WO2021032760A1 - Digitale messwertkorrektur in einer anschlussstruktur eingebauten kraftmessvorrichtung - Google Patents

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WO2021032760A1
WO2021032760A1 PCT/EP2020/073146 EP2020073146W WO2021032760A1 WO 2021032760 A1 WO2021032760 A1 WO 2021032760A1 EP 2020073146 W EP2020073146 W EP 2020073146W WO 2021032760 A1 WO2021032760 A1 WO 2021032760A1
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WO
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force
connection structure
measuring device
force measuring
signal
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Application number
PCT/EP2020/073146
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English (en)
French (fr)
Inventor
Samuel Bouvron
Ulrich Rauchschwalbe
Original Assignee
Schenck Process Europe Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G3/00—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
    • G01G3/12—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
    • G01G3/14—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing measuring variations of electrical resistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G3/00—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
    • G01G3/18—Temperature-compensating arrangements

Definitions

  • the invention relates to a method for implementing a digital measured value correction in a force measuring device built into a connection structure, a method for digital measured value correction in a force measuring device built into a connection structure, and a force measuring system with a connection structure and a force measuring device built into the connection structure.
  • Force measuring devices such as a weighing device with a load cell, are used to measure forces, such as the weight of objects to be weighed. In short, for weighing objects or items to be weighed.
  • a force measuring device has various components, such as a force pick-up, structural structures and bearings that support or pick up the force pick-up (against a substrate), a force sensor - also called a force transducer, load cell or load cell - and a device for processing measurement signals, ie from Kraftmessvorrich processing force signals.
  • a force to be measured is recorded by means of the force absorption and (in the force shunt with regard to the bearings) is passed on to the force sensor.
  • the force sensor converts the applied force into an electrical force measuring signal, the force measuring device force signal, which corresponds to the force acting on the force measuring device.
  • the force acting on a weighing device results from the weight of the material to be weighed, ie the load that acts on the force absorption, for example in the form of a weighing pan ("container scale").
  • This force effect is passed on to the force sensor and there converted into the electrical force measuring device force signal or here a weighing device force signal.
  • the force measuring device force signal is forwarded to a signal processing unit, which is used to further process this force measuring device force signal and to generate a corresponding output signal.
  • the output signal is usually transmitted to a display unit and / or to a further processing device, for example to a host computer or to a system controller.
  • force measuring devices or weighing devices are typically used when weighing individual goods to be weighed, but also in automated production and test systems for weighing larger quantities of goods to be weighed.
  • the requirements for such force measuring devices consist of high measuring accuracy, high reproducibility and stability of the measurements, especially under mostly difficult, such as rough, ambient conditions or measuring environments.
  • the force measuring devices or weighing devices should be constructed as simply and inexpensively as possible. It is known that, for precise and stable measurements, disturbing influences that falsify the measurement result can be measured and corrected in a suitable manner.
  • GB 1495 278 describes a method in which the influences of load-independent parameters, in particular the influence of a temperature, is corrected which has an external effect on the force measuring device or weighing device.
  • the ambient temperature is measured by means of a temperature sensor and a corresponding electrical temperature measurement signal is generated.
  • the force measurement signal is then processed into a temperature-corrected output signal.
  • This method can also be used to correct time-dependent phenomena, for example creep using a time-dependent exponential function.
  • EP 2457 070 B1 also describes a temperature effect correcting method for a weighing device.
  • This method for temperature correction is carried out in their normal Be operation and has the following steps: generation of an electrical force measurement signal corresponding to the force acting by means of a force measurement cell; Measurement of a temperature by means of a temperature sensor arranged at a distance from the heat-generating components of the force-measuring device, which temperature corresponds mainly to an ambient temperature acting on the force-measuring device and generation of an electrical temperature measurement signal corresponding to the measured temperature; Processing of the force measurement signal based on the temperature measurement signal and the force measurement signal to form a temperature-corrected output signal; Transmission of the output signal to a display unit and / or to a further processing unit.
  • connection structure In direct weighing technology, as described in "news, news from SCHENCK PROCESS, Heavy Industry 12.2005DE, 20 years of SCHENCK - direct weighing technology, optimal weighing solutions for the steel industry", the force sensors or load cells are built into the power flow in the connection structure, mostly screwed, without (further) bearings or weighing technical storage elements between the force absorption and the subsurface, whereby the force flow is finally passed through force sensors or load cells. To put it simply and clearly, the connection structure becomes part of the load cell, in short the connection structure becomes the load cell.
  • the invention is based on the object of providing a method and a force measuring system which make it possible to carry out force measurements with greater accuracy.
  • This object is achieved by a method, a method for implementing a digital measured value correction in a force measuring device built into a connection structure, a method for digital measured value correction in a force measuring device built into a connection structure, and a force measuring system with a connection structure and a force measuring device built into the connection structure the features of the respective independent claim.
  • a connection structure is understood to mean both the construction to be weighed and the subsurface existing under the force measuring device.
  • the force measuring device is firmly connected to the elements above the force measuring device and below the force measuring device. This means that the force measuring device according to the invention without additional bearings or elastomer bearings, links or horizontal links or resiliently preloaded lift-off safeguards.
  • the force measuring device is accordingly firmly and directly connected to the substrate and the component or element to be weighed. The substrate and the component or element to be rejected thus form the connection structure.
  • the method for digital measured value correction in a force measuring device built into a connection structure in particular a weighing device with a load cell, it is provided that using a parameterizable, disturbing effects acting on the force measuring device built into the connection structure, taking into account and error-prone measurement behavior of the measuring behavior built into the connection structure
  • the functional model of the force measuring device built into the connection structure (“electronic twin"), in particular the function model of the force measuring device built into the connection structure (“learned electronic twin”) parameterized according to the method for implementing a digital measured value correction
  • a faulty force measuring device force signal of the force measuring device built into the connection structure is corrected in an error loop using a functional model force signal generated using the faulty force measuring device force signal and the functional model.
  • the force measuring system provides a connection structure, a force measuring device built into the connection structure, in particular a weighing device with a load cell, and a function module for a digital measured value correction of an error-prone force measuring device force signal generated by the force measuring device built into the connection structure, wherein
  • the function module has at least one parameterizable function model of the force measurement device ("electronic twin") that takes into account disturbance effects acting on the force measuring device built into the connection structure and depicts an error-prone measurement behavior of the force measurement device built into the connection structure, in particular then also (the function module ) is set up to carry out the method for implementing a digita len measured value correction and / or the method for digital measured value correction.
  • the method or the method as well as the force measuring system combine an evaluation-side computational approach, ie the digital measured value correction, with a structural or mechanical approach, ie the direct force measurement technology or direct weighing technology, for improved force measurement.
  • the structural or mechanical approach provides for the process or the force measuring system, the direct force measuring technology or direct weighing technology, in that the force measuring device, in particular a weighing device with a load cell, is built into the connection structure, for example screwed on / screwed or pressed.
  • the - new - computational approach on the evaluation side is based on an electronic twin, which - in simplified terms and in short - represents an image of the - faulty - direct measuring / weighing force measuring device.
  • the electronic twin represents a parameterizable functional model of the force measuring device built into the connection structure, which takes into account interference effects acting on the force measuring device built into the connection structure and depicts faulty measurement behavior of the force measuring device built into the connection structure.
