DE69618590T2

DE69618590T2 - Kraftempfindliche waage und wägezelle mit sensorenpaar dafür

Info

Publication number: DE69618590T2
Application number: DE69618590T
Authority: DE
Inventors: M. Fruechte; M. Johnson; L. Justice; A. Younger
Original assignee: Avery Weigh Tronix Ltd; Avery Weigh Tronix LLC
Current assignee: Avery Weigh Tronix Ltd; Avery Weigh Tronix LLC
Priority date: 1995-06-16
Filing date: 1996-06-11
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2016-06-12
Also published as: US5837946A; CA2224729A1; WO1997000427A1; EP1162436A3; CA2224729C; US6002090A; DE69618590D1; EP0832420A1; EP0832420B1; EP1162436A2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung ist allgemein auf das Gebiet der Kraftmessung, beispielsweise in kraftempfindlichen Waagen wie etwa jenen, die in Hubstaplern und dergleichen verwendet werden, gerichtet. Insbesondere ist die Erfindung auf eine Waage und auf eine darin verwendete Lastzelle gerichtet, die viele Nichtlastkraftwirkungen entfernt, so daß die Waage eine erhöhte Genauigkeit und eine verringerte Empfindlichkeit für die Position von Gegenständen auf der Waage zeigt.

Hintergrund der Erfindung

Kraftempfindliche Waagen, d. h. Waagen, die die wegen der Schwerkraft eines auf der Waage angeordneten Gegenstands ausgeübte Kraft messen können, besitzen zahlreiche Anwendungen. Eine solche Anwendung ist beispielsweise in Hubstaplern oder Gabelstaplern zum Wiegen von Gegenständen, die während ihres Transports durch die Gabeln des Hubstaplers angehoben und transportiert werden. Vorzugsweise erfordern Hubstapler-Waagen abgesehen vom Positionieren des Staplers und Anheben der Gegenstände keine spezifische Operation durch einen Betreiber des Hubstaplers. Im Ergebnis ist die Wiegeoperation sehr effizient und nicht lästig.
Ein Beispiel einer Hubstapler-Waage, die im Gebiet besonders nützlich ist, ist Gegenstand des US-Patents Nr. 4.421.186 an Bradley. Allgemein offenbart Bradley eine Hubstapler-Waage mit einer vertikal orientierten Platte, die an den an der Vorderseite eines Standardhubstaplers angeordneten vorhandenen Querstangen angebracht ist. Die Platte ist über vier lasttragende Lastzellen angebracht, die in zwei seitlich beabstandeten vertikalen Säulen angeordnet sind, die als die einzige mechanische Verbindung zwischen der Waage und den vorhandenen Querstangen dienen. Die mit dem Hubstapler verwendeten herkömmlichen Gabeln sind auf die gleiche Weise an die vertikale Platte angehängt, wie es die Querstangen wären, wodurch durch die vertikale Platte eine an den Gabeln vorhandene Last über die Lastzellen übertragen wird.
In der Bradley-Konstruktion enthält jede Lastzelle vier Dehnungsmeßeinrichtungen, die in einer Wheatstone- Brückenschaltung verschaltet sind, um viele Nichtlastkraftwirkungen zu entfernen. Außerdem werden die Ausgangssignale der Lastzellen summiert, um die Gesamtgewichtsablesung für die Waage zu erzeugen.
Die Bradley-Hubstapler-Waage kann viele Nichtlastkraftwirkungen (d. h. Kräfte und Momente, die nicht längs des gemessenen Hauptkraftvektors zu finden sind) entfernen. Somit ist die Bradley-Waage verhältnismäßig genau, wobei sie typischerweise eine Genauigkeit von 1% besitzt. Außerdem besitzt Bradley den Vorteil, daß sie leicht an herkömmlichen Hubstaplern anzubringen ist, was sie verhältnismäßig kostengünstig macht. Außerdem besitzt die Bradley-Waage ein niedriges Profil, das die Gesamttragekapazität des Hubstaplers nicht wesentlich verringert.
Andererseits wurde festgestellt, daß die Bradley-Waage trotz der Bemühungen zum Verringern von Abweichungen, die im Ergebnis einer anderen Anordnung von Gegenständen auf den Gabeln auftreten, einen gewissen Grad an Positionsempfindlichkeit besitzt. Diese Wirkungen sind, vorrangig wegen der in einigen Positionen auf die Lastzellen ausgeübten "Kopfwirkungen" am häufigsten in Vorwärts/Rückwärts-Richtung (d. h. längs der Längsachsen der Gabeln). Wenn sich ein Gegenstand in der Nähe der Spitzen der Gabeln befindet, werden die Kopfwirkungen maximiert, da in dieser Position zwischen den Lastzellen und dem Gegenstand ein verhältnismäßig großer horizontaler Abstand vorhanden ist, der zu Nichtlastkräften führt, deren Größe mit den Lastkräften längs des Hauptkraftvektors für die Waage vergleichbar ist.
Mit "Kopfwirkungen" sind hier vorrangig Kopflasten und Kopfmomente sowie andere Kräfte gemeint, die zu auf die Lastzellen ausgeübten Kräften führen, die nicht längs des Kraftvektors der gewünschten zu messenden Kräfte (d. h. jener, die das Gewicht eines Gegenstands darstellen) liegen. Diese Kopfwirkungen werden in Waagen wie etwa der von Bradley hauptsächlich durch die mechanische Konstruktion der Lastzellen und durch die Dehnungsmeßeinrichtungs-Brückenschaltungen entfernt. Allerdings ist festgestellt worden, daß diese Kopfwirkungen und andere Wirkungen insbesondere in Hubstapler-Waagen, bei denen die Kopfwirkungen verhältnismäßig groß sind, nicht sauber entfernt werden. Dies führt zu in dem Ausgangssignal jeder Lastzelle vorhandenen "verbleibenden zurückgewiesenen Wirkungen", durch die die Genauigkeit der Waage begrenzt und die Waage empfindlich für die Position der Gegenstände darauf gemacht wird.
Es ist festgestellt worden, daß die vertikale Anordnung von Paaren von Lastzellen in der Bradley-Waage wegen des Schlupfes in den mechanischen Kopplungen zwischen der Platte und den Lastzellen sowie ähnlich wegen der Entspannung in den Konstruktionen der Platte und der Lastzellen einen gewissen Grad von Reibungswirkungen (hauptsächlich Kriechen und Hysterese) in die Ausgangssignale der Lastzellen einführen kann. Theoretisch sollte ein Paar vertikal orientierter Lastzellen, die parallel gekoppelt sind, eine Last ideal verteilen, so daß die summierten Ausgangssignale der Zellen selbst dann konstant bleibt, wenn die Last zwischen den Lastzellen verschoben wird. In der Praxis ist aber festgestellt worden, daß diese Reibungswirkungen diese Lastverteilungswirkung begrenzen und in das System Nacheilfehler einführen können, die ebenfalls die Genauigkeit der Waage verringern.
US 3 899 924 offenbart ein Dehnungsmeßsystem, das mehrere Paare von Dehnungsmeßeinrichtungen enthält, die jeweils an einer Achse oder dergleichen angebracht sind, wobei die Dehnungsmeßeinrichtungen in mehreren Brückenschaltungen verschaltet sind, die jeweils eine unabhängige Stromversorgung besitzen, wobei die Brückenschaltungen in Serie geschaltet sind, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die proportional zur Gesamtlast ist. Mit dem Ausgangssignal der Brückenschaltungen sind handbetätigte Spannungsquellen verbunden, während mit der Spannungsquelle ein Operationsverstärker verbunden ist, um zu erfassen, wann die Ausgangsspannung der Brückenschaltung gleich der von Hand gewählten Spannung ist. Ein Ausgangssignal wird wahlweise erzeugt, wenn eine Nullbedingung erreicht ist oder wenn von irgendeiner Richtung aus ein Zustand erreicht wird, der einer vorgegebenen Last entspricht.
US 3 777 828 offenbart ein elektronisches Wiegesystem mit einer digitalen Nachladung und ein verbessertes elektronisches Wiegesystem mit einer digitalen Ablesung. Ein Meßwandler erzeugt ein einem unbekannten Gewicht entsprechendes analoges Signal. Das analoge Signal wird verstärkt, mit einem Analog-Digital-Umsetzer digitalisiert und an die digitale Ablesung angelegt. Es sind eine Schaltungsanordnung zur automatischen Nullpunkteinstellung des analogen Abschnitts des Systems, während das Meßwandler-Ausgangssignal vorübergehend unterbrochen wird, und zum Füllen von Zwischenräumen in dem analogen Signal, die von der Unterbrechung des Meßwandlerausgangssignals herrühren, vorgesehen. Der digitale Abschnitt des Systems enthält außerdem Leergewichtsvorkehrungen zum Abändern des angezeigten Gewichts und eine Schaltungsanordnung zum Ändern des Meßbereichs und der Auflösung oder des Inkrements des Wiegesystems.
US 5 197 334 offenbart eine programmierbare Kompensation der thermischen Antwort einer Brückenschaltung. Die vorliegende Erfindung schafft eine Kompensation für die Temperatur in einem Meßwandler durch Verbinden der Einstellwiderstände mit dem Meßwandler selbst zum Schaffen eines richtigen Meßwandlerausgangssignals. Es werden eine Anzahl von Schaltungen zum Verbinden der Einstellwiderstände mit der Meßwandlerschaltung verwendet. Ein einzelner Widerstand kann mit einem Meßwandlerwiderstand parallel oder in Serie geschaltet werden. Die Steuereingangssignale für die Schalter sind jeweils mit einem getrennten Bitausgangssignal eines Mehrbitspeichers verbunden. Der Speicher ist so programmiert, daß er, wenn adressiert, den Austastzyklus der Schalter steuert.
WO 94/03784 offenbart eine kompensierte Lastmeßvorrichtung. In der Wiegevorrichtung, in der das Gewicht über die Antwort einer Hauptdehnungsmeßeinrichtung gemessen wird, befinden sich zusätzliche Dehnungsmeßeinrichtungen, die auf eine sekundäre Dehnung antworten, und die den Einfluß sekundärer Kräfte auf die Antwort der Hauptmeßeinrichtung darstellen.
EP 0 317 429 offenbart ein Verfahren zum Eichen einer Kraft- und Momenterfassungsvorrichtung sowie Vorrichtungen zum Ausführen des Verfahrens.
Somit besteht ein wesentlicher Bedarf an einer Waage und an Lastzellen zur Verwendung damit, die verbleibende zurückgewiesene Wirkungen und Reibungswirkungen idealer aus den Ausgangssignalen der Lastzellen entfernen. Außerdem besteht ein Bedarf an einer Waage, die eine höhere Genauigkeit und eine verringerte Empfindlichkeit für die Position der Gegenstände auf der Waage besitzt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung behandelt diese und andere Probleme im Zusammenhang mit dem Stand der Technik, indem sie zunächst eine Waage und eine Lastzelle dafür schafft, die verbleibende zurückgewiesene Wirkungen aus dem Ausgangssignal der Waage getrennt isolieren, messen und entfernen und dadurch solche Vorteile wie eine erhöhte Genauigkeit und Lastpositions-Unempfindlichkeit bieten. Außerdem behandelt die Erfindung viele Probleme auf dem Gebiet, indem sie auch eine Waage schafft, in der die Ausgangssignale der mehreren durch ein nichtideales Lastaufnahmeelement parallelgekoppelten und in Richtung des Hauptkraftsektors räumlich beabstandeten Lastzellen in der Weise skaliert werden, daß in den Lastzellen und in dem Lastaufnahmeelement vorhandene Reibungswirkungen (typischerweise Kriechen und Hysterese) aus dem Ausgangssignal der Waage entfernt werden.
Mit "verbleibenden zurückgewiesenen Wirkungen" sind hier irgendwelche Nichtlastkräfte gemeint, die in einem oder in mehreren Kraftvektoren ausgeübt werden, und die von dem Kraftvektor der gewünschten zu messenden Kraft getrennt sind. Wenn diese Arten von Wirkungen nicht zurückgewiesen werden, führen sie typischerweise Fehler in die Ausgangssignale der Lastzellen sowie in das summierte Ausgangssignal der Waage ein.
Diese Arten von Wirkungen werden als "zurückgewiesen" bezeichnet, da sie diejenigen Wirkungen sind, die typischerweise mittels der besonderen Konstruktion einer Lastzelle und der Anordnung der Kraftsensoren darauf sowie durch elektrische Einrichtungen wie etwa Wheatstone- Brückenschaltungen verringert werden. Da viele dieser Wirkungen selbst nach einer mechanischen oder elektrischen Entfernung der meisten der Wirkungen das Ausgangssignal der Waage immer noch bis zu einem Grad beeinflussen, werden diese Wirkungen auch "verbleibend" genannt. Es ist aber klar, daß es nicht notwendig ist, daß die Wirkungen durch andere Einrichtungen in der Lastzelle verringert werden, da die Erfindung in einigen Fällen fähig sein kann, der einzige Mechanismus zu sein, der die Wirkungen zurückweist.
Mit "Reibungswirkungen" sind hier Wirkungen gemeint, die typischerweise ein Ergebnis einer unvollkommenen Anbringung zwischen Lastzellen und Lastaufnahmeelementen sowie unvollkommener Federcharakteristiken in den Lastzellen und in den Lastaufnahmeelementen sind. Typischerweise führen diese Wirkungen dazu, daß die Ausgangssignale der Waagen, die diesen Wirkungen unterliegen, Hysterese und Kriechen zeigen.
