DE10153603A1 - Differenzmessschaltung sowie Regeleinrichtung und Waage - Google Patents

Abstract

Die erfindungsgemäße Differenzmessschaltung (1), der von zwei Fotodioden (D1, D2) abgegebene Fotoströme I¶1¶, I¶2¶ zuführbar sind, ist geeignet, ein zur Differenz dieser Fotoströme I¶1¶, I¶2¶ proportionales Ausgangssignal zu erzeugen, das weitgehend unabhängig von Schwankungen der Umgebungstemperatur ist. Dazu ist wenigstens ein Schalter (SW) derart mit den beiden Fotodioden (D1, D2) und dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (OA¶DELTA¶) verbunden und von einer Steuereinheit (CTRL) zwischen zwei Zuständen (z¶t1¶, z¶t2¶) periodisch umschaltbar, dass während eines ersten Periodenanteils t1 im ersten Schaltzustand (z¶t1¶) der erste Fotostrom I¶1¶ und während eines zweiten, gleich großen Periodenanteils t2 im zweiten Schaltzustand (z¶t2¶) der zweite Fotostrom I¶2¶ dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OA¶DELTA¶) zuführbar, dessen Ausgang, an dem das Ausgangssignal gebildet wird, mittels eines parallel zu einem Kondensator (C¶DELTA¶) geschalteten Widerstandes (R¶DELTA¶) mit dessen invertierendem Eingang verbunden ist. Die Differenzmessschaltung (1) ist vorteilhaft in Regeleinrichtungen (10) von Waagen mit elektromagnetischer Kraftkompensation einsetzbar.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Differenzmessschaltung für eine Regeleinrichtung, eine Regeleinrichtung für eine Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation sowie eine Waage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, 8 bzw. 12.
• Waagen mit elektromagnetischer Kraftkompensation, welche Regeleinrichtungen mit einer Differenzmessschaltung aufweisen, sind beispielsweise aus [1], U.S. Patentdokument Nr. 4,489,800 oder [2], der dazu korrespondierenden CH-Patentschrift Nr. 658 516 bekannt.
• Die darin beschriebenen Waagen weisen, wie in Fig. 1 gezeigt, ein topfförmiges Permanentmagnetsystem 109 mit einem Luftspalt auf, in dem eine mit einem beweglichen Hebel 106 verbundene Spule 110 angeordnet ist, die von einem Kompensationsstrom I_cmp durchflossen wird, dessen Mass von der auf den Hebel 106 einwirkenden Kraft abhängt. Die Lage des Hebels 106 wird von einer opto-elektrischen Messvorrichtung 111 gemessen, die mit einer Regeleinrichtung 10 verbunden ist, welche den Kompensationsstrom I_cmp in Abhängigkeit der zugeführten Messsignale derart regelt, dass der Hebel 106 stets in gleicher Lage gehalten oder nach einer Laständerung zurückgeführt wird.
• Das Permanentmagnetsystem 109 ist in einer Konsole 104 angeordnet, die mittels Biegelagern 103a über Parallelführungslenker 103 mit einem Gehänge 101 verbunden ist, das einen zur Aufnahme einer zu messenden Last dienenden Ausleger 101a aufweist. Die Normalkomponente der von einer Last bewirkten Kraft wird vom Gehänge 101 durch eine Koppel 105 auf den Hebel 106 übertragen, der mittels eines Biegelagers 107 an einem Teil 104b der Konsole 104 aufgehängt ist.
• In einer Bohrung 109a im Permanentmagnetsystem 109 ist ein Temperaturfühler 6a angeordnet, der mit einer Korrekturschaltung 6 verbunden ist, welche der Regeleinrichtung 10 ein von der Temperatur des Permanentmagnetsystems 109 abhängiges Korrektursignal zuführt.
• Zur Messung der Position des Hebels 106 weist die optoelektrische Messvorrichtung 111 zwei Fotodioden D1, D2 auf, die auf der Innenseite eines von der Konsole 104 gehaltenen Winkelteils 104a einer Leuchtdiode D3 gegenüber angeordnet sind. In den Raum zwischen den Fotodioden D1, D2 und der Leuchtdiode D3 ragt ein als Blende oder Schlitzblende ausgebildetes Endstück 106b des Hebels 106 derart hinein, dass von der Leuchtdiode D3 abgegebene Strahlung abhängig von der Position der Blende 106b zu den Fotodioden D1, D2 gelangen kann. Je nach Lage des Hebels 106 gelangt dabei mehr Strahlung zur ersten oder zur zweiten Fotodiode D1; D2, welche der Regeleinrichtung entsprechende Fotoströme I₁ und I₂ zuführen.
