用於力測量設備的溫度校正的方法和力測量設備的製作方法

2023-07-28 13:35:56 2

專利名稱：用於力測量設備的溫度校正的方法和力測量設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於力測量設備(具體地說是天平)中與溫度有關的誤差的校正方法和一種擁有必需性能的力測量設備。
背景技術：
力測量設備通常包括不同的功能部分，例如，力接收器、力傳遞機構、力測量單元和有時用於處理測量信號的設備。待測量的作用力通過力接收器來接收並且經由力傳遞機構傳遞至力測量單元。力測量單元將輸入的作用力轉換為與作用在力測量設備上的作用力對應的電力測量信號。類似地，在天平的情況中，稱量物體的重力代表輸入的力，所謂的稱量負載作用於具有稱量盤形式的力接收器。該力輸入被連杆形式的力傳遞機構傳遞至力測量單元或者稱量單元，在該力測量單元或者稱量單元處，其被轉換為所謂的稱量信號的電力測量信號。電力測量信號被傳輸至信號處理單元，該信號處理單元用來進一步處理力測量信號並且產生相應的輸出信號。輸出信號被傳輸至指示器單元和/或被傳輸至進一步的處理單元，例如，主計算機或者系統控制器。該類力測量設備或者天平一般用於稱量單獨稱量物件，但是其也在用於稱量大量稱量貨物的自動化生產和測試系統中得到應用。該類力測量設備必須滿足很高的精度水平、可重複性和測量結構的穩定性。另外，力測量設備應當儘可能為簡單和低成本的設計。為了準確和穩定的測量，必須測量並適當地校正在稱量結構中引起誤差的影響因素是現有技術的作法。例如，GB 1495278中描述了一種用於校正與負載無關的參數的影響， 特別是從外部影響稱量設備的溫度的影響的方法。該校正伴隨有測量稱量設備所暴露的環境溫度並且伴隨有產生一相應的電力的溫度測量信號。基於該溫度測量信號，然後將該力測量信號處理成一溫度校正輸出信號。使用該方法，還有可能藉助於一時變指數函數來校正時變現象，例如，跟隨彈性變形的蠕變效應。屬於已知的現有技術的該校正方法是基於這樣的假設的，力測量設備是處於其所有部件具有相同溫度(即，周圍環境的溫度)的條件的。然而，經常存在力測量設備的不同部件具有不均勻溫度的情況。例如，可能在操作期間在力測量設備中產生附加熱，這使力測量設備的一些部件的溫度升高。因此，在與操作相關的部件溫度和設備所暴露的環境溫度之間存在溫度差。通常，該類溫度差將影響力測量設備的測量值，S卩，輸入力或者作用在設備上的輸入負載的測量值。因此，目的是儘可能完全校正所述溫度作用的影響，特別是必須滿足高精度和穩定性的標準的力測量設備。現有技術為校正溫度差的影響提供了不同解決方案。例如，DE 10353414B3中公開的天平具有至少兩個設置在不同位置處的溫度傳感器，根據剛好在接通電源之後所述兩個溫度傳感器的輸出信號之間的差值來選擇初始校正值。兩個溫度傳感器，更準確地說，由其所測得的溫度差用來間接地確定設備在被接通之前切斷期間所持續的時間。通過數理計
4算器件，因為設備被接通，所以根據經過的持續時間來校正由稱量系統所產生的與重量相關的信號。這允許急速縮短從接通電源直到天平達到其全準確度的時間。因此，所引用的參考文獻中提出的解決方案是針對天平的通電特性的。GB 2148512A中公開的電子天平具有兩個測量傳感器，所述傳感器測量對稱量結果具有有害影響的因素。所述測量傳感器之一例如為溫度傳感器，其固定於力補償線圈以便測量由補償線圈中的功率耗散所引起的溫度變化並且根據所測的溫度變化來校正天平的測量傳感器的輸出信號。溫度傳感器的數據連續地記入到數位訊號處理單元的存儲器中並且存儲規定的時間長度。根據測量傳感器的惰性，如果來自不同時間點的數據被用於校正天平的測量傳感器的輸出信號，則來自不同時間點的數據被分配給不同的稱重。因此，執行的該校正是唯象特性的。DE 29803425 Ul中公開的天平包括一種用於零點信號的溫度補償的設備，其中在第一步中，確定溫度的變化速率dT/dt，並且如果發現後者足夠小，則將電流零點信號與電流溫度信號一起存儲起來，並且其中，在已經收集到足夠大量的數值對之後，其起到了用於計算零點的溫度係數的基礎的作用。其然後被用於校正稱量結果的零點，即，零負載值。在CH 658516中描述的基於電磁力補償原理的天平中，藉助於流過設置在永磁體的空隙中的線圈的電流來產生補償力。作為電流的結果，線圈的溫度比再除掉線圈設置的那些部件高，並且實質上通過設備暴露的周圍室溫來確定其溫度。為了補償該溫度差，在永磁體組件內部設置一溫度傳感器以測量對應於永磁體的升高溫度的一溫度。基於所測得的溫度，然後校正力測量信號。然而，由於永磁體的熱慣性，溫度傳感器可能僅緩慢地響應環境溫度的變化。因此，與補償無關，仍然存在有害的影響，其可能在稱量結果中引起誤差。此夕卜，永磁體中的溫度傳感器的安裝、調節和檢查是費用高的並且易於出錯。這是其中溫度傳感器緊挨著直接與實際的力測量有關的關鍵部件設置或者設置在其內部的缺陷。對於熱量產生的更直接測量，CH 669041中提出了一種構想，其中溫度傳感器設置在線圈的繞組內部。這允許測量熱源中心，即線圈繞組中的溫度。然而，溫度傳感器的安裝和調節仍然充滿了難題。此外，對於與磁場有關的溫度的校正，測定值可能不是代表性的， 因為後者主要依賴於永磁體的溫度並且僅次要地依賴於線圈的溫度。

發明內容
