DE3125133A1 - "verfahren und vorrichtung zur messung von physikalischen groessen, insbesondere gewichten" - Google Patents

"verfahren und vorrichtung zur messung von physikalischen groessen, insbesondere gewichten"

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DE3125133A1 DE19813125133 DE3125133A DE3125133A1 DE 3125133 A1 DE3125133 A1 DE 3125133A1 DE 19813125133 DE19813125133 DE 19813125133 DE 3125133 A DE3125133 A DE 3125133A DE 3125133 A1 DE3125133 A1 DE 3125133A1
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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur Messung von physikalischen
  • Größen, insbesondere Gewichten Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Messung von physikalischen Größen nach der Gattung des Hauptanspruchs bzw. des ersten Vorrichtungsanspruchs.
  • Bei der Messung von physikalischen Größen ist bekannt, elektrische Bauelemente zu verwenden, die bei Einwirkung der physikalischen Größe mit einer änderung ihrer elektrischen Eigenschaften reagieren. So ist es beispielsweise bekannt, zur Bestimmung von Gewichten, also für die Durchführung von Wiegevorgängen Meßzellen oder Meßdosen zu verwenden, die in Form von Meßbrücken aufgebaut sind und Widerstände in Form von sogenannten Dehnungsmeßstreifen aufweisen, die bei einer Belastung und damit mechanischer Spannungs änderung mit einer Änderung ihres-elektrischen Widerstands reagieren. Durch die Anor.dnung solcher Dehnungsmeßstreifen in Form einer Meßbrücke lassen sich dann Differenzwerte mit entsprechender Genauigkeit feststellen. Nachteilig ist aber bei solchen, auf MeBbrükken zurückgehenden Wägezellen, daß sich zusätzlich zu dem das Gewicht anzeigenden Differenzsignal Störgrößen ergeben, also eine Verfälschung des Ausgangssignals durch Driften, Thermospannungen, Thermodriften und sonstige Einflüsse.
  • Es ist daher bekannt, solche Meßbrücken mit einer Wechselspannung, und zwar vorzugsweise mit einer Rechteckwechselspannung anzusteuern, wodurch Gleichspannungsdriften, Thermodriften und im übrigen die meisten der sonstigen Störgrößen eliminiert werden können; außerdem kann die Verstärkung und Weiterverarbeitung eines Wechselspannungs-Ausgangssignals einfacher sein.
  • Zum besseren Verständnis der durch die Erfindung erlangten Problemlösung ist es sinnvoll, den Ausgangspunkt der Erfindung anhand der Darstellung der Fig. 1, die sich daher auf ein bekanntes Verfahren und eine bekannte Vorrichturg zur Umsetzung speziell von Gewichten in eine elektrische, auch anzuzeigende Ausgangsgröße bezieht, soweit wie erforderlich auch genauer zu erläutern. Dies geschieht weiter unten.
  • Dabei ergibt sich, daß bei den bisher bekannten Verfahren, bei denen durch "Samplen" und Integration bzw. Addition der jeweils gesampelten und entsprechend ihrer Phasenlage auch invertierten Ausgangssignale ein Meßsignal gewonnen wird, ein Mbßsígnal auftritt, der durch keine der sich zur Verbesserung der bekannten Verfahren anbietenden Maßnahmen beseitigt oder kleingehalten werden kann. Dieser Meßfehler tritt als periodische Langzeitschwankung des angezeigten Wertes oder Gewichtes um einen Mittelwert auf und ist auf das gezielte Sampeln nur eines vorgegebenen Meßsignalausschnitts zurückzuführen, wie weiter unten noch erläutert wird.
  • Aufgabe der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ein solches Verfahren zur Messung und Bestimmung von physikalischen Größen, insbesondere von Gewichten zu schaffen, bei dem einerseits die Wechselspannungsspeisung der Eingangsmeßschaltung zwar beibehalten werden kann, andererseits aber die erwähnten Langzeitschwankungen des Meßergebnisses zuverlässig eliminiert sind. Dabei versteht es sich, daß die vorliegende Erfindung beschrieben wird zwar anhand eines Schaltungsaufbaus, der sich insbesondere eignet zur Bestimmung von Gewichten, also für Wägevorgänge, der sich-aber auch zur Anwendung bei anderen physikalischen Meßverfahren immer dann eignet, wenn die Eingangsschaltung, die das elektrische, weiter zu verarbeitende und anzuzeigende Ausgangssignal erzeugt, durch ein Wechselspannungssignal fremdgespeist ist, insbesondere wenn bei der Verarbeitung sogenannte Sample-and-Hold-Techniken angewendet werden.
