DE3213016C2

DE3213016C2 -

Info

Publication number: DE3213016C2
Application number: DE3213016A
Authority: DE
Inventors: Erich Ing.(Grad.) 3406 Bovenden De Knothe; Franz-Josef Ing.(Grad.) 3414 Hardegsen De Melcher; Christian Ing.(Grad.) 3400 Goettingen De Oldendorf; Juergen Dipl.-Ing. 3414 Hardegsen De Ober
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1982-04-07
Filing date: 1982-04-07
Publication date: 1988-05-26
Also published as: CH660526B; DE3213016A1; GB2117911B; FR2524981A1; FR2524981B1; JPH0340811B2; US4487280A; GB2117911A; JPS58206931A

Description

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

Eine Waage dieser Art ist zum Beispiel aus der DE-OS 30 33 272 bekannt. Die Korrektur von Temperaturfehlern des Nullpunktes wird dort durch einen temperaturabhängig gesteuerten Strom er reicht, der im Zusammenwirken mit einem magnetischen Feld eine temperaturabhängige Zusatzkraft auf den Meßwertaufnehmer er zeugt. Dieser direkte Eingriff in den Meßwertaufnehmer ist jedoch umständlich, vor allem dann, wenn nicht nur der Tem peraturfehler des Nullpunktes, sondern auch ein eventueller Temperaturfehler der Empfindlichkeit oder der Liniarität kor rigiert 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 kann dann die digitale Signalverarbeitungseinheit die notwendigen Korrekturen errechnen. Nachteilig an dieser Ausführung ist jedoch der zusätzliche Aufwand für den den Fühlern nachge schalteten, separaten Analog/Digital-Wandler.

Die an sich naheliegende Lösung, das Ausgangssignal des eigent lichen Meßwertaufnehmers der Waage und das Ausgangssignal des/ der Temperaturfühler(s) nacheinander über Umschalter dem hoch auflösenden Analog/Digital-Wandler zuzuführen, läßt sich nicht realisieren, da ein Schalter im Meßpfad vom Meßwertaufnehmer zum Analog/Digital-Wandler die Genauigkeit der Waage stark be einträchtigten würde.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, das analoge Ausgangssignal eines oder mehrerer Temperaturfühler (oder eines oder mehrerer ähnlicher Fühler) zu digitalisieren, ohne einen zusätzlichen Analog/Digital-Wandler einsetzen zu müssen und ohne die Genauigkeit der Analog/Digital-Wandlung des Ausgangssignals des eigentlichen Waagen-Meßwertaufnehmers zu beeinträchtigen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Schalter vorgesehen ist, der dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers zusätzlich zum Signal des Meßwertaufnehmers zu bestimmten, von der digitalen Signalverarbeitungseinheit gesteuerten Zeiten das Ausgangssignal mindestens eines Temperaturfühlers zuführt.

Der empfindliche Meßpfad vom Meßwertaufnehmer der Waage zum Analog/Digital-Wandler hoher Auflösung wird also nicht unter brochen, das Ausgangssignal des/der Temperaturfühler(s) wird zu gewissen Zeiten zusätzlich dem Eingang des Analog/Digital- Wandlers zugeführt. Die nachgeschaltete digitale Signalver arbeitungseinheit kann dann rechnerisch das Ausgangssignal des/der Temperaturfühler(s) bestimmen.

Vorteilhafterweise werden die Temperaturfühler so dimensioniert und geschaltet, daß ihr maximales Ausgangssignal am Eingang des Analog/Digital-Wandlers mindestens um den Faktor 10 kleiner ist als das maximale Signal des eigentlichen Meßwert aufnehmers der Waage. Dadurch wird der Meßbereich des Analog- Digital-Wandlers für den eigentlichen Meßwertaufnehmer der Waage fast nicht eingeschränkt; wegen der hohen Auflösung des Analog/Digital-Wandlers ist die Meßgenauigkeit der Temperatur messung trotzdem ausreichend. Bei einer Waage von zum Beispiel 100 000 Schritten Auflösung liegen die Temperaturfehler norma lerweise bei höchstens 200 Schritten. Für die Temperaturmessung reicht also eine Genauigkeit von 1 Promille gut aus, die bei einem Analog/Digital-Wandler mit 100 000 Schritten Auflösung bereits bei einem Eingangssignal von 1% des maximalen Eingangs signales erreicht wird.

