JP5032799B2 - 測定変換器の出力信号を処理する方法、および力測定デバイス - Google Patents

Description

本発明は、測定変換器の出力信号を処理する方法に関するものであり、また、それぞれ請求項１および９の包括的な部分で規定されているように、前記方法に従って動作し、出力信号が前記方法に従って処理される測定変換器を備える、力測定デバイス、特に秤に関する。

電磁力補償または歪みゲージ技術（参考文献［１］「Ｂａｕｅｎ Ｓｉｅ Ｉｈｒｅ Ｑｕａｌｉｔａｅｔ ａｕｆ ｓｏｌｉｄｅｍ Ｇｒｕｎｄ！」（Ｂｕｉｌｄ ｙｏｕｒ Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ Ｇｒｏｕｎｄ！）、ｃｏｍｐａｎｙ ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ、Ｍｅｔｔｌｅｒ Ｔｏｌｅｄｏ ＧｍｂＨ、２００１年１月、１４〜１５頁を参照）の原理に基づく力測定デバイス、例えば、秤の測定精度は、多数の影響因子により決定されるが、これについては［２］「Ｗａｅｇｅｆｉｂｅｌ」（Ｗｅｉｇｈｉｎｇ Ｐｒｉｍｅｒ）、Ｍｅｔｔｌｅｒ Ｔｏｌｅｄｏ ＧｍｂＨ、２００１年４月で説明されている。

特に望ましくないのは、振動または衝撃などの機械的因子により引き起こされる外乱であるが、それは、既にアナログ信号処理を使用する秤は、信号内の外乱を除去するために使用されるフィルタを備えているからである。

参考文献［３］、ＣＨ ６７３ ５２９ Ａ５では、秤量セルによって生成され、信号線を通じてアナログ／デジタルコンバータに送信されるＤＣ信号に重ね合わせた不要なＡＣ成分の形態の信号外乱を抑制するように設計されたアクティブローパスフィルタを備える秤を開示している。不要な信号成分は、秤量セルの信号出力端子で信号線からタップオフされ、その位相は、インバータにより１８０°変えられ、変換されたＡＣ外乱成分は、アナログ／デジタルコンバータの入力端子で信号リードにフィードバックされ、そこでは、信号リード自体は、上述のタップオフノードとフィードバックノードとの間でオーム抵抗を有する。したがって、外乱信号成分は、逆位相の信号成分のマッチングによりキャンセルされる。

参考文献［４］、ＤＥ １００２４９８６Ａ１では、秤量変換器の出力信号のＤＣ成分が、ローパス特性を有するフィルタを使って決定され、秤量結果は、フィルタ処理されたＤＣ成分から決定されるデジタル信号処理ユニットを備える電子式秤量変換器を説明している。それと同時に、衝撃および振動依存信号が決定され、後者に応じて、測定信号のＤＣ成分が変更される。

参考文献［４］によると、前述の概念は、［５］米国特許第５，６６５，９４１号で開示されている解決方法で生じる欠点を回避する。［５］によれば、差動投薬用秤におけるローパスフィルタの時定数は、信号内の外乱成分に応じて変えられる。この構成では、外乱が大きい場合にローパスフィルタの時定数を長くして、フィルタ効果を強める。しかし、［４］で述べられているように、参考文献［５］で説明されている概念により、秤量変換器は、変化に対し緩慢に反応するが、その一方で、測定の再現性をごくわずか高めるだけである。選択された時定数が大きすぎる場合、これにより、さらに、秤量荷重の変化に伴う過渡振動の整定時間が長くなる。

前記方法を使用できる他の方法とともに秤は、参考文献［６］米国特許出願第２００４／００８８３４２Ａ１号、および［７］米国特許第６，２７１，４８４Ｂ１号で説明されており、測定変換器により生成される信号は、可変デジタルフィルタを使って処理される。

［６］で説明されている方法では、使用されるフィルタの特性は、この方法により制御されている測定システムの振動特性に個別に適応させることができる。したがって、フィルタの減衰は、選択された周波数範囲内で所望の任意の度数に上げることができる。

［７］で説明されている方法によれば、振動関連信号外乱の振幅が許容範囲内にあるかどうかに関する検定が行われる。これがその場合でなければ、フィルタ特性は、信号外乱が許容範囲内に再び入るまで変更される。

特に、最後に説明した方法は、高い計算能力を必要とし、サーボループの時定数のせいで、振動および発振の高速な振幅変化に、発生するやいなや十分速く適応することはほとんどできない。

しかし、秤量荷重の変化とともに発生する素早く変化する振幅の発振は、既存の解決策では不十分にしか補正されず、そのような解決策のいくつかは、秤量荷重の変化後に過渡振動の短い整定時間を実現するための同時の要件がある場合に、非常に複雑で費用がかかる。以前に実施された解決策では、ほとんどの場合、一方で最長の応答時間と組み合わせた振動外乱の最強減衰と他方で最短の応答時間と組み合わせた振動外乱の最弱減衰との間に妥協点を見いだすことが目的であったため、応答時間に関してだけでなく、信号の外乱のフィルタ処理に関してもこれまでに得られた結果はどれも、最も厳格な要件を満たすのに十分よい結果であるとはいえなかった。
「Ｂａｕｅｎ Ｓｉｅ Ｉｈｒｅ Ｑｕａｌｉｔａｅｔ ａｕｆ ｓｏｌｉｄｅｍ Ｇｒｕｎｄ！」（Ｂｕｉｌｄ ｙｏｕｒ Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ Ｇｒｏｕｎｄ！）、ｃｏｍｐａｎｙ ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ、Ｍｅｔｔｌｅｒ Ｔｏｌｅｄｏ ＧｍｂＨ、２００１年１月、１４〜１５頁 「Ｗａｅｇｅｆｉｂｅｌ」（Ｗｅｉｇｈｉｎｇ Ｐｒｉｍｅｒ）、Ｍｅｔｔｌｅｒ Ｔｏｌｅｄｏ ＧｍｂＨ、２００１年４月 ＣＨ ６７３ ５２９ Ａ５ ＤＥ １００２４９８６Ａ１ 米国特許第５，６６５，９４１号 米国特許出願第２００４／００８８３４２Ａ１号 米国特許第６，２７１，４８４Ｂ１号 Ｕ．Ｔｉｅｔｚｅ、Ｃｈ．Ｓｃｈｅｎｋ、「Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒｓｃｈａｌｔｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ」（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ）、１１ｔｈ ｅｄｉｔｉｏｎ、１ｓｔ ｒｅｐｒｉｎｔ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ、Ｂｅｒｌｉｎ １９９９年、第２１章

