DE3213016A1

DE3213016A1 - Hochaufloesende elektronische waage

Info

Publication number: DE3213016A1
Application number: DE19823213016
Authority: DE
Inventors: Erich Ing.(grad.) 3406 Bovenden Knothe; Franz-Josef Ing.(grad.) 3414 Hardegsen Melcher; Jürgen Dipl.-Ing. 3414 Hardegsen Ober; Christian Ing.(grad.) 3400 Göttingen Oldendorf
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1982-04-07
Filing date: 1982-04-07
Publication date: 1983-10-20
Also published as: GB2117911B; US4487280A; GB2117911A; FR2524981B1; JPS58206931A; FR2524981A1; DE3213016C2; JPH0340811B2; CH660526B

Description

Beschreibung :

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Waage r.ilt einem Meßwertaufnehmer, der ein analoges Spannungs- oder Stromsignal abgibt, mit einem nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler hoher Auflösung, mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, und mit Mitteln zur Korrektur von Temperaturfehlern des Meßwertaufnehmers .

Eine Waage dieser Art ist zum Beispiel aus der DE-OS 30 33 bekannt. Die Korrektur von Temperaturfehlern des Nullpunktes wird dort durch einen temperaturabhängig gesteuerten Strom erreicht, der im Zusammenwirken mit einem magnetischen Feld eine temperaturabhängige Zusatzkraft auf den Meßwertaufnehrcer erzeugt. Dieser direkte Eingriff in den Heßwertaufnehuer 1st jedoch umständlich, vor allem dann, wenn nicht nur der Tem- '· peraturfehler des Nullpunktes, sondern auch ein eventueller Temperaturfehler der Empfindlichkeit oder der Liniarität korrigiert werden soll. Es liegt deshalb nahe, die Korrektur der Temperaturfehler in die digitale Signalverarbeitungseinheit zu verlegen, da dort mit einem Temperatur-Meßwert alle temperaturabhängigen Korrekturen ausgerechnet werden können. In der DE-OS 31 06 534 ist deshalb schon vorgeschlagen, worden', je einen Temperatur-, Feuchte- und Druckfühler vorzusehen, deren analoge Ausgangssignale nacheinander einem Analog/Digital Wandler zugeführt werden. Aus den digitalisierten Werten kar.n dann die digitale Slgnalverarbeltun -.selnheit die notwendigen Korrekturen errechnen. Nachteilig an dieser Ausführung ist jedoch der zusätzliche Aufwand für den den Fühlern nachgeschalteten, separaten Analog/Digital-Wandler.

SW 8204

Die an sich naheliegende Lösung, das Ausgangssignal des eigentlichen Meßwertaufnehmers der Waage und das Ausgangssignal des/ der Temperaturfühlers) nacheinander über umschalter dem hochauflösenden Analog/Dlgltal-Wandler zuzuführen, läßt sich nicht realisieren, da ein Schalter im Keßpfad vom Meßwertaufnenner zum Analog/Digital-Wandler die Genauigkeit der Waage stark beeinträchtigen würde.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, das analoge Ausgangssignal eines oder mehrerer Temperaturfühler (oder eines oder mehrerer ähnlicher Fühler) zu digitalisleren, ohne einen zusätzlichen Analofr/Digital-rtandier einsetzen zu müssen und ohne die Genauigkeit der An^log/Digital-Wandlung des Ausgangssignals des eigentlichen Waager:-Me£wertaufnehners £U beeinträchtigen. 15

Dies wird erf indun.fsgemäß dadurch gelöst, daß ein Schalter vorgesehen ist, der dem Eingang des Analog/Digltal-Wandlers zusätzlich zum Signal des Meßwertaufnehmers zu bestimmten, von der digitalen Signalverarbeitunseinheit gesteuerten Zeiten das Ausgangssignal mindestes eines Temperaturfühlers zuführt.

Der empfindliche Meßpfad vom Meßwertaufnehmer der Waage zum Änalog/Digital-Wandler hoher Auflösung wird also nicht unterbrechen, das Ausgangssignal des/der Temperaturfühler(s) wird zu gewissen Zeiten zusätzlich dem Eingang des Analog/Digital-'■■'andlers zugeführt:. Die nachgeschaltete digitale Signalverarbeitungseinheit 'iZunn dann rechnerisch das Ausgangssignal des/der Temperaturfühlers) bestimmen.