  • “parameterizable” can mean that - in the case of a model having parameters, here the electronic twin, - these parameters, more precisely their parameter values, can be changed or adapted. Using these parameters "as a whole” (number, type, linkage, ...) and their variable / adaptable values, a model or the electronic twin for the force measuring device can be taken into account and their specific influence on the force measuring device can be configured.
  • Disruptive effects in particular additional ones that result from direct weighing technology or from installation in the connection structure, can be, for example, a position of force introduction and / or force dissipation, transverse forces, torsional forces, shocks, a cosine error, in particular a cosine error caused by tilting the connection structure, a change in the mechanical properties of the connection structure, a change in the mechanical properties of the connection of the connection structure, wear on the force measuring device, a temperature coefficient of the zero point ((temperature-related) zero point error), a temperature coefficient of the characteristic value (error in the transmission factor ), a temperature gradient (error due to temperature gradients), a sensitivity error, in particular a temperature-related sensitivity error, a linearity error, a hysteresis and / or creep.
  • a position of force introduction and / or force dissipation transverse forces, torsional forces, shocks
  • a cosine error in particular a cosine error caused by tilting the connection structure
  • thermodynamic (temperature) model (“(interference) effect model”) determining a temperature difference characterizing correction parameter
  • this is according to the method or the force measuring device
  • Function model used ie the electronic twin, a function model of the force measuring device, similar to a controlled system or a transmission system, - and depicts its faulty measurement behavior ("functional model").
  • the "individualized" measurement error correction for the (individual) force measuring device is highly accurate - and so is the force measurements of the (individual) force measuring device highly accurate, stable and reliable.
  • the parameterization of the functional model or electronic twin is carried out using an error minimization method, in particular a method of minimum error squares (“learning”).
  • parameters of the functional model or electronic twin are set manually.
  • the functional model or electronic twin in particular taking into account a temperature, an input signal, in particular a force signal, further in particular a, in particular The reference force signal generated by a calibration force measuring device for the reference load is mapped onto an output signal, in particular a functional model force signal, further in particular the functional model reference force signal.
  • a deviation between the faulty force-measuring device force signal and the functional model force signal is formed, in particular added or integrated, in the error loop.
  • the force-measuring device force signal with errors can be generated by applying a load to be measured to the force-measuring device built into the connection structure, it can arise from time, creep, the influence of temperature or other sources of error.
  • the function model can map an input signal, in particular a force signal, further in particular the force signal integrated in the error loop, onto an output signal, in particular the function model force signal, taking into account a temperature.
  • the individual disruptive effects taken into account in the functional model are mapped in the functional model using individual, independent disruptive effects maps (function blocks).
  • connection structures such as a container, silo, tank, track, road vehicle, process, platform, metering, conveyor, tundish, ladle or mixer scale o- which is built into force-based diagnosis or adjustment systems or the procedures are implemented there.
  • FIG. 1 shows a part of a connecting structure, here a container scale or top bunker scale in a blast furnace, with direct weighing technology
  • FIG. 2 schematically shows a digital measured value correction
  • FIG. 3 shows a block diagram of a parameterizable function model ("electronic twin") which takes into account disruptive effects acting on a weighing beam built into a connection structure and depicts an error-prone measurement behavior of the weighing beam built into the connection structure;
  • 5 shows a training of the parameterizable function model or electronic twin on the basis of Signalver courses; 6 shows a digital measured value correction with the parameterizable function model or electronic twin;
  • FIG. 7 shows a digital measured value correction with the parameterizable function model or electronic twin based on signal curves.
  • Fig. 1 shows a part of the adjacent construction, here a loading container scale or top bunker scale 10 in a blast furnace, with a Direkissegetechnik.
  • a top bunker 11 is mounted directly on a force sensor 2, i.e. three weighing devices with force sensors 2, of a type weighing beam DWB (only one is visible in Fig. 1).
  • Each force sensor 2 is on the one hand firmly screwed to the top bunker and on the other hand firmly to the subsurface (connection structure 1).
  • the force sensor 2 delivers an (electrical) force measuring device force signal which, as indicated in Fig. 1 (and Fig. 2), is sent by means of a line 12 to a signal processing unit 13, or evaluation unit for short electronics 13, which is used for the further processing of this force measuring device force signal and the generation of a corresponding output signal (see FIG. 2).
  • force sensors 2 should convert the force that is to be measured or determined into a proportional electrical signal, the force-measuring device force signal.
  • a special function module 8 is provided in the evaluation electronics 13, as illustrated in FIG. 2 (cf. in particular FIG. 3), by means of which this digital error correction can be brought about or implemented.
  • a parameterizable function model 3 of the force sensor 2 (“electronic twin", 3) is implemented, which takes into account disturbance effects acting on the force sensor 2 built into the connection structure 1 and displays an error-prone measurement behavior of the force sensor 2 built into the connection structure 1.
  • the (faulty) functionality / measuring behavior of the force sensor 2 is modeled / simulated by means of the function module 8 or electronic twin 3.
  • FIG. 2 For the digital measured value correction of the force measuring device force signal by means of the electronic twin 3, as FIG. 2 also shows, possible disturbance variables such as temperature or a load can be measured at different positions and at different times.
  • this parameterizable function model 3 of the force sensor which is only an "electronic twin" in the following, which takes into account interference effects acting on the force sensor 2 built into the connection structure 1 and depicts the faulty measurement behavior of the force sensor 2 built into the connection structure 1.
  • FIG. 3 also illustrates, individual function blocks 9 are formed in the electronic twin's 3, which numerically identify the different interference effects to be taken into account - using to the respective individual Situation adaptable parameters - model, namely for example here in Fig. 3 for a linearity error, for a hysteresis and for a creep.
  • the individual parameters are shown in FIG. 3 by a plurality of blocks arranged one behind the other and are not designated in more detail.
  • models based on differential equations are available, such as a Dahl model for the hysteresis, and a numerical filter, for example a low-pass or high-pass filter for creep.
  • FIG. 3 shows, further analog variables such as load, temperature or position are still measured and fed to the electronic twin 3.
  • the subdivision into different function blocks 9 allows certain compensations or interference effects - depending on the situation - to be switched off.
  • a certain number of parameters 5 determine the amount and shape of the different disruptive effects ("gray box").
  • FIG 4 illustrates schematically how the parameterization of the electronic twin 3 is carried out using an error minimization method 4, here the method of minimum error squares 4 (“learning” (“training”)).
  • the error squares are formed here from the difference between a force measuring device reference force signal (“signal”) and a corresponding / associated functional model reference force signal (“model”).
  • Fig. 5 shows how - for known reference forces / reference loads - the related force signals generated by force sensor 2 with corresponding - from these known Re reference forces / reference loads - are compared by the electronic twin 3 generated force signals (curve 1: reference signal; curve 2 : Sensor signal or curve 2 ' : difference curve 2 curve 1; curve 3: signal of the electronic twin or curve 3 ' : difference curve 3 curve 1; curve 4: temperature (curve) (curves (above) due to displayability shifted against each other).
  • the electronic twin 3 “learns” or is “trained”, ie its parameters 5 are adapted in such a way that its output signal maps the output signal of the force measuring device 2 as well as possible, in short, that the errors are as small as possible.
  • the parameters 5 to be adjusted originate from the electronic twin 3 - the individual interference effects take into account function modules / blocks 9, indicated here by way of example for the interference effects linearity error, hysteresis and creep.