したがって、本発明は、測定変換器の出力信号を処理する改善された方法を実現することを目的とするだけでなく、さらに本発明の方法により動作する力測定デバイスを実現することも目的とする。

特に、単純な方策を通じて、測定変換器の出力信号の最適な程度のフィルタ処理および同時に、力測定デバイスの過渡振動の最小整定時間を得ることを可能にする方法を実現することを目的とする。

この方法は、さらに、秤量荷重の変化とともに生じる過渡振動に関してだけでなく、荷重変化に関連するもの以外の信号外乱に関して、使用されている１つまたは複数のフィルタのフィルタパラメータを最適化できることも可能にするであろう。

本発明による力測定デバイスは、さらに、その設計の単純さだけでなくそのパラメータ設定の調整の単純さで最先端技術と区別されるであろう。
前記目的は、それぞれ請求項１および請求項９で指定されている特徴を備える方法および力測定デバイスにより満たされる。本発明の有利なさらに発展した実施形態は、他の請求項で規定される。

本発明による方法は、力測定デバイス、特に秤内の測定変換器の出力信号を処理するために使用され、測定変換器は、力測定デバイスに作用する荷重を表す測定信号を発生する。信号は、可変アナログフィルタで、および／または−アナログ／デジタルコンバータで処理した後−可変デジタルフィルタで、フィルタ処理され、外乱、特に秤量荷重内の変化により引き起こされる不要な信号成分を除去する。

本発明によれば、測定信号は、秤量荷重の変化の発生に関して監視される。荷重変化が検出された後、フィルタの少なくとも１つのフィルタパラメータがリセットされ、その後、所定のプロファイルに従う、好ましくは指数関数に従う、時間の関数として変化する。そのため、荷重変化が検出された場合、フィルタはまず開かれ、その後、再び、少なくとも１つのフィルタパラメータの終了値により決定される所定のフィルタ特性に到達したところまで閉じられる。

荷重変化を検出した後フィルタを好ましくは完全開状態（伝達関数Ｇ（ｚ）＝１）に設定することにより、秤量荷重の変化に速やかに追随できる。所定のフィルタ特性に到達するまでフィルタをその後閉じることによって、信号外乱、特に荷重変化により引き起こされる振動の事実上最適な抑制が達成される。全体として、荷重変化の後の過渡振動の整定時間は、したがって、大幅に短縮される。フィルタパラメータの終了値を適切に選択することで、さらに、測定システムの過渡的整定フェーズの後にも測定信号に対し最適なフィルタ処理が必ず行われるようになる。そのため、本発明による方法を使用することにより、結果として、過渡振動の最短整定時間、およびそれと同時に、信号外乱の最適な減衰が、何ら妥協を受け入れることなく得られる。したがって、本発明は、荷重変化に対する高速応答および短時間の整定フェーズが要求される投薬用秤およびチェック秤量用秤において都合よく使用することができ、その一方で、高精度秤でも都合よく使用することもできる。

本発明による方法は、アナログ信号処理段でも使用できるが、アプリケーションは主に、デジタル信号処理の分野にある。デジタルフィルタは、［８］、Ｕ．Ｔｉｅｔｚｅ、Ｃｈ．Ｓｃｈｅｎｋ、「Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒｓｃｈａｌｔｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ」（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ）、１１^ｔｈ ｅｄｉｔｉｏｎ、１^ｓｔ ｒｅｐｒｉｎｔ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ、Ｂｅｒｌｉｎ １９９９年、第２１章で説明されている。シグナルプロセッサを使ってＩＩＲフィルタを実現する好ましい実施方法に関しては、参考文献［８］、第２１章７．２節、１１８１〜１１８４頁を参照のこと。

荷重変化が検出され、フィルタパラメータがリセットされた後に使用されるクロージャー関数の好ましくは指数関数的な時間プロファイルは、通常、力測定デバイスのメーカーによって指定されるが、力測定デバイスが運用されるようになった後、最適化手順を使って連続的に最適化することもできる。

クロージャー関数は、好ましくは、フィルタの過渡的整定時間、フィルタの入力側で予想されるノイズレベルとともに、力測定デバイスの分解能から導かれる。
そのため、クロージャー関数は、荷重変化が発生した後に実際に生じる外乱には依存しないが、外乱の予想時間プロファイルには依存する。しかし、実際に発生する過渡振動は、指数関数的に規則正しく整定し落ち着くので、外乱の予想プロファイルおよびしたがって選択されたクロージャー関数は、最適な形で実際の状況に呼応する。

したがって、クロージャー関数を使用すると、フィルタは事実上最適な形で過渡振動の性質に適応し、使用しなければ必要になるであろう計算活動が大幅に不要になることが、特に有利である。

したがって、本発明による解決策は、クロージャー関数が主に実際に発生する外乱に依存して設定される解決策と基本的に異なり、この場合には、例えば、外乱の大きさが測定されるか（［７］を参照）、または外乱の周波数範囲が、例えば、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を使って決定され、フィルタパラメータが最適化される。この最適化は、本発明による方法でよい測定結果を得るためには必要でないが、本発明の好ましい実施形態における付加的機能として使用することができる。この場合、クロージャー関数または既によい結果を与えているフィルタパラメータｒの終了値をさらに最適化できる。例えば、ＦＩＲフィルタのゼロは、外乱が見つかった周波数に設定することもできる。

