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Waage
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Die Erfindung betrifft eine Waage mit mehreren Wägezellen, die einem
Teil der aufliegenden Last entsprechende elektrische Meßsignale liefern, die zu
einem Summensignal zusammengesetzt werden.
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Derartige Waagen sind aus der Praxis bekannt. Sie besitzen Wägezellen
mit elektromechanischen oder elektromagnetischen Sensoren, die beispielsweise eine
Anordnung von Dehnungsmeßstreifen enthalten können. Die Wägezellen greifen gemeinsam
an einer Waagschale, einer die Last aufnehmenden Platte o. ä. an, so daß auf jede
Wägezelle ein Teil der zu wiegenden Last entfällt. Die Sensoren geben ein diesen
Lastanteil entsprechendes, elektrisches Analogsignal ab, das zu einem analogen Summensignal
zusammengesetzt wird. Die Sensoren können hierzu insbesondere parallel an einer
gemeinsamen Meßleitung liegen, an der sich die anstehenden Signalpegel überlagern.
Das erzeugte Summensignal wird zur Bestimmung der Gesamtlast herangezogen.
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Diese bekannte Anordnung erfordert kalibrierte Sensoren, die innerhalb
enger Toleranzen dieselbe Charakteristik besitzen.
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Die Sensoren müssen also bei gleichem Lastanteil ein mit hoher Genauigkeit
übereinstimmendes elektrisches Signal abgeben. Des weiteren muß ihr Temperaturgang,
d. h. die Temperaturabhängigkeit ihres Ausgangssignals, im Bereich der Betriebstemperatur
übereinstimmen.
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Derartige kalibrierte Sensoren sind Präzisionsinstrumente.
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Ihre Fertigung, der gegebenenfalls erforderliche Kennlinienabgleich
und ihre Zusammenstellung zu einem Satz bedingen einen großen Aufwand, der sich
in hohen Gestehungskosten niederschlägt.
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Unkalibrierte, in ihrer Charakteristik nicht gegeneinander abgeglichene
Sensoren sind dagegen zu einem viel niedrigeren Preis erhältlich. Sie lassen sich
nach dem Stand der Technik aber nicht in einer mit hoher Genauigkeit arbeitenden,
mehrere Wägezellen enthaltenden Waage verwenden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine präzise arbeitende Waage der eingangs
genannten Art zu schaffen, die mit unkalibrierten Wägezellen auskommt und sich deshalb
vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellen läßt.
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Disse Aufgabe wird gelöst durch eine Waage nach Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Waage enthält eine Anzahl von Wägezellen, deren
Sensoren nicht notwendigerweise gegeneinander abgeglichen sind. Die Meßsignale einer
bestimmten Wägezelle folgen daher einer individuellen Charakteristik, die von der
der anderen
Wägezellen verschieden sein kann. Erfindungsgemäß nimmt
man die Charakteristik der Wägezellen in Kennliniennetzwerken auf, und man setzt
die im Betrieb erhaltenen Meßsignale zu einem korrigierten Signal um, indem die
Kennlinienunterschiede der einzelnen Wägezellen kompensiert sind. Die hierzu erforderliche
elektronische Schaltung läßt sich mit handelsüblichen Bauelementen relativ preisgünstig
verwirklichen. Da für jede Wägezelle dasselbe Elektronik-Modul benötigt wird, ist
überdies eine kostengünstige Fertigung in großen Serien möglich. Die erfindungsgemäße
Verbindung der Module durch serielle Verschaltung ihrer Addierer ist schaltungstechnisch
unaufwendig, und sie erlaubt es, auf einfache Weise die ordnungsgemäße Funktion
der Addierer anhand der Konsistenz des Summenergebnisses zu prüfen.
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Bevorzugte Ausgestaltung7der Erfindung sind in nachgeordneten Ansprüchen
gekennzeichnet.
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Die in Anspruch 6 vorgeschlagene galvanische Entkopplung trägt zu
einer hohen Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Anordnung bei.
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Die Weiterbildung gemäß Anspruch 7 macht von den Vorteilen der modernen
Digital- und Mikroprozessortechnik Gebrauch. Es können sehr kurze Leitungswege für
das analoge Niederspannungs-Meßsignal der Wägezellen verwirklicht werden, was der
erfindungsgemäßen Anordnung eine geringe Störanfälligkeit sichert.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung,
in der eine Waage
und der dazugehörige Schaltkreis schematisch dargestellt sind.
