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Dokumentenidentifikation DE69012293T3 12.03.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0430695
Titel Waage.
Anmelder Ishida Co., Ltd., Kyoto, JP
Erfinder Nakamura, Yoshihiro, Moriyama-shi, Shiga, JP;
Naito, Kazufumi, Otsu-shi, Shiga, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, Anwaltssozietät, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69012293
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 30.11.1990
EP-Aktenzeichen 903130151
EP-Offenlegungsdatum 05.06.1991
EP date of grant 07.09.1994
EPO date of publication of amended patent 20.08.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.03.1998
IPC-Hauptklasse G01G 3/147
IPC-Nebenklasse G01G 23/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Waage mit einer Lastzelle als Gewichtsfühler, und insbesondere betrifft sie die Technologie zum Korrigieren der Auswirkungen von Vibrationen, beispielsweise von dem Fußboden, auf dem eine solche Waage steht.

Bei einer Waage unter Benutzung einer Lastzelle als Gewichtssensor ist die Lastzelle mit einem ihrer Enden an einem Grundteil befestigt, während das andere Ende zum Abstützen des Gewichts eines zu wägenden Objektes dient, so daß die darin entsprechend der anliegenden Belastung erzeugte Dehnung mittels Meßinstrumenten in ein elektrisches Signal gewandelt wird. Da die Lastzelle vorkragt, wird sie leicht durch Schwingungen beeinflußt, z.B. von dem Fußboden, auf den die Vorrichtung gestellt ist. Das läßt natürlich das Problem entstehen, daß sich irrige Meßergebnisse ergeben.

Um dieses Problem zu lösen, offenbarte die JP-Tokkai-Patentveröffentlichung 60-142 216 (EP-A2-147 238) eine Technologie, eine Waage zu schaffen, die mit einer zweiten als Blind- oder Vergleichszelle (dummy cell) bezeichneten Lastzelle ausgerüstet ist, die genau wie die zum Messen der Last bestimmte Zelle aufgebaut und vorgekragt ist, um die in dem Gewichtssignal enthaltene Vibrations-Komponente auszugleichen, indem sowohl das Gewichtssignal wie das Signal von der Vergleichszelle einem Operationsverstärker eingegeben wird. Im allgemeinen enthält jedoch ein Ausgangssignal einer Lastzelle Rausch- Komponenten mit höheren Frequenzen als denen der mechanischen Schwingungen. So werden, auch wenn häufig ein aus einer Analogschaltung bestehendes Tiefpaßfilter benutzt wird, um nur die niederfrequenten Komponenten in einem solchen Fall zu extrahieren, die Drift des Gleichstrom-Verstärkers selbst im Tiefpaßfilter und Phasenverschiebungen infolge Fehler der Schaltungs-Konstanten von Kondensatoren usw. dazu neigen, Pegel-Verschiebungen und Phasen-Differenzen bei den Signalen von den Lastzellen zu verursachen. Damit können die Vibrationen vom Fußboden nicht zufriedenstellend beseitigt werden, so daß weiterhin Meßfehler verursacht werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung schaffen wir eine Waage gemäß Anspruch 1.

Mit dem so aufgebauten Gewichtsfühler werden die elektrischen Signale von der externen Vibrationen unterworfenen Wägezelle und von der Vergleichszelle, die nur externen Vibrationen unterworfen ist, getrennt mittels der Analog/Digital-Wandlermittel in digitale Daten gewandelt. Nachdem diese Daten digital gefiltert sind, können die gewünschten Komponenten von den Signalen der Wäge- und der Vergleichszelle extrahiert werden. Danach werden die Vibrations-Komponentendaten von der Vergleichszelle mit einem dem Gewicht des zu wägenden Objektes proportionalen Koeffizienten multipliziert und die Differenz wird digital aus diesen Daten und den digitalen Daten von der Wägezelle errechnet. Auf diese Weise können die durch externe Vibrationen verursachten Signal-Komponenten in Abhängigkeit ausgeglichen werden ohne Rücksicht auf die Auswirkungen von Drift und Phasenverzögerungen, die bei analogen Filterschaltungen gemeinhin auftreten.