Die vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Bevorzugte Ausführungsformen von ihr sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Somit wird gemäß einem Aspekt der Erfindung eine Lastzelle geschaffen, die umfaßt: einen Lastzellenkörper; einen ersten auf dem Lastzellenkörper angeordneten Kraftsensor, um eine erste Kraft zu erfassen, die auf den Lastzellenkörper längs eines ersten Kraftvektors ausgeübt wird, und um ein erstes Ausgangssignal davon erzeugen; einen zweiten Kraftsensor, der auf dem Lastzellenkörper angeordnet ist, um eine auf den Lastzellenkörper längs eines zweiten Kraftvektors ausgeübte zweite Kraft zu erfassen und um ein zweites Ausgangssignal zu erzeugen, das diese darstellt; und eine Entfernungseinrichtung, die so angeschlossen ist, daß sie die ersten und zweiten Ausgangssignale empfängt, um durch die zweite Kraft bedingte verbleibende zurückgewiesene Wirkungen aus dem ersten Ausgangssignal zu entfernen und ein drittes Ausgangssignal zu erzeugen, das diese darstellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Erfassen einer Kraft von dem Typ mit einem Lastzellenkörper sowie ersten und zweiten Kraftsensoren, die darauf angeordnet sind, um Kräfte zu erfassen, die längs erster bzw. zweiter Kraftvektoren auf den Lastzellenkörper ausgeübt werden. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Erfassen einer ersten Kraft, die auf den Lastzellenkörper längs des ersten Kraftvektors ausgeübt wird, mit dem ersten Kraftsensor, und Erzeugen eines ersten Ausgangssignals, das diese darstellt; Erfassen einer zweiten Kraft, die auf den Lastzellenkörper längs des zweiten Kraftvektors ausgeübt wird, mit dem zweiten Kraftsensor und Erzeugen eines zweiten Ausgangssignals, das diese darstellt; und Skalieren des ersten Ausgangssignals als Antwort auf das zweite Ausgangssignal, um verbleibende zurückgewiesene Wirkungen aus dem ersten Ausgangssignal zu entfernen.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird eine Waage geschaffen mit einer Basis; einem Kraftaufnahmeelement, das so beschaffen ist, daß es einen zu wiegenden Gegenstand aufnimmt; mehreren Lastzellen, die zwischen das Kraftaufnahmeelement und die Basis gekoppelt sind, um als Antwort auf eine durch den Gegenstand auf das Kraftaufnahmeelement ausgeübte Kraft ausgelenkt zu werden, wobei jede Lastzelle ein erstes Ausgangssignal besitzt, das hauptsächlich auf wenigstens einen Anteil der auf den Gegenstand ausgeübten Kraft anspricht, und ein zweites Ausgangssignal besitzt, das hauptsächlich auf von der Lastzelle erfaßte verbleibende zurückgewiesene Wirkungen anspricht; und einer Lastzellen-Ansteuerungseinrichtung, die ein Kraftsignal erzeugt, das die durch den Gegenstand auf das Kraftaufnahmeelement ausgeübte Kraft darstellt. Die Ansteuerungseinrichtung enthält: eine Entfernungseinrichtung, die mit den ersten und zweiten Ausgängen jeder Lastzelle verbunden ist, um aus dem Ausgangssignal jeder Zelle verbleibende zurückgewiesene Wirkungen zu entfernen; eine Empfindlichkeitseinstelleinrichtung zum Einstellen der relativen Empfindlichkeiten der ersten Ausgänge der Lastzellen, so daß die Summe der ersten Ausgangssignale für die Position des Gegenstands auf dem Kraftaufnahmeelement im wesentlichen unempfindlich ist; und eine Summationseinrichtung zum Summieren der ersten Ausgangssignale der Lastzellen, um das Kraftsignal zu erzeugen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Wiegen eine Gegenstands auf einer Waage von dem Typ geschaffen, der mehrere Lastzellen enthält, die zwischen ein Kraftaufnahmeelement und eine Basis gekoppelt sind, um als Antwort auf eine durch den Gegenstand auf das Kraftaufnahmeelement ausgeübte Kraft ausgelenkt zu werden, wobei jede Lastzelle ein erstes Ausgangssignal besitzt, das hauptsächlich auf wenigstens einen Anteil der durch den Gegenstand ausgeübten Kraft anspricht, und ein zweites Ausgangssignal besitzt, das hauptsächlich auf von der Lastzelle erfaßte verbleibende zurückgewiesene Wirkungen anspricht. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Entfernen verbleibender zurückgewiesener Wirkungen aus dem ersten Ausgangssignal jeder Lastzelle durch Skalieren des ersten Ausgangssignals jeder Lastzelle als Antwort auf das zweite Ausgangssignal der Lastzelle; Einstellen der relativen Empfindlichkeiten der ersten Ausgänge der Lastzellen, so daß die Summe der ersten Ausgangssignale für die Position des Gegenstandes auf dem Kraftaufnahmeelement im wesentlichen unempfindlich ist; und Summieren der ersten Ausgangssignale der Lastzellen, um das Kraftsignal zu erzeugen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Waage geschaffen mit einer Basis; einem Kraftaufnahmeelement, das so beschaffen ist, daß es eine längs eines ersten Kraftvektors ausgeübte Kraft aufnimmt; ersten und zweiten Lastzellen, die parallel und räumlich beabstandet auf dem Kraftaufnahmeelement allgemein in Richtung des Kraftvektors zwischen das Kraftaufnahmeelement und die Basis gekoppelt sind, so daß sich die Kraft auf die Lastvektoren verteilt, wobei jede Lastzelle ein Ausgangssignal liefert, das hauptsächlich wenigstens einen Anteil der längs des Kraftvektors auf den Gegenstand ausgeübten Kraft darstellt; und einer Lastzellen-Ansteuerungseinrichtung, die ein Kraftsignal erzeugt, das durch Summieren der Ausgangssignale der Lastzellen die durch den Gegenstand auf das Kraftaufnahmeelement ausgeübte Kraft darstellt, wobei die Ansteuerungseinrichtung enthält: eine Reibungswirkungs-Entfernungseinrichtung zum Einstellen der relativen Empfindlichkeiten der Ausgangssignale der Lastzellen zum Entfernen von Reibungswirkungen in der Waage.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Wiegen eine Gegenstands auf einer Waage von dem Typ geschaffen, der erste und zweite Lastzellen enthält, die parallel und räumlich beabstandet auf dem Kraftaufnahmeelement allgemein in Richtung eines ausgeübten Kraftvektors zwischen ein Kraftaufnahmeelement und eine Basis gekoppelt sind, so daß sich eine ausgeübte Kraft auf die Lastzellen verteilt. Das Verfahren umfaßt in jeder Lastzelle die folgenden Schritte: Liefern eines Ausgangssignals, das wenigstens einen Anteil der längs des Kraftvektors auf den Gegenstand ausgeübten Kraft darstellt; Einstellen der relativen Empfindlichkeiten der Ausgangssignale der Lastzellen zum Entfernen von Reibungswirkungen in der Waage; und Liefern eines Kraftsignals, das die durch den Gegenstand auf das Kraftaufnahmeelement ausgeübte Kraft darstellt, durch Summieren der Ausgangssignale der Lastzellen.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale, die die Erfindung kennzeichnen, sind in den hierzu beigefügten Ansprüchen dargestellt, die einen weiteren Teil von ihr bilden. Für ein besseres Verständnis der Erfindung und der durch ihre Anwendung erhaltenen Vorteile und Aufgaben wird aber Bezug auf die Zeichnung und auf die beigefügte Beschreibung genommen, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein Seitenaufriß eines Hubstaplers, der eine bevorzugte Hubstapler-Waage in Übereinstimmung mit den Prinzipien der Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist eine perspektivische Funktionsansicht einer Lastzelle, die typische daran gezeigte Wirkungen erläutert und die Anordnung der Sensoren an der Lastzelle in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigt.
Fig. 3 ist eine perspektivische Funktionsansicht einer Waagenanbringungskonfiguration zur Erläuterung typischer daran gezeigter Wirkungen.
Fig. 4a ist ein Funktionsblockschaltplan, der die Operation einer bevorzugten Zweisensor-Lastzelle in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigt.
Fig. 4b ist ein Funktionsblockschaltplan, der die Empfindlichkeitskorrektur in einer bevorzugten Waage in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigt.
Fig. 4c ist ein Funktionsblockschaltplan, der die Reibungswirkungsentfernung in einer bevorzugten Waage in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigt.
Fig. 5 ist eine Teilexplosionsdarstellung/perspektivische Teilansicht des Hubstaplers aus Fig. 1.
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer Lastzelle von der Hubstapler-Waage aus Fig. 1, bei der ein Abschnitt des Abdeckblechs und des Vergusses weggeschnitten sind.
Fig. 6a ist eine vergrößerte Teilunteransicht der Lastzelle aus Fig. 6, bei der das Abdeckblech und der Verguß entfernt sind.
Fig. 6b ist ein vergrößerter linker Seitenteilaufriß der Lastzelle aus Fig. 6, bei dem das Abdeckblech und der Verguß entfernt sind und die Leiterplatte teilweise weggeschnitten ist.
Fig. 6c ist eine vergrößerte Teildraufsicht der Lastzelle aus Fig. 6, bei der das Abdeckblech und der Verguß entfernt sind.
Fig. 6d ist ein vergrößerter rechter Seitenteilaufriß der Lastzelle aus Fig. 6, bei dem das Abdeckblech und der Verguß entfernt sind.
Fig. 7 ist ein Blockschaltplan, der die Funktionskomponenten der Hubstapler-Waage aus Fig. 1 zeigt.
Fig. 8 ist ein Stromlaufplan einer elektrischen Schaltung für die Lastzelle aus Fig. 6.
Fig. 9 ist ein Stromlaufplan einer elektrischen Schaltung für den Lastzellentreiber aus Fig. 7.
Fig. 10 ist eine Teilexplosionsdarstellung/perspektivische Teilansicht einer alternativen Hubstapler-Waagen-Anbringungskonfiguration in Übereinstimmung mit der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Übergehend zu der Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen in den gesamten mehreren Ansichten gleiche Teile bezeichnen, zeigt Fig. 1 einen Hubstapler 1 mit einer Hubstapler-Waage 10 in Übereinstimmung mit der Erfindung. Der Hubstapler 1 kann irgendein kommerziell verfügbarer Hubstapler wie etwa der von Clark hergestellte GCX25 sein. Allgemein enthält ein solcher Hubstapler ein Fahrgestell 11, das mit den Rädern 12 auf einer Bodenfläche 13 abgestützt ist. Ein Betreiber steuert den Hubstapler, während er in dem Sitz 14 sitzt, wobei durch zwei mit den Querstangen 24 und 26 abgestützte Gabeln 28 Lasten befördert werden. Die Gabeln 28 enthalten jeweils einen Abschnitt 28a, der sich allgemein senkrecht zu den Außenseiten der Querstangen erstreckt, um darauf einen oder mehrere Gegenstände abzustützen. Die Querstangen 24 und 26 werden an zwei vertikalen Trägern 22 gehoben und gesenkt, wodurch mit dem Hubstapler 1 Gegenstände wie eine Kiste 5 gehoben und transportiert werden können.
Die Hubstapler-Waage 10 ist allgemein zwischen den Querstangen 24 und 26 und den Gabeln 28 orientiert, um eine Gewichtsmessung der durch den Stapler gehobenen Gegenstände zu liefern. Die Betreiberschnittstelle und die Anzeige der Gewichtsmessung wird durch einen Controller 30 behandelt, der für einen zweckmäßigen Zugriff durch den Staplerbetreiber an dem Hubstapler orientiert ist.
Die bevorzugte Waage und die Lastzellen zur Verwendung damit sind besonders gut geeignet zur Verwendung als Hubstapler-Waage für Gabelhübe und dergleichen. Dem Fachmann auf dem Gebiet ist aber klar, daß die Prinzipien der Erfindung auf andere Wiege- und Krafterfassungsanwendungen angewendet werden können. Entsprechend sollte die Diskussion hierin im Kontext einer Hubstapler-Waage nicht als Beschränkung der Erfindung ausschließlich auf diese Anwendungen betrachtet werden.
Die bevorzugte Waage 10 enthält eine neue Zweisensor- Lastzelle, die verbleibende zurückgewiesene Wirkungen aus dem Ausgangssignal der Lastzelle entfernt. Außerdem verwendet die bevorzugte Waage mehrere Lastzellen, die in der Weise verbunden sind, daß aus dem Ausgangssignal der Waage Reibungswirkungen entfernt werden und daß das Ausgangssignal der Waage für die Position der Gegenstände auf der Waage im wesentlichen unempfindlich ist. Vor der Diskussion der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird für jeden dieser Aspekte eine kurze Diskussion der Prinzipien des Betriebs gegeben.