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Die Waage 1 besitzt eine Waagschale 2, Platte o. ä., die die zu wiegende
Last 3 aufnimmt. An der Waagschale 2 greifen mehrere -in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
vieeWägezellen 4 an, die jeweils einen Teil der aufliegenden Last übernehmen. Die
Wägezellen 4 enthalten einen nicht näher dargestellten Sensor, der ein dem Lastanteil
entsprechendes, analoges elektrisches Meßsignal abgibt. Zur Bestimmung des Gewichts
der Last 3 werden die einzelnen Meßsignale zu einem Summensignal zusammengesetzt.
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Die Meßsignale werden hierzu über einen Analog-Digital-Wandler 5 in
ein Kennliniennetzwerk 6 eingespeist. Das Kennliniennetzwerk 6 ist in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel eine digitalelektronische Einheit, die beispielsweise unter
Verwendung eines Mikroprozessors realisiert werden kann. Die erfindungsgemäße Anordnung
läßt sich aber grundsätzlich auch in diskreter Digitaltechnik aufbauen. Jeder Wägezelle
4 ist ein Kennliniennetzwerk 6 zugeordnet. Dieses enthält in einer abrufbaren und
der automatischen Datenverarbeitung zugänglichen Form die Wiegecharakteristik der
Wägezelle 4. Die Wiegecharakteristik beinhaltet in erster Linie- die Abhängigkeit
des analogen Meßsignals von der die Wägezelle 4 beaufschlagenden Last, bzw. dem
auf die Wägezelle 4 entfallenden Lastanteil. Darüberhinaus kann aber auch eine Temperaturabhängigkeit
dieser Kennlinie berücksichtigt und in dem Kennliniennetzwerk 6 festgehalten sein.
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Die Wiegecharakteristik der in der Wage 1 verwendeten Wägezellen
4
stimmt nicht notwendigerweise überein. Es können daher in den Wägezellen 4 unkalibrierte
Sensoren Verwendung finden, die nicht zur Erzielung derselben Wiegecharakteristik
abgeglichen sind. Hierdurch sind im elektromechanischen Teil der Waage 1 wesentliche
Vereinfachungen möglich. Man kann insbesondere ohne Rücksicht auf den jeweiligen
Kennlinienverlauf im Handel erhältliche, einzelne Sensoren zu einer Waage 1 kombinieren.
Unterschiede in der Charakteristik werden von den Kennliniennetzwerken 6 kompensiert.
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In der Praxis nimmt man beider Herstellung der Waage 1 in einer Eichmessung
die Wiegecharakteristik der verwendeten Wägezellen 4 auf. Man belastet hierzu die
Wägezelle 4 mit Eichgewichten und bestimmt das resultierende, analoge Meßsignal.
Das erhaltene Wertepaar wird in das der jeweiligen Wägezelle 4 zugeordnete Kennliniennetzwerk
6 eingespeichert. Zwischen den Punkten der Eichmessung kann eine Interpolation der
Kennlinie erfolgen.
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Will man überdies den Temperaturgang der Wägezelle 4 berücksichtigen,
so führt man die Eichmessung bei verschiedenen Umgebungstemperaturen durch, um ein
temperatur-parametrisiertes Kennlinienfeld in dem Kennliniennetzwerk 6 zu speichern.
Nach Durchführung der Eichung sind das Kennliniennetzwerk 6 und die Wägezelle 4
einander eindeutig zugeordnet, d. h. das Kennliniennetzwerk 6 enthält die Wiegecharakteristik
genau einer Wägezelle 4. Als Speicherelement kann das Kennliniennetzwerk 6 beispielsweise
einqRalbleiterspeicher, vorzugsweise in Form eines ROM, enthalten, der beispielsweise
Teil eines Mikroprozessors sein kann.
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Beim Wiegen einer zu bestimmenden Last 3 setzt das Kennliniennetzwerk
6 das Meßsignal der zugehörigen Wägezelle 4 in einer der gespeicherten Wiegecharakteristik
entsprechenden Weise um.
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Es wird ein standardisiertes Ausgangssignal erzeugt, in dem der individuelle
Kennlinienverlauf der Wägezelle 4 kompensiert ist.
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Dieses Ausgangssignal stimmt bei gleichem Lastanteil für alle Wägezellen
4 mit einer Genauigkeit überein, die in der Größenordnung der geforderten Meßgenauigkeit
liegt. Anders gesagt, erhält man am Ausgang der Kennliniennetzwerke 6 ein Signal,
das einer fiktiven, kalibrierten Kennlinie aller Wägezellen 4 entspricht. Im Interesse
einer einfachen Weiterverarbeitung sollte dieses kompensierte Signal dem Lastanteil
der Wägezelle 4 proportional sein.
