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专利名称：用于力测量设备的温度校正的方法和力测量设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于力测量设备(具体地说是天平)中与温度有关的误差的校正方法和一种拥有必需性能的力测量设备。
背景技术：
力测量设备通常包括不同的功能部分，例如，力接收器、力传递机构、力测量单元和有时用于处理测量信号的设备。待测量的作用力通过力接收器来接收并且经由力传递机构传递至力测量单元。力测量单元将输入的作用力转换为与作用在力测量设备上的作用力对应的电力测量信号。类似地，在天平的情况中，称量物体的重力代表输入的力，所谓的称量负载作用于具有称量盘形式的力接收器。该力输入被连杆形式的力传递机构传递至力测量单元或者称量单元，在该力测量单元或者称量单元处，其被转换为所谓的称量信号的电力测量信号。电力测量信号被传输至信号处理单元，该信号处理单元用来进一步处理力测量信号并且产生相应的输出信号。输出信号被传输至指示器单元和/或被传输至进一步的处理单元，例如，主计算机或者系统控制器。该类力测量设备或者天平一般用于称量单独称量物件，但是其也在用于称量大量称量货物的自动化生产和测试系统中得到应用。该类力测量设备必须满足很高的精度水平、可重复性和测量结构的稳定性。另外，力测量设备应当尽可能为简单和低成本的设计。为了准确和稳定的测量，必须测量并适当地校正在称量结构中引起误差的影响因素是现有技术的作法。例如，GB 1495278中描述了一种用于校正与负载无关的参数的影响， 特别是从外部影响称量设备的温度的影响的方法。该校正伴随有测量称量设备所暴露的环境温度并且伴随有产生一相应的电力的温度测量信号。基于该温度测量信号，然后将该力测量信号处理成一温度校正输出信号。使用该方法，还有可能借助于一时变指数函数来校正时变现象，例如，跟随弹性变形的蠕变效应。属于已知的现有技术的该校正方法是基于这样的假设的，力测量设备是处于其所有部件具有相同温度(即，周围环境的温度)的条件的。然而，经常存在力测量设备的不同部件具有不均勻温度的情况。例如，可能在操作期间在力测量设备中产生附加热，这使力测量设备的一些部件的温度升高。因此，在与操作相关的部件温度和设备所暴露的环境温度之间存在温度差。通常，该类温度差将影响力测量设备的测量值，S卩，输入力或者作用在设备上的输入负载的测量值。因此，目的是尽可能完全校正所述温度作用的影响，特别是必须满足高精度和稳定性的标准的力测量设备。现有技术为校正温度差的影响提供了不同解决方案。例如，DE 10353414B3中公开的天平具有至少两个设置在不同位置处的温度传感器，根据刚好在接通电源之后所述两个温度传感器的输出信号之间的差值来选择初始校正值。两个温度传感器，更准确地说，由其所测得的温度差用来间接地确定设备在被接通之前切断期间所持续的时间。通过数理计
4算器件，因为设备被接通，所以根据经过的持续时间来校正由称量系统所产生的与重量相关的信号。这允许急速缩短从接通电源直到天平达到其全准确度的时间。因此，所引用的参考文献中提出的解决方案是针对天平的通电特性的。GB 2148512A中公开的电子天平具有两个测量传感器，所述传感器测量对称量结果具有有害影响的因素。所述测量传感器之一例如为温度传感器，其固定于力补偿线圈以便测量由补偿线圈中的功率耗散所引起的温度变化并且根据所测的温度变化来校正天平的测量传感器的输出信号。温度传感器的数据连续地记入到数字信号处理单元的存储器中并且存储规定的时间长度。根据测量传感器的惰性，如果来自不同时间点的数据被用于校正天平的测量传感器的输出信号，则来自不同时间点的数据被分配给不同的称重。因此，执行的该校正是唯象特性的。DE 29803425 Ul中公开的天平包括一种用于零点信号的温度补偿的设备，其中在第一步中，确定温度的变化速率dT/dt，并且如果发现后者足够�。�则将电流零点信号与电流温度信号一起存储起来，并且其中，在已经收集到足够大量的数值对之后，其起到了用于计算零点的温度系数的基础的作用。其然后被用于校正称量结果的零点，即，零负载值。在CH 658516中描述的基于电磁力补偿原理的天平中，借助于流过设置在永磁体的空隙中的线圈的电流来产生补偿力。作为电流的结果，线圈的温度比再除掉线圈设置的那些部件高，并且实质上通过设备暴露的周围室温来确定其温度。为了补偿该温度差，在永磁体组件内部设置一温度传感器以测量对应于永磁体的升高温度的一温度。基于所测得的温度，然后校正力测量信号。然而，由于永磁体的热惯性，温度传感器可能仅缓慢地响应环境温度的变化。因此，与补偿无关，仍然存在有害的影响，其可能在称量结果中引起误差。此夕卜，永磁体中的温度传感器的安装、调节和检查是费用高的并且易于出错。这是其中温度传感器紧挨着直接与实际的力测量有关的关键部件设置或者设置在其内部的缺陷。对于热量产生的更直接测量，CH 669041中提出了一种构想，其中温度传感器设置在线圈的绕组内部。这允许测量热源中心，即线圈绕组中的温度。然而，温度传感器的安装和调节仍然充满了难题。此外，对于与磁场有关的温度的校正，测定值可能不是代表性的， 因为后者主要依赖于永磁体的温度并且仅次要地依赖于线圈的温度。

发明内容