因此，本發明的目的是提出一種用於力測量設備、具體地說，天平中的溫度校正的改進方法，為了獲得簡單的且低成本的操作而同時滿足與測量精度和穩定性有關的高標準的目的。特別是，旨在提供一種用於溫度差的補償的方法，其中可以按簡單方式安裝、調節和檢查溫度傳感器。另外的目的是提出一種簡單的、低成本的且可靠設計的合適的力測量設備。通過一種獨立權利要求中所陳述的方法並且通過一種擁有獨立權利要求中所陳述的特徵的力測量設備來解決該任務。在進一步的從屬權利要求中陳述了本發明的有益實施例。以下論述主要涉及天平的正常運行。不考慮通電事件和故障。本發明涉及一種用於力測量設備(具體地說是天平)在其正常運行期間的溫度校正的方法，包括以下步驟藉助於力測量單元，產生與輸入力對應的力測量信號；藉助於設置在離力測量設備的發熱部件一定距離處的溫度傳感器來測量溫度，其中所述溫度主要對應於力測量設備所暴露的環境溫度，並且產生與測得溫度對應的溫度信號；基於溫度測量信號和力測量信號來將力測量信號處理為溫度校正輸出信號；並且，將輸出信號傳輸至指示器單元和/或進一步的處理單元。在處理步驟中，藉助於基本的熱力學模型來由力測量信號和溫度測量信號計算出用於輸出信號校正的至少一個校正參數，其中所述校正參數表示為系統溫度與測得溫度之間存在的溫度差和/或第一系統溫度與第二系統溫度之間存在的溫度差。該方法具有簡單、高效且在無需緊挨著力測量設備的關鍵部件或者在其內部的費用大的和/或易於出錯的安裝的情況下執行精確的溫度補償的優點。其還消除了在力測量設備的不同位置處安裝進一步的溫度傳感器的需要。因此，可能獲得力測量設備的簡單和低成本的設計。另外，因為在回溯步驟中可通過簡單器件來執行計算，所以獲得了與力測量設備的成本、可靠性和穩定性有關的優點。因此，與現有技術相比，通過經由熱力學模型或者物理模型來計算顯著影響力測量的另外的熱影響因子的事實突出了本發明。然後，該計算出的影響因子被用於力測量信號的另外校正。溫度傳感器設置在力測量設備中由傳感器測得的溫度基本與環境溫度相當的位置處。可以藉助於熱力學模型或者物理模型來計算出在發熱部件處或者在其附近產生的溫度。本文中使用的術語「環境溫度」包括力測量設備所暴露的環境的不同溫度，例如，圍繞力測量設備的或者存在於力測量設備的外殼內部空間中的大氣溫度，以及該設備位於的表面或臺面的溫度或者被測量物體的溫度。環境溫度總是作用於力測量設備並且作用於設置在力測量設備上或其內部的溫度傳感器上。然而，在某些地方，所測得的溫度可能與環境溫度有區別，例如，如果連接至力測量設備的運行的另外的溫度因素參與了該情況。本文中所使用的術語「系統溫度」是指可以分配給力測量設備的系統部件的溫度， 例如，如線圈、永磁體、永磁體的芯、空隙、杆、位置傳感器或者其安裝附件以及力接收器、力傳遞機構或者力測量單元的一部件或者部件的一部分或者一組部件的溫度。根據本發明，溫度傳感器被設置成，測得溫度以及因此電氣溫度測量信號主要與環境溫度對應。例如，傳感器可以與環境大氣或者主要由環境溫度確定系統溫度的那些部件處於直接熱接觸。不太合適的配置是，溫度傳感器靠近實質上由與力測量設備的運行有關的因素來確定溫度的部件。因此，溫度傳感器優選設置在力測量單元的無熱源或者靜止的部件上或者其附近。然而其還可以緊挨著暴露於環境中或者位於力測量設備外的部件 (例如，外殼)放置，或者其可以附連至例如力接收器或力傳遞機構的活動部分。此外，溫度傳感器還可以設置在外殼外側或者設置在力測量設備附近。該配置具有溫度傳感器可以直接並迅速地對環境溫度的變化產生反應的有利結果。環境溫度的測量值還在很大程度上與力測量值無關，並且從而脫離受後者的影響，例如脫離受與其有關的發熱的影響。特別有益的是，溫度傳感器幾乎可以設置在力測量設備的任何非關鍵位置或部件處，以便可以在沒有難題的情況下執行對溫度傳感器的安裝、調節和/或檢查。原理上，根據本發明的方法可以用於力測量設備中的任何溫度差的校正。因此，有可能校正由例如突然的電湧產生的熱所引起的溫度差。另一方面，還可能校正通常由環境溫度和系統溫度之間或者兩個系統溫度之間的差異所引起的溫度差。因此，校正參數CP可以表示不同的溫度差。如果作用於力測量設備的環境溫度以相當迅速的速度變化並且系統溫度因為部件的熱慣性而不能跟隨所述變化或者至少不能立即跟隨，則可能出現具有不同系統溫度的情況。因此，生成的溫度差來自於在短時間間隔發生的或者瞬間發生的變化，並且因此僅在某一時間長度期間顯現其自身，而部件的系統溫度在環境溫度突升之後一時間延遲出現。 然而，這些溫度差隨著時間的過去平穩其自身，直到按照某一響應速度已經達到新的平衡水平。響應速度以及從而由時間決定的溫度差的變化取決於部件自身和/或其連接至其他部件和/或連接至周圍環境的熱特性。所述熱特性可以連接至多種熱力學因子，例如， 熱慣性、熱流入、熱傳導以及熱流出，以及部件的質量和表面，以及其熱膨脹。其具有特別的優點，根據本發明的校正在其可以用於力測量設備中的位置方面不受限制，所以可以計算力測量設備的任何位置和/或部件的系統溫度。因此，沒有局部受限的測量區域的情況，即，該區域具有的溫度傳感器的測定值不能代表被測部件。對於不同位置和/或部件在無需安裝大量傳感器的情況下無需額外費用來確定系統溫度。因此，還可能以低成本的方式來確定力測量設備中很複雜的溫度分布形式並且使用其來用於校正。特別是，基於在一沒問題的位置處獲得的單個溫度測量值，可以計算出力傳遞機構的兩個不同部件之間的溫度差以及該溫度差在力測量信號的判定上具有的影響。