JPH0850066A - 荷重計量器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 重量加速度の変化や揺動の影響を受けること
なく、常に高精度で質量を計測することができる荷重計
量器を提供する。 【構成】 一個または複数個の歪計型荷重変換器（計量
用変換器）１７からなる計量センサーと、前記と同型の
歪計型荷重変換器（基準系変換器）１８に一定質量（重
錘）２０を装着した基準センサーとを具備した荷重計量
器。前記の計量センサーと基準サンサーで得た２組のセ
ンサー信号を増巾したのち、それぞれ同一の周波数特性
を持つ低域濾波器により処理する荷重計量器。前記低濾
波器で処理した２組のセンサー信号を、同一時点でサン
プリングしたのち、それぞれＡＤ変換器のアナログ入力
および基準電圧入力とする機構の荷重計量器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気式の荷重計量器に
係り、特に重力の加速度の変化や揺動の影響を受けるこ
となく高精度で質量を計測することができる改良された
荷重計量器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気式の荷重計量器としては、歪
計型や差動トランス等を応用した荷重変換器をセンサー
とした機構のものが知られている。この機構は、本来重
量を量るための計量器により力を計ったうえで、計量地
点における重力の加速度が既知であることを前提として
質量に換算され、荷重計量値とされている。したがっ
て、高精度の荷重計量器では地域毎に相違する動力加速
度に応じた微調整を施したうえで使用されている。勿
論、荷重計量器の設置条件は水平かつ静止状態でなけれ
ばならない。この点、重錘を用いるさお秤や天秤など
は、重錘の質量を基準とした質量の計量法であるため上
記のような欠点はないが、使い勝手の悪さや精度上の問
題は払拭されない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
荷重計量器に使用されている荷重変換器は、力−電気変
換器であって直接質量に感応している訳ではなく、質量
と重力加速度の積に感応して質量を計量化するシステム
である関係で、地球上の緯度や標高差に基づく加速度の
変化に応じて計量感度も異なってくる。この加速度の変
化は、経時的にはほとんど無視し得るので、現状では計
測地域（地点）ごとに予め調整または検定を行ったうえ
で使用されている。しかしながら、計測地域ごとに計測
器の調整、検定等を行うことは極めて煩雑な手間を要す
るため、実用上の大きな難点となっている。

【０００４】本発明は上記の問題点を解消するためにな
されてもので、その目的とするところは、従来の電気式
計量器で用いられている荷重変換器を利用しながら、重
力加速度の変化を相殺し、加速度の大きさと無関係に真
の質量を計測することができる新規機構の荷重計量器を
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による荷重計量器は、１個または複数個の歪
計型荷重変換器からなる計量センサーと、前記と同型の
歪計型荷重変換器に一定質量を装着した基準センサーと
を具備してなることを構成上の特徴とする。

【０００６】本発明に係る荷重計量器は、従来型で使用
される歪計型荷重変換器のほかに、重力加速度の影響を
除去するための基準センサーとして機能する一定質量を
装着した同型の歪計型荷重変換器を付設したところに主
要な改良点がある。従来型と本発明の計量機構をブロッ
クダイヤグラムとして示すと、図７（従来機構）と図１
（本発明）のようになる。

【０００７】すなわち、従来機構のブロックダイヤグラ
ムを示した図７において、重力の加速度ｇは計量対象物
１の質量Ｍに加えられ、（１）式の力Ｆを生ずる。

【０００８】Ｆ＝Ｍｇ …（１）

【０００９】歪計型荷重変換器２に計量対象物１の重量
Ｍｇが加わると、該変換器２のゲイン定数Ｋ_Ｌにより力
Ｆに比例した電圧Ｖ_１を生じ、直流増巾器３のゲインＫ
_ＡによってＶ_１に比例した電圧Ｖ_２に増巾される。Ｖ_２
には必要な信号の他に有害で不要な電圧が混入している
ため、適当な遮断周波数（一般的には数Ｈｚ〜数１０Ｈ
ｚ）の低域濾波器４（Ｋ_Ｆ）を経てアナログ、デジタル
変換器５（Ａ／Ｄ）に加えられる。一方、歪計型荷重変
換器１は励振用電源６（ＰＳ）により安定した電圧Ｖ
_ＥＸＴで励振されており、歪計型荷重変換器の出力は加
えられた力と励振電圧に比例した出力電圧を発生するよ
うになっており、前記の励振電圧を適宜な分圧器７（Ｋ
_Ｒ）を通してＶ_Ｒとし、ＡＤ変換器５の基準電圧として
使用する。ＡＤ変換器５にはタイミングパルス発生装置
９（ＴＰＧ）が接続されており、ＡＤ変換器５の動作を
制御するための各種タイミングパルス（ＴＰ）およびＡ
Ｄ変換器５のデジタル出力をもたらすクロックパルス
（ＣＬＫ）を統一して発生させる装置構成になってい
る。ここまでを伝達関数で表すと、質量Ｍによる信号系
の電圧Ｖ_３は下記（２）式のようになり、また基準電圧
系の電圧Ｖ_Ｒは下記（３）式のようになる。

