DE3515969A1

DE3515969A1 - Verfahren zum betrieb einer elektromagnetisch kraftkompensierenden waage sowie waage zum durchfuehren des verfahrens

Info

Publication number: DE3515969A1
Application number: DE19853515969
Authority: DE
Inventors: Peter El.-Ing. Kunz (HTL), Gossau
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Toledo GmbH Germany
Priority date: 1984-06-29
Filing date: 1985-05-03
Publication date: 1986-01-02
Also published as: CH665025A5; US4627505A; JPS6118828A

Description

Patentanwälte

Rosenta! 7/ii.Aiiia. h

D -8000 München^ Λ

Mettler Instrumente AG, Greifensee

Verfahren zum Betrieb einer elektromagnetisch kraftkompensierenden Waage sowie Waage zum Durchführen des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektromagnetisch kraftkompensierenden Waage, bei welchem eine Konstantstromquelle, gesteuert von einer Regel- und Vergleichsschaltung, für gewichtsproportionale Zeitabschnitte an die Kompensationsspule geschaltet und die Länge dieser Zeitabschnitte mit Taktimpulsen ausgezählt wird, bei welchem ferner in einer digitalen Auswerteschaltung die gewichtsproportionalen Taktimpulssummen zu in einer Digitalanzeige darstellbaren Gewichtsergebnissen verrechnet werden.

Ferner betrifft die Erfindung eine elektromagnetisch kraftkompensierende Waage, mit einer für gewichtsabhängige Zeitabschnitte an eine Kompensationsspule anschaltbaren Konstantstromquelle, mit einer Regel- und Vergleichsschaltung für die Steuerung der Anschaltdauer der Konstantstromquelle, und mit

einer Auswerteschaltung zur Aufbereitung des Wägeergebnisses in digitaler Form und zu dessen Darstellung in einer Digitalanzeige.

Bei modernen elektrischen Waagen spielt die Zuverlässigkeit der Messwertgewinnung und -darstellung eine zunehmende Rolle. Da in vielen Fällen eine unzutreffende Gewichtsanzeige nicht aus sich heraus als fehlerhaft erkennbar ist, insbesondere, wenn es sich um kleinere Abweichungen vom wahren Wert handelt, legt man in steigendem Masse Wert auf Massnahmen zur Funktionsfehlererkennung, im folgenden kurz FFE genannt. So sind beispielsweise schon verschiedene Methoden zur FFE bei Digitalanzeigen bekannt geworden, da sich der unbemerkte Ausfall einzelner Anzeigeelemente besonders gravierend auswirken kann.

Trotz verbesserter Zuverlässigkeit sind aber auch andere bei der Messwertgewinnung und -aufbereitung verwendete Komponenten potentiell fehlerträchtig, insbesondere durch Alterungserscheinungen .

Die vorliegende Erfindung entstand aus der Aufgabenstellung, im Sinne einer FFE eine permanente Ueberwachung wesentlicher Komponenten der Waage mit massigem Aufwand zu ermöglichen.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art die Konstantstromquelle mittels einer FFE-Schaltung überwacht wird, dergestalt, dass der Konstantstrom periodisch in einem von der Gewichts-

25- wert-Digitalisierung getrennten A-/D-Wandler digitalisiert und der digitalisierte Stromwert in der Auswerteschaltung mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird, wobei die Auswerteschaltung ein Fehlersignal generiert, wenn die Abweichung der beiden verglichenen Werte einen vorgegebenen Betrag überschreitet. Damit ist sichergestellt, dass aus Aenderungen im

Verhalten eines besonders kritischen Elementes, eben der Konstantstromquelle, keine unbemerkten Fehler resultieren können. Gleichzeitig ist damit auch die ordnungsgemässe Funktion des A-/D-Wandlers überprüft.

Jedenfalls Waagen mit höheren Ansprüchen an die Spezifikation verfügen über Temperaturfühler zur Berücksichtigung von Temperatureinflüssen. Dementsprechend ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens, bei welchem ferner digitalisierte Signale einer hochlinear temperaturabhängigen Stromquelle (Temperatur-Stromquelle) in der Auswerteschaltung mit den Gewichtswerten zur Lieferung eines korrigierten Anzeigewertes verrechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass intermittierend die Signale einer zweiten Temperatur-Stromquelle digitalisiert und in der Auswerteschaltung mit den digitalisierten Signalen der ersten Temperatur-Stromquelle verglichen werden, wobei die Auswerteschaltung ein Fehlersignal generiert, wenn die Abweichung der beiden verglichenen Werte einen vorgegebenen Betrag überschreitet. Damit ist auch die Gefahr von unbemerkten Funktions-Fehlern aus der Temperaturkorrektur gebannt.

