DE4042254A1 - Electromechanical compensation balance with mass-spring-damper system - derives compensation signal from weighing pan deflection with and without article to be weighed - Google Patents

Electromechanical compensation balance with mass-spring-damper system - derives compensation signal from weighing pan deflection with and without article to be weighed

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DE4042254A1 DE19904042254 DE4042254A DE4042254A1 DE 4042254 A1 DE4042254 A1 DE 4042254A1 DE 19904042254 DE19904042254 DE 19904042254 DE 4042254 A DE4042254 A DE 4042254A DE 4042254 A1 DE4042254 A1 DE 4042254A1
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    • G01G7/00Weighing apparatus wherein the balancing is effected by magnetic, electromagnetic, or electrostatic action, or by means not provided for in the preceding groups
    • G01G7/02Weighing apparatus wherein the balancing is effected by magnetic, electromagnetic, or electrostatic action, or by means not provided for in the preceding groups by electromagnetic action
    • G01G7/04Weighing apparatus wherein the balancing is effected by magnetic, electromagnetic, or electrostatic action, or by means not provided for in the preceding groups by electromagnetic action with means for regulating the current to solenoids

Abstract

The electromechanical compensation balance produces a compensation signal used to counter the deflection of a weighing pan or load carrier resulting from the wt. of weighed material. The compensation signal is thus a direct measure of wt. of the material. The compensation signal is a current through an electromagnetic coil derived electronically from the deflection of the pan. The relative displacement of the vibration deflection of the pan with and without the measurement material is measured. USE/ADVANTAGE - For precision weighing appts. Accuracy of electromagnetic compensation balance is increased or its measurement time is reduced.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Kompensationswaage mit einem adaptiven digitalen Regler zu Erzeugung des Kompensationssignals, wobei dieses Kompensationssignal ein Maß für das zu messende Wägegut ist.The invention relates to an electromechanical compensation balance with an adaptive digital controller to generate the compensation signal, this compensation signal a measure of the goods to be measured is.

In der modernen Wägetechnik mit elektromechanischen Waagen haben sich neben einer direkten elektrischen Messung der Auslenkung einer Waagschale durch das Wägegut oder einer direkten elektrischen Messung der Gewichtskraft des Wägegutes Kompensationsver­ fahren durchgesetzt. Die Gewichts- bzw. Massebestimmung nach dem elektrodynamischen Kompensationsverfahren beruht darauf, die durch ein Wägegut verursachte Auslenkung eines durch Biegeelemente streng vertikal geführten Lastträgers mit einer elektrisch erzeugten Gegenkraft wieder aufzuheben, siehe beispielsweise R.E. Scheidegger, Heutiger Stand der Präzisionswägetechnik, Feinwerktechnik 74 (1970), Seite 162 ff. und S. Schmid, Die Meß­ prinzipien moderner elektronischer Analysen- und Präzisionswaagen, Elektrotechnik 30 (1979) Heft 2, Seite 61-63. Diese Gegenkraft läßt sich beispielsweise mit einer Tauchspule erzeugen, wobei die aufzuwendende Strommenge proportional zur kompensierten Gewichts­ kraft ist. Der Meßwert für das Gewicht wird dabei üblicherweise über eine direkte Messung und entsprechende Bewertung des Kompensationsstromes gewonnen, siehe beispielsweise Th. Gast und W. Seifert, Eine neuartige selbstkompensierende balkenlose Waage, Feinwerktech­ nik und Meßtechnik 82 (1974) Heft 6, Seite 279-284. Die Auslenkung wird beispielsweise mittels Dehnungsmeßstreifen gemessen, die auf den Biegeelementen der Waage angebracht sind, siehe beispielsweise M. Kochsiek und B. Meißner, Wägezellen-Prinzipien, Genauigkeit, Praktischer Einsatz für eichfähige Waagen, PTB-Bericht PTB-MA-4 (1986), Braunschweig, ISSN 0179-0595. Der Lastträger muß dabei in der Regel mit einem Dämpfungselement versehen werden, um störenden Schwingungen entgegenzuwirken. In einer Ausgestaltung werden zur Auswertung, Anzeige oder Weiterverarbeitung der Meßwerte die analogen Kompensationsströme mit Analog-Digital-Umsetzern digitalisiert, siehe beispielsweise H. Schröder, Mikroprozessorgestütztes automatisches Wägen, Technisches Messen 53 (1986) Heft 4, Seite 152-153. Ein Mikroprozessor dient hierbei meist zu Weiterverarbeitung der digitalen Meßwerte und zur Steuerung des Wägevorganges. In modern weighing technology with electromechanical scales have next to one direct electrical measurement of the deflection of a weighing pan by the weighing sample or a direct electrical measurement of the weight of the weighing material Kompensationsver drive enforced. The weight or mass determination after the electrodynamic Compensation method is based on the deflection caused by a weighing material by bending elements strictly vertically guided load carrier with an electrically generated Repeal counterforce, see for example R.E. Scheidegger, today's state of Precision weighing technology, Feinwerktechnik 74 (1970), page 162 ff. And S. Schmid, Die Meß Principles of Modern Electronic Analytical and Precision Balances, Electrical Engineering 30 (1979) Issue 2, pages 61-63. This counterforce can be, for example, with a plunger coil generate, with the amount of electricity to be proportional to the compensated weight power is. The measured value for the weight is usually a direct measurement and corresponding evaluation of the compensation current obtained, see for example Th. Gast and W. Seifert, a novel self-compensating barless scale, Feinwerktech nik and Meßtechnik 82 (1974) Issue 6, pages 279-284. The deflection becomes, for example measured by means of strain gauges mounted on the bending elements of the balance see, for example, M. Kochsiek and B. Meißner, Weighing Cell Principles, Accuracy, Practical application for verifiable scales, PTB report PTB-MA-4 (1986), Braunschweig, ISSN 0179-0595. The load carrier must usually with a damping element be provided to counteract disturbing vibrations. In one embodiment The analogue signals are used for evaluation, display or further processing of the measured values Compensating currents digitized with analog-to-digital converters, see for example H. Schröder, Microprocessor Assisted Automatic Weighing, Technical Measurement 53 (1986) Heft 4, pages 152-153. A microprocessor usually serves for further processing of the digital Measured values and for controlling the weighing process.  