Vorteilhafterwelse werden die Temperaturfühler so dimensioniert und geschaltet, daß ihr maximales Ausgangssignal am Eingang des Analog/Digital-Wandlers mindestens um den Paktor 10 kleiner ist als das maximale Signal des eigentlichen Keßwertaufnehmers der Waage. Dadurch wird der Meßbereich des Analog-Digital-Wandlers für den eigentlichen Meßwertaufnehmer der

SW

Waage fast nicht eingeschränkt; wegen der hohen Auflösung aes Analog/Digital-Wandlers 1st die Meßgenauigkeit der Temperaturmessung trotzdem ausreichend. Bei einer Waage von zum Beispiel 100.000 Schritten Auflösung liegen die Temperaturfehler noraalerweise bei höchstens 200 Schritten. Für die Temperaturmessung reicht also eine Genauigkeit von 1 Promille gut aus, aie bei einem Analog/Dlgital-Wandler mit 100.000 Schritten Auflösung bereits bei einem Eingangssignal von 1% des maximalen Eingangssignales erreicht wird.

Der Eingang des Analog/Digital-Wandlers wird zweckmäßigerweise als Stromsenke ausgebildet. Dadurch lä'fot sich die Summation der beiden Signale vom Meßwertaufnehmer und von dem/den Temperaturfühlerin) rückwirkungsfrei als Stromsummation durchführen.

Vorteilhafterweise enthält die digitale Signalverarbeltungselnheit eine Stillstandskontroll-Schaltung und aktiviert den Schalter, der dem Eingang des Analog-Dlgital-Wandlers zusätzlich zum Signal des Keßwertaufnehmers das Ausgangssignal mindestens eines Temperaturfühlers zuführt, nur dann, wenn die Stlllstandskontroll-Schaltung Stillstand meldet. Denn nur bei Stillstand der Waage wird die Messung des Ausgangssignals der Temperaturfühler nicht von Änderungen des Signals des eigentlichen Meßwertaufnehmers der Waage verfälscht.

' Zweckmäßigerweise wird das Ausgangssignal des/der Terr.peraturfühler(s) von der digitalen Signalverarbeitungseinheit nach der Po rme1

ι

berechnet. Dabei bedeutet Uq den Ausgangswert des Analog/ Dlgital-Wandlers vor dem Aktivieren des Schalters, U₁ das entsprechende Signal während der.Aktivierungsphase des

SW 8204

Schalters und U₂ das entsprechende Signal nach dem Ende der· Aktivierungsphase des Schalters. Es wird also die Differenz aus dem Signal während der Aktivierung des Schalters und dem Mittelwert aus den beiden Signalen vorher und nachher gebildet. Alle Werte Uq, U, und Up werden zweckmäßigerweise erst beim Ansprechen der Stillstandskontroll-Schaltung genessen. Zweckmäßi^erweise überprüft die digitale Signalverarbeitungseinheit zusätzlich, ob "der Anfangswert Uq und der Endwert U₂ inerhalb einer gewissen Fehlertoleranz übereinstimmen und wertet nur in diesem Pail den berechneten Wert für. Urn aus. Falls dadurch nur verhältnismäßig selten verglichen mit dem Mefözyklus des Analog/Digltal-Wandlers ein Wert für U_T berechnet und ausgewertet werden kann, so stört dies nicht, da sich die Temperatur in der Waage In-. folge deren Wärmeträgheit nur sehr langsam ändert. Entsprechendes gilt für Feuchtefühler oder Luftdruckfühler, die selbstverständlich zusätzlich zu den Temperaturfühlern oder statt der Temperaturfühler vorhanden sein können und deren Ausgangssignal in der beschriebenen Art und Weise digitalisiert und berechnet werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel einer Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation anhand der schematischen Figuren beschrieben. Dabei zeigt

Fig. i einen Längsschnitt durch die wesentlichen mechanischen Teile der Waage und die zugehörige Elektronik (teilweise als Blockschaltbild) und

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm der Messung und Auswertung für die Waage aus Flg. 1.

