Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
elektronische Waage und insbesondere auf eine elektronische Waage
des Typs, der mit elektromagnetischer Kraft zum
Ausbalancieren arbeitet.
-
Bei einer elektronischen Waage des Typs, der mit
elektromagnetischer Kraft zum Ausbalancieren arbeitet, wird eine
elektromagnetische Kraft, die dann erzeugt wird, wenn ein
Strom in einer in einem Magnetfeld angeordneten Kraftspule
fließt, als Gegengewichtskraft zu dem zu messenden Gewicht
einer Last benutzt, und das Gewicht einer solchen Last wird
auf der Basis des zur Erreichung des Gleichgewichts
zwischen dem Gewicht der Last und der elektromagnetischen
Kraft erforderlichen Stromwertes ermittelt. Elektronische
Waagen der genannten Art lassen sich je nach dem Verfahren
zur Stromversorgung der Kraftspule, dem Verfahren zum
Messen des Stromwertes und dgl. in die folgenden Typen
unterteilen:
-
(1) Durch Verändern des Tastverhältnisses eines
pulsierenden Stromes von etwa 500 bis 1000 Hz unter Verwendung
einer Rückführungsschleife wird die elektromagnetische
Kraft mit dem Gewicht einer Last ausbalanciert, und die
Impulsbreite wird durch Zählen der diese Schleife
passierenden Taktschritte gemessen.
-
(2) Ein pulsierender Strom, für den jedes beliebige
vorbestimmte Tastverhältnis von N Schritten gewählt
werden kann, fließt in der Kraftspule, so daß der Strom
mit dem Gewicht der Last grob ins Gleichgewicht
gebracht wird, und die verbleibende Gewichtsabweichung
wird durch ein Servosystem ausbalanciert. Der Wert des
in der Kraftspule fließenden Stromes wird durch gewich
tetes Addieren des gewählten Impulstastverhältniswertes
und des durch A-D-Konvertierung eines PID-Ausgangs in
dem Servosystem gewonnenen Wertes ermittelt.
-
(3) Das gesamte Gewicht der Last wird mit einer durch ein
Gleichstrom-Servosystem erzeugten elektromagnetischen
Kraft ausbalanciert, und der Wert eines im Zeitpunkt
des Erreichens dieses Gleichgewichts fließenden Stromes
wird A/D-gewandelt.
-
Von den vorstehend erwähnten bekannten Verfahren ist das
Verfahren (1) in Anbetracht der beschränkten
Auflösungs- und Ansprecheigenschaften unvorteilhaft. Genauer gesagt, der
Zyklus eines in der Kraftspule fließenden pulsierenden
Stromes ist wegen der Anzahl der dem Waagemechanismus
innewohnenden Vibrationen auf maximal etwa 2 Millisekunden begrenzt.
Wenn der Zyklus 2 Millisekunden überschreitet, vibriert der
Waagebalken erheblich. Infolgedessen ist es erforderlich,
die Impulsbreitenveränderung in diesem Zyklus von 2
Millisekunden durch Zählen von Taktschritten zu messen. Obwohl
jedoch Taktschritte von 30 MHz verwendet und gezählt werden,
lassen sich nur maximal 60 000 Zählungen (etwa 16 Bits auf
der binären Skala) erreichen, die die Grenze des
erzielbaren Auflösungsvermögens darstellen, wenn universelle
integrierte Schaltungen verwendet werden.
-
Bei dem oben erwähnten Verfahren (2) läßt sich die
Auflösung verbessern. Bei dem Verfahren (2) ergeben sich jedoch
folgende Probleme: Beim Messen des Gewichts einer Last, die
sich von Zeit zu Zeit verändert, beim Auswiegen oder dgl.
wird das in N Schritten bestimmte Impulstastverhältnis in
demjenigen Moment um einen Schritt verändert, in dem das
Gewicht den durch das Servosystem zu messenden Bereich
überschreitet. Zu diesem Zeitpunkt wird wegen der
Ansprecheigenschaften einer PID-Regelschaltung des Servosystems
vorübergehend ein übermäßig starker kraftausgleich erzeugt.
