DE3910731C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Echtheit eines mit einer vibrierenden Waage erfaßten Gewichtes - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Echtheit eines mit einer vibrierenden Waage erfaßten GewichtesInfo
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Description
In dem Maße, wie die Technologie fortschreitet, tendieren
Verfahren dahin, schneller abzulaufen. Die meisten
Verfahren erfordern die Koordination einer Anzahl von
Komponenten, wobei der Prozeß nur so schnell
voranschreiten kann, wie es die langsamste Komponente
erlaubt, es sei denn, daß Mehrfachkomponenten verwendet
werden. Es gibt gewisse Verfahren, bei denen das Gewicht
eines Artikels benötigt wird, aber keine Waage verfügbar
war, die ein genaues und schnelles Wiegen erlaubt. Mit
"genau" ist die Fähigkeit gemeint, in Übereinstimmung mit
der Definition der Gewichte und Messungen für Klasse 3 zu
wiegen, die im Handbuch 44 des National Bureau of
Standards enthalten ist. Mit "schnell" ist die Fähigkeit
gemeint, einen Strom von beförderten Artikeln in weniger
als einer Sekunde pro Artikel zu wiegen. Ein Verfahren,
bei dem die Notwendigkeit schnellen Wiegens besteht, liegt
bei der Behandlung von flachen Postsendungen vor. Es sind
Hochgeschwindigkeitssysteme entwickelt worden, bei denen
eine angemessene Anzahl von Einlagen, deren Anzahl von
Umschlag zu Umschlag variieren kann, in einen Umschlag
eingesteckt werden. Der Umschlag wird verschlossen und die
Postgebühr wird auf den Umschlag aufgedruckt. Ehe die
Postgebühr aufgedruckt werden kann, ist es jedoch
erforderlich, daß das Gewicht des Poststückes bestimmt wird.
Kürzlich ist eine vibrierende Tafelwaage entworfen und
entwickelt worden, mit der ein genaues und schnelles Wiegen
erreicht werden kann. Die vibrierende Tafelwaage ist in der
DE 38 23 618 A1 mit der Bezeichnung "VORRICHTUNG UND
VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DER MASSE EINES GEGENSTANDES DURCH
MESSUNG DER VERÄNDERUNG DER PERIODE EINER HARMONISCHEN
BEWEGUNG" der Anmelderin beschrieben. Der Hauptzweck der
vibrierenden Tafelwaage gemäß dieser Patentanmeldung besteht
darin, Poststücke zu wiegen. Genauer gesagt, wird auf den
Poststücken die Postgebühr entsprechend der
Gewichtsbestimmung dieser Poststücke aufgebracht. Weil die
Frankierung einen Geldwert darstellt, müssen Maßnahmen
getroffen werden, um sicherzustellen, daß das Gewicht nicht
nur genau ist, sondern daß auch kein fehlerhafter Akt oder
kein Systemfehler vorgekommen ist, der eine
Gewichtsbestimmung zur Folge hatte, die von dem tatsächlichen
Gewicht des gewogenen Artikels abweicht.
US 4,158,395 beschreibt eine Wiegevorrichtung, die zur
Messung der Masse eines Artikels die Resonanz eines Masse-
Federsystems nutzt. Ein gelagerter Behälter zum Aufnehmen
einer unbekannten Masse wird in vertikale Schwingungen
versetzt, und für eine Bestimmung der Masse des Gegenstands
wird die Frequenz einer Oszillation eines mechanischen
Systems verwendet, die sich in Abhängigkeit der Masse ändert.
Mechanische Verluste des Systems bei einer Übertragung von
Energie von den vibrierenden Bereichen der Waage auf einen
Haltebereich werden minimiert mittels einer Vielzahl von
flexiblen Bauteilen, die so an der Plattform angebracht sind,
daß diese nur einen einzigen Freiheitsgrad aufweist.
US 3,572,098 beschreibt ein System zur Bestimmung von Massen,
bei dem ein Federsystem eine Kraft bereitstellt, die eine
Masse mit präzisen und wiederholbaren Frequenzen in
Schwingung versetzt. Eine auf der Masse positionierte
Wiegepfanne wird aus ihrer normalen Ruhestellung hinausbewegt
und die bei Freigabe der Wiegepfanne erzeugten Rückkräfte
erzeugen eine Oszillation mit gleichbleibender Frequenz. Über
die bekannte Federkonstante des Systems kann die Masse auf
der Wiegepfanne bestimmt werden.
US 3,423,999 beschreibt eine Vorrichtung zum kombinierten
Messen von Massen und Kräften, bei der die von der Masse oder
Kraft auf mechanisch vorgespannte Saiten ausgeübte Wirkung
als Frequenzänderung der Saiten gemessen und in einer
digitalen Anordnung verarbeitet wird, um die gemessene Größe
zu berechnen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Waage und ein Verfahren
zur Bestimmung der Masse eines Artikels und der Echtheit
eines erfaßten Gewichtes bereitzustellen.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch eine Waage mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur
Bestimmung der Masse eines Artikels mit den Merkmalen des
Anspruchs 12 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur
Bestimmung der Masse eines Artikels und eine Waage zur
Bestimmung der Echtheit eines empfangenen Gewichtssignals
konzipiert worden, das harmonische Schwingungen zur
Gewichtsbestimmung eines Artikels benutzt. Für eine solche
Bestimmung wird ein flexibel befestigtes Ablagetablett durch
einen anfänglichen Anregungsakt in Schwingung versetzt. Die
Schwingungsfrequenz hängt von der Gesamtmasse der Plattform
und von allem damit Verbundenen sowie von der Federkonstanten
der Plattform ab. Die Plattform mit ihren zugehörigen
Komponenten wird durch
Anlegen eines Anregungsimpulses in Schwingung versetzt,
wonach anschließend die Schwingungsperioden mit
verschiedenen kalibrierten Gewichten gemessen werden. Dann
wird ein Gegenstand auf das Ablagetablett gelegt und die
Plattform wird erneut angeregt. Die Schwingungsperiode der
Plattform mit dem darauf befindlichen Artikel unbekannten
Gewichtes wird dann bestimmt. Die mit dem Artikel auf der
Plattform erfaßte Schwingungsperiode wird mit den
Ergebnissen der Kalibriertests verglichen; danach kann die
Masse des Artikels unter Verwendung abgeleiteter
Gleichungen bestimmt werden.