Es sind nun auch Waagen bekannt, bei denen eine Messung durchgeführt werden kann, während das Meßgut noch Schwingungen durchführt, d. h. die Waage ist nicht so stark gedämpft, daß das Meßgut mit der Waagschale in Ruhe ist. Hier wird das elektrische Meßsignal durch eine elektrische Filterung gewonnen, so daß nur das statische Signal ausgewertet wird.Now scales are also known in which a measurement can be carried out while the material being measured is still vibrating, d. H. the balance is not that strong damped that the material to be measured with the balance pan is at rest. Here is the electric Measurement signal obtained by electrical filtering, so that only the static signal is evaluated.

Die Güte, Genauigkeit und Meßzeit einer Waage ist durch Dämpfung der elektronischen Waage und durch die Genauigkeit und Zeitkonstante der kraft- bzw. wegaufnehmenden Wägezellen bestimmt. Je genauer die Wägezellen sind, desto stärker muß die Dämpfung der Waage bzw. die elektronische Filterung des Meßsignals sein. Dies bedeutet meist eine längere Meßzeit oder einen erhöhten elektronischen oder mechanischen Aufwand. Da der elek­ tronische Aufwand schon wegen der Weiterverarbeitung des Meßsignals meistens nicht mehr vernachlässigt werden kann, liegt es nahe, diese elektronischen Mittel auch für die Gewin­ nung des Meßsignals zu verwenden, wie es im Ansatz bei einer elektronischen Filterung des Meßsignals schon durchgeführt wird.The quality, accuracy and measuring time of a balance is by damping the electronic Libra and the accuracy and time constant of the force or wegaufnehmenden Weighing cells determined. The more accurate the load cells, the stronger the damping of the Balance or the electronic filtering of the measuring signal. This usually means a longer one Measuring time or increased electronic or mechanical effort. Since the elek Tronische effort because of the further processing of the measuring signal usually no longer is negligible, this electronic means also for the Gewin tion of the measuring signal to be used, as in the approach in an electronic filtering of the Measuring signal is already performed.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit einer elektromechanischen Kompensationswaage zu erhöhen oder ihre Meßzeit zu verringern, ohne dabei die Dämpfung der mechanischen Lastträger mit dem Wägegut vorzugeben, so daß eine Messung bei schwin­ gendem Lastträger mit dem Wägegut möglich ist.The invention is therefore based on the object, the accuracy of an electromechanical Increase compensation scale or reduce their measurement time, without damaging the damping specify the mechanical load carrier with the sample, so that a measurement at schwin gendem load carrier with the sample is possible.

Die Erfindung löst die Aufgabe in erster Line, indem die Verschiebung der Schwingungen des Lastträgers mit dem Meßgut gegenüber den Schwingungen des Lastträgers ohne das Meßgut erfaßt wird. Hierzu wird die Asymmetrie der beiden Halbperioden einer vollen Schwingungs­ periode mit Meßgut gegenüber den symmetrischen Halbschwingungen ohne Meßgut als Ausgangslage bestimmt, indem die Zeitdauer der beiden Halbperioden ausgemessen werden. Der Lastträger vollführt eine gesteuerte Dauerschwingung mit Amplituden im Mikrometer- Bereich, die beispielsweise mit einem optischen Positionsdifferenzaufnehmer verfolgt werden kann. Dessen Ausgangssignal wird digitalisiert und so die Schwingungsperioden zeitlich gemessen. Aus dem Ergebnis der Zeitdifferenzmessung der beiden Schwingungshalbperioden kann eine Aussage über die Auslenkung des Lastträgers getroffen werden. Bei einem Wäge­ verfahren nach dem Kompensationsprinzip wird aus dem Ergebnis der Zeitdifferenzmessung ein Steuersignal gewonnen, das der Verschiebung des Lastträgers durch das Meßgut entgegen­ wirkt. Das Steuersignal ist so groß, bis die beiden Schwingungshalbperioden des Lastträgers gleich groß sind, d. h. Symmetrie vorliegt bzw. Zeitdifferenzmessung zu Null wird. Bei elektromechanischen Kompensationswaagen ist das Steuersignal beispielsweise ein elektrischer Strom, der mit Hilfe einer Spule eine proportionale elektromagnetische Kraft auf den Lastträger erzeugt, um die Auslenkung des Lastträgers infolge des Meßgutes zu kompensie­ ren. Das Steuersignal bzw. der Kompensationsstrom ist bekanntlich ein direktes Maß für das zu messende Meßgut.The invention solves the task in the first line by the displacement of the vibrations of the Load carrier with the material to be measured against the vibrations of the load carrier without the material to be measured is detected. For this purpose, the asymmetry of the two half periods of a full oscillation period with Meßgut compared to the symmetrical vibrations without Meßgut as Determined starting position by the duration of the two half periods are measured. The load carrier performs a controlled continuous oscillation with amplitudes in the micrometer Range that are tracked, for example, with a position difference optical pickup can. Its output signal is digitized and thus the oscillation periods in time measured. From the result of the time difference measurement of the two oscillation half periods a statement about the deflection of the load carrier can be made. In a weighing  The method according to the compensation principle becomes the result of the time difference measurement obtained a control signal, which counteract the displacement of the load carrier by the Meßgut acts. The control signal is so large until the two oscillation half periods of the load carrier are the same size, d. H. Symmetry is present or time difference measurement is zero. at electromechanical compensation scales, the control signal is for example an electrical Electricity that uses a coil to generate a proportional electromagnetic force on the coil Load carrier generated to compensate for the deflection of the load carrier due to the material to be measured ren. The control signal or the compensation current is known to be a direct measure of the Measured material to be measured.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.The invention will be described below with reference to the drawings.

