称重传感器中的数字线性化的制作方法
【专利摘要】一种确定由载荷施加的重式力的方法可用于根据电磁力补偿原理工作的测力装置（1）中，其中，测力装置（1）包括测量换能器（18、118），具有线圈（20、120），线圈可移动地浸入磁体系统（19、119）中并且可以传送电流（24），进一步包括在载荷接收部件（12、112）与测量换能器（18、118）的线圈（20、120）或磁体系统（19、119）之间的力传输机械连接。同样也是测力装置（1）的部件的位置传感器（21、28）用于确定线圈（20、120）自其稳定位置相对于磁体系统（19、119）的位移，将载荷放置在载荷接收部件（12、112）上产生该位移。流过线圈（20、120）的电流（24）用于在线圈（20、120）与磁体系统（19、119）之间产生电磁力，由此使线圈（20、120）和连接到线圈（20、120）或磁体系统（19、119）的载荷接收部件（12、112）返回到和/或保持在稳定位置。线圈电流（24）的大小和线圈（20、120）自其稳定位置的位移量用于确定所加载的载荷施加的重式力。
【专利说明】称重传感器中的数字线性化
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种借助测力装置确定重式力(weight force)的方法。
【背景技术】
[0002]在测力装置中，例如称重传感器类型的，其根据电磁力补偿的原理而工作，也称为电磁力复原或EMFR，称重对象的重式力直接地或者经由一个或多个支点支撑的力传输杠杆传输到机电测量换能器。测量换能器产生与称重对象的重式力匹配的补偿力，并传递电信号，电信号由电子集合体一信号处理单元处理并显示。
[0003]EMFR称重传感器大多数情况下包括平行四边形机构，其具有固定平行臂和可移动平行臂，可移动平行臂由两个平行导轨连接到固定平行臂并用作载荷接收器。在具有杠杆系统的EMFR称重传感器中，重式力经由联接器元件传输到天平梁，联接器元件严格保持其长度但可柔软弯曲，天平梁枢转支撑在固定平行臂上。这个布置的目的是通过杠杆减小使得由施加的载荷施加的重式力足够小，以使得产生补偿力的测量换能器能够产生表示重式力的测量信号。根据现有技术的水平，将高分辨率称重传感器中的各个元件之间的连接设计为挠性枢轴。挠性枢轴定义了在两个联接器元件之间的旋转轴。在构造为材料连续单元的称重传感器中，其也称为单体式或单片式称重传感器，挠性枢轴可以构成为窄材料连接部。
[0004]在直接补偿重式力的EMFR称重传感器类型中，即没有补偿力的杠杆减小，在大多数情况下将平行导轨机构配置为弹簧元件，特别是挠性构件或膜片弹簧。在这类称重传感器中，其也称为直接测量系统，测量换能器以等量的补偿力抵消载荷的重式力。
[0005]现有技术水平的EMFR称重传感器的测量换能器通常被配置为传导电流的线圈，其被浸入永磁体的气隙中，以使得可以依据相应的电气变量，即线圈电流I，来确定称重对象的重式力。由于重式力与补偿力成比例，后者又与线圈电流I成比例，线圈电流I从而也与重式力成比例，并因此与称重载荷的质量成比例。当称重传感器处于平衡时，这个关系可以由以下等式表示(没有考虑温度影响):
[0006]F' =f (I) =kX I
[0007]F1:计算的被称重的质量m的重式力
[0008]K:传递常数
[0009]1:线圈电流
[0010]在设计中为每一类称重传感器指定传递常数K，并存储在处理单元中，用于补偿力的计算。换句话说，传递常数取决于称重传感器的载荷接收系统，并说明了测量的线圈电流到力F'的转换。
[0011]通常用于EMFR称重传感器中的这类测量换能器中，导电线圈受洛伦兹力的影响而在永磁体的气隙中移动，洛伦兹力即作用于在磁场中运动的电荷上的力，在此情况下，其将自身表现为线圈的补偿力。在周围磁场的迹线的横向上流入诸如线圈绕组的电导体中的电流将导致力作用于导体上，并从而作用于测量换能器的线圈上。
[0012]永磁体的磁场理想上应是均匀的，但实际上这个条件在大多数情况下不能满足。磁场在某种程度上在线圈相对于永磁体的不同位置处可以改变。换句话说，在给定大小的电流的情况下，由线圈产生的补偿力是与位置相关的。在计算称重结果时，这是需要考虑的。如果天平梁没有处于确定传递常数K的平衡位置，而是略高或略低，存储的传递常数会偏离实际传递常数。如果称重传感器遭受震动、振动等，传递常数的偏差就会影响称重结果的快速且准确的确定，并且会存在零点的偏差。尤其是在动态测重秤中，这个问题的严重性会增大。
[0013]为了减轻这个问题，在现有技术水平的测力装置中使用了电子滤波器，其作用于表示补偿力的信号上。在测力装置的操作状态中，通过基于磁体与挠性枢轴的弹簧常数的温度相关性应用校正来使得补偿力的计算适应于环境条件。同样考虑的是与接通设备和称重载荷的变化相关的动态效应。而且，时间相关性现象也包括在补偿中。载荷接收器上质量的重式力的计算可以在数学上表示为函数:
[0014]F' =f(I，T，t)
[0015]这个函数也称为传递函数，用于将线圈电流的信号和不同温度传感器的信号转换为与时间相关的输出值，将其呈现在显示器上。因此，传递常数是传递函数的一部分。线圈电流由位置控制单元根据以下函数调节:
[0016]I=f (F, z, T, t)
[0017]除了温度效应(T)和动态效应(t)以外，它还考虑了可能的干扰参数(z)。
