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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wägevorrichtung
mit Dehnungsmessern, die zum Beispiel zur Verwendung in
einer elektronischen Waage vom Lastzellentyp geeignet
ist.
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Solche Wägevorrichtungen weisen eine Lastzelle mit
Dehnungsmessern auf, die einen elektrischen Widerstand
haben, der sich in Abhängigkeit von der Belastung der
Lastzelle, die von einem zu wägenden Artikel aufgebracht
wird, verändert, wobei der Dehnungsmesser an einer
Dehnungsermittlungsfläche eines Dehnungserzeugers
angebracht ist. Üblicherweise wird ein von der Lastzelle
ausgegebenes Analogsignal verstärkt, von einem
A/D-Wandler in ein Digitalsignal umgesetzt und sodann zur
Anzeige von Informationen über das Gewicht etc. an eine
Anzeigeeinheit geliefert.
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Im besonderen offenbart EP-A-0067637 eine
Wägevorrichtung der Art, die einen Dehnungserzeuger aufweist, der
zum Nachgeben unter einer zu wägenden Last vorgesehen
ist, um dadurch Dehnung in jeweils entgegengesetzten
Richtungen auf eine Dehnungsmeßschaltung aufzubringen,
die erste und zweite Dehnungsmesser aufweist, die an
einer ersten bzw. einer zweiten Stelle an dem
Dehnungserzeuger derart angebracht sind, daß die jeweiligen
elektrischen Impedanzwerte des ersten und des zweiten
Dehnungsmessers sich beim Auftreten eines solchen
Nachgebens in jeweils entgegengesetzten Richtungen
verändern, wobei die Dehnungsmeßschaltung zwischen einer
ersten und einer zweiten Versorgungsleitung einer
Lasterkennungsschaltung der Vorrichtung verbunden ist, wobei
ein Eingangspunkt der Schaltung zum Liefern eines
elektrischen Ausgangssignals, das ein Meßwert der gewogenen
Last ist, mit der Dehnungsmeßschaltung verbunden ist.
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Wie in den Figuren 1 und 2 der zugehörigen Zeichnungen
dargestellt, weist die Dehnungsmeßschaltung einer
solchen Vorrichtung vier Dehnungsmesser C&sub1;, C&sub2;, T&sub1;, T&sub2; zum
Erkennen eines auf eine Wägeplatte Z aufgebrachten
Gewichts W auf, die an einem an einer Stütze X befestigten
Dehnungserzeuger Y angebracht sind.
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Die an dem Dehnungserzeuger Y an den in Fig. 1
dargestellten Positionen angebrachten Dehnungsmesser C&sub1;, C&sub2;,
T&sub1;, T&sub2; sind elektrisch zur Bildung einer
Voll-Brückenschaltung (Wheatstone-Brücke) verbunden, die
Eingangsanschlüsse aufweist, an welche die Referenzspannungen
Vex&spplus;, Vex&supmin; angelegt werden. Wenn eine Last auf den
Dehnungserzeuger aufgebracht und eine Dehnung in der
Dehnungserkennungsfläche erzeugt, verändern sich die
Widerstände der Dehnungsmesser C&sub1;, C&sub2; und der Dehnungsmesser
T&sub1;, T&sub2; in zueinander entgegengesetzte Richtungen.
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Die Voll-Brückenschaltung gibt Ausgangsspannungen V.&spplus;,
V.&supmin; aus, die an invertierende und nicht-invertierende
Eingangsanschlüsse eines Operationsverstärkers geliefert
werden. Ein Spannungsteilerwiderstand Ry ist mit dem
nicht-invertierenden Eingangsanschluß des
Operationsverstärkers verbunden, während ein Rückkopplungswiderstand
Rf mit dessen invertierendem Eingangsanschluß verbunden
ist.
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Die Ausgangsspannung (V.&spplus;) - (V.&supmin;) der
Voll-Brückenschaltung wird wie folgt ausgedrückt: Aus Gründen der
Einfachheit
sei angenommen, daß die Widerstände der
Dehnungsmesser derart gewählt sind, daß T1=T2=C1=C2=R ist.