Prinzipien des Betriebs

Herkömmliche Waagenfunktion

Wenn in einer herkömmlichen Waage mehr als eine Lastzelle verwendet wurde, stützten die Lastzellen die Last parallel ab. Dies bedeutet, daß die Summe sämtlicher vertikaler Kräfte (Lastkräfte) auf die Waage gleich dem auf die Waage ausgeübten Gewicht sein muß, damit die Waage genau ist.
W = Fi
Dabei ist W das ausgeübte Gewicht und Fi die auf die i-te Lastzelle, d. h. auf eine der N Lastzellen, die die Last auf der Waage abstützen, ausgeübte vertikale Kraft. Beispielsweise wird das auf die Waage ausgeübte Gesamtgewicht in einer genauen Waage mit vier Lastzellen durch die Gleichung:
W = F&sub1; + F&sub2; + F&sub3; + F&sub4;
dargestellt.
Diese Kräfte können durch ein Ausgangssignal von jeder Lastzelle Si dargestellt werden, die ein Signal beiträgt, das genau proportional zu der auf die Lastzelle ausgeübten vertikalen Kraft ist. Dabei ist ai der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Signal und der vertikalen Kraft.
Si = ai·Fi.
Damit die Waage, wenn die Last irgendwo auf der Waage angeordnet wurde und für irgendeine Lastübertragung zwischen den Lastzellen, genau ist, müssen diese Proportionalitätsfaktoren für jede Lastzelle genau bestimmt werden. Dies erfolgte üblicherweise dadurch, daß auf eine Anzahl von Stellen der Waage, vorzugsweise auf Stellen, an denen das meiste Gewicht lediglich durch eine der Lastzellen gleichzeitig getragen wurde, eine bekannte Last ausgeübt wurde. Diese Proportionalitätsfaktoren wurden dadurch realisiert, daß in einer digitalen Lastzellenwaage, wo sie in der Gewichtsberechnung verwendet wurden, Zahlen gespeichert wurden, die sie darstellen, oder durch Einstellungen in einigen Elementen in den analogen Verbindungen einer analogen Lastzellenwaage, in der sie die analogen Signale beeinflussen. Es wurde vorausgesetzt, daß das einzige Ausgangssignal von diesen Lastzellen allein von der vertikalen Kraft stammt. Dies war richtig, wenn auf die Lastzellen lediglich vertikale Kräfte ausgeübt werden durften oder wenn die Lastzellen die ideale Fähigkeit zum Erfassen lediglich der vertikalen Kraftkomponente der auf sie ausgeübten Kräfte besaßen. Dies war nicht immer der Fall, wobei ein Teil des Ausgangssignals dadurch bedingt sein können, daß auf die Lastzelle eine nicht vertikale Kraft ausgeübt wird. Beispielsweise zeigt Fig. 2 eine Lastzelle 400 mit einem festen Ende 402 und einem Auslegerende 404, auf das eine vertikale Last ausgeübt wird. Andere Lastwirkungen, z. B. Seitenmomente, Kopflasten und Kopfmomente, sind ebenfalls gezeigt. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, enthält eine Hubstapler-Waage 410 ein vertikales Element 418, das über die Lastzellen 412 und 414 mit einem festen Element 416 verbunden ist. Die von diesen Lastzellen erfahrenen Nichtlastwirkungen ändern sich z. B. anhand der Position einer Last wie etwa in den Punkten B und C auf den Gabeln 419 (die von dem Verbindungspunkt A zu den Lastzellen horizontal versetzt sind).
Die Nichtlastwirkungen können durch die Auslenkung der Lastzelle oder ihrer Halterungen oder durch Änderungen des Orts des ausgeübten Gewichts oder durch beides oder durch eine von einer Halterung an der Waage auf die Waage ausgeübte horizontale Kraft bedingt sein. Auf jeden Fall besitzt diese Lastzelle dann ein Ausgangssignal, das durch den Einfluß der Summe Si der auf sie ausgeübten Kräfte bedingt ist.
Si = ai· F,i,j
Dabei bezeichnet m die Anzahl der verschiedenen Kräfte auf eine Lastzelle einschließlich der vertikalen Lastkraft und irgendwelcher Nichtlastkräfte. Die vertikale Kraft auf die Lastzelle Nummer eins kann durch Fi,1, die horizontale Kraft in Achsenrichtung durch Fi,2, die horizontale Kraft senkrecht zur Lastzellenachse durch Fi,3, die durch ein Biegemoment um die Vertikale zur Lastzelle bedingte Kraftwirkung durch Fi,4 usw. dargestellt werden. In dieser Summation kann irgendeine Wirkung wegen der ausgeübten Last enthalten sein, die bewirkt, daß die Lastzelle ein Ausgangssignal besitzt. Jede der Lastzellen in der Waage besitzt ihre eigene Summation der Kraftwirkungen.
S&sub1; = a&sub1;· F1,j
S&sub2; = a&sub2;· F2,j
S&sub3; = a&sub3;· F3,j
S&sub4; = a&sub4;· F4,j
Dabei ist:
S&sub1; = a&sub1;·F1,1 + a&sub1;·F1,2 + a&sub1;·F1,3 + a&sub1;·F1,4 + a&sub1;·F1,5 ... a&sub1;·F1,m
und
W = F1,1 + F2,1 + F3,1 + F4,1.
Da es keine Möglichkeit zur Bestimmung der einzelnen Kraftwirkungen gab, wurde die Proportionalität an diesem summierten Ausgangssignal und nicht lediglich an dem Ausgangssignal der vertikalen Kraftwirkung eingestellt. Wenn sich die Last wegen des Schlupfes in den Befestigungsverbindungen oder wegen irgendeiner anderen Art von Bewegung von einer Lastzelle zu einer anderen verschiebt, kann sich die vertikale Kraft auf die Lastzelle geändert haben, während sich einige der anderen Kräfte nicht geändert zu haben brauchen oder wenigstens nicht im gleichen Anteil geändert zu haben brauchen. Die Waage wäre nur dann genau, wenn die anderen Lastzellen, zu denen oder von denen sich auch eine vertikale Last verschoben hat, die gleichen vertikalen Kraftanteile wie diese Lastzelle hätten. Andernfalls wäre das Gesamtausgangssignal nicht gleich der ausgeübten Last, wobei eine falsche Waagenablesung auftreten würde. Diese Änderung der vertikalen Kraft würde auch zu einer Änderung anderer Lastzellenkraftwirkungen führen, die andere Anteile als die vertikalen Kräfte besäßen. Diese Kräfte würden dann zu einer falschen Darstellung der ausgeübten Last beitragen. Wenn die Anteile der vertikalen Kräfte eingestellt würden, würden die anderen ebenfalls eingestellt. Dies stellt ein Problem dar, da für eine gute Waagenleistung die Summe der erfaßten vertikalen Kräfte gleich der ausgeübten Last sein muß, während die Summe der anderen erfaßten Kräfte null sein muß.

