DE102008064163B4

DE102008064163B4 - Wägezelle

Info

Publication number: DE102008064163B4
Application number: DE102008064163.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Groß Andreas; Jörg Drissner
Original assignee: Bizerba SE and Co KG
Current assignee: Bizerba SE and Co KG
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2023-06-01
Anticipated expiration: 2028-12-20
Also published as: DE102008064163A1

Abstract

Wägezelle (1) für eine Waage mit einem Biegestab (2) der mit einem Substrat (37) verbunden ist, auf dem zur Erfassung von Stauchung oder Dehnung des Biegestabes (2) Dehnungsmessstreifen (31, 32, 33, 34) angeordnet sind und einer Temperaturkompensationsvorrichtungdadurch gekennzeichnet ,dass das Substrat (37) oberhalb einer Öffnung (21) des Biegestabs (2) flächig mit der Oberfläche des Biegestabs (2) verklebt ist und sich auf dem Substrat (37) vier Dehnungsmesstreifen (31, 32, 33, 34) befinden, die zu einer Messbrücke verschaltet sind, und dassdie Temperaturkompensationsvorrichtung mindestens zwei Temperatursensoren (35, 5) aufweist, wobei ein erster Temperatursensor (35) als analoger Temperatursensor unmittelbar auf oder an dem Substrat (37) angeordnet und elektrisch mit den Dehnungsmessstreifen (31 ,32, 33, 34) verbunden ist und ein zweiter Temperatursensor (5) auf dem Biegestab (2) angeordnet und über eine separate Leitung (53) mit einer digitalen Auswertevorrichtung (6) verbunden ist, und wobeizur Korrektur eines Temperaturgradienten des Biegestabes (2) der erste analoge Temperatursensor (35) mit einem Abstand, der etwa der halben Länge des Biegestabes bis hin zu der gesamten Länge des Biegestabes entspricht, zu dem zweiten Temperatursensor (5) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wägezelle mit Temperaturkompensation nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
In der Praxis werden solche Wägezellen in Waagen verwendet, um das Gewicht von Wiegegut zu erfassen. Als Messwertaufnehmer werden in der Regel Dehnungsmessstreifen (DMS) verwendet. Dabei ist es wichtig, dass das Messergebnis nicht durch Temperaturschwankungen verfälscht wird. Um dieses zu erreichen werden verschiedene Verfahren zur Temperaturkompensation eingesetzt.
Aus der US 5,515,737 ist ein auf analoger Basis arbeitendes Verfahren bekannt. Dort werden zum Zweck der Temperaturkompensation einer Nullpunktsdrift einer DMS-Messbrücke in jedem Zweig der Messbrücke temperaturabhängige Serienwiderstände verwendet. Diese Widerstände müssen jedoch messtechnisch aufwändig abgestimmt werden um eine Temperaturkompensation sicherzustellen. Zusätzlich wird ein weiterer temperaturabhängiger Widerstand verwendet, um die Verstärkung des angeschlossenen Messverstärkers temperaturabhängig einzustellen. Dieses Verfahren ist sehr aufwändig in der Kalibrierung und daher teuer in der Herstellung.
Weiter sind digitale Verfahren zur Temperaturkompensation bekannt so zeigt die EP 0 670 479 A1 eine Wägezelle, bei der ein Temperatursensor mit einem Biegebalken verbunden ist, der die Temperatur des Biegebalkens erfasst. In einer angeschlossenen digitalen Auswerteschaltung wird anhand der gemessenen Temperatur das Messsignal der Wägezelle korrigiert. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die zu ermittelnden Korrekturfaktoren bei der Herstellung der Wägezelle durch mehrmalige Testläufe bei unterschiedlichen Belastungen und Temperaturen zeitaufwändig ermittelt werden müssen.
In der DE 198 25 761 C2 ist eine weitere Schaltung zur Temperaturkompensation gezeigt. Dort wird als Messwertaufnehmer ein Halbleitersubstrat verwendet auf dem ein temperaturabhängiger Sensor zusammen mit einer Auswerteschaltung angeordnet ist. Mit Hilfe des Temperatursensors wird ein Skalenfaktor zur Kompensation einer Temperaturdrift erzeugt. In einem ebenfalls auf dem Substrat vorhanden EPROM werden verschiedene Kalibrierfaktoren gespeichert. Diese Kalibrierfaktoren müssen bei der Kalibrierung der Wägezelle zeitaufwändig in mehreren Kalibriermessgängen ermittelt werden. Zusammen mit dem notwendigen Halbleitersubstrat und der Schaltung ist diese Lösung relativ kostenintensiv in der Herstellung.
