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Die Erfindung betrifft eine Waage, insbesondere zum Wiegen von Personen,
mit einem ein analoges elektrisches Signal abgebenden Meßwertaufnehmer, einer aufgrund
des Ausgangssignals des Meßwertaufnehmers die Meßgröße in digitaler Form ermittelnden
elektronischen Auswerteschaltung und einem dieser nachgeschalteten Display mit digitaler
Anzeige.
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Bei den bekannten Waagen dieser Art ist trotz eines relativ großen
Aufwandes der maximale Fehler zumindest dann relativ groß, wenn sie nicht ständig
eingeschaltet sind, wie dies bei Personenwaagen der Fall ist, was in erster Linie
auf Temperaturänderungen in der elektronischen Auswerteschaltung zurückzuführen
ist. Eine Verkleinerung des Fehlers dadurch, daß man die Waage ständig eingeschaltet
läßt, ist zumindest dann nicht möglich, wenn die Energieversorgung nicht aus dem
Netz erfolgen kann, sondern als Energiequelle Batterien oder ein Akkumulator vorgesehen
werden müssen, weil bei einer ständigen Einschaltung die Batterien oder der Akkumulator
zu schnell erschöpft wären.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Waage zu schaffen,
mit der sich eine hohe Genauigkeit erreichen läßt, und zwar auch dann, wenn sie
nicht ständig eingeschaltet ist, sondern erst kurz vor dem Wiegevorgang eingeschaltet
wird. Mit einer Waage der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Auswerteschaltung einen Mikroprozessor und wenigstens eine
mit diesem zusammen einen selbsttätigen Abgleich ausführende Komparatorstufe enthält.
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Mittels einer derartigen Auswerteschaltung lassen sich genaue Messungen
durchführen und Fehler weitgehend ausschalten. Insbesondere können Fehler, die auf
ein Driften der Elektronik zurückzuführen sind, kompensiert werden. Ein weiterer
Vorteil besteht darin, daß der Mikroprozessor eventuell erforderliche Berechdie
nungen, beispielsweiseXUmrechnung der Meßgröße in ein anderes Maßsystem, durchführen
kann. Außerdem kann der Mikroprozessor Überwachungsaufgaben übernehmen.
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Der Mikroprozessor ermöglicht den Einsatz eines Digital/Analog-Wandlers,
der billiger ist als ein Analog/Digital-Wandler, und die Beschränkung auf einen
einzigen Digital/Analog-Wandler. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist daher
die Komparatorstufe oder sind die Komparatorstufen über einen solchen Digital/Analog-Wandler
an den Mikroprozessor angeschlossen.
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Um Fehler durch Offset-Spannungen des MeRwertaufnehmers und der Auswerteschaltung
zu unterdrücken, ist vorteilhafterweise die Komparatorstufe als Nullabgleich-Stufe
ausgebildet. Mit Hilfe einer solchen Nullabgleich-Stufe und des Mikroprozessors
können ständig Offset-Spannungen und Änderungen der Offset-Spannungen bis zum Beginn
des Wiegevorgangs und nach Abschluß des Wiegevorgangs kompensiert werden.
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Die Nullabgleichstufe ist vorzugsweise zwischen den Mikroprozessor
und einen Verstärker geschaltet, dessen beide Eingänge mit dem Ausgang des Meßwertaufnehmers
bzw. dem Ausgang eines Sample- und Hold-Verstärker verbunden sind, welcher dem Digital/
Analog-Wandler nachgeschaltet ist. Ein solcher Sample- und Hold-Verstärker kann
während des Nullabgleichs im Sample-Betrieb arbeiten, also an den Meßwertverstärker
ständig den jeweils neuesten, vom Mikroprozessor vorgegebenen Spannungswert zur
Kompensation der Offset-Spannungen anlegen und im Hold-Betrieb während des Wiegevorgangs
den zur Kompensation notwendigen Spannungswert festhalten.
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Zur Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit ist bei einer bevorzugten
Ausführungsform die Komparatorstufe oder eine zusätzliche Komparatorstufe als Meßkomparator
mit einem Eingang für ein der MeR-größe
entsprechendes Signal und
einem Eingang für ein vom Mikroprozessor erzeugtes Vergleichssignalbekannter Größe
ausgebildet.
