JP5676603B2 - 力測定装置の温度補償方法及び力測定装置 - Google Patents
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Description
以下の観測は、主として、秤の通常の動作と関係する。電源投入時の状況の出現及び機能不良は考慮に入れない。
本文脈において用語「信号処理装置」は、力測定セル及び温度センサー、例えば、アナログ又はデジタル回路、集積回路、シフトレジスター、プロセッサー、計算機などの測定信号に関する処理に対する適切な信号処理素子すべてに及ぶ。
CP=F(mL,mT)
mLc=F(CP,mL,mT)
を介する一般的な形式で表現され得る。
永久磁石の磁場は、サマリウムコバルト磁石に関すると−350ppm/Kの温度係数を有する相対的に強力な温度依存性を有している。その結果、磁場に入れられたコイル(53)に流れている電流の強さも同様に、相対的に強力な温度依存性を有している。力測定信号mLは、この場合もやはり、コイル(53)内の電流の強さに対応している。故に、従来技術から知られている第1の補償において、力測定信号mLは、測定される周辺温度Teに関する永久磁石(50)の温度依存性を相殺される。したがって、この補償は静的な温度補償又は温度の一次補償としても参照される。このステップの第1の加算補償C_Sは、以下方程式
C_S=mL × TK × mT
に従って力測定信号mL及び温度測定信号mTから算出され、ここでTKは定数を表していて、典型的に実験的に決定されるか又はデータシート、すなわち、温度係数TKから利用可能である。この例において算出される第1の加算補償C_Sは、力測定信号mL及び温度測定信号mTに比例して単純な線形である。しかしながら、第1の加算補償C_Sの計算は、高次の項、例えば、力測定信号を2乗した値(mL)2も含み得る。
P(t)=c × mL2
に従って得られ、ここでcは、比例性の定数である。比例性がない別の場合、電力消費は同様に、力測定信号mLから単純な計算を経て算出され得る。
応答関数S(t)を決定するために、単純な熱力学モデルが、例として与えられる。これに従うと、応答関数S(t)は、力測定信号mLの階段形の変化、いわゆるステップ応答として取得される。階段形の変化は、この場合、秤(1)へ入力される量を表していて、入力に応答するその反応は、力測定装置の構成部品に生じる熱伝導の場合、熱力学モデルに従って対応する応答関数によって説明される。このモデルによると、時間に依存した応答関数S(t)は、特有の時定数τを用いて以下の式を介し説明され得る。
相対的な温度差dTr(t)は、この場合、上記与えられた方程式によって算出され得、その結果は
数学的モデルに関する別の応答関数S(t)又はステップ応答、特にいくつかの指数関数の組み合わせを表すステップ応答も使用できる。
例えば、遅延装置及び/又は加算演算及び/又は乗算演算を含む計算機プログラムにおいて又は巡回回路設計を用いた、これらの数学的な演算を実行するための様々な方法が存在する。これらのアプローチを用いると、畳み込み積分は、単純な数学演算を経て効率的にかつ高精度で算出され得る。
C_LD = mL × TKLD × dTr(t)
に従って相対的な温度差dTr(t)から算出され、ここで係数TKLDは、一定の大きさの特定の温度係数を表している。この方程式は、非常に単純な場合を例示している。より高次の項を考慮することにより、計算精度が、特定の要求に従って改善され得る。
m1a1 = m2a2
によって表される。
La1=fMb2 及び a2=βb2
によって記述され、ここでレバーの比は、b2/a1に等しい。
第1のレバーアーム(48a)に関しては α × dT1 及び
第2のレバーアーム(48b)に関しては α × dT2
を提示する。
(m1+L)a1(1+α dT1)=m2a2(1+α dT2)+fMb2(1+α dT2)
によって表される機構上の平衡の移動がある。
単純な熱力学モデルの場