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Die
Erfindung betrifft elektronische Waagen zum Abwägen und insbesondere Waagen,
die in einer Umgebung betrieben werden sollen, in welcher Schwingungen
auftreten.
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Von
einer Oberfläche,
auf welcher eine Waage steht, übertragene
Bodenschwingungen können die
Genauigkeit der Ablesung der Waage negativ beeinflussen. Waagen,
die im Gegensatz zu Massensensoren Kraftmesswandler verwenden, sind
in Bezug auf derartige Schwierigkeiten besonders empfindlich. Die üblichen
Typen, einschließlich
Dehnungsmessstreifen-Messdosen
sind Kraftsensoren. Üblicherweise
werden Tiefpaß-Filterverfahren eingesetzt,
um den Einfluss von Schwingungen höherer Frequenzen zu minimalisieren.
Allerdings können
die Wirkungen von Schwingungen in dem Frequenzbereich von etwa 10
Hz oder weniger nicht ausreichend durch Tiefpaß-Filterung abgeschwächt werden,
ohne die Reaktionszeit der Waage wesentlich zu erhöhen. Die
Erhöhung
der Reaktionszeit ist bei zahlreichen Anwendungsfällen nicht
hinnehmbar, beispielsweise bei Postwaagen oder Verladewaagen, bei
welchen eine hohe Durchsatzrate angestrebt ist.
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Es
ist weiterhin bekannt, eine digitale Mitteilung einzusetzen, um
die Wirkungen von Bodenschwingungen abzumildern, aber auch hier
begrenzen Beschränkungen
bezüglich
der Reaktionszeit die Wirksamkeit dieses Verfahrens.
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Weiterhin
wurde vorgeschlagen, zusätzlich zu
einem Wägemechanismus
für einen
Gegenstand einen zweiten Wägekanal
oder Referenzkanal vorzusehen. Beispielsweise sind in der
US 4 751 973 A mit dem
Titel "Messdosenwaage
mit Referenzkanal für direkte
Lastkorrektur" eine
Referenzmessdose und die primäre
Wäge-Messdose
nahe aneinander angebracht, so dass sie durch externe Schwingungen
auf gleiche Weise beeinflusst werden. Das Ausgangssignal der Referenz-Messdose
wird zeitlich gemittelt, und durch Division des Mittelwerts durch
das momentane Ausgangssignal der Referenz-Messdose wird ein Korrekturterm
erhalten. Der Korrekturterm wird dann bei dem momentanen Ausgangssignal
des Wägekanals
eingesetzt, um die momentane Wirkung von Bodenschwingungen zu kompensieren.
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Weitere,
kompliziertere Vorgehensweisen für die
Schwingungskompensation, bei denen ebenfalls Referenzkanäle eingesetzt
werden, sind in Zitaten beschrieben, die in der
US 4 751 973 A zusammengefasst
sind. Hierzu gehört
auch die
US 4 624 331
A .
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Zwar
haben einige dieser Vorgehensweisen durchaus ihren Wert, jedoch
ist es wünschenswert, weitere
Vorgehensweisen aufzufinden, um bestimmte Ziele bezüglich erwünschter
Kosten, Reaktionszeit und Genauigkeit zu erzielen.
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In
der
US 4 212 361 A wird
eine Waage vorgeschlagen, bei der zwischen einem Wägekanal
und einem Referenzkanal eine Kopplungschaltung geschaltet ist, die
ein Kompensationssignal, das sich in Abhängigkeit vom Lastsignal ändert, an
den Referenzeingang eines Teilers anlegt, dessen anderem Eingang
das Lastsignal zugeführt
wird.
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In
der
US 4 624 331 A wird
vorgeschlagen, bei einem Lastensensor eine Wägezelle zur Erzeugung eines
Ausgangssignals entsprechend dem Gewicht eines Gegenstands vorzusehen,
sowie eine zusätzliche
Dummy-Zelle, die ein Rauschausgangssignal erzeugt, welches infolge
von Vibrationen des Bodens auftritt, auf welchem sich der Lastsensor
befindet. Eine Korrekturschaltung zieht ein Signal ab, das proportional
zu einer im Ausgangssignal der Wägezelle enthaltenen
Gleichspannungskomponente ist, und korrigiert auf der Grundlage
dieses abgezogenen Signals das Ausgangssignal der Dummy-Zelle auf
den Rauschpegel einer Bodenvibrationskomponente der Wägezelle.
