JP4170516B2 - 計量装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば船上のように振動する床に設置されても正確な重量又は質量の計量を可能にする計量装置において、零点補正機能を有する計量装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記従来の計量装置として本願出願に係る発明者が先に発明している計量装置がある（特願平９−２４４７００号）。その計量装置は、図２に示すように、それぞれがロードセルから成る計量セル１と複数のダミーセル２1 〜２n 、更に増幅器３、４1 〜４4 、アナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）５、６1 〜６4 、及び信号処理装置１２を備えており、これら計量セル１とダミーセル２1 〜２n は揺動（振動）する同一の床Ｆに異なる高さ位置に設けられている。
ここで、まずこれらロードセルのうちの１つについて説明する。ロードセルが例えば図３に示す揺動座標空間ｘｙｚにおいて、ｘｙ平面に平行な平面上に設置されているとする。この座標空間ｘｙｚの揺動は、ｘｙｚの各軸に平行する方向の３つの直線運動と、ｘｙｚの各軸の回りの３つの回転運動から成っている。ただし、この使用しているロードセルは設置されている平面の垂直方向であるｚ軸方向の力を検出し、これ以外の方向の力を検出しないので、ロードセルに掛かる重量の負荷質量ｍ（被計量物３０と載台（風袋）３１との合成質量ｍ1 、又は分銅３２とダミーセルの風袋との合成質量ｍ2 ）の重心（質点）の空間位置（以下、ロードセル（計量セル、ダミーセル）の重心位置と言うこともある。）が空間座標上の点ｐ（ｘp 、ｙp 、ｚp ）に位置するとすると、ロードセルの出力信号ｕp （ｔ）をマトリックスで表すと、
【０００３】
【数１】
【０００４】
である。T は転置を表す。（１）〜（３）式において、Ｅ、ｍはそれぞれロードセルの出力感度、負荷質量、θx （ｔ）、θy （ｔ）はそれぞれｘ、ｙ軸回りの回転運動、δz （ｔ）はｚ軸方向の直線運動であり、‥と・はそれぞれ時間に対する２階微分と１階微分を表す。また、ｇxy（ｔ）は重力加速度ｇのｘｙ平面に対する垂直成分である。Ｂ（ｔ）が揺動環境の加速度である。
ここで例えば４台のダミーセル２1 〜２4 をそれぞれｘｙ平面に平行な平面にであって、適切な座標ｄi （ｘdi、ｙdi、ｚdi）（ただし、ｉ＝１、２、３、４）に設置する。ただし、ｄi （ｉ＝１、２、３、４）は４台の各ダミーセルの重心位置を表す。
【０００５】
次に、従来の計量装置の信号処理について説明する。ただし、デジタル方式の処理を行うので、計量セル１と各ダミーセル２1 〜２4 の出力信号を時系列として表すこととする。
図２に示す揺動環境算出手段９は、４台の各ダミーセル２1 〜２4 の出力信号ｕdi(j) （ただし、ｉ＝１、２、３、４）を用いて床Ｆの揺動による揺動環境の加速度Ｂ(j) を算出し、この算出値Ｂc (j) は、次式で表すことができる。
【０００６】
Ｂc (j) ＝Ｄ-1Ｕd (j) ／（Ｅ2 ｍ2 ） （４）
ただし、
【０００７】
【数２】
【０００８】
である。ただし、各ダミーセル２1 〜２4 の出力感度と負荷質量はそれぞれ同一であり、Ｅ2 とｍ2 （ｍ2 は、各ダミーセルに設けられている分銅３２の質量と各ダミーセルの風袋質量の合計質量）で表してある。
【０００９】
また、（１）式より計量セル１の出力信号ｕk (j) を
ｕk (j) ＝ＢT (j) Ｃ （７）
と表すことができる。ただし、
ＣT ＝ [ａ ｂ ｃ ｄ] （８）
ａ＝Ｅ1 ｍ1 ｘk 、ｂ＝Ｅ1 ｍ1 ｙk 、ｃ＝Ｅ1 ｍ1 ｚk 、ｄ＝Ｅ1 ｍ1 、及び座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）は、計量セル１の重心位置である。
【００１０】
揺動環境加速度Ｂc (j) 、計量セル１の出力信号ｕk (j) をそれぞれ１つの線形システムの４入力、１出力とみなして、パラメータ算出手段１０がパラメータベクトルＣを例えば最小２乗法を用いて算出する。ここで、パラメータベクトルＣのうちのパラメータｄc は、
ｄc ＝Ｅ1 ｍ1
である。よって、計量セル１に掛かる負荷質量ｍ1 は、
ｍ1 ＝ｄc ／Ｅ1 （９）
により求めることができる。なお、Ｂ(j) は実際の揺動環境加速度であり、Ｂc (j) はその計算値である。
そして、この算出された計量セル１の負荷質量ｍ1 は、被計量物３０の質量ｍx と載台３１を含む風袋の既知質量Ｍとの合計質量であるので、質量算出手段１１は、被計量物３０の質量ｍx を
ｍx ＝ｍ1 −Ｍ （１０）
により算出することができる。
【００１１】
次に、上記の処理の内容を図２に示すブロック図を参照して説明する。計量セル１、及び４台の各ダミーセル２1 〜２4 から出力されるアナログ計量信号Ｗ、及び各アナログダミー信号Ｄ1 〜Ｄ4 は、増幅器３、４1 〜４4 で増幅されてＡ／Ｄ変換器５、６1 〜６4 でデジタル信号に変換され、そして、デジタルフィルタ７、８1 〜８4 を通過してデジタル計量信号ｕk (j) 、デジタルダミー信号ｕd1(j) 〜ｕd4(j) に変換される。ここで、ＣＰＵから成る信号処理装置１２は、これらデジタルフィルタ７、８1 〜８4 、揺動環境算出手段９、パラメータ算出手段１０、及び質量算出手段１１を備えている。揺動環境算出手段９は、ダミー信号ｕd1〜ｕd4と、予め設定さているダミーセル２1 〜２4 の重心位置の座標ｄi （ｘdi、ｙdi、ｚdi）（ｉ＝１、２、３、４）と、を（４）式に代入して揺動環境の加速度Ｂc (j) を算出し、この算出したＢc (j) をパラメータ算出手段１０に出力する。パラメータ算出手段１０は、計量セル１の出力信号ｕk (j) と揺動環境の加速度Ｂc (j) を１つの線形システムとみなしてパラメータベクトルＣの各パラメータａ、ｂ、ｃ、ｄを例えば最小２乗法を使用して算出する。そして、質量算出手段１１は、パラメータｄの計算値ｄc を（９）式に代入してｍ1 を算出し、更にｍ1 を（１０）式に代入して被計量物３０の質量ｍx を出力することができる。このようにして、信号処理装置１２は、計量セル１から出力される計量信号ｕk (j) から計量セル１の重心位置ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）における上下方向の振動成分を除去し、これによって、床Ｆの振動に基づく計量誤差を除去した補正済み計量信号である被計量物３０の質量ｍx を出力することができる。
【００１２】
なお、計量ごとに被計量物３０の重心位置ｋが殆ど変化しない計量装置、例えば組合せ秤や自動重量選別装置では、詳細には説明しないが、まず、被計量物３０の標本（質量は既知）を計量してその計量信号等を使用して計量セル１の重心位置を表す座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）を求め、そして、この算出された座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）、揺動環境算出手段９が算出したＢc (j) 、及び計量信号ｕk (j) を（１）式に代入することにより床Ｆの振動に基づく計量誤差を除去した補正済み計量信号である被計量物３０の質量ｍx を出力させることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の計量装置に設けられている信号処理装置１２では、温度変化等によって起こる計量セル１及びダミーセル２のオフセット誤差ｓk 、ｓdiの補正を行う機能を備えていないという問題がある。そして、被計量物３０の一部が載台３１上に残留することによって風袋質量が変化した場合に、風袋質量変化Ｍf の補正を行う機能を備えていないという問題もある。そのために、オフセットｓk 、ｓdiの変化や風袋質量変化Ｍf に基づく誤差が計量精度の低下を招くという問題がある。
ところで、従来の静止状態で被計量物を計量する計量装置でも、オフセット変化や風袋質量変化が計量精度の低下の要因の１つとなっているが、その対策として、計量装置に零点設定（風袋引き）という機能が設けられている。要するに、この零点設定機能は、被計量物が風袋上に載置されていない状態の風袋質量値を記憶しておき、被計量物が載台上に載置されたときの計量値から風袋質量値を減算する機能であり、これによって、オフセット変化や風袋質量変化に基づく零点変化による誤差を除去することができる。