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Die Messung erfolgt hierbei in der Weise, daß dasjenige Vergleichssignal
mit Hilfe des Meßkomparators ermittelt wird, dessen Größe gleich dem der Meßgröße
entsprechenden Signal ist. Mit Hilfe des Mikroprozessors läßt sich ein derartiger
Signalvergleich in einfacher Weise durchführen.
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Um erkennen zu können, ob eine Änderung des Ausgangssignals des Meßwertverstärkers
auf die Änderung einer Offset-Spannung oder auf eine Änderung der auf die Lastaufnahmeplatte
einwirkenden Bezwischen ZW1 S den dem lastung zurückzuführen ist, kann der Ausgang
des/Meßwertaufnehmer und der Nullabgleichstufe liegenden Meßwertverstärkers mit
dem einen bzw. anderen Eingang eines Vergleichers verbunden sein, dessen Ausgang
an einen Eingang des Mikroprozessors angeschlossen ist.
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Da eine Belastungsänderung der Lastaufnahmeplatte zu einer proportionalen
Änderung des Ausgangssignals des Meßwertaufnehmers und des Ausgangssignals des Meßwertverstärkers
führen, während bei Änderungen der Offset-Spannung keine Proportionalität zwischen
diesen beiden Signalen vorhanden ist, kann der Mikroprozessor erkennen, ob eine
Offset-Spannungsänderung vorl i egt ,und gegebenenfalls eine Kompensation derselben
zur Vermeidung von Meßfehlern auslösen.
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Da auch eine unzureichende Energieversorgung zu Meßfehlern führen
kann, ist vorteilhafterweise eine die Spannung der Energiequelle mit einer Referenzspannung
vergleichende Spannungsüberwachungsstufe vorgesehen, deren bei ausreichender Spannung
einen logischen H-Pegel und bei zu geringer Spannung einen logischen L-Pegel aufweisender
Ausgang mit einem Eingang des Mikroprozessors verbunden ist, der bei anliegendem
logischem L-Pegel ein Blinken und bei logiscnem H-Pegel ein stetiges Aufleuchten
der Anzeige auf dem Displav auslöst. Der Benutzer der Waage kann hieraus leicht
erkennen, ob die Energieversorgung für ein fehlerfreies Arbeiten der Waage ausreicht
oder ob die Energiequelle ausgetauscht oder aufgeladen werden muß.
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Um in einfacher Weise die Waage abgleichen zu können, kann der Digital/Analog-Wandler
an einen in digitaler Form die maximale und die minimale Spannung für den Abgleich
des dem MeRwertaufnehmer nachgeschalteten Verstärkers abgebenden Ausgang des Mikroprozessors
angeschlossen sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden mehrere Meßvorgänge ausgeführt
und ein Mittelwert angezeigt, der aufgrund dieser Meßvorgänge gebildet worden ist.
Der Mikroprozessor enthält daher bei dieser Ausführungsform eine Mittelwertbildungseinrichtung.
Durch eine Mittelwertbildung können Meßfehler unterdrückt werden. Außerdem werden
rasche Änderungen der letzten Stelle der Anzeige auf dem Display unterdrückt.
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Eine Mittelwertbildung ist aber auch bei der Bestimmung der Kompensationsspannung
für die Offset-Spannungen von Vorteil.
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Da in diesem Falle der Wert der Kompensationsspannung für einige Zeiten
gespeichert werden muß, weist vorzugsweise der Mikroprozessor Speicherplätze für
den errechneten Mittelwert der Offset-Spannung auf.
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Damit die Messung und Kompensation der Offset-Spannungen solange fortgesetzt
werden kann, bis der Meßvorgang beginnt, ohne daß die Bedienungsperson eine Umschaltung
vornehmen muß, weist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Mikroprozessor eine
Verzweigungsschaltung auf, welche von der Mittelwertberechnung der Offset-Spannung
und einer nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne seit der letzten Abspeicherung
des Offset-Spannungs-Mittelwertes erfolgenden Abspeicherung des neuesten Mittelwertes
auf die Ermittlung und Mittelwertbestimmung des Meßwertes umschaltet und nach einer
vorgegebenen Meßzeit wieder auf die Ermittlung des Mittelwertes der Offset-Spannung
zurückschaltet.
