WO2009040360A1 - Verfahren zur messwerterfassung in einer mehrfach-kraftmessvorrichtung, mehrfach-kraftmessvorrichtung und kraftmessmodul - Google Patents

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WO2009040360A1
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force measuring
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modules
transmission
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Markus Uster
Daniel Reber
Cyrill Bucher
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Mettler Toledo GmbH Germany
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Mettler Toledo AG
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/246—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains by varying the duration of individual pulses
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G23/00—Auxiliary devices for weighing apparatus
    • G01G23/18—Indicating devices, e.g. for remote indication; Recording devices; Scales, e.g. graduated
    • G01G23/36—Indicating the weight by electrical means, e.g. using photoelectric cells
    • G01G23/37—Indicating the weight by electrical means, e.g. using photoelectric cells involving digital counting
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K7/00—Modulating pulses with a continuously-variable modulating signal
    • H03K7/08—Duration or width modulation ; Duty cycle modulation

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring value detection in a multiple force measuring device, in particular in a multiple weighing device, a multiple force measuring device and a force measuring module suitable for this purpose.
  • a multiple force measuring device is to be understood as meaning a modular force measuring device in which at least two forces to be measured independently are detected individually with at least two independent force measuring modules.
  • a particular form of the multiple force measuring device is a multi-weighing device in which the independently measured forces by the
  • Weight of at least two independent weighing the so-called loads are formed.
  • the force measuring modules are referred to in this case as weighing modules.
  • the force measuring modules each have a mechanical-electrical load cell, which acts as a measured-value converter by transforming the input variable force into a corresponding electrical measurement signal.
  • the measured quantity transformation in the case of a weighing module is effected by a so-called weighing cell, which generates an electrical measuring signal which corresponds to the weight force exerted by the weighing sample.
  • the measuring signals of the individual force measuring modules or the individual weighing modules are generally forwarded to an evaluation unit for evaluation.
  • the evaluation unit is often embodied as a central processing unit with which the measurement results obtained from the measurement signals can be displayed, for example, transmitted to a host computer or fed to a plant controller.
  • Multiple weighing devices are typically used in automated production and testing equipment for weighing like weighing products.
  • this includes facilities for the production and / or verification of small, relatively expensive parts, for example in filling and packaging machines for tablets, capsules or ampoules in the pharmaceutical industry, or in the control of ball bearings in the machine industry.
  • the weighing of similar weighing products is a process in which several loads are to be weighed individually, for example for the purpose of checking, dosing or filling in a confined space.
  • the requirements of such a multiple force measuring device are that the force measuring modules have a high accuracy, high reproducibility and thus high stability, as compact as possible and compact and can be arranged that the individual force measuring modules are constructed as simple and inexpensive.
  • DE 10 2005 025 534 B3 discloses an arrangement in which the electronics necessary for the operation of the weighing module are arranged directly below the weighing cell, in the lower part of the weighing module. As a result, the interference resulting from the transmission of the measurement signal can be avoided.
  • the disadvantage of this arrangement are both the high cost, resulting from the large footprint and the high degree of duplication of the electronics as well as the disturbances of the load cells, resulting from the heat of the
  • the problem of heat generation is that the heat generated by the electronics according to the known phenomenon of buoyancy to the heat-sensitive load cells rises and thus may affect the accuracy and / or stability of the measuring device.
  • the present invention is therefore based on the object, a method for measured value detection of a multiple-force measuring device, in particular a
  • a multiple force measuring device and a suitable force measuring module with which a simple, cost-effective, high demands on measurement accuracy and stability fulfilling construction and operation of the measuring device achieved which can.
  • the invention relates to a method and a device for measuring value acquisition of a multiple force measuring device, in particular a multiple weighing device, with at least two, each having at least one force measuring cell force measuring modules and at least one signal line by means of which the measurement signals generated by the force measuring cells are transmitted to an evaluation.
  • a multiple force measuring device in particular a multiple weighing device, with at least two, each having at least one force measuring cell force measuring modules and at least one signal line by means of which the measurement signals generated by the force measuring cells are transmitted to an evaluation.
  • Transmission signal is transmitted via the at least one signal line to the evaluation unit. This ensures that the sensitive and high-precision measuring signal of the load cell is converted in a simple manner into a transmission signal sufficiently robust against interference and thus suitable for transmission and further processing.
  • the extensive bundling of the electronics in the evaluation unit offers advantages in terms of the cost and stability of the force measuring device.
  • the pulse-shaped transmission signals have the advantage that they can be generated in a simple manner and still meet the high requirements with regard to measurement accuracy and stability.
  • modulation As a result of the modulation, the quality and thus the information content of the original measurement signal during the transmission to the evaluation unit and during further processing remain sufficiently preserved. Interference, for example, during the signal transmission to the modulated transmission signal or caused by switching operations in a multiplexer can be suitably reduced by a suitable signal processing in the evaluation, for example by a demodulation, or even eliminated.
  • modulation includes all methods which serve to convert the measurement signals into a corresponding transmission signal, in particular also the conversion with simple logic components and simple carrier signals, which can be designed, for example, as a comparator and as a constant voltage.
  • the quality of the transmission signal is largely retained even in the case of a multiplexer with high switching speeds.
  • the high switching speeds allow virtually simultaneous measurement of the individual force measuring modules. This applies in particular to the weighing of individual weighing samples in automated processes, as in this case small time delays can have a major impact on the accuracy of the process results.
  • signal line is used to denote all types of electrical lines, such as single-core or multi-core cables, strands or wires, as well as the guidance of the electrical current via fixed devices such as earthing rails, housings and connecting rods, which are suitable for transmitting electrical signals from the force measuring modules to the evaluation unit are.
  • the complex electronic components such as switching device, multiplexer, demodulator, analog-to-digital converter, arithmetic unit, control and monitoring device are arranged in the evaluation and can be used jointly by all force measuring modules, located in the respective force measuring modules only a minimum number of electronic components , Preferably the modulation device, for generating the transmission signals. Since the number of force measuring modules is always greater than the number of evaluation, so is a achieved simple and inexpensive construction of the entire multi-force measuring device.
  • an analog signal is generated by the load cell.
  • the analog measurement signal of the load cell which is particularly sensitive to interference, is immediately modulated and thus protected against further loss of quality.
  • an energy-consuming or / and heat-generating conversion of the measurement signals can thereby be avoided.
  • the measurement signal of the load cell previously for forwarding to the modulation device, according to the requirements of the downstream modulation device in the load cell integrated and / or amplified and / or impedance converted.
  • Modulation device generates a pulse-width-modulated (PWM) transmission signal.
  • PWM pulse-width-modulated
  • These signals have the advantage that they can be easily generated and reliably demodulated.
  • a pulse width modulated (PWM) transmit signal can be generated with a simple comparator by comparing the measurement signal with a sawtooth shaped signal.
  • the comparator acts as a modulation device which modulates the measurement signal to a carrier signal designed as a constant voltage.
  • the width of the generated pulses corresponds to the amplitude of the measurement signal at the time of voltage equality.
  • the information of the measurement signal is therefore converted into the temporal events of rising or falling edges of the transmission signal.
  • the transmission signal is generated in the form of counting pulses, whose number per time interval corresponds to the amplitude of the Measuring signal corresponds.
  • the transmission signal is very robust against interference and thus particularly well suited for the transmission and processing of information. For example, these counts can be easily derived from a suitable clock signal.
  • the transmission signal is generated synchronously with respect to a, possibly generated by the evaluation unit, clock signal.
  • the corresponding synchronization device can be constructed very simply, for example as a clock-controlled flip-flop. By this synchronization, the susceptibility of the transmission signal with respect to temporal variations can be improved.
  • the clock signal is generated by the evaluation unit and distributed to the force measuring modules in order to achieve in this way a common synchronization of all force measuring modules.
  • the separation of the evaluation of the force measuring modules and in particular of the load cells is particularly advantageous in a large number of compact arranged force measuring modules, since then particularly high local heat concentrations can occur.
  • the transmission signal in the evaluation unit is converted into a digital signal and this digital signal is further evaluated.
  • This conversion is preferably undertaken by a programmable microprocessor arranged in the evaluation unit.
  • This microprocessor can also take over the control and / or the control of the individual force measuring modules and / or the entire force measuring device.
  • the transmission of the transmission signal is controlled by the evaluation unit in order to achieve a central control of the transmission of the transmission signals.
  • the respective force measuring modules can transmit the pulse-shaped transmission signals in the form of time-limited signal sequences to the evaluation unit in accordance with the control commands of the evaluation unit.
  • the modulation device is based on the principle of the "integrating charge balancing" method. In this method, an analog input signal is integrated by a capacitor undergoes a corresponding charge change. To compensate for this dependent on the input signal change in charge, the capacitor is periodically fed a reverse polarity reference signal. The duration for compensation of the charge change therefore corresponds to the amplitude characteristic of the input signal.
  • the transmission signal generated in this way satisfies high demands on the measurement accuracy and offers the advantage of a high interference immunity. Further details of the technical implementation of this method are set out in the detailed description.
  • the respective transmit signal is switched through by a switching device arranged in the evaluation unit, in particular by a multiplexer, selectively for further processing.
  • this switching device is designed as a microprocessor; But also conceivable are simpler switching devices such as electromechanical switches, power transistors or logic devices.
  • the measurement signal is converted with respect to a module reference voltage applied to the respective force measurement module.
  • the stability and measurement accuracy of the entire force measuring device can be increased by the fact that the evaluation unit generates a stabilized, in particular a stabilized against temperature influences and / or against fluctuations in the power supply, reference voltage, which is supplied to the respective force measuring modules.
  • each modulation device is connected to the evaluation unit with an individual signal line, via which the respective transmission signal can be transmitted to the evaluation unit.
  • This separation of the individual signal lines can avoid interference between the various transmission signals.
  • inexpensive signal lines for example, thinner ones, can be used.
  • the evaluation unit is largely isolated and / or largely spatially separated and / or largely thermally insulated from the load cells arranged.
  • the spatial separation is preferably achieved by a sufficiently large spatial distance with correspondingly extended signal lines. It is also conceivable decoupling by partitions, separate housing or shielding insulation materials.
  • the modulation devices are each connected to a common signal line, via which the transmission signals, optionally controlled by a communication controller, are transmitted to the evaluation unit.
  • the wiring effort can be significantly reduced.
  • the various transmission signals can be separated from each other by individually assigned, preferably synchronized time intervals or individually assigned frequency bands.
  • more complex methods could be used, as they are common in wireline communications technology or radio transmission technology.
  • all transmission signals of the force measuring modules are mixed together as desired, transmitted to the evaluation unit and separated and assigned there again on the basis of characteristic patterns. Because the
  • Evaluation unit is shared by all force measuring modules can there the transmission signals are evaluated with relatively high effort and still an overall cost-effective force measuring device can be achieved.
  • At least one force measuring module can be switched off and / or replaced, while at least one further force measuring module continues its measuring operation. This makes it possible, for example, to replace a force measuring module during operation of the force measuring device while the other force measuring modules continue their operation. Especially when used in industrial plants, there is the great advantage that operational interruptions of the entire system can be avoided or at least reduced to an unavoidable minimum.
  • the individual force measuring modules can be arranged in any desired manner, for example in a row, in a planar, three-dimensionally distributed, randomly distributed, annular or arrayed manner.
  • array-like is to be understood a regular arrangement, for example, a row-shaped, one-dimensional arrangement such as a line or a planar, two-dimensional array such as a matrix. Also conceivable is a three-dimensional arrangement with several layers of superimposed two-dimensional arrangements.