Das korrigierte Dummy-Zellen-Rauschsignal wird mit entgegengesetzter
Phase zum Wägezellenausgangssignal
addiert, so dass das Bodenvibrationsrauschen, das in dem Wägezellenausgangssignal
an sich enthalten ist, durch das korrigierte Rauschsignal der Dummy-Zelle
eliminiert wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine elektronische Waage zur
Verfügung
zu stellen, welche die Auswirkungen von Bodenschwingungen kompensiert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine elektronische Waage zum Wägen eines Gegenstands die im
Patentanspruch 1 oder 12 angegebenen Merkmale auf.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert, aus
welchen weitere vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
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1 ein Blockschaltbild einer
Waage gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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1-A die Beziehung des Phasenwinkels zum
Frequenzverhältnis
für Messdosen,
die ein Teil der Waage von 1 sind:
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2 eine schematische Ansicht
einer Schaltung, die ein Vergleichsmodul darstellt, welches ein
Teil der Waage von 1 ist;
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3 eine grafische Darstellung
von Signalen, die durch das Vergleichsmodul von 2 verglichen werden;
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3-A, 3-B, 3-C eine
Erläuterung
der Wirkung einer Nullpunktverschiebung auf den Betrieb des Vergleichsmoduls
von 2;
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3-D, 3-E, 3-F eine
Erläuterung
der Wirkung einer Verstärkungsverschiebung
auf den Betrieb des Vergleichsmoduls;
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4 ein Blockschaltbild einer
weiteren Ausführungsform
einer Waage gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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5 ein Flußdiagramm
des Programms zum Betrieb der Waage von 4.
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1 ist ein Blockschaltbild
einer Waage 10. Die Waage 10 weist ein Gewichtsmessgerät auf, welches
beispielsweise eine konventionelle Messdose 12 sein kann,
in welcher Dehnungsmessstreifen in Form einer Wheatstone-Brücke angeordnet
sind. Ein (nicht gezeigter) Gegenstand, der gewogen werden soll,
beispielsweise ein Brief oder ein Paket, beaufschlagt durch eine
konventionelle Vorrichtung (nicht gezeigt) die Messdose, beispielsweise
dadurch, dass der Gegenstand auf eine Schale gelegt wird, die durch
die Messdose 12 getragen wird. Die Messdose 12 wird
durch eine (nicht gezeigte) konventionelle Einrichtung elektrisch
angeregt, und das Ausgangssignal der Messdose 12, die das
momentane anscheinende Gewicht des Gegenstands angibt, wird von
einem Vorverstärker 14 empfangen.
Der Ausgang des Vorverstärkers 14 ist
an ein Tiefpaß-Filter 16 angeschlossen,
welches vorzugsweise eine verhältnismäßig niedrige
Abschneidefrequenz aufweist, beispielsweise 10 Hz. Das gefilterte
Ausgangssignal wird an einen Analog/Digital- Wandler 18 (D/D) angelegt.
Der A/D-Wandler 18 wandelt das gefilterte Signal in ein
digitales Signal oder einen digitalen Zählwert um, der wiederum das
momentane Gewicht des Gegenstands repräsentiert, abhängig von
den Wirkungen des Tiefpaß-Filters 16.
Der digitale Zählausgangswert
des A/D-Wandlers 18 wird
von einem Mikroprozessor 20 empfangen, der den Zählwert für derartige
Zwecke behandelt wie beispielsweise eine metrische Darstellung oder
eine Darstellung in Avoirdupois des Gewichts des Gegenstandes anzuzeigen, eine
Post- oder Verladegebühr
für den
Gegenstand zu berechnen, usw. Die Messdose 12, der Vorverstärker 14,
das Tiefpaß-Filter 16,
der A/D-Wandler 18 und der Mikroprozessor 20 und
die Verbindungen zwischen diesen Teilen werden nachstehend manchmal
zusammen als ein "Wägekanal" bezeichnet, und es
handelt sich um wohlbekannte und einfach zu verwirklichende Teile
in Form einer konventionellen elektronischen Waage.
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Die
Waage 10 weist weiterhin eine zweite Referenz-Gewichtsmessvorrichtung
auf, beispielsweise eine Messdose 22. Die Messdose 22 ist
vorzugsweise eine konventionelle Messdose, die aus nachstehend noch
erläuterten
Gründen
eine verhältnismäßig kleine
Lastkapazität
aufweist und im Vergleich zur primären Messdose 12 verhältnismäßig billig
ist. Alternativ hierzu könnte
anstelle der Referenzmaßdose 22 die
Waage 10 auch einen Beschleunigungsmesser aufweisen, der
eine Beschleunigung zumindest von 0 bis etwa 50 Hz messen kann.
Ein derartiger Beschleunigungsmesser könnte beispielsweise auf dem
mechanischen Boden der Wäge-Messdose 12 angebracht
sein. Eine andere Art von Gerät,
welches die Referenzmessdose 22 ersetzen könnte, ist
ein durch Mikrobearbeitung hergestellter Silizumsensor der Art,
die an sich als Beschleunigungsmesser oder Messdose ausgelegt ist.
