DE2852959A1

DE2852959A1 - Elektrischer massenmesser

Info

Publication number: DE2852959A1
Application number: DE19782852959
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Stocker
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Instrumente AG
Priority date: 1978-02-24
Filing date: 1978-12-07
Publication date: 1979-08-30
Also published as: FR2418451A1; US4212361A; GB1586448A; CH621409A5; FR2418451B1

Description

Dipl.-In J. K. 2 M P L

München 80, öchumannstr. 2

7. Dezember 1978 Akte: P 23 633

Mettler Instrumente KG, Greifensee (Schweiz)

Elektrischer Massenmesser

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Massenmesser mit einem Lastteil und einem Referenzteil sowie mit einer Schaltung zur Verarbeitung von Signalen des Last- und des Referenzteiles, welche Verarbeitung eine Verhältnisbildung zur Lieferung des Messergebnisses umfasst.

Massenmesser können als Kombinationen zweier Kraftmesser aufgefasst werden, wobei die beiden Kraftmesser nach physikalischem Prinzip und konstruktiver Ausführung regelmässig, aber nicht zwingend, von gleicher Art sind. Durch die Kombination lässt sich eine Reihe der bei Kraftmessern vorhandenen Störeinflüsse neutralisieren, wie z.B. Aenderungen der Erdbeschleunigung oder Schrägstellungen der Waage. Die Einflüsse von Störbeschleunigungen hingegen lassen sich bei konventionellen Massenmessern nicht vollständig eliminieren; diese sind nur gegenüber seHr niederfrequenten Beschleunigungen unempfindlich. Je nach Bauweise kann dabei ein solcher Massenmesser bereits ab Frequenzen über 0,1 Hz stark vibrationsempfindlich sein.

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Sofern die Auflösung des Wägeergebnisses nicht sehr niedrig gehalten wird, wirken sich Störbeschleunigungen oberhalb der oben näherungsweise angegebenen Grenzfrequenz auf die Anzeige aus, da die variable Messlast im Lastteil zu ungleichen dynamischen Eigenschaften von Last- und Referenzteil führt.

Es ist bei Kraft- und Massenmessern bekannt, zur Verringerung des Einflusses von Störbeschleunigungen elektrische Filter mit niedriger Grenzfrequenz (z.B. 10 Hz) zu verwenden. Diese können den kritischen Frequenzbereich von oben her zwar merklich einengen, jedoch verlängert sich mit abnehmender Grenzfrequenz des. Filters die Messzeit, was häufig unerwünscht ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, einen Massenmesser der eingangs erwähnten Art trotz kurzer Wägezeit auch bei höheren Anzeigeauflösungen weitgehend unempfindlich gegen Störbeschleunigungen zu machen, unabhängig von deren Frequenz. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Verarbeitungsschaltung wenigstens eine zusätzliche Verknüpfungsschaltung umfasst, die dem Referenzsignalpfad ein Signal des Lastteils zuführt und wenigstens ein frequenzabhängiges Glied aufweist.

Der Massenmesser gemäss dieser Erfindung ist bezüglich seiner Unempfindlichkeit gegen Störbeschleunigungen bei sehr tiefen Frequenzen angenähert einem entsprechenden konventionellen Massenmesser vergleichbar. Sein Fortschritt gegenüber diesem liegt in der wesentlich verringerten Empfindlichkeit gegenüber Störbeschleunigungen auch aller übrigen Frequenzen.

Die dem erfindungsgemässen Vorgehen zugrunde liegenden Berechnungen zeigen, dass theoretisch eine vollständige

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Eliminierung des Einflusses von Störbeschleunigungen auf das Messresultat möglich ist. Praktisch werden allerdings aufgrund von Annäherungen bei der üebeftragung der realen Kraftmesser in die entsprechenden physikalischen Modelle, ferner von Bauteiltoleranzen sowie von Kompromissen bei 'der Schaltungsauslegung Näherungen verwirklicht, die jedoch schon bei massigem Schaltungsaufwand je nach angewandtem Messprinzip und je nach Störfreguenz Reduktionen der vorher vorhandenen Anzeigeschwankungen von bis zu 99 % bewirken können.

