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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
elektronische Waage, bei der ein zu messendes Gewicht automatisch
durch eine von einem elektromagnetischen Kraftwandler
erzeugte Kraft kompensiert wird.
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Eine solche elektronische Waage ist grundsätzlich mit einem
selbsttätig ausbalancierenden Servomechanismus konstruiert,
der im wesentlichen aus einer Waagschale, einem
Schalenverlagerungsdetektor zum Ermitteln der Verlagerung der
Waagschale, einem PID-Regelsystem und einem elektromagnetischen
Kraftwandler besteht, dessen zugehörige bewegliche
Kraftspule mit der Waagschale mechanisch verbunden ist. Das PID-
Regelsystem umfaßt eine PID-Betätigungsschaltung zum Ausgeben
eines PID-Regelsignals durch Berechnen und Addieren eines
Proportionalitätssignals (P), das proportional zu einem
Augenblickswert des Ausgangs des
Schalenverlagerungsdetektors ist, eines Integralsignals (I), das proportional zu
einem zeitintegrierten Wert des genannten Ausgangs ist,
und eines Differentialsignals (D), das proportional zu dem
differenzierten Wert des genannten Ausgangs ist. Eine solche
elektronische Waage ist in der US-PS 3 986 571 beschrieben.
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Zusätzlich zu der oben beschriebenen Grundkonstruktion kann
die Waage mit einem Schalenanschlag versehen sein, um dann,
wenn die Waage mit einem großen Gewicht belastet ist, die
Verlagerung der Waagschale mechanisch innerhalb eines
begrenzten Bereichs zu halten. Ohne den Schalenanschlag kann eine
zu große Verlagerung der Waagschale dazu führen, daß die Waage
infolge einer elastischen Nachwirkung, die in ihrem
Mechanismus durch eine große Verformung desselben hervorgerufen wird,
ein falsches Maß angibt.
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Die Einschränkung des Bewegungsspielraums der Waagschale
fuhrt jedoch zu dem Nachteil, daß die Waage dann, wenn sie
mit einem großen Gewicht belastet ist, lange Zeit braucht,
um einen Gleichgewichtszustand zu erreichen. Wenn die
Verlagerung der Waagschale durch den Schalenanschlag begrenzt
ist, verbleibt der Ausgang des Verlagerungsdetektors auf dem
durch den Schalenanschlag begrenzten Wert, ohne Rücksicht
auf die Größe des auf die Waagschale aufgebrachten Gewichts.
Da die PID-Betätigungsschaltung mit einem Eingangssignal
arbeitet, das kleiner ist, als bei freier Verlagerung der
Waagschale entsprechend dem auf sie aufgebrachten Gewicht zu
erwarten wäre, braucht infolgedessen der elektromagnetische
Kraftwandler lange Zeit, um eine Kraft zu erzeugen, die
ausreicht, um das große Gewicht auf der Waagschale zu
kompensieren. Ein solcher Nachteil ließe sich im Prinzip dadurch
ausschalten, daß man die Verstärkung der PID-Betätigungsschaltung
nur so lange steigert, wie die Waagschale an dem Anschlag
anliegt. Das Verfahren der Steigerung der Schaltungsverstärkung
bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß die Waage oft ins
Pendeln gerät oder unregelmäßige Schwingungen ausführt.
AUFGABEN UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, den oben
genannten Nachteil einer mit einem Schalenanschlag
ausgestatteten elektronischen Waage bekannter Art auszuschalten, und
beruht auf der Aufgabe, eine verbesserte elektronische Waage
zu schaffen, die frei von dem durch die Einschränkung des
Bewegungsspielraums der Waagschale verursachten Nachteil ist.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
eine solche verbesserte elektronische Waage zu schaffen, ohne
die Verstärkung der in der Waage vorhandenen
PID-Betätigungsschaltung zu steigern.