【００１０】 Ｖ_３＝ｇＭＫ_ＬＶ_ＥＸＴ・Ｋ_ＡＫ_Ｆ …（２）

【００１１】Ｖ_Ｒ＝Ｖ_ＥＸＴ・Ｋ_Ｒ …（３）

【００１２】ＡＤ変換器５のデジタル出力はＶ_３／Ｖ_Ｒ
に比例してデジタル量を出力するから、これをＤ_０とす
ると（４）式が成り立つ。

【００１３】

【００１４】上記の（４）式から、歪計型荷重変換器２
のゲイン定数Ｋ_Ｌ、直流増巾器のＫ_Ａ、低域濾波器のＫ
_Ｆ、そして分圧器７のＫ_Ｒが一定である限り、重力の加
速度ｇの大きさを配慮すれば、デジタル信号は計量対象
物１の質量Ｍに比例した出力として演算処理装置８（Ｃ
ＰＵ）で処理することが可能となる。したがって、荷重
計量器が設計・調整されたｇの計測地点において水平、
静止状態で使用されるときには正しく作動する。

【００１５】図１に示した本発明に係る計量器のブロッ
クダイヤグラムにおいては、図７に示した従来型と歪計
型荷重変換器２からＡＤ変換器５までの系列は同一であ
るが、この計量センサーとは別に基準センサーとなる一
定質量１０（Ｍ_Ｒ）を装着した同型の歪計型荷重変換器
１１（Ｋ_ＬＲ）、直流増巾器１２（Ｋ_ＡＲ）および低域
濾波器１３（Ｋ_ＦＲ）が別系統として付設されており、
各歪計型荷重変換器２と１１の間は励振用電源６と接続
している。この別系統を伝達関数で表すと、歪計型荷重
変換器１１に装着された質量１０（Ｍ_Ｒ）による基準電
圧系の電圧Ｖ_Ｒ３は下記（５）式となり、またＡＤ変換
器５の出力Ｄ_１は（６）式のようになる。

【００１６】 Ｖ_Ｒ３＝ｇＭ_ＲＫ_ＬＲＶ_ＥＸＴＫ_ＡＲ・Ｋ_ＦＲ …（５）

【００１７】

【００１８】したがって、（６）式のＫ_Ｌ、Ｋ_Ａ、Ｋ_Ｆ
とＫ_ＬＲ、Ｋ_ＡＲ、Ｋ_ＦＲが一定不変である場合、計量
対象物１の質量Ｍは別の歪計型荷重変換器１１に取付け
た基準荷重１０（Ｍ_Ｒ）が定まれば求めることができ、
重力の加速度ｇとは無関係となる。つまり、計量器はｇ
が存在すればその量の如何に拘らず計量が可能となる。

【００１９】本発明による荷重計量器は、上記の原理に
より重力の加速度の大きさには無関係に計量することが
できるが、重力加速度が常に変動する場合はＡＤ変換器
に加えられる信号電圧と基準電圧の同時性が成り立たな
いと上記（６）式を適用することができない。ＡＤ変換
器は、その性質上必らずある時点の電圧をサンプリング
して順次デジタル信号に変えるので、図１のＶ_３及びＶ
_Ｒ３を同時点でそれぞれサンプリングし一定期間保持し
てＡＤ変換器に加えれば上記の要求は満たされる。この
要件を満足する機構のブロックダイヤグラムは、図１の
ＡＤ変換器５の前にタイミングパルス発生装置９と接続
する計量センサー系のサンプルホールド回路１４（Ｓ／
Ｈ）と基準センサー系のサンプルホールド回路１５（Ｓ
／Ｈ_Ｒ）を設置した図２に示す系統となる。この場合の
デジタル出力Ｄ_２はＶ_４／Ｖ_Ｒ４で求められ、図１のＤ
_１と全く同じものとなるが、ここで重要な時間要素を考
慮するには、同時性を確保するためのサンプルホールド
回路だけでは不充分であって、歪計型荷重変換器の応答
特性や低域濾波器の周波数特性について検討しなければ
ならない。