デジタルフィルタは、好ましくは１つのフィルタ段に構成された再帰的または非再帰的ｎ次フィルタ、好ましくはＩＩＲフィルタ（例えば、８次）または秤量荷重の変化を検出するために使用される個別に割り当てた検出器モジュールだけでなくクロージャー関数のプロファイルに対応するフィルタパラメータの値を生成するために使用される生成器モジュールを備えるＦＩＲフィルタである。

参考文献［８］の第２１章８節、１１８４頁および１１８５頁では、ＦＩＲフィルタとＩＩＲフィルタとの比較が示されている。図２１．５３からわかるように、ＦＩＲフィルタは、ＩＩＲフィルタで必要とされる次数の２倍以上高い次数である必要がある。したがって、少なくとも１つのｎ次ＩＩＲフィルタを使用することが好ましい。しかし、高次フィルタに対するフィルタパラメータの計算は、比較的厳しいタスクを課すことを念頭におくべきである。

このような理由から、本発明の他の好ましい実施形態では、複数のディスクリートフィルタ段が使用され、それぞれ１次フィルタを有し、フィルタの帯域幅は好ましくは対数分布し、単一系列で接続され、それにより、測定信号は、すべてのフィルタ段で順次処理され、秤量荷重の変化がフィルタ段の１つで検出されると、これは他のフィルタ段に信号で伝えられる。したがって、フィルタ段はそれぞれ、適宜適応されたクロージャー関数およびフィルタパラメータの個別の終了値を与えられる。

この方策の結果として、フィルタパラメータの数が著しく少なくなり、さらに、計算および変更がしやすくなる。
秤量荷重の変化が検出された場合、測定信号の出入りに使用されるフィルタ段の入力および出力端子は、少なくとも１つの測定期間に、互いに接続されるのが好ましく、それにより、測定信号は処理されることなくフィルタ段を通過し、ディスプレイは荷重変化に速やかに追随できる。

本発明による方法を実施するうえで、荷重変化が早期に確実に検出されることが特に重要である。
好ましい一実施形態では、検出器モジュールの測定信号またはその時間微分は、好ましくはデリミタモジュールを使って第１の積分器モジュールに送られ、インバータモジュールを使って第２の積分器モジュールに送られ、その後、積分器モジュールの出力側に出る結果信号が比較器モジュールの閾値と比較される。閾値を超えた後、生成器モジュールおよび好ましくはさらに検出器モジュールはリセットされる。この構成では、第１の積分器モジュールは、荷重の増加を検出するために使用され、第２の積分器モジュールは、荷重の低下を検出するために使用される。

測定信号の時間微分および好ましくはドリフト補償信号を積分器モジュールに入力すると、その結果、積分器モジュールの出力信号は、秤量荷重の変化もある場合にのみ変化する。

生成器モジュールをリセットすると、上で説明したフィルタパラメータの変化が引き起こされる。検出器モジュールをリセットすると、必要な条件が生じ、変更された荷重を新しい出発点とし、積分器モジュールは他の荷重変化を正しく登録することができる。

さらに、測定信号の時間微分のゼロ交差間の間隔を閾値と比較することにより秤量荷重の変化を検出することが可能であるが、それは、荷重変化は信号の微分の中に互いの距離が荷重変化の大きさに依存するゼロ交差を２つ有する半波として出現するからである。しかし、外乱があるため２つのゼロ交差の間にさらにゼロ交差がある場合、この解決策には、荷重変化が認識されないというリスクが伴う。

本発明の他の好ましい実施形態では、力測定デバイスの上述の最適化は、クロージャー関数および／またはフィルタパラメータの終了値のステップ毎の変化により、また少なくとも１つの格納されている信号プロファイルに基づいて変化の結果として生じる効果を決定することにより、達成することができ、その後、それぞれ荷重変化の後に最短振動制定時間が見つかり、力測定デバイスの過渡整定フェーズの後に最低ノイズレベルが見つかったそのクロージャー関数プロファイルおよび信号パラメータ終了値は、その後の信号処理のために保持される。再びここで、本発明による方法を使用すると、フィルタパラメータの個数を減らしたフィルタ構造の単純な設計のため、力測定デバイスの最適化も、より容易に、より高速に実行することができることに留意されたい。

可変フィルタに加えて、さらに、固定フィルタを使用して、可変ｎ次フィルタまたはカスケード式低次可変フィルタの伝達関数がリセットされる場合に測定信号の所望の最低限のフィルタ処理を実行するようにできる。既に述べたように、カスケード式可変フィルタは、さらに、再帰的および／または非再帰的フィルタで構成することができる。再帰的信号部分を減らし、したがってフィルタカスケードの出力信号を安定させるために使用される少なくとも１つの非再帰的フィルタが直列に続く再帰的フィルタを含むフィルタカスケードを使用することは特に有利である。

本発明は、図面を参照しつつ以下で詳しく説明される。

図１は、測定信号ｍｓの時間プロファイルに著しい影響を及ぼす記号で示されている外部影響因子ｄ_Ｍおよびｄ_Ｌを含む一実施例として示されている本発明による秤１を示す。信号の時間プロファイルは、一方で、秤量荷重の変化ｄ_Ｌの関数として変化する。信号プロファイルは、さらに、振動および衝撃などの機械的影響因子ｄ_Ｍに応じて変化し、それにより、秤の一部、特に測定変換器またはその一部は、振動を引き起こされうる。秤に作用する荷重の変化ｄ_Ｌが既に生じている後であっても、機械的外乱の結果、毎回、使用可能な信号に重ね合わされる過渡振動が生じる。したがって、秤１の信号処理ユニットは、振動、衝撃、および荷重変化により引き起こされる信号の不要部分から可能な最良で最高速の方法で秤量荷重を表す信号のその部分を分離するタスクを有する。これは、短い時間間隔で荷重変化が互いに追随する秤では特に重要である。特に、測定分解能の高い秤では、過渡振動の減衰後にノイズが十分に低減されることがさらに必要である。