• Die Regeleinrichtung 10 weist eine Differenzmessschaltung 1 auf, die anhand der beiden Ströme I₁ und I₂ ein Differenzsignal, beispielsweise eine Differenzspannung u_Δ bildet, welche gleich Null wird, wenn die Fotoströme I₁ und I₂ gleich gross sind. Die Differenzspannung u_Δ wird einer nachgeschalteten Treiberschaltung 2 zugeführt, die einen entsprechenden Kompensationsstrom I_cmp über einen Referenzwiderstand 3 an die Spule 110 abgibt, wodurch eine zur Last korrespondierende Gegenkraft erzeugt wird, welche den Hebel 106 in die Ausgangslage zurück führt.
• Die am Referenzwiderstand 3 durch den Kompensationsstrom I_cmp verursachte Spannung wird von einem Wandlermodul 4 erfasst und in einen entsprechenden digitalen Wert gewandelt, der auf einer Anzeigeeinheit 5 angezeigt wird.
• Differenzmessschaltungen, die zur Bildung eines Differenzsignals aus zwei Signalen geeignet sind, die von zwei Fotodioden abgegeben werden, sind beispielsweise aus [3], U.S. Patentdokument Nr. 3,727,708 sowie [4], der Offenlegungsschrift DE-AS 23 11 676 bekannt.
• In [4] ist ein berührungslos arbeitender Weg-Spannungswandler mit einer aus zwei Einzeldioden bestehenden Differential- Fotodiode beschrieben, der durch den Schlitz einer entlang einem Weg beweglichen Blende, beispielsweise durch den im Endstück 106b des Hebels 106 vorgesehenen Schlitz 106a, optische Strahlung zuführbar ist. Sofern der Schlitz grösser ist als der Abstand zwischen den Einzeldioden, deren Kathoden an Masse gelegt sind, so werden Signale abgegeben, deren Differenz bei konstanter Beleuchtungsstärke proportional zur Auslenkung der Blende bzw. des Hebels 106 ist.
• Wie nachstehend in Fig. 2 gezeigt, werden in dieser bekannten Schaltungsanordnung die von den Fotodioden D1 und D2 abgegebenen Fotoströme I₁, I₂ je einem Operationsverstärker OA1 bzw. OA2 zugeführt. Aufgrund der nahezu unendlich hohen Eingangsimpedanz der Operationsverstärker OA1, OA2 fliessen in deren Rückführungswiderständen R1, R2 Ströme, die den Fotoströmen I₁, I₂ entsprechen. Die zu den Strömen proportionalen Ausgangsspannungen der beiden Operationsverstärker OA1, OA2 werden über Widerstände R3, R4 an die Eingänge eines dritten Operationsverstärkers OA3 angelegt, der als Differenzverstärker arbeitet und an dessen Ausgang daher ein Differenzsignal u_Δ anliegt, das proportional zur Differenz der Ausgangsspannungen der ersten beiden Operationsverstärker OA1, OA2 ist. Mittels dieses Differenzsignals u_Δ wird in der oben beschriebenen Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation in einer Treiberschaltung 2 der Kompensationsstrom I_cmp erzeugt, der der mit dem Hebel 106 verbundenen Spule 110 zugeführt wird.
• Die Ausgänge der ersten beiden Operationsverstärker OA1, OA2 sind in der in [4], Fig. 2 gezeigten Schaltungsanordnung über weitere Widerstände mit dem Eingang eines weiteren Operationsverstärkers verbunden, mittels dessen der resultierende Summenstrom mit einem Referenzstrom verglichen wird. Durch entsprechende Steuerung einer im Ausgangskreis des weiteren Operationsverstärkers angeordneten Lichtquelle, beispielsweise der Diode D3, wird die Differenz des Summenstroms und des Referenzstroms auf Null geregelt, wodurch die Summe der Fotoströme I₁ und I₂ weitgehend konstant gehalten wird.