Der Eingang des Analog/Digital-Wandlers wird zweckmäßigerweise als Stromsenke ausgebildet. Dadurch läßt sich die Summation der beiden Signale vom Meßwertaufnehmer und von dem/den Temperatur fühler(n) rückwirkungsfrei als Stromsummation durchführen.

Vorteilhafterweise enthält die digitale Signalverarbeitungs einheit eine Stillstandskontroll-Schaltung und aktiviert den Schalter, der dem Eingang des Analog-Digital-Wandlers zusätz lich zum Signal des Meßwertaufnehmers das Ausgangssignal min destens eines Temperaturfühlers zugeführt, nur dann, wenn die Stillstandskontroll-Schaltung Stillstand meldet. Denn nur bei Stillstand der Waage wird die Messung des Ausgangssignals der Temperaturfühler nicht von Änderungen des Signals des eigent lichen Meßwertaufnehmers der Waage verfälscht.

Zweckmäßigerweise wird das Ausgangssignal des/der Temperatur fühler(s) von der digitalen Signalverarbeitungseinheit nach der Formel

U _T = U ₁ - ¹/₂ (U ₀ + U ₂)

berechnet. Dabei bedeutet U ₀ den Ausgangswert des Analog/ Digital-Wandlers vor dem Aktivieren des Schalters, U ₁ das entsprechende Signal während der Aktivierungsphase des Schalters und U ₂ das entsprechende Signal nach dem Ende der Aktivierungsphase des Schalters. Es wird also die Diffe renz aus dem Signal während der Aktivierung des Schalters und dem Mittelwert aus den beiden Signalen vorher und nachher gebildet. Alle Werte U ₀, U ₁ und U ₂ werden zweckmäßiger weise erst beim Ansprechen der Stillstandskontroll-Schaltung gemessen. Zweckmäßigerweise überprüft die digitale Signalver arbeitungseinheit zusätzlich, ob der Anfangswert U ₀ und der Endwert U ₂ innerhalb einer gewissen Fehlertoleranz über einstimmen und wertet nur in diesem Fall den berechneten Wert für U _T aus. Falls dadurch nur verhältnismäßig selten - verglichen mit dem Meßzyklus des Analog/Digital-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. Ent sprechendes gilt für Feuchtefühler oder Luftdruckfühler, die selbstverständlich zusätzlich zu den Temperaturfühlern oder statt der Temperaturfühler vorhanden sein können und deren Aus gangssignal in der beschriebenen Art und Weise digitalisiert und berechnet werden kann.

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

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die wesentlichen mechanischen Teile der Waage und die zugehörige Elektronik (teil weise als Blockschaltbild) und

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

Der Meßwertaufnehmer der elektronischen Waage in Fig. 1 be steht aus einem beweglichen Lastaufnehmer 3, der die Last schale 7 trägt und über zwei Lenker 5 und 6 in Form einer Parallelführung mit dem gehäusefesten Teil 1 der Waage ver bunden ist. Als Gelenke dienen jeweils Blattfedern 5 a, 5 b, 6 a, 6 b 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 gehäusefesten Permanentmagnetsystems 2 in Wechsel wirkung steht. Der Lagensensor 11 tastet die Lage des Last aufnehmers 3 ab und liefert über einen Regelverstärker 12 den zur Kompensation der Belastung notwendigen Strom. Dieser Kompensationsstrom wird über bewegliche Zuleitungen 10 der Spule 9 zugeführt und durchfließt gleichzeitig den Meßwider stand 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 be steht aus einem Integrator, aufgebaut aus dem Operationsver stärker 16 und dem Rückführungskondensator 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 16, 17 schickt, dessen Polarität entgegengesetzt zur Polarität des Meßstromes durch den Widerstand 14 ist. Das Tastverhältnis für den Schalter 20 wird dabei von der Steuereinheit 18 so gewählt, daß der zeitliche Mittelwert der beiden Ströme 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 hoch frequente Taktimpulse digitalisiert werden. Einzelheiten dieser bekannten Analog/Digital-Wandler-Schaltung sind z. B. in der DE-PS 21 14 141 beschrieben.

