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Die Erfindung betrifft eine elektronische Wiegevorrichtung,
die besonders zur Montage in einem Gehäuse einer Personenwaage
bestimmt ist und einen kapazitiven Fühler aufweist, der einen
Meßkondensator bildet, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von
der zu messenden Masse verändert und der zu diesem Zweck eine
erste Elektrode aufweist, die mechanisch mit einer Wiegeplatte
verbunden ist, und eine zweite Elektrode aufweist, die im
Gehäuse fest montiert ist, wobei der Meßkondensator an einen
Meßkreis angeschlossen ist.
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Dieser Meßkreis weist einen sogenannten Referenzkondensator
(C0) auf, der in Reihe mit dem Meßkondensator (C1) geschaltet
ist, wobei jeder dieser Kondensatoren eine mit einer beiden
Kondensatoren gemeinsamen Klemme verbundene Elektrode und eine
mit einer äußeren, nicht gemeinsamen Klemme verbundene Elektrode
aufweist, sowie einen Nullspannungsdetektor, dessen Eingang mit
der gemeinsamen Klemme und dessen Ausgang mit dem Eingang einer
Signalverarbeitungs-Vorrichtung verbunden ist, von der ein
erster Ausgang mit dem Eingang einer Vorrichtung zur Anzeige des
Ergebnisses der Wägung verbunden ist.
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Die Patentschrift GB-A-2123157 beschreibt einen
Kraftfühler, der als elektronische Wiegevorrichtung verwendbar ist, die
einen kapazitiven Fühler C1 mit einer in Abhängigkeit von der zu
messenden Masse veränderlichen Kapazität und einen in Reihe
liegenden Meßkondensator C2 aufweist. Dieser Fühler C1 wird
mittels eines Schalters 16 mit einer zerhackten Spannung V1 von
Rechteckform geladen. Das an der gemeinsamen Klemme
resultierende Signal wird durch einen Verstärker 18 und dann einen
Integrator 20 in eine Spannung V2 umgewandelt, die nach
Korrektur durch ein Temperaturdämpfungsglied 21 mittels eines
Schalters 22 an den Kondensator C2 angelegt wird, so daß die
Spannung V2 die gleiche Phase wie V1 hat. Die Schalter 16 und 22
haben die Funktion, die Spannungen V1 und V2 in ein
Recktecksignal von gleicher Phase abzuschneiden und nicht den
Schaltkreis gemäß einer Folge mit Einleitungs- und Beobachtungsphasen
arbeiten zu lassen. Außerdem hängt die Messung von der Größe der
Spannung V2 ab, um so mehr als es erforderlich ist, in den
Schaltkreis eine Temperaturdämpfung einzuschalten. Schließlich
ist es nicht möglich, diese Vorrichtung auf einer monolithischen
integrierten Schaltung zu realisieren.
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Die Erfindung bezweckt insbesondere die Schaffung einer
elektronischen Wiegevorrichtung, die in Großserie hergestellt
werden kann, einfach und billig aufgebaut ist und dabei eine
Messung mit einer guten Auflösung und großer Zuverlässigkeit
gewährleistet.
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Sie bezweckt auch, eine stabile Anzeige des Ergebnisses der
Wägung bei der Wägung von Personen zu erhalten, die sich auf der
Wiegeplatte mehr oder weniger bewegen.
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Die erfindungsgemäße elektronische Wiegevorrichtung weist
die im Anspruch 1 definierten Elemente auf.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkreis
zwei elektronische Schalter 42,44 aufweist, die jeder zwei
Zustände einnehmen können. So arbeitet die Vorrichtung gemäß
einer Reihenfolge, die sich aus mindestens zwei Phasen gemäß dem
jeweiligen Zustand der Schalter zusammensetzt:
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-eine Einleitungsphase, in welcher der Meßkondensator C1 geladen
ist (V1) während der Referenzkondensator C0 entladen ist;
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-eine Beobachtungsphase des Zustandes der gemeinsamen Klemme, in
welcher der Referenzkondensator C0 geladen ist (V0), während der
Meßkondensator C1 entladen ist.
