DE3218511A1

DE3218511A1 - Temperaturkompensierte messanordnung

Info

Publication number: DE3218511A1
Application number: DE19823218511
Authority: DE
Inventors: Dennis K. Marlboro Mass. Briefer
Original assignee: Setra Systems Inc
Current assignee: Setra Systems Inc
Priority date: 1981-05-19
Filing date: 1982-05-17
Publication date: 1983-03-03
Anticipated expiration: 2002-05-18
Also published as: DE3218511C2; CH662656A5; CA1171178A; GB2098744B; GB2098744A; JPS57196123A; JPH0247690B2

Description

"* 6 —

Setra Systems, Inc.
Natick, Massachusetts ol7Go, V.St.A.

Temperaturkompensxerte Meßanordnung

Die Erfindung betrifft eine temperaturkompensierte Meßanordnung und insbesondere eine Kraft- und Druck-Meßanordnung .

Typische herkömmliche Kraft-Meßanordnungen in der Form von Skalen umfassen beispielsweise eine Platte oder eine Waagschale zum Aufnehmen des zu messenden Gewichtes. Die Waagschale ist über einen Kraftwandler mit einem Rahmen oder Gestell gekoppelt. In verschiedenen Ausführungsformen der bestehenden Fühleranordnungen sind der Wandler und die Waagschale mit dem Rahmen durch Gestänge verbunden, die ein relativ genaues Erfassen des Gewichtes von Gegenständen in der Schale erlauben. Beispielsweise können die Kraftfühler Dehnungsmeßstreifen oder eine bewegliche Spule in einem festen Magnetfeld in Rückkopplungs-

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anordnung enthalten.

Während die bestehenden Waaganordnungen ein relativ genaues Maß von Gegenständen in der Waagschale erlauben, weisen sie eine Anzahl von Nachteilen auf. Beispielsweise sind zahlreiche derartige Anordnungen insbesondere empfindlich gegenüber einer aus der Mitte verschobenen Belastung des zu messenden Gegenstandes in der Waagschale. Eine solche aus der Mitte verschobene Belastung kann zu Fehlern aufgrund von Reibungsverlusten in der Anordnung führen. Um diesen Verlusten entgegenzuwirken, benutzen die bestehenden Anordnungen oft verschiedene Ausführungsformen mechanischer Gestänge zur Verringerung derartiger Fehler. Beispielsweise beschreibt die US-PS-4 026 416 eine Biegeanordnung zum Einschränken der Bewegung der Waagschale entlang einer einzigen Fühlerachse. Jedoch sind derartige Anordnungen relativ in ihrem Bewegungsbereich und damit im erlaubten Gewichtsbereich begrenzt.

Ein weiterer Nachteil zahlreicher bestehender Anordnungen liegt in der Änderung dieser Anordnungen mit der Temperatur, die auf Temperatureinwirkungen auf den Fühlerwandler und die zugeordnete Schaltung sowie auf einer Temperaturschwankung verschiedener mechanischer Einheiten beruhen kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine sehr genaue und äußerst präzise Waaganordnung zu schaffen, die gegenüber Temperaturschwankungen kompensiert ist; außerdem soll eine Druck-Meßanordnung angegeben werden, die ebenfalls gegenüber Temperaturschwankungen kompensiert ist.

Diese Aufgabe wird bei einer temperaturkompensierten

Meßanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 5 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung sieht also eine temperaturkompensierte Meßanordnung vor. In einer Ausführungsform, die zum Wiegen eines Gegenstandes auf einer Kraft-Eingangseinheit geeignet ist, hat die Anordnung eine Speichereinrichtung zum Speichern einer Kalibrierfunktion W(F,T) mit

^m
W(F,T) Σ a. (T)F

i=1 ^x

wobei F eine Funktion der Eingangskraft (d. h. des Ge wichtes eines Gegenstandes) ist und T die Temperatur der Anordnung darstellt, während

m n
a. (T) = Σ Σ Κ. .Τ·³"