  • Fig. 1 shows in perspective view a multiple force measuring device with six force measuring modules, which are arrayed and which are each connected via a signal line to an evaluation unit;
  • FIG. 2 shows a schematic drawing of a multiple force measuring device according to FIG. 1 with two force measuring modules in section whose measured value detection is based on the principle of electromagnetic force compensation and which have a modulation device for generating transmission signals and with a distribution of a centrally generated reference voltage;
  • 3 shows a simplified circuit diagram of a multiple force measuring device according to FIG. 2, but with a multiplicity n of force measuring modules which in each case transmit pulse-shaped transmission signals to a multiplexing device in the evaluation unit;
  • FIG. 4 shows a strong simplified schematic drawing of a multiple force measuring device according to FIG. 3, but with two force measuring modules in which the modulation device operates according to the principle of "integrating charge balancing" and has one (1) counting pulse (2) one synchronized pulse wide-modulated (SWI) and (3) generates a pulse width modulated (PWM) transmit signal;
  • the modulation device operates according to the principle of "integrating charge balancing” and has one (1) counting pulse (2) one synchronized pulse wide-modulated (SWI) and (3) generates a pulse width modulated (PWM) transmit signal;
  • FIG. 5 shows a further embodiment with two force measuring modules according to FIG. 4 and connection point (2), in which, however, the pulse-width-modulated signal of the first force measuring module is fed back and the pulse-width-modulated signal of the second module is transmitted via a flip-flop to the evaluation unit ;
  • FIG. 6 shows a further embodiment according to FIG. 5, in which, however, the pulse-width-modulated signal of the second module is transmitted directly to the evaluation unit, where it is supplied to a flip-flop;
  • Fig. 7 shows a further embodiment according to Figure 6, but in which the evaluation unit, a pulse-width-modulated signal is generated, which is passed to the force measuring modules and used there for feedback.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a multiple force measuring device 200 with six arrayed force measuring modules 210.
  • the force measuring modules 210 each have one, not shown here, built in the interior of the force measuring module 210 load cell 220, which leading with an outward
  • Power transmission linkage 212 is connected. Starting from a load cell 220 extends in each case opposite to the load direction of the power transmission linkage 212, at the end of each of which a force transducer 214 is mounted. Above the Force transducer 214 is usually the individual weighing samples, not shown, or the loads.
  • Each force measuring module 210 is attached to a receiving structure in the form of a base plate 202.
  • the force measuring modules 210 are detachably connected to the base plate 202 and can be replaced if necessary against the same type force measuring modules 210, for example, in the case of service or when the multi-force measuring device 200 is to be adapted to a different load range.
  • the force measuring cell 220 converts a force acting on it into a corresponding measurement signal S M i, S M2 .
  • This measurement signal S M i, S M2 is then suitably converted into a transmission signal in the individual force measuring modules 210 and transmitted to the evaluation unit 270 via at least one signal line 240.
  • the evaluation unit 270 is arranged at some distance from the force measuring modules 210, in order to avoid a mutual interference of electronics of the evaluation unit 270 and the force measuring modules 210.
  • These disturbances can occur in a variety of ways, for example as electromagnetic fields, heat radiation, convection or vibrations.
  • the signals transmitted via the signal line 240 are evaluated and optionally converted into digital values and / or suitably transformed.
  • the results of the evaluation can be passed on in a variety of ways for further processing, for example to a
  • Display device to a plant control or to a host computer.
  • FIG. 2 shows in highly schematic form a schematic drawing of a multiple force measuring device 200 with two identical force measuring modules 210 according to FIG. 1.
  • the force measuring modules 210 are based on the principle of electromagnetic force compensation and are therefore particularly suitable for use in weighing technology, in particular for high-precision weight determination .
  • the force measuring module 210 has a load cell 220, which in turn has a device for power transmission with a parallel guide with a fixed portion 2 and a vertically deflectable portion 3, which are articulated at the ends of a pair of arms 4 via Biegelager 5.
  • the vertically deflectable region 3 has a cantilever 15 for receiving a load to be measured.
  • the normal component of the force caused by a load is transmitted from the vertically deflectable region 3 by a coupling element 9 on the short lever arm 8 of the lever 6.
  • the lever 6 is supported by a bending bearing 7 at a part of the fixed portion 2.
  • the load cell further comprises a cup-shaped permanent magnet system 10, which is arranged in fixed connection with the fixed part 2, and has an air gap 1 1, on. In the air gap 1 1 associated with the longer lever arm 12 of the lever 6 coil 13 is arranged.
  • the coil 13 is traversed by a compensation current, the amount of which depends on the force acting on the lever 6.
  • the position of the lever 6 is measured by an optoelectronic position sensor 14, which is connected to a control device 16 which controls the compensation current in response to the supplied signals of the optoelectronic position sensor 14 such that the lever 6 is always kept in the same position or is returned to this again after a load change. Due to the principle of force compensation, a very high measuring accuracy can be achieved, which is particularly advantageous when measuring the smallest quantities of goods to be weighed.
  • the force measuring module can also be designed as a direct-acting force measuring device.
  • a power transmission via lever 6 is dispensed with by the coil 13 is connected directly to the leading outward power transmission linkage 212.
  • the compensation current is controlled such that the compensation force counteracts the force acting on the load transmission link load and thus the power transmission linkage is kept in a constant position.
  • the measurement signal SM I delivered by the control device 16 characterizes the force acting on the force measuring module. According to the invention, this signal is forwarded to a modulation device 230, which is connected to the load cell 220 and in particular to the control device 16.
  • the measurement signal S MI is there modulated with a suitable carrier signal to a pulse-shaped transmission signal S T ⁇ i.
  • the pulse-shaped transmission signal S T ⁇ i is then, as already described in connection with Figure 1, transmitted via the signal line 240 to the evaluation unit 270 (solid arrows).
  • the measured values of the second force measuring module 210 or of the further force measuring modules 210 are also modulated by means of modulation devices 230 and transmitted to the evaluation unit 270 as a transmission signal S T ⁇ 2 .
  • the evaluation unit 270 is able to generate a reference voltage V R ⁇ f o and forward it to the force measuring modules 210 (dashed arrows). This reference voltage V R ⁇ f o is then in the force measuring modules 210 as
  • FIG. 3 shows a simplified circuit diagram of a multiple force measuring device 200 n force measuring modules 210 which each have a modulation device 230 for generating pulse-shaped transmission signals S T ⁇ i... S T ⁇ n .
  • the index n stands for any natural number which is greater than or equal to 2.
  • all force measuring modules 210 are identically constructed and interchangeable.
  • the modulation device 230 is electrically connected to the load cell 220, so that the measurement signal S T ⁇ i of the load cell 220 of the modulation device 230 can be supplied.
  • the modulation device 230 modulates the measurement signal S M i with a carrier signal Sei, which is generated by a carrier signal source 232, and thus generates a pulse-shaped transmission signal S T ⁇ i.
  • the carrier signal Sei can be formed in the simplest case by a constant voltage, but are also conceivable more complex forms of signals, such as sinusoidal signals, rectangular signals or generally shaped, periodic signals.
  • the transmission signal S T ⁇ i is transmitted via the signal line 240 to the evaluation unit 270 in this case and evaluated there.
  • the two to n further modules are constructed identically and generate the corresponding transmission signals S T ⁇ 2, S T ⁇ 3, ... S T ⁇ n in the same way. These transmit signals are then transmitted via separate signal lines 240 to the evaluation unit. However, it is also conceivable that all transmission signals STXI, S T ⁇ 2 , ⁇ S T ⁇ n are transmitted to the evaluation unit 270 via a common signal line 240. In this case, then the transmission signals S T ⁇ i, S T ⁇ 2, ⁇ S T ⁇ n of the various force measuring modules 210 by individually assigned time intervals or individually assigned frequency bands of the carrier signals Sei, Sc2, ⁇ Sc n to be separated. In addition, other modulation methods, such as those used in wireline communication technology or radio transmission technology, such as CDMA or OFDMA, could be used.
  • the evaluation unit 270 has a multiplexing device MUX, with which the transmission signals S T ⁇ i, S T ⁇ 2 , ⁇ S T ⁇ n of the various force measuring modules 210 can be selectively switched through for further processing.
  • the control of the multiplexing device MUX can be controlled by a microprocessor, not shown, or the microprocessor itself can take over the task of the multiplexing device MUX.
  • the output signal of the multiplexing device MUX is fed to a demodulation device DMOD which demodulates the transmission signal switched by the multiplexing device MUX and thus reconstructs the original measuring signal of the respective force measuring module 210.
  • this demodulation process can consist of simple filtering, but complicated methods can also be used to compensate, for example, for the shortcomings and / or quality losses of a very simplified or cost-effective modulation device 230. It is also conceivable, however, that the demodulation device DMOD is dispensed with and the transmission signal is first converted to a digital form and then first demodulated or else directly evaluated.
  • the signal of the demodulation device DMOD is fed to an analog-to-digital converter A / D, which generates a digital signal S 0 corresponding to the original measurement signal S M i, S M 2, ⁇ S Mn .
  • This digital signal S 0 is then sent to a subsequent processing unit, for example a computing unit Host computer, a process control, a communication device or a display device or a display unit forwarded.
  • FIG. 3 A further embodiment of the multiple force measuring device according to the invention is shown in FIG. This arrangement corresponds to FIG. 3, in which the respective modulation device operates on the principle of the integrating charge balancing method, which will be described below.
  • the modulation device 230 has an integrator INT with an operational amplifier OA whose output is connected via a capacitor C to its inverting input, via an input resistor Rin the measurement signal S M i and via a
  • Reference resistor RO a reference voltage U r ⁇ f i can be fed. While the input resistor Rin is permanently charged with the input voltage, the reference resistor RO is connected via a switching device SW to a module reference voltage V R ⁇ f1 .
  • the integrator INT is connected to a subsequent comparator CMP, by which the output voltage V c of the integrator INT is compared with the output voltage V R of a ramp generator RG, which latter periodically, within a period TO, passes through a voltage range.
  • the output voltage of the comparator CMP tilts from a first voltage value to a second voltage value and also divides the period TO into a first period component T1 and a second period component T2.
  • a pulse-shaped signal is generated by the comparator CMP whose pulse width is determined by the integrated charge of the integrator INT located capacitor C. Integrator INT and
  • Comparator C thus act as a modulation device 230 by the measurement signal S MI with a carrier signal S c i, which is formed in this embodiment as a simple voltage source with a substantially constant voltage, and thus modulate a pulse-width-modulated output PWM at the output of Generate comparator C. Furthermore, the pulse-width-modulated output signal PWM is fed to a subsequent flip-flop FF and subsequently used to control the switching device SW. With the switching of the flip-flop FF, the working period TO is split into two parts. In the first period component T1, the flip-flop FF is set and in the second period component T2, the flip-flop FF is reset.
  • the change in the charge of the capacitor C caused by the measurement signal S M i during the second period component T2 is compensated by means of a current supplied to the integrator INT via a reference resistor RO. In each case, it takes several working periods TO until the charges C are supplied to the capacitor C within the two period components T1, T2 and are balanced.
  • Both the flip-flop FF and a divider stage DIV with the downstream ramp generator RG are synchronized by means of a clock signal S CL , which is generated by a clock generator FG. This ensures that the pulse width of the output signal SWI of the flip-flop FF is always an integer
  • the flip-flop thus acts as a synchronization device 234 which synchronizes the output signal PWM of the comparator CMP with the clock signal S CL and generates therefrom the synchronized, pulse width-modulated output signal SWI of the flip-flop FF.
  • the above-mentioned switching device SW is controlled to switch on or off the module reference voltage V r ⁇ f1 during the various period proportions T1 and T2, respectively.
  • the flip-flop FF is followed by a gate G, which is also synchronized by means of the clock signal S CL and which, when the flip-flop is set, forwards the clock signal S GL in the form of counting pulses CNT.