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Man erhält so an der gemeinsamen Klemme 18 ein Signal wenn
die Gleichheit C0V0 = C1V1 nicht realisiert ist. Je nach dem
Vorzeichen dieses Signals liefert der Nullspannungsdetektor 26
ein entsprechendes digitales Signal VB. Wenn das Signal VB = 1 ,
ist V1 = V0, wenn das Zeichen VB = 0, ist V1 = 0. Infolge der
Flip-Flop- Schaltung der Signalverarbeitungs-Vorrichtung 34
zählt man die Impulse, die notwendig sind, um die angelegte
gesteuerte Spannung V1 zu erhalten, um die Veränderung der
Kapazität des Meßkondensators C1 auszugleichen.
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Der Vorteil einer solchen Vorrichtung ist, daß man nur eine
digitale Zählung verwenden muß, um den Quotienten V1/V0
unabhängig von der Größe von V1 zu messen. Außerdem ist es nicht
erforderlich, andere Spannungen außer der Referenzspannung V0 zu
erzeugen. Diese einzige Spannung ermöglicht, sich von den
Risiken einer Spannungsänderung der Stromquelle zu befreien und so
eine Zählung zu garantieren, die eine zuverlässige Messung gibt.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind
zwischen dem ersten Ausgang der Signalverarbeitungs-Vorrichtung
und dem Eingang der Anzeigevorrichtung ein Speicher, der die
aufeinanderfolgenden Ergebnisse der Wägung speichert, und ein
Rechenglied eingeschaltet, das eine Mittlung dieser
aufeinanderfolgenden Ergebnisse des Speicherinhalts durchführt.
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Infolge dieses Rechengliedes, das den Durchschnitt der
Wägeergebnisse über eine genügend lange Zeit ermittelt, wird die
Auswirkung der Bewegung des Körpers des Benutzers auf der
Wiegeplatte vernachlässigbar.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im übrigen
erläutert durch die folgende Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels, die sich auf die beigefügte Zeichnung bezieht.
Hierin zeigen:
Fig 1 ein Blockschema einer erfindungsgemäßen
elektronischen Wiegevorrichtung
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Die elektronische Wiegevorrichtung ist besonders zur
Montage in einem (in der Zeichnung nicht gezeigten) Gehäuse
einer Personenwaage bestimmt und weist einen kapazitiven fühler
C1 auf, der einen Meßkondensator bildet, dessen Kapazität sich
in Abhängigkeit von der zu messenden Masse verändert und der zu
diesem Zweck eine erste Elektrode 10 aufweist, die mechanisch
mit einer Wiegeplatte 12 verbunden ist, und eine zweite
Elektrode 14 aufweist, die fest im Gehäuse montiert ist, wobei der
Meßkondensator in einem Meßkreis liegt.
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Dieser Meßkreis weist folgende Elemente auf: einen
sogenannten Referenzkondensator C0, der in Reihe mit dem
Meßkondensator C1 geschaltet ist, wobei jeder dieser
Kondensatoren eine mit einer den beiden Kondensatoren gemeinsamen
Klemme 18 verbundene Elektrode 14, 16 und eine mit einer nicht
gemeinsamen äußeren Klemme 22,24 verbundene Elektrode 20,10
aufweist; einen Nullspannungsdetektor 26, der beispielsweise
einen an sich bekannten dynamischen Komparator aufweist und
dessen Eingang 28 mit der gemeinsamen Klemme 18 über einen
dritten Kondensator C2, den sogenannten Eingangskondensator
verbunden ist, und dessen Ausgang 30 mit dem Eingang 32 einer
Signalverarbeitungs-Vorrichtung 34 verbunden ist, die
beispielsweise einen Flip-Flop mit zwei zugeordneten Ausgängen und einem
(nicht gezeigten ) Taktgeber aufweist, von denen ein erster
Ausgang 36 mit dem Eingang 38 einer Anzeigevorrichtung 40 zur
Anzeige des Ergebnisses der Wägung verbunden ist; und zwei
elektronische Schalter 43,44, wie Feldeffekt-Transistoren, von
denen der eine, der sogenannte Referenzschalter mit der äußeren
Klemme 22 des Referenzkondensators C0 und der andere, der
sogenannte Meßschalter 44 einerseits mit einem zweiten Ausgang
46 der Signalverarbeitungs-Vorrichtung 34 und andererseits mit
der äußeren Klemme 24 des Meßkondensators C1 verbunden ist,
wobei die zwei elektronischen Schalter 42,44 jeder zwei
aufeinanderfolgende Zustände einnehmen können, nämlich einen
ersten Zustand, in welchem die Potentiale der äußeren Klemmen
22,24 jeweils auf die Spannung Null bzw. auf eine gesteuerte
Spannung V1 gebracht sind und ein zweiter Zustand, in welchem
die Potentiale der äußeren Klemmen 22,24 auf die
Referenzspannung V0 und die Spannung Null gebracht sind, wobei die
gesteuerte Spannung V1 vom zweiten Ausgang 46 der
Signalverarbeitungsvorrichtung 34 so abgegeben wird, daß man an der
gemeinsamen Klemme 18 ein Potential von praktisch null erhält,
indem die gesteuerte Spannung V1 so ist, daß man das Verhältnis
C1 V1 = C0 V0 erhält.
