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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Waage mit einer elektronischen
Kraftmeßzelle, einer Auswerteschaltung und einer Meßwertduugabueinheit, beispielsweise
in Form einer digitalen Anzeige.
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Waagen dieser Art werden im allgemeinen in Luft betrieben, manchmal
auch in einem anderen Medium wie z.B. Schutzgas.
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Durch dieses umgebende Medium erfährt das Wägegut einen Auftrieb,
so daß auf die Kraftmeßzelle nur die Differenz zwischen Gewicht des Wägegutes und
Auftrieb des Wägegutes einwirkt; daher wird in der Meßwertausgabeeinheit auch nur
diese Differenz ausgegeben bzw. angezeigt. Bei Kenntnis der Dichten des Wägegutes
und des umgebenden Mediums kann das Absolutgewicht des Wägegutes durch eine Korrekturformel
errechnet werden. Um diese Korrektur in der Praxis zu vermeiden, wurde der "konventionelle
Wägewert" eingeführt (z.B. Anlage 8. 6 der Eichordnung), der sich auf Wägungen bei
20"C in Luft der Dichte 1,2 kg/m3 auf einer Waage, die mit Gewichtsstücken der Dichte
8.000 kg/m3 geeicht wurde, bezieht. Bei Proben mit der Dichte 8.000 kg/m3 ist der
konventionelle Wägewert also mit der wahren Masse identisch, bei Proben anderer
Dichte besteht ein definierter Unterschied. Auf die Einhaltung der Normbedingungen
gemäß der Definition des konventionellen Wägewertes wird jedoch in der Praxis selten
geachtet, da man meint, die kleinen Änderungen der sowieso kleinen Auftriebskorrektur
seien vernachlässigbar klein. Überprüft man dieses, so stellt man jedoch fest, daß
z.B. eine 100 g-Stahlprobe der Dichte 8.000 kg/mS bei der Normal-Luftdichte von
1,2 kg/mg einen Auftrieb von 15 mg erfährt. Bei einer Temperaturänderung von 2°C
ändert sich die Luftdichte um 0,6 %, das ergibt eine Auftriebsänderung von 0,1 mg.
Bei einer Luftdruckänderung von 5 %, wie sie häufiger vorkommt, ändert sich die
Luftdichte ebenfalls um 5 %, was eine Auftriebsänderung
von 0,75
mg ergibt. Nimmt man weiter eine Auflösung der elektronischen Waage von 0,1 mg an,
so zeigt sich, daß besonders die Luftdruckänderungen zu deutlich sir:htbaren Fahlern
führen, wenn die bei der Festlegung des konventionellen Wägewertes vorausgesetzten
Normbedingungen ungeprüft als erfüllt angesehen werden. Um diese Fehler zu vermeiden,
muß man also wieder rechnerische Korrekturen durchführen, so daß die Einführung
des konventionellen Wägewertes bei elektronischen Waagen hoher Auflösung nicht zu
der eigentlich beabsichtigten Vereinfachung der Wägung führt.
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Diesem Nachteil will die Erfindung abhelfen und hat es sich daher
zur Aufgabe gemacht, eine elektronische Waage so weiterzubilden, daß sie unabhängig
vom momentanen Luftdruck stets den konventionellen Wägewert anzeigt.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Druckaufnehmer
für den Druck der Luft vorhanden ist und daß dieser Druckaufnehmer die Empfindlichkeit
der Waage druckabhängig verändert.
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Bei Spezialwaagen, die für Wägungen in beliebigen Gasen vorgesehen
sind, hat es sich die Erfindung ebenfalls zur Aufgabe gemacht, diese Waagen so weiterzubilden,
daß sie unabhängig vom momentanen Gasdruck und unabhängig von der Gasart stets den
konventionellen Wägewert anzeigen.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine Eingabemöglichkeit
für die Dichte des Gases unter Normalbebedingungen vorhanden ist, daß ein Druckaufnehmer
für den Druck des Gases vorhanden ist und daß Mittel vorhanden sind, die die Empfindlichkeit
der Waage in Abhängigkeit vom Druck und von der eingegebenen Normal-Gasdichte verändern.
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Die druckabhängige Veränderung der Empfindlichkeit kann in einer vorteilhaften
Ausgestaltung direkt innerhalb der Kraftmeßzelle erfolgen. In einer anderen Ausgestaltung
kann die druckabhängige Veränderung der Empfindlichkeit aber auch innerhalb der
Auswerteschaltung vorgenommen werden; dabei bietet es sich bei dem heutigen Stand
der Digital-Elektronik an, diese Empfindlichkeitsveränderung digital durch ein digitales
Multiplizierglied, beispielsweise im Rahmen des sowieso vorhandenen Mikroprozessors,
vorzunehmen.
