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Vorrichtung zur Kompensation einer Meßspannung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation einer Meßspannung,
insbesondere der Ausgangsspannung einer Kraftmeßzelle, mit einem Vergleicher, einem
Zähler, einem D/A-Wandler sowie einer digitalen Ausgabeeinrichtung.
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Derartige Vorrichtungen, die die Meßspannung selbsttätig digital kompensieren,
sind in der Wägetechnik z.B. aus dem "analog-digital Conversion Handbook" der Firma
Analog Devices bekannt. Die Meßspannung wird einem Eingang des Vergleichers zugeführt,
dessen Ausgang eine Kontroll-Logik schaltet, die zwischen Oszillator und einem Zähler
geschaltet ist. Der Zähler gibt das der Meßspannung entsprechende digitale Signal
ab, das gleichzeitig über einen A/D-Wandler wiederum an den anderen Eingang des
Vergleii chers zurückgeführt wird. Befindet sich das System im Gleichgewicht, so
gibt der Vergleicher kein Signal ab, dementsprechend sperrt die Kontroll-Logik und
über den Zähler wird das der Meßspannung entsprechende digitale Signal abgegeben.
Bei Veränderungen der Meßspannung beeinflußt das vom Vergleicher abgegebene Signal
die Kontroll-Logik so, daß vom Oszillator vor-oder rückzählende Impulse in den Zähler
eingelesen werden. Das vom D/A-Wandler an den Vergleicher abgegebene Signal nähert
sich also in einem Einschwingvorgang langsam der Meßspannung, worauf dann wieder
Gleichgewicht herrscht.
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Die wesentlichen Nachteile derartiger digitaler Kompensatoren in der
Wägetechnik sind darin zu sehen, daß der Einschwingvorgang einige Sekunden dauert,
wodurch das Einlaufverhalten der Waage ungünstig beeinflußt wird, und daß weiterhin
die eigentliche Meßspannung nach erfolgter Kompensation nicht mehr für eine Anzeige
zur Verfügung steht. Die gleichen Nachteile gelten im übrigen auch für analoge Kompensationsvorrichtungen.
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Die genannten Nachteile werden vermieden, wenn die Meßspannung direkt
von einem Anzeigeinstrument beispielsweise in einen
Zeigerausschlag
umgewandelt wird. Bei Verwendung hochohmiger Anzeigegeräte können viele Anzeigegeräte
parallel geschaltet werden. Da in der Wägetechnik die Meßspannung relativ klein
ist, ist es in der Praxis nötig, die Meßspannung vor Anzeige oder Weiterverarbeitung
mit einem Vorverstärker zu verstärken. Bei der geforderten Präzision werden dabei
hohe Anforderungen an den Verstärker bezüglich der Nullpunkt-Stabilität und der
Verstärkungskonstanz gestellt. Diese Forderungen sind nur mit merkbarem finanziellen
Aufwand zu erreichen. Ein weiterer Nachteil dieser 'ösung liegt darin, daß eine
Umwandlung der Meßspannung in eine sich kontinuierlich ändernde, digitale Information
nicht erfolgen kann. Auf Grund dieser genannten Nachteile haben sich im Waagenbau
Präzisionskompensatoren durchgesetzt, die die Meßspannung unmittelbar, normalerweise
digital, kompensieren.