In der JP 2008 064 497 A ist eine Wägezelle mit einer Temperaturkompensationsvorrichtung gezeigt. Dabei wird bei Temperaturschwankungen der Nullpunkt der Wägezelle durch ein Nullpunktkompensationselement korrigiert. Des Weiteren weist die Wägezelle einen Temperatursensor auf, der die Temperatur der Wägezelle selbst erfasst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wägezelle für eine Waage zu schaffen, die kostengünstig herzustellen ist und eine geringe Temperaturabhängigkeit aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wägezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Wägezelle weist zur Temperaturkompensation zwei unabhängige Temperatursensoren auf. Ein erster Temperatursensor ist als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet, mit den Dehnungsmessstreifen elektrisch verbunden und räumlich unmittelbar benachbart zu diesen angeordnet, vorzugsweise auf oder neben einem Substrat welches die Dehnungsmessstreifen (DMS) trägt. Ein zweiter Temperatursensor ist mit einem Biegestab thermisch leitend verbunden und über eine separate Verbindungsleitung auf eine digitale Auswerteschaltung geführt. Der Biegestab ist vorzugsweise aus einem thermisch gut leitenden Material gefertigt, beispielsweise Aluminium, Stahl oder einer Keramik.
Der erste Temperatursensor ist insbesondere als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet und dient zur analogen Vorkompensation von temperaturabhängigen Messfehlern der DMS-Messwertaufnehmer. Der Wert des ersten Temperatursensors wird anhand von Berechnungen festgelegt. Ein Abgleich des ersten Temperatursensors ist nicht erforderlich.
Es ist vorgesehen, dass der zweite Temperatursensor mit einer digitalen Auswerteschaltung verbunden ist und zur digitalen Kompensation des verbleibenden Restfehlers der DMS dient. Da bereits eine Vorkompensation durch den ersten Temperatursensor erfolgt, sind die durch die digitale Kompensation vorzunehmenden Korrekturen nunmehr gering. Das bedeutet, dass sich die Kalibrierung der Wägezelle deutlich vereinfacht. Es hat sich gezeigt, dass die Kalibrierfaktoren mit deutlich weniger Testläufen ermittelt werden können und die notwendige Zeit zur Kalibrierung und damit die Kosten erheblich reduziert werden.
Es ist von Vorteil, wenn die digitale Auswerteschaltung einen nichtflüchtigen Speicher aufweist, in dem die Kalibrierfaktoren speicherbar sind. Der nichtflüchtige Speicher kann im Bereich des zweiten Temperatursensors direkt auf dem Biegestab angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass die zu einem Biegestab gehörenden Kalibrierfaktoren direkt mit diesem Biegestab verbunden sind und die Biegestäbe daher im Reparaturfall problemlos ausgetauscht werden können, ohne dass eine erneute Kalibrierung erfolgen muss.
In einer anderen Ausführung kann der nichtflüchtige Speicher auf einer separaten Platine zusammen mit der Auswerteschaltung angeordnet sein. In diesem Fall vereinfacht sich die Herstellung der Wägezelle und damit verringern sich auch die Kosten des Biegestabes.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der räumlichen Anordnung der beiden Temperatursensoren. Erfindungsgemäß ist der erste Temperatursensor nahe bei den Messwertaufnehmern, also der Messbrücke angeordnet und erfasst die dort vorherrschende Temperatur. Der zweite Temperatursensor ist von der Messbrücke entfernt auf dem Biegestab angeordnet und erfasst die dort herrschende Temperatur. Die Temperatursensoren sind um eine Strecke voneinander entfernt angeordnet, die in etwa der halben Länge bis hin zu der gesamten Länge des Biegestabes entspricht. Bei Temperaturänderungen ergibt sich entlang des Biegestabes ein Temperaturgradient, der mit der voneinander entfernten Anordnung der Temperatursensoren erfasst und weitgehend kompensiert wird.
Um eine schnelle Montage und eine universelle Verwendung der Schaltungsanordnung zu ermöglichen kann vorgesehen sein, dass auf dem Substrat der DMS-Aufnehmer bereits Anschlüsse für Temperatursensoren vorhanden sind. Dabei ist vorgesehen dass der erste Temperatursensor in Serie zu der Versorgungsleitung einer DMS-Messbrücke verschaltet wird. Dafür können in beiden Versorgungsleitungen entsprechende Anschlüsse vorgefertigt sein, die über trennbare Kurzschlussbrücken miteinander verbunden sind. Bei der Herstellung der Wägezelle werden in eine oder in beide Versorgungsleitungen der DMS-Brücke temperaturabhängige Widerstände eingesetzt und die jeweiligen Brücken durchtrennt.
Eine Anwendung der erfindungsgemäßen Wägezelle ist in einer Waage vorgesehen, jedoch nicht darauf beschränkt. Es ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Wägezelle als Kraftaufnehmer auch in Druckmessdosen oder Kraftmessdosen eingesetzt werden kann.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und der dazugehörenden Beschreibung beschrieben.
Es zeigen,