Um die Echtheit des Ausgangssignals der Waage
sicherzustellen, d. h. um sicher zu sein, daß es keinen
äußeren Eingriffsfehler oder Systemfehler gibt, werden
sowohl die Amplituden des Ausgangssignals, als auch die
Gleichförmigkeit oder Beständigkeit überprüft. Bei einem
gültigen Signal nimmt die Amplitude allmählich um einem
Betrag ab, der für die Struktur der Wiegeschale
charakteristisch ist, während die Periode rasch auf einen
Beharrungswert hin abklingt. Fehlt eine solche
Gleichmäßigkeit oder Beständigkeit, ist es ein Anzeichen
dafür, daß die Anzeige falsch ist, so daß die
Gewichtsangabe verworfen wird.
Die Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1
gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich
in den Unteransprüchen.
Im folgenden werden die Figuren beschrieben:
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer Wiegevorrichtung im
Schnitt, bei der die Merkmale der vorliegenden
Erfindung angewandt sind;
Fig. 2 ist eine Hinteransicht der Wiegevorrichtung,
gesehen entlang der Linie 2-2 der Fig. 1;
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm der bei der
Wiegevorrichtung nach den Fig. 1 und 2 verwendeten
elektrischen Schaltung;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm der in Fig. 3 gezeigten
elektronischen Steuereinrichtung;
Fig. 5a bis 5c
stellen jeweils Schaubilder dar, die einen
einzelnen, an die Wiegevorrichtung abgegebenen
Impuls, eine gültige Aufzeichnung der als Antwort
auf den einzelnen Impuls entstandenen Schwingung
des Ablagetellers der Wiegevorrichtung nach Fig.
1; und eine Rechteckwellenform der Schwingung
zeigen;
Fig. 6a bis 6b
zeigen Schaubilder ähnlich den Fig. 5a und 5c,
aber mit einer unregelmäßigen Aufzeichnung der
Ablagetablettschwingung infolge eines
Systemfehlers;
Fig. 7a und 7b, 8a bis 8b und 9a bis 9b
zeigen Schaubilder ähnlich derjenigen der Fig. 5b
und 5c, aber mit einer unregelmäßigen Aufzeichnung
infolge von Stampfbewegungen bei der Schwingung
des Ablagetabletts; und
Fig. 10 stellt ein Flußdiagramm dar, das die an der
Bestimmung der Masse und der Echtheit der Masse
eines Artikels beteiligten Schritte beschreibt.
In den Fig. 1 und 2 ist die Wiegevorrichtung, bei der die
vorliegende Erfindung verwendet werden kann, allgemein mit
10 bezeichnet. Obgleich die Wiegevorrichtung 10 in einer
großen Anzahl von Verwendungen eingesetzt werden kann, bei
denen eine schnelle und genaue Gewichtsbestimmung
gefordert wird, wird sie hier in Verbindung mit einem
System beschrieben, das Poststücke wie etwa Umschläge mit
Einlagen, Postkarten und dgl. bearbeitet, auf denen die
Postgebühr angebracht werden muß. Die Wiegevorrichtung 10
umfaßt einen Rahmen 12, der auf ein Maschinengehäuse,
einen Tisch oder eine andere Art von Unterlage aufgestellt
sein kann. Oberhalb des Rahmens 12 wird eine Grundplatte
14 von isolierenden Schraubenfedern 16 getragen, von denen
jede mit einem Ende an einem überhängenden, im allgemeinen
L-förmigen, senkrecht stehenden Arm 18 des Rahmens 12,
sowie mit dem anderen Ende an der Grundplatte 14 befestigt
ist. Die isolierenden Federn 16 haben den Zweck, die
Wiegevorrichtung 10 von Vibrationen freizuhalten, die von
der Unterlage ausgehen, auf der der Rahmen 12 ruht. Wenn
die Wiegevorrichtung 10 beispielsweise auf einer
Adressier- und Frankiermaschine oder auf einer
Einsteckvorrichtung aufgestellt ist, kann ein solcher
Unterbau im Betrieb Vibrationen übertragen. Die
isolierenden Federn 16 verringern die Übertragung solcher
Vibrationen.
Am Rahmen 12 ist ein im allgemeinen C-förmiger Arm 20
befestigt. Dieser C-förmige Arm 20 haltert ein Paar
Festklemm-Topfmagneten 22, deren Kolben 23 an ihren Enden
konisch geformt sind und in Vertiefungen von üblicherweise
becherförmigen Schuhen 24 eingreifen können, die gegenüber
entgegengesetzten Seiten der Grundplatte 14 befestigt
sind. Beim Einschalten der Topfmagnete 22 dringen die
Kolben 23 in die Vertiefungen der Schuhe 24 ein und halten
die Grundplatte 14 sicher fest, aus Gründen, die
anschließend beschrieben werden.
