DE3244853A1

DE3244853A1 - Elektromagnetisch kompensierende waage

Info

Publication number: DE3244853A1
Application number: DE19823244853
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl.-El.-Ing. 8610 Uster Leemann; Oskar Dipl.-El.-Ing. Schett
Original assignee: Mettler Instrumente Ag 8606 Greifensee; Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Toledo GmbH Germany
Priority date: 1982-02-10
Filing date: 1982-12-03
Publication date: 1983-08-18
Also published as: JPH0245783Y2; FR2521290B1; US4457386A; FR2521290A1; GB2114754B; CH655182A5; GB8301239D0; JPS58119735U; DE3244853C2; GB2114754A

Description

Leinweber & Zimmermann
Rosental 7/H.Aufg.
D-8000 München\2 . -3-

3. Dezember 1982

Mettler Instrumente AG, Greifensee (Schweiz)

Elektromagnetisch kompensierende Waage

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetisch kompensierende Waage, mit einer die lastabhängige Einschal tdauer einer Konstantstromquelle steuernden Regel- und Vergleichsschaltung, umfassend einen Komparator zum Vergleich einer periodischen Sägezahnspannung mit einem lastabhängigen Regelsignal, mit einer Zählschaltung zur Zählung von Taktimpulsen während einer Mehrzahl von Einschal tdauern, und mit einer Rechenschaltung zur Ermittlung des digitalen Gewichtsergebnisses aus der Impulszählung. Derartige Waagen sind in den US-Patentschriften 3,786,884 und 3,816,156 beschrieben.

Ein bekanntes Problem beim Betrieb derartiger Waagen sind Temperatureinflüsse, die sich z.B. durch die Erwärmung des Kompensationssystems unter Last, aber auch aus wechselnden Aussentemperaturen ergeben. In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, einen Wärmefühler vorzusehen, welcher die Konstantstromquelle korrigiert (US-Patentschrift 3,786,678). Andere Waagen verfügen über ein Tem-

netz, peratureinflüsse korrigierendes Widerstandswerk (deutsche Offenlegungsschrift 24 oo 881). Ferner ist bereits eine digital anzeigende Saitenwaage bekannt geworden (deutsche Auslegeschrift 25 19 7 27), bei welcher eine digitale Korrektur des Messwertes mittels fest abgespeicherter Faktoren vorgenommen wird, die gegebenenfalls auch gemäss den aktuellen Betriebsbedingungen verändert werden können, z.B. abgeleitet von den Signalen eines Temperaturfühlers.

Zur Analog-Digital-Wandlung zweier Grossen mit unter-schiedlichen Genauigkeitsanforderungen (wie z.B.' Gewicht einerseits, Temperatur andererseits) könnten auf konventionelle Weise zwei separate Analog-Digital-Wandler' eingesetzt werden. Der damit verbundene Mehraufwand ist jedoch unerwünscht. Die vorliegende Erfindung entstand daher aus der Aufgabe, bei einer Waage der eingangs genannten Art auf einfache Weise und unter Verzicht auf einen zusätzlichen Analog-Digital-Wandler eine selbsttätige digitale Temperaturkompensation zu ermöglichen. Erfindungsgemäss wird zur Losung dieser Aufgabe vorgeschlagen, dass in der Waage in an sich bekannter Weise ein Temperaturfühler vorhanden ist, dass ein Komparator zum Vergleich des gegebenenfalls verstärkten analogen Temperatursignals mit einer periodischen Sägezahnspannung vorgesehen ist, dass eine Zählschaltung zur Zählung von Taktimpulsen bis zum Ansprechen des Komparators vorgesehen ist, dass ein- · Speicher zur Aufnahme des aus der Zählung resultierenden digitalen Temperaturwertes vorhanden ist, und dass die Rechenschaltung zur Verrechnung des digitalen Temperaturwertes mit dem digitalen Gewichtsergebnis ausgelegt ist.

