DE4306662C2 - Verfahren zur Kalibrierung der Verstärkervorrichtung eines Dehnungsmessers an einem Kran - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kalibrierung der Verstärkervorrichtung eines Dehnungsmessers an einem Kran sowie auf eine Einrichtung zum Aus­ führen dieser Kalibrierung.

Die Belastung eines Krans wird allgemein mittels eines Dehnungs­ messers gemessen. Der Dehnungsmesser wird z. B. am Kranseil oder an einem tragenden Bauteil des Krans, z. B. an den Rädern des Wa­ gens, angebracht. Es können auch mehrere Dehnungsmesser verwen­ det werden. Aus dem Dehnungsmesser wird die Belastungsinformati­ on normalerweise als ein Differenzsignal im Bereich von einigen Millivolt bis einigen zig Millivolt erhalten.

Um das Ausgangssignal des Dehnungsmessers auswerten zu können, ist es erforderlich, daß die sogenannte Offset-Spannung des Deh­ nungsmessers, d. h. die Ausgangsspannung ohne Belastung elimi­ niert und daß das Signal genügend verstärkt wird. Traditionell wird die Verstärkerstufe mit Operationsverstärkern gebildet, wo­ bei Potentiometer zur Eliminierung der Offset-Spannung und zum Einstellen einer genügenden Verstärkung verwendet werden. Zum Filtern von Störungen werden passive RG-Filter verwendet.

Die DD 286 223 A5 zeigt einen Temperaturabgleich für Widerstandsbrücken-Sensoren. Die Widerstandsbrücke ist zwischen zwei Operationsverstärker geschaltet, deren Leistung über Potentiometer analog kontinuierlich eingestellt werden kann.

Der DE 34 29 854 A1 ist eine herkömmliche Steuerung für einen automatischen Nullabgleich des Eingangssignals eines Signal­ gebers zu entnehmen. Dazu wird die gemessene Offset-Spannung des Signalgebers an einen Analog-Digitalwandler gegeben, der nach dem Wägeprinzip eine der Eingangssignalspannung äquiva­ lente Spannung aufbaut. Beide Spannungen werden in einem Komparator miteinander verglichen und dann mit jeweils entgegengesetzten Vorzeichen überlagert. Die gemessene Offset- Spannung wird dabei von einem Digitalspeicher gespeichert und kann zum Abgleichen abgerufen werden.

Ein Problem in der heutigen Praxis besteht darin, daß die Offset-Spannung und die Steilheit der Kennlinie des Dehnungsmes­ sers je nach Fall variieren und für jeden Dehnungsmesser unter­ schiedlich sind. Für jeden Dehnungsmesser und in Abhängigkeit von der Anbringung und Dimensionierung ist die optimale Verstär­ kung der Verstärkerstufe in verschiedenen Implementierungen un­ terschiedlich. Daher muß man die Verstärkungsanpassung für jeden Dehnungsmesser gesondert mittels Regelwiderständen durchführen, was schwierig ist und ein ungenaues Resultat ergeben kann. Dazu können die Einstellwerte der Potentiometer mit Zeit driften, was größere Abweichungen zur Folge hat. Die Einstellungen können leicht ohne größeren Aufwand geändert werden, weil die Regelwi­ derstände in den Schaltungen so verlegt werden müssen, daß sie leicht erreichbar sind. In einer störungsanfälligen Umgebung setzen die niedrigen Signalpegel und großen Übertragungsentfer­ nungen der Signale der Dehnungsmesser auch wirksamen Störschutz und Störungsfiltrierung voraus.

Die DE 35 44 095 A1 offenbart eine Schaltung zum Kalibrieren analoger Echtzeitsignale. Das Verfahren soll eine Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren mit ihren jeweiligen Nullpunkten und Meßbereichen an ein Meßgerät angleichen. Dazu führt jeder Meßeingang beim Abgleichvorgang über einen analogen Eingangs­ verstärker, dessen Ausgangswert über den Prozessor an Analog­ speicher gegeben wird. Dazu muß ein Analog-Digital- sowie Digital-Analogwandler vorgesehen sein, da der zwischengeschaltete Prozessor nur digitale Signale verarbeiten kann. Die Analogspeicher speichern den nötigen Widerstand zum Abgleich des Meßbereiches und des Nullpunktes. Über elektrisch steuerbare Widerstände wird dann mittels dieser abgespeicherten Werte die Ausgangsspannung abgeglichen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues und einfaches Verfahren und eine Einrichtung zur Kalibrierung der Verstärkervorrichtung eines Dehnungsmessers an einem Kran hervorzubringen, das bzw. die für verschie­ dene in Kranumgebung verwendbare Dehnungsmesser geeignet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungs­ formen der Erfindung sind Gegenstand der entsprechenden Unteran­ sprüche.