[0018]动态测重秤是用于在生产线上的产品在秤上移动时对其称重的系统，用以将产品分类到给定重量类别中，根据重量类别分类和/或淘汰产品。测重秤用于各种应用中，例如包括:
[0019]一检查超重和欠重产品，
[0020]一符合对于包装商品的净含量的法律要求，
[0021]一通过使用由测重秤收集的重量数据调整灌装机的设定来减少产品浪费，
[0022]一借助重量分类产品，
[0023]一测量并记录生产设备或生产线的性能，
[0024]一基于重量验证件计数。
[0025]测重秤的目的是称重生产线的100%的产品。结果，收集了整个生产输出的数据来计算生产的单位的数量，保持生产批量可追踪，或者用于生产统计。
[0026]测重系统通常由供料输送机、称重输送机、具有分类设备的输出输送机、和具有用户界面的称重终端组成。称重输送机位于供料输送机与输出输送机之间，由称重传感器支撑，称重传感器在产品在称重输送机上移动时对其称重。
[0027]在动态测重秤的操作中，产品从供料输送机带移动到称重输送机带，在此在它移动的同时称重，随后经由输出输送机传送。可用于确定称重结果的时间取决于称重输送机的长度和输送速度。由称重传感器支撑的称重输送机带在产品从供料输送机到达时接收产品的重量，并在产品转换到输出输送机时再次释放重量。在产品的连续称重中，称重传感器从而受到交替的加载和卸载。这个交替变化的载荷导致输送机带的振荡，它对于称重结果具有明显的影响，因为在产品完全放置在输送机带上时的时间间隔极短。
[0028]为了在存在振荡或振动的情况下更迅速地获得称重结果，在EP0430695A2中提出了同时使用两个称重传感器的概念。第一称重传感器接收称重载荷，基于产生的补偿力，向处理单元发送相应的信号。第二称重传感器具有向处理单元发送信号的功能，该信号反映了在与标准重量相同的振荡或振动下第一称重传感器的行为。处理单元将第二称重传感器的信号从第一称重传感器的信号中减去，从而消除了第一称重传感器的信号中的振荡和振动，由此产生称重结果。这个概念的缺点是每一个称重站都需要两个称重传感器，这显著增加了制造成本。还需要注意的是，两个载荷单元可能不具有完全等量的惯性，对振荡和振动的响应因此对于两个称重传感器会不同，使得称重结果不能被完全校正。
[0029]微量天平中还可以发现零点的偏差，大多数微量天平具有按照电磁力补偿原理而操作的测力单元。这些天平能够以0.001毫克的测量分辨率，即以一千万分之一的精度，测量10克的称重载荷。因此，即使源自环境的最小的振动，例如建筑物中的电梯，都会足以导致零点的偏差。零点偏差对于用户看来是指示的显示值的增大，其只在干扰减退后逐渐回归正常。在长时间段中延续的测量中，这种事件会使整个测量严重地不可用。
[0030]另一用以减小振荡或振动对称重结果的影响的方案包括以弹性阻尼系统在沉重的工作台或支撑结构上设置平衡。这个方法在使用微量天平的地点或称重站是优选的。这个解决方案同样提高了用于建立称重站的采购成本。
[0031]根据现有技术的解决方案，例如EP0359978A3中所述的，其中仅将线圈电流用作计算称重结果的基础，其缺点是在根据线圈电流计算称重结果时，平衡需要达到其稳定位置，或者更具体地，线性化称重结果符合测量的线圈电流的位置。每一次存在诸如振荡或振动的干扰时，测力装置都自其精确稳定位置失去稳定，这会导致零点偏差。
[0032]本文使用的术语“振荡”指的是系统的状态变量从平均值的动态偏离，也称为波动。本上下文中的术语“振动”指的是系统的周期性交替运动，其大多数在高频范围的中间并具有低振幅。
[0033]在US2003/0229600A1中公开了一种方法，用于物体的快速称重，其中，具有称重传感器的平台向模/数转换器传送输出信号。得到的数字输出信号经由低通滤波器处理，并由微处理器分析，以便确定平台上物体的重量。以适合的电子滤波器对测量的线圈电流进行平滑已知是为了稳定要计算的称重结果的手段。其缺点是该方法的速度和精度取决于滤波器参数，在大多数情况下是互斥的，意味着称重结果的准确确定会花费更多的时间，相反地，称重结果的快速确定是不准确的。
【发明内容】
[0034]本发明的目的在于提供一种方法，从而可以快速同时准确地确定称重结果。
[0035]另外，本发明目的在于提供在存在强振动和/或源自周围环境的振动的情况下，快速获得准确称重结果的能力。
[0036]如权利要求1中所阐述的，根据本发明，这些任务借助以基于电磁力补偿原理的测力装置确定重式力的方法来解决。
[0037]确定加载的载荷的重量的方法设计为在根据电磁力补偿原理工作的测力装置上执行，并包括测量换能器，具有线圈，线圈可移动地浸入磁体系统中并可以传送电流，测力装置进一步包括在载荷接收部件与测量换能器的线圈或磁体系统之间的力传输机械连接，以及位置传感器，其用于确定线圈自其稳定位置相对于磁体系统的位移，将载荷放置在载荷接收部件上产生该位移。流过线圈的电流具有在线圈与磁体系统之间产生电磁力的功能，由此将线圈和连接到线圈或磁体系统的载荷接收部件返回到和/或保持在稳定位置。电流大小和线圈自其稳定位置的位移量用于确定所加载的载荷的重式力。
[0038]作为本发明的结果，测力装置提供在计算显示值时考虑线圈自其稳定位置的位移量的能力，将线圈自其稳定位置的位移作为附加的输入发送到处理单元，这使得还可以在称重结果的计算中包括非线性，例如磁体系统的不均匀性，以及位置测量、平行导轨连接、特别是挠性枢轴或弹性构件、或膜片弹簧的非线性，以及如果测力装置包括杠杆系统，杠杆传动比的非线性。