  • the number of counting pulses CNT which elapses within the first period component T1, during which the charge change of the capacitor C caused by the measuring signal S MI is compensated, is a measure of the magnitude of the measuring signal SM-I.
  • the output signal SWI of the flip-flop FF is thus converted into the converted pulse-shaped output signal CNT of the gate, which is in the form of counts.
  • the output signal CNT of the gate G is applied to the signal line 240 via the connection point (1) as the transmission signal S ⁇ xi. This is supplied after transmission to the evaluation unit 270 via a multiplexing device MUX already described in FIG.
  • each force measuring module 210 is assigned a time period in which the respective transmission signals S T ⁇ i, ... S T ⁇ n are switched through for further processing.
  • the output signal of the multiplexing device MUX is fed to a counter CTR, which counts the count pulses occurring within the first period component T1 for each operating period TO.
  • the counter can be synchronized, for example, with respect to the clock generator FG or the output of the division stage DIV, reset.
  • the number of count pulses counted within the first period portion T1 or a corresponding number is then forwarded to a subsequent processing unit, for example a computing unit, a host computer, a process controller, a communication device or a display device or a display unit.
  • the output signal SWI of the flip-flop FF via the connection point (2) are coupled out (dashed arrow).
  • the signal line 240 is then connected to the connection point (2).
  • the transmission signal S T ⁇ i is formed by the synchronized, pulse-width-modulated output signal SWI of the flip-flop FF and transmitted via the signal line 240 to the evaluation unit 270.
  • the output signal PWI of the comparator CMP can be coupled out via the connection point (3) (dotted arrow).
  • the signal line 240 is connected to the connection point (3).
  • the transmission signal S T ⁇ i is consequently formed by the pulse-width-modulated output signal PWI of the comparator CMP and transmitted via the signal line 240 to the evaluation unit 270.
  • synchronized and pulse-width-modulated signals can also be coupled out in the second force measuring module 210.
  • synchronized and pulse-width-modulated signals can also be coupled out in the second force measuring module 210.
  • the second and third embodiments dispensed with the gate G and thus a simplification of the circuit in the force measuring modules 210 can be achieved.
  • FIG. 5 shows a further embodiment with two force measuring modules 210 corresponding to FIG. 4 and connection point (2).
  • the pulse width modulated (PWM) signal in the individual force measuring modules 210 are controlled via switching groups S1 and S2, which each have a first switching element S1a or S2a and a second switching element S1b or S2b.
  • the pulse width modulated (PWM) signal of the first force measuring module 210 is fed back via the second switching element S1 b and the first switching element S1 a for controlling the switching device SW, while the pulse width modulated (PWM) signal of the second force measuring module 210 via the second switching element S2b is forwarded to the corresponding flip-flop FF.
  • the synchronized, pulse-width-modulated (SWI) signal of the flip-flop FF is then fed back on the one hand via the switching element S2a to control the switching device SW and on the other hand, as already described with reference to Figure 4, via the signal line 240 to the evaluation unit 270.
  • the roles of the first and second force measuring module 210 are reversed.
  • the synchronized, pulse-width-modulated (SWI) signal of the first force measuring module is then fed back both via the switching element S1 a to control the switching device SW and transmitted via the signal line 240 to the evaluation unit 270 while the pulse width modulated (PWM) Signal of the second force measuring module via the second switching group S2 to control the switching device SW is fed back.
  • SWI pulse-width-modulated
  • the switching elements S1a, S1b, S2a, S2b of the switching groups S1 and S2 are coupled to each other, so that the respective switching elements S1a, S1b and S1a, S1b perform the switching operations substantially simultaneously.
  • the switching operations are controlled by a central control unit CONT, which is arranged in the evaluation unit 270. This ensures that the Switching groups S1 and S2 of the force measuring modules 210 are switched simultaneously.
  • the switching devices and their switching elements are designed as electronic switching elements, for example as outputs of a processor.
  • the controlled switching groups S1, S2 ensure that during the operation of the multiple force measuring device 200 one force measuring module 210 is connected to the evaluation unit 270 and at the same time the other force measuring modules 210 continue the operation according to the charge balancing method.
  • FIG. 6 shows a further embodiment according to FIG. 5 in which, however, the pulse-width-modulated (PWM) signal is not transmitted via a flip-flop FF but directly to the evaluation unit where it is supplied to the central control unit CONT.
  • This control unit CONT then takes over the further processing of the transmission signals S T ⁇ i, S T ⁇ 2, ⁇ S T ⁇ n and generates therefrom and from a supplied
  • a synchronized, pulse width modulated (SWI) signal This signal is then transmitted to the individual force measuring modules 210, preferably via a common distribution line.
  • the synchronized, pulse-width-modulated (SWI) signal via the first switching element S1 a, S1 b is then used to control the switching device SW, if this switching element S1 a, S1 b is turned on.
  • the control unit CONT takes over the further processing of the transmission signal S T ⁇ i, S T ⁇ 2 , ⁇ S T ⁇ n and the generation of the synchronized, pulse-width-modulated (SWI) signal, the control of the switching groups S1, S2 in the individual force measuring modules 210.
  • the evaluation device 270 also has a ramp reset generator RR, which generates a reset signal.
  • This reset signal is then transmitted instead of the previously described clock signal S CL , preferably via a common distribution line, to the individual force measuring modules 210 and used there for resetting the ramp generators RG.
  • the ramp generators RG Starting from a starting voltage, the ramp generators RG generate a continuously increasing voltage V R until they receive a control command, preferably the command Pulse of a reset signal, received to then fall back to the starting voltage and start again.
  • the divider stage DIV in the individual force measuring modules 210 can be dispensed with.
  • results for the reset signal a much lower frequency or a much longer period than for the clock signal, which is used to synchronize the transmission signals. This results in fewer disturbances for the transmission signal and thus a higher measurement accuracy and stability of the multiple force measuring device.
  • FIG. 7 shows a further embodiment according to FIG. 6, but in which the evaluation unit has a multiplexing device MUX and a PWM generator.
  • the multiplexing device MUX allows the selective switching of the transmission signals S TXI , S T ⁇ 2, ⁇ S T ⁇ n for further processing.
  • the switched-through transmission signal is forwarded via a synchronization device 234 on the one hand to an analog-to-digital converter A / D and on the other hand to a PWM generator GEN.
  • the PWM generator GEN generates an individual and synchronized pulse-width-modulated signal SWI for each force measuring module 210. These signals are then forwarded via individual signal lines to the force measuring modules 210 and used there for the feedback of the switching device SW.
  • the respective synchronized pulse width modulated signals SWI are continuously and uniformly generated at certain time intervals corresponding to a constant duty ratio. At the end of the time interval, typically at regular, cyclic intervals, these signals are adjusted to current requirements.
  • the PWM generator GEN takes over the received synchronized, pulse width modulated signal SWI and thus updates the signal generation for the respective force measuring module 210. The new duty cycle is then maintained again until the end of the new time interval, ie until the next update.
  • the PWM generator GEN can be designed, for example, in the form of a microprocessor, in which information for generating the respective synchronized, pulse-width-modulated signals SWI is stored by register entries.
  • the assemblies of the synchronization device 234, the analog-to-digital converter A / D and the PWM generator GEN are combined in this embodiment in a control unit CONT.
  • the multiplexing device MUX and / or the clock generator FG and / or the ramp reset generator RR may be integrated in the control unit CONT.
  • the control unit CONT is implemented by a commercially available miroprocessor or by specialized assemblies.
  • both the multiplexing device MUX and the PWM generator GEN can process any number of channels without the embodiment of the multiple force measuring device 200 having to be substantially changed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und den dazu geeigneten Vorrichtungen zur Messwerterfassung einer Mehrfach-Kraftmessvorrichtung, insbesondere einer Mehrfach-Wägevorrichtung, mit mindestens zwei, jeweils mindestens eine Kraftmesszelle aufweisende Kraftmessmodulen und mit mindestens einer Signalleitung mittels der die von den Kraftmesszellen erzeugten Messsignale an eine Auswerteeinheit übertragen werden. Dabei wird in den jeweiligen Kraftmessmodulen das Messsignal zu einem pulsförmigen Sendesignal moduliert und dieses Sendesignal über die mindestens eine Signalleitung an die Auswerteeinheit übertragen.

Description

Verfahren zur Messwerterfassung in einer Mehrfach-Kraftmessvorrichtung, Mehrfach-Kraftmessvorrichtung und Kraftmessmodul
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messwerterfassung in einer Mehrfach-Kraftmessvorrichtung, insbesondere in einer Mehrfach-Wägevorrichtung, eine Mehrfach-Kraftmessvorrichtung und ein dazu geeignetes Kraftmessmodul.
Unter einer Mehrfach-Kraftmessvorrichtung ist eine modular aufgebaute Kraftmessvorrichtung zu verstehen, bei der mindestens zwei unabhängig zu messende Kräfte mit mindesten zwei unabhängigen Kraftmessmodulen individuell erfasst werden. Eine besondere Form der Mehrfach-Kraftmessvorrichtung ist eine Mehrfach- Wägevorrichtung, bei der die unabhängig zu messenden Kräfte durch die
Gewichtskraft von mindestens zwei unabhängigen Wägegütern, den sogenannten Lasten, gebildet werden. Die Kraftmessmodule werden in diesem Fall als Wägemodule bezeichnet.
Die Kraftmessmodule weisen zur Bestimmung der einwirkenden Kraft jeweils eine mechanisch-elektrische Kraftmesszelle auf, die als Messgrössenumformer wirkt indem sie die Eingangsgrösse Kraft in ein korrespondierendes, elektrisches Messsignal umformt. In entsprechender weise erfolgt die Messgrössenumformung bei einem Wägemodul durch eine sogenannte Wägezelle, welche ein elektrisches Messsignal erzeugt, das zu der vom Wägegut ausgeübten Gewichtskraft korrespondiert.
Die Messsignale der einzelnen Kraftmessmodule beziehungsweise der einzelnen Wägemodule werden im Allgemeinen an eine Auswerteeinheit zur Auswertung weitergeleitet. Dabei ist die Auswerteeinheit oft als zentrale Verarbeitungseinheit ausgebildet, mit der die aus den Messsignalen gewonnenen Messergebnisse beispielsweise zur Anzeige gebracht, an einem Leitrechner übermittelt oder einer Anlagensteuerung zugeführt werden können.
Mehrfach-Wägevorrichtungen finden typischerweise ihren Einsatz in automatisierten Produktions- und Testanlagen zum Verwiegen gleichgearteter Wägegüter. Insbesondere gehören dazu Anlagen für die Produktion und/oder Überprüfung von kleinen, relativ teuren Teilen, beispielsweise in Abfüll- und Verpackungsmaschinen für Tabletten, Kapseln oder Ampullen in der Pharmaindustrie, oder bei der Kontrolle von Kugellagern in der Maschinenindustrie. Beim Wiegen gleichgearteter Wägegüter handelt es sich um einen Vorgang, bei dem mehrere Lasten individuell zu wiegen sind, beispielsweise zum Zwecke des Kontrollierens, des Dosierens oder des Abfüllens auf engem Raum.
Die Anforderungen an eine solche Mehrfach-Kraftmessvorrichtung bestehen darin, dass die Kraftmessmodule eine hohe Messgenauigkeit, eine hohe Reproduzierbarkeit und somit eine hohe Stabilität aufweisen, möglichst platzsparend und kompakt angeordnet werden können und dass die einzelnen Kraftmessmodule möglichst einfach und kostengünstig aufgebaut sind.