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Um die genannten Aufgaben zu erfüllen, umfaßt die erfundene
elektronische Waage, die ebenfalls mit einer
PID-Betätigungsschaltung und einem Schalenanschlag versehen ist, eine
Einrichtung, um nur dann, wenn die Waagschale in Berührung mit
dem Schalenanschlag steht, den
Integralausdrucks-Koeffizienten zu erhöhen, mit dem der Integralausdruck multipliziert
wird, der in der durch die genannte PID-Schaltung
durchgeführten mathematischen Operation enthalten ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann selbst dann, wenn ein
schweres Gewicht die Waagschale bis an den Anschlag hinunter
bewegt, die Gewichtsermittelung reibungslos durchgeführt
werden, ohne daß die Ansprechzeit verlängert wird oder beim
Wiegevorgang zusätzliche Schwingungen auftreten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand der
beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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Fig. 1 als Blockdiagramm den Aufbau einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 als Blockdiagramm den Aufbau einer anderen Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 3 einen Teil eines Fließbildes, das die wesentliche
Funktion der Ausführungsform nach Fig. 2
veranschaulicht;
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Fig. 4 einen Wiegevorgang mit den Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 5 einen Wiegevorgang mit einer elektronischen Waage,
deren PID-Regelsystem nicht so wie bei der
vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß Fig. 1, die als Blockdiagramm den grundsätzlichen
Aufbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht, ist die bewegliche Kraftspule 13 eines
elektromagnetischen
Kraftwandlers 1 (dessen bekannter Aufbau nur
symbolisch in Form einer beweglichen Kraftspule 13 gezeigt
ist) mechanisch mit einer Waagschale 11 verbunden und wird
über einen Stromverstärker 5 von einer
PID-Betätigungsschaltung 4 her mit einem PID-geregelten Strom versorgt. Die
Verlagerung der Waagschale 11 wird nicht nur durch einen
Schalenverlagerungsdetektor 2 ermittelt, sondern auch durch
einen Schalenanschlag 12 auf einen begrenzten Bereich
beschränkt. Das Ausgangssignal des Schalenverlagerungsdetektors
2 wird durch einen Vorverstärker 3 verstärkt und anschließend
sowohl einer PID-Betätigungsschaltung 4 als auch einem
Niveaukomparator 6 zugeführt, durch den ein die Verlagerung der
Waagschale 11 wiedergebendes Signal mit einem Bezugssignal
verglichen wird, das durch eine in den Niveaukomparator 6
eingebaute Bezugssignalquelle abgegeben wird. Der Ausgang des
Niveaukomparators 6, der der PID-Betätigungsschaltung 4
eingegeben wird, modifiziert den Betrieb der letzteren in weiter
unten zu beschreibender Weise. Der der Kraftspule 13
zugeführte PID-geregelte Strom entwickelt eine entsprechende Spannung
in einem Ausgangswiderstand 7. Die Spannung wird über einen
Filter 8 einem Analog-Digital-Konverter 9 zugeführt, der lie
Spannung digitalisiert, so daß sie als Meßwert des Gewichts
auf einem digitalen Anzeigegerät 10 erscheint. Bei einer
solchen Grundkonstruktion gibt die in den Niveaukomparator 6
eingebaute Bezugssignalquelle eine Spannung ab, die etwas
niedriger ist als die durch den Vorverstärker 3 abgegebene, wenn die
Waagschale 11 in die tiefste Position niedergedrückt worden ist,
die der Schalenanschlag 12 zuläßt. Somit wird dann, wenn die
Waagschale 11 in ihre genannte tiefste Position gebracht wird,
durch den Niveaukomparator 6 ein Signal an die
PID-Betätigungsschaltung 4 abgegeben. Dieses Signal wirkt auf die PID-
Betätigungsschaltung 4 und erhöht beispielsweise den
Integralausdrucks-Koeffizienten, mit dem der in der durch die PID-
Betätigungsschaltung 4 durchgeführten mathematischen Operation
enthaltene Integralausdruck multipliziert wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel mit dem oben beschriebenen Aufbau
arbeitet die PID-Betätigungsschaltung 4 dann, wenn ein auf
die Waagschale 11 aufgebrachtes Gewicht so leicht ist, daß
die Verlagerung der Waagschale 11 innerhalb des durch den
Schalenanschlag 12 begrenzten Bereichs gehalten wird,
normalerweise mit den Proportionalitäts-, Integral- und
Differentialausdrücken, die mit ihren jeweiligen vorbestimmten konstanten
Koeffizienten multipliziert werden, da der Ausgang des
Vorverstärkers 3 niedriger ist als die Bezugsspannung, die durch
die in den Niveaukomparator 6 eingebaute Bezugssignalquelle
abgegeben wird
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Im Gegensatz hierzu arbeitet die PID-Betätigungsschaltung 4
dann, wenn die mit einem schweren Gewicht belastete
Waagschale 11 in ihre tiefste durch den Schalenanschlag 12
begrenzte Position niedergedrückt wird, mit dem wie oben
beschrieben erhöhten Integralausdrucks-Koeffizienten, wodurch
eine Steigerung der Zunahmegeschwindigkeit des PID-geregelten
Stromes bewirkt wird, der der Kraftspule 13 des
elektromagnetischen Kraftwandlers 1 zugeführt wird. Somit wird, während
die Waagschale 11 in ihrer begrenzten tiefsten Position
gehalten wird, das Gewicht schnell kompensiert, um die
Waagschale 11 schnell von dem Schalenanschlag 12 fort freizugeben.