  • the measured value correction takes place in a (simple) (error) loop 6 - formed from a comparator 14, an integrator 15 and the electronic twin
  • the loop 6 is fed to the comparator 14, the measured Whybe liable force measuring device force signal;
  • the integrator 15 (in which the signal is integrated) runs through and then the electronic twin 3, the output signal of which is fed back to the comparator 14.
  • This error correction by this loop structure 6 has the advantage that the same function blocks 9 are used for the correction and the learning phase (cf. FIG. 4).
  • the loop 6 converges extremely quickly, i.e. after just one or very few passes, the loop 6 converges towards a stable error-corrected load value or the corrected load signal.
  • This corrected load signal can, as FIG. 6 also shows, be tapped between integrator 15 and digital twin 3 (and fed to a display (16, not shown)).
  • Curve 2 sensor signal or curve 2 ′′: difference curve 2 curve 1; curve 5: corrected load signal or curve 5 ': difference curve 5 curve 1; curve 4: temperature curve with disruptive effect of temperature rise. Curves 1, 2 and 5 are due to the representability shifted against each other).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Implementierung einer digitalen Messwertkorrektur bei einer in einer Anschlussstruktur (1) eingebauten Kraftmessvorrichtung (2), ein Verfahren zur digitalen Messwertkorrektur bei einer in einer Anschlussstruktur (1) eingebauten Kraftmessvorrichtung (2), und ein Kraftmesssystem (7) mit einer Anschlussstruktur (1) und einer in die Anschlussstruktur (1) eingebauten Kraftmessvorrichtung (2). Um Kraftmessungen mit höherer Genauigkeit und Zuverlässigkeit durchführen zu können, sehen die Verfahren und das Kraftmessystem (7) ein parametrierbares, auf die in der Anschlussstruktur (1) eingebaute Kraftmessvorrichtung (2) wirkende Störeffekte berücksichtigendes und ein fehlerbehaftetes Messverhalten der in die Anschlussstruktur (1) eingebauten Kraftmessvorrichtung (2) abbildendes Funktionsmodell (3) der in die Anschlussstruktur (1) eingebauten Kraftmessvorrichtung (2) („elektronischer Zwilling") vor.

Description

DIGITALE MESSWERTKORREKTUR IN EINER ANSCHLUSSSTRUKTUR EINGEBAUTEN KRAFTMESSVORRICHTUNG
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Implementierung ei ner digitalen Messwertkorrektur bei einer in einer Anschluss struktur eingebauten Kraftmessvorrichtung, ein Verfahren zur digitalen Messwertkorrektur bei einer in einer Anschluss struktur eingebauten Kraftmessvorrichtung, und ein Kraftmess system mit einer Anschlussstruktur und einer in die An schlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung.
Kraftmessvorrichtungen, wie beispielsweise eine Wägevorrich tung mit einer Wägezelle, werden dazu verwendet, um Kräfte, wie beispielsweise Gewichtskräfte von Wägegütern, zu messen. Kurz, zum Verwiegen von Objekten bzw. Wägegütern.
Üblicherweise weist eine Kraftmessvorrichtung verschiedene Bauteile auf, wie ein Kraftaufnahme, bauliche Strukturen und Lager, welche die Kraftaufnahme (gegen einen Untergrund) la gern bzw. aufnehmen, einen Kraftsensor - auch Kraftaufnehmer, Kraftmesszelle oder Wägezelle genannt - und eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Messsignalen, d.h. von Kraftmessvorrich tungskraftsignalen .
Eine zu messende Kraft wird mittels der Kraftaufnahme aufge nommen und (im Kraftnebenschluss bezüglich der Lager) an den Kraftsensor weitergeleitet. Der Kraftsensor formt die zuge führte Kraft in ein elektrisches Kraftmesssignal, das Kraft- messvorrichtungskraftsignal , um, welches zur der auf die Kraftmessvorrichtung einwirkenden Kraft korrespondiert. In diesbezüglich entsprechender Weise ergibt sich bei einer Wägevorrichtung die einwirkende Kraft durch die Gewichtskraft des Wägeguts, d.h. die Last, welche auf die Kraftaufnahme, beispielsweise in Form einer Waagschale („Behälterwaage"), wirkt. Diese Kraftwirkung wird auf den Kraftsensor weiterlei tet und dort in das elektrische Kraftmessvorrichtungskraft signal bzw. hier ein Wägevorrichtungskraftsignal umgewandelt.
Das Kraftmessvorrichtungskraftsignal wird an eine Signalver arbeitungseinheit weitergeleitet, welche der weiteren Verar beitung dieses Kraftmessvorrichtungskraftsignals und der Er zeugung eines entsprechenden Ausgangssignals dient.
Das Ausgangssignal wird meist an eine Anzeigeeinheit und/oder auch an eine weitere Verarbeitungsvorrichtung, zum Beispiel an einen Leitrechner oder an eine Anlagensteuerung, übertra gen.
Diese Kraftmessvorrichtungen oder Wägevorrichtungen finden typischerweise ihren Einsatz beim Verwiegen einzelner Wägegü ter aber auch in automatisierten Produktions- und Testanlagen zum Verwiegen größerer Mengen von Wägegütern.
Die Anforderungen an solche Kraftmessvorrichtungen bestehen in einer hohen Messgenauigkeit, einer hohen Reproduzierbar keit und Stabilität der Messungen, insbesondere unter meist schwierigen, wie rauhen, Umgebungsbedingungen bzw. Messumge bungen. Außerdem sollen die Kraftmessvorrichtungen bzw. Wäge vorrichtungen möglichst einfach und kostengünstig aufgebaut sein. Es ist bekannt, dass für genaue und stabile Messungen stö rende, das Messresultat verfälschende Einflüsse (mit-)gemes sen und auf geeignete Weise korrigiert werden können.
Beispielsweise beschreibt die GB 1495 278 ein Verfahren, bei dem die Einflüsse lastunabhängiger Parameter, insbesondere der Einfluss einer Temperatur korrigiert wird, welche von au ßen auf die Kraftmessvorrichtung bzw. Wägevorrichtung ein wirkt. Dazu wird mittels eines Temperatursensors die ein wirkende Umgebungstemperatur gemessen und ein dazu entspre chendes elektrisches Temperaturmesssignal erzeugt. Anhand dieses Temperaturmesssignals wird dann das Kraftmesssignal zu einem temperaturkorrigierten Ausgabesignal verarbeitet. Mit dieser Methode können auch zeitabhängige Phänomene korrigiert werden, beispielsweise das Kriechen mittels einer zeitabhän gigen Exponentialfunktion.
Die EP 2457 070 Bl beschreibt ebenfalls ein Temperatureffekt korrigierendes Verfahren für eine Wägevorrichtung. Dieses Verfahren zur Temperaturkorrektur wird in deren normalem Be trieb durchgeführt und weist folgende Schritte auf: Erzeugung eines elektrischen, zur einwirkenden Kraft korrespondierenden Kraftmesssignals mittels einer Kraftmesszelle; Messung einer Temperatur mittels eines in Distanz von den wärmeerzeugenden Bauteilen der Kraftmessvorrichtung angeordneten Temperatur sensors, welche Temperatur hauptsächlich zu einer auf die Kraftmessvorrichtung einwirkenden Umgebungstemperatur korres pondiert und Erzeugung eines der gemessenen Temperatur ent sprechenden elektrischen Temperaturmesssignals; Verarbeitung des Kraftmesssignals anhand des Temperaturmesssignals und des Kraftmesssignals zu einem temperaturkorrigierten Ausgabesig nal; Übertragung des Ausgabesignals an eine Anzeigeeinheit und/oder an eine weitere Verarbeitungseinheit. Dabei wird bei dem Schritt der Verarbeitung aus dem Kraftmesssignal und dem Temperaturmesssignal, mindestens ein der Korrektur des Ausga besignals dienender Korrekturparameter mittels eines zugrunde liegenden thermodynamischen Modells, mittels welchem Tempera turen, die an bzw. in der Nähe wärmeerzeugender Bauteile auf- treten, berechnet werden können, berechnet, welcher Korrek turparameter eine Temperaturdifferenz charakterisiert, die zwischen einer Systemtemperatur und der gemessen Temperatur und/oder zwischen einer ersten Systemtemperatur und einer zweiten Systemtemperatur besteht.