Durch Anwendung der vorliegenden Erfindung ist die Kalibrierung der Verstärkervorrichtung des Dehnungsmessers leicht auszuführen. Das Er­ gebnis der Kalibrierung ist genau und zuverlässig, und die Mög­ lichkeit eines menschlichen Fehlers ist sehr gering. Im erfin­ dungsgemäßen Verfahren kann das Belastungssignal durch eine pro­ grammgesteuerte Filtereinrichtung gefiltert werden, um Störungen zu eliminieren. Die Anwendung des Kenncodes macht es Außenste­ henden unmöglich, Kalibrierungsmaßnahmen zu unternehmen. Die Einstellwerte bleiben stets richtig und können nicht anders als durch erneute Initialisierung geändert werden.

Die Einrichtung hat eine Anzeige zum Steuern der verschiedenen Kalibrationsstufen und zum Melden möglicher Fehlerzustände. Die Einrichtung ermöglicht das Testen der Verstärkervorrichtung beim Starten des Krans, wobei das Vorhandensein und die Fehlerfreiheit der Verstärkervorrichtung und der daran angeschlossenen Komponente überprüft wird, ohne eine eigentliche Kalibrierung auszuführen.

Im Falle einer Beschädigung der Verstärkereinrichtung können die alten, die Offset-Spannung eliminierenden und die Verstärkung bestimmenden Einstellwerte für die Verstärkervorrichtung dessel­ ben Dehnungsmessers verwendet werden. Beim Kalibrieren werden die Einstellwerte in einen Speicher gelesen und beim Inbetrieb­ nehmen einer neuen Verstärkervorrichtung mit ihrer Steuereinheit werden die alten Einstellwerte oder ein Teil davon eingespei­ chert. Hierdurch wird besonders bei großen Kränen ein bedeuten­ der Vorteil erzielt, da man es auf diese Weise vermeiden kann, eine schwere Testlast an den Benutzungsort zu bringen.

Der Dehnungsmesser ist verhältnismäßig empfindlich gegen Schwan­ kungen der Betriebsspannung. Eine Veränderung am Ausgang des Dehnungsmessers wird auch entsprechend am Ausgang der Verstär­ kervorrichtung wiedergegeben. In Kranantrieben ist die Gewichtsmeßeinrich­ tung dazu bestimmt, Informationen über die zu hebende Last an die Hebeeinheit zu übermitteln, damit das erforderliche Drehmo­ ment am Motor richtig eingestellt werden kann. Die ist ebenfalls wesentlich im Lastwechselbetrieb, z. B. beim Startern oder bei ei­ nem Richtungswechsel des Hebezeugs. Die Versorgungsspannung des Motors kann aufgrund des hohen Stromflusses des Motors beträcht­ lich schwanken. Wenn sich daher die Versorgungsspannung aufgrund dieser Stromschwankungen um 10% ändert, wird diese Änderung eben­ falls eine entsprechende Änderung des Ausgangssignals des Sen­ sors hervorrufen. Mit der vorliegenden Erfindung können die Schwankungen der Betriebsspannung durch entsprechende Variierung der das Eingangssignal der Verstärkervorrichtung korrigierenden Einstell­ werte kompensiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine früher bekannte Vorrichtung zum Kalibrieren des Verstärkers eines Dehnungsmessers;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 3 das Schaltschema einer Verstärkerstufe gemäß der Erfindung.