-ϊ =1 -i = 1 -J

gilt und K.. Konstanten sind. Die Anordnung hat weiterhin einen Generator zum Erzeugen eines Fühlersignals F_w, das die Eingangskraft bei der Temperatur der Anordnung darstellt, und einen Temperatursignalgenerator zum Erzeugen eines Temperatursignals F_T, das die Temperatur der Anordnung darstellt. In einer Ausführungsform der Erfindung umfassen diese beiden Generatoren Oszillatoren, in denen sich die Frequenz mit der einwirkenden Kraft bzw. Temperatur ändert. In dieser Ausführungsform stellen die Signale F„ und F die jeweiligen Frequenzen dieser Oszillatoren dar.

Ein Kraftsignalgenerator spricht auf die Signale P„ und F-, und die gespeicherte Kalibrier funktion W (F, T) an, um das Kalibriersignal für Werte von F=F und T = F- auszuwerten.

Mit diesem Aufbau liefert die Anordnung ein Ausgangssignal, d. h. das Kraftsignal, das die Eingangskraft, d. h. das Gewicht des Gegenstandes in der Schale, darstellt.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung hat die Anordnung eine Vorrichtung zum Erzeugen der Kalibrierfunktion W(F,T). Der Kalibriergenerator umfaßt eine Einrichtung zum Erzeugen einer Folge von Fühlersignalen abhängig von der Einwirkung einer Folge von m vorbestimmten Gewichten auf die Waagschale, während die Anordnung auf jeder von η verschiedenen Temperaturen T₁, T_, ... bzw. T ist. Der Kalibriergenerator hat weiterhin eine Einrichtung zum Auflösen der Kalibrierfunktion W(F,T) nach a.(T) und zum Erzeugen von Koeffizientensignalen, die a.(T) für jede der η Temperaturen darstellen. Die Kalibrierung wird für Werte von i = 1, 2, ..., m aufgelöst, wobei F gleich jeweils einem der bei der zugeordneten Temperatur erzeugten Fühlersignale und W(F,T) gleich den jeweiligen, den Fühlersignalen zugeordneten Gewichten sind.

Der Kalibriergenerator hat außerdem eine Einrichtung zum Auflösen von a. (T) nach K.. und zum Erzeugen von Signalen, die K.. für jeden Wert i darstellen. Die Funktion a.(T) wird für j=1,2, ..., η aufgelöst, wobei a .(T) gleich dem jeweiligen Koeffizientensignal der den Temperaturen T₁, T₂, ..., 1" zugeordneten Koeffizientensignale und T gleich den jeweiligen, diesen Koeffizien-

tensignalen zugeordneten Temperaturen sind.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Einrichtungen zum Auflösen von W(F,T) und a.(T) ein programmierter Digital-Rechner. In einer bevorzugten Ausführungsform gilt m = 4 und η = 3.

In einer zur Druckmessung angepaßten Ausführungsform der Erfindung kann der Fühlersignalgenerator ein Signal F_M erzeugen, das einen Eingangsdruck darstellt. Die Kalibrierfunktion ist die gleiche Funktion von F und T, wobei F eine Funktion des Eingangsdruckes ist.

Die vorliegende Erfindung ist in der Kraftmeßform auch als ein Beschleunigungswandler vorteilhaft, bei dem also die Eingangskraft die auf die Kraft-Eingangseinheit einwirkende Trägheitskraft ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ausführungsform

einer Waaganordnung nach der Erfindung ,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Prozessors der Anordnung von Fig. 1, und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Druck-Meßanordnung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Waaganordnung 210 nach der Erfindung. Die Anordnung umfaßt eine Kraft-Eingangseinheit in der Form einer Waag-