• Zur Bildung des Differenzsignals werden in den in [3] oder [4] beschriebenen Differenzmessschaltungen mehrere Widerstände und Operationsverstärker benötigt, deren Temperatur- und Betriebsverhalten das resultierende Differenzsignal u_Δ ungünstig beeinflussen können, wodurch in einer Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation Messfehler verursacht werden. Die Operationsverstärker weisen meist störende Offsetspannungen auf, welche wie die Widerstände in Abhängigkeit der normalerweise nicht stabilen Umgebungstemperatur störende Abweichungen erfahren können.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Differenzmessschaltung sowie eine Regeleinrichtung und eine Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation zu schaffen, welche mit der verbesserten Differenzmessschaltung ausgerüstet sind.
• Insbesondere soll eine Differenzmessschaltung geschaffen werden, deren Ausgangssignale weitgehend unabhängig von Schwankungen der Umgebungstemperatur sind.
• Ferner soll eine Differenzmessschaltung geschaffen werden, die mit weniger aktiven und passiven Bauteilen einfacher aufgebaut werden kann.
• Diese Aufgaben werden mit einer Differenzmessschaltung, einer Regeleinrichtung und einer Waage gelöst, welche die in Anspruch 1, 8 bzw. 12 angegebenen Merkmale aufweisen.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
• Die erfindungsgemässe Differenzmessschaltung, der von zwei Fotodioden abgegebene Fotoströme zuführbar sind, ist geeignet, ein zur Differenz der Fotoströme I₁, I₂ proportionales Signal zu erzeugen, das wesentlich unabhängiger von Schwankungen der Umgebungstemperatur ist als die oben beschriebenen bekannten Schaltungen.
• Erfindungsgemäss ist ein Schalter derart mit den beiden Fotodioden und einem Knotenpunkt K_Δ verbunden und von einer Steuereinheit zwischen zwei Zuständen z_t1, z_t2 periodisch umschaltbar, dass während eines ersten Periodenanteils t1 im ersten Schaltzustand z_t1 der erste Fotostrom I₁ und während eines zweiten, gleich grossen Periodenanteils t2 im zweiten Schaltzustand z_t2 der zweite Fotostrom I₂ dem Knotenpunkt K_Δ zuführbar ist, an dem eine entsprechende Ladungsdifferenz resultiert, die als Regelgrösse eines Regelkreises verwendbar ist.
• In einer Waage kann daher eine als Lichtquelle dienende Leuchtdiode vorgesehen werden, deren Strahlung den beiden Fotodioden einer erfindungsgemässen Differenzmessschaltung durch eine verschiebbare Blende zuführbar ist, deren Position mittels einer Regeleinrichtung konstant gehalten wird.
• Eine mit einer erfindungsgemässen Differenzmessschaltung versehene Regeleinrichtung regelt die Position der Blende in Abhängigkeit der Ladungsdifferenz derart, dass von den beiden Fotodioden Fotoströme I₁, I₂ gleicher Grösse abgegeben werden.
• Beispielsweise wird in der Differenzmessschaltung eine zur Ladungsdifferenz proportionale Differenzspannung u_Δ erzeugt, die an eine Treiberschaltung abgegeben wird, welche einen zur Differenzspannung u_Δ proportionalen Kompensationsstrom I_cmpeiner mechanisch mit der Blende verbundenen und in einem Magnetfeld verschiebbar gelagerten Spule zuführt.
• Die Regeleinrichtung kann daher vorteilhaft in hochpräzisen und stabilen Waagen mit elektromagnetischer Kraftkompensation eingesetzt werden, in der eine zu messende Last mit einer Kraft auf einen Hebel einwirkt, die durch eine Gegenkraft kompensiert wird, welche mittels des in der Spule fliessenden Kompensationsstroms I_cmp erzeugt wird.
• In einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Differenzmessschaltung ist der Knotenpunkt K_Δ mit dem invertierende Eingang eines Operationsverstärkers verbunden, an dessen Ausgang eine Differenzspannung u_Δ gebildet wird, die proportional zur Ladungsdifferenz ist, die am invertierenden Eingang auftritt.
• Die erfindungsgemässe Differenzmessschaltung, die einfach aufgebaut ist, weist nur wenige Bauelemente auf, die zudem weitgehend unabhängig von der Umgebungstemperatur arbeiten oder lediglich Änderungen verursachen, die praktisch keine Auswirkungen auf das von der Differenzmessschaltung gebildete Differenzsignal haben. Sofern sich beispielsweise die Frequenz des von der Steuereinheit dem Schalter zugeführten Steuersignals entsprechend dem Verlauf der Umgebungstemperatur langsam ändert, bleibt dies auf die Differenz der beiden Fotoströme ohne Einfluss, da sich die entsprechenden Periodenanteile in gleicher Weise ändern.