In der in Fig. 1 vorgestellten Vorrichtung gemäß der bekannten Technik ist das vom Dehnungsmesser gegebene Differenzsignal durch Leitungen 3 und 4 an die Eingänge eines Operationsverstär­ kers 1 gelegt. Verbunden mit einem der Eingänge ist ein Regelwi­ derstand 5, mit dem die Offset-Spannung des Dehnungsmessers eli­ miniert wird. Mit einem anderen Regelwiderstand 6, der mit dem Verstärker verbunden ist, wird die Offset-Spannung der ersten Verstärkerstufe eliminiert. Der Ausgang des Verstärkers 1 ist durch eine Leitung 7 an den ersten Eingang eines Operationsver­ stärkers 2 in der zweiten Verstärkerstufe angeschlossen. Mit ei­ nem dritten Regelwiderstand 8, der den Ausgang 9 des zweiten Operationsverstärkers 2 mit dessen anderen Eingang verbindet, wird die Verstärkung des zweiten Operationsverstärkers 2 so ein­ gestellt, daß sie zu der Kennlinie des Dehnungsmessers paßt. In praktischen Anwendungen können beide Verstärkerstufen mehrere Operationsverstärker und auch RC-Filter zur Störungsfiltrierung enthalten.

Fig. 2 stellt eine Einrichtung gemäß einer vorteilhaften Ausfüh­ rungsform der Erfindung dar, in der das differentielle Ausgangs­ signal des Dehnungsmessers (nicht gezeigt) durch Leitungen 13 und 14 den Eingängen eines Operationsverstärkers in der ersten Verstärkerstufe zugeführt wird. Zur Einrichtung gehört eine aus einem Mikrokontroller 20 bestehende Steuereinheit, an deren Aus­ gänge 15 und 16 pulsbreitenmodulierte (PWM-) Signale erhalten werden. Das PWM-Signal vom Ausgang 15 wird über einen Buffer 22, der an die Leitung 13 angeschlossen ist, dem ersten Eingang des Verstärkers 11 zugeführt. In einer entsprechenden Weise wird das PWM-Signal vom Ausgang 16 über einen Buffer 23, der an die Lei­ tung 14 angeschlossen ist, dem anderen Eingang des Verstärkers 11 zugeführt. Die Buffer fungieren auch als Tiefpaßfilter, die die PWM-Signale zum DC-Niveau filtrieren. Der Ausgang des Ver­ stärkers 11 ist durch eine Leitung 17 an den Eingang eines Ver­ stärkers 12 in der zweiten Verstärkerstufe der Verstärkervorrichtung angeschlossen. Der Verstärker 12 ist ein digitalgesteuerter Verstärker, dessen Ver­ stärkung vom Mikrokontroller 20 mittels Leitungen 18 übertragene Signale eingestellt wird. Der Ausgang des Verstärkers 12 ist durch eine Leitung 19 an einen in Verbindung mit dem Mikrokon­ troller angeordneten Analog-Digital-Wandler 21 angeschlossen, aus dem die Belastungsinformation in den Mikrokontroller über­ tragen wird.

Verbunden mit dem Mikrokontroller ist ein Steuerpult 24, das ei­ ne Anzeige 25 sowie einen als Drucktaste ausgebildeten Steuer­ schalter 26 für die Steuerung der Kalibrierung besitzt. Durch die Anzeige 25, die aus einer einfachen LED-Anzeige bestehen kann, werden die Anweisungen zur Ausführung der benötigten Kali­ brierungsmaßnahmen gegeben. Der Benutzer betätigt den Steuer­ schalter 26, um die erforderlichen Kalibrierungsmaßnahmen auszu­ führen.

Bei der Kalibrierung funktioniert die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung wie folgt: Mittels der Anzeige wird der Operator aufgefordert, ein Kennwort anzugeben, um sicherzustellen, daß Außenstehende die Einstellungen nicht ändern können. Danach te­ stet die Einrichtung selbständig, ob ein Dehnungsmesser vorhan­ den ist. Nachdem die Einrichtung festgestellt hat, daß ein Deh­ nungsmesser eingeschaltet ist, fordert sie den Benutzer auf, den Kran mit Nullast zu belasten. Wenn die Nullast vorhanden ist, quittiert der Benutzer die Aufforderung und das Programm des Mi­ krokontrollers 20 stellt einen 15 der PMW-Ausgänge auf einen ge­ wissen Ausgangswert ein und prüft durch Verändern des anderen PWM-Ausgangs 16, ob die Verstärkerschaltung in Ordnung ist. Da­ nach stellt das Programm des Mikrokontrollers 20 die PWM-Ausgän­ ge 15 und 16 so ein, daß am Ausgang 19 eine gewisse, der Nullast entsprechende Spannung vorhanden ist. Nachdem diese Spannung mit genügender Genauigkeit erzielt worden ist, werden die entspre­ chenden Werte der PWM-Ausgänge in einen im Mikrokontroller vor­ gesehenen nichtflüchtigen Speicher eingespeichert.