schale 212 und einen zugeordneten Trägerbalken 214, der für eine Bewegung entlang einer Bezugsachse 216 gestaltet ist. Der Balken 214 ist mittels einer mechanischen Dämpfungseinrichtung 218 mit einer Bezugseinheit (oder einem Gehäuse) 220 gekoppelt, die bezüglich der Achse 216 festgelegt ist. Die Schale 212 und deren Trägerbalken 214 sind mit einer Ankereinheit 226 über ein Gestänge 160 für parallele Bewegung gekoppelt. Die Ankereinheit 226 ist über ein Gestänge 110 für parallele Bewegung mit der Trägereinheit 220 gekoppelt. Ein Kraftwandler 10 liegt zwischen der Ankereinheit 226 und der Trägereinheit 220. Der Wandler 10 ist über eine Leitung 10a mit einem Positionsfühler 244 verbunden. Der Positionsfühler 244 liefert seinerseits ein Ausgangssignal auf einer Leitung 244a, das die Bewegung eines Elementes des Kraftwandlers 10 darstellt, die auf eine Verschiebung der Schale 212 infolge eines zu messenden Gewichtes in dieser Schale zurückgeht.

Ein Prozessor 250 spricht auf das Signal in der Leitung 244a an, um ein Ausgangssignal an eine Leitung 25Oa abzugeben. Das letztere Signal stellt das Gewicht des Gegenstandes auf der Waagschale 212 dar.

Die Elemente in der Einheit 210 können in der Weise aufgebaut sein, wie dies in der auf die gleiche Anmelderin zurückgehenden US-Patentanmeldung vom gleichen Tag beschrieben ist.

Fig. 2 zeigt den Prozessor 250 der Anordnung 210 in einem Blockschaltbild. Der Prozessor 250 umfaßt einen ersten (oder Gewichts-)Oszillator, der ein Signal auf einer Leitung 244a erzeugt, das eine Frequenz hat, die die erfaßte Kraft darstellt, die durch ein Gewicht auf der Schale 212 einwirkt. Der Gewichtsoszillator umfaßt den

Kraftwandler 10 und den Positionsfühler 244. Das Signal auf der Leitung 244a ist mit einem Zähler 260 gekoppelt, der ein Digital-Zählerstandsignal F„ auf einer Leitung 26Oa (F..) liefert, das die Frequenz des Signales auf der Leitung 244a darstellt.

Ein Temperaturfühler 264 liefert ein Oszillatorsignal auf einer Leitung 264a, wobei die Frequenz des Signales auf dieser Leitung die Temperatur der Anordnung 210 darstellt. Das Signal auf der Leitung 264a ist mit einem Zähler 266 gekoppelt, der Digital-Zählerstandsignale (F₁-J auf einer Leitung 266a erzeugt, die die Frequenz des Signales auf der Leitung 264a angeben. Die Leitungen 26Oa und 266a führen zu einem Mikroprozessor 270.

Der Mikroprozessor 270 umfaßt einen zugeordneten Speicher mit direktem Zugriff (RAM) 272 und einen Festwertspeicher (ROM) 274 und ein Eingabe/Ausgabe-Tastenfeld 276. Der Mikroprozessor 270 liefert auch ein Ausgangssignal auf einer Leitung 25Oa, das zum Ansteuern einer herkömmlichen Anzeige geeignet ist. Ein Zeitgeber-Netzwerk 280 gibt Zeitsteuersignale an die Blöcke im Prozessor 250 ab.

In einer Ausfuhrungsform der Erfindung kann der Mikroprozessor vom Typ 38P7O/O2 der Firma Mostek sein, während der Festwertspeicher 274 der Typ HM462532 der Firma Hitachi und der Speicher 272 mit direktem Zugriff der Typ 2055 der Firma NCR ist.

Im Betrieb werden die Signale auf der Leitung 244a und der Leitung 264a durch Frequenzen gekennzeichnet, die das Gewicht eines Gegenstandes auf einer Schale bzw. die Temperatur der Anordnung 210 darstellen. Die Zähler 260 und 266 werden durch das Zeitsteuernetzwerk 280 gesteuert, um als Fensterzähler zu wirken, die Digital-Zählerstände

erzeugen, welche die Frequenzen der Signale auf der Leitung 244a und 264a (F und F) darstellen.

Im allgemeinen speichert der Speicher 272 Daten, die eine Kalibrierfunktion W(F,T) darstellen.

