JPH0363526A

JPH0363526A - 電子天びん

Info

Publication number: JPH0363526A
Application number: JP1199748A
Authority: JP
Inventors: Akira Kawamoto; 河本　晟
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1989-07-31
Filing date: 1989-07-31
Publication date: 1991-03-19
Also published as: CN1050609A; EP0411920A2; DE69019256D1; DE69019256T2; JPH0532684B2; EP0411920A3; US5115877A; EP0411920B1; CN1029028C

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は電磁力平衡式の天びんに関する。

〈従来の技術〉磁界中に設けたフォースコイルに電流を流すことによっ
て発生する電磁力を被測定荷重と平衡させ、その平衡状
態を得るに要する電流値から被測定荷重の大きさを求め
る、いわゆる電磁力平衡式の天びんにおいては、そのフ
ォースコイルへの電流の流し方やその電流値の測定の仕
方等により、以下に示すような方式に分類することがで
きる。

■　１つの帰還ループで、５００〜１０００七のパルス
電流のデユーティ変えて荷重とバランスさせ、そのとき
のパルス幅を、そのパルス幅内にｉ［するクロックパル
スをカウントすることによって測定する。（例えば特開
昭５４−４１７７２号） ■　あらかじめ規定したＮ段階のデユーティを選択でき
るパルス電流を流して荷重と大雑把にバランスさせ、残
りの偏差をサーボ系でバランスさせる。電流値の測定は
選択されているパルスデューティ値とサーボ系のＰＩＤ
出力のＡ−Ｄ変換値との重み付け加算による。（特公昭
６３−６５３号） ■　全体をＤＣサーボによってバランスさせ、そのとき
の電流値をＡ−Ｄ変換する。

〈発明が解決しようとする課題〉以上の従来の方式のうち、■の方式では、分解能と応答
性の点で限界がある。すなわち、フォースコイルに流す
パルス電流の周期は、天びんメカニズムの固有振動数に
起因して、最大２＋ｍｓ程度に限定される。これを越え
ると天びんビームが大きく振動してしまうわけである。

そこでこの２ｍｓの周期内で変化するパルスの幅を、ク
ロックパルスのカウントによって測定することになるが
、３０Ｍ１（ｚのクロックパルスをカウントしたとして
も最大６０，０００カウント（１６ビツト）としかなら
ず、これが汎用ＩＣを用いた場合の限界の分解能である
。この限界を越えて分解能を上げるため、例えば特開昭
５４−４８２７７号等が提案されているが、この技術で
は構成が複雑化するとともに、積算を必要とするため原
理的に応答性が悪化するという欠点がある。

また、■の方式では、分解能は向上できるものの、刻々
と変化する重量の測定やはかり取り測定等においては、
サーボ系の測定範囲を越えた瞬間にＮ段階に規定されて
いるパルスデューティを１ステツプ変化させることにな
るが、その時、サーボ系のｐｔＤｉｔｄ制御出力の応答
性に起因して、−時的な力の過補償が生じ、天びんメカ
ニズムに揺れを生じて計量表示値が一時的に大きく変動
するという欠点があった。

更に、■の方式では、高精度のＡ−Ｄ変換機能が必要で
あり、サーボ系とＡ−Ｄ変換器の双方に高安定度が要求
され、分解能、安定性ともに得にくいという欠点がある
。

本発明の目的は、従来の各方式に比して分解能および応
答性がともに高く、しかも、はかり取り作業等の荷重の
変動時に際しての不自然さがなく、更には外乱に対する
安定性も高い電磁力平衡式の天びんを提供することにあ
る。

〈課題を解決するための手段〉上記の目的を達成するため、本発明では、実施例に対応
する第１図に示すように、入力したデータ（ＰＤｌ、　
ＰＤｚ）に基づくデユーティのパルス電流を発生してそ
れぞれフォースコイル１３．１４に供給する複数のパル
ス電流発生手段（パルスデューティ変換回路６ａ、電子
スイッチＳ　ａ＋定電流発生回路２ａ；パルスデューテ
ィ変換回路６ｂ、電子スイッチＳ１定電流発生回路２ｂ
）を設けるとともに、荷重Ｗによる荷重受部１２の変位
の検出信号のデジタル変換データを採り込み、デジタル
演算によりＰＩＤ処理を行うＰＩＤ演算部５１と、その
ＰＩＤ演算結果を用いて、複数のパルス電流発生手段が
発生すべきパルス電流の各デユーティを決定してそれぞ
れ所定ビットのデータＰ（１，、ＰＤ。