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Die druckabhängige Veränderung der Empfindlichkeit kann in einer vorteilhaften
Ausgestaltung dadurch erreicht werden, daß der Druckaufnehmer, beispielsweise in
Form einer Barometerdose, durch seine Formänderung ein Hebelverhältnis innerhalb
der Kraftmeßzelle verändert.
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Bei Kraftmeßzellen mit elektromagnetischer Kraftkompensation kann
in einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Druckaufnehmer das Feld des Permanentmagnetsystems
verändern.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung verändert der Dru ckaufnehmer
einen elektrischen Widerstand, der die Verstärkung des Meßsigne.ls bestimmt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Druckaufnehmer
als mechanischer Geber mit nachgeschaltetem mechanisch/elektronischen Meßwertwandler
ausgeführt. Dies kann beispielsweise eine Silizium-Membran als Geber mit darauf
befindlichen Widerstandselementen als Meßwertwandler sein.
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Wieder in einer anderen Ausgestaltung kann der Druckaufnehmer ein
schwingungsfähiges Element enthalten, daß seine
Eigenfrequenz druckabhängig
verändert (Beispiel: schwingende Saite). Dieser Druckaufnehmer mit leicht digitalisierbarem
Ausgangssignal ist besonders vorteilhaft im Zusammenwirken mit einer digitalen Empfindlichkeitsveränderung
im Mikroprozessor.
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Bei Druckaufnehmern mit analog elektrischem Ausgangssignal kann in
einer weiteren Ausgestaltung ein nachgeschalteter Analog/Digital-Wandler vorhanden
sein, so daß auch hier die digitale Empfindlichkeitsveränderung im Mikroprozessor
möglich ist. Dieser Analog/Digital-Wandler wird besonders vorteilhaft ausgenutzt,
wenn er huber einen Umschalter auch auf weitere Meßwertaufnehmer umgeschaltet werden
kann. Dies können beispielsweise Temperatur- oder Feuchteaufnehmer sein, die entweder
evtl. vorhandene waagenspezifische Fehler ausgleichen sollen oder den geringen Einfluß
der Temperatur und der Feuchte auf die Luftdichte zu korrigieren gestatten.
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Zur quantitativen Bestimmung der durchzuführenden Empfind-Jichkeitskorrektur
geht man davon aus, daß die Kraftmeßzelle nur die Differenz zwischen dem Gewicht
rn und dem Auftrieb A des Wägegutes feststellt: mz = m - A Für die Normbedingungen
bei der Definition des konventionellen Wägewertes ist der Auftrieb ANorm = m . 1,2
kg / m3 8000 kg/ mS also z Norm = m . ( 1 ~ 1Z2 ) 8000
Bei Abweichungen
der Luftdichte 4L vom Normwert von 1,2 kg/m3 während der Messung ist der Auftrieb
in Wirklichkeit aber #L Aist = m # 8000 Kg/m3 also: mzist = m#(1 - ) 8000 Kg/m3
Die Korrekturformel ist also:
#L - 1,2 Kg/m³ mzNorm = mz ist # (1 + 8000 Kg/m3 ) Wobei in der Zwischenrechnung
quadratische und höhere Glieder wegen der Kleinheit der Korrektur vernachlässigt
wurden.
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Die Luftdichte #L ist nun mit der Normaldichte von 1,2 kg/m3 über
den Luftdruck p und den Normaldruck pO durch die Gleichung verknüpft: sL P 1,2 Kg/m3
pO
so daß man schließlich erhält:
Aus dieser Korrekturformel erkennt man, daß die Empfindlichkeit der Waage linear
mit dem Druck verändert werden muB.
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Der Korrekturfaktor ist z.B. bei 5 % Luftdruckänderung 0,05 # 1,2
1 + = 1 + 7,5 # 10-6 8000 Für den Spezialfall der Wägung in beliebigen Gasen erhält
man nach der entsprechenden Rechnung ( ScO = Gasdichte unter Normalbedingungen):
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigen: Fig.
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der Waage mit einer elektromagnetisch
kompensierenden Kraftmeßzelle und einer luftdruckabhängigen Beeinflussung des magnetischen
Feldes, Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausgestaltung der Waage, wobei
der Teil, der die Empfindlichkeit der Waage druckabhängig beeinflußt, detailliert
gezeichnet ist, und
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer dritten Ausgestaltung
der Waage mit einem analogelektrischen Druckaufnehmer und nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler
zur digitalen Empfindlichkeitsveränderung.