An der Grundplatte 14 ist eine Vielzahl flexibler Halter
26 befestigt, mit denen ein Ablagetablett bzw. eine
Plattform 28 durch Anschlußglieder 30 verbunden ist. Die
flexiblen Halter 26 können aus dünnen Streifen aus
rostfreiem Stahl oder Aluminium bestehen. Obwohl bei der
bevorzugten Ausführungsform vier flexible Halter
dargestellt sind, kann sie natürlich jede andere Anzahl
aufweisen, ohne daß dadurch der Erfindungsbereich
überschritten würde.
Ein Elektromagnet 32 erstreckt sich vom Ablagetablett 28
nach unten und zwischen die Pole 38, 40 des
Elektromagneten 32. Ein Wandler 41, beispielsweise eine
piezoelektrische Vorrichtung, ist an einem der flexiblen
Halter 26 befestigt und weist eine Zuleitung auf, die zu
dem elektrischen System 44 führt, das unter Bezugnahme auf
Fig. 3 beschrieben wird.
Am Ablagetablett 28 ist weiter ein Auslegearm 46
befestigt, mit dem eine Platte 48 über eine
Abstandsbolzenkombination 50 verbunden ist. An der Platte
48 ist eine Vielzahl von Stiften 52 befestigt, wobei jeder
Stift 52 einen Schwenkarm 54 drehbar lagert. An jedem
Gelenkarm 54 sind durch eine Welle 58 paarweise Laufrollen
drehbar gehaltert. Auf jedem Stift 52 ist zwischen der
Platte 48 und jedem Gelenkarm 54 eine Dehnungsfeder 60
angeordnet, die an ihren entgegengesetzten Enden
Abzapfungen 62, 64 aufweist, die jeweils in die Platte 48
und die Schwenkarme 54 eingreifen. Die Federn 60 haben den
Zweck, die Laufrollen 56 gegen das Ablagetablett zu
drücken, um einen Umschlag 65 sicher am Ablagetablett
festzuhalten.
Oberhalb des Ablagetabletts 28 ist eine Lampe 61 und
unterhalb des Ablagetabletts ist in Überdeckung mit der
Leuchte 61 ein Lichtmeßfühler 63 angebracht, wobei das
Ablagetablett eine Öffnung 67 für den Durchtritt des
Lichtes aufweist. Der Lichtmeßfühler 63 ist mit dem
elektrischen System 44 durch eine Zuleitung 69 verbunden.
Auf dem Ablagetablett 28 ist ein Poststück 65 an einer
Stelle angebracht, dessen Vorderkante zum
lichtempfindlichen Meßfühler 63 hinweist. Die Lampe 61 und
der lichtempfindliche Meßfühler 63 werden durch nicht
dargestellte Halterungsmittel vom Rahmen 12 getragen.
In Fig. 3 ist der Schaltungsaufbau des elektrischen
Systems 44 zusammen mit den mit ihm in Verbindung
stehenden Schaltungskomponenten dargestellt. Eine
elektronische Steuervorrichtung, im folgenden
elektronischer Kontroller 66 genannt, dessen Einzelheiten
in Fig. 4 dargestellt sind, steht in elektrischer
Verbindung mit dem Lichtmeßfühler 63, dem Elektromagneten
32, den Festklemm-Topfmagneten 22 und dem
piezoelektrischen Wandler 41. Der elektronische Kontroller
66 steht auch in elektrischer Verbindung mit einem Rechner
68, der einen Schalter 70 besitzt, der das gesamte in Fig.
3 dargestellte elektrische System einschaltet, und mit
einer Sichtwiedergabe 72, welche die ermittelte Masse des
auf dem Ablageteller 28 befindlichen Poststückes 65
anzeigt. Die Schaltungskomponenten des elektronischen
Kontrollers sind in Fig. 4 dargestellt und umfassen ein
Bandpaßfilter 74, das die Ausgabe des piezoelektrischen
Wandlers 41 empfängt und an einen Zweiweggleichrichter 75
sowie einen Nulldurchgangsdetektor 76 angeschlossen ist.
Das Bandpaßfilter 74 scheidet hochfrequente elektrische
Störungen und niederfrequente mechanische Störungen aus
dem vom piezoelektrischen Wandler 51 gelieferten Signal
aus. Der Zweiweggleichrichter kehrt die negativen Anteile
des Signals zur Überwachung der Signalamplitude um, wie
unter Bezugnahme auf die Fig. 9a-9b beschrieben wird. Der
Nulldurchgangsdetektor 76 wandelt die vom Bandpaßfilter
empfangenen Signale in eine Rechteckwelle zur Überwachung
der Signalfrequenz um, wie unter Bezugnahme auf die Fig.