Diese bekannten Verfahren, wie die nach der GB 1495 278 und der EP 2457 070 Bl, führen so zu einer verbesserten Kraft messung, indem sie auswertungsseitig rechnerisch ansetzen bzw. eingreifen.
Eine weitere Verbesserung bei solchen Kraftmessvorrichtungen bzw. Wägevorrichtungen hinsichtlich genannter Anforderungen ergibt sich, werden diese im Rahmen einer Direktkraftmess- technik bzw. Direktwägetechnik eingesetzt. Der zu einer ver besserten Kraftmessung führende Ansatz bzw. Eingriff erfolgt hier somit bautechnisch bzw. mechanisch.
Bei der Direktwägetechnik, wie beispielsweise in „news, Neues von SCHENCK PROCESS, Heavy Industry 12.2005DE, 20 Jahre SCHENCK - Direktwägetechnik, optimale wägetechnische Lösungen für die Stahlindustrie", beschrieben, sind die Kraftsensoren bzw. Wägezellen im Kraftfluss in die Anschlussstruktur einge baut, meist verschraubt, ohne, dass (weitere) Lager bzw. wä getechnische Lagerungselemente zwischen der Kraftaufnahme und dem Untergrund vorhanden sind, wodurch der Kraftfluss aus schließlich über Kraftsensoren bzw. Wägezellen geleitet wird. Vereinfacht und anschaulich ausgedrückt, die Anschlussstruk tur wird zum Teil der Wägezelle, kurz die Anschlussstruktur wird zur Wägezelle.
Daraus ergeben sich für die Direktwägetechnik insbesondere Vorteile, wie keine Kraftnebenschlüsse, die vor allem über lange Zeiträume schwer beherrschbar sind, keine beweglichen Teile, keine mechanischen Einstellarbeiten, kein spezielles Fachwissen für die Montage der Wägezellen erforderlich, voll kommen wartungsfrei und unempfindlich gegenüber Verschmut zung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Kraftmesssystem zur Verfügung zu stellen, welche es er möglichen, Kraftmessungen mit höherer Genauigkeit durchführen zu können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren ein Verfahren zur Implementierung einer digitalen Messwertkorrektur bei ei ner in einer Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrich tung, ein Verfahren zur digitalen Messwertkorrektur bei einer in einer Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung und ein KraftmessSystem mit einer Anschlussstruktur und einer in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruchs.
Unter einer Anschlussstruktur wird dabei sowohl die zu ver wiegende Konstruktion als auch der unter der Kraftmessvor richtung vorhandene Untergrund verstanden. Wie bei der Di rektwägetechnik üblich, ist die Kraftmessvorrichtung fest mit den oberhalb der Kraftmessvorrichtung und unterhalb der Kraftmessvorrichtung Elementen verbunden. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung ohne zusätzliche Lager bzw. Elastomerlager, Lenker bzw. Horizontallenker oder federnd vorgespannte Abhebesicherungen auskommt. Bei der vor liegenden Erfindung ist die Kraftmessvorrichtung dementspre chend fest und direkt mit dem Untergrund und dem zu verwie genden Bauteil oder Element verbunden. Untergrund und zu ver- weigendes Bauteil oder Element bilden somit die Anschlusstru- tur. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen stand abhängiger Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschrei bung. Die Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf die Ver fahren als auch auf das Kraftmesssystem.
Bei dem Verfahren zur Implementierung einer digitalen Mess wertkorrektur bei einer in einer Anschlussstruktur eingebau ten Kraftmessvorrichtung, insbesondere einer Wägevorrichtung mit einer Wägezelle, ist vorgesehen, dass
- ein parametrierbares, auf die in der Anschlussstruktur ein gebaute Kraftmessvorrichtung wirkende Störeffekte berücksich tigendes und ein fehlerbehaftetes Messverhalten der in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung abbilden des Funktionsmodell der in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung („elektronischer Zwilling")
- unter Verwendung eines für eine Referenzbelastung generier ten Kraftmessvorrichtungsreferenzkraftsignals und einem für die Referenzbelastung von dem parametrierbaren Funktionsmo dell generierten Funktionsmodellreferenzkraftsignals
- parametriert wird.
Nach dem Verfahren zur digitalen Messwertkorrektur bei einer in einer Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung, insbesondere einer Wägevorrichtung mit einer Wägezelle, ist vorgesehen, dass unter Verwendung eines parametrierbaren, auf die in der Anschlussstruktur eingebaute Kraftmessvorrichtung wirkende Störeffekte berücksichtigenden und ein fehlerbehaf tetes Messverhalten der in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung abbildenden Funktionsmodells der in dieAnschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung („elektro nischer Zwilling"), insbesondere des nach dem Verfahren zur Implementierung einer digitalen Messwertkorrektur parame- trierten Funktionsmodells der in die Anschlussstruktur einge bauten Kraftmessvorrichtung („angelernter elektronischer Zwilling"),
- ein fehlerbehaftetes Kraftmessvorrichtungskraftsignal der in der Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung un ter Verwendung eines unter Verwendung des fehlerbehafteten Kraftmessvorrichtungskraftsignals und dem Funktionsmodell ge nerierten Funktionsmodellkraftsignals in einer Fehlerschleife korrigiert wird.
Das KraftmessSystem sieht eine Anschlussstruktur, eine in die Anschlussstruktur eingebaute Kraftmessvorrichtung, insbeson dere eine Wägevorrichtung mit einer Wägezelle, und einen Funktionsbaustein für eine digitale Messwertkorrektur eines von der in der Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvor richtung generierten fehlerbehafteten Kraftmessvorrichtungs kraftsignals vor, wobei
- der Funktionsbaustein mindestens ein parametrierbares, auf die in der Anschlussstruktur eingebaute Kraftmessvorrichtung wirkende Störeffekte berücksichtigendes und ein fehlerbehaf tetes Messverhalten der in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung abbildendes Funktionsmodell der Kraft messvorrichtung („elektronischer Zwilling") aufweist, insbe sondere darüber hinaus dann auch (der Funktionsbaustein) zur Durchführung des Verfahrens zur Implementierung einer digita len Messwertkorrektur und/oder des Verfahrens zur digitalen Messwertkorrektur eingerichtet ist. Vereinfacht ausgedrückt, das Verfahren bzw. die Verfahren so wie auch das Kraftmesssystem verbinden einen auswertungssei tigen rechnerischen Ansatz, d.h. die digitale Messwertkorrek- tur, mit einem bautechnischen bzw. mechanischen Ansatz, d.h. der Direktkraftmesstechnik bzw. Direktwägetechnik, für eine verbesserte Kraftmessung.