Dies führt zu Schwingungen des Waagemechanismus, so daß der
gemessene und angezeigte Wert vorübergehend erheblich
verändert wird.
-
Das oben erwähnte Verfahren (3) erfordert eine
A/D-Konverterfunktion von hoher Präzision. Hierfür ist große Stabilität
sowohl des Servosystems als auch des A/D-Konverters
erforderlich. Somit ist sowohl die Auflösung als auch die
Stabilität kaum sichergestellt. Bei dem analogen Servomechanismus
besteht eine gewisse Grenze für die Integrierung seiner
Schaltung, und eine Anzahl von Schaltungsabschnitten müssen
eingestellt werden. Es ist daher schwierig, die Leistungen
elektronischer Waagen zu vereinheitlichen, die jeweils mit
einem solchen analogen Servomechanismus arbeiten.
-
In Anbetracht des Vorstehenden hat die Erfinderin bereits
eine elektronische Waage vorgeschlagen, bei der (i)
pulsierende Ströme in Kraftspulen fließen, (ii) als digitales
Signal ein Signal abgerufen wird, das eine Verlagerung des
Gewichtsaufnahmegliedes repräsentiert und erfaßt wird, um
den Gleichgewichtszustand der Waage zu erfassen, (iii)
dieses digitale Signal digitalen PID-Operationen unterzogen
wird (Proportions-, Integrations- und
Differentiationsprozessen) und (iv) die Tastverhältnisse der in den kraftspulen
fließenden pulsierenden Ströme auf der Basis der Operations
ergebnisse ermittelt werden (Japanische
Patent-Offenlegungsschrift 3-63526).
-
Bei der elektronischen Waage nach dem vorstehend erwähnten
Vorschlag werden eine Vielzahl von Kraftspulenströmen
erzeugt, die jeweils unterschiedliche Stromwerte aufweisen,
denen jeweils verschiedene Tastverhältnisdaten zugeteilt
werden. Infolgedessen werden den Kraftspulen jeweils eine
Vielzahl von pulsierenden Strömen zugeführt, die jeweils
unterschiedliche Stromwerte (Spitzenwerte) und
unterschiedliche Tastverhältnisse aufweisen. Durch gewichtetes Addieren
der Tastverhältnisse wird die Auflösung verbessert.
-
Bei dem oben genannten Verfahren wird, obwohl die Auflösung
(die Anzahl der Bits) jeder Einrichtung zum Erzeugen von
pulsierendem Strom auf einen gewissen Pegel begrenzt ist,
die Gesamtsumme der jeweiligen Auflösungen als das
Auflösungsvermögen der Waage als Ganzes betrachtet. Somit kann
das Auflösungsvermögen der Waage als Ganzes nach Wunsch
vorteilhaft verbessert werden, indem man die Anzahl der
Einrichtungen zur Erzeugung von pulsierendem Strom und die
Anzahl der Divisionen der Tastverhältnisdaten des
pulsierenden Stromes vergrößert.
-
Wird dieses Verfahren jedoch bei einer elektronischen Waage
angewandt, die keine so hohe Präzision erfordert, wird die
Waage nach dem vorstehenden Verfahren ungünstig bezüglich
ihrer Kosten.
Aufgaben und Kurzbeschreibung der Erfindung
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung
einer elektronischen Waage, deren Auflösungsvermögen höher
ist als das mit jeder elektronischen Waage bekannter Art
erreichbare und die mit geringeren Kosten herstellbar ist
als die elektronische Waage nach dem vorstehend erwähnten
Vorschlag.