In der US61 12162 wird eine Mehrfach-Wägevorrichtungen beschrieben, bei der die analogen Signale der einzelnen Wägezellen einer zentralen Schaltvorrichtung, einem sogenannten Multiplexer, zugeführt werden. Somit kann sowohl der Verstärker als auch der Analog-Digital-Wandler von den einzelnen Kraftmessmodulen, jeweils während gewissen Zeitintervallen genutzt werden. Allerdings werden dabei die störungsempfindlichen Messsignale der Wägezellen über Verbindungsleitungen zur zentralen Auswerteeinheit und dort über die Schaltvorrichtung geführt. Dadurch können störende Einflüsse, welche sich aus der Übertragung der Signale ergeben oder welche durch die Schaltvorrichtung entstehen, die Qualität der Messsignale verschlechtern. Dementsprechend ist die erreichbare Messgenauigkeit beschränkt und die beschriebene Vorrichtung für den Einsatz mit hohen Genauigkeitsanforderungen weniger geeignet.
Des Weiteren offenbart die DE 10 2005 025 534 B3 eine Anordnung, bei der die für den Betrieb des Wägemoduls notwendige Elektronik direkt unterhalb der Wägezelle, im unteren Teil des Wägemoduls angeordnet ist. Dadurch können die aus der Übertragung des Messsignals resultierenden Störungen vermieden werden. Nachteilig bei dieser Anordnung sind jedoch sowohl die hohen Kosten, welche aus dem grossen Platzbedarf und dem hohen Vervielfältigungsgrad der Elektronik resultieren als auch die Störungen der Wägezellen, welche sich aus der Wärmeentwicklung der
Elektronikbauteile ergeben. Die Problematik der Wärmeentwicklung besteht darin, dass die von der Elektronik erzeugte Wärme gemäss dem bekannten Phänomen des Auftriebs zu den wärmeempfindlichen Wägezellen aufsteigt und somit die Genauigkeit und/oder die Stabilität der Messvorrichtung beeinträchtigen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messwerterfassung einer Mehrfach-Kraftmessvorrichtung, insbesondere einer
Mehrfach-Wägevorrichtung, eine Mehrfach-Kraftmessvorrichtung und eine geeignetes Kraftmessmodul anzugeben, mit welchen ein einfacher, kostengünstiger, hohen Anforderungen bezüglich Messgenauigkeit und Stabilität erfüllender Aufbau und Betrieb der Messvorrichtung erreicht welche kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren, einer Mehrfach-Kraftmessvorrichtung und einem Kraftmessmodul gelöst, welche die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale aufweisen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren, abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messwerterfassung einer Mehrfach-Kraftmessvorrichtung, insbesondere einer Mehrfach-Wägevorrichtung, mit mindestens zwei, jeweils mindestens eine Kraftmesszelle aufweisenden Kraftmessmodulen und mit mindestens einer Signalleitung mittels derer die von den Kraftmesszellen erzeugten Messsignale an eine Auswerteeinheit übertragen werden. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass in den jeweiligen Kraftmessmodulen das Messsignal zu einem pulsförmigen Sendesignal moduliert wird und dass dieses
Sendesignal über die mindestens eine Signalleitung an die Auswerteeinheit übertragen wird. Dadurch wird erreicht, dass das sensitive und hochpräzise Messsignal der Kraftmesszelle auf einfache Weise in ein gegenüber Störeinflüssen genügend robustes und damit zur Übertragung und zur weiteren Verarbeitung geeignetes Sendesignal umgewandelt wird. Durch die weitgehende Bündelung der Elektronik in der Auswerteeinheit ergeben sich Vorteile bezüglich der Kosten und der Stabilität der Kraftmessvorrichtung. Des Weiteren haben die pulsförmigen Sendesignale den Vorteil, dass sie auf einfache Weise erzeugt werden können und trotzdem den hohen Anforderungen bezüglich Messgenauigkeit und Stabilität genügen. - A -
Durch die Modulation bleibt die Qualität und damit der Informationsgehalt des ursprünglichen Messsignals während der Übertragung zu der Auswerteeinheit und während der weiteren Verarbeitung in genügender weise erhalten. Störeinflüsse, die beispielsweise während der Signalübertragung auf das modulierte Sendesignal einwirken oder die durch Schaltvorgänge in einem Multiplexer entstehen, können durch eine geeignete Signalverarbeitung in der Auswerteeinheit, beispielsweise durch ein Demodulationsverfahren, in geeigneter weise reduziert oder gar eliminiert werden. Dabei beinhaltet der Begriff der Modulation sämtliche Verfahren die der Umwandlung der Messsignale in ein entsprechendes Sendesignal dienen, insbesondere auch die Umwandlung mit einfachen Logikbausteinen und einfachen Trägersignalen, welche beispielsweise als Komparator und als konstante Spannung ausgebildet sein können.
Besonders vorteilhaft erweist sich, dass die Qualität des Sendesignals auch bei einem Multiplexer mit hohen Schaltgeschwindigkeiten weitgehend erhalten bleibt. Die hohen Schaltgeschwindigkeiten wiederum erlauben die praktisch gleichzeitige Messung der einzelnen Kraftmessmodule. Das gilt insbesondere für das Verwiegen individueller Wägegüter in automatisierten Prozessen, da im diesem Fall geringe Zeitverzögerungen grosse Auswirkungen in der Genauigkeit der Prozessresultate haben können.
Mit dem Begriff Signalleitung werden alle Arten von elektrischen Leitungen, wie einadrige oder mehradrige Kabel, Litzen oder Drähte, sowie die Führung des elektrischen Stroms über feste Vorrichtungen wie Erdungsschienen, Gehäuse und Verbindungsstangen, bezeichnet, die zur Übertragung elektrischer Signale von den Kraftmessmodulen zur Auswerteeinheit geeignet sind.
Während die aufwändigen elektronischen Bauteile wie Schaltvorrichtung, Multiplexer, Demodulator, Analog-Digital-Wandler, Recheneinheit, Steuer- und Kontrollvorrichtung in der Auswerteeinheit angeordnet sind und gemeinsam von allen Kraftmessmodulen genutzt werden können, befindet sich in den jeweiligen Kraftmessmodulen lediglich eine minimale Anzahl von Elektronikkomponenten, vorzugsweise die Modulationsvorrichtung, zur Erzeugung der Sendesignale. Da die Anzahl der Kraftmessmodule stets grösser als die Anzahl der Auswerteeinheiten ist, wird somit ein einfacher und kostengünstiger Aufbau der gesamten Mehrfach-Kraftmessvorrichtung erreicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird durch die Kraftmesszelle ein analoges Signal erzeugt. Dadurch wird das auf Störungen besonders empfindliche analoge Messsignal der Kraftmesszelle unverzüglich moduliert und damit vor weiteren Qualitätsverlusten geschützt. Ausserdem kann dadurch eine Energie verbrauchende oder/und Wärme erzeugende Umwandlung der Messsignale vermieden werden. Ferner ergibt sich dadurch, dass praktisch die gesamten Elektronikbauteile in der Auswertevorrichtung angeordnet sind eine grossere Kostenersparnis und eine Reduktion der Wärmeerzeugung in den Kraftmessmodulen.
Des Weiteren kann das Messsignal der Kraftmesszelle, vorgängig zur Weiterleitung an die Modulationsvorrichtung, gemäss den Anforderungen der nachgeschalteten Modulationsvorrichtung in der Kraftmesszelle integriert und/oder verstärkt und/oder impedanzgewandelt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird mittels der
Modulationsvorrichtung ein puls-weiten-moduliertes (PWM) Sendesignal erzeugt. Diese Signale haben den Vorteil, dass sie auf einfache Weise erzeugt und zuverlässig demoduliert werden können. Beispielsweise kann ein puls-weiten-moduliertes (PWM) Sendesignal mit einem einfachen Komparator durch Vergleichen des Messsignals mit einem sägezahnförmigen Signal erzeugt werden. In diesem Fall wirkt der Komparator als Modulationsvorrichtung, welche das Messsignal auf ein, als konstante Spannung ausgebildetes Trägersignal moduliert. Somit entspricht die Breite der erzeugten Pulse der Amplitude des Messsignals zum Zeitpunkt der Spannungsgleichheit. Die Informationen des Messsignals werden daher in die zeitlichen Ereignisse von aufsteigenden beziehungsweise absteigenden Flanken des Sendesignals umgewandelt. Diese Signalübergänge sind dann robuster gegenüber Störungen und können demzufolge zuverlässiger übertragen und verarbeitet werden als das ursprüngliche Messsignal.
In einer weiteren erfindungsgemässen Ausgestaltung wird das Sendesignal in Form von Zählpulsen erzeugt, dessen Anzahl pro Zeitintervall mit der Amplitude des Messsignals korrespondiert. In dieser Form ist das Sendesignal sehr robust gegenüber Störungen und somit besonders gut zur Übertragung und Verarbeitung von Informationen geeignet. Beispielsweise können diese Zählimpulse auf einfache Weise aus einem geeigneten Taktsignal abgeleitet werden.
In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Sendesignal bezüglich eines, gegebenenfalls durch die Auswerteeinheit erzeugten, Taktsignals synchron erzeugt. Dabei kann die entsprechende Synchronisationsvorrichtung sehr einfach aufgebaut sein, beispielsweise als taktgesteuerte Kippstufe. Durch diese Synchronisation kann die Störempfindlichkeit des Sendesignals bezüglich zeitlicher Schwankungen verbessert werden. In bevorzugter Weise wird dabei das Taktsignal durch die Auswerteeinheit erzeugt und an die Kraftmessmodule verteilt um auf diese Weise eine gemeinsame Synchronisation aller Kraftmessmodule zu erreichen.
Die Trennung der Auswerteeinheit von den Kraftmessmodulen und insbesondere von den Kraftmesszellen ist besonders vorteilhaft bei einer grossen Zahl von kompakt angeordneten Kraftmessmodulen, da dann besonders hohe lokale Wärmekonzentrationen auftreten können.
In einer weiteren erfindungsgemässen Ausgestaltung wird das Sendesignal in der Auswerteeinheit in ein digitales Signal gewandelt und dieses digitale Signal weiter ausgewertet. Vorzugsweise wird diese Umwandlung durch einen, in der Auswerteeinheit angeordneten programmierbaren Mikroprozessor übernommen. Dieser Mikroprozessor kann zudem auch die Steuerung und/oder die Kontrolle der einzelnen Kraftmessmodule und/oder der gesamten Kraftmessvorrichtung übernehmen.