因此，本发明的目的是提出一种用于力测量设备、具体地说，天平中的温度校正的改进方法，为了获得简单的且低成本的操作而同时满足与测量精度和稳定性有关的高标准的目的。特别是，旨在提供一种用于温度差的补偿的方法，其中可以按简单方式安装、调节和检查温度传感器。另外的目的是提出一种简单的、低成本的且可靠设计的合适的力测量设备。通过一种独立权利要求中所陈述的方法并且通过一种拥有独立权利要求中所陈述的特征的力测量设备来解决该任务。在进一步的从属权利要求中陈述了本发明的有益实施例。以下论述主要涉及天平的正常运行。不考虑通电事件和故障。本发明涉及一种用于力测量设备(具体地说是天平)在其正常运行期间的温度校正的方法，包括以下步骤借助于力测量单元，产生与输入力对应的力测量信号；借助于设置在离力测量设备的发热部件一定距离处的温度传感器来测量温度，其中所述温度主要对应于力测量设备所暴露的环境温度，并且产生与测得温度对应的温度信号；基于温度测量信号和力测量信号来将力测量信号处理为温度校正输出信号；并且，将输出信号传输至指示器单元和/或进一步的处理单元。在处理步骤中，借助于基本的热力学模型来由力测量信号和温度测量信号计算出用于输出信号校正的至少一个校正参数，其中所述校正参数表示为系统温度与测得温度之间存在的温度差和/或第一系统温度与第二系统温度之间存在的温度差。该方法具有简单、高效且在无需紧挨着力测量设备的关键部件或者在其内部的费用大的和/或易于出错的安装的情况下执行精确的温度补偿的优点。其还消除了在力测量设备的不同位置处安装进一步的温度传感器的需要。因此，可能获得力测量设备的简单和低成本的设计。另外，因为在回溯步骤中可通过简单器件来执行计算，所以获得了与力测量设备的成本、可靠性和稳定性有关的优点。因此，与现有技术相比，通过经由热力学模型或者物理模型来计算显著影响力测量的另外的热影响因子的事实突出了本发明。然后，该计算出的影响因子被用于力测量信号的另外校正。温度传感器设置在力测量设备中由传感器测得的温度基本与环境温度相当的位置处。可以借助于热力学模型或者物理模型来计算出在发热部件处或者在其附近产生的温度。本文中使用的术语“环境温度”包括力测量设备所暴露的环境的不同温度，例如，围绕力测量设备的或者存在于力测量设备的外壳内部空间中的大气温度，以及该设备位于的表面或台面的温度或者被测量物体的温度。环境温度总是作用于力测量设备并且作用于设置在力测量设备上或其内部的温度传感器上。然而，在某些地方，所测得的温度可能与环境温度有区别，例如，如果连接至力测量设备的运行的另外的温度因素参与了该情况。本文中所使用的术语“系统温度”是指可以分配给力测量设备的系统部件的温度， 例如，如线圈、永磁体、永磁体的芯、空隙、杆、位置传感器或者其安装附件以及力接收器、力传递机构或者力测量单元的一部件或者部件的一部分或者一组部件的温度。根据本发明，温度传感器被设置成，测得温度以及因此电气温度测量信号主要与环境温度对应。例如，传感器可以与环境大气或者主要由环境温度确定系统温度的那些部件处于直接热接触。不太合适的配置是，温度传感器靠近实质上由与力测量设备的运行有关的因素来确定温度的部件。因此，温度传感器优选设置在力测量单元的无热源或者静止的部件上或者其附近。然而其还可以紧挨着暴露于环境中或者位于力测量设备外的部件 (例如，外壳)放置，或者其可以附连至例如力接收器或力传递机构的活动部分。此外，温度传感器还可以设置在外壳外侧或者设置在力测量设备附近。该配置具有温度传感器可以直接并迅速地对环境温度的变化产生反应的有利结果。环境温度的测量值还在很大程度上与力测量值无关，并且从而脱离受后者的影响，例如脱离受与其有关的发热的影响。特别有益的是，温度传感器几乎可以设置在力测量设备的任何非关键位置或部件处，以便可以在没有难题的情况下执行对温度传感器的安装、调节和/或检查。原理上，根据本发明的方法可以用于力测量设备中的任何温度差的校正。因此，有可能校正由例如突然的电涌产生的热所引起的温度差。另一方面，还可能校正通常由环境温度和系统温度之间或者两个系统温度之间的差异所引起的温度差。因此，校正参数CP可以表示不同的温度差。如果作用于力测量设备的环境温度以相当迅速的速度变化并且系统温度因为部件的热惯性而不能跟随所述变化或者至少不能立即跟随，则可能出现具有不同系统温度的情况。因此，生成的温度差来自于在短时间间隔发生的或者瞬间发生的变化，并且因此仅在某一时间长度期间显现其自身，而部件的系统温度在环境温度突升之后一时间延迟出现。 然而，这些温度差随着时间的过去平稳其自身，直到按照某一响应速度已经达到新的平衡水平。响应速度以及从而由时间决定的温度差的变化取决于部件自身和/或其连接至其他部件和/或连接至周围环境的热特性。所述热特性可以连接至多种热力学因子，例如， 热惯性、热流入、热传导以及热流出，以及部件的质量和表面，以及其热膨胀。其具有特别的优点，根据本发明的校正在其可以用于力测量设备中的位置方面不受限制，所以可以计算力测量设备的任何位置和/或部件的系统温度。因此，没有局部受限的测量区域的情况，即，该区域具有的温度传感器的测定值不能代表被测部件。对于不同位置和/或部件在无需安装大量传感器的情况下无需额外费用来确定系统温度。因此，还可能以低成本的方式来确定力测量设备中很复杂的温度分布形式并且使用其来用于校正。特别是，基于在一没问题的位置处获得的单个温度测量值，可以计算出力传递机构的两个不同部件之间的温度差以及该温度差在力测量信号的判定上具有的影响。