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Dokumentenidentifikation DE69018474T2 14.09.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0498845
Titel WÄGEVORRICHTUNG UNTER VERWENDUNG DER MESSUNG VON LAUFZEITMESSUNG AKUSTISCHER WELLEN SOWIE EINES ELEKTRONENRECHNERS.
Anmelder Sonic Force, L.L.C., 81245 Palo Alto, Calif., US
Erfinder Passarelli, Frank, Los Angeles, CA 90049, US
Vertreter H. Ruschke und Kollegen, 81679 München
DE-Aktenzeichen 69018474
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 29.10.1990
EP-Aktenzeichen 909170797
WO-Anmeldetag 29.10.1990
PCT-Aktenzeichen US9006263
WO-Veröffentlichungsnummer 9106834
WO-Veröffentlichungsdatum 16.05.1991
EP-Offenlegungsdatum 19.08.1992
EP date of grant 05.04.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.09.1995
IPC-Hauptklasse G01G 9/00
IPC-Nebenklasse G01G 19/08   

Beschreibung[de]

Das Gebiet der Erfindung ist das der Wägevorrichtungen und insbesondere einer Wägevorrichtung, die ohne separate Wägeeinrichtung auskommt, um das Gewicht eines gegebenen Konstruktion zu ermitteln. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewichtsbestimmung einer Konstruktion, eine Gewichtsbestimmungsvorrichtung sowie eine Kombination aus einer Gewichtsbestimmungsvorrichtung und einem Lastkraftwagen.

Der Gegenstand der Erfindung soll anhand von Kraftfahrzeugen und insbesondere anhand von Lastkraftwagen diskutiert werden. Es ist jedoch einzusehen, daß die Erfindung auch andere Anwendungen als Kraftfahrzeuge umfaßt und überall anwendbar ist, wo ohne Verwendung einer separaten Wägemechanik das Gewicht eines Gegenstandes bestimmt werden soll.

Müll transportierende Lkws ("Müllaster") fahren von Haus zu Haus oder von Betrieb zu Betrieb, um den Müll zu übernehmen, der dort in geeigneten Sammelbehältern auf die Übernahme durch die Müllwerker wartet. Die Gemeinwesen (normalerweise Städte oder Landkreise) fordern im allgemeinen, daß Müllaster ein bestimmtes Gewicht nicht übersteigen. Da die Müllwerker ständig zusätzlichen Müll aufnehmen, können sie nur raten, wie viel Gewicht sich angesammelt hat. Dadurch wird das zulässige Höchstgewicht des Müllasters oft überschritten. Die meisten Gemeinden sind sehr wohl in der Lage, zu schwere Müllaster herauszufinden und mit einer Geldbuße (abhängig vom Übergewicht) zu belegen. Es ist (in den Vereinigten Staaten) nicht unüblich, einen übergewichtigen Müllaster mit mehreren tausend Dollars zu bestrafen.

Ein Betrieb, für den mehrere Müllaster laufen, muß in einem gegebenen Monat u.U. mehrere tausend Dollar Strafe zahlen. Diese Zahlungen wären völlig überflüssig, gäbe es eine zweckmäßige und schnellarbeitende Methode, anhand der der Fahrer des Müllasters das Gewicht seines Fahrzeugs bestimmen kann, um beim Erreichen des Höchstgewicht die Müllaufnahme einzustellen, zur Deponie zur fahren und das Fahrzeug dort zu entleeren. Danach würde er seine Route dort fortsetzen, wo er sie unterbrochen hat.

Es ist bekannt, Lkw mit Wägevorrichtungen auszurüsten, die aber alle auf dem Einsatz von Drehnungsmeßstreifen beruhten. Dabei wird der Dehnungsmeßstreifen auf einem lasttragenden Element wie einer Achse des Lkw angeordnet, und zwar in der Mitte des Biegemoments der Achse, d.h. dort, wo sie sich am stärksten durchbiegt. Das Problem bei Dehnungsmeßstreifen ist, daß sie ermüden. Das fortwährende Biegespiel einer Achse bewirkt eine Beeinträchtigung, infolge deren der Dehnungsmeßstreifen oft bricht oder anderweitig funktionsuntüchtig wird. Zuvor aber gibt er noch ungenaue Ausgangswerte ab. Das aus diesen berechnete Gewicht gibt dann den Anschein einer Einhaltung des Grenzwerts, obgleich dies tatsächlich nicht der Fall ist.

Ein andere Methode, Lkws ohne Waage zu wägen, beruht auf der Anwendung einer Lastzelle. Derartige Lastzellen müssen aber auf dem Lkw an einer Stelle montiert werden, an der das Gewicht der Ladung des Lkws auftritt. Zu ihrer Montage muß der Lkw teilweises auseinandergebaut werden. Sie sind auch dahingehend problematisch, daß sie mit der Zeit ihre Genauigkeit verlieren. Sie sind ständig dem Gewicht der Ladung und dessen Schwankungen unter den betrieblichen Fahrzeugschwingungen des Lkw ausgesetzt. Die konstante Lastbeaufschlagung und deren Schwankungen verschlechtern mit der Zeit die Eigenschaften der Lastzelle.

Vor der Entwicklung des erfindungsgemäßen Systems war keine Ladungswägevorrichtung bekannt, die man schnell und einfach an einem Lkw anbringen kann, ohne diesen auseinandernehmen zu müssen, die lange genug ohne Genauigkeitseinbußen arbeitet und die auch von typischen Wetterbedingungen wie Regen, Kälte, Hitze, Schnee und Schlamm nicht beeinträchtigt wird.