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Um eine zuverlässigere Realisierung der elektronischen
Vorrichtung zu erhalten, werden die Vorzeichen der gesteuerten
Spannung V1 und der Referenzspannung V0 im gleichen Sinn
gewählt.
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Um schließlich zu gewährleisten, daß das Potential an der
gemeinsamen Klemme 18 während der im folgenden erläuterten
Einleitungsphase tatsächlich null ist, weist der Meßkreis
außerdem einen zwischen die gemeinsame Klemme 18 und die Masse
des Kreises eingeschalteten elektronischen Schalter 48 auf, der
zwei Zustände einnehmen kann, einen geschlossenen Zustand, in
welcher die gemeinsame Klemme 18 mit der Masse verbunden ist,
und ein offener Zustand, in welcher die gemeinsame Klemme 18 von
der Masse isoliert ist.
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Zwischen dem ersten Ausgang 36 der
Signalverarbeitungs-Vorrichtung und dem Eingang 38 der Anzeigevorrichtung 40 sind ein
Speicher 50, der die aufeinanderfolgenden Wägeergebnisse
registriert, und ein Rechner 52 eingeschaltet, der eine
Mittelung dieser aufeinanderfolgenden Ergebnisse, die im Speicher 50
nicht enthalten sind, durchführt.
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Die so aufgebaute Vorrichtung arbeitet wie folgt.
Wenn diese Vorrichtung unter Spannung gesetzt wird, nehmen die
zwei Schalter 42,44 und der Schalter 48 nacheinander ihre zwei
jeweiligen Zustände entsprechend einer Folge ein, die von dem in
der Signalverarbeitungs-Vorrichtung 34 vorhandenen Taktgeber
abhängt. Diese Folge ist unterteilt in drei Phasen:
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- eine Einleitungsphase, in welcher der Meßschalter 44 das
Potential der Außenklemme 24 des Meßkondensators C1 auf die
gesteuerte Spannung V1 bringt, während einerseits der
Referenzschalter 42 den Referenzkondensator C0 mit der Masse verbindet
und andererseits der Schalter 48 geschlossen ist, um
sicherzustellen, daß das Potential der gemeinsamen Klemme 18
tatsächlich null ist;
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- eine Phase der Isolation der gemeinsamen Klemme 18, in welcher
der Schalter 48 offen ist, während die zwei Schalter 42,44 im
gleichen Zustand bleiben, damit der Meßkondensator C1 geladen
bleibt (die nicht gezeigten, im Null-Spannungs-Detektor 26 und
in der Signalverarbeitungsvorrichtung 34 vorhandenen Verstärker
sind auf null zurückgestellt, um vorübergehende Phänomene
(Transienten) zu vermeiden);
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- und eine Beobachtungsphase des Zustands der gemeinsamen Klemme
18, in welcher der Meßschalter 44 die Außenklemme 24 des
Meßkondensators C1 auf das Potential Null bringt während der
Referenzschalter
42 die äußere Klemme 22 des Referenzkondensators C0 auf
die Referenzspannung V0 bringt, wobei der Schalter 48 offen
bleibt (in Figur 1 dargestellte Phase).