In einer Ausführung schaffen wir eine Waage gemäß Anspruch 3.

Ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Waage werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Vergleichsbeispiels einer Waage ist; und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Waage ist.

In diesen Zeichnungen sind Komponenten, die im wesentlichen identisch oder mindestens einander äquivalent sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält eine Waage nach einem Vergleichsbeispiel eine Wägezelle 1 und eine Vergleichszelle 5. Die Wägezelle 1 ist eine Lastzelle, die als Gewichtserfassungsmittel dient, mit einem an einem Gehäuserahmen 2 befestigten Ende, während das andere Ende an einem Lastauflagetisch 3 angebracht ist. An den Oberflächen der Wägezelle 1 sind Dehnungs-Meßstreifen 4 angebracht, so daß ein für das Gewicht eines auf den Lastauflagetisch gelegten Gegenstandes bezeichnendes (oder zu ihm proportionales) elektrisches Signal ausgegeben wird. Die Vergleichszelle dient dagegen als Vibrations-Erfassungsmittel und ist eine weitere Lastzelle mit einem an dem gleichen Gehäuserahmen 2 angebrachten Ende, um so den gleichen externen Vibrationen unterworfen zu sein, wie sie von der Wägezelle 1 erfaßt werden. Das andere Ende der Vergleichszelle 5 ist nicht an dem Lastauflagetisch 3 angebracht, sondern ist im wesentlichen ein freies Ende mit der Ausnahme, daß ein Standardgewicht 6 (von bekannter Masse) daran angebracht ist. An den Oberflächen der Vergleichszelle 5 sind Dehnungs-Meßstreifen 7 angebracht, so daß die durch externe Vibrationen erzeugten Dehnungen in ein elektrisches Signal gewandelt werden.

Diese elektrischen Signale von den Lastzellen (der Wägezelle 1 und der Vergleichszelle 5) werden jeweils durch Vorverstärker 10 und 11 verstärkt und danach durch Analog/Digital-Wandler (A/D-WDL) 12 und 13 in digitale Signale gewandelt, und dann über Digitalfilter 14 und 15 in eine Korrekturschaltung 16 (oder eine digitale Signalbearbeitungs-Einheit) eingegeben, welche dazu dient, diese digitalen Daten arithmetisch so zu bearbeiten, daß relativ hochfrequentes Rauschen ausgefiltert wird, d.h. daß die niederfrequenten Komponenten, die durch Vibrationen der Lastzellen 1 und 5 und des Lastauflagetisches 3 verursacht werden, durchgeleitet werden.

Wie schematisch dargestellt, enthält die Korrekturschaltung 16 Speichergeräte 17 und 18 für sequentielles Speichern der Ausgangsdaten von den Digitalfiltern 14 bzw. 15, eine Nullpunkt-Einstellschaltung (NULL-EINST) 19, einen Multiplikator 20 und einen Subtraktor 21. Die Nullpunkt-Einstellschaltung 19 dient zum Einstellen der Null des digitalen Ausgangssignals von dem Analog/Digital-Wandler 13 bei der dem Standardgewicht entsprechenden Anfangsbelastung. Der Multiplikator 20 ist dazu bestimmt, einen später zu erklärenden Koeffizienten K mit den von der Nullpunkt-Einstellschaltung 19 erhaltenen Daten zu multiplizieren und ein für das so errechnete Produkt bezeichnendes Signal auszugeben. Der Subtraktor 21 ist für das digitale Errechnen der Differenz zwischen den von der Wägezelle 1 und den von dem Multiplikator 20 erhaltenen Daten ausgelegt. Das Verhältnis K&sub1; der Empfindlichkeit der Wägezelle 1 zu der der Vergleichszelle 5 (definiert als das Verhältnis ihrer Ausgangssignale E&sub1; und E&sub2;, wenn sie mit einem Einheitsgewicht beauf schlagt sind, oder K&sub1; = E&sub1;/E&sub2;) wird vorläufig ungefähr eingestellt. Nachdem ein zu wägendes Objekt auf den Lastauflagetisch 3 aufgelegt ist, werden das Verhältnis K&sub2; des Gesamtgewichtes W&sub1; an der Wägezelle 1, (d.h. der Summe der Gewichte des Lastauflagetisches 3, der Wägezelle 1 selbst und des zu wägenden Objektes) zu dem Gesamtgewicht W&sub2; an der Vergleichszelle 5 (d.h. der Summe der Gewichte der Vergleichszelle 5 selbst und des Standardgewichtes 6) oder K&sub2; = W&sub1;/W&sub2; und das Produkt K = K&sub1;K&sub2; durch den Multiplikator 20 errechnet, der dann K mit den von der Nullpunkt-Einstellschaltung 19 erhaltenen Ausgangsdaten multipliziert und das Ergebnis dieser Multiplikation an den Subtraktor 21 ausgibt.