這進一步消除了與溫度傳感器的安裝附連中的熱效應有關的熱影響所產生的所有誤差。例如，溫度傳感器至部件的粘接通常產生隔熱邊界層，該隔熱邊界層經常在被測的系統溫度中引起誤差和/或時延。如果通過計算來確定系統溫度，則將不會發生該類問題。此外，通過根據所需的準確度水平來改進計算，有可能計算出複雜的以及各種熱影響因數，並且將其應用到力測量信號的校正中。本文中的術語「信號處理單元」覆蓋適用於處理力測量單元和溫度傳感器的測量信號的所有信號處理構件，例如，模擬或數字電路、集成電路、移位寄存器、處理器、計算機寸寸。在本發明的第一有利實施例中，藉助於響應函數和卷積積分來計算校正參數。從而，可以按緊湊形式來計算出引起相應的溫度差的熱力學現象並且將其應用到校正中。優選是，通過利用響應函數的時間導數、力測量信號或者由力測量信號確定的耗散功率函數卷積溫度測量信號來計算校正參數。這允許將測得信號(特別是包括在一先前時間長度上的其分布圖)考慮到校正參數的計算中。以下在優選實施例的詳細說明中描述該計算法的單個步驟。原則上，存在許多可以用作響應函數的由時間決定的函數，例如，指數函數或者多項式。優選是，根據至少一個熱力學的系統概念和/或作為對階梯函數或者脈衝函數和/ 或時間延遲函數，特別是具有給定時間常數的指數函數的形式的輸入的熱力學響應來限定所述響應函數。可以通過模型來描述例如熱傳導、熱膨脹或者隨溫度升高的磁場變弱的多種熱力學現象，並且將其用於校正參數的計算中。此外，所述計算可能適合於實際情況的假
7定條件，例如，通過對不同材料的熱導熱率修改時間常數。在本發明的一優選實施例中，通過遞歸法來計算校正參數。這使得能夠藉助於簡單的數學運算，例如通過初等乘法、求和法和時間延遲函數來計算出複雜公式(特別是，卷積積分)的值。另外，可以強烈地減少保存在存儲器中的數值和中間結果。作為進一步的優點，該遞歸法基本上沒有延遲，即實時信號處理。優選是，按取決於測得溫度和/或力測量信號的時間分布(特別是，變化速度)的由時間決定的量來計算校正參數。該校正主要管理按短期或者瞬變方式顯現其自身的溫度差。因此，可以產生所謂的動態溫度校正，由此，甚至可以對短期的溫度改變獲得很高的測量精度。特殊的優點是可以直接將隨時間的變化考慮到計算中的可能性。該無延遲的溫差校正與人們必須預期由於其熱特性(特別是，其熱慣性)而由溫度傳感器自身所引起的誤差的溫度測量相比是有利的。在又一實施例中，系統溫度對應於力測量設備的部件，特別是力輸入設備、力傳遞機構、槓桿或者槓桿臂的溫度，並且依賴於所述部件的熱膨脹來校正輸出信號。結果是，可以有效地校正通過部件尺寸方面的變化而將誤差引入到力測量值中的溫度差。原理上，溫度變化引起所有受影響部件的尺寸的變化。然而，通常，受影響部件的尺寸不會以相同速度變化，因為變化速度取決於各個相應部件的單獨特性。結果是，將在所述部件或者其部分中發生力傳遞特性方面的變化，具體地說，平衡狀態的變換。這具有將誤差引入到力測量值中的效果，然而這可以通過本發明的方法來有效地校正。優選是，用來將外加力傳遞至力測量單元的具體部件是槓桿或者槓桿臂。因此，校正參數對應於槓桿或者槓桿臂的縱向尺寸。因此，可以通過簡單的熱力學模型來計算出與環境溫度有關的效應，如將在詳細說明中示出的。在本發明的又一實施例中，校正參數表示為至少兩個分別與力測量設備的不同部件(特別是，兩個相反的槓桿臂)有關的溫度差。當其熱特性相互不匹配的不同部件響應環境溫度的短期或者瞬時變化時存在該類溫度差。在該情況中，根據本發明的方法是特別有利的，因為其不需要涉及許多溫度測量信號和相當困難的調節的主要處理工作。另外，其消除了若干溫度傳感器的安裝，其有助於低成本的設計。根據本發明的方法還可以用於具有許多不同部件的複雜機構(setups)，這具有特殊的優點。利用校正參數的本發明構思，可以表示出很多溫度差並且將其用於校正。特別是，校正參數可能包括兩個數值的組，該組包括第一槓桿臂的第一溫度差和第二槓桿臂的第二溫度差。這能夠計算出幾個由時間決定的過程的複雜特性，該幾個由時間決定的過程相互重疊，在該情況下為兩個槓桿壁的不同的由時間決定的特性。在本發明的又一實施例中，藉助於表示兩個溫度差之間的差值的差分信號來計算校正參數。該原理消除了對又一參考溫度，特別是作用於力測量設備的環境溫度的依賴，並且可以將溫度差計算成單信號，即，差值信號。這簡化了對校正參數的處理，特別是，其傳遞到進一步的計算中。在根據本發明的又一實施例中，力測量設備是基於電磁力補償原理的，並且量的特點在於，校正參數是連接至產生補償力的過程的溫度差。根據該原理，力測量單元產生了平衡作用於力測量設備的輸入力的一所謂的補償力。因此，力測量單元總是維持相同的位置，即使當施加的重量變化時，從而完全沒有或者僅在非常小的程度上顯現出已經在與現有技術有關的前言部分中描述過的蠕變現象，即，變形和/或材料疲勞的問題。在產生補償力的過程的放熱量通常在用來產生補償力的那些部件中引起溫度的升高。通過使用根據本發明構思的溫度校正，校正該影響現在變為非常簡單的事情，通過計算來確定發熱的關鍵位置處的溫度或者其作用。因此，人們不再必須與溫度傳感器在這些部件上的安裝、調節和監控的工作和費用作鬥爭。鑑於接近這些部件通常是困難的事實，這是特別有利的。根據本發明的又一實施例，藉助於其中流過電流的線圈來產生補償力，由此功率耗散成熱。取決於力測量信號來計算校正參數，特別是，作為可以源自於力測量信號的功率耗散的函數。