として各パルス電流発生手段に供給するするデータ処理
部５２と、その複数のパルスデューティデータＦＤＰ、
　ＰＤｚを相互に重み付け加算して重量値に変換する重
み付け演算部５３を設けている。

〈作用〉荷重Ｗによる荷重受部１２の変位検出結果のデジタルＰ
ＩＤ演算データから、単純に所定ビットのパルスデュー
ティデータを作るのではなく、これを例えば上位および
下位ビットに分け、その２種類のパルスデューティデー
タを、それぞれ個別に設けたパルス電流発生手段に供給
することにより、荷重受部１２の位置は実質的に上位ビ
ットと下位ビットのそれぞれに対応する電磁力の合計で
補償される。なお、各パルス電流発生手段からのパルス
電流が発生する電磁力は、例えば各パルス電流発生手段
からのパルス波高値を適当に選択しておく等によって重
み付けをすることができ、これにより上位と下位とのビ
ットへの対応ができる。

各パルス電流発生手段の分解能（ピント数）に前記した
ような限界があっても、全体としての分解能はこれらを
合計したものとなり、パルス電流発生手段の数とパルス
デューティデータの分割数とを増やしていくことにより
、分解能の向上に限界はなくなる。

また、フォー７．コイルに加えられる電流（フィードバ
ック電流）のループは複数となるものの、これらのデユ
ーティは荷重受部１２の変位検出結果をデジタルＰＩＤ
演算したデータを上記のように例えば上位と下位のビッ
トに分割して決定されるので、全体としての発生電磁力
は実質的に１種のパルス電流のデユーティを変化させる
場合と同様、荷重の変化時において従来の■の方式のよ
うに一時的な過補償は生じない。

〈実施例〉第１図は本発明実施例の構成を示すブロック図である。

天びん機構部１は公知の電磁力平衡式の荷重検出メカニ
ズムで、第１と第２のフォースコイル１３と１４が磁界
中に置かれ、これらで発生する電磁力を皿１１に係合す
る荷重受部１２に作用させ、皿１１上の荷重Ｗと釣り合
わせるための機構である。この釣り合いは、天びん機構
部１内の荷重受部１２の変位を検出する変位センサ１５
の出力のデジタル変換データを後述するマイクロコンピ
ュータ５でデータ処理し、第１と第２のフォースコイル
１３と１４に流す電流のパルスデューティを変化させる
ことによって得られる。

変位センサ１５による荷重受部１２の変位検出信号は、
プリアンプ３で増幅された後、Ａ−Ｄ変換器４でデジタ
ル化され、マイクロコンピュータ５に採り込まれる。こ
のデータ採り込み周期は、サーボ系を安定に制御するた
め例えば１ＯＩｓ等の、天びん機構部１の固有振動数に
比べて充分に速くしておく。

なお、この図においては、説明の便宜上、マイクロコン
ピュータ５をその機能毎に分けてブロック図で図示して
いる。

さて、デジタル化された変位データは、ＰＩＤ演算部５
１に採り込まれ、ここで後述するようなデジタルＰＩＤ
処理を受ける。

データ処理部５２は、ＰＩＤ出力出力つまりＰＩＤ演算
処理された変位データを用いて、上位パルスデューティ
データＰＤ、と下位パルスデューティデータＰｌｈを作
成する。このＰＤ、およびＰＤ２はそれぞれデジタルデ
ータであって、例えばＰＤ、は１２ビツト、ＰＤ、は１
３ビツトである。

上位パルスデューティデータＰＤ＋および下位パルスデ
ューティデータＰＤｚは、それぞれ第１および第２のパ
ルスデューティ変換回路６ａおよび６ｂに供給されると
同時に、重み付け演算部５３に送られる。