Der bautechnische bzw. mechanische Ansatz sieht bei den Ver fahren bzw. dem Kraftmesssystem die Direktkraftmesstechnik bzw. Direktwägetechnik vor, indem die Kraftmessvorrichtung, insbesondere eine Wägevorrichtung mit einer Wägezelle, in die Anschlussstruktur eingebaut, beispielsweise an-/verschraubt oder eingepresst, ist.
Der - neuartige - auswertungsseitige rechnerische Ansatz ba siert auf einen bzw. den elektronischen Zwilling, welcher - vereinfacht und kurz ausgedrückt - ein Abbild der - fehlerbe hafteten - direktmess-/-wägetechnischen Kraftmessvorrichtung darstellt.
D.h., der elektronische Zwilling stellt ein parametrierbares, auf die in der Anschlussstruktur eingebaute Kraftmessvorrich tung wirkende Störeffekte berücksichtigendes und ein fehler behaftetes Messverhalten der in die Anschlussstruktur einge bauten Kraftmessvorrichtung abbildendes Funktionsmodell der in die Anschlussstruktur eingebauten Kraftmessvorrichtung dar.
Dabei kann „parametrierbar" meinen, dass - bei einem Parame ter aufweisenden Modell, hier dem elektronischen Zwilling, - diese Parameter, genauer deren Parameterwerte, verändert bzw. angepasst werden können. Über diese Parameter „im Gesamten" (Anzahl, Art, Verknüpfung, ...) und deren veränderliche/anpassbare Werte kann ein Modell bzw. der elektronische Zwilling für die bzw. für die Kraft messvorrichtung zu berücksichtigende Störeffekte und deren spezifischen Einfluss auf die Kraftmessvorrichtung konfigu riert werden.
Störeffekte, insbesondere auch solche zusätzlichen, welche erst aus der Direktwägetechnik bzw. aus dem Einbau in die An schlussstruktur resultieren, können beispielsweise sein eine Position einer Krafteinleitung und/oder Kraftausleitung, Querkräfte, Torsionskräfte, Stöße, ein Cosinusfehler, insbe sondere ein Cosinusfehler durch Kippen der Anschlussstruktur, eine Änderung von mechanischen Eigenschaften der Anschluss struktur, eine Änderung der mechanischen Eigenschaften der Verbindung der Anschlussstruktur, ein Verschleiß an der Kraftmessvorrichtung, ein Temperaturkoeffizient des Null punkts ((temperaturbedingter) Nullpunktfehler), ein Tempera turkoeffizient des Kennwerts (Fehler des Übertragungsfak tors), ein Temperaturgradient (Fehler durch Temperaturgradi ent), ein Empfindlichkeitsfehler, insbesondere ein tempera turbedingten Empfindlichkeitsfehler, ein Linearitätsfehler, eine Hysterese und/oder ein Kriechen.
Anders als bisher bei einem auswertungsseitigen rechnerischen Messwertkorrekturansatz bzw. diesbezüglich verwendeten Mo dell, wie dem einen eine Temperaturdifferenz charakterisie renden Korrekturparameter ermittelnden thermodynamischen (Temperatur-)Modell („(Stör-)Effektmodell"), ist das nach den Verfahren bzw. bei der Kraftmessvorrichtung verwendete Funk tionsmodell, d.h. der elektronische Zwilling, ein Funktions modell der Kraftmessvorrichtung, ähnlich einer Regelstrecke bzw. einem Übertragungssystem, - und bildet dessen fehlerbe haftetes Messverhalten ab („Funktionsmodell").
Hierdurch, d.h. durch den elektronischen Zwilling im Besonde ren, können gleichzeitig mehrere und verschiedene (Stör-)As- pekte - und diese für die spezifische/individuelle Kraftmess vorrichtung berücksichtigt werden.
Hierdurch wird die „individualisierte" Messfehlerkorrektur für die (individuelle) Kraftmessvorrichtung hochgenau - und so auch die Kraftmessungen der (individuellen) Kraftmessvor richtung hochgenau, stabil und zuverlässig.
Zweckmäßig kann es weiter sein, wenn die Parametrierung des Funktionsmodells bzw. elektronischen Zwillings unter Verwen dung eines Fehlerminimierungsverfahrens, insbesondere einer Methode der minimalen Fehlerquadrate, durchgeführt wird („Lernen").
Dabei kann es weiter zweckmäßig sein, die minimalen Fehler quadrate unter Verwendung des Kraftmessvorrichtungsreferenz kraftsignals und des Funktionsmodellreferenzkraftsignals zu bilden.
Auch kann vorgesehen sein, dass Parameter des Funktionsmo dells bzw. elektronischen Zwillings händisch festgelegt wer den.
Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Funktions modell bzw. elektronische Zwilling, insbesondere unter Be rücksichtigung einer Temperatur, ein Eingangssignal, insbe sondere ein Kraftsignal, weiter insbesondere ein, insbeson- dere von einer Kalibrierkraftmessvorrichtung für die Refe renzbelastung generiertes, Referenzkraftsignal, auf ein Aus gangssignal, insbesondere ein Funktionsmodellkraftsignal, weiter insbesondere das Funktionsmodellreferenzkraftsignal, abbildet.
Auch kann vorgesehen sein, dass in der Fehlerschleife eine Abweichung zwischen dem fehlerbehafteten Kraftmessvorrich- tungskraftsignal und dem Funktionsmodellkraftsignal gebildet, insbesondere summiert oder integriert, wird.
Das fehlerbehaftete Kraftmessvorrichtungskraftsignal kann durch Anlegen einer zu messenden Belastung an die in der An schlussstruktur eingebaute Kraftmessvorrichtung erzeugt wer den, kann durch Zeit, durch Kriechen, durch Temperaturein fluss oder durch andere Fehlerquellen entstehen.
Dementsprechend kann das Funktionsmodell unter Berücksichti gung einer Temperatur ein Eingangssignal, insbesondere ein Kraftsignal, weiter insbesondere das in der Fehlerschleife integrierte Kraftsignal, auf ein Ausgangssignal, insbesondere das Funktionsmodellkraftsignal, abbilden.
Bei einer weiteren Weiterbildung kann auch vorgesehen werden, dass die einzelnen bei dem Funktionsmodell berücksichtigten Störeffekte unter Verwendung einzelner, unabhängiger Stör-ef- fekteabbildungen (Funktionsblöcke) in dem Funktionsmodell ab gebildet werden.
Hier kann es dann weiter zweckmäßig sein, dass die Stör-ef- fekteabbildungen jeweils Differenzialgleichungen verwenden. Ferner ist nach Weiterbildungen vorgesehen, dass das Kraft messsystem in Anschlusskonstruktionen wie einer Behälter-, Silo-, Tank-, Gleis-, Straßenfahrzeug-, Prozess-, Plattform-, Dosier-, Förder-, Tundish-, Gießpfannen- oder Mischerwaage o- der in kraftbasierten Diagnose- oder Justiersysteme eingebaut ist bzw. die Verfahren dort implementiert sind.
Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltun gen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammenge fasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch zweck mäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weite ren Kombinationen zusammengefasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit den erfindungsgemäßen Verfahren und der er findungsgemäßen Anordnung bzw. dem erfindungsgemäßen Kraft messsystem kombinierbar.
