DE2733285C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Detektoreinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 28 86 717 ist eine Meßvorrichtung bekannt, die zwei sich überlagernde optische Gitter aufweist. Die Gitterlinien des ersten Gitters sind senkrecht zur Be­ wegungsrichtung eines Tisches angeordnet. Die Gitter werden durch eine Lampe beleuchtet. Das Licht wird über Kollima­ tionslinsen zu den Gittern umgelenkt unter zusätzlicher Anwendung eines 45°-Spiegels. Durch Blendenöffnungen von zwei Blenden gelangen zwei Lichtstrahlenbündel durch die sich optisch überlagernden Gitter. Hinter diesen Gittern befindet sich ein Schirm, hinter dem wiederum ein Paar von geneigten Spiegeln vorgesehen ist. Die Lichtstrahlen beeinflussen zwei Fotozellen, welche Bestandteil einer Auswerteschaltung sind. In dieser wird eine Impulskette erzeugt, die eine Wiederholfrequenz aufweist, welche von der Frequenz der Signale der Fotozellen abhängt.

Da sich das eine optische Gitter relativ zum anderen optischen Gitter während der Verschiebung des Tisches be­ wegt, bewegt sich das Muster in vertikaler Richtung hinter den Blendenöffnungen mit der Folgewirkung, daß die Licht­ strahlenbündel in ihrer Intensität in nahezu sinusförmiger Weise moduliert werden.

Die auf optischem Wege erzeugten Moir´-Interferenzlinien werden im Wege der Auszählung der Impulse der Impulskette ausgewertet, wobei die gezählte Anzahl der Linien ein Maß für die Verschiebung ist. Hierbei werden relativ große Verschiebewege in Kauf genommen. Dadurch ergibt sich der Nachteil, daß die Ansprechempfindlichkeit nicht zufrieden­ stellend ist und daß aufgrund der längeren Verschiebungs­ wege bis zum Erreichen des Verschiebegleichgewichtes relativ lange Zeiten verstreichen.

Aus der US-PS 38 05 604 ist eine Belastungsmeßvorrichtung bekannt, in der eine Lastzelle und eine Durchbiegungsein­ richtung verwendet werden. Die Lastzelle ist so ausge­ bildet, daß unerwünschte Scherkräfte und Torsionsmomente von ihr ferngehalten werden, um eine genaue Messung einer eingeprägten Kraft zu ermöglichen. Ein die Lastzelle auf­ nehmender Rahmen ist unter Last verformbar. Der bewegliche Teil des Rahmens überträgt seine Verformung auf die Last­ zelle. Die Lastzelle ist so ausgebildet, daß bei Belastung des beweglichen Rahmenteiles an ihrem einen Ende eine Scherbeanspruchung auftritt, während der Teil der Last­ zelle, der Meßelemente trägt, biegebeansprucht wird. Eine solche Lastzelle mag zur Messung von Kräften, insbesondere von hohen Kräften, geeignet sein. Die auf der Lastzelle vorgesehenen Detektoren, welche auf Biegebeanspruchung reagieren, sind jedoch für Wägevorrichtungen, insbesondere von genau arbeitenden Wägevorrichtungen, nicht geeignet.

Weitere bekannte Detektoreinrichtungen, die den Moir´- Effekt zur Messung einer Auslenkung oder Verschiebung aus­ nutzen, sind aus der US-PS 28 86 718, der US-PS 28 61 345 und aus der US-PS 31 54 688 bekannt. Auch diese bekannten optischen Detektoreinrichtungen weisen den gleichen Nach­ teil auf wie die Vorrichtung nach der US-PS 38 86 717.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine optische Detektoreinrichtung für eine Wägevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die nicht nur eine hohe Meßgenauigkeit ermöglicht, sondern auch eine äußerst kurze Ansprechzeit aufweist. Es sollen normaler­ weise vorhandene Dämpfungsmaßnahmen entfallen wobei eine gute Reproduzierbarkeit und Genauigkeit des Meßvorganges gewährleistet sein soll.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Kenn­ zeichens des Anspruchs 1.

Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß aufgrund der geringen Auslenkung der Wäge-Aufnahmeeinrichtung die Teile und Materialien der Wägevorrichtung nicht hoch beansprucht werden. Eine geringe Beanspruchung der Materialien stellt sicher, daß das Hook′sche Gesetz befolgt wird. Außerdem ist es vorteilhaft, daß die inneren Verluste (Hysteresis) minimiert sind. Dadurch, daß in einem Übergangsbereich zwischen zwei benachbarten hellen und dunklen Abschnitten des Interferenzmusters gearbeitet wird, ergibt sich der Vorteil einer kurzen Ansprechzeit. Dämpfungsmaßnahmen, die bei stärker auslenkbaren Wiegeteilen normalerweise notwendig sind, entfallen.

Zum besseren Verständnis der Moir´-Erscheinung und der Einzelheiten des ersten und zweiten optischen Gitters sowie der optischen Konstruktion der optischen Detektor­ einrichtung wird auf die DE-OS 27 09 874 hingewiesen.

In vorteilhafter Weise wird für die Erfassung des Gewichtes der Übergangsbereich zwischen einem hellen und dunklen Abschnitt des Interferenzmusters verwendet, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist derart, daß bei geringer Auslen­ kungsänderung eine entsprechend hohe Spannungsänderung festgestellt wird. Aufgrund der Tatsache, daß nur ein kleiner Verschiebungsbereich für einen großen Wägebereich benötigt wird, ist die Wäge-Aufnahmeeinrichtung, d.h. die die beweglichen Teile der Wägevorrichtung beinhaltende Ein­ richtung, so aufgebaut, daß sie in hohem Maße unbeweglich bzw. starr ist. Diese Wäge-Aufnahmeeinrichtung wird im folgenden als Wiegeeinrichtung bezeichnet. Dies bedeutet, daß sie keine augenfällig sichtbare Bewegung zeigt. Für den Anwender bleibt die äußerst geringe Bewegung von einigen Tausendsteln eines cm unbemerkt.

Dadurch, daß eine geringe Beanspruchung der Materialien und der beteiligten Teile gegeben ist, treten auch geringe Hysteresis-Verluste auf. Dadurch, daß im sog. Hook′schen elastischen Verformungsbereich gearbeitet wird, ergeben sich stets reproduzierbare Meßergebnisse mit entsprechender Betriebsgenauigkeit.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nun an einem Ausführungsbeispiel und anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellt dar:

Fig. 1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Wägevorrichtung und der optischen Detektorein­ richtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Moir´-Interferenz­ musters und die Anordnung der Fotodetektoren be­ züglich des Interferenzmusters nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 eine schematische Ansicht des Interferenzmusters mit einer einzelnen Moir´-Interferenzlinie und die Anordnung der Fotodetektoren bezüglich der Moire-Interferenzlinie gemäß der Erfindung.

Fig. 4 eine Kennlinie der Ausgangsspannung der in Fig. 1 gezeigten Wägevorrichtung mit der optischen De­ tektoreinrichtung in Abhängigkeit von der Be­ lastung der Wägevorrichtung, und

Fig. 5 schematisch einen elektrischen Schaltkreis zur Verarbeitung der optischen Änderungen in der er­ findungsgemäßen Wägevorrichtung.

Fig. 1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer Wägevorrichtung und einer optischen Detektorein­ richtung. Die allgemein mit dem Pfeil 10 gekennzeichnete Wägevorrichtung arbeitet mit Hilfe von Blattfedern. Jedoch sind jederzeit auch andere Konstruktionen in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Optik benutzbar.

Die Wägevorrichtung 10 weist eine Wägeplattform 11 auf, auf die eine zu wiegende Last aufgebracht wird. Die Wäge­ plattform 11 ist mittels Schrauben 12 an der Wiegeeinrich­ tung der Wägevorrichtung befestigt. Unter der Wiegeein­ richtung werden die beweglichen Teile der Wägevorrichtung verstanden. Die Wiegeeinrichtung weist zwei Seitenwände 13 und 14 auf. Zwischen den Seitenwänden erstrecken sich vier Blattfedern 15, 16, 17 und 18, die an den Seitenwänden 13 und 14 mit Hilfe von Befestigungsstreifen 19, 20, 21 und 22 festgelegt sind.

