JP2012007970A - 電子天びん - Google Patents

Abstract

【課題】数１０ｍｇの比較的軽量なサンプルの１ｍｇ以下の重量変化も正確に計測できる電子天びんを提供する。
【解決手段】基準おもりを使用してサンプルの重量変化を時系列的にモニタリングする。モニタリング毎に時間間隔τでサンプル受け皿内を空、基準おもり、空、サンプル、基準おもり、空にして荷重検出器により各荷重を検出して、基準おもりとサンプルの重量を算出する。この基準おもりと前回モニタリング時の基準おもりの算出重量を比較して感度補正係数を算出し、この感度補正係数を乗じたサンプル重量と前回サンプル重量との差をサンプル重量変化量として算出する。
【選択図】 図３

Description

本発明は電子天びんに関する。

電磁平衡式の電子天びん等、高い計量精度を有する電子天びんでは、その高い精度を保持するため、環境の変化、特に温度による感度やゼロドリフトの変化を厳密に補正する必要があり、これらの電子天びんにおいては感度変化やゼロドリフトに対し様々な低減方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、使用期間によって感度やゼロドリフトが変動するため校正用の分銅を内蔵するとともに、内蔵分銅を荷重測定機構に加除する内蔵分銅加除機構を設けて、使用者が適宜にあるいは一定量の温度変化が生じた場合に、自動的に内蔵分銅を用いて校正を行う方式が多用されている（例えば特許文献２参照）。

特開２００１−９９６９９号公報 特開２００２−９８５７９号公報

上記電子天びんにおいて、数１０ｍｇ程度の比較的軽量なサンプルにおける１ｍｇ以下の微量な重量変化を特性変化として捉え正確に計測するニーズ、例えば温度や湿度などの環境変化に伴うプラスチックの吸水量や蒸発量の変化を経時的にモニタリングし、あるいはサンプルに塗装コーティングなどの表面処理を行った前後の重量変化量を計測するニーズが品質評価重視の面から増加している。

しかし荷重測定機構は、上記校正を行ったとしても、電子天びんの周囲の温度、湿度などよって、校正時点からの感度やゼロドリフト量の変化度合いが異なることとなる。通常の測定であれば問題とならない程度の誤差であっても、重量変化を測定する場合には、重量変化に対する感度やゼロドリフト量の割合が無視できない程度になる。
例えば、重量が１ｇのサンプルを異なる時点で２回計量する場合において、ゼロドリフト量が０．５ｍｇと０．４ｍｇであれば、それぞれ０．５％と０．４％の誤差に過ぎないため、通常の計量としては許容誤差範囲内だとしても、重量変化を算出する場合は、ゼロドリフト量の差が０．１ｍｇとなり、サンプルの重量変化が１ｍｇ程度であるとすると、その誤差が１０％にも達することになる。

特に、日本の気候における気温差の大きい夏、冬場で、空調が止められている夜間と空調を再開して計測を行う昼間とでは、電子天びんの周囲温度、湿度が激しく変化する。このような状況においては、計測を行う時間帯により、感度およびゼロドリフトの変化量がサンプルの微量重量変化の計測に大きく影響するという問題がある。

上記課題を解決するため、本件発明は、受け皿と当該受け皿を支承するとともに、当該受け皿に載置された負荷の荷重値を出力する荷重検出器とを備え、（ａ）異なる２時点において前記受け皿に測定対象となるサンプルが載置された際に前記荷重検出器から出力されるサンプル荷重計測値と、（ｂ）当該各サンプル荷重計測値が出力される前後において、無負荷状態の際に前記荷重検出器から出力される無負荷荷重計測値とに基づいて、前記サンプルの重量変化を算出する重量変化算出手段を有する。