該功率耗散在線圈中和圍繞線圈的部件中產生了溫度變化。溫度變化進而產生按所謂的負載漂移的形式隨時間變化的力效應。現在可以通過本發明的方法按簡單且精確的方式來校正該負載漂移，其中，直接依據熱源，即，線圈中產生的功率耗散來確定校正參數。當流過線圈的電流是隨時間可變的並且因此其大小取決於此刻作用的力時，根據本發明的方法在由時間決定的條件下具有特殊優點。因此，通過電流的變化，耗散掉不同量的功率，產生了不同溫度，並且從而作用在系統中的力隨時間變化。通過計算，可以立即並以靈活的方式來補償這些可變的條件。在本發明的又一優選實施例中，通過線圈和永磁體的相互作用產生了補償力，在該情況中，系統溫度對應於線圈和/或永磁體的溫度。由於線圈和永磁體兩者都參予了力的生成，所以就幹涉開始測量系統溫度的步驟而論，這些部件是特別關鍵的。因為線圈通常設置在永磁體的空隙中，所以線圈中的溫度變化將由於經由力測量設備的不同部件或者通過空隙中的空氣的熱傳遞而引起永磁體的相應變化。永磁體的溫度變化進而影響後者的磁場，並且從而影響產生的補償力。因此，力測量設備上恆定的輸入負載引起了逐步的升溫，並且從而引起輸入負載的由時間決定的變化的表現，即，負載漂移現象。在根據本發明來計算系統溫度的過程中，可以非常近似地計算出發生溫度變化的線圈和產生其作用的磁體之間發生的該熱傳遞，並且從而將其用於溫度校正。在又一優選實施例中，分別通過至少兩個不同的、基本上分開的運算模塊來計算力測量信號的至少兩個校正值，其中在每個模塊中，計算出上述校正參數中的至少一個。通過該模塊概念，可以建立起處理很大溫度影響差異的計算法，並且可以按簡單方式來修改以滿足變化的要求。本發明進一步涉及一種力測量設備，特別是天平，其具有產生表示外加力的電力測量信號的力測量單元，具有設置在力測量設備的發熱部件的一定距離處的溫度傳感器， 其中所述溫度傳感器測量主要上與作用於力測量設備上的環境溫度相當的溫度並且產生表示測得溫度的溫度測量信號，並且還具有信號處理單元，其被配置成基於溫度測量信號和力測量信號來將力測量信號處理成可以被傳輸至指示器單元和/或進一步的處理單元的溫度校正輸出信號。所述信號處理單元被適當地配置成藉助於熱力學模型來計算用於校正在力測量設備的正常運行期間其輸出信號的校正參數，其中校正參數表示為存在於系統溫度和測得溫度之間和/或第一系統溫度和第二系統溫度之間的溫度差。
在力測量設備的又一實施例中，溫度傳感器與力測量設備的部件(特別是，靜止部件)處於熱接觸，其中主要通過作用於力測量設備的環境溫度來確定所述部件的系統溫度。利用該配置，可以直接考慮環境溫度在部件上的影響，由此可以實現所述影響因素的精確補償。溫度傳感器優選設置在力測量單元的靜止部件上，例如，設置在其中緊固有力測量單元的部分上。因此，可以按簡單方式將溫度傳感器安裝在力測量設備的非關鍵部分上，並且可以在不影響力測量值的情況下將溫度測量信號傳遞至其目的地。優選以軟體程序來實施根據本發明的方法，該軟體程序可以在信號處理單元中執行並且其用來根據本發明方法計算輸出信號。這樣，有可能獲得高度的適應性和在其他應用中再次使用所述計算算法的能力。


在附圖所示的實施例的說明中陳述了根據本發明的方法和相應的力測量設備的細節，其中圖1描繪了作為典型實例的天平1，其中象徵性地顯示了負載L、從外部作用的環境溫度Te和在力測量設備內部作用的系統溫度Ts ；圖2以簡圖的形式按剖面圖描繪了用於根據圖1的天平的力測量單元10，其是基於電磁力補償原理的，其產生力測量信號HiL並且設有測量主要表示環境溫度Te的溫度Tm 並產生相應的溫度測量信號；圖3描繪了圖1和圖2的天平1的方框簡圖，具有信號處理單元20，該信號處理單元20是基於力測量信號mL、溫度測量信號mT和校正參數CP來產生溫度校正輸出信號mLc 的，該溫度校正輸出信號mLc被輸出至指示器單元13或者進一步的處理單元14 ；圖4描繪了類似於圖3的方框簡圖，其中校正值是由第一校正被加數C_S表示的第一溫度校正值和根據發明的由第二校正被加數C_LD表示的校正值的組合構成的，並且其中校正參數具有相對溫度差dTr的形式，並且基於所述相對溫度差dTr來計算第二校正被加數C_LD ；圖fe描繪了類似於圖4的方框簡圖，圖解了發明的另一實例，其中計算兩個溫度差 dTl 和 dT2 ；圖恥顯示了圖解如何得出用於圖fe的實例的計算方法的方框簡圖；圖5c示意地圖解了用於圖fe的實例的、與環境溫度Te的電湧dTe有關的溫度分布圖；以及圖6描繪了方框簡圖，其中根據圖4、5ajb和5c的計算法被組合為獨立執行其單獨功能的運算模塊結構。
具體實施例方式圖1作為一典型實例描繪了天平1，其中象徵性地表示出作用於天平1上的負載 L。在響應中，產生了與輸入負載L相反地作用的補償力F。還象徵性地表示出環境溫度Te， 該環境溫度Te從外部作用於天平並且對測量的準確度和穩定性具有顯著影響。一方面，由天平確定的測定值作為負載L的函數而變化，但是其還取決於環境溫度Te以及響應作用在力測量設備內部的系統溫度Ts的效果而變化。