【００１４】
しかし、上記のような揺動環境下で使用される計量装置では、零点変化を簡単に除去することができない。なぜなら、次の２つの理由があるからである。
第１の理由は、揺動環境下では、揺動環境の影響によって被計量物が載せられていない風袋のみの質量を正確に得ることができないからである。つまり、遮断周波数が揺動環境の揺動周波数よりも低く設定されたデジタルフィルタ７、８1 〜８4 を用いても、計量値に上記オフセット変化や風袋質量変化以外の揺動環境の影響によって生じる直流誤差成分が含まれている場合があり、その場合には正確な計量値を得ることができないからである。
第２の理由を説明する。計量セル１、ダミーセル２1 〜２4 のオフセットをｓk 、ｓdi、計量セル１の風袋質量変化量をＭf とすると、計量セル１とダミーセル２1 〜２4 の出力信号ｕ' k (j) 、ｕ' di(j) は、（１）式を変形することにより、
ｕ' k (j) ＝Ｅ1 （ｍx ＋Ｍ＋Ｍf ）ＫT Ｂ(j) ＋ｓk （１１）
ｕ' di(j) ＝Ｅ2 ｍ2 Ｄi T Ｂ(j) ＋ｓdi （１２）
と表すことができる。ただし、ｉ＝１、２、３、４である。（１１）式から分かるように、オフセットｓk のｕ' k (j) に対する影響がＫT Ｂ(j) に依存しないが、風袋質量変化量Ｍf のｕ' k (j) に対する影響がＫT Ｂ(j) に依存している。換言すれば、オフセットｓk と風袋質量変化量Ｍf のｕ' k (j) に対する影響をそれぞれ別々に考慮する必要がある。従って、仮にＥ1 （Ｍ＋Ｍf ）ＫT Ｂ(j) ＋ｓk で表される被計量物が載置されていない状態の計量信号が得られたとしても、ｓk とＭf との分離ができないので、これらｓk とＭf が計量精度に及ぼす悪影響を除去することができないからである。
【００１５】
本発明は、ロードセルのオフセット変化及び風袋質量変化の悪影響を受けずに床振動に基づく計量誤差を正確に補正して、被計量物の質量又は重量を正確に計量することができる計量装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る計量装置は、振動する物体上に設置され既知の補正用質量に基づく重量を受けてこの重量に対応する補正信号を生成する複数の補正用荷重変換手段と、上記物体上に設置され被計量物の重量を受けてこの重量に対応する計量信号を生成する計量用荷重変換手段と、上記各補正信号ごとに所定時間ごとの上記補正信号の差分を順次算出する差分演算手段と、上記各補正信号ごとの上記補正信号の差分に基づいて上記物体の振動環境の加速度を算出する加速度算出手段と、この算出された上記振動環境の加速度と上記被計量物の計量信号とに基づいて上記被計量物の、上記物体の振動に基づく振動成分を除去した質量を算出する質量算出手段と、を具備することを特徴とするものである。
【００１７】
第２の発明に係る計量装置は、振動する物体上に設置され既知の補正用質量に基づく重量を受けてこの重量に対応する補正信号を生成する複数の補正用荷重変換手段と、上記物体上に設置され被計量物の重量を受けてこの重量に対応する計量信号を生成する計量用荷重変換手段と、上記各補正信号ごとに所定時間ごとの上記補正信号の差分を順次算出する差分演算手段と、上記各補正信号ごとの上記補正信号の差分に基づいて上記物体の振動環境の加速度の所定時間ごとの差分を順次算出する振動環境算出手段と、上記物体の振動環境の加速度の差分を積分して上記物体の振動環境の加速度を算出する積分演算手段と、この算出された上記振動環境の加速度と上記被計量物の計量信号とに基づいて上記被計量物の質量が含まれているパラメータを算出するパラメータ算出手段と、上記パラメータと上記計量用荷重変換手段に掛かる風袋の質量とに基づいて上記被計量物の、上記物体の振動に基づく振動成分を除去した質量を算出する質量算出手段と、を具備することを特徴とするものである。
【００１８】
第３の発明に係る計量装置は、振動する物体上に設置され既知の補正用質量に基づく重量を受けてこの重量に対応する補正信号を生成する複数の補正用荷重変換手段と、上記物体上に設置され被計量物の重量を受けてこの重量に対応する計量信号を生成する計量用荷重変換手段と、上記各補正信号ごとに所定時間ごとの上記補正信号の差分を順次算出する差分演算手段と、上記各補正信号ごとの上記補正信号の差分に基づいて上記物体の振動環境の加速度の所定時間ごとの差分を順次算出する振動環境算出手段と、上記物体の振動環境の加速度の差分の積分値を算出すると共に、当該積分値と上記計量用荷重変換手段の風袋の重心と当該計量用荷重変換手段に負荷されている既知質量の標本の重心との合成重心位置の座標とから成る上記物体の振動環境の加速度を算出する積分演算手段と、この算出された上記振動環境の加速度と上記被計量物の計量信号とに基づいて上記被計量物の質量が含まれているパラメータを算出するパラメータ算出手段と、上記パラメータと上記計量用荷重変換手段に掛かる風袋の質量とに基づいて上記被計量物の、上記物体の振動に基づく振動成分を除去した質量を算出する質量算出手段と、を具備することを特徴とするものである。
【００１９】
本発明に係る計量装置によると、各補正用荷重変換手段から出力された補正信号の差分を各補正用荷重変換手段ごとに順次算出してそれぞれの差分に基づいて揺動環境の加速度を算出しているので、オフセット変化による誤差（オフセット変化による誤差とは、補正信号や計量信号に対する影響が揺動環境の加速度に依存しない誤差を言う。）を含まない揺動環境の加速度を算出することができる。そして、このオフセット変化の誤差を含まない揺動環境の加速度を使用して、被計量物の荷重が掛かっている状態での計量信号（風袋質量変化による誤差を含む）と被計量物の荷重か掛かっていない状態での計量信号から得られた風袋質量（風袋質量変化による誤差を含む）に基づいて、オフセット変化の誤差及び風袋質量変化による誤差を除去し、かつ、振動成分を除去した被計量物の質量を算出することができる。ただし、風袋質量変化による誤差とは、計量信号に対する影響が揺動環境の加速度に依存している誤差を言う。
【００２０】
第２の発明に係る計量装置によると、算出して得られた振動環境の加速度と被計量物の計量信号とに基づいて被計量物の質量が含まれているパラメータを算出し、このパラメータを使用して物体の振動に基づく振動成分を除去した質量を算出するすることができる。
【００２１】
第３の発明に係る計量装置によると、予め設定されている、又は予め計算して得られた計量用荷重変換手段の風袋の重心と計量用荷重変換手段に負荷されている既知質量の標本の重心（質点）との合成重心位置の座標を使用して振動成分を除去した被計量物の質量を算出することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る計量装置の第１実施形態を図１を参照して説明する。第１実施形態の計量装置は、図２に示す従来の計量装置の信号処理装置１２に代えて図１に示す信号処理装置２５を設けたものである。これ以外は同図に示す従来の計量装置と同等であり、増幅器３、４1 〜４4 、及びＡ／Ｄ変換器５、６1 〜６4 の詳細な説明を省略する。そして、図２に示すデジタルフィルタ７、８1 〜８4 も従来のものと同等であるので詳細な説明を省略する。
本発明の計量装置は、この計量装置が設置されている床Ｆの揺動（振動）に基づく揺動成分を除去した被計量物３０の質量を算出することができる計量装置に適用したものであり、温度変化等によって起こる計量信号及び補正信号のオフセットｓk 、ｓdiの変化の誤差に基づく計量誤差を補正することができると共に、計量セル１の風袋質量変化Ｍf による計量誤差を補正することができ、これによって、被計量物３０の正確な質量ｍx を算出することができるものである。
計量セル１は、図２に示すように従来のものと同等であり、一方の端部が床Ｆに固定され、他方の端部には被計量物３０が載置される載台３１が取り付けられており、載台３１に載置された被計量物３０の重量を計量して、その重量に応じたアナログ計量信号Ｗを出力する。
【００２３】