Als nächstes wird der Betrieb des so aufgebauten Gewichtssensors mit mehr Einzelheiten beschrieben, wenn er beispielsweise als sog. Gewichtsprüfer benutzt wird, d.h. als ein Gerät zur Überprüfung, ob ein bestimmtes zu wägendes Objekt tatsächlich ein bestimmtes Standardgewicht besitzt.

Zum Beginn werden notwendige Parameter wie das Gewicht des Lastauflagetisches und der Empfindlichkeits-Koeffizient K&sub1; über eine Tastatur 22 so eingegeben, daß der Multiplikator 20 zum Errechnen des vorstehend definierten Produktes K bereit ist. Wenn der zu wägende Gegenstand danach auf den Lastauflagetisch 3 gelegt wird, wird ein zu dem vorstehend als W&sub1; definierten Gewicht proportionale Dehnung in der Lastzelle 1 erzeugt und ein für diesen Wert bezeichnendes elektrisches Analogsignal davon ausgegeben. Dieses elektrische Analogsignal wird durch den Vorverstärker 10 verstärkt und danach von dem Analog/Digital-Wandler 12 und dem Digitalfilter 14 als ein digitales Signal, von dem (relativ) hochfrequentes Rauschen entfernt wurde, ausgegeben.

Inzwischen wird die Vergleichszelle 5 einer Dehnung unterworfen, die dem vorstehend als W&sub2; definierten Gewicht entspricht, und gibt ein für diesen Gewichtswert W&sub2; bezeichnendes elektrisches Analogsignal aus. Dieses elektrische Analogsignal wird durch den Vorverstärker 11 verstärkt und danach als weiteres Digitalsignal, von dem (relativ) hochfrequentes Rauschen entfernt wurde, durch den Analog/Digital-Wandler 13 und das Digitalfilter 15 ausgegeben. Von diesem ausgegebenen Digitalsignal wird der für das Standardgewicht 6 repräsentative Anteil durch die digitale Bearbeitung der Nullpunkt-Einstellschaltung ausgeschieden.

Wenn keine externen Vibrationen vorhanden sind, wie die von dem Boden, an dem die Waage verwendet wird, fortgepflanzten, werden die erwähnten elektrischen Analogsignale Gleich-Signale sein, da die Dehnungen in der Wäge- und der Vergleichszelle 1 bzw. 5 konstanten Wert haben. Damit gibt die Nullpunkt-Einstellschaltung 19 ein Nullsignal aus und der Subtraktor 21 gibt direkt das Signal vom Digitalfilter 14 als Gewichtsdaten aus.