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如將在以下段落中描述的，由於種種原因，該系統溫度Ts可以與環境溫度Te偏離。例如，在產生補償力的過程中，功率在天平的內部空間中耗散，這引起系統溫度Ts的升高。然而，如果部件的溫度變化不能跟隨溫度源的變化足夠快，則作為力測量設備的部件的熱慣性的結果，還可能產生溫度差。因此，作為天平1的一部分的信號處理單元具有儘可能將與負載L對應的測定值與這些不利的溫度影響隔離開的任務，並且實現在指示器13 (例如，液晶顯示器)上顯示的測定值為精確的和穩定的的結果。圖2以簡圖形式描繪了力測量單元10的剖視圖，該力測量單元10是基於電磁力補償原理的並且適於稱重應用。力測量單元10具有若干不同的系統部件或者組件，包括帶有平行引導設備的力傳遞機構，該力傳遞機構具有靜止部分42和豎直活動部分43，該豎直活動部分43被一對具有撓曲樞軸45的導引構件44系固到靜止部分上。豎直活動部分43 包括用來接收待測量的輸入負載L的懸臂式延伸部41，其通過箭頭示意性地表示。由負載 L產生的力的法向分量經由接合構件49被從豎直活動部分43傳遞至槓桿46的第一槓桿臂 48。槓桿46藉助於支點撓曲部47被支承在靜止部件42的一部分上。力測量單元10還包括杯狀的永磁體50，該永磁體50與靜止部分42固定地連接。永磁體50具有空隙51和連接至槓桿46的第二槓桿臂的線圈53，線圈53陷入到空隙中。補償電流Ic流過線圈53，補償電流Ic的大小取決於作用於槓桿46上的作用力。藉助於連接至閉環控制設備56的電光位置傳感器M來測量槓桿46的位置。控制設備56依據輸入的位置測量信號來調節補償電流Ic，使得將槓桿46恆定地保持在同一位置上或者在負載L變化之後使槓桿46返回到同一位置。閉環控制設備56產生了被傳遞至進一步的信號處理階段的數字或者模擬力測量信號mL。取決於可變的輸入力，相應地可變的補償電流Ic必須被傳送通過線圈53。結果， 在線圈53處發生了由負載決定的功率耗散。因此，線圈53起到了由負載決定的熱源的作用，並且從而在其到達的部件中引起了相應的溫度變化。該溫度變化特別是影響線圈53自身，而且通過熱傳遞使例如永磁體50、槓桿46和位置傳感器M的部件變熱。溫度傳感器15設置在力測量單元10的靜止部分42上。因此，由該溫度傳感器15 所測得的溫度Tm相應於靜止部分42的系統溫度。因為靜止部分42與作用於力測量設備的環境溫度Te處於直接熱接觸，所以被測量的溫度Tm直接相應於天平1所暴露的環境溫度Te。溫度傳感器15設置在離發熱線圈53某一距離處。因此，線圈53的溫度僅對被測量的溫度Tm具有較小的影響。因此，溫度傳感器15主要測量環境溫度Te在天平1上的影響。溫度傳感器15被設置成，由其測量的溫度Tm基本上與天平1的任何發熱部件的系統溫度Ti無關。溫度傳感器15還可以例如被設置在天平1的容納外殼的壁上。溫度傳感器15產生與靜止部分42的系統溫度Ts對應的並且從而主要與周圍環境的溫度Te對應的數字或者模擬的溫度測量信號mT。然後，類似於力測量信號，該溫度測量信號mT同樣被傳輸至進一步的信號處理階段。例如，圖3顯示了圖1和2的天平1的方框簡圖。在該實例中，力測量單元10產生了模擬力測量信號mL』，其相應於作用於力測量單元10上的輸入負載L。從力測量單元 10至模-數轉換器Ila的連接用來將模擬測量信號傳送至模-數轉換器11a。模_數轉換器Ila將輸入力測量信號mL』轉換為數字的力測量信號mL，其中該數字的力測量信號mL同樣相應於作用於力測量單元10的輸入負載L(圖3中的模擬信號通過單撇號識別，而相應的數位訊號通過沒有撇號的相同標記來識別)。從模-數轉換器Ila的輸出部至信號處理單元20的第一輸入部的連接用來將力測量信號mL傳送至後者。天平還包括如上所述的溫度傳感器15，其用來接收被測量的溫度Tm。該溫度傳感器15經由進一步的模-數轉換器lib被連接至信號處理單元20的第二輸入部，以便在由溫度傳感器15產生的溫度測量信號mT』已經被轉換為數字形式之後將其作為進一步的輸入量傳送至信號處理單元20。在該實例中，分開的模-數轉換器Ila和lib在這些轉換中因所需的不同解析度和速度而被分別用於力測量信號mL和溫度測量信號mT。然而，模-數轉換器Ila和lib還可以被結合到一個單元中。此外，模-數轉換器Ila和lib還可以被結合到力測量單元10 或者溫度傳感器15或者信號處理單元20中。在處理單元20中，根據溫度測量信號mT來將輸入的力測量信號mL處理為溫度校正輸出信號mLc。溫度校正輸出信號mLc大致相應於輸入的力測量信號mL並且從而對應於輸入負載L。信號處理單元20的輸出部連接至指示器13，以便可以將校正的輸出信號mLc 傳送至指示器單元13並且由指示器單元13來顯示。然而，校正輸出信號mLc還可以被傳輸至進一步的處理單元14，例如傳輸至監視/警報設備，或者傳輸至主計算機或者處理控制器。基於力測量信號mL和溫度測量信號mT，信號處理單元20計算出校正參數CP。如將在以下段落中描述的，該校正參數CP表示存在於系統溫度和測得溫度Tm之間和/或第一系統溫度和第二系統溫度之間的溫度差。校正參數CP用於又一步驟，以將力測量信號mL 處理為溫度校正輸出信號mLc。在信號處理單元20中執行的運算操作可以通過以下等式的運算通式來表示CP = F(mL，mT)mLc = F(CP, mL, mT)上述說明中的圖解框，即模-數轉換器1 Ia與1 Ib和數字處理單元20，優選在一個功能單元中實現，並且在共用的外殼或者在微處理器中適當地組合(由點劃線的矩形來表示)為例如共用電路板上的部件組。 