6a-6b bis Fig. 8a-8b beschrieben wird. Der
Nulldurchgangsdetektor 76 steht in elektrischer Verbindung
mit einem Flankendetektor 78, der die Flanke jeder vom
Nulldurchgangsdetektor erzeugten Rechteckwelle erfaßt. Der
Flankendetektor 78 steht in elektrischer Verbindung mit
einem Flip-Flop 80, der von einem UND-Gatter 82 eine
Eingabe empfängt. Das UND-Gatter 82 steht in Verbindung
mit dem Rechner 68 und einem Zähler 84, der Eingaben von
einem Taktgeber 86 und dem Flankendetektor 78 erhält. Die
beiden Pole 38, 40 des Elektromagneten 32 stehen in
elektrischer Verbindung mit dem Zähler 84. Ein
monostabiler Vibrator 88 steht in Verbindung mit einem
Flip-Flop 90 und mit dem Lichtmeßfühler 63. Der Flip-Flop
90 steht in Verbindung mit dem Rechner 68. Wenn ein
Poststück durch den Lichtmeßfühler 63 erfaßt wird, schickt
der monostabile Vibrator 88 einen Impuls an den Flip-Flop
90, der seinerseits dem Rechner 68 das Vorhandensein eines
Poststückes 65 meldet. Andererseits triggert der
monostabile Vibrator 88 erneut den Flip-Flop 98, wenn ein
Poststück 65 vom Ablageteller 28 entfernt und dies vom
Lichtmeßfühler 63 erfaßt wurde, um ein Signal an den
Kontroller 66 zu geben.
Mit dem Gleichrichter 75 ist ein RC-Glättungsfilter 91
verbunden, das seinerseits an einen
Analog-Digital-Umsetzer 92 angeschlossen ist. Der
A/D-Umsetzer ist mit dem Rechner 68 verbunden. Wenn das
Ablagetablett 10 in Betrieb genommen werden soll, wird der
Ein-Aus-Schalter 70 des Rechners 68 in die Ein-Stellung
gebracht. Ein Poststück 25 wird von Hand oder durch eine
geeignete Vorrichtung unter den Rollen 56 plaziert. Das
Poststück 65 muß derart auf das Tablett 28 gelegt werden,
daß es unter die Rollen 56 gelangt, die das Poststück fest
gegen das Tablett zwischen der Lampe 61 und dem
Lichtmeßfühler 63 halten. Wenn das Poststück 65 durch den
Lichtmeßfühler 63 erfaßt worden ist, wird ein Signal an
den elektrischen Kontroller 66 gesandt, wodurch die
Topfmagneten 62 eingeschaltet werden, so daß die Kolben 23
die Verbindung mit den Schuhen 24 lösen. In diesem
Zeitpunkt befindet sich das Tablett 28 und die Grundplatte
14 in einem Zustand freier Beweglichkeit, weil sich das
Tablett 28 wegen der flexiblen Halter 26 und die
Grundplatte wegen der Federn 16 in diesem Zustand
befinden. Infolgedessen ist die Grundplatte 14 und alles
daran Befestigte von der Umgebung isoliert. In diesem
Moment wird der Elektromagnet 32 durch Ladungen
eingeschaltet, die abwechselnd an die Pole 28, 40 geleitet
werden. Dieser doppelte Impuls zieht den Anker 36 zum
einen und dann zum anderen der Pole 38, 40. Der Impuls
ruft ein freies Schwingen des Tabletts 28 wegen der
Nachgiebigkeit der flexiblen Halter 26 hervor. Während das
Tablett 28 schwingt, wird ein sinusförmiges Signal vom
Wandler 41 in der in Fig. 5b gezeigten Form ausgesandt.
Das sinusförmige Signal wird vom piezoelektrischen Wandler
41 an den elektronischen Kontroller 66 übertragen, vom
Bandpaßfilter empfangen und dann an den
Nulldurchgangsdetektor 76 geleitet. Der
Nulldurchgangsdetektor arbeitet als Schmitt-Trigger und
setzt die sinusförmige Kurve in Rechteckwellenpulse gemäß
Fig. 5c um. Der Flankendetektor 78 erfaßt die Flanken der
Welle, welche die Nulldurchgänge der sinusförmigen Kurve
nach Fig. 5b darstellen, und leitet diese
Flankenerfassungsimpulse an den Flip-Flop 80 weiter. Der
Flip-Flop 80 übermittelt die Signale an den Rechner 68.
Der Rechner 68 ruft den Speicher 84 ab und bestimmt die
Frequenz der Nulldurchgänge. Die so ermittelte Frequenz
wird dann zur Berechnung der Masse des auf dem Tablett 28
liegenden Poststückes 65 verwendet.
Liegt auf dem Tablett kein Poststück 65, wird der
Elektromagnet 32 für die Dauer von ungefähr 12 msec durch
die Pole gepulst, wie im oberen Schaubild nach Fig. 5a
gezeigt ist. Dadurch wird der Anker 36 nach einem der Pole
38, 40 gezogen, und dann zum anderen der Pole während der
12 msec, während der der Elektromagnet gepulst wird. Die
flexiblen Halter 26 und das mit ihnen verbundene Tablett
werden auf diese Weise in Schwingung versetzt. Da der
flexible Halter 26 mit dem daran befindlichen Wandler 41
geboten wird und weiterschwingt, liefert der Wandler eine
Wechselspannung mit einer Frequenz, die von der Masse des
Tabletts 28 und allem daran Befestigten abhängt. Es sei
bemerkt, daß das Tablett 28 die Laufrollen 56 und die
Mechanik zum Halten der Rollen auf dem Tablett umfaßt, die
Bestandteil der Masse sind, welche die Frequenz
beeinflußt. Während das Tablett schwingt, werden seine
Schwingungen durch den Wandler 41 als Ausgangsspannung
gemessen, deren Aufzeichnung in Fig. 5b dargestellt ist.