第１と第２のパルスデューティ変換回路６ａと６ｂは、
それぞれ、入力されたデジタル値ＰＤ、もしくはＰＤ２
に応じて、一定周期内でＨ，Ｌの比率が変化するデユー
ティ信号を出力する。この第１と第２のパルスデューテ
ィ変換回路６ａと６ｂからのデユーティ信号はそれぞれ
電子スイッチＳ、とＳ。

を０Ｎ−ＯＦＦする。

電子スイッチＳ、は、第１のフォースコイル１３に接続
された第１の定電流発生回路２ａからの直流電流１１を
チゴッピングし、電子スイッチＳ、は第２のフォースコ
イル１４に接続された第２の定電流発生回路２ｂからの
直流電流１２をチゴッピングする。これにより、第１の
フォースコイル１３には、パルスデューティデータＰＤ
、に応じたデユーティで波高がｉＩのパルス電流が流れ
、第２のフォースコイル１４にはパルスデューティデー
タＰＤ。

に応じたデユーティで波高が１８のパルス電流が流れる
ことになる。この２つのパルス電流は、それぞれの波高
値と第１、第２のフォースコイル１３．１４の巻き数に
基づき、それぞれのデユーティに応じた電磁力を発生し
、その合計力が荷重受部１２に作用する。なお、第１と
第２の定電流発生回路２ａと２ｂは天びん機構部１内に
設けられた温度センサ１６の出力によって温度補償され
ている。

ここで、上位と下位のパルスデューティデータＰＤ、と
ＰＤ、と、これらに基づく第１と第２のフォースコイル
１３と１４の発生電磁力との関係は、基本的には、下位
のパルスデューティデータＰＤ２１３ピントが全て“Ｏ
１１から“１”になったときに第２のフォースコイル１
４で発生する力が、上位パルスデューティデータＰＤ＋
　１２ビツトの最下位ビットが“Ｏ”から°“１“にな
ったときに第１のフォースコイル１３が発生する力と等
しくなるようにしておく。ただし、相互に余裕を持たせ
てオーバーラツプさせることを拒まない。この関係の正
確な比率は、例えば天びん起動時にＰＤ、を強制的に１
ビット変え、その時に元のバランス状態に戻すにはＰＤ
ｚをどれだけ変えれば良いかを自己診断するようにする
ことによって把握することができる。

重み付け演算部５３では、以上のような第１と第２のフ
ォースコイル１３と１４の発生電磁力の関係に基づく所
定の重み付けをして、データＰＤ。

とＰＤ、を加算した後、質量値に換算したデータＷを表
示器７に出力する。

Ａ−Ｄ変換器４は、例えば第２図に例示するように、の
こぎり波発生器４１コンパレータ４２によって構成され
たパルス幅変調器４０とＡＮＤゲート４３、およびカウ
ンタ４４によって構成することがでる。すなわち、プリ
アンプ３を経た変位検出信号を、コンパレータ４２で一
定周期ののこぎり波と比較し、のこぎり波のスタートか
ら、変位検出信号をのこぎり波が越えるまでの時間だけ
Ｈとなるコンパレータ出力を得る。そして、ＡＮＤゲー
ト４３はそのコンパレータ出力をゲート信号として、ク
ロックパルスを通過させ、カウンタ４４に導く。カウン
タ４４はのこぎり波の１周期ごとに計数値をリセットし
つつ、入力パルスを計数する。これにより、のこぎり波
の１周期ごとに変位検出信号のデジタル変換データが得
られる。

なお、実際にはカウンタ４４はマイクロコンピュータ５
の機能を使用することができ、クロックパルスもマイク
ロコンピュータ５用のものを共用することができる。

ＰＩＤ演算部５１におけるデジタルＰＩＤ演算処理の仕
方は公知であり、特に詳細な説明は省略するが、その−
例を第３図に示すフローチャートに基づいて以下に説明
する。