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Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Waage mit einer elektromagnetisch
kompensierenden Kraftmeßzelle. Der Lastaufnehmer 2, an dessen oberen Ende sich die
Waagschale 1 befindet, ist über ZWdi Lenker 4 mit Gelenkstellen 5 in Form einer
Parallelführung mit dem Waagengehäuse 3 verbunden. Am unteren Ende des Lastaufnehmers
2 ist ein Spulenkörper 6 mit einer Wicklung 7 befestigt. Diese Wicklung 7 befindet
sich im ringförmigen Luftspalt 8 eines Permanentmagnetsystems 9. Der Strom durch
die Wicklung 7 wird über einen Lagensensor 11, der die Lage des Schlitzes 10 abtastet,
und einen Regelverstärker 12 in bekannter Weise so geregelt, daß die elektromagnetisch
erzeugte Kraft gerade die vom Wägegut auf den Lastaufnehmer ausgeübte Kraft kompensiert.
Die Größe der elektromagnetisch erzeugten Kraft ist bekanntlich proportional zum
Produkt aus dem Strom I durch die Wicklung 7 und der magnetischen Feldstärke B im
Luftspalt 8 des Permanentmagnetsystems 9. Damit ist bei konstanter magnetischer
Feldstärke der Strom I ein Maß für die erzeugte Kraft. Am Meßwiderstand 13 wird
eine diesem Strom I proportionale Spannung abgegriffen, im Analog/Digital-Wandler
14 digitalisiert und, über einen Mikroprozessor 15 gesteuert, der Anzeige 16 zugeführt.
Alle diese Baugruppen sind in ihrer Funktion bekannt, so daß sie hier nur kurz angedeutet
wurden.
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Zur druckabhängigen Veränderung der Empfindlichkeit der Kraftmeßzelle
ist in Fig. 1 ein weichmagnetisches Leitstück 20 vorgesehen, das mehr oder weniger
in einen Schlitz 21 im Permanentmagnetsystem 9 eintaucht. Die Eintauchtiefe wird
über
einen Hebel 22 von einer Druckmeßdose 23 gesteuert: bei hohem Luftdruck taucht das
Leitstück 20 weniger ein als bei Normalluftdruck, so daß das magnetische Feld im
Luftspalt 8 etwas geringer ist Dadurch wird der zur Krafterzeugung notwendige Strom
I in der Wicklung 7 etwas größer, so daß die gemäß der Korrekturformel (I) notwendige
Vergrößerung des Anzeigewertes erreicht wird. Umgekehrt taucht das Leitstück 20
bei geringem Luftdruck stärker ein, so daß der Schlitz 21 mel-lr geschlossen wird
und das mdgnetische Feld im Luftspalt 8 etwas stärker als bei Normal luftdruck ist.
Dadurch wird der zur Krafterzeugung notwendige Strom I in der Wicklung 7 etwas geringer,
so daß die gemäß der Korrekturformel (I) notwendige Verkleinerung des Anzeigewertes
erreicht wird. Der gemäß der Korrekturformel notwendige lineare Zusammenhang zwischen
Druckänderung und Empfindlichkeitsänderung kann leicht durch entsprechende Formen
des Leitstückes 20 und des Schlitzes 21 erreicht werden.
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Eine zweite Ausgestaltung der Waage ist in Fig. 2 als Schaltbild bzw.
Blockschaltbild gezeigt. In dieser Ausgestaltung wird die druckabhängige Empfindlichkeitsveränderung
innerhalb der Auswerteschaltung der Waage durchgeführt. Die Kraftmeßzelle ist global
mit 18 dargestellt, sie gibt am Widerstand 13 ein zur Last auf der Waagschale 1
proportionales Ausgangssignal ab. Beispielsweise kann die Kraftmeßzelle 18 aufgebaut
sein wie in Fig. 1, Teile 2 bis 12. Dieses Ausgangssignal wird einem invertierenden
Verstärker 24 zugeführt, der aus dem Operationsverstärker 25 und den beiden Widerständen
26 und 27 besteht. Die Verstärkung dieses Verstärkers 24 ist.bekanntlich gleich
dem Verhältnis der beiden Widerstände 27 und 26.
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Der Widerstand 27 ist nun druckabhängig ausgeführt, so daß sich die
Verstärkung druckabhängig ändert. Die korrigierte Meßspannung wird im Analog/Digital-Wandler
14 digitalisiert und, über den Mikroprozessor 15 gesteuert, der Anzeige 16 zugeführt.
Die druckabhängige Veränderung des Widerstandes 27 kann dabei verschieden realisiert
sein: Einmal kann eine Druckmeßdose durch ihre Formänderung den Schleifer eines
Potentiometers verschieben, zum anderen k.3nn der Widerst3nd 27 als Feldeffekttrans
istor ausgeführt sein, der von dem elektrischen Ausgang eines mechanischen Druckaufnehmers
mit nachgeschaltetem mechanisch/elektronischen Meßwertwandler angesteuert wird.