Fig. 1 zeigt die Darstellung der Systemparameter eines Feder-Masse-Dämp­ fung-Systems (FMD). Fig. 1 shows the representation of the system parameters of a spring-mass Dämp Fung system (FMD).

Fig. 2 zeigt die Definition der in das Feder-Masse-Dämpfung-System eingeleiteten Kraft. Fig. 2 shows the definition of the force introduced into the spring-mass-damping system.

Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der Zeitdifferenzmessung und der mit y(t) beschriebenen mechanischen Schwingung des Feder-Masse-Dämpfung-Systems. FIG. 3 shows the relationship between the time difference measurement and the mechanical oscillation of the spring-mass-damping system described by y (t).

Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der Periodendauer von Federkonstante und Masse. Fig. 4 shows the dependence of the period of spring constant and mass.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel, wie das Feder-Masse-Dämpfung-System in die Meßlage geführt wird und sich die dabei an den Unstetigkeitsstellen generierten mechanischen Schwingungen zur resultierenden Amplitude aufsummieren. FIG. 5 shows an example of how the spring-mass-damping system is guided into the measurement position and summing up the mechanical vibrations generated thereby at the discontinuities to the resulting amplitude.

Fig. 6 zeigt die Struktur und Komponenten eines Ausführungsbeispiels. Fig. 6 shows the structure and components of an embodiment.

Fig. 7 zeigt für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 das Ablaufdiagramm der Soft­ ware für ein Regelungsintervall, bestehend aus Zeitmessung und Stellgrößen­ änderung. Fig. 7 shows for the embodiment of FIG. 6, the flow chart of the software for a control interval consisting of time measurement and manipulated variable change.

Mit Hilfe der Darstellung in Bild 1 können die Zusammenhänge zwischen den Systemparame­ tern hergeleitet werden. Für die Summe der im System wirkenden Kräfte gilt die systembe­ schreibende Differentialgleichung.The relationship between the system parameters can be derived with the aid of the illustration in Figure 1. The system-writing differential equation applies to the sum of the forces acting in the system.

y(t) beschreibt die Auslenkung des Systems ab dem Auflager SA. Dabei wird die Substitution y(t) ≡ s(t) -SA für s(t) < SA verwendet, da das System erst dann Eigendynamik entwickeln kann, wenn s(t) < SA ist. SM ist die vom Differenzaufnehmer festgelegte Meßlage, auf die sich die Zeitdifferenzmessung bezieht. mn steht für die Gesamtmasse im Feder-Masse- Dämpfung-System, also für die Eigenmasse der Wägemechanik und die Masse des Wägegutes, welche ja veränderlich aber während der Messung konstant ist; deshalb wurde hier der Index n verwendet. kF ist die Federkonstante der Parallelführung, c die Dämpfungskonstante, ωn die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Dämpfung-Systems. Der Restweg SR entspricht der Federvor­ spannung in der Parallelführung, die die Möglichkeit bietet, einen Großteil der Eigenmasse der Wägemechanik mechanisch zu kompensieren.y (t) describes the deflection of the system from the support S A. The substitution y (t) ≡ s (t) -S A is used for s (t) <S A since the system can not develop its own momentum until s (t) <S A. S M is the measuring position determined by the resolver to which the time difference measurement refers. m n stands for the total mass in the spring-mass-damping system, ie for the net weight of the weighing mechanism and the mass of the sample, which is variable but constant during the measurement; therefore the index n was used here. k F is the spring constant of the parallel guide, c the damping constant, ω n the natural frequency of the spring-mass-damping system. The residual travel S R corresponds to the Federvor voltage in the parallel guide, which offers the opportunity to mechanically compensate for much of the net mass of the weighing mechanism.

Die anregende Kraft und StellgrößeThe stimulating force and manipulated variable

F(t) = kmag · i(t) mit kmag = 2πr · N · B (2)F (t) = k mag · i (t) with k mag = 2πr · N · B (2)

wird auf elektromagnetischem Wege erzeugt. kmag steht für die Parameter von Spule und Magnet. Der zeitliche Verlauf von F(t) wird als Summe nicht äquidistanter Rampenfunktio­ nen festgelegt und ist jeweils definiert für Intervalle [ti, ti+1] mit einer Länge von etwa 1,5·Tn. Die Intervallänge ist demzufolge abhängig von der im System vorhandenen Masse mn während dieses Intervalls. Tn ist die von der Masse mn abhängige Periodendauer der mechanischen Schwingung. is generated by electromagnetic means. k mag stands for the parameters of coil and magnet. The time course of F (t) is defined as the sum of non-equidistant ramp functions and is defined for intervals [t i , t i + 1 ] with a length of approximately 1.5 · T n . The interval length is therefore dependent on the mass m n present in the system during this interval. T n is the period of the mechanical oscillation dependent on the mass m n .

Hinsichtlich der Regelung, das System aufgrund einer Zeitdifferenzmessung in den Kom­ pensationsfall zu regeln, sollen entsprechende Parameter gleich in den Ansatz für F(t) eingebracht werden. Siehe hierzu auch die Darstellung in Fig. 2.Regarding the regulation to regulate the system due to a time difference measurement in the Kom pensationsfall, corresponding parameters should be introduced equal to the approach for F (t). See also the illustration in FIG. 2.

Je Intervall [ti, ti+1] wird dem Feder-Masse-Dämpfung-System durch Rückkopplung eine KraftänderungFor each interval [t i , t i + 1 ], the spring-mass-damping system becomes a force change by feedback

zugeführt. tdiff steht für das Ergebnis der Zeitdifferenzmessung aus der vergangenen Periode Tn und sei positiv für Δs < 0, negativ für Δs < 0.fed. t diff stands for the result of the time difference measurement from the past period T n and is positive for Δs <0, negative for Δs <0.