Der digitalisierte Meßwert vom Analog/Digital-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, Mittelwertbildung, Kalibrierung, Korrektur von Temperaturfehlern, usw. Das Ergebnis wird einem Anzeigespeicher zugeführt und in der digitalen Anzeige 23 ange zeigt.

Zur Temperaturmessung ist ein Temperaturfühler 27 am Meßwert aufnehmer vorgesehen. Im gezeichneten Beispiel ist der Tempe raturfühler 27 am Permanentmagnetsystem 2 befestigt. Als Tem peraturfühler ist ein temperaturabhängiger Widerstand oder ein Halbleiter-p-n-Übergang, dessen Durchlaßspannung temperaturab hängig ist, 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 fließten. Bei geschlossenem Schalter 25 wird dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers 15 also die Summe der Meßsignale vom eigentlichen Meßwertauf nehmer 1 . . . 13 und vom Temperaturfühler 27 zugeführt, während bei geöffnetem Schalter 25 dem Eingang des Analog/Digital- Wandlers nur das Meßsignal vom eigentlichen Meßwertaufnehmer zugeführt wird. Die digitale Signalverarbeitungseinheit 22, die den Schalter 25 steuert, kann dann sowohl das Ausgangssignal des eigentlichen Meßwertaufnehmers als auch das Ausgangssignal des Temperaturfühlers 27 ermitteln. Der Schalter 25 kann dabei sowohl durch ein mechanisches Relais als auch durch einen elek tronischen FET-Schalter realisiert sein. Statt des einen Tempe raturfühlers 27 am Permanentmagnetsystem 2 können auch mehrere Temperaturfühler an verschiedenen Stellen des Meßwertaufnehmers hintereinander geschaltet sein und die Summe der Spannungsab fälle über den Schalter 25 dem Eingang des Analog/Digital- Wandlers 15 zugeführt werden. Dadurch ist eine Mittelwert bildung der Temperatur innerhalb der wesentlichen Teile des Meßwertaufnehmers möglich.

Die Einzelheiten eines solchen Meßvorganges sind in Fig. 2 in Form eines Ablaufdiagrammes dargestellt:

Im Normalzustand ist der Schalter 25 geöffnet und die digitale Signalverarbeitungseinheit übernimmt einen Meßwert vom Analog/ Digital-Wandler, der dem Ausgangssignal des eigentlichen Meß wertaufnehmers entspricht, rechnet daraus den anzuzeigenden Wert aus und steuert damit den Anzeigespeicher und die Anzeige. Gleichzeitig wird dieser Meßwert mit den vorhergehenden Meß werten verglichen und so eine Stillstandskontrolle durchge führt. Wird z. B. gerade Substanz auf die Waagschale dosiert, so daß kein Stillstand des Meßwertes auftritt, bleibt die di gitale 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 U ₀ abgespeichert. Dann aktiviert die digi tale Signalverarbeitungseinheit den Schalter 25 und wartet in einer Meßwertübernahme-Schleife ab, bis die Stillstandskontrolle wieder Stillstand meldet. Der neue Meßwert wird als U ₁ abge speichert und anschließend der Schalter 25 in seine Normalstel lung (geöffnet) zurückgesetzt. Wieder wird in einer Meßwertüber nahme-Schleife der Stillstand abgewartet und der Meßwert bei Stillstand als U ₂ abgespeichert. Die digitale Signalverarbei tungseinheit prüft dann, ob die abgespeicherten Meßwerte U ₀ und U ₂ sich höchstens um 4 d unterscheiden. Ist die Abweichung größer, wird die ganze Meßreihe nicht ausgewertet, da wahrscheinlich in der Zwischenzeit Wägegut aufgelegt oder abgenommen wurde. Ist die Abweichung jedoch kleiner, so wird der Mittelwert ¹/₂ (U ₀ + U ₂) berechnet und vom gespeicherten Wert U ₁ abgezogen. Dieser so erhaltene Wert U _T stellt dann das Ausgangssignal des Temperaturfühlers 27 dar, er wird abgespeichert und zur Berech nung der temperaturabhängigen Korrekturen benutzt. Diese Korrekturen können sich auf den Nullpunkt, die Empfindlich keit und/oder die Linearität beziehen. Anschließend wird ein neuer Meßwert vom Analog/Digital-Wandler übernommen, der daraus abgeleitete Anzeigewert ausgerechnet und in die Anzeige übernommen, die bis dahin den zuletzt berechneten Wert ange zeigt hat. Anschließend kann ein neuer Zyklus beginnen.

