Grundlagen zur Funktion

Mit der Analogeingangsklemme KL3356 wird die Versorgungsspannung einer Wägezelle als Referenzspannung und gleichzeitig auch die der Krafteinwirkung proportionalen Differenzspannung erfasst. Die Messung der Referenz- und Differenzspannung erfolgt alternierend mit demselben Wandler. Der Quotient aus Differenz- und Referenzspannung entspricht der Krafteinwirkung auf die Wägezelle. Abweichungen der verwendeten Analogeingangsstufen (Temperatur-, Langzeitdrift usw.) werden durch regelmäßige Kalibrierungen überprüft und innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches ausgeglichen.

DMS-Messsignal

Das DMS-Messsignal wird mit einer Auflösung von 16 Bit (+Vorzeichen) in festen Intervallen erfasst. Dieser Wert wird als Datenwort ohne Vorzeichen auch im Register R2 abgelegt. Das Vorzeichen wird im Bit SW.0 des Status-Worts eingeblendet.
Die Größe des Abtastintervalls wird direkt durch die Filterkonstante in Register R37 bestimmt.

DMS-Referenzsignal

Das DMS-Referenzsignal wird ebenfalls mit einer Auflösung von 16 Bit (+Vorzeichen) in größeren Intervallen erfasst. Dieser Wert wird als Datenwort ohne Vorzeichen auch im Register R3 abgelegt. Das Vorzeichen wird im Bit SW.1 des Status-Wort eingeblendet.
Die Größe des Abtastintervalls wird in Register R39, in Vielfachen von 100 ms definiert.

Gewichtsberechnung

Nach jeder Erfassung eines Analogsignals erfolgt die Berechnung des resultierenden Gewichts, welche sich aus dem Verhältnis des Messsignals zum Referenzsignal und aus mehreren Kalibrierungen zusammensetzt:

Y_R = (U_Diff / U_Ref) x (E_max / C_n) x 1000 / 500	(1.0)	Berechnung des Rohwertes des Gewichtes
Y_S = Y_R x A_S	(1.1)	Skalierfaktor
Y_H = Y_S x A_H + B_H	(1.2)	Hersteller-Skalierung
Y_AUS = Y_H x A_A + B_A	(1.3.0)	Anwender-Skalierung (wenn R32.10=0_bin)
Y_AUS = (Y_H + B_A) x A_A	(1.3.1)	Anwender-Kalibrierung (wenn R32.10=1_bin)

Legende

Name	Bezeichnung	Einheit	Register
U_Diff	Messsignal der Wägezelle	[1]	R2
U_Ref	Referenzsignal der Wägezelle	[1]	R3
E_max	Nennlast der Wägezelle	[1 kg]	R35
C_n	Nennkennwert der Wägezelle	[1 mV / V]	R36
A_S	Skalierfaktor (aktivierbar über Bit R32.8 des Feature-Registers)	[1]	R38
B_H	Offset der Hersteller-Skalierung (aktivierbar über Bit R32.1 des Feature-Registers)	[1]	R19
A_H	Gain der Hersteller-Skalierung (aktivierbar über Bit R32.1 des Feature-Registers)	[1]	R20
B_A	Offset der Anwender-Skalierung (aktivierbar über Bit R32.0 des Feature-Registers)	[1]	R33
A_A	Gain der Anwender-Skalierung (aktivierbar über Bit R32.0 des Feature-Registers)	[1]	R34

Der Faktor 1000 in Formel 1.0 ergibt sich durch die Einheitennormierung der Nennlast [kg] und dem Nennkennwert [mV/V]. Der Faktor 1/500 wird durch einen Spannungsteiler vorgegeben. Das Ergebnis wird mit einer Auflösung von 16 Bit (+Vorzeichen) in das Prozessabbild der Klemme geschrieben. Dieser Wert wird als Datenwort ohne Vorzeichen auch im Register R1 abgelegt. Das Vorzeichen wird im Bit SB1.0 des Status-Bytes dargestellt.