SW 8204

Der Meßwertaufnehmer der elektronischen Waage in Pig. I besteht aus einem beweglichen Lastaufnehmer 3> der die Lastschale 7 trägt und über zwei Lenker 5 und 6 in Form einer Parallelführung mit dem gehäusefesten Teil 1 der Waage verbunden ist. Als Gelenke dienen jeweils Blattfedern 5a, 5b, 6a, 6b an den Enden der Lenker 5 und 6. Der Lastaufnehmer 3 trägt an einem vorstehenden Arm 4 eine Spule 9, die mit dem Feld eines gehäusefester. Permanentmagnetsystem 2 in Wechselwirkung steht. Der Lagensensor 11 tastet die Lage des Lastaufnehmers 3- ab und liefert über einen Regelver^ tä'r.-:er 12 den zur Kompensation der Belastung.notwendigen Strom. Dieser Kornpensationsstrom wird über bewegliche Zuleitungen 10 der Spule 9 zugeführt und durchfließt gleichzeitig den Meßwiderstand 13· Am Meßwiderstand 13 wird eine stromproportionale Meßspannung abgegriffen und über einen Widerstand 14 dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers 15 zugeführt. Der Strom. durch den Widerstand 14 stellt dabei das Eingangssignal des Analog/Digital-Wandlers dar. Der Analog/Digital-Wandler besteht aus einem Integrator, aufgebaut aus dem Operationsverstärker 16 und dem Ruckführungskonaensator 17, und einer Steuereinheit 18, die periodisch einen Schalter 20 schließt und dadurch von einer Referenzspannungsquelle 21 über einen Widerstand 19 einen Strom in den Integrator Ιό, 17 schickt, dessen Polarität entgegengesetzt zur Polarität ües ."-leßstromes durch den Widerstand 14 1st. Das Tastverhältnis für den Schalter 20 wird dabei von der Steuereinheit Ib so gewählt, daß der zeitliche Mittelwert der beiden Ströce durch die Widerstände 14 und 19 entgegengesetzt gleich ist, so daß sich die Ladung auf dem Rückführungskondensator 17 im Mittel nicht ändert. Dieses Tastverhältnis kann dann leicht durch hochfrequente Taktimpulse digitalisiert werden. Einzelheiten dieser bekannten Analog/Digital-Wandler-Schaltung sind z.B. in der DE-PS 21 14 141 beschrieben.

SW 8204

.· I ' K7'^l%'\\'.ii 3213016

Der digitalisierte iieSwert vom Analog/Digltal-Wandler 15 wird von der digitalen Signalverarbeitungseinheit 22, die z.B. durch einen Mikroprozessor realisiert sein kann, übernommen. Dort sind verschiedene Meßwertverarbeitungsprogramme vorgesehen, wie z.B. Stillstandskontrolle, i4ittelwertblldung, Kalibrierung, Korrektur von Temperaturfehlern, usw. Das Ergebnis wird einem Anzeigespeicher zugeführt und in der digitalen Anzeige 23 angezeigt.

Zur Temperaturmessung ist ein Temperaturfühler 27 am Meßwertaufneh.T.er vorgesehen. Im gezeichneten Beispiel ist der Temperaturfühler 27 an Permanentmagnetsystem 2 befestigt. Als Temperaturfühler ist ein temperaturabhängiger Widerstand oder ein Kalbleiter-p-n-übergang, dessen Durchlaßspannung temperaturabhängig 1st, eingesetzt. Der Temperaturfühler 27 ist über einen Widerstand 28 an eine Konstantspannungsquelle 26 angeschlossen. Der temperaturabhängige Spannungsabfall am Temperaturfühler 27 läßt bei geschlossenem Schalter 25 über den (hochohmigen) Widerstand 24 einen zusätzlichen Strom in den Eingang des Analog/Digital-Wandlers 15 fließen. Bei geschlossenem Schalter 25 wird dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers 15 also die Summe der Meßsignale vom eigentlichen Me&wertaufr.ehrr.er 1...13 und vom Temperaturfühler 27 zugeführt, während bei geöffnetem Schalter 25 dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers nur dis "eßslgnal vom eigentlichen Meßwertaufnehmer zugeführt wiri. Vie digitale Signalverarbeitungseinheit 22, die den Schalter 25 steuert, kann dann sowohl das Ausgangesigrial des ei-jentllehen Meßwertaufnehmers als auch das Ausgangesignal des Temperaturfühlers 27 ermitteln. Der Schalter 25 kann dabei sowohl durch ein mechanisches Relais als auch durch einen elektronischen FET-Schalter realisiert sein. Statt des einen Temperaturfühlers 27 am Permanentmagnetsystem 2 können auch mehrere Temperaturfühler an verschiedenen Stellen des Meßwertaufnehmers hintereinander geschaltet sein und die Summe der Spannungsabfälle über den Schalter 25 dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers 15 zugeführt werden. Dadurch ist eine Mittelwertbildung der Temperatur innerhalb der wesentlichen Teile des Heßwertaufnehmers möglich.

