Die Erfindung bezieht sich auf eine oberschalige Waage mit einer Waagschale,
die sich auf mindestens einem Kraftaufnehmer eines Kraftmesssystems abstützt,
und mit einem Ecklastsensor, der bei außermittiger Lage des Wägegutes
auf der Waagschale ein Signal abgibt.
Waagen dieser Art sind z. B. in der DE
30 03 862 C2 oder der DE 38 11 942
C2 beschrieben.
Nachteilig an diesen bekannten Waagen ist, dass der Ecklastsensor
in den Kraftaufnehmer oder in eine Unterschale integriert ist. Dadurch ist für
jeden Waagentyp eine individuelle Auslegung des Ecklastsensors notwendig und eine
Nachrüstung vorhandener Waagen ist gar nicht oder nur unter sehr großem
Aufwand möglich.
Die Nachrüstung einer Waage mit einem Ecklastsensor hat sich
auch schon die DE 299 18 562 U1
zum Ziel gesetzt. Dort sind an der Waagschale mindestens zwei untereinander und
von der Mitte der Waagschale beabstandete Kraftmesssensoren sowie Mittel zum Verschieben
des Schwerpunktes von Wägegut und Waagschale vorgesehen. Dieses Verschieben
des Wägegutes erfordert jedoch entweder eine Mithilfe der Bedienungsperson
oder eine komplizierte und störanfällige Mechanik (besonders bei hohen
Lasten) und verlängert die Messzeit. Außerdem ist in der DE
299 18 562 U1 über die konkrete Gestaltung der Ecklastsensoren nur
ausgesagt, dass sie z. B. die elastische Verformung der Waagschale oder die elastische
Verformung der Unterschale, z. B. mit Dehnungsmessstreifen (DMS), messen. Durch
die Benutzung der Waagschale oder der Unterschale als elastisches Element des Ecklastsensors
wird der Ecklastsensor wieder von der Bauform der Waagschale bzw. Unterschale abhängig,
so dass das Ziel der Nachrüstbarkeit nur sehr eingeschränkt erreicht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Waage der eingangs genannten
Art einen Ecklastsensor anzugeben, der leicht nachrüstbar ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Ecklastsensor
eine ebene Unterseite aufweist, mit der er auf der Waagschale oder einer Unterschale
der Waage aufsetzbar oder befestigbar ist, dass der Ecklastsensor eine ebene Oberseite
aufweist, auf die eine Waagschale aufsetzbar oder befestigbar ist, und dass der
Ecklastsensor über eine kraftrückwirkungsfreie Verbindung mit einer ortsfesten
Korrekturelektronik verbunden ist.
Durch die angegebene geometrische Gestaltung mit ebener Unter- und
Oberseite kann der Ecklastsensor z. B. direkt auf eine vorhandene Waagschale aufgesetzt
werden und auf die Oberseite kann eine weitere, neue Waagschale aufgelegt werden.
Oder bei einer Waage mit Waagschale und Unterschale kann der Ecklastsensor direkt
auf die Unterschale aufgesetzt werden und die vorhandene Waagschale kann direkt
auf die ebene Oberseite des Ecklastsensors aufgelegt werden. Eine feste Verbindung
ist dabei vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig. – Eine Veränderung
der Lage des Wägegutes – wie sie in der DE
299 18 562 U1 vorgesehen ist – erfolgt nicht, vielmehr wird das
Ausgangssignal des Ecklastsensors einer Korrekturelektronik zugeführt und dort
der Ecklastfehler rechnerisch korrigiert – wie es auch schon in der
DE 30 03 862 C2 und der
DE 38 11 942 C2 vorgesehen ist.
Die Signalübertragung erfolgt dabei kraftrückwirkungsfrei – z.
B. über eine Funkverbindung oder eine optische Verbindung. Das Signal des Ecklastsensors
wird dabei zweckmäßigerweise vor der Übertragung digitalisiert, um
eine große Störsicherheit zu erzielen. Die rechnerische Ecklastkorrektur
erfolgt dann durch eine externe Korrekturelektronik, vorteilhafterweise z. B. durch
einen PC, der das Wägesignal der Waage über den standardmäßigen
Datenausgang und das Ecklastsignal vom Ecklastsensor erhält. Dadurch ist keinerlei
Eingriff in die Waagenelektronik notwendig.
Der Ecklastsensor hat in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Form
eines vertikal angeordneten kurzen Rohres, dass an beiden Enden Endflansche trägt.
Die Endflansche ergeben dabei die ebene Unter- bzw. Oberseite und das dazwischen
angeordnete Rohrstück erlaubt die Applikation von DMS.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben.
