DE2835133A1 - Elektrische waage - Google Patents

Description

Patentanwälte

.-Ing. K. b ivi P L ^ s> -

nchen SO, Schumannstr. 2

10. August 1978 Akte: P -23

Met.t3.er Instrumente AG, Greifensee (Schweiz)

EIeJtbrische Waage

Die Erfindung betrifft eine elektrische Waage, mit einer Einrichtung zur elektromagnetischen Kompensation der auf einen Lastaufnehmer wirkenden Kraft, wobei der Kompensationsstrom impulsweise einer Konstantstromquelle entnommen wird, Signale eines Positionsgebers nach Passieren eines Reglers in einem Vergleicher die Dauer dieser Impulse bestimmen und zur Lieferung eines digitalen Wägeresviltates eine Mehrzahl solcher Impulse mit hochfrequenten Zeitmarken ausgezählt wird, wobei das Ausgangssignal des Vergleichers in einem Synchronisierer mit der nächsten Zeitmarke synchronisiert wird, bevor der Stromimpuls beendet wird, und wobei der Lastaufnehrncr, der Positionsgeber, der Regler

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und der Vergloichcr Bestandteile eines mechanisch-elektrischen Regelkreises sind.

Eine derartige Waage ist bekannt z.B. aus der US-Patentschrift 3,786,884. In ihr wird kein fertiges analoges Wägeresultat digitalisiert, sondern die. Digitalisierung ist in den Regelkreis eingebaut. Aus Gründen des eindeutigen Zusammenhanges Impulsdauer/Anzahl Zeitmarken ist es dabei notwendig, nach Koinzidenz Regelsignal/Vergleichssignal die nächste Zeitmarke abzuwarten," bis der Kompensationsstrom abgeschaltet v/erden kann. Aus dieser kleinen Zeitdifferenz resultiert ein Fehler, der über den relativ tragen mechanisch-elektrischen Regelkreis wieder ausgeglichen v/erden muss. Dieser Ausgleich benötigt eine Vielzahl von Impulsperioden (Rampen) und stellt sich als periodische Schwankung um den "richtigen" Mittelwert dar, deren Amplitude eine zweistellige Anzahl von Zeitmarken ausmachen kann. Dieser sogenannte Digxtalisierungsfehler spielt so lange keine Rolle, wie die Anzeigeauflösung klein ist im Verhältnis, zur verwendeten Zeitmarkenfrequenz, und tritt umgekehrt dann als Anzeigeschwankung in Erscheinung, wenn die Anzeigeauf lösung relativ zur Zeitmarkenfrequenz hoch ist, jeweils bezogen aiuf eine gegebene Integrationszeit (— Anzahl der pro Wägeresultat ausgezählten Stromimpulse). Er macht sich ferner dann störend bemerkbar, wenn zwar die sichtbare Anzeige ruhig bleibt, aber z.B. aufgrund von Eichvorschriften auch noch eine unsichtbare Dezimale eine gewisse Stabilität aufweisen soll.

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Nun. ist es zwar theoretisch möglich, den Digitalisierungsfehler durch entsprechende Wcihl der Zeitinarkenfrequenz beliebig klein zu halten. Der praktischen Anwendung dieser Möglichkeit stehen jedoch einige wesentliche Nachteile gegenüber. So nimmt beispielsweise der Aufwand bei einer Steigerung der Zeitniarkenfrequenz im Bereich Megahertz rasch überproportional zu. !'earner stösst die Verwendung moderner Komponenten (z.B. Rechnerbausteine oder Mikroprozessoren) in der digitalen Auswertung und Steuerung auf Probleme, wenn die Taktfrequenz zu hoch wird.

Einer anderen Möglichkeit, nämlich die Integrationszeit soweit zu erhöhen, bis der Digitalisierungsfehler nicht mehr nennenswert in Erscheinung tritt, steht die Forderung nach kurzen Wägezeiten entgegen.