• In einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung ist die Anode der ersten Fotodiode mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und die Anode der zweiten Fotodiode mit Masse verbunden. Die miteinander verbundenen Kathoden der Fotodioden sind mittels des Schalters im zweiten Schaltzustand an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und im ersten Schaltzustand an Masse oder an den invertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers angeschlossen, der virtuell an Masse anliegt.
• Dem invertierenden Eingang des weiteren, als Integrator beschalteten Operationsverstärkers wird vorzugsweise ein Referenzstrom I₀ zugeführt, so dass in Abhängigkeit der Differenz der während des ersten Periodenanteils fliessenden Fotoströme I₁, I₂ und des während des ersten und des zweiten Periodenanteils fliessenden Referenzstromes I₀ am Ausgang des weiteren Operationsverstärkers eine Summenspannung u_Σ gebildet wird, die somit abhängig von der Grösse des Referenzstroms I₀ und der Fotoströme I₁, I₂ ist. Durch Regelung der Betriebsspannung der Leuchtdiode in Abhängigkeit der Summenspannung u_Σ können die Fotoströme I₁, I₂ daher in einfacher Weise konstant gehalten werden.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt.
• Fig. 1 eine Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation, die eine mit einer Differenzmessschaltung versehene Regeleinrichtung aufweist,
• Fig. 2 eine bekannte Differenzmessschaltung,
• Fig. 3 eine erfindungsgemässe Differenzmessschaltung mit einem Schalter in einem ersten Schaltzustand,
• Fig. 4 die erfindungsgemässe Differenzmessschaltung mit einem Schalter in einem zweiten Schaltzustand.
• Fig. 1 zeigt eine Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation, die eine mit einer Differenzmessschaltung 1 versehene Regeleinrichtung 10 aufweist.
• Der prinzipielle Aufbau der Waage von Fig. 1 ist aus [1] und [2] bekannt. Die darin beschriebenen Waagen weisen, wie in Fig. 1 gezeigt und einleitend beschrieben, ein topfförmiges Permanentmagnetsystem 109 mit einem Luftspalt auf, in dem eine mit einem beweglichen Hebel 106 verbundene Spule 110 angeordnet ist, die von einem Kompensationsstrom I_cmp durchflossen wird, dessen Mass von der auf den Hebel 106 einwirkenden Kraft abhängt. Die Lage des Hebels 106 wird von einer optoelektrischen Messvorrichtung 111 gemessen, die mit einer Regeleinrichtung 10 verbunden ist, welche den Kompensationsstrom I_cmp in Abhängigkeit der zugeführten Messsignale derart regelt, dass der Hebel 106 stets in gleicher Lage gehalten oder nach einer Laständerung zurückgeführt wird.
• Das Permanentmagnetsystem 109 ist in einer Konsole 104 angeordnet, die mittels Biegelagern 103a über Parallelführungslenker 103 mit einem Gehänge 101 verbunden ist, das einen zur Aufnahme einer zu messenden Last dienenden Ausleger 101a aufweist. Die Normalkomponente der von einer Last bewirkten Kraft wird vom Gehänge 101 durch eine Koppel 105 auf ein Endstück 106c des Hebels 106 übertragen, der mittels eines Biegelagers 107 an einem Teil 104b der Konsole 104 aufgehängt ist.
• Zur Messung der Position des Hebels 106 weist die optoelektrische Messvorrichtung 111 zwei Fotodioden D1, D2 auf, die auf der Innenseite eines von der Konsole 104 gehaltenen Winkelteils 104a einer Leuchtdiode D3 gegenüber angeordnet sind. In den Raum zwischen den Fotodioden D1, D2 und der Leuchtdiode D3 ragt ein als Blende dienendes, mit einem Schlitz 106a versehenes Endstück 106b des Hebels 106 derart hinein, dass von der Leuchtdiode D3 abgegebene Strahlung nur durch den Schlitz 106a hindurch zu den Fotodioden D1, D2 gelangen kann. Je nach Lage des Hebels 106 gelangt dabei mehr Strahlung zur ersten oder zur zweiten Fotodiode D1; D2, welche der Regeleinrichtung 10 entsprechende Ströme I₁ und I₂ zuführen.