-
Um die genannte Aufgabe zu erfüllen, sieht die vorliegende
Erfindung eine elektronische Waage vor, die einen
Positionssensor zum Ermitteln der durch ein Gewicht bewirkten
Verlagerung umfaßt, eine in einem Magnetfeld angeordnete
Kraftspule zur Erzeugung einer Kraft zum Ausbalancieren des
aufgebrachten Gewichts, eine Stromquelle zur Versorgung der
Kraftspule, eine Gattereinrichtung zwischen der Stromquelle
und der Spule sowie eine Regelschaltung, die auf den Ausgang
des Positionssensors anspricht, um Gatterimpulse zum Steuern
der Gattereinrichtung derart zu erzeugen, daß ein
pulsierender Strom der Kraftspule zugeführt wird und das
Tastverhältnis des pulsierenden Stromes variiert wird, um das Gewicht
durch Verändern der Breite der Gatterimpulse in Schritten
auszubalancieren, die durch eine Taktgeberfrequenz bestimmt
werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung so
konstruiert ist, daß sie aufeinanderfolgende Gruppen von
Gatterimpulsen liefert, die jeweils eine zunehmende Anzahl
von Impulsen umfassen, deren Breite sich um einen Schritt von
derjenigen der anderen Impulse innerhalb der Gruppe
unterscheidet, bis das Gleichgewicht erreicht ist.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer solchen
elektronischen Waage wird der Kraftspule ein pulsierender Strom
zugeführt, der irgendein Tastverhältnis aufweist, das auf
einem gröberen Auflösungsvermögen basiert als die Anzeige
der Waage. Das Tastverhältnis des pulsierenden Stromes
verändert sich während einer vorbestimmten Zeitspanne mit einer
vorbestimmten Gewchwindigkeit. Das Tastverhältnis des
pulsierenden Stromes wird auffolgende Weise bestimmt. Ein
Ausgangssignal eines Verlagerungssensors zum Ermitteln des
Gleichgewichtszustands der Waage wird automatischen
Regelprozessen wie etwa PID-Operationen unterzogen und
anschließend in einer Datenverarbeitungseinheit in
Tastverhältnisdaten verwandelt. Die Tastverhältnisdaten werden nunmehr den
Erzeugungseinrichtungen für pulsierenden Strom zugeführt, um
das Tastverhältnis des durch diese gelieferten pulsierenden
Stromes zu verändern. Der durch die Waage angezeigte Wert
wird dadurch gewonnen, daß das Tastverhältnis des in der
Kraftspule fließenden pulsierenden Stromes in einen
Massewert verwandelt wird.
-
Wenn ein pulsierender Strom mit irgendeinem Tastverhältnis,
das aufgrund eines gröberen Auflösungsvermögens als die
Anzeige der Waage ermittelt wird, in der oben erwähnten Weise
in der Kraftspule fließt, läßt sich das für die
elektronische Waage erforderliche Auflösungsvermögen nicht erreichen.
Wenn sich jedoch der pulsierende Strom in einer
vorbestimmten Zeitspanne mit vorbestimmter Geschwindigkeit verändert,
unterscheidet sich der Wert des in der Kraftspule in einer
solchen Zeitspanne fließenden Stromes um einen
entsprechenden Betrag vom Wert eines Stromes, dessen Tastverhältnis
sich nicht verändert. Auf diese Art wird das
Auflösungsvermögen auf simulierte Weise verbessert.
-
Wird z.B. angenommen, daß der Zyklus des pulsierenden Stromes
gleich 2 Millisekunden ist, fließt in der Kraftspule 0,2
Sekunden lang ein Strom mit 100 Impulsen. Wird z.B. das
Tastverhältnis für nur einen dieser Impulse vergrößert, ist das
durchschnittliche Tastverhältnis in dieser Zeitspanne von
0,2 Sekunden gleich dem Tastverhältnis in einem Zeitpunkt, in
dem alle Impulse um 1/100 vermehrt sind. Somit kann die
Auflösung um zwei Stellen verbessert werden. Genauer gesagt,
wenn ein pulsierender Strom eines Spitzenwerttyps einfach
einer Kraftspule zugeführt und der Taktschritt zum Messen
der Impulsbreite z.B. auf 30 MHz eingestellt wird, ist das
Auflösungsvermögen auf etwa ein Zehntausendstel begrenzt.
-
Andererseits wird das Auflösungsvermögen der Waage nach
der vorliegenden Erfindung auf etwa ein Millionstel erhöht.
Im Unterschied zu der elektronischen Waage nach dem zuvor
erwähnten Vorschlag ist es bei der elektronischen Waage nach
der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, eine Vielzahl
von Typen pulsierender Ströme zu erzeugen und den
Kraftspulen zuzuführen. Somit ist die elektronische Waage nach der
vorliegenden Erfindung kostenmäßig günstiger als die Waage
nach dem oben erwähnten Vorschlag.