Aufhebung unerwünschter Kraftwirkungen

Für lediglich eine bedeutende Nichtkraftwirkung (neben der gewünschten vertikalen Kraftwirkung) lauten die Gleichungen für die vertikalen Kraftwirkungen:
F1,1 = Si/ai - F1,2,
während das Gesamtgewicht
W = Si/ai + Fi,2
ist.
Damit diese Gewichtsablesung unabhängig von den Nichtlastkraftwirkungen ist, gilt:
Fi,2 = 0.
Diese Nichtlastkraftwirkungs-Empfindlichkeit ist möglicherweise nicht in sämtlichen Meßwandlern die gleiche. Somit ist diese Bedingung nicht erfüllt, wenn diese Kräfte durch die innere Verformung oder Bewegung in der Waagenbaueinheit bedingt sind, es sei denn, daß die Wirkungen proportional sind, so daß die Summation zu null gemacht wird. Da die vertikalen Kraftwirkungsanteile für die Unempfindlichkeit für die Laststelle und für die Lastübertragung zwischen den Lastzellen erhalten werden müssen, werden zusätzliche Signale benötigt, die diese Nichtlastkraftwirkung darstellen, und die daraufhin unabhängig proportioniert und zu dem Ausgangssignal hinzugefügt werden können, was Einstellungen zum Aufheben dieser verbleibenden unerwünschten Nichtlastwirkungen auf das Signal ermöglicht.
Um dieses Aufhebungssignal zu erzeugen, muß eine Sensorschaltung verwendet werden, die unabhängig von der vertikalen Lastwirkung ist, und die ein Ausgangssignal besitzt, das vorrangig durch jede zurückzuweisende unerwünschte Nichtlastwirkung bedingt und auf diese einstellbar ist. Dieses unabhängige Signal wird daraufhin wie gefordert proportioniert und zu dem vertikalen Lasterfassungssignal hinzugefügt, um die nichtvertikalen Kraftwirkungen auf das Gesamtausgangssignal zu beseitigen.
Die korrigierte Gewichtsdarstellung wird allgemein durch die Gleichung:
beschrieben. Dabei sind die zusätzlichen Signale si und ihre Proportionalitätsfaktoren bi. Diese Proportionalitätsfaktoren können natürlich in einem digitalen System als Zahlen oder in einem analogen System in einer analogen Schaltung in den Einstellungen der Elemente gespeichert werden. Die Proportionalitätsfaktoren werden dadurch bestimmt, daß die Last- oder Kraftwirkungen auf mehrere verschiedene Weise ausgeübt werden, um jedes Mal das Ausgangssignal jedes der Abstimmsensoren zu maximieren. Die Einstellungen der Proportionalitätsfaktoren werden so vorgenommen, daß die Wirkungen der verbleibenden unerwünschten Lastwirkung minimiert oder aufgehoben werden. Dies kann unter Verwendung mathematischer linearer Lösungen und Testdaten und Bestimmung der Aufhebungsfaktoren oder durch Einstellung analoger Elemente erfolgen.
Dadurch, daß die unerwünschten Wirkungen in isolierten Hilfserfassungselementen auf jeder Lastzelle erfaßt werden, können auch die einzelnen Lastzellen, die in der Waage verwendet werden sollen, in der Weise eingestellt werden, daß sie minimale Empfindlichkeit für besondere unerwünschte Lastwirkungen besitzen. Um die Wirkung dieser unerwünschten Lastwirkungen zu minimieren, kann daraufhin das Ausgangssignal dieser isolierten Sensoren proportioniert und zu dem Lastzellenausgangssignal hinzugefügt werden.
Beispielsweise zeigt Fig. 4a die Doppelerfassungsfähigkeit für eine Lastzelle 420 mit einem Scherungssensor 422 zum Erfassen der vertikalen Last und einem Kopfwirkungssensor 424 zum Erfassen der Nichtlastwirkung. Wie in der Lastzelle 400 aus Fig. 2 gezeigt ist, kann der Scherungssensor 422 beispielsweise einer Wheatstone-Brückenverbindung von Zugsensoren (z. B. Dehnungsmeßeinrichtungen) T&sub1; und T&sub2; und Drucksensoren C&sub1; und C&sub2; entsprechen. Der Kopfwirkungssensor 424 kann einer Wheatstone-Brückenverbindung der Zugsensoren T&sub3; und T&sub4; und der Drucksensoren C&sub3; und C&sub4; entsprechen. Durch Anordnen der Zug- und Drucksensoren in verschiedenen elektrischen Verbindungen kann der Kopfwirkungssensor wie gewünscht Kopflasten oder Kopfmomente erfassen.
Wenn für die Sensoren Dehnungsmeßeinrichtungen verwendet werden, muß ihnen ein Erregungssignal zugeführt werden. Wie in Fig. 4a gezeigt ist, kann dementsprechend ein Wirkungssensor 424 als Rückkopplungsmechanismus verwendet werden, der im Block 426 proportioniert wird, um das Ausgangssignal des Scherungssensors 422 zu skalieren.
Somit sind die hinzugefügten Hilfssensorausgangssignale proportional, so daß sie die verbleibenden unerwünschten Kraftwirkungen aufheben.
Wenn die Lastzellen eine Einstellung erfordern, während sie in einer Mehrlastzellenwaage angebracht sind, kann zum Minimieren oder Aufheben der unerwünschten Kraftwirkungen, wie z. B. in Fig. 4b gezeigt ist, ein Einstellungsverbindungskasten verwendet werden. Hier enthält eine Waage 440 vier Lastzellen 442, 444, 446 und 448, die durch die Summierer 452, 454 und 458 gekoppelt sind und durch die Multiplizierer 450, 451 und 456 skaliert werden. Dadurch, daß auf verschiedene Punkte auf der Waage eine Last ausgeübt wird, können sowohl einzelne Lastzellensensor-Ausgangssignale als auch die Waagenmultiplizierer eingestellt werden, um unerwünschte Nichtlastwirkungen zu korrigieren und die Waage gegenüber der Lastposition unempfindlich zu machen.

Reibungswirkungsaufhebung

Ein Nutzen kann außerdem erhalten werden, wenn mehr als eine Lastzelle einen Anteil einer Gesamtlast in einem einzelnen Punkt auf einer Ebene senkrecht zu dem Lastvektor, z. B. in der Orientierung der Lastzellen 412 und 414 in Fig. 3, unterstützt.
Die Summe der Ausgangssignale von den Lastzellen, die die Last in einem Punkt unterstützen, stellt das Ausgangssignal für diesen Punkt dar.
Si = Si,k = Fi· ak
Dabei stellt i die Anzahl der mit der Bühne verbunden Einpunktunterstützungen, k eine von K Lastzellen, die diesen Punkt abstützen, Si das zusammengesetzte Ausgangssignal der Lastzellen, die die Lastkraft Fi an den mit der Bühne verbundenen Punktabstützungen abstützen, Si,k die einzelnen Lastzellenausgangssignale und ai den Anteil jeder Lastzelle, der die Kraft Fi abstützt, dar.
Da die Summe der einzelnen Kräfte auf die Lastzellen in einer Mehrlastzellenwaage gleich der auf die Waage ausgeübten Gesamtlastkraft sein muß, beeinflußt irgendeine Bewegung der Last in den Lastzellen diese Summe nicht. Wenn die Lastzellen aber keine gleiche Empfindlichkeit für die Last haben, kann sich das Gesamtausgangssignal von den Lastzellen wegen der Umverteilung der ausgeübten Lastkraft ändern. Wenn die Lastzellen außerdem empfindlich für Nichtlastkräfte sind, kann ein Teil des Ausgangssignals von den Lastzellen auch eine Folge dieser Nichtlastkräfte sein.
Si,k - ai,k·Fi,1 + bi,k,j·Fi,j
Wenn sich Nichtlastkraftwirkungen auf die Ausgangssignale und die Wirkungen dieser Umverteilung nicht aufheben, ist es möglich, daß die Summe sämtlicher Lastzellenausgangssignale nicht immer gleich der gleichen Proportionalbeziehung zu der angelegten Gesamtlast ist.
S&sub1; = ai·Fi,1 = (i,k·Fi,1 + bi,k,j·Fi,j)
Die Proportionalitätsfaktoren ai sind konstant und können sich nicht ändern, damit eine Waage genau ist. Das heißt, daß die Empfindlichkeit dieser Konstanten für irgendeine Änderung irgendeiner der Variablen: ai,k (proportionaler Lastanteil), Fi,1 (Lastkraft) oder Fi,2 (Nichtlastkraft), x und y (Laststelle), X (Gabelposition) und t (Zeit) null sein muß.
Genauer gibt es bei den Lastzellen 412 und 414 aus Fig. 3 lediglich zwei zusammengesetzte Ausgangssignale S&sub1; und S&sub2;, wobei jedes das Ergebnis des Ausgangssignals von lediglich zwei Lastzellen ist.
S&sub1; = a&sub1;·F1,1
= (a1,1 + a1,2)·F1,1 + (b1,1,2 - b1,2,2)·F1,2
und
S&sub2; = a&sub2;·F2,1
= (a2,1 + a2,2)·F2,1 + (b2,1,2 - b2,2,2)·F2,2
Dabei wird das Gewicht auf die Waage W durch die Summe der zusammengesetzten Ausgangssignale dargestellt.
W = F1,1 + F2,1.
Die Lastkräfte F1,1 und F2,1 können mit x, der horizontalen Lastposition parallel zu der Lastzellenabstützebene, zusammenhängen, wobei R der horizontale Abstand zwischen den zusammengesetzten Lastzellenabstützungen ist.
F1,1 = W·(1 - x/R) und f2,1 = W·x/R
Die Nichtlastkräfte F1,2 und F2,2 können mit y, der horizontalen Lastposition von der Lastzellen-Abstützebene, und H, dem vertikalen Abstand zwischen den Lastzellen in jeder zusammengesetzten Lastzelle, und den Gabelpositionen X&sub1; und X&sub2;, den horizontalen Positionen parallel zur Lastzellenabstützebene, zusammenhängen.
F1,2 = F1,1·(y/H + C1,1·x&sub1; + c1,2·x&sub2;)
und
F2,2 = F2,1·(y/H + C2,1·x&sub1; + C2,2·x&sub2;)
Ohne zusätzliche Sensoreingangssignale wie in der Zweikrafterfassungs-Lastzelle kann die Empfindlichkeit für die x-, y-Lastposition durch richtige Einstellung der Lastverteilungsfaktoren a1,i durch Meßbereichseinstellung der einzelnen Lastzellenausgangssignale beseitigt werden. Wenn andererseits eine gewisse Empfindlichkeit für die Lastposition zulässig ist, kann die Empfindlichkeit für die Lastposition durch richtige Einstellung der Lastverteilungsfaktoren ai,j durch Meßbereichseinstellung der einzelnen Lastzellenausgangssignale beseitigt werden.
Die Lastverteilungsfaktoren ai,j können sich ändern, wenn sich die Last während der Zeit verschiebt. Dies stellt sich als elastisches Kriechen in der einzelnen Lastzelle dar. Unter diesen Bedingungen sind die einzelnen Lastzellenausgangssignale nicht stabil. Dies stellt zeitabhängige Faktoren
S&sub1; = [a1,1·(α1,1 + β1,1·t + γ1,1·t² +...) + a1,2·(α1,2 + β1,2·γ1,2·t² + ...)]·F1,1
und
S&sub2; = [a2,1·(α2,1 + β2,1·t + γ2,1·t² + ...) + a2,2·(α2,2 + β2,2·γ2,2·t² + ...))]·F2,1
dar.
Diese zeitabhängigen Faktoren können durch richtige Einstellung der Lastverteilungsfaktoren, so daß sich die Abhängigkeitsfaktoren aufheben, von den zusammengesetzten Lastzellenausgangssignalen aufgehoben werden.
a1,1·(β1,1·t + γ1,1·t² + ...) + a1,2·(β1,2·t + γ1,2·t² + ...) = 0
a2,1·(β2,1·t + γ2,1·t² + ...) + a2,2·(β2,2·t + γ2,2·t² + ...) = 0
Wenn sich die Lastverteilungsfaktoren ai,j mit periodisch durchlaufender Last ändern, verhindert die statische Reibung, daß die zunehmende Kraft mit den abnehmenden Kräften übereinstimmt. Dies stellt sich als statische Hysterese in der einzelnen Lastzelle dar. Unter diesen Bedingungen wiederholen die einzelnen Lastzellenausgangssignale ihre Werte nicht, wenn der Lastzyklus umgekehrt wird. Dies stellt laständerungsabhängige Faktoren:
S&sub1; = [a1,1·(α1,1 + ul1,1·ΔF1,1 + σ1,1·ΔF ,1 + ...) + a1,2·(α1,2·(α1,2 + u1,2·ΔF1,1·σ1,2·ΔF ,1 + ...)]·F1,1
und
S&sub2; = [a2,1·(α2,1 + u2,1·ΔF2,1 + σ2,1·ΔF ,1 + ...) + a2,2·(α2,2 + u2,2·ΔF2,1·σ2,2·ΔF ,1 + ...)]·F2,1
dar.
Diese laständerungsabhängigen Faktoren können durch richtiges Einstellen der Lastverteilungsfaktoren, so daß sich die Abhängigkeitsfaktoren aufheben, aus den zusammengesetzten Lastzellenausgangssignalen aufgehoben werden.
a1,1·(α1,1 + u1,1·ΔF1,1 + σ1,1·ΔF ,1 + ...) + a1,2·(α1,2 + ul1,2·ΔF1,1·σ1,2·ΔF ,1 + ...) = 0
und
a2,1·(α2,1 + u2,1·ΔF2,1 + s2,1·ΔF ,1 +...) + a2,2·(α2,2 + u2,2·ΔF2,1·σ2,2·ΔF ,1 + ...) = 0
Der Betrieb dieses Waagentyps ist in Fig. 4c gezeigt, wo eine Waage 430 obere und untere Lastzellen 432 und 434 enthält, über die bei 438 summiert wird, wobei ein Ausgangssignal über den Block 436 skaliert wird. Natürlich kann die Skalierung in der in dieser Figur gezeigten Waage sowie in den Lastzellen und in der Waage der Fig. 4a und 4b eine Skalierung durch Skalieren einer oder beider Signale vor ihren Summationen erzeugen.