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(1) Die Widerstände für den Fall, daß die Last W an
einer Position A auf die Wägeplatte Z aufgebracht wird,
werden wie folgt ausgedrückt:
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T1 = T2 = R + ΔR ... (1)
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C1 = C2 = R - ΔR ... (2)
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(2) Die Widerstände für den Fall, daß die Last W an
einer Position B auf die Waageplatte Z aufgebracht wird,
werden wie folgt ausgedrückt:
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T1 = R + ΔR - ΔRm ... (3)
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T2 = R + ΔR + ΔRm ... (4)
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C1 = R - ΔR - ΔRm ... (5)
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C2 = R - ΔR + ΔRm ... (6)
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(3) Die Widerstände für den Fall, daß die Last W an
einer Position C auf die Waageplatte Z aufgebracht wird,
werden wie folgt ausgedrückt:
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T1 = R + ΔR + ΔRm ... (7)
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T2 = R + ΔR - ΔRm ... (8)
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C1 = R - ΔR + ΔRm ... (9)
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C2 = R - ΔR - ΔRm ... (10)
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In jedem der oben genannten Fälle (1), (2), (3) ist die
Ausgangsspannung (V.&spplus;) - (V.&supmin;) der Voll-Brückenschaltung
wie folgt ermittelbar:
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(V.&supmin;) = (Δ/R) (Vex&spplus; - Vex&supmin;) ... (11)
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Wenn die Dehnungsmesser, wie in Fig. 2 gezeigt, als
Voll-Brücke verbunden sind, wird ihr kombinierter
Widerstand
wie folgt ausgedrückt:
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r = {(T1 + C2) (T2 + C1)}/{(t1 + C2) + (T2 + C1)}
... (12)
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Daher gilt, angenommen, daß T1=T2=C1=C2=R ist,
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r = {(2R) x (2R)} {(2R) + (2R)} = R ... (13)
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Daher ist der kombinierte Widerstand der Voll-Brücke der
gleiche wie der Widerstand jedes der Dehnungsmesser.
Somit ist der durch die Vollbrücke fließende Strom groß,
was zu einem hohen Verbrauch an elektrischer Leistung
hoch ist. Da die Brücke eine große Menge an elektrischer
Leistung verbraucht, ist es in der Praxis schwierig,
elektronische Waagen mit Flüssigkristallanzeigen und
integrierten CMOS-Schaltungen zu konstruieren und diese
mit Trockenzellenbatterien zu betreiben.
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Erfindungsgemäß ist eine Wägevorrichtung des Typs mit
einem Dehnungserzeuger vorgesehen, der derart angeordnet
ist, daß er unter einer zu wägenden Last nachgibt, um
dadurch Dehnung in jeweils entgegengesetzten Richtungen
auf eine Dehnungsmeßschaltung auszuüben, welche erste
Dehnungsmesser und zweite Dehnungsmesser aufweisen, die
jeweils an ersten und zweiten Stellen an dem
Dehnungserzeuger angebracht sind, so daß jeweilige elektrische
Impedanzwerte der ersten und zweiten Dehnungsmesser sich
beim Eintreten eines solchen Nachgebens in jeweils
entgegengesetzten Richtungen verändern, wobei die
Dehnungsmeßschaltung zwischen einer ersten und einer zweiten
Versorgungsleitung einer Lasterkennungsschaltung der
Vorrichtung verbunden ist, wobei ein Eingangspunkt der
Schaltung zum Liefern eines elektrischen
Ausgangssignals, das ein Meßwert der gewogenen Last ist, mit der
Dehnungsmeßschaltung verbunden ist; dadurch
gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Dehnungsmesser
miteinander in Reihe zwischen der ersten und der zweiten
Versorgungsleitung verbunden sind, wobei der eine
Eingangspunkt der Lasterkennungsschaltung mit einem
Schaltungsknoten zwischen den ersten und zweiten Dehnungsmesser
verbunden ist, und daß das Eingangssignal an die
Lasterkennungsschaltung, aus dem das elektrische
Ausgangssignal durch diese Schaltung abgeleitet wird, die
Potentialdifferenz zwischen dem Schaltungsknoten und einem
voreingestellten Referenzspannungspunkt ist, mit welchem
ein zweiter Eingangspunkt der Lasterkennungseinrichtung
verbunden ist.