Eine Änderung der Stellgröße wird jeweils zum Zeitpunkt ti, basierend auf der Zeitdif­ ferenzmessung aus der letzten Periode Tn der mechanischen Schwingung, eingeleitet. Die Richtung der rampenförmigen Stellgrößenänderung (bzw. Kraftänderung) richtet sich nach dem Vorzeichen der gemessenen Zeitdifferenz, die Dauer nach der mit α bewerteten Größen­ ordnung der gemessenen Zeitdifferenz und die Höhe nach dem mit FM/TM festgelegten Kraftzuwachs pro Zeit. Dabei ist FM die Kraft, die nötig ist, um das System vom Auflager SA in die Meßlage SM zu heben, und TM die Zeit, die dafür benötigt wird. Maßgebend ist in erster Linie der Regelungsfaktor α, denn mit ihm wird rückkoppelnd aus der Zeitdifferenz tdiff der Kraftzuwachs je Intervall [ti, ti+1] mit der Steigung FM/TM quantitativ festgelegt (Fig. 2). Die Stellgrößenänderung findet innerhalb einer Halbschwingung der mechanischen Schwingungen statt, auf die folgend sofort wieder eine Zeitdifferenzmessung vorgenommen wird. Daher beträgt die Intervallänge etwa 1,5 Tn.A change in the manipulated variable is in each case initiated at time t i , based on the time difference measurement from the last period T n of the mechanical oscillation. The direction of the ramp-shaped manipulated variable change (or change in force) depends on the sign of the measured time difference, the duration after the value of the measured time difference evaluated with α and the height after the force increase per time determined with F M / T M. In this case, F M is the force which is necessary to lift the system from the support S A to the measurement position S M , and T M is the time required for this. Decisive is primarily the control factor α, because with it the force increase per interval [t i , t i + 1 ] with the slope F M / T M is determined quantitatively by feedback from the time difference t diff ( FIG. 2). The manipulated variable change takes place within a half oscillation of the mechanical oscillations, to which a time difference measurement is immediately made again following. Therefore, the interval length is about 1.5 T n .

Da s(t) < SA nur sein kann, wenn F(t) < FA = kF·SA ist, ist die Substitution (t) ≡ F(t)-kFSA für s(t) < SA sinnvoll. Die Auflagerkraft FA = kF·SA entspricht einem Krafttoffset der in F(t) implizit enthalten sein muß, jedoch keine Auswirkung auf die Dynamik des Feder-Masse-Dämpfung-Systems für den betrachteten Bereich hat. Since s (t) <S A can only be if F (t) <F A = k F · S A , the substitution (t) ≡ F (t) -k F S A for s (t) < S A makes sense. The bearing force F A = k F · S A corresponds to a force offset that must be implicit in F (t), but has no effect on the dynamics of the spring-mass-damping system for the considered area.

Der Moment des Erreichens bzw. Überschreitens dieses Kraftoffsets durch die eingeleitete Kraft F(t) definiert somit den Zeitpunkt t0 (Nullpunkt) für das substituierte System.The moment of reaching or exceeding this power offset by the introduced force F (t) thus defines the time t 0 (zero point) for the substituted system.

Für die Lösung der Differentialgleichung im Zeitbereich kann man in sehr guter Näherung schreiben:For the solution of the differential equation in the time domain one can in very good Write approximation:

Die Zeitdifferenz tdiff ergibt sich aus den Aufenthaltszeiten T0 bzw. T1 des schwingenden Feder-Masse-Dämpfung-Systems oberhalb bzw. unterhalb der mit einem Positionsaufnehmer festgelegten Meßlage SM und ist in ihrer Größenordnung abhängig von der Abweichung ± Δs zur Meßlage. In Fig. 3 ist gezeigt, in welcher Weise T0 und T1 digitalisiert werden. Die Zeiten T0 und T1 werden mittels Komparatoren in Rechtecksignale X0 und X1 abgebildet, die dann als Torzeit dienen. Darüber hinaus wird noch mit einem sehr kleinen Komparator­ fenster symmetrisch zum elektrischen Äquivalent u(y(t),SM)=0 von SM detektiert, wenn sich das System in unmittelbarer Umgebung T2 (T2 « Tn) der Meßlage befindet. Diese Informa­ tion wird ebenfalls in Form eines Rechtecksignals X2 erfaßt. The time difference t diff results from the residence times T 0 and T 1 of the oscillating spring-mass-damping system above or below the measuring position S M determined by a position sensor and is dependent on the deviation ± Δs relative to the measurement position. FIG. 3 shows in which way T 0 and T 1 are digitized. The times T 0 and T 1 are mapped by means of comparators into square-wave signals X 0 and X 1 , which then serve as gate time. In addition, even with a very small comparator window symmetric to the electrical equivalent u (y (t), S M ) = 0 detected by S M when the system is in the immediate vicinity T2 (T2 «T n ) of the measurement position. This Informa tion is also detected in the form of a square wave X 2 .

Man erhält nur eine Information über das Verhältnis von Δs/A, zweier im einzelnen nicht bekannter Größen. Es läge natürlich nahe, die Höhe der Amplitude A zu messen; dann könnte man die interessierende Größe Δs direkt berechnen. Würde man dies tun, müßte man eine Spannung (oder einen Strom) mit großer Genauigkeit digitalisieren. Genau der hierzu notwendige Aufwand soll aber mit dem vorgeschlagenen Wägeverfahren umgangen werden. Da die Freiheitsgrade innerhalb des mechanischen Systems bekannt sind, kann die maximal mögliche mechanische Amplitude A bestimmt werden. Die Messung der Differenzzeit tdiff ist solange möglich, wie die Schwingung noch die Meßlage SM berührt, d. h. A Δs. Demnach könnte eine maximale Auslenkung Δs SM/2 bei einer Amplitude A < SM/2 durch die Zeitmessung noch erfaßt werden. Bei minimaler Auslenkung Δs → 0 wäre eine Amplitude von A < SM noch zulässig. Aus mechanischer Sicht wächst die Amplitudenreserve umgekehrt proportional zur kleiner werdenden Auslenkung Δs.One obtains only information about the ratio of Δs / A, of two unknown quantities. It would of course be reasonable to measure the height of the amplitude A; then one could directly calculate the quantity Δs of interest. If one were to do so, one would have to digitize a voltage (or current) with great accuracy. Exactly the necessary effort but should be circumvented with the proposed weighing method. Since the degrees of freedom within the mechanical system are known, the maximum possible mechanical amplitude A can be determined. The measurement of the difference time t diff is possible as long as the oscillation still touches the measurement position S M , ie A Δs. Accordingly, a maximum deflection Δs S M / 2 at an amplitude A <S M / 2 could still be detected by the time measurement. With a minimum deflection Δs → 0, an amplitude of A <S M would still be permissible. From a mechanical point of view, the amplitude reserve increases inversely proportional to the decreasing deflection Δs.