Die Kalibrierfunktion W(F,T) wird definiert durch:

^m i-1 W(F,T) Σ a. (T)F¹ ',

wobei F das Gewicht eines Gegenstandes darstellt und T die Temperatur der Waaganordnung 210 angibt. Dabei gilt:

m η ... a. (T) = Σ Σ KT¹¹ ', ¹ ¹³

wobei K.. Konstanten sind.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gilt m=4 und n=3. Im allgemeinen können die Werte von F und F^ verwendet werden, um die Kalibrierfunktion auszuwerten, so daß ein Wert geliefert wird, der das Gewicht eines Gegenstandes auf der Schale 212 angibt.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel kann auch in einer Kalibrierbetriebsart verwendet werden, um die Kalibrierfunktion zu erzeugen und die Daten, die diese Funktion darstellen, in einem Speicher 272 zu speichern. Zur Durchführung dieser Kalibrierung mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Folge von vier bekannten Gewich-

ten auf die Schale 212 bei jeder von drei Temperaturen gegeben. In anderen Ausführungsbeispielen können verschiedene Zahlen von Gewichten und Temperaturen benutzt werden.

Der Prozessor 250 erzeugt dann einen Satz von vier simultanen Gleichungen aufgrund von W(F,T), wobei diese Funktion gleich jedem Gewicht gesetzt wird und der erfaßte Wert für F für jedes Gewicht für F eingesetzt wird. Der Prozessor 250 löst diese vier simultanen Gleichungen, um Signale zu erzeugen, die a₁, ausgewertet bei den Temperaturen T₁, T₂ und T_, a₂, ausgewertet bei den Temperaturen Tw T₂ und T₃, a₃, ausgewertet bei den Temperaturen Tw T₂ und T₃ und a₄, ausgewertet bei den Temperaturen Tw T₂ und T₃ darstellen.

Der Prozessor 250 benutzt dann diese sich ergebenden Werte für a., um die Funktion a.(T) für K.. zu lösen. Im allgemeinen werden die drei Werte für a.. (d. h. bei den Temperaturen Tw T₂ und T₃) gleich den drei Werten von a.. (d. h. bei den drei verschiedenen Temperaturen Tw T₂ und T₃) gesetzt und für die Werte von K₁₁, K₁₂ und K₁₃ aufgelöst.

In ähnlicher Weise werden die Werte von a~ bei den drei Temperaturen verwendet, um K₂₁, K₂₂ und K₂₃ zu bestimmen, und die Werte für a- werden benutzt, um K-w K₃₂ und K₃₃ festzulegen; die Werte von a. dienen zur Ermittlung von K.₁, K₄₀ und K._.

Im folgenden wird die Bestimmung dieser Werte für K. . und der Kalibrierfunktion W(F,T) näher beschrieben. Daten, die diese Werte angeben, sind im Speicher 272 mit direktem Zugriff gespeichert.

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Im folgenden wird der Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung näher beschrieben.

In einer allgemeinen Kalibrierbetriebsart bestimmt der Prozessor 250 eine "Kalibrierfläche" für die Waaganordnung 210, wobei ein Gewichtswert (W) eine Funktion der Frequenz (F) des Oszillators des Fühlers 244 für einwirkende Gewichte und die Temperatur (T) der Anordnung 210 ist. Diese funktionelle Beziehung W(F,T), die die Kalibrierfläche für die Anordnung 210 beschreibt, wird als Kalibrierfunktion bezeichnet. Eine Folge von Bezugsgewichten wird auf die Waagschale 212 bei jeder Temperatur von einer Anzahl von Temperaturen gebracht. Abhängig von dem Auflegen der Gewichte auf die Schale 212 wird die Kraft auf der Schale vom Gewicht zum Kraftwandler

10 übertragen, wobei die Gestänge 160 und 110 die Einwirkung der um die Achse 216 einwirkenden Momente (die auf einer von der Mitte verschobenen Belastung des Gewichtes beruhen können) möglichst klein machen. Die auf den Wandler 10 einwirkenden Kräfte verursachen Relativbewegungen der leitenden Flächen des Wandlers, was zu einer Kapazitätsänderung führt. Diese Kapazitätsänderungen verursachen entsprechende Änderungen der Ausgangsfrequenz des Oszillators auf der Leitung 244a. Der Prozessor verwendet dann diese Werte in der oben beschriebenen Weise, um vollständig W(F,T) festzulegen, und er speichert Daten, die-diese Funktion darstellen, im Speicher 272 mit direktem Zugriff.