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Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine
perspektivisch dargestellte Ansicht des Ausführungsbeispiels, Fig. 2 ein Blockschaltbild
des Ausführungsbeispiels.
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Eine Personenwaage weist, wie Fig. 1 zeigt, ein etwa L-förmiges Gehäuse
1 auf, dessen in der Gebrauchslage der Waage liegender 3 Schenkel/auf seiner Oberseite
von einer Lastaufnahmeplatte 2 abgedeckt ist, auf die sich der Benutzer der Waage
für den Wiegevorgang stellen muß. Im Inneren des liegenden Schenkels des Gehäuses
1 sind die Lager der Lastaufnahmeplatte sowie Hebel angeordnet, da es sich um eine
Hebelwaage handelt. Die Ausbildung und Anordnung der Lager und Hebel kann in bekannter
Weise erfolgen.
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Die vom Benutzer auf die Lastaufnahmeplatte 2 ausgeübte Belastung
wird über einen der Hebel auf einen Meßwertaufnehmer 4 übertragen, der im Ausführungsbeispiel
in demjenigen Bereich des liegenden Schenkels des Gehäuses 1 angeordnet ist, der
sich unterhalb des stehenden Schenkels 5 des Gehäuses 1 befindet. Der Meßwertaufnehmer
4 wird durch einen bekannten Biegebalken mit Dehnungsmeßstreifenbrücke gebildet.
Das Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers ist also die Brückenausgangsspannung der
Dehnungsmeßstreifenbrücke.
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Der stehende Schenkel 5 des Gehäuses 1 enthält eine als Ganzes mit
6 bezeichnete, elektronische Auswerteschaltung, ein Display 7 mit digitaler Anzeige,
eine nicht dargestellte Energiequelle in Form einer Batterie oder eines Akkumulators,
eine Spannungsüberwachungsstufe 8 für die Überwachung der Spannung der Energiequelle
sowie einen vom Benutzer vor Beginn eines Wiegevorgangs zu betätigenden Schalter
9, mittels dessen die Energieversorgung der Auswerteschaltung 6, des Displays 7,
der Spannungsüberwachungsstufe 8 und des Heßwertaufnehmers 4 eingeschaltet und ausgeschaltet
wird. In der Oberseite des Schenkels 5 des Gehäuses 1 sind Aussparungen für das
Display 7 und die Drucktaste des Schalters 9 vorgesehen, so daß der Benutzer der
Waage sowohl das Display 7
bequem ablesen als auch den Schalter
9 bequem betätigen kann.
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Der Ausgang des Meßwertaufnehmers 4 ist mit einem ersten Eingang eines
Meßwertverstärkers 10 verbunden, welcher die Ausgangssignale des Meßwertaufnehmers
4 linear verstärkt. Wie Fig. 2 zeigt, ist an den Ausgang des Meßwertverstärkers
10 ein die Nullabgleichstufe bildender Nullkomparator 11 und der eine Einfang eines
Meßkomparators 12 angeschlossen. Der Ausgang des Nullkomparators 11 ist mit einem
Eingang eines Mikroprozessors 13, der Ausgang des Meßkomparators 12 mit einem anderen
Eingang des Mikroprozessors 13 verbunden.
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Der zweite Eingang des Meßkomparators 12 ist an den Ausgang eines
Digital/Analog-Wandlers 14 angeschlossen. Mit demselben Ausgang ist der Eingang
eines Sample- und Hold-Verstärkers 15 verbunden, dessen Ausgang an den zweiten Eingang
des Meßwertverstärkers 10 angeschlossen ist. Der Digital/Analog-Wandler 14 ist eingangsseitig
mit Ausgängen des Mikroprozessors 13 verbunden.
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Der Mikroprozessor 13 steuert das Display 7 und ist an die Spannungsüberwachungsstufe
8 angeschlossen.
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Um erkennen zu können, ob eine Änderung der Ausgangsspannung des Meßwertverstärkers
10 auf eine Änderung der Eingangsspannung und damit auf eine Änderung der auf die
Lastaufnahmeplatte 2 einwirkenden Belastung zurückzuführen ist oder auf eine Änderung
der Offset-Spannung des Meßwertverstärkers, sind der Eingang und der Ausgang des
Meßwertverstärkers 10 mit zwei Eingängen eines Vergleichers 16 verbunden, dessen
Ausgang an den Mikroprozessor 10 angeschlossen ist.