[0039]测量换能器可以以不同方式布置在测力装置中。线圈或者附接到可移动平行臂或者具有到它的连接，磁体系统或者附接到固定平行臂或者具有到它的连接。可替换地，线圈附接到固定平行臂或者具有到它的连接，磁体系统附接到可移动平行臂或者具有到它的连接。在任一情况下，线圈和磁体系统都可以相对于彼此移动。流过线圈的电流在大多数情况下受PID控制环路的调节，它在两种情况下都在线圈和磁体系统之间产生电磁力，从而当载荷放置在载荷接收部件上时，将线圈相对于磁体系统返回到或保持在其稳定位置。布置线圈以便可以相对于磁体系统移动，线圈可以具有一个或多个线圈绕组。磁体系统自身可以是永磁体或者由电流激励的电磁体。最常见的布置是将磁体系统附接到固定部件，并直接或通过一个或多个杠杆将线圈连接到载荷接收部件。这一配置在大多数情况下是优选的，因为线圈较小的惯性质量允许后者更快地返回并更稳定地保持在稳定位置。然而，还存在将磁体系统布置为在可移动部件上的永磁体的测力装置，例如作为简化电流到线圈的传送的一个方式。
[0040]稳定位置(settling posit1n)是线圈相对于磁体系统的位置,在此,作用于系统上的所有力都彼此平衡。在杠杆系统中，这也是天平梁的零位置。由于线圈连接到天平梁，天平梁自稳定位置的偏离伴随线圈自其稳定位置的偏离一起发生。这同样适用于如果代替线圈将磁体系统连接到天平梁的情况。本文在力传输机械连接环境中所用的术语“天平梁”指代单臂或双臂杠杆，其稳定位置由位置传感器监测。优选地，天平梁的支点轴、天平梁的重力的质心、第一杠杆臂到联接器构件的连接和测量换能器所产生的力的施加点都是常见的。如果满足这个条件，没有称重载荷的天平梁就不会受到任何扭矩，并一直处于平衡中，与支撑底座的不水平状况无关。由前述点定义的平面也称为水平无差别平面
[0041]在直接测量系统中，测量换能器的线圈或磁体系统附接到力传输杆，其直接连接到载荷接收部件，意味着没有用于减小作用力的杠杆。在直接测量系统中，线圈或磁体系统自稳定位置的位移与力传输杆自其稳定位置的位移相同。
[0042]用于根据该发明概念的方法的优选应用是用于微量天平中，由此在存在振荡和/或振动情况下改进了测力装置的稳定性。
[0043]该方法还极佳地适合于测重秤，因为在此情况下经常出现测重器的输送机带通过载入和载出被称重的产品而激发进入振荡和/或振动。
[0044]本发明适合于具有测量换能器的测力装置，测量换能器根据推原理产生补偿力，以及根据推/拉原理产生补偿力。区别在于产生补偿力的方式:推系统仅能够在一个方向上产生补偿力，而推/拉系统能够在两个方向上产生补偿力。
[0045]根据本发明的一个实施例，线圈自其稳定位置的位移量由位置传感器测量并量化，其将输入信号提供给位置控制单元，位置控制单元调节通过线圈的电流，以使得线圈与磁体系统之间的电磁力使线圈和连接到线圈或磁体系统的载荷接收部件返回到稳定位置。可替换地，也可以用附加的位置传感器确定线圈自其稳定位置的位移量。测量线圈自其稳定位置的位移量的最简单的方式是使用位置控制单元的位置传感器的位置信号。但也可以使用附加的传感器，其传送与平横杆的位置或线圈在磁体系统内自其稳定位置的位移或天平梁自其稳定位置的位移有关的相同信息。这个传感器信号例如可以由加速度传感器、速度传感器、测角传感器或位置传感器来提供，以便将各自的信息提供给处理器单元。
[0046]为了根据本发明的有利实施例确定所加载的载荷的重式力，使用算术指令形式的传递模块，其存储在处理单元中，并且在电流大小、线圈自其稳定位置的位移量和重式力之间建立相关性。这里在数学指令的意义上使用了术语“传递模块”，处理单元根据它将可用的输入量变换为显示值，即计算重式力F'的值。
[0047]根据本发明进一步发展的实施例，将传递模块存储为传递表，其中，线圈自其稳定位置的位移量和线圈电流大小与所加载的载荷的重式力值相关联。进一步的可能是将传递模块存储为传递函数，其具有至少一个参数，并至少使用线圈自其稳定位置的位移量和线圈电流大小作为输入量。
[0048]如果传递表用作用于计算的指令，则可以在表中找到显示值，该表作为线圈自其稳定位置的位移量和线圈电流大小的函数列出了显示值。本文使用的术语“传递函数”表示数学函数，具有至少两个输入量和至少一个参数。在本发明的环境下，传递函数的至少一个参数理解为数学函数的变量，其描述了在线圈自其稳定位置的位移量和线圈电流大小之间的关系。
[0049]根据本发明进一步的实施例，传递函数的至少一个参数存储为系统的参数表和/或特性曲线。在此同样，根据线圈的位移量和线圈电流大小，从参数表选择适当的参数，或者在系统图的情况下，选择作为说明系统图的参数。
[0050]在本发明另一有利实施例中，传递函数的至少一个参数是与载荷相关的。
[0051]根据本发明的有利实施例，通过改变线圈的位移，并且通过基本同时测量与线圈的位移相关的线圈电流大小，和/或通过改变线圈电流大小，并且通过基本同时测量与线圈电流大小相关的线圈位移，和/或在存在振动的情况下通过分析相对于线圈电流大小的线圈的位移来确定传递表的值和/或传递函数的至少一个参数。
[0052]在测重秤情况下，特别优选地使用在存在振动的情况下通过分析确定传递表的值和/或传递函数的至少一个参数的概念。