In der Gewichts-Meßbetriebsart verwendet abhängig vom Auflegen des zu messenden Gewichtes auf die Schale 212 der Prozessor 250 diese Signale (auf der Leitung 244a) zusammen mit dem Signal vom Temperaturoszillator 264 (auf der Leitung 264a), um den Wert der Kalibrierfunktion W(F,T)

bei den entsprechenden Werten für F und T zu ermitteln. Dieser Wert von W(F,T) wird in ein Signal umgesetzt, das das Gewicht auf der Schale 212 bei der gegenwärtigen Temperatur der Anordnung 210 darstellt.

Fig.3 zeigt in einem Blockschaltbild eine Druckmeßanordnung 278 mit einem Druckfühler 280 und einem Prozessor 250. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Druckfühler 280 ein Oszillator, der einen kapazitiven Druckwandler (beispielsweise das Modell 270, hergestellt von der Firma Setra Systems, Inc., mit deformierbarer Membran) für das Fühlerelement aufweist. Im allgemeinen arbeitet der Fühler 280 in der anhand der Fig. 1 erläuterten Weise, wobei allerdings dieser Fühler 280 ein Oszillatorsignal erzeugt, das durch eine Frequenz gekennzeichnet ist, die eine Funktion des Eingangsdruckes darstellt.

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Claims

BEETZ & PARTNER Steinsdorfstr. 10 · D-8000 München 22 Telefon (0 89) 22 72 01 - 22 72 44 - 29 5910 Telex S22 048 - Telegramm Allpat München 65-33.695P Patentanwälte 3 21851 European Patent Attorneys Dipl.-Ing. R. BEETZ sen. Dr.-Ing. R. BEETZ jun. Dr.-Ing. W. TIMPE Dipl.-Ing. J. SIEGFRIED Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W. SCHMITT-FUMIAN Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT 11981 17. Mai 1982 Ansprüche — s

1.(Temperaturkompensierte Kraft-Meßanordnung zum Erfassen einer Kraft auf eine Kraft-Eingangseinheit,

gekennzeichnet durch

A) eine Speichereinrichtung (274) zum Speichern einer Kalibrierfunktion W(F,T) mit

W(F,T) = Σ a_i(T)F¹"¹ ,

wobei F eine Temperatur der Eingangskraft ist,

T die Temperatur der Anordnung darstellt und

a.(T) = ¹

κ. ³

gilt, wobei K.. Konstanten sind,

B) eine Generatoreinrichtung (260) zum Erzeugen eines Fühlersignales F , das die Eingangskraft bei der Temperatur der Anordnung darstellt,

C) eine weitere Generatoreinrichtung (266) zum Erzeugen eines Temperatursignales F_T, das die Temperatur der

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Anordnung darstellt, und

D) eine Generatoreinrichtung zum Erzeugen, eines Kraftsignales für den Gegenstand aus der gespeicherten Kalibrierfunktion einschließlich einer Auswerteeinrichtung zum Auswerten von W(F,T) mit F=F _w und T=F .

