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Verfahren und Vorrichtung zur Messung von physikalischen
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.
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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.
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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.
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Die Ausgangssignale der beiden Schalter S1 und 52 werden dann am Sample-Kondensator
6 zusammengeführt und integriert.
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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.
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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.
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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.
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bei einem vorliegenden Zählerstand der Restwert ausgewertet wird.
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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.
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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.
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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.
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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.