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Der Verbrauch an elektrischer Leistung der
Dehnungsmeßschaltung einer solchen Wägevorrichtung kann geringer
sein als derjenige einer vergleichbaren bekannten
Dehnungsmeßschaltung, da der Gesamtwiderstand der Schaltung
größer sein kann.
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Um zu verhindern, daß der Ausgang der
Lasterkennungsschaltung, der die aufgebrachte Last wiedergibt, sich
aufgrund einer durch eine Veränderung der
Umgebungstemperatur verursachten Veränderung des Widerstands der
Dehnungsmeßschaltung verändert, ist es im Stand der
Technik bekannt, einen Temperaturkompensationswiderstand
zwischen einen Ausgangsanschluß einer bekannten
Dehnungsmeßschaltung und den Operationsverstärker zu
schalten. Bei einer solchen Anordnung jedoch ist der
Widerstand des gewählten Temperaturkompensationswiderstands
durch den Widerstand der Dehnungsmeßschaltung bestimmt
und es ist umständlich und zeitaufwendig, den Widerstand
des Temperaturkompensationswiderstands auszuwählen.
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Daher weist eine erfindungsgemäße Wägevorrichtung
vorzugsweise
einen Temperaturkompensationswiderstand auf,
der in einer von der Dehnungsmeßschaltung separaten
Schaltung geschaltet ist.
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Im folgenden wird anhand von Beispielen auf die
zugehörigen Zeichnungen Bezug genommen, welche zeigen:
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Fig. 1 (zuvor beschrieben) - eine Seitenansicht eines
Lastdetektors;
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Fig. 2 - ein Schaltbild einer herkömmlichen
Lasterkennungsschaltung;
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Fig. 3 - ein teilweise in Blockform gehaltenes
Schaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Wägevorrichtung;
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Fig. 4 - ein teilweise in Blockform gehaltenes
Schaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Wägevorrichtung;
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Fign. 5 und 6 - Schaltbilder zur Erläuterung des
Betriebs der zweiten Wägevorrichtung;
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Fig. 7 - ein teilweise in Blockform gehaltenes
Schaltbild einer dritten erfindungsgemäßen Wägevorrichtung;
und
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Fig. 8 - ein teilweise in Blockform gehaltenes
Schaltbild einer vierten erfindungsgemäßen Wägevorrichtung.
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Wie in Fig. 3 dargestellt, weist eine erste
erfindungsgemäße Wägevorrichtung vier Dehnungsmesser T1, T2, C1,
C2 auf, die an einem (nicht dargestellten)
Dehnungserzeuger Y angebracht sind. Die Dehnungsmesser T1, T2, die
an jeweiligen sich ausdehnenden Seiten von
Dehnungserkennungsflächen des Dehnungsgenerators (d.h., in
diagonal
gegenüberliegendem Verhältnis) befestigt sind, sind
in Reihe miteinander geschaltet, und die Dehnungsmesser
C1, C2, die an jeweiligen sich zusammenziehenden Seiten
von Dehnungserkennungsflächen des Dehnungsgenerators in
diagonal gegenüberliegendem Verhältnis befestigt sind,
sind ebenfalls in Reihe miteinander geschaltet, um eine
"Halbbrückenschaltung" zu bilden, die ein Ausgangssignal
Vo+ an der Verbindung zwischen den beiden
Reihenschaltungen ausgibt. Angenommen, daß T1 = T2 = C1 = C2 = R
ist, so ist der Gesamtwiderstand r' der
Halbbrückenschaltung:
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r' = (C1 + C2) + (T1 + T2) = 4R ... (14)
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Da der Gesamtwiderstand der Halbbrückenschaltung das
Vierfache des Widerstandes einer vergleichbaren
herkömmlichen Voll-Brückenschaltung beträgt, hat die
Halbbrükkenschaltung eine größere Strombegrenzungsfähigkeit,
wodurch der Verbrauch elektrischer Leistung gesenkt
wird. Die Ausgangsspannung der Halbbrückenschaltung ist
wie folgt angegeben:
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VO&spplus; = {(Vex&spplus; - Vex&supmin;)/2} + (ΔR/2R) (Vex&spplus; - Vex&supmin;) ... (15)
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Die Ausgangsspannung der Halbbrückenschaltung bleibt
ungeachtet der Position (a, B oder C in Fig. 1), an der
die Last aufgebracht wird, konstant.