Weiterhin sind aus der US-A-3 508 623 und der US-A-4 623 029 Ultraschall-Ladungsanzeigen für Fahrzeuge bekannt, die die Abstände zwischen ausgelenkten Teilen messen.

Zusammenfassung der Erfindung

Das erfindungsgemäße System verwendet ein oder mehrere Paare von Sende- und Empfangswandlern. Diese Sende- und Empfangswandler können piezoelektrisch oder elektromagnetisch arbeiten. Die Wandler werden an einem lasttragenden Teile des Lkw - bspw. einer Achse - angebracht. Sie werden um eine bekannte Strecke beabstandet angeordnet. Der Sendewandler sendet eine Schallwelle aus. Der Empfangswandler empfängt eine Schallwelle. Beide Wandler sind an einen Computer angeschlossen. Im Computer wird die Laufzeit der Schallwelle zwischen dem Sender und dem Empfänger gemessen. Mit zunehmendem Gewicht des Lkw nimmt die auf das lasttragenden Element auf der Achse wirkende Spannung zu. Mit zunehmender Spannung läuft die Schallwelle schneller. Zwischen der Lastzunahme und der Laufzeit der Schallwelle besteht ein im wesentlichen linearer Zusammenhang. Dieser lineare Zusammenhang ist tabellarisch im Computer erfaßt. Erhält also der Computer einen Meßwert und vergleicht er ihn mit der bekannten linearen Kurve, kann ein Gewichtswert bestimmt werden. Dieser Gewichtswert wird dann auf einer geeigneten Sichtanordnung numerisch ausgegeben. Die Aktivierung der gewichtsbestimmenden Anordnung erfolgt von Hand durch den Lkw-Fahrer.

Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist eine Wägevorrichtung, die sich schnell und problemlos an einem Lkw oder einer anderen, ähnlichen Konstruktion anbringen läßt, der/die zu wägen ist, ohne daß diese(r) auseinandergebaut werden müßte.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine Wägevorrichtung, die mit brauchbarer Genauigkeit arbeitet und diese Genauigkeit über längere Nutzungszeiträume beibehält.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist eine Wägevorrichtung, die auch unter nachteiligen Bedingungen, wie Wasser, Hitze, Kälte, Schlamm und Schmutz genau genug weiterarbeitet und weder durch Ermüpdungserscheinungen noch ein anderes Nachgeben des lasttragendes Elements, auf dem sie montiert ist, beeinträchtigt wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine isometrische Darstellung der Fahrerkabine eines typischen Lkw, auf dem die erfindungsgemäße Wägevorrichtung tyspischerweise benutzt werden kann;

Fig. 2 zeigt schaubildlich das Biegemoment für eine erste Form einer häufig benutzten Achskonfiguration eines typischen Müllasters mit den erfindungsgemäß verwendeten Sende- und Empfangswandlern;

Fig. 3 zeigt ein Biegemomentdiagramm einer zweiten Form einer häufig verwendeten Achse eines Müllasters mit dem Sende- und dem Empfangswandler der erfindungsgemäßen Wägevorrichtung;

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm der Gesamt-Elektronik der erfindungsgemäßen Wägevorrichtung;

Fig. 5 zeigt anhand eines Stromlaufplans ausführlicher die elektronische Schaltung im Zeitgabe- und Ansteuerungsteil des Blockdiagramms der Fig. 4;

Fig. 6 zeigt die elektronische Schaltung des Nulldurchgangsdetektors, des Filterverstärkers und des Richtkopplers, die im Blockform in der Fig. 4 angegeben sind;

Fig. 7 zeigt die elektronische Schaltung des Leistungsverstärkers aus dem Blockdiagramm der Fig. 4;

Fig. 8 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild eines piezoelektrischen Wandlers; und

Fig. 9 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild eines elektromagnetischen Wandlers, der sich unmittelbar auf einer der Achsen in den Fig. 2 und 3 montieren läßt.

Ausführliche Beschreibung der dargestellten Ausführungsform

Zunächst zeigt die Fig. 1 die Fahrerkabine 20 eines herkömmlichen Lkw. In der Fahrerkabine 20 befindet sich der Fahrerplatz mit einem Lenkrad 22 und dem Armaturenbrett (nicht gezeigt). Die Konsole 24 ist generell als auf dem Armaturenbrett montiert gezeigt. Die Konsole nimmt eine Reihe mit der Hand zu betätigender Tastenschalter sowie eine Sichtanzeige der einen oder anderen Art auf, bei der es sich vermutlich um eine Digitalanzeige aus Lumineszenzdioden handeln wird, die einen Zahlenwert angibt, bei dem es sich um das gemessene Gewicht handelt. Wie die Fig. 4 zeigt, befinden sich die vom Lkw-Fahrer zu drückenden Tasten auf einer Tastatur 26. Die Digitalanzeige ist in Fig. 4 allgemein als Block 28 gezeigt. Zahlreiche der im Blockdiagramm der Fig. 4 angegebenen Elektronikbauteile können in der Konsole 24 enthalten sein. Dies ist jedoch nicht nötig; sie können sich auch an anderer Stelle im der Kabine 20 oder auch in Bereichen des Lkw befinden, die in der Fig. 1 nicht gezeigt sind.