Es läge nahe, für die Berücksichtigung des Temperatursignals einen konventionellen Multiplexer zu verwenden. Dies liefe auf eine etwa gleichwertige Berücksichtigung von Gewichts- und Temperatursignal hinaus, welche jedoch nicht erforderlich ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist deshalb die Anordnung so getroffen, dass eine Steuerschaltung für die Zählschaltung vorgesehen ist, welche so ausgelegt ist, dass für eine eine Mehrzahl vop_; Einschaltdauern umfassen de Gewichtsermittlung das Temperatursignal einmal ausgezählt wird. Das bedeutet, dass die Aktualität der Gewichtsermittlung praktisch nicht beeinflusst wird. Die (nur) einmalige Berücksichtigung des Temperatursignals ist dabei umso eher genügend, als es ja nur um eine Fehlerkorrektur geht, für welche bei gegebener Auflösung des Gewichts eine wesentlich kleinere Auflösung genügt.

Prinzipiell wäre es möglich, für die Gewichts- und die Temperatürerfassung denselben Komparator zu verwenden. Dies würde jedoch einen nennenswerten schaltungsmässigen Mehraufwand bedeuten. Es wird daher eine Ausführungsform bevorzugt, bei welcher für die Gewichtserfassung und für die Temperaturerfassung je ein eigener Komparator vorgesehen ist. Dies ist umso einfacher realisierbar, als marktübliche integrierte Schaltkreise mit jeweils zwei Komparatoren verfügbar sind.

Grundsätzlich würde es genügen, die Temperatur auf die erfindungsgemässe Weise digital zu berücksichtigen. Andererseits haben die üblicherweise für das Kompensations system verwendeten Werkstoffe (z.B. das Magnetmaterial) typischerweise einen Temperaturkoeffizienten, der - mehr oder weniger stark - um einen Mittelwert streut. Im Hinblick darauf wird es als zweckmässig erachtet, dass der Temperaturfühler ausser an den Komparator auch an die Konstantstromquelle angeschlossen ist. Aus dieser Kombination der klassischen mit der erfindungsgemässen Massnahme ergibt sich der Vorteil, dass die Gesamtkompensation des Temperatureinflusses bei gleichem Aufwand bezüglich der Genauigkeit der Temperaturerfassung wesent-

- jf'—

lich genauer erfolgen kann als bei rein digitaler Kompensation, da ja nur noch die individuelle Streuung des Temperaturkoeffizienten digital berücksichtigt werden muss.

Bei geeigneter Auslegung der Steuerung der Zählvorgänge kann dieselbe Zählschaltung für die Zählung der Taktimpulse sowohl des Gewichtssignals als auch des Temperatursignals vorgesehen werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert.

Die einzige Figur ist ein Blockschaltbild der erfindungswesentlichen Bestandteile des Ausführungsbeispiels.

Die Waage 10 umfasst ein elektromagnetisches Kompensa- .. tionssystem, symbolisiert durch eine Spule 12. Wie beispielsweise in der eingangs genannten US-Patentschrift 3,786,884 ausführlich beschrieben ist, verursacht eine Belastung der Waagschale 14 eine Auslenkung des mechanischen Teils der Waage aus einer Soll- oder Nullage. Diese Auslenkung erzeugt ein elektrisches Signal (Geberschaltung 16), das einem Regler 18 zugeführt wird. Das Regelsignal beaufschlagt einen Komparator 20, in welchem die Regelspannung mit einer periodischen Sägezahnspannung (Rampe) aus einem Rampengenerator 22 verglichen wird. Letzterer wird gesteuert von einem Frequenzteiler 23, der von einem hochfrequenten Oszillator (Taktimpulsgenerator) 3 0 beaufschlagt wird. Das Ausgangssignal des Komparators 20 steuert über einen Synchronisierungs-Flipflop 24 einen Schalter 26, der eine Konstantstromquelle 28 an die Kompensationsspule 12 an- bzw. wieder von ihr abschaltet. Der Konstantstrom i fliesst je Rampe jeweils so lange, bis - im Gleichgewichtszustand - die elektromagnetische Kompensationskraft der aufgelegten Last entspricht und die Sollposition des mechanischen Teils der Waage wieder

erreicht ist.