また、本件発明における前記重量変化算出手段は、（ｂ１）前記各サンプル荷重計測値が出力される前後のいずれかまたは両方において、基準おもりが前記受け皿に載置された際に前記荷重検出器から出力される基準おもり荷重計測値と、（ｂ２）前記サンプル荷重計測値および当該基準おもり荷重計測値が出力される前後において、無負荷状態の際に前記荷重検出器から出力される無負荷荷重計測値とに基づいて、前記サンプルの重量変化を算出するものであってもよい。

また、前記サンプルおよび前記基準おもりの加除のタイミングを操作者に知らせる計測タイミング報知手段を更に有することを備えてもよく、更に計測タイミング報知手段は、電子天びん自体における表示または表示および音声の発生によるものが好ましい。

電子天びん周囲の温度や湿度などの環境状況が変化し、感度やゼロドリフトが変化した状態においても、サンプル測定の前後で無負荷荷重の測定を行い、更には、基準おもり荷重の測定を用いて、サンプル重量を補正しているので、１ｍｇ以下のサンプル重量の微量の変化を正確に計測することができる。

本発明の電子天びんの構成を示すブロック図である。 実施例に係る演算制御プログラムのメインルーチンを示すフローチャートである。 実施例に係る演算制御プログラムの重量変化計測の手順を示すフローチャートである。 本発明の電子天びんの重量変化を計測する場合の計測対象とその計測時間の関係を示す図である。 他の実施例に係る演算制御プログラムの重量変化計測の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の電子天びんの実施例を図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例の構成を示すブロック図である。本電子天びんは、内蔵分銅１を校正時に受け皿２に負荷するための分銅加除機構３と、受け皿２から負荷される荷重を検出するための荷重検出器４と、その荷重検出器４により検出されたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器５と、このディジタル信号を取り込み表示する表示器７とプリンタ８等に出力するための計測時刻や重量変化量データに変換する演算と分銅加除機構３への制御信号を送出する演算制御部６と、電源ＯＮ／ＯＦＦ、計量単位の設定、内蔵分銅１による感度校正および重量変化計測に使用するメニュー画面の表示などの切替を行うキーボード９および重量変化を計測するサンプル重量に近く、温度や湿度変化に対し一定重量を保持し、重量が異なる複数個の基準おもり１０から構成されている。

前記演算制御部６は、マイクロコンピュータを主体として構成されており、内蔵された発信器のクロック周波数に同期して演算制御処理を行うＣＰＵ６１、一定期間前後において計測される基準おもりおよびサンプルの負荷荷重計測値および負荷荷重計測時の等時間前後において計測される無負荷荷重計測値を記憶する計測荷重記憶プログラム６２ａ、基準おもりの負荷荷重計測値と無負荷荷重計測値から感度補正係数を算出する感度補正係数算出プログラム６２ｂおよび前記感度補正係数を用いてサンプル重量変化を算出するサンプル重量変化算出プログラム６２ｃを有する演算制御プログラムを記憶するＲＯＭ６２、計量データや演算パラメータを記憶するＲＡＭ６３および入出力インターフェース６４から構成されている。

図２、図３はＲＯＭ６２に記憶されている演算制御プログラムの概要を示すフローチャートである。以下、この図を参照して実施例の動作を説明する。図１のＣＰＵ６１は、通常、図２に示すようなメインルーチン上の各割り込み信号の着信を走査するプログラムを実行している。この割り込み信号としては、キーボード９のキー操作により送出される内蔵分銅１による校正開始信号と、サンプルの重量変化を計測する場合の重量変化初期計測開始信号、２回目以降の重量変化計測開始信号および演算制御部６で発生するクロック周波数のパルス信号を計数して得られ定期的に送出される重量計量開始信号とがある。

前記ＣＰＵ６１が上記メインルーチン上を走査中、割り込み信号をキャッチすると、その割り込み信号を判別し、該当した割り込み処理を行った後再びメインルーチンワークに戻る。例えば、前記キーボード９のキー操作により校正信号が送出された場合は、内蔵分銅１の荷重検出器４への加除を自動的に実行して感度補正係数を校正する。またキーボード９のキー操作により重量変化初期計測開始信号または重量変化計測開始信号が送出された場合は、図３の重量変化計測プログラムが実行される。