Dabei zeigt:
1 eine Übersicht über die Waage, den Ecklastsensor
und die Korrekturelektronik,
2 den Ecklastsensor in einer beispielhaften Ausgestaltung
vergrößert im Schnitt,
3 den Ecklastsensor gemäß 2
in einer Unteransicht,
4 den Ecklastsensor in einer zweiten Ausgestaltung
im Schnitt und
5 den Ecklastsensor in einer dritten Ausgestaltung
im Schnitt.
In 1 erkennt man eine übliche Waage
1, mit einer Anzeige 2, mit einer Unterschale 3, die
über einen Kraftaufnehmer 7 mit einem Kraftmesssystem 5 verbunden
ist, mit einer Waagschale 4 und mit einem Datenausgang 6. Diese
Teile der Waage sind allgemein bekannt und müssen daher nicht im Detail erläutert
werden; insbesondere kann das Kraftmesssystem 5 nach einem beliebigen Prinzip
arbeiten, z. B. mittels der elektromagnetischen Kraftkompensation
oder mittels eines Federkörpers mit DMS.
Die Waageschale 4 liegt nun bei der erfindungsgemäßen
Waage nicht direkt auf der Unterschale 3 auf, vielmehr liegt auf der Unterschale
3 ein Ecklastsensor 10 auf und erst auf diesem Ecklastsensor
10 liegt die Waagschale 4 auf. Der Ecklastsensor 10 ist
in 2 noch einmal vergrößert im Schnitt und
in 3 in der Unteransicht gezeigt. Der Ecklastsensor
10 besteht aus einem kurzen Rohr 11, sowie einem oberen Flansch
12 und einem unteren Flansch 13. Die Flansche 12 und
13 weisen Bohrungen 14 auf, mit denen der Ecklastsensor an der
Unterschale bzw. an der Waagschale befestigt werden kann. Besonders die Verbindung
zwischen Unterschale und Ecklastsensor ist für die reproduzierbare Bestimmung
der Lage des Schwerpunktes des Wägegutes wichtig. In 1
sind deshalb Befestigungsschrauben 15 angedeutet, die eine feste Verbindung
zwischen Ecklastsensor und Unterschale gewährleisten. Demgegenüber ist
die Verbindung zwischen Waagschale 4 und Ecklastsensor 10 messtechnisch
unkritischer, hier reicht in manchen Fällen eine formschlüssige Fixierung
16. Trotzdem weist auch der obere Flansch 12 Bohrungen
14 auf, um eine feste Verbindung zwischen Waagschale und Ecklastsensor
zu ermöglichen.
Der Ecklastsensor 10 weist auf seinem rohrförmigen Teil
(Rohr) 11 vorzugsweise vier DMS 17 auf, die die senkrechte Stauchung
der Rohrwandung unter dem Einfluss eines Wägegutes detektieren. Dazu sind die
zwei in 2 erkennbaren DMS zusammen mit zwei Festwiderständen
in bekannter Weise zu einer Wheatstoneschen Brücke verschaltet. Liegt das Wägegut
genau in der strichpunktierten Symmetrielinie 18 und damit genau über
dem Kraftaufnehmer 7, so werden die beiden DMS 17 gleich gestaucht
und es ergibt sich in der Brückenschaltung keine Diagonalspannung und damit
kein Ausgangssignal. Liegt das Wägegut dagegen z. B. etwas nach rechts versetzt,
so wird der rechte DMS etwas stärker gestaucht als der linke DMS, ändert
seinen Widerstand also stärker, so dass sich eine Diagonalspannung als Ausgangssignal
des Ecklastsensors ergibt. – Die beiden anderen DMS sind vor und hinter der
Zeichenebene der 2 auf dem Rohr 11 appliziert
und geben bei Außermittigkeit des Wägegutes in Richtung senkrecht zur
Zeichenebene der 2 in entsprechender Weise ein Ecklastsignal
ab. – Selbstverständlich ist es auch möglich, für jede Messrichtung
vier DMS auf dem Rohr zu applizieren und damit die Festwiderstände in der Wheatstoneschen
Brücke durch DMS zu ersetzten. Das Ausgangssignal verdoppelt sich dadurch.