Die erfindungsgemäße Wägevorrichtung weist eine Anzahl Sendewandler 30 sowie eine Anzahl Empfangswandler 32 auf. Diese Wandler 30, 32 arbeiten akustisch, d.h. die Sendewandler 30 erzeugen eine Schallwelle, die die Empfangswandler 32 aufnehmen. Die Wandler 30, 32 können auf jede gewünschte Weise aufgebaut sein. Es hat sich erwiesen, daß für den Einsatz sowohl piezoelektrische als auch elektromagnetische Wandler geeignet sind.

Die elektrische Ersatzschaltung eines piezoelektrischen Wandlers ist in der Fig. 8 gezeigt. Diese Last erscheint dem Leistungsverstärker im Prinzip als Widerstandspaar 34, 36, das elektrisch in Reihe mit einem Kondensator 38 geschaltet ist. Die Fig. 9 zeigt die Ersatzschaltung für den elektromagnetischen Wandler, die die Reihenschaltung eines Widerstands 40, einer Induktivität 42 und eines Kondensators 44 zeigt. Sowohl der piezoelektrische als auch der elektromagnetische Wandler erzeugen auf oder in einer Struktur mechanische Schwingungen. Bei dieser Schwingung handelt es sich um die Schallwelle. Die dabei in Frage kommenden Strukturen sind generall aus Metall und beinhalten ein lasttragendes Element des zu wägenden Gegenstandes. Im Fall eines Lkw wäre ein typisches lasttragendes Element eine Achse, die zwischen zwei Rädern des Lkw verläuft. Ein typischer Lkw kann zwei bis 30 oder mehr Achsen aufweisen. Auf jeder Achse sind ein Sende- und ein Empfangswandler 30 bzw. 32 anzuordnen, und zwar in einem bekannten vorgewählten Abstand zueinander.Insbesondere die Fig. 2 und 3 der Zeichnung zeigen schaubildlich zwei verschiedene lasttragende Elemente bzw. Achsen für Lkws. Die Fig. 2 zeigt eine Achse 46, an deren entgegengesetzten Enden die Räder sitzen, über die die Reaktionskraft F2 übertragen wird. Die Hauptlastkraft F1 ist der Achse 46 etwa in deren Mittelpunkt ausgesetzt. Ein Sende- und ein Empfangswandler 30 bzw. 32 sind etwa in der gezeigten Anordnung auf der Achse 46 befestigt.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Wandler 30, 32 auf einer durchgehenden Spanne der Achse 46, d.h. zwischen der Last F1 und der Radreaktionskraft F2 befestigt sind. Normalerweise wäre eine Montage der Wandler 30, 32 derart, daß F1 zwischen ihnen angreift, unerwünscht. Mit zunehmender Kraft F1 und Biegung der Achse 46 steigt auch die Spannung in der Achse 46. In den Kategorien der der Molekularstruktur des Metallwerkstoffs der Achse 46: Die Moleküle der Achse 46 werden etwas dichter zusammengedrückt. Es hat sich ergeben, daß man für die meisten Metallwerkstoffe einen im wesentlichen linearen Zusammenhang zwischen der Laufzeit und dem Gewicht erhält, obgleich eine Linearität für die vorliegende Erfindung nicht erforderlich ist. Jede funktionale Abhängigkeit läßt sich problemlos benutzen.

"Linear" heißt, daß bei fehlender Last bzw. Ladung im Lkw F1 nur das Eigengewicht des Lkw und denjenigen Anteil desselben darstellt, der über die Achse 46 übertragen wird. F2 ist gleich der Hälfte von F1. Bei diesem speziellen Gewicht wird vom Sendewandler 30 eine Schallwelle abgegeben und die Laufzeit bis zum Empfang derselben durch den Empfangswandler 32 registriert. Es werde nun F1 auf ein bekanntes Gewicht wie bspw. 5000 lbs. (25.000 N) erhöht. Der Wandler 30 sendet eine weitere Schallwelle aus, die der Wandler 32 empfängt; die Laufzeit wird präzise gemessen. Der gleiche Vorgang wird für 10 000 lbs. (50.000 N), 15 000 lbs. (75.000 N), 20 000 lbs. (100.000 N) usw. wiederholt. Im Graph würde man das Gewicht auf der X-Achse und die Laufzeit auf der Y-Achse auftragen; als resultierende Kurve würde sich im wesentlichen eine Grade ergeben.

Es ist einzusehen, daß in der Praxis die Wandler 30, 32 auf der Achse 46 festgelegt sind. Höchstwahrscheinlich wird man die Wandler 30, 32 in der Sollage auf der Achse festspannen und vielleicht auch festkleben. Die genaue Methode des Fixierens der Wandler auf der Achse 46 ist hier jedoch nicht ausführlich beschrieben, da hierfür zahlreiche unnterschiedliche Mittel und Einrichtungen eingesetzt werden können, ohne die Erfindung zu verlassen. Beim Einsatz eines piezoelektrischen Wandlers muß dieser sich in inniger Berührung mit der Achse befinden. Ein elektromagnetischer Wandler kann im Betrieb von der Achse leicht beabstandet sein.

Die Fig. 4 zeigt drei Sende- und drei Empfangswandler 30 bzw. 32. In der Praxis kann man auch eine erheblich größere Anzahl Wandler einsetzen; es muß aber für jede Achse 46 ein Sende- und ein Empfangswandler 30 bzw. 32 vorliegen. Auf jeder Achse kann ein Wandlerpaar 30, 32 verwendet werden; der Fahrer drückt dann zugeordnete Tasten auf der Tastatur 26, um den Gewichtswert für die gewählte Achse auf der Sichteinheit 28 anzuzeigen.