Betriebsarten

Die KL3356 stellt verschiedene Betriebsarten zur Verfügung:

Betriebsart	Kommentar
Normalbetrieb	Messen der Krafteinwirkung auf die Lastmessdose
Null-Kalibrierung	Das Gleichspannungspotential der Operationsverstärker-Eingänge entspricht jenem des Normalbetriebs. Die Differenzspannung an beiden Operationsverstärker-Eingängen ist 0 mV (Feststellung der Nullpunkte).
End-Kalibrierung	Das Gleichspannungspotential der Operationsverstärker-Eingänge entspricht jenem des Normalbetriebs. Die heruntergeteilte Dosenversorgungsspannung (R114, R115, R151) wird an beide Operationsverstärker-Eingänge als Differenzsignal angelegt (Feststellung der Verstärkungen).
Null-Prüfen (0 V)	Das Gleichspannungspotential der Operationsverstärker-Eingänge wird auf 0 V gelegt. Die Differenzspannung an beiden Operationsverstärker-Eingängen ist 0 mV (1. Phase zur Feststellung der Common Mode Rejection der Operationsverstärker).
Null-Prüfen (2,5 V)	Das Gleichspannungspotential der Operationsverstärker-Eingänge wird auf 2,5 V gelegt. Die Differenzspannung an beiden Operationsverstärker-Eingängen ist 0 mV (2. Phase zur Feststellung der Common Mode Rejection der Operationsverstärker).
Referenz-Prüfen	Das Gleichspannungspotential der Operationsverstärker-Eingänge entspricht der halben Referenzspannung. Die heruntergeteilte Referenzspannung (R114, R115, R151) wird an beide Operationsverstärker-Eingänge als Differenzsignal angelegt (Messung der Referenzspannung).

Schalterstellungen

Die verschiedenen Betriebsarten werden über interne Schalter ausgewählt:

Der Schalter SW1 wird durch das Bit R32.7 des Feature-Registers geschaltet ist für alle Kalibriervorgänge zu schließen:
- R32.7 = 0: SW1 offen
- R32.7 = 1: SW1 geschlossen
Wenn im Kommandoregister R7 der manuelle Kalibriermodus aktiviert ist, können Sie die Schalter SW2 bis SW8 über das Ausgangsdatenwort RegOUT steuern.

Betriebsart	RegOUT	Schalterstellungen
Betriebsart	RegOUT	SW1	SW2	SW3	SW4	SW5	SW6	SW7	SW8
Normalbetrieb	0_dez	0 / 1	1	1	0	1	0	1	0
Null-Kalibrierung	1_dez	0 / 1	0	1	1	0	0	0	0
End-Kalibrierung	2_dez	0 / 1	0	0	1	1	0	1	0
Null-Prüfen (0 V)	3_dez	0 / 1	0	0	1	0	0	0	1
Null-Prüfen (2,5 V)	4_dez	0 / 1	0	0	1	0	1	0	0
Referenz-Prüfen	5_dez	0 / 1	0	0	1	0	1	0	1

Legende

0: Schalter nicht geschaltet
1: Schalter geschaltet

Kalibrierung der Messverstärker

Die Messverstärker werden periodisch einer Überprüfung und Kalibrierung unterzogen. Dafür sind insgesamt acht Analogschalter vorgesehen, um die verschiedenen Kalibriersignale aufschalten zu können. Wichtig dabei ist, dass in jeder Phase der Kalibrierung immer der gesamte Signalpfad (inklusive aller passiven Bauteile) überprüft wird. Lediglich die Entstörglieder (L/C-Kombination) und die Analogschalter selber können nicht erfasst werden.

Das Kalibrierintervall wird in 100 ms Schritten mit Register R40 eingestellt. Das Prüfintervall wird mit Register R41 als Vielfaches vom Kalibrierintervall vorgegeben.