[0053]根据本发明的另一个方案，在将重量放置和不放置在载荷接收部件上的情况下，都进行传递表的值的确定和/或传递函数的至少一个参数的确定，其中，重量或者是从外部设置在载荷接收部件的重量，或者是借助机构内部地接合的重量。在不同载荷条件下确定值和/或至少一个参数在重量测量设备的整个称重范围上都改进了输出值的精度。
[0054]根据本发明特别有利的实施例，单独为每一个测力装置生成传递模块，或者为同类测力装置一般性地生成传递模块。显然，由于磁体系统、挠性枢轴、位置测量和杠杆减小率的制造公差，每一个个别单元都具有其自己的值和/或参数，它仅对于一个特定测力装置有效。为了在测力装置的生产中加速这些值和/或参数的确定，基于在前确定的传递模块的算术平均值的通用传递模块可以存储在处理单元的存储器中。
[0055]根据电磁力补偿原理的用于确定重式力的重量测定测力装置的测力单元包括测量换能器，其具有线圈，线圈可移动地浸入磁体系统中，并进一步包括在测量换能器与载荷接收部件之间的力传输机构连接，其中，线圈或者磁体系统连接到载荷接收部件，特征在于以下事实:测量单元具有位置传感器，其能够检测并测量线圈自其稳定位置的位移，位移由载荷放置在载荷接收部件上而产生，其中，线圈自其稳定位置的位移量可以用于确定重式力的过程中。
[0056]在用于实现借助根据电磁力补偿原理而工作的测力装置确定重式力的方法的计算机程序中，产生重式力的显示值作为输出。测力装置包括线圈，其可移动地浸入磁体系统中，并可以传送电流，电流在线圈与磁体系统之间产生相互作用力，由此线圈和连接到线圈或磁体系统的载荷接收部件返回到和/或保持在稳定位置，并进一步包括在线圈与载荷接收部件之间的力传输机械连接，还包括能够检测线圈自其稳定位置的位移的传感器，由载荷放置在载荷接收部件上而产生该位移。输入计算机程序的输入量至少包括线圈电流大小和线圈自其稳定位置的位移量。
[0057]计算机程序的优选实施例附加地使用时间信号和至少一个温度信号作为输入量。这确保了也可以考虑对磁体系统的磁场的温度影响和/或由于热膨胀的杠杆传动比的变化和/或挠性枢轴的弹性恢复力的变化。时间信号用于接通阶段中或载荷变化过程中动态效应的补偿，或者用于与时间相关的补偿。
[0058]在计算机程序的进一步实施例中，后者可以调用传递模块，传递模块可以存储在执行程序的单元的工作存储器中。
[0059]当计算机程序用于具有测重系统中时，借助计算机程序在终端中执行中重式力确定，其中，测重系统具有用以将称重物体送到秤的供料输送机带，用以将称重物体输送离开秤的输出输送机带，和其连接到测力装置的称重输送机带。
【专利附图】
【附图说明】
[0060]在下文中，通过附图中示出的优选实施例的实例进一步解释本发明的目的，在附图中:
[0061]图1以横向截面图示意性地示出了被配置为杠杆系统的顶部加载测力装置的测力单元；
[0062]图2显示了被配置为直接测量系统的测力单元；
[0063]图3显示了有助于说明根据本发明的测力装置中的功能序列的方框图；
[0064]图4表示具有传递函数A和传递函数Bi的覆盖线圈整个位移范围的位置/电流图；
[0065]图5表示具有传递函数A和传递函数B1A2和B3的覆盖线圈整个位移范围的位置/电流图；
[0066]图6表示在存在线圈振荡情况下，具有传递函数A和传递函数Bi的覆盖在稳定位置附近的位移范围部分的位置/电流图；
[0067]图7示出了在没有称重载荷(零载荷条件)情况下，由于分别用于现有技术的方法和根据本发明的方法的具有O — 400克称重范围的测力装置的振荡而引起的零点偏差之间的图示比较；
[0068]图8示出了在400克称重载荷情况下，由于分别用于现有技术的方法和根据本发明的方法的具有O — 400克称重范围的测力装置的振荡而引起的零点偏差之间的图示比较；以及
[0069]图9示出了分别根据现有技术的方法和根据本发明的方法而运行的动态测重秤的瞬态响应之间的图示比较。
[0070]在以下说明中，具有相同功能和相似结构的特征以相同的参考标记来标识。
【具体实施方式】
[0071]图1以来自侧面的截面图示意性地示出了测力装置I的测力单元。借助固定部件11，测力装置I安装在支撑结构上。载荷接收部件12由两个平行导轨14连接到固定部件11，支撑称重盘15，在称重盘上放置了称重载荷。平行导轨14由挠性枢轴16连接到载荷接收部件12和固定部件11。挠性枢轴定义旋转轴，但在旋转轴的任意横向方向上，挠性枢轴实际上作为刚性力传输元件工作。测力装置I不限于称重盘在顶部的所示结构，也可以配置为称重盘布置在下面，大多数情况下借助吊架而悬挂。联接器13将重式力传送到由支点支撑的天平梁17的第一杠杆臂。在另一端一天平梁17的第二杠杆臂的外端一布置的是测量换能器18，其产生补偿力25，以抵消杠杆减小的重式力。在此所示的测量换能器18显示为导电线圈20，其可移动地浸入磁体系统19中。如果由测量换能器18产生并作用于第二杠杆臂上的补偿力25对应于作用于第一杠杆臂上的重式力，天平梁17处于平衡，从而处于稳定位置。这个稳定位置由位置传感器21监控。
[0072]当质量放置在天平盘15上或力作用于其上时，载荷接收部件12平行于固定部件
I1、受平行导轨12约束地向下移动。天平梁17通过联接器构件13连接到载荷接收部件12，以定义的减小率将载荷接收部件12的移动传送到天平梁17的朝向测量换能器18的另一端。位置传感器21检测线圈20自其稳定位置的位移，产生相应的位置信号22。位置信号22作为输入信号发送到位置控制单元23，其以使得线圈20和天平梁17返回到其稳定位置的方式产生并控制通过线圈20的电流24。在线圈20稳定回到稳定位置中的稳定状态后，线圈电流大小表示对施加到载荷接收部件12上的质量或力的测量。测量电流24 ;借助处理单元26计算显示值27，并随后呈现在显示面板上。