Ein besonderer Vorzug der Erfindung liegt darin, dass zur Erzielung des gewünschten Erfolges die zusätzliche Verknüpfungsschaltung nur lineare Netzwerke erfordert. Dies bedeutet eine nennenswerte Erleichterung und Vereinfachung des Schaltungsaufwandes. Zweckmässigerweise v/eist die Verarbeitungsschaltung im Last- und im Referenzsignalpfad wenigstens je ein gleiches Filter auf.

Ein Anwendung der Erfindung auf einen Massenmesser, bei welchem der Last- und der Referenzteil jeder für sich aus einer Gleichgewichtslage auslenkbar ist und je .ein Positionsgeber entsprechende Ausgangssignale liefert, ferner mit je einem Regelkreis zur Rückführung von Last- und Referenzteil in die Gleichgewichtslage, ist dadurch gekennzeichnet, dass Eingänge der Verknüpfungsschaltung mit Ausgängen der Positionsgeber verbunden sind. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass die Verknüpfungsschaltung die Reglerparameter nicht einbeziehen muss.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft dort anwendbar, wo es um kleine Wägezeiten geht, also z.B. bei Kontroll- oder Abfüllwaagen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen ist

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Figur 1 eine Prinzipdarstellung der Signalflussrichtung gemäss der Erfindung,

Figur 2 ein Schaltschema eines ersten Ausführungsbeispiels ,

Figur 3 eine Prinzipdarstellung des Uebertragungsver-

haltens in Abhängigkeit von der Frequenz,

Figur 4 ein Schaltschema eines, zweiten Ausführungsbeispiels, und

Figur 5 ein Schaltschema eines dritten Ausführungsbeispiels.

Aus Figur 1 ist das Prinzip des Erfindungsgedankens erkennbar. Ein Kraftmesser 10 wird mit der Wägelast ΐΐΐχ belastet und gibt ein lastabhängiges Signal U^ ab, in der Regel eine Spannung. Dieses Signal wird, gegebenenfalls nach Passieren von Netzwerken 12, 14 weitgehend beliebiger Art (z.B. Filtern), als lastabhängiges Eingangssignal X einem Dividierer 22 zugeführt. Dieser kann beispielsweise ein Analogbaustein sein oder ein dividierender Analog-Digital-Wandler.

Ein weiterer Kraftmesser 16 ist mit einer konstanten Referenzmasse mg belastet und liefert ein Ausgangssignal üq, welches ähnlich dem Signal ü·^ Netzwerke 18, 20 passieren kann und als Signal Y ebenfalls dem Dividierer 22 zugeführt wird, dessen Ausgangssignal, gegebenenfalls nach geeigneter Umrechnung* z.B. in Gewichtseinheiten, einer Anzeige 24 zugeleitet wird.

Der bis hierher konventionellen Verarbeitungsschaltung 12, 14, 18, 20, 22 ist nun gemäss der Erfindung eine Verknüpfungsschaltung 25 zugeordnet, welche die Signalflusspfade von U^ und Uq zwischen den Kraftmessern, 10, 16 und dem Dividierer 22 verknüpft, und zwar in der Weise, dass dem Referenzsignal ein lastabhängiges Signal des Lastpfades zugeführt wird. Der Ort· der Verzweigung kann dabei

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variieren, d.h. die Verknüpfung muss nicht notwendigerweise zwischen den Netzwerken 12 und 14 bzw. 18 und 20 geführt sein; auch können die Netzwerke 12 und 18 bzw. 14 und 20 ganz entfallen.

' Im allgemeinen genügt eine Verknüpfung 25. Es sind aber auch Fälle denkbar, in denen mehrere Verknüpfungen mit gleicher Signalflussrichtung zweckmässig sind.

Als Kraftmesser kommen im Prinzip alle in Betracht, die eine lastabhängige Ausgangsspannung liefern, also beispielsweise Federkraftmesser mit elektrischer Abtastung oder Dehnungsmessstreifen-Kraftmesszellen, aber auch Kraftmesser mit elektromagnetischer Kraftkompensation. Handelt es sich bei den Kraftmessern um solche mit digitalem Ausgangssignal (z.B. Saitenmesszellen), so treten an die Stelle der analogen Verarbeitungs- und Verknüpfungsschaltungen entsprechende logische Verknüpfungen bzw. Programme für die digitale Verrechnung.