Ferner wird in einer weiteren, erfindungsgemässen Ausgestaltung die Übertragung des Sendesignals durch die Auswerteeinheit gesteuert um eine zentrale Steuerung der Übermittlung der Sendesignale zu erreichen. Beispielsweise können die jeweiligen Kraftmessmodule gemäß den Steuerbefehlen der Auswerteeinheit die pulsförmigen Sendesignale in Form von zeitlich begrenzten Signalsequenzen an die Auswerteeinheit übermitteln. In einer weiteren erfindungsgemässen Ausführung basiert die Modulationsvorrichtung auf dem Prinzip des "integrierenden Charge Balancing" Verfahrens. Bei diesem Verfahren wird ein analoges Eingangssignal integriert indem ein Kondensator eine entsprechende Ladungsänderung erfährt. Zur Kompensation dieser vom Eingangssignal abhängigen Ladungsänderung wird dem Kondensator periodisch ein gegenpoliges Referenzsignal zugeführt. Die Dauer zur Kompensation der Ladungsänderung korrespondiert daher mit dem Amplitudenverlauf des Eingangssignals. Das, auf diese Weise erzeugte Sendesignal genügt hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit und bietet den Vorteil einer hohen Störungsimmunität. Weitere Einzelheiten zur technischen Umsetzung dieses Verfahrens sind in der Detailbeschreibung dargelegt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das jeweilige Sendesignal durch eine in der Auswerteeinheit angeordneten Schaltvorrichtung, insbesondere durch einen Multiplexer, selektiv zur weiteren Verarbeitung durchgeschaltet. Dadurch kann eine zeitlich beschränkte und gesteuerte Zuteilung der Auswertevorrichtung auf die einzelnen Kraftmessmodule erreicht werden. Vorzugsweise ist diese Schaltvorrichtung als Mikroprozessor ausgebildet; denkbar sind aber auch einfachere Schaltvorrichtungen wie elektromechanische Schalter, Leistungstransistoren oder Logikbausteine.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Messsignal in Bezug auf eine am jeweiligen Kraftmessmodul anliegenden Modulreferenzspannung umgewandelt. Vorzugsweise weist dabei die Auswerteeinheit eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Referenzspannung auf, welche dann den Kraftmessmodulen zugeführt wird und dort jeweils als Modulreferenzspannung, insbesondere als weitgehend konstante Modulreferenzspannung gemäss der Beziehung VRθfi=VRθf2= ... = VRθfn, anliegt. Das kann beispielsweise durch geeignete Widerstände und oder Leitungen erreicht werden. Des Weiteren kann die Stabilität und Messgenauigkeit der gesamten Kraftmessvorrichtung dadurch erhöht werden, dass die Auswerteeinheit eine stabilisierte, insbesondere eine gegen Temperatureinflüsse und/oder gegen Schwankungen der Stromversorgung stabilisierte, Referenzspannung erzeugt, welche den jeweiligen Kraftmessmodulen zugeführt wird. In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jede Modulationsvorrichtung mit einer individuellen Signalleitung mit der Auswerteeinheit verbunden, über welche das jeweilige Sendesignal an die Auswerteeinheit übertragbar ist. Durch diese Trennung der einzelnen Signalleitungen können Interferenzen zwischen den verschiedenen Sendesignalen vermieden werden. Ferner können, dank der Verbesserung der Störempfindlichkeit durch das Modulationsverfahren kostengünstige Signalleitungen eingesetzt werden, beispielsweise Leitungen mit dünnerem.
In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Auswerteeinheit weitgehend isoliert und/oder weitgehend räumlich getrennt und/oder weitgehend thermisch isoliert von den Kraftmesszellen angeordnet ist. Dadurch wird die Übertragung von Störungen, insbesondere die Übertragung von thermischen Einflüssen, der Auswerteeinheit auf die jeweiligen Kraftmessmodule weitgehend unterbunden und dadurch eine Beeinträchtigung der Messgenauigkeit und der Stabilität der Kraftmesszellen vermieden. Die räumliche Trennung wird vorzugsweise durch eine genügend grosse räumliche Distanz mit entsprechend verlängerten Signalleitungen erreicht. Denkbar ist aber auch eine Entkoppelung durch Trennwände, separate Gehäuse oder abschirmende Isolationsmaterialien.
In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Modulationsvorrichtungen jeweils mit einer gemeinsamen Signalleitung verbunden, über die die Sendesignale, gegebenenfalls kontrolliert durch eine Kommunikationssteuerung, an die Auswerteeinheit übertragen werden. In diesem Fall kann der Verkabelungsaufwand deutlich reduziert werden. Die verschiedenen Sendesignale können durch individuell zugeordnete, vorzugsweise synchronisierte Zeitintervalle oder individuell zugeordnete Frequenzbänder voneinander getrennt werden. Ausserdem könnten auch komplexere Verfahren eingesetzt werden, wie sie in der leitungsgebundenen Nachrichtentechnik oder der Funkübertragungstechnik gebräuchlich sind. So ist auch denkbar, dass alle Sendesignale der Kraftmessmodule beliebig zusammengemischt, zur Auswerteeinheit übertragen und dort anhand von charakteristischen Mustern wieder getrennt und zugeordnet werden. Da die
Auswerteeinheit von allen Kraftmessmodulen gemeinsam genutzt wird, können dort die Sendesignale mit relativ hohem Aufwand ausgewertet werden und trotzdem kann eine insgesamt kostengünstige Kraftmessvorrichtung erreicht werden.
In einer weiteren, erfindungsgemässen Ausgestaltung ist mindestens ein Kraftmessmodul abschaltbar und/oder auswechselbar, während mindestens ein weiteres Kraftmessmodul seinen Messbetrieb fortsetzt. Dadurch ist es beispielsweise möglich ein Kraftmessmodul während des Betriebs der Kraftmessvorrichtung auszuwechseln während die anderen Kraftmessmodule ihren Betrieb fortsetzen . Besonders beim Einsatz in industriellen Anlagen ergibt sich der grosse Vorteil, dass dadurch Betriebsunterbrüche der gesamten Anlage vermieden oder zumindest auf ein unvermeidbares Minimum reduziert werden können.
Die einzelnen Kraftmessmodule können in beliebiger Weise angeordnet sein, beispielsweise reihenförmig, flächenförmig, dreidimensional verteilt, zufällig verteilt, ringförmig oder arrayförmig. Unter arrayförmig ist dabei eine regelmässige Anordnung zu verstehen, beispielsweise eine reihenförmige, ein-dimensionale Anordnung wie eine Zeile oder eine flächenförmige, zweidimensionale Anordnung wie eine Matrix. Denkbar ist auch eine drei-dimensionale Anordnung mit mehreren Lagen von übereinander liegenden zwei-dimensionalen Anordnungen.
Einzelheiten der erfindungsgemässen Kraftmessvorrichtung, des erfindungsgemässen Kraftmessmoduls und des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich anhand der Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Mehrfach-Kraftmessvorrichtung mit sechs Kraftmessmodulen, welche arrayförmig angeordnet sind und welche jeweils über eine Signalleitung mit einer Auswerteeinheit verbunden sind;
Fig. 2 eine Prinzipzeichnung einer Mehrfach-Kraftmessvorrichtung entsprechend Figur 1 mit zwei Kraftmessmodulen im Schnitt deren Messwerterfassung auf dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation basiert und die eine Modulationsvorrichtung zur Erzeugung von Sendesignalen aufweisen und mit einer Verteilung einer zentral erzeugten Referenzspannung; Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltschema einer Mehrfach-Kraftmessvorrichtung entsprechend Figur 2, jedoch mit einer Vielzahl n von Kraftmessmodulen, welche jeweils pulsförmige Sendesignale an eine Multiplexvorrichtung in der Auswerteeinheit übermitteln;
Fig. 4 eine starke vereinfachte Prinzipzeichnung einer Mehrfach- Kraftmessvorrichtung entsprechend Figur 3, jedoch mit zwei Kraftmessmodulen bei welchen die Modulationsvorrichtung nach dem Prinzip des "integrierenden Charge-balancing" Verfahrens arbeitet und ein (1 ) Zählimpulse aufweisendes, (2) ein synchronisiertes puls-weiten-moduliertes (SWI) und (3) ein puls-weiten-moduliertes (PWM) Sendesignal erzeugt;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform mit zwei Kraftmessmodulen entsprechend Figur 4 und Anschlusspunkt (2), bei der jedoch das puls-weiten-modulierte Signal des ersten Kraftmessmoduls rückgekoppelt und das puls-weiten- modulierte Signal des zweiten Moduls über eine Kippstufe zur Auswerteeinheit übertragen wird;
Fig. 6 eine weitere Ausgestaltung entsprechend Figur 5, bei der jedoch das puls- weiten-modulierte Signal des zweiten Moduls direkt zur Auswerteeinheit übertragen und dort einer Kippstufe zugeführt wird;
Fig. 7 eine weitere Ausgestaltung entsprechend Figur 6, bei der jedoch in der Auswerteeinheit ein puls-weiten-moduliertes Signal erzeugt wird, welches an die Kraftmessmodule geleitet und dort zur Rückkoppelung eingesetzt wird.
Die Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Mehrfach-Kraftmessvorrichtung 200 mit sechs, arrayförmig angeordnete Kraftmessmodulen 210. Die Kraftmessmodule 210 weisen je eine, hier nicht dargestellte, im Innern des Kraftmessmoduls 210 eingebaute Kraftmesszelle 220 auf, die mit einem nach aussen führenden
Kraftübertragungsgestänge 212 verbunden ist. Ausgehend von einer Kraftmesszelle 220 erstreckt sich jeweils entgegen der Lastrichtung das Kraftübertragungsgestänge 212, an dessen Ende jeweils ein Kraftaufnehmer 214 angebracht ist. Oberhalb der Kraftaufnehmer 214 befindet sich üblicherweise die nicht dargestellten, individuellen Wägegüter beziehungsweise die Lasten.
Jedes Kraftmessmodul 210 ist an einer Aufnahmestruktur in Form einer Grundplatte 202 befestigt. Die Kraftmessmodule sind 210 lösbar mit der Grundplatte 202 verbunden und können bei Bedarf gegen gleich geartete Kraftmessmodule 210 ausgewechselt werden, beispielsweise im Servicefall oder, wenn die Mehrfach- Kraftmessvorrichtung 200 an einen anderen Lastbereich angepasst werden soll.
Die Kraftmesszelle 220 wandelt eine auf sie einwirkende Kraft in ein dazu korrespondierendes Messsignal SMi, SM2 um. Diese Messsignal SMi, SM2 wird dann in ein Sendesignal in den einzelnen Kraftmessmodule 210 geeignet umgeformt und über mindestens eine Signalleitung 240 an die Auswerteeinheit 270 übermittelt.
Die Auswerteeinheit 270 ist in einiger Distanz von den Kraftmessmodulen 210 angeordnet, um eine gegenseitige Störung von Elektronik der Auswerteeinheit 270 und der Kraftmessmodule 210 zu vermeiden. Diese Störungen können auf vielfältige Weise auftreten beispielsweise als elektromagnetische Felder, Wärmestrahlung, Wärmekonvektion oder Erschütterungen.
In der Auswerteeinheit 270 werden die über die Signalleitung 240 übermittelten Signale ausgewertet und gegebenenfalls in digitale Werte umgewandelt und/oder geeignet umgeformt. Die Ergebnisse der Auswertung können auf vielfältige Weise zur weiteren Verarbeitung weitergegeben werden, beispielsweise an eine
Anzeigevorrichtung, an eine Anlagensteuerung oder an einen Leitrechner.
Figur 2 zeigt stark schematisiert eine Prinzipzeichnung einer Mehrfach- Kraftmessvorrichtung 200 mit zwei identischen Kraftmessmodulen 210 entsprechend Figur 1. Dabei basieren die Kraftmessmodule 210 auf dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation und eignen sich daher besonders für die Verwendung in der Wägetechnologie, insbesondere zur hoch-präzisen Gewichtsbestimmung. Das Kraftmessmodul 210 weist eine Kraftmesszelle 220 auf, welche wiederum eine Vorrichtung zur Kraftübertragung mit einer Parallelführung mit einem feststehenden Bereich 2 und einem vertikal auslenkbaren Bereich 3, welche jeweils an den Enden eines Paars von Lenkern 4 über Biegelager 5 angelenkt sind, aufweist. Der vertikal auslenkbare Bereich 3 weist einen zur Aufnahme einer zu messenden Last dienenden Ausleger 15 auf. Die Normalkomponente der von einer Last bewirkten Kraft wird vom vertikal auslenkbaren Bereich 3 durch ein Koppelelement 9 auf den kurzen Hebelarm 8 des Hebels 6 übertragen. Der Hebel 6 ist mittels eines Biegelagers 7 an einem Teil des feststehenden Bereichs 2 abgestützt. Die Kraftmesszelle weist ferner ein topfförmiges Permanentmagnetsystem 10, das in fester Verbindung mit dem feststehenden Teil 2 angeordnet ist, und über einen Luftspalt 1 1 verfügt, auf. Im Luftspalt 1 1 ist eine mit dem längeren Hebelarm 12 des Hebels 6 verbundene Spule 13 angeordnet. Die Spule 13 wird von einem Kompensationsstrom durchflössen, dessen Mass von der auf den Hebel 6 einwirkenden Kraft abhängt. Die Lage des Hebels 6 wird von einem opto-elekthschen Positionsgeber 14 gemessen, der mit einer Regeleinrichtung 16 verbunden ist, welche den Kompensationsstrom in Abhängigkeit der zugeführten Signale des opto-elekthschen Positionsgebers 14 derart regelt, dass der Hebel 6 stets in gleicher Lage gehalten oder nach einer Laständerung in diese wieder zurückgeführt wird. Durch das Prinzip der Kraftkompensation kann eine sehr hohe Messgenauigkeit erreicht werden, was insbesondere beim Abmessen kleinster Mengen von Wägegut besonders vorteilhaft ist.