Während der Länge der Stromimpulse i werden Taktimpulse aus dem hochfrequenten Oszillator 30 gezählt, deren Summe nach Verrechnung von Proportionalitäts- und Korrekturfaktoren das digitale Gewichtsergebnis liefert. Hierzu ist eine Torschaltung 3 2 vorgesehen, deren Oeffnungszeit durch den Komparator 20 bestimmt ist. Die gewichtsproportionalen Taktimpulsmengen gelangen in einen Zähler 34, der zum Zähl- und Speicherteil 36 eines Mikrocomputers 38 gehört (weitere Arbeitsspeicher sind mit 48, 50 und 52 bezeichnet) . Gemäss einem für die betreffende Waage festgelegten Programm (ROM 40) werden die gezählten Impulssummen von der zentralen Recheneinheit 42 (CPU) verarbeitet und zum fertigen digitalen Gewicht aufbereitet, welches in konventioneller Weise über eine Decodier- und Treiberschaltung 44 in der i4%%gtii3ilaii®eige 46 erscheint.

Ein temperaturabhängiger Widerstand (Temperaturfühler) 54 im Kompensationssystem (12) der Waage 10 ist an einen Verstärker 56 angeschlossen. Dessen Ausgangssignal beeinflusst die Konstantstromquelle 28 derart, dass mit steigender Temperatur der Konstantstrom angenähert um so viel stärker wird, wie das Permanentmagnetfeld im Kompensations system aufgrund des mittleren Temperaturkoeffizienten des Magnetmaterials schwächer wird, so dass eine Grobkompensation des Temperatureinflusses auf das Messresultat erzielt wird.

Die bis hierher konventionelle Anordnung ist nun gemäss der Erfindung wie folgt modifiziert. Es ist ein zweiter Komparator 58 vorgesehen, der seine periodische Vergleichs spannung vom selben Rampengenerator 22 erhält wie der erste Komparator 20. Das verstärkte Signal des temperaturabhängigen Widerstandes 54 wird ständig mit der Rampe im

Komparator 58 verglichen. Vor der Torschaltung 32 ist ein elektronischer Schalter 60 angeordnet, der vom Mikro· computer 38 gesteuert wird und entweder den Komparator 20 ('Gewichtskomparator¹) oder den Komparator 58 ('Temperaturkomparator') mit dem Eingang der Torschaltung 32 verbindet.

Die Wirkungsweise sei im folgenden beispielsmässig anhand der wesentlichen Schritte einer Gewichtsermittlung erläutert.

Während 268 Rampen zu je zwei Millisekunden wird das Gewicht ausgezählt. Es folgt eine Leerrampe, d.h. eine Periode des Rampengenerators 22 , während welcher keine Taktimpulse gezählt werden. In dieser Zeit wird

- der Schalter 60 umgesteuert,

- die Summe der Gewichtszählimpulse aus dem Zähler 34 in einen Speicher (z.B. 48) übernommen und der Zähler 34 auf Null gesetzt' , und

- ein interimistisches Gewicht berechnet. Dabei können z.B. anlässlich einer Werkseichung ermittelte und in einem Festwertspeicher (40) des Mikrocomputers 38 abgelegte Faktoren zur Korrektur von Linearität und Empfindlichkeit berücksichtigt werden.

Während der folgenden Rampe, wird das Temperatursignal ausgezählt, d.h. im Zähler 34 läuft eine dem Signal des Temperaturfühlers 54 (und damit zur Temperatur im Kompensationssystem) proportionale Anzahl Taktimpulse ein. Es folgt eine weitere Leerrampe,.während welcher

- der Schalter 60 wieder umgesteuert wird auf den Ausgang des 'Gewichts'-Komparators 20,

- der Inhalt des Zählers 34 in einen Speicher (z.B. 50) übernommen und der Zähler 34 wieder auf Null gesetzt wird.

Hieran kann sich eine weitere nicht der Messwertgewinnung dienende Rampe anschliessen, während welcher beispiels-

weise eine Funktionsfehlersicherheitskontrolle vorgenommen wird.

Nun wiederholt sich der ganze Zyklus, beginnend mit der Auszählung von 268 Gewichtsrampen.

Der abgespeicherte digitale Temperaturwert wird nach einer fest vorgegebenen Korrekturformel mit dem interimistischen Gewicht verrechnet und das sich daraus ergebende korrigierte (wahre) Gewicht zur Anzeige bereitgestellt (Treiberschaltung 44, Digitalanzeige 46).