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Die Größe des Ausgangssignals der Halbbrückenschaltung
beträgt die Hälfte der Größe des Ausgangssignals der
herkömmlichen Voll-Brückenschaltung aus Dehnungsmessern,
jedoch ist das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung,
wie bei der Vollbrückenschaltung, proportional zur
aufgebrachten Last.
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In Fig. 3 weist die wägevorrichtung eine Lastzelle 1 mit
der Halbbrücke und einem Kompensationswiderstand RO auf,
der zum Ausgleichen einer temperaturbedingten
Veränderung des Ausgangssignals mit dem Ausgangsanschluß der
Halbbrücke verbunden ist. Die Lastzelle 1 ist über Kabel
2 elektrisch mit einer Schaltungsplatte 3 verbunden. Der
Kompensationswiderstand RO dient der Veränderung des
Verstärkungsfaktors eines Operationsverstärkers AMP in
Abhängigkeit von einer temperaturbedingten Veränderung
des Widerstands R des Dehnungserzeugers, zur
Temperaturkompensation des Elastizitätsmodul des
Dehnungsgenerators, um eine Temperaturkompensation des Ausgangssignals
zu bewirken, wie in der offengelegten japanischen
Patentschrift Nr. 63-58202 offenbart. Der
Operationsverstärker AMP, ein Filter FIL und ein A/D-Wandler ADC sind
auf der Schaltungsplatte 3 angebracht. Das
Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung wird über den
Kompensationswiderstand RO einem invertierenden Eingangsanschluß
des Operationsverstärkers AMP zugeführt. Der
Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers AMP ist mit dem
Filter FIL verbunden, das Hochfrequenzkomponenten aus dem
Ausgangssignal des Operationsverstärkers AMP entfernt.
Das Ausgangssignal des Filters FIL wird von dem A/D-
Wandler ADC in ein Digitalsignal umgewandelt, das einem
Mikroprozessor 5 zugeführt wird. Der Mikroprozessor 5
verarbeitet das Signal nach vorgegebenen arithmetischen
Operationen, um Daten, wie zum Beispiel ein
Nettogewicht, an eine Anzeigeeinheit 6, und ein Signal zum
Beispiel an einen (nicht dargestellten) Etikettendrucker
auszugeben. Ein von einer Tasteneingabeeinheit 4
erzeugtes Signal wird dem Mikroprozessor 5 zugeführt. Eine von
einem Widerstand Re erzeugte Referenzspannung wird dem
A/D-Wandler ADC zugeführt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Dehnungsmesser
an der Dehnungserkennungsfläche eines zweistrahligen
Dehnungserzeugers angebracht, und die in diagonal
gegenüberliegendem Verhältnis angeordneten Dehnungsmesser
sind zur Bildung einer Halbbrückenschaltung miteinander
in Reihe geschaltet. Bei einer solchen Anordnung kann
der Verbrauch an elektrischer Leistung verringert
werden, und daher ist eine elektronische Lastzellenwaage
realisierbar, die eine Flüssigkristallanzeige und eine
integrierte CMOS-Schaltung verwenden kann und mit einer
Trockenzelle betreibbar ist.
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Obwohl bei dem ersten Ausführungsbeispiel nicht
dargestellt, kann eine Auswählschaltung mit einer dem
Operationsverstärker vorangehenden Stufe AMP verbunden sein,
um entweder ein an der Verbindung zwischen dem ersten
und dem zweiten Dehnungsmesser der Halbbrücke erzeugte
Signal oder eine Referenzspannung auszuwählen. Soll eine
auf den Dehnungserzeuger aufgebrachte Last gemessen
werden, wählt die Auswählschaltung das Signal von der
Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten
Dehnungsmesser. Beim Kalibrieren wählt die Auswählschaltung die
Referenzspannung. Aus Gründen der Knappheit ist die
Auswählschaltung nicht dargestellt, wird jedoch bei den
folgenden Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Bei jedem der folgenden Ausführungsbeispiele ist ein
Temperaturkompensationswiderstand in einer von der
Lastzellenschaltung separaten Schaltung angeordnet.