• Die Regeleinrichtung 10 weist eine Differenzmessschaltung 1 auf, die anhand der beiden Ströme I₁ und I₂ ein Differenzsignal bzw. eine Differenzspannung u_Δ bildet, welche gleich Null wird, wenn die Fotoströme I₁ und I₂ gleich sind. Die Differenzspannung u_Δ wird einer nachgeschalteten Treiberschaltung 2 zugeführt, die einen entsprechenden Kompensationsstrom I_cmp über einen Referenzwiderstand 3 an die Spule 110 abgibt, wodurch eine zur Last korrespondierende Gegenkraft erzeugt wird, welche den Hebel 106 in die Ausgangslage zurück führt. Die am Referenzwiderstand 3 durch den Kompensationsstrom I_cmp verursachte Spannung wird von einem Wandlermodul 4 erfasst und in einen entsprechenden digitalen Wert gewandelt, der auf einer Anzeigeeinheit 5 angezeigt wird.
• Die in Fig. 2 gezeigte Differenzmessschaltung, die beispielsweise aus [3] und [4] bekannt ist, wurde einleitend beschrieben.
• Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine erfindungsgemässe Differenzmessschaltung 1, die mit zwei Fotodioden D1, D2 verbunden ist, deren Kathoden miteinander verbunden und an einen Schaltkontakt eines Schalters SW angeschlossen sind, welcher die Kathoden in einem ersten, in Fig. 3 gezeigten Schaltzustand z_t1 mit Massepotential und in einem zweiten, in Fig. 4 gezeigten Schaltzustand z_t2 an den invertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers OA_Δ anlegt, der ferner mit der Anode der ersten Diode D1 verbunden ist. Die Anode der zweiten Diode D2 ist mit Masse verbunden.
• Während des ersten Schaltzustandes z_t1 sind die Kathoden der beiden Fotodioden D1, D2 mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers OA_Σ verbunden, der virtuell an Masse liegt und Massepotential aufweist, da der nichtinvertierende Eingang an Masse liegt und die Differenz der Spannungen an den Eingängen des Operationsverstärkers OA_Σ vernachlässigbar klein ist.
• Der Schalter SW wird von einer mit einem Frequenzgenerator FG verbundenen Steuereinheit CTRL zwischen den beiden Schaltzuständen z_t1, z_t2 periodisch derart umgeschaltet, dass die Periodenanteile t1, t2 für beide Schaltzustände z_t1, z_t2 jeweils gleich gross sind.
• Während des ersten Schaltzustandes z_t1 fliesst daher der von der ersten Fotodiode D1 erzeugter Fotostrom I₁ zum invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers OA_Δ. Während des zweiten Schaltzustandes z_t2 fliesst der von der zweiten Fotodiode D2 erzeugter Fotostrom I₂ vom invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers OA_Δ gegen Masse.
• Der erste Operationsverstärker OA_Δ, dessen Ausgang mittels eines Widerstandes R_Δ und eines Kondensators C_Δ mit dem invertierenden Eingang verbunden ist, arbeitet als verzögernder Proportional-Regler. Am Ausgang des Operationsverstärkers OA_Δ wird daher eine Differenzspannung u_Δ gebildet, welche proportional zur mittleren Differenz der beiden Fotoströme I₁, I₂ ist, da die hochfrequenten Anteile ausgemittelt werden.
• In den mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA_Δ verbundenen Knoten K_Δ fliesst während des ersten Periodenanteils t1 die Ladung I₁.t1, die während des zweiten Periodenanteils t2 durch die Ladung I₂.t2 teilweise oder vollständig kompensiert wird. Da die Periodenanteile t1, t2 gleich sind kompensieren sich die Ladungen vollständig falls die Fotoströme I₁, I₂ gleich gross sind, wonach die Differenzspannung u_Δ am Ausgang des Operationsverstärkers OA_Δ in diesem Fall gleich Null wird.
• Sofern die Fotoströme I₁, I₂ nicht gleich gross sind, entsteht eine Ladungsdifferenz X ≠ 0 wie folgt:
  