Ａ−Ｄ変換器４からの変位データＸを採り込むごとに、
所定の基準値ｘｏに対する偏差Ｘ７を算出する。そして
、その偏差ｘ７に一定の係数に１を乗じた値を比例出力
ＰＸとし、今回の偏差ｘｎに係数に２を乗じて前回の積
分出力Ｉ　（ｘ）を加算した値を積分出力１．とし、更
に、今回の偏差Ｘ７と前回の偏差Ｘ１％−１の差に係数
に３を乗じた値を微分出力Ｄ、とする、そして、これら
の合計ＱＱ−ＰＸ＋１．＋Ｄ。

＝にＩＸ　　、１＋（１（Ｘ）＋ＫＺＸ１１）　　＋　
　Ｋ３（Ｘ１％　　　　ＸＦＩ−１）をＰＩＤ出力とし
てデータ処理部５２に供給する。

第４図はデータ処理部５２と重み付け演算部５３におけ
る動作を示すフローチャートである。

データ処理部５２は、基本的にはＰＩＤＩＤ出力上位と
下位のビットに分割してそれぞれを上位と下位のパルス
デューティデータＰＤ、とＰＤｚとするわけであるが、
ＰＩＤＩＤ出力上のまま分割せずに、その前に、Ｑを移
動平均化処理することが好ましい。この移動平均化処理
は必ずしも必要ではないが、安定化に極めて有効である
。ただし、Ｑの変化が大きい時にはこの移動平均化処理
をバスさせると応答性を損なうことがなく、より好適で
ある。

また、重み付け演算部５３では、基本的には上位と下位
のパルスデューティデータＰＤ、とＰＤ、を重み付け加
算して質量値に換算するが、パルスデューティデータＰ
Ｄ、とＰＤ２をそのまま用いず、これらを平均処理等の
外乱除去処理を施した後に重み付け加算することが好ま
しい。

重み付け演算の方法は、￥ｔｉをＷ、スパン計数をＳｔ
、ＰＤＩとＰＤ２による発生電磁力の比をＳ２とすると
、更に機械的なアンバランス等によるゼロ点の補正量お
よび風袋量を２およびＴとすると、例えば次の通りであ
る。

Ｗ　＝　Ｓ　ＩＸ　（ＰＤ＋　＋　Ｓ　ｚ・ＰＤ、）−
Ｚ−Ｔなお、実際には、温度センサ１６の出力をデータ
処理部５２に採り込み、温度によるゼロ点やパルスの変
化の補正演算も行われるが、本発明とは関連がないので
ここでは省略する。

ところで、第２図に示したＡ−Ｄ変換器４において、の
こぎり波の周期を１ｍｓとし、クロックパルスを３０Ｍ
Ｈｚとすると、カウンタ４４の最大カウント値は３０．
０００カウントとなる。これは、天びんの秤量を２００
　ｇ、最小表示桁を０．０１■としたとき、その最大表
示カウント数２０．Ｏｏｏ、ｏｏｏカウントに比べて大
幅に小さいが、次のようにうまく測定が行われる。

すなわち、天びんの秤量に相当する２０，００ｏ、ｏｏ
ｏカウント分の荷重が加わったとき、ＰＩＤ演算部５１
への入力はＡ−Ｄ変換器４の最大（ｉ３０，０００力ウ
ント以上と譬ならいが、この入力を、データ採り込みご
とに積算することにより（積分動作に相当）、具体的に
は、前記した基準値Ｘ。を１５，０００カウントとする
と、１３３４回の積算により、（３０，０００−１５，
０００）Ｘ１３３４＝２０，０１０，０００となり、こ
の時点からフィードバックする力の方が入力を上回るこ
とになる。従って、この時点から変位は逆方向に動いて
いくこととなり、これによって変位検出データＸも減少
してＰＩＤ入力が小さくなる。そして最終的にはＰＩＤ
出力が２０．０００゜０００カウントで、かつ、変位検
出データ（Ａ−Ｄ変換器４の出力）は１５，０００カウ
ントとなったところに落ち着く。このとき、比例出力Ｐ
。