Nach dem Einschalten des Elektromagneten 32 ist die
sinusförmige Kurve nicht symmetrisch, so daß mindestens
eine Schwingungsperiode erforderlich ist, bis eine
gleichförmige Kurve erzielt wird. Infolgedessen wird eine
Wartezeit benötigt, bevor die Messung erfolgen kann, wobei
diese Zeitverzögerung im Kontroller 66 programmiert ist
und ungefähr 0,024 sec dauert. Nach dieser Wartezeit wird
die Frequenz oder Periode der Nulldurchgänge durch den
elektronischen Kontroller 36 bestimmt. Nach dem
Einschaltstoß vergleichmäßigt sich die Frequenz der
Nulldurchgänge in der Hauptsache und die Signaldämpfung
ist nicht mehr spürbar. Wenn die Frequenz der
Nulldurchgänge ermittelt ist, wird ein Umschlag oder ein
Poststück 65 auf das Tablett 28 gelegt. Die automatischen
Mittel zum Plazieren des Poststückes werden nicht
beschrieben, da sie nicht Bestandteil der vorliegenden
Erfindung sind. Die Mittel werden in der eingangs
genannten DE 38 23 618 A1 beschrieben, auf die hiermit
verwiesen wird. Es sei bemerkt, daß das Poststück 65 fest
auf dem Tablett 28 gehalten wird, weil die Rollen 56 wegen
der Vorspannwirkung der Federn 60 nach wie vor mit
demselben in Berührung stehen, so daß sich das Poststück
und die Plattform als eine Einheit bewegen.
Wenn das Poststück 65 auf der Plattform in der ihm
vorbestimmten Position liegt, d. h., unter den Rollen 56
und zwischen der Lampe 61 und dem Lichtmeßfühler 63, wird
der Elektromagnet 32 eingeschaltet und veranlaßt den Anker
90 und das Tablett 28, zu schwingen. Diese Schwingung wird
durch den Wandler 41 reflektiert, so daß die Periode der
Schwingung wie weiter oben beschrieben gemessen wird. Aus
dem Ergebnis dieser Messung kann man die Masse des auf der
Plattform 27 befindlichen Poststückes 65 nach folgender
Formel berechnen:
ME = C1(T2 - T0 2) + C2(T2 - T0 2)2 (1).
Darin bedeutet ME die Masse des Poststückes 65, T0 die
Schwingungsperiode ohne Poststück und T die
Schwingungsperiode mit auf dem Tablett 28 befindlichem
Poststück. T0, C1 und C2 sind Konstanten, die sowohl
von der Masse der Grundplatte M und der Masse des Tabletts
28, als auch von den Federkonstanten der isolierenden
Federn 16 und der flexiblen Halter 26 abhängen. Diese
Konstanten werden empirisch in einem Kalibrierverfahren
ermittelt, bei dem die Perioden sowohl für mindestens zwei
verschiedene Massen, als auch für das leere Tablett
bestimmt werden. Im Grenzfall, daß die Grundplatte 14
erheblich schwerer als die Masse der Plattform 27 plus der
Masse der Poststücke ist, ist die Konstante C1 durch
folgende Formel gegeben:
C1 ≃ K/(4π2) (2),
wobei K die Federkonstante der flexiblen Halter 26 ist.
Im gleichen Grenzfall ist T0 durch folgende Formel
gegeben:
T0 2 = (4π2)Mp/K (3),
wobei Mp die Masse des Tablette 28 ist.
Wenn eine Feder mit den beiden isolierten Massen m und M
verbunden ist, wird ihre Schwingungsperiode bestimmt durch:
T2 = 4π2 µ/K (4),
wobei µ die reduzierte Masse ist gemäß der Formel:
µ = m M/(m + M) (5).
Im Grenzfall, daß M sehr viel größer als m ist, ist die
reduzierte Masse µ kleiner als und nahe beim Werte von m.
Die Gleichung (4) kann für m nach der Größe T aufgelöst
werden. Beim Ablagetablett 10 ist die Masse M der
Grundplatte 14 sehr viel größer als die Masse m des
miteinander kombinierten Tabletts 28 und Poststückes 65.
Wegen der erforderlichen Genauigkeit muß aber der
Unterschied zwischen µ und m in Rechnung gestellt werden.
Dies wird durch Kombination der Gleichungen (4) und (5)
erreicht.
Es gibt weitere Korrekturen der Periode aufgrund der
Tatsache, daß das System leicht gedämpft wird, weil die
Grundplatte 14 mit dem Rahmen 12 durch die isolierenden
Federn 16 verbunden ist. Das System wird weiter durch den
Umstand kompliziert, daß der Versuch der Bestimmung der
Periode über Messungen der ersten wenigen
Schwingungsperioden hinweg erfolgt. Während dieser Zeit
treten aber einige Einschwingvorgänge aufgrund des
Anfangsimpulses auf. Daher kann bestenfalls gesagt werden,
daß zu erwarten ist, daß die Masse eine nichtlineare
Funktion der Periode ist, quadriert mit der durch die
Gleichungen (4) und (5) gegebenen Haupt-Nichtlinearität.
Es ist empirisch beobachtet worden, daß die
Nichtlinearität annähernd durch eine durch die Gleichung
(1) dargestellte Parabel angenähert werden kann.