Das System ist dann meßfähig, wenn giltThe system is then capable of measuring, if applicable

Das Übertragungsverhalten des Feder-Masse-Dämpfung-Systems nach Gl.(5) läßt sich auch in Summenform, getrennt nach dem statisch wirkenden Mittelwert ystat und dem dynamisch wirkenden schwingenden Anteil ydyn für einzelne diskrete ti, schreiben. Die mechanische Schwingung wird sozusagen von der eingeleiteten Kraft getragen, die in Wechselwirkung mit der gerade im Feder-Masse-Dämpfung-System vorhandenen Masse mn den Mittelwert bestimmt.The transmission behavior of the spring-mass-damping system according to equation (5) can also be written in the sum form, separated according to the statically acting mean value y stat and the dynamically acting oscillating component y dyn for individual discrete t i . The mechanical oscillation is, so to speak, carried by the introduced force, which determines the mean in interaction with the mass m n present in the spring-mass-damping system.

y(ti+1) = ystat(ti+1) + ydyn(ti+1)y (t i + 1 ) = y stat (t i + 1 ) + y dyn (t i + 1 )

= ystat(ti) + Δystat(ti) + ydyn(ti) + Δydyn(ti) (7)= y stat (t i ) + Δy stat (t i ) + y dyn (t i ) + Δy dyn (t i ) (7)

Der statisch wirkende Anteil ystat von y(t) zu einem Zeitpunkt ti+i wird nur von der Kräfte­ bilanz bestimmt:The statically acting proportion y stat of y (t) at a time t i + i is determined only by the force balance:

und damitand thus

Von Interesse ist speziell, aus zuvor genannten Gründen, das Amplitudenverhalten des dynamisch wirkenden Anteils ydyn.Of particular interest, for the reasons mentioned above, is the amplitude behavior of the dynamically acting component y dyn .

Je Intervall treten zwei Unstetigkeitsstellen mit dem zeitlichen Abstand α·tdiff auf, zwischen denen dem System durch die Regelung eine Kraftänderung ± ΔF = kF.Δs mit der Ge­ schwindigkeit SM/TM zugeführt wird. Die Summe der dabei entstehenden gegenläufigen Schwingungen hängt nur von α·tdiff ab. Ist der Kompensationsfall erreicht, d. h. tdiff = 0 und damit Δs(ti)/A=0, erhält man für (9.1):For each interval, two points of discontinuity occur with the time interval α · t diff , between which the system is supplied by the control with a force change ± ΔF = k F .Δs at the speed S M / T M. The sum of the opposing oscillations arising depends only on α · t diff . If the compensation case is reached, ie t diff = 0 and thus Δs (t i ) / A = 0, one obtains for (9.1):

Hier kommen nun die Einflüsse der Dämpfung zum Tragen, die in den Gln. (9.1) und (9.2) nicht berücksichtigt sind. Da während des Kompensationsfalles keine Kraftänderungen mehr stattfinden, werden keine neuen Schwingungen mehr im System erzeugt. Dies führt, trotz sehr geringer Dämpfung, nach mehreren Intervallen zum Verlust der mechanischen Schwingung und demzufolge zum Verlust der Meßfähigkeit. Es muß also dafür gesorgt werden, daß die Schwingung auch langfristig eine Mindestamplitude behält. Here the influences of the damping come into play, which in the Gln. (9.1) and (9.2) are not taken into account. Because during the compensation case no more force changes take place, no new vibrations are generated in the system. This leads, despite very much low attenuation, after several intervals to the loss of mechanical vibration and consequently loss of measurement capability. So it must be ensured that the Oscillation also maintains a minimum amplitude in the long term.  

Generell stellt sich das Problem, daß Δs(ti)/A=1 auch dann sein kann, wenn Δs → 0 und A → 0 geht. Für diesen Fall müßte ebenfalls α → 0 gehen, wenn die Auslenkung ΔS nicht größer werden soll. Es ist aus diesen Gründen notwendig, den Dämpfungseinflüssen entgegen­ zuwirken, um eine mechanische Schwingung mit einer Mindestamplitude aufrechtzuerhalten. Bringt man in das Feder-Masse-Dämpfung-System eine Kraftänderung + ΔF ein, die sofort anschließend mit einer Kraftänderung -ΔF wieder rückgängig gemacht wird, so hat sich der Wert für ystat nach diesem Vorgang nicht verändert. Aufgrund der an den Unstetigkeitsstellen generierten Schwingungen muß sich aber der Wert für ydyn geändert haben.In general, the problem arises that Δs (t i ) / A = 1 can also be when Δs → 0 and A → 0. For this case, α → 0 would also have to be used if the deflection ΔS should not increase. For these reasons, it is necessary to counteract the damping effects in order to maintain a minimum amplitude mechanical vibration. If one introduces into the spring-mass-damping system a force change + ΔF, which is immediately reversed afterwards with a force change -ΔF, then the value for y stat has not changed after this process. Due to the vibrations generated at the points of discontinuity, however, the value for y dyn must have changed.

Die Amplitude der generierten Schwingung überlagert sich der vorhandenen Schwingung. In Wechselwirkung mit der im System wirkenden geringen Dämpfung muß sich im System zwangsweise eine Dauerschwingung einstellen, und zwar in der Weise, daß die Verluste in der Amplitude durch Dämpfung gerade dem Zuwachs der Amplitude durch den neuen Anstoß entsprechen.The amplitude of the generated vibration is superimposed on the existing vibration. In Interaction with the system acting in low damping must be in the system forcibly set a continuous oscillation, in such a way that the losses in the Amplitude by damping just the increase of the amplitude by the new impulse correspond.