Wenn andererseits die Waage externen Vibrationen unterworfen wird, gibt die Lastzelle 1 ein Signal aus mit Wechsel-Komponenten von einer Frequenz, die der der externen Vibrationen angepaßt ist, und mit einer Pegelbreite, die proportional der Summe der Gewichte des Lastauflagetischs 3, der Wägezelle 1 und des zu wägenden Gegenstandes ist. In gleicher Weise gibt die Vergleichszelle 5 ein elektrisches Analogsignal aus mit Wechsel-Komponenten mit Frequenzen, die den gleichen externen Vibrationen angepaßt sind, mit einer Pegelbreite, die proportional der Summe der Gewichte des Standardgewichts 6 und der Vergleichslastzelle 5 selbst ist. Nachdem dieses elektrische Analogsignal durch den Analog/Digital-Wandler 13 in digitale Daten gewandelt ist, werden hochfrequente Rauschkomponenten durch das digitale Filter 15 entfernt, und nur die Vibrations- Komponenten werden davon extrahiert, um mittels der Nullpunkt- Einstellschaltung 19 in Daten der Vibrations-Komponenten gewandelt zu werden.

Der Multiplikator 20 multipliziert dann die Daten von der Nullpunkt-Einstellschaltung 19 mit dem dem Gewicht W&sub1; proportionalen Koeffizienten K und gibt das Produkt aus zur Korrektur der Amplitude der vorerwähnten Vibrations-Komponenten von der Vergleichszelle 5, die durch die Differenz zwischen W&sub1; (dem Gesamtgewicht an der Wägezelle 1) und W&sub2; (dem Gesamtgewicht an der Vergleichszelle 5) erzeugt wird. Der Subtraktor 21 erhält von dem Digitalfilter 14 die Vibrationsdaten enthaltende Daten und vom Multiplikator 20 die Vibrationsdaten und subtrahiert digital die letzteren von den vorherigen, um die Differenz davon auszugeben. Damit werden die in den Gewichtsdaten von der Wägezelle 1 enthaltenen Vibrationsdaten durch die Daten vom Multiplikator 20 aufgehoben, und der Rest stellt das Gewicht des zu wägenden Objektes dar. Da diese Aufhebungs-Rechnung digital ausgeführt wird, entstehen keine Probleme von Zeitverschiebungen oder Driften zwischen den Wägedaten und den Vibrationsdaten. Da zudem dem gleichen Zeitpunkt entsprechende Daten von den beiden Lastzellen 1 und 5 gespeichert werden können, kann das durch externe Vibrationen erzeugte elektrische Analogsignal zuverlässig von dem elektrischen Analogsignal von der Wägezelle 1 entfernt werden.

In Fig. 2, die eine Waage nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt, bezeichnet Bezugszeichen 23 einen Erststufen-Multiplexer zum abwechselnden Ausgeben der elektrischen Analogsignale von der Wägezelle 1 bzw. von der Vergleichszelle 5 durch die Vorverstärker 10 und 11 zu einem einzigen gemeinsamen Analog/Digital-Wandler 24, mit einer Periode, die bedeutend kürzer als die der externen Vibrationen (z.B. nur etwa 1/100 davon) ist. Bezugszeichen 26 bezeichnet eine Korrekturschaltung (oder digitale Signalbearbeitungs-Einheit), die einem gleichartigen Zweck wie die im Zusammenhang mit Fig. 1 vorstehend beschriebene Korrekturschaltung 16 dient. Diese Korrekturschaltung 26 enthält nicht nur eine Nullpunkt-Einstellschaltung 19, einen Multiplikator 20 und einen Subtraktor 21, wie vorstehend erklärt, sondern auch einen Zweitstufen- Multiplexer 25, Digitalfilter 14 und 15 und Speichergeräte 17 und 18. Der Zweitstufen-Multiplexer 25 dient dazu, synchron mit dem Erststufen-Multiplexer 23 zu arbeiten, um dadurch die digitalen Daten von dem Analog/Digital-Wandler 24 an die Digitalfilter 14 und 15 auszugeben, die einander gleich sind, wobei das Digitalfilter 14 dazu dient, die durch die Vibrationen der Wägezelle 1 und des Lastauflagetisches 3 verursachten niederfrequenten Komponenten aus den digitalen Daten zu entfernen, die von dem Last-Erfassungssystem erhalten wurden, und das Digitalfilter 15 dazu dient, die Komponenten mit höheren Frequenzen als die charakteristische Frequenz der Vergleichszelle 5 aus den von dem Vibrations-Erfassungssystem erhaltenen digitalen Daten zu entfernen. Die Speichergeräte 17 und 18 dienen, wie vorher erkärt, zum sequentiellen Speichern der Ausgangsdaten von den Digitalfiltern 14 bzw. 15.