Aus der vorstehend umrissenen Situation entstand die Aufgabe, den Digitalisierungsfehler ohne Erhöhung der Zeitmarkenfrequenz und ohne Verlängerung der Integrationszeit zu reduzieren. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, bei einer Waage der eingangs umschriebenen Art innerhalb des mechanisch-elektrischen Regelkreises eine zusätzliche, den Lastaufnehmer überbrückende Regolschlaufe vorzusehen. Damit wird die mechanische Trägheit so weit ausgeschaltet, dass im stationären (eingeschwungenen) Zustand (die Waage ist im Gleichgewicht) der Digitalisierungsfehler sozusagen kurzgeschlossen ungleich rascher ausgeregelt werden kann.

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Eine vorteilhafte Ausbildung ist dabei dadurch gekennzeichnet,, dass die zusätzliche Rege.1 schlaufe einen Integrator enthält, der vom Synchronisierer gesteuert wird und eine Fehlerspannung liefert, welche am Eingang des Vergloicliers der Regelspannung überlagert wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform enthält in der zusätzlichen Regelschlaufe einen zwischen dew Regler und dem Vergleicher angeordneten Integrator, an dem kontinuierlich die Regelspannung und periodisch eine konstante Referenzspannung liegt. Dabei kann zweckmässigerweise die Referenzspannung synchron mit dem Kompensationsstrom geschaltet v/erden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen sind

Figur 1 ein Blockschema des relevanten Teils der bekannten Waage,

Figur 2 ein Diagramm der zeitlichen Zusammenhänge zu Figur 1,

Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel· des zweiten Regelkreises,

Figur 4 ein Zeitdiagramm zu Figur 3,

Figur 5 ein zweites Ausführungabeispiel des zweiten Regelkreises, und

Figur 6 ein Zeitdiagrarnm zu Figur 5.

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£-i-^e bekr.i-mte Waage (Figuren 1 und 2)

Die Waage 10 urafasst ein elektromagnetisches Kraftkompen·- sationssystcm, symbolisiert durch die Kompennationsspule 12, Die Position des Lastaufnchiuers 14 wird abgetastet imd in einer Geberschaltung 16 zu einem Signal verarbeitet, das in einem PID-Regler 18 zur Regelspannung 19 geformt v/ird. In einem Pulslängenmodulator (PLM) 20 wird die Regelspannung mit einer periodischen Rampe (Sägezahnspannung)

21 verglichen.» Bei Koinzidenz beider Spannungen (Punkt K) erfolgt ein Ausgangst>ignal, das zu einem Synchronisierer

22 gelangt. Dieser gibt beim Eintreffen der nächsten Zeitmarke 23 vom Oszillator (Zeitmarkengeber) 24 ein Ausgangssigmil ab, das einen Stromschalter 26 öffnet. Damit v/ird eine Stromquelle 28 von der Spule 12 getrennt. Beim nächsten Start einer Rampe 21 v/ird der Schalter 26 wieder geschlossen. Eine digitale Steuer- und Auswerteschaltung 30 übernimmt unter anderem die Zählung der Zeitmarken 23 während der Anschaltdauer der Stromquelle 28 (Länge der Stromimpulse 29, vgl. Figur 2).

Für weitere Einzelheiten v/ird auf die oben erwähnte US-Patentschrift 3,786,884 verweisen.

Wie aus Figur 2 erhellt, folgt aus der Synchronisierbedingung von PLM-Signal und Zeitmarke in jeder Rampe (Periode t) ein Fehler At, der sich bei einem typischen Integrationsintervall von einigen hundert Rampen (Beispiel: t 2 ms, Integrationszeit 1 s) zu einem Fehler von z.B. 50

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Zeitinarken summieren kann. Entsprechen 10 Zeitmarken einer Anzoigeeinheit der letzten sichtbaren Stelle, so ' folgt daraus eine Schwankung der Anzeige (= ein Digitalisierungs-fehler) um 5 Einheiten der letzten sichtbaren Stelle.

