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Titel
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Verfahren zur selbsttätigen Kalibrierung einer Waage. Anwendungsgebiet
Die Erfindung kann zur Massenbestimmung durch Wägung eingesetzt werden, insbesondere
dann, wenn die Waage unter Bedingungen arbeiten muß, die die Genauigkeit der Wägung
nachteilig beeinflussen. Eine solche ist beispielsweise eine erhöhte Umgebungstemperatur.
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Zweck Mittels der Erfindung soll eine Waage selbsttätig kalibriert
werden, so daß die Genauigkeit der Waage unabhängig von der Umgebungstemperatur
und ihren Anderungen konstant bleibt. Das Wägeergebnis ist driftfrei. Hierdurch
kann die Genauigkeit der Waage zeitlich unbegrenzt garantiert werden.
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Stand der Technik mit Fundstellen Elektromechanische Waagen haben
meist eine lineare Kennlinie, Uber die die mechanische Eingangsgröße Masse oder
Gewichtskraft mit der elektrischen Ausgangsgröße Strom oder Spannung verbunden ist
(Wagner, F.E., Mirahmadi, A. : Wägen und Dosieren 7(1976)200-204; Wagner, F.E.,
Mirahmadi, A. : Thermochimica Acta 24(1978)227-241). Die Kennlinie ist durch zwei
Kennwerte vollständig beschreibbar (Bild 1). Diese sind Nullpunktfehler UO und Steigung
(Eichfaktor) K -- dU/dM.
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Beide Kennwerte unterliegen dem Einfluß der Eigenschaften der mechanischen,
elektro-mechanischen, elektrischen und elektronischen Bauelemente der Waage.
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Kritik des Standes der Technik Dies hat zur Folge, daß der Entwickler
elektro-mechanischer und elektronischer Waagen durch geeignete Maßnahmen für die
Konstanz der Eigenschaften der Bauelemente der Waage sorgen muß. Bezüglich der als
Störgröße wirkenden Temperatur ist dies in der Praxis mit technischem und wirtschaftlichem
Aufwand möglich, wobei ein direkter Zusammenhang zwischen Aufwand und Genauigkeit
der Waage besteht. Hinsichtlich der auf
die beiden Kennwerte als
Störgröße wirkenden Zeit (Alterung) wird die Konstanz der Kennwerte durch Kalibrieren
der Waage überprüft. Dies geschieht in der Regel in größeren Zeitabständen. Während
der Oberprüfung der Waage wird diese dem Meßprozeß notwendigerweise entzogen. Die
"Konstanz" der Kennwerte einer Waage wird zwischen zwei Kalibrierzeitpunkten auf
Grund von Erfahrung durch Festlegen von Garantie- oder Eichfehlergrenzen nicht jedoch
auf Grund fortwährender Überprüfung durch Messung bestätigt.
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Vorteilhaft wäre ein Wägeverfahren, mit dessen Hilfe die Masse unabhängig
von den beiden Kennwerten der Waage bestimmt werden könnte. Das Wägeergebnis ist
dann frei von systematischen Fehlern. Dies ist unter Einbeziehung einer selbsttätigen
Kalibrierung in den Wägevorgang möglich.
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Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufoabe zugrunde, den Meßwert einer
elektro-mechanischen Waage so zu gewinnen, daß er frei von systematischen Fehlern
ist.
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Lösung Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch
serielles Auflegen einer Referenzmasse und des Wägegutes auf die Waagschale die
beiden Kennwerte der elektro-mechanischen Waage - Nullpunktfehler und Eichfaktor
- so im Wägeergebnis berücksichtigt werden, daß dieses von den beiden Kennwerten
und Änderungen dieser Kennwerte unabhängig wird. Die auf die Waagschale aufgelegte
Referenzmasse wirkt auf die elektromechanische Waage als mechanisches Testsignal.
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Weitere Ausgestaltung der Erfindung Das Meßverfahren vollzieht sich
in drei nacheinander (seriell) erfolgenden Schritten.
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Im 1. Schritt wird der Nullpunktfehler UO der unbelasteten Waage erfaßt
und gespeichert.
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Im 2. Schritt wird eine Referenzmasse mr auf der Waagschale abgelegt.
Sie hat am Waagenausgang die Spannung U1 zur Folge. Von dieser wird die Spannung
UO elektronisch abgezogen. Die Spannungsdifferenz
U1 - Uo K1 mr
(1) wird gespeichert.
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Im 3. Schritt wird das Wägegut, dessen Masse mx beträgt, auf der
Waagschale abgelegt. Hieraus resultiert am Waagenausgang die Spannuna U2. Von dieser
wird die Spannung Uo elektronisch abgezogen. Die Spannungsdifferenz U2 - Uo - K2
m (2) wird gespeichert.
