelöst,

Die mit der Ausführüngsförnri nach den Ansprü^ chen 1 und 2 erzielten Vorteile beruhen auf folgender Funktionsweise: In jeweils gleichen Zeitintervallen,

nämlich beispielsweise in Zeitspannen, die durch dem Eingang zugeführte Impulse definiert werden, werden zwei Kondensatoren aufgeladen, das heißt, die an dem Eingang auftretenden, im Störbereich liegenden Wechselspannungen werden nacheinander integriert. Nach Ablauf der jeweiligen Zeitspanne wird dann jeweils die halbe Ladung eines der beiden Kondensatoren auf einen dritten Kondensator umgeladen, das heißt, die beiden durch die Aufladespannungen der beiden ersten Kondensatoren gebildeten integrale werden miteinander verglichen. Etwaige Spannungsdifferenzen können auf diese Weise festgestellt und als Maß für die Stillstandskontrolle herangezogen werden.

Diese Aufladung bzw. Umladung der Kondensatoren ist wesentlich kürzer als die Meßperiode der bekannten Schaltungsanordnung, deren Ende jeweils abgewa-tet werden mußte. Die Stillstandskontrolle läßt sich also sehr viel rascher durchführen als bei der bekannten Schaltungsanordnung, so daß in einer kürzeren Zeitspanne das Meßergebnis angezeigt werden kann.

Außerdem wird dies mit geringem, schamingstechnischen Aufwand erreicht, wobei darüber hinaus eine solche Schaltungsanordnung auch noch nachträglich bei einer bereits in Betrieb befindlichen Waage eingebaut werden kann.

Zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Ausführungsform sind in den Unteransprüchen 3 bis 9 zusammengestellt.

Bei der Ausführungsform nach Anspruch 10 dauert ein Meßschritt etwa 500 msec, das heißt, es müssen mindestens zwei Meßwerte, das heißt, 1 see, abgewartet werden, bis frühestens ein Signal an die Stillstandsauswertung abgegeben werden und damit ein Wert in einer der Waage zugeordneten Anzeigeeinrichtung erscheinen kann, weil in dem Komparator nur hintereinander abgegriffene Werte miteinander verglichen werden können. Hat sich jedoch der Meßwertgeber zu Beginn des ersten Meßschrittes noch nicht beruhigt, so verlängert sich die minimale Meßdauer, das heißt, die Zeitspanne, nach welcher frühestens ein Stillstandssignal abgegeben werden und damit ein Anzeigewert erscheinen kann, um nochmals zwei Meßschritte, das heißt, um nochmals 1 see.

Im Gegensatz hierzu können bei der Ausführungsform nach den Ansprüchen 1 und 2 200 Messungen/ see durchgeführt werden, das heißt, ein Meßschritt dauert nur 5 msec. Das bedeutet aber, entsprechend dem oben angegebenen Beispiel, daß während der dritten und vierten Meßschritte keine Spannungsdifferenzen mehr auftreten und somit nach dem vierten Meßschntt, das heißt, bereits nach 20 msec und nicht erst nach 2000 msec, ein Signal an der Stillstandsauswertung anliegt und damit ein Meßwert erhalten und angezeigt werden kann, wenn sich der Meßwertgeber während des ersten Meßschrittes bereits beruhigt hat. Die A.usführungsform nach den Ansprüchen 1 und 2 bringt also im Vergleich mit der Ausführungsform nach Anspruch H) eine Verbesserung um den Faktor 1OU, so daß eine Beruhigung des Meßwertgebers sehr viel schneller festgestellt und eine entsprechende Anzeige gebildet werden kann.

In der Praxis haben Untersuchungen der Anmelderin gezeigt, daß sich der Ausführungsform nach den Ansprüchen 1 und 2 eine durchschnittliche Verbesserung von wenigstens 40% im Vergleich mit der Ausführürtgsform nach Anspruch 10 erreichen läßt Auch diese »langsamere« Ausführungsform arbeitet jedoch wesentlich schneller als die oben beschriebene, bekannte Schaltungsanordnung.

Der wesentliche Vorteil der »langsameren« Ausführungsform im Vergleich mit der Ausfülhrungsform nach den Ansprüchen 1 und 2 liegt in dem geringen schaltungstechnischen Aufwand, wobei insbesondere auf einen Impedanzwandler verzichtet werden kann.