Die Amplitude der Dauerschwingung wird damit eindeutig durch die Schwingungsregenerie­ rung bestimmt und wird in jedem Fall gegen einen Grenzwert konvergieren. Durch die Schwingungsregenerierung ist einerseits gewährleistet, daß das System meßfähig bleibt, zum anderen kann nun ein unterer Grenzwert für A gewählt werden, der hinsichtlich der Wahl der Regelungsparameter notwendig ist. Die Wahl der Regelungsparameter richtet sich in erster Linie nach dem angestrebten Meßbereich und dem vertikalen, maßgeblich durch Wahl von SM bestimmten Freiheitsgrad, der die maximal mögliche Amplitude bestimmt.The amplitude of the continuous oscillation is thus clearly determined by the Schwingungsregenerie tion and will converge in each case against a limit. By the vibration regeneration on the one hand ensures that the system remains capable of measuring, on the other hand, now a lower limit for A can be selected, which is necessary in terms of the choice of control parameters. The choice of the control parameters depends primarily on the desired measuring range and the vertical degree of freedom, which is determined decisively by the choice of S M , which determines the maximum possible amplitude.

Für 0,1 < α < 0,5 kann ein akzeptables Regelungsverhalten erreicht werden. Dabei kann α innerhalb dieses Bereichs umso größer gewählt werden, je höher die auftretenden Amplituden der mechanischen Schwingung sind. Versuche haben diese Werte bestätigt.For 0.1 <α <0.5, an acceptable control behavior can be achieved. It can α within this range, the larger the higher the amplitudes that occur of mechanical vibration. Trials have confirmed these values.

Insgesamt gesehen ist es am Sinnvollsten den günstigsten Regelungsfaktor α am aktiven System experimentell zu ermitteln. Darüberhinaus bestehen noch weitere umfangreiche Eingriffsmöglichkeiten durch Variation der Geschwindigkeit des Kraftzuwachses über TM in Abhängigkeit vom aktuellen Zustand des Systems. All in all, it makes sense to experimentally determine the most favorable control factor α on the active system. In addition, there are further extensive possibilities of intervention by varying the speed of the force increase over T M as a function of the current state of the system.

Die erreichbare Auflösung für die Zeitmessung wird in erster Linie von der Taktrate bestimmt. Beispielsweise wird bei einem Takt von 12 MHz des eingesetzten Mikroprozessors eine Auflösung von maximal 1 µs erreicht. Da die Größenordnung der meßbaren Zeitdifferenz tdiff vom Verhältnis Δs/A abhängt, seien zwei repräsentative Durchschnittswerte angegeben.The achievable resolution for the time measurement is determined primarily by the clock rate. For example, a maximum resolution of 1 μs is achieved at a clock of 12 MHz of the microprocessor used. Since the magnitude of the measurable time difference t diff depends on the ratio Δs / A, two representative average values are given.

m = 20 g±0,1 g⇒tdiff≈±210 µsm = 20 g ± 0.1 g ⇒t diff ≈ ± 210 μs

m = 200 g±0,1 g⇒tdiff≈±70 µs.m = 200 g ± 0.1 g ⇒t diff ≈ ± 70 μs.

Ausgehend vom eingeschwungenem System bewirkt eine Massenänderung von ± 0,1 g bei einer Empfindlichkeit von 10 µm/g eine vertikale Auslenkung von ± 1 µm. Ein interessanter Aspekt ist die Tatsache, daß für kleine Massen infolge der weniger großen Amplituden bessere Meßergebnisse für tdiff erzielt werden können als für große Massen. Es kommt noch hinzu, daß ein Regelungszyklus umso kürzer ist, je kleiner die Masse im System ist (siehe Fig. 4). Damit ist das vorgeschlagene Verfahren zur Gewichtsbestimmung besonders geeignet für die Messung kleiner Massen.Based on the steady state system, a mass change of ± 0.1 g at a sensitivity of 10 μm / g causes a vertical deflection of ± 1 μm. An interesting aspect is the fact that better measurements for t diff can be achieved for small masses due to the smaller amplitudes than for large masses. In addition, a control cycle is shorter, the smaller the mass in the system (see Fig. 4). Thus, the proposed method for weight determination is particularly suitable for the measurement of small masses.

Unter Verwendung der allgemeinen Form des oben dargestellten Kompensationswägesystems lassen sich erfindungsgemäß viele verschiedene Ausführungsformen verwirklichen. Aus­ führungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen beschrieben.Using the general form of the compensation weighing system shown above can be realized according to the invention many different embodiments. from Embodiments of the invention will be described below with reference to drawings.

Für ein aufgebautes Wägesystem ist beispielsweise folgende Dimensionierung realisierbar, die dann zu einem Regelungsverhalten, wie in Fig. 4 dargestellt, führt.For a constructed weighing system, for example, the following dimensioning can be realized, which then leads to a control behavior, as shown in FIG. 4.

Empfindlichkeit:Sensitivity: E = 10 µm/g,E = 10 μm / g, Gesamtmasse:Total weight: mn = 20 g, mn = 20 g, Dämpfungsmaß:attenuation: D = 0,00544 (Ampl.-Abfall = 5%/1,5 Tn),D = 0.00544 (amplitude drop = 5% / 1.5 T n ), Anstiegszeit:Rise time: TM = 20 µs,T M = 20 μs, Meßlage:measuring position: SM = 100 µm,S M = 100 μm, Regelungsfaktor:Control Factor: α = 0,5.α = 0.5.