这进一步消除了与温度传感器的安装附连中的热效应有关的热影响所产生的所有误差。例如，温度传感器至部件的粘接通常产生隔热边界层，该隔热边界层经常在被测的系统温度中引起误差和/或时延。如果通过计算来确定系统温度，则将不会发生该类问题。此外，通过根据所需的准确度水平来改进计算，有可能计算出复杂的以及各种热影响因数，并且将其应用到力测量信号的校正中。本文中的术语“信号处理单元”覆盖适用于处理力测量单元和温度传感器的测量信号的所有信号处理构件，例如，模拟或数字电路、集成电路、移位寄存器、处理器、计算机寸寸。在本发明的第一有利实施例中，借助于响应函数和卷积积分来计算校正参数。从而，可以按紧凑形式来计算出引起相应的温度差的热力学现象并且将其应用到校正中。优选是，通过利用响应函数的时间导数、力测量信号或者由力测量信号确定的耗散功率函数卷积温度测量信号来计算校正参数。这允许将测得信号(特别是包括在一先前时间长度上的其分布图)考虑到校正参数的计算中。以下在优选实施例的详细说明中描述该计算法的单个步骤。原则上，存在许多可以用作响应函数的由时间决定的函数，例如，指数函数或者多项式。优选是，根据至少一个热力学的系统概念和/或作为对阶梯函数或者脉冲函数和/ 或时间延迟函数，特别是具有给定时间常数的指数函数的形式的输入的热力学响应来限定所述响应函数。可以通过模型来描述例如热传导、热膨胀或者随温度升高的磁场变弱的多种热力学现象，并且将其用于校正参数的计算中。此外，所述计算可能适合于实际情况的假
7定条件，例如，通过对不同材料的热导热率修改时间常数。在本发明的一优选实施例中，通过递归法来计算校正参数。这使得能够借助于简单的数学运算，例如通过初等乘法、求和法和时间延迟函数来计算出复杂公式(特别是，卷积积分)的值。另外，可以强烈地减少保存在存储器中的数值和中间结果。作为进一步的优点，该递归法基本上没有延迟，即实时信号处理。优选是，按取决于测得温度和/或力测量信号的时间分布(特别是，变化速度)的由时间决定的量来计算校正参数。该校正主要管理按短期或者瞬变方式显现其自身的温度差。因此，可以产生所谓的动态温度校正，由此，甚至可以对短期的温度改变获得很高的测量精度。特殊的优点是可以直接将随时间的变化考虑到计算中的可能性。该无延迟的温差校正与人们必须预期由于其热特性(特别是，其热惯性)而由温度传感器自身所引起的误差的温度测量相比是有利的。在又一实施例中，系统温度对应于力测量设备的部件，特别是力输入设备、力传递机构、杠杆或者杠杆臂的温度，并且依赖于所述部件的热膨胀来校正输出信号。结果是，可以有效地校正通过部件尺寸方面的变化而将误差引入到力测量值中的温度差。原理上，温度变化引起所有受影响部件的尺寸的变化。然而，通常，受影响部件的尺寸不会以相同速度变化，因为变化速度取决于各个相应部件的单独特性。结果是，将在所述部件或者其部分中发生力传递特性方面的变化，具体地说，平衡状态的变换。这具有将误差引入到力测量值中的效果，然而这可以通过本发明的方法来有效地校正。优选是，用来将外加力传递至力测量单元的具体部件是杠杆或者杠杆臂。因此，校正参数对应于杠杆或者杠杆臂的纵向尺寸。因此，可以通过简单的热力学模型来计算出与环境温度有关的效应，如将在详细说明中示出的。在本发明的又一实施例中，校正参数表示为至少两个分别与力测量设备的不同部件(特别是，两个相反的杠杆臂)有关的温度差。当其热特性相互不匹配的不同部件响应环境温度的短期或者瞬时变化时存在该类温度差。在该情况中，根据本发明的方法是特别有利的，因为其不需要涉及许多温度测量信号和相当困难的调节的主要处理工作。另外，其消除了若干温度传感器的安装，其有助于低成本的设计。根据本发明的方法还可以用于具有许多不同部件的复杂机构(setups)，这具有特殊的优点。利用校正参数的本发明构思，可以表示出很多温度差并且将其用于校正。特别是，校正参数可能包括两个数值的组，该组包括第一杠杆臂的第一温度差和第二杠杆臂的第二温度差。这能够计算出几个由时间决定的过程的复杂特性，该几个由时间决定的过程相互重叠，在该情况下为两个杠杆壁的不同的由时间决定的特性。在本发明的又一实施例中，借助于表示两个温度差之间的差值的差分信号来计算校正参数。该原理消除了对又一参考温度，特别是作用于力测量设备的环境温度的依赖，并且可以将温度差计算成单信号，即，差值信号。这简化了对校正参数的处理，特别是，其传递到进一步的计算中。在根据本发明的又一实施例中，力测量设备是基于电磁力补偿原理的，并且量的特点在于，校正参数是连接至产生补偿力的过程的温度差。根据该原理，力测量单元产生了平衡作用于力测量设备的输入力的一所谓的补偿力。因此，力测量单元总是维持相同的位置，即使当施加的重量变化时，从而完全没有或者仅在非常小的程度上显现出已经在与现有技术有关的前言部分中描述过的蠕变现象，即，变形和/或材料疲劳的问题。在产生补偿力的过程的放热量通常在用来产生补偿力的那些部件中引起温度的升高。通过使用根据本发明构思的温度校正，校正该影响现在变为非常简单的事情，通过计算来确定发热的关键位置处的温度或者其作用。因此，人们不再必须与温度传感器在这些部件上的安装、调节和监控的工作和费用作斗争。鉴于接近这些部件通常是困难的事实，这是特别有利的。根据本发明的又一实施例，借助于其中流过电流的线圈来产生补偿力，由此功率耗散成热。取决于力测量信号来计算校正参数，特别是，作为可以源自于力测量信号的功率耗散的函数。