-
Für den Fall einer Störung kann die Software so
eingerichtet sein, daß die PID-Ausgänge nach der
Mittelwertsbestimmung in Tastverhältnisdaten umgewandelt werden oder daß ein
Tastverhältnissignal nach der Durchführung einer solchen
Datenverarbeitung erzeugt wird, um nicht bei einer
vorübergehenden Störung das Tastverhältnis zu ändern. Somit ist die
elektronische Waage nach der vorliegenden Erfindung
hinsichtlich der Stabilität des angezeigten Wertes im Fall von
Störungen gegenüber irgendeiner der Waagen bekannter Art
erheblich verbessert.
-
Wenn Vorkehrungen getroffen werden, um das Tastverhältnis
einer Vielzahl von Impulsen in einer vorbestimmten Zeitspanne
zu verändern, ist es mit Rücksicht auf eine Verringerung der
Variationen der zu erzeugenden elektromagnetischen Kraft
erwünscht, daß die Impulse mit verändertem Tastverhältnis in
regelmäßigen Zeitabständen auf alle in einer solchen
vorbestimmten Impulse verteilt werden. Dies erleichtert die
Filterung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer
elektronischen Waage nach einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
-
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels für die
Schaltungsanordnung eines A/D-Konverters 4, der in der
elektronischen Waage nach Fig. 1 verwendet wird;
-
Fig. 3 ist eine Darstellung, die die Arbeitsweise der
elektronischen Waage nach der vorliegenden Erfindung
zeigt;
-
Fig. 4 ist eine Darstellung, die die Anordnung des
Verlagerungssensors bei einer elektronischen Waage nach einer
anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt;
-
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung der
Hauptschaltung der elektronischen Waage bei einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
-
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der
Anordnung der Hauptschaltung einer elektronischen Waage
bei noch einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
Eingehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
-
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
Der Waagemechanismus 1 ist ein Mechanismus zum Ermitteln
des Gewichtes einer Last des an sich bekannten Typs, der
mit elektromagnetischer Kraft zum Ausbalancieren arbeitet.
Bei diesem Mechanismus ist eine Kraftspule 13 in einem
Magnetfeld angeordnet, das durch eine magnetische Schaltung
(nicht gezeigt) erzeugt wird. Wenn in dieser Kraftspule 13
ein Strom fließt, wird eine elektromagnetische Kraft erzeugt.
Die so erzeugte elektromagnetische Kraft wirkt auf ein
Gewichtsaufnahmeglied 12, das mit einer Platte 11 verbunden
ist, und wird so geregelt, daß sie mit einer auf die Platte
11 aufgebrachten Last W ins Gleichgewicht gebracht wird,
wie weiter unten näher erläutert. Die Regulierung der
beweglichen Einheit einschließlich der Platte 11 zur Bewegung
nur in senkrechter Richtung erfolgt vorzugsweise durch
einen Robervalschen Mechanismus (nicht gezeigt) (auch
Parallelführung genannt).
-
Das oben erwähnte Gleichgewicht kann auffolgende Weise
erreicht werden. Das Ausgangssignal eines Verlagerungssensors
14 zum Ermitteln der Verlagerung des Gewichtsaufnahmegliedes
12 in dem Waagemechanismus 1 wird in digitalen Daten
umgewandelt, die anschließend durch einen weiter unten zu
beschreibenden Mikrocomputer 5 verarbeitet werden, um dadurch
den in der Kraftspule 13 fließenden Strom zu verändern.
-
Ein Signal, das die Verlagerung des Gewichtsaufnahmegliedes
12 repräsentiert, wie sie durch den Verlagerungssensor 14
ermittelt wurde, wird durch einen Vorverstärker 3 verstärkt,
durch einen A/D-Konverter 4 digitalisiert und dem
Mikrocomputer 5 zugeführt. In Fig. 1 ist der Mikrocomputer 5 in
Form eines Blockdiagramms für Zwecke der Beschreibung nach
Funktionen unterteilt dargestellt. In den jeweiligen
Funktionsblscken des in Fig. 1 gezeigten Mikrocomputers sind
schematisch die durch den Mikrocomputer 5 durchgeführten
Funktionen nach den in einem ROM des Mikrocomputers 5
gespeicherten Programmen dargestellt. Genauer gesagt, umfaßt
der Mikrocomputer 5 Hardware bekannter Art wie eine CPU,
ROM, RAM und dgl.