SW 8204

Die Einzelheiten eines solchen Meßvorganges sind in Pig. 2 in Porrn eines Ab laufd lag ramme s dargestellt:

Im Normalzustand ist der Schalter 25 geöffnet und die digitale Signalverarbeitungseinheit übernimmt einen Meßwert vom Analog/ Digltal-Wandler, der dem Ausgangssignal des eigentlichen Meßwertaufnehmers entspricht, rechnet daraus den anzuzeigenden Wert aus und steuert damit den Anzeigespeicher und die Anzeige. Gleichzeitig wird dieser Meßwert mit den vorhergehenden Γ IeS-werten verglichen und so eine Stillstandskontrolle durchgeführt. Wird z.B. gerade Substanz auf die Waagschale cosiert, so daß kein Stillstand des Meßwerte? auftritt, bleibt die digitale Signalverarbeitungseinheit dauernd in dieser Schleife und läßt die Anzeige laufend dem sich ändernden Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers folgen. Ist die Dosierung beendet, so treten nacheinander mehrere gleiche Meßwerte auf, so daß die Stillstandskontrolle Stillstand feststellt. Diese gleichen Meßwerte werden als Uq abgespeichert. Dann aktiviert die digitale Signalverarbeitungseinheit den Schalter 25 und wartet in einer Meßwertübernahme-Schleife ab, bis die Stillstandskontrolle wieder Stillstand meldet. Der neue Meßwert wird als U₁ abgespeichert und anschließend der Schalter 25 in seine Normalstellung (geöffnet) zurückgesetzt. Wieder wird in einer KeßwertÜbernahme-Schleife der Stillstand abgewartet und der Meßwert 'bei Stillstand als U2 abgespeichert. Die digitale Signalverarbeitungseinheit prüft dann, ob die abgespeicherten Meßwerte U₀ und I sich höchstens um H d unterscheiden. Ist die Abweichung ^röZer, wird die ganze Meßreihe nicht ausgewertet, da wanrscheinlich in der Zwischenzeit WSgegut aufgelegt oder abgenommen wurde.

Ist die Abweichung jedoch kleiner, so wird der Mittelwert 1/2 (Uq + U₂) berechnet und vom gespeicherten Wert U₁ abgezogen. Dieser so erhaltene Wert Urp stellt aann das Ausgangssignal des Temperaturfühlers 27 dar, er wird abgespeichert und zur Berechnung der temperaturabhä'ngigen Korrekturen benutzt. Diese

SW 8204

• ft * · * I

Korrekturen können sich auf den Nullpunkt, die Empfindlichkeit und/oder die Linearität beziehen. Anschließend wird ein neuer Meßwert vom Analog/Dlgital-Wandler übernommen, der daraus abgeleitete Anzeigewert ausgerechnet und in die Anzeige übernommen, die bis dahin den zuletzt berechneten Wert angezeigt hat. Anschließend kann ein neuer Zyklus beginnen.

Dieser eben beschriebene und in Pig. 2 gezeigte Ablauf stellt natürlich nur den grundsätzlichen Ablauf dar, der im Detail z.B. durch Verzögerungsstufen, eine Begrenzung der Umläufe in den Meßwert Übernahme-Schleifen für U₁ und U2 usw. ergänzt werden rauS, wozu jeder Datenverarbeitungsfachmann leicht in der Lage ist.