该功率耗散在线圈中和围绕线圈的部件中产生了温度变化。温度变化进而产生按所谓的负载漂移的形式随时间变化的力效应。现在可以通过本发明的方法按简单且精确的方式来校正该负载漂移，其中，直接依据热源，即，线圈中产生的功率耗散来确定校正参数。当流过线圈的电流是随时间可变的并且因此其大小取决于此刻作用的力时，根据本发明的方法在由时间决定的条件下具有特殊优点。因此，通过电流的变化，耗散掉不同量的功率，产生了不同温度，并且从而作用在系统中的力随时间变化。通过计算，可以立即并以灵活的方式来补偿这些可变的条件。在本发明的又一优选实施例中，通过线圈和永磁体的相互作用产生了补偿力，在该情况中，系统温度对应于线圈和/或永磁体的温度。由于线圈和永磁体两者都参予了力的生成，所以就干涉开始测量系统温度的步骤而论，这些部件是特别关键的。因为线圈通常设置在永磁体的空隙中，所以线圈中的温度变化将由于经由力测量设备的不同部件或者通过空隙中的空气的热传递而引起永磁体的相应变化。永磁体的温度变化进而影响后者的磁�。�并且从而影响产生的补偿力。因此，力测量设备上恒定的输入负载引起了逐步的升温，并且从而引起输入负载的由时间决定的变化的表现，即，负载漂移现象。在根据本发明来计算系统温度的过程中，可以非常近似地计算出发生温度变化的线圈和产生其作用的磁体之间发生的该热传递，并且从而将其用于温度校正。在又一优选实施例中，分别通过至少两个不同的、基本上分开的运算�？槔醇扑懔Σ饬啃藕诺闹辽倭礁鲂Ｕ�值，其中在每个模块中，计算出上述校正参数中的至少一个。通过该�？楦拍睿�可以建立起处理很大温度影响差异的计算法，并且可以按简单方式来修改以满足变化的要求。本发明进一步涉及一种力测量设备，特别是天平，其具有产生表示外加力的电力测量信号的力测量单元，具有设置在力测量设备的发热部件的一定距离处的温度传感器， 其中所述温度传感器测量主要上与作用于力测量设备上的环境温度相当的温度并且产生表示测得温度的温度测量信号，并且还具有信号处理单元，其被配置成基于温度测量信号和力测量信号来将力测量信号处理成可以被传输至指示器单元和/或进一步的处理单元的温度校正输出信号。所述信号处理单元被适当地配置成借助于热力学模型来计算用于校正在力测量设备的正常运行期间其输出信号的校正参数，其中校正参数表示为存在于系统温度和测得温度之间和/或第一系统温度和第二系统温度之间的温度差。
在力测量设备的又一实施例中，温度传感器与力测量设备的部件(特别是，静止部件)处于热接触，其中主要通过作用于力测量设备的环境温度来确定所述部件的系统温度。利用该配置，可以直接考虑环境温度在部件上的影响，由此可以实现所述影响因素的精确补偿。温度传感器优选设置在力测量单元的静止部件上，例如，设置在其中紧固有力测量单元的部分上。因此，可以按简单方式将温度传感器安装在力测量设备的非关键部分上，并且可以在不影响力测量值的情况下将温度测量信号传递至其目的地。优选以软件程序来实施根据本发明的方法，该软件程序可以在信号处理单元中执行并且其用来根据本发明方法计算输出信号。这样，有可能获得高度的适应性和在其他应用中再次使用所述计算算法的能力。


在附图所示的实施例的说明中陈述了根据本发明的方法和相应的力测量设备的细节，其中图1描绘了作为典型实例的天平1，其中象征性地显示了负载L、从外部作用的环境温度Te和在力测量设备内部作用的系统温度Ts ；图2以简图的形式按剖面图描绘了用于根据图1的天平的力测量单元10，其是基于电磁力补偿原理的，其产生力测量信号HiL并且设有测量主要表示环境温度Te的温度Tm 并产生相应的温度测量信号；图3描绘了图1和图2的天平1的方框简图，具有信号处理单元20，该信号处理单元20是基于力测量信号mL、温度测量信号mT和校正参数CP来产生温度校正输出信号mLc 的，该温度校正输出信号mLc被输出至指示器单元13或者进一步的处理单元14 ；图4描绘了类似于图3的方框简图，其中校正值是由第一校正被加数C_S表示的第一温度校正值和根据发明的由第二校正被加数C_LD表示的校正值的组合构成的，并且其中校正参数具有相对温度差dTr的形式，并且基于所述相对温度差dTr来计算第二校正被加数C_LD ；图fe描绘了类似于图4的方框简图，图解了发明的另一实例，其中计算两个温度差 dTl 和 dT2 ；图恥显示了图解如何得出用于图fe的实例的计算方法的方框简图；图5c示意地图解了用于图fe的实例的、与环境温度Te的电涌dTe有关的温度分布图；以及图6描绘了方框简图，其中根据图4、5ajb和5c的计算法被组合为独立执行其单独功能的运算�？榻峁�。
具体实施例方式图1作为一典型实例描绘了天平1，其中象征性地表示出作用于天平1上的负载 L。在响应中，产生了与输入负载L相反地作用的补偿力F。还象征性地表示出环境温度Te， 该环境温度Te从外部作用于天平并且对测量的准确度和稳定性具有显著影响。一方面，由天平确定的测定值作为负载L的函数而变化，但是其还取决于环境温度Te以及响应作用在力测量设备内部的系统温度Ts的效果而变化。
10