Die Fig. 2 zeigt eine andere Achskonfiguration 48. Diese Achse 48 verbindet wiederum die Räder 50, 52, die gemeinsam die Reaktionskraft F2 erzeugen. Auf der Oberseite der Achse 48 sind beabstandet zwei Träger 54, 56 angeordnet. Normalerweise verteilt sich die Last F1 gleichmäßig auf die Träger 54, 56. Der Sende- und der Empfangswandler 30 bzw. 32 werden auf der Achse 48 zwischen den Trägern 54, 56 befestigt. Auch hier ist der Abstand zwischen den Wandlern 30, 32 bekannt.

Es ist einzusehen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung auf mit anderen Achskonfigurationen als den Achsen 48, 46 eingesetzt werden kann, ohne die Erfindung zu verlassen.

Die prinzipielle Arbeitsweise der Erfindung ist allgemein in der Fig. 4 dargestellt. Die Bedienungsperson leitet eine Meßsequenz mit der Tastatur 26 ein. Diese Meßsequenz wird von einem Rechner 58 bestimmt. Im Speicher 60 des Rechners 58 ist vorher die Laufzeit/Gewicht-Funktion der zu messenden Lkw- Achse abgelegt. Es ist einzusehen, daß, obgleich die meisten Lkw durchweg mit gleichartigen Achsen ausgerüstet sind, auf dem gleichen Lkw auch zwei oder drei unterschiedliche Achsarten verwendet werden können. M.a.W.: ein und derselbe Lkw kann Achsen 46 und auch Achsen 48 aufweisen. Dem Rechner werden geeignete Daten für jede Achse zugeführt; beim Aktivieren einer bestimmten Achse werden im Rechner 58 nur die für diese geltenden Daten aufgerufen.

Eine Spannungsversorgung 62 liefert die Arbeitsspannungen für den Rechner 58 und den Speicher 60. Die Spannungsversorgung 62 erhält ihre Speise- bzw. Eingangsspannung Vs aus einer herkömmlichen, für Kfz üblichen 12V-Batterie. Es liegt jedoch innerhalb der Erfindung, eine beliebige Stromquelle zu verwenden; bei einer anderen Speisespannung als 12 V lassen die Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sich entsprechend abändern.

Der Rechner 58 sendet ein Signal über die Peripheriesteuerung 64 an die Zeitgabe- und Steuerungsschaltung 66. In letzterer wird ein Impuls erzeugt, den der Leistungsverstärker 68 verstärkt und auf einen Richtkoppler 70 gibt. Ein Teil dieses Signals geht auf der Leitung 72 an einen Filterverstärker 74 zurück. Ein Teil der Spannungsversorgung des Filterverstärkers 74 erfolgt auf der Leitung 76 aus der Spannungsversorgung 62. Das Rückkoppelsignal aus dem Filterverstärker 74 geht auf der Leitung 75 auf einen Nulldurchgangsdetektor 78 und zurück zur Zeitgabe- und Ansteuerschaltung 66.

Das Hauptsignal aus dem Richtkoppler 70 geht auf ein Relais 80. Das Relais 80 steuert einen der Sendewandler 30 an. Gleichzeitig ist das Relais 80 mit dem Relais 82 gekoppelt, das das Signal aus den Empfangswandlern 32 aufnimmt. Ist das Relais 80 mit dem Sendewandler A gekoppelt, ist gleichzeitig das Relais 82 mit dem Wandler A des Empfangswandlers 32 gekoppelt. Damit ist gewährleistet, daß jeweils nur ein einziges, d.h. das auf einer Achse montierte Wandlerpaar angesteuert wird und aktiv ist.

Die Schallwelle wird nun durch die Achse geschickt, wobei die zeitgabe von der Zeitgabe- und Ansteuerschaltung 66 eingeleitet wird. Vom Empfangswandler A aufgenommen, wird dieses Signal vom Verstärker 84 verstärkt und dann auf das Relais 82 und an den Filterverstärker 74 gegeben. Vom Filterverstärker 74 geht das Signal durch den Nulldurchgangsdetektor 78 in die Zeitgabe- und Ansteuerschaltung 66. Die Laufzeit zwischen dem Sende- und dem Empfangszeitpunkt wird bestimmt und an den Rechner 58 übergeben, der sie interpoliert. Der interpolierte Gewichtswert wird dann numerisch auf der Sichteinheit 28 angezeigt.

Der Rechner 58 ist handelsüblich und kann eine der zahlreich verfügbaren 8- oder 16-Bit-Ausführungen sein. Erwünscht ist das Modell Wildcard 88 der Fa. Intel Corporation, Santa Clara, California (V. St. A.). Dieser Rechnertyp ist komplett mit Ausnahme einer Sichteinheit, einer Tastatur und des RAM- Arbeitsspeichers. Wie Fig. 4 zeigt, sind an den Rechner 58 eine Tastatur 26, die Sichteinheit 28 und der Speicher 60 angeschlossen. Dem Rechner 58 sind auch Schnittstellen in Form des Peripheriecontrollers 64 zugeordnet. Ein Peripheriecontroller 64 mit drei identischen Bausteinen des Typs 8255A (ebenfalls Fa. Intel) hat sich als sehr zufriedenstellend erwiesen. Der generelle Zweck des Peripheriecontrollers 64 ist, Peripherieeinheiten an den Rechner 58 anzuschließen. Die Konfiguration des Moduls Intel 8255A wird normalerweise softwaremäßg eingestellt, so daß zum Anschluß externer Einheiten keine weitere externe Logik erforderlich ist. Der als Block in der Fig. 4 dargestellte Peripheriecontroller 64 besteht hier aus drei separaten, wie bereits erwähnt miteinander identischen Einheiten. Sie sind in Fig. 11 als IC6 sowie in Fig. 5 als IC7 und IC10 gezeigt.