Auch wenn in der Beschreibung bzw. in den Patentansprüchen einige Begriffe jeweils im Singular oder in Verbindung mit einem Zahlwort verwendet werden, soll der Umfang der Erfin dung für diese Begriffe nicht auf den Singular oder das je weilige Zahlwort eingeschränkt sein. Ferner sind die Wörter „ein" bzw. „eine" nicht als Zahlwörter, sondern als unbe stimmte Artikel zu verstehen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei spiele der Erfindung, die im Zusammenhang mit der bzw. den Zeichnungen/Figuren näher erläutert wird/werden. Gleiche Bau- teile/Komponenten und Funktionen weisen in den Zeichnun gen/Figuren gleiche Bezugszeichen auf. Die Ausführungsbei spiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf darin angegebene Kombinationen von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Au ßerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausfüh rungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbei spiel zu dessen Ergänzung eingebracht und mit einem beliebi gen der Ansprüche kombiniert werden.
Es zeigen bzw. verdeutlichen:
FIG 1 einen Teil einer Anschlusskonstruktion, hier einer- Behälterwaage oder Gichtbunkerwaage bei einem Hoch ofen, mit einer Direkwägetechnik;
FIG 2 schematisch eine digitale Messwertkorrektur;
FIG 3 ein Blockschaltbild eines parametrierbaren, auf ei nen in einer Anschlussstruktur eingebauten Wägebal ken wirkende Störeffekte berücksichtigenden und ein fehlerbehaftetes Messverhalten des in die Anschluss struktur eingebauten Wägebalken abbildenden Funkti onsmodells („elektronischer Zwilling");
FIG 4 schematisch ein Parametrieren („Training") des para metrierbaren Funktionsmodells bzw. elektronischen Zwillings;
FIG 5 ein Training des parametrierbaren Funktionsmodells bzw. elektronischen Zwillings anhand von Signalver läufen; FIG 6 eine digitale Messwertkorrektur mit dem parametrier- baren Funktionsmodell bzw. elektronischen Zwilling;
FIG 7 eine digitale Messwertkorrektur mit dem parametrier- baren Funktionsmodell bzw. elektronischen Zwilling anhand von Signalverläufen.
Fig. 1 zeigt einen Teil Anschlusskonstruktion, hier einer Be hälterwaage oder Gichtbunkerwaage 10 bei einem Hochofen, mit einer Direkwägetechnik.
Dazu ist, wie Fig. 1 verdeutlicht, ein Gichtbunker 11 unmit telbar auf einem Kraftsensor 2, d.h. drei Wägevorrichtungen mit Kraftsensoren 2, eines Typs Wägebalken DWB (in Fig. 1 ist nur einer sichtbar) gelagert.
Jeder Kraftsensor 2 ist dabei einerseits fest zum Gichtbunker verschraubt sowie auch andererseits fest zum Untergrund (An schlussstruktur 1).
Dadurch sind - bei dieser Direktwägetechnik - keine weiteren externen wägetechnischen Lagerungselemente zwischen dem Be hälter bzw. Gichtbunker 11 und dem Untergrund erforderlich. Daraus ergeben sich folgende Vorteile: - es gibt keine Kraftnebenschlüsse, die vor allem über lange Zeiträume schwer beherrschbar sind, - es gibt keine beweglichen Teile, - es gibt keine mechanischen Einstellarbeiten, - für die Montage der Wägebalken ist kein spezielles Fachwissen erforderlich, - die Waage arbeitet vollkommen wartungsfrei und unempfindlich gegenüber Verschmutzung. In Abhängigkeit und korrespondierend zum Gewicht/Last des Gichtbunkers 11 liefert der Kraftsensor 2 ein (elektrisches) Kraftmessvorrichtungskraftsignal , welches, wie in Fig. 1 (und Fig. 2) angedeutet, mittels einer Leitung 12 an eine Signal verarbeitungseinheit 13, kurz Auswerteeinheit/-elektronik 13, weitergeleitet wird, welche der weiteren Verarbeitung dieses Kraftmessvorrichtungskraftsignals und der Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals dient (vgl. Fig. 2).
Im Idealfall sollen Kraftsensoren 2, die Kraft, die gemessen bzw. ermittelt werden soll, in ein proportional elektrisches Signal, dem Kraftmessvorrichtungskraftsignal, umwandeln.
In der Realität ist dieser Prozess immer fehlerbehaftet, so dass Störkomponenten im Signal auftreten.
Dies beruht unter anderem auf der Funktionsweise des Krafts ensors, welcher nicht-lineare und cross-talk Effekte sowie Temperaturabhängigkeiten aufweist, dies insbesondere im Fall einer Direktwägetechnik, wie hier verwendet, wo die Krafts ensoren mit einer Anschlussstruktur fest verbunden sind, was zusätzliche Störeffekte verursacht.
Um die - diesbezüglich fehlerbehafteten - Kraftmessvorrich tungskraftsignale genauer, stabiler und zuverlässiger zu ma chen, werden diese, wie Fig. 2 verdeutlicht, in bzw. mittels der Auswerteelektronik 13 korrigiert. Kurz, es findet in der Auswertelektronik 13 eine digitale Messwertkorrektur des Kraftmessvorrichtungskraftsignals statt.
Dazu ist in der Auswertelektronik 13, wie Fig. 2 verdeut licht, ein spezieller Funktionsbaustein 8 vorgesehen (vgl. insbesondere Fig. 3), mittels welchem diese digitale Fehler korrektur bewirkbar bzw. umsetzbar ist.
In dem Funktionsbaustein 8 ist ein parametrierbares, auf den in der Anschlussstruktur 1 eingebauten Kraftsensor 2 wirkende Störeffekte berücksichtigendes und ein fehlerbehaftetes Mess verhalten des in die Anschlussstruktur 1 eingebauten Krafts ensors 2 abbildendes Funktionsmodell 3 des Kraftsensors 2 („elektronischer Zwilling", 3) implementiert.
Kurz, die (fehlerbehafte) Funktionsweise/Messverhalten des Kraftsensors 2 wird mittels des Funktionsbausteins 8 bzw. elektronischen Zwillings 3 nachgebildet/simuliert.
Für die digitale Messwertkorrektur des Kraftmessvorrichtungs kraftsignals mittels des elektronischen Zwillings 3 können dann, wie Fig. 2 auch verdeutlicht, eventuelle Störgrößen wie Temperatur oder eine Last an unterschiedlichen Positionen und unterschiedlichen Zeitpunkten gemessen werden.
Fig. 3 verdeutlicht in einem Blockschaltbild dieses paramet- rierbare, auf den in der Anschlussstruktur 1 eingebauten Kraftsensor 2 wirkende Störeffekte berücksichtigende und das fehlerbehaftete Messverhalten des in die Anschlussstruktur 1 eingebauten Kraftsensors 2 abbildende Funktionsmodell 3 des Kraftsensors, kurz im Folgenden nur „elektronischer Zwilling" 3.
Dabei werden, wie Fig. 3 auch verdeutlicht, in dem elektroni schen Zwilling 3 einzelne Funktionsblöcke 9 gebildet, welche die unterschiedlichen, zu berücksichtigenden Störeffekte nu merisch - unter Verwendung von an die jeweilige individuelle Situation anpassbaren Parametern - modellieren, nämlich bei spielhaft hier in Fig. 3 für einen Linearitätsfehler, für eine Hysterese und für ein Kriechen. Die einzelnen Parameter sind in Fig. 3 durch mehrerer hintereinander angeordnete Blö cke dargestellt und nicht näher bezeichnet.