1: Eine schematische Ansicht der Wägezelle
2: Ein Blockschaltbild der Wägezelle
3: Ein Blockschaltbild der Sensoranordnung

Die 1 zeigt eine Wägezelle 1 mit einem Biegestab 2 aus Aluminium. Der Biegestab 2 weist eine Öffnung 21 auf, die der Linearisierung des Kraftverlaufes dient. Oberhalb der Öffnung 21 ist ein Substrat 37 flächig mit der Oberfläche des Biegestabs 2 verklebt. Auf dem Substrat 37 befinden sich vier Dehnungsmessstreifen 31, 32, 33, 34 (DMS) die zu einer Messbrücke 3 verschaltet sind und Stauchungen oder Dehnungen des Biegestabes 2 sensieren.
Der Biegestab 2 wird in einer Waage verwendet, indem er auf einer Seite fest eingespannt wird und auf seiner anderen, freien Seite mit einer Lastplatte verbunden wird. Wird die Lastplatte der Waage belastet, so verbiegt sich der Biegestab proportional zu der Last. Über die Messung der Dehnung oder Stauchung der Last kann das Gewicht der Last ermittelt werden.
Eine solche Messung ist jedoch Temperaturschwankungen unterworfen. Zum einen dehnt sich der Biegestab abhängig von der Temperatur aus, zum anderen ist der Widerstand der verwendeten DMS 31, 32, 33, 34 temperaturabhängig. Um diese Schwankungen auszugleichen sind auf dem Substrat in unmittelbarer räumlicher Nähe zu den DMS zwei analoge Temperatursensoren 35 und 36 angeordnet. Diese sind elektrisch mit der Messbrücke 3 verbunden und jeweils in deren Speiseleitung 41 bzw. 42 angeordnet, wie in der 3 gezeigt ist.
Die analogen Temperatursensoren 35 und 36 sind als temperaturveränderliche Widerstände ausgebildet, deren Kennlinie auf den Temperaturverlauf der DMS 31, 32, 33, 34 abgestimmt ist. Um eine rasche Herstellung zu ermöglichen ist vorgesehen, dass die analogen Temperatursensoren 35 und 36 Normbauteile sind. Für ein gutes Messergebnis, das heißt einen geringen Temperaturfehler, müssten die analogen Temperatursensoren 35 und 36 noch justiert werden. Dieser Restfehler wird jedoch über einen zweiten digitalen Temperatursensor 5 behoben, der in einer gewissen Entfernung zu dem Substrat 37 auf dem Biegebalken 2 angeordnet ist.
In einer einfacheren Ausführung genügt es, wenn in einer Speiseleitung ein analoger Temperatursensor 35 vorhanden ist. Daher ist in 3 der analoge Temperatursensor 36 gestrichelt, also als optional eingezeichnet.
Aus 2 ist die Verschaltung der Sensoren ersichtlich. Die Messbrücke 3 mit den DMS und den ersten analogen Temperatursensoren ist über eine separate Leitung 44 und einen separaten Messverstärker 61 zu einer Auswerteschaltung 6 geführt. Die Leitung kann dabei als Flachbandleitung, als flexible Leiterplatte oder als mehradriges Rundkabel ausgeführt sein.
Der digitale Temperatursensor 5 ist über eine weitere separate Leitung 53 mit der Auswerteschaltung 6 verbunden. Diese Leitung 53 kann als separates mehradriges Rundkabel oder Flachbandkabel oder als separate Leitung auf einer flexiblen Leiterplatte ausgebildet sein.
Die Auswerteschaltung 6 ist als digitale Auswerteschaltung ausgebildet und weist einen Analog/Digitalwandler auf, der das analoge Messsignal der Messbrücke digitalisiert. Ferner weist die Auswerteschaltung 6 einen nichtflüchtigen, beschreibbaren Speicher in Form eines Flash-Speichers 63 auf, der zum Speichern von Kalibrierungswerten dient. Mit Hilfe der Kalibrierungswerte und des von dem Temperatursensor 5 gelieferten Signals korrigiert die Auswerteschaltung 6 den Messwert der Messbrücke 3 so, dass deren Temperaturabhängigkeit möglichst gering wird. Das Ausgangssignal der Auswerteschaltung 6 kann zur Weiterverarbeitung an einen Mikroprozessor gegeben werden oder über ein Bussystem weitergeleitet werden.
Zum Ermitteln der Kalibrierungswerte wird nach der Herstellung der Wägezelle ein Testlauf zur Inbetriebnahme durchgeführt. Dabei wird durch Vergleich mit einer Referenz eine eventuelle Abweichung ermittelt, auf deren Basis die Korrekturfaktoren festgelegt und in die Kalibrierungswerte überführt werden. Diese werden dann in dem Speicher 63 hinterlegt, also dauerhaft abgespeichert. Mit den ermittelten und abgespeicherten Kalibrierungswerten liefert die Wägezelle dann ein weitgehend temperaturunabhängiges und genaues Wägesignal.