Die Zeitgabe- und Ansteuerschaltung 66 ist ausführlicher in Fig. 5 gezeigt. Diese Schaltung übt zwei Hauptfunktionen auf, d.h. (1) die Erzeugung des Ansteuersignals für den Leistungsverstärker und die Sendewandler 30 und (2) die Laufzeitmessung des Empfangssignals aus den Empfangswandlern 32. Der Rechner 58 übt die Zeitgabe-, Steuer- und Datenerfassung über IC7 und IC10 aus.

Innerhalb der Zeitgabe- und Ansteuerschaltung wird das Ansteuersignal bei IC7 über den Inverter 86 an einen getasteten Oszillaor IC4 eingeleitet. Der Inverter 86 erteilt dem Signal die richtige Polung. Ein zufriedenstellend arbeitender Inverter ist das Modell 54S/74S04 der Fa. Natinal Semiconductor Corporation, Santa Clara, California (V. St. A.).

Der getastete Oszillator IC4 liefert einen Rechteckburst programmierbarer Länge und fester Frequenz, die von einem an IC4 gelegten Signal bestimmt werden. IC4 ist an einen Teiler IC5 gelegt. Bei IC5 handelt es sich um einen Baustein 54S/74S74 (National Semiconductors Corporation) mit zwei mit der positiven Flanke getriggerten D-Flipflops. Dieses Flipflop liefert die richtige Frequenz für den Leistungsverstärker 68 und die Wandler 30. Das Ausgangssignal von IC5 ist über einen Widerstand 90 an den Verstärker 88 gelegt. Ein erwünschter Verstärkerbaustein ist der Breitband-Operationsverstärker CA3100 der Fa. Radio Corporation of America. Der Verstärker 88 bewirkt sowohl eine Pegelverschiebung (mittels des Potentiometers 92 einstellbar) als auch eine Verstärkung durch das Rückführnetzwerk aus den Widerständen 94, 96 und dem Kondensator 98. Das Ausgangssignal des Verstärkers 88 geht über den Widerstand 100 an den Leistungsverstärker 68.

Die Funktion von IC5 ist, die Frequenz des Ausgangssignals von IC4 zu senken. IC5 und IC4 werden mit der Versorgungsspannung V1 gespeist.

Die Laufzeit bzw. das Zeitintervalls zwischen dem Sende- und dem Empfangssignal der Wandler 30, 43 wird mit einer in Fig. 5 mit IC1, IC2 und IC3 dargestellten Schaltung berechnet. IC1 und IC2 wirken als von IC7 gesteuerte programmierbare Impulsdiskriminatoren. Der von den Sende- und Empfangswandlern 30, 32 her aufgenommene einzelne Impulszyklus wird für die Weitergabe an IC2 und IC3 selektiert und aufbereitet. Bei IC3 handelt es sich typischerweise um einen 8-stelligen Mehrfunktions-Frequenzzähler/Zeitgeber-Baustein des Typs ICM 7216B der Fa. General Electric Intersil Corporation, Cupertino, California (V. St. A.). IC3 ist auf eine hochauflösende Zeitintervallmessung programmiert. Der Takteingang wird dem internen Oszillator des Rechners 58 entnommen. Das Sendesignal geht auf der Leitung 102 zu, das Emfangswandlersignal auf der Leitung 104. Die Zählerrücksetzung erfolgt durch IC7, das nach dem Durchlaufen eines Meßzyklus den Zähler löscht.

IC3 führt die Zeitintervallmessungen selbsttätig durch und gibt seine Ausgangsdaten im Multiplex auf zwei 8-Bit-Bussen auf den Datenleitungen 106, 108 ab. Die Datenleitung 106 ist an IC8, die Datenleitung 108 an IC9 gelegt. IC8 und IC9 sind identisch; es handelt sich um 8-fach-Puffer/Leitungstreiber 74S241 (National Semiconductor Corporatioon) mit der Versorgungsspannung V1. IC8, IC9 setzen die Signale auf einen mit IC10 kompatiblen Pegel um. Die Ausgangssignale von IC8, IC9 gehen an IC10. Wie die Fig. 5 zeigt, geht der Rücksetzimpuls von IC7 auf der Leitung 110 über den Inverter 112 an den Anschluß 13 von IC3. Der Leiter 114 vom Nulldurchgangsdetektor 78 ist an IC1 gelegt, die Leitung 116 vom Nulldurchgangsdetektor 78 an IC2. Die Leitungen 118, 120 verbinden die Peripheriecontroller mit der Zeitgabe- und Ansteuerschaltung 66. Die Zeitgabe- und Ansteuerschaltung 66 soll eine Rechteckwelle geringer Verzerrung bei maximalem Energieinhalt pro Impuls erzeugen.