図２は、アナログ信号（図面ではｍｓ_ＡＦとして示されているフィルタ処理された信号）を処理するために使用される第１の信号処理ユニット１１を使って秤量荷重を表すアナログ測定信号ｍｓ_Ａをアナログ／デジタルコンバータ１２に送信する、測定変換器１０を備える図１の秤のブロック図を一実施例として示している。アナログ／デジタルコンバータ１２は、２値化された測定信号ｍｓ_Ｄを、デジタル信号を処理するために使用される第２の信号処理ユニット１３に送る。第２の信号処理ユニット１３から、フィルタ処理されたデジタル測定信号ｍｓ_ＤＦは、キーボード１９および測定結果が表示されるインジケータ１８、例えば、液晶ディスプレイに接続されたプロセッサ１６に送信される。

信号処理ユニット１１、１３は、第１の制御線を通じて荷重変化を知らせるために使用される検出信号Ｓ_ＤＥＴをプロセッサ１６に送信し、プロセッサは検出信号ｓ_ＤＥＴを受信した後、リセット信号ｓ_ＲＳＴを信号処理ユニット１１、１３に戻し、それにより、信号処理ユニット内のフィルタ１１３、１３３は、開かれ、その後再び少なくとも１つのクロージャー関数ｆ_ｃ（ｔ）の時間プロファイルに応じて閉じられる。

荷重変化が検出された後、フィルタを好ましくは完全に開いている状態にする方策では、高速応答で荷重変化に追随することができる。その後、フィルタ１１３、１３３を、意図されたフィルタ特性、例えば帯域幅の小さいローパス特性が得られるところまで閉じることにより、信号外乱、特に荷重変化とともに後から生じる信号外乱により引き起こされる振動に対する最適な抑制が達成される。

図３は、より一般的な形態で図２のブロック図を示しており、前記モジュール（プロセッサ、シグナルプロセッサ、ディスクリート回路、またはソフトウェアモジュール）のどれが、本発明の方法を実行するために必要な関数および計算能力を備えるかは未定義のままである。この回路構成では、アナログ信号処理ユニット１１の入力側に存在するアナログ測定信号ｍｓ_Ａおよびデジタル信号処理ユニット１３の入力側に存在するデジタル測定信号ｍｓ_Ｄは、それぞれ、検出器モジュール１１１および１３１に送られ、そこで、それぞれの入力信号ｍｓ_Ａおよびｍｓ_Ｄと閾値ｔｈとの比較が行われ、信号がその閾値を超えたことが判明すると、生成器モジュール１１２または１３２は、それぞれ、トリガされ（トリガ信号ｔｒｇにより示される）、それにより、それぞれのフィルタ１１３、１３３の少なくとも１つのフィルタパラメータｒはリセットされ、その後、与えられたクロージャー関数ｆｃ（ｔ）による時間プロファイルにより、変更され、与えられた終了値に戻される。

そのため、図３の回路構成では、本発明によりアナログおよび／またはデジタルフィルタ１１３、１３３を制御することが可能である。アナログ信号処理ユニット１１では、参考文献［８］の第１３章、８８８〜８９３頁で説明されている種類の調節可能フィルタパラメータとともにアクティブフィルタ１１３を使用することが優先する。フィルタパラメータの電子制御については、８９１頁で説明されている。

デジタル信号処理ユニット１３では、調節可能フィルタパラメータを備えるデジタルフィルタ１３３は、参考文献［８］の第２１章で説明されているように使用される。もちろん、フィルタパラメータの制御は、この解決策では比較的容易に実現することができ、例えば、使用されているシグナルプロセッサのレジスタ内にあるフィルタパラメータをステップ毎に変化させることで行う。

参考文献［８］の１１３３頁によれば、アナログ信号処理からデジタル信号処理に移行する傾向が大きくなってきつつある。参考文献［８］による利点は、精度および再現性の高さだけでなく、外乱の影響の受けにくさの点にも見られる。本明細書で提示している方法では、デジタルフィルタを制御できる単純で正確な方法が特に重要である。

したがって、以下では、主にデジタルフィルタを使って実現する方向の観点から本発明を説明する。
デジタルフィルタの設計構造、機能、および特性は、参考文献［８］の第２１章で説明されている。デジタルフィルタを備える電子式秤は、例えば、参考文献［６］および［７］で開示されている。シグナルプロセッサを使ってデジタルフィルタを実現する方法は、参考文献［８］、第２１章７．２節、１１８１〜１１８４頁で説明されている。

シグナルプロセッサが使用される場合、これは、本質的にそれ自体がデジタル信号処理ユニット１３である。したがって、前述のモジュール、検出器モジュール１３１、生成器モジュール１３２、およびフィルタ段１３０が形成されるフィルタ１３３は、実装されたソフトウェアモジュールに基づく。

参考文献［８］の１１５７および１１５８頁に示されているように、所望の周波数応答の改善された近似は、高次フィルタでも可能である。したがって、秤でも、高次フィルタを使用することが好ましい。例えば、８次フィルタ１３３は、図３のブロック図で使用されており、そこで、生成器モジュール１３２のフィルタパラメータｒ１、．．．、ｒｘは、荷重変化が検出された後、フィルタ１３３の周波数応答が発生する振動に最適な形で適応するように変化させることができる。

これは、フィルタ１３３は、ただ１つの検出器モジュール１３１およびただ１つの生成器モジュール１３２で制御できるという有利な結果を有する。しかし、フィルタパラメータｒ１、．．．、ｒｘの決定および個別のクロージャー関数プロファイルｆ_ｃ１（ｔ）からｆ_ｃｘ（ｔ）の決定は、その実装とともに、非常に難しい作業である。

したがって、本発明のさらに好ましい実施形態では、高次フィルタは、低次のカスケード式部分フィルタ、好ましくは１次フィルタで置き換えられ、それぞれ、検出器モジュール１３１および生成器モジュール１３２を割り当てられている。ｎ次のフィルタを形成できる部分フィルタのカスケード接続については、参考文献［８］の１１４６から１１４７頁および１１７４頁で説明されている。