Neigbare Waage

Es ist festgestellt worden, daß auch eine neigbare oder transportable Waage hergestellt werden kann, die genau wiegt, wenn sie in Übereinstimmung mit der Erfindung geneigt wird. Diese Waage enthält wenigstens einen Neigungssensor und elektronische Schaltungen mit der Fähigkeit zum Verarbeiten der Signale von einem Neigungssensor und einem Lastsensor. Der Lastsensor kann irgendeine Anzahl von Kraftsensoren enthalten, die erforderlich sind, um die Last auf der Lastabstützung von der Basis abzustützen. Die elektronischen Schaltungen verarbeiten die Signale von den Kraftsensoren und Neigungssensoren und liefern unabhängig von den Wirkungen der Neigung der Waage aus ihrem ebenen Zustand das richtige Signal in bezug auf das auf die Waage ausgeübte Gewicht.
Es ist bekannt, daß Neigungswaagen, wenn sie unkompensiert sind, verschiedene Änderungen der Kraft senkrecht zu der Lastabstützungsebene verursachen, und daß feststehende Waage eben stehen müssen, um genau zu wiegen. Wenn der Neigungswinkel bekannt ist, kann die Kraft auf die Lastabstützung der Waage als Funktion dieses Winkels vorausgesagt werden. Diese Voraussage kann daraufhin zum Berechnen des Gewichts verwendet werden.
W = F&sub1;/cosθ und S = A&sub1;·W·cosθ
Hier ist F&sub1; die durch den richtungsempfindlichen Lastsensor erfaßte Kraft senkrecht zur Waagenabstützebene, während θ der Neigungswinkel und S das Lastsensor-Ausgangssignal und A&sub1; der Kraftempfindlichkeitsfaktor für Lasten senkrecht zur Ebene der Lastabstützung ist.
Wenn sich die Waage um mehr als eine Neigungsachse neigen kann, ist ein Neigungssensor mit mehr als einer Achse der Neigungsempfindlichkeit erforderlich oder sind zwei Neigungssensoren erforderlich. Wenn die Neigungssensoren senkrecht zueinander orientiert sind, ist die Wirkung des Winkels θ eine Funktion der zwei erfaßten Winkel φ&sub1; und φ&sub2;.
W = F&sub1;·
Wenn der Lastsensor empfindlich für Kräfte ist, die nicht senkrecht zu seiner Abstützebene sind, kann eine weitere Änderung des Waagensignals erfaßt werden, wobei A&sub2; und A&sub3; Kraftempfindlichkeitsfaktoren des Lastsensors für Kräfte tangential zur Lastabstützungsebene sind.
S = A&sub1;·W·cosθ + A&sub2;·W·sinφ&sub1; + A&sub3;·W·sinφ&sub2;
Dies kann der Fall sein, wenn in einer Waage eine Zweikraftsensor-Lastzelle verwendet wird oder wenn die verwendete Lastzelle eine Empfindlichkeit für Kräfte tangential zur Lastzellen-Abstützebene besitzt. Es kann gezeigt werden, daß der Einfluß dieser tangentialen Empfindlichkeiten durch Phasenverschiebungen σ&sub1; und σ&sub2; in den Winkelsensoreingangssignalen und einen geänderten Empfindlichkeitsfaktor A&sub4; dargestellt werden kann.
W = S/A&sub4;·
Wenn der Lastsensor getrennte Kraftempfindlichkeits- Ausgangssignale in zwei Richtungen erzeugt, die nicht auf die Hauptkraftempfindlichkeitsrichtung ausgerichtet sind, können diese Ausgangssignale zur Bestimmung der Neigungswinkel und als Winkelsensoren verwendet werden. Wenn die zwei Kraftempfindlichkeitsrichtungen senkrecht zu der Hauptrichtung und zueinander sind, definieren sie ein Koordinatensystem und können direkt zur Messung der ausgeübten Kraft unabhängig vom Neigungswinkel verwendet werden,
W = ,
wobei die Kräfte durch Eichen der einzelnen Kraftausgangssignale gemessen werden. Die Neigungswinkel können bestimmt werden:
φ&sub1; = tan&supmin;¹ F&sub2;/F&sub1; und φ&sub2; = tan&supmin;¹ F&sub3;/F&sub1;

Mechanische Konfiguration

Die mechanischen Komponenten der bevorzugten Hubstapler- Waage 10 sind in Fig. 5 gezeigt. Vorzugsweise ist die Waage 10 so konstruiert, daß sie leicht ohne wesentliche Abwandlung an dem Stapler an einem Standard-Hubstapler anzubringen und zu entfernen ist. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Waage einfach auf die gleiche Weise wie Standardgabeln an die vorhandenen Querstangen 24, 26 des Staplers angehängt. Mit Ausnahme der Anbringung des Gehäuses für den Controller 30, dem Verlegen der Drähte zwischen der Waage und dem Controller und dem Anschließen des Controllers an die Batterie des Hubstaplers ist typischerweise keine weitere Abwandlung an dem Hubstapler erforderlich.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist, erstrecken sich die Querstangen 24, 26 am Hubstapler 1 seitlich, während sie vertikal voneinander beabstandet sind. Die Querstange 24 besitzt an ihrer Oberseite mehrere Kerben, um in vom Betreiber ausgewählten Breiten die Gabeln 28 aufzunehmen. Die Hubstapler-Waage 10 enthält eine erste und eine zweite vertikal orientiert angebrachte Platte 40 und 60, wobei diese zwischen den Querstangen und den Gabeln eines Standardhubstaplers liegen und über mehrere Lastzellen 100, 102, 104 und 106 verbunden sind.
Die erste Platte 40 wirkt als Basis der Waage und enthält ein Paar Haken 42, die in die Querstange 24 eingreifen, so daß die Platte 40 durch die Querstange abgestützt ist. Ein Paar abnehmbarer Haken 44 sind mit den Durchsteckschrauben 45 an die Unterseite der Platte 40 geschraubt, um die Platte fest an der Querstange 26 zu befestigen. Da allgemein lediglich das Befestigen oder Lösen der abnehmbaren Haken 44 an der oder von der Platte 40 erforderlich ist, ist das Anbringen und Entfernen der Waage 10 an dem oder von dem Hubstapler verhältnismäßig einfach.
Die zweite Platte 60 ist über die Lastzellen 100, 102, 104 und 106 an der ersten Platte 40 angebracht. Die zweite Platte 60 enthält an ihrer Oberseite ähnliche Kerben wie die Querstange 24, so daß die Gabeln 28 auf ähnliche Weise, wie sie an der Querstange eines herkömmlichen Hubstaplers angebracht werden können, in mehreren Querpositionen daran angebracht werden können. Die zweite Platte 60 und die Gabeln 28 bilden das Kraftaufnahmeelement oder die Konstruktion für die Waage 10, da es diese Konstruktion ist, die durch die Gabeln über die Lastzellen die Kraft von einer Gegenstandsabstützung zum Wiegen ausübt. Es ist aber klar, daß die Basis und die Kraftaufnahmekonstruktion in anderen Anwendungen in Übereinstimmung mit der Anwendung verschieden sein können. Beispielsweise ist die Kraftaufnahmekonstruktion für Stapler- oder Bühnenwaagen typischerweise eine horizontale Bühne, während die Basis ein Gehäuse oder eine andere Konstruktion ist, an der die Lastzellen angebracht sind.
An der Platte 40 ist der Platte 60 gegenüberliegend ein Verbindungskasten 20 angebracht, der hinter einer an der Platte 60 befestigten Abdeckung geschützt ist. In dem Verbindungskasten 20 sind der Lastzellentreiber 200 und die Neigungssensoren 304, 306 untergebracht, die unten in Verbindung mit Fig. 7 beschrieben werden. Zum Schutz der darin untergebrachten elektrischen Schaltungsanordnung vor der Umgebung ist der Verbindungskasten 20 vorzugsweise ein wasserbeständiges Gehäuse.
Die Lastzellen 100, 102, 104 und 106 sind allgemein senkrecht zu den Platten orientiert und in zwei seitlich beabstandeten vertikalen Säulen angeordnet. Von der Vorderseite der Waage aus betrachtet ist die Lastzelle 100 eine obere linke Lastzelle, die Lastzelle 102 eine obere rechte Lastzelle, die Lastzelle 104 eine untere linke Lastzelle und die Lastzelle 106 eine untere rechte Lastzelle.
In den Fig. 6 und 6a-d ist die Lastzelle 100 gezeigt, die auch beispielhaft für die Lastzellen 102, 104 und 106 ist. Die Lastzelle 100 enthält allgemein einen Gewindeschaft 110, einen Sensorabschnitt 112 und einen Flansch 114. Der Schaft 110 definiert eine neutrale oder Längsachse 130 für die Lastzelle und enthält einen Ring 118, der als Anschlag wirkt, wenn die Lastzelle an der Platte 40 angebracht ist. Wie unten diskutiert wird, werden zum Befestigen der Lastzelle an der Platte 40 eine Mutter 126 und eine Unterlegscheibe 128 verwendet. Außerdem enthält die Lastzelle 100 einen Flansch 114, der allgemein senkrecht zu der Längsachse 130 des Schafts 110 und so beschaffen ist, daß er mit mehreren durch die Öffnungen 68 in den (in Fig. 5 gezeigten) Gewindebohrungen 115 befestigter Durchsteckschrauben 70 an der Platte 60 angebracht werden kann.
Der Sensorabschnitt 112 befindet sich zwischen dem Anschlag 118 und dem Flansch 114. Dieser Abschnitt enthält ein verformbares Element 116, das so beschaffen ist, daß es als Antwort auf eine längs eines ersten, gewünschten Kraftvektors ausgeübte Kraft, die in diesem Fall eine mit dem Pfeil 113 bezeichnete vertikal orientierte Kraft infolge der Schwerkraft ist, verformt oder ausgelenkt wird. Das verformbare Element 116 ist außerdem so beschaffen, daß es wenigstens einige der auf andere Kraftvektoren ausgeübten Kräfte zurückweist und dadurch die gewünschten zu erfassenden Kräfte wesentlich isoliert. Das verformbare Element ist gewalzt oder anderweitig mit einem verschmälerten Abschnitt, der ein Paar gegenüberliegender ebener seitlicher Oberflächen 132, 134 definiert, ausgebildet, wodurch eine in einer Richtung parallel zu den Oberflächen (d. h. längs des Pfeils 113) ausgeübte vertikale Kraft eine meßbare Scherung über den Sensorabschnitt der Lastzelle einführt. Die oberen und unteren Oberflächen 137, 138 sind allgemein senkrecht zu den seitlichen Oberflächen 132, 134 orientiert.
Der Körper der Lastzelle 100 enthält vorzugsweise Werkzeugstahl. Andere für Lastzellen und dergleichen verwendete geeignete Materialien einschließlich anderer Metalle, Metallegierungen, Verbundmaterialien usw. können ebenfalls verwendet werden.
In dem Sensorabschnitt 112 ist ein erster Kraftsensor 140 zur Messung der durch eine vertikale Last auf das verformbare Element 116 ausgeübten Scherkräfte angebracht. Der Kraftsensor 140 enthält in der bevorzugten Ausführungsform vier Kraftmeßwandler, vorzugsweise Dehnungsmeßeinrichtungen, T1, T2, C1 und C2, die in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration verschaltet sind. Zwei der Dehnungsmeßeinrichtungen T1, T2 unterliegen der Zugbeanspruchung durch eine ausgeübte Kraft, während die anderen Meßeinrichtungen C1, C2 einer Druckbeanspruchung unterliegen.
Die Dehnungsmeßeinrichtungen sind von einem Typ, der dadurch wirkt, daß sich als Antwort auf eine auf die Meßeinrichtung ausgeübte Dehnung ihr Widerstand ändert. Beispielsweise ist eine geeignete Dehnungsmeßeinrichtung eine von Micro Measurements hergestellte Konstantan- Polyimid-Dehnungsmeßeinrichtung. Typischerweise besitzen die Dehnungsmeßeinrichtungen einen Widerstand, der im Bereich von 120 bis 5000 Ω schwankt. Alternativ können auch andere kommerziell verfügbare Dehnungsmeßeinrichtungen verwendet werden.
Die Dehnungsmeßeinrichtungen im Sensor 140 sind vorzugsweise aufeinander abgestimmt, um irgendwelche Meßbereichsdifferenzen zwischen ihnen zu minimieren. Außerdem sind die Dehnungsmeßeinrichtungen in der Weise an dem verformbaren Element 116 orientiert, daß sie vorrangig auf die längs des ersten Kraftvektors 113 ausgeübten Scherkräfte antworten. Die Zugmeßeinrichtungen T1 und T2 sind an den gegenüberliegenden ebenen Oberflächen 132, 134 orientiert und um 45º gegenüber der neutralen Achse 130 geneigt, so daß sie als Antwort auf Scherkräfte einer Zugbeanspruchung unterliegen. Die Druckmeßeinrichtungen C1 und C2 sind ebenfalls an den ebenen Oberflächen 132 und 134 angeordnet, wobei sie aber um 90º gegenüber den Zugmeßeinrichtungen orientiert sind, so daß sie als Antwort auf die Scherkräfte einer Druckbeanspruchung unterliegen.
Wenn die Dehnungsmeßeinrichtungen in dieser Konfiguration in einer (unten ausführlicher diskutierten) Wheatstone- Brückenkonfiguration verschaltet sind, antwortet das Ausgangssignal der Brückenschaltung vorrangig auf die Kraft längs des gewünschten Kraftvektors 113, während die anderen Kräfte im wesentlichen von der Ausgabe zurückgewiesen werden. Bedingt durch Fehler wie etwa im Ergebnis von Fertigungstoleranzen, Fehlabstimmungen der Dehnungsmeßeinrichtungen, Montageunvollkommenheiten usw. beeinflussen aber typischerweise immer noch andere als "verbleibende zurückgewiesene Wirkungen" bezeichnete Kräfte das Ausgangssignal des ersten Sensors 140. Entsprechend ist in der Lastzelle 100 außerdem ein zweiter Kraftsensor 150 zum Isolieren und Messen einer oder mehrerer dieser verbleibenden zurückgewiesenen Wirkungen enthalten.
In der bevorzugten Ausführungsform enthält der zweite Kraftsensor 150 vier zusätzliche Dehnungsmeßeinrichtungen T3, T4, C3 und C4, die ebenfalls in einer Wheatstone- Brückenschaltung verschaltet sind. Die Meßeinrichtungen im Sensor 150 sind vorzugsweise aufeinander abgestimmt und können auch auf jene im Sensor 140 abgestimmt sein.
Die Dehnungsmeßeinrichtungen T3 und T4 sind so orientiert, daß sie im Ergebnis von Nichtlastwirkungen auf einen oder mehrere von dem Vektor 113 verschiedene Kraftvektoren der Zugbeanspruchung unterliegen, während die Dehnungsmeßeinrichtungen C3 und C4 so orientiert sind, daß sie im Ergebnis dessen der Druckbeanspruchung unterliegen. Wie in den Fig. 6a und 6c gezeigt ist, sind die Meßeinrichtungen T3 und T4 beispielsweise auf den oberen und unteren Oberflächen 137 und 138 des verformbaren Elements 116 orientiert, wobei sie allgemein längs dessen Längsachsen orientiert sind. Die Dehnungsmeßeinrichtungen C3 und C4 sind ebenfalls auf den oberen und unteren Oberflächen orientiert, wobei sie aber um 90º gegenüber den Zugmeßeinrichtungen orientiert sind.
In der für die Sensoren T3, T4, C3 und C4 gezeigten Konfiguration können auf Wunsch zwei verschiedene Wirkungen gemessen werden. Zur Messung der Kopflasten, die hauptsächlich quer zu dem ersten Kraftvektor orientierte horizontale Kräfte sind, können die Meßeinrichtungen im Sensor 150, wie in Fig. 8 gezeigt ist, in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration angeordnet sein. Alternativ können die Meßeinrichtungen C4 und T4 zur Messung der Kopfmomente (siehe Fig. 2) in der Wheatstone-Brückenschaltung umgeschaltet werden, um statt dessen diese Wirkungen zu messen.
Außerdem ist klar, daß an der Lastzelle zusätzliche Sensoren zur Messung mehr als einer Wirkung längs mehr als eines Kraftvektors angeordnet sein können. Außerdem können die sekundären Sensoren auch an einer anderen Konstruktion in der Waage, beispielsweise an getrennten Biegeeinrichtungen, die die zwei Platten verbinden, angeordnet sein. In der bevorzugten Ausführungsform sind die sekundären Sensoren aber an dem gleichen Element wie die Hauptkraftsensoren angeordnet.
An der Lastzelle 100 sind mehrere weitere Komponenten angebracht. Beispielsweise ist allgemein parallel und zu den ebenen Oberflächen 132 versetzt eine Leiterplatte 136 angeordnet. Die auf dieser Platte zu findende Schaltungsanordnung wird unten in Verbindung mit Fig. 8 diskutiert. Außerdem ist an der Leiterplatte ein Bleidraht 124 angebracht, der Signale zu und von der Lastzelle führt.
Außerdem sind an der ebenen Oberfläche 132 zwei Thermistoren VR1 und VR2 angebracht. Diese Thermistoren sind resistive Elemente, deren Widerstand sich als Antwort auf Temperaturschwankungen ändert. Die Verwendung dieser Thermistoren wird ebenfalls unten in Verbindung mit Fig. 8 diskutiert.
Die Sensoren und weitere Komponenten der Lastzelle 100 sind zum Schutz dieser Elemente vor der Umgebung vorzugsweise in einem Abdeckblech 120 untergebracht. Vorzugsweise befindet sich in dem Abdeckblech 120 auch ein Vergußmaterial 122 wie etwa Polyurethan, das beim Schutz der Elemente der Lastzelle 100 vor der Umgebung hilft und außerdem irgendwelche von der Waage erfahrene Temperaturschwankungen minimiert.
Zurückkehrend zu Fig. 5 sind die Lastzellen 100, 102, 104 und 106 zwischen den Platten 40 und 60 der Waage 10 angebracht. Jede Lastzelle wird vorzugsweise zunächst durch Einführen des Gewindeschafts 110 durch die Öffnung 64 in die zweite Platte 60, so daß der Flansch 114 in der versenkten Aussparung 66 aufgenommen ist, an der zweiten Platte 60 angebracht. Daraufhin werden mehrere Durchsteckschrauben 70 in die entsprechenden Öffnungen 68 bzw. Gewindeöffnungen 115 in der zweiten Platte 60 und in dem Flansch 114 eingepaßt, um die Lastzellen an der zweiten Platte zu befestigen.
Wenn die Lastzellen an der Platte 60 angebracht sind, können sie durch Anbringen der Gewindeschäfte 110 durch die Öffnungen 46 in der ersten Platte 40 und daraufhin durch Befestigen der Gewindeschäfte mit der Mutter 126 und der Unterlegscheibe 128 an der ersten Platte 40 angebracht werden. Die versenkten Aussparungen 48 sind in der Nähe der Öffnungen 46 auf der den Querstangen zugewandten Seite vorgesehen, so daß die Mutter 126 in bezug auf die Oberfläche der Platte 40 versenkt oder ausgespart ist.
Mit der hier gezeigten Konfiguration ist die Platte 40 am Ring 118 jeder Lastzelle in Eingriff, während der Flansch 111 in der Aussparung 66 in der Platte 60 in Eingriff ist. Folglich schafft die Verbindung zwischen den Platten 40 und 60 ein verhältnismäßig dünnes Profil mit einem minimalen Abstand zwischen den Platten. Dies ist wichtig, da bedingt durch den größeren Abstand zwischen den Gabeln und dem "Hebelpunkt" des Hubstaplers, typischerweise den Vorderrädern, je größer die Dicke der Waage ist, desto mehr Kapazität des Hubstaplers verringert wird.
Alternativ können andere Anbringungskonfigurationen verwendet werden. Beispielsweise können alternativ zu den Muttern 126 Gegenmutterspanner wie etwa die von Super Bolt Inc. hergestellten Modelle SJ verwendet werden.
Diese Spanner enthalten eine kreisförmige Anordnung von Spannsatzschrauben, die, nachdem der Spanner auf den Schaft 110 aufgeschraubt worden ist, angezogen werden. Spanner dieser Art können einen verringerten Schlupf in der Anbringung und somit eine idealere Belastung des Schafts schaffen.
Außerdem kann als Alternative zu dem hier offenbarten Zweiplattenmechanismus auch die in dem obenerwähnten Bradley-Patent gezeigte mechanische Einplattenkonfiguration verwendet werden. Außerdem können zwischen den Platten mehr oder weniger Lastzellen verwendet werden, während sich zwischen den Platten auch eine oder mehrere Biegeeinrichtungen zur Aufnahme eines Teils der Last befinden können.
Als Beispiel zeigt Fig. 10 eine alternative mechanische Kopplung, die lediglich zwei Lastzellen zusammen mit zwei oder vier Biegeeinrichtungen verwendet. Wie in dieser Figur gezeigt ist, enthält die erste und die zweite Platte 40' und 60' jeweils sechs Öffnungen 46', 64' in zwei seitlich beabstandeten vertikalen Säulen. In den Mittelöffnungen sind in jeder vertikalen Säule zwei Lastzellen 100' und 102' angebracht. Außerdem sind in den verbleibenden Öffnungen vier Biegeeinrichtungen 103 angebracht, die einen Teil der Last zwischen den Platten aufnehmen. Jede Biegeeinrichtung besitzt insbesondere in bezug auf die Anbringungshardware für Austauschbarkeitszwecke eine ähnliche Konstruktion wie die Lastzellen, wobei sie aber keine Sensoren oder anderen elektrischen Komponenten enthält. Die Biegeeinrichtungen können verschmälert werden (d. h., um die gegenüberliegenden ebenen Oberflächen näher zueinander zu bringen), so daß jede Biegeeinrichtung weniger Gesamtkraft aufnimmt, wodurch weniger von der von der Waage getragenen Gesamtkraft gemindert wird. Außerdem sind die Biegeeinrichtungen längs ihrer Längsachsen vorzugsweise um 90º gegenüber den Lastzellen gedreht, so daß die gegenüberliegenden ebenen Oberflächen daran im wesentlichen horizontal sind, so daß sie irgendwelchen Querkräften standhalten.
Dieser Typ einer alternativen Konfiguration besitzt den Vorteil, eine verringerte Anzahl von Teilen, eine größere Austauschbarkeit der Teile und wegen der Verwendung von nur zwei Lastzellen verringerte Kosten zu schaffen. Außerdem kann die Verwendung der Biegeeinrichtungen die Gesamtkapazität der Waage erhöhen. Außerdem ist vorherzusehen, daß die gleichen Platten 40' und 60', da irgendwelche nicht genutzten Öffnungen auf Wunsch mit Biegeeinrichtungen gefüllt werden können, ohne wesentliche Abwandlung für Waagen mit zwei, vier oder sechs Lastzellen verwendet werden könnten. Folglich können mit den gleichen mechanischen Grundbauelementen Waagen mit anderer Kapazität oder Genauigkeit hergestellt werden.