[0073]图2显示了作为直接测量系统的测力单元100的可能结构。固定平行臂111由底座结构支撑。用于接收载荷的可移动平行臂112连接到力传输杆117，并由平行导轨114可移动地约束，其在图2的实例中是膜片弹簧的形式。在所示实施例中，测量换能器118布置在力传输杆117的下端，线圈连接到可移动平行臂112，磁体系统119附接到固定平行臂
III。在可能的可替换结构中，测量换能器118可以布置在平行导轨114之间的空间中和/或借助磁体119与线圈120之间的交换空间来布置。
[0074]图3是方框图形式，示出了在根据现有技术水平的测力装置和根据本发明的测力装置I中的功能的序列。放置在盘15上的载荷在载荷接收部件12、112上施加力F，其导致从天平梁17和连接到天平梁17的线圈20或磁体系统19，或者力传输杆117和连接到力传输杆117的线圈120或磁体系统119的稳定位置的位移。换句话说，这些元件变得具有不同的位置。由位置传感器21确定新位置X，相应的位置信号22发送到位置控制单元23。基于位置信号22，大多数情况下包括PID控制器的位置控制单元23连续确定将系统返回到稳定位置所需的线圈电流24的量。作为线圈电流24的结果，线圈20、120产生磁场，并产生作用在磁体系统19、119与线圈20之间的补偿力25，其分别将天平梁17或力传输杆117移动回到稳定位置。相同的事件链不断自身重复，由此将系统调节或保持在稳定位置。这个控制环路动态地校正天平梁17或力传输杆117的位移，即每秒数次，例如在500Hz到1kHz的频率范围中。
[0075]由于线圈电流24表示对补偿力25的直接测量，由处理单元26基于线圈电流24的测量值计算在载荷接收器上的载荷的重式力，并作为显示结果27呈现。显示值27的计算还包括额外的因素，例如环境温度和磁体温度，以及与时间相关的动态效应。
[0076]在现有技术水平的测力装置I中，根据以下显示的等式计算显示值27
[0077]F=f (I, T, t)
[0078]其中，线圈电流24和与温度相关的因子作为独立参数进入计算中。另外，计算包括与时间相关的运算，用以补偿在通电阶段期间或借助载荷变化而出现的动态效应。这个方面在传递函数中解决，其具有专门用于给定类型的测力单元的常数，除了其他因子以外，包括天平梁17的杠杆比，用于从线圈20的补偿力25到设置在载荷接收部件12上的重式力或质量的转换。为了在显示面板上连续呈现显示值27，而不是仅在天平梁17或力传输杆117准确处于稳定位置时，对现有技术的测力装置中的显示值27进行电子滤波，即借助传递函数形成时间相关平均值。线圈电流由位置控制单元根据以下函数来调节
[0079]I=f (F, z, T, t)
[0080]除了温度(T)效应和动态效应(t)以外，它还有可考虑干扰量(z)。
[0081]在测力装置的组装过程完成后，在工厂将传递函数的一些常数存储在处理单元26中。这些常数仅对于在稳定位置的线圈20、120的调节中的稳定状态有效，因为如前所述，磁体系统19、119的磁场并非完全均匀的，或者因为位置测量中、挠性枢轴16中、或弹性构件或膜片中、或杠杆减小中的非线性。
[0082]在测力装置I的振动、振荡或其他干扰存在时，仅基于线圈电流24计算的载荷接收器上的载荷的重量的显示值27易遭受误差，因为为线圈20、120的精确稳定位置而校准的传递函数的常数不再以完美的精度而适用。基于在线圈20、120没有处于稳定位置时的线圈电流24的量而计算的重式力F'因此不同于天平盘上的载荷的实际重式力F。
[0083]根据本发明的确定重式力的方法的特征在于处理单元26额外使用位置传感器21的位置信号22，即线圈20、120自其稳定位置的位移量，用于显示值27的计算，显示值对应于在天平盘上的重量的重量值。为了在数学上结合线圈电流24的量与线圈20、120的位移量来确定重量，将传递模块30作为算术指令存储在处理单元26中。这在图3中以虚线示出。代替位置信号22，也可以向处理单元26发送输入信号，其包含关于位置X的相同信息，即线圈20、120相对于磁体系统19、119的位置。这在图3中以点划线示出。例如，可以使用第二附加传感器28，例如加速度传感器、速度传感器、测角传感器或位置传感器，以便向处理单元26提供各自的信息。根据本发明的方法的显示值27的计算从而基于公式
[0084]F=f (X, I, T, t)
[0085]其中，温度T和计算显示值的时刻再次对显示值具有影响。测力装置I从而也能够将线圈20、120自其稳定位置的位移输入到显示值27的计算中，结果，同样考虑了非线性，例如磁体系统19、119的不均匀性，以及位置测量中、平行导轨14、114中、尤其是挠性枢轴16中或弹性构件或膜片中、或杠杆减小中的非线性。这改进了位置信号22、22,的数量值，其在显示值27的计算中被考虑，但没有影响由位置控制单元23执行的调节功能。