如将在以下段落中描述的，由于种种原因，该系统温度Ts可以与环境温度Te偏离。例如，在产生补偿力的过程中，功率在天平的内部空间中耗散，这引起系统温度Ts的升高。然而，如果部件的温度变化不能跟随温度源的变化足够快，则作为力测量设备的部件的热惯性的结果，还可能产生温度差。因此，作为天平1的一部分的信号处理单元具有尽可能将与负载L对应的测定值与这些不利的温度影响隔离开的任务，并且实现在指示器13 (例如，液晶显示器)上显示的测定值为精确的和稳定的的结果。图2以简图形式描绘了力测量单元10的剖视图，该力测量单元10是基于电磁力补偿原理的并且适于称重应用。力测量单元10具有若干不同的系统部件或者组件，包括带有平行引导设备的力传递机构，该力传递机构具有静止部分42和竖直活动部分43，该竖直活动部分43被一对具有挠曲枢轴45的导引构件44系固到静止部分上。竖直活动部分43 包括用来接收待测量的输入负载L的悬臂式延伸部41，其通过箭头示意性地表示。由负载 L产生的力的法向分量经由接合构件49被从竖直活动部分43传递至杠杆46的第一杠杆臂 48。杠杆46借助于支点挠曲部47被支承在静止部件42的一部分上。力测量单元10还包括杯状的永磁体50，该永磁体50与静止部分42固定地连接。永磁体50具有空隙51和连接至杠杆46的第二杠杆臂的线圈53，线圈53陷入到空隙中。补偿电流Ic流过线圈53，补偿电流Ic的大小取决于作用于杠杆46上的作用力。借助于连接至闭环控制设备56的电光位置传感器M来测量杠杆46的位置。控制设备56依据输入的位置测量信号来调节补偿电流Ic，使得将杠杆46恒定地保持在同一位置上或者在负载L变化之后使杠杆46返回到同一位置。闭环控制设备56产生了被传递至进一步的信号处理阶段的数字或者模拟力测量信号mL。取决于可变的输入力，相应地可变的补偿电流Ic必须被传送通过线圈53。结果， 在线圈53处发生了由负载决定的功率耗散。因此，线圈53起到了由负载决定的热源的作用，并且从而在其到达的部件中引起了相应的温度变化。该温度变化特别是影响线圈53自身，而且通过热传递使例如永磁体50、杠杆46和位置传感器M的部件变热。温度传感器15设置在力测量单元10的静止部分42上。因此，由该温度传感器15 所测得的温度Tm相应于静止部分42的系统温度。因为静止部分42与作用于力测量设备的环境温度Te处于直接热接触，所以被测量的温度Tm直接相应于天平1所暴露的环境温度Te。温度传感器15设置在离发热线圈53某一距离处。因此，线圈53的温度仅对被测量的温度Tm具有较小的影响。因此，温度传感器15主要测量环境温度Te在天平1上的影响。温度传感器15被设置成，由其测量的温度Tm基本上与天平1的任何发热部件的系统温度Ti无关。温度传感器15还可以例如被设置在天平1的容纳外壳的壁上。温度传感器15产生与静止部分42的系统温度Ts对应的并且从而主要与周围环境的温度Te对应的数字或者模拟的温度测量信号mT。然后，类似于力测量信号，该温度测量信号mT同样被传输至进一步的信号处理阶段。例如，图3显示了图1和2的天平1的方框简图。在该实例中，力测量单元10产生了模拟力测量信号mL’，其相应于作用于力测量单元10上的输入负载L。从力测量单元 10至模-数转换器Ila的连接用来将模拟测量信号传送至模-数转换器11a。模_数转换器Ila将输入力测量信号mL’转换为数字的力测量信号mL，其中该数字的力测量信号mL同样相应于作用于力测量单元10的输入负载L(图3中的模拟信号通过单撇号识别，而相应的数字信号通过没有撇号的相同标记来识别)。从模-数转换器Ila的输出部至信号处理单元20的第一输入部的连接用来将力测量信号mL传送至后者。天平还包括如上所述的温度传感器15，其用来接收被测量的温度Tm。该温度传感器15经由进一步的模-数转换器lib被连接至信号处理单元20的第二输入部，以便在由温度传感器15产生的温度测量信号mT’已经被转换为数字形式之后将其作为进一步的输入量传送至信号处理单元20。在该实例中，分开的模-数转换器Ila和lib在这些转换中因所需的不同分辨率和速度而被分别用于力测量信号mL和温度测量信号mT。然而，模-数转换器Ila和lib还可以被结合到一个单元中。此外，模-数转换器Ila和lib还可以被结合到力测量单元10 或者温度传感器15或者信号处理单元20中。在处理单元20中，根据温度测量信号mT来将输入的力测量信号mL处理为温度校正输出信号mLc。温度校正输出信号mLc大致相应于输入的力测量信号mL并且从而对应于输入负载L。信号处理单元20的输出部连接至指示器13，以便可以将校正的输出信号mLc 传送至指示器单元13并且由指示器单元13来显示。然而，校正输出信号mLc还可以被传输至进一步的处理单元14，例如传输至监视/警报设备，或者传输至主计算机或者处理控制器。基于力测量信号mL和温度测量信号mT，信号处理单元20计算出校正参数CP。如将在以下段落中描述的，该校正参数CP表示存在于系统温度和测得温度Tm之间和/或第一系统温度和第二系统温度之间的温度差。校正参数CP用于又一步骤，以将力测量信号mL 处理为温度校正输出信号mLc。在信号处理单元20中执行的运算操作可以通过以下等式的运算通式来表示CP = F(mL，mT)mLc = F(CP, mL, mT)上述说明中的图解框，即模-数转换器1 Ia与1 Ib和数字处理单元20，优选在一个功能单元中实现，并且在共用的外壳或者在微处理器中适当地组合(由点划线的矩形来表示)为例如共用电路板上的部件组。 图4描绘了类似于图3的方框简图，但是其中校正是由第一校正被加数C_S表示的第一温度校正和根据本发明的、由第二校正被加数C_LD表示的校正的组合构成的，其通过如上所述的根据图3的校正参数CP来计算。在该情况下，校正参数CP表示由相对时间决定的温度差dTr (t)，该温度差dTr (t)是作为线圈53的系统温度Ts和测得温度Tm之间的差值而获得的。原始信号，即，补偿电流Ic的测量信号ml’和测得温度Tm的温度测量信号mT’被传输至模-数转换器11，其在该模-数转换器11中被转换为数字形式。相应的输出信号， 艮口，力测量信号HiL和温度测量信号mT是以数字形式获得的，以用于随后的运算操作。下面是确定校正被加数C_S的过程的提要，其实质上遵循现有技术中公开的步骤，例如，GB 1495278中公开的方法对于钐钴磁体，永磁体中的磁场具有_350ppm/K的温度系数的比较强的温度依赖