Des Weiteren kann das Kraftmessmodul auch als direkt wirkende Kraftmessvorrichtung ausgebildet sein. Dabei wird auf eine Kraftübertragung via Hebel 6 verzichtet indem die Spule 13 direkt mit dem nach aussen führenden Kraftübertragungsgestänge 212 verbunden ist. Dabei wird der Kompensationsstrom derart geregelt, dass die Kompensationskraft der auf das Kraftübertragungsgestänge einwirkenden Last entgegenwirkt und somit das Kraftübertragungsgestänge in einer konstanten Position gehalten wird.
Das von der Regeleinrichtung 16 abgegebene Messsignal SMI charakterisiert die auf das Kraftmessmodul einwirkende Kraft. Erfindungsgemäß wird dieses Signal an eine Modulationsvorrichtung 230, welche mit der Kraftmesszelle 220 und insbesondere mit der Regeleinrichtung 16 verbunden ist, weitergeleitet. Das Messsignal SMI wird dort mit einem geeigneten Trägersignal zu einem pulsförmigen Sendesignal STχi moduliert. Das pulsförmige Sendesignal STχi wird dann, wie bereits in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben, über die Signalleitung 240 an die Auswerteeinheit 270 übertragen (durchgezogene Pfeile). In gleicher weise werden auch die Messwerte des zweiten Kraftmessmoduls 210 oder der weiteren Kraftmessmodule 210 jeweils mittels Modulationsvorrichtungen 230 moduliert und als Sendesignal STχ2 an die Auswerteeinheit 270 übermittelt.
Des Weiteren ist die Auswerteeinheit 270 in der Lage eine Referenzspannung VRθfo zu erzeugen und diese an die Kraftmessmodule 210 weiterzuleiten (gestrichelte Pfeile). Diese Referenzspannung VRθfo liegt dann bei den Kraftmessmodulen 210 als
Modulreferenzspannung VRθπ und VRθf2 an. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Verteilung der Referenzspannung VRθf0 durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise geeignete Kabellängen, zusätzliche Widerstände, derart eingestellt, dass bei allen Kraftmessmodulen 210 die gleiche Modul Referenzspannung VRθfi=VRθf2 anliegt.
Figur 3 zeigt ein vereinfachtes Schaltschema einer Mehrfach-Kraftmessvorrichtung 200 n Kraftmessmodulen 210 welche jeweils eine Modulationsvorrichtung 230 zur Erzeugung von pulsförmigen Sendesignalen STχi ... STχn aufweisen. Der Index n steht für eine beliebige natürliche Zahl welche größer oder gleich 2 ist. Vorzugsweise sind alle Kraftmessmodule 210 identisch aufgebaut und beliebig auswechselbar.
Im Kraftmessmodul 210 ist die Modulationsvorrichtung 230 mit der Kraftmesszelle 220 elektrisch verbunden, sodass das Messsignal STχi der Kraftmesszelle 220 der Modulationsvorrichtung 230 zugeführt werden kann. Durch die Modulationsvorrichtung 230 wird das Messsignal SMi mit einem Trägersignal Sei, welches durch eine Trägersignalquelle 232 erzeugt wird, moduliert und somit ein pulsförmiges Sendesignal STχi erzeugt. Das Trägersignal Sei kann im einfachsten Fall durch eine konstante Spannung gebildet werden, denkbar sind aber auch komplexere Formen von Signalen, beispielsweise sinusförmige Signale, rechteckförmige Signale oder allgemein geformte, periodische Signale. Wie im Vorangehenden beschrieben, wird auch in diesem Fall das Sendesignal STχi über die Signalleitung 240 an die Auswerteeinheit 270 übermittelt und dort ausgewertet. Die zwei bis n weiteren Module sind identisch aufgebaut und erzeugen die entsprechenden Sendesignale STχ2, STχ3, ... STχn in gleicher weise. Diese Sendesignale werden dann jeweils über getrennte Signalleitungen 240 an die Auswerteeinheit übertragen. Es ist aber auch denkbar, dass alle Sendesignale STXI , STχ2, ■■■ STχn über eine gemeinsame Signalleitung 240 an die Auswerteeinheit 270 übertragen werden. In diesem Fall wären dann die Sendesignale STχi, STχ2, ■■■ STχn der verschiedenen Kraftmessmodule 210 durch individuell zugeordnete Zeitintervalle oder individuell zugeordnete Frequenzbänder der Trägersignale Sei, Sc2, ■■■ Scn zu trennen. Außerdem könnten auch weitere Modulationsverfahren, wie sie in der leitungsgebundenen Nachrichtentechnik oder der Funkübertragungstechnik gebräuchlich sind, beispielsweise CDMA oder OFDMA, eingesetzt werden.
Die Auswerteeinheit 270 weist eine Multiplexvorrichtung MUX auf, mit der die Sendesignale STχi, STχ2, ■■■ STχn der verschiedenen Kraftmessmodule 210 selektiv zur weiteren Verarbeitung durchgeschaltet werden können. Die Steuerung der Multiplexvorrichtung MUX kann durch einen nicht dargestellten Mikroprozessor gesteuert werden oder der Mikroprozessor selbst kann die Aufgabe der Multiplexvorrichtung MUX übernehmen. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal der Multiplexvorrichtung MUX einer Demodulationsvorrichtung DMOD zugeführt, welche das durch die Multiplexvorrichtung MUX geschaltete Sendesignal demoduliert und somit das ursprüngliche Messsignal des jeweiligen Kraftmessmoduls 210 rekonstruiert. Dieser Demodulationsvorgang kann im einfachsten Fall aus einer einfachen Filterung bestehen, es können aber auch komplizierte Verfahren eingesetzt werden um beispielsweise die Unzulänglichkeiten und/oder Qualitätseinbussen einer sehr stark vereinfachten oder kostengünstig ausgestalteten Modulationsvorrichtung 230 zu kompensieren. Denkbar ist aber auch, dass auf die Demodulationsvorrichtung DMOD verzichtet wird und das Sendesignal zuerst in eine digitale Form gewandelt und dann erst demoduliert oder aber auch direkt ausgewertet wird.
Schließlich wird in diesem Ausführungsbeispiel das Signals der Demodulationsvorrichtung DMOD einem Analog-Digital-Wandler A/D zugeführt, welcher ein, dem ursprüngliche in Messsignal SMi, SM2, ■■■ SMn entsprechendes digitales Signal S0 erzeugt. Dieses digitale Signal S0 wird anschliessend an eine nachfolgende Verarbeitungseinheit, beispielsweise eine Recheneinheit, einen Leitrechner, eine Prozesssteuerung, eine Kommunikationsvorrichtung oder eine Anzeigevorrichtung beziehungsweise eine Anzeigeeinheit weitergeleitet.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemässen Mehrfach-Kraftmessvorrichtung ist in Figur 4 dargestellt. Diese Anordnung entspricht Figur 3, bei welcher die jeweiligen Modulationsvorrichtung nach dem Prinzip des integrierenden Charge- balancing Verfahrens arbeitet, welches im Folgenden beschrieben wird.
Zur Messwertumwandlung des Messsignals SMI weist die Modulationsvorrichtung 230 einen Integrator INT mit einem Operationsverstärker OA auf, dessen Ausgang über einen Kondensator C mit dessen invertierendem Eingang verbunden ist, dem über einen Eingangswiderstand Rin das Messsignals SMi und über einen
Referenzwiderstand RO eine Referenzspannung Urθfi zuführbar ist. Während der Eingangswiderstand Rin permanent mit der Eingangsspannung beaufschlagt ist, ist der Referenzwiderstand RO über eine Schaltvorrichtung SW mit einer Modulreferenzspannung VRθf1 verbunden.
Der Integrator INT ist mit einem nachfolgenden Komparator CMP verbunden, durch den die Ausgangsspannung Vc des Integrators INT mit der Ausgangsspannung VR eines Rampengenerators RG verglichen wird, welch letztere periodisch, innerhalb einer Periodendauer TO, einen Spannungsbereich durchläuft. Sobald die ansteigende Ausgangsspannung VR des Rampengenerators RG die Ausgangsspannung Vc des Integrators INT kreuzt und übersteigt, kippt die Ausgangsspannung des Komparators CMP von einem ersten Spannungswert auf einen zweiten Spannungswert und unterteilt außerdem die Periodendauer TO in einen ersten Periodenanteil T1 und in einem zweiten Periodenanteil T2. Somit wird durch den Komparator CMP ein pulsförmiges Signal erzeugt, dessen Pulsweite durch die integrierte Ladung des dem Integrator INT befindlichen Kondensators C bestimmt ist. Integrator INT und
Komparator C wirken somit als Modulationsvorrichtung 230 indem sie das Messsignal SMI mit einem Trägersignal Sci, welches in diesem Ausführungsbeispiel als eine einfache Spannungsquelle mit einer weitgehend konstanten Spannung ausgebildet ist, modulieren und somit ein puls-weiten-moduliertes Ausgangssignal PWM am Ausgang des Komparators C erzeugen. Des Weiteren wird das puls-weiten-modulierte Ausgangssignal PWM einer nachgeschalteten Kippstufe FF zugeführt und anschliessend zur Steuerung der Schaltvorrichtung SW eingesetzt. Mit dem Umschalten der Kippstufe FF wird die Arbeitsperiode TO in zwei Anteile zerlegt. Im ersten Periodenanteil T1 ist die Kippstufe FF gesetzt und im zweiten Periodenanteil T2 ist die Kippstufe FF zurückgesetzt. Innerhalb des ersten Periodenanteils T1 wird die vom Messsignal SMi während des zweiten Periodenanteils T2 verursachte Änderung der Ladung des Kondensators C mittels eines dem Integrator INT über einen Referenzwiderstand RO zugeführten Stromes kompensiert. Dabei dauert es jeweils mehrere Arbeitsperioden TO bis die dem Kondensator C innerhalb der beiden Periodenanteile T1 , T2 zugeführten und entnommenen Ladungen balanciert sind.
Sowohl die Kippstufe FF als auch eine Teilungsstufe DIV mit dem nachgeschalteten Rampengenerator RG werden mittels eines Taktsignals SCL synchronisiert, welches von einem Taktgenerator FG erzeugt wird. Dadurch ist gewährleistet dass die Pulsweite des Ausgangssignals SWI der Kippstufe FF stets ein ganzzahliges
Vielfaches des Taktintervalls des Taktsignals SCL beträgt. Die Kippstufe wirkt somit als Synchronisationsvorrichtung 234 welche das Ausgangssignal PWM des Komparators CMP mit dem Taktsignal SCL synchronisiert und daraus das synchronisierte, puls- weiten-modulierte Ausgangssignal SWI der Kippstufe FF erzeugt.
Mit dem synchronisierten Ausgangssignal SWI der Kippstufe FF wird die oben genannte Schaltvorrichtung SW gesteuert um während den verschiedenen Periodenanteilen T1 und T2 die Modulreferenzspannung Vrθf1 jeweils zuzuschalten beziehungsweise zu trennen.