[0086]图4到6以位置/电流图的形式显示了不同测力装置I的系统特性曲线，和它们如何影响处理单元26中显示值27的计算。每一幅图都显示了具有挠性枢轴16或弹性构件和磁体系统19、119的理想状态的理想的测力装置I的系统特性曲线A，以及用于具有挠性枢轴16或弹性构件的理想状态，和磁体系统19、119的基于实际的状态的测力装置I的一个或多个系统特性曲线Bitj水平轴上用于100%和-100%及用于10%和-10%的标记定义了线圈20、120相对于磁体系统19、119的偏移位置。
[0087]在图4中，系统特性曲线A显示为直线，这表示在理想条件下，线圈20、120自其稳定位置的位移以线性关系转换为电流24的变化。与此相反，系统特性曲线Bi反映了实际发生的情况，即前述的磁体系统19、119的不均匀性。如果力F施加到载荷接收部件12、112上，位置X改变，位置控制单元23从位置传感器21接收相应的位置信号22。基于线圈电流Ia的测量，处理单元26计算显示值27，如图4中由虚线箭头所示的。一旦在调节操作结束时线圈20、120返回到稳定位置，此时测量的电流Itl将与作用于载荷接收部件上的力F成比例。
[0088]如上所述，系统特性曲线A不足以反映实际情况，即它只是实际状态的不准确表示。由于磁体系统19、119的不均匀性和挠性枢轴16或弹性构件的非线性恢复力，如图4中曲线Bi所示的，需要至少二阶的传递函数，以便表示实际状态。这样，当处理单元接收位置信号22、22'时，它应真实地计算对应于线圈电流Ib的显示值27。在系统特性曲线A与B之间的差异在稳定位置附近较小，因为在稳定位置周围，系统特性曲线与磁体系统19、119的状态匹配。使用曲线A的结果是为处理单元26提供不准确的电流信号用于显示值的计算。
[0089]为了改正计算显示值中的这个问题，根据本发明的处理单元26额外地，即除了线圈电流24的量以外，还使用位置传感器21的位置信号22 (或位置传感器28的位置信号22')和传递模块30，传递模块30存储在处理单元26的内存中。传递模块30例如可以具有传递函数或传递表的形式。这意味着根据本发明的传递模块30包括用于在天平梁17或力传输杆117的整个位移范围内多个位置X的前述传递因子k的值。在显示值27的计算中，处理单元26基于由处理单元26接收的位置信号22、22'，并基于载荷接收部件上的载荷，选择传递因子27。换句话说，传递模块30是计算指令，除了其他的以外，其还取决于位置X，从而在线圈电流24的量与线圈20、120从稳定位置的位移量之间建立相关性。
[0090]已经发现如上所述的传递模块30取决于称重载荷的质量，这表示传递模块30的参数与称重载荷的特定量相关联。这在图5中以不同的传递函数B1A2和B3示出。施加在载荷接收器12、112上的力越强，传递函数Bi就将越多地弯曲离开直线曲线A。传递函数B3的曲线向上弯曲。这个形状是力反转了其方向的测量换能器18、118的特性，如图例如推/拉系统中的情况。传递模块30因此包括至少一个传递函数，其具有相应的参数，该参数用于在传递函数最接近于符合作用于载荷接收器上的力的点确定显示值27，或者在两个传递函数的各自参数之间进行内插。
[0091]图6示出了以稳定位置为中心的振荡和/或振动的影响。放大了稳定位置周围的区域，以使得X轴的可见部分仅从位置X的范围的-10%延伸到+10%。位置信号22、22'的振荡近似地显示为正弦曲线，其相对于稳定位置对称。在具有系统特性曲线A的理想的测力装置I中，振荡会导致关于平均值Ita振荡的电流IA。依据实际发生的、由系统特性曲线Bi示出的状态，位置X的振荡信号转换为线圈电流信号IB。这个电流信号Ib反映了实际发生的，是由传递函数转换的不对称失真信号，导致电流Ib的平均值相对于Ia的偏差M。
[0092]比较电流14和Ib的两个平均值，平均值的偏差M变得明显。在没有本发明的方法的情况下，显示值27因此也会遭受到偏差。这个偏差M以两个彼此相对的箭头在图6中纵轴(I轴)上示出。
[0093]为了使处理单元26能够根据实际状态计算显示值27，将传递模块30存储在处理单元的存储器中。传递模块30为显示值27定义了计算指令，具有作为输入变量的位置X和线圈电流24，并且还包括参数。如前所述，它可以具有传递函数或传递表的形式。
[0094]可以根据以下方案一个来确定传递模块30的值和/或参数。有利地，在测力装置I的生产过程中，特别是在调整阶段过程中执行传递模块30的值和/或参数的确定。可以单独为每一个测力装置I生产传递模块30，或者可以为同类测力装置I确定通用传递模块30。通用传递模块可以基于多个在前确定的传递模块30的算术平均值，其随后可以用于同类的所有测力装置I。另一个可能是在顾客设施的设备的安装地点确定传递模块30。这可以通过使用以下说明的过程短时间内完成。
[0095]在不做出物理改变的情况下，根据规定条件，在测量并记录测量量的测量值与真实值的偏差的意义上使用术语“校准”。如果做出改变以校正偏差，则使用术语“调整”。例如，在调整天平的过程中，通过由受过训练的技术人员在特定元件的设置中做出改变来手动微调其函数，或者通过由用户执行的半自动过程，其中可以是外部附件或者是天平的内置部件的参考重量放置在载荷接收器上，或者如果天平配备了自动启动调整机构的话，通过自动过程来校正偏差。
[0096]在确定传递函数30的值和/或参数的可能性中，第一方案是改变线圈20、120的位移，并基本上同时测量与线圈20、120的位移相关的线圈电流24的量。可替换地，作为第二可能的方案，可以通过改变线圈电流24的量，并通过基本上同时通过测量与线圈电流24的量相关的线圈20、120的位移来确定传递函数30的值和/或参数。