物体を載置しない状態（無負荷状態）で、キーボード９において重量変化を計測するサンプルを特定するためのＩＤ記号を登録し、重量を有する基準おもりの重量、重量変化初期計測時刻Ｔ_１および計測間隔時間τを設定し、重量変化初期計測を指令すると、重量変化初期計測プログラムが稼動し、図４に示すとおり荷重検出器４により時刻Ｔ_１における無負荷荷重Ｚ（Ｔ_１）、すなわちゼロ点が計測され、この計測値とＩＤ記号がＲＡＭ６３に記憶されるとともに基準おもり１０の受け皿２への載置を指令する記号Ｒが表示器７に点滅表示される（ＳＴ１）。計測時間間隔τは通常３０秒が採用される。

上記指令に基づいて基準おもり１０を受け皿２に載置すると、計測開始時Ｔ_１からτ時間後、荷重検出器４に負荷されている時刻（Ｔ_１＋τ）における基準おもり荷重Ｒ（Ｔ_１＋τ）が計測され、この計測値とＩＤ記号がＲＡＭ６３に記憶されるとともに無負荷を指令する記号Ｚが点滅表示または点滅表示および音声発生により報知される（ＳＴ２）。

前記基準おもり１０を除去すると、計測開始時Ｔ_１から２τ時間後の無負荷荷重Ｚ（Ｔ_１＋２τ）が計測され、この計測値とＩＤ記号がＲＡＭ６３に記憶されるとともにサンプルの受け皿２への載置を指令する記号Ｓが点滅表示される（ＳＴ３）。

上記指令に基づいてサンプルを載置すると、計測開始時Ｔ_１から３τ時間後のサンプル荷重Ｓ（Ｔ_１＋３τ）が計測され、この計測値とＩＤ記号がＲＡＭ６３に記憶されるとともに無負荷を指令する記号Ｚが点滅表示される（ＳＴ４）。

前記サンプルを除去すると、計測開始時Ｔ_１から４τ時間後の無負荷荷重Ｚ（Ｔ_１＋４τ）が計測され、この計測値とＩＤ記号がＲＡＭ６３に記憶されるとともに（ＳＴ５）、感度ＳＰ１が（１）式により算出記憶され（ＳＴ６）、サンプル重量Ｓ１が（２）式により算出記憶され、重量変化初期計測が終了する（ＳＴ７）。
ＳＰ１＝Ｒ（Ｔ_１＋τ）―（（Ｚ（Ｔ_１）＋Ｚ（Ｔ_１＋２τ））／２ ・・（１）
Ｓ１＝Ｓ（Ｔ_１＋３τ）―（（Ｚ（Ｔ_１＋２τ）＋Ｚ（Ｔ_１＋４τ））／２・・（２）

次に所定時刻Ｔ_２に無負荷状態で、キーボード９においてサンプルのＩＤ記号、計測開始時刻Ｔ_２を設定し重量変化計測開始を指令すると、重量変化計測プログラムが稼動し、図４に示すとおり荷重検出器４に負荷されている時刻Ｔ_２における無負荷荷重Ｚ（Ｔ_２）が計測され、この計測値とＩＤ記号がＲＡＭ６３に記憶されるとともに記号Ｒが点滅表示される（ＳＴ８）。

上記指令に基づいて基準おもり１０を受け皿２に載置すると、計測開始時Ｔ_２からτ時間後、荷重検出器４に負荷されている時刻（Ｔ_２＋τ）における基準おもり荷重Ｒ（Ｔ_２＋τ）が計測され、この計測値とＩＤ記号がＲＡＭ６３に記憶されるとともに記号Ｚが点滅表示される（ＳＴ９）。