圖4描繪了類似於圖3的方框簡圖，但是其中校正是由第一校正被加數C_S表示的第一溫度校正和根據本發明的、由第二校正被加數C_LD表示的校正的組合構成的，其通過如上所述的根據圖3的校正參數CP來計算。在該情況下，校正參數CP表示由相對時間決定的溫度差dTr (t)，該溫度差dTr (t)是作為線圈53的系統溫度Ts和測得溫度Tm之間的差值而獲得的。原始信號，即，補償電流Ic的測量信號ml』和測得溫度Tm的溫度測量信號mT』被傳輸至模-數轉換器11，其在該模-數轉換器11中被轉換為數字形式。相應的輸出信號， 艮口，力測量信號HiL和溫度測量信號mT是以數字形式獲得的，以用於隨後的運算操作。下面是確定校正被加數C_S的過程的提要，其實質上遵循現有技術中公開的步驟，例如，GB 1495278中公開的方法對於釤鈷磁體，永磁體中的磁場具有_350ppm/K的溫度係數的比較強的溫度依賴
12性。因此，在陷於磁場中的線圈53中流動的電流強度同樣具有比較強的溫度依賴性。力測量信號mL也與線圈53中的電流強度相對應。因此，在現有技術中已知的第一校正中，力測量信號mL利用與所測的環境溫度Te有關的永磁體50的溫度依賴性來補償。因此，該校正還被稱為是靜態溫度校正或者一階溫度校正，其表示了負載漂移的一所謂的基數校正。在該步驟中，根據以下方程式由力測量信號mL和溫度測量信號mT計算出第一校正被加數C_ S C_S = mL X TK XmT,其中TK表示一般憑經驗確定的或者由數據記錄表(即，溫度係數TK)獲得的常數。在該實例中計算出的第一校正被加數C_s與力測量信號mL和溫度測量信號mT成簡單的線性比例。然而，第一校正被加數C_S的計算法還可以包括高階項，例如，力測量信號的平方值(mL)2。在已經計算出第一校正被加數C_S之後，其進入到將第一校正被加數C_S加到原始的力測量信號HiL中的求和算子中，由此校正後者。因此，在該情況中，通過與輸入負載L 的變化有關並且與測得溫度Tm的變化有關的第一溫度校正來校正力測量信號mL。類似於圖3，在最後，將校正的測量信號傳輸至指示器單元13和/或進一步的處理單元14。除了第一校正被加數C_S之外，並且根據本發明，根據以下段落給出的詳細說明來計算如圖3所示的校正參數CP。基於該校正參數CP，在隨後的運算中計算出另外的、第二校正被加數C_LD。基於該第二校正被加數(_0)，現在將一另外的校正值應用至力測量信號mL。因此，根據本發明的校正提供了另外的、改進的溫度校正，即，負載漂移校正。在該實例中，表示相對的、由時間決定的溫度差dTr (t)的校正參數CP描述了與原理上可以被測量的溫度差相同的特徵時間分布圖，其中CP僅在各自的標準化常數方面不同於後者的溫度差。在計算法的第一部分中，由力測量信號來確定表示線圈53中的功率耗散的時間分布圖的、由時間決定的能量耗散速率P(t)。在該情況下，通過力測量信號mL與線圈電流 Ic成比例，根據以下來獲得耗散功率P(t)P(t) = c XmL2,其中c是比例常數。在其它其中沒有比例關係的情況下，同樣可以通過簡單的計算由力測量信號mL來計算出功率耗散。另外，將由時間決定的響應函數S(t)用於相對的溫度差dTr(t)的計算中。響應函數s(t)是基於表示為天平1的溫度差的由時間決定的特性的系統性熱力學性質的。因此，響應函數S(t)是從熱力學參量(即，天平1內部的熱流動和/或熱傳導)導出的。通過利用響應函數S(t)的時間導數來卷積能量耗散速率P (t)的數學過程確定所
述由時間決定的相對溫度差dTr (t)，即，
tδ Sit: — t_ )dTr(t) = P(t) · S(O) + J P(t· ) · —-df
ο5(t ~ t1 )
O對於響應函數S (t)的確定，例如，給定一簡單的熱力學模型。依據該情況，獲得響應函數S(t)為力測量信號mL的臺階狀變化的所謂的階躍響應。在該情況下，臺階狀變化表示天平1的輸入量，通過遵循熱力學模型的相應的響應函數來描述其響應輸入量的特性，在該情況下，在力測量設備的部件中存在熱傳導。依據該模型，可以通過以下表達式來描述由時間決定的響應函數S(t)S(t) = 1-θ" /τ具有特徵時間常數τ。在該情況下，可以根據上面給定的方程式來計算出相對的溫度差dTr(t)，結果為
4- _ I- S
It_ Z__dTr(t) = — j P(mL(t' ) ) . e τ dt,
τ οο人們還可以使用其他用於數學建模的響應函數s(t)或者階躍響應，特別是表示若干個指數函數的組合的階躍響應。可以獲得多種用於由時間決定的相對溫度差dTr(t)的卷積積分的計算方法。例如，在具有採樣時間周期ts的恆定檢測速率的情況中，可以通過總和來近似卷積積分dTr(t = nts) = (ts/ τ · Σ Ρ(η)其中，由遞歸公式來限定總和Σ ρ (η)Σ ρ (η) =c Σ Ρ(η-1)+0. 5(c P (η_1)+P (η))，其中c = e—ts/T < 1 。存在多種方式來執行這些數學運算，例如，以電腦程式或者利用其包括延遲單元和/或求和算子和/或乘法算子的遞歸電路設計。通過這些途徑，可以通過簡單的數學運算有效地並且高精度計算出卷積積分。因此，該計算階段傳送作為結果的、相對溫度差dTr(t)形式的校正參數CP。利用上述的現有技術，將通過利用溫度傳感器的物理測量來確定該溫度差dTr(t)。在該計算法的進一步的部分中，根據以下方程式來由相對溫度差dTr(t)計算出第二校正被加數C_LD C_LD = mLXTKLDXdTr (t)，其中，因子TKLD表示一給定的常數的溫度係數。