Das Programm fordert den Benutzer auf, die Größe der Testlast in Prozenten von der Nominallast anzugeben und danach die Testlast zu heben. Die Testlast kann ebenso groß sein wie die Nominal­ last, aber auch kleinere oder größere Testlasten können angewen­ det werden. Wenn die Last möglichst genau ohne Schwingung still­ steht, drückt der Benutzer den Knopf, worauf das Programm be­ ginnt, die Verstärkung des Verstärkers 12 durch den Ausgang 18 des Mikrokontrollers 20 zu verändern, bis das Ausgangssignal des Verstärkers im linearen Bereich liegt und die Spannungsdifferenz zwischen Vollast und Nullast möglichst groß ist. Nachdem man die maximale Verstärkung ermittelt hat, bei der das Ausgangssignal auch bei Oberbelastung im linearen Bereich bleibt, wird der Ver­ stärkungswert im nichtflüchtigen Speicher aufgezeichnet.

Alle Fehlersituationen haben zur Folge, daß die Einrichtung in einen Sperrzustand gerät. Das Programm nimmt keine unlogischen oder falschen Werte an. Zulässige Werte werden eingespeichert.

Bei der Anwendung der Erfindung ist es vorteilhaft, einen Mikro­ kontroller mit interner Steuerung der PWM-Ausgänge einzusetzen. Im Vergleich mit Steuerung durch Software werden auf diese Weise eine bessere Genauigkeit in beiden Grenzbereichen und ein genü­ gender Aussteuerbereich erzielt.

Fig. 3 zeigt die Schaltung eines Verstärkers, der für Anwendung gemäß der Erfindung geeignet ist. Durch die Leitungen 33 und 34 wird das Ausgangssignal des Dehnungsmessers über einen RC-Filter 37 den Eingängen 38 und 39 des Verstärkers 31 zugeführt. Die Leitungen 33 und 34 sind durch Pulldown-Widerstände 35 und 36 mit Masse verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 31 ist über ei­ nen RC-Filter 41 an den Eingang eines digitalgesteuerten Ver­ stärkers 32 angeschlossen. Über die Leitung 47 wird das PWM-Si­ gnal aus dem Mikrokontroller 20 auf die Leitung 34 geführt, auf der das aus dem Dehnungsmesser erhaltene Signal liegt. Das PWM- Signal wird über eine integrierte Schaltung 48, einen RC-Filter 49 und einen Buffer 50, der als eine Verstärkerschaltung ausge­ führt ist, und über einen Kupplungswiderstand 51 geführt. In entsprechender Weise ist das andere aus dem Mikrokontroller er­ haltene PWM-Signal mittels Leitung 52 über eine integrierte Schaltung 53, eine RC-Schaltung 54, einen Buffer 55 und einen Kupplungswiderstand 56 an die andere, mit dem Dehnungsmesser verbundene Leitung 33 angeschlossen.

Die Steuerung des Verstärkers 32 erfolgt über Signale, die dem digitalgesteuerten Verstärker 32 durch die Leitungen 42 aus dem Mikrokontroller 20 zugeführt werden. Der Ausgang des Verstärkers 32 ist an einen Buffer 45 angeschlossen, der mit Schutzdioden 43 und 44 versehen ist, damit die zugelassenen Werte am Eingang des Analog-Digital-Wandlers nicht über- bzw. unterschritten werden. Durch die Leitung 46 wird der Ausgang des Verstärkers dem in der Steuereinheit befindlichen Analog-Digital-Wandler 21 zugeführt.

Verbunden mit einem der Eingänge des Verstärkers 31 ist eine Testschaltung 40, die weiter an den Mikrokontroller angeschlos­ sen ist und die zur Beobachtung des absoluten Spannungspegels in der zu diesem Eingang führenden Linie dient. Hierdurch kann er­ mittelt werden, ob ein Dehnungsmesser angeschlossen ist.