Entsprechend dem oben Gesagten ist eine Waage der eingangs genannten Art gekennzeichnet durch eine FFE-Schaltung zur üeberwachung der Konstantstromquelle, wobei die FFE-Schaltung einen von der Gewichtswertdigitalisierung unabhängigen A-/D-Wandler zur periodischen Digitalisierung des KonstantStroms sowie eine Schaltung zum Vergleich des digitalisierten Wertes des Konstantstroms mit einem vorgegebenen Wert umfasst.

In bevorzugter Ausgestaltung ist zur Korrektur von Temperaturschwankungen eine einen genau temperaturabhängigen Strom abgebende Stromquelle (Temperatur-Stromquelle) und eine Schaltung zur Digitalisierung dieses Stromes vorgesehen und die Auswerteschaltung zur Verrechnung des digitalisierten Signals mit dem Gewichtswert ausgelegt, wobei eine zweite, der ersten gleichende Temperatur-Stromquelle vorgesehen ist, welche an die genannte Digitalxsierungsschaltung anschaltbar ist, und

wobei die Auswerteschaltung ferner zum Vergleichen der beiden digitalisierten Werte ausgelegt ist. Dabei ist zweckmässigerweise die genannte Digitalisierungsschaltung der von der Gewichtswertdigitalisierung unabhängige A-/D-Wandler.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ferner ein der Kompensationsspule zugeordneter, zwischen diese und Erde geschalteter Widerstand vorgesehen, der in Verbindung mit der FPE-Schaltung eine Ueberwachung von Stromschalter und Kompensationsspule bewirkt. Damit sind zusätzlich weitere Komponenten in die FFE einbezogen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist Figur 1 ein Blockschema,
Figur 2 ein Signaldiagramm, und

Figur 3 ein Flussdiagramm.

Für das Ausführungsbeispiel wurde eine Waage gewählt, wie sie ausführlich in der US-Patentschrift 4,245,711 beschrieben ist. Auf die genannte Schrift wird bezüglich der Funktionsweise der Waage verwiesen, soweit es um die Gewichtsermittlung und -darstellung geht. Im folgenden wird daher im wesentlichen nur das gemäss der vorliegenden Erfindung Neue beschrieben.

Das Blockschema der Figur 1 zeigt den Aufbau der Schaltung. Eine Konstantstromquelle 10 (unter anderem umfassend eine Referenzdiode Ref I, z.B. vom Typ LM 385 NS) ist über einen Stromschalter 12 wahlweise an die beiden Zweige einer Kompensationsspule 14 schaltbar, welche in bekannter Weise im Luftspalt eines Permanentmagnetsystems angeordnet ist (nicht gezeichnet). Ein mit G bezeichneter Komplex 16 symbolisiert die zur Gewichtsermittlung erforderlichen bekannten Schaltungselemente (vgl. die oben genannte US-Patentschrift), umfassend die Regel- und Vergleichsschaltung einschliesslich der Positionsgeberschaltung für den Lastaufnehmer der Waage. Mit 18 ist ein

Mikrocomputer bezeichnet, der die gesamte Schaltung steuert, das Gewicht berechnet und es für eine Digitalanzeige 20 bereitstellt.

Körperlich nahe beieinander am Permanentmagnetsystem angeordnet sind zwei gleiche Temperatur-Stromquellen 22, 24 (T₁ bzw. T₂) . Sie erzeugen einen linear tempera^turabhängigen Strom und können vom Typ LM 334 NS sein. Ein elektronischer Umschalter 26 (mit S bezeichnet) wird vom Mikrocomputer 18 gesteuert und verbindet abwechselnd die Ströme aus T-, T₂ und von der Konstantstromquelle 10 (I) mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers (A/D) 28. Letzterer umfasst in bekannter Weise einen Integrator und einen Komparator und arbeitet nach dem Mehrrampenprinzip. Der Ausgang des (Komparators des) A-/D-Wandlers 28 ist zum Mikrocomputer 18 geführt und steuert dort eine Zählschaltung.