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Weiterhin ist aus der DT-OS 15 91 950 eine Vorrichtung zur Umwandlung
einer Meßspannung in eine entsprechende Frequenz bekannt geworden, bei der Unabhängigkeit
von der Langzeitdrift dadurch erreicht wird, daß die Meßspannung und eine hochkonstante
Referenzspannung im Zeitmultiplex an einenSpannungs-FrequFnz-Wandler anlegbar sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine die Meßspannung kompensierende
Vorrichtung zu schaffen, bei der ein im wesentlichen der augenblicklichen Meßspannung
entsprechendes Signal ansteht.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß der Ausgang der Kraftmeßzelle
über einen ersten Schalter an einen Verstärker anschaltbar ist, dessen Ausgang sowohl
über einen Schalter und Speicher mit einer Ausgabeeinrichtung als auch über einen
weiteren Schalter, den Vergleicher, einen anderen Schalter und weiteren Speicher
mit dem Eingang eines U/f-Wandlers verbindbar ist, dessen Ausgang mit einer Ausgangsbuchse
und dem Zähler verbunden ist, welcher Zähler mit der digitalen Ausgabeeinrichtung
und über den D/A-Wandler mit dem Vergleicher in Verbindung steht, und daß der Verstärker
über den ersten Schalter an die Null-Spannung schaltbar ist, wobei durch das Ausgangssignal
des Verstärkers
über den weiteren Schalter und einz Integrator ein
Stelleingang für den Nullpunkt des Verstärkers beeinflußbar ist, und daß weiterhin
die Stellung der Schalter von einer Logik-Schaltung periodisch schaltbar ist. Spannungsschwankungen
des die Kraftmeßzelle versorgenden Netzteils können dadurch ausgeglichen werden,
daß die Kraftmeßzelle und der D/A-Wandler von der gleichen Spannungsquelle speisbar
sind. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein der Meßspannung entsprechendes
kontinuierliches Signal ein bis zwei Größenordnungen schnellCtngezeigt werden als
bei der üblichen Kompensation. Da jedoch andererseits das verstärkte Signal kompensiert
wird, stehen auch der Meßspannung entsprechende Impulsfolgen, beispielsweise zur
inkrementalen Weiterverarbeitung, zur Verfügung. Bei den elektronischen Bauteilen,
insbesondere dem Verstärker, handelt es sich um normale nicht besonders aufwendige
Bauteile.
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Anhand der schematischen Figur wird Aufbau und Funktionsweise eines
Ausführungsbeispiels der Erfindung erläutert. Die Spannungsquelle 5 speist die Kraftmeßzelle
6 mit einer Spannung U'. Die Ausgangsspannung der Kraftmeßzelle 6 ist über den ersten
Schalter S1 an den Verstärker 7 schaltbar. Am Schalter S1 werden -ebenso wie bei
sämtlichen übrigen Schaltern - mit 2 die Kontakte bezeichnet, die während der Nullstell-phase
des Verstärkers geschlossen sind. Die Bezugsziffer 1 kennzeichnet dagegen die Kontakte,
die während der Meßphase geschlossen sind. Diese Schaltstellung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird im folgenden zuerst besprochen. Die im Verstärker 7 verstärkte
Meßspannung wird über den weiteren Schalter 52 mit einem Eingang des Vergleichers
8 verbunden und außerdem über den Schalter S4 mit dem Speicher 10, dessen Ausgang
mit der Ausgabeeinrichtung 11 verbunden ist. Diese Ausgabeeinrichtung 11 kann -
wie in der Zeichnung angedeutet - ein analoges Instrument, beispielsweise ein Zeigerinstrument,
sein. Ebensogut ist es jedoch auch möglich vom Ausgang des Speichers 10 aus über
einen A/D-Wandler eine digitale Ausgabeeinrichtung anzusteuern. Der Ausgang des
Vergleichers 8 ist über den nicht funktionsnotwendigen Verstärker 12 und den anderen
Schalter S3 mit einem weitren Speicher 13 verbunden, dessen Ausgang einenU/f-Wandler
14 ansteuert. Dieser setzt also
ein der vom Vergleicher 8 ermittelten
Differenzspannung entsprechendes Spannungssignal in eine proportionale Frequenz
um, welche über die Ausgangsbuchse 15 von der Vorrichtung abgegeben wird. Außerdem
wird diese Frequenz dem Zähler 16 zugeführt, der sie aufsummiert und als parallele
Information an die digitale Ausgabeeinrichtung 17 und den D/A-Wandler 18 weitergibt,
der wie in der Zeichnung angedeutet zweckmäßigerweise seine Bezugsspannung von der
Ausgangsspannung U' der Spannungsquelle 5 erhält.