図４は、減算器段ＳＵＢ、加算器段ＡＤＤ、および乗算器段ＭＰＲを備える１次デジタルフィルタ１３３_１を示しており、そこでは、フィルタ１３３_１は生成器モジュール１３２_１と併せてフィルタ段１３０_１を形成し、これは、図５および６に示されているように、好ましくは、本発明により制御されるｎ次フィルタを形成するフィルタ段１３０_１、．．．、１３０_ｎのカスケードの一部である。

デジタルフィルタ１３３_１の機能は、参考文献［８］の第２１章から知られる。乗算器段ＭＰＲ内に用意され、フィルタ１３３_１の伝達関数Ｇ（ｚ）を
Ｇ（ｚ）＝ｒ×ｚ／（ｚ−（１−ｒ））
として定義するフィルタパラメータｒは、生成器モジュール１３２_１により与えられることに留意されたい。

さらに、フィルタパラメータｒが値１にリセットされた場合に、伝達関数Ｇ（ｚ）も同様に１に等しくなり、フィルタ１３３_１は入力信号をフィルタ処理せずに通すことができることに留意されたい。

さらに、減算器段ＳＵＢの出力側には測定信号の１階微分が存在し、これは検出器モジュール１３１_１に送られることに留意されたい。そのため、減算器段ＳＵＢの出力信号は、フィルタ段１３０_１の入力信号で発生する変化率を示す。変化が荷重変化の結果であるかどうかを判定するために、減算器段ＳＵＢの出力信号は、用意されるのが好ましいデリミタモジュールＬＩＭを使って第１の積分器モジュールＩＮＴ１に、またインバータＩＮＶを使って第２の積分器モジュールＩＮＴ２に送られる。２つの積分器モジュールＩＮＴ１、ＩＮＴ２のそれぞれの出力信号のうちの大きい方が、モジュールＭＡＸにより選択され、比較器ＣＭＰに送られ、そこで、前記信号が閾値ＴＨと比較され、閾値を超えた場合にトリガ信号ＲＳＴが発行される。

トリガ信号ＲＳＴは、連続して続く生成器モジュール１３２_１を起動し、それにより、生成器モジュールは、時刻ｔ＝０のフィルタパラメータｒを少なくとも近似的に値１に設定し、その後、ｔ＝ｔｘでのフィルタパラメータｒが終了値ｘを取るまで与えられたクロージャー関数ｆ_ｃ（ｔ）に従ってフィルタパラメータを変化させ、次のトリガ信号ＲＳＴが届くまでこの値に保持される。さらに、検出器モジュール１３１_１（より具体的には、積分器モジュールＩＮＴ１、ＩＮＴ２）は、他の荷重変化が検出できるようにリセットされる。ドリフト関連偏差を補正するために、ドリフト補償モジュールＤＣＭは、積分器モジュールＩＮＴ１、ＩＮＴ２の入力端子に接続され、出力信号が秤量荷重一定の下でドリフトするのを防止する。

好ましくは、現在存在する信号の累積和（ＣＵＳＵＭ）は、再帰的に決定される信号とともに、積分器ＩＮＴ１、ＩＮＴ２において発生する。第１の積分器モジュールＩＮＴ１は、正の荷重変化を監視するが、第２の積分器モジュールＩＮＴ２は、負の荷重変化を監視する。

前記の方法を使用すると、信号内の小さな変化、つまり小さな荷重変化を素早く正確に決定することができる。
賢明な実践として、他のフィルタ段１３０_２、．．．からの荷重変化検出信号も同様に考慮すべきであり、これは、検出器モジュール１３１_１がローカルの比較器ＣＭＰとともに他のフィルタ段１３０_２、．．．のトリガ信号ＲＳＴ、ＲＳＴ_ＩＮの送り先にできる論理ゲートＯＲを備える理由である。したがって、生成器モジュール１３２_１は、論理ゲートＯＲの出力側に存在し、他のフィルタ段１３０_２、．．．に送られる信号により制御される。

論理ゲートＯＲの出力側に存在する信号ＲＳＴ_ＯＵＴは、さらに、図４で記号により示され、荷重変化が発生した後好ましくは少なくとも１つの測定サイクルＴｓでフィルタ１３３_１をショートするために好ましい実施形態で提示されているスイッチＳＷを制御する。

荷重変化が検出された後に使用されるクロージャー関数ｆ_ｃ（ｔ）は、フィルタの入力側で生じることが予想できるノイズａ（図７を参照）の大きさに依存し、また力測定デバイスの分解能Ａにも依存するフィルタの過渡整定時間から好ましくは導かれる。

好適なクロージャー関数ｆ_ｃ（ｔ）は、以下のように求めることができる。ノイズの振幅ａおよび秤の分解能Ａに基づいて、係数ρを決定する。
ρ＝１／（ａ×Ａ）
測定サイクル時間Ｔｓおよび荷重変化以降の経過時間ｔｉにより、フィルタパラメータｒは、好ましくは以下のように選択される。

ｒ＝１−ｅ^{［ｌｎρ×（Ｔｓ／ｔｉ）］}、またはｒ＝１−ρ^{（Ｔｓ／ｔｉ）}
したがって、フィルタパラメータｒが受ける変化を記述するクロージャー関数ｆ_ｃ（ｔ）は、フィルタ１３３_１の入力側に存在するノイズの振幅ａおよび所望の分解能Ａにのみ依存する。クロージャー関数ｆｃ（ｔ）の時間プロファイルは、保持される必要がある帯域幅について計算された終了値ｘ（ｒ＝ｘ｛０＜ｘ≦１｝）に到達するところまでのみ辿られる。係数ρは小さい（ρ＜＜１、ρ＞０）ので、対数ｌｎρは、負の値（例えば、−１０）を取り、これは、荷重変化のときに、そのときのＴｓ／ｔｉは約１に等しいので指数［ｌｎρ×（Ｔｓ／ｔｉ）］の値を決定する。したがって、式１−ｅ^{［ｌｎρ×（Ｔｓ／ｔｉ）］}は０に近い値を取り、値ｒは１に近く、その結果、伝達関数は１にほぼ等しい。