Wenn die Waagschale 11 sich aus ihrer Anlage an dem
Schalenanschlag 12 wegbewegt, arbeitet die PID-Betätigungsschaltung
4 wieder mit dem ursprünglichen (nicht erhöhten) Integrale
ausdrucks-Koeffizienten, um die Waage langsam in einen
endgültigen Gleichgewichtszustand zu bringen. Ein solcher
verbesserter Wiegevorgang, der durch eine resultierende PID-
Ausgangskurve repräsentiert wird, ist in Fig. 4 qualitativ
im Vergleich mit Fig. 5 veranschaulicht, die eine PID-Kurve
zeigt, wie sie zu erwarten ist, wenn die
PID-Betätigungsschaltung 4 nicht so eingerichtet ist, daß der
Integralausdrucks-Koeffizient verändert werden kann. Wie aus einem
Vergleich von Fig. 4 und 5 klar hervorgeht, ist bei einer
elektronischen Waage nach der vorliegenden Erfindung die
Ansprechgeschwindigkeit erheblich verbessert.
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Diese Ausführungsform, bei der der
Integralausdrucks-Koeffizient durch ein Signal des Niveaukomparators 6 verändert wird,
läßt sich derart abwandeln, daß der Koeffizient mittels
zweckentsprechend ausgebildeter Software oder durch ein
Kontaktsignal des Schalenanschlags 12 verändert wird, wobei man
letzteren als Kontaktschalter ausbildet.
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Wie in Fig. 2 als Blockdiagramm dargestellt, läßt sich die
vorliegende Erfindung auch bei einer elektronischen Waage
anwenden, die mit einer digitalisierten PID-Betätigungsschaltung
arbeitet. In Fig. 2 sind diejenigen Bauteile, die auch in
Fig. 1 gezeigt sind, mit den gleichen Bezugszahlen
gekennzeichnet wie in Fig. 1. Bei dieser Ausführungsform wird die
Kraftspule 13 des elektromagnetischen Kraftwandlers 1 mit
einem pulsierenden Strom versorgt, der durch Zerhacken eines
durch eine konstante Gleichstromquelle 27 gelieferten
Gleichstroms mittels einer Schaltereinrichtung 26 gewonnen wird.
Die Arbeitsphase des pulsierenden Stromes bestimmt die durch
den elektromagnetischen Kraftwandler erzeugte
Gegengewichtskraft. Bei dieser Ausführungsform wird eine Schalenverlagerung,
die durch den Schalenverlagerungsdetektor 2 ermittelt wird,
durch einen Analog-Digital-Konverter 21 in digitale
Verlagerungsdaten verwandelt und dann einer PID-Betätigungsschaltung
23 zugeführt, die ein PID-Regelsignal ausgibt. Bei Empfang
des PID-Regelsignals erzeugt eine Arbeitsphasen-Ermittlungs-
schaltung 24, die mikrocomputerisiert ist (25) zusammen mit
der PID-Betätigungsschaltung 23 eine Reihe von Schaltsignalen,
um die Schaltereinrichtung 26 zu betätigen, so daß die
Kraftspule 13 des elektromagnetischen Kraftwandlers mit einem
pulsierenden Strom versorgt werden kann, dessen effektive Größe
einem von der PID-Betätigungsschaltung 23 ausgegebenen PID-
Regelsignal entspricht.
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Bei der Waage der oben kurz beschriebenen Art arbeitet die
PID-Betätigungsschaltung 23 ann, wenn die durch den Analog-
Digital-Konverter 21 ausgegebenen Daten einen
Verlagerungswert ergeben, der der tiefsten durch den Schalenanschlag 12
begrenzten Position der Waagschale 11 entspricht, mit dem
mittels einer zweckentsprechend ausgebildeten Software
erhöhten Integralausdrucks-Koeffizienten, so daß das
Ansprechverhalten der Waage ähnlich wie im Fall der ersten
Ausführungsform nach Fig. 1 verbessert wird. Der Vorgang der
Veränderung des Integralausdrucks-Koeffizienten wird auch durch
das in Fig. 3 gezeigte partielle Fließbild veranschaulicht.
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Auch diese Ausführungsform kann so abgewandelt werden, daß
der Integralausdrucks-Koeffizient entsprechend einem
Kontaktsignal des Schalenanschlags 11 verändert wird, wobei dieser
in Form eines Kontaktschalters ausgebildet ist.
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Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsformen die
PID-Regelungsmodifizierung durch Erhöhen des
Integralausdrucks-Koeffizienten erreicht wird, kann die vorliegende Erfindung
natürlich auch dadurch verwirklicht werden, daß man die
PID-Betätigungsschaltungen 4 und 23 mit anderen erhöhten Koeffizienten
arbeiten läßt, z.B. mit dem Proportionalitätsausdrucks- und
dem Differentialausdrucks-Koeffizienten, um die
Proportionalitäts- und Differentialausdrücke in dem durch die
PID-Betätigungsschaltungen durchgeführten mathematischen Vorgang
entsprechend zu multiplizieren.
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Außerdem kann die vorliegende Erfindung in Kombination mit
einem herkömmlichen nichtlinearen Regelverfahren angewandt
werden, bei dem die Verstärkung des Regelsystems einer
elektronischen Waage nichtlinear entsprechend der Verlagerung
der Waagschale variiert wird.