Die Seitenwand 13 kann sich gegenüber der stationären Seitenwand 14 frei bewegen. Mit 29 ist ein erstes opti­ sches Gitter bezeichnet. Die Seitenwand 13 trägt ein Flanschteil 23, das ein zweites optisches Gitter 24 ab­ stützt. Das zweite optische Gitter 24 kann sich mit der Seitenwand 13 und der Wägeplattform 11 frei bewegen, wenn ein Gewicht auf die Wägeplattform 11 aufgesetzt wird.

Anders als die gewöhnlich stark auslenkbaren Wiegeein­ richtungen anderer Blattfederwaagen ist die Wiegeeinrich­ tung der vorliegenden Wägevorrichtung derart konzipiert, daß sie nur um winzige Beträge in Abhängigkeit von der auf die Wägeplattform 11 abgelegten Last ausgelenkt wird. In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Auslenkung nur meh­ rere Tausendstel eines Zentimeters pro Unze (30 g) oder Pfund (500 g) der auf der Wägeplattform 11 abgesetzten Last.

Für die Steifigkeit der Wiegeeinrichtung kann zumindest auf zwei Arten dadurch gesorgt werden, daß entweder (a) die Blattfedern 15, 16, 17 und 18 zur Erzielung der ge­ wünschten Steifigkeit sehr dick gemacht werden oder (b) die Blattfedern 15, 16, 17 und 18 die übliche Flexibilität aufweisen, wobei jedoch dann ein Druckteil 25 in Anlage und direkt unterhalb des beweglichen zweiten optischen Gitters 24 oder der beweglichen Seitenwand 13 gebracht wird. Dieses Druckteil 25 erlaubt dem zweiten optischen Gitter 24 bei jedem Belastungsschritt nur Auslenkungen von einigen Tausendstel eines Zentimeters.

Die Steifigkeit der Wiegeeinrichtung ist so ausgelegt, daß sie innerhalb neuer optischer Grenzen in Übereinstimmung mit der optischen Detektoreinrichtung arbeitet, was im einzelnen noch erläutert werden wird. Die optische Detek­ toreinrichtung ist allgemein durch den Pfeil 26 gekenn­ zeichnet. Die optische Detektoreinrichtung 26 besteht aus einer Lichtquelle 27, die im allgemeinen durch eine Glüh­ lampe mit einem gerade verlaufenden Glühdraht 28 gebildet ist. Das Licht von dem Glühdraht 28 wird gewöhnlich ver­ stärkt und durch eine Linse (nicht gezeigt) gebündelt, die zwischen dem zweiten optischen Gitter 24 und der Licht­ quelle 27 angeordnet ist.

Das Licht vom Glühdraht 28 läuft durch das zweite optische Gitter 24 und durch das erste optische Gitter 29 zu einem Paar Fotodetektoren 30 und 31, für die im speziellen Fall Fototransistoren verwendet werden können.

Die beiden optischen Gitter 24 und 29 weisen sog. Ronchi- Gitter auf, die für ein Interferenzmuster sorgen, oder, in anderen Worten, den Lichtstrahl zur Erzeugung zyklischer, paralleler Moir´-Interferenzlinien modulieren.

Das zweite optische Gitter 24 ist gegenüber dem ersten fixierten optischen Gitter 29 beweglich. Das erste opti­ sche Gitter 29 ist über ein Winkelgetriebe, das allgemein mit dem Pfeil 32 gekennzeichnet ist, einstellbar an der stationären Seitenwand 14 befestigt. Die Gitter des fixierten ersten optischen Gitters 29 sind unter einem kleinen Schraubenwinkel bezüglich der Gitter des versetz­ baren zweiten optischen Gitters 24 angeordnet. Diese Winkeldifferenz ist für das optische Interferenzmuster (Moir´-Linien) verantwortlich.

Normalerweise sind in einer stark auslenkbaren Einrich­ tung, wie sie in der DE-OS 27 09 874 beschrieben ist, zwei Paare 33 und 34 Fotodetektoren vorhanden, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Fotodetektoren sind quer zu den hel­ len und dunklen Bereichen der Interferenzlinien angeordnet und zählen die Anzahl der an ihnen vorbeilaufenden Inter­ ferenzlinien.