Formeln zur Berücksichtigung von Korrekturfaktoren sind bekannt und müssen daher hier nicht im einzelnen angeführt werden. -

Durch die beschriebenen Massnahmen ist mit einfachen Mitteln eine praktisch vollständige Kompensation von Tempe.-ratureinflüssen möglich. Dabei ist, wie eingangs erwähnt, die Kombination der digitalen Korrektur mit der analogen Korrektur (Beeinflussung der Konstantstromquelle 28) zwar in vielen Fällen vorteilhaft, aber keineswegs unerlässlich. Im Prinzip kann auch eine digitale Korrektur allein vorgesehen werden. In jedem Fall resultiert eine beachtliche Vereinfachung bei der Herstellung der Waagen und in deren Betrieb dadurch, dass eine Justierung beispielsweise mittels Potentiometern vollständig entfällt. Ausserdem ist letzterer Gesichtspunkt besonders für eichpflichtige Waagen von Bedeutung.

Das Ausführungsbeispiel wurde beschrieben mit einem Mikrocomputer, der die notwendigen Rechnungen und die meisten Steuerfunktionen entsprechend seinem Programm ausführt. Es sei jedoch betont, dass die Verwendung eines Mikrocomputers zwar eine besonders elegante Realisierung der Erfindung ermöglicht, jedoch durchaus nicht zwingend ist -

die-Erfindung kann ohne weiteres auch durch entsprechend aufgebaute diskrete Schaltungen verwirklicht werden.

⁵ Bezugszeichenaufstellung

Elektromagnetisch kompensierende Waage

Mettler Instrumente AG, Greifensee, Schweiz 10

10 12 14 16	Waage 58 Spule Waagschale Geberschaltung	zwexter Kom parator elektronischer Schalter
18	Regler
20	Komparator
22	Rampengenerator
23	Frequenzteiler
24	Synchronisierungs-Flip-Flop
26	Schalter
28	Konstantstromquelle
30	Oszillator
32	Torschaltung
34	Zähler
36	Speicherteil
38	Rechenschaltung
40	Festwertspeicher
41	Zentrale
42	Recheneinheit (CPU)
44	Decodier- und Treiberschaltung
46	Digitalanzeige
48	Arbeitsspeicher
50	Arbeitsspeicher
52	Arbeitsspeicher
54	Temperaturfühler
56	Verstärker

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Elektromagnetisch kompensierende Waage, mit einer die lastabhängige Einschaltdauer einer Konstantstromquelle steuernden Regel- und Vergleichsschaltung, umfassend einen Komparator zum Vergleich einer periodischen Sägezahnspannung mit einem lastabhängigen Regelsignal, mit einer Zählschaltung zur Zählung von Taktimpulsen während einer Mehrzahl von Einschaltdauern, und mit einer Rechenschaltung zur Ermittlung des digitalen Gewichtsergebnisses aus der Impulszählung, dadurch gekennzeichnet, dass in der Waage in an sich bekannter Weise ein Temperaturfühler (54) vorhanden ist, dass ein Komparator (58) zum Vergleich des gegebenenfalls verstärkten analogen Temperatursignals mit einer periodischen Sägezahnspannung vorgesehen ist, dass eine Zählschaltung

(34) zur Zählung von Taktimpulsen bis zum Ansprechen des Komparators (58) vorgesehen ist, dass ein Speicher (48) zur Aufnahme des aus der Zählung resultierenden digitalen Temperaturwertes vorhanden ist, und dass die Rechenschaltung (38) zur Verrechnung des digitalen Temperaturwertes mit dem digitalen Gewichtsergebnis ausgelegt ist.
2. Waagen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung für die Zählschaltung (34) , welche so ausgelegt ist, dass für eine eine Mehrzahl von Einschaltdauern umfassende Gewichtsermittlung das Temperatursignal einmal ausgezählt wird.
3. Waage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Gewichtserfassung und für die Temperaturerfassung je ein eigener Komparator (20, 58) vorgese- hen ist.

-4-β=·
4. Waage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei gemeinsamem Eingang der beiden Komparatoren (20, 58) in die Rechenschaltung (38) zwischen diese und die Komparatoren ein gegebenenfalls von· der Rechenschaltung gesteuerter elektronischer Schalter (60) vorgesehen ist.
5. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (54) außer an den Komparator (58) auch an die Konstantstromquelle (28) angeschlossen ist.
6. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe Zählschaltung (34) für die Zählung der Taktimpulse sowohl des Gewichtssignals als auch des Temperatursignals vorgesehen ist.