Elektrische Konfiguration

Die elektrischen Hauptkomponenten der bevorzugten Hubstapler-Waage 10 sind funktionell in Fig. 7 gezeigt. Die elektrischen Waagenkomponenten sind an drei Hauptorten untergebracht. Wie oben beschrieben wurde, befindet sich insbesondere die Schaltungsanordnung für jede Lastzelle 100, 102, 104 und 106 hauptsächlich in dem Sensorabschnitt jeder Lastzelle. Der Lastzellentreiber 200 befindet sich vorzugsweise zusammen mit einem Paar Neigungssensoren 304 und 306, die bei der Neigungseinstellung verwendet werden, im Verbindungskasten 20. Schließlich werden die höheren Verarbeitungsfunktionen der Waage durch den Controller 30 ausgeführt, der sich (z. B. an der in Fig. 1 gezeigten Stelle) in einem getrennten Gehäuse befindet, das für einen Betreiber zugänglich ist. Der Controller 30 stellt allgemein die Lastzellenerregungsfunktion 300, die Neigungseinstellungsfunktion 302, die Gewichtsverarbeitungsfunktion 308, die Anwendereingabefunktion 312 und die Anzeigefunktion 310 bereit.

Lastzellen-Schaltungsanordnung

Fig. 8 zeigt die bevorzugte Schaltungsanordnung für die Lastzelle 100. Die Schaltungsanordnung für die anderen Lastzellen ist im wesentlichen die gleiche. Die elektrische Kommunikation mit der Lastzelle wird über einen Bleidraht 124 ausgeführt, der eine Abschirmleitung, drei Eingangsleitungen (+LOAD EXC, +TRIM EXC und -EXC) und zwei Ausgangsleitungen (+OUT und -OUT) enthält. Die Abschirmleitung ist einfach an den Körper der Lastzelle gebunden, um eine unerwünschte Störung von den anderen Signalleitungen abzuschirmen.
Der erste Sensor 140 wird als der "Lastsensor" bezeichnet, da dieser Sensor hauptsächlich für die auf die Lastzelle ausgeübte Last verantwortlich ist. Der Sensor 140 ist vorzugsweise ein Widerstandsnetz, das durch die Wheatstone-Brückenkopplung der Dehnungsmeßeinrichtungen T1, T2, C1 und C2 gebildet ist. Außerdem sind optional ein Paar Thermistoren TCR1 und TCR2 in Serie mit den Meßeinrichtungen T2 und C2 enthalten, um eine Nullpunktkompensation für Temperaturwirkungen auf das Ausgangssignal der Brücke zu schaffen. Die Thermistoren TCR1 und TCR2 besitzen einen Nennwiderstand (etwa 1 Ω) wie etwa von Micro Measurements hergestellter Kupferdraht Nr. 34.
Der zweite Sensor 150 wird als der "Abstimmsensor" bezeichnet, da dieser Sensor einen oder mehrere verbleibende zurückgewiesene Wirkungen erfaßt und die Antwort des ersten Sensors in der Weise "abstimmt", daß diese Wirkungen aus dem Ausgangssignal der Lastzelle entfernt werden. Der Sensor 150 wird durch die Wheatstone-Brückenkopplung der Dehnungsmeßeinrichtungen T3, T4, C3 und C4 gebildet. Wie oben diskutiert wurde, erfaßt diese Konfiguration hauptsächlich quer zu dem Hauptkraftvektor orientierte Kopflasten. Optional können die Dehnungsmeßeinrichtungen C4 und T4 in der Brücke zur Messung von Kopfmomenten umgeschaltet werden.
Die Sensoren 140 und 150 besitzen jeweils zwei Eingangsleitungen (+EXC und -EXC), die einen Eingang für den Empfang einer Erregungsspannung bilden, sowie jeweils zwei Ausgangsleitungen (+OUT und -OUT), die einen Ausgang zur Bereitstellung eines Ausgangssignals, das die auf den Sensor ausgeübte Kraft darstellt, bilden. Die Sensoren 140 und 150 sind allgemein parallelgeschaltet, wodurch das Ausgangssignal des Sensors 150 tatsächlich das Ausgangssignal des Sensors 140 skaliert, um verbleibende zurückgewiesene Wirkungen zu kompensieren.
Die Eingänge +EXC der Sensoren 140 und 150 sind an zwei getrennte Erregungssignale von dem Bleidraht 124 gekoppelt. Der Sensor 140 ist über den Widerstand R5 in Serie mit dem parallelen Netzwerk des Widerstands R1 und des veränderlichen Widerstands VR1 mit dem Erregungssignal +LOAD EXC gekoppelt. Der Eingang -EXC des Sensors 140 ist über den Widerstand R6 in Serie mit dem parallelen Netzwerk des Widerstands R2 und des veränderlichen Widerstands VR2 mit dem Erregungssignal -EXC im Bleidraht 124 gekoppelt.
Die Widerstände R5 und R6 stellen eine Meßbereichseinstellung für das Ausgangssignal der Lastzelle bereit, wobei sie vorzugsweise feste Widerstände im Bereich von 0 bis 100 Ω sind. Die festen Widerstände R1 und R2 und die veränderlichen Widerstände VR1 und VR2 stellen eine Temperaturkompensationseinrichtung für die Lastzelle bereit, so daß Temperaturänderungen den Meßbereich oder die Empfindlichkeit der Lastzelle nicht beeinflussen. Die veränderlichen Widerstände VR1 und VR2 sind vorzugsweise Thermistoren wie etwa von Micro Measurements hergestellte durch Kontaktieren anschließbare Nickelwiderstandselemente mit einem Maximalwiderstand im Bereich von 0 bis 140 Ω. Die festen Widerstände R1 und R2 liegen typischerweise im Bereich von etwa 200 Ω.
Die Eingänge +EXC und -EXC des Sensors 150 sind allgemein zum Sensor 140 parallelgeschaltet. Der Eingang +EXC des Sensors 150 ist an ein Erregungssignal +TRIM EXC vom Bleidraht 124 gekoppelt, das in der bevorzugten Ausführungsform getrennt von der Lastsensorerregung +LOAD EXC angesteuert wird, um, wie unten diskutiert wird, das Entfernen der verbleibenden zurückgewiesenen Wirkungen aus dem Lastzellenausgangssignal zu erleichtern. Der Eingang -EXC des Sensors 150 ist direkt mit dem Eingang -EXC des Bleidrahts 124 gekoppelt.
Die Ausgangssignale der Sensoren 140 und 150 sind ebenfalls parallelgeschaltet, so daß das an den Ausgängen des Sensors 150 vorhandene Signal in der Weise wirkt, daß es als Antwort auf verbleibende zurückgewiesene Wirkungen das Ausgangssignal des Sensors 140 skaliert. Die Eingangssignale +OUT und -OUT des Sensors 140 definieren ein erstes Ausgangssignal für die Lastzelle und sind direkt mit den Signalen +OUT und -OUT der Bleileitung 124 gekoppelt. Die Ausgangssignale +OUT und -OUT des Sensors 150 definieren ein zweites Ausgangssignal für die Lastzelle und sind über die Widerstände R3 bzw. R4 mit den Signalen +OUT und -OUT der Bleileitung 124 gekoppelt. Die Widerstände R3 und R4 sind feste Widerstände, die allgemein das Ausgangssignal des Sensors 150 im Vergleich zum Sensor 140 dämpfen, und die typischerweise Widerstandswerte im Bereich von 5-500 Ω besitzen. Das Gesamtausgangssignal der Lastzelle, ein drittes Ausgangssignal, wird über die Leitungen +OUT und -OUT der Bleileitung 124 gebildet. Dieses resultierende dritte Ausgangssignal über +OUT und -OUT der Bleileitung 124 ist verantwortlich für die vom Sensor 140 erfaßte Kraft und wird durch das Ausgangssignal des Sensors 150 auf verbleibende zurückgewiesene Wirkungen kompensiert.
In der bevorzugten Ausführungsform enthält die Vorrichtung zum Entfernen verbleibender zurückgewiesener Wirkungen eine Skalierungseinrichtung zum Skalieren der relativen Ausgangssignale des ersten und des zweiten Sensors 140 und 150. Diese Skalierung wird vorzugsweise ausgeführt (1) durch Auswahl der Widerstände R3 und R4 und (2) durch Steuern der relativen Größen der Erregungssignale +LOAD EXC und +TRIM EXC. Die Widerstände R3 und R4 sind vorzugsweise fest, wodurch eine "Grob"-Einstellung der Ausgangssignale bereitgestellt wird. Eine "Feinabstimmung" dieser Einstellung wird durch Steuern der Erregungsspannungen für jede Brücke ausgeführt.
Als Alternative können die Widerstände R3 und R4 veränderliche Widerstände sein, wobei die Sensoren 140 und 150 von dem gleichen Erregungssignal aus laufen. Außerdem kann die Skalierung in der Erregungsspannung, in den Ausgangssignalen oder (wie im Fall der bevorzugten Ausführungsform) in beiden ausgeführt werden, um das Entfernen der verbleibenden zurückgewiesenen Wirkungen auszuführen. Die Skalierung kann vollständig in der Lastzellen-Schaltungsanordnung ausgeführt werden oder kann eine zusätzliche Schaltungsanordnung (wie etwa die unten diskutierte Schaltung 200) verwenden. Ferner kann einer der Sensoren 140 oder 150 oder können beide skaliert werden, um die relative Skalierung der Ausgangssignale der Sensoren auszuführen. Außerdem kann die Skalierung (wie bei den hier offenbarten Widerständen) durch Dämpfung oder (z. B. mit einem Operationsverstärker) durch Verstärkung ausgeführt werden. Im allgemeinen kann in Übereinstimmung mit der Erfindung irgendein Mechanismus zur Skalierung der relativen Empfindlichkeiten der zwei Sensoren verwendet werden.
Es ist klar, daß in der bevorzugten Lastzelle in Übereinstimmung mit der Erfindung andere Sensoren und eine andere Schaltungsanordnung verwendet werden können. Beispielsweise können die Dehnungsmeßeinrichtungen so beschaffen sein, daß sie andere Wirkungen längs anderer Kraftvektoren einschließlich Kopfmomenten, Seitenmomenten, Verwindungsmomenten, Querkräften, Horizontalkräften usw. erfassen. Außerdem können als Alternativen zu Dehnungsmeßeinrichtungen andere Typen von Kraftmeßwandlern einschließlich kapazitiver Meßwandler, resistiver Meßwandler, Resonanzmeßwandler (z. B. Stimmgabeln, Schwingseiten, piezoelektrische Kristalle), optische Sensoren, Festkörper-Dehnungssensoren usw. verwendet werden.
Außerdem ist klar, daß die Skalierung der relativen Empfindlichkeiten des ersten und des zweiten Sensors durch andere analoge Einrichtungen als die hier beschriebenen ausgeführt werden kann und außerdem durch verschiedene digitale Signalverarbeitungsalgorithmen mit verschiedenen Hardware-Konfigurationen und/oder Software- Routinen ausgeführt werden kann. Da digitale Signale inhärent weniger fehleranfällig als analoge Signale sind, wäre eine solche digitale Manipulation der Signale besonders vorteilhaft in dem Fall, in dem digitale oder Resonanzmeßwandler verwendet werden.
Weitere Abwandlungen der bevorzugten Lastzelle können ebenfalls in Übereinstimmung mit der Erfindung stehen.

Lastzellentreiber-Schaltungsanordnung

Fig. 9 zeigt die Lastzellen-Treiberschaltung 200 ausführlicher. Die Treiberschaltung 200 arbeitet im wesentlichen als Lenkungsvorrichtung, die Erregungs-, Ausgangs- und Abschirmsignale an die und von den Controllern 30 und an jede und von jeder der Lastzellen 100, 102, 104 und 106 übergibt. Die Treiberschaltung 200 liefert ein gemeinsames Erregungssignal an die Lastzellen, skaliert die Erregungssignale zur Korrektur verschiedener Wirkungen und gibt ein gemeinsames Ausgangssignal zurück, das allgemein die auf verschiedene Nebenwirkungen korrigierte Summe der durch die Lastzellen erfaßten Kräfte darstellt.
Wie in Fig. 9 gezeigt ist, wird das gemeinsame Signal +EXC vom Controller 30 verwendet, um über die Leitungen +LOAD EXC bzw. +TRIM EXC sowohl die Last- als auch die Abstimmbrücken an den Lastzellen anzusteuern. Für die Lastbrücken wird ein Potentiometer (veränderlicher Widerstand) 203 verwendet, uni den von dem Controller gelieferten Strom von dem Signal +EXC zu verteilen, um die relativen Größen der an die Lastzellen in den linken und rechten Hälften 201, 202 der Schaltung 200 gelieferten Erregungsspannungen zu skalieren. Die linken und rechten Schaltungshälften 201 und 202 entsprechen den linken bzw. rechten Gruppen der Lastzellen. Entsprechend wird das Potentiometer 203 als Links/Rechts-Ausgleichspotentiometer bezeichnet.
Vom Links/Rechts-Ausgleichspotentiometer 203 sind in hintereinander geschalteter Anordnung ein Paar Potentiometer 204, 206 abgezweigt, die den Strom vom Potentiometer 203 verteilen, um die an die oberen und unteren Lastzellen in jeder Hälfte der Schaltung gelieferten relativen Größen der Erregungsspannungen zu skalieren. Das Potentiometer 204 skaliert die Erregungsspannungen der Lastzellen 100 und 104 und wird als das Links- Oben/Unten-Ausgleichspotentiometer bezeichnet. Das Potentiometer 206 skaliert die Erregungsspannungen der Lastzellen 102 und 106 und wird als das Rechts-Oben/Unten- Ausgleichspotentiometer bezeichnet.
Im Ergebnis bilden die Potentiometer 203, 204 und 206 eine Empfindlichkeitseinstelleinrichtung oder insbesondere eine Erregungsskalierungseinrichtung zum Skalieren der relativen Größen der Signale +LOAD EXC jeder einzelnen Lastzelle 100, 102, 104 und 106. Alternativ könnten mit jedem Signal +LOAD EXC getrennte veränderliche Widerstände verknüpft sein, die die einzelne Empfindlichkeitseinstellung der Signale liefern. Allerdings wäre eine solche Konfiguration schwieriger zu eichen als die in der bevorzugten Ausführungsform verwendete hintereinandergeschaltete Gruppe von drei Potentiometern 203, 204, 206.
Für die Abstimmbrücken der Lastzellen bildet ein Paar Potentiometer 208 und 210 eine Eingangsskalierungseinrichtung, die zum Verteilen des Stroms von dem von dem Controller gelieferten Signal +EXC zum Skalieren der relativen Größen der an die oberen und unteren Lastzellen in jeder Hälfte 201, 202 der Schaltung gelieferten Signale +TRIM EXC verwendet wird. Das Potentiometer 208 skaliert die an die Lastzellen 100 und 104 gelieferten Signale +TRIM EXC und wird als das Links-Oben/Unten- Abstimmpotentiometer bezeichnet. Das Potentiometer 210 skaliert die an die Lastzellen 102 und 106 gelieferten Signale +TRIM EXC und wird als das Rechts-Oben/Unten- Abstimmpotentiometer bezeichnet.
Die verbleibenden Signalleitungen in der Schaltung 200, -EXC, +OUT, -OUT und SHIELD, sind direkt zwischen dem Controller 30 und jeder der Lastzellen 100, 102, 104 und 106 geleitet. Das über +OUT und -OUT an den Controller gesendete gemeinsame Ausgangssignal stellt die Summe der skalierten Ausgangssignale der einzelnen Lastzellen dar. Allerdings liegt zwischen den Signalen +EXC und -EXC eine Nullpunkteinstelleinrichtung, das (als das Nullpotentiometer bezeichnete) Potentiometer 212, das durch das Signal -OUT vom Controller 30 angesteuert wird. Die Nullpunkteinstellung für die Waage kann durch Einstellen des Nullpunktpotentiometers 212 geliefert werden, was nützlich sein kann, um bei der Ausführung einer Analog- Digital-Umsetzung den maximal nutzbaren Meßbereich zu erhalten.
Die Potentiometer 203, 204, 206, 208, 210 und 212 sind vorzugsweise Wendelpotentiometer mit einem Bereich von 20 bis 500 Ω. Falls dies von anderen Konstruktionen gefordert wird, können aber andere Widerstände verwendet werden.
Die gezeigten Potentiometer ermöglichen, daß die Waage eine Entfernung verbleibender zurückgewiesener Wirkungen, eine Reibungswirkungsentfernung und eine Empfindlichkeitseinstellkorrektur für das Waagenausgangssignal besitzt. Allerdings müssen diese Potentiometer vor der Nutzung geeicht werden, bevor diese Vorteile durch die Waage realisiert werden.
Zur richtigen Eichung der Potentiometer muß ein Betreiber zunächst an einer einzelnen Position auf der Waage steigende und sinkende Lasten nehmen und die Links- und Rechts-Oben/Unten-Ausgleichspotentiometer 204 und 206 einstellen, so daß irgendwelche Hysteresewirkungen zu null gemacht werden (d. h., so daß ein Ausgangssignalgraph der steigenden Lasten mit dem der sinkenden Lasten übereinstimmt).
Anschließend übt ein Betreiber eine Last direkt über einer der Gabeln (z. B. auf der linken Seite) verhältnismäßig nahe den Platten 40 und 60 (eine "Rückwärts"-Position) aus, während er daraufhin eine weitere Last verhältnismäßig fern von den Platten (eine "Vorwärts"-Position) ausübt. Daraufhin kann das Links-Oben/Unten-Abstimmpotentiometer 208 so eingestellt werden, daß die Differenz der Ausgangssignale null ist.
Nachfolgend werden Lasten auf die Vorwärts- und Rückwärtsstellung an der rechten Gabel ausgeübt, wobei das Rechts-Oben/Unten-Abstimmpotentiometer 210 eingestellt wird, um die Differenz der Ausgangssignale auf die gleiche Weise wie oben für das linke Potentiometer zu null zu machen.
Nachfolgend wird auf eine Seite (d. h. in der Nähe einer Gabel) eine Last ausgeübt, während auf die andere Seite (d. h. in der Nähe der anderen Gabel) eine weitere Last ausgeübt wird. Daraufhin wird das Links/Rechts-Ausgleichspotentiometer 203 eingestellt, bis die Differenz der Ausgangssignale null ist.
Wenn die Ausgleichs- und Abstimmpotentiometer geeicht sind, kann das Nullpunktpotentiometer 212 eingestellt werden, um ein Ausgangssignal null zu liefern, wenn auf die Waage keine äußere Kraft ausgeübt wird. Daraufhin, nach der Eichung, sind die an den Controller 30 zurückgegebenen resultierenden Ausgangssignale über die Anschlußpunkte +OUT und -OUT allgemein die Summe der Ausgangssignale der Lastzellen, die wegen verbleibender zurückgewiesener Wirkungen und Reibungswirkungen korrigiert und deren Empfindlichkeit zur Beseitigung irgendwelcher Positionsempfindlichkeit eingestellt ist. Das resultierende Ausgangssignal kann daraufhin an den Controller 30 gesendet werden, um verschiedene Skalierungs- und Einstellfunktionen auszuführen und für den Betreiber des Hubstaplers eine nützliche Anzeige zu liefern.
In Übereinstimmung mit der Erfindung können verschiedene Abwandlungen an der Schaltung 200 vorgenommen werden. Zum Beispiel können andere Mechanismen zur Skalierung der Erregungssignale verwendet werden. Außerdem können die Ausgangssignale zusätzlich zu oder anstelle der Skalierung der Erregungssignale skaliert werden. Außerdem kann die Schaltung 200 mit hierzu vorgesehener Hardware digital realisiert werden oder als getrennte Digitalsignal- Verarbeitungsroutine in dem Controller 30 realisiert werden. Weitere Abwandlungen sind für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich.