Die im vorstehenden am Beispiel eines Temperaturfühlers dargestellte .Schaltung läßt sich selbstverständlich ohne Schwierigkelten auch für andere Umgebungssensoren, wie z.B. Feuchtefühler, Druckfühler, Beschleunigungsfühler, Schrägstellungsfühler etc., anpassen. Ebenso 1st es leicht möglich, durch mehrere Schalter 25, die verschiedenen Fühlern zugeordnet sind • und die in nacheinander ablaufenden Meßzyklen aktiviert werden^ die Temperatur an mehreren Stellen getrennt oder mehrere verschiedene Umgebungsparameter zu erfassen, zu digitalisieren unc für Korrekturawecke auszuwerten. Die getrennte Erfassung der Temperatur an mehreren Stellen kann bei sehr hohen Ansprüchen ianr. sinnvoll. Fein, wenn z.B. die' am Permanentmagnetsystem .jene ssene Temperatur stärker zur Eir.pfindllchkeitskorrektur heran· gezogen werden soll, während die Temperatur in der Nähe der Parallelführung stärker zur Nullpunktskorrektur herangezogen werden soll.

SW 8204

Claims

Sartorius GmbK Akte SW 8204

Weender Landstraße 94-108 Kö/hs

D-3400 Göttingen

Hochauflösende elektronische Waage

Patentansprüche:

Ci)

Elektronische Waage

- mit einem Meßwertaufnehmer, der ein analoges Spannungsoder Stromsignal abgibt,

- mit einem nachgeschalteten Analog/Dlgital-Wandler hoher Auflösung,

- mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors,

- und mit Mitte?ln zur Korrektur von Temperaturfehlern des Meßwertaufnehmers,

dadurch gekennzeichnet,
20

- daß ein Schalter (25) vorgesehen 1st, der dem Eingang des Analog/Digltal-Wandlers (15) zusätzlich zum Signal des Meßwertaufnehmers (1...13) zu bestimmten, von der digitalen Signalverarbeitungseinheit (22) gesteuerten Zelten das Ausgangssignal mindestens eines Temperaturfühlers (27) zuführt.
2. Elektronische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß das dem Eingang des Analog/Digltal-Wandlers (15) zugeführte maximale Ausgangssignal des/der Temperaturfühlers) (27) mindestens um den Faktor lü kleiner ist als das maximale Signal des Meßwertaufnehmers (1...13).
3. Elektronische Waage na-ch Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Eingang des Analog/Digital-Wandlers (15) als Stromsenke ausgebildet ist.
4. Elektronische Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3., dadurch gekennzeichnet,

- daß die digitale Signalverarbeltungseiriheit (22) eine Stillstandskontroll-Schaltung enthält.
5· Elektronische Waage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Schalter (25), der dem Eingang des Analog/ Digital-Wandlers (15) zusätzlich zum Signal des I-eÄ-wertaufnehmers (1...13) das Ausgangssignal mindestens eines Temperaturfühlers (27) zuführt, nur aktiviert wird, wenn die Stlllstandskontroll-Schaltung Stillstand neidet.
6. Elektronische Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet,

- daß das Ausgangssignal des/der TemperaturfCihlerCs) (27) von der digitalen Signalverarbeitungseinheit (22) nach der Formel

ι

^UT - ^Ul - -₂ ^(ü0 ⁺ V

berechnet wird, wobei Uq den Aus^angswert des Analog/ Digital-Wandlers vor dem Axtivl^ren des Schalters (25)

SW 8204

darstellt, U^ den Ausgangswert des Analog/Digltal-V/andleps bei aktiviertem Schalter (25) und Up den Ausgangswert des Analog/Digltal-Wandlers nach dem Ende der Aktivierung des Schalters (25).

Elektronische Waage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet - daß die digitale Signalverarbeitungseinheit (22) den berechneten Wert für das Ausgangssignal des/der Temperaturfühler^) (27) nur weiterverarbeitet, wenn Uq und U2 innerhalb einer gewissen Fehlertoleranz übereinstimmen.

SW 8204