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Fig. 4 zeigt eine zweite erfindungsgemäße
Wägevorrichtung. Aus Gründen der Knappheit sind in Fig. 4 die
Widerstände der Dehnungsmesser T1, T2 der Fig. 3 als
gleiche Widerstände Ra dargestellt und die Widerstände der
Dehnungsmesser C1, C2 der Fig. 3 sind als gleiche
Widerstände Rb dargestellt. Ein
Temperaturkompensationswiderstand
ist mit Rs bezeichnet.
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Wie in Fig. 4 dargestellt, bilden die vier an einem
(nicht dargestellten) Dehnungserzeuger angebrachten
Dehnungsmesser 2Ra, 2Rb eine Halbbrückenschaltung A, und
die Verbindung P zwischen den Dehnungsmessern 2Ra, 2Rb
ist über Moduswählschalter SW1, SW2, die einen Wägemodus
oder einen Abweichungskompensationsmodus
(Kalibrierungsmodus) auswählen, mit einem Referenzpotentialanschluß
COM verbunden. Bei dieser Halbbrückenschaltung ist, wenn
Ra = Rb = R ist, der Gesamtwiderstand r gleich 4R und
daher kann die Halbbrückenschaltung mit weniger
elektrischer Leistung betrieben werden als eine
vergleichbare herkömmliche Vollbrückenschaltung.
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Die Verbindung P ist über den Schalter SW2, den Puffer
B1 und den Temperaturkompensationswiderstand Rs in der
Lastzelle a mit einem Operationsverstärker B2 verbunden.
Der Puffer B1 dient als nicht-invertierender Verstärker
mit einer Verstärkung von 1, und der
Operationsverstärker B2 als invertierender Verstärker. Der
Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers B2 ist über ein
Tiefpaßfilter mit einem Eingangsanschluß IN einer
nachfolgenden Steuerschaltung, zum Beispiel eines A/D-Wandlers,
verbunden. Die Moduswählschalter SW1, SW2 sind
Analogschalter. Die Modusauswählschalter SW1, SW2, zwei
Widerstände R1, ein Rückkopplungswiderstand Rf, der Puffer B1
und der Operationsverstärker B2 sind auf einer
Schaltungsplatte c angebracht.
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Der Temperaturkompensationswiderstand Rs verändert den
Verstärkungsfaktor des invertierenden Verstärkers, der
aus dem Operationsverstärker B2 und den Widerständen Rs,
Rf besteht, in Abhängigkeit von der Temperatur des
Dehnungserzeugers zur Temperaturkompensation des
Elastizitätsmoduls
des Dehnungserzeugers der
Dehnungsmesserlastzelle, um die Temperaturkompensation der
Ausgangsspannung entsprechend einem Bereich zu bewirken.
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Fig. 5 ist ein Schaltungsbild der Wägevorrichtung nach
Fig. 4 bei gewähltem Wägemodus. Im Wägemodus ist der
Schalter SW1 der Fig. 4 abgeschaltet, während der
Schalter SW2 eingeschaltet ist.
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Fig. 6 ist ein Schaltungsbild der Wägevorrichtung nach
Fig. 4 bei ausgewähltem Abweichungskompensatlonsmodus.
Der Schalter SW1 ist eingeschaltet und der Schalter SW2
ist ausgeschaltet, und der zu dieser Zeit bestehende
Betrag der Abweichung wird als Vorspannungswert
gespeichert, der durch arithmetische Operationen von einen
Mikrocomputer kompensiert wird. Nach dem dargestellten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die
Abweichungskompensation mit einer einfachen
Schaltungsanordnung bestehend aus den beiden Schaltern
durchgeführt werden.
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Da im Abweichungskompensationsmodus kein Strom von der
Brückenschaltung in den
Temperaturkompensationswiderstand Rs fließt, wie in Fig. 4 dargestellt, kann der
Bereich ungeachtet des Widerstands der Brücke
kompensiert werden. Die Schaltungsanordnung ist einfach, da
sie von einer Stromquelle (z. B. von 5V) versorgt wird,
die ebenfalls von der Lastzelle zu deren Versorgung
verwendet wird.