  X = I₁.t1 - I₂.t2
  
• Da die Periodenanteile t1, t2 je der Hälfte der Periodendauer T entsprechen gilt weiter:
  
  X = I₁.T/2 - I₂.T/2 bzw.
  
  X = T.[I₁ - I₂]/2.
  
• Der über die Periodendauer T gemittelte Differenzstrom
  
  I_Δ = [I₁ - I₂]/2
  
  fliesst durch den Rückführungswiderstand R_Δ und erzeugt somit eine Differenzspannung u_Δ am Ausgang des Operationsverstärkers OA_Δ, die proportional zur Differenz der Fotoströme I₁, I₂ ist.
• Es ist ersichtlich, dass die Bildung der Differenzspannung u_Δ durch Änderungen der Umgebungstemperatur kaum beeinflusst werden kann, da entsprechende Fehlerquellen fehlen. Die Fotodioden D1, D2 sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und besitzen somit praktisch dieselbe Temperatur. Kritische Asymmetrien in den Stromzweigen werden vollständig vermieden. Änderungen des Rückführungswiderstandes R_Δ sind unproblematisch, da in der Regel auf eine Differenzspannung u_Δ = 0 geregelt wird, um den benötigten Kompensationsstrom I_cmp aufrecht zu erhalten.
• Sofern die von der Leuchtdiode D3 abgegebene Strahlung und das Verhalten der Fotodioden D1, D2 stets konstant sind, wird der zweite Operationsverstärker OA_Σ nicht benötigt. Die Kathoden der beiden Fotodioden D1, D2 können in diesem Fall während des ersten Schaltzustandes z_t1 direkt an Masse gelegt werden.
• Wie in [4], Spalte 2 beschrieben, können Beleuchtungsschwankungen, die das Messergebnis beeinflussen, durch Alterung der Lichtquelle, den Temperaturgang oder Instabilitäten der Stromquelle verursacht werden. Ferner ist die Alterung der Fotodioden D1, D2 selbst zu berücksichtigen. In [4] wird daher eine Schaltung vorgeschlagen, mittels der die Summe der Fotoströme I₁, I₂ stabilisiert werden kann. Die dort vorgeschlagene Schaltung weist wiederum Bauteile auf, die herstellungs- und temperaturabhängig sind. Die Fotoströme I₁, I₂ werden darin über zwei verschiedene Stromzweige mit aktiven und passiven Bauteilen einem Operationsverstärker zugeführt.
• In der in Fig. 3 gezeigten Schaltungsanordnung sind die Kathoden der beiden Fotodioden D1, D2 während des ersten Schaltzustandes z_t1 mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers OA_Σ verbunden, der virtuell an Masse liegt. Der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers OA_Σ ist über einen Widerstand R₀ ferner mit einer Referenzspannung U₀ verbunden.
• Dem mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers OA_Σ verbundenen Knoten K_Σ fliesst daher während jeder Periodendauer T die Ladung
  