Aus den gewählten Werten errechnet sichThe selected values are calculated

Federkonstante:Spring constant: kF = 0,981 N/mm,k F = 0.981 N / mm, Kreisfrequenz:Angular frequency: ωn = 221,5 s-1,ω n = 221.5 s -1 , Periodendauer:Period: Tn = 28,4 ms ⇒ f = 35,2 Hz.T n = 28.4 ms ⇒ f = 35.2 Hz.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des beschriebenen Verfahrens zur Bestimmung von kleinen Massen ist besonders geeignet, die wesentlichen Vorgänge möglichst zu diskretisieren und digitalisieren. Dies bedeutet eine weitgehende Verlagerung der Meßwert-Ermittelung und Regelung in einen Digitalrechner und seine Programmierung. Des weiteren können die verbleibenden analogen Baugruppen möglichst einfach gestaltet werden. Dementsprechend kann die eingesetzte Sensorik so gestaltet werden, daß die von ihr gelieferte Information möglichst einfach von einem Mikroprozessor ausgewertet werden kann. Die Tatsache, daß zum einen eine Zeitmessung ohne großen Aufwand sehr genau sein kann, zum anderen vom eingesetzten Mikroprozessor mit On-Chip-Timern direkt durchführbar ist, führt in einer bevorzugten Ausführungsform, den Kompensationsfall bei der elektrodynamischen Gewichts­ messung auf der Basis von Zeitmessungen zu ermitteln.A preferred embodiment of the described method for the determination of small masses is particularly suitable to discretize the essential processes as possible and digitize. This means a substantial shift of the measured value determination and Control in a digital computer and its programming. Furthermore, the remaining analog modules are made as simple as possible. Accordingly the sensor used can be designed so that the information supplied by it as simple as possible to be evaluated by a microprocessor. The fact that on the one hand a time measurement can be very accurate without much effort, on the other hand from used microprocessor with on-chip timers is directly feasible, leads in one preferred embodiment, the compensation case in the electrodynamic weight measuring on the basis of time measurements.

Legt man mittels eines differentiellen Positionsaufnehmers eine horizontale Meßlage fest, bezüglich der die mechanische Auslenkung gemessen wird, so deckt sich die Symmetrie-Achse der mechanischen Schwingung genau dann mit der Meßlage, wenn die erforderliche Kräftebi­ lanz im Feder-Masse-Dämpfung-System von der eingebrachten elektromagnetischen Kraft geprägt wird. Es läßt sich für diesen Zustand der Kompensationsfall ansetzen. Eine Änderung der Masse bewirkt eine Änderung der mittleren Lage des Feder-Masse-Dämpfung-Systems und infolge dessen eine meßbare Zeitdifferenz am Positionsaufnehmer. Die Zeitdifferenz läßt sich als Grundlage für die Regelung heranziehen, sofern man diskret vorgeht, d. h. intervall­ weise mißt und regelt. If a horizontal position is determined by means of a differential position sensor, with respect to which the mechanical deflection is measured, the symmetry axis coincides the mechanical vibration with the measuring position if and only if the required force bi Lanz in the spring-mass-damping system of the introduced electromagnetic force is shaped. It can be set for this state of compensation case. A change the mass causes a change in the average position of the spring-mass-damping system and as a result, a measurable time difference at the position transducer. The time difference leaves to be used as the basis for the scheme, provided that it is discreet, d. H. interval wise measures and regulates.  

Dies geschieht beim beschriebenen Verfahren ausschließlich in einem Programm (Software), das die notwendigen Änderungen der anregenden Kraft aufgrund der Ergebnisse der Zeitmes­ sung errechnet. Die anregende Kraft ist direkt proportional zum Wert eines Software-Zählers der über einen Datenbus direkt in einen D/A-Umsetzer zählt. Hat sich das System eingere­ gelt, d. h., ist die Zeitdifferenz Null, so ist der Stand des Software-Zählers ein Maß für die im System vorhandene Masse. Um die Meßfähigkeit sicherzustellen, muß eine Dauerschwin­ gung angeregt werden, um den Verlust der kinetischen Energie durch die auch ohne Dämp­ fungselement noch vorhandene geringe Dämpfung auszugleichen. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu gängigen Verfahren, die oft nur mit einem Dämpfungselement meßfähig sind. Fig. 6 zeigt die Struktur der zusammenwirkenden Komponenten aus Hardware und Softwa­ re, wie sie für das erfindungsgemäße Wägeverfahren konzipiert wurde.This is done in the described method exclusively in a program (software), which calculates the necessary changes of the exciting force due to the results of Zeitmes solution. The stimulating force is directly proportional to the value of a software counter which counts directly into a D / A converter via a data bus. If the system has adjusted, ie if the time difference is zero, then the state of the software counter is a measure of the mass present in the system. In order to ensure the measuring capability, a Dauerschwin must be excited movement to compensate for the loss of kinetic energy through the even without Dämp tion element still existing low attenuation. This is an essential difference to common methods that are often capable of measuring only with a damping element. Fig. 6 shows the structure of the cooperating hardware and software components as designed for the weighing method of the invention.

In Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm des Programms für aufeinanderfolgende Regelungsinter­ valle, bestehend aus einer Zeitmessung und der Stellgrößenänderung, wiedergegeben.In Fig. 7 is a flowchart of the program for successive Regelungsinter valle, consisting of a time measurement and the manipulated variable, reproduced.

Claims (14)