Des Weiteren ist der Kippstufe FF ein Gatter G nachgeschaltet, welches ebenfalls mittels des Taktsignals SCL synchronisiert ist und welches bei gesetzter Kippstufe das Taktsignal SGL in Form von Zählimpulsen CNT weiterleitet. Dabei sind die innerhalb des ersten Periodenanteils T1 verstreichende Anzahl Zählimpulse CNT, während der die durch das Messsignal SMI verursachte Ladungsänderung des Kondensators C kompensiert wird, ein Mass für die Grosse des Messsignals SM-I - Das Ausgangssignal SWI der Kippstufe FF wird somit in das pulsförmige Ausgangssignal CNT des Gatters umgewandelt, welches in Form von Zählimpulsen ausgebildet ist. In einer ersten Ausführungsform wird das Ausgangssignal CNT des Gatters G über den Anschlusspunkt (1 ) als Sendesignal Sτxi auf die Signalleitung 240 gegeben. Dieses wird nach Übermittlung an die Auswerteeinheit 270 über eine, bereits in Figur 3 beschriebene Multiplexvorrichtung MUX zugeführt. Somit wird jedem Kraftmessmodul 210 ein Zeitabschnitt zugewiesen, in welchem die jeweiligen Sendesignale STχi, ... STχn zur weiteren Verarbeitung durchgeschaltet werden.
Das Ausgangssignal der Multiplexvorrichtung MUX wird einem Zähler CTR zugeführt, welcher für jede Arbeitsperiode TO die innerhalb des ersten Periodenanteils T1 auftretenden Zählimpulse zählt. Ausserdem kann der Zähler synchronisiert, beispielsweise bezüglich des Taktgenerators FG oder des Ausgangs der Teilungsstufe DIV, zurückgesetzt werden. Die Anzahl der innerhalb des ersten Periodenanteils T1 gezählten Zählimpulse oder eine dazu korrespondierende Zahl wird anschliessend an eine nachfolgende Verarbeitungseinheit, beispielsweise eine Recheneinheit, einen Leitrechner, eine Prozesssteuerung, eine Kommunikationsvorrichtung oder eine Anzeigevorrichtung beziehungsweise eine Anzeigeeinheit weitergeleitet.
In einer zweiten Ausführungsform kann das Ausgangssignal SWI der Kippstufe FF über den Anschlusspunkt (2) (siehe Figur 4) ausgekoppelt werden (gestrichelter Pfeil). Die Signalleitung 240 ist dann an den Anschlusspunkt (2) angeschlossen. Somit wird das Sendesignal STχi durch das synchronisierte, puls-weiten-modulierte Ausgangssignal SWI der Kippstufe FF gebildet und über die Signalleitung 240 zur Auswerteeinheit 270 übertragen.
In einer dritten Ausführungsform kann das Ausgangssignal PWI des Komparators CMP über den Anschlusspunkt (3) ausgekoppelt werden (gepunkteter Pfeil). Die Signalleitung 240 wird dazu an den Anschlusspunkt (3) angeschlossen. Das Sendesignal STχi wird folglich durch das puls-weiten-modulierte Ausgangssignal PWI des Komparators CMP gebildet und über die Signalleitung 240 zur Auswerteeinheit 270 übertragen.
In analoger Weise können auch bei dem zweiten Kraftmessmodul 210 synchronisierte und puls-weiten-modulierte Signale ausgekoppelt werden. Außerdem kann bei der zweiten und dritten Ausführungsform auf das Gatter G verzichtet und somit eine Vereinfachung der Schaltung in den Kraftmessmodulen 210 erreicht werden.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform mit zwei Kraftmessmodulen 210 entsprechend Figur 4 und Anschlusspunkt (2). Bei dieser Ausführung werden jedoch die puls-weiten-modulierte (PWM) Signal in den einzelnen Kraftmessmodulen 210 über Schaltgruppen S1 und S2 gesteuert, welche jeweils ein erstes Schaltelement S1 a beziehungsweise S2a und ein zweites Schaltelement S1 b beziehungsweise S2b aufweisen.
Das puls-weiten-modulierte (PWM) Signal des erste Kraftmessmoduls 210 wird über das zweite Schaltelement S1 b und das erste Schaltelement S1 a zur Steuerung der Schaltvorrichtung SW rückgekoppelt, während das puls-weiten-modulierte (PWM) Signal des zweiten Kraftmessmoduls 210 über das zweite Schaltelement S2b an die entsprechende Kippstufe FF weitergeleitet wird. Das synchronisierte, puls-weiten- modulierte (SWI) Signal der Kippstufe FF wird dann, einerseits über das Schaltelement S2a zur Steuerung der Schaltvorrichtung SW rückgekoppelt und andererseits, wie bereits anhand der Figur 4 beschrieben, über die Signalleitung 240 an die Auswerteeinheit 270 übertragen.
Durch einen synchron über die Kraftmessmodule 210 durchgeführten Schaltvorgang werden die Rollen des ersten und des zweiten Kraftmessmoduls 210 vertauscht. Das synchronisierte, puls-weiten-modulierte (SWI) Signal des ersten Kraftmessmoduls wird dann sowohl über das Schaltelement S1 a zur Steuerung der Schaltvorrichtung SW rückgekoppelt als auch über die Signalleitung 240 an die Auswerteeinheit 270 übertragen während das puls-weiten-modulierte (PWM) Signal des zweiten Kraftmessmoduls über die zweite Schaltgruppe S2 zur Steuerung der Schaltvorrichtung SW rückgekoppelt wird.
Die Schaltelemente S1 a, S1 b, S2a, S2b der Schaltgruppen S1 und S2 sind untereinander gekoppelt, so dass die jeweiligen Schaltelemente S1 a, S1 b und S1 a, S1 b im Wesentlichen gleichzeitig die Schaltvorgänge durchführen. In diesem Beispiel werden die Schaltvorgänge durch eine zentrale Kontrolleinheit CONT, welche in der Auswerteeinheit 270 angeordnet ist, gesteuert. Dadurch wird erreicht, dass die Schaltgruppen S1 und S2 der Kraftmessmodule 210 gleichzeitig geschaltet werden. Vorzugsweise sind die Schaltvorrichtungen und deren Schaltelemente als elektronische Schaltelemente, beispielsweise als Ausgänge eines Prozessors, ausgebildet.
Dieses beschriebene Prinzip lässt sich in analoger Weise auf eine Mehrfach-
Kraftmessvorrichtung 200 mit beliebig vielen Kraftmessmodulen 210 fortsetzen. Durch die gesteuerte Schaltgruppen S1 , S2 wird erreicht, dass während des Betriebs der Mehrfach-Kraftmesssvorrichtung 200 jeweils ein Kraftmessmodul 210 mit der Auswerteeinheit 270 verbunden ist und gleichzeitig die andere Kraftmessmodule 210 den Betrieb gemäß dem Charge Balancing Verfahren fortsetzen.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung entsprechend Figur 5 bei der jedoch das puls- weiten-modulierte (PWM) Signal nicht über eine Kippstufe FF sondern direkt zur Auswerteeinheit übertragen und dort der zentralen Kontrolleinheit CONT zugeführt wird. Diese Kontrolleinheit CONT übernimmt dann die weitere Verarbeitung der Sendesignale STχi, STχ2, ■■■ STχn und erzeugt daraus und aus einem zugeführten
Taktsignal, ein synchronisiertes, puls-weiten-moduliertes (SWI) Signal. Dieses Signal wird dann, vorzugsweise über eine gemeinsame Verteilleitung, an die einzelnen Kraftmessmodule 210 übertragen. In den Kraftmessmodulen wird dann das synchronisierte, puls-weiten-modulierte (SWI) Signal via das erste Schaltelement S1 a, S1 b zur Steuerung der Schaltvorrichtung SW eingesetzt, falls dieses Schaltelement S1 a, S1 b durchgeschaltet ist. Die Kontrolleinheit CONT übernimmt neben der weiteren Verarbeitung des Sendesignals STχi, STχ2, ■■■ STχn und der Erzeugung des synchronisierten, puls-weiten-modulierten (SWI) Signals die Steuerung der Schaltgruppen S1 , S2 in den einzelnen Kraftmessmodulen 210.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die Auswertevorrichtung 270 ausserdem einen Ramp-Reset Generator RR auf, welcher ein Reset-Signal erzeugt. Dieses Reset- Signal wird dann anstelle des zuvor beschriebenen Taktsignals SCL, vorzugsweise über eine gemeinsame Verteilleitung, an die einzelnen Kraftmessmodule 210 übertragen und dort zum Zurücksetzen der Rampengeneratoren RG verwendet. Dabei erzeugen die Rampengeneratoren RG ausgehend von einer Startspannung eine kontinuierlich ansteigende Spannung VR, bis sie einen Steuerbefehl, vorzugsweise den Impuls eines Reset-Signals, erhalten um daraufhin auf die Startspannung zurückzufallen und von neuem beginnen.
Durch die zentrale Erzeugung des Reset-Signals kann auf die Teilungsstufe DIV in den einzelnen Kraftmessmodulen 210 verzichtet werden. Außerdem ergibt sich für das Reset-Signal eine wesentlich tiefere Frequenz beziehungsweise eine wesentlich längere Periodendauer als für das Taktsignal, welches zur Synchronisation der Sendesignale verwendet wird. Somit ergeben sich weniger Störungen für das Sendesignal und somit eine höhere Messgenauigkeit und Stabilität der Mehrfach- Kraftmessvorrichtung.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung entsprechend Figur 6, bei der jedoch die Auswerteeinheit eine Multiplexvorrichtung MUX und einen PWM Generator aufweist. Die Multiplexvorrichtung MUX erlaubt das selektive Durchschalten der Sendesignale STXI , STχ2, ■■■ STχn zur weiteren Verarbeitung. Das durchgeschaltete Sendesignal wird via eine Synchronisationsvorrichtung 234 einerseits an einen Analog-Digital-Wandler A/D und andererseits an einen PWM-Generator GEN weitergeleitet.
Der PWM-Generator GEN erzeugt jeweils für jedes Kraftmessmodul 210 ein individuelles und synchronisiert puls-weiten-moduliertes Signal SWI. Diese Signale werden dann über individuelle Signalleitungen an die Kraftmessmodule 210 weitergeleitet und dort zur Rückkoppelung der Schaltvorrichtung SW verwendet.
Die jeweiligen synchronisierten, puls-weiten-modulierten Signale SWI werden während bestimmten Zeitintervallen fortlaufend und gleichförmig, entsprechend einem konstanten Tastverhältnis, erzeugt. Am Ende des Zeitintervalls, typischerweise in regelmässigen, zyklischen Abständen, werden diese Signale den aktuellen Erfordernissen angepasst. Dazu übernimmt der PWM-Generator GEN das empfangene synchronisierte, puls-weiten-modulierte Signal SWI und aktualisiert damit die Signalerzeugung für das jeweilige Kraftmessmodul 210. Das neue Tastverhältnis wird dann wieder bis zum Ende des neuen Zeitintervalls, also bis zur nächsten Aktualisierung beibehalten. Der PWM-Generator GEN kann beispielsweise in Form eines Mikroprozessors ausgebildet sein, bei dem Informationen zur Erzeugung der jeweiligen synchronisierten, puls-weiten-modulierten Signale SWI durch Registereinträge gespeichert werden.
Durch diese zentrale, gemeinsam genutzte Synchronisation kann auf individuelle
Synchronisationsvorrichtungen 234 in den einzelnen Kraftmessmodulen 210 verzichtet und somit eine kostengünstiger Aufbau der Mehrfach-Kraftmesssvorrichtung 200 erreicht werden.