ダミーセル２1 〜２4 は、従来のものと同等であり、床Ｆの揺動を検出するためのものである。この実施形態では４台のダミーセル２1 〜２4 を設けた構成としたが、これ以外の台数としてもよく、例えば４台以上設けてもよい。各ダミーセル２1 〜２4 の一方の端部が計量セル１が取り付けられている床Ｆに固定され、他方の端部には既知質量ｍ2 の分銅（補正用質量）３２を取り付けて自由端としてある。各ダミーセル２1 〜２4 は、床Ｆからの揺動を受ける状態で分銅３２の既知質量ｍ2 に基づく重量を受けてこの重量と対応するアナログ補正信号（ダミー信号）Ｄ1 〜Ｄ4 を出力する。質量ｍ2 は、各ダミーセル２1 〜２4 の風袋質量を含むものとする。
【００２４】
なお、計量セル１は、床Ｆから高さＨ1 の位置に設置してある。そして、ダミーセル２1 〜２3 は、床Ｆから所定の同一の高さＨ2 （Ｈ2 ＜Ｈ1 ）の位置であって同一平面上に設置してあり、ダミーセル２4 は、床Ｆから所定の高さＨ3 （Ｈ3 ＜Ｈ2 ）の位置に設置してある。ここで、計量セル１及びダミーセル２1 〜２4 の設置位置とは、計量セル１及びダミーセル２1 〜２4 の重心位置（従来の技術の説明参照）である。
【００２５】
信号処理装置２５はＣＰＵで構成され、デジタルフィルタ７、８1 〜８4 、差分演算手段２１1 〜２１4 、揺動環境算出手段３３、積分演算手段２２、パラメータ算出手段２３、及び質量算出手段２４を備えている。差分演算手段２１1 〜２１4 、揺動環境算出手段３３、積分演算手段２２、パラメータ算出手段２３、及び質量算出手段２４は、ＣＰＵと接続する記憶部に予め記憶されているプログラムに従って所定の演算を行うものである。
各差分演算手段２１1 〜２１4 は、それぞれと対応するデジタルフィルタ８1 〜８4 からダミー信号ｕ’di(j) （ただし、ｉ＝１、２、３、４）、即ち、ｕ’d1(j) 〜ｕ’d4(j) が入力し、（１３）式の演算を行って、各ダミー信号ｕ’diごとに所定時間ごとのダミー信号の差分Δｕ’di(j) を順次算出する手段である。
Δｕ’di(j) ＝ｕ’di(j) −ｕ’di（ｊ−１） （１３）
【００２６】
揺動環境算出手段３３は、各差分演算手段２１1 〜２１4 から入力したΔｕ’di(j) （ｉ＝１、２、３、４）を（６）式の対応する各ｕd1(j) 〜ｕd4(j) に代入して（４）式の演算を行って、床Ｆの揺動環境（振動環境）の加速度Ｂc (j) の所定時間ごとの差分ΔＢ(j) を順次算出する手段である。
積分演算手段２２は、揺動環境算出手段３３が算出した床Ｆの揺動環境の加速度の差分ΔＢ(j) を、（１４）式に示すようにデジタル積分演算して、この算出した積分値を（１９）式に代入して床Ｆの揺動環境の加速度Ｂ’(j) を算出する手段である。
この揺動環境算出手段３３と積分演算手段２２が請求項１に記載の加速度算出手段を構成している。
つまり、
【００２７】
【数３】
【００２８】
である。
ここで、Ｂ(0) は、デジタル積分演算におけるＢ(j) の初期値であるが、例えば船舶上等のような揺動環境下では、そこに設置された計量装置が常時揺動しているので、初期値Ｂ(0) が０であるとは限らない。従って、Ｂ(0) を未知のパラメータとして処理することとする。
（１１）式に（１４）式を代入すると、計量セル１の計量信号ｕ’k (j) を
【００２９】
【数４】
【００３０】
のように書き直すことができる。ただし、
ｍ1 ＝ｍx ＋Ｍ＋Ｍf （１７）
ｅk ＝Ｅ1 ｍ1 ＫT Ｂ(0) ＋ｓk （１８）
ｍx は被計量物３０の質量、Ｍは風袋である載台３１の質量、Ｍf は風袋質量の変化量、ｍ1 は計量セル１の負荷質量である。ｓk は計量セル１のオフセット、ｅk は未知の定数である。
そこで、
【００３１】
【数５】
【００３２】
Ｃ’T ＝ [ａ ｂ ｃ ｄ ｅk ] （２０）
とおけば、（１６）式を
ｕ’k (j) ＝Ｂ’T (j) Ｃ’ （２１）
と書き直すことができる。
Ｂ’(j) 、ｕ’k (j) をそれぞれ１つの線形システムの５入力、１出力とみなしてパラメータベクトルＣ’を例えば最小２乗法を使用して求めれば、（２０）式のａ、ｂ、ｃ、ｄ、及びｅk を得ることができる。
つまり、積分演算手段２２は、（１９）式に示す揺動環境の加速度Ｂ’(j) を算出してパラメータ算出手段２３に出力する手段である。そして、パラメータ算出手段２３は、この算出された揺動環境の加速度Ｂ’(j) と被計量物３０の計量信号ｕ’k (j) とに基づいて上記のように最小２乗法を使用して被計量物３０の質量ｍx が含まれているパラメータｄ（＝Ｅ1 ｍ1 ＝Ｅ1 （ｍx ＋Ｍ＋Ｍf ））を算出する手段である。ａ、ｂ、ｃ、ｄは（８）式のものと同様に表せられる。パラメータｄの計算値はｄc である。
【００３３】
質量算出手段２４は、この算出されたパラメータｄと計量セル１に掛かる風袋と残留物の合計質量（Ｍ＋Ｍf ）とに基づいて、床Ｆの揺動に基づく振動成分を除去した被計量物３０の質量ｍx を算出する手段である。
なお、風袋と残留物の合計質量（Ｍ＋Ｍf ）は、被計量物３０の質量ｍx を計量する前に、載台３１上に被計量物３０を載置していない状態で、オペレータがこの計量装置の零点設定を行うことにより質量算出手段２４が算出することができる。つまり、載台３１上に被計量物３０が載置されていない状態でこの信号処理装置２５が上記のようにして演算を行い、パラメータ算出手段２３がパラメータｄ’＝Ｅ1 ｍ’1 （＝Ｅ1 （Ｍ＋Ｍf ））を算出し、そして、質量算出手段２４がｍ1 ’＝ｄ’／Ｅ1 （＝（Ｍ＋Ｍf ））を演算して風袋と残留物の合計質量（Ｍ＋Ｍf ）を算出する。
また、質量算出手段２４は、被計量物３０を計量して得られたパラメータｄ＝Ｅ1 ｍ1 （＝Ｅ1 （ｍx ＋Ｍ＋Ｍf ））より、ｍ1 ＝ｄ／Ｅ1 （＝（ｍx ＋Ｍ＋Ｍf ））を演算して被計量物３０と風袋と残留物の合計質量（ｍx ＋Ｍ＋Ｍf ）を算出し、次に、被計量物３０の質量ｍx を、
ｍx ＝ｍ1 −（Ｍ＋Ｍf ） （２２）
の演算を行うことにより算出する構成となっている。
パラメータ算出手段２３と質量算出手段２４が請求項１に記載の質量算出手段を構成している。
【００３４】
上記のように構成された計量装置によると、差分演算手段２１1 〜２１4 が各ダミーセル２1 〜２4 から出力されたダミー信号ｕ’d1(j) 〜ｕ’d4(j) の差分Δｕ’d1(j) 〜Δｕ’d4(j) を各ダミーセル２1 〜２4 ごとに順次算出し、揺動環境算出手段３３及び積分演算手段２２がそれぞれの差分Δｕ’d1(j) 〜Δｕ’d4(j) に基づいて揺動環境の加速度Ｂ’(j) を算出しているので、温度変化等によって起こるオフセット変化ｓdi（ｉ＝１、２、３、４）による計量誤差（オフセット変化による誤差とは、ダミー信号に対する影響が揺動環境の加速度Ｂ(j) に依存しない誤差を言う。）を含まない揺動環境の加速度Ｂ’(j) を算出することができる。そして、パラメータ算出手段２３と質量算出手段２４がこのオフセット変化ｓdiの誤差を含まない揺動環境の加速度Ｂ’(j) を使用して、計量セル１に被計量物３０の荷重が掛かっている状態での計量信号ｕk (j) と、被計量物３０の荷重か掛かっていない状態での計量信号ｕ’k (j) から得られた風袋質量（Ｍ＋Ｍf ）と、に基づいて、オフセットｓk 、ｓdiの変化による誤差及び風袋質量変化Ｍf による誤差（風袋質量変化Ｍf による誤差とは、計量信号ｕk (j) に対する影響が揺動環境の加速度Ｂ(j) に依存している誤差を言う。）を除去し、かつ、揺動成分を除去した被計量物３０の質量ｍx を算出することができる。このように、計量セル１の風袋質量変化Ｍf による計量誤差を補正することができるので、例えば前回計量した被計量物３０の一部が載台３１に残留することがあってもその残留分を除去した被計量物３０の正確な質量ｍx を算出することができる。
【００３５】
そして、被計量物３０の重心と計量セル１の載台３１の重心との合成重心位置の座標を予め設定する必要がないので、被計量物３０の形状や大きさのばらつきが比較的大きいために、計量中の被計量物３０の重心と載台３１の重心との合成重心位置の座標のばらつきが比較的大きい場合でも、被計量物３０の質量ｍx を正確に計量することができる。
【００３６】
次に、計量装置の第２実施形態を説明する。第１実施形態と第２実施形態の計量装置の相違するところは、信号処理装置２５が備えている積分演算手段２２とパラメータ算出手段２３である。これ以外は、第１実施形態と同等であるので詳細な説明を省略する。第２実施形態の計量装置は、計量ごとに被計量物３０の合成重心位置が殆ど変化しない場合に適用すると都合のよい装置である。例えば、自動重量選別装置や組合せ秤に適用することができる。