1. Elektromechanische Kompensationswaage als Feder-Masse-Dämpfung-System, bei der das Kompensationssignal der Auslenkung einer Waagschale bzw. eines Lastträgers infolge der Gewichtskraft eines Wägegutes entgegenwirkt und dadurch ein direktes Maß für die Gewichtskraft bzw. Masse des Wägegutes ist, und bei der das Kom­ pensationssignal ein Strom durch eine elektromagnetische Spule ist und mit Meß­ mitteln und einer elektrischen Regeleinrichtung aus der Auslenkung der Waagschale gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind, um die Verschiebung der Schwingungsauslenkung des Lastträgers mit dem Meßgut gegenüber der Schwingungsauslenkung des Lastträgers ohne das Meßgut zu erfassen.1. Electromechanical compensation balance as a spring-mass damping system in which the compensation signal counteracts the deflection of a balance pan or a load carrier as a result of the weight of a sample and thus is a direct measure of the weight or mass of the sample, and in the Com pensationssignal is a current through an electromagnetic coil and is obtained with measuring means and an electrical control device from the deflection of the weighing pan, characterized in that means are provided for the displacement of the vibration deflection of the load carrier with the Meßgut opposite the vibration deflection of the load carrier without the To be measured. 2. Elektromechanische Kompensationswaage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßaufnehmer geeignet sind, die Asymmetrie der beiden Halbperioden einer vollen Periode der Schwingungsaus­ lenkung des Lastträgers mit dem Meßgut gegenüber den beiden symmetrischen Halbperioden der Schwingungsauslenkung des Lastträgers ohne Meßgut als Aus­ gangslage zu messen.2. Electromechanical compensation balance according to claim 1, characterized in that the transducers are suitable, the Asymmetry of the two half periods of a full period of Schwingungsaus Steering of the load carrier with the material to be measured against the two symmetrical Half periods of the vibration deflection of the load carrier without Meßgut as off to measure the situation. 3. Elektromechanische Kompensationswaage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung und die elek­ tromagnetische Spule elektrische Mittel enthält, damit der Lastträger mit und ohne Meßgut mit einer elektromagnetischen Kraft zu Dauerschwingungen mit konstanter Amplitude angeregt wird, so daß die Dämpfung des Feder-Masse-Dämpfungssystems gerade ausgeglichen wird.3. Electromechanical compensation balance according to claim 2, characterized in that the control device and the elec tromagnetic coil contains electrical means to allow the load carrier with and without Measured material with an electromagnetic force to constant vibration with constant Amplitude is excited, so that the damping of the spring-mass damping system is being compensated. 4. Elektromechanische Kompensationswaage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie elektrische Mittel enthält, um die Zeitdifferenz der beiden Halbperioden und damit die Asymmetrie der beiden Halbperioden der Schwingungsauslenkung des Lastträgers zu messen. 4. Electromechanical compensation balance according to claim 2, characterized in that it comprises electrical means for controlling the Time difference of the two half periods and thus the asymmetry of the two Half periods of the vibration deflection of the load carrier to measure.   5. Elektromechanische Kompensationswaage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Mittel vorhanden sind, so daß das Ausgangssignal der Meßmittel ein digitales Signal ist.5. Electromechanical compensation balance according to claim 2, characterized in that electrical means are provided, so that the output signal of the measuring means is a digital signal. 6. Elektromechanische Kompensationswaage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßmittel ein an sich bekannter opto-elektrischer Positionsaufnehmer ist.6. Electromechanical compensation balance according to claim 2, characterized in that the measuring means is a known per se is opto-electrical position sensor. 7. Elektromechanische Kompensationswaage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßmittel ein an sich bekannter induktiver Aufnehmer ist.7. Electromechanical compensation balance according to claim 2, characterized in that the measuring means is a known per se inductive pickup is. 8. Elektromechanische Kompensationswaage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßmittel ein an sich bekannter kapazitiver Aufnehmer ist.8. Electromechanical compensation weigher according to claim 2, characterized in that the measuring means is a known per se capacitive transducer is. 9. Elektromechanische Kompensationswaage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßmittel eine an sich bekannte Dehnungsmeßstreifen-Meßbrücke ist.9. Electromechanical compensation balance according to claim 2, characterized in that the measuring means known per se Strain gauge measuring bridge is. 10. Elektromechanische Kompensationswaage nach Anspruch 6 oder 7 oder 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer ein Differential- Aufnehmer ist.10. Electromechanical compensation balance according to claim 6 or 7 or 8 or 9, characterized in that the transducer is a differential Pickup is. 11. Elektromechanische Kompensationswaage nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung elektrische Mittel besitzt, damit der Zuwachs ΔF der elektromagnetischen Kraft zum Anregen des Feder-Masse-Dämpfung-Systems zu Dauerschwingungen proportional zur Zeitdiffe­ renz tdiff der beiden Halbperioden der Schwingungsauslenkung des Lastträgers ist. 11. Electromechanical compensation scale according to claim 3 and 4, characterized in that the control device has electrical means, so that the increase .DELTA.F of the electromagnetic force for exciting the spring-mass-damping system to continuous vibrations proportional to Zeitdiffe difference t diff of the two half periods of the vibration deflection of the load carrier is. 12. Elektromechanische Kompensationswaage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung elektrische Mittel besitzt, damit der Kraftzuwachs ΔF rampenförmig in Richtung der Schwingungs­ amplitude bei jedem ungeradzahligen oder einem festen ungeradzahlig nachfolgen­ dem Nulldurchgang, d. h. bei jeder oder einer ungeradzahlig nachfolgenden Halb­ periode, erfolgt, so daß der Kraftzuwachs ΔF in wechselnde Richtung erzeugt wird.12. Electromechanical compensation balance according to claim 11, characterized in that the control means electrical means has, so that the force increase .DELTA.F ramped in the direction of the oscillation amplitude at each odd or even odd follow the zero crossing, d. H. at each or an odd subsequent half period, so that the force increase .DELTA.F is generated in alternating direction. 13. Elektromechanische Kompensationswaage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung aus einem programmierten Mikroprozessor als digitalem Regler besteht.13. Electromechanical compensation balance according to claim 11 or 12, characterized in that the control device consists of a programmed microprocessor exists as a digital controller. 14. Elektromechanische Kompensationswaage nach Anspruch 5 und entweder 7 oder 8 oder 9 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge elektrische Ausgangssignal der Meßmittel mit einem elektronischen Analog-Digital-Umsetzer in ein digitales elektrisches Signal umgesetzt wird.14. Electromechanical compensation balance according to claim 5 and either 7 or 8 or 9 and 13, characterized in that the analog electrical output signal the measuring means with an electronic analog-to-digital converter in a digital electrical signal is implemented.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110438453A (en) * 2019-06-28 2019-11-12 北京铂阳顶荣光伏科技有限公司 The prior-warning device and method for early warning of starting material left amount in crucible

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