Die beiden Ecklastsignale werden in einer Elektronik 19 gegebenenfalls
verstärkt und digitalisiert, damit sie über eine drahtlose Verbindung
21 zu einer Sende- und Empfangseinheit 20 übertragen werden
können. Drahtlose Funkverbindungen (z. B. Bluetooth) und drahtlose optische
Verbindungen sind allgemein bekannt, so dass die Details der Datenübertragung
nicht erläutert werden müssen. Genauso ist es bekannt, diese Datenverbindung
so auszugestalten, dass die (geringe) Energie, die zum Betrieb der Elektronik
19 notwendig ist, ebenfalls mit übertragen wird. Durch die drahtlose
Daten- und Energieübertragung wird eine kraftrückwirkungsfreie Verbindung
hergestellt und gleichzeitig werden alle Probleme durch Batterien oder dergleichen
am Ecklastsensor vermieden.
Die Sende- und Empfangseinheit 20 gibt die digitalen Ecklastsignale
an eine Korrekturelektronik 22 weiter, die in 1
durch einen PC realisiert ist. Der PC erhält außerdem vom normalen digitalen
Datenausgang 6 der Waage das von der Waage ermittelte Wägesignal und
kann dann die Ecklastkorrektur ausrechnen (siehe folgenden Absatz) und das korrigierte
Wägesignal anzeigen/ausgeben. (Die normale Anzeige 2 der Waage wird
also nicht benutzt.)
Bei der ersten Inbetriebnahme des beschriebenen Ecklastsensors zusammen
mit einer bestimmten Waage wird zuerst ein beliebiges Wägegut mittig auf die
Waagschale und damit fluchtend zum Kraftaufnehmer 7 aufgelegt und die Waagenanzeige
bestimmt. Anschließend wird das Wägegut z. B. nach rechts (in der Darstellung
von 1) verschoben und das Signal des Ecklastsensors
und die Änderung der Waagenanzeige notiert/gespeichert. Anschließend wird
das Wägegut nach links verschoben und ebenfalls das Signal des Ecklastsensors
und die Änderung der Waagenanzeige notiert/gespeichert. Gegebenenfalls kann
dieselbe Prozedur für verschieden außermittige Lagen des Wägegutes
wiederholt werden. Aus der z. B. grafischen Darstellung der Änderung der Waagenanzeige
in Abhängigkeit vom Signal des Ecklastsensors kann die Korrekturfunktion errechnet
werden, die ein von der Lage des Wägegutes unabhängiges Wägeergebnis
liefert. Diese Korrekturfunktion wird in der Korrekturelektronik 22 gespeichert
und bei den späteren Messungen zur Korrektur benutzt. – Es wird ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass bei Waagen die Abhängigkeit der Ergebnisanzeige vom
Ort des Wägegutes auf der Waagschale gering ist. Daher wird man die eben beschriebene
Änderung der Waagenanzeige in Abhängigkeit vom Ort des Wägegutes
auf der Waagschale nur bei sehr hochauflösenden Waagen – beispielsweise
auch bei sogenannten Komparatorwaagen – feststellen können; außerdem
handelt es sich bei den Änderungen immer um kleine Werte. Daher wird im Allgemeinen
eine Geradengleichung für die Korrektur des Wägeergebnisses ausreichen.
Durch die Benutzung eines PCs als Korrekturelektronik ist es aber bei Bedarf möglich,
auch nichtlineare Abhängigkeiten zu korrigieren oder auch belastungsabhängige
Ecklastabhängigkeiten zu korrigieren. – Das im Vorstehenden
für die Richtung rechts/links Beschriebene wird in gleicher Weise für
die dazu senkrechte Richtung wiederholt und auch für diese Richtung eine Ecklastkorrekturfunktion
bzw. ein Ecklastkorrekturfaktor ermittelt und abgespeichert. Da die Ecklastkorrektur
im Allgemeinen nur um wenige Digit erfolgt, sind natürlich auch die Anforderungen
an die Auflösung und die Reproduzierbarkeit des Ecklastsensor-Signals gering.
Durch die beschriebene Geometrie des Ecklastsensors mit ebener Unter-
und Oberseite ist bei Waagen mit ebener Waagschale bzw. mit ebener Unterschale eine
sehr leichte Nachrüstbarkeit gewährleistet. Aber auch bei anders geformten
Waagschalen bzw. Unterschalen ist die Herstellung eines spezifischen Adapterteiles
einfacher, wenn man von einer ebenen Begrenzungsfläche ausgehen kann. Unter
einer ebenen Unterseite bzw. einer ebenen Oberseite soll selbstverständlich
auch eine solche Geometrie verstanden werden, bei der z. B. auf der Unterseite des
Ecklastsensors um jede Befestigungsbohrung 14 herum ein Wulst geringer
Dicke vorhanden ist (nicht gezeichnet) und die Wulste zusammen wieder eine Ebene
definieren; oder wenn auf der Oberseite in den oberen Bohrungen 14 jeweils
Gummipuffer stecken, auf denen die Waagschale aufgelegt werden kann.