Zur räumlichen Ausführung ist zu bemerken, dass es für die Anwendung der Erfindung prinzipiell keine Rolle spielt, ob die beiden Kraftmesser 10 und 16 räumlich getrennt, ob sie in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet oder gar zu einem einzigen Gerät zusammengefasst sind (wobei die letzten beiden Varianten gewisse Vorteile bieten) .

Beispiel I (Figuren 2 und 3)

Diese Ausführungsform ist zugeschnitten auf Kraftmesser-Paare mit einer analogen Deformationsmessung, also Z_x.B. Federwaagen mit elektrischer Abtastung der Auslenkung oder Lastzellen mit Dehnungsmessstreifen (DMS).

Das Lastsignal Uj gelangt nach Passieren eines Tiefpassfilters 26 (Operationsverstärker O2, Kondensator C5 und

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Widerstand R7) als Signal X an den Eingang des Dividierers (22). Ausserdem wird das Lastsignal Ui, ebenso wie das Referenzsignal Ug, einem subtrahierenden Differentiator 28 zugeführt. Das resultierende Signal U⁺ wird nach nochmaliger Differentiation durch den Kondensator " C4 bei Punkt 30 (Summationspunkt am invertierenden Eingang von O3) dem Referenzsignal Uq überlagert, und nach Filterung im Tiefpass 32 steht das Signal Y am zweiten Eingang des Dividierers (22) an. Der Tiefpass 32, bestehend aus Operationsverstärker O₃, Kondensator Cg und Widerstand Rg, ist dabei gleich aufgebaut wie der Tiefpass 26.

Die Verknüpfungsschaltung 28 (Widerstände Rj bis R* , Kondensatoren C₁, C2, C^ und Operationsverstärker O₁) wirkt bei tiefen Frequenzen als Differentiator 2. Ordnung und bei höheren Frequenzen als Differentiator I. Ordnung.

Aus den Differentialgleichungen von Mess- und Referenzsystem lässt sich unter der Voraussetzung, dass jedes System nur eine Feder, eine Masse und ein Dämpfungselement enthält, folgende Beziehung ableiten, in welcher die Beschleunigung b nicht mehr enthalten ist und die Messlast m^ explizit vorliegt:

m-j. (λ + Pp)U₁

m₀ (λ + PP)U₀,+ ρ² Hi₀(U₀ - U₁)

Darin bedeuten

λ, die Federkonstante,

ρ den Reibungskoeffizienten der Dämpfung, und ρ die Ableitung nach der Zeit (p = d/dt).

Dabei wurden gleiches Last- und Referenzsystem vorausgesetzt (also z.B. X₁ = Xq, P₁ = P₀). Bei ungleichen Systemen ändert sich am Prinzip nichts, lediglich die Gleichungen werden etwas komplizierter. ■

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Zur Eliminierung höherfrequenter Störbeschleunigungen sollen beide Pfade mit der Funktion

(λ +pp) (1 + pT)
gefiltert werden. Es ergibt sich

In₁ T + pT

(T = eine Zeitkonstante)

^rao ^uo

1 + pT (λ + pp)(1 + pT)

In der oben beschriebenen Schaltung erfüllen die Tiefpassfilter 26, 32 die Funktion l/(l+pT), und die Verknüpfung 28 erzeugt die Subtraktion sowie die Funktion p^iüq/ (λ+ρρ), wobei die Frequenz λ/2πρ den Uebergang zwischen der Wirkung als Differentiator 2. Ordnung (unterhalb) bzw. 1. Ordnung (oberhalb) bildet.

In Figur 3 ist qualitativ der Einfluss von Störbeschleunigungen auf die Anzeige dargestellt. Dabei steht F für die Anzeigeschwankung bei gegebener Auflösung und gegebener Beschleunigungsamplitude, f für die Störfrequenz.