【００３７】
自動重量選別装置に適用した第２実施形態の計量装置によると、まず、被計量物３０の計量の前段階として、被計量物３０の標本（被計量物３０の平均的な形状と重量を備えるものであり、質量は既知のもの）を使用して、この標本を計量セル３に設けられている例えば計量コンベア（図示せず）上に供給したときの標本の重心と計量コンベア（風袋）の重心の合成重心位置を表す座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）を算出する。なお、座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）は、この計量装置に設けられている座標算出部（図示せず）により後述する従来公知の演算によって算出してもよいし、この計量装置の設計の段階で予め計算によって求めておいてこの計量装置の記憶部（図示せず）に記憶させておいてもよい。
そして、積分演算手段３４は、このようにして得られた座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）と揺動環境算出手段３３により算出して得られた揺動環境の加速度の差分ΔＢ(j) を（２３）式に代入して床Ｆの揺動環境の加速度Ｂ”(j) を算出する構成となっている。
この場合、
【００３８】
【数６】
【００３９】
Ｃ”T ＝ [ｄ ｅk ] （２４）
とおけば、（１６）式を
ｕ”k (j) ＝Ｂ”T (j) Ｃ” （２５）
と書き直すことができる。ただし、Ｋは座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）のマトリックスである。
Ｂ”(j) 、ｕ”k (j) をそれぞれ１つの線形システムの２入力、１出力とみなしてパラメータベクトルＣ”を例えば最小２乗法を使用して求めれば、（２４）式のｄ及びｅk を得ることができる。
つまり、積分演算手段３４は、（２３）式に示す揺動環境の加速度Ｂ”(j) を算出してパラメータ算出手段３５に出力する手段である。そして、パラメータ算出手段３５は、この算出された揺動環境の加速度Ｂ”(j) と被計量物３０の計量信号ｕ”k (j) とに基づいて上記のように最小２乗法を使用して被計量物３０の質量ｍx が含まれているパラメータｄ（＝Ｅ1 ｍ1 ＝Ｅ1 （ｍx ＋Ｍ＋Ｍf ））を算出する手段である。以下、第１実施形態と同様にして、質量算出手段２４が、この算出されたパラメータｄ（ｄc ）と計量セル１に掛かる風袋と残留物の合計質量（Ｍ＋Ｍf ）とに基づいて被計量物３０の質量ｍx を算出することができる。そして、この質量ｍx は、第１実施形態と同様に、オフセットｓk 、ｓdiの変化による誤差及び風袋質量変化Ｍf による誤差を除去し、かつ、揺動成分を除去したものである。
【００４０】
第２実施形態の計量装置によると、例えばこの計量装置の出荷の段階でこの計量装置に予め設定されて記憶部に記憶されている、又はこの計量装置を使用して被計量物を計量する前の段階でこの計量装置により予め計算して得られた計量セル１の風袋の重心と計量セル１に負荷されている既知質量の標本の重心との合成重心位置の座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）を使用して被計量物３０の質量ｍx を算出しているので、第１実施形態の計量装置のようにこの座標ｋが設定されていない場合と比較して、座標ｋを算出する必要がない分だけ被計量物３０の質量ｍx の演算処理が簡単となり演算時間を短縮することができ、これによって、計量速度の向上を図ることができるし、この座標ｋの精度に応じて計量精度の向上も図ることができる。
【００４１】
なお、座標算出手段は、被計量物３０の標本を使用して、この標本を計量セル１に設けられている計量コンベア上に供給したときの計量信号ｕk ’(j) と揺動環境の加速度Ｂ’(j) を（２１）式に代入して最小２乗法を使用して、標本の重心と計量コンベア（風袋）の重心の合成重心位置を表す座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）を算出することができる。揺動環境の加速度Ｂ’(j) は、第１実施形態の積分演算手段２２を設けてこの積分演算手段２２により算出することができる。そして、この合成重心位置を表す座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）を最小２乗法を使用して求めたが、これ以外にも従来公知の例えば４元１次連立方程式を解いて求めてもよい。
【００４２】
ただし、上記各実施形態において、振動補正済み計量信号として被計量物の質量ｍx を生成する構成としたが、この質量ｍx に重力加速度ｇを乗算して被計量物の重量を生成する構成としてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
本発明に係る計量装置は、計量用荷重変換手段が設置されている物体の振動に基づく振動成分を除去した被計量物の質量を算出することができる計量装置に適用することができるものであり、温度変化等によって起こる計量信号及び補正信号のオフセット変化の誤差に基づく計量誤差を補正することができ、その補正によって被計量物の質量を正確に計量することができる。更に、計量用荷重変換手段の風袋質量変化による計量誤差を補正することもできるので、例えば前回計量した被計量物の一部が風袋に残留することがあってもその残留分を除去した被計量物の正確な質量を算出することができる。
【００４４】
第２の発明に係る計量装置によると、被計量物の形状や大きさのばらつきが比較的大きいために、計量中の被計量物の重心と計量用荷重変換手段の風袋の重心との合成重心位置の座標のばらつきが比較的大きい場合でも、被計量物の質量を正確に計量することができる。
【００４５】
第３の発明に係る計量装置は、計量用荷重変換手段により計量中の被計量物の重心と計量用荷重変換手段の風袋の重心との合成重心位置の座標のばらつきが比較的小さい計量装置、例えば組合せ秤や自動重量選別機に適用することができる。そして、予め設定されている、又は予め計算して得られた計量用荷重変換手段の風袋の重心と計量用荷重変換手段に負荷されている既知質量の標本の重心との合成重心（質点）位置の座標を使用して被計量物の質量を算出しているので、この座標が設定されていない場合と比較して、この合成重心位置の演算時間分だけ被計量物の質量の演算時間を短縮することができ、これによって、計量速度の向上を図ることができるし、この合成重心位置の座標の精度に応じて計量精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１及び第２実施形態に係る計量装置の信号処理系の概略構成を示すブロック図である。
【図２】従来の計量装置の信号処理系の概略構成を示すブロック図である。
【図３】ロードセルの配置を示す図である。
【符号の説明】
１ 計量セル
２、２1 〜２4 ダミーセル
２１1 〜２１4 差分演算手段
２２ 積分演算手段
２３ パラメータ算出手段
２４ 質量算出手段
３３ 揺動環境算出手段
２５ 信号処理装置
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば船上のように振動する床に設置されても正確な重量又は質量の計量を可能にする計量装置において、零点補正機能を有する計量装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記従来の計量装置として本願出願に係る発明者が先に発明している計量装置がある（特願平９−２４４７００号）。その計量装置は、図２に示すように、それぞれがロードセルから成る計量セル１と複数のダミーセル２1 〜２n 、更に増幅器３、４1 〜４4 、アナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）５、６1 〜６4 、及び信号処理装置１２を備えており、これら計量セル１とダミーセル２1 〜２n は揺動（振動）する同一の床Ｆに異なる高さ位置に設けられている。