Durch die beschriebene externe Auswertung der Ecklastsignale und durch
die externe Korrektur ist weder ein Eingriff in die Mechanik noch ein Eingriff in
die Elektronik der vorhandenen Waage notwendig, so dass auch dadurch die Nachrüstbarkeit
vereinfacht wird.
Im beschriebenen Beispiel ist eine Schraubverbindung zwischen dem
Ecklastsensor und der Unterschale vorgesehen. Selbstverständlich sind auch
beliebige andere Verbindungstechniken, wie z. B. Nieten oder Kleben möglich.
Vielfach reicht auch eine formschlüssige Fixierung, wobei durch eine Kerbe
oder dergleichen eine Verdrehung des Ecklastsensors verhindert werden muss.
Im gezeichneten Beispiel von 1 wird die
Unterschale 3 durch einen Kraftaufnehmer eines Kraftmesssystems gestützt.
Selbstverständlich ist der erfindungsgemäße Ecklastsensor auch bei
Waagen einsetzbar, bei denen die Unterschale oder die Waagschale durch drei oder
vier Kraftaufnehmer mit einem Kraftmesssystem oder mit drei oder vier Kraftmesssystemen
verbunden ist. Die zweckmäßige Lage des Ecklastsensors 10 ist
in diesem Fall so, dass die Symmetrielinie 18 etwa in der Mitte zwischen
den einzelnen Kraftaufnehmern angeordnet ist. Die genaue Lage der Symmetrielinie
18 ist für die Messgenauigkeit jedoch unkritisch, da durch die beschriebene
Kalibrierung bei der Inbetriebnahme des Ecklastsensors die genaue Lage mit einkalibriert
wird.
In 4 ist eine zweite Ausgestaltung des
Ecklastsensors im Schnitt gezeigt. Dieser Ecklastsensor 30 besteht wieder
aus einem Rohr 31 mit Flanschen 32 und 33. Die Flansche
32 und 33 sind in dieser Ausgestaltung scheibenförmig ausgebildet.
In der Symmetrieachse 18 des Rohres 31 verbindet ein Tragstab
34 den oberen und den unteren Endflansch. Die Wandung des Rohres
31 ist relativ dünn, so dass die Gewichtskraft des Wägegutes
bei mittiger Lage zum großen Teil durch den Tragstab 34 aufgenommen
wird. Bei außermittiger Lage des Wägegutes wird dagegen das Ecklast-Drehmoment
vorrangig vom Rohr 31 mit den DMS 17 aufgenommen, da der Tragstab
34 gegenüber Biegung relativ weich ist. – Bei gleichem Gesamtquerschnitt
von Tragstab 34 und Rohr 31 verglichen mit dem Querschnitt des
Rohres 11 allein in der Ausgestaltung gemäß 2
und 3 ist dann das Grundsignal bei mittigem Wägegut
bei beiden Ausgestaltungen gleich. Bei außermittiger Lage des Wägegutes
ist jedoch das Signal der DMS auf dem Rohr 31 deutlich größer
als das Signal der DMS auf dem Rohr 11, da die Wanddicke des Rohres
31 deutlich geringer ist als die Wanddicke des Rohres 11.
Die Herstellung des Ecklastsensors in 4
ist z. B. so möglich, dass der Tragstab 34, das Rohr 31 und
der eine Flansch einstückig hergestellt werden, dass der andere Flansch mit
einer Bohrung in der Mitte für den Tragstab hergestellt wird und dass die beiden
Teile anschließend, z. B. durch Schweißen, miteinander verbunden werden.
Auch eine Herstellung aus einem Stück ist möglich, wenn das Rohr
31 über den Umfang verteilt mehrere (z. B. acht) Löcher aufweist,
durch die eine Bearbeitung des Hohlraumes mittels Fräser möglich ist.
5 zeigt eine dritte Ausgestaltung des Ecklastsensors
im Schnitt. Gleiche Teile wie in 4 sind mit den gleichen
Bezugzahlen bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert. Das Rohr
41 hat in dieser Ausgestaltung die Form eines Wellmembran-Rohres, dadurch
ist die Steifigkeit dieses Rohres gegenüber vertikalen Kräften noch geringer
und damit die Empfindlichkeit gegenüber Ecklast-Drehmomenten noch größer.
Außerdem können auf der Innenseite des Rohres 41 zusätzliche
DMS 17' appliziert werden, wobei die DMS 17' bei Belastung gestaucht
werden, während die DMS 17 auf der Außenseite des Rohres
41 in dieser Ausgestaltung unter Belastung gedehnt werden. Dadurch lässt
sich eine vollständige Wheatstoneschen Brücke mit gedehnten und gestauchten
DMS aufbauen und dadurch ergibt sich ebenfalls ein größeres elektrisches
Ausgangssignal des Ecklastsensors 40.