前記基準おもり１０を除去すると、計測開始時Ｔ_２から２τ時間後の無負荷荷重Ｚ（Ｔ_２＋２τ）が計測され、この計測値とＩＤ記号がＲＡＭ６３に記憶されるとともにサンプルの受け皿２への載置を指令する記号Ｓが点滅表示される（ＳＴ１０）。

上記指令に基づいてサンプルを載置すると、計測開始時Ｔ_２から３τ時間後のサンプルを載置した状態で荷重検出器４に負荷されているサンプル荷重Ｓ（Ｔ_２＋３τ）が計測され、この計測値とＩＤ記号がＲＡＭ６３に記憶されるとともに記号Ｚが点滅表示される（ＳＴ１１）。

前記サンプルを除去すると、計測開始時Ｔ_２から４τ時間後の無負荷荷重Ｚ（Ｔ_２＋４τ）が計測され、この計測値とＩＤ記号がＲＡＭ６３に記憶されるとともに（ＳＴ１２）、基準おもり１０の重量である感度ＳＰ２が（３）式により算出記憶され（ＳＴ１３）、サンプル重量Ｓ２が（４）式により算出記憶される（ＳＴ１４）。
ＳＰ２＝Ｒ（Ｔ_２＋τ）―（（Ｚ（Ｔ_２）＋Ｚ（Ｔ_２＋２τ））／２ ・・（３）
Ｓ２＝Ｓ（Ｔ_２＋３τ）―（（Ｚ（Ｔ_２＋２τ）＋Ｚ（Ｔ_２＋４τ））／２・・（４）

続いて、感度補正係数Ｃが（５）式より算出記憶され（ＳＴ１５）、サンプル重量変化量ΔＳが（６）式より算出記憶され（ＳＴ１６）、サンプル重量変化量ΔＳが表示器７に表示される（ＳＴ１７）。
Ｃ＝ＳＰ１／ＳＰ２ ・・・・・（５）
ΔＳ＝Ｃ・Ｓ２−Ｓ１ ・・・・・（６）

サンプルに塗装などの表面処理を行った前後の重量変化量ΔＳは上記（６）式から算出される。またサンプルの環境変化による重量変化を複数回モニタリングする場合は、一定時間間隔で多数回の重量変化計測を行う。ｎ（ｎ＞２）回目の計測時点Ｔ_ｎでの感度をＳＰｎ、サンプル重量をＳｎとすると、感度補正係数Ｃｎは（７）式より、重量変化量ΔＳｎは（８）より算出される。
Ｃｎ＝ＳＰ１／ＳＰｎ ・・・・・（７）
ΔＳｎ＝Ｃｎ・Ｓｎ−Ｓ１ ・・・・・（８）
サンプルの微小重量変化を上式（７）、（８）式を用いて順次各計測ポイント間毎の重量変化量ΔＳｎを算出し、これを折れ線にてグラフ表示することによりサンプルの重量変化を連続的に把握することができる。

通常感度補正は、既知の重量の基準おもりを計量し、真の重量値と計量値との比を算出して記憶しておき、サンプルの計量値に、当該記憶した比を乗ずることにより行う。本実施例では、感度補正係数を１回目のサンプル重量Ｓ１とは独立して記憶しておくこととしているため、基準おもりの重量が既知でなくても、感度校正が可能となる点で有効である。

図５は他の実施例による電子天びんのサンプル重量変化算出プログラム６２ｃを示すフローチャートで、重量変化初期計測プログラムと重量変化計測プログラムからなり基準おもり荷重の計測を２回に増加して、感度補正の精度を向上させたものである。