ここで、まずこれらロードセルのうちの１つについて説明する。ロードセルが例えば図３に示す揺動座標空間ｘｙｚにおいて、ｘｙ平面に平行な平面上に設置されているとする。この座標空間ｘｙｚの揺動は、ｘｙｚの各軸に平行する方向の３つの直線運動と、ｘｙｚの各軸の回りの３つの回転運動から成っている。ただし、この使用しているロードセルは設置されている平面の垂直方向であるｚ軸方向の力を検出し、これ以外の方向の力を検出しないので、ロードセルに掛かる重量の負荷質量ｍ（被計量物３０と載台（風袋）３１との合成質量ｍ1 、又は分銅３２とダミーセルの風袋との合成質量ｍ2 ）の重心（質点）の空間位置（以下、ロードセル（計量セル、ダミーセル）の重心位置と言うこともある。）が空間座標上の点ｐ（ｘp 、ｙp 、ｚp ）に位置するとすると、ロードセルの出力信号ｕp （ｔ）をマトリックスで表すと、
【０００３】
【数１】
である。T は転置を表す。（１）〜（３）式において、Ｅ、ｍはそれぞれロードセルの出力感度、負荷質量、θx （ｔ）、θy （ｔ）はそれぞれｘ、ｙ軸回りの回転運動、δz （ｔ）はｚ軸方向の直線運動であり、‥と・はそれぞれ時間に対する２階微分と１階微分を表す。また、ｇxy（ｔ）は重力加速度ｇのｘｙ平面に対する垂直成分である。Ｂ（ｔ）が揺動環境の加速度である。
ここで例えば４台のダミーセル２1 〜２4 をそれぞれｘｙ平面に平行な平面にであって、適切な座標ｄi （ｘdi、ｙdi、ｚdi）（ただし、ｉ＝１、２、３、４）に設置する。ただし、ｄi （ｉ＝１、２、３、４）は４台の各ダミーセルの重心位置を表す。
【０００５】
次に、従来の計量装置の信号処理について説明する。ただし、デジタル方式の処理を行うので、計量セル１と各ダミーセル２1 〜２4 の出力信号を時系列として表すこととする。
図２に示す揺動環境算出手段９は、４台の各ダミーセル２1 〜２4 の出力信号ｕdi(j) （ただし、ｉ＝１、２、３、４）を用いて床Ｆの揺動による揺動環境の加速度Ｂ(j) を算出し、この算出値Ｂc (j) は、次式で表すことができる。
【０００６】
Ｂc (j) ＝Ｄ-1Ｕd (j) ／（Ｅ2 ｍ2 ） （４）
ただし、
【０００７】
【数２】
【０００９】
また、（１）式より計量セル１の出力信号ｕk (j) を
ｕk (j) ＝ＢT (j) Ｃ （７）
と表すことができる。ただし、
ＣT ＝ [ａ ｂ ｃ ｄ] （８）
ａ＝Ｅ1 ｍ1 ｘk 、ｂ＝Ｅ1 ｍ1 ｙk 、ｃ＝Ｅ1 ｍ1 ｚk 、ｄ＝Ｅ1 ｍ1 、及び座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）は、計量セル１の重心位置である。
【００１０】
揺動環境加速度Ｂc (j) 、計量セル１の出力信号ｕk (j) をそれぞれ１つの線形システムの４入力、１出力とみなして、パラメータ算出手段１０がパラメータベクトルＣを例えば最小２乗法を用いて算出する。ここで、パラメータベクトルＣのうちのパラメータｄc は、
ｄc ＝Ｅ1 ｍ1
である。よって、計量セル１に掛かる負荷質量ｍ1 は、
ｍ1 ＝ｄc ／Ｅ1 （９）
により求めることができる。なお、Ｂ(j) は実際の揺動環境加速度であり、Ｂc (j) はその計算値である。
そして、この算出された計量セル１の負荷質量ｍ1 は、被計量物３０の質量ｍx と載台３１を含む風袋の既知質量Ｍとの合計質量であるので、質量算出手段１１は、被計量物３０の質量ｍx を
ｍx ＝ｍ1 −Ｍ （１０）
により算出することができる。
【００１１】
次に、上記の処理の内容を図２に示すブロック図を参照して説明する。計量セル１、及び４台の各ダミーセル２1 〜２4 から出力されるアナログ計量信号Ｗ、及び各アナログダミー信号Ｄ1 〜Ｄ4 は、増幅器３、４1 〜４4 で増幅されてＡ／Ｄ変換器５、６1 〜６4 でデジタル信号に変換され、そして、デジタルフィルタ７、８1 〜８4 を通過してデジタル計量信号ｕk (j) 、デジタルダミー信号ｕd1(j) 〜ｕd4(j) に変換される。ここで、ＣＰＵから成る信号処理装置１２は、これらデジタルフィルタ７、８1 〜８4 、揺動環境算出手段９、パラメータ算出手段１０、及び質量算出手段１１を備えている。揺動環境算出手段９は、ダミー信号ｕd1〜ｕd4と、予め設定さているダミーセル２1 〜２4 の重心位置の座標ｄi （ｘdi、ｙdi、ｚdi）（ｉ＝１、２、３、４）と、を（４）式に代入して揺動環境の加速度Ｂc (j) を算出し、この算出したＢc (j) をパラメータ算出手段１０に出力する。パラメータ算出手段１０は、計量セル１の出力信号ｕk (j) と揺動環境の加速度Ｂc (j) を１つの線形システムとみなしてパラメータベクトルＣの各パラメータａ、ｂ、ｃ、ｄを例えば最小２乗法を使用して算出する。そして、質量算出手段１１は、パラメータｄの計算値ｄc を（９）式に代入してｍ1 を算出し、更にｍ1 を（１０）式に代入して被計量物３０の質量ｍx を出力することができる。このようにして、信号処理装置１２は、計量セル１から出力される計量信号ｕk (j) から計量セル１の重心位置ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）における上下方向の振動成分を除去し、これによって、床Ｆの振動に基づく計量誤差を除去した補正済み計量信号である被計量物３０の質量ｍx を出力することができる。
【００１２】
なお、計量ごとに被計量物３０の重心位置ｋが殆ど変化しない計量装置、例えば組合せ秤や自動重量選別装置では、詳細には説明しないが、まず、被計量物３０の標本（質量は既知）を計量してその計量信号等を使用して計量セル１の重心位置を表す座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）を求め、そして、この算出された座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）、揺動環境算出手段９が算出したＢc (j) 、及び計量信号ｕk (j) を（１）式に代入することにより床Ｆの振動に基づく計量誤差を除去した補正済み計量信号である被計量物３０の質量ｍx を出力させることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の計量装置に設けられている信号処理装置１２では、温度変化等によって起こる計量セル１及びダミーセル２のオフセット誤差ｓk 、ｓdiの補正を行う機能を備えていないという問題がある。そして、被計量物３０の一部が載台３１上に残留することによって風袋質量が変化した場合に、風袋質量変化Ｍf の補正を行う機能を備えていないという問題もある。そのために、オフセットｓk 、ｓdiの変化や風袋質量変化Ｍf に基づく誤差が計量精度の低下を招くという問題がある。
ところで、従来の静止状態で被計量物を計量する計量装置でも、オフセット変化や風袋質量変化が計量精度の低下の要因の１つとなっているが、その対策として、計量装置に零点設定（風袋引き）という機能が設けられている。要するに、この零点設定機能は、被計量物が風袋上に載置されていない状態の風袋質量値を記憶しておき、被計量物が載台上に載置されたときの計量値から風袋質量値を減算する機能であり、これによって、オフセット変化や風袋質量変化に基づく零点変化による誤差を除去することができる。
【００１４】
しかし、上記のような揺動環境下で使用される計量装置では、零点変化を簡単に除去することができない。なぜなら、次の２つの理由があるからである。
第１の理由は、揺動環境下では、揺動環境の影響によって被計量物が載せられていない風袋のみの質量を正確に得ることができないからである。つまり、遮断周波数が揺動環境の揺動周波数よりも低く設定されたデジタルフィルタ７、８1 〜８4 を用いても、計量値に上記オフセット変化や風袋質量変化以外の揺動環境の影響によって生じる直流誤差成分が含まれている場合があり、その場合には正確な計量値を得ることができないからである。
第２の理由を説明する。計量セル１、ダミーセル２1 〜２4 のオフセットをｓk 、ｓdi、計量セル１の風袋質量変化量をＭf とすると、計量セル１とダミーセル２1 〜２4 の出力信号ｕ' k (j) 、ｕ' di(j) は、（１）式を変形することにより、
ｕ' k (j) ＝Ｅ1 （ｍx ＋Ｍ＋Ｍf ）ＫT Ｂ(j) ＋ｓk （１１）
ｕ' di(j) ＝Ｅ2 ｍ2 Ｄi T Ｂ(j) ＋ｓdi （１２）