Selbstverständlich können in 5
die DMS auch an den waagerechten Bereichen 42 und/oder
42' des Rohres 41 appliziert werden. Auch in diesen waagerechten
Bereichen entstehen gestauchte und gedehnte Zonen, so dass mit DMS Signale beider
Vorzeichen erzielt werden können. Das schwierige Applizieren an der Innenseite
des Rohres 41 in 5 entfällt dadurch.
Die wellrohrartige Ausgestaltung gemäß 5
ist selbstverständlich auch in der Ausgestaltung ohne Tragstab möglich.
Diese sehr weiche und empfindliche Ausführung ist dann besonders für niedrige
Lasten geeignet. Die Empfindlichkeit des Ecklastsensors in den Ausgestaltungen mit
Tragstab lässt sich weiterhin dadurch erhöhen, dass am Tragstab durch
Einschnürungen Bereiche mit geringerem Querschnitt erzeugt werden (nicht gezeichnet).
Diese kurzen Bereiche mit geringerem Querschnitt beeinflussen die Nachgiebigkeit
gegenüber vertikalen Kräften nur wenig, die Biegesteifigkeit jedoch stark.
Im Vorstehenden ist immer davon ausgegangen worden, dass der Ecklastsensor
zur rechnerischen Korrektur der Ecklast einer Waage benutzt wird. Es ist jedoch
selbstverständlich auch möglich, das Signal des Ecklastsensors zur Bestimmung
des Schwerpunktes des Wägegutes zu benutzen: Ist das Ausgangssignal des Ecklastsensors
null, so liegt der Schwerpunkt des Wägegutes genau in der Symmetrielinie
18 des Ecklastsensors; aus der Größe des Ausgangssignals des
Ecklastsensor lässt sich bei bekanntem Gewicht des Wägegutes die seitliche
Abweichung des Schwerpunktes bestimmen.
Der Ecklastsensor kann weiterhin auch die Herstellung von Waagen erleichtern:
Statt die Waage auf eine 100%ige Ecklastfreiheit zu justieren, kann es preiswerter
sein, die Waage während des Herstellprozesses nur grob zu justieren und die
Ecklastfreiheit durch den Ecklastsensor und die Korrekturelektronik zu erzielen.
Im Rahmen einer Fertigung nach dem Baukastenprinzip können dann z. B. Waagen
mit mittlerer Auflösung ecklastjustiert hergestellt und direkt verkauft werden;
Waagen mit hoher Auflösung werden dann einfach durch zusätzlichen Einbau
des Ecklastsensors und der Korrekturelektronik aus diesen Grundgeräten hergestellt.
Für die kraftrückwirkungsfreie Verbindung des Ecklastsensors
mit der Korrekturelektronik sind im Vorstehenden eine Funkverbindung und eine optische
Verbindung beschrieben. Selbstverständlich sind auch drahtgebundene Verbindungen
möglich, die praktisch kraftrückwirkungsfrei sind. Goldbandverbindungen
z. B. werden für diesen Zweck häufig eingesetzt. Bei richtiger Auslegung
sind diese Verbindungen ebenfalls kraftrückwirkungsfrei in dem Sinne, dass
die Kräfte der Goldbänder geringer sind als die Auflösung der Waage,
sie also die Genauigkeit der Waage nicht beeinträchtigen.
- 1
- Waage
- 2
- Anzeige
- 3
- Unterschale
- 4
- Waagschale
- 5
- Kraftmesssystem
- 6
- Datenausgang
- 7
- Kraftaufnehmer
- 10
- Ecklastsensor
- 11
- Rohr
- 12
- Flansch
- 13
- Flansch
- 14
- Bohrungen
- 15
- Befestigungsschrauben
- 16
- formschlüssige Fixierung
- 17, 17'
- Dehnungsmessstreifen (DMS)
- 18
- Symmetrielinie
- 19
- Elektronik
- 20
- Sende- und Empfangseinheit
- 21
- kraftrückwirkungsfreie (z. B. drahtlose) Verbindung
- 22
- Korrekturelektronik, z. B. PC
- 30
- Ecklastsensor
- 31
- Rohr
- 32
- Flansch (scheibenförmig)
- 33
- Flansch (scheibenförmig)
- 34
- Tragstab
- 40
- Ecklastsensor
- 41
- Rohr
- 42, 42'
- waagerechte Bereiche