Waagen-Controller

Wie oben diskutiert wurde, befindet sich der Controller 30 in einer zweckmäßigen Position zur Betrachtung durch den Betreiber des Hubstaplers. Der Controller 30 liefert eine Gesamtanwenderschnittstelle zur Steuerung des Betriebs der Waage. Jede der Hauptfunktionen des bevorzugten Controllers ist in Fig. 7 gezeigt. Allerdings werden die zum Ausführen dieser Funktionen erforderlichen tatsächlichen Hardware-Komponenten und Software-Routinen nicht diskutiert, da viele der Funktionen typischerweise in herkömmlichen Waagenkonstruktionen bereitgestellt werden und durch den Fachmann auf dem Gebiet ohne übermäßiges Experimentieren leicht realisiert werden können.
Eine von dem Controller 30 bereitgestellte Funktion ist die Lastzellenerregung im Block 300. Der Block 300 liefert geregelte Leitungen +EXC und -EXC zum Ansteuern der einzelnen Lastzellen über die Ansteuerschaltung 200. Die durch den Block 300 erzeugten Erregungssignale können Wechselstrom- oder Gleichstromsignale, typischerweise zwischen 3 und 30 Volt, sein. Die Art der Ansteuerung von Dehnungsmeßeinrichtungsbrücken zum Erfassen der Kraft ist im Gebiet allgemein bekannt, so daß die zum Erzeugen der gewünschten Ansteuersignale erforderlichen elektrischen Komponenten hier nicht beschrieben werden.
Der Controller 30 nimmt das Ausgangssignal vom Lastzellentreiber 200 an, das zunächst in einem im Gebiet bekannten Analog-Digital-Umsetzungsblock 301 in die digitale Form umgesetzt wird. Im Ergebnis wird die über die Anschlußpunkte +OUT und -OUT der Schaltung 200 vorhandene analoge Spannung in einen digitalen Wert umgesetzt.
Nachfolgend nimmt der Neigungseinstellblock 302 das digitale Ausgangssignal des Blocks 301 und korrigiert das Ausgangssignal wegen irgendeiner Neigung in der Waage. Diese optionale Funktion, die hautsächlich in transportablen Waagen und dergleichen, in denen sich die Orientierung der Waage im Betrieb ändern kann, nützlich ist, macht solche Waagen flexibler, da sie vor dem Wiegen nicht nivelliert zu werden brauchen. Da Hubstapler auf Gefällen verwendet werden können und da einige Hubstapler außerdem die Fähigkeit zum Neigen der Gabeln aus einer Neutralstellung besitzen, ist dies in einer Hubstapler- Waage ein besonders nützliches Merkmal.
Es ist klar, daß sich die vertikale Komponente der Kraft, die auf einen auf der Oberfläche ruhenden Gegenstand ausgeübt wird, ändert, wenn die Oberfläche aus der Ebene geneigt wird. Folglich kann je nach Grad der Neigung der Oberfläche ein Neigungseinstellmechanismus zum Ausgleich der Änderung der vertikalen Komponente der Kraft benötigt werden.
Wie in Fig. 7 gezeigt ist, sind die Neigungssensoren 304 und 306 in dem Verbindungskasten 20 untergebracht. Der Sensor 304 ist so orientiert, daß er die Vorwärts/Rückwärts-Neigung der Waage mißt, während der Sensor 306 so orientiert ist, daß er die Links/Rechts- Neigung der Waage mißt. Somit können die Ausgangssignale der Sensoren 304 und 306 zusammen die dreidimensionale Neigung einer Oberfläche bestimmen. Dementsprechend müssen die Sensoren 304 und 306 in der Weise an der Waage angeordnet sein, daß sie den Grad der Neigung in beiden Richtungen erfassen. Obgleich der Verbindungskasten 20 wegen seiner direkten Anbringung an der Waage und seines Schutzes vor der Umgebung ein zweckmäßiger Ort ist, können auch andere Stellen für die Sensoren vorstellbar sein.
Die Sensoren 304 und 306 sind vorzugsweise Winkelpositionssensoren wie etwa von Lucus hergestellte Klinometer. Andere kommerziell verfügbare Sensoren können ebenfalls verwendet werden.
Die Einstellung eines Ausgangssignals für den Grad der Neigung einer Oberfläche wird, wie oben in dem Abschnitt über die Prinzipien des Betriebs beschrieben wurde, ausgeführt, wobei die von den Sensoren 304 und 306 erfaßten Winkel als die Winkel φ&sub1; und φ&sub2; in der oben entwickelten Neigungsgleichung angewendet werden. In Übereinstimmung mit der Erfindung können auch andere bekannte Neigungseinstellroutinen verwendet werden.
Die Eichung der Waage für die Neigung ist erforderlich zur Einstellung der Waagen-Elektronikschaltungsanordnung, so daß der Waagen-Ausgangsindikator das richtige Gewicht angibt, wenn die Waage in ihrem Betriebsbereich verwendet wird. Außerdem kann die Waage nur dann ein Ausgangssignal anzeigen, wenn sie in einem vorgegebenen Neigungsbereich betrieben wird.
Die Eichung zum Erzeugen geeigneter Konstanten für die obenerwähnte Gleichung kann auf irgendeine im Gebiet bekannte Art ausgeführt werden. Beispielsweise können zur Eichung der Waage bekannte Eichlasten auf der Waage angeordnet werden, wenn die Waage in jeder Richtung der Empfindlichkeit um verschiedene Grade geneigt wird. Das Ausgangssignal für diese verschiedenen Lasten und Neigungswinkel kann aufgezeichnet werden, während die Eichlastwerte eingegeben werden können. Daraufhin können durch irgendeine numerische Analysetechnik, die zur Bestimmung von Gleichungen von Funktionen zum Anpassen erfaßter Daten geeignet ist, Faktoren zur Korrektur von Linearitätsfehlern, Neigungsfehlern und des Meßbereichs bestimmt werden. Außerdem kann die Waage betrieben werden, um die Grenzen der Neigungswinkel, während eine genaue Waageablesung erhalten bleibt, zu bestimmen. Daraufhin können Waagenausgangssignal-Austastwinkel-Einstellpunkte programmiert oder eingestellt werden, so daß die Waage lediglich richtige Gewichtsablesungen anzeigt.
Nachdem das digitale Ausgangssignal wegen der Neigung korrigiert wurde, findet im Funktionsblock 308 eine zusätzliche Gewichtsverarbeitung statt, um eine für den Anwender lesbare Gewichtsablesung zu erzeugen. Der Block 308 kann auf eine Anwendereingabe vom Block 312 angewiesen sein, der beispielsweise ein Tastenfeld enthalten kann, das ermöglicht, daß ein Anwender auf verschiedene Funktionen an der Waage zugreift. Der Block 308 kann sich außerdem auf eine Gewichtsanzeige 310, z. B. auf ein LED- oder LCD-Anzeigefeld, zur Anzeige des gemessenen Gewichts und anderer wertvoller Informationen für den Betreiber stützen.
Der Block 308 kann viele Funktionen ausführen, um für einen Betreiber nützliche Gewichtsinformationen zu liefern. Die vom Block 308 gelieferten Funktionen können das Abmessen der Kraftablesung in realen Einheiten (z. B. Pfund oder Kilogramm), das Mitteln mehrerer Erfassungswerte über die Zeit zum Verringern von Übergangsfehlern, das Liefern einer Leergewichtsfunktion, einer Nullrückstellfunktion usw., umfassen. Außerdem kann der Block 308 Diagnose- oder Eichbetriebsarten zum Konfigurieren und Kennzeichnen der Waage enthalten. Außerdem können verschiedene Datenprotokollierfunktionen zum Aufzeichnen und Tabellieren von Gewichtsanzeigehistorien verwendet werden, während Ausgabefunktionen enthalten sein können, um Gewichtsablesungen an eine externe Quelle wie etwa einen Drucker oder einen Host-Computer zu senden. Außerdem können in Übereinstimmung mit der Erfindung auch weitere im Gebiet bekannte Waagefunktionen verwendet werden.
Der Controller 30 ist vorzugsweise in einem durch einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller betätigten System realisiert, das die gesamte begleitende Hilfsschaltungsanordnung einschließlich der Taktung, der Stromversorgungen, des flüchtigen und nichtflüchtigen Speichers, der Anzeigetreiber usw., enthält. Der Strom für den Controller wird vorzugsweise von der Hubstaplerbatterie geliefert, obgleich alternativ eine getrennte Stromquelle verwendet werden kann.
Durch die Verwendung der bevorzugten Waage und der mit ihr verwendeten Zweisensor-Lastzellen werden mehrere Vorteile erreicht. Beispielsweise besitzen die bevorzugten Zweisensor-Lastzellen in Übereinstimmung mit der Erfindung den Vorteil, verbleibende zurückgewiesene Wirkungen aus dem Lastzellenausgangssignal zu isolieren, zu messen und zu entfernen, wodurch eine höhere Genauigkeit und ein höherer Widerstand gegen Nichtlastkraftwirkungen geschaffen werden. Dies kann die Verwendung ungenauerer mechanischer Komponenten ermöglichen, kann die Verwendung niedrigerer Fertigungstoleranzen an die Lastzellenkörper und Dehnungsmeßeinrichtungen ermöglichen und kann die Verwendung einer ungenaueren Dehnungsmeßabstimmung und -anordnung bei weiterer Erhaltung akzeptabler Genauigkeitsniveaus ermöglichen. Somit können preiswertere Lastzellen konstruiert werden, die die gleiche oder eine höhere Genauigkeit als herkömmliche Lastzellenkonstruktionen besitzen. Natürlich kann die Genauigkeit der neuen Zellen wesentlich höher sein, falls zur Konstruktion der bevorzugten Lastzellen die gleichen Toleranzen und die gleiche Herstellungsgenauigkeit wie in der früheren Konstruktion verwendet werden.
Lastzellen in Übereinstimmung mit der Erfindung können außerdem die Verwendung weniger komplizierter und teurer Montage-Hardware ohne ernste Verringerung der Genauigkeit des Gesamtsystems ermöglichen. Beispielsweise erfordern einige Anwendungen wie etwa Staplerwaagen (die beispielsweise das Gewicht von Fahrzeugen über der Straße messen) herkömmlich, daß eine Wiegeplattform über biegbare Halterungen wie etwa Ketten mit mehreren Lastzellen gekoppelt wird. Dies erfolgte zum Zentrieren der Last auf die Lastzellen und zum Minimieren irgendwelcher darauf ausgeübter Kopfwirkungen. Durch die Verwendung der Lastzellen in Übereinstimmung mit der Erfindung werden die Kopfwirkungen anstatt mit dieser biegsamen Kopplung elektrisch entfernt.
Dementsprechend ist klar, daß an den bevorzugten Lastzellen verschiedene Abwandlungen einschließlich anderer Körperkonstruktionen, anderer Meßwandler, anderer Meßwandleranordnungen usw. vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können sogar zwei oder mehr Nichtlastsensoren verwendet werden, um mehrere noch ungleichartige Nichtlastwirkungen aus dem Ausgangssignal der Lastzellen zu entfernen. In der bevorzugten Schaltungsanordnung für die Lastzellen kann dies dadurch ausgeführt werden, daß mehrere Brückenschaltungen zu der Hauptkraftsensorbrücke parallelgeschaltet werden. Weitere Abwandlungen sind für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich.
Außerdem schaffen die bevorzugten Waagen in Übereinstimmung mit der Erfindung mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Konstruktionen. Beispielsweise zeigen die bevorzugten Waagen eine Reibungswirkungsentfernung, die in vielen Anwendungen nützlich ist, und bei der zwei Lastzellen über ein nichtideales Lastaufnahmeelement parallelgekoppelt und in Richtung des Hauptkraftvektors räumlich beabstandet sind. Durch Skalieren der Empfindlichkeiten der parallelen Lastzellen in der hier offenbarten Weise heben sich irgendwelche Reibungswirkungen in der Anbringung, die etwa durch Schlupf in den Anbringungen bedingt sind, die die Last von einer Zelle zur anderen übertragen, in den summierten Ausgangssignalen der Lastzellen auf. Somit können solche Reibungswirkungen, vorrangig Kriechen und Hysterese, auf die hier offenbarte Weise wirksam entfernt werden.
Eine mögliche Anwendung dieses Merkmals ist ein Zweilastzellensystem, in dem die zwei Lastzellen eine erhöhte Kapazität bieten, wobei sie aber eine bessere Gesamtentfernung der Reibungswirkungen als jede Lastzelle allein liefern. Die in einem solchen System verwendeten Lastzellen könnten mit niedrigeren Toleranzen und niedrigerer Genauigkeit konstruiert werden und dennoch von der elektrischen Entfernung dieser inhärenten Wirkungen in dem System akzeptable Ergebnisse erhalten.
Außerdem ist die durch die bevorzugten Waagen geschaffene Empfindlichkeitseinstellungskorrektur nützlich in irgendeiner Anwendung, in der sich eine Last an anderen Punkten befinden kann, die gegenüber dem Lastangriffspunkt für die Lastzellen versetzt sind, insbesondere, wenn es für einen Betreiber schwierig oder belastend ist, Gegenstände genau auf einem einzelnen Punkt auf der Waage zu lokalisieren. Die Empfindlichkeitseinstellungs-Korrekturfähigkeiten der Erfindung können diese Waagen im wesentlichen unempfindlich gegenüber dem Lastangriffspunkt machen, was die Waagen leicht zu betätigen und weniger belastend für die täglich Routine eines Betreibers macht.
Somit wird erwartet, daß die Prinzipien der Erfindung auf verschiedene Waagekonstruktionen mit mehreren Lastzellen angewendet werden, in denen durch die Waagen herkömmlich Reibungswirkungen und/oder eine Positionsempfindlichkeit gezeigt werden. Entsprechend sind für den Fachmann auf dem Gebiet zahlreiche Abwandlungen und Änderungen an den bevorzugten Ausführungsformen offensichtlich.

Claims

1. Lastzelle, die einen Lastzellenkörper (100) und einen ersten auf dem Lastzellenkörper angeordneten Kraftsensor (140) besitzt, um eine Lastkraft zu erfassen, die auf den Lastzellenkörper längs eines ersten Kraftvektors (113) ausgeübt wird, und um ein erstes Ausgangssignal zu erzeugen, das die auf die Lastzelle ausgeübte Lastkraft darstellt; gekennzeichnet durch:

einen zweiten Kraftsensor (150), der auf dem Lastzellenkörper angeordnet ist, um eine auf den Lastzellenkörper längs eines zweiten Kraftvektors ausgeübte Nichtlastkraft zu erfassen und um ein zweites Ausgangssignal zu erzeugen, das Kräfte darstellt, die von der auf die Lastzelle ausgeübten Lastkraft verschieden sind; und

eine Einrichtung (200, R3, R4), die so angeschlossen ist, daß sie die ersten und zweiten Ausgangssignale empfängt, um das erste Ausgangssignal auf der Grundlage des zweiten Ausgangssignals einzustellen, um durch die Nichtlastkraft bedingte verbleibende zurückgewiesene Wirkungen zu entfernen und ein drittes Ausgangssignal (+OUT, -OUT) zu erzeugen, das eine auf die Lastzelle ausgeübte eingestellte Lastkraft darstellt.

2. Lastzelle nach Anspruch 1, wobei der Lastzellenkörper ein verformbares Element (116) enthält, das einen verschmälerten Abschnitt mit gegenüberliegenden ebenen seitlichen Oberflächen besitzt, und wobei der erste Sensor auf wenigstens einer der seitlichen Oberflächen angeordnet ist.

3. Lastzelle nach Anspruch 2, wobei das verformbare Element ferner gegenüberliegende obere und untere Oberflächen (137, 138) enthält, die im allgemeinen senkrecht zu den seitlichen Oberflächen orientiert sind, und wobei der zweite Sensor auf wenigstens einer der oberen und unteren Oberflächen angeordnet ist.

4. Lastzelle nach Anspruch 2, wobei das verformbare Element zwischen einem Gewindeschaft (110) und einem kreisförmigen Flansch (114), der im allgemeinen senkrecht zu einer Längsachse des Schafts orientiert ist, angeordnet ist.

5. Lastzelle nach Anspruch 1, wobei der erste Kraftsensor (140) vier Kraftmeßwandler (T&sub1;, T&sub2;, C&sub1;, C&sub2;) enthält, die in einer Wheatstone-Brückenschaltung elektrisch verschaltet sind, wobei zwei der Kraftmeßwandler auf dem Lastzellenkörper so orientiert sind, daß sie als Antwort auf eine längs des ersten Kraftvektors ausgeübte Kraft einer Zugbeanspruchung unterliegen, und zwei der Kraftmeßwandler auf dem Lastzellenkörper so orientiert sind, daß sie als Antwort auf eine längs des ersten Kraftvektors ausgeübte Kraft einer Druckbeanspruchung unterliegen.