−〇、積分出力ＩＸ＝２０，０００，０００、微分出力
り、＝Ｏとなる。

この場合、Ａ−Ｄ変換器４の出力が１５，０００になる
ための変位センサ１５の出力を得る荷重受部１２の変位
が中立位置となっており、荷重の大きさに拘らず安定状
態ではＡ−Ｄ出力は１５゜０００となる。このことから
明らかなように、Ａ−Ｄ変換器４のリニアリティエラー
は誤差にはならない。

なお、正負両極の出力を有するＡ−Ｄ変換器を使用した
場合は、ＰＩＤ演算の基準（ｉ　ｘ　ｏを０としてＡ−
Ｄ出力が０、すなわち変位センサ出力Ｏが変位の中立位
置になることは勿論である。

ところで、前記した例においては、Ｏ〜２０゜ｏｏｏ、
ｏｏｏカウントまでの測定で１３３４回以上のとＡ−Ｄ
変換が必要であり、／ＩＤ変換周期をＩＩＩＩｓとすれ
ば１．３３４秒以上の時間が必要となる。これをスピー
ドアップするには、非線型制御を行えば良い。すなわち
、第３図のフローチャートにおいて、偏差ｘｎを求めた
後、例えばＸ１１が１０，０００力ウント以上であるか
否かを判別し、以上である場合に限ってその超過部分の
ゲインを５倍にする等により、すなわち、ｘｎ＝ｘ、＋　（Ｘｙｉ　　１０，０００）Ｘ５として
ＰＩＤ演算を行うことによって、変位が大きくなるに従
いＰＩＤ出力の割合を増加させればそれだけ速やかに最
終値に近づく。この場合、平衡に近づけばＰＩＤ入力が
小さくなるので、元のゲインに戻ることになり、ハンチ
ングを生じることなく応答性を改善できる。この場合の
ＰＩＤ入力とＰＩＤ出力の関係を第５図に示す。この例
では、前記した時間の約１７２となる。もちろん、折れ
線でなく２乗等の適当な関数を用いることもできる。ま
た、Ｋ、、に、、に３をｘ、、の大きさに応じて変化さ
せれば、応答性を速くしたり外乱に強くする等、より効
果的なコントロールを行うことができる。

なお、以上の実施例において、変位の検出にＣＣＤライ
ンセンサ等のデジタル出力型のセンサを用いると、Ａ−
Ｄ変換器４は不要とすることができる。また、パルス電
流発生手段は２つに限定されることなく、３〜４と増や
していくことができ、この点が本発明の最も特徴とする
点であり、例えばパルスデューティデータを上位、中位
、下位のビットに分割し、それに対応してパルスデュー
ティ変換部を３つ設けることによって、例えば１４Ｘ３
＝４２ビツト等、原理的には分解能をいくらでも大きく
していくことができる。

更に、フォースコイルの数はパルス電流発生手段の数だ
け設ける必要はなく、１つのフォースコイルに各パルス
電流発生手段からのパルス電流を重畳して流し得ること
は勿論である。また、パルス電流はＯＮ・ＯＦＦ電流で
なく、正負交番する電流であってもよいことはいうまで
もない。

また更に、本発明の方式によれば、キーボード等によっ
てはかり取り重量を設定するようにして、あらかじめパ
ルスデューティデータにセットしてフォースコイルでそ
の重量に対応する力を発生させるでおくように構成する
ことにより、次のような利点がある。

すなわち、単に設定値と測定値の差を表示する方式の場
合は、天びんの応答性は何ら改善されないのに対して、
重量に対応した力を発生させておけば、その重量近くの
ものが載った場合にただちに偏差を表示することができ
、応答性をアップできる。具体的には、ＰＩＤ処理の■
８の値を設定値に固定しておくとことにより、−時的に
ＰＤ（比例→−微分）動作となって、設定重量近くのも
のが載れば積分動作による追従時間を必要とせず、ただ
ちにＰＩＤ出力が安定する。この場合、設定値±ある範
囲（Ａ−Ｄ変換器が測定できる範囲）しか測定できない
ことになるので、表示部は設定値とそれに対応する測定
重量を士で表示することが望ましい。その表示部の例を
第６図（ａ）および（ｂ）に示す。第６図（ａ）では、
設定値の表示および偏差の表示をそれぞれデジタル表示
器６１および６２によって行うように構成した例で、同
じ＜（ｂ）は設定値の表示をデジタル表示器６３で、偏
差の表示については、例えば複数の表示素子を連続的に
配列してなるアナログ表示器６４で行うように構成した
例を示している。