図５は、併せてｎ次フィルタを形成し、フィルタパラメータｒ_１、．．．、ｒ_ｎを個別に割り当てられている、ｎ個のフィルタ段１３０_１、．．．、１３０_ｎを備える本発明によるデジタル信号処理ユニット１３を示している。フィルタ段１３０_１、．．．、１３０_ｎの前述のモジュールは、メモリ１３０１に格納され、シグナルプロセッサ１３００により実行されるソフトウェアプログラムを使って実現される。

図６は、フィルタパラメータｒ_１、．．．、ｒ_ｎまたはより具体的にはその終了値ｒ_１ｘ、．．．、ｒ_ｎｘ、およびクロージャー関数ｆ_ｃ１（ｔ）、．．．、ｆ_ｃｎ（ｔ）を個別に最適化するために使用できる最適化モジュール１３５で図５のデジタル信号処理ユニット１３を示している。

以下では、プログラムＰ_ＯＰＴを使って実装される最適化モジュール１３５は、図７に示されている信号プロファイルｓ−ｚを参照しつつさらに詳しく説明される。測定システムの過渡整定期間が続いている間、クロージャー関数ｆ_ｃ１（ｔ）、．．．、ｆ_ｃｎ（ｔ）は主たる関連性を有する。したがって、最適化プログラムＰ_ＯＰＴの実行時に、クロージャー関数ｆ_ｃ１（ｔ）、．．．、ｆ_ｃｎ（ｔ）は、第１の最適化フェーズで、ステップ毎の変化を受け、それぞれのステップで変更されたクロージャー関数は、格納されている信号プロファイルｓ−ｚに適用され、その後、減衰過渡信号が第１のウィンドウＮＬＷ１の境界内に入る時刻ｔ１を決定する検定が実行される。したがって最短時間ｔ１が登録される検定ステップは、クロージャー関数ｆ_ｃ１（ｔ）、．．．、ｆ_ｃｎ（ｔ）の信号プロファイルのそれぞれの集合が最適値を表すことを示し、それらのクロージャー関数は、その後、フィルタ段１３０_１、．．．、１３０_ｎで使用される。フィルタパラメータｒ_１、．．．、ｒ_ｎの終了値ｘ_１、．．．、ｘ_ｎは、測定システムの過渡整定フェーズの後に存在する測定信号のノイズレベルについて関連性を有する。したがって、最適化プログラムＰ_ＯＰＴの第２の最適化フェーズで、フィルタパラメータｒ_１、．．．、ｒ_ｎの終了値ｘ_１、．．．、ｘ_ｎは、ステップ毎の変化を受け、それぞれのステップで変更された終了値は、格納されている信号プロファイルｓ−ｚに適用され、その後、終了値ｘ１、．．．、ｘ_ｎのどの集合で、ノイズ制限第２ウィンドウＮＬＷ２が最良の形で閉じられるかを決定する検定が行われる。好ましくは、秤の最適化は、秤１の好ましい動作状態の下で記録された複数の信号プロファイルに基づいて実行される。

本発明の方法および本発明の秤１は、好ましい実施形態において説明され例示された。力測定デバイスは、秤１の形態で説明された。しかし、本発明は、場合によっては秤の一部を形成しうる重量測定デバイス、秤量モジュール、ロードセル、および力センサなどの他の力測定デバイスでも使用できる。

さらに、本発明の考え方は、アナログ技術またはデジタル技術などの異なる技術と併せて使用することができるか、またはシグナルプロセッサと併用してソフトウェアソリューションとして実現することができることも示された。

さらに、本発明は、もちろん、本明細書に記載されているフィルタに限定されず、任意の所望の順序の任意の所望の可変フィルタにより実現することができる。
参考文献
［１］「Ｂａｕｅｎ Ｓｉｅ Ｉｈｒｅ Ｑｕａｌｉｔａｅｔ ａｕｆ ｓｏｌｉｄｅｍ Ｇｒｕｎｄ！」（Ｂｕｉｌｄ ｙｏｕｒ Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ Ｇｒｏｕｎｄ！）、ｃｏｍｐａｎｙ ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ、Ｍｅｔｔｌｅｒ Ｔｏｌｅｄｏ ＧｍｂＨ、２００１年１月
［２］「Ｗａｅｇｅｆｉｂｅｌ」（Ｗｅｉｇｈｉｎｇ Ｐｒｉｍｅｒ）、Ｍｅｔｔｌｅｒ Ｔｏｌｅｄｏ ＧｍｂＨ、２００１年４月 ＥＰ ０ ９４５ ７１７ Ａ１
［３］ＣＨ ６７３ ５２９ Ａ５
［４］ＤＥ １００２４９８６ Ａ１
［５］米国特許第５，６６５，９４１号
［６］米国特許出願第２００４／００８８３４２Ａ１号
［７］米国特許第６，２７１，４８４Ｂ１号
［８］Ｕ．Ｔｉｅｔｚｅ、Ｃｈ．Ｓｃｈｅｎｋ、「Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒｓｃｈａｌｔｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ」（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ）、１１^ｔｈ ｅｄｉｔｉｏｎ、１^ｓｔ ｒｅｐｒｉｎｔ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ、Ｂｅｒｌｉｎ １９９９年

測定信号の時間プロファイルにおいて外乱を引き起こす可能性のある記号で示されている影響因子ｄ_Ｍおよびｄ_Ｌを含む一実施例として示されている本発明による秤１を示す図である。 アナログ信号処理ユニット１１およびアナログ／デジタルコンバータ１２を使って、デジタル信号処理ユニット１３に接続されており、そこから処理済み信号がプロセッサ１６に送られ、そこで信号が出力ユニット１８に渡される、測定変換器１０を使用する図１の秤のブロック図である。 秤量荷重の変化を検出し、荷重変化が検出された後にクロージャー関数のプロファイルに従ってアナログおよびデジタル信号処理ユニット１１、１３のフィルタ１１３、１３３の特性を変える機能を備える、生成器モジュール１１２、１３２を制御するために使用できる、検出器モジュール１１１、１３１により補助される、図２のブロック図である。 荷重変化が生じたときに検出器モジュール１３１および生成器モジュール１３２を使って本発明により制御することができる１次ＩＩＦフィルタを含むフィルタ段１３０を示す図である。 図４による種類のｎ個のフィルタ段１３０_１、．．．、１３０_ｎを使用する本発明によるデジタル信号処理ユニット１３を示す図である。 フィルタ段１３０_１、．．．、１３０_ｎのフィルタパラメータを最適化するために使用される最適化モジュール１３５が追加された図５の信号処理ユニット１３を示す図である。 荷重変化が生じた後の測定信号の時間プロファイルを示す図である。