6. Lastzelle nach Anspruch 5, wobei der zweite Kraftsensor (150) vier Kraftmeßwandler (T3, T4, C3, C4) enthält, die in einer Wheatstone-Brückenschaltung elektrisch verschaltet sind, wobei zwei der Kraftmeßwandler auf dem Lastzellenkörper so orientiert sind, daß sie als Antwort auf eine längs des zweiten Kraftvektors ausgeübte Kraft einer Zugbeanspruchung unterliegen, und zwei der Kraftmeßwandler auf dem Lastzellenkörper so orientiert sind, daß sie als Antwort auf eine längs des zweiten Kraftvektors ausgeübte Kraft einer Druckbeanspruchung unterliegen.

7. Lastzelle nach Anspruch 6, wobei die Kraftmeßwandler in den ersten und zweiten Sensoren jeweils eine Dehnungsmeßeinrichtung enthalten.

8. Lastzelle nach Anspruch 7, wobei die ersten und zweiten Ausgänge der ersten und zweiten Sensoren parallelgeschaltet sind und wobei die Zurückweisungseinrichtung wenigstens einen Widerstand (R&sub3;) umfaßt, der mit dem zweiten Ausgang des zweiten Sensors verbunden ist, um das zweite Ausgangssignal in bezug auf das erste Ausgangssignal zu skalieren.

9. Lastzelle nach Anspruch 8, wobei der Widerstand ein veränderlicher Widerstand ist.

10. Lastzelle nach Anspruch 8, wobei die ersten und zweiten Sensoren erste bzw. zweite Eingänge besitzen, wovon jeder ein Erregungssignal zum Ansteuern des entsprechenden Sensors bereitstellt, und wobei die Zurückweisungseinrichtung ferner eine Eingangsskalierungseinrichtung enthält, die die relativen Größen der Erregungssignale, die für die ersten und zweiten Sensoren über die ersten bzw. zweiten Eingänge bereitgestellt werden, skaliert.

11. Lastzelle nach Anspruch 10, ferner mit einer Temperaturkompensationseinrichtung (VR&sub1;, VR&sub2;) zum Kompensieren der Temperaturwirkungen im ersten Sensor, wobei die Temperaturkompensationseinrichtung wenigstens einen Thermistor enthält, der mit dem ersten Eingang des ersten Sensors verbunden ist.

12. Lastzelle nach Anspruch 1, wobei die Zurückweisungseinrichtung eine Skalierungseinrichtung enthält, die als Antwort auf das zweite Ausgangssignal das erste Ausgangssignal skaliert, um verbleibende zurückgewiesene Wirkungen hiervon zu entfernen und dadurch das dritte Ausgangssignal zu erzeugen.

13. Lastzelle nach Anspruch 12, wobei die ersten und zweiten Sensoren einen ersten Eingang bzw. einen zweiten Eingang für den Empfang einer Erregungsspannung enthalten, wobei die ersten und zweiten Sensoren jeweils ein Widerstandsnetzwerk umfassen, das seinen Widerstand als Antwort auf die längs des entsprechenden Kraftvektors ausgeübte Kraft ändert, und wobei die ersten und zweiten Ausgänge der ersten bzw. zweiten Sensoren parallelgeschaltet sind.

14. Lastzelle nach Anspruch 13, wobei die Skalierungseinrichtung wenigstens einen Widerstand (R&sub3;, R&sub4;) umfaßt, der mit einem der ersten und zweiten Ausgänge verbunden ist, um den Widerstand über den einen der ersten und zweiten Ausgänge relativ zum anderen der ersten und zweiten Ausgänge zu skalieren.

15. Lastzelle nach Anspruch 13, wobei die Skalierungseinrichtung eine Eingangsskalierungseinrichtung zum Skalieren der relativen Größen der ersten und zweiten Eingangssignale, die die ersten bzw. zweiten Sensoren ansteuern, umfaßt.

16. Verfahren zum Erfassen einer Kraft mit einer Lastzelle, die einen Lastzellenkörper sowie erste und zweite Kraftsensoren, die darauf angeordnet sind, besitzt, um Kräfte zu erfassen, die auf den Lastzellenkörper längs erster bzw. zweiter Kraftvektoren ausgeübt werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Erfassen einer Lastkraft, die auf den Lastzellenkörper längs des ersten Kraftvektors ausgeübt wird, mit dem ersten Kraftsensor und Erzeugen eines ersten Ausgangssignals, das die auf den Lastzellenkörper ausgeübte Lastkraft darstellt;

Erfassen einer Nichtlastkraft, die auf den Lastzellenkörper längs des zweiten Kraftvektors ausgeübt wird, mit dem zweiten Kraftsensor und Erzeugen eines zweiten Ausgangssignals, das eine auf den Lastzellenkörper ausgeübte, von der Lastkraft verschiedene Kraft darstellt; und

Skalieren des ersten Ausgangssignals als Antwort auf das zweite Ausgangssignal, um verbleibende zurückgewiesene Wirkungen aus dem ersten Ausgangssignal zu entfernen, um ein eingestelltes Lastkraftsignal zu erzeugen.

17. Waage mit einer Basis (40) und einem Kraftaufnahmeelement (28, 60), das so beschaffen ist, daß es einen zu wiegenden Gegenstand aufnimmt, gekennzeichnet durch:

mehrere Lastzellen (100, 102, 104, 106), die zwischen das Kraftaufnahmeelement und die Basis gekoppelt sind, um als Antwort auf eine durch den Gegenstand auf das Kraftaufnahmeelement ausgeübte Kraft ausgelenkt zu werden, wobei jede Lastzelle ein erstes Ausgangssignal besitzt, das hauptsächlich auf wenigstens einen Anteil der auf den Gegenstand ausgeübten Kraft anspricht, und ein zweites Ausgangssignal besitzt, das hauptsächlich auf von der Lastzelle erfaßte verbleibende zurückgewiesene Wirkungen anspricht; und

eine Lastzellen-Ansteuerungseinrichtung (200), die ein Kraftsignal erzeugt, das die durch den Gegenstand auf das Kraftaufnahmeelement ausgeübte Kraft darstellt, wobei die Ansteuerungseinrichtung enthält:

eine Einrichtung, die mit den ersten und zweiten Ausgängen jeder Lastzelle verbunden ist, um das erste Ausgangssignal jeder Lastzelle auf der Grundlage des zweiten Ausgangssignals für jede Lastzelle einzustellen, um verbleibende zurückgewiesene Wirkungen zu entfernen;

eine Empfindlichkeitseinstelleinrichtung (203, 204, 206) zum Einstellen der relativen Empfindlichkeiten der ersten Ausgänge der Lastzellen, so daß die Summe der ersten Ausgangssignale für die Position des Gegenstandes auf dem Kraftaufnahmeelement unempfindlich ist; und

eine Summationseinrichtung zum Summieren der ersten Ausgangssignale der Lastzellen, um das Kraftsignal zu erzeugen.

18. Waage nach Anspruch 17, wobei die Basis und das Kraftaufnahmeelement erste bzw. zweite vertikal orientierte Platten (40, 60) besitzen und wobei die mehreren Lastzellen erste und zweite Lastzellen (100, 102) enthalten, die seitlich voneinander beabstandet sind und sich im wesentlichen senkrecht zu den ersten und zweiten Platten erstrecken.

19. Waage nach Anspruch 18, wobei das Kraftaufnahmeelement ferner ein Paar Gabeln (28) enthält, die an der zweiten Platte angebracht sind und sich von der zweiten Platte im wesentlichen senkrecht zu einer äußeren Oberfläche hiervon nach außen erstrecken.

20. Waage nach Anspruch 19, wobei die erste Platte wenigstens einen Haken (44) für die Befestigung der ersten Platte an einer Querstange eines Hubstaplers enthält; wobei die Waage eine Hubstapler-Waage ist.

21. Waage nach Anspruch 19, wobei die mehreren Lastzellen ferner dritte und vierte Lastzellen (104, 106) enthalten, die in vertikalen Säulen auf die ersten bzw. zweiten Lastzellen ausgerichtet sind.

22. Waage nach Anspruch 19, die ferner wenigstens erste und zweite Biegeeinrichtungen (103) umfaßt, die in vertikalen Säulen auf die ersten bzw. zweiten Lastzellen ausgerichtet sind.

23. Waage nach Anspruch 22, wobei die ersten und zweiten Platten jeweils zwei seitlich beabstandete, vertikale Säulen (40', 60') von wenigstens zwei Montageöffnungen (46', 64') enthalten und wobei die Lastzellen und die Biegeeinrichtungen übereinstimmende Montage-Hardware besitzen; wobei die Lastzellen und die Biegeeinrichtungen in jeder Montageöffnung austauschbar montierbar sind.

24. Waage nach Anspruch 17, wobei die ersten und zweiten Ausgangssignale jeder Lastzelle durch erste bzw. zweite Kraftsensoren (140, 150) erzeugt werden, die an der Lastzelle angeordnet sind, um auf die Lastzelle längs erster und zweiter Kraftvektoren ausgeübte erste bzw. zweite Kräfte zu erfassen, wobei jeder Kraftsensor vier Kraftmeßwandler (T&sub1;, T&sub2;, C&sub1;, C&sub2; bzw. T&sub3;, T&sub4;, C&sub3;, C&sub4;) enthält, die in einer Wheatstone-Brückenschaltung elektrisch verschaltet sind, wobei zwei der Kraftmeßwandler so orientiert sind, daß sie als Antwort auf eine längs des entsprechenden Kraftvektors ausgeübte Kraft einer Zugbeanspruchung unterliegen, und zwei der Kraftmeßwandler so orientiert sind, daß sie als Antwort auf die längs des entsprechenden Kraftvektors ausgeübte Kraft einer Druckbeanspruchung unterliegen.

25. Waage nach Anspruch 24, wobei die Kraftmeßwandler Dehnungsmeßeinrichtungen enthalten.

26. Waage nach Anspruch 24, wobei die ersten und zweiten Ausgänge der ersten und zweiten Sensoren parallelgeschaltet sind und wobei die Zurückweisungseinrichtung wenigstens einen Widerstand (R&sub3;) umfaßt, der mit dem zweiten Ausgang des zweiten Sensors verbunden ist, um das zweite Ausgangssignal relativ zum ersten Ausgangssignal zu skalieren.

27. Waage nach Anspruch 24, wobei die mehreren Lastzellen eine obere linke (100), eine obere rechte (102), eine untere linke (104) und eine untere rechte Lastzelle (106) enthalten, die voneinander in einer im allgemeinen vertikalen Ebene beabstandet sind.

28. Waage nach Anspruch 27, wobei die ersten und zweiten Sensoren erste bzw. zweite Eingänge umfassen, die jeweils ein Erregungssignal zum Ansteuern des entsprechenden Sensors bereitstellen, und wobei die Zurückweisungseinrichtung eine Eingangsskalierungseinrichtung enthält zum Skalieren der relativen Größen der Erregungssignale, die für die ersten und zweiten Sensoren über die ersten und zweiten Eingänge bereitgestellt werden.

29. Waage nach Anspruch 28, wobei die ersten und zweiten Eingänge der ersten und zweiten Sensoren mit einem gemeinsamen Erregungssignal verbunden sind und wobei die Eingangsskalierungseinrichtung erste und zweite Oben/Unten-Abstimmpotentiometer (208, 210) enthält, die mit dem gemeinsamen Erregungssignal verbunden sind, wobei das erste Oben/Unten-Abstimmpotentiometer (208) zwischen den beiden Eingängen mit den oberen linken und unteren linken Lastzellen verbunden ist und das zweite Oben/Unten-Abstimmpotentiometer (210) zwischen den zweiten Eingängen mit der oberen rechten und der unteren rechten Lastzelle verbunden ist, so daß verbleibende zurückgewiesene Wirkungen durch Einstellen der ersten und zweiten Abstimmpotentiometer entfernt werden.

30. Waage nach Anspruch 29, wobei die Empfindlichkeitseinstelleinrichtung eine Erregungsskalierungseinrichtung enthält, um die Erregungssignale in die ersten Eingänge der Lastzellen relativ zueinander zu skalieren.

31. Waage nach Anspruch 30, wobei die Erregungsskalierungseinrichtung ein Links/Rechts- Ausgleichspotentiometer (203), das mit dem gemeinsamen Erregungssignal gekoppelt ist, und erste und zweite Oben/Unten-Abstimmpotentiometer, wovon jedes mit dem Links/Rechts-Ausgleichspotentiometer verbunden ist, enthält, wobei das erste Oben/Unten-Abstimmpotentiometer (204) zwischen den ersten Eingängen mit den oberen linken und unteren linken Lastzellen verbunden ist und das zweite Oben/Unten-Abstimmpotentiometer (206) zwischen den ersten Eingängen mit den oberen rechten und unteren rechten Lastzellen verbunden ist; wobei die Empfindlichkeit der Waage durch Einstellen der Links/Rechts- und Oben/Unten-Ausgleichspotentiometer eingestellt wird.

32. Waage nach Anspruch 31, die ferner eine Nullpunkteinstelleinrichtung umfaßt, die über das gemeinsame Erregungssignal angeschlossen ist, um das Kraftsignal auf null zu stellen, wenn auf das Kraftaufnahmeelement keine äußere Kraft ausgeübt wird, wobei die Nullpunkteinstelleinrichtung ein durch das Kraftsignal angesteuertes Potentiometer enthält.

33. Waage nach Anspruch 17, wobei die Zurückweisungseinrichtung eine Skalierungseinrichtung enthält, die als Antwort auf das zweite Ausgangssignal jeder Lastzelle das erste Ausgangssignal jeder Lastzelle skaliert, um verbleibende zurückgewiesene Wirkungen hiervon zu entfernen.

34. Waage nach Anspruch 33, wobei jede Lastzelle einen Sensor zum Erzeugen des ersten Ausgangssignals enthält, wobei der Sensor einen Eingang aufweist, der eine Erregungsspannung empfängt, wobei jeder Sensor ein Widerstandsnetzwerk umfaßt, das seinen Widerstandswert hauptsächlich als Antwort auf die durch den Gegenstand ausgeübte Kraft verändert, und wobei die Empfindlichkeitseinstelleinrichtung eine Erregungsskalierungseinrichtung enthält, die die relativen Größen der Eingangssignale in die Sensoren in den mehreren Lastzellen skaliert.

35. Waage nach Anspruch 17, wobei die Summationseinrichtung eine Einrichtung zum Koppeln der ersten Ausgänge der Lastzellen mit einem gemeinsamen Ausgangssignal umfaßt.

36. Waage nach Anspruch 17, die ferner eine Neigungseinstelleinrichtung (302) zum Einstellen des Kraftsignals umfaßt, um eine Neigung des Kraftaufnahmeelements zu kompensieren, wobei die Neigungseinstelleinrichtung erste und zweite Neigungssensoren (304, 306) enthält.

37. Waage nach Anspruch 36, wobei die Neigungseinstelleinrichtung ein neigungseingestelltes Signal aus dem Kraftsignal erzeugt, indem es die folgende Gleichung anwendet:

W = S/A·

wobei W das neigungseingestellte Signal ist, S das Kraftsignal ist, φ&sub1; der erste Neigungswinkel ist, φ&sub2; der zweite Neigungswinkel ist, σ&sub1; und σ&sub2; Phasenverschiebungskonstanten sind und A eine Empfindlichkeitsfaktor-Konstante ist.