Die Fig. 7 zeigt die Schaltung des Leistungsverstärkers 68. Seine Funktion ist, den Sendewandler 30 anzusteuern. Für den Leistungsverstärker sind zahlreiche unterschiedliche Schaltungen geeignet; typisch ist eine komplementäre symmetrische Verstärkerschaltung zum Ansteuern der niederohmigen Lasten des Wandlers 30. Die Ansteuerung erfolgt aus der Zeitgabe- und Ansteuerschaltung 66 über die Leitung 122, den Kondensator 124 und den Widerstand 126 an die Basis des Treibertransistors 128; hier ist ein Transistor des Typs D44H der Fa. General Electric Corporation geeignet. Die Widerstände 130, 132, 134 sind mit den Dioden 136, 138 verschaltet, um die für den Transistors 128 sowie für die Transistoren 140, 142, 144 und 146 erforderlichen Nebenschlußströme und Spannungen zu erzeugen. Die Dioden 136, 138 stabilisieren das Ausgangssignal der Transistoren 140, 142, 144, 146. Die Spannungsrückkopplung erfolgt über die Widerstände 148, 150 und den Trimmer 152. Der Kondensator 154 besorgt eine zusätzliche Rückkopplung zum Anheben der Gesamtverstärkung des Transistors 128. Die Ausgangstransistoren 140, 142, 144, 146 können untereinander gleich sein - bspw. der Type D44E (General Electric Corporation). Die Transistoren 140, 142, 144, 146 sind kapazitiv mit dem Kondensator 156 übe die Ausgangsleitung 158 an den Richtkoppler 70 und von dort an das Relais 80 gelegt.

Die Fig. 6 zeigt typische Schaltungen für den Filterverstärker 74 und den Nulldurchgangsdetektor 78. Der Zweck des Filterverstärkers 74 und des Nulldurchgangsdetektors 78 ist, Proben des von den Wandlern 30 gegebenen Sendeimpulses und des von den Wandlern 32 aufgenommenen Empfangssignals zu digitalisieren und dann auf den zeitlichen Abstand zwischen dem Sende- und dem Empfangssignal auszuwerten. Das abgeleitete Sendesignal startet den Zeitbestimmungsprozeß, das Empfangssignal stoppt ihn. Das dazwischenliegende Zeitintervall wird berechnet.

Die Schaltung der Fig. 6 erhält das Eingangssignal aus dem Richtkoppler 70. Dieser Richtkoppler 70 enthält eine Hauptspule 160 und eine Ableitspule 162. Das Hauptsignal wird vom Leistungsverstärker 68 auf der Leitung 164 übertragen. Das Hauptsignal aus dem Richtkoppler 70 geht auf der Leitung 166 zum Relais 80. Die Spule 162 übernimmt eine Probe des Sendesignals und gibt sie auf der Leitung 72 auf den invertierenden Eingang des Verstärkers 168, einen aktiven Bandpaß. Dem Verstärker 168 ist ein Rückkoppelnetzwerk aus den Kondensatoren 170, 172 und Widerständen 174, 176, 178 zugeordnet, das für die Bandpaßfilterung mit Signalanhebung im Durchlaßband sorgt. Das Ausgangssignal dieses Rückkoppelnetzwerks wird über den Widerstand 180 und den Kondensator 182 auf den invertierenden Eingang eines Differenzkomparators 184 wechselstromgekoppelt. Der Komparator 184 ermittelt die Nulldurchgänge der Eingangsimpulse und gibt auf der Leitung 114 ein Pegelausgangssignal ab. Die Leitung 114 führt zu einem der Eingänge der Zeitgabe- und Ansteuerschaltung 66. Ein Widerstand 186 und ein Kondensator 188 sorgen für Hysterese im Mitkoppelzweig 190 des Komparators 184. Der Mitkoppelzweig 190 soll nicht vom Filterverstärker 74 eliminierte Störungen beseitigen, um Fehltriggerungen der zeitbestimmenden Schaltung zu verhindern.

Das Empfangssignal auf de Leitung 192 vom Relais 82 her wird auf die gleiche Weise aufbereitet wie das Signal auf der Leitung 72. Es sind daher in der Diskussion der Signalübergabe von der Leitung 192 auf der Leitung 116 die gleichen, aber um einen Hochstrich ergänzten Bezugszeichen verwendet worden, um gleiche Teile zu bezeichnen; auf die Diskussion der jeweiligen Bauteile sei verwiesen.

Die Relais 80, 82 sind betrieblich miteinander verbunden, wie mit der Leitung 194 gezeigt. Beim Relais 82 handelt es sich prinzipiell um einen Analogschalter, der das Signal des jeweiligen Empfangswandler 32 selektiert und es auf der Leitung 192 zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 168' gibt. Diese Analogschalter 82 ist über IC6 im Peripheriecontroller 64 auf der Leitung 196 mit dem Rechner 58 verbunden. Mit dieser Leitung 196 wählt der Rechner softwaremäßig das jeweilige Sende-/Empfangs-Wandlerpaar aus. Die Rechnersteuerung des Relais 82 erfolgt über IC6. Ein wünschenswerter Baustein für IC6 wäre der Typ 8255 der Fa. Intel Corporation, ein (bereits erwähnter) programmierbarer Schnittstellenbaustein. IC6 liefert Adreß- und Ansteuerinformation vom Adreß- und Steuerbus des Rechners 58 an die Peripheriesteuerung 64.

In der Fig. 4 ist die Leitung 196 als drei separate Leitungen zwischen dem Peripheriecontroller 64 und dem Relais 80 gezeigt. Es sei darauf verweisen, daß in der Praxis die Leitungen 196 auch unmittelbar an das Relais 82 angeschlossen sind.