Die ausgezogene Kurve A veranschaulicht das Verhalten eines Kraftmessers: Bei allen Frequenzen unterhalb der durch das jeweilige Filterverhalten bestimmten Grenzfrequenz wird die Anzeige von fitörbeschleunigungen stark beeinflusst. Für einen konventionellen Massenmesser mit bezüglich der höheren Frequenzen gleichem Filterverhalten zeigt die gestrichelte Kurve B, dass nur bei sehr tiefen Frequenzen eine Beruhigung der Anzeige eintritt, d.h. nur hier haben Störbeschleunigungen keinen Einfluss mehr; im übrigen sind die AnzeigeSchwankungen vergleichbar denjenigen beim Kraftmesser (Kurve A). Die strichpunktierte Kurve C zeigt, bei sonst unveränderten Parametern, die starke Verringerung der Anzeigeschwankungen'auch bei

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.3.

Störungen im mittleren Frequenzbereich, die sich bei Anwendung der erfindungsgemässen Verknüpfungsschaltung erzielen lässt.

Beispiel II (Figur 4)

" Bei diesem Beispiel arbeiten die beiden Kraftmesser mit elektromagnetischer Kraftkompensation. Die beiden Ausgangssignale U^ und Uq sind hier die den beiden Kompensationsströmen entsprechenden Spannungen. Infolge der Anwesenheit von Regelkreisen zur Rückführung der Lastaufnehmer in die Soll- bzw. Gleichgewichtsposition wird hier die Verknüpfungsschaltung etwas komplexer als im Beispiel I.

Unter der Annahme gleicher Kompensationssysteme und gleicher PID-Regler im Mess- und im Referenzsystem, mit einer Uebertragungsfunktion der Regelstrecke von

fg = . (η ₌ Konstante)

λ + pp + p^m

ferner mit Reglern nach der Funktion

f_R = V(pT-i + 1 + ) (V = Konstante)

pT₂

sowie mit je einem Filter im Last- und im Referenzsignalpfad nach der Funktion

ρΤ₂(λ + pp) Vl -ι

_{(1 pT} )

Vn(I + ρτ₂ + P

kann folgende Beziehung abgeleitet werden:

^Ul

1 + pT₃

U₀ p³m₀T₂ U₀

νη(1 +pT₂ +P^T₁T₂) +PT₂ (λ + pp)_

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Dieser Beziehung entspricht das Schaltbild in Figur 4:

- Die beiden Tiefpassfilter 34 und 36 erfüllen die Funktion l/(l+pT₃),

- das subtrahierende Netzwerk 38 bildet die Differenz Uq U₁,

■- das Netzwerk 40 ist ein Hochpass 3. Ordnung und wirkt bei tiefen Frequenzen als Differentiator 3. Ordnung, bei hohen Frequenzen als Differentiator I. Ordnung. Es erfüllt die Funktion gemäss dem 1. Faktor des 2. Suramanden im Nenner der obigen Beziehung .

- Die Summation der beiden Summanden im Nenner der obigen Beziehung erfolgt beim Punkt 41 (invertierender Eingang des Operationsverstärkers O, im Tiefpass 36).

Beispiel III (Figur 5)

Dieses Ausführungsbeispiel zeigt eine Variante zu Beispiel II. Hier werden ausser den Messsignalen U^, Ug auch die Positionsgebersignale u-^, u„ in die Verarbeitung einbezogen. Diese Methode gestattet es, auf die Berücksichtigung der Reglerfunktion zu verzichten. Daraus ergibt sieht eine zwar an Netzwerken etwas reichere Schaltung, die jedoch hinsichtlich der Auslegung leichter zu handhaben ist, da die einzelnen Funktionen einfacher sind.

Im Gegensatz zu Figur 4 sind der besseren Uebersichtlichkeit halber in Figur 5 die Tiefpassfilter nicht eingezeichnet.