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Jedes der Kennliniennetzwerke 6 gibt sein Ausgangssignal an einen
Addierer 7 ab. Die Addierer 7 sind wie die Kennliniennetzwerke 6 jeweils einer Wägezelle
4 zugeordnet. Sie können zusammen mit dem Analog-Digital-Wandler 5 und dem Kennliniennetzwerk
6 Teil eines Elektronik-Moduls 8 sein, das pro Wägezelle 4 einmal vorhanden ist.
Die Addierer 7 sind untereinander sowie mit einem Masterprozessor 9 seriell verschaltet.
Jeder Addierer 7 besitzt einen Eingang 10 für das kompensierte Signal der zugehörigen
Kennliniennetzwerke 6 und einen zweiten Dateneingang 11. Der Addierer 7 addiert
die an den Eingängen 10, 11 anstehenden Signale, und er gibt das erhaltene Summensignal
an einem Ausgang 12 aus. Bezeichnet man mit N die Anzahl der Wägezellen 4, so sind
N Addierer 7 in Serie geschaltet, wobei der Ausgang 12 des ersten Addierers mit
dem Dateneingang 11 des zweiten Addierers, der Ausgang 12 des zweiten Addierers
mit dem Dateneingang 11 des dritten Addierers usw. verbunden ist.
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Der Ausgang des N-Addierers ist mit dem Masterprozessor 9 verbunden.
Man erkennt, daß der Masterprozessor 9 so die Gesamtsumme der von den Kennliniennetzwerken
6 ausgegebenen, kompensierten Signal erhält, die ein Maß für die auf der Waagschale
2 aufliegenden Last 3 darstellt. Die serielle Anordnung einzelner Addierer 7 ermöglicht
dabei einen modularen Aufbau der Schaltung für eine beliebige Anzahl N von Wägezellen
4. Die Verschaltung der einzelnen Module 8 kann mit minimalem Aufwand erfolgen.
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In dem Masterprozessor 9 erfolgt eine Weiterverarbeitung des mit den
Addierern 7 erzeugten Summensignals. Es wird ein Anzeigewert für das Gewicht der
Last 3 erstellt und an eine geeignete Anzeigeeinrichtung abgegeben.
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Der Dateneingang 11 des ersten Addierers 7 ist in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel über eine Prüfleitung 13 mit einem Ausgang 14 des Masterprozesses
9 verbunden. Auf diese Prüfleitung 13 kann ein Offset gegeben werden, das dann von
den Addierern 7 zu der Summe der von den Kennliniennetzwerken 6 erhaltenen Werten
hinzu addiert wird. Hierdurch kann die ordnungsgemäße Funktion der Addierer 7 und
der einwandfreie Zustand ihrer Verbindungsleitung geprüft werden. Der Masterprozessor
9 kann beispielsweise so geschaltet sein, daß zunächst mit Offset Null ein erster
Summenwert berechnet wird. Sodann wird ein bestimmtes Offset ungleich Null am Ausgang
14 des Masterprozessors 9 erzeugt, und ein zweiter Summenwert berechnet, von dem
dann der Offsetwert wieder abgezogen wird. Das Ergebnis dieser Rechnung muß mit
dem ersten Summenwert übereinstimmen. Ist dies innerhalb der Rechengenauigkeit der
Fall, so ist die ordnungsgemäße Funktion der Addierer 7 verifiziert. Die beschriebene
Prüfung kann natürlich in einem bestimmten Zeittakt auch mit
verschiedenen
Offsetwerten durchgeführt werden.
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Die Leitungsverbindung zwischen den Addierern 7 bzw. den Addierern
7 und dem Masterprozessor 9 ist vorzugsweise galvanisch entkoppelt, was über Optokoppler
erfolgen kann. Hierdurch wird ein hohes Maß an Betriebssicherheit gewährleistet.
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Zur Störunempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Anordnung trägt weiterhin
bei, daß das Niederspannungs-Meßsignal der Wägezellen 4 nicht unmittelbar, sondern
erst nach einer Analog-Digital-Umwandlung summiert wird. Der Analogteil der verwendeten
Schaltung ist dadurch sehr einfach, und die Leitungsverbindungen für das Analogsignal
können extrem kurz gehalten werden.
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Die erfindungsgemäße Waage findet eine bevorzugte Anwendung als Industriewaage.
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Bezugszeichenliste 1) Waage 2) Waagschale 3) Last 4) Wägezelle 5)
Analog-Digital-Wandler 6) Kennliniennetzwerk 7) Addierer 8) Modul 9) Masterprozessor
10) Eingang 11) Dateneingang 12) Ausgang 13) Prüfleitung 14) Ausgang