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Außer den bereits erwähnten Eingängen hat der Mikroprozessor 13 zwei
Eingänge 17 und 18. Liegt am Eingang 17 ein logisches H und am Eingang 18 ein logisches
L, dann gibt der Mikroprozessor über den Digital/Analog-Wandler 14 eine minimale
Spannung aus, mit deren Hilfe der Offset des Sample- und Hold-Verstärkers 15, des
Digital/ Analog-Wandlers 14 und des Meßwertverstärkers 10 eingestellt werden
kann.
Legt man an die beiden Eingänge 17 und 18 je ein logisches L-Signal, dann gibt der
Mikroprozessor an den Digital/Analog-Wandler 14 eine maximale Spannung, mit Hilfe
deren die maximale Ausgangsspannung des Meßwertverstärkers 10 eingestellt werden
kann. Während der Ausgabe der minimalen und maximalen Spannung sind alle anderen
Funktionen des Mikroprozessors außer Betrieb.
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Vor dem Betreten der Lastaufnahmeplatte 2 für eine Wägung muß der
Schalter 9 betätigt werden, wodurch die Elektronik an Spannung gelegt wird. Nach
Ablauf einer festen Wartezeit, die so gewählt wird, daR die Schaltung, insbesondere
die Operationsverstärker, zumindest nahezu ihre Endtemperatur erreicht haben, und
im Ausführungsbeispiel etwa 6 Sekunden beträgt, beginnt der Mikroprozessor 13 zu
arbeiten. Ein Komparator der Spannungsüberwachungsstufe 8, dessen Ausgang mit einem
Eingang des Mikroprozessors verbunden ist, vergleicht die Versorgungsspannung mit
einer Referenzspannung.Ferner fragt der Mikroprozessor die Belastung der Lastaufnahmeplatte
2 ab. Befindet sich auf der Lastaufnahmeplatte 2 eine Masse von 5 kg oder mehr,
dann leuchtet an jeder Stelle des Displays ein Querstrich auf, und zwar kontinuierlich,
falls die Versorgungsspannung ausreichend groß ist, und blinkend, falls die Versorgungsspannung
zu klein ist. Im letztgenannten Fall müssen, falls Batterien verwendet werden, diese
gegen neue ersetzt oder, falls ein Akku als Energiequelle dient, dieser aufgeladen
werden.
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Ergibt die Belastungsabfrage, daß die Lastaufnahmeplatte 2 unbelastet
ist oder der Benutzer, der sich schon vör dem Einschalten des Schalters 9 oder unmittelbar
danach auf die Lastaufnahmeplatte 2 gestellt hat, diese wieder freigegeben hat,
dann beginnt das automatische Nullen der Waage, d.h. die automatische kompensation
der Offset-Spannung die durch Temperatureinflüsse, Toleranzen und Alterung der Bauteile
bedingt ist. Die automatische Kompensation der Offset-Spannung erfolgt in Form einer
sukzessiven Aproximationg bei welcher der Mikroprozessor das an den Eingang des
Digital/Analog-Wandlers 14 gelegte Bitmuster nach und nach ändert. Nach dem Anlegen
des ersten Bitmusters an den Digital/
Analog-Wandler fragt der
Mikroprozessor 13 den Nullkomparator 11 ab und entscheidet dann, ob die Kompensationsspannung
zu groß oder zu klein ist, das wichtigste Bit also zurückgenommen werden muß oder
gesetzt bleiben kann. Danach erfolgt die Überprüfung, ob das zweitwichtigste Bit
gesetzt bleiben kann oder zurückgenommen werden muß. Ist die Ausgangsspannung des
Digital/Analog-Wandlers 14 gleich der Offset-Spannung und sind alle Bits des Bitmusters,
im Ausführungsbeispiel alle Bits von 27 bis 20 endgültig festgelegt, dann wird das
der Offset-Spannung entsprechende Digitalwort in einem Speicher des Mikroprozessors
13 abgelegt. Nun wird in gleicher Weise erneut die Größe der Spannung zur Kompensation
der Offset-Spannung ermittelt und danach im Speicher abgelegt.Nacheiner bestimmten
Anzahl von derartigen Messungen der Offset-Spannung oder ihrer Kompensationsspannung
ermittelt der Mikroprozessor 13 aus allen gespeicherten Werten einen Mittelwert.