以下、図５を参照して動作を説明する。重量変化初期計測を指令すると第１実施例に準じて時刻（Ｔ_１）に無負荷荷重Ｚ（Ｔ_１）、時刻（Ｔ_１＋τ）に基準おもり荷重Ｒ（Ｔ_１＋τ）、時刻（Ｔ_１＋２τ）に無負荷荷重Ｚ（Ｔ_１＋２τ）、時刻（Ｔ_１＋３τ）にサンプル荷重Ｓ（Ｔ_１＋３τ）、時刻（Ｔ_１＋４τ）に無負荷荷重Ｚ（Ｔ_１＋４τ）、時刻（Ｔ_１＋５τ）に基準おもり荷重Ｒ（Ｔ_１＋５τ）、時刻（Ｔ_１＋６τ）に無負荷荷重Ｚ（Ｔ_１＋６τ）が計測され記憶される（ＳＴ２１〜ＳＴ２７）。

続いて、感度ＳＰ１が（１）式、サンプル重量Ｓ１が（２）式、感度ＳＰ２が（９）式、平均感度ＳＰ１２が（１０）式により算出され記憶される（ＳＴ２８〜ＳＴ３１）。
ＳＰ２＝Ｒ（Ｔ_１＋５τ）−（Ｚ（Ｔ_１＋４τ）＋Ｚ（Ｔ_１＋６τ））／２・・（９）
ＳＰ１２＝（ＳＰ１＋ＳＰ２）／２ ・・・・・・・（１０）
重量変化計測を指令すると時刻（Ｔ_２）に無負荷荷重Ｚ（Ｔ_２）、時刻（Ｔ_２＋τ）に基準おもり荷重Ｒ（Ｔ_２＋τ）、時刻（Ｔ_２＋２τ）に無負荷荷重Ｚ（Ｔ_２＋２τ）、時刻（Ｔ_２＋３τ）にサンプル荷重Ｓ（Ｔ_２＋３τ）、時刻（Ｔ_２＋４τ）に無負荷荷重Ｚ（Ｔ_２＋４τ）、時刻（Ｔ_２＋５τ）に基準おもり荷重Ｒ（Ｔ_２＋５τ）、時刻（Ｔ_２＋６τ）に無負荷荷重Ｚ（Ｔ_２＋６τ）が計測され記憶される（ＳＴ３２〜ＳＴ３８）。

続いて、感度ＳＰ３が(１１)式、サンプル重量Ｓ２が（１２）式、感度ＳＰ４が（１３１）、平均感度ＳＰ３４が（１４）式、補正係数Ｃが（１５）式により算出し記憶されるとともに、サンプル重量変化量ΔＳが（１６）式により算出し表示される（ＳＴ３９〜ＳＴ４４）。
ＳＰ３＝Ｒ（Ｔ_２＋τ）−（Ｚ（Ｔ_２）＋Ｚ（Ｔ_２＋２τ））／２・・・・・（１１）
Ｓ２＝Ｓ（Ｔ_２＋３τ）−（Ｚ（Ｔ_２＋２τ）＋Ｚ（Ｔ_２＋４τ））／２・・（１２）
ＳＰ４＝Ｒ（Ｔ_２＋５τ）−（Ｚ（Ｔ_２＋４τ）＋Ｚ（Ｔ_２＋６τ）／２・・（１３）
ＳＰ３４＝（ＳＰ３＋ＳＰ４）／２・・・（１４）
Ｃ＝ＳＰ１２／ＳＰ３４ ・・・・・（１５）
ΔＳ＝Ｃ・Ｓ２−Ｓ１ ・・・・・（１６）

なお、図３および図５に示したサンプル重量変化算出プログラム６２ｃは重量変化初期計測プログラムと重量変化計測プログラムを結合して、重量変化初期計測を時刻Ｔ_１に開始し、続いて時刻Ｔ_２に重量変化計測を行うようにしてもよい。

上記実施形態において、荷重Ｓ、Ｒ、Ｚを等時間間隔で測定することにより、式（１）〜（４）、（９）〜（１４）において単純平均とすることができたが、時間間隔が任意の場合、単純平均ではなく時間間隔に応じた重み付け平均とする必要がある。