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Wie
in dem voranstehend erwähnten
Patent Nr. 4 751 973 erläutert,
ist die Waage 10 so angeordnet, dass Bodenschwingungen,
welche die Messdose 12 beeinflussen, die gleiche Wirkung
auf die Messdose 22 ausüben.
Beispielswiese kann die Messdose 22 so angeordnet sein,
dass ihre Empfindlichkeit für
Schwingungen in derselben Richtung verläuft wie die der Messdose 12;
und vorzugsweise ist die Messdose 22 so nahe wie möglich an
dem Schwerpunkt der Messdose 12 angeordnet. Eine konstante
Kraft, die durch ein dauernd angebrachtes Gewicht zur Verfügung gestellt
wird, wird auf die Messdose 22 ausgeübt, die auf konventionelle
Weise angeregt wird. Das Ausgangssignal der Messdose 22 wird
durch einen Vorverstärker 24 verstärkt, der – ebenso
wie die Messdose 22 – nicht
besonders stabil sein muss. Das von dem Vorverstärker 24 ausgegebene,
verstärkte
Signal wird sowohl an ein Tiefpaß-Filter 26 als auch
an ein Tiefpaß-Filter 28 angelegt.
Fachleuten auf diesem Gebiet ist klar, dass trotz des Einwirkens
eines konstanten Gewichts auf die Messdose 22 das momentane
Ausgangssignal der Messdose 22 (und des Vorverstärkers 24)
unter dem Einfluss von Bodenschwingungen ebenso schwankt wie die
Ausgangssignale der primären
Messdose 12 und des Vorverstärkers 14. Wie das
Tiefpaß-Filter 16 filtert
das Tiefpaß-Filter 26 hochfrequente
Schwingungswirkungen aus, jedoch enthält das Ausgangssignal des Tiefpaß-Filters 26 Schwingungen
mit niedrigerer Frequenz. Es ist empfehlenswert, das Tiefpaß-Filter 26 gut
an das Tiefpaß-Filter 16 anzupassen,
so dass die Wirkungen von Bodenschwingungen auf das Ausgangssignal
des Tiefpaß-Filters 26 synchron
zu Schwingungswirkungen auf das Ausgangssignal des Tiefpaß-Filters 16 auftreten.
Die Messdose 22, der Vorverstärker 24, das Tiefpaß-Filter 26,
das Tiefpaß-Filter 28 und
die Verbindungen zwischen diesen Bauteilen werden manchmal zusammen
als ein "Referenzkanal" bezeichnet.
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Die
jeweiligen Resonanzfrequenzen der Messdosen 12 und 22 mit
ihren zugehörigen
Tarieraufbauten sollten wesentlich oberhalb der Abschneidefrequenz
von 10 Hz der Tiefpaß-Filter 16 und 26 liegen,
um sicherzustellen, dass sowohl der Wägekanal als auch der Referenzkanal
miteinander in Phase sind, wenn sie durch niederfrequente Bodenschwingungen
angeregt werden.
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Vorzugsweise
sollten die Resonanzfrequenzen 30 Hz überschreiten. Für ein System
mit relativ niedriger Dämpfung,
beispielsweise weniger als 10 % der kritischen Dämpfung, erläutert 1-A die Beziehung des Phasenwinkels zu
dem Frequenzverhältnis
der Anregungsfrequenz zur Resonanzfrequenz. Wie Fachleuten bekannt
ist, weisen zahlreiche konventionelle Messdosen eine Dämpfung von etwa
3 % der kritischen Dämpfung
auf. Hierzu wird Bezug genommen auf die Seiten 120–121 von "Mechanical Vibrations", von Austin H. Church,
wo sich eine Diskussion der Beziehung des Phasenwinkels zum Frequenzverhältnis findet.
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Fachleute
wissen, dass die Bauteile, aus denen der Wägekanal und der Referenzkanal
bestehen, werden zweckmäßigerweise
in einem konventionellen Waagengehäuse (nicht gezeigt) angebracht.
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Das
Tiefpaß-Filter 28 ist
im Gegensatz zu dem Tiefpaß-Filter 26 so
ausgesucht, dass es eine äußerst niedrige
Abschneidefrequenz aufweist; ein bevorzugter Wert beträgt 0,1 Hz.
Das Ausgangssignal des Tiefpaß-Filters 28 stellt
daher eine Langzeitmittlung des Ausgangssignals des Tiefpaß-Filters 26 dar
und bleibt über
interessierende Zeiträume
im wesentlichen konstant. Die Ausgangssignale der Tiefpaß-Filter 26 und 28 werden
jeweils an die Eingänge A
und B einer zweiten Einrichtung (Vergleichsmodul) 30 angelegt.