Dieser eben beschriebene und in Fig. 2 gezeigte Ablauf stellt natürlich nur den grundsätzlichen Ablauf dar, der im Detail z. B. durch Verzögerungsstufen, eine Begrenzung der Umläufe in den Meßwertübernahme-Schleifen für U ₁ und U ₂ usw. ergänzt werden muß, wozu jeder Datenverarbeitungsfachmann leicht in der Lage ist.

Die im vorstehenden am Beispiel eines Temperaturfühlers darge stellte Schaltung läßt sich selbstverständlich ohne Schwierig keiten auch für andere Umgebungssensoren, wie z. B. Feuchte fühler, Druckfühler, Beschleunigungsfühler, Schrägstellungs fühler etc., anpassen. Ebenso ist 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 ver schiedene Umgebungsparameter zu erfassen, zu digitalisieren und für Korrekturzwecke auszuwerten. Die getrennte Erfassung der Temperatur an mehreren Stellen kann bei sehr hohen Ansprüchen dann sinnvoll sein, wenn z. B. die am Permanentmagnetsystem ge messene Temperatur stärker zur Empfindlichkeitskorrektur heran gezogen werden soll, während die Temperatur in der Nähe der Parallelführung stärker zur Nullpunktskorrektur herangezogen werden soll.

Claims

1. Elektronische Waage

- mit einem Meßwertaufnehmer, der ein analoges Spannungs- oder Stromsignal abgibt,
- mit einem nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler hoher Auflösung,
- mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit, bei spielsweise in Form eines Mikroprozessors, und
- mit Mitteln zur Korrektur von Temperaturfehlern des Meßwertaufnehmers,

dadurch gekennzeichnet,

- daß ein Schalter (25) vorgesehen ist, der dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers (15) zusätzlich zum Signal des Meßwertaufnehmers (1 . . . 13) zu bestimmten, von der digitalen Signalverarbeitungseinheit (22) gesteuerten Zeiten das Ausgangssignal mindestens eines Temperatur fühlers (27) zuführt.

2. Elektronische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß das dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers (15) zugeführte maximale Ausgangssignal des/der Temperatur fühler(s) (27) mindestens um den Faktor 10 kleiner ist als das maximale Signal des Meßwertaufnehmers (1 . . . 13).

3. Elektronische Waage nach 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 Signalverarbeitungseinheit (22) eine Stillstandskontroll-Schaltung enthält.

5. Elektronische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet,

- daß der Schalter (25), der dem Eingang des Analog/ Digital-Wandlers (15) zusätzlich zum Signal des Meß wertaufnehmers (1 . . . 13) das Ausgangssignal mindestens eines Temperaturfühlers (27) zuführt, nur aktiviert wird, wenn die Stillstandskontroll-Schaltung Stillstand meldet.

6. Elektronische Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Ausgangssignal des/der Temperaturfühler(s) (27) von der digitalen Signalverarbeitungseinheit (22) nach der Formel U = U ₁ - ¹/₂ (U ₀ + U ₂)berechnet wird, wobei U ₀ den Ausgangswert des Analog/ Digital-Wandlers vor dem Aktivieren des Schalters (25) dargestellt,U ₁ den Ausgangswert des Analog/Digital- Wandlers bei aktiviertem Schalter (25) und U ₂ den Aus gangswert des Analog/Digital-Wandlers nach dem Ende der Aktivierung des Schalters (25).

7. Elektronische Waage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß die digitale Signalverarbeitungseinheit (22) den be rechneten Wert für das Ausgangssignal des/der Temperatur fühler(s) (27) nur weiterverarbeitet, wenn U ₀ und U ₂ innerhalb einer gewissen Fehlertoleranz übereinstimmen.