Anhand des Signaldiagramms der Figur 2 sei nun das Verfahren erläutert.

Der Kurvenzug S gibt die Stellung des Schalters 26 wieder: Während der Messung T» ist die Temperatur-Stromquelle 22 an den A-/D-Wandler 28 angeschlossen, während der Messung T₂ die Temperatur-Stromquelle 24, und während der Messung I der Strom aus der Konstantstromquelle 10. Danach wiederholt sich die genannte Reihenfolge, und zwar permanent.

Die beiden Kurvenzüge A/D geben die Lade-/Entladezyklen des Integrators (oberer Kurvenzug) und die Ausgangssignale des Komparators wieder (unterer Kurvenzug): In bekannter Weise wird während eines konstanten Zeitabschnittes tu. (im vorliegenden Beispiel: 107 ms) das jeweilige Eingangssignal integriert (Laden eines Kondensators); anschliessend wird im A-/D-Wandler 28 vom Eingangssignal auf ein bekanntes Signal (Ref II) umgeschaltet und mit diesem der Kondensator entladen und die entsprechende Zeit t_M mittels Taktimpulsen ermittelt. Die Anzahl Taktimpulse ist jeweils proportional zum Eingangssignal.

Im vorliegenden Beispiel werden die Taktimpulse im Mikrocomputer 18 gezählt. Dabei werden jeweils 16 einzelne Messzyklen t von T, bzw. T₂ bzw. I zu einer Messung, d.h. zu einem Messergebnis, zusammengefasst und dann weiter verarbeitet. Die Weiterverarbeitung besteht darin, dass das Messergebnis von I mit einem im Mikrocomputer 18 fest gespeicherten, bei der Werkseinstellung der Waage ermittelten Kontrollwert verglichen wird und letzterem - innerhalb einer gewissen Toleranz - entsprechen muss, ansonsten ein Fehlersignal erzeugt wird. Die beiden Werte aus den Messungen T₁ und T₂ werden jeweils auf Uebereinstimmung überprüft, ebenfalls innerhalb einer kleinen Bandbreite.

Die Kurvenzüge T,, T₂ und I zeigen die jeweiligen Messabschnitte der einzelnen Signale: Simultan mit dem Abschalten des jeweiligen Eingangssignals im A-/D-Wandler 28 und dem Anschalten des Referenzsignals (Ref II) beginnt das Zählelement im Mikrocomputer 18 Taktimpulse zu zählen, bis der Messabschnitt t„ beendet ist (Ausgangssignal des Komparators, siehe oben).

Figur 3 verdeutlicht den Ablauf einer Messung. Zu Beginn werden im Mikrocomputer 18 der Zykluszähler Z und der Summierer (M) auf Null gesetzt, ebenso der Zeitgeber für t, und der Messzähler für t„. Ferner wird, vom Mikrocomputer 18 gesteuert, der jeweilige Messstrom angeschaltet (in Figur 3: der Strom aus der Temperaturstromquelle 22 (T,)). Ist die vorgegebene Zeit t, von 107 ms abgelaufen, so wird der Messstrom ab- und der Referenzstrom (Ref II) angeschaltet sowie der Messzähler gestartet. Dieser zählt während der Zeit t_M, d.h. so lange, bis der Komparatorausgang des A-/D-Wandlers 28 den Nulldurchgang signalisiert. Dann wird der Referenzstrom abgeschaltet, der Messzähler gestoppt und dessen Resultat in den Summierer übernommen. Der Zykluszähler Z wird fortgeschaltet, und der Zyklus beginnt von neuem, bis 16 Zyklen vollendet sind. Dann wird der kumulierte Messwert M aus den 16 Einzel-

zählungen t_M dem Rechner übergeben zur Weiterverarbeitung. Sodann beginnt die folgende Messung, nun für den Strom aus der TemperaturStromquelle 24 (T₂), nach deren Abschluss diejenige für I . Das Ablaufschema ist jeweils gleich wie in Figur 3 gezeigt; lediglich beim Schritt 3 ändern sich die Schalterstellungen entsprechend (S_n, ein für T₀, S_ ein für I ) .-

T₂ i i_c c

Im vorliegenden Fall steht nach jeweils etwa 2 s ein neuer Messwert (T. bzw. T₂ bzw. I) zur Verfügung, d.h., die oben erwähnten Kontrollrechnungen liefern periodisch aller ca. 7 s für die Temperaturfühler 22, 24 und für die Konstantstromquelle 10 ein neues Ergebnis.