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Fig. 7 ist ein Schaltungsbild einer dritten
erfindungsgemäßen Wägevorrichtung. Ein Ausgangssignal der
Halbbrückenschaltung wird dem nicht-invertierenden
Eingangsanschluß des Operationsverstärkers B2 zugeführt, und der
Referenzpotentialanschluß COM ist mit dem
nicht-invertierenden
Eingangsanschluß des Puffers B1 gekoppelt. Der
Betrieb und die Vorteile der dritten Wägevorrichtung
sind im wesentlichen dieselben wie die der zweiten
Wägevorrichtung.
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Wie in Fig. 8 dargestellt, wird bei einer vierten
erfindungsgemäßen Wägevorrichtung ein Ausgangssignal der
Halbbrückenschaltung an einen
Meßgeräteausrüstungsverstärker 100 angelegt, der zwei symmetrisch angeordnete
Operationsverstärker 101, 102 und einen
Operationsverstärker 103 zum Empfangen von Ausgangssignalen der
Operationsverstärker 101, 102 aufweist. Der zentrale Punkt
oder die Verbindung P der Halbbrücke ist mit positiven
Eingängen (+) der Operationsverstärker 101, 102
verbunden. Reihengeschaltete Widerstände R1, R2 sind parallel
zu der Halbbrücke geschaltet. Die Verbindung zwischen
den Widerständen R1, R2 ist mit dem positiven Anschluß
(+) des Operationsverstärkers 102 verbunden. Die beiden
Widerstände R1, R2 sind dort angeordnet, wo von dem
Dehnungserzeuger keine Dehnung entwickelt wird, oder sie
weisen gewöhnliche Widerstände auf, die nahe dem
Dehnungserzeuger angeordnet sind und Widerstandswerte
aufweisen, die um ein Mehrfaches höher sind als diejenigen
der Dehnungsmesser. Daher ist der Stromverbrauch dieser
beiden Widerstände R1, R2 im Vergleich zu demjenigen der
Dehnungsmesser vernachlässigbar. Ein
Temperaturkompensationswiderstand Rs ist zwischen negativen Anschlüssen
(-) der Operationsverstärker 101, 102 geschaltet, die
Ausgangsanschlüsse aufweisen, welche mit dem positiven
bzw. dem negativen Anschluß (-, +) des
Operationsverstärkers 103 verbunden sind.
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Bei der Schaltung von Fig. 8 ist bei gewähltem Wägemodus
der Schalter SW1 ausgeschaltet und der Schalter SW2 ist
eingeschaltet, und bei gewähltem
Abweichungskompensationsmodus
ist der Schalter SW1 eingeschaltet und der
Schalter SW2 ist ausgeschaltet.
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Der Temperaturkompensationswiderstand Rs verändert den
Verstärkungsfaktor des Meßgeräteausrüstungsverstärkers
100 zur Temperaturkompensation des Elastizitätsmoduls
des Dehnungserzeugers der Dehnungsmesserlastzelle, um
die Temperaturkompensation der Ausgangsspannung
entsprechend einem Bereich zu bewirken.
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Da die Last erfindungsgemäß durch eine
"Halbbrückenschaltung" bestehend aus mehreren an einem
Dehnungserzeuger angebrachten Dehnungsmessern ermittelt wird, ist
der Stromverbrauch der Schaltung verringert. Da nach
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kein Strom
direkt von der Halbbrückenschaltung in den
Temperaturkompensationswiderstand fließt, kann der Bereich ungeachtet
des Widerstands der Brücke temperaturkompensiert werden.
Ferner können der Wägemodus und der
Abweichungskompensationsmodus durch Vorsehen der Schalter leicht gewählt
werden.
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Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiel
dargestellt und beschrieben wurden, sei darauf hingewiesen,
daß zahlreiche Veränderungen und Modifizierungen daran
vorgenommen werden können ohne den Rahmen der
beigefügten Ansprüche zu verlassen.