-
Wie in Fig. 2 gezeigt, kann eine praktische Schaltung, die
als A/D-Konverter 4 dient, einen Sägezahnwellengenerator 41
zum Liefern von Sägezahnwellen in vorbestimmten Zyklen,
einen Komparator 42 zum Empfangen eines Ausgangssignals des
Sägezahnwellengenerators 41 und eines Ausgangs des
Verlagerungssensors 14, ein AND-Gatter 43 zum Empfangen des
Ausgangs des Komparators 42 und eines Taktschritts sowie einen
Zähler 44 zum Zählen der das AND-Gatter 43 passierenden
Taktschritte umfassen. Der Ausgang des Komparators 42 bildet ein
Impulsbreitensignal ergänzend zur Größe eines
Eingangssignals. Durch Zählen der Taktschritte, wobei das
Impulsbreitensignal als Gattersignal dient, werden für jeden Zyklus der
Sägezahnwellen digitalisierte Daten des
Verlagerungsermittlungssignals gewonnen.
-
Die digitalisierten Verlagerungssignale werden durch die PID-
Operationseinheit 51 abgerufen, in der die Daten digitalen
PID-Verarbeitungen unterzogen werden, d.h. Proportions-,
Integrations- und Differentiationsverarbeitungen. Die
Ausgangssignale der PID-Operationseinheit 51 werden über eine
Datenverarbeitungseinheit 52 einer Impulstastverhältnis-
Konvertereinheit 53 zugeführt, wo ein Impulstastverhältnis
signal erzeugt und einem Generator 2 für pulsierenden Strom
zugeführt wird. Die Anordnung ist so getroffen, daß der
Ausgang der Datenverarbeitungseinheit 52 als berechneter Wert
auf einem Anzeigegerät dargestellt wird.
-
Der Generator 2 für pulsierenden Strom umfaßt eine Schaltung
21 zur Erzeugung eines konstanten Stromes und einen
elektronischen Schalter 22, der entsprechend einem
Tastverhältnissignal der Impulstastverhältnis-Konvertereinheit 53
geöffnet/geschlossen wird. Der Generator 2 für pulsierenden
Strom soll einen pulsierenden Strom erzeugen, der einen
konstanten Spitzenwert aufweist, der auf dem Ausgangsstrom der
Generatorschaltung 21 für konstanten Strom basiert und
dessen Tastverhältnis den Daten der
Impulstastverhältnis-Konvertereinheit 53 entspricht. Der so erzeugte pulsierende Strom
wird der Kraftspule 13 zugeführt. Mit anderen Worten, die
Impulstastverhältnis-Konvertereinheit 53 liefert im Grunde
ein Tastverhältnissignal, dessen Verhältnis zwischen H (hoch)
und L (niedrig) in vorbestimmten Zyklen entsprechend den
digitalen Daten der Datenverarbeitungseinheit 52 variiert. Durch
ein Tastverhältnissignal der Impulstastverhältnis-Konverter
einheit 53 wird der elektronische Schalter 22
EIN/AUS-geschaltet. Der elektronische Schalter ist so eingerichtet, daß
er einen von der Generatorschaltung 21 für konstanten Strom
kommenden Gleichstrom zerhackt. Somit fließt in der
Kraftspule 13 ein pulsierender Strom, dessen Tastverhältnis mit
den Ausgangsdaten der Datenverarbeitungseinheit 52 variiert.