Die Stellgröße, die die Offset-Spannung eliminiert, kann in meh­ reren alternativen Weisen aus einer gespeicherten digitalen Größe in eine analoge Gleichspannung umgewandelt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Kalibrierung der Verstärkervorrichtung (11, 12) eines zur Messung der Belastung eines Krans verwendeten Dehnungsmessers, wobei ein zur Last des Krans proportionales Signal vom Dehnungsmesser erzeugt und als Eingangsgröße (13, 14) in die Verstärkervorrichtung eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung durch eine programmgesteuerte Steuereinheit (20) durchgeführt wird, die einen Speicher zum Aufzeichnen von Daten aufweist, und daß die Kalibrierung folgende Stufen umfaßt:

• 1. es wird aus dem Ausgangssignal der Verstärkervorrichtung bei unbelastetem Kran ein Korrektursignal zur Einstellung eines gewünschten Nullniveaus bestimmt, das mindestens einem Eingang (13, 14) der Verstärkervorrichtung zugeführt wird;
• 2. das Korrektursignal, das das Nullniveau am Ausgang (19) der Verstärkervorrichtung setzt, wird als Operationsgröße zur Korrektur des Eingangssignals im Speicher aufgezeichnet;
• 3. der Kran wird mit einer bekannten Testlast belastet und der Verstärkungsfaktor der Verstärkervorrichtung (11, 12) wird so eingestellt, daß mit Nominallast das Spannungsniveau am Ausgang (19) der Verstärkervor­ richtung im linearen Bereich der Verstärkungskennlinie der Verstärkervorrichtung liegt und die Spannungsdifferenz zwischen dem Nullniveau und dem Spannungswert für Nominallast mög­ lichst groß ist; und
• 4. der hierdurch erhaltene Verstärkungsfaktor wird im Speicher als Operationsgröße der Verstärkung aufgezeichnet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Wartungsmaßnahmen oder dem Auswechseln von Komponenten zumindest ein Teil der früher bestimmten Operationsgrößen mittels eines mit der Steuereinheit (20) in Verbindung stehenden Schaltpunktes (24) im Speicher aufgezeichnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eingespeicherte Korrektursignal digital ist und daß es zur Überlagerung mit dem zur Last proportionalen Signal in ein analoges Signal umgewandelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Last proportionale Signal ein Differenzsignal ist und daß zumindest eines von dessen Teilsignalen mit dem Korrektursignal überlagert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Operation der Verstärkervorrichtung (11, 12) beim Starten des Krans mit Hilfe der Steuereinheit (20) getestet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Durchführen der Kalibrierung die Eingabe eines Benutzerkennzeichens erforderlich ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Testlast als ein Relativwert von der Nominallast angegeben wird.

8. Einrichtung zum Kalibieren einer Verstärkervorrichtung eines zur Messung der Belastung eines Krans verwendeten Dehnungsmessers, geeignet zum Ausführen der Kalibrierung gemäß Anspruch 1, welche Einrichtung eine Verstärkervorrichtung (11, 12) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Steuereinheit (20) enthält, die aufgrund des Vergleichs des Ausgangssignals der Verstärkervorrichtung (11, 12) bei Betrieb des Krans mit bekannten Testlasten mit einer gespeicherten Kennlinie der Verstärkervorrichtung ein Korrektursignal für zumindest ein Eingangssignal der Verstärkervorrichtung zur Einstellung des Nullniveaus sowie ein Korrektursignal zur Bestimmung der Verstärkung ableitet, und die mit einem Speicher zur Speicherung der durch die Kalibrierung erhaltenen Korrektursignale ausgestattet ist, und daß die Verstärkervorrichtung (11, 12) durch die Steuereinheit (20) steuerbar ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkervorrichtung eine erste Verstärkerstufe (11), deren Eingangssignal (13, 14) zur Einstellung des Nullniveaus (12), und eine zweite Verstärkerstufe (12) enthält, die zur Einstellung der Größe der Verstärkung benutzt wird.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Anzeige (25) versehen ist, die zur Angabe von Anweisungen für den Operateur bei der Kalibrierung dient, sowie mit mindestens einem Steuerschalter (26) zum Ausführen der Kalibrierungsmaßnahmen.

11. Einrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung der zweiten Verstärkerstufe (12) durch die Steuereinheit (20) steuerbar ist.