と表すことができる。ただし、ｉ＝１、２、３、４である。（１１）式から分かるように、オフセットｓk のｕ' k (j) に対する影響がＫT Ｂ(j) に依存しないが、風袋質量変化量Ｍf のｕ' k (j) に対する影響がＫT Ｂ(j) に依存している。換言すれば、オフセットｓk と風袋質量変化量Ｍf のｕ' k (j) に対する影響をそれぞれ別々に考慮する必要がある。従って、仮にＥ1 （Ｍ＋Ｍf ）ＫT Ｂ(j) ＋ｓk で表される被計量物が載置されていない状態の計量信号が得られたとしても、ｓk とＭf との分離ができないので、これらｓk とＭf が計量精度に及ぼす悪影響を除去することができないからである。
【００１５】
本発明は、ロードセルのオフセット変化及び風袋質量変化の悪影響を受けずに床振動に基づく計量誤差を正確に補正して、被計量物の質量又は重量を正確に計量することができる計量装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る計量装置は、振動する物体上に設置され既知の補正用質量に基づく重量を受けてこの重量に対応する補正信号を生成する複数の補正用荷重変換手段と、上記物体上に設置され被計量物の重量を受けてこの重量に対応する計量信号を生成する計量用荷重変換手段と、上記各補正信号ごとに所定時間ごとの上記補正信号の差分を順次算出する差分演算手段と、上記各補正信号ごとの上記補正信号の差分に基づいて上記物体の振動環境の加速度を算出する加速度算出手段と、この算出された上記振動環境の加速度と上記被計量物の計量信号とに基づいて上記被計量物の、上記物体の振動に基づく振動成分を除去した質量を算出する質量算出手段と、を具備することを特徴とするものである。
【００１７】
第２の発明に係る計量装置は、振動する物体上に設置され既知の補正用質量に基づく重量を受けてこの重量に対応する補正信号を生成する複数の補正用荷重変換手段と、上記物体上に設置され被計量物の重量を受けてこの重量に対応する計量信号を生成する計量用荷重変換手段と、上記各補正信号ごとに所定時間ごとの上記補正信号の差分を順次算出する差分演算手段と、上記各補正信号ごとの上記補正信号の差分に基づいて上記物体の振動環境の加速度の所定時間ごとの差分を順次算出する振動環境算出手段と、上記物体の振動環境の加速度の差分を積分して上記物体の振動環境の加速度を算出する積分演算手段と、この算出された上記振動環境の加速度と上記被計量物の計量信号とに基づいて上記被計量物の質量が含まれているパラメータを算出するパラメータ算出手段と、上記パラメータと上記計量用荷重変換手段に掛かる風袋の質量とに基づいて上記被計量物の、上記物体の振動に基づく振動成分を除去した質量を算出する質量算出手段と、を具備することを特徴とするものである。
【００１８】
第３の発明に係る計量装置は、振動する物体上に設置され既知の補正用質量に基づく重量を受けてこの重量に対応する補正信号を生成する複数の補正用荷重変換手段と、上記物体上に設置され被計量物の重量を受けてこの重量に対応する計量信号を生成する計量用荷重変換手段と、上記各補正信号ごとに所定時間ごとの上記補正信号の差分を順次算出する差分演算手段と、上記各補正信号ごとの上記補正信号の差分に基づいて上記物体の振動環境の加速度の所定時間ごとの差分を順次算出する振動環境算出手段と、上記物体の振動環境の加速度の差分の積分値を算出すると共に、当該積分値と上記計量用荷重変換手段の風袋の重心と当該計量用荷重変換手段に負荷されている既知質量の標本の重心との合成重心位置の座標とから成る上記物体の振動環境の加速度を算出する積分演算手段と、この算出された上記振動環境の加速度と上記被計量物の計量信号とに基づいて上記被計量物の質量が含まれているパラメータを算出するパラメータ算出手段と、上記パラメータと上記計量用荷重変換手段に掛かる風袋の質量とに基づいて上記被計量物の、上記物体の振動に基づく振動成分を除去した質量を算出する質量算出手段と、を具備することを特徴とするものである。
【００１９】
本発明に係る計量装置によると、各補正用荷重変換手段から出力された補正信号の差分を各補正用荷重変換手段ごとに順次算出してそれぞれの差分に基づいて揺動環境の加速度を算出しているので、オフセット変化による誤差（オフセット変化による誤差とは、補正信号や計量信号に対する影響が揺動環境の加速度に依存しない誤差を言う。）を含まない揺動環境の加速度を算出することができる。そして、このオフセット変化の誤差を含まない揺動環境の加速度を使用して、被計量物の荷重が掛かっている状態での計量信号（風袋質量変化による誤差を含む）と被計量物の荷重か掛かっていない状態での計量信号から得られた風袋質量（風袋質量変化による誤差を含む）に基づいて、オフセット変化の誤差及び風袋質量変化による誤差を除去し、かつ、振動成分を除去した被計量物の質量を算出することができる。ただし、風袋質量変化による誤差とは、計量信号に対する影響が揺動環境の加速度に依存している誤差を言う。
【００２０】
第２の発明に係る計量装置によると、算出して得られた振動環境の加速度と被計量物の計量信号とに基づいて被計量物の質量が含まれているパラメータを算出し、このパラメータを使用して物体の振動に基づく振動成分を除去した質量を算出するすることができる。
【００２１】
第３の発明に係る計量装置によると、予め設定されている、又は予め計算して得られた計量用荷重変換手段の風袋の重心と計量用荷重変換手段に負荷されている既知質量の標本の重心（質点）との合成重心位置の座標を使用して振動成分を除去した被計量物の質量を算出することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る計量装置の第１実施形態を図１を参照して説明する。第１実施形態の計量装置は、図２に示す従来の計量装置の信号処理装置１２に代えて図１に示す信号処理装置２５を設けたものである。これ以外は同図に示す従来の計量装置と同等であり、増幅器３、４1 〜４4 、及びＡ／Ｄ変換器５、６1 〜６4 の詳細な説明を省略する。そして、図２に示すデジタルフィルタ７、８1 〜８4 も従来のものと同等であるので詳細な説明を省略する。
本発明の計量装置は、この計量装置が設置されている床Ｆの揺動（振動）に基づく揺動成分を除去した被計量物３０の質量を算出することができる計量装置に適用したものであり、温度変化等によって起こる計量信号及び補正信号のオフセットｓk 、ｓdiの変化の誤差に基づく計量誤差を補正することができると共に、計量セル１の風袋質量変化Ｍf による計量誤差を補正することができ、これによって、被計量物３０の正確な質量ｍx を算出することができるものである。
計量セル１は、図２に示すように従来のものと同等であり、一方の端部が床Ｆに固定され、他方の端部には被計量物３０が載置される載台３１が取り付けられており、載台３１に載置された被計量物３０の重量を計量して、その重量に応じたアナログ計量信号Ｗを出力する。
【００２３】
ダミーセル２1 〜２4 は、従来のものと同等であり、床Ｆの揺動を検出するためのものである。この実施形態では４台のダミーセル２1 〜２4 を設けた構成としたが、これ以外の台数としてもよく、例えば４台以上設けてもよい。各ダミーセル２1 〜２4 の一方の端部が計量セル１が取り付けられている床Ｆに固定され、他方の端部には既知質量ｍ2 の分銅（補正用質量）３２を取り付けて自由端としてある。各ダミーセル２1 〜２4 は、床Ｆからの揺動を受ける状態で分銅３２の既知質量ｍ2 に基づく重量を受けてこの重量と対応するアナログ補正信号（ダミー信号）Ｄ1 〜Ｄ4 を出力する。質量ｍ2 は、各ダミーセル２1 〜２4 の風袋質量を含むものとする。
【００２４】
なお、計量セル１は、床Ｆから高さＨ1 の位置に設置してある。そして、ダミーセル２1 〜２3 は、床Ｆから所定の同一の高さＨ2 （Ｈ2 ＜Ｈ1 ）の位置であって同一平面上に設置してあり、ダミーセル２4 は、床Ｆから所定の高さＨ3 （Ｈ3 ＜Ｈ2 ）の位置に設置してある。ここで、計量セル１及びダミーセル２1 〜２4 の設置位置とは、計量セル１及びダミーセル２1 〜２4 の重心位置（従来の技術の説明参照）である。
【００２５】
信号処理装置２５はＣＰＵで構成され、デジタルフィルタ７、８1 〜８4 、差分演算手段２１1 〜２１4 、揺動環境算出手段３３、積分演算手段２２、パラメータ算出手段２３、及び質量算出手段２４を備えている。差分演算手段２１1 〜２１4 、揺動環境算出手段３３、積分演算手段２２、パラメータ算出手段２３、及び質量算出手段２４は、ＣＰＵと接続する記憶部に予め記憶されているプログラムに従って所定の演算を行うものである。