符号の説明

１ 秤
１０ 測定変換器
１１ ユニット
１２ アナログ／デジタルコンバータ
１３ デジタル信号処理ユニット
１６ プロセッサ
１８ 出力ユニット
１９ キーボード
１１１、１３１ 検出器モジュール
１１２、１３２ 生成器モジュール
１１３、１３３ フィルタ
１３０ フィルタ段
１３００ シグナルプロセッサ
１３０１ メモリ

Claims (15)

1. 力測定デバイス（１）内の測定変換器（１０）の出力信号を処理する方法であって、前記測定変換器（１０）は、前記デバイスに作用する荷重を表す測定信号（ｍｓ）を発生し、前記測定信号は可変アナログフィルタ（１１３）で、および／またはアナログ／デジタルコンバータで前記信号が処理された後、可変デジタルフィルタ（１３３）でフィルタ処理され、これにより前記力測定デバイス（１）に影響を及ぼす外乱、特に前記秤量荷重の変化により引き起こされる不要な信号成分を除去し、
   前記測定信号（ｍｓ）は、前記秤量荷重の変化の発生に関して監視され、荷重変化が検出された後、前記フィルタ（１１３、１３３）の伝達関数Ｇ（ｚ）を
   Ｇ（ｚ）＝ｒ×ｚ／（ｚ−（１−ｒ））
   として定義する少なくとも１つのフィルタパラメータ（ｒ）がリセットされ、その後、クロージャー関数ｆｃ（ｔ）の所定のプロファイルに従って時間の関数として変更され、それにより、前記フィルタ（１１３、１３３）は、荷重変化が検出された後開かれ、その後、再び、前記少なくとも１つのフィルタパラメータ（ｒ）の終了値（ｘ）により決定される定義済みフィルタ特性が得られるところまで閉じられることを特徴とする方法。
2. 前記クロージャー関数ｆｃ（ｔ）の前記時間プロファイルは、指数関数により決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記デジタルフィルタ（１３３）は、フィルタ段（１３０）に構成された再帰的または非再帰的ｎ次フィルタ即ち、前記秤量荷重の変化を検出するために使用される個別に割り当てられた検出器モジュール（１３１）を備え、さらに前記クロージャー関数ｆｃ（ｔ）の前記プロファイルに対応する前記フィルタパラメータ（ｒ）の値を生成するために使用される割り当てられた生成器モジュール（１３２）を備えるＩＩＲフィルタまたはＦＩＲフィルタであることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. それぞれ対数分布の帯域幅を有する低次フィルタ（１３３）を備える、複数のフィルタ段（１３０_１、．．．、１３０_ｎ）が直列に接続され、それにより、前記測定信号（ｍｓ_Ｄ）は、前記複数のフィルタ段（１３０_１、．．．、１３０_ｎ）のすべてで順次処理され、前記秤量荷重の変化が前記フィルタ段の１つ（１３０_１）で検出されると、これは前記複数のフィルタ段の他のもの（１３０_２、．．．、１３０_ｎ ）に伝えられることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記秤量荷重の変化が検出された場合、前記測定信号（ｍｓ_Ｄ）の前記出入りに使用される前記複数のフィルタ段（１３０_１、．．．、１３０_ｎ）の前記入力および出力端子は、少なくとも１つの測定期間（Ｔ_Ａ）に、互いに接続され、それにより、前記測定信号（ｍｓ_Ｄ）は処理されることなく前記複数のフィルタ段（１３０_１、．．．、１３０_ｎ）を通過できることを特徴とする請求項３または４に記載の方法。
6. 前記検出器モジュール（１３１）の前記測定信号（ｍｓ_Ｄ）またはその時間微分が、デリミタモジュール（ＬＩＭ）を使って第１の積分器モジュール（ＩＮＴ１）に送られ、インバータモジュール（ＩＮＶ）を使って第２の積分器モジュール（ＩＮＴ２）に送られ、その後、前記積分器モジュール（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）の出力側の結果出力信号が、比較器モジュール（ＣＭＰ）で閾値（ＴＨ）と比較され、前記閾値を超えた後、前記生成器モジュール（１３２）および前記検出器モジュール（１３１）がリセットされるか、または、
   前記測定信号（ｍｓ_Ｄ）の前記時間微分のゼロ交差の間の間隔が、比較器モジュールの閾値と比較され、前記閾値を超えた後、前記生成器モジュール（１３２）および前記検出器モジュール（１３１）がリセットされる、
   ことを特徴とする請求項３、４、または５に記載の方法。
7. 荷重変化が検出された後、前記フィルタパラメータ（ｒ）は、前記フィルタ（１３３）の前記伝達関数Ｇ（ｚ）を少なくともほぼ１に等しくする値にリセットされることを特徴とする、および／または前記リセットされたフィルタパラメータ（ｒ）は、前記荷重変化時に存在していた前記ノイズに応じて、また前記力測定デバイス（１）の分解能に応じて、指数関数的に変化するように選択されることを特徴とする請求項３から６の一項に記載の方法。
8. 前記力測定デバイス（１）を最適化するために、前記フィルタパラメータ（ｒ）の前記変化を決定するクロージャー関数ｆｃ（ｔ）および／または前記フィルタパラメータ（ｒ）の前記終了値（ｘ）が変化され、前記変化の結果として生じる効果は、少なくとも１つの格納されている信号プロファイル（ｓ−ｚ）に基づいて決定され、その後、前記後続の信号処理について、それぞれ結果として、荷重変化の後に最短の振動整定時間を、また前記力測定デバイス（１）の前記過渡整定フェーズの後に最低のノイズレベルをもたらした前記クロージャー関数ｆｃ（ｔ）のそのプロファイルおよび前記信号パラメータ（ｒ）のその終了値（ｘ）が保持されることを特徴とする請求項３から７の一項に記載の方法。