Im folgenden wird nunmehr die Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt Fig. 1 schematisch und teilweise als Blockschema

einen Meßwertgeber in Form einer Waage mit einem nachgeschalteten Analog-Digitalwandler sowie einem ausgekoppelten Filter oder Impedanzwandler,

Fig. 2 teilweise als Blockschema eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 3 ebenfalls teilweise 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 Ausgangsleilunp 12 und einen Festwiderstand 14 beispielsweise mit eimern Analog-Digi talwandler 20 verbunden ist. Hinter dem Festwiderstand 14 werden mittels eines Kondensators 16 im Störbereich liegende Wechselspannungen kapazitiv aus deT Leitung 12 ausgekoppelt, wobei dem Meßsignal auf der Leitung 12 nur eine minimale Energie entzogen wird. Die ausgekoppelten Wechselspannungen werden beispielsweise einem Tiefpaßfilter 18 zugefühlt und dadurch wirksam gedäirpft. 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 erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt, an deren Eingang χ die nierierohmigen Ausgangssignale des Tiefpaßfilters oder ImpedaaTwancMers 18 anliegen. Diese Wechselspannungen werden dann über einen Widerstand R₁ und einen schematisch dargc stellten Schalter 24 einem Spannungsspeicher 22 zugeführt, welcher zwei Kondensatoren C₁ und C₂ aufweist Am zweiten Eingang DE der Schaltungsan-Ordnung liegen schematisch dargestellte Digitalimpulse mit einer Frequenz von beispielsweise 200 Hz an, d. h. ein Impuls dauert jeweils 5 msec. Dem schematisch dargestellten Schalter 24 und damit dem Spannungsspeicher 22 ist ein Differenzierglied 28 so nachgeschaltet, daß ein Kondensator C₃ des Differenzierglieds 28 unmittelbar mit dem Schalter 24 und damit, in Abhängigkeit von dessen Schaltstellung, unmittelbar mit einer der beiden Kondensatoren C₁ und C₂ 'ies Spannungspeichers 22 verbunden ist. Dem Differenzierglied 28 ist über einen einstellbaren Widerstand R, ein Verstärker 30 nachgeschaltet, aessen Ausgang über eine Diode D₂ und einen Widerstand A₇ mit dem zur Stillstandsauswertung führenden Ausgang ST verbunden ist. Damit sowohl positive als auih negative Differ-nzierimpulse ausgewertet und verwendet wirden können, ist dem Verstärker obendrein noch ein Inverter 32 nachgeschaltet, dessen Ausgang ebenfalls über eine Diode D₃ und dem Widerstand R₁ mit dem zur Stillstandsauswertung führenden Ausgang ST verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 30 sowie der Ausgang des Inverters 32 sind jeweils über einen Widerstand R₄ bzw, A₆ auf den jeweiligen Eingang rückgekoppelt. Darüber hinaus sind zwischen

dem Eingangswiderstand A₁ und Erde eine Diode D₁, zwischen dem Verstärker 30 und dem Inverter 32 ein Widerstand A₅ Und zwischen dem Ausgangswiderstand A₇ und Erde ein weiterer Widerstand R_s 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 einer der beiden Kondensatoren G₁ be- ι ο ziehungsweise C, des Spannungsspeichers 22 aufgeladen. Fs handelt sich also um eine sogenannte Sample and Hold-Schältüng. Durch jeden am Eingang DE anliegenden Digitalimpuls 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 C, oder C₂ des Spannungsteilers auf den den Kondensator C₁ des Differenziergliedes umgeladen, so daß jeweils die beiden, über den Schalter 24 unmittelbar miteinander verbundenen Kondensatoren C₁ bzw. C₂ und C₅ auf die gleiche Spannung geladen sind.

Treten nunmehr zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Digitalimpulsen am Schaltungseingang χ Spannungsdifferenzen an dem Analogsignal auf. so werden diese Spannungsdifferenzen mittels des Differenziergliedes 28 differenziert und π dem nachgeschalteten Verstärker 30 verstärkt. Je nachdem, ob es sich um positive oder um negative Differenzierimpulse handelt, werden sie entweder unmittelbar über die Diode D₁ oder über den Widerstand R_}, den Inverter 32 und die diesem nachgeschaltete Diode D₃ ausgekoppelt und dann über den Widerstand R₇ dem zur Stillstandsauswertung führenden Ausgang ST zugeführt. Sobald dann in zwei unmittelbar aufeinan- · derfolgenden Digitalimpulsen am Eingang χ keine Spannungsdifferenzen mehr auftreten, ist dadurch angezeigt, daß ein Stillstand bzw. eine geforderte Beru- higung der Waage erreicht ist. Da bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung ohne weiteres Digitalimpulse mit einer Frequenz von 200 Hz angelegt und verarbeitet werden können, ist somit bereits vier Meßschntte, d. h. 20 msec, nach Auftreten der letzten festgestellten Spannungsdifferenz eine Anzeige in der Anzeigeeinrichtung möglich. Vorteilhafterweise können bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung der Eingangswiderstand f?, und die beiden Kondensatoren C₁ und C₂ des Spannungsspeichers 22 sowie die am Eingang DE anliegende Steuerfrequenz so bemessen wtfden, daß ein integrales Verhalten erreicht werden kann, das dem des Analog-Digital-Wandlers ähnlich ist«

In Fi gl 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 ver·* wendbar 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 Wechselspanhungen und können damit als Erschütterungskfiterium für den Meßwertgeber, beispielsweise die Waage 10. angesehen werden.

Jede Halbwelle der an der Stelle χ abgegriffenen, niederohmigen Störspannungen wird durch Verstärker 34 und 36 verstärkt und dann in Dioden D. und D₅ gleichgerichtet, wobei dann die in Fig. 3 schematisch dargestellten Halbwellen erhalten werden. Die Verstärkten und gleichgerichteten Störspannungen werden dann in einem Komparator 38 mit ein-.r an diesem eingesteiiten Soiiampiitude verglichen.