各差分演算手段２１1 〜２１4 は、それぞれと対応するデジタルフィルタ８1 〜８4 からダミー信号ｕ’di(j) （ただし、ｉ＝１、２、３、４）、即ち、ｕ’d1(j) 〜ｕ’d4(j) が入力し、（１３）式の演算を行って、各ダミー信号ｕ’diごとに所定時間ごとのダミー信号の差分Δｕ’di(j) を順次算出する手段である。
Δｕ’di(j) ＝ｕ’di(j) −ｕ’di（ｊ−１） （１３）
【００２６】
揺動環境算出手段３３は、各差分演算手段２１1 〜２１4 から入力したΔｕ’di(j) （ｉ＝１、２、３、４）を（６）式の対応する各ｕd1(j) 〜ｕd4(j) に代入して（４）式の演算を行って、床Ｆの揺動環境（振動環境）の加速度Ｂc (j) の所定時間ごとの差分ΔＢ(j) を順次算出する手段である。
積分演算手段２２は、揺動環境算出手段３３が算出した床Ｆの揺動環境の加速度の差分ΔＢ(j) を、（１４）式に示すようにデジタル積分演算して、この算出した積分値を（１９）式に代入して床Ｆの揺動環境の加速度Ｂ’(j) を算出する手段である。
この揺動環境算出手段３３と積分演算手段２２が請求項１に記載の加速度算出手段を構成している。
つまり、
【００２７】
【数３】
である。
ここで、Ｂ(0) は、デジタル積分演算におけるＢ(j) の初期値であるが、例えば船舶上等のような揺動環境下では、そこに設置された計量装置が常時揺動しているので、初期値Ｂ(0) が０であるとは限らない。従って、Ｂ(0) を未知のパラメータとして処理することとする。
（１１）式に（１４）式を代入すると、計量セル１の計量信号ｕ’k (j) を
【００２９】
【数４】
のように書き直すことができる。ただし、
ｍ1 ＝ｍx ＋Ｍ＋Ｍf （１７）
ｅk ＝Ｅ1 ｍ1 ＫT Ｂ(0) ＋ｓk （１８）
ｍx は被計量物３０の質量、Ｍは風袋である載台３１の質量、Ｍf は風袋質量の変化量、ｍ1 は計量セル１の負荷質量である。ｓk は計量セル１のオフセット、ｅk は未知の定数である。
そこで、
【００３１】
【数５】
Ｃ’T ＝ [ａ ｂ ｃ ｄ ｅk ] （２０）
とおけば、（１６）式を
ｕ’k (j) ＝Ｂ’T (j) Ｃ’ （２１）
と書き直すことができる。
Ｂ’(j) 、ｕ’k (j) をそれぞれ１つの線形システムの５入力、１出力とみなしてパラメータベクトルＣ’を例えば最小２乗法を使用して求めれば、（２０）式のａ、ｂ、ｃ、ｄ、及びｅk を得ることができる。
つまり、積分演算手段２２は、（１９）式に示す揺動環境の加速度Ｂ’(j) を算出してパラメータ算出手段２３に出力する手段である。そして、パラメータ算出手段２３は、この算出された揺動環境の加速度Ｂ’(j) と被計量物３０の計量信号ｕ’k (j) とに基づいて上記のように最小２乗法を使用して被計量物３０の質量ｍx が含まれているパラメータｄ（＝Ｅ1 ｍ1 ＝Ｅ1 （ｍx ＋Ｍ＋Ｍf ））を算出する手段である。ａ、ｂ、ｃ、ｄは（８）式のものと同様に表せられる。パラメータｄの計算値はｄc である。
【００３３】
質量算出手段２４は、この算出されたパラメータｄと計量セル１に掛かる風袋と残留物の合計質量（Ｍ＋Ｍf ）とに基づいて、床Ｆの揺動に基づく振動成分を除去した被計量物３０の質量ｍx を算出する手段である。
なお、風袋と残留物の合計質量（Ｍ＋Ｍf ）は、被計量物３０の質量ｍx を計量する前に、載台３１上に被計量物３０を載置していない状態で、オペレータがこの計量装置の零点設定を行うことにより質量算出手段２４が算出することができる。つまり、載台３１上に被計量物３０が載置されていない状態でこの信号処理装置２５が上記のようにして演算を行い、パラメータ算出手段２３がパラメータｄ’＝Ｅ1 ｍ’1 （＝Ｅ1 （Ｍ＋Ｍf ））を算出し、そして、質量算出手段２４がｍ1 ’＝ｄ’／Ｅ1 （＝（Ｍ＋Ｍf ））を演算して風袋と残留物の合計質量（Ｍ＋Ｍf ）を算出する。
また、質量算出手段２４は、被計量物３０を計量して得られたパラメータｄ＝Ｅ1 ｍ1 （＝Ｅ1 （ｍx ＋Ｍ＋Ｍf ））より、ｍ1 ＝ｄ／Ｅ1 （＝（ｍx ＋Ｍ＋Ｍf ））を演算して被計量物３０と風袋と残留物の合計質量（ｍx ＋Ｍ＋Ｍf ）を算出し、次に、被計量物３０の質量ｍx を、
ｍx ＝ｍ1 −（Ｍ＋Ｍf ） （２２）
の演算を行うことにより算出する構成となっている。
パラメータ算出手段２３と質量算出手段２４が請求項１に記載の質量算出手段を構成している。
【００３４】
上記のように構成された計量装置によると、差分演算手段２１1 〜２１4 が各ダミーセル２1 〜２4 から出力されたダミー信号ｕ’d1(j) 〜ｕ’d4(j) の差分Δｕ’d1(j) 〜Δｕ’d4(j) を各ダミーセル２1 〜２4 ごとに順次算出し、揺動環境算出手段３３及び積分演算手段２２がそれぞれの差分Δｕ’d1(j) 〜Δｕ’d4(j) に基づいて揺動環境の加速度Ｂ’(j) を算出しているので、温度変化等によって起こるオフセット変化ｓdi（ｉ＝１、２、３、４）による計量誤差（オフセット変化による誤差とは、ダミー信号に対する影響が揺動環境の加速度Ｂ(j) に依存しない誤差を言う。）を含まない揺動環境の加速度Ｂ’(j) を算出することができる。そして、パラメータ算出手段２３と質量算出手段２４がこのオフセット変化ｓdiの誤差を含まない揺動環境の加速度Ｂ’(j) を使用して、計量セル１に被計量物３０の荷重が掛かっている状態での計量信号ｕk (j) と、被計量物３０の荷重か掛かっていない状態での計量信号ｕ’k (j) から得られた風袋質量（Ｍ＋Ｍf ）と、に基づいて、オフセットｓk 、ｓdiの変化による誤差及び風袋質量変化Ｍf による誤差（風袋質量変化Ｍf による誤差とは、計量信号ｕk (j) に対する影響が揺動環境の加速度Ｂ(j) に依存している誤差を言う。）を除去し、かつ、揺動成分を除去した被計量物３０の質量ｍx を算出することができる。このように、計量セル１の風袋質量変化Ｍf による計量誤差を補正することができるので、例えば前回計量した被計量物３０の一部が載台３１に残留することがあってもその残留分を除去した被計量物３０の正確な質量ｍx を算出することができる。
【００３５】
そして、被計量物３０の重心と計量セル１の載台３１の重心との合成重心位置の座標を予め設定する必要がないので、被計量物３０の形状や大きさのばらつきが比較的大きいために、計量中の被計量物３０の重心と載台３１の重心との合成重心位置の座標のばらつきが比較的大きい場合でも、被計量物３０の質量ｍx を正確に計量することができる。
【００３６】
次に、計量装置の第２実施形態を説明する。第１実施形態と第２実施形態の計量装置の相違するところは、信号処理装置２５が備えている積分演算手段２２とパラメータ算出手段２３である。これ以外は、第１実施形態と同等であるので詳細な説明を省略する。第２実施形態の計量装置は、計量ごとに被計量物３０の合成重心位置が殆ど変化しない場合に適用すると都合のよい装置である。例えば、自動重量選別装置や組合せ秤に適用することができる。
【００３７】
自動重量選別装置に適用した第２実施形態の計量装置によると、まず、被計量物３０の計量の前段階として、被計量物３０の標本（被計量物３０の平均的な形状と重量を備えるものであり、質量は既知のもの）を使用して、この標本を計量セル３に設けられている例えば計量コンベア（図示せず）上に供給したときの標本の重心と計量コンベア（風袋）の重心の合成重心位置を表す座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）を算出する。なお、座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）は、この計量装置に設けられている座標算出部（図示せず）により後述する従来公知の演算によって算出してもよいし、この計量装置の設計の段階で予め計算によって求めておいてこの計量装置の記憶部（図示せず）に記憶させておいてもよい。
そして、積分演算手段３４は、このようにして得られた座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）と揺動環境算出手段３３により算出して得られた揺動環境の加速度の差分ΔＢ(j) を（２３）式に代入して床Ｆの揺動環境の加速度Ｂ”(j) を算出する構成となっている。
この場合、
【００３８】
【数６】
Ｃ”T ＝ [ｄ ｅk ] （２４）
とおけば、（１６）式を
ｕ”k (j) ＝Ｂ”T (j) Ｃ” （２５）
と書き直すことができる。ただし、Ｋは座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）のマトリックスである。