Die Betriebsspannungsversorgung 62 liefert fünf verschiedene gefilterte und geregelte Arbeitsspannungen für die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung. Weiterhin ist für die Betriebsspannungsversorgung eine Überwachungsschaltung mit einer Stützbatterie vorgesehen, die den Rechner 58 und seine Speicherschaltung vor einer zu niedrigen Speisespannung (< +2V) schützt.

Eine Speisespannung geht auf ein Tiefpaßfilter. Das Tiefpaßfilter ist nur für Gleichstrom ausgelegt. Die Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters wird auf eine Leitung gegeben. Beim Tiefpaßfilter handelt es sich um ein handelsübliches Modul zum Unterdrücken von Störungen auf der Eingangsleitung zur Betriebsspannungsversorgung.

Der Ausgang des Tiefpaßfilters geht an einen ersten Spannungsregler, einen zweiten Spannungsregler, einen Spannungswandler und einen Hochspannungswandler. Die Spannungsregler sind handelsüblich und als Typ LM340 von der Fa. National Semiconductors, Inc. erhältlich. Der erste Spannungsregler erzeugt eine Ausgangsspannung V1, der zweite Spannungsregler eine eine Ausgangsspannung V2. Ein typischer Wert für V1 wäre +5 V, ein typischer Wert für V2 wäre +10,0 V.

Der Spannungswandler soll die positive Arbeitsspannung der Ausgangsleitung zu einer geregelten negativen Spannung umwandeln. Spannungswandler können als herkömmlich gelten und erzeugen eine Spannung V3. Ein typischer Wert für V3 wäre -10,0 V.

Der Hochspannungsumsetzer ist ebenfalls handelsüblich, bspw. der Typ E-500 der Fa. Edicott Research Group, Endicott, New York (V. St. A.). Seine Funktion ist, die Ausgangsgleichspannung auf eine typische Spannung V4 = ±100 V hochzusetzen.

Die Hauptspeisespannung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist V1; sie geht sowohl an den Rechner 58 und den Speicher 60 als auch an zahlreiche andere Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Rechner 58 und dem Speicher 60 befinden sich jedoch vorprogrammierte Speicherbausteine. Falls aus beliebigem Grund die Betriebsspannung für den Rechner 58 und den Speicher 60 unter einen bestimmten Wert ab- bzw. völlig ausfällt, geht der Inhalt der vorprogrammierten Speichermodule im Rechner 58 und im Speicher 60 verloren. Es ist daher eine Batteriestützschaltung erwünscht, die die Ausgangsspannung des ersten Spanmnungsreglers auf dessen Ausgangsleitung überwacht und bei - auch nur momentanem - Verlust der Spannung auf diese Leitung mittels der Batterie die Arbeitsspannung auf den Leitungen 220, 222 zum Rechner und auf der Leitung 224 zum Speicher 60 aufrechterhält. Die dann zum Speicher 60 geschickte Spannung V5 beträgt 3,0 V.

Die Batteriestützschaltung enthält eine Überwachungseinheit. Dieses Einheit ist bspw. als Typ MAX 690 der Fa. Maxim Corporation, Sunnyvale, California (V. St. A.) im Handel. Ihre Aufgabe ist das Erfassen von Stromausfällen. Sie löst eine Abschaltroutine aus, indem sie ein Signal auf der Unterbrechungsleitung 220 abgibt. Während dieses Intervalls wird die Spannung V1 aufrechterhalten.

Beginnt die Spannung V1 zu fallen, liegt aber noch über der Mindestarbeitsspannung der Überwachungseinheit, schaltet diese auf der Leitung 222 in den Rücksetzzustand, in dem der Speicher im Rechner 58 noch geschützt ist. Fällt V1 weiter ab, erfolgt ein vollständiges Umschalten auf die Batteriespannung. Es sei darauf verwiesen, daß während dieses Vorgangs eine Mindestspannung V5 = 3 V an den Speicher 60 geht, um einem Verlust des Speicherinhalts vorzubeugen.

Beginnt aus irgendeinem Grund die Batteriespannung zu fallen, kann die Überwachungseinheit auf eine weitere Niederspannung umschalten. Diese Mindestspannung wird auf den Rechner 58 und auf den Speicher 60 gegeben. Fällt die Batteriespannung völlig aus, geht der Speicherinhalt sowohl des Rechners 58 als auch des Speichers 60 verloren. Dieser Fall gilt jedoch als sehr ungewöhnlich.

Bei einem Vergleich der ausführlichen Beschreibung der Erfindung mit den beigefügten Zeichnungen werden Widerstände, Kondensatoren und Halbleiter auffallen, die nicht speziell erläutert sind. Diese Bauteile dienen der Vorspannungseinstellung, der Zeiteinstellung und der Durchführung anderer üblicher Funktionen von elektronischen Schaltungen. Eine spezielle Beschreibung und Erläuterung dieser Bauteile und ihrer Funktion wird daher für überflüssig gehalten.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Bestimmen des Gewichts einer Konstruktion, das folgende Schritte aufweist:

man ordnet einen sendenden und einen empfangenden akustischen Wandler voneinander beabstandet auf einem lasttragenden Element der Konstruktion an,

schickt aus dem sendenden akustischen Wandler eine Schallwelle in das lasttragende Element,

nimmt die Schallwelle mittels des empfangenden akustischen Wandlers auf,

bestimmt die Laufzeit der Schallewelle vom sendenden zum empfangenden akustischen Wandler,

vergleicht diese Laufzeit mit einer graphischen Darstellung, die man zuvor aus bekannten Gewichten von Konstruktionen und ermittelten Laufzeiten berechnet hat, wobei der Graph für jede Laufzeit und jedes Gewicht einen anderen Punkt aufweist, und

ermittelt ein Gewicht für die Konstruktion und stellt es sichtbar dar.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei die Schritte des Bestimmens, Vergleichens und Ermittelns durch einen Rechner vollzogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, das folgende Schritte aufweist:

Aussenden einer Schallwelle durch ein lasttragendes Element der Konstruktion für eine Vielzahl bekannter unterschiedlicher Gewichte, wobei für jedes Gewicht eine separate Welle vorliegt;

Empfangen jeder dieser Schallwellen, wobei der Empfang in einem bekannten Abstand vom Sendepunkt erfolgt;

Messen der zwischen dem Senden und dem Empfang für jedes Gewicht verstreichenden Laufzeit;

Programmieren eines Rechner mit den Laufzeiten und den Gewichten zu einer Gewicht/Zeit-Kurve im Rechner;

Ändern des Gewichts der Konstruktion und Erzeugen eines Momentangewichts;

Aussenden einer Schallwelle durch das lasttragende Element der Konstruktion;

Empfangen der Schallwelle für das Momentangewicht unter Beibehaltung des Abstands zwischen dem Sende- und Empfangspunkt;

Messen der Laufzeit zwischen dem Senden und dem Empfang für das Momentangewicht;

Eingehen der für das Momentangewicht geltenden Laufzeit in den Rechner;

Vergleichen der Laufzeit mit der Kurve im Rechner und Ableiten eines bekannten Werts für das Momentangewicht; und

sichtbares Darstellen dieses Werts.

4. Vorrichtung zur Gewichtsbestimmung mit

einer Einrichtung zum Senden und zum Empfangen einer Schallwelle in ein bzw. aus einem lasttragenden Element einer zu wiegenden Konstruktion,

einer Einrichtung zum Berechnen der Laufzeit zwischen dem Einleiten des Sendens der Welle bis zu deren Empfang;

einer Einrichtung zum Vergleichen der Laufzeit mit zuvor für die Konstruktion bestimmten Laufzeiten, wobei das jeder zuvor bestimmten Laufzeit entsprechende Gewicht bekannt war, und mit

einer Einrichtung zum Ermitteln des Momentangewichts für die Konstruktion und zum sichtbaren Darstellen des Wertes des Momemtangewichts.

5. Vorrichtung zur Gewichtsbestimmung nach Anspruch 4, bei der die Einrichtung zum Ermitteln ein Rechner ist.

6. Vorrichtung zur Gewichtsbestimmung nach Anspruch 4, bei der die Sende- und die Empfangseinrichtung in einem bekannten Abstand auf einem lasttragenden Element der Konstruktion fest angeordnet sind.

7. Kombination einer gewichtsbestimmenden Vorrichtung mit einem Lastkraftwagen, der zum Tragen einer Last bestimmt ist, die vergrößerbar ist, wobei der Lastkraftwagen mindestens eine lasttragende Achse aufweist und die gewichtsbestimmende Vorrichtung dem Lastkraftwagen zugeordnet angebracht ist, wobei die gewichtsbestimmende Vorrichtung

eine auf der Achse angeordnete, Schallwellen sendende Einrichtung zum Emittieren einer Schallewelle in die Achse,

eine auf der Achse angeordnete, Schallwellen empfangende Einrichtung, die von der Schallwellen sendenden Einrichtung beabstandet angeordnet ist, um die gesendete Schallwelle aufzunehmen, sowie

eine innerhalb des Lastkraftwagens angeordnete Rechnereinrichtung zum Messen der Laufzeit zwischen dem Aussenden und dem Empfang der Schallwelle und zum Vergleich dieser Laufzeit mit bekannten Laufzeit/Gewichts-Werten aufweist, um das auf der Achse lastende Momemtangewicht des Lastkraftwagens zu bestimmen.

8. Kombination nach Anspruch 7, bei der die Schallwellen-Sende- und die Empfangseinrichtung fest auf der Achse gelagert sind.

9. Kombination nach Anspruch 8, bei der die Schallwellen-Empfangseinrichtung in einem bekannten Abstand zur Schallwellen-Sendeeinrichtung angeordnet ist.

10. Kombination nach Anspruch 9, eine Sichteinheit vorgesehen ist, die an den Rechner angeschlossen und von diesem aktivierbar ist, um das Momentangewicht darstellende Zeichen sichtbar auszugeben.

11. Kombination nach Anspruch 7, bei der die Schallwellen sendende Einrichtung eine Vielzahl seprater Sendewandler aufweist.

12. Kombination nach Anspruch 11, bei der die Schallwellen empfangende Einrichtung eine Vielzahl von Empfangswandlern aufweist.

13. Kombination nach Anspruch 12, bei der die Anzahl der Empfangswandler gleich der der Sendewandler ist.

14. Kombination nach Anspruch 13, bei der in einem gegebenen Zeitpounkt nur ein einziger Sende- und nur ein einziger Empfangswandler aktiviert sind, wobei zur Aktivierung jedem Sendewandler ein bestimmter Empfangswandler zugeordnet ist.







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