Zur Kompensation des Temperatureinflusses wird dabei der Widerstand 26 zweckmäßigerweise
ebenfalls als Feldeffekttransistor, aber mit konstanter Steuerspannung, ausgeführt.
Weiter kann der Widerstand 27 auf einer Silizium-Membran, die sich druckabhängig
durchbiegt, eindiffundiert sein, also als piezoresistiver Dehnungsmeßstreifen wirken.
Auch in diesem Fall empfiehlt es sich, den Widerstand 26 zur Temperaturkompensation
ebenfalls als eindiffundierten Widerstand auszubilden, der an einer Stelle der Silizium-Membran
angeordnet wird, die keiner druckabhängigen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt
ist (evtl. auch an eine Stelle mit entgegengesetzter mechanischer Beanspruchung
zur Verdoppelung des Effektes!). Der richtige Vorfaktor für die druckabhängige Verstärkungsänderung
kann in bekannter Weise durch Vor-und Nebenwiderstände zum Widerstand 27 leicht
eingestellt werden.
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Eine dritte Ausgestaltung der Waage ist in Fig. 3 als Blockschaltbild
gezeigt. Die Kraftmeßzelle 18 gibt am Widerstand 13 ein zur Last auf der Waagschale
1 proportionales Ausgangssignal ab. Dieses Signal wird im Analog/Digital-
Wandler
14 digitalisiert und dem Mikroprozessor 15 zugeführt. Der Mikroprozessor 15 erhält
gleichzeitig über einen zweiten Analog/Digital-Wandler 30 die Information über den
momentanen Luftdruck, die momentane Temperatur und die momentane Luftfeuchte. Dazu
kann der Mikroprozessor 15 über eine Steuerleitung 35 den Umschalter 34 so schalten,
daß der analogelektrische Ausgang des Druckaufnehmers 31 oder des Temperaturaufnehmers
32 oder des Feuchteaufnehmers 33 mit dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers 30
verbunden ist. Aus diesen Informationen errechnet der Mikroprozessor 15 die momentane
Luftdichte und korrigiert die Empfindlichkeit der Waage digital entsprechend der
Korrekturformel. Dieser korrigierte Wert wird dann in der Anzeige 16 angezeigt.
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Selbstverständlich sind weitere Ausgestaltungen möglich: die Druckmeßdose,
die in Fig. 1 das magnetische Feld verändert, kann in einer anderen Ausgestaltung
durch ihre Formänderung die Länge eines Hebelarmes und damit die Kraftübersetzung
verändern. Oder ein druckabhängiger Widerstand kann parallel oder in-Reihe zum Meßwiderstand
13 geschaltet werden und so die Empfindlichkeit der Waage verändern. Oder es kann
ein Druckaufnehmer mit einem schwingungsfähigen Element, das seine Eigenfrequenz
druckabhängig verändert, benutzt werden, um dem Mikroprozessor in Fig. 3 ohne Zwischenschaltung
eines Analog/Digital-Wandlers die Druckinformation zukommen zu lassen.
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Soll die Wdage für Wägungen in beliebigen Gsen e inso t:zbar sein,
so muß für die Korrekturformel (II) neben dem Gasdruck auch die Dichte des Gases
unter Normalbedingungen bekannt sein und dementsprechend die Größe der druckabhängigen
Empfindlichkeitskorrektur eingestellt werden. Dies kann z.B. in Fig. 1 durch ein
anderes Hebelverhältnis am Hebel 22 erreicht werden, oder in Fig. 2 durch Parallel-
oder
Vorwiderst@nd@ zum druckabhängigen Widerstand 27, oder am einfachsten in Fig. 3
durch Eingabe des Wertes in den Mikroprozessor 15 und Berücksichtigung in der digitalen
Empfindlichkeitskorrektur.
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Diese Möglichkeit zur Berücksichtigung der Gasart kann aber auch für
Wägungen in Luft vorteilhafterweise ausgenutzt werden: Hat ein Waagen-Benutzer viele
Proben beispielsweise der Dichte 2000 kg/m3, so kann er sich einen eigenen konventionellen
Wägewert definieren, der sich auf die Dichte 2000 kg/m3 bezieht, statt auf die Dichte
8000 kg/m3 beim normalen konventionellen Wagewert. Die Waage wird dann auf diesen
Benutzer-eigenen konventionellen Wägewert eingestellt, in dem eine Gasdichte unter
Normalbedingungen von 4,8 kg/m3 eingegeben wird. Eine Probe der Dichte 2000kg/m3
in Luft der Dichte 1,2 kg/m3 unter Normalbedingungen erfährt nämlich denselben Auftrieb
wie eine Probe der Dichte 8000 kg/m3 in einem Gas der Dichte 4,8 kg/m3 unter Normalbedingungen.
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L e e r s e i t e