Nachdem die Nullpunkt-Einstellschaltung 19 die Masse des Standardgewichtes 9 in diesen in dem Speichergerät 18 gespeicherten Signalen ausgeglichen hat, multipliziert der Multiplikator 20 den Koeffizienten K damit und gibt die so erhaltenen Resultate an den Subtraktor 21. Der Subtraktor 21 dient dazu, die Differenz zwischen den in dem Speichergerät 17 gespeicherten digitalen Daten von dem Filter 14 und den digitalen Daten von dem Multiplikator 20 zu errechnen, um dadurch Daten auszugeben, aus denen die Vibrations-Komponente entfernt wurde. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 29 ein Multiplexer-Steuergerät, um die beiden Multiplexer 23 und 25 zueinander synchron zu betreiben.

Diese Ausführung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß die elektrischen Analogsignale von den einzelnen Lastzellen 1 und 5 durch ihre jeweiligen Vorverstärker 10 bzw. 11 auf vorbestimmte Pegel verstärkt werden und nachher abwechselnd mittels des Erststufen-Multiplexers 23 dem gleichen Analog/Digital-Wandler 24 eingegeben werden, wo sie in digitale Daten gewandelt werden. Diese digitale Daten werden daraufffolgend mittels des synchron mit dem Erststufen-Multiplexer arbeitenden zweiten Multiplexers 25 auf die Digitalfilter 14 bzw. 15 verteilt, die jeweils der Wägezelle 1 bzw. der Vergleichszelle 5 zugeordnet sind. Da diese beiden Multiplexer 23 und 25 mit außerordentlich hoher Frequenz im Vergleich zur Vibrations- Komponente arbeiten, speichern die Speichergeräte 17 und 18 nur Daten, aus denen die Vibrations-Komponenten sorgfältig entfernt wurden. Die Nullpunkt-Einstellschaltung 19, der Multiplikator 20 und der Subtraktor 21 arbeiten so, wie vorher anhand der Fig. 1 erklärt wurde.

Diese vorstehend anhand der Fig. 2 erklärte Ausführung bietet den Vorteil, daß ein einziger Analog/Digital-Wandler gemeinsam benutzt wird. Da Analog/Digital-Wandler verhältnismäßig teuer sind, kann die Vorrichtung nach dieser Ausführung der Erfindung sowohl einfacher im Aufbau wie auch kostengünstiger sein.

Die vorliegende Erfindung wurde anhand nur einer begrenzten Zahl von Ausführungen beschrieben, jedoch sollen diese Ausführungen nur zur Erläuterung und nicht zur Begrenzung für die beanspruchte Erfindung dienen. Viele Veränderungen sind innerhalb der beanspruchten Erfindung denkbar. Beispielsweise sind zwar in den vorgestellten Ausführungen digitale Filter und Analog/Digital-Wandler als unabhängige Elemente beschrieben, jedoch können gleich gut Analog/Digital-Wandler mit einer Digital-Filterfunktion eingesetzt werden. Obwohl die Auswirkung des Standardgewichts 6 der Vergleichszelle 5 so dargestellt wurde, daß sie mittels der Nullpunkt-Einstellschaltung 19 ausgeglichen wird, kann eine gleichartige Wirkung dadurch erhalten werden, daß eine durch die Meßstreifen 7 gebildete Brückenschaltung abgeglichen wird, wenn keine externen Vibrationen vorhanden sind, so daß nur die Vibrations-Komponente ausgegeben wird. Zusammengefaßt lehrt die vorliegende Erfindung eine Waage, die fähig ist, Auswirkungen von durch externe Vibrationen erzeugtem Rauschen aus dem Gewichts-Ausgangssignal der Wägezelle zu entfernen ohne schädliche Auswirkungen von Drifterscheinungen in den Verstärkern oder Phasenverzögerungen durch Schaltelemente wie Kondensatoren und Widerstände. Als Ergebnis kann die Meßgenauigkeit wie auch die Empfindlichkeit + durch die vorliegende Erfindung verbessert werden. Die für K&sub2; gebrauchten Größen W&sub1; und W&sub2; wurden vorher mit einer anderen Waage erhalten.