Das Vergleichsmodul 30 vergleicht die Ausgangssignale der
Tiefpaß-Filter 26 und 28 und gibt
ein Signal an den Mikroprozessor 20, wenn sich diese Ausgangssignale
bis auf einen Schwellenbetrag nicht voneinander unterscheiden. Die
bevorzugte Form des Schwellenbetrages ist eine Form, die auf einem
festen Prozentsatz des Signals an der Klemme B beruht. Die Signalhöhe des Referenzkanals
ist dann unwesentlich für
dessen Leistung, und dies gilt ebenfalls für die Messdosenempfindlichkeit
und die Verstärkungen
es Vorverstärkers
und der Filter. Darüber
hinaus erfordern Offsets der Tiefpaß-Filter 26 und 28 keine
enge Anpassung.
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Darüber hinaus
können
die Widerstands-Temperaturkoeffizienten dieser Teile, welche Driftvorgänge bestimmten,
sehr groß gewählt werden.
Die Alternative, die auf einer festen Schwelle beruht, würde kostenaufwendiger
und kompliziertere elektronische Bauteile und Messdose für den Referenzkanal
erfordern.
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2 zeigt in schematischer
Form eine bevorzugte Ausführungsform
des Vergleichsmoduls 30. Das Vergleichsmodul 30 weist
Eingangsklemmen A und B auf, die jeweils an den Ausgang des Tiefpaß-Filters 26 bzw. 28 angeschlossen
sind. Daher empfängt
die Klemme A ein Signal, welches die momentane Wirkung von Bodenschwingungen
auf das Ausgangssignal des Wägekanals
repräsentiert,
und die Klemme B empfängt
eine Langzeitmittlung des Referenzkanals, die eine Referenzablesung
angibt, von der angenommen werden kann, dass sie frei von Wirkungen
der Bodenschwingungen ist.
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Das
Vergleichsmodul 30 weist eine erste Komparatoreinrichtung 32 und
eine zweite Komparatoreinrichtung ("Komparator") 34 auf sowie eine Gateeinrichtung
(UND-Gatter) 36. Weiterhin ist das Vergleichsmodul 30 mit
Widerständen
R1 und R2 versehen, die einen Spannungsteiler 38 ausbilden,
der an die Klemme A angeschlossen ist. Weiterhin sind in dem Vergleichmodul 30 Widerstände R3 und
R4 vorgesehen, die einen Spannungsteiler 40 ausbilden, der
an die Klemme B angeschlossen ist.
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Der
Komparator 32 weist Eingänge 42 und 44 auf.
Der Eingang 42 ist direkt mit der Klemme A verbunden. Der
Eingang 44 ist an die Klemme B über den Spannungsteiler 40 angeschlossen
und empfängt
daher ein Signal, welches einen Bruchteil des Langzeitmittlungssignals
beträgt,
das an der Klemme B empfangen wird. Der Komparator 32 ist
so ausgebildet, dass der einen hohen Logikpegel ausgibt, wenn (und
nur dann, wenn) die Spannung, die am Eingang 42 anliegt,
gleich oder größer der
Spannung ist, die am Eingang 44 anliegt.
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Der
Komparator 34 weist Eingänge 46 und 48 auf.
Der Eingang 48 ist direkt an die Klemme B angeschlossen.
Der Eingang 46 ist an die Klemme A über den Spannungsteiler 38 angeschlossen
und empfängt
daher ein Signal, das einen Bruchteil des Referenzsignals für die momentane
Schwingung darstellt, welches an der Klemme A empfangen wird. Der Komparator 34 ist
so ausgebildet, dass er einen hohen Logikpegel dann und nur dann
ausgibt, wenn die am Eingang 48 anliegende Spannung größer oder gleich
der Spannung ist, die am Eingang 46 anliegt.
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Die
jeweiligen Ausgänge
der Komparatoren 32 und 34 sind mit den Eingängen eines
UND-Gatters 36 verbunden. Das UND-Gatter 36 gibt
dann und nur dann einen hohen Logikpegel aus, wenn an seinen beiden
Eingängen
gleichzeitig ein hoher Logikpegel anliegt. Das Ausgangssignal des
UND-Gatters 36 wird von dem Mikroprozessor 20 empfangen.
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Ein
Schwellenwert kann durch Auswahl geeigneter Wert der Widerstände R1,
R2, R3 und R4 festgelegt werden, so dass das UND-Gatter 36 dann und
nur dann einen hohen Logikpegel ausgibt, wenn sich das Signal an
der Klemme A von dem Signal an der Klemme B um nicht mehr als den
Schwellenwert unterscheidet. Der Schwellenwert ist ein konstanter Bruchteil
des Signals an der Klemme B.