12性。因此，在陷于磁场中的线圈53中流动的电流强度同样具有比较强的温度依赖性。力测量信号mL也与线圈53中的电流强度相对应。因此，在现有技术中已知的第一校正中，力测量信号mL利用与所测的环境温度Te有关的永磁体50的温度依赖性来补偿。因此，该校正还被称为是静态温度校正或者一阶温度校正，其表示了负载漂移的一所谓的基数校正。在该步骤中，根据以下方程式由力测量信号mL和温度测量信号mT计算出第一校正被加数C_ S C_S = mL X TK XmT,其中TK表示一般凭经验确定的或者由数据记录表(即，温度系数TK)获得的常数。在该实例中计算出的第一校正被加数C_s与力测量信号mL和温度测量信号mT成简单的线性比例。然而，第一校正被加数C_S的计算法还可以包括高阶项，例如，力测量信号的平方值(mL)2。在已经计算出第一校正被加数C_S之后，其进入到将第一校正被加数C_S加到原始的力测量信号HiL中的求和算子中，由此校正后者。因此，在该情况中，通过与输入负载L 的变化有关并且与测得温度Tm的变化有关的第一温度校正来校正力测量信号mL。类似于图3，在最后，将校正的测量信号传输至指示器单元13和/或进一步的处理单元14。除了第一校正被加数C_S之外，并且根据本发明，根据以下段落给出的详细说明来计算如图3所示的校正参数CP。基于该校正参数CP，在随后的运算中计算出另外的、第二校正被加数C_LD。基于该第二校正被加数(_0)，现在将一另外的校正值应用至力测量信号mL。因此，根据本发明的校正提供了另外的、改进的温度校正，即，负载漂移校正。在该实例中，表示相对的、由时间决定的温度差dTr (t)的校正参数CP描述了与原理上可以被测量的温度差相同的特征时间分布图，其中CP仅在各自的标准化常数方面不同于后者的温度差。在计算法的第一部分中，由力测量信号来确定表示线圈53中的功率耗散的时间分布图的、由时间决定的能量耗散速率P(t)。在该情况下，通过力测量信号mL与线圈电流 Ic成比例，根据以下来获得耗散功率P(t)P(t) = c XmL2,其中c是比例常数。在其它其中没有比例关系的情况下，同样可以通过简单的计算由力测量信号mL来计算出功率耗散。另外，将由时间决定的响应函数S(t)用于相对的温度差dTr(t)的计算中。响应函数s(t)是基于表示为天平1的温度差的由时间决定的特性的系统性热力学性质的。因此，响应函数S(t)是从热力学参量(即，天平1内部的热流动和/或热传导)导出的。通过利用响应函数S(t)的时间导数来卷积能量耗散速率P (t)的数学过程确定所
述由时间决定的相对温度差dTr (t)，即，
tδ Sit: — t_ )dTr(t) = P(t) · S(O) + J P(t· ) · —-df
ο5(t ~ t1 )
O对于响应函数S (t)的确定，例如，给定一简单的热力学模型。依据该情况，获得响应函数S(t)为力测量信号mL的台阶状变化的所谓的阶跃响应。在该情况下，台阶状变化表示天平1的输入量，通过遵循热力学模型的相应的响应函数来描述其响应输入量的特性，在该情况下，在力测量设备的部件中存在热传导。依据该模型，可以通过以下表达式来描述由时间决定的响应函数S(t)S(t) = 1-θ" /τ具有特征时间常数τ。在该情况下，可以根据上面给定的方程式来计算出相对的温度差dTr(t)，结果为
4- _ I- S
It_ Z__dTr(t) = — j P(mL(t' ) ) . e τ dt,
τ οο人们还可以使用其他用于数学建模的响应函数s(t)或者阶跃响应，特别是表示若干个指数函数的组合的阶跃响应。可以获得多种用于由时间决定的相对温度差dTr(t)的卷积积分的计算方法。例如，在具有采样时间周期ts的恒定检测速率的情况中，可以通过总和来近似卷积积分dTr(t = nts) = (ts/ τ · Σ Ρ(η)其中，由递归公式来限定总和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 。存在多种方式来执行这些数学运算，例如，以计算机程序或者利用其包括延迟单元和/或求和算子和/或乘法算子的递归电路设计。通过这些途径，可以通过简单的数学运算有效地并且高精度计算出卷积积分。因此，该计算阶段传送作为结果的、相对温度差dTr(t)形式的校正参数CP。利用上述的现有技术，将通过利用温度传感器的物理测量来确定该温度差dTr(t)。在该计算法的进一步的部分中，根据以下方程式来由相对温度差dTr(t)计算出第二校正被加数C_LD C_LD = mLXTKLDXdTr (t)，其中，因子TKLD表示一给定的常数的温度系数。