Die optische Detektoreinrichtung 26 des Ausführungsbei­ spiels hingegen braucht jedoch nur ein Paar Fotodetektoren 30 und 31. Das Fotodetektorpaar 30, 31 ist quer zu dem Moir´-Interferenzmuster angeordnet, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Dabei sind die Fotodetektoren 30 und 31 quer zu nur einer Interferenzlinie angeordnet, und zwar jeweils in einem Übergangsbereich zwischen absolut hellen und dunklen Abschnitten des Interferenzmusters. Die Anordnung der Gitter und der Fotodetektoren wird unter dem Gesichtspunkt vorgenommen, daß die Ausgangsspannung der Fotodetektoren bezüglich der Verschiebung (Gewicht der Last) äußerst gut reproduzierbar und im allgemeinen linear ist, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß die Detektoreinrichtung in einem kleinen Abschnitt einer zyklischen Moir´-Interferenz arbeitet, der sehr gut wiederholbar und im allgemeinen linear ist. Die Grenz­ punkte A und B bestimmen den in Rede stehenden Abschnitt. Um das Detektorausgangssignal für eine numerische Anzeige des Gewichts oder der Verschiebung zu verarbeiten, werden die Ausgangsspannungen der Fotodetektoren einem Analog- Digital-Wandler 35 zugeführt, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Das Ausgangssignal des Wandlers 35 wird dann einem Pro­ zessor 36 zugeführt, der die Information in eine für die Anzeige oder in eine zum Ausdrucken verwendbare Form bringt.

Claims (7)

1. Optische Detektoreinrichtung für eine Wägevorrichtung, welche eine das Wägegut aufnehmende und über einen Wäge­ bereich bewegbare Wäge-Aufnahmeeinrichtung enthält, mit einem ersten, ortsfest angeordneten optischen Gitter, mit einem mit der Wäge-Aufnahmeeinrichtung fest verbundenen und mit dieser relativ zum ersten optischen Gitter bewegbaren zweiten optischen Gitter sowie mit einer, beide optischen Gitter beleuchtenden Lichtquelle, wobei die beiden optischen Gitter so aus­ gebildet und räumlich zueinander angeordnet sind, daß bei Beleuchtung durch die Lichtquelle infolge Inter­ ferenzwirkung ein Interferenz-Muster mit Moir´-Linien entsteht und mit einer fotoelektrischen Auswertevor­ richtung, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Wäge-Aufnahmeeinrichtung (11, 13, 23) mit dem zweiten optischen Gitter (24) nur über einen kleinen, praktisch nicht sichtbaren Wäge-Auslenk­ bereich verschiebbar ist und
• - daß die von der fotoelektrischen Auswertevorrichtung (30, 31) innerhalb eines Übergangsbereiches (A, B) zwischen absolut hellen und absolut dunklen Ab­ schnitten des Interferenzmusters erzeugte Ausgangs­ spannung von einem Analog-Digital-Wandler (35) zur Ableitung des Wägeergebnisses digitalisiert wird.

2. Optische Detektoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs­ spannung der Fotodetektoreinrichtung (30, 31) im wesentlichen linear zur Verschiebung der Wäge-Auf­ nahmeeinrichtung (13, 23) ist.

3. Optische Detektoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einem (29) der optischen Gitter (24, 29) verbundene Winkel­ einstelleinrichtung (32) zur Einstellung eines Winkels des betreffenden optischen Gitters (29) bezüglich des anderen optischen Gitters (24) vorgesehen ist.

4. Optische Detektoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die foto­ elektrische Auswertevorrichtung mindestens ein Paar Foto­ transistoren (30, 31) aufweist.

5. Optische Detektoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht­ quelle (14) eine Glühlampe mit einem im wesentlichen gerade verlaufenden Glühdraht umfaßt.

6. Wägevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wäge-Aufnahme­ einrichtung mindestens ein Paar Blattfedern (15, 17 bzw. 16, 18) aufweist.

7. Wägevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wäge-Aufnahmeeinrichtung vier Blattfedern (15 bis 18) aufweist, die in einem Parallelogramm angeordnet sind.