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Man
kann beispielsweise annehmen, dass das UND-Gatter nur dann einen
hohen Logikpegel ausgeben soll, wenn sich das Signal an der Klemme A
von dem Signal an er Klemme B um nicht mehr als 0,1 % des Signals
an der Klemme B unterscheidet. In diesem Falle werden die Werte
der Widerstände
R1, R2, R3 und R4 so ausgewählt,
dass das Verhältnis von
R2 zu R1, und das von R4 zu R3, 100:1 beträgt.
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Zwar
weist das in 2 gezeigte
Vergleichsmodul 30 ein UND-Gatter auf, jedoch können auch andere Anordnungen
vorgesehen werden, beispielsweise unter Verwendung eines ODER-Gatters.
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Der
Betrieb der Waage 10 und des Vergleichsmoduls 30 werden
weiterhin unter Bezug auf 3 beschrieben.
Die horizontale Linie 50 repräsentiert das Signal an der
Klemme B, welches im wesentlichen zeitlich konstant ist. Die Wellenlinie 52 repräsentiert
das Signal an der Klemme A, welches zeitlich schwankt, in Folge
von Bodenschwingungen, die die Ausgangssignale der Messdose 22,
des Vorverstärkers 24 und
des Tiefpaß-Filters 26 beeinflussen.
Die gestrichelten Linien 54 und 56 definieren
zusammen eine Schwelle um die Linie 50 herum. Unter der Annahme,
dass R1, R2, R3 und R4 so ausgewählt
sind, dass das Verhältnis
von R2 zu R1 und von R4 zu R3 1000:1 beträgt, so lässt sich die Linie 54 so versehen,
dass sie nach oben über
die Linie verschoben ist, und die Linie 56 so, dass sie
nach unten unterhalb der Linie 50 verschoben ist, um eine
Entfernung, die 0, 1 % der konstanten Amplitude beträgt, die
durch die Linie 50 repräsentiert
wird.
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Intervalle
V sind Beispiele für
Zeiträume, während derer
sich das Signal an der Klemme A nicht von dem Signal der Klemme
B um mehr als 0,1 % des Signals and er Klemme B unterscheidet. Intervalle
B sind Beispiele für
Zeiträume,
während
derer sich das Signal an der Klemm A von dem Signal an der Klemme
B um mehr als 0,1 % unterscheidet. Wie voranstehend erwähnt, gibt
das UND-Gatter 36 einen hohen Logikpegel an den Mikroprozessor 20 während der
Zeiträume
ab, die beispielhaft durch die Intervalle V dargestellt sind. Während dieser
Perioden beeinflusst die Bodenschwingungen das Ausgangssignal des
Referenzkanals um weniger als 0,1 %, und in Folge des Aufbaus der
Waage 10 weiß man,
dass das Ausgangssignal des Wägekanals
ebenfalls um weniger als 0,1 % beeinflusst wird. Der Mikroprozessor
kann daher das Ausgangssignal des Wägekanals als "gültig" ansehen, zumindest insoweit, als die
Bodenschwingung betroffen ist, wenn der hohe Logikpegel von UND-Gatter 36 empfangen
wird. Das logisch hochpegelige Signal des UND-Gatters 36 kann daher
als ein Validierungssignal angesehen werden. Nach Empfang des Validierungssignals bearbeitet der
Mikroprozessor 20 das von dem A/D-Wandler 18 empfangene
Signal beispielsweise durch Überführung in
Gewichtseinheiten, Anzeige des Gewichts des Gegenstands, Berechnung
einer Postgebühr
für den
Gegenstand, usw.
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Ein
Vorteil der Waage 10 besteht darin, dass eine Drift des
Ausgangssignals der Messdose 22 oder zeitliche Änderungen
der Verstärkung
des Vorverstärkers 24 die
Funktion der Waage 10 nicht negativ beeinflussen, da alle
derartigen Änderungen
dieselben Wirkungen auf das Langzeitmittlungssignal haben, welches
von dem Tiefpaß-Filter 28 ausgegeben
wird, wie auf das momentane Ausgangssignal des Tiefpaß-Filters 26.
Die Messdose 22 und der Vorverstärker 24 lassen sich
daher unter Verwendung verhältnismäßig kostengünstiger
Bauteile realisieren. Die Messdose 22 kann darüber hinaus
eine verhältnismäßig niedrige
Kapazität
aufweisen; bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Messdose 22 eine
Kapazität
von 907 g (2 lbs.) auf, während
die Messdose 12 eine Kapazität von 45,4 kg (100 lbs.) aufweist.
