JP2006184192A

JP2006184192A - 電子天びん

Info

Publication number: JP2006184192A
Application number: JP2004379982A
Authority: JP
Inventors: Kunio Shimauchi; 邦夫島内; Koji Tomota; 弘二友田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】Ａ／Ｄ変換器の特性による誤差を低減した電子天びんを提供する。
【解決手段】コイル電流Ｉに比例した電磁力と皿上荷重Ｗをバランスさせる荷重検出機構３とＰＩＤ制御部６８と、コイル電流Ｉを電圧信号に変換する基準抵抗体４１と、基準電圧源４６を共通とする複数個のＡＤ変換器４２、４３、４４と、各ＡＤ変換器により変換されたディジタル値の平均化、重量値変換、表示機能を有する表示部４により構成することにより、ＡＤ変換器固有の定常誤差や温度などの変動誤差は平均化され低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、支点をはさんで平衡ビームに加わる荷重と電磁力とのバランスをとって荷重の測定を行なう電磁力平衡式の電子天びんに関する。

従来、電子天びんでは測定方式の一つとして電磁力平衡方式が用いられているが、これは永久磁石の磁界中に設けたフォースコイルに流す電流に比例して発生する電磁力と皿上荷重とをバランスさせ、バランス状態での電流に比例するアナログ電圧を１個のＡＤ変換器を用いてディジタル値に変換した後、演算処理を行ない皿上荷重を測定するものである。図６は荷重検出機構１０１とＰＩＤ制御部１０２からなる従来の電磁力平衡方式の電子天びんの構成を示したもので、計量物２によって加えられる皿上荷重Ｗに対応するコイル電流Ｉは基準抵抗体１０３により電圧信号に変換され、この電圧信号はＡＤ変換器１０４によりディジタル値に変換される。このディジタル値は演算処理部１０５で演算処理され重量値に変換されるとともに、校正時点での温度からの温度変動に伴う測定値差、すなわち温度誤差に大きく影響する前記荷重検出機構１０１に使用する永久磁石１０８の温度係数を温度補正回路１０７により約＋４００ｐｐｍ／℃の温度係数を持たせた基準電圧源１０６を用いて概略補正を行ない、残りの補正不足分をソフトウエアで補正するようにしている。

皿上荷重Ｗに対応するコイル電流Ｉは、フォースコイルの長さをＬ、磁束密度をＢ、比例係数をＫとすると下記（１）式の関係をもつ。
Ｉ＝Ｋ・Ｗ／（Ｂ・Ｌ）…（１）
上記のように従来技術は、重量表示値の基となるディジタル変換値は、ただひとつのＡＤ変換器によるものであり、このＡＤ変換器の性能そのものにその電子天びんの性能が大きく左右されていた。
特公平７−６８３０号公報

従来の電子天びんは上記のように構成されているが、単一のＡＤ変換器を用いる方法では、電子天びんの精度向上を妨げる大きい要因としてＡＤ変換器の安定度不足ということがある。すなわち、ＡＤ変換器の主要な性能である、直線性とその温度係数、ゼロドリフトとその温度特性、感度（スパン）の安定度とその温度特性、フラツキなどにより電子天びんの精度向上が妨げられている。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、ＡＤ変換器自体の誤差要因の影響を低減した電子天びんを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の電子天びんは、皿上荷重を検出する荷重検出機構と、該荷重検出機構により検出された荷重検出信号をＡ／Ｄ変換するＡＤ変換器と、該ＡＤ変換器のディジタル出力信号を重量値に変換して表示する表示部を備えた電子天びんにおいて、アナログ入力端子と基準電圧入力端子をそれぞれ共通に接続した複数個のＡＤ変換器と、該ＡＤ変換器に基準電圧を入力する基準電圧源と、内部温度を測定する温度センサと、温度変化により生じる測定誤差を概略補正するために前記温度センサの温度検出信号に基づいて前記基準電圧源の出力電圧を変える温度補正回路と、残余の前記測定誤差を精密補正するために前記温度センサの温度検出信号に基づいて補正する演算処理手段と、前記複数個のＡＤ変換器の出力の平均値または合計値を演算する演算処理手段とを備えたものである。
さらに本発明は、３個以上のＡＤ変換器と、該ＡＤ変換器に校正用の基準電圧を入力する基準電圧源と、前記ＡＤ変換器に入力する荷重検出信号と校正用基準電圧を一定時間毎に切替える切替手段と、前記校正用基準電圧の入力時における前記複数個のＡＤ変換器の出力誤差を算出・補正・記憶する補正手段と、前記出力誤差が規定値よりも大きいＡＤ変換器を除外し、残りのＡＤ変換器だけを用いるＡＤ変換器選択手段を備えたものである。