  Q_T = I₀.T
  
  zu.
• Während des ersten Periodenanteils t1, der einer halben Periodendauer T/2 entspricht, fliessen vom Knoten K_Σ hingegen die Fotoströme I₁ und I₂ der Dioden D1 und D2 gegen Masse. In diesem Fall bildet der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers OA_Δ die virtuelle Masse, der der Strom I₁ der ersten Fotodiode D1 zufliesst.
• Innerhalb einer Periodendauer T entsteht im Knoten K_Σ daher eine Ladungsdifferenz Y wie folgt:
  
  Y = I₀.T - (I₁ + I₂).T/2,
  
  Y = T.[I₀ - (I₁ + I₂)/2].
  
• Der Referenzstrom I₀ ist derart gewählt, dass sich bei einer Ladungsdifferenz Y = 0 die gewünschten Fotoströme I₁, I₂ einstellen.
• Die Leuchtdiode D3 wird daher mittels des Ausgangssignals u_Σ des zweiten, als Integrator arbeitenden Operationsverstärkers OA_Σ derart geregelt, dass die Ladungsdifferenz Y gleich Null wird und somit die nachstehende Bedingung erfüllt ist:
  
  I₀ = (I₁ + I₂)/2.
  
• Zu berücksichtigen ist dabei, dass nicht primär die von der Leuchtdiode D3 abgegebene Strahlung, sondern die Summe der Fotoströme I₁, I₂ konstant gehalten wird.
• Oben wurden verschiedene vorzugsweise Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Differenzmessschaltung beschrieben. Ausgehend von der erfindungsgemässen Lösung, gemäss der ein Schalter derart mit den beiden Fotodioden und einem Knotenpunkt K_Δ verbunden und von einer Steuereinheit zwischen zwei Zuständen z_t1, z_t2 periodisch umschaltbar ist, dass am Knotenpunkt K_Δ eine Ladungsdifferenz resultiert, die als Regelgrösse eines Regelkreises verwendbar ist, können die beschriebenen oder auch weitere Differenzmessschaltung realisiert werden, die in fachmännischer Art den vorliegenden Gegebenheiten angepasst sind. Die am Knotenpunkt K_Δ resultierende Ladungsdifferenz kann in eine Differenzspannung u_Δ, in einen Differenzstrom oder in ein entsprechendes digitales Signal gewandelt werden, wie dies beispielsweise in [5], U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 11. Auflage, 1. Nachdruck, Springer Verlag, Berlin 1999, Kapitel 18.9, Seiten 1059 und 1060 beschrieben ist. Literaturverzeichnis [1] U.S. Patentdokument Nr. 4,489,800
  [2] CH Patentschrift Nr. 658 516
  [3] U.S. Patentdokument Nr. 3,727,708
  [4] DE-AS 23 11 676
  [5] U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 11. Auflage, 1. Nachdruck, Springer Verlag, Berlin 1999

Claims (12)

1. Differenzmessschaltung (1), der von zwei Fotodioden (D1, D2) abgegebene Fotoströme I₁, I₂ zuführbar sind und die geeignet ist, ein zur Differenz dieser Fotoströme I₁, I₂ proportionales Ausgangssignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schalter (SW) derart mit den beiden Fotodioden (D1, D2) und einem Knotenpunkt (K_Δ) verbunden und von einer Steuereinheit (CTRL) zwischen zwei Zuständen (z_t1, z_t2) periodisch umschaltbar ist, dass während eines ersten Periodenanteils t1 im ersten Schaltzustand (z_t1) der erste Fotostrom I₁ und während eines zweiten, gleich grossen Periodenanteils t2 im zweiten Schaltzustand (z_t2) der zweite Fotostrom I₂ dem Knotenpunkt (K_Δ) zuführbar ist, an dem eine zur Erzeugung des Ausgangssignals verwendbare Ladungsdifferenz gebildet wird.