  • Vorteile der Erfindung Der Erfindunogelingt es, durch Abstimmung der Frequenz der Speisewechselspannung für die Meßbrücke auf die Meßratenfrequenz des der Verstärkerkette nachgeschalteten digitalen Volt meters die Fehler des bisherigen Sample-Vorgangs zu vermeiden und gleichzeitig durch Speicherung und gegebenenfalls Invertierung je nach Phasenlage eine einwandfreie Mittelwertbildung durchzuführen, so daß unsymmetrische Störquellen eliminiert werden. Probleme mit Einschwingvorgängen ergeben sich bei vorliegender Erfindung in nennenswerter Weise nicht; der angezeigte Endwert ist durch solche Erscheinungen nicht beeinflußt. Dabei liegt eine übliche Meß- bzw. Wiederholungsrate von Digitalvoltmetern in der Größenordnung zwischen etwa 100 bis 300 msec und auf diese Wiederholungsrate des den Ausgangsmeßwert der Meßdose an erster Stelle verarbeitendenDigitalvoltmeters ist die Frequenz der Speisespannung für die Meßdosen-Brückenschaltung abgestimmt.
  • Bei vorliegender Erfindung ist neben der erheblichen Vereinfachung und der schon dadurch erzielten Betriebssicherheit noch von besonderem Vorteil, daß die Verarbeitung insgesamt auf digitaler Basis erfolgt, im Gegensatz zu Verfahren, die den jeweils gesampelten und in jeder zweiten Halbphase auch invertierten Wert an einem analogen Sample-Kondensator integrieren. Aufgrund der erheblichen Fortschritte, den die Technik auf dem Gebiet der digitalen Datenverarbeitung gemacht hat, sind solche bisher notwendigerweise angewendeten analogen Verarbeitungsschritte als wesentlich aufwendiger anzusehen und können auch, schon von ihrer Natur her, nicht den erforderten Genauigkeitsgrad erbringen.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.
  • Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in einer schematischen Blockbilddarstellung den üblichen Aufbau einer Schaltung zur Durchführung hier speziell von Wägevorgängen, wobei wesentliche Verarbeitungsbereiche für die aus der Meßzelle gewonnenen Daten analog ausgelegt sind, und Fig. 2 ebenfalls in einer schematischen im wesentlichen eine Blockbilddarstellung bildenden Schaltung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur digitalen Verarbeitung und Anzeige von Wägeergebnissen.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele Zunächst wird anhand der Darstellung der Fig. 1 ein übliches, mit einer Sample-and-Hold-Schaltung arbeitendes Verfahren zur Ermittlung von Gewichten, also zur Durchführung eines Wägevorgangs angegeben, welches den Ausgangspunkt vorliegender Erfindung bildet. In Fig. 1 ist die Meßdose oder Meßzelle in Form einer Vollbrücke mit 1 bezeichnet; die Speisespannung in Form einer Rechteckspannung 2 wird an den Anschlüssen 3 zugeführt, während die sich ergebende Verstimmung der Meßbrücke bei Auflegen eines Gewichts wie üblich über der Meßdiagonalenabgenommen und einem nachgeschalteten Differenzverstärker 4 zugeführt ist. Vom Ausgang des Differenzverstärkers 4 gelangt das, positive und negative Rechteckhalbwellen aufweisende und bei 5 dargestellte Signal auf zwei im Gegentakt arbeitende Schalter S1 und S2, wobei dem Schalter S2 das Signal bei 6"invertiert zugeführt wird. Durch die Rechteck-Wechselspannunosspei sung werden Gleichspannungsdriften und Thermodriften unterdrückt; durch das Sampeln mit den beiden Schaltern S1 und S2 wird lediglich ein solcher vorgegebener Teilbereich der gesamten Ausgangssignalhalbwelle jeweils ausgewählt, wie dies der Einschaltdauer der Schalter S1 und S2 entspricht - die Schaltfrequenzen für diese Schalter sind auf das Ausgangssignal 5 bezogen als f51 und fS2 in Fig. 1 ebenfalls angegeben -, wobei Einschwingvorgänge und sonstige unsymmetrische Störgrößen eliminiert werden.
  • Die Ausgangssignale der beiden Schalter S1 und 52 werden dann am Sample-Kondensator 6 zusammengeführt und integriert.