Im Ausführungsbeispiel werden nacheinander sechzehn Bestimmungen der Offset-Spannung
durchgeführt, wobei für jede Messung 25 msek benötigt werden. Störeinflüsse, die
beispielsweise von elektrischen Geräten verursacht werden können und zu starken
Änderungen der Offset-Spannung führen, können dadurch unterdrückt werden, da! sie
nach einem Vergleich mit dem ersten berechneten Mittelwert wegen zu großer Abweichung
von diesem nicht mehr berücksichtigt werden. Im Ausführungsbeispiel ist eine Fehlererkennung
auch mit Hilfe des Vergleiches 16 möglich, da starke Offset-Spannungsänderungen,
die nicht einer entsprechend starken Änderung des Eingangssignals am Meßwertverstärker
10 proportional sind, auf Fehler oder Störeinflüsse zurückzuführen sind.
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Nach der ersten Berechnung des Mittelwerts erscheint in allen Stellen
des Displays 7 die Ziffer Null. Nun kann der Benutzer die Lastaufnahmeplatte 2 betreten.
Betritt er sie nicht, dann wird die Mittelwertbestimmung der Offset-Spannung fortgesetzt.
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Ist der neue Mittelwert der Offset-Spannung gerade um 1 d (die der
digitalen Einheit entsprechende Masse) größer oder beliebig kleiner als der im Mikroprozessor
13 abgespeicherte Mittelwert,
dann wird der neue Mittelwert der
Offset-Spannung gegen den abgespeicherten ausgetauscht. Ein solcher Austausch ist
aber bei fortlaufender Messung der Offset-Spannung nur in gewissen Zeitabschnitten,
im Ausführungsbeispiel nur alle 7 Sekunden, möglich, um zu verhindern, daß bei langsam
ansteigender Belastung der Lastaufnahmeplatte 2 statt einer Gewichtsmessung eine
Kompensation der Ausgangsspannung des Meßwertverstärkers 10 durchgeführt wird.
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Ist der neue Mittelwert der Offset-Spannung größer als 1 d, aber höchstens
um 3d größer als der abgespeicherte Mittelwert, dann wird die Messung des Mittelwerts
der Offset-Spannung fortgesetzt. Ein Austausch des gespeicherten Mittelwerts gegen
den neuen Mittelwert ist hier nicht möglich, weil der Mikroprozessor in diesem Bereich
noch nicht eindeutig feststellen kann, ob die Erhöhung der Offset-Spannung auf eine
beginnende Belastung der Lastaufnahmeplatte oder auf eine Änderung der Offset-Spannung
zurückzuführen ist.
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Erst wenn der neue Mittelwert der Offset-Spannung mindestens 4d größer
ist als der gespeicherte Wert, bewirkt der Mikroprozessor 13 mit Hilfe einer Verzweigungsschaltung
eine Beendigung der Messung der Offset-Spannung und den Übergang in die Wiegeroutine,
da eine so starke Änderung der Offset-Spannung ein Anzeichen dafür ist, daß der
Benutzer der Waage sich auf die Lastaufnahmeplatte 2 gestellt hat. Im Ausführungsbeispiel
kann zusätzlich der Mikro-16 prozessor 13 aufgrund der Ausgangsgröße des Vergleichers/feststellen,
ob die Lastaufnahmeplatte 2 belastet worden ist,und nur dann, wenn dies der Fall
ist, ein Übergang in die Wiegeroutine zulassen.
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Die Messung der Last erfolgt durch eine sukzessive Approximation des
Meßwertes. Unmittelbar vor der ersten Gewichtsmessung wird der abgespeicherte Mittelwert
der Offset-Spannung vom Mikroprozessor ausgegeben und über den Sample- und Hold-Verstärker
15 zur Kompensation der Offset-Spannung auf den Meßwertverstärker 10 geschaltet.