Sobald die verstärkten und gleichgerichteten Störspannnngendie Sollamplitude und damit die Schwelle des Komparators 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, i»abald das Störsignal die Schwelle des Komparators 38 überschreitet, wiederhoK sich so lange, bis sich die Störspannungen an der Abgriffstelle x, d. h. die Störspannungen auf dem A usgangssignal der Waage 10, soweit beruhigt haben, daß die Schwelle des Komparators 38 nicht mehr überschritten wird.

Ein Stillstand bzw. eine weitgehende Beruhigung des Meßwertgebers in Form der Waage 1 ist dann erreicht, wenn der Komparator 38 über einen bestimmten, festgelegten Zeitraum, beispielsweise über zwei Meßschritte von jeweils 500 msec, d. h. 1 see lang, nicht mehr angesprochen hat. Mit Hilfe der in dem Komparator 38 vorgenommenen Amplitudeniiberwachung bzw. dem Vergleich einer eingestellten Sollamplitude mit der Amplitude der abgegriffenen Störspannung ist mit einem verhältnismäßig geringen Schaltungsaufwand ein Erschütteningsdetektor 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 Jeshalb so gering, weil das Ausgangssignal aktiven Tiefpasses 18 niederohmig ist und somit in diesem Fall auf einen Impedanzwandler verzichtet ^:werderi■>kann.

Hierzu Z Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bildung von Signalen für die Stillstandskontrolle einer elektromagnetischen Präzisions- und Feinwaage mit einem Wechselspannungen auskoppelnden Zweig mit einem aktiven Filter oder Impedanzwandler, an dessen Ausgang im Störbereich liegende Wechselspannungen mit unterschiedlicher Frequenz auftreten, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) die Wechselspannungen werden in jeweils gleichen Zeitintervallen integriert, und

b) es wird die Differenz zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Integralen ermittelt und als Maß für die Stillstandskontrolle verwendet.

2. Schaltungsanordnung zur Bildung von Signalen für die Stillstandskontrolle einer elektromagnetischen Präzisions- und Feinwaage mit einem Wechselspannungen auskoppelnden Zweig mit einem aktiven Filter oder Impedanzwandler, an dessen Ausgang im Störbereich liegende Wechselspannungen mit unterschiedlicher Frequenz auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem niederohmigen Ausgang (x) des Filters oder Impedanzwandlers (18) ein Vergleicher verbunden ist, der einen umschaltbaren (24) Spannungsipeicher (22) aufweist, dem ein Differenzierglied (28) sowie ein Verstärker (30) nachgeschaltet lind, wobei die Wechselspannungen differenziert, verstärkt, gegebenenfalls gleichgerichtet und am Schaltungsausgang (SPi als Maß für die Stillitandskontrolle ausgekoppelt werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsspeicher (22) aus Kondensatoren (C₁, C₂) besteht, die abwechselnd und nacheinander auf den Kondensator (C,) des Differenziergliedes (28) umschaltbar lind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kondensatoren (C₁, C₂) des Spannungsspeichers (22) unmittelbar mit dem Kondensator (C,) des Differenziergliedes (28) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsspeicher (22) mittels digitaler Signale umschaltbar ist.

f). Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spannungsspeicher (22) ein Widerstand (R₁) vorgeschaltet ist, wobei die Kondensatoren (C₁, C₂) und der Widerstand (/?,) sowie die digitale Meßfrequenz (am Eiingang DE) auf ein integrales Verhalten ausgelegt sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfrequenz wesentlich höher als die Frequenzen der im Storbereich liegenden Wechselspannungen ist-

8. Schaitungsanordnungen nach Anspruch 7 ^ dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfrequenz mindestens doppelt so hoch wie die Frequenzen der im Störbereich liegenden Wechselspannungen ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfrequenz iris-

besondere das Fünffache, vorzugsweise das Zehnfache der Frequenzen der im Störbereich liegenden Wechselspannungen ist.

10. Schaltungsanordnung zur Bildung von Signalen für die Stillstandskontrolle einer elektromagnetischen Präzisions- und Feinwaage mit einem Wechselspannungen auskoppelnden Zweig mit einam aktiven Filter oder Impedanzwandler, an dessen Ausgang im Storbereich liegende Wechselspannungen mit unterschiedlicher Frequenzauftreten, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem niederohmigen Ausgang des Filters oder des Impedanzwandlers (18) ein Komparator mit einstellbarer Sollamplitude für die Amplitudenüberwachung verbunden ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator (38) ein monostabiler Multivibrator (40) nachgeschaltet ist, der zurückgesetzt wird, wenn das Störsignal die am Komparator eingestellte Sollamplitude überschreitet.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbwellen der Wechselspannungen im Storbereich in gesonderten Verstärkern (34, 36) verstärkt und anschließend gleichgerichtet (D₄, D₅) werden.