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Auf diese Weise werden Spannungsschwankungen der Spannungsquelle 5
ausgeglichen. Der Ausgang des D/A-Wandlers 18 ist wiederum mit dem noch freien Eingang
des Vergleichers 8 verbunden, so daß im Gleichgewichtsfall eine vollständige Kompensation
des verstärkten Meßsignals erreicht wird. An der digitalen Ausgabeeinrichtung 17
stehen also kontinuierliche Digitalwerte an, die der kompensierten Meßspannung entsprechen
und sowohl angezeigt als auch weiterverarbeitet werden können.
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Die Schalter S1,S2, S3 und S4 sind von einer Logikschaltung 19 periodiscn
steuerbar. Zweckmäßigerweise ist die Logikschaltung 19 so eingerichtet, daß etwa
während zwei Dritteln der Periodendauer der Kontakt 1 geschaltet ist und nur jeweils
während eines Drittels der Periodendauer der Kontakt 2. Die Dauer einer Periode
beträgt dabei größenordnungsmäßig eine zehntel Sekunde.
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Hat die Logikschaltung 19 die Schalter auf den Kontakt 2 umgeschaltet,
so werden die Schalter S3 und S4 geöffnet, während über S1 die Spannung null an
den Verstärker 7 gelegt wird, dessen Ausgang über S2 mit einem Integrator 20 verbunden
ist, welcher wiederum einen Stelleingang für den Nullpunkt des Verstärkers 7 beeinflußt.
Während dieses Nullstellvorgangs des Verstärkers 7 wird also ein durch eine eventuelle
Nullpunktsverschiebung bedingtes Ausgangssignal aufintegriert und der Nullpunkt
dementsprechend nachgeregelt.
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Während der Meßphase, d.h. also bei Schließen der Kontakte 1 der Schalter,
wird durch den Verstärker 7 die Meßspannung ohne Nullpunktfehler verstärkt und diese
Spannung über den Speicher 10 von der Ausgabeeinrichtung 11 angezeigt bzw. parallel
dazu in
dem beschriebenen Kompensationskreis kompensiert. Das in
der Ausgabeeinrichtung 11 angezeigte Signal entspricht - bis auf eine in der Praxis
vernachlässigbare Verzögerung durch den Speicher 10 - der Meßspannung. Werden nun
von der Logikspannung 19 gesteuert die Schalter umgeschaltet, so wird während des
oben beschriebenen Nullstellvorgangs des Verstärkers 7 am Ausgang des Speichers
10 bzw. 13 das zuletzt ausgegebene Signal weiterhin anstehen. Somit zeigt während
der Eichphase die Ausgabeeinrichtung 11 also konstant den letzten Wert der Meßphase
an, ebenso wird das der Meßspannung entsprechende Signal mit der gleichen Geschwindigkeit
wie am Ende der Meßphase weiterhin kompensiert, die Ausgangssignale dieses Kompensationskreises
bleiben ebenfalls stetig. Da das an der Ausgabeeinrichtung 11 anstehende Signal
im ungünstigsten Fall um die Dauer der Nullstellperiode verzögert ist, diese jedoch
um ein bis zwei Größenordnungen kürzer dauert als der Kompensationsvorgang, erreicht
die erfindungsgemäße Vorrichtung die in der Beschreibungseinleitung ausgeführten
Vorteile.
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In der Praxis hat sich gezeigt, daß eine weitere Korrekturphase, die
den Verstärkungsgrad des Verstärkers 7 regelt,nicht nötig ist.
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Jedoch kann diese weitere Korrektur ohne Schwierigkeiten vorgenommen
werden, indem über den Schalter S1 die Ausgangsspannung U' der Spannungsquelle 5
an den Verstärker 7 gelegt wird und das während dieser weiteren Korrekturphase mit
dem Integrator 20 aufintegriertes Signal den Verstärkungsfaktor des Verstärkers
7 regelt. Auch während dieser weiteren Korrekturphase müssen die Schalter S3 und
54 selbstverständlich geöffnet bleiben, damit an den Ausgabeeinrichtungen 11 und
17 ein stetiges Signal ansteh-t und der Kompensationsvorgang auch während dieser
zusätzlichen Korrekturphase gleichmäßig erfolgt.