このような表示方法は、一定量のはかり取りや基準重量
に対する試料重量の士偏差量の測定に効果的である。

〈発明の効果〉以上説明したように、本発明によれば、荷重受部の変位
検出値のデジタル変換データを、デジタルＰＩＤ演算処
理し、そのＰＩＤ出力を複数のビットに分割して、それ
ぞれに対応して設けられている複数のパルス電流発生手
段に供給してそれぞれのデユーティを制御するよう構成
したので、各パルス電流のデユーティの分解能（ビット
数）に限界があっても、全体としての分解能はこれらの
ビット数を合計したものとなり、パルス電流発生手段の
数とパルスデューティデータの分割数とを増やしていく
ことにより、分解能の向上に限界はなくなる。

しかも、このように分解能を向上させても、特開昭４７
−４１７７２号や特開昭５４−４８２７７号のように積
算することなく、１ｍｓ〜２ｍｓごとに全桁の有効デー
タが揃い、応答性が高いと同時に、一定時間内の有効デ
ータが多いことから、平均化処理によって外乱に対して
安定した天びんが得られる。また、ＰＩＤ出力を平均化
した後にパルスデューティデータに変換するように構成
することによって、更に外乱に対して安定化することが
できる。

更にまた、本発明によれば、天びんメカニズムの荷重受
部の変位を平衡させるためのフィードバック電流のルー
プは複数となるものの、これらのパルスデューティはＰ
ＩＤ出力を例えば上位と下位のビットに分割したもので
あって、あたかも１つのフィードバックループであるよ
うにコントロールされることになり、一つのパルスデュ
ーティの変化時には他のもののパルスデューティが同時
にそれに関連して適宜に変化することになり、従来の複
数のフィードバックループを持つ天びんのように一時的
なメカニズムの揺れを生じることもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の構成を示すブロック図、第２図
はそのＡ−Ｄ変換器４の構成例を示すブロック図、第３
図はそのＰＩＤ演算部５１における演算手法の例を示す
フローチャート、第４図はデータ処理部５２と重み付け
演算部５３における動作を示すフローチャート、第５図
は本発明の他の実施例におけるＰＩＤ演算処理による作
用説明図、第６図は本発明の更に他の実施例の表示部の
構成例を示す正面図である。１２・・・・荷重受部１３・・・・第１のフォースコイル１４・・・・第２のフォースコイル１５・・・・変位センサ２ａ・・・・第１の定電流発生回路２ｂ・・・・第１の定電流発生回路４・・・・Ａ−Ｄ変換器５・・・・マイクロコンピュータ５１・・・・ＰＩＤ演算部５２・・・・データ処理部５３・・・・重み付け演算部６ａ・・・・第１のパルスデューティ変換回路６ｂ・・
・・第２のパルスデューティ変換回路５１Ｓｂ・・・・電子スイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

磁界中に設けたフォースコイルに発生する力を荷重と平
衡させ、その状態でフォースコイルに流れる電流値から
荷重の大きさを求める天びんにおいて、入力データに基
づくデューティのパルス電流を発生して上記フォースコ
イルに供給する複数のパルス電流発生手段と、荷重によ
る荷重受部の変位の検出信号のデジタル変換データを採
り込み、デジタル演算によりＰＩＤ処理を行うＰＩＤ演
算部と、そのＰＩＤ演算結果を用いて、上記複数のパル
ス電流発生手段が発生すべきパルス電流の各デューティ
を決定してそれぞれ所定ビットのデータとして上記各パ
ルス電流発生手段に供給するするデータ処理部と、その
複数のパルスデューティデータを相互に重み付け加算し
て重量値に変換する重み付け演算部を備えたことを特徴
とする電子天びん。