Mit dieser Kadenz sind auch strenge Anforderungen an die FFE erfüllt, und es rechtfertigt sich, von einer permanenten üeberwachung zu sprechen. Stellt sich bei einer der Kontrollrechnungen ein Fehler heraus, so wird ein Fehlersignal erzeugt. Hierzu können, je nach Bedarf, verschiedene für sich bekannte Möglichkeiten zum Zuge kommen (einzeln oder kumuliert), beispielsweise ein optisches Signal (Blinken oder Dunkelsteuern der Anzeige oder Ersetzen der numerischen Anzeige durch z.B. •ERROR¹), oder ein akustisches Signal (z.B. ein Piep- oder Pfeifton).

Unabhängig von der hier beschriebenen FFE wird das digitalisierte Temperatursignal einer der beiden Temperaturetromquellen 22 oder 24 in für sich bekannter Weise zur Korrektur des Gewichtssignales angewendet, indem letzteres nach einer entsprechenden Formel mit ersterem verrechnet wird, um den Einfluss von Temperaturschwankungen auf das Gewichtsergebnis zu kompensieren.

- y-

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass mit der beschriebenen FFE-Methode auch gleich das korrekte Funktionieren des A-/D-Wandlers 28 in die üeberwachung einbezogen ist.

Nachzutragen bleibt ein weiterer Aspekt des beschriebenen Ausführungsbeispiels: Der in Figur 1 eingezeichnete Widerstand 30 verändert den Konstantstrom I , sobald im Schalter 12 ein Leckstrom oder in der Spule 14 ein Kurzschluss auftritt (was bei Verwendung metallischer Spulenträger nie ganz ausgeschlossen werden kann). Damit sind auch die genannten beiden Komponenten in die Üeberwachung einbezogen.

Im Rahmen der Erfindung sind mancherlei Variationen möglich. Selbstverständlich kann die konkrete Wahl der Länge der Zeitabschnitte t_ wie auch die Anzahl der Messzyklen je Messung in einem weiten Bereich variiert werden, je nach den Gegebenheiten im Einzelfall. Auch können den einzelnen Signalen unterschiedliche Anzahlen von Messzyklen zugeteilt werden; ferner könnten im Bedarfsfalle einzelne Kontrollen öfter als andere vorgenommen werden (z.B. die Kontrolle von I in grösseren Abständen als diejenige von T- und T₃).

Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf Waagen des im genannten US-Patent beschriebenen Typs beschränkt, sondern könnte auch andere Waagen mit Impulskompensation umfassen (z.B. wie beschrieben im US-Patent 3,786,884).

Vorteile der Erfindung liegen unter anderem darin, dass auf das in gewissen Fällen von Eichbehörden geforderte Prüfgewicht zur Funktionsprüfung der Waage verzichtet werden kann (eine FFE-Schalcung gemäss der Erfindung ist wesentlich einfacher und billiger als der Einbau eines Prüfgewichtes). Ferner lässt sich die beschriebene FFE-Schaltung auch (bei Wahl entsprechender Komponenten) in Waagen mit niedriger Speisespannung und kleinem Stromverbrauch anwenden, z.B. in batteriebetriebenen Waagen.

Im obigen Beispiel wird der Konstantstrom I in unveränderter Grosse an den Schalter 26 geführt (via Operationsverstärker 31). Durch entsprechende Dimensionierung des Operationsverstärkers 31 kann auch eine Reduktion vorgenommen werden (wobei der Reduktionsfaktor konstant bleiben muss), beispielsweise auf 1/10 des ursprünglichen Wertes. Damit, dass nur ein verkleinertes Abbild des Konstantstroms für die Prüfung herangezogen wird, lässt sich die Belastung des Schalters 26 sowie des A/D-Wandlers 28 entsprechend klein halten.