Die Masse wird durch die in den Fig. 3 und 4 dargestellten
Schaltungen ermittelt. Der Rechner 68, bei dem es sich um
irgendeinen der im Handel erhältlichen Standardrechner
handelt, wie etwa ein Compaq-Modell 286 PC, steht in
Verbindung mit dem elektronischen Kontroller 66. Die
Rechnerfunktion kann auch durch einen Mikroprozessor mit
passender Software wahrgenommen werden. Der Wandler 41
liefert eine Spannung, die durch das Bandpaßfilter 74
gefiltert und an den Nulldurchgangsdetektor 76 geliefert
wird, der hauptsächlich ein Operationsverstärker ist, der
bei 5 Volt in Sättigung geht und eine Rechteckwelle, wie
in Fig. 5c gezeigt, erzeugt. Die Dauer der Rechteckwelle
ergibt die Zeit zwischen den Nulldurchgängen, die durch
den Flankendetektor 78 bestimmt wird. Der Flankendetektor
78 liefert einen Impuls bei der Erfassung jeder Flanke der
Rechteckwellen, die natürlich einen Nulldurchgang
bedeutet. Diese Signale werden an den Zähler 84, der die
Taktzyklen zwischen den Nulldurchgängen zählt, und an das
UND-Gatter 82 geliefert. Der Flip-Flop 80 übermittelt dann
Nulldurchgangs-Bereitschaftssignale an den Rechner 68, der
dementsprechend den Zählerstand abgraft. Aufgrund dieses
Zählerstandes errechnet der Rechner 68 nach dem Abfragen
die Masse des Poststückes mit Hilfe eines Algorithmus, der
die Berechnung durch Anwendung der obengenannten Formeln
ermöglicht. Die berechnete Masse wird dann auf der
Sichtwiedergabeeinheit 72 angezeigt.
Nachdem die Ausgabe des Wandlers 41 empfangen worden ist,
werden die Topfmagnete 22 zur sicheren Halterung der
Grundplatte 14 in vorbestimmter Stellung eingeschaltet und
das Poststück 65 wird vom Tablett 28 entfernt.
Bei Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens ist man in
der Lage, eine sehr genaue Bestimmung der Masse der auf
dem Tablett befindlichen Artikel zu erzielen. Die
Genauigkeit ist besser als 1/32 einer Unze bei Poststücken
65 bis zu 32 Unzen. Man erzielt nicht nur eine extrem
genaue Messung der Masse, sondern dies erfolgt auch sehr
rasch.
In den Fig. 6a-6b bis 9a-9b sind Schaubilder dargestellt,
anhand derer festgestellt werden kann, ob ein
Maschinenfehler oder eine Stampfbewegung des
Ablagetabletts vorliegt. Es sei darauf hingewiesen, daß
diese Schaubilder bei der dargestellten und beschriebenen
Waage ermittelt wurden, daß aber andere Waagen andere
Kurven ergeben können. Eine Stampfbewegung des
Ablagetabletts kann durch Berühren des Tabletts während
der Schwingperioden verursacht werden, wodurch das
Ausgangssignal des Wandlers 41 beeinflußt wird. Eine
solche Eingriffsbewegung kann durch Auf- und Abwärtsstoßen
mit einem Fingers oder einem Gegenstand wie etwa einem
Bleistift am Tablett erzeugt werden, wodurch dieses an
seiner normalen Schwingung gehindert wird. Die Fig. 6a-6b
zeigen einen Verlauf des vom elektronischen Kontroller 66
empfangenen und erzeugten Signals, wenn ein betriebliches
Fehlverhalten des Ablagetabletts auftritt. Dieses
Fehlverhalten kann durch defekte Bauteile, einen
plötzlichen Anstieg der eintretenden Spannung, einem sich
lose im Poststück 25 bewegenden Gegenstand wie etwa einer
Münze, oder einem nicht fest auf dem Tablett gehaltenen
Poststück 65 verursacht werden. Wie man sieht, ergibt sich
beim maschinellen Fehlverhalten eine Amplitude der Kurve,
die erheblich kleiner ist als bei einer gültigen Kurve,
wobei die Veränderung der Frequenz und der Amplitude
wesentlich größer ist als bei einem in den Fig. 5b und 5c
gezeigten normalen Signal.
Die Fig. 7a-7b zeigen ein Signal, das erhalten wird, wenn
mit dem Finger auf das Tablett ein leichter Druck abwärts
ausgeübt wird. Wie man sieht, wird die Amplitude der Kurve
viel schneller abgedämpft, als dies beim normalen echten
Signal gemäß den Fig. 5b und 5c der Fall ist. Die Fig.
8a-8b zeigen ein Signal, das erhalten wird, wenn mit dem
Finger ein leichter Druck auf das Tablett 28 nach oben
ausgeübt wird. Das Signal ist in etwa ähnlich dem Signal,
das man erhält, wenn das Tablett nach unten gedrückt wird,
aber die Amplitude ist etwas größer, während die Frequenz
etwas kleiner ist. Nichtsdestoweniger wird die Amplitude
rasch gedämpft.
Die Fig. 9a-9b zeigen nocheinmal das Schaubild eines
Signals, das erhalten wird, wenn ein Bleistift oder ein
anderer Gegenstand leicht aufwärts oder abwärts gegen das
Tablett 28 gedrückt wird. Was speziell Fig. 9b anbetrifft,
weist die Kurve den negativen Teil in invertierter Lage
auf. Der Abfall 93 der Amplitudenspitzen und der Abfall 95
einer gültigen Wägung ist ebenfalls dargestellt, wobei der
letztgenannte Verlauf im wesentlichen eine gerade Linie
ergibt. Wenn der Abfall 93 zu groß ist, kann darauf
geschlossen werden, daß das Ausgangssignal des Wandlers 41
kein gültiges ist. Wie man sieht, fällt die Amplitude der
Kurve zu Anfang stark ab und verkleinert sich dann
langsamer, jedoch um einen Wert, der immer noch größer als
das Abklingen eines gültigen Signals ist. Genauer gesagt,
verläuft die Abnahme eines ungültigen Signals exponentiell.