Claims

Wägezelle (1) für eine Waage mit einem Biegestab (2) der mit einem Substrat (37) verbunden ist, auf dem zur Erfassung von Stauchung oder Dehnung des Biegestabes (2) Dehnungsmessstreifen (31, 32, 33, 34) angeordnet sind und einer Temperaturkompensationsvorrichtung dadurch gekennzeichnet , dass das Substrat (37) oberhalb einer Öffnung (21) des Biegestabs (2) flächig mit der Oberfläche des Biegestabs (2) verklebt ist und sich auf dem Substrat (37) vier Dehnungsmesstreifen (31, 32, 33, 34) befinden, die zu einer Messbrücke verschaltet sind, und dass die Temperaturkompensationsvorrichtung mindestens zwei Temperatursensoren (35, 5) aufweist, wobei ein erster Temperatursensor (35) als analoger Temperatursensor unmittelbar auf oder an dem Substrat (37) angeordnet und elektrisch mit den Dehnungsmessstreifen (31 ,32, 33, 34) verbunden ist und ein zweiter Temperatursensor (5) auf dem Biegestab (2) angeordnet und über eine separate Leitung (53) mit einer digitalen Auswertevorrichtung (6) verbunden ist, und wobei zur Korrektur eines Temperaturgradienten des Biegestabes (2) der erste analoge Temperatursensor (35) mit einem Abstand, der etwa der halben Länge des Biegestabes bis hin zu der gesamten Länge des Biegestabes entspricht, zu dem zweiten Temperatursensor (5) angeordnet ist.
Wägezelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperatursensor (35) als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet ist, der eine erste Temperaturkompensation vornimmt.
Wägezelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Auswertevorrichtung (6) zum Temperaturfeinabgleich einen beschreibbaren, nichtflüchtigen Speicher (63) zum Verändern ihrer Kennlinie aufweist.
Wägezelle (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem nichtflüchtigen Speicher (63) Referenzwerte zum Anpassen der Kennlinie speicherbar sind, die durch Kalibrierung ermittelt werden.
Wägezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (37) vier Dehnungsmessstreifen (31 ,32 ,33 ,34) zu einer Messbrücke (3) verschaltet sind und in der Speiseleitung (41 ,42) der Messbrücke (3) Anschlüsse für einen analogen Temperatursensor (35 bzw. 36) vorgesehen sind.
Wägezelle (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse für einen analogen Temperatursensor (35 bzw. 36) auf dem Substrat (37) durch eine trennbare Brücke miteinander verbunden sind, die bei Anschluss eines analogen Temperatursensors (35 bzw. 36) durchtrennt wird.