该方程式阐明了一非常简单的情况。通过考虑高阶项，可以根据指定的要求来提高计算法的精度。如在第一校正的情况，第二校正被加数C_LD被传递至求和算子，该求和算子通过另外使第二校正被加数C_LD进入加法中来执行一相应的第二校正。因此，按照相对的温度差dTr(t)和与其有关的负载漂移来校正力测量信号mL，其作为产生补偿力的过程的结果而出现。现在可以在信号处理单元20的输出部处获得负载漂移校正的输出mLc。图5ajb和5c图解了包括在根据本发明的校正参数CP的计算法中又一与温度有关的现象的校正，其表示为图1和2的天平的由时间决定的瞬变温度特性，具体地说，是在环境温度Te以所谓的阶跃变化dTe的形式增减的情况中的具有两个杠杆臂48a、48b的天平1的动态温度特性。在该情况中，校正参数CP表示分别在两个杠杆臂48a、48b中存在的并且分别代表系统温度Tsl、Ts2和测得温度Tm之间的差值的一组两个温度差dTl和dT2。 如将在以下段落中描述的，校正参数CP还可以表示为代表两个温度差dTl和dT2之间的差值的差分信号Δ(1Τ。环境温度Te作用在力测量设备1的杠杆46上，并且从而作用在两个杠杆臂48a 和48b上。因此，第一温度差dTl在第一杠杆臂48a的第一系统温度Tsl和测得温度Tm之间形成，以及第二温度差dT2在第二杠杆臂4 的第二系统温度Ts2和测得温度Tm之间形成。图fe描绘了类似于图4的方框简图，但是其中根据本发明计算两个温度差dTl和 dT2。因此，校正参数CP包括两个温度差dTl和dT2，其中每个是基于图3和4中所描述的温度测量信号mT来计算的。而且，在该实例中，所计算的温度差未必代表真实存在的量。而是，如在前述实例中，其应当被认为是抽象的数学量。根据以下步骤序列来计算温度差dTl 和 dT2。图恥显示了根据图4的天平的极其简化的方块简图，其具有用于将输入负载L传递至线圈53的杠杆46。该杠杆可枢转地支承在旋转中心X(所谓的杠杆支点)上。杠杆 46具有分别由质量Hi1和m2表示的第一杠杆臂48a和第二杠杆臂48b。具有质量Hi1的第一杠杆臂48a的重心离杠杆的支点X具有距离 。该质量代表天平的竖直活动部分43的质量。具有质量叫的第二杠杆臂48b代表天平1的力传递机构， 其假定为集中在距离％处的重心中。在不包括输入负载L的情况下，因此由以下的等式来表示平衡状态Iti1B1 = m2a2如果存在负载，则除了 Hi1之外，左边的杠杆臂承载负载L，其通过作用在右边的杠杆臂的端部处的磁力fM来补偿。假定重心的支点距离％相对于右边的杠杆臂的长度Id2的比值维持一常数值β，则通过以下的等式来描述该情况La1 = fMb2 禾Π =β b2,其中，杠杆比等于V^。随着环境温度的跃变dTe，在该情况中为逐步升高，两个质量Hi1和m2将变暖。质量叫是比较重并且比较紧凑，并且表面和质量之间的比值因此比较小。因此，质量Hl1的第一系统温度Tsl自身仅慢慢地调节至温度跃变dTe。相反，质量1112较轻并且具有比较大的表面。因此，其温度，即，第二系统温度Ts2比较快地跟随温度跃变dTe。这具有两个杠杆臂 48a和48b各自的系统温度Tsl和Ts2对于某一时间长度相互不同的后果。因此，其相对于环境温度Te的温度差同样是不同的，即，第一杠杆臂48a为dTl和第二杠杆臂48b为dT2。利用膨胀系数α，杠杆46的两个臂因此在长度方面呈现出不同的变化，即α XdTl对于第一杠杆臂48a，以及α XdT2对于第二杠杆臂48b。因此，在温度跃变dTe之后，在机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)如在图4的前述实例中，分别通过卷积积分、由时间决定的响应函数Sl (t)、S2(t) 和特征时间常数τ 1与τ 2来确定温度差dTl和dT2。因此，人们获得了温度差
权利要求
1.一种用于力测量设备(1)的，具体地说，天平的温度校正同时按测量模式操作的方法，包括以下步骤-借助于力测量单元(10)，产生与输入力对应的电气的力测量信号(mL)；-借助于设置在距所述力测量设备(1)的发热部件一定距离处的温度传感器(1 来测量温度(Tm)并且产生与测得温度(Tm)对应的温度测量信号(mT)，其中所述温度(Tm)主要与所述力测量设备所暴露的环境温度(Te)相当；-基于所述温度测量信号(mT)和力测量信号(mL)来将所述力测量信号(mL)处理成温度校正输出信号(mLc)；以及-将所述输出信号(mLc)输送至指示器单元(1 和/或进一步的处理单元(14)，-其特征在于，在所述处理步骤中，借助于基础的热力学模型来由所述力测量信号 (mL)和温度测量信号(mL)计算出用于校正所述输出信号(mLc)的至少一个校正参数 (CP)，其中所述校正参数(CP)表示存在于下述之间的温度差(dTr、dTl、dT2)，Α)在系统温度(TS、TS1、TW)和所述测得温度(Tm)之间，和/或B)在第一系统温度(Tsl)和第二系统温度(Ts2)之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于响应函数(S(t)、Sl(t)、S2(t))和卷积积分，特别是通过利用所述响应函数(S(t)、Sl(t)、S2(t))的时间导数卷积所述温度测量信号(mT)、力测量信号(mL)或者由所述力测量信号(mL)确定的耗散功率量(P)来计算所述校正参数(CP)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据至少一个热力学定律和/或作为对阶梯函数或者脉冲函数和/或时间延迟函数，特别是具有给定时间常数(τ、τ ρ τ 2)的指数函数的形式的输入的热力学响应来限定所述响应函数(S (t)、Sl (t)、S2 (t))。