Unter Bezugnahme auf Fig. 10 werden nur die Schritte zur
Bestimmung der Masse eines Poststückes 65 beschrieben. Das
System wird mit Schritt 94 durch Schließen des Schalters
70 ausgelöst. Ein Poststück 65 wird auf das Tablett 28
gelegt und in Schritt 96 erfaßt. Die Topfmagnete 22 werden
in Schritt 97 eingeschaltet, so daß das Tablett frei zum
Schwingen gebracht werden kann. Die Startzeit wird in
Schritt 98 gespeichert, während in Schritt 100 eine
Zeitverzögerung zum Löschen des Zählers 102 vorgesehen
wird. Der Elektromagnet 32 wird in Schritt 103
eingeschaltet und in Schritt 104 wird eine weitere
Verzögerung vorgesehen, um sicher zu sein, daß die Pole
38, 40 des Elektromagneten erregt worden sind. Das
Nulldurchgangs-Bereitschafts-Bit wird in Schritt 106
gelöscht und es wird festgestellt, ob der
Nulldurchgangsdetektor 76 in Schritt 108 in Bereitschaft
ist. Ist dies der Fall, wird in Schritt 110 das
Nulldurchgangs-Bereitschafts-Bit gelöscht und in Schritt
111 der Nulldurchgangszählstand abgefragt. In Schritt 112
wird die Nulldurchgangsprüfung freigegeben und dann wird
festgestellt, ob in Schritt 114 der letzte Nulldurchgang
bzw. eine fixierte Anzahl von Nulldurchgängen
stattgefunden hat.
Wenn der letzte Nulldurchgang festgestellt worden ist,
wird die Frequenz der Signale mit einem normalen Signal
verglichen. In Schritt 118 wird geprüft, ob die
Nulldurchgangsfrequenz regelmäßig ist und innerhalb der
Begrenzung liegt. Ist das nicht der Fall, wird in Schritt
120 ein nicht behebbarer Fehler erzeugt. Wenn aber
festgestellt wird, daß die Amplituden innerhalb der
gegebenen Grenzen liegen und regelmäßig sind, werden die
erzeugten Daten durch einen Rücksprungschritt 124 an den
Kontroller 66 übertragen.
Wenn auch die vorliegende Erfindung zur Anwendung bei
einem horizontal vibrierenden Tafelwaagentyp beschrieben
worden ist, steht doch nicht im Wege, die Erfindung auch
bei anderen Arten von Wiegevorrichtungen zu verwenden, bei
denen das Tablett schwingt und das Gewicht während der
Schwingung bestimmt wird.
Claims (16)
1. Waage, gekennzeichnet durch:
ein Haltemittel (28) für einen sich in der Waagrechten erstreckenden Artikel (65),
Mittel (32, 34, 36, 38, 40), um das den Artikel haltende Mittel in horizontale Schwingung zu versetzten,
Mittel (41) zum Erzeugen eines Sinuswellensignals als Antwort auf die Schwingung des den Artikel haltenden Mittels (28),
Mittel (76, 78) zum Überwachen des Sinuswellensignals, um die Regelmäßigkeit der Schwingung zu bestimmen,
Mittel (48, 50, 52, 54, 56, 58, 60) zum sicheren Festhalten des Artikels auf dem Artikelhaltemittel zur Ermöglichung einer einheitlichen Bewegung, und
Mittel (68) zum Bestimmen der Masse des auf dem Artikelhaltemittel befindlichen Artikels als Antwort auf das aus der Überwachung zur Bestimmung einer regelmäßigen Schwingung hervorgehende sinusförmige Signal.
ein Haltemittel (28) für einen sich in der Waagrechten erstreckenden Artikel (65),
Mittel (32, 34, 36, 38, 40), um das den Artikel haltende Mittel in horizontale Schwingung zu versetzten,
Mittel (41) zum Erzeugen eines Sinuswellensignals als Antwort auf die Schwingung des den Artikel haltenden Mittels (28),
Mittel (76, 78) zum Überwachen des Sinuswellensignals, um die Regelmäßigkeit der Schwingung zu bestimmen,
Mittel (48, 50, 52, 54, 56, 58, 60) zum sicheren Festhalten des Artikels auf dem Artikelhaltemittel zur Ermöglichung einer einheitlichen Bewegung, und
Mittel (68) zum Bestimmen der Masse des auf dem Artikelhaltemittel befindlichen Artikels als Antwort auf das aus der Überwachung zur Bestimmung einer regelmäßigen Schwingung hervorgehende sinusförmige Signal.
2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittel zur Schwingungserzeugung (32, 34, 36, 38, 40)
einen an einem Rahmen befestigten Elektromagneten (32)
und einen an dem Artikelhaltemittel befestigten
Anker (36) aufweisen, wobei sich der Anker in nächster
Nähe des Elektromagneten befindet.
3. Waage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
Mittel zur Erfassung des Vorhandenseins eines Artikels
auf dem Artikelhaltemittel (28).
4. Waage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Regelmäßigkeit der
Schwingungsfrequenz gemessen wird.
5. Waage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch Mittel zur Messung der
Regelmäßigkeit der Amplitude der sinusförmigen Kurve.