  • Über einen nachgeschalteten Verstärker 7 und eine Filtereinheit 8 gelangt das so aufbereitete und lediglich einen einzigen, gefilterten positiven Wert darstellende Ausgangssignal der Meßbrückenschaltung 1 auf ein Digitalvoltmeter DVM mit Anzeigesegment 9.
  • Bezieht sich dieser ganze Auswerte- und Verarbeitungsvorgang auf die Messung eines Gewichtes, dann muß damit gerechnet werden, daß ständig Störgrößen vorhanden sind, beispielsweise solche, die durch das Auflegen des Gewichtes in Form von Schwingungen entstehen und allmählich abklingen, aber auch sonstige Störsignale, die auf Schwingungen des Gebäudes, auf Luftschwingungen und dergl. zurückzuführen sind. Im allgemeinen gelingt es aber, durch den Sample-Vorgang, durch die Addition der beiden jeweils negativen und positiven Halbwellen am Kondensator 6 sowie durch eine geeignete Langzeitfilterung an der Filtereinheit 8 sicherzustellen, daß ein vom Digitalvoltmeter angezeigter Mittelwert auch tatsächlich dem anzeigten Gewicht entspricht, allerdings mit einer besonders schwerwiegenden Ausnahme, die in nachteiliger Weise sogar eine relativ häufige Begleiterscheinung bei solchen Meßverfahren ist. Diese Ausnahme besteht darin, daß die Frequenz des Störsignals mit der Speise- und der ihr entsprechenden Abtast- oder Sample-Frequenz in eine Schwebung geraten kann, was zur Folge hat, daß man diese Störung nicht mehr ausfiltern kann, da man durch den Sample-Voroang immer zu dem Zeitpunkt abtastet und speichert, wenn die Gesamtkurve der Ausgangssignalwerte sich an einem oberen Punkt befindet, während zu späteren Zeitpunkten durch den Sample-Vorgang stets zu niedrige Meßpunkte abgetastet werden können. Da es sich bei einer solchen Schwebung um einen vergleichsweise langsam ablaufenden und sich wiederholenden Vorgang handelt, läßt sich eine solche Verfälschung nicht mehr ausfiltern und führt im Endeffekt zu dem Ergebnis, daß auch bei völlig ruhig erscheinendem Gewicht die Anzeige des Digitalvoltmeters bei 9 für einen vorgegebenen Zeitraum einen zu hohen Wert und dann einen zu niedrigen Wert anzeigt. Mit anderen Worten, da man die bei solchen Wägevorgängen auftretenden mechanischen Frequenzen nicht beherrschen kann und da das Entstehen einer Schwebung bei den bekannten Meßverfahren nicht verhindert werden kann, gelingt es auf keine denkbare Art, diesen, durch den geschilderten Mechanismus entstehenden Störfaktor zu beseitigen. Obwohl also das Gewicht stillsteht und obwohl die eigentliche Störschwingungsgröße eine relativ hohe Frequenz hat, die von dem Filter 8 ohne weiteres eliminiert werden könnte, wandert die Anzeige ständig nach oben und nach unten, zurückzuführen auf die sich bildende Schwebung. Die sich hier möglicherweise anbietende Lösung, mit der ganzen Abtastfrequenz einschließlich der Speisespannungsfrequenz so hoch zu gehen, daß man aus den Störgrößenfrequenzen, die mit dem Nutzsignal eine Schwebung bilden können, herauskommt, ist aus technischen Gründen nicht realisierbar, und zwar wegen der Einschwingzeiten an den Operationsverstärkern.