-
Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß dann,
wenn man annimmt, daß das erforderliche Auflösungsvermögen
der Waage z.B. auf 1/1 000 000 festgesetzt ist, ein durch
die Impulstastverhältnis-Konvertereinheit 53 erzeugtes
Tastverhältnissignal normalerweise 20 Bits benötigt, doch das
Tastverhältnissignal bei dieser Ausfuhrungsform weist 16 Bits
auf. Genauer gesagt, wenn man annimmt, daß die Frequenz eines
in der Impulstastverhältnis-Konvertereinheit gleich 30 MHz
und der Zyklus des Impulstastverhältnisses gleich 2
Millisekunden ist, ist der Innenwert, der durch den Zähler 44
gezählt wird, auf 60 000 Zählungen begrenzt, was grob
gerechnet 16 Bits entspricht. Der Fehlbetrag der Bitzahl wird
dadurch ausgeglichen, daß das Tastverhältnissignal periodisch
verkleinert und vergrößert wird, wie weiter unten näher
erläutert. Infolgedessen fließt in der Kraftspule 13 ein
pulsierender Strom mit im wesentlichen hohem Auflösungsvermögen.
-
Auf der Basis der Temperatur eines Dauermagneten (nicht
gezeigt) in der Magnetschaltung, die durch einen in dem
Waagemechanismus 1 angeordneten Temperatursensor 15 ermittelt wird,
wird ein Temperaturausgleich für einen durch die
Generatorschaltung 21 für konstanten Strom erzeugten Strom in der Weise
geschaffen, daß der Strom mit einer Geschwindigkeit variiert,
die gleich derjenigen der Variation der Magnetfeldstärke in
der
magnetischen Schaltung ist.
-
Es folgt eine eingehende Beschreibung der Arbeitsweise der
oben genannten Ausführungsform anhand eines in Fig. 3
gezeigten EIN/AUS-Ablaufdiagramms des elektronischen Schalters 22
(Wellenformen des Impulstastverhältnissignals der
Impulstastverhält-Konvertereinheit 53).
-
Wie weiter oben erwähnt, erzeugt die Impulstastverhältnis-
Konvertereinheit 53 lediglich ein Tastverhältnissignal mit
einem Auflösungsvermögen von 16 Bits. Dementsprechend beträgt
dann, wenn dieses Signal verarbeitet wird, beispielsweise der
auf 5000H folgende Wert 5001H. Andererseits ist für die Waage
ein Auflösungsvermögen von z.B. 20 Bits erforderlich.
-
Wie in Fig. 3(A) und (B) gezeigt, wird entsprechend der 16-
Bit-Auflösung das Tastverhältnis eines
Impulstastverhältnissignals zum Erzeugen des Wertes 5001H um eine Breite t
gegenüber demjenigen für 5000H vergrößert. Für Zwecke der
Beschreibung sind die Impulse in 5000H und diejenigen in 5001H in
Fig. 3 mit A bzw. B bezeichnet.
-
Wird beispielsweise eine hexadezimale Ziffer von 5001H unter
Verwendung eines Signals mit einer solchen Auflösung
gebildet, erzeugt die Impulstastverhältnis-Konvertereinheit 53
fünfzehn Impulse A von 5000H und einen Impuls B von 5001K
während eines Zyklus von sechzehn Impulserzeugungen, wie in
Fig. 3(C) gezeigt. Um 5002K zu erzeugen, liefert die
Impulstastverhältnis-Konvertereinheit 53 vierzehn Impulse A und
zwei Impulse B während eines Zyklus von sechzehn
Impulserzeugungen. Um 5008H zu erzeugen, liefert die
Impulstastverhältnis-Konvertereinheit 53 acht Impulse A und acht Impulse B
während eines Zyklus von sechzehn Impulserzeugungen, wie in
Fig. 3(D) gezeigt. Wird während eines Zyklus von sechzehn
Impulserzeugungen der Impuls B von großer Breite mehrere Male
erzeugt, ist es mit Rücksicht auf die Filterung von Vorteil,
die Impulse B in regelmäßigen Zeitintervallen während eines
Zyklus zu verteilen, wie in Fig. 3 gezeigt. Genauer gesagt,
wenn die bewegliche Einheit einschließlich des
Gewichtsaufnahmegliedes 12 infolge eines in der Kraftspule 13
fließenden Stromes vibriert, ist es vorteilhafter, den pulsierenden
Strom in einer wie oben beschrieben ausgeglichenen Art fließen
zu lassen. Ferner ist das Erzeugen der Impulse in den oben
erwähnten regelmäßigen Zeitintervallen vorteilhaft wegen des
geringeren Auftretens von Welligkeiten während der Filterung,
obwohl ein System angewandt wird, bei dem der pulsierende
Strom eine Filterschaltung passiert, wodurch der pulsierende
Strom in einen Gleichstrom verwandelt wird, der in der
Kraftspule 13 fließt.