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Beim Wiegen stellt der Nullspannungsdetektor 26 die an der
gemeinsamen Klemme 18 auftretende Spannungsveränderung fest
(Meßspannung Vm genannt), die infolge der Umschaltung der
Beobachtungsphase auftritt. Je nach dem Vorzeichen dieser
Veränderung erscheint am Ausgang 30 des Nullspannungsdetektors
26 und damit am Eingang 32 der Signalverarbeitungs-Vorrichtung
34 ein Binärsignal VB "eins" für eine positive Veränderung der
Meßspannung und "null" für eine negative Veränderung der
Meßspannung. Die Größe des Verhältnisses der Kapazitäten C1/C0 wird
abgeleitet durch die Signalverarbeitungs-Vorrichtung 34 mittels
des Verhältnisses der Spannungen V0/V1, da C1 V1 = C0 V0.
Die Signalverarbeitungs-Vorrichtung 34 dient dazu, den
gesteuerten Spannungswert V1 entsprechend der Größe des binären Signals
VB mittels ihres inneren Flip-Flops mit zwei Ausgängen
auszugleichen, wobei ein Ausgang an die Referenzspannung und der
andere an die Spannung Null gelegt ist. Wenn das Signal VB
"eins" ist, erhält die gesteuerte Spannung den Wert der
Referenzspannung V0, und wenn das Binärsignal "null" ist erhält
die gesteuerte Spannung den Wert null. Es genügt daher, die
Impulse an jedem Ausgang des Flip-Flops während der Zeit zu
zählen, die notwendig ist, um die Größe der gesteuerten Spannung
V1 zu erhalten, die durch die Vorrichtung 34 beim Ausgleich der
Veränderung der Kapazität des Meßkondensators C1 angelegt wird,
wobei dieser Wert dem Gewicht direkt proportional ist.
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Nach dem Zählen werden diese Impulse in Form eines Signals
V2 dem Speicher 50 und dem Rechner 52 und dann der
Anzeigevorrichtung 40 zugeführt, auf der man das Wägeergebnis ablesen
kann.
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Die erfindungsgemäße Wiegevorrichtung ermöglicht auch, das
Gewicht einer Person zu bestimmen, die auf der Wiegeplatte 12
nicht unbeweglich bleibt. Es sei daran erinnert, daß die auf die
Platte 12 ausgeübte zu messende Kraft dem Gewicht unter
Hinzufügung der relativen Beschleunigung der zu wiegenden Person
entspricht, welche daher ein Signal in Form einer Stufe erzeugt,
dem eine Schwankung mit dem Mittelwert null um den Wert dieser
Stufe überlagert ist. Dieses Schwankungsphänomen ist nachteilig
für eine gute Interpretation der Messung des Gewichts der
Person. Man muß daher die Wägeergebnisse stabilisieren, indem
man eine Speicherung und Durchschnittsermittlung über genügend
kurze aufeinanderfolgende Zeitintervalle (beipielsweise eine
halbe Sekunde) durchführt. Im Speicher 50 sind während
aufeinanderfolgender Zeitintervalle Wägeergebnisse gespeichert, und der
Rechner führt einen Vergleich zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Ergebnissen in der Weise aus, daß
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- wenn zwei aufeinanderfolgende Ergebnisse um einen Wert größer
als eine bestimmt Menge (beispielsweise einige Stufen)
differieren, das angezeigte Ergebnis das letzte registrierte
Ergebnis ist, was ermöglicht, das Ubergangsphänomen am Anfang
der Wägung zu dämpfen;
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- wenn zwei aufeinanderfolgende Ergebnisse um weniger als die
gegebene Menge differieren, werden die Ergebnisse im Speicher
während einer genügend langen Zeit gespeichert, um die
Stabilität des Meßergebnisses unter den Benutzungsbedingungen zu
gewährleisten. Die Anzeige ist also wie folgt:
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aus den gespeicherten, aufeinanderfolgenden Ergebnissen (P1-Pn)
bildet man die aufeinanderfolgenden Mittelwerte
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(P1 + P2)/2 ...... (P1 + P2 +...+ Pn)/n
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und die Werte dieser aufeinanderfolgenden Mittelwerte werden der
Anzeigevorrichtung 40 zugeleitet. Wenn die durch die Kapazität
des Speichers festgelegte Anzahl Messungen (Pn Ergebnisse)
berechnet wurde, ersetzen neue Wägeergebnisse die vorangehenden
Ergebnisse im Speicher.