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Der Sample- und Hold-Verstärker, der während der Ermittlung der Offset-Spannung
im Sample-Betrieb arbeitet, wird für die Gewichtsmessung
durch
den Mikroprozessor über eine Steuerleitung auf Hold-Betrieb umgeschaltet.
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Bei der sukzessiven Approximation des am ersten Eingang des eßkomparators
12 anliegenden Meßwertsignals werden, beginnend mit dem höchstwertigen Bit, der
Reihe nach alle Bit, im Ausführungsbeispiel zwölf Bit, des Ergebnis-Registers im
RAM-Speicher des Mikroprozessors 13 probeweise gesetzt. Das Zwölf-Bit-Digitalwort
wird jeweils auf den Eingang des Digital/Analog-Wandlers 14 gegeben, und der Meßkomparator
12 vergleicht dann die analoge Ausgangsspannung mit der Ausgangsspannung des Meßwertverstärkers
10. Der Meßkomparator 10 wird durch einen Befehl des Mikroprozessors 13 abgefragt.
Wie beim Nullkomparator 11 tritt am Ausgang des MeBkomparators 12 ein logischer
Pegel H auf, wenn der vom Digital/Analog-Wandler 14 gelieferte Vergleichswert kleiner
ist als der Meßwert.
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In dieseni Falle bleibt das probeweise gesetzte Bit stehen. Hat hingegen
der Ausgang des Meßkomparators den logischen Pegel L, dann ist es ein Zeichen dafür,
daß die Vergleichsspannung zu groß ist.
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Das probeweise gesetzte Bit wird deshalb zurückgenommen. In dieser
Weise werden die einzelnen Bits nacheinander gegen das niederwertigste Bit hin daraufhin
überprüft, ob sie gesetzt bleiben können oder zurückgenommen werden müssen.
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Eine derartige Approximation oder Ermittlung des Meßwertes wird in
gleicher Weise nacheinander mehrmals, im Ausführungsbeispiel sechzehn Mal oder zweiunddreißig
Mal durchgeführt. Die Anzahl der für die Mittelwertbildung durchzuführenden Messungen
wird mit Hilfe des Mikroprozessors vorgegeben. Nach der ersten Mittelwertberechnung
wird der Mittelwert im Mikroprozessor 13 dezimal konvertiert und auf dem Display
7 angezeigt.
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Wenn die Lastaufnahmeplatte 2 nicht innerhalb einer bestimmten Zeit
entlastet wird, wird während dieser Zeit, welche im Ausführungsbeispiel 20 Sekunden
beträgt, die Approximation des Meßwertes und die Mittelwertberechnung ständig wiederholt.
Durch die Mittelwertbildung wird ein starkes Schwanken der Anzeige in der letzten
Stelle, verursacht durch Erschütterungen, Störungen, Bewegungen
der
Person auf der Lastaufnahmeplatte u.dgl. weitgehend unterdrückt. Die Begrenzung
der Meßzeit schließt nennenswerte Änderungen der Offset-Spannungen während der Gewichtsmessung
aus.
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Nach Ablauf der Meßzeit erscheint in allen Stellen des Displays 7
ein Querstrich, was bedeutet, daß keine Gewichtsmessung mehr erfolgt und dieRiastaufnahmeplatte
2 entlastet werden muß. Nach der Entlastung, die durch eine Belastungsabfrage festgestellt
wird, erfolgt eine automatische Umschaltung auf eine erneute Messung der Offset-Spannung.
Eine bestimmte Zeit nach der Entlastung der Lastaufnahmeplatte 2, die im Ausführungsbeispiel
zwölf Sekunden bei einer Mittelwertberechnung aus sechzehn Einzelwerten und 15 sek
bei einer Mittelwertbildung aus zweiunddreiRig Einzelwerten beträgt, wird zur Schonung
der Energiequelle das Display, das nach der erneuten Ermittlung des Mittelwerts
der Offset-Spannung jeder Stelle die Ziffer Null anzeigt, dunkel gesteuert. Es blinken
dann nur noch die hinter jeder Stelle vorgesehenen Punkte. Ausgeschaltet wird die
Waage durch eine erneute Betätigung der Drucktaste des Schalters 9.