2. Differenzmessschaltung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Knotenpunkt (K_Δ) mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (OA_Δ) verbunden ist, an dessen Ausgang das Ausgangssignal, gegebenenfalls eine Differenzspannung u_Δ, gebildet wird.

3. Differenzmessschaltung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des als verzögernder Proportional-Regler beschalteten Operationsverstärkers (OA_Δ) mittels eines parallel zu einem Kondensator (C_Δ) geschalteten Widerstandes (R_Δ) mit dessen invertierendem Eingang verbunden ist.

4. Differenzmessschaltung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle, vorzugsweise eine Leuchtdiode (D3) vorgesehen ist, deren Strahlung durch eine verschiebbare Blende den Fotodioden (D1, D2) zuführbar ist.

5. Differenzmessschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode der ersten Fotodiode (D1) mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OA_Δ) und die Anode der zweiten Fotodiode (D2) mit Masse verbunden ist und dass die miteinander verbundenen Kathoden der Fotodioden (D1, D2) mittels des Schalters (SW) im zweiten Schaltzustand (z_t2) an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OA_Δ) und im ersten Schaltzustand (z_t1) an Masse oder an den invertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers (OA_Σ) angeschlossen sind, der virtuell an Masse anliegt.

6. Differenzmessschaltung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem invertierenden Eingang des weiteren Operationsverstärkers (OA_Σ) ein Referenzstrom I₀ zugeführt wird, und dass der Ausgang des weiteren Operationsverstärkers (OA_Σ), an dem eine Summenspannung U_Σ gebildet wird, über einen Kondensator (C_Σ) mit dessen invertierendem Eingang verbunden ist.

7. Differenzmessschaltung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Fotoströme I₁, I₂ in Abhängigkeit der Summenspannung u_Σ regelbar ist.

8. Regeleinrichtung (10) mit einer Differenzmessschaltung (1) nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (10) die Position der Blende derart regelt, dass von den Fotodioden (D1, D2) Fotoströme I₁, I₂ gleicher Grösse abgegeben werden.

9. Regeleinrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Differenzmessschaltung (1) abgegebene Ausgangssignal einer Treiberschaltung (2) zuführbar ist, die einen dazu proportionalen Kompensationsstrom I_cmp an eine Spule (110) abgibt, welche mechanisch mit der Blende verbunden und in einem Magnetfeld verschiebbar geführt ist.

10. Regeleinrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende das erste Endstück (106b) eines Hebels (106) bildet, der mittels des der Spule (110) zugeführten Kompensationsstromes I_cmp stets in einer vorgesehenen Ausgangslage, bei der die Fotoströme I₁, I₂ den gleichen Wert annehmen, gehalten oder, nach einer Änderung der Krafteinwirkung auf den Hebel (106), in diese vorgesehene Ausgangslage zurück geführt wird.

11. Regeleinrichtung (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsstrom I_cmp der Spule (110) über einen Widerstand (3) zugeführt wird und dass ein Wandlermodul (4) vorgesehen ist, welches die am Widerstand (3) anliegende Spannung in einen dazu korrespondierenden digitalen Wert wandelt, der mittels einer Anzeigeeinheit (5) angezeigt wird.

12. Waage mit elektromagnetischer Kraftkompensation mit einer Regeleinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehänge (101) mit einem zur Aufnahme einer zu messenden Last dienenden Ausleger (101a) vorgesehen ist, von dem eine Normalkomponente der von der Last verursachten Kraft mittels einer Koppel (105) auf ein zweites Endstück (106c) des Hebels (106) übertragbar ist, der zwischen einerseits dem ersten Endstück (106b), das als Blende ausgestaltet ist, sowie der Stelle, an der die Spule (110) befestigt ist, und andererseits dem zweiten Endstück (106c), an dem die zu messende Kraft einwirkt, gelagert ist.