Beispiel I (Figuren 3 und 4)

In dieser Ausführungsform wird der bekannte Regelkreis gemäss Figur 1 um eine interne Regelschlaufe (in Figur 1 gestrichelt angedeutet) nach Figur 3 erweitert, bestehend im wesentlichen aus einer Torschaltung 32, einem Integrator 34 und einem Spannungsinverter 3G. Die Torschaltung 32 erhält da.s Koinzidenzsignal a vom PLK 20 sowie, um die Zeit At (vgl. Figur 2) später, das Ausgangssignal b vom Synchronisierer 22. Die Länge der Zeitspanne At (in Figur 3 und 4 mit f' bezeichnet) repräsentiert den Digitalisierungsfehler innerhalb einer Rampe. Während f' wird im Integrator 34 ein Kondensator mit einem konstanten Strom aufgeladen. Am Ende der Zeit f' wird das erreichte Potential f von einem zweiten Kondensator übernommen und dort bis zum Ende des folgenden Intervalls f' gespeichert, während dor erste Kondensator zu Beginn des folgenden Impulses 25 (Rampenstart) wieder auf ein konstantes Bezugspotential entladen wird. Die Spannung f des zweiten Kondensators gelangt zum Inverter 36, von dort als Fehlerspannung -f zum Spannungsteiler 38,40 und wird am Eingang des PLl-I 20 dem Regelsignal überlagert.

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In Figur 4 ist der zeitliche Zusammenhang erkennbar. Zu Beginn der Periode t startet die ciuf steigende Flanke einer Zeitmarke 23 die Ranpe 21, schliesst den Schalter und startet die Zählung der Zeitinarken in der Auswerteschaltung 30 (vgl. Figur 1 und die oben erwähnte US-Patentschrift 3,786,884). Gleichzeitig wird die Torschaltung gestartet. Bei Koinzidenz der korrigierten Regelspannung 19' mit der Rampe 21 wird das Ausgangssignal a des PLM neben dem Synchronisierer 22 auch der Torschaltung 32 zugeführt. Ferner erhält diese bei der nächsten aufsteigenden Flanke einer Zeitmarke 23 (der Schalter 26 wird geöffnet) das Rückstellsignal b vom Synchronisierer 22. Während der Zeitspanne f (Länge zwischen den Impulsen a und b) wurde die Fehlerspannung f aufgebaut, die nach Inversion als -f der Regelspannung 19 überlagert wird.

In Figur 4 wird deutlich, wie das Fehlzeitintervall f' und damit die Fehlerspannung -f von Rampe zu Rampe zunimmt, bis bei genügender Verkürzung der Impulsdauer eine Zeitmarke weniger einläuft und gezählt wird und das Fehlzeitintervall f' und damit die Fehlerspannung -f sprunghaft zurückgeht. Die Prinzipdarstellung lässt erkennen, dass damit der Digitalisierungsfehler unabhängig von der Grosse von At nicht mehr grosser als eine Zeitmarke wird. Dementsprechend macht, unabhängig von Integrationszeit und Zeitmarkenfrequenz, die Schwankung der Anzeige nur noch den Gegenwert einer Zeitmarke aus. Dieser Gegenwert kann in einem dezimalen oder anderen Verhältnis zur Zeitmarke stehen,

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Beispiel II (Figur 5 und 6)