In der ersten Kalibrierphase werden beide Analogeingänge mit einer Eingangsspannung von 0 mV (Null-Kalibrierung) beaufschlagt. Somit können die Nullpunkte beider Analogeingangsstufen ermittelt werden. Hierbei wird eine System-Offset-Kalibrierung des A/D-Wandlers durchgeführt. Bei dieser Messung sind einerseits der jeweilige Absolutwert, sowie auch die gegenseitige Abweichung der Kanäle von Interesse.
In der zweiten Kalibrierphase werden beide Analogeingänge mit einer Eingangsspannung von ca. 24 mV (End-Kalibrierung) beaufschlagt, die aus der Spannungsversorgung der Lastmessdose abgeleitet wird. Hier interessiert nicht mehr der Absolutwert der Messergebnisse, sondern nur noch die eventuelle Abweichung der Werte beider Analogeingänge. Hierbei wird der Gain des 1. Kanals an den des 2. Kanals angepasst. Entscheidend ist, dass die Kalibrierungen auf demselben Gleichspannungspotential der Operationsverstärkereingänge erfolgen wie im normalen Messbetrieb.

Durch die Kalibrierung der Eingangsstufen in den beiden Arbeitspunkten (Nullpunkt und Endwert) werden die Geraden beider Messkanäle aufeinander abgeglichen (Soll-Kennlinie), so dass sie deckungsgleich sind.

Grundlagen zur Funktion 1: — Kennlinien zur Kalibrierung

Während die Klemme eine Kalibrierung durchführt, ist im Register 0 (Status-Wort) das Bit R0.2 gesetzt.

Prüfung der Messverstärker

Um zusätzlich eine Funktionsprüfung der Analogeingangskreise und der Referenzspannungsquelle vornehmen zu können, besteht zusätzlich zur beschriebenen Kalibrierung die Möglichkeit, das interne Referenzspannungssignal von 2,5 V als Eingangssignal aufzuschalten. Zu diesem Zweck wird vor der eigentlichen Referenzspannungsmessung ein Differenzspannungssignal von 0 V bei einem Gleichspannungspotential von 0 V angelegt. Anschließend erfolgt die Messung des Differenzsignals 0 V bei einem Gleichspannungspotential von 2,5 V. Mit Hilfe der daraus resultierenden Messwerte kann der CommonMode-Einfluss der beiden Eingangsstufen bei der Eingangsspannung von 1,25 V berechnet und bei der abschließenden Referenzspannungsmessung berücksichtigt werden. Bei der Messung der Referenzspannungsquelle müssen beide Operationsverstärker dasselbe Messsignal liefern, das darüber hinaus auch mit einer sehr geringen Toleranz vorhergesagt werden kann. Überschreitungen dieser Toleranz werden als Hardwaredefekt eingestuft werden und in Bit SW.8 im Status-Wort angezeigt.
Wenn die Klemme eine Prüfung durchführt, ist im Register 0 (Status-Wort) das Bit R0.2 gesetzt.

Einleitung der Kalibrierung bzw. Prüfung

Der Kalibrier- bzw. Prüf-Vorgang wird von der Klemme automatisch nach den, in den Registern R39 bis R41, eingestellten Zeiten durchgeführt. Mit Bit CB1.1 des Control-Bytes können Sie die automatische Kalibrierung sperren (wird in Bit SB1.1 des Status-Bytes quittiert), um zu verhindern, dass während eines zeitkritischen Messvorganges kalibriert wird. Damit die Kalibrierung auf diese Art nicht vollständig unterdrückt wird, überwacht die KL3356 den Kalibrierzyklus und startet bei zu langer Sperre eigenständig eine Zwangskalibrierung. Die Zeit nach der die Klemme diese Zwangskalibrierung durchführt, wird im Register R44 als Vielfaches von Register R40 vorgegeben. Die Referenzspannung wird bei jeder Messung mit Register R45 (Einheit 1 mV) verglichen. Liegt sie unterhalb dieses Grenzwertes, wird Bit R0.14 gesetzt.