また、上記実施形態では、サンプルの加除タイミングを報知することとしたが、スイッチ入力などにより、操作者の指定したタイミングで、サンプルの荷重信号および無負荷時の荷重信号を計測することとしてもよい。その場合、各計測の時間間隔が一定にならないため、上記の通り、各式において単純平均ではなく、時間間隔に応じた重み付け平均とする必要がある。その他、荷重Ｓを異なる時点において測定し、その各時点の前後で荷重Ｒ、Ｚを計測する限りにおいて、測定のトリガを種々変更可能である。

更に、基準おもりとして内蔵分銅を用いることとしたが、基準おもりを、操作者が手動で加除することとしてもよく、その場合、基準おもりの加除タイミングを報知することとしても良いし、基準おもりを加除した後、操作者がスイッチなどを入力したタイミングで、基準おもりの荷重を計測することとしても良い。

基準おもりとして、測定対象のサンプルに近い重量のものを使用することが望ましく、サンプルへの表面処理等前後の重量変化を測定する場合には、表面処理等を施さない同種のサンプルを基準おもりとして用いることも好ましい。感度はリニアとは限らないため、サンプル重量付近で校正することが望ましいからである。

また、上記実施形態では、異なる２時点において、それぞれ、Ｚ、Ｒ、Ｚ、Ｓ、Ｚ、Ｒ、Ｚの順に荷重測定を行うこととしているが、Ｚ、Ｓ、Ｚ、Ｒ、Ｚの順として、基準おもりの測定をサンプルの測定の後のみにしたり、Ｚ、Ｒ、Ｚ、Ｓ、Ｚのように基準おもりの測定をサンプルの測定の前のみで行っても良い。更には、感度の影響がゼロドリフトの影響に比べて無視できる程度であるときは、Ｒの測定を省略してもよい。

サンプルの重量変化を計測できる電子天びん、特に最小読取り桁付近の軽量サンプルの重量変化を精度良く計測可能な電子天びん。

１ 内蔵分銅
２ 受け皿
３ 分銅加除機構
４ 荷重検出器
５ Ａ／Ｄ変換器
６ 演算制御部
６１ ＣＰＵ
６２ ＲＯＭ
６２ａ 計測荷重記憶プログラム
６２ｂ 感度補正係数算出プログラム
６２ｃ サンプル重量変化算出プログラム
６３ ＲＡＭ
６４ 入出力インターフェース
７ 表示器
８ プリンタ
９ キーボード
１０ 基準おもり

Claims (4)

1. 受け皿と
   当該受け皿を支承するとともに、当該受け皿に載置された負荷の荷重値を出力する荷重検出器とを備え、
   （ａ）異なる２時点において前記受け皿に測定対象となるサンプルが載置された際に前記荷重検出器から出力されるサンプル荷重計測値と、
   （ｂ）当該各サンプル荷重計測値が出力される前後において、無負荷状態の際に前記荷重検出器から出力される無負荷荷重計測値と
   に基づいて、前記サンプルの重量変化を算出する重量変化算出手段を有することを特徴とする電子天びん。
2. 前記重量変化算出手段は、
   （ｂ１）前記各サンプル荷重計測値が出力される前後のいずれかまたは両方において、基準おもりが前記受け皿に載置された際に前記荷重検出器から出力される基準おもり荷重計測値と、
   （ｂ２）前記サンプル荷重計測値及び当該基準おもり荷重計測値が出力される前後において、無負荷状態の際に前記荷重検出器から出力される無負荷荷重計測値と
   に基づいて、前記サンプルの重量変化を算出することを特徴とする請求項１記載の電子天びん。
3. 前記サンプル及び前記基準おもりの加除のタイミングを操作者に知らせる計測タイミング報知手段を更に有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電子天びん。
4. 前記計測タイミング報知手段は、電子天びん自体における表示または表示および音声であることを特徴とする請求項３記載の電子天びん。

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