Für Anwendungen
bei Tischwaagen ist ein leichtes Referenzgewicht vorteilhaft, um
das Gesamtgewicht der Waage zu verringern.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass es erforderlich sein kann, Kompromisse
der Größe der in 3 erläuterten Schwelle in Bezug auf
die gewünschte
Reaktionszeit der Waage einzugehen. Zwar sorgt eine kleinere Schwelle
für ein
für gültig erklärtes Wägekanalsignal,
das weniger durch Bodenschwingungen beeinflusst wird, jedoch kann
dies auch die Zeit vergrößern, die
zwischen Intervallen V vergeht, wenn ein Validierungssignal erzeugt
wird, insbesondere wenn erhebliche Schwingungen vorhanden sind.
Ein weiterer Kompromiss kann in der Hinsicht erforderlich werden,
wenn die Messdose 22 eine Nullpunktverschiebung zeigt.
Zwar kann der Einfluss der Nullpunktverschiebung durch die Einstellung
der Vergleichsschwelle kompensiert werden, jedoch unterliegt diese
Schelle auch den Beschränkungen
in Folge der gewünschten
Genauigkeit und Reaktionszeit.
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Diese
in den voranstehenden zwei Absätzen erläuterten
Erwägungen
werden mit mehr Einzelheiten unter Bezug auf die 3-A, 3-B, 3-C, 3-D, 3-E, und
3-F erläutert. 3-A kann als Darstellung
eines Anfangszustands angesehen werden, also vor einer Nullpunktverschiebung,
in welchem ein konstantes Referenzgewicht von beispielsweise 907
(2 lbs.) die Messdose 22 beaufschlagt, wobei angenommen wird,
dass eine Durchschnittsignalamplitude, die von dem Referenzkanal
ausgegeben wird, von 200 mV erzeugt wird (repräsentiert durch Linie 50).
Wie in 3 definieren
die gestrichelten Linien 54 und 56 eine Schwelle
von 0,1 % um die Linie 50 herum.
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Der
Punkt A1 repräsentiert
ein momentanes Signal an der Klemme A, welches durch Schwingungen
hervorgerufen wird, die das anscheinende Gewicht auf der Messdose
22 um 0,09 % erhöhen,
was zu einer Signalamplitude von 200,18 mV führt, also innerhalb der Schwelle,
weniger als der Pegel von 200,20 mV, der durch die Linie 54 repräsentiert
wird. Der Punkt A2 repräsentiert
ein zweites momentanes Signal an der Klemme A, das durch Schwingungen erzeugt
wird, die das anscheinende Gewicht um 0,11 % erhöhen, was zu einer Signalamplitude
von 200,22 mV führt,
also außerhalb
der Schwelle liegt. (Es wird darauf hingewiesen, dass der relative
Abstand der Linien 50, 54, 56 und der
Punkte A1, A2 zum Zwecke der Erläuterungen
vergrößert wurde,
wie dies ebenfalls in den 3-B, 3-C, 3-D, 3-E und 3-F vorgenommen wurde.)
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Nunmehr
wird angenommen, dass in dem Referenzkanal eine Nullpunktverschiebung
von –50 mV
auftritt. Wie in 3-B gezeigt
ist, liegt die durch die Linie 50 repräsentierte durchschnittliche
Signalamplitude nunmehr bei 150 mV. Die obere Grenze der Schwelle,
die durch die gestrichelte Linie 54 repräsentiert
wird, liegt nun bei 150,15 mV. Allerdings liegt der Punkt A1', der ein um 0,09
% erhöhtes
anscheinendes Gewicht repräsentiert,
bei 150,18 mV, und dies liegt nunmehr außerhalb der Schwelle. Der Punkt
A2', der ein anscheinendes Gewicht
repräsentiert,
das um 0,11 % erhöht
ist, liegt immer noch außerhalb
der Schwelle, bei 150,22 mV. Daher besteht die Wirkung der Nullpunktverschiebung
in diesem Fall in einem Schrumpfen des Schwellenbereichs, mit einer
damit einhergehenden Erhöhung
der Anforderungen in Bezug auf Schwingungen, jedoch auch mit einer
erhöhten
Reaktionszeit.
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Anstatt
der in 3-B erläuterten
negativen Nullpunktverschiebung wird nunmehr eine positive Nullpunktverschiebung
um +50 mV angenommen, die in 3-C erläutert ist.
Die Linie 50 repräsentiert nunmehr
eine durchschnittliche Signalamplitude von 250 mV. Die gestrichelte
Linie 54 repräsentiert
nunmehr eine Obergrenze der Schwelle bei 250,25 mV. Der Punkt A1'', bei 250,18 mV, repräsentiert
ein um 0,09 erhöhtes
anscheinendes Gewicht, und liegt immer noch innerhalb der Schwelle.