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Bei der sich an die Meßwerterfassung anschließenden Meßwertverarbeitung
wird aus den gespeicherten Spannungsdifferenzen (1) und (2) mittels des Zwei-Rampen-Verfahrens
(Dual-Slope) gemäß (3) der Quotient gebildet.
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U2 - U@ K2 m@ (3) U1 - Uo K1 mr Unter der Voraussetzuno, daß sich
die Steigung der Waagenkennlinie während der seriellen Meßwerterfassung nicht ändert,
sind die Eichfaktoren K1 und K2 in (3) gleich, so daß sich (4) ergibt.
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U2 - U0 m (4) U1 - Uo mr Folglich hängt das Wägeergebnis nur von
der Referenzmasse mr ab, nicht aber von Nullpunktfehler und Eichfaktor. Wegen der
sehr guten Konstanz der Referenz dient diese als Kalibriergröße.
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Erzielbare Vorteile : Die durch die Erfindung erzielten Vorteile sind
- selbsttätige Kalibrierung der Waage - Unabhängigkeit des Wägeergebnisses von Temperaturdrift
- Unabhängigkeit des Wägeergebnisses von Alterungsdrift - Wägeergebnis unabhängig
von der Erdbeschleunigung - erhöhte Meß- und Funktionssicherheit - keine speziellen
Anforderungen wie Temperaturkonstanz an die verwendeten Bauelemente.
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Beschreibung einer Ausführung : Als Waage wurde eine selbstkompensierende
oberschalige Wägezelle verwendet. Diese nimmt während des Meßvorganges einen Vergleich
zwischen der Gewichtskraft und der elektrischen Kompensationskraft vor. Das Meßergebnis
ist folglich eine der Gewichtskraft proportionale elektrische Spannung. Um den Meßwert
mittels des zuvor beschriebenen seriellen Meßverfahrens zu gewinnen, sind Referenzmasse
und zu ermittelnde Masse nacheinander von der Waagschale der Wägezelle aufzunehmen.Durch
die später erfolgende Quotientenbildung entfällt die Erdbeschleunigung, so daß das
Meßergebnis proportional zur Masse ist.
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Das Wägegut wird mit einem Behälter auf der Waagschale abgesetzt.
Daher geht als dritte mechanische Größe das Taragewicht in den Meßablauf ein, in
dessen Strukturbild als Eingangsgrößen auf die Wägezelle die Gewichtskräfte F von
Referenz (Fr), Tara (Ft) und Wägegtt (Fx) wirken (Bild 2). Die Temperatur T wirkt
als Störgröße auf die Wägezelle.
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Durch automatisches Be- und Entlasten der Wägezelle mittels einer
Hilfsvorrichtung, die gemäß einem Programm (Tabelle 1) gesteuert wird, entstehen
am Ausgang der Wägezelle die den Programmschritten entsprechenden Spannungen.
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Die zur selbsttätigen Kalibrierung der Wägezelle erforderliche Quotientenbildung
(4) sowie die Digitalisierung des Meßwertes wird mit dem Zwei-Rampen-Verfahren (Dual-Slope),
das etwas modifiziert wurde, bewerkstelligt (Bild 3). Die Modifizierung besteht
einerseits darin, daß die entsprechend dem Steuerprogramm (Tabelle 1) anfallenden
Spannungen in Kondensatoren gespeichert werden, bevor die A/D-Umsetzung vorgenommen
wird und andererseits in der Wahl des Integranden bei der A/D-Umsetzung, so daß
der digitale Meßwert Z (Bild 2) frei vom Nullpunktfehler der Wägezelle ist.
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Das Speichern der Spannungen ist erforderlich, da die gewichtskraft-proportionalen
Spannungen nacheinander anfallen.
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Durch zweifache Anwenden des Zwei-Rampen-Verfahrens gelingt es, den
Einfluß der Tara aus dem Meßwert zu eliminieren, so daß (5) gilt.
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m Z (5) mr (@)
| SCHRITT WÄGEVORGANG ANALOGAUSGANG DER WÄGEZELLE |
| AUF DER WAAGSCHALE ABGELEGT |
| REFERENZ TARA GEWICHT SPANNUNG |
| 1 Uo |
| 2 + + U2 - Uo + Ur + Ut |
| 3 + U1 - Uo + Ur |
| 4 + + + U3 - Uo + Ur + Ut + Ux |
| 5 + U1 - Uo + Ur |
| 6 Uo |
TABELLE
L e e r s e i t e