Für eine solche numerische Modellierung stehen auf Differen tialgleichungen basierende Modelle zur Verfügung, wie bei spielsweise ein Dahl-Modell für die Hysterese, und ein nume rischer Filter, beispielsweise ein Tief- oder Hochpassfilter für das Kriechen.
In entsprechender Weise können auch weitere Störeffekte, wie eine Position einer Krafteinleitung und/oder Kraftausleitung, Querkräfte, Torsionskräfte, Stöße, ein Cosinusfehler, insbe sondere ein Cosinusfehler durch Kippen der Anschlussstruktur, eine Änderung von mechanischen Eigenschaften der Anschluss struktur, eine Änderung der mechanischen Eigenschaften der Verbindung der Anschlussstruktur, ein Verschleiß an der Kraftmessvorrichtung, ein Temperaturkoeffizient des Null punkts ((temperaturbedingter) Nullpunktfehler), ein Tempera turkoeffizient des Kennwerts (Fehler des Übertragungsfak tors), ein Temperaturgradient (Fehler durch Temperaturgradi ent), ein Empfindlichkeitsfehler, insbesondere ein tempera turbedingten Empfindlichkeitsfehler, - in gleicher modularer Weise (durch entsprechende Funktionsmodule/-blöcke) - in dem elektronischen Zwilling abgebildet werden.
Weitere analoge Größen wie Last, Temperatur oder Position werden wie Fig. 3 zeigt, noch gemessen und dem elektronischen Zwilling 3 zugeführt. Die Unterteilung in verschiedene Funktionsblöcke 9 erlaubt es, gewisse Kompensationen bzw. Störeffekte - je nach Situa tion - auszuschalten.
Eine gewisse jeweilige Anzahl von Parametern 5 bestimmen da bei jeweils Betrag und Form der unterschiedlichen Störeffekte („Graubox").
Diese werden für den jeweiligen Kraftsensor 2 bzw. in der/für die jeweilige Einbausituation anhand von Messdaten experimen tell bestimmt („Parametrierung"/„Lernen"/„Training") (vgl. Fig. 4, 5, 6).
Fig. 4 verdeutlicht schematisch, wie die Parametrierung des elektronischen Zwillings 3 unter Verwendung eines Fehlermini mierungsverfahrens 4, hier der Methode der minimalen Fehler quadrate 4, durchgeführt wird („Lernen" („Training")).
Wie Fig. 4 zeigt, werden hier die Fehlerquadrate aus der Dif ferenz eines Kraftmessvorrichtungsreferenzkraftsignals („Sig nal") und eines entsprechenden/zugehörigen Funktionsmodellre- ferenzkraftsignals („Modell") gebildet.
Fig. 5 zeigt wie - für bekannte Referenzkräfte/Referenzbelas tungen - die diesbezüglichen von Kraftsensor 2, erzeugten Kraftsignale mit entsprechenden - aus für diese bekannten Re ferenzkräfte/Referenzbelastungen - vom elektronischen Zwil ling 3 generierten Kraftsignale verglichen werden (Kurve 1: Referenzsignal; Kurve 2: Sensorsignal bzw. Kurve 2': Diffe renz Kurve 2 Kurve 1; Kurve 3: Signal des elektronischen Zwillings bzw. Kurve 3': Differenz Kurve 3 Kurve 1; Kurve 4: Temperatur (-verlauf) (Kurven (oben) wg. Darstellbarkeit ge geneinander verschoben). Der elektronische Zwilling 3 „lernt" bzw. wird dabei „trai niert", d.h. dessen Parameter 5 werden derart angepasst, dass sein Ausgangssignal das Ausgangssignal der Kraftmessvorrich tung 2 möglichst gut abbildet, kurz, dass die Fehler mög lichst klein werden.
Wie Fig. 4 auch verdeutlicht, entstammen die anzupassenden Parameter 5 des elektronischen Zwillings 3 dessen - die ein zelnen Störeffekte berücksichtigen Funktionsmodule/-blöcke 9, hier beispielhaft angedeutet für die Störeffekte Linearitäts fehler, Hysterese und Kriechen.
Mit Trainingsende und angepassten Parametern 5 bei dem elekt ronischen Zwilling 3 steht so - mit dem elektronischen Zwil ling 3 - ein Funktionsmodell 3 des Kraftsensors 2 zur Verfü gung, welches dessen bzw. deren Fehlverhalten/fehlerbehafte tes Messverhalten nachbildet.
Fig. 6 verdeutlicht dann die eigentliche Fehlerkorrektur, d.h., wie das fehlerbehaftete Kraftmessvorrichtungskraftsig- nal mittels des (trainierten) elektronischen Zwillings 3 kor rigiert wird.
Wie Fig. 6 zeigt, erfolgt die Messwertkorrektur in einer (einfachen) (Fehler-)Schleife 6 - gebildet aus einem Kompera- tor 14, einem Integrator 15 und dem elektronischen Zwilling
3.
Der Schleife 6 wird am Komperator 14 das gemessene fehlerbe haftete Kraftmessvorrichtungskraftsignal zugeführt; durch läuft den Integrator 15 (, in welchem das Signal aufinte griert wird,) und anschließend den elektronischen Zwilling 3, dessen Ausgangssignal wieder zum Komperator 14 zurückgeführt wird.
Diese Fehlerkorrektur durch diesen Schleifenaufbau 6 hat den Vorteil, dass dieselben Funktionsblöcke 9 für die Korrektur und die Lernphase (vgl. Fig. 4) benutzt werden. Bei kleinen Fehlern konvergiert die Schleife 6 äußerst schnell, d.h. schon nach einem oder sehr wenigen Durchläufen konvergiert die Schleife 6 auf einen stabilen fehlerkorrigierten Lastwert bzw. dem korrigierten Lastsignal hin.
Dieses korrigierte Lastsignal kann, wie Fig. 6 auch zeigt, zwischen Integrator 15 und digitalem Zwilling 3 abgegriffen (und einer Anzeige (16, nicht dargestellt) zugeführt) werden.
Fig. 7 verdeutlicht die Messwertkorrektur anhand von Signal verläufen.
Fig. 7 zeigt wie für bekannte Referenzkräfte/Referenz-belas- tungen Kurve 1 die von dem Kraftsensor erzeugten Kraftsignale Kurve 2 anhand zugrundeliegender Parameter in einer Korrek turschleife korrigiert werden. (Kurve 1: Referenzsignal;
Kurve 2: Sensorsignal bzw. Kurve 2": Differenz Kurve 2 Kurve 1; Kurve 5: korrigiertes Lastsignal bzw. Kurve 5': Differenz Kurve 5 Kurve 1; Kurve 4: Temperaturverlauf mit Störeffekt Temperaturanstieg. Die Kurven 1,2 und 5 sind wegen der Dar- stellbarkeit gegeneinander verschoben).