  • Der Erfindung gelingt es, die geschilderten Nachteile durch ein neues Meßverfahren zu beseitigen, welches im folgenden anhand der Darstellung der Fig. 2 erläutert wird. Das Ausgangs- Differenzsignal der vorverstärkenden Einheiten 4' der Meßzelle 1' gelangt sofort auf den tießeingang 10 des Digitalvoltmeters DVM, welches für sich gesehen von bekanntem Aufbau und so ausgelegt ist, daß es sowohl positive als auch negative eingehende Spannungen einwandfrei messen kann, wobei die Meßrate oder Wiederholungsrate des Digitalvoltmeters in der Größenordnung zwischen beispielsweise 100 bis 300 msec liegen kann. Demnach ergibt sich am Ausoang 11 des Digitalvoltmeters ein Ausganoswert in digitalisierter Form, der seriell oder parallel oder in beliebigen bit-Paketen einer nachgeschalteten zentralen Steuerlogikschaltung 12 zugeführt wird. Dieser Ausgangswert ist abwechselnd mit einem positiven und einem negativen Vorzeichen behaftet und muß daher von der zentralen Steuerlogikschaltung 12, wie gleich noch erläutert wird, für jeden zweiten Wert invertiert werden. Im Takt seiner Meßrate erzeugt das Digitalvoltmeter an einem Ausgang 13 ein sogenanntes ready-Signal, welches zur Erzeugung der die Meßbrücke 1' speisenden Rechteck-Wechselspannung verwendet wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß mit dem ready--Signal über die Leitung 13a ein astabiler Flipflop 14 getriggert wird, so daß an dessen Q-und Q-Ausgängen synchron zum ready-Signal Schaltspannungen entstehen, die Schalter Sl'und S2' so ansteuern, daß jeweils abwechselnd eine positive und eine negative Spannungsquelle +UB, 'zug, sinnvollerweise über einen Operationsverstärker 15 auf die Speiseanschlüsse der Meßbrücke gelangen. Mit dem gleichen ready-Signal ist über eine Verbindungsleitung 16a die zentrale Steuerlogikschaltung 12 an ihrem Eingang 16 beaufschlagt. Die zentrale Steuerlogikschaltung 12 arbeitet so, daß im Takt des zugeführten ready-Signals jeweils immer ein seinem Eingang 17 zugeführtes, unmittelbar vom digitalen Voltmeter DVM stammendes Eingangssignal b in Form eines digitalen Worts addiert wird mit dem jeweils vorhergehenden digitalen Meßwert a, welchen die zentrale Steuerlogikschaltung 12 einem zugeordneten Speicherl8 entnimmt. Die Summe der beiden Werte a + b wird dann halbiert und als echter Mittelwert des zu bestimmenden Gewichts vollkommen störspannungs- und fehlerfrei entsprechend bei 19 zur Anzeige gebracht. Innerhalb der zentralen Steuerlogikschaltung 12 befindet sich daher eine Additionsstufe 12a sowie ein Inverter 12b, der so geschaltet ist, daß er entsprechend dem ihm über eine Verbindungsleitung 20 zugeführten Q-Signals jeweils den einer negativen Rechteck-Halbwelle entsprechenden Eingangssignalwert invertiert. Da es sich hier um eine digitale Verarbeitung handelt, ist der Hinweis auf diesen Inverter 12b lediglich symbolisch zu verstehen und bei einem praktischen Ausführungsbeispiel kann so gearbeitet werden, daß für die Invertierung des Signals eine Vorzeichenumkehr erfolgt bzw.
  • bei einem vorliegenden Zählerstand der Restwert ausgewertet wird.
  • Es liegt innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens, daß die zentrale Steuerlogikschaltung 12 ein für sich gesehen bekannter Mikroprozessor oder ein sonstiger geeigneter Rechner ist, der nach jedem Voltmeterzyklus die Dosenspeisung umdreht, den augenblicklichen Meßwert mit jeweils dem vorhergehenden Meßwert addiert und von dem Ergebnis die Hälfte nimmt und zur Anzeige bringt und gleichzeitig in in Speicher 18 jeweils wieder den neu eingegangenen digitalen Meßwert setzt.
  • Hierbei kann es zur Meßwertverarbeitung sinnvoll sein, vor das Digitalvoltmeter noch ein Filter 20' anzuordnen oder eine solche Filterung auch innerhalb der zentralen Steuerlogikschaltung 12 vorzunehmen, wenn diese beispielsweise Mikroprozessor ist, etwa eine Filterung auf digitaler Basis.
  • Ein übliches, positive und negative Werte verarbeitendes Digitalvoltmeter ist normalerweise so ausgelegt, daß mit möolichst geringer Verlustzeit gearbeitet wird; so kann ein Digitalvoltmeter bei einem 100 msec Meßzyklus 90 msec lang messen und die restlichen 10 msec für andere Zwecke einsetzen. Bei einer derart langen Meßzeit, und zwar lang mit Bezug auf gegebenenfalls auftretende Einschwingvorgänge, die stets nur in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden liegen, spielen vom Einschwingen herrührende Störgrößen keine Rolle mehr; sie sind vollständig vernachlässigbar.