Bezugszeichenaufstellung

Verfahren zum Vertrieb einer elektromagnetisch kraftkompen sierenden Waage sowie Waage zum Durchführen des Verfahrens

Anmelder: Mettler Instrumente AG, Greifensee

10 Konstanstromquelle

12 Stromschalter

14 Kompensationsspule

16 Komplex

18 Mikrocomputer

20 Digitalanzeige

22 Temperatur-Stromquelle

24 Temperatur-Stromquelle

26 elektronischer Umschalter

28 A/D-Wandler

30 Widerstand

31 Operationsverstärker

G Gewichtsermittlungsschalter T₁ T₂ Strom von 22 und

■A

- Leerseite

Claims

- LO Patentansprüche

1. Verfahren zum Betrieb einer elektromagnetisch kraftkompensierenden Waage, bei welchem eine Konstantstromquelle, gesteuert von einer Regel- und Vergleichsschaltung, für gewichtsproportionale Zeitabschnitte an die Kompensationsspule geschaltet und die Länge dieser Zeitabschnitte mit Taktimpulsen ausgezählt wird, bei welchem ferner in einer digitalen Auswerteschaltung die gewichtsproportionalen Taktimpulssummen zu in einer Digitalanzeige darstellbaren Gewichtsergebnissen verrechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantstromquelle (10) mittels einer Funktionsfehlererkennungsschaltung (FFE-Schaltung) überwacht wird, dergestalt, dass der Konstantstrom periodisch in einem von der Gewichtswert-Digitalisierung getrennten A-/D-Wandler (28) digitalisiert und der digitalisierte Stromwert in der Auswerteschaltung (18) mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird, wobei die Auswerteschaltung (18) ein Fehlersignal generiert, wenn die Abweichung der beiden verglichenen Werte einen vorgegebenen Betrag überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem digitalisierte Signale einer hochlinear temperaturabhängigen Stromquelle (22) (Temperatur-Stromquelle) in der Auswerteschaltung (18) mit den Gewichtswerten zur Lieferung eines korrigierten Anzeigewertes verrechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass intermittierend die Signale einer zweiten Temperatur-Stromquelle (24) digitalisiert und in der Auswerteschaltung (18) mit den digitalisierten Signalen der ersten Temperatur-Stromquelle

(22) verglichen werden, wobei die Auswerteschaltung (18) ein Fehlersignal generiert, wenn die Abweichung der beiden verglichenen Werte einen vorgegebenen Betrag überschreitet.

γ'-J.

3. Elektromagnetisch kraftkompensierende Waage, mit einer für gewichtsabhängige Zeitabschnitte an eine Kompensationsspule anschaltbaren Konstantstromquelle, mit einer Regel- und Vergleichsschaltung für die Steuerung der Anschaltdauer der Konstantstromquelle, und mit einer Auswerteschaltung zur Aufbereitung des Wägeergebnisses in digitaler Form und zu dessen Darstellung in einer Digitalanzeige, gekennzeichnet durch eine FFE-Schaltung zur Ueberwachung der Konstantstromquelle (10) , wobei die FFE-Schaltung

- einen von der Gewichtswertdigitalisierung unabhängigen A-/D-Wandler (28) zur periodischen Digitalisierung des Konstantstroms,
sowie

- eine Schaltung (18) zum Vergleich des digitalisierten Wertes des Konstantstroms mit einem vorgegebenen Wert umfasst.

4. Waage nach Anspruch 3, bei welcher zur Korrektur von Temperaturschwankungen eine einen genau temperaturabhängigen Strom abgebende Stromquelle (22) (Temperatur-Stromquelle) und eine Schaltung zur Digitalisierung dieses Stroms vorgesehen ist und die Auswerteschaltung (18) zur Verrechnung des digitalisierten Signals mit dem Gewichtswert ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite, der ersten gleichende Temperatur-Stromquelle (24) vorgesehen ist, welche an die genannte Digitalisierungsschaltung anschaltbar ist, und dass die Auswerteschaltung (18) ferner zum Vergleichen der beiden digitalisierten Werte ausgelegt ist.

5. Waage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Digitalisierungsschaltung der von der Gewichtswertdigitalisierung unabhängige A-/D-Wandler (28) ist.

Waage nach Anspruch 3,4 oder 5, ferner gekennzeichnet durch einen der Kompensationsspule (14) zugeordneten, zwischen diese und Erde geschalteten Widerstand (30) , der in Verbindung mit der FFE-Schaltung eine Ueberwachung von Stromschalter (12) und Kompensationsspule (14) bewirkt.