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausfüh rungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele ein geschränkt und andere Variationen können hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste
1 Anschlussstruktur
2 Kraftsensor
3 parametrierbares Funktionsmodell, elektronischer Zwil ling
4 Fehlerminimierungsverfahren, Methode minimaler Fehler quadrate
5 Parameter
5.1 Linearität
5.2 Kriechen mechanisch - Messkörper, Anschlussstruktur
5.3 Hysterese
5.4 Dynamik von thermischen Effekten
5.5 Kriechen von DMS
5.6 K-Faktor DMS
5.7 mechanischer Faktor
6 (Fehler-)Schleife
7 Kraftmesssystem
8 Funktionsbaustein
9 Funktionsblock
10 Behälterwaage, Gicht
11 Gichtbunker
12 Leitung
13 Signalverarbeitungseinheit, Auswerteeinheit/-elektronik
14 Komperator
15 Integrator
16 Anzeige

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Implementierung einer digitalen Messwertkor rektur bei einer in einer Anschlussstruktur (1) eingebauten Kraftmessvorrichtung (2), dadurch gekennzeichnet, dass
- ein parametrierbares, auf die in der Anschlussstruktur (1) eingebaute Kraftmessvorrichtung (2) wirkende Störeffekte be rücksichtigendes und ein fehlerbehaftetes Messverhalten der in die Anschlussstruktur (1) eingebauten Kraftmessvorrichtung (2) abbildendes Funktionsmodell (3) der in die Anschluss struktur (1) eingebauten Kraftmessvorrichtung (2) („elektro nischer Zwilling")
- unter Verwendung eines für eine Referenzbelastung generier ten Kraftmessvorrichtungsreferenzkraftsignals und einem für die Referenzbelastung von dem parametrierbaren Funktionsmo dell generierten Funktionsmodellreferenzkraftsignals
- parametriert wird.
2. Verfahren zur Implementierung einer digitalen Messwertkor rektur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Parametrierung des Funktionsmodells (3) unter Verwendung eines Fehlerminimierungsverfahrens (4), insbesondere einer Methode der minimalen Fehlerquadrate (4), durchgeführt wird („Lernen") und/oder Parameter (5) des Funktionsmodells (3) hündisch festgelegt werden.
3. Verfahren zur Implementierung einer digitalen Messwertkor rektur nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsmodell (3), insbesondere unter Berücksichtigung einer Temperatur, ein Eingangssignal, insbesondere ein Kraft signal, weiter insbesondere ein, insbesondere von einer Ka- librierkraftmessvorrichtung für die Referenzbelastung gene riertes, Referenzkraftsignal, auf ein Ausgangssignal, insbe sondere ein Funktionsmodellkraftsignal, weiter insbesondere das Funktionsmodellreferenzkraftsignal, abbildet.
4. Verfahren zur digitalen Messwertkorrektur bei einer in ei ner Anschlussstruktur (1) eingebauten Kraftmessvorrichtung
(2), unter Verwendung eines parametrierbaren, auf die in der Anschlussstruktur (1) eingebaute Kraftmessvorrichtung (2) wirkende Störeffekte berücksichtigenden und ein fehlerbehaf tetes Messverhalten der in die Anschlussstruktur (1) einge bauten Kraftmessvorrichtung (2) abbildenden Funktionsmodells
(3) der in die Anschlussstruktur (1) eingebauten Kraftmess vorrichtung (2) („elektronischer Zwilling"), insbesondere des nach mindestens einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 parametrierten Funktionsmodells (3) der in die An schlussstruktur (1) eingebauten Kraftmessvorrichtung (2)
(„angelernter/trainierter elektronischer Zwilling"), bei dem
- ein fehlerbehaftetes Kraftmessvorrichtungskraftsignal der in der Anschlussstruktur (1) eingebauten Kraftmessvorrichtung (2) unter Verwendung eines unter Verwendung des fehlerbehaf teten Kraftmessvorrichtungskraftsignals und dem Funktionsmo dell generierten Funktionsmodellkraftsignals in einer Fehler schleife (6) korrigiert wird.
5. Verfahren zur digitalen Messwertkorrektur nach Anspruch 4, bei dem in der Fehlerschleife (6) eine Abweichung zwischen dem feh lerbehafteten Kraftmessvorrichtungskraftsignal und dem Funk tionsmodellkraftsignal gebildet (14), insbesondere summiert oder integriert (15), wird.
6. Verfahren zur digitalen Messwertkorrektur nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei dem das Funktionsmodell (3) unter Berücksichtigung einer Tempera tur ein Eingangssignal, insbesondere ein Kraftsignal, weiter insbesondere das in der Fehlerschleife (6) integrierte Kraft signal, auf ein Ausgangssignal, insbesondere das Funktionsmo- dellkraftsignal, abbildet.
7. KraftmessSystem (7) mit einer Anschlussstruktur (1), einer in die Anschlussstruktur (1) eingebauten Kraftmessvorrichtung (2), und einem Funktionsbaustein (8) für eine digitale Mess wertkorrektur eines von der in der Anschlussstruktur (1) ein gebauten Kraftmessvorrichtung (2) generierten fehlerbehafte ten KraftmessvorrichtungskraftSignals, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbaustein (8) mindestens ein parametrierbares, auf die in der Anschlussstruktur (1) eingebaute Kraftmessvor richtung (2) wirkende Störeffekte berücksichtigendes und ein fehlerbehaftetes Messverhalten der in die Anschlussstruktur (1) eingebauten Kraftmessvorrichtung (2) abbildendes Funkti onsmodell (3) der Kraftmessvorrichtung (2) („elektronischer Zwilling") aufweist.
8. Kraftmesssystem (7) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsmodell (3), insbesondere unter Berücksichtigung einer Temperatur, ein Eingangssignal, insbesondere ein Kraft signal, auf ein Ausgangssignal, insbesondere ein Funktionsmo- dellkraftsignal, abbildet.
9. Kraftmesssystem (7) nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Funktionsmodell (3) berücksichtigten Störeffekte, insbesondere aus dem Einbau resultierende Störeffekte, ein Störeffekt oder mehrere Störeffekte aus einer Liste umfas send:
- eine Position einer Krafteinleitung und/oder Kraftaus- leitung, Querkräfte, Torsionskräfte, Stöße, ein Cosinus fehler, insbesondere ein Cosinusfehler durch Kippen der Anschlussstruktur, eine Änderung von mechanischen Eigen schaften der Anschlussstruktur, eine Änderung der me chanischen Eigenschaften der Verbindung der Anschluss struktur, ein Verschleiß an der Kraftmessvorrichtung, ein Temperaturkoeffizient des Nullpunkts ((temperaturbe dingter) Nullpunktfehler), ein Temperaturkoeffizient des Kennwerts (Fehler des Übertragungsfaktors), ein Tempera turgradient (Fehler durch Temperaturgradient), ein Emp findlichkeitsfehler, insbesondere ein temperaturbeding ten Empfindlichkeitsfehler, ein Linearitätsfehler, eine Hysterese und/oder ein Kriechen sind.
10. Kraftmesssystem (7) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen bei dem Funktionsmodell (3) berücksichtigten Störeffekte unter Verwendung einzelner, unabhängiger Störef fekteabbildungen (Funktionsblöcke (9)) in dem Funktionsmodell (3) abgebildet werden.
11. Kraftmesssystem (7) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Störeffekteabbildungen jeweils Differenzialgleichungen verwenden.
12. Kraftmesssystem (7) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbaustein (8) zur Durchführung mindestens eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist.
13. Kraftmesssystem (7) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, eingebaut in einer Behälter-, Silo-, Tank-, Gleis-, Straßenfahrzeug-, Prozess-, Plattform-, Dosier-, Förder-, Tundish-, Gießpfan nen- oder Mischerwaage oder in kraftbasierte Diagnose- oder Justiersysteme .
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