6. Waage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß
das Haltemittel (28) einen Untersatz und ein Tablett zur Aufnahme des sich in der Waagrechten erstreckenden Artikels und mindestens ein flexibles Glied zur Schaffung einer Verbindung zwischen dem Untersatz und dem Artikelaufnahmetablett umfaßt,
das Mittel zum Erzeugen eines Sinuswellensignals als Antwort auf die Schwingung des den Artikel haltenden Mittels ein mit dem mindestens einen flexiblen Glied verbundenen Wandler (41) umfaßt,
das Mittel (76, 78) zum Überwachen des Sinuswellensignals das Ausgangssignal des Wandlers mißt, und
Mittel (68) um festzustellen, ob das Ausgangssignal des Wandlers echt ist.
das Haltemittel (28) einen Untersatz und ein Tablett zur Aufnahme des sich in der Waagrechten erstreckenden Artikels und mindestens ein flexibles Glied zur Schaffung einer Verbindung zwischen dem Untersatz und dem Artikelaufnahmetablett umfaßt,
das Mittel zum Erzeugen eines Sinuswellensignals als Antwort auf die Schwingung des den Artikel haltenden Mittels ein mit dem mindestens einen flexiblen Glied verbundenen Wandler (41) umfaßt,
das Mittel (76, 78) zum Überwachen des Sinuswellensignals das Ausgangssignal des Wandlers mißt, und
Mittel (68) um festzustellen, ob das Ausgangssignal des Wandlers echt ist.
7. Waage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittel (32, 34, 36, 38, 40), mit denen die Plattform in
Schwingung versetzt wird, Mittel zum Schwingen des
Tabletts in der Tablettebene umfassen.
8. Waage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß sie Mittel (61, 63, 69) zum Erfassen des
Vorhandenseins eines Artikels auf der Plattform umfaßt.
9. Waage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß sie Mittel zum Erfassen des
Nichtvorhandenseins eines Artikels auf der Plattform
umfaßt.
10. Waage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mittel (68) zum Bestimmen der
Echtheit des genannten Ausgangssignals Mittel zur
Überwachung der Frequenz des Ausgangssignals und zur
Feststellung umfassen, daß das Ausgangssignal nicht echt
ist, wenn sich die Frequenz als unregelmäßig
herausstellt.
11. Waage nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mittel zum Feststellen der
Echtheit des Ausgangssignals Mittel zur Überwachung der
Regelmäßigkeit der Amplitude des Ausgangssignals und zur
Feststellung darüber umfassen, daß das Ausgangssignal
nicht echt ist, wenn sich herausstellt, daß die
Amplitude bei einem Wert abnimmt, der oberhalb eines
vorgegebenen Wertes liegt.
12. Verfahren zur Bestimmung der Masse eines Artikels,
gekennzeichnet durch folgende Schritt:
Plazieren eines Artikels (65) auf einer Plattform (28),
Sicheren Festhalten des Artikels auf der Plattform zur Ermöglichung einer einheitlichen Bewegung,
Einleiten einer freien horizontalen Schwingung der Plattform (28),
Erzeugen eines der Schwingung der Plattform entsprechenden Signals,
Bestimmen der Echtheit des erzeugten Signals, und
Bestimmen der Masse des Artikels (28) auf der Basis der Echtheit des festgestellten Signals.
Plazieren eines Artikels (65) auf einer Plattform (28),
Sicheren Festhalten des Artikels auf der Plattform zur Ermöglichung einer einheitlichen Bewegung,
Einleiten einer freien horizontalen Schwingung der Plattform (28),
Erzeugen eines der Schwingung der Plattform entsprechenden Signals,
Bestimmen der Echtheit des erzeugten Signals, und
Bestimmen der Masse des Artikels (28) auf der Basis der Echtheit des festgestellten Signals.
13. Verfahren zur Bestimmung der Masse eines Artikels nach
Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das der
Schwingung der Plattform entsprechende Signal die
Schwingungsfrequenz der Plattform ist und die Schwingung
mittels eines Wandlers (41) gemessen wird.
14. Verfahren zur Bestimmung der Masse eines Artikels nach
Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der
Echtheitsbestimmungsschritt die Überwachung der
Gleichmäßigkeit der Frequenz des Wandlerausgangssignals
und die Feststellung umfaßt, daß das
Wandlerausgangssignal nicht echt ist, wenn sich die
Frequenz als unregelmäßig herausstellt.
15. Verfahren zur Bestimmung der Masse eines Artikels nach
Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der
Echtheitsbestimmungsschritt die Überwachung der
Amplitude des Wandlerausgangssignals und die
Feststellung umfaßt, daß das Wandlerausgangssignal nicht
identisch ist, wenn sich herausstellt, daß der Wert der
Amplitudenabnahme oberhalb eines vorgegebenen Wertes
liegt.
16. Verfahren zur Bestimmung der Masse eines Artikels nach
einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
daß
die Plattform (28) durch ein flexibles Glied gehalten wird,
der Wandler (41) auf dem mindestens einen vorhandenen flexiblen Glied angebracht wird,
das Ausgangssignal des Wandlers (41) im Vergleich zu einem Standardausgangssignal gemessen wird, und
die Echtheit der ermittelten Masse des Artikels auf der Basis des genannten Vergleichs bestimmt wird.
die Plattform (28) durch ein flexibles Glied gehalten wird,
der Wandler (41) auf dem mindestens einen vorhandenen flexiblen Glied angebracht wird,
das Ausgangssignal des Wandlers (41) im Vergleich zu einem Standardausgangssignal gemessen wird, und
die Echtheit der ermittelten Masse des Artikels auf der Basis des genannten Vergleichs bestimmt wird.
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- 1989-04-03 DE DE3910731A patent/DE3910731C2/de not_active Expired - Fee Related
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