Anspruch[de]

1. Waage, welche umfaßt eine Gewichtsmessungs-Lastzelle (1), deren eines Ende an einem Grundteil (2) befestigt ist und das andere Ende einen Lastauflagetisch abstützt; eine Vergleichs-Lastzelle (5), deren eines Ende an dem Grundteil (2) befestigt ist, während ein Standardgewicht (6) an dem anderen Ende der Vergleichs-Lastzelle befestigt ist; erstes Signal-Multiplexermittel zum abwechselnden Ausgeben von Signalen von der Gewichtsmessungs-Lastzelle und der Vergleichs-Lastzelle (5) mit einer Multidlexer-Frequenz, die höher ist als die externen Vibrations-Frequenzen; Analog/Digital-Wandlermittel (24), um analoge elektrische Signale von dem ersten Signal-Multiplexermittel (23) in digitale Daten zu wandeln; zweites Signal-Multiplexermittel, um digitale Daten von dem Analog/Digital-Wandlermittel (24) aufzunehmen, das synchron mit dem ersten Signal-Multiplexermittel betreibbar ist; an dem zweiten Signal-Multiplexermittel angeschlossenes Filtermittel (14,15), das erstes Filtermittel (14) zum Ausfiltern digitaler Daten von der Gewichtsmessungs-Lastzelle (1) und zweites Filtermittel (15) zum Ausfiltern digitaler Daten von der Vergleichs- Lastzelle (5) bei der Multidlexerfrequenz enthält; Multiplikatormittel (20) zum Multiplizieren gefilterter digitaler Daten von der Vergleichs-Lastzelle (5) mit einem Koeffizienten, der von dem Gewicht eines zu wägenden Objektes abhängt, und proportional zu dem Verhältnis der Empfindlichkeit der Gewichtsmessungs-Lastzelle zu der Empfindlichkeit der Vergleichszelle ist; und Subtraktor-Mittel (21) zum Bestimmen der Differenz zwischen gefilterten digitalen Daten von der Gewichtsmessungs-Lastzelle (1) und Daten von dem Multiplikatormittel (20), um so die Auswirkung von Vibrationen der Waage auszugleichen.

2. Waage nach Anspruch 1, die weiter umfaßt Vorverstärker (10, 11) zum Aufnehmen von Ausgangssignalen von der Gewichtsmessungs-Lastzelle (1) bzw. der Vergleichs-Lastzelle (5) und zum Zuführen der verstärkten Ausgangssignale zu dem ersten Multiplexermittel.

3. Waage nach Anspruch 1, die weiter umfaßt ein gemeinsames Vorverstärkermittel (31) zum Aufnehmen von Ausgangssignalen von dem ersten Signal-Multiplexermittel, und bei der das Analog/Digital-Wandlermittel (32) Ausgangssignale von dem Vorverstärkermittel (31) in digitale Daten wandelt.

4. Waage nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Filtermittel, das Multiplikatormittel und das Subtraktormittel durch eine digitale Signalverarbeitungseinheit vorgesehen sind.

5. Waage nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiter umfaßt ein Nullpunkt-Einstellmittel (19) zum Aufnehmen gefilterter digitaler Daten von der Vergleichs-Lastzelle (5) und zum Einstellen der von dem Standardgewicht (6) herrührenden digitalen Daten auf Null.







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