本発明の電子天びんは、複数のＡＤ変換器を使用してその入力側を共通にし、各ディジタル出力を平均化して荷重を算出するので、個々のＡＤ変換器の直線性、ゼロドリフト、感度（スパン）やそれらの温度特性、フラツキなどが平均化され、性能誤差や安定度が向上する。
また、ＡＤ変換器の校正用の基準電圧源を内蔵してＡＤ変換器を校正することにより、出力誤差やその変動の大きいＡＤ変換器を選別して演算対象から除去し、残りのＡＤ変換器のディジタル出力を平均化して荷重を算出するので、突発的な誤差発生を除去することができる。

以下、実施例により本発明の電子天びんを詳細に説明する。図１は、実施例による電子天びんの構成を示すもので、計量皿１に載置された計量物２の荷重、すなわち皿上荷重Ｗに対応した電流を得るための荷重検出機構３と前記電流を演算処理して前記計量物２の重量値を表示するための表示部４から構成されている。

前記荷重検出機構３は、図１に示すように一定間隔を開けて薄肉部５１を形成した２本の梁部材５２、５３を上下平行にして、それぞれの一端側を可動柱５４の上下位置に連結するとともに他端側をそれぞれ固定してロバーバル機構を形成し、皿上荷重Ｗを垂直方向に伝達する荷重伝達機構部５と、支点６１で支承され、一端側を連結部材６２を介して前記可動柱５４に連結するとともに他端側にフォースコイル６３を吊設した平衡ビーム６４と、前記フォースコイル６３に電磁力を発生させる磁界を供給する永久磁石６５を内設した磁場発生器６６と、前記平衡ビーム６４の上下方向の変位に比例した電気信号を検出する位置検出センサ６７と、前記フォースコイル６３にバランスさせるためのコイル電流Ｉを供給するためのＰＩＤ制御部６８からなる荷重平衡機構部６から構成されている。

前記表示部４は、前記フォースコイル６３と直列に接続された基準抵抗体４１と、この基準抵抗体４１にコイル電流Ｉが流れることにより生じる電圧信号をディジタル値に変換するＡＤ変換器４２、４３、４４と、これらのＡＤ変換器４２、４３、４４からのディジタル出力を平均化する演算機能と、平均化されたデータに換算係数を乗じて計量物２の重量値を算出する演算処理プログラムを記憶するメモリやＣＰＵで構成される演算処理部４５と、前記ＡＤ変換器４２、４３、４４に接続する基準電圧源４６と、この基準電圧源４６に前記磁場発生器６６の永久磁石６５に固設してその温度を電気信号に変換する温度センサ４７と、前記基準電圧源４６に前記永久磁石６５の温度特性を補正するための温度特性を有する温度補正回路４８と、前記演算処理部４５での重量値データを表示する表示器４９から構成されている。

前記ＡＤ変換器４２、４３、４４には、例えば図２に示すような積分器４２ａ、比較器４２ｂ、フリップフロップ４２ｃ、１ビットのＤＡ変換器４２ｄからなる高精度のΣΔＡＤ変換器が使用される。フリップフロップ４２ｃの出力レベルＬ、Ｈに対応するＤＡ変換器４２ｄの出力電圧を＋Ｖｒｅｆ、−Ｖｒｅｆ、入力電圧をＶｉｎとすると前記ＡＤ変換器４２の出力データＤＡＴＡ１は（数１）式で示される。

またＡＤ変換器４３、４４の出力データＤＡＴＡ２、ＤＡＴＡ３も（数１）式と同様な関係を有する。これらのＤＡＴＡ１、ＤＡＴＡ２、ＤＡＴＡ３は前記演算処理部４５で（数２）式に示す平均化演算が行なわれＤＡＴＡ４に変換される。

上記（数２）式のＤＡＴＡ１、ＤＡＴＡ２、ＤＡＴＡ３は、それぞれのＡＤ変換器に使用されている例えばＯＰアンプのオフセット電圧など、電子部品の特性のバラツキにより時間的に異なる変動が生じるが、平均化することによりＡＤ変換器としての主要な性能、すなわち直線性とその温度係数、ゼロドリフトとその温度特性、感度（スパン）の安定度とその温度係数、フラツキなどの不安定さが平均化され精度及び安定度が向上する。

また、図３は他の実施例による電子天びんの構成を示したもので、図１に示した部品と同じものには同一符号を用いている。本電子天びんは図１の電子天びんにおけるＡＤ変換器４２、４３、４４に校正用の基準電圧を入力することができる基準電圧源７と前記演算処理部４５からの制御信号によって測定側と校正側との切替えを行なう切替器８を備えるようにしたものである。前記基準電圧源７は、前記ＡＤ変換器４２、４３、４４の例えば入力レンジ０％、５０％、１００％に相当する基準電圧が発生できるように内部に前記演算処理部４５により制御される切替スイッチ７１を備えている。

