Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Waage als echten Massen¬ messer, bei der das Gewicht des Wägegutes mit dem Gewicht einer Refe- renzmasse verglichen wird, welche Waage nur beim Hersteller geeicht wer¬ den muss und sowohl bei Schiefstellung als auch bei vom Normalwert ab¬ weichender Schwerebeschleunigung g und beim Vorhandensein von Vertikal¬ beschleunigungen ohne Nacheichung die Masse des Wägegutes richtig ermit¬ telt, wobei sowohl Schiefstellung als auch Vertikalbeschleunigung ein- flussmässig grosse Bruchteile der Schwerebeschleunigung g erreichen dürfen.

Der kombinierte Einfluss der drei genannten Grossen wird fortan die wirksame Lokalbeschleunigung genannt. Ein Kraftmesser isst primär immer das Gewicht des Wägegutes. Dieses ist bei gegebener Masse abhängig von der lokalen Schwerebeschleunigung g; es gilt also

G = m g. Steht der Kraftmesser auf einem unruhigen, aber horizontalen Fundament, so treten zusätzlich dynamische Kräfte auf. Die festgestellte Kraft ist dann:

G'= m(g+z), bzw. bei Schiefstellung: G*'= m(g+z)cosα

Ein reiner Kraftmesser ist also nur in nivelliertem Zustand auf ruhigem Fundament und beim Normalwert von g, mithin also bei Eichbedingungen zur Ermittlung der Masse des Wägegutes einzusetzen. Sollen sowohl Schief¬ stellung als auch Unruhe des Fundamentes kompensiert werden, so hat die Massenermittlung über den Vergleich mit einer Referenzmasse zu gesche¬ hen, ein Verfahren, das mit der alten - rein mechanischen - Krämerwaage, beispielsweise nach Beranger gelöst wurde. Moderne Ladenwaagen und Wäge- automaten in Abpackstrassen sind - sofern sie auf einer einzigen Kraft¬ messung basieren - grundsätzlich am Einsatzort zu eichen. Damit wird der lokalen Schwerebeschleunigung Rechnung getragen, und anfällige Fehler im Nivellement sind durch die Eichung ebenfalls berücksichtigt. Bei Waagen mit Referenzmasse - wie beispielsweise in der CH-PS 492 961 be- schrieben - können Schiefstellungen von mehr als 5% Steigung fehlerfrei

berücksichtigt werden. Waagen mit Referenzmasse , wie beispielsweise die in der genannten Patentschrift beschriebene, sind theoretisch völlig un¬ empfindlich auf Nivellierfehler, praktisch jedoch nur bis zu einem be¬ stimmten, kleinen Grenzwinkel. Sowohl die Gewichtskraft der Nutzlast, als auch die der Referenzmasse sind proportional zur wirsamen Lokalbe¬ schleunigung. Dies gilt jedoch streng nur, wenn keine elastischen Vor¬ lasten vorkommen, wie weiter hinten ausführlich gezeigt wird. Soll hingegen auf eine örtliche Nacheichung und auf korrektes Nivelle¬ ment gänzlich verzichtet werden, so versagen die bisher bekannten Lösun- gen. Dies ist besonders der Fall, wenn beispielsweise eine Abpackstrasse auf einem Schiff installiert werden soll, wo während der Fahrt auf See das tiefgekühlte Fanggut abgepackt wird, oder bei ortsfesten industriel¬ len Abpackstrassen, die für die Waage eine dynamisch unruhige Umgebung schaffen. Die dabei auftretenden dynamischen Zusatzlasten können leicht 10/r der lokalen Schwerebeschleunigung ausmachen und überschreiten.

Die Aufgabe, die durch die vorliegende Erfindung gelöst werden soll, be¬ steht darin, eine Waage zu schaffen, die nur einmal beim Hersteller ge¬ eicht werden muss und im Betrieb unter verhältnismässig grossen dynami¬ schen Zusatzlasten und unter unbekannter Schiefstellung die korrekte Masse des Wägegutes feststellt und anzeigt, ohne nachgeeicht werden zu müssen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe trägt - in bezug auf das Verfahren - die im Patentanspruch 12 genannten Merkmale; in bezug auf die Vorrich¬ tung diejenigen des Patentanspruches 1. Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung werden anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus der erfindungsge- mässen Waage, Fig. 2 eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Waage

Fig. 3 das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 von der gegenüberliegenden

Seite, Fig. 4a,b eine zweites Ausführungsbeispiel eines Teiles der erfinduπgs- gemässen Waage,

Fig. 5a,b ein drittes Ausführungsbeispiel eines Teiles der erfindungsge¬ mässen Waage, Fig.6 eine schematische Darstellung des Rechners

Die schematische Darstellung nach Fig. 1 zeigt auf einer gemeinsamen Grundplatte 1 montiert zwei im wesentlichen gleiche Kraftmesser 2,3 und einen Rechner 4 mit Anzeigevorrichtung 5 und einem Anschluss 6 für die externe Weiterverarbeitung der Wägedaten und zur Aufnahme von externen Steuerbefehlen. Der Kraftmesser 2 misst die Kraft, mit der das Wägegut - das durch einen symbolischen Gewichtstein 7 (der Masse m _x ) dargestellt ist - die Waage belastet; der Kraftmesser 3 misst die Kraft, die von einer konstanten und festmontierten Referenzmasse 8 (m _r ) ausgeht. Beide Kraftmesser sind mit dem Rechner 4 verbunden, wie durch zwei Leitungen 49,5üschematisch dargestellt ist.

Bevor auf die Darstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung und des erfindungsgemässen Verfahrens eingegangen wird, soll das dem Stand der Technik entsprechende Verfahren kurz geschildert werden: Unter der Annahme, beide Kraftmesser 2,3 seien ideale Vorrichtungen, wo- runter hier verstanden wird, dass nur Massenkräfte vorkommen, wie es dem Stande der Technik entspricht, gilt für die ermittelten Kräfte

W _χ = m _χ (g+z) .cosα (1 )

W _r = m _r (g+z).cosα (2)

und daraus vom Rechner 4 ermittelt

Wx . mx (3) W _r - m _r ^x

Die Kraftmesser 2, 3 sind so gebaut, dass sie nur auf Kräfte in ihrer eigenen momentanen Vertikalrichtung reagieren (also ihrem einzigen Frei-

heitsgrad, sofern die Kräfte über Parallelführungen eingeleitet werden); damit fallen Horizontalbeschleunigungen ausser Betracht. Steht die er- findungsgemässe ^' Waage nach Fig. 2 schief, so wirkt sich dies für beide Kraftmesser 2,3 als Aenderung der lokalen Schwerebeschleunigung g aus; dies lässt das Verhältnis (Gleichung (3)) von Wx / W _r unberührt. Ebenso haben Horizontalbeschleunigungen bei schiefstehender Waage wiederum auf beide Kraftmesser 2,3 den gleichen Einfluss, womit das Verhältnis W _x / Wr unverändert bleibt. Es bleibt der Einfluss von Winkelbeschleunigungen ä zu untersuchen. Se zJr der seitliche Abstand (von Mitte zu Mitte) der beiden Kraftmesser 2,3 und das momentane Zentrum der Drehbeschleunigung ä um den Betrag r zum Kraftmesser 2 seitlich versetzt, so wirken (allein aus der Drehbe¬ schleunigung £ ) unterschiedliche Vertikalbeschleunigungen Z _x und 2 _r auf die beiden Massen m _χ und m _r . Dann gilt z _χ = r ä z _r ^' = [ r+Δr ) ' ä und demzufolge

W _x _ m _x (g+rä) _{^ x {} - ä jr . (4 )

W _r m _r (g+r ( l ± zl r/r - ä H ^my g+rä

Den Korrekturterm von Gl . (4) gilt es abzuschätzen:

Bei Rollbewegung eines Schiffes, bei der noch gearbeitet wird, und somit auch gewogen werden kann, gilt

ä * - 0,2 se ^"1 rä«»0,1 g Ist ferner r «=* 10m Δr ^■ * 0,1m folglich

Δr ä^ 0 ^"3 g So stellt sich άer Störterm in der Klammer von Gl.(4) nur auf etwa 1 %o.

Steht anderseits eine Waage auf einem vibrierenden Tisch in industriell unruhiger Umgebung, so kann ä allenfalls unangenehm gross werden, aller-

dings verbunden auch mit verhältnismässig grossem ό. Für diesen Fall ist es wesentlich, dass dem Stand der Technik entsprechend, digitale Waagen über eine sogenannte "Ruhekontrolle" verfügen, mit der konsekutive Wäge- resultate verglichen werden; liegt eine Abweichung vor, die über eine vorgegebene Grosse hinausgeht, so wird kein Wägeresultat angezeigt. Mit dieser bekannten Ruhekontrolle werden Fehlanzeigen vermieden bzw. unter¬ drückt.

Das erfindungsgemässe Verfahren besteht nun im wesentlichen darin, so¬ wohl bei nivellierter, als auch bei schiefstehender Waage die Messwerte des Referenzkraftmessers 3 und des Kraftmessers 2 - bei diesem sowohl in unbelastetem Zustande, als auch mit genau bekannter Vollast - aufzuneh¬ men. Diese Werte werden im Rechner 4 gespeichert (teilweise nach Weiter¬ verarbeitung); im Wägebetrieb dienen sie dann dazu, aus dem Messwert für die zu bestimmende Masse deren wahre Grosse zu ermitteln

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Waage in einer Seitenansicht. Man blickt - in bezug auf Fig. 1 - von rechts auf die Waage. Der Rechner 4 wurde in Fig. 2 weggelassen, gehört jedoch er- findungsgemäss zu Vorrichtung und Verfahren. Ebenfalls weggelassen wurde in Fig. 2 - um die Zeichnung nicht zu überlasten - der Kraftmesser 3, der jedoch integrierender Bestandteil der Erfindung ist. Er ist darge¬ stellt in den Fig. 3,4,5.

Der in Fig. 2 dargestellte Kraftmesser 2 zur Messung der von m bewirk¬ ten Massenkraft ist an sich bekannt aus der CH Pat. Anm.03 040/87-4: Eine elastische Parallelführung 26, bestehend aus einem Gestell 9, zwei im wesentlichen parallelen Platten 10,11, einem Lastträger 12 und vier elastischen Bandgelenken 13 bis 16, trägt über ein Verbindungsstück 17 eine Waagplatte 18 mit der als Gewichtstein 7 symbolisierten Nutzlast. Die Parallelführung 26 ist gefesselt durch einen Lastaufnehmer 19, der die bei Belastung der Waagplatte 18 entstehende Druckkraft in ein elek¬ trisches - vorzugsweise digitales - Signal umwandelt. Als Lastaufnehmer 19 kommen beispielweise in Frage: Piezolektrische Wandler, Dehnmess- streife -Wandler, Schwingsaitenwandler, elektromagnetische Kompensatc- ren, Halleffekt-Wandler.

Ein ein- und feststellbarer Anschlag 20 (in den Figuren vereinfacht dargestellt) begrenzt die - ohnehin kleine - Bewegung des Lastträgers 12 bei Ueberlast na ^' ch unten und dient auch als Transportsicherung. Durch die vier rückstellmomentbehafteten Bandgelenke 13 bis 16 und die Nach- giebigkeit des Lastaufnehmers 19wird eine Kraftteilung bewirkt: Ein Teil der auf den Lastträger 12 wirkenden Kraft fliesst direkt über die Par¬ allelführung 26 in das Gestell 9; der andere Teil wird vom Lastaufnehmer 19 gemessen und an das Gestell 9 weiter abgeleitet. Es ist im Erfin¬ dungsgedanken mitenthalten, dass auf den Lastaufnehmer 19, bei anderem Aufbau der Kraftmesser 2, 3, eine lastproportionale Zugkraft wirkt.

Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Kraftmessers 3, der die von der Referenzmasse 8 (m _r ) herrührenden Massenkräfte misst. Sein Auf¬ bau ist ^" hier grundsätzlich von der gleichen Art, wie diejenige des Kraftmessers 2: Eine Parallelführung 26, die aus gleichen und gleich bezeichneten Teilen besteht ^" . Sie trägt anstatt der Waagplatte 18 eine als Quader ausgebildete Referenzmasse 21. Die Kraftmesser 2 und 3 sind parallel zueinander, in gleicher Lage und nahe benachbart auf der Grund¬ platte 1 befestigt. Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4a,b ist die Referenzmasse aufgeteilt in zwei Platten 22, die je eine Masse von m II aufweisen. Die Platten 22 sind beispielsweise mit je drei Schrauben 23 am Lastträger 12 des Kraft¬ messers 3 befestigt und erstrecken sich beispielsweise bis über das Ge¬ stell 9. Der Vorteil dieser Anordnung besteht in der geringen Bauhöhe. Fig. 4a zeigt das gleiche Ausführungsbeispiel von der Seite, Fig. 4b vom Lastträger 12 aus gesehen.

Fig. 5a,b sind analog zu Fig. 4 a,b aufgebaut. Fig. 5a zeigt ein weite¬ res erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel des Kraftmessers 3. Die Refe- renz asse 24 ist hier als nach unten sich öffnendes U-Profil gestaltet, das beispielsweise mit 3 Schrauben 25 am Lastträger 12 des Kraftmessers 3 befestigt ist. Es erstreckt sich ebenfalls, wie im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 a,b ,bis über das Gestell 9. Die beiden Kraftmesser 2,3 sind hier gleich aufgebaut und dimensioniert. An sich ist für den Kraftmesser 3, der die Gewichtskraft der Referenz-

masse 8 bzw. 22, bzw. 24 misst, möglichst wenig elastische Untersetzung erwünscht, da sonst die notwendige Referenzmasse unzweckmässig gross gemacht werden muss. Das nachstehend detailliert beschriebene Eich- und Wägeverfahren ist an sich unabhängig vom gewählten Kraftmesser-Typ. Grundsätzlich ist es auch auf beliebige Kraftaufnehmer - selbst analoge - anwendbar. Ob die verwendeten Kraftaufnehmer die zu messende Kraft di¬ rekt in ein digitales elektrisches Signal verwandeln, oder ob ein AD- Wandler nachgeschaltet wird, ist an sich unerheblich.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung des Rechners 4. Er enthält eine mit CPU bezeichnete zentrale Recheneinheit 27, die eingangsseitig mit einem Pufferspeicher 29 verbunden ist. Diesem werden über einen Eingangsstecker 29 die Messwerte der zwei Kraftmesser 2,3 und die Messwerte von anfälligen Temperaturmessfühlern zugeführt. Ferner ist die zentrale Recheneinheit 27 verbunden mit einem Festspeicher (PROM oder EPROM) 30, der in einem Bereich 31, die Eichgrössen (s, S] , N"| , R-j , P, Q), einem Bereich 32 die Linearisierungsparameter und in einem Bereich 33 die Parameter der Temperaturkompensation permanent gespei¬ chert enthält. Das zentrale Rechenwerk steuert ferner eine Ausgabe- Einheit 34, die die Wägedaten aufbereitet zur numerischen Darstellung auf einer Anzeigeeinheit 35, oder sie in binär kodierter Form über den Anschluss G an externe Datenverarbeitungssituationen weitergibt, wie beispielsweise Etikettendrucker, Lagerbuchhaltungsrechner u. . In Fig. 6 ist der Rechner verbunden dargestellt mit einem Hilfsgerät 36, das nur bei der Eichung benötigt wird. Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 6 weist dieses sechs Tasten 37-42 auf. Durch Drücken der entsprechenden Taste wird bei der Eichung dem Rechner 4 die Anweisung erteilt, den angewählten Wert zu speichern. Die Kontakte der Tasten 37-42 sind verbunden mit einem Rechenwerk 43, das über eine Leitung 44 mit der zentralen Recheneinheit 27 verbunden wird.

Ein nicht gezeichnetes Ausführungsbeispiel verwendet anstelle des Hilfs¬ gerätes 36 einen Tischrechner, der entsprechend programmiert ist.

Das Eich- und das Wägeverfahren gehen aus von folgenden Grundtatsachen und Gleichungen:

Die vom Lastaufnehmer 19 festgestellte Kraft setzt sich zusammen aus Massenkräften F _m = m(g'+z) und elastischen Kräften, die massenunabhängig sind und als Vorspannung in Erscheinung treten. Mit g' ist die Komponen¬ te der Schwerebeschleunigung bezeichnet, die mit dem einzigen Freiheits- grad der Parallelführung zusammenfällt. Da beide Kraftmesser 2,3 bei¬ spielsweise elastisch untersetzend sind, wirkt nur ein bestimmter Anteil der &osenkräfte auf die Lastaufnehmer 19. Ferner gehört zu den Grund¬ tatsachen eine rechnerische Kompensation des Temperaturgangs der beiden Kraftmesser 2,3, zu welchem Zweck die erfindungsgemässe Waage einen oder mehrere Temperaturfühler enthält, die ebenfalls mit dem Rechner 4 ver¬ bunden sind. Eine weitere Grundtatsache besteht darin, dass die beiden Kraftmesser 2,3 durch mechanische Mittel erzielte lineare Kennlinien aufweisen, oder der Rechner 4 diese Linearisierung vornimmt. Unter die¬ sen Voraussetzungen wird beim Hersteller die Eichung der Waage vorgenom- men. Diese erfolgt unter kontrollierten Bedingungen in bezug auf Ruhe, Neigung, Belastung und Temperatur.

Die Ideale Beziehung für die Gewichtskraft G, mit der eine Masse auf einen beliebigen Kraftmesser drückt, ist G = m g ₀ , wo go der momentane und lokale Wert der Fallbeschleunigung ist. Steht dieser beliebige Kraftmesser an einem Orte, wo eine andere Fallbeschleu¬ nigung wirkt, ^' steht er ferner schief um den Winkel α und unterliegt selbst einer Vertikalbeschleunigung z, so wirkt auf ihn die Kraft G ¹ : G' = m(g ₀ +,dg+ ^' z) cosα Aus praktischen Ueberlegungen kann bei der vorliegenden Erfindung der Zusatzterm auf h≤0,2 beschränkt werden. Ein Kraftmesser kann Aenderungen von g, Neigungsein¬ flüsse und Vertikalbeschleunigungen grundsätzlich nicht unterscheiden. Die Eichung kann also prinzipiell auf zwei verschiedenen Winkeln a ^~ und ^Q - durchgeführt werden, wobei αi= o angestrebt, aber nicht sicher er¬ reicht wird. Zur Eichung werden bei jedem der beiden Winkel α vier Werte ermittelt und im Rechner 4 gespeichert. Es sind dies:

bei a] a2 zu speichernde Werte

R] R2 Die Werte des Referenzkraftmessers 3

N] N2 Die Nullpunktswerte des Kraftmessers 2 bei leerer Waagplatte 18

M M2 Die Gewichtswerte des Kraftmessers 2 bei Vollast

S ^~ _\ S2 Die Werte "Bereich", wobei Sj = Mj - Nj

Bei linearisierter und temperaturkompensierter Wägecharakteristik gelten dabei folgende Beziehungen:

Rl = B+b'rg ₀ (l+h-|) .

R = B+b'rg ₀ ⁽ l+h2) N ₂ = A+a'ng ₀ (l+h2)

M-j = A+a'(n+s)g (l+h-|) 2 = A+a' (n+s)g ( 1+h 2) und damit

S- = Mi-N-i = a'sg ₀ (l+hι) S ₂ = M ₂ -N ₂ = a'sg ₀ (l+ wo

A = ^' elastische Vorlast des Kraftmessers 2 B = elastische Vorlast des Kraftmessers 3 a' = Uebersetzungskoefizient des Kraftmessers 2 b' = Uebersetzungskoefizient des Kraftmessers 3 n = alle schweren Massen, die bei leerer Waagplatte 18 auf den Kraftmesser 2 wirken r = alle schweren Massen (im wesentlichen die Referenzmasse 8), die auf den Kraftmesser 3 wirken s = Masse des Eichgewichtsteins, der auf der Waage Vollast erzeugt. Damit ist der erste Teil des Eichverfahrens abgeschlossen. Der zweite besteht aus der Verarbeitung der acht Werte im Rechner 4, wobei folgende Rechnungsgrössen erzeugt und wiederum gespeichert werden:

- 10 -

Q = (6)

Sl Ri Wie mit Hilfe der nun gespeicherten Werte P und Q der richtige Wert m einer unbekannten Masse aus der vom Kraftmesser 2 ermittelten Grosse M rechnerisch bestimmt wird, soll folgende Rechnung zeigen.

Da die Waage zwischen Schiefstellung und kleinerer Fallbeschleunigung grundsätzlich nicht unterscheiden kann, darf man setzen

g = g ₀ (l+hι) "horizontal"

Eichung l+h2 g ₀ (l+h2) = g THrf ⁼ gO+e) "schief

und g π+n _x ) = g 1+h X. - g(l+x) Betrieb

1+i

Setzt man zunächst zur Vereinfachung a'g = a b'g = b, so erhalten wir für die sechs Eichungsgrössen:

Rl B br 2 B+br(l+e) NT A+an N2 A+an(l+e)

Sl as S2 as(l+e)

und die zwei Messgrössen

M = A+a(n+m)-(l+x) R = B+br(l+x)

1 Aus den bei der Eichung bestimmten Grossen lassen sich die absoluten und relativen Differenzen bilden: Δ H - N2-N] = a-ne

Δ ane

N] ⁼ A+a-n

ferner

Δ R ^~ R2-R] = bre

ΔR bre

10 Ri = B+br

und

ΔS = ase

ΔS ase 15 sT ⁼ äT= e

Daraus bildet der Rechner die auf die relative Differenz der Referenz bezogenen Grossen

_? n P ü /4B. ane(B+br) ^{άO v} ~ Ni / Ri (A+an)bre

_ an(B+br) br(A+an)

und

_ B+br ^" br

Sowohl P und Q sind unabhängig von e; damit auch unabhängig von g, g ₀ , 0 a ^~ \ , α2-

Bildet man aus den zwei Gleichungen der Messung noch

M-A a-(n+m) R-B ⁼ br '

so ist man den Parameter h _x über den Ausdruck (1+x) losgeworden und erhält nun folgendes Gleichungssystem.

(7) (8) (9)

(10)

in ⁾

(12)

Darin sind bekannt: -a priori : s durch Messung: R- _| , Ni, S-|, R, M durch Rechnung: P, Q und unbekannt: die massenunabhängigen Vorlasten A, B die massenabhängige Vorlast br die Null-Last-Masse n und deren Uebersetzungsfaktor a die gesuchte Masse

Davon ist als gesuchte Grosse nur m interessant; die restlichen fünf Grossen werden für die Ermittlung von nur im Rahmen der hier gezeigten Rechnung benötigt.D e Berechnung des gesuchten Massenwertes m wird im Rechner 4 mit den gespeicherten Grossen s, R], S- _| , N] , P,Q und den bei der aktuellen Wägung anfallenden Werten M und R vorgenommen. Die hier durchgeführte Rechnung dient nur zur Erläuterung der Auswerteformel, die weiter unten als Gleichung (20) dargestellt wird..

Aus (9) folgt unmittelbar

a = 1 (13)

ebenso aus (11 )

br - ^ RT (14)

Dies in (7) eingesetzt liefert

Aus (10) erhält man

an PbrN]

(16) Rl

und unter Berücksichtigung von (8)

geht man damit in die nach A aufgelöste (8)

A = Ni-an = _T -N-, £ so ergibt dies ^'

A = ^j ) (18)

Einsetzen von (13) in (17) liefert

n - N ^ (19)

Daraus

woraus man erhält:

oder

Der Rechner 4 enthält - neben den üblichen Elementen für die Bewältigung der arithmetischen Aufgaben und dem nötigen Arbeitsspeicher - ein PROM oder EPROM als Festspeicher zur Speicherung der bei der Eichung ermit¬ telten genannten vier Werte Ri , Nη , S] , s, und der daraus gebildeten Grossen P und Q. Mit dem genannten Speicherelement ist dafür gesorgt, dass die Speicherung unabhängig ist von der Stromversorgung.