Die Baugruppen der Synchronisationsvorrichtung 234, des Analog-Digital-Wandler A/D und des PWM-Generator GEN sind in dieser Ausführungsform in einer Kontrolleinheit CONT zusammengefasst. Es kann aber auch die Multiplexvorrichtung MUX und/oder der Taktgenerator FG und/oder der Ramp-Reset Generator RR in der Kontrolleinheit CONT integriert sein. Vorzugsweise wird die Kontrolleinheit CONT durch einen handelsüblichen Miroprozessor oder durch spezialisierte Baugruppen implementiert.
Wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen lässt sich auch in diesem Fall das Prinzip in analoger Weise auf eine Mehrfach-Kraftmesssvorrichtung 200 mit einer beliebigen Anzahl von Kraftmessmodulen 210 fortsetzen. Sowohl die Multiplexvorrichtung MUX als auch der PWM-Generator GEN können grundsätzlich eine beliebige Anzahl von Kanälen verarbeiten ohne dass die Ausführungsform der Mehrfach-Kraftmesssvorrichtung 200 wesentlich geändert werden müsste.
Durch die zentrale Erzeugung des Reset-Signals für die Rampengeneratoren RG und des synchronisierten, puls-weiten-modulierten Signals für die Modulationsvorrichtung 230 kann die Anzahl der Bauelemente und die entsprechende Wärmeentwicklung bei der Mehrfach-Kraftmesssvorrichtung 200, insbesondere bei einer Vielzahl von Kraftmessmodulen 210, stark reduziert werden. Bezugszeichenliste
2 feststehender Bereich
3 vertikal auslenkbarer Bereich
4 Lenker
5, 7 Biegelager
6 Hebel
8, 12 Hebelarm
9 Koppelelement
10 Permanentmagnetsystem
11 Luftspalt
13 Spule
14 opto-elekthscher Positionsgeber
15 Ausleger
16 Regeleinrichtung
200 Mehrfach-Kraftmessvorrichtung
202 Grundplatte
210 Kraftmessmodul
212 Kraftübertragungsgestänge
214 Kraftaufnehmer
216 Durchführung
220 Kraftmesszelle
230 Modulationsvorrichtung
232 Trägersignalquelle
234 Synchronisationsvorrichtung
240 Signalleitung
270 Auswerteeinheit
274 Signalverarbeitung
VRθfo Referenzspannung der Auswerteeinheit
VReM, VRβfi, ... VRθfn Modulreferenzspannung
SM-I , SM2, ■■■ SMn Messsignal
STXI , STχ2, ■■■ STχn Sendesignal Sd, Sc2, ■■■ Scn Trägersignal
SGL Taktsignal
SRR Ramp-Reset Signal
SD digitales Signal
MUX Multiplexvorrichtung
DMOD Demodulationsvorrichtung
A/D Analog-Digital-Wandler
PWM Puls-Weiten-Modulation
SWI synchronisiertes, puls-weiten-moduliertes Signal
INT Integrator
OA Operationsverstärker
C Kondensator
Rin Eingangswiderstand
RO Referenzwiderstand
SW Schaltvorrichtung
CMP Komparator
RG Rampengenerator
TO Periodendauer/Arbeitsperiode
Vc Ausgangsspannung Vc des Integrators
VR Ausgangsspannung Vc des Rampengenerators
SWI Ausgangssignals der Kippstufe
CNT Ausgangssignal des Gatters
TO Periodendauer
T1 , T2 Periodenanteil
FF Kippstufe
DIV Teilungsstufe
FG Taktgenerator
G Gatter
CTR Zähler
CONT Kontrolleinheit
S1 , S2 Schaltgruppe
S1 a, S1 b, S2a, S2b Schaltelement
RR Ramp-Reset Generator GEN PWM-Generator

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Messwerterfassung in einer Mehrfach-Kraftmessvorrichtung (200), insbesondere einer Mehrfach-Wägevorrichtung, mit mindestens zwei, jeweils eine Kraftmesszelle (220) aufweisenden Kraftmessmodulen (210) und mit einer Auswerteeinheit (270), mit der die von den Kraftmesszellen (220) erzeugten
Messsignale (SMi , SM2, ■■■ SMn) ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kraftmessmodulen (210) das Messsignal (SM-I , SM2, ■■■ SMΠ) jeweils zu einem pulsförmigen Sendesignal (STXI , Sτx2, ■■■ Sτχn) moduliert wird und dass dieses Sendesignal (STχi , STχ2, ■■■ STχn) über mindestens eine Signalleitung (240) an die Auswerteeinheit (270) übertragen wird.
2. Verfahren zur Messwerterfassung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesszellen (220) jeweils ein analoges Messsignal (SMI , SM2, ■■■ SMn) erzeugen und/oder dass das Sendesignal (STχi , STχ2, ■■■ STχn) jeweils als puls-weiten-moduliertes Signal (PWM) oder als zeitdiskretes, puls-weiten- moduliertes Signal (SWI) oder als Signal in Form von Zählpulsen erzeugt wird.
3. Verfahren zur Messwerterfassung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal (STχi , STχ2, ■■■ STχn) bezüglich eines, gegebenenfalls durch die Auswerteeinheit (270) erzeugten, Taktsignals (SGL) oder Ramp-Reset Signals (SRR) synchronisiert wird.
4. Verfahren zur Messwerterfassung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (SMi , SM2, ■■■ SMn) gemäss dem Prinzip des "integrierenden Charge Balancing" Verfahrens zu einem pulsförmigen Sendesignal (STχi , STχ2, ■■■ STχn) moduliert wird.
5. Verfahren zur Messwerterfassung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (SMI , SM2, ■■■ SMΠ) bezüglich einer am
Kraftmessmodul (210) anliegenden, gegebenenfalls durch die Auswerteeinheit (270) erzeugten, Modulreferenzspannung (VRefi, VRθf2, ■■■ VRθfn) moduliert wird.
6. Verfahren zur Messwerterfassung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendesignale (STχi, STχ2, ■■■ Sτχn) der mindestens zwei Kraftmessmodule (210) durch eine in der Auswerteeinheit (270) angeordnete Schaltvorrichtung, insbesondere durch einen Multiplexer (MUX), selektiv zur weiteren Verarbeitung durchgeschaltet wird.
7. Verfahren zur Messwerterfassung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal (STχi, Sτx2, ... STχn) in der Auswerteeinheit (270) durch eine Kontrolleinheit (CONT) verarbeitet, insbesondere durch eine Demodulationsvorrichtung (DMOD) demoduliert und/oder durch eine Synchronisationsvorrichtung (234) synchronisiert und/oder durch eine Zählvorrichtung (274) dessen Zählimpulse erfasst und/oder durch einen Analog-Digital-Wandler (A/D) gewandelt wird.
8. Verfahren zur Messwerterfassung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen in der Auswerteeinheit (270) angeordneten PWM-Generator (GEN) mindestens ein puls-weiten-moduliertes Signal (PWM) oder ein zeitdiskretes, puls-weiten-moduliertes Signal (SWI) erzeugt und dieses an die mindestens zwei Kraftmessmodule (210) weitergeleitet wird.
9. Mehrfach-Kraftmessvorrichtung (200), insbesondere Mehrfach-Wägevorrichtung, mit mindestens zwei, jeweils eine Kraftmesszelle (220) aufweisenden Kraftmessmodulen (210) und mit einer Auswerteeinheit (270) mit welcher die von den Kraftmesszellen (220) erzeugten Messsignale (SMi, SM2, ■■■ SMn) auswertbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessmodule (210) jeweils eine Modulationsvorrichtung (230) aufweisen, welche mit der Kraftmesszelle (220) und mit mindestens einer Signalleitung (240) verbunden ist und mit welcher ein pulsförmiges, über die Signalleitung (240) an die Auswerteeinheit (270) übertragbares Sendesignal (STχi, STχ2, ■■■ STχn) erzeugbar ist.
10. Mehrfach-Kraftmessvorrichtung (200) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (SMi, SM2, ■■■ SMn) als analoges Signal und/oder dass das Sendesignal (STχi, STχ2, ■■■ STχn) als puls-weiten-moduliertes Signal (PWM) oder als zeitdiskretes, puls-weiten-moduliertes Signal (SWI) oder als Signal in Form von Zählpulsen ausgebildet ist.
1 1. Mehrfach-Kraftmessvorrichtung (200) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsvorrichtung (230) oder die Auswerteeinheit (270) eine Synchronisationsvorrichtung (234) aufweist, mit der das Sendesignal
(Sτχi, STχ2, ■■■ STχn) bezüglich eines, gegebenenfalls durch die Auswerteeinheit (270) erzeugten, Taktsignals (SCL) oder Ramp-Reset Signals (SRR) synchronisierbar ist.
12. Mehrfach-Kraftmessvorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (270) eine Schaltvorrichtung
(272), insbesondere einen Multiplexer (MUX), aufweist, mit der die Sendesignale (STχi, STχ2, ■■■ STχn) der mindestens zwei Kraftmessmodule (210) selektiv zur weiteren Verarbeitung durchschaltbar sind.
13. Mehrfach-Kraftmessvorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsvorrichtungen (230) der mindestens zwei Kraftmessmodule (210) jeweils über eine gemeinsame Signalleitung (240) mit der Auswerteeinheit (270) verbunden sind, über welche die Sendesignale (STχi, STχ2, ■■■ STχn), gegebenenfalls gesteuert durch eine Kontrolleinheit (CONT), an die Auswerteeinheit (270) übertragen werden.
14. Mehrfach-Kraftmessvorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (270) weitgehend isoliert und/oder weitgehend räumlich getrennt und/oder weitgehend thermisch isoliert von den Kraftmesszellen (220) angeordnet ist.
15. Mehrfach-Kraftmessvorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (270) eine Spannungsquelle zur Erzeugung einer vorzugsweise gegen Temperatureinflüsse und/oder Schwankungen der Stromversorgung stabilisierten Referenzspannung (VRθfo) aufweist, welche den einzelnen Kraftmessmodulen (210) zuführbar ist.
16. Mehrfach-Kraftmessvorrichtung (200) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulreferenzspannung (VRefi, VRθf1, ... VRθfn) als weitgehend konstante Modulreferenzspannung gemäss der Beziehung VReπ = VRθf2= ... = VRθfn anliegt.
17. Mehrfach-Kraftmessvorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kraftmessmodul (210) abschaltbar und/oder auswechselbar ist, während mindestens ein weiteres Kraftmessmodul (210) den kontinuierlichen Messbetrieb fortsetzt.
18. Mehrfach-Kraftmessvorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (270) einen mit den mindestens zwei Kraftmessmodulen (210) verbundenen Taktgenerator (FG) zur Erzeugung eines Taktsignals SCL und/oder einen mit den mindestens zwei Kraftmessmodulen (210) verbundenen Ramp-Reset Generator (RR) zur Erzeugung eines Ramp-Reset Signals SRR aufweist.
19. Mehrfach-Kraftmessvorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (270) einen Signalgenerator (GEN) aufweist, welcher mit den Modulationsvorrichtungen (230) der mindestens zwei Kraftmessmodule (210) verbunden ist und welcher für jedes Kraftmessmodul (210) ein puls-weiten-moduliertes (PWM) oder ein synchronisiertes puls-weiten-moduliertes (SWI) Signal erzeugt.
20. Kraftmessmodul (210) für eine Mehrfach-Kraftmessvorrichtung (200) gemäss einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftmessmodul (210) eine mit der Modulationsvorrichtung (230) und der Signalleitung (240) verbundene Schaltvorrichtung (MX1 , MX2) aufweist, mit welcher das Sendesignal (STXI , Sτx2, ■■■ Sτχn) zwischen einer Übertragung zur
Signalleitung (240) oder einer Rückkopplung in der Modulationsvorrichtung (230) umschaltbar ist.
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