Sollte es notwendig sein eine manuelle Prüfung durchzuführen, wird diese durch Bit CB1.0 des Control-Bytes gestartet. Den Abschluss einer Prüfung wird mit Bit R0.4 im Register R0 (Status-Wort) signalisiert. Das Ergebnis der letzten Prüfung wird als Differenz der beiden Analogeingänge dargestellt und kann durch Bit CB1.2 des Control-Bytes in die Register R1 bis R3 und R5 eingeblendet werden. Es liegen gültige Kalibrierdaten vor, wenn Bit R0.5 im Register 0 (Status-Wort) auf 1_bin gesetzt ist. Um einer Veränderung der Kalibrierdaten vorzubeugen, kann durch Bit CB1.3 ein Registerschreibschutz gesetzt werden (wird in Bit SB1.3 quittiert)

Manueller Betrieb

Gegebenenfalls kann es notwendig sein, die direkten Werte des A/D-Wandlers zu betrachten. Die Klemme kann zu diesem Zweck in den manuellen Betrieb geschaltet werden. Tragen Sie hierzu zuerst das Anwender-Kodewort (1235_hex) in das Kodewort-Register R31 ein, um den Schreibschutz der Anwender-Register aufzuheben.
Anschließend tragen Sie den Wert 0401_hex in das Kommando-Register (R7) ein um auf manuellen Betrieb Umzuschalten. Wenn Sie den Wert 0 in das Register R7 schreiben wird der manuelle Betrieb wieder beendet.

Im manuellen Betrieb gibt der Wert im Ausgangswort RegOUT die Stellung der Eingangs-Schalter vor (siehe Tabelle Schalterstellungen). Sie können mit Bit CB1.1 des Control-Bytes zwischen OP1 und OP2 umschalten (CB1.1=0_bin: OP1; CB1.1 =1_bin: OP2).

Sobald Sie die Klemme wieder in den normalen Betrieb schalten, wird automatisch eine Zwangskalibrierung durchgeführt.

Fehlerdiagnose

Die KL3356 besitzt eine interne Fehlerdiagnose. Die oberen 8 Bit des Registers R0 (Status-Wort) geben aufgetretene Fehler wieder.
Damit der Anwender nicht laufend das Register R0 auslesen muss, wird eine Änderung der Fehler-Bits (wenn z. B. ein neuer Fehler aufgetreten ist oder ein vorhandener Fehler beseitigt wurde) im Bit SB1.6 des Status-Bytes 1 angezeigt. Alle auftretenden Fehler werden temporär gespeichert und von der Klemme selbstständig nicht gelöscht. Durch Setzen des Bits CB1.6 im Control-Byte 1 können Sie das Fehler-Bit SB1.6 zurücksetzen.

Messwert Stabilisierung

Bei der Selbstkalibrierung werden wie oben beschrieben diverse Signale intern geschaltet. Nach Ablauf der Selbstkalibrierung gibt es je nach Einstellung von R32.9 (Stabilisierung der Kalibrierung) folgendes Verhalten:

Stabilisierung aktiv (R32.9 = 1): die Klemme wartet, bis sich das Signal nach Vorgabe in Register R47/R48 eingeschwungen hat und gibt erst dann wieder Messwerte an den Bus aus – das verlängert die Pause bis die Klemme wieder misst und kann bei einem unruhigen Eingangssignal dazu führen, dass die Klemme bis zur Messung lang wartet.
Stabilisierung inaktiv (R32.9 = 0): die Klemme schaltet umgehend das Messsignal wieder auf den Bus – das kann dazu führen, dass in dem Messwert ein Einschwingvorgang über mehrere Zyklen zu beobachten ist.