4.根据权利要求1到3中一项所述的方法，其特征在于，通过递归方法来计算所述校正参数(CP)。
5.根据权利要求1到4中一项所述的方法，其特征在于，所述校正参数(CP)被计算为由时间决定的量，该由时间决定的量依赖于所述测得温度(Tm)和/或所述力测量信号(mL) 的时间分布，特别是变化率。
6.根据权利要求1到5中一项所述的方法，其特征在于，所述系统温度(Ts、Tsl、Ts2) 相应于所述力测量设备(1)的部件的温度，特别是，力输入构件、力传递构件、杠杆G6)或者杠杆臂G8)的温度，并且与所述部件的热膨胀有关地校正所述输出信号(mLc)。
7.根据权利要求1到6中一项所述的方法，其特征在于，所述校正参数(CP)表示至少两个分别与所述力测量设备(1)的不同部件，特别是两个相反的杠杆臂(48a、48b)有关的温度差(dTl、dT2)。
8.根据权利要求1到7中一项所述的方法，其特征在于，借助于差值信号(AdT)来计算所述校正参数(CP)，该差值信号(AdT)作为两个温度差(dTl、dT2)之间的差值而获得的。
9.根据权利要求1到8中一项所述的方法，其特征在于，所述力测量设备(1)是基于电磁力补偿原理的，并且所述校正参数(CP)表示与产生所述补偿力的过程相关而出现的温度差。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，借助于其中流过电流的线圈(53)来产生所述补偿力，因此由于耗散而损失一定量的功率(P)，并且所述校正参数(CP)被计算为所述力测量信号(mL)的函数，特别是作为从所述力测量信号(mL)导出的功率耗散损失(P) 的函数。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，通过线圈(53)与永磁体(50)的相互作用来产生所述补偿力，并且所述系统温度(Ts)相应于所述线圈(53)和/或所述永磁体(50)的温度。
12.根据权利要求1到11中一项所述的方法，其特征在于，通过两个不同的、实质上单独的算术�？槔醇扑闼�述力测量信号(mL)的至少两个校正值，其中每个�？榉直鹬葱兄辽僖桓鲂Ｕ�参数(CP)的计算。
13.一种力测量设备(1)，特别是天平，其具有力测量单元(10)、温度传感器(1 并且还具有信号处理单元(20)，所述力测量单元(10)产生与所述外加力对应的电气的力测量信号(mL)，所述温度传感器(1 设置在距所述力测量设备(1)的发热部件一定距离处，其中所述温度传感器(1 测量主要与作用于所述力测量设备上的环境温度相当的温度(Tm) 并且产生与所述测得温度(Tm)对应的温度测量信号(mT)，所述测得温度(Tm)进而主要相应于作用于所述力测量设备上的环境温度(Te)，所述信号处理单元00)被配置成基于所述温度测量信号(mT)和力测量信号(mL)将所述力测量信号(mL)处理成可以被传输至指示器单元(1 和/或进一步的处理单元(14)的温度补偿输出信号(mLc)，其特征在于，所述信号处理单元00)适合于被配置成，可以借助于基础的热力学模型来计算校正参数(CP)，当所述力测量设备按测量模式操作时，所述校正参数(CP)起到校正所述输出信号 (mLc)的作用，其中所述校正参数(CP)表示存在于下述之间的温度差(dTr、dTl、dT2)Α)在系统温度(Ts、Tsl、Ts2)和所述测得温度(Tm)之间，和/或B)在第一系统温度(Tsl)和第二系统温度(Ts2)之间。
14.根据权利要求13所述的力测量设备，其特征在于，所述温度传感器(1 与所述力测量设备(1)的静止部件(40、41、42、们)处于热接触。
全文摘要
本发明涉及一种用于力测量设备(1)，具体地说，天平的温度校正的方法，其是基于电磁力补偿原理的，其按正常的测量模式运行，包括借助于力测量单元(10)来产生与输入力对应的力测量信号(mL)的步骤；借助于设置在离所述力测量设备(1)的发热部件一定距离处的温度传感器(15)来产生电气的温度测量信号(mT)，其中所述温度测量信号(mT)相应于所述力测量设备所暴露的环境温度(Te)；基于所述温度测量信号(mT)和力测量信号(mL)来将所述力测量信号(mL)处理成温度校正输出信号(mLc)；并且将所述输出信号(mLc)输送至指示器单元(13)和/或进一步的处理单元(14)。在所述处理步骤中，借助于热力学模型来由所述力测量信号(mL)和/或温度测量信号(mT)计算出用于校正所述输出信号(mLc)的至少一个校正参数(CP)，其中所述校正参数(CP)表示处于系统温度(Ts、Ts1、Ts2)和环境温度(Te)之间或者第一系统温度(Ts1)和第二系统温度(Ts2)之间的温度差(dTr、dT1、dT2)。
文档编号G01G3/18GK102483345SQ201080033262
公开日2012年5月30日 申请日期2010年7月23日 优先权日2009年7月23日
发明者D·雷伯, T·克佩尔 申请人:梅特勒-托利多公开股份有限公司