9. 少なくとも１つのプロセッサ（１３００、１６）、少なくとも１つの記憶装置ユニット（１３０１）、および前記デバイスに作用する荷重を表す測定信号（ｍｓ）を発生する測定変換器（１０）を備え、前記測定信号は、可変アナログフィルタ（１１３）でフィルタ処理することができ、および／またはアナログ／デジタルコンバータ（１２）で処理された後、前記測定信号（ｍｓ）は、可変デジタルフィルタ（１３３）でフィルタ処理することができ、それにより前記力測定デバイス（１）に影響を及ぼす外乱、特に前記秤量荷重の変化により引き起こされる不要な信号成分を除去し、
   また前記測定信号（ｍｓ、ｍｓ_Ａ、ｍｓ_Ｄ）を監視し、前記秤量荷重の変化を検出するように動作可能な少なくとも１つの検出器モジュール（１１１、１３１）が備えられ、前記検出器モジュール（１１１、１３１）は、前記フィルタ（１１３、１３３）の伝達関数Ｇ（ｚ）を
   Ｇ（ｚ）＝ｒ×ｚ／（ｚ−（１−ｒ））
   として定義する少なくとも１つのフィルタパラメータ（ｒ）をリセットし、クロージャー関数ｆｃ（ｔ）の所定の時間プロファイルに従って時間の関数として前記フィルタパラメータ（ｒ）を変化させるように動作可能な生成器モジュール（１１２、１３２）を制御し、それにより、前記フィルタ（１１３、１３３）は、荷重変化が検出された後開くことができ、その後、再び、前記少なくとも１つのフィルタパラメータ（ｒ）の終了値（ｘ）により決定される定義済みフィルタ特性が得られるところまで閉じることができることを特徴とする請求項１から８の一項に記載の前記方法を実行するように動作可能な力測定デバイス（１）。
10. 前記クロージャー関数ｆｃ（ｔ）の前記時間プロファイルは、指数関数により決定されることを特徴とする請求項９に記載の力測定デバイス（１）。
11. 前記デジタルフィルタ（１３３）は、フィルタ段（１３０）に構成された再帰的または非再帰的ｎ次フィルタ即ち、前記検出器モジュール（１３１）および前記生成器モジュール（１３２）が個々に割り当てられるＩＩＲフィルタまたはＦＩＲフィルタであることを特徴とする請求項９または１０に記載の力測定デバイス（１）。
12. それぞれ対数分布の帯域幅を有する低次フィルタ（１３３）を備える、複数のフィルタ段（１３０_１、．．．、１３０_ｎ）は、直列に接続され、それにより、前記測定信号（ｍｓ_Ｄ）は、前記複数のフィルタ段（１３０_１、．．．、１３０_ｎ）のすべてで順次処理することができ、前記秤量荷重の変化が前記フィルタ段の１つ（１３０_１）で検出されると、これは少なくとも前記複数のフィルタ段（１３０_２、．．．、１３０_ｎ）の後続のものに直列に伝えることができることを特徴とする請求項１１に記載の力測定デバイス（１）。
13. 前記検出器モジュール（１３１）の前記測定信号（ｍｓ_Ｄ）またはその時間微分が、デリミタモジュール（ＬＩＭ）を使って第１の積分器モジュール（ＩＮＴ１）に送られ、インバータモジュール（ＩＮＶ）を使って第２の積分器モジュール（ＩＮＴ２）に送ることができ、その後、前記積分器モジュール（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）の出力側の結果出力信号が、比較器モジュール（ＣＭＰ）で閾値（ＴＨ）と比較することができ、前記閾値を超えた後、前記生成器モジュール（１３２）および前記検出器モジュール（１３１）をリセットできるか、または、
    前記測定信号（ｍｓ_Ｄ）の前記時間微分のゼロ交差の間の間隔を、比較器モジュールの閾値と比較することができ、前記閾値を超えた後、前記生成器モジュール（１３２）および前記検出器モジュール（１３１）をリセットできる、
    ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の力測定デバイス（１）。
14. 荷重変化が検出された後、前記フィルタパラメータ（ｒ）は、前記フィルタ（１３３）の前記伝達関数Ｇ（ｚ）を少なくともほぼ１に等しくする値にリセットできることを特徴とする、および／または前記リセットされたフィルタパラメータ（ｒ）は、前記荷重変化時に存在していた前記ノイズに応じて、また前記力測定デバイス（１）の分解能に応じて、指数関数的に変化するように選択されることを特徴とする請求項９から１３の一項に記載の力測定デバイス（１）。
15. 前記力測定デバイス（１）を最適化するために使用され、前記フィルタパラメータ（ｒ）の前記変化を決定するクロージャー関数ｆｃ（ｔ）および／または前記フィルタパラメータ（ｒ）の前記終了値（ｘ）に対しステップ毎の変化を与え、前記変化の前記結果として生じる効果を少なくとも１つの格納されている信号プロファイル（ｓ−ｚ）に基づいて決定するために使用されるプログラム（Ｐ_ＯＰＴ）が用意され、その際に、前記後続の信号処理について、それぞれ結果として、荷重変化の後に最短の振動整定時間を、また前記力測定デバイス（１）の前記過渡整定フェーズの後に最低のノイズレベルをもたらした前記クロージャー関数ｆｃ（ｔ）のそのプロファイルおよび前記信号パラメータ（ｒ）のその終了値（ｘ）が保持されることを特徴とする請求項９から１４の一項に記載の力測定デバイス（１）。

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