【００２０】通常の歪計型荷重変換器は、ばねと重錘で
形成された自由度１の２次遅れ系と考えられるが、該変
換器には制動を施していないため、この２次遅れ系は可
成り振動的でそのゲイン周波数特性は図３に示すように
共振角周波数Ｗｎの位置でゲインが上昇し、特性の乱れ
を生じる。この周波数は計測すべき質量によって変化す
るので、揺動しながら計量する場合に不具合を生ずるこ
ととなる。かかる影響を取り去るために、図２のように
Ｗｎより充分低い角遮断周波数Ｗｏの低域濾波器４（Ｋ
_Ｆ）および１３（Ｋ_ＦＲ）を挿入する必要がある。図４
のグラフは、が低域濾波器の特性を、が該低域濾波
器通過後の信号Ｗｎ近辺から高域の特性を示しており、
仮にＷｎが変動したり、また信号系のＷｎと基準系のＷ
ｎとが合致しなくても０からＷｏに至る使用周波数帯域
の特性は、厳密に合致した特性の低域濾波器によって決
められる。同時に、ＷｎではゲインがＧｏ点より遥かに
低いので例え信号系と基準系ゲイン特性と位相特性が異
なってもそのパワーを無視でき、波形の相違は無視する
ことがきる。

【００２１】つまり、（６）式において、Ｋ_Ｌ・Ｋ_Ａお
よびＫ_ＬＲ・Ｋ_ＡＲの角周波数特性を下記（７）式、
（８）式のように表すと、Ｗ＜ＷｏではＧ_１（Ｗ）≡Ｇ
_２（Ｗ）≒１、Ｗ≧ＷｎではＧ_１（Ｗ）≪１、Ｇ
_２（Ｗ）≪１となるため、計量誤差の原因とはならず直
流域でのゲインＫ_１、Ｋ_２で考えればよいことが分か
る。

【００２２】Ｋ_Ｌ・Ｋ_Ａ＝Ｋ_１・Ｇ_１（Ｗ） …（７） Ｋ_ＬＲ・Ｋ_ＡＲ＝Ｋ_２・Ｇ_２（Ｗ） …（８）

【００２３】また、Ｋ_Ｆ、Ｋ_ＦＲについても角周波数函
数Ｇ（Ｗ）を使って下記（９）式、（１０）式を得、こ
れから（６）式を再度使用して新たに（１１）式を得
る。さらに、信号系基準系を同時にサンプリングするか
ら、ある時点でのＡＤ変換器の出力Ｄ_２もまた同形の
（１２）式となる。

【００２４】Ｋ_Ｆ＝Ｋ_ＦＯ・Ｇ_Ｆ（Ｗ） …（９） Ｋ_ＦＲ＝Ｋ_ＦＲＯ・Ｇ_Ｆ（Ｗ） …（１０）

【００２５】

【００２６】

【００２７】上記の（１２）式中、Ｋ_１Ｋ_ＦＯ／Ｋ_２Ｋ
_ＦＲＯは一定不変のゲイン定数であるから、天秤等と同
様に質量基準とした計量器と同じく、動力加速度の地域
的変化や傾斜設置による変化、さらに揺動による外乱加
速度に対しても感応せず安定した計量が可能となる。

【００２８】このように、本発明の計量機構によれば歪
計型荷重変換器による計量センサーと一定質量を装着し
た同型の歪計型荷重変換器による基準センサーを用い、
両センサーで得た２組のセンサー信号を直流増巾器で増
巾したのち、それぞれ同一の周波数特性を有する低域濾
波器により処理し、更に処理された２組のセンサー信号
をそれぞれ同一時点でサンプリングしたのち、ＡＤ変換
器にアナログ入力および基準電圧入力することにより重
力加速度の変化や揺動に影響を受けずに計量対象物の質
量Ｍを精度よく計量することができる。なお、本発明に
おける計量センサー用の歪計型荷重変換器は１個に限ら
ず複数個を設置することができ、また基準センサーを構
成する歪計型荷重変換器は一種の加速度計と見做すこと
ができるから、これと同等またはその以上の性能を有す
る歪計型加速度計で置き換えるか、その他例えば力平衡
型サーボ加速度計のような歪計型変換器以外の変換器に
置換しても同様な効果が得られる。

【００２９】

【作用】本発明によれば、電気式の荷重計量器に用いら
れる１個または複数個の歪計型荷重変換器を計量センサ
ーとし、これに一定質量を装着した同型の歪計型荷重変
換器による基準センサーを具備させ、後者の歪計型荷重
変換器を重力加速度の影響を除去するセンサーとして機
能させることにより、重力加速度の変化や揺動等の影響
を受けず、常に計量対象物の質量を高精度で計量し得る
荷重計量器を提供することが可能となる。