Die zusätzliche Regeischlaute dieses Beispiels umfasst einen Schalter 42 und einen Integrator 44 (Widerstände 38',4O¹, Kondensator 46 und Verstärker 48). Der Schalter 42 wird synchron mit dem Schalter 26 geöffnet und geschlossen (je nach Konfiguration der Waage sind auch andere Zuordnungen der Schaltpunkte möglich, so z.B. Oeffnungszeit des einen Schalters = Schliesszeit des anderen, oder aber eine konstante. Schaltverzögerung bei einem der Schalter). Er verbindet den Integrator intermittierend mit einer Referenzspannung V, welche eine der Regelspannung entgegengesetzte Polarität hat· Aus der Ueberlagerung der (im Gleichgewichtsfall konstanten) Regelspannung 19 mit der Referenzspannung V ergibt sich am Ausgang des Integrators 44 (= Eingang des PLM 20) eine unregelmässige Dreieckspannung 19', vgl. Figur 6. Man erkennt deutlich die Schaltpunkte: Beim Start einer Rampe 21 mit der aufsteigenden Flanke einer Zeitmarke 23 schliessen beide Schalter 26 und 42, es fliesst sowohl der Kompensationsstrom zur Spule 12 als auch der Strom aus der Referenzspannung V zum Integrator 44, es wird "abintegriert". Der Betrag der Referenzspannung muss dabei (bei gleich grossen Widerständen 33',4O¹) grosser sein als der grösstmögliche Wert der Regelspannung. Am Koinzidenzpunkt K passiert die Spannung 19' die Rampe 21. Sie sinkt weiter bis zum Zeitpunkt der nächsten aufsteigenden Zeitmarkenflanke. In diesem Moment veranlasst der Synchronisierer 22 das gleich-

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zeiticfe Oeffnen der Schalter 26 und 42, und es liegt wiederum nur die Regelspannung 19 am Integratorexngang, bis die nächste Rampe 21 gestyrtet wird.

Man erkennt in Figur 6 die sich mit jeder Rcimpe 21 ändernde Länge der Intervalle 25 zwischen Ramperibeginn und Koinzidenzpunkt K einerseits und die sprunghaften Aenderungen der Impulslängen 29', V7enn der Fehler grosser als die Differenz zwischen zwei Zeitmarken geworden ist. Aehnlieh wie im Beispiel I wird damit auch hier der Digitalisierungsfehler auf den Wert einer Zeitmarke reduziert.

Es versteht sich, dass die Figuren 2, 4 und 6 nicht massstäblich sind. Insbesondere die Zeitmarken 23 wurden stark vergrössert dargestellt, um die Wirkungsweise verdeutlichen zu können. In Wirklichkeit entfallen auf eine Rampe 21 viel mehr Zeitmarken 23 (beispielsweise, bei einer Rampenzeit t von 2 ms und einer Taktfrequenz von 2 MHz/ 1000 Zeitmarken).

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Leerseite

Claims (4)

1. Ansprüche

   JU Elektrische Waage, mit. einer Einrichtung zur elektromagnet i.sch en Kompensation dor auf einen Lastaufnehmer wirkenden Kraft, wobei der Kompcnsationsstrom impulsweise einer Konstemtstromquelle entnommen wird, Signale eines Positionsgebers nach Passieren einss Reglers in einem Vergleicher die Dauer dieser Impulse bestimmen,- und zur Lieferung eines digitalen V7ägeresultates mit hochfrequenten Zeitmarken eine Mehrzahl solcher Impulse ausgezählt wird, v/ob ei das Ausgangssignal des Vergleichers in einem Synchronesierer mit der nächsten Zeitmarke synchronisiert wird, bevor der Stromimpuls beendet wird, und wobei der Lastaufnehmer, der Positionsgeber, der Regler und der Vergleicher Bestandteil eines mechanisch-elektrischen Regelkreises sind, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb dieses Regelkreises eine zusätzliche, den Lastaufnehmer überbrückende Regelschlaufe vorgesehen ist.
2. 2. Elektrische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Regelschlaufe einen Integrator (34) enthält, der vom Synchronisierer (22) gesteuert wird und eine Fehlerspannung lieferb, welche am Eingang des Vergleichers der Regelspannung überlagert wird.

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3. 3. Elektrische Vi a ti ge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet"- r dasn d.±& zusätzLi ehe RegoLv-chlauilG einen zv/ischen dera Regler und dem Vergleiche!" angeordneten Integrator

   (44) enthält,- an den kontinuierlich die Regslspannung und periodisch eine konstante Referenzspannung liegt.
4. 4. Elektrische Waage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung synchron mit dem Kornpcnsationsstrora geschaltet wird.

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