Ｂ”(j) 、ｕ”k (j) をそれぞれ１つの線形システムの２入力、１出力とみなしてパラメータベクトルＣ”を例えば最小２乗法を使用して求めれば、（２４）式のｄ及びｅk を得ることができる。
つまり、積分演算手段３４は、（２３）式に示す揺動環境の加速度Ｂ”(j) を算出してパラメータ算出手段３５に出力する手段である。そして、パラメータ算出手段３５は、この算出された揺動環境の加速度Ｂ”(j) と被計量物３０の計量信号ｕ”k (j) とに基づいて上記のように最小２乗法を使用して被計量物３０の質量ｍx が含まれているパラメータｄ（＝Ｅ1 ｍ1 ＝Ｅ1 （ｍx ＋Ｍ＋Ｍf ））を算出する手段である。以下、第１実施形態と同様にして、質量算出手段２４が、この算出されたパラメータｄ（ｄc ）と計量セル１に掛かる風袋と残留物の合計質量（Ｍ＋Ｍf ）とに基づいて被計量物３０の質量ｍx を算出することができる。そして、この質量ｍx は、第１実施形態と同様に、オフセットｓk 、ｓdiの変化による誤差及び風袋質量変化Ｍf による誤差を除去し、かつ、揺動成分を除去したものである。
【００４０】
第２実施形態の計量装置によると、例えばこの計量装置の出荷の段階でこの計量装置に予め設定されて記憶部に記憶されている、又はこの計量装置を使用して被計量物を計量する前の段階でこの計量装置により予め計算して得られた計量セル１の風袋の重心と計量セル１に負荷されている既知質量の標本の重心との合成重心位置の座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）を使用して被計量物３０の質量ｍx を算出しているので、第１実施形態の計量装置のようにこの座標ｋが設定されていない場合と比較して、座標ｋを算出する必要がない分だけ被計量物３０の質量ｍx の演算処理が簡単となり演算時間を短縮することができ、これによって、計量速度の向上を図ることができるし、この座標ｋの精度に応じて計量精度の向上も図ることができる。
【００４１】
なお、座標算出手段は、被計量物３０の標本を使用して、この標本を計量セル１に設けられている計量コンベア上に供給したときの計量信号ｕk ’(j) と揺動環境の加速度Ｂ’(j) を（２１）式に代入して最小２乗法を使用して、標本の重心と計量コンベア（風袋）の重心の合成重心位置を表す座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）を算出することができる。揺動環境の加速度Ｂ’(j) は、第１実施形態の積分演算手段２２を設けてこの積分演算手段２２により算出することができる。そして、この合成重心位置を表す座標ｋ（ｘk 、ｙk 、ｚk ）を最小２乗法を使用して求めたが、これ以外にも従来公知の例えば４元１次連立方程式を解いて求めてもよい。
【００４２】
ただし、上記各実施形態において、振動補正済み計量信号として被計量物の質量ｍx を生成する構成としたが、この質量ｍx に重力加速度ｇを乗算して被計量物の重量を生成する構成としてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
本発明に係る計量装置は、計量用荷重変換手段が設置されている物体の振動に基づく振動成分を除去した被計量物の質量を算出することができる計量装置に適用することができるものであり、温度変化等によって起こる計量信号及び補正信号のオフセット変化の誤差に基づく計量誤差を補正することができ、その補正によって被計量物の質量を正確に計量することができる。更に、計量用荷重変換手段の風袋質量変化による計量誤差を補正することもできるので、例えば前回計量した被計量物の一部が風袋に残留することがあってもその残留分を除去した被計量物の正確な質量を算出することができる。
【００４４】
第２の発明に係る計量装置によると、被計量物の形状や大きさのばらつきが比較的大きいために、計量中の被計量物の重心と計量用荷重変換手段の風袋の重心との合成重心位置の座標のばらつきが比較的大きい場合でも、被計量物の質量を正確に計量することができる。
【００４５】
第３の発明に係る計量装置は、計量用荷重変換手段により計量中の被計量物の重心と計量用荷重変換手段の風袋の重心との合成重心位置の座標のばらつきが比較的小さい計量装置、例えば組合せ秤や自動重量選別機に適用することができる。そして、予め設定されている、又は予め計算して得られた計量用荷重変換手段の風袋の重心と計量用荷重変換手段に負荷されている既知質量の標本の重心との合成重心（質点）位置の座標を使用して被計量物の質量を算出しているので、この座標が設定されていない場合と比較して、この合成重心位置の演算時間分だけ被計量物の質量の演算時間を短縮することができ、これによって、計量速度の向上を図ることができるし、この合成重心位置の座標の精度に応じて計量精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１及び第２実施形態に係る計量装置の信号処理系の概略構成を示すブロック図である。
【図２】従来の計量装置の信号処理系の概略構成を示すブロック図である。
【図３】ロードセルの配置を示す図である。
【符号の説明】
１ 計量セル
２、２1 〜２4 ダミーセル
２１1 〜２１4 差分演算手段
２２ 積分演算手段
２３ パラメータ算出手段
２４ 質量算出手段
３３ 揺動環境算出手段
２５ 信号処理装置
Claims (3)
- 振動する物体上に設置され既知の補正用質量に基づく重量を受けてこの重量に対応する補正信号を生成する複数の補正用荷重変換手段と、上記物体上に設置され被計量物の重量を受けてこの重量に対応する計量信号を生成する計量用荷重変換手段と、上記各補正信号ごとに所定時間ごとの上記補正信号の差分を順次算出する差分演算手段と、上記各補正信号ごとの上記補正信号の差分に基づいて上記物体の振動環境の加速度を算出する加速度算出手段と、この算出された上記振動環境の加速度と上記被計量物の計量信号とに基づいて上記被計量物の、上記物体の振動に基づく振動成分を除去した質量を算出する質量算出手段と、を具備することを特徴とする計量装置。
- 振動する物体上に設置され既知の補正用質量に基づく重量を受けてこの重量に対応する補正信号を生成する複数の補正用荷重変換手段と、上記物体上に設置され被計量物の重量を受けてこの重量に対応する計量信号を生成する計量用荷重変換手段と、上記各補正信号ごとに所定時間ごとの上記補正信号の差分を順次算出する差分演算手段と、上記各補正信号ごとの上記補正信号の差分に基づいて上記物体の振動環境の加速度の所定時間ごとの差分を順次算出する振動環境算出手段と、上記物体の振動環境の加速度の差分を積分して上記物体の振動環境の加速度を算出する積分演算手段と、この算出された上記振動環境の加速度と上記被計量物の計量信号とに基づいて上記被計量物の質量が含まれているパラメータを算出するパラメータ算出手段と、上記パラメータと上記計量用荷重変換手段に掛かる風袋の質量とに基づいて上記被計量物の、上記物体の振動に基づく振動成分を除去した質量を算出する質量算出手段と、を具備することを特徴とする計量装置。
- 振動する物体上に設置され既知の補正用質量に基づく重量を受けてこの重量に対応する補正信号を生成する複数の補正用荷重変換手段と、上記物体上に設置され被計量物の重量を受けてこの重量に対応する計量信号を生成する計量用荷重変換手段と、上記各補正信号ごとに所定時間ごとの上記補正信号の差分を順次算出する差分演算手段と、上記各補正信号ごとの上記補正信号の差分に基づいて上記物体の振動環境の加速度の所定時間ごとの差分を順次算出する振動環境算出手段と、上記物体の振動環境の加速度の差分の積分値を算出すると共に、当該積分値と上記計量用荷重変換手段の風袋の重心と当該計量用荷重変換手段に負荷されている既知質量の標本の重心との合成重心位置の座標とから成る上記物体の振動環境の加速度を算出する積分演算手段と、この算出された上記振動環境の加速度と上記被計量物の計量信号とに基づいて上記被計量物の質量が含まれているパラメータを算出するパラメータ算出手段と、上記パラメータと上記計量用荷重変換手段に掛かる風袋の質量とに基づいて上記被計量物の、上記物体の振動に基づく振動成分を除去した質量を算出する質量算出手段と、を具備することを特徴とする計量装置。
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