【００３０】

【実施例】以下、図５および図６に示した実施例に基づ
いて本発明を具体的に説明する。

【００３１】図５は計量器の本体部分を示した分解斜視
図で、取付盤１６の上面に計量用変換器１７および基準
系変換器１８が設置されている。これら変換器はいずれ
も歪計型荷重変換器で、計量用変換器１７には載せ台１
９が載置され、また基準計変換器１８には基準質量とな
る重錘２０が装着されている。各変換器には変換出力を
取り出すためのケーブルとコネクター２１、２２が接続
されている。

【００３２】図５のケーブルおよびコネクター２１、２
２は、図６に示した電子回路部のコネクター２３および
２４にそれぞれ接続され、取り出された変換器出力がフ
ィルター、サンプルホールド回路の入ったモジュールを
含む直流増巾器３、１２に導入して処理されたのち、制
御用タイミングパルス発生装置が組み込まれたＡＤ変換
器５に入りデジタル信号となる。このデジタル信号は、
演算処理装置８（ＣＰＵ）によりデータ処理され、表示
器２５その他のシステムに伝達される。

【００３３】上記の機構を備える荷重計量器を、貨物運
搬用トラックに設置して走行させながら標高差のある数
地点で重錘の重量を計量したところ、演算処理による補
正を行わなくてもばらつきのない一定計測値が得られ、
標高差のある測定位置や傾斜および揺動の影響を受ける
ことなしに正確に計量し得ることが確認された。

【００３４】

【発明の効果】以上のとおり、本発明に係る荷重計量器
によれば従来型の歪計型荷重変換器による計量センサー
に一定質量を装着した同型の歪計型荷重変換器からなる
基準センサー機構を付設した簡易の構造改良を施し、重
力加速度の影響および揺動の影響を消去することによ
り、常に重力加速度の変化や揺動等の影響を受けずに高
精度の計量化が可能となる。したがって、緯度や標高の
異なる地域において運搬車両に搭載して各種の対象物荷
重を計量化する目的に対して極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る計測器の機構態様を示したブロッ
クダイヤグラムである。

【図２】本発明に係る計測器の別の機構態様を示したブ
ロックダイヤグラムである。

【図３】歪計型荷重変換器のゲイン周波数特性を示した
グラフである。

【図４】歪計型荷重変換器に低域濾波器を接続した場合
のゲイン周波数特性を示したグラフである。

【図５】本発明に実施例による計量器本体部を示した分
解斜視図である。

【図６】本発明の実施例による電気回路部を示した斜視
説明図である。

【図７】従来型の歪計型荷重計量器の機構態様を示した
ブロックダイヤグラムである。

【符号の説明】

１ 計量対象物の質量(M) ２ 歪計型荷重変換器(K_L ) ３ 直流増巾器(K_A ) ４ 低域濾波器(K_F ) ５ ＡＤ変換器(A/D) ６ 励振用電源(PS) ７ 分圧器(K_R ) ８ 演算処理装置(CPU) ９ タイミングパルス発生装置(TPG) 10 基準質量(M_R ) 11 歪計型荷重変換器(K_LR) 12 直流増巾器(K_AR) 13 低域濾波器(K_FR) 14 サンプルホールド回路(S/H) 15 サンプルホールド回路(S/H_R ) 16 取付盤 17 計量用変換器 18 基準系変換器 19 載せ台 20 重錘 21 コネクター 22 コネクター 23 コネクター 24 コネクター 25 表示器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １個または複数個の歪計型荷重変換器か
   らなる計量センサーと、前記と同型の歪計型荷重変換器
   に一定質量を装着した基準センサーとを具備してなるこ
   とを特徴とする荷重計量器。
2. 【請求項２】 請求項１の計量センサーおよび基準セン
   サーで得た２組のセンサー信号を増巾したのち、それぞ
   れ同一の周波数特性を持つ低域濾波器により処理する機
   構の荷重計量器。
3. 【請求項３】 請求項２の低域濾波器で処理された２組
   のセンサー信号を、それぞれ同一の時点でサンプリング
   したのち、それぞれＡＤ変換器のアナログ入力および基
   準電圧入力とする機構の荷重計量器。
4. 【請求項４】 請求項１の基準センサーを、歪計型加速
   度計に置換した請求項１、２又は３記載の荷重計量器。
5. 【請求項５】 請求項１の計量センサーまたは／および
   基準センサーを歪計型変換器以外の変換器に置換した請
   求項１、２又は３記載の荷重計量器。