  • Der erfindungsgemäße Meß- und Datenverarbeitungsvorgang arbeitet daher vollkommen störgrößenfrei und ist auch völlig unempfindlich gegenüber der Bildung möglicher Schwebungen, da durch die Signalverarbeitung in der zentralen Steuerlogikschaltung 12 - Addition des aktuellen Werts mit dem jeweils vorhergehenden Wert und Halbierung des Ergebnisses -Störgrößen gleichgültig welcher Frequenz herausfallen. Nimmt man beispielsweise an, daß sich auf der oberen Eingangsleitung zum Differenzverstärker 4' eine unsymmetrische Störgröße von -200 mV bemerkbar macht, dann ergibt sich am Ausgang des Differenzverstärkers 4' etwa in der positiven Speisespannungshalbwelle anstelle einer Ausgangsspannung von 4 Volt nur eine Ausgangsspannung von 3,8 Volt, während in der nachfolgenden negativen Speisespannungshalbwelle die Ausgangsspannung -4,2 Volt beträgt. Man erkennt, daß bei der angegebenen Addition und Halbierung jeweils des aktuellen Wertes mit dem vorhergehenden Wert bei entsprechender Invertierung für den Wert der negativen Halbwelle der zur Anzeige gelangende Wert stets der Größe von 4 Volt entspricht, unabhängig davon, wie hoch der Einfluß der unsymmetrischen Steligröße ist und im übrigen auch unabhängig davon, mit welcher Frequenz dieser auftritt. Hierbei darf nicht übersehen werden, daß für die geläufigen Störspannungsschwingungen und deren Eliminierung das Filter 2C zuständig ist, welches vor das Digitalvoltmeter geschaltet ist.

Claims (3)

  1. Patentansprüche 7) Verfahren zur Messung von physikalischen Größen durch die Umsetzung in ein elektrisches Signal mit nachfolgender Auswertung und gegebenenfalls Anzeige, insbesondere zur Messung von Gewichten mit Meßdosen, Wägezellen u. dgl., wobei einer Meßbrückenschaltung eine Speisewechselspannung zugeführt und zur Auswertung synchron zur speisenden Wechselspannung das Brückenausgangssignal bei gegebener Phasenlage invertiert wird, gegebenenfalls mit Filterung, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselspannungs-Ausgangssignal des der Meßbrücke (1') nachgeschalteten Differenzverstärkers (4') unmittelbar einem für sich gesehen bekannten, positive und negative Spannungswerte verarbeitenden Digitalvoltmeter (DVM) zugeführt wird. wobei die Frequenz der Meßbrücken-Speisespannung abgestimmt wird auf die Meß- oder Wiederholungsrate des Digitalvoltmeters (DVM) und daß dessen in beliebiger binär kodierter digitaler Form vorliegendes Ausgangssignal für negative und positive Werte jeweils erneut gespeichert und der gespeicherte Wert mit dem jeweils aktuellen Meßwert vorzeichenrichtig einer Mittelwertbildung (a+b)unterworfen und gegebenenfalls angezeigt wird. 2
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweils einen Digitalvoltmeterzyklus anzeigende ready-Signal zur Bestimmung der Frequenz der Meßbrücken-Speisespannung in Form einer Rechteckspannung sowie zur jeweils neuen Mittelwertbildung durch eine zentrale Steuerlogikschaltung (12) verwendet wird, wobei jeweils im Falle einer negativen Speisewechselspannung-Halbwelle ein Invertierungsbefehl vom Wechselspannungserzeuger zur zentralen Steuerlogikschaltung (12) geführt wird.
  3. 3. Vorrichtung zur Messung von physikalischen Größen durch Umsetzung in ein elektrisches Signal mit nachfolgender Auswertung und gegebenenfalls Anzeige, insbesondere zur Bestimmung von Gewichten mit Meßdosen, Wägezellen u. dgl., wobei einer Meßbrückenschaltung eine Speisewechselspannung zugeführt und zur Auswertung synchron zur Speisewechselspannung das Brückenausgangssignal be gegebener Phasenlage invertiert wird, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Digitalvoltmeter zur Meßwertverarbeitung und gegebenenfalls einem Filter, dadurch gekennzeichnet, daß einer zentralen, eine Mittelwertbildung zwischen dem jeweils aktuellen Ausgangswert des Digitalvoltmeters und dem vorherigen Meßwert durchführenden Steuerlogikschaltung (12) ein Hilfsspeicher (18) zugeordnet ist und daß das Digitalvoltmeter (11) mit seinem jeweils die Beendigung eines Meßzyklus angebenden ready-Ausgang sowohl verbunden ist mit der die Speisewechselspannung für die Meßbrücke (1') erzeuwenden Schaltung (14, S1', S2', 15) als auch mit der zentralen Steuerlogikschaltung (12) jeweils zur Veranlassung einer neuen Mittelwertbildung.
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