-
Der Kraftspule 13 wird der oben erwähnte pulsierende Strom
zugeführt, der auf der Basis des Impulstastverhältnissignals
zerhackt wird und einen effektiven Stromwert aufweist, der
äquivalent zu dem Gewicht der Last ist. Infolgedessen ist
dann, wenn der Waagemechanismus 1 ins Gleichgewicht gebracht
wird, der Ausgang des A/D-Konverters 4 gleich O oder gleich
einem vorbestimmten Bezugswert. (Beispielsweise wäre eine
Hälfte des gezählten Wertes auf der vollen Skala
vorzuziehen, wenn der A/D-Konverter verwendet wird, der keinen
Minuswert mißt.) Somit konnen die Anzahl der Bits, die
Linearität, Spannweitenvariationen und dgl. des
A/D-Konverters 4 unbeachtet bleiben. Das heißt, der A/D-Konverter 4
braucht nur zu arbeiten, bis der Waagemechanismus 1 ins
Gleichgewicht gebracht ist. Infolgedessen ist bei dem A/D-
Konverter 4 nur die Nullpunktstabilität wichtig.
-
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform ist ein System,
bei dem der Verlagerungssensor 14 vom analogen Typ
verwendet und sein Ausgangssignal in digitale Daten verwandelt wird.
Der Sensor ist jedoch nicht auf einen solchen des analogen
Typs beschränkt. Es kann z.B. als Verlagerungssensor ein
CCD-Liniensensor 140 vom digitalen Typ verwendet werden, wie
in Fig. 4 gezeigt. In diesem Fall wird der A/D-Konverter 4
nicht benötigt. Ferner ist es dann, wenn ein solcher
digitaler Verlagerungssensor zum Empfangen eines optischen
Signals verwendet wird, vorzuziehen, das optische Signal, das
mit der Verlagerung des Gewichtsaufnahmegliedes 12 variiert,
optisch zu vergrößern und das so vergrößerte Signal dem
Sensor zuzuführen. Da die aufgrund des Auflösungsvermögens des
Verlagerungssensors verbleibende minimale Verlagerung
eingeengt werden kann, bewährt er sich gut für eine Waage von
größerer Empfindlichkeit. Als digitaler Verlagerungssensor
können neben dem mit optischem Signal arbeitenden Sensor
folgende Vorrichtungen verwendet werden: ein Sensor, bei
dem ein Kondensator des Parallelplattentyps an dem
Gewichtsaufnahmeglied 12 und dem stationären Teil des
Waagemechanismus befestigt ist, läßt sich durch eine Verlagerung des
Gewichtsaufnahmegliedes 12 in seiner Kapazität verindern,
so daß eine den Kondensator enthaltende
Oszillationsschaltung in ihrer Oszillationsfrequenz verändert wird, die als
Ausgangssignal des Sensors benutzt wird; und ein Sensor, bei
dem eine Spule und ein Ferritkern jeweils an dem stationären
Teil der Waage bzw. an dem Gewichtsaufnahmeglied befestigt
sind und die Induktivität der Spule durch eine Verlagerung
des Gewichtsaufnahmegliedes verändert werden kann, so daß
eine die Spule umfassende Oszillationsschaltung in ihrer
Oszillationsfrequenz verändert wird, die aus Ausgangssignal
des Sensors dient.
-
Wie aus der bisherigen Beschreibung hervorgeht, werden alle
PID-Operationen nicht notwendigerweise auf digitale Art
ausgeführt, sondern die vorliegende Erfindung kann so
ausgeführt werden, daß die PID-Operationen ganz oder zum Teil
analog erfolgen.
-
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der
Anordnung der Hauptschaltung einer elektronischen Waage nach einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
-
Bei dieser Ausführungsform wird das Ausgangssignal eines
Verlagerungssensors 14 des analogen Typs durch einen
Verstärker
501 verstärkt und danach durch eine analoge
PID-Operationsschaltung 502 verarbeitet, und der Ausgang der PID-
Operationsschaltung 502 wird durch einen A/D-Konverter 503
digitalisiert und anschließend einem Mikrocomputer 504
zugeführt. Nunmehr erzeugt der Mikrocomputer 504 ein
Impulstastverhältnissignal, wie zuvor erwähnt, das auf den
digitalen Daten beruht. Bei dieser Ausführungsform sind die übrigen
Anordnungen die gleichen wie bei derjenigen nach Fig. 1.
-
Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der
Anordnung der Hauptschaltung einer elektronischen Waage nach
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Bei dieser Ausführungsform wird der Ausgang eines
Verlagerungssensors 14 des analogen Typs durch einen Verstärker 601
verstärkt und anschließend durch eine analoge
PD-Operationsschaltung 602 verarbeitet. Der Ausgang der PD-Operationsschaltung
602 wird durch einen A/D-Konverter 603 digitalisiert und dann
einem Mikrocomputer 604 zugeführt. In dem Mikrocomputer 604
werden die digitalen Daten durch eine digitale Operation
integriert, um ein PID-Signal zu erzeugen. Das PID-Signal wird
nunmehr in der gleichen Weise wie zuvor beschrieben in ein
Impulstastverhältnissignal verwandelt.
-
Die Anordnung nach Fig. 6 kann so verändert werden, daß der
Ausgang des Verstärkers 601 einer analogen PD-Operationsschaltung
602 zugeführt wird und zu gleicher Zeit der Ausgang des
Verstärkers 601 digitalisiert und dem Mikrocomputer 604 zugeführt wird.
-
In dem Mikrocomputer 604 werden die digitalisierten Daten
einer Integrationsverarbeitung unterzogen. Die aus der
Integration resultierenden Daten werden mit den durch Digitalisieren
der Ergebnisse der analogen PD-Operation gewonnenen Daten
vereinigt.
-
Es liegt auf der Hand, daß gemäß der vorliegenden Erfindung
anstelle der PID-Operationen andere bekannte automatische
Regelverarbeitungen durchgeführt werden können, die den
PID-Operationen äquivalent sind.
-
Zusammenfassend gesagt, wird bei der beschriebenen Anlage eine
16-Bit-Digitalschaltung bekannter Art benutzt, um Gatterimpulse
mit einer durch einen 30-MHz-Taktgeber gesteuerten Periode von
2 Millisekunden zu erzeugen, wobei die Breite der
Gatterimpulse durch den Positionssensor geregelt wird, der ermittelt, wann
die elektromagnetische Kraft das Gewicht ausbalanciert. Jede
Gatterimpulsperiode wird durch 60 000 Taktgeberschritte
bestimmt, und da die kleinstmögliche Veränderung der
Gatterimpulsbreite ein Taktgeberschritt ist, liegt das Auflösungsvermögen
in der Größenordnung von 1 zu 10 000. Hierfür ist die Tatsache
maßgebend, daß bei den verwendeten normalen digitalen
Schaltungselementen nur 16 Bits zur Verfügung stehen.
-
Um eine höhere Auflösung in der Größenordnung von eins zu
einer Million zu simulieren, werden aufeinanderfolgende Gruppen
von Gatterimpulsen (die bei diesem Beispiel aus je sechzehn
Impulsen bestehen) veranlaßt, jeweils eine zunehmende Anzahl von
Impulsen zu umfassen, deren Breite um eine Einheit
(Taktschritt) verändert ist. Somit ist es durch gleichmäßiges
Verteilen des Effekts innerhalb der Gruppe möglich, Werte zwischen
den einzelnen Taktschrittvergrößerungen zu interpolieren und
somit ein erhöhtes Auflösungsvermögen zu erreichen. Solange
der Positionssensor eine Verlagerung aus der
Gleichgewichtsposition anzeigt, wird die Gatterimpulsbreite in Schritten von
einer Einheit (einem Taktschritt) verändert, wodurch eine grobe
Einstellung erreicht wird, und in der Nähe des Gleichgewichts
werden die Proportionen schmalerer und breiterer Impulse in
einer Gruppe fortschreitend verändert, um eine Feineinstellung
zu gewinnen.