Wiederum liegt gleiche Ausbildung von Mess- und Referenzsystem bezüglich des Messprinzips vor, wie im Beispiel II. Unterschiedliche konstruktive Ausbildung führt zu ,verschiedenen Werten der Konstanten (Indizes 1 bzw. 0). Damit lässt sich folgende Beziehung für die Signalverarbeitung aufstellen (ß = Konstante):

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λ-, + PP₁

β·, U₁ + — =—U-

In₁ . ^μ1 1 H₁ ^UJ

^ßu ⁺

-Dieser Beziehung entspricht Figur 5:

- Die Netzwerke 42 und 44 erzeugen die Funktionen

^λ0 ^{+ PP}0
bzw. :

- Die Netzwerke 4& und 48 wirken als Differenzierglieder 1. Ordnung, und das Netzwerk 50 (mit R₁₁C₅ = R₁₂C₆) arbeitet als Subtrahierer und ebenfalls Differenzierglied 1". Ordnung. Die Netzwerke 46, 4 8 .und 50 zusammen ver-

wirklichen die Funktion ρ mn

- Die Additionen erfolgen über die Widerstände R₅, R^ bzw. R₆, R₈, R₁₃.

Ueber die gezeigten und erläuterten Netzwerke hinaus wird ferner zweckmässig sein, in den Eingangspfaden von U₁ und Uq noch je ein Filter vorzusehen, um ein sonst mögliches Uebersteuern der Differenzierkreise zu vermeiden. Dies gilt übrigens auch für Beispiel II. -

Beschrieben wurde die Verwendung von Differenziergliedern. Stattdessen könnten in bekannter Weise auch Integratoren in einem Gegenkopplungspfad verwendet werden.

Weitere Variationen des Erfindungsgedankens sind möglich. Die jeweilige Ausgestaltung der Verknüpfungsschaltung hängt u.a. ab vom Messprinzip, das in den Kraftmessern angewendet wird, und von den Konstrüktionsdaten der Systerne. ,

. Wesentliche Vorteile des hier vorgestellten Prinzips sind:

- Es ist bei direkt messenden Systemen (d.h. bei solchen ohne Regelkreis), wie z.B. Federwaagen oder DMS-Zellen,

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■Λ2.

die einzig erkennbare Lösung zur (theoretisch vollständigen) Eliminierung von Störbeschleunigungen bei gleichzeitiger voller Ausnutzung der vom Messsystem her möglichen Wäge- bzw. Messfrequenz.

- Es ist bei Systemen mit Regelkreisen eine einfachere Alternative zur Möglichkeit, das Rege!verhalten an wechselnde Lasten anzupassen (bei jener Möglichkeit wird die Regelung unlinear und ist somit schwerer beherrschbar) .

- Es ist auch auf digitale Systeme anwendbar. Bei digitaler Signalverarbeitung sind die logischen Schaltkreise bzw. die Rechnerprogramme sinngemäss entsprechend den oben für den Fall der analogen Signalverarbeitung beispi.elsvieise angeführten Verknüpfungsparametern auszulegen.

- Es erlaubt die Konstruktion von schnell arbeitenden Systemen mit ruhiger Anzeige unabhängig von der Frequenz der Störvibrationen.

- Es setzt nicht die Anwendung desselben Messprinzips im Mess- und im Referenzteil voraus.

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L e e r s e i t e

Claims

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Sprüche

Elektrischer Massenmesser mit einem -Lastteil und einem Referenzteil sowie mit einer Schaltung zur Verarbeitung von Signalen des Last- und des Referenzteils, welche Verarbeitung eine Verhältnisbil&ung zur Lieferung des Messergebnisses umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsschaltung wenigstens eine zusätzliche Verknüpfungsschaltung umfasst, die dem Referenzsignalpfad ein Signal des Lastteils zuführt und wenigstens ein frequenzabhängiges Glied aufweist.
2. Elektrischer Massenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Verknüpfungsschaltung nur lineare Netzwerke umfasst.
3. Elektrischer Massenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsschaltung im Last- und im Referenzsignalpfad wenigstens je ein gleiches Filter auf v/eist.
4. Elektrischer Massenmesser nach Anspruch 1, bei welchem der Last- und der Referenzteil jeder für sich aus einer Gleichgewichtslage auslenkbar ist und je ein Positionsgeber entsprechende Ausgangssignale liefert, ferner mit je einem Regelkreis zur Rückführung von Last- und Referenzteil in die Gleichgewichtslage, dadurch gekennzeichnet, dass Eingänge der Verknüpfungsschaltung mit Ausgängen der Positionsgeber verbunden sind.

ORIGINAL INSPECTED

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