該方程式闡明了一非常簡單的情況。通過考慮高階項，可以根據指定的要求來提高計算法的精度。如在第一校正的情況，第二校正被加數C_LD被傳遞至求和算子，該求和算子通過另外使第二校正被加數C_LD進入加法中來執行一相應的第二校正。因此，按照相對的溫度差dTr(t)和與其有關的負載漂移來校正力測量信號mL，其作為產生補償力的過程的結果而出現。現在可以在信號處理單元20的輸出部處獲得負載漂移校正的輸出mLc。圖5ajb和5c圖解了包括在根據本發明的校正參數CP的計算法中又一與溫度有關的現象的校正，其表示為圖1和2的天平的由時間決定的瞬變溫度特性，具體地說，是在環境溫度Te以所謂的階躍變化dTe的形式增減的情況中的具有兩個槓桿臂48a、48b的天平1的動態溫度特性。在該情況中，校正參數CP表示分別在兩個槓桿臂48a、48b中存在的並且分別代表系統溫度Tsl、Ts2和測得溫度Tm之間的差值的一組兩個溫度差dTl和dT2。 如將在以下段落中描述的，校正參數CP還可以表示為代表兩個溫度差dTl和dT2之間的差值的差分信號Δ(1Τ。環境溫度Te作用在力測量設備1的槓桿46上，並且從而作用在兩個槓桿臂48a 和48b上。因此，第一溫度差dTl在第一槓桿臂48a的第一系統溫度Tsl和測得溫度Tm之間形成，以及第二溫度差dT2在第二槓桿臂4 的第二系統溫度Ts2和測得溫度Tm之間形成。圖fe描繪了類似於圖4的方框簡圖，但是其中根據本發明計算兩個溫度差dTl和 dT2。因此，校正參數CP包括兩個溫度差dTl和dT2，其中每個是基於圖3和4中所描述的溫度測量信號mT來計算的。而且，在該實例中，所計算的溫度差未必代表真實存在的量。而是，如在前述實例中，其應當被認為是抽象的數學量。根據以下步驟序列來計算溫度差dTl 和 dT2。圖恥顯示了根據圖4的天平的極其簡化的方塊簡圖，其具有用於將輸入負載L傳遞至線圈53的槓桿46。該槓桿可樞轉地支承在旋轉中心X(所謂的槓桿支點)上。槓桿 46具有分別由質量Hi1和m2表示的第一槓桿臂48a和第二槓桿臂48b。具有質量Hi1的第一槓桿臂48a的重心離槓桿的支點X具有距離 。該質量代表天平的豎直活動部分43的質量。具有質量叫的第二槓桿臂48b代表天平1的力傳遞機構， 其假定為集中在距離％處的重心中。在不包括輸入負載L的情況下，因此由以下的等式來表示平衡狀態Iti1B1 = m2a2如果存在負載，則除了 Hi1之外，左邊的槓桿臂承載負載L，其通過作用在右邊的槓桿臂的端部處的磁力fM來補償。假定重心的支點距離％相對於右邊的槓桿臂的長度Id2的比值維持一常數值β，則通過以下的等式來描述該情況La1 = fMb2 禾Π =β b2,其中，槓桿比等於V^。隨著環境溫度的躍變dTe，在該情況中為逐步升高，兩個質量Hi1和m2將變暖。質量叫是比較重並且比較緊湊，並且表面和質量之間的比值因此比較小。因此，質量Hl1的第一系統溫度Tsl自身僅慢慢地調節至溫度躍變dTe。相反，質量1112較輕並且具有比較大的表面。因此，其溫度，即，第二系統溫度Ts2比較快地跟隨溫度躍變dTe。這具有兩個槓桿臂 48a和48b各自的系統溫度Tsl和Ts2對於某一時間長度相互不同的後果。因此，其相對於環境溫度Te的溫度差同樣是不同的，即，第一槓桿臂48a為dTl和第二槓桿臂48b為dT2。利用膨脹係數α，槓桿46的兩個臂因此在長度方面呈現出不同的變化，即α XdTl對於第一槓桿臂48a，以及α XdT2對於第二槓桿臂48b。因此，在溫度躍變dTe之後，在機械平衡中存在由以下等式表示的漂移(m^L)Bid+α dTl) = m2 a2(1+α dT2)+fM b2(l+a dT2)如在圖4的前述實例中，分別通過卷積積分、由時間決定的響應函數Sl (t)、S2(t) 和特徵時間常數τ 1與τ 2來確定溫度差dTl和dT2。因此，人們獲得了溫度差
權利要求
1.一種用於力測量設備(1)的，具體地說，天平的溫度校正同時按測量模式操作的方法，包括以下步驟-藉助於力測量單元(10)，產生與輸入力對應的電氣的力測量信號(mL)；-藉助於設置在距所述力測量設備(1)的發熱部件一定距離處的溫度傳感器(1 來測量溫度(Tm)並且產生與測得溫度(Tm)對應的溫度測量信號(mT)，其中所述溫度(Tm)主要與所述力測量設備所暴露的環境溫度(Te)相當；-基於所述溫度測量信號(mT)和力測量信號(mL)來將所述力測量信號(mL)處理成溫度校正輸出信號(mLc)；以及-將所述輸出信號(mLc)輸送至指示器單元(1 和/或進一步的處理單元(14)，-其特徵在於，在所述處理步驟中，藉助於基礎的熱力學模型來由所述力測量信號 (mL)和溫度測量信號(mL)計算出用於校正所述輸出信號(mLc)的至少一個校正參數 (CP)，其中所述校正參數(CP)表示存在於下述之間的溫度差(dTr、dTl、dT2)，Α)在系統溫度(TS、TS1、TW)和所述測得溫度(Tm)之間，和/或B)在第一系統溫度(Tsl)和第二系統溫度(Ts2)之間。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，藉助於響應函數(S(t)、Sl(t)、S2(t))和卷積積分，特別是通過利用所述響應函數(S(t)、Sl(t)、S2(t))的時間導數卷積所述溫度測量信號(mT)、力測量信號(mL)或者由所述力測量信號(mL)確定的耗散功率量(P)來計算所述校正參數(CP)。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，根據至少一個熱力學定律和/或作為對階梯函數或者脈衝函數和/或時間延遲函數，特別是具有給定時間常數(τ、τ ρ τ 2)的指數函數的形式的輸入的熱力學響應來限定所述響應函數(S (t)、Sl (t)、S2 (t))。