図４、図５は上記電子天びんの測定手順を示すフローチャート図である。図１、図３および図４、図５を参照しながら本電子天びんの測定方法を以下に説明する。先ず電源を投入してスタートさせると、切替器８が測定側（ａ点側）に切り替わり、皿上荷重ＷがＡＤ変換器４２、４３、４４により各ディジタル値に変換される（ＳＴ１〜４）。この各ディジタル値は予め校正されているそれぞれの補正演算式に基づき演算処理されＤＡＴＡ１、２、３として演算処理部４５に読み込まれる（ＳＴ５）。そして、このＤＡＴＡ１、２、３はこれらの平均値であるＤＡＴＡ４に変換される（ＳＴ６）。次に、このＤＡＴＡ４は重量換算式に基づき重量データに変換され（ＳＴ７）、表示器４９に表示される（ＳＴ８）。この表示するまでの演算処理回数が例えば５回を越えると、前記ＡＤ変換器４２、４３、４４の校正（図５参照）が実行される（ＳＴ９）。

上記校正がスタートすると先ず切替器８が校正側（ｂ点側）に切り替わり（ＳＴ１０）、基準電圧源７から測定レンジ０％、５０％、１００％に相当する基準電圧が、順次ＡＤ変換器４２、４３、４４に印加されＡ／Ｄ変換される（ＳＴ１１〜１３）。各データはそれぞれの基準ディジタル値と比較されその誤差が算出される（ＳＴ１４）。前記ＳＴ５（図５）において用いる補正演算式が修正されるとともにＳＴ１（図５）に戻ると同時に前記切替器８が測定側（ａ点側）に切り替わる（ＳＴ１６）。また、校正中に前記ＡＤ変換器４２、４３、４４の変換誤差が規定値より大である場合は、そのＡＤ変換器を除外する処理を行ない（ＳＴ１７）、残された２台の正常なＡＤ変換器のみを使って平均化処理を行なう。このようにＡＤ変換器に、ある基準電圧を入力できる機能を有し、それによってＡＤ変換器のディジタル変換値に大きな差があるかを検証することができ、差の大きなＡＤ変換器は差別化し、使用せず、残りのＡＤ変換器を使用することにより、突発的な誤差を発生するＡＤ変換器の性能の影響を低減できる。

本発明の電子天びんは、詳記した実施例の構成に限定されるものではなく、例えば、ＡＤ変換器として２重積分型や逐次比較型など他の方式のものを使用することや連続測定回数を変更したり、ＡＤ変換器を３個以上使用することも可能である。

本発明は、支点をはさんで平衡ビームに加わる荷重と電磁力とのバランスをとって荷重の測定を行なう電磁力平衡式の電子天びんに用いられる。

実施例による電子天びんの構成図である。実施例に係るＡＤ変換器の構成図である。他の実施例による電子天びんの構成図である電子天びんの測定動作を説明するフローチャート図である。電子天びんの校正動作を説明するフローチャート図である。従来の電子天びんの構成図である。

符号の説明

１計量皿
２計量物
３、１０１荷重検出機構
４表示部
５荷重伝達機構部
６荷重平衡機構部
７、４６、１０６基準電圧源
８切替器
４１、１０３基準抵抗体
４２、４３、４４、１０４ＡＤ変換器
４２ａ積分器
４２ｂ比較器
４２ｃフリップフロップ
４２ｄＤＡ変換器
４５、１０５演算処理部
４７温度センサ
４８温度補正回路
４９表示器
５１薄肉部
５２、５３梁部材
５４可動柱
６１支点
６２連結部材
６３フォースコイル
６４平衡ビーム
６５、１０８永久磁石
６６磁場発生器
６７位置検出センサ
６８、１０２ＰＩＤ制御部
７１切替スイッチ
１０７温度補正回路
Ｉコイル電流
Ｗ皿上荷重

Claims

皿上荷重を検出する荷重検出機構と、該荷重検出機構により検出された荷重検出信号をＡ／Ｄ変換するＡＤ変換器と、該ＡＤ変換器のディジタル出力信号を重量値に変換して表示する表示部を備えた電子天びんにおいて、アナログ入力端子と基準電圧入力端子をそれぞれ共通に接続した複数個のＡＤ変換器と、該ＡＤ変換器に基準電圧を入力する基準電圧源と、内部温度を測定する温度センサと、温度変化により生じる測定誤差を概略補正するために前記温度センサの温度検出信号に基づいて前記基準電圧源の出力電圧を変える温度補正回路と、残余の前記測定誤差を精密補正するために前記温度センサの温度検出信号に基づいて補正する演算処理手段と、前記複数個のＡＤ変換器の出力の平均値または合計値を演算する演算処理手段とを備えていることを特徴とする電子天びん。
３個以上のＡＤ変換器と、該ＡＤ変換器に校正用の基準電圧を入力する基準電圧源と、前記ＡＤ変換器に入力する荷重検出信号と校正用基準電圧を一定時間毎に切替える切替手段と、前記校正用基準電圧の入力時における前記複数個のＡＤ変換器の出力誤差を算出・補正・記憶する補正手段と、前記出力誤差が規定値よりも大きいＡＤ変換器を除外し、残りのＡＤ変換器だけを用いるＡＤ変換器選択手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電子天びん。