2. Kraft-Meßanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

eine Kalibriereinrichtung zum Erzeugen der Kalibrierfunktion W(F,T), wobei die Kalibriereinrichtung aufweist:

A) Eine Fühlersignal-Generatoreinrichtung zum Erzeugen einer Folge von Fühlersignalen abhängig von der Einwirkung einer Folge von m vorbestimmten Kräften auf eine Schale (212), wobei die Anordnung bei jeder von η Temperaturen T₁, T₂, ..., T_n ist,

B) eine Auflöseeinrichtung zum Auflösen der Kalibrierfunktion für a.(T) und zum Erzeugen von Koeffizientensignalen, die a.(T) für jede der η Temperaturen darstellen, mit i=1, 2, ..., m, wobei F jeweils gleich einem der bei der zugeordneten Temperatur erzeugten Fühlersignale und W(F,T) gleich den jeweiligen, den Fühlersignalen zugeordneten Kräften ist, und

C) eine Auflöseeinrichtung zum Auflösen von a.(T) für K.. und zum Erzeugen von Signalen, die K.. für jeden Wert i darstellen,

mit j=1, 2, ..., η und wobei a.(T) gleich einem der , den Temperaturen T., T₂/ .·., T zugeordneten Koeffizientensignale und T gleich den jeweiligen, den Koeffizientensignalen zugeordneten Temperaturen ist.

3. Kraft-Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß m=4 und n=3 vorliegen.

4. Kraft-Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlersignal-Generatoreinrichtung einen ersten Oszillator aufweist, wobei F_w die Frequenz dieses ersten Oszillators darstellt, und daß die Temperatursignal-Generatoreinrichtung einen zweiten Oszillator aufweist, wobei F_T die Frequenz dieses zweiten Oszillators darstellt.

5. Temperaturkompensierte Druck-Meßanordnung zum Messen eines Eingangsdruckes,

gekennzeichnet durch

A) eine Speichereinrichtung zum Speichern einer Kalibrierfunktion W(F,T) mit

^m W(F,T) Σ a, (T)F

wobei F eine Funktion des Eingangsdruckes ist und

T die Temperatur der Anordnung darstellt und mit

m η a. (T) = Σ Σ Κ, .T-³ ',. ¹ ^1J

wobei K.. Konstanten sind,

B) eine Fühlersignal-Generatoreinrichtung zum Erzeugen eines Fühlersignales F_w, das den Eingangsdruck bei der Temperatur der Anordnung darstellt,

C) eine Temperatursignal-Generatoreinrichtung zum Erzeugen eines Temperatursignales F , das die Temperatur der Anordnung darstellt, und

D) eine Drucksignal-Generatoreinrichtung zum Erzeugen eines Drucksignales für den Gegenstand aus der gespeicherten Kalibrierfunktion einschließlich einer Auswertungseinrichtung zum Auswerten von W(F,T) mit F=F_W und T=F_T.

6. Druck-Meßanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch

A) Eine Generatoreinrichtung zum Erzeugen einer Folge von Fühlersignalen abhängig von der Einwirkung einer Folge von m vorbestimmten Drücken auf die Schale (212), wobei die Anordnung bei jeder von η Temperaturen ι' ο ' · · · / ·*■r. ist,

B) eine Einrichtung zum Auflösen der Kalibrierfunktion für a.(T) und zum Erzeugen von Koeffizientensignalen, die a. (T) für jede der η Temperaturen darstellen, mit i=1, 2, ..., m, wobei F gleich einem der bei der zugeordneten Temperatur erzeugten Fühlersignale und W(F,T) gleich den jeweiligen, den Fühlersignalen zugeordneten Drücken ist, und

C) eine Einrichtung zum Auflösen von a.(T) für K.. und zum Erzeuge
darstellen,

zum Erzeugen von Signalen, die K.. für jeden Wert i

mit j = 1, 2, ..., n, wobei a. (T) gleich einem jeweiligen der den Temperaturen T₁, T₂, ..., T zugeordneten

Koeffizientensignalen und T gleich den jeweiligen, den Koeffizientensignalen zugeordneten Temperaturen ist.

7. Druck-Meßanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

daß m=4 und n=3 vorliegen.

8. Druck-Meßanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Fühlersignal-Generatoreinrichtung einen ersten Oszillator aufweist, wobei F die Frequenz des ersten Oszillators darstellt, und daß die Temperatursignal-Generatoreinrichtung einen zweiten Oszillator aufweist, wobei F_T die Frequenz des zweiten Oszillators darstellt.