4.根據權利要求1到3中一項所述的方法，其特徵在於，通過遞歸方法來計算所述校正參數(CP)。
5.根據權利要求1到4中一項所述的方法，其特徵在於，所述校正參數(CP)被計算為由時間決定的量，該由時間決定的量依賴於所述測得溫度(Tm)和/或所述力測量信號(mL) 的時間分布，特別是變化率。
6.根據權利要求1到5中一項所述的方法，其特徵在於，所述系統溫度(Ts、Tsl、Ts2) 相應於所述力測量設備(1)的部件的溫度，特別是，力輸入構件、力傳遞構件、槓桿G6)或者槓桿臂G8)的溫度，並且與所述部件的熱膨脹有關地校正所述輸出信號(mLc)。
7.根據權利要求1到6中一項所述的方法，其特徵在於，所述校正參數(CP)表示至少兩個分別與所述力測量設備(1)的不同部件，特別是兩個相反的槓桿臂(48a、48b)有關的溫度差(dTl、dT2)。
8.根據權利要求1到7中一項所述的方法，其特徵在於，藉助於差值信號(AdT)來計算所述校正參數(CP)，該差值信號(AdT)作為兩個溫度差(dTl、dT2)之間的差值而獲得的。
9.根據權利要求1到8中一項所述的方法，其特徵在於，所述力測量設備(1)是基於電磁力補償原理的，並且所述校正參數(CP)表示與產生所述補償力的過程相關而出現的溫度差。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，藉助於其中流過電流的線圈(53)來產生所述補償力，因此由於耗散而損失一定量的功率(P)，並且所述校正參數(CP)被計算為所述力測量信號(mL)的函數，特別是作為從所述力測量信號(mL)導出的功率耗散損失(P) 的函數。
11.根據權利要求9或10所述的方法，其特徵在於，通過線圈(53)與永磁體(50)的相互作用來產生所述補償力，並且所述系統溫度(Ts)相應於所述線圈(53)和/或所述永磁體(50)的溫度。
12.根據權利要求1到11中一項所述的方法，其特徵在於，通過兩個不同的、實質上單獨的算術模塊來計算所述力測量信號(mL)的至少兩個校正值，其中每個模塊分別執行至少一個校正參數(CP)的計算。
13.一種力測量設備(1)，特別是天平，其具有力測量單元(10)、溫度傳感器(1 並且還具有信號處理單元(20)，所述力測量單元(10)產生與所述外加力對應的電氣的力測量信號(mL)，所述溫度傳感器(1 設置在距所述力測量設備(1)的發熱部件一定距離處，其中所述溫度傳感器(1 測量主要與作用於所述力測量設備上的環境溫度相當的溫度(Tm) 並且產生與所述測得溫度(Tm)對應的溫度測量信號(mT)，所述測得溫度(Tm)進而主要相應於作用於所述力測量設備上的環境溫度(Te)，所述信號處理單元00)被配置成基於所述溫度測量信號(mT)和力測量信號(mL)將所述力測量信號(mL)處理成可以被傳輸至指示器單元(1 和/或進一步的處理單元(14)的溫度補償輸出信號(mLc)，其特徵在於，所述信號處理單元00)適合於被配置成，可以藉助於基礎的熱力學模型來計算校正參數(CP)，當所述力測量設備按測量模式操作時，所述校正參數(CP)起到校正所述輸出信號 (mLc)的作用，其中所述校正參數(CP)表示存在於下述之間的溫度差(dTr、dTl、dT2)Α)在系統溫度(Ts、Tsl、Ts2)和所述測得溫度(Tm)之間，和/或B)在第一系統溫度(Tsl)和第二系統溫度(Ts2)之間。
14.根據權利要求13所述的力測量設備，其特徵在於，所述溫度傳感器(1 與所述力測量設備(1)的靜止部件(40、41、42、們)處於熱接觸。
全文摘要
本發明涉及一種用於力測量設備(1)，具體地說，天平的溫度校正的方法，其是基於電磁力補償原理的，其按正常的測量模式運行，包括藉助於力測量單元(10)來產生與輸入力對應的力測量信號(mL)的步驟；藉助於設置在離所述力測量設備(1)的發熱部件一定距離處的溫度傳感器(15)來產生電氣的溫度測量信號(mT)，其中所述溫度測量信號(mT)相應於所述力測量設備所暴露的環境溫度(Te)；基於所述溫度測量信號(mT)和力測量信號(mL)來將所述力測量信號(mL)處理成溫度校正輸出信號(mLc)；並且將所述輸出信號(mLc)輸送至指示器單元(13)和/或進一步的處理單元(14)。在所述處理步驟中，藉助於熱力學模型來由所述力測量信號(mL)和/或溫度測量信號(mT)計算出用於校正所述輸出信號(mLc)的至少一個校正參數(CP)，其中所述校正參數(CP)表示處於系統溫度(Ts、Ts1、Ts2)和環境溫度(Te)之間或者第一系統溫度(Ts1)和第二系統溫度(Ts2)之間的溫度差(dTr、dT1、dT2)。
文檔編號G01G3/18GK102483345SQ201080033262
公開日2012年5月30日 申請日期2010年7月23日 優先權日2009年7月23日
發明者D·雷伯, T·克佩爾 申請人:梅特勒-託利多公開股份有限公司