Der Punkt A2'' jedoch, der ein
um 0,11 % erhöhtes
anscheinendes Gewicht repräsentiert,
liegt nunmehr innerhalb der Schwelle bei 250,22 mV. Die positive
Nullpunktverschiebung führt
dazu, dass Messungen validiert werden, die vor der Verschiebung
nicht validiert worden wären.
In der Wirkung wurde die Schwelle vergrößert.
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Die
Immunität
des Referenzkanals in Bezug auf Verstärkungsverschiebungen ist in
den 3-D, 3-E und 3-F erläutert. 3-D ist identisch zu 3-A und zeigt Anfangszustände vor
einer Verschiebung der Verstärkung.
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Nunmehr
wird angenommen, dass in dem Referenzkanal eine Verstärkungsverschiebung
von –25
% auftritt. Wie in 3-E gezeigt
ist, liegt die durchschnittliche Signalamplitude, die durch die
Linie 50 repräsentiert
wird, nunmehr bei 150 mV. Die Obergrenze der Schwelle, nämlich die
Linie 54, liegt bei 150,15 mV. Der Punkt A1', der ein um 0,09
% erhöhtes
anscheinendes Gewicht repräsentiert,
liegt bei 150,135 mV, immer noch innerhalb der Schwelle. Der Punkt
A'', bei 150,165 mV,
liegt immer noch außerhalb
der Schwelle.
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Wenn
nunmehr eine Verstärkungsverschiebung
von +25 % angenommen wird (3-F),
so liegt die Linie 50 nunmehr bei 250 mV und die Linie 54 bei
250,25 mV. Der Punkt A1'', der ein um 0,09
% erhöhtes
anscheinendes Gewicht repräsentiert,
liegt bei 250,225 mV, immer noch innerhalb der Schwelle. Der Punkt
A2'', bei 250,275 mV,
liegt immer noch außerhalb
der Schwelle.
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Ein
wesentlicher Punkt bei den unter Bezug auf die 3-A, 3-B, 3-C, 3-D, 3-E und 3-F diskutierten Beispiele
liegt darin, dass der Schwellenbetrag als fester Prozentsatz definiert
war, in diesem Falle 0,1 % des Signals an der Klemme B, repräsentiert durch
die Linie 50. Wie voranstehend deutlich wurde, ist eine
derartige Schwelle immun gegen Verstärkungsverschiebungen, wird
jedoch durch Nullpunktverschiebungen beeinflusst. Würde der
Schwellenwert als feste Größe gewählt, beispielsweise
0,2 mV, statt als ein fester Prozentsatz, so wäre die Schwelle immun gegen
Nullpunktverschiebungen, könnte
jedoch nicht ordnungsgemäß mit Verstärkungsverschiebungen
fertig werden. Daher würde
bei einem festen Schwellenbetrag von 0,2 mV die Linie 54 von 3-B bei 150,2 mV liegen,
wodurch der Punkt A1' innerhalb
der Schwelle zu liegen käme
und A2' außerhalb.
Entsprechend würde
in 3-C die Linie 54 bei
250,2 mV liegen, so dass wiederum A1'' innerhalb und
A2'' außerhalb
liegt. In 3-E allerdings
würde ein
fester Schwellenwert von 0,2 mV die Linie 54 bei 150,2
mV anordnen, so dass sowohl A1' als
auch A2'' innerhalb der Schwelle
verbleiben würden,
während in 3-F die Linie 50 bei
250,2 mV läge,
so dass sich A1'' und A2'' außerhalb
der Schwelle befänden.
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Hieraus
wird deutlich, dass die Auswahl entweder eines festen Prozentsatzes
oder einer festen Größe für die Schwelle
davon abhängt,
ob sich Verstärkungsverschiebungen
oder eine Nullpunktsverschiebung einfacher kontrollieren lassen.
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Eine
alternative Ausführungsform
einer Waage gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die 4 und 5 beschrieben.
Wie in 4 gezeigt ist,
weist die Waage 10' eine
Messdose 12 auf, einen Vorverstärker 14, ein Tiefpaß-Filter 16,
einen A/D-Wandler 18, und einen Mikroprozessor 20,
wodurch ein Wägekanal
wie bei der Waage 10 ausgebildet wird. Entsprechend weist
die Waage 10' einen
Referenzkanal auf, der eine Messdose 22 umfasst, einen
Vorverstärker 24 und
ein Tiefpaß-Filter 26,
bei welchem jedoch nicht das Tiefpaß-Filter 28 mit niedriger
Abschneidefrequenz noch das Vergleichsmodul 30 der Waage 10 vorgesehen
sind. Bislang sind die Messdosen 12 und 22 so
angebracht, dass sie durch Bodenschwingungen gleich beeinflusst
werden. Bei der Waage 10' wird
das Ausgangssignal des Tiefpaß-Filters 26 von
dem A/D-Wandler 60 empfangen, der wiederum dem Mikroprozessor 20 ein
digitales Signal zur Verfügung
stellt, welches das Ausgangssignal des Tiefpaß-Filters 26 repräsentiert.
Das Tiefpaß-Filter 26 der
A/D-Wandler 60 sollte an
das Tiefpaß-Filter 16 und
den A/D-Wandler 18 angepasst
sein, so dass die Ausgangsignale der A/D-Wandler 18 und 60 synchron
Bodenschwingungen wiedergeben, die gemeinsam auf die Messdosen 12 und 22 einwirken.
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Zusätzlich zu
konventionellen Softwareprogrammen in Bezug auf Wägesignalverarbeitung
und dergleichen ist der Mikroprozessor so programmiert, dass er
das momentane Ausgangssignal des Referenzkanals empfängt, es
zeitlich mittelt, und den Mittelwert mit dem momentanen Ausgangssignal
vergleicht. Ein Programm zur Ausführung dieser Funktionen ist
in 5 erläutert.
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Das
Programm von 5 beginnt
mit einem Schritt 80, in welchem der Mikroprozessor 20 das
Signal des Wägekanals
von dem A/D-Wandler 18 empfängt. Es wird angenommen, dass
eine Überprüfung vorgenommen
wurde, ob sich die Schale in Bewegung befindet, und dass keine Bewegung
festgestellt wurde. Wenn beispielsweise die Waage 10 in
einem System verwendet wird, in welchem ein Gegenstand automatisch
auf die Schale aufgelegt wird, beispielweise über einen Förderer, so tritt eine gewisse
Verzögerungsperiode
von beispielsweise 300 ms auf, um eine Dämpfung der Schwingungen zu
ermöglichen,
die durch das Auflegen des Gegenstands auf die Schale hervorgerufen
wurden. Alternativ, wenn der Gegenstand per Hand aufgelegt, wird,
kann angenommen werden, dass eine große Änderung des Ausgangssignals
des Wägekanals
das Auflegen eines Gegenstands repräsentiert, wodurch wiederum eine
Verzögerungsperiode
ausgelöst
wird.
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Nach
dem Schritt 80 empfängt
der Mikroprozessor 20 das Signal des Referenzkanals von
dem A/D-Wandler 60 (Schritt 82). Darauf folgt
ein Schritt 84, in welchem der Mikroprozessor 20 einen
Langzeitmittelwert des Referenzkanals auf der Grundlage des Referenzsignals
aktualisiert, welches im Schritt 82 empfangen wird. Hierauf
folgt ein Schritt 86, in welchem das Referenzsignal mit
dem aktualisierten Mittelwert verglichen wird. Beispielsweise kann
in dem Schritt 86 ermittelt werden, ob sich das Referenzsignal
von dem Mittelwert um mehr als 0,1 % des Mittelwerts unterscheidet.
Alternativ kann der Schwellenwert ein fester Betrag sein, anstelle
eines festen Prozentsatzes des Mittelwerts.
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In
jedem Fall verzweigt sich das Programm an einem Schritt 88,
abhängig
von dem Ergebnis des Schrittes 86. Liegt das Referenzsignal
nicht innerhalb des Schwellenbereichs, so durchläuft das Programm wiederum den
Zyklus der Schritte 80, 82, 84 und 86. Liegt
das Referenzsignal innerhalb des Schwellenbereichs, so folgt ein
Schritt 90, in welchem der Mikroprozessor 20 das
Wägesignal,
welches im Schritt 80 empfangen wurde, als gültig akzeptiert,
und mit der Bearbeitung des Signals fortfährt, mit der Darstellung einer
Gewichtsanzeige, der Berechnung einer Prostgebühr, usw. Im Effekt stellt im
Schritt 90 der Mikroprozessor sein eigenes Validierungssignal
zur Verfügung,
beispielsweise durch Setzen einer Marke oder durch Ausführen einer
Verzweigung zu einem anderen Programm. Nach der Bearbeitung des
validierten Gewichtssignals kehrt das Programm von 5 zu dem Schritt 80 zurück, usw.
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Zwar
ist die Waage 10' von 4 so dargestellt, dass sie
zwei A/D-Wandler aufweist, jedoch kann bei der vorliegenden Erfindung
auch so vorgegangen werden, dass die Ausgänge der Tiefpaß-Filter 16 und 26 beide
mit einem einzigen A/D-Wandler verbunden sind, über eine geeignete Multiplex-Einrichtung,
die von dem Mikroprozessor 20 gesteuert werden kann.