[0097]作为确定传递函数30的值和/或参数的第三可能的方案，相关于线圈电流24的量，分析存在振动时线圈20、120的位移。这个过程可以在特别为此目的设计的振动台上的校准阶段过程中执行，或者在测力装置I的正常运行过程中的安装地点执行。确定传递函数30的值和/或参数的该第三方案在测重秤中是优选使用的。
[0098]如果测力装置I配备了内部校准重量，内部校准重量连接到载荷接收部件并可以在需要校准时联接或断开联接，测力装置能够根据菜单控制或自主地执行一个或多个前述可能的方案或者参数的确定。
[0099]图7和8中的曲线示出了由本发明的方法实现(点划线)的显示值27的改进，其相比于在天平中具有杠杆系统的现有技术的测力装置(虚线)，天平以在地球表面上重力加速度的约0.2m/s2或2%的加速度幅度振荡。显示值27的这个改进也称为鲁棒性。图中的横坐标以激发频率(Hz)的单位分刻度，纵轴以显示值27相对于在载荷接收器上的载荷的重量的偏差的百万分之一 [ppm]分刻度。图7和8的两个曲线关于相同的测力装置1，其具有O到400克的称重范围。图7示出了当测力装置操作于零点时，即没有力施加到载荷接收部件12上的情况下的状态。图8示出了在400克称重载荷情况下的鲁棒性。依据图7和8，显然，在这个实例的情况下，可以在低振荡频率下实现巨大的高达10倍的改进(即测力装置I对振荡和/或振动较高程度的鲁棒性)，而在较高频率下，点划线(本发明的方法)和虚线(现有技术)渐进地彼此接近。
[0100]通过在动态测重秤的测力装置I中使用本发明的方法，可以实现如图9中所示的更快的重量测量。要称重的产品从供料输送机带移动到称重输送机带，并从称重输送机带移动到输出输送机带。这个移动导致称重输送机带中的振荡，结果也导致显示值27的振荡，因此，位置控制单元23以使得天平梁17或力传输杆117返回到稳定位置的方式来调节线圈电流24。具有现有技术的测力装置的测重秤的显示值的信号F' A沿着渐近曲线F' M，它由于平均值的偏差M (参见图6)而与最终值不同，但随着振荡减退，平均值的偏差M同时减小，逐渐稳定到后者。根据本发明的方法确定显示值27的测力装置I从开始即稳定在最终值。以相同的电滤波器获得的两个滤波信号曲线F' &与!^ Bm2间的差异明显，并在大约一个半振荡周期后达到其各自的平均值F, a与P B。尽管在时间间隔^后信号F, Bm已经在目标值的公差带内，但信号F' Bm仅在比tB更长的时间间隔扒后达到公差带内。目标值的公差带定义阈值，在此显示值27开始满足称重过程所需的精度。结果，显示值27到达公差带内越快，产品就可以越快地移动通过称重输送机带。结果，可以收紧所需精度，即设定更窄的公差，但仍在相同的时间tA中到达公差带内。借助后一选择，产品的生产量保持相同，而显示值27的精度增大。
[0101]尽管通过提供特定实施例来说明了本发明，但显然，基于本发明的教导，可以产生许多进一步的变化形式，例如通过彼此组合单个实施例的特征，和/或在实施例之间交换单个功能单元。
[0102]参考标记列表
[0103]I测力装置
[0104]100直接测量系统的测力单元
[0105]IlUll固定部件
[0106]12、112 载荷接收部件
[0107]13联接器构件
[0108]14、114 平行导轨
[0109]15称重盘
[0110]16挠性枢轴
[0111]17天平梁
[0112]117力传输杆
[0113]18、118 测量换能器
[0114]19、119 磁体系统
[0115]20、120 线圈
[0116]21位置传感器
[0117]22、22' 位置信号
[0118]23位置控制单元
[0119]24线圈电流大小，电流强度
[0120]25补偿力
[0121]26处理单元
[0122]27显示值
[0123]28附加位置传感器
[0124]30传递模块
[0125]A理想的系统特性曲线
[0126]BpBpByB3真实的基于现实的系统特性曲线
[0127]10在天平梁的稳定位置的线圈电流
[0128]Ia根据理想的系统特性曲线操作时的线圈电流
[0129]Ib根据真实的基于现实的系统特性曲线操作时的线圈电流
[0130]Iam根据理想的系统特性曲线操作时的线圈电流的平均值
[0131]Ibm根据真实的基于现实的系统特性曲线操作时的线圈电流的平均值
[0132]F作用于载荷接收部上的力
[0133]F'为力计算的值
[0134]X天平梁的位置
[0135]z干扰量
[0136]Ti温度信号
[0137]t传递函数中的时间变量
[0138]M平均值的偏差
[0139]F'A现有技术的测重秤的显示值27的信号曲线
[0140]F'B本发明的测重秤的显示值27的信号曲线
[0141]F'μ从目标最终值偏离的直线部分
[0142]F'AM现有技术的测重秤的显示值27的滤波信号
[0143]F'BM本发明的测重秤的显示值27的滤波信号
[0144]tA到达现有技术的测重秤的公差带内的时间
[0145]tB到达本发明的测重秤的公差带内的时间
【权利要求】
1.确定由测力装置(I)上的载荷施加的重式力的方法，所述测力装置根据电磁力补偿原理操作并且包括 -测量换能器(18、118)，具有线圈(20、120)，所述线圈布置在磁体系统(19、119)中以便相对于后者可移动并且可以传送电流(24 )， -力传输机械连接，位于载荷接收部件(12、112)与所述测量换能器(18、118)的所述线圈(20、120)或磁体系统(19、119)之间，以及 -位置传感器(21、28)，其用于确定所述线圈(20、120)自其稳定位置相对于所述磁体系统(19、119)的位移，所述位移由将所述载荷放置在所述载荷接收部件(12、112)上而产生，其中，流过所述线圈(20、120)的所述电流(24)具有在所述线圈(20、120)与所述磁体系统(19、119)之间产生电磁力的功能，由此使所述线圈(20、120)和连接到所述线圈(20、120)或所述磁体系统(19、119)的所述载荷接收部件(12、112)返回到和/或保持在所述稳定位置， 其特征在于:使用所述电流(24)的大小和所述线圈(20、120)自其稳定位置的位移量来确定所加载的载荷施加的所述重式力。
2.根据权利要求1所述的确定重式力的方法，其特征在于: 借助于向位置控制单元(23)提供输入信号的相同的位置传感器(21)来确定所述线圈(20、120)自其稳定位置的位移量，所述位置控制单元(23)调节通过所述线圈(20、120)的所述电流(24)，以使得所述线圈(20、120)和连接到所述线圈(20、120)或所述磁体系统(19、119)的所述载荷接收部件(12、112)通过所述线圈(20、120)与所述磁体系统(19、119)之间的所述电磁力返 回到所述稳定位置。
3.根据权利要求1所述的确定重式力的方法，其特征在于: 借助附加的位置传感器(28)来确定所述线圈(20、120)自其稳定位置的位移量。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的确定重式力的方法，其特征在于: 使用传递模块(30)以确定由所述载荷施加的所述重式力，所述传递模块包括算术指令，所述传递模块存储在处理单元(26)中并将所述电流(24)的大小和所述线圈(20、120)自其稳定位置的位移量与所述重式力的确定相关联。
5.根据权利要求4所述的确定重式力的方法，其特征在于: 所述传递模块(30)存储为传递表，在所述传递表中，所述线圈(20、120)自其稳定位置的位移量的值和所述线圈电流(24)的大小的值与所加载的载荷的所述重式力的值相关联，和/或所述传递模块(30)存储为传递函数，所述传递函数具有至少一个参数，并且使用至少所述线圈电流(24)的大小和所述线圈(20、120)自其稳定位置的位移量作为输入量。
6.根据权利要求5所述的确定重式力的方法，其特征在于: 所述传递函数的所述至少一个参数存储为参数表和/或系统特性曲线。
7.根据权利要求5或6中的一项所述的确定重式力的方法，其特征在于: 所述传递函数的所述至少一个参数是载荷相关的。
8.根据权利要求5至7中的一项所述的确定重式力的方法，其特征在于: 通过改变所述线圈(20、120)的位移以及通过基本同时测量与所述线圈的位移相关联的所述线圈电流(24)的大小，和/或通过改变所述线圈电流(24)的大小以及通过基本同时测量与所述线圈电流(24 )的大小相关联的所述线圈(20、120 )的位移，和/或通过在存在振动的情况下，与所述线圈电流(24)的大小相关地分析所述线圈(20、120)的位移来确定所述传递表的值和/或所述传递函数的所述至少一个参数。
9.根据权利要求8所述的确定重式力的方法，其特征在于: 在所述载荷接收部件(12、112)上放置和不放置重量的情况下，进行所述传递表的值的确定和/或所述传递函数的所述至少一个参数的确定，其中，所述重量可以是从外部设置在所述载荷接收部件(12、112)上的重量，或者是借助机构内部地接合的重量。
10.根据权利要求4至9中的一项所述的确定重式力的方法，其特征在于: 单独为每一个测力装置(I)生成所述传递模块(30)，或者生成对相同类型的测力装置(I)通用所述传递模块。
11.测力单元，根据电磁力补偿原理工作，用于重量测定测力装置(I)，所述重量测定测力装置用于根据权利要求1至10中的一项来确定重式力。
12.计算机程序，用于在根据电磁力补偿原理工作的重量测定测力装置(I)中实现根据权利要求1至10中的一项所述的确定重式力的方法，其中，产生所述重式力(F)的显示值(27)作为所述程序的输出，以及将至少所述线圈电流(24)的大小和所述线圈(20、120)自其稳定位置的位移量用作输入。
13.根据权利要求12所述的用于实现确定重式力的方法的计算机程序，其特征在于: 时间信号和至少一个温度信号附加地用作输入量。
14.根据权利要求12或13中的一项所述的用于实现确定重式力的方法的计算机程序，其特征在于: 所述计算机程序根据权利要求3至10中的一项调用传递模块(30)。
15.测重系统，用于对物体称重，包括用于载入所述称重物体的供料输送机带、用于载出所述称重物体的输出输送机带以及连接到测力装置(I)的称重输送机带，其特征在于: 在终端中借助根据权利要求12至14中的一项所述的计算机程序来执行所述重式力的确定。
【文档编号】G01G7/02GK104075783SQ201410119771
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年3月27日 优先权日:2013年3月28日
【发明者】D·施拉格, D·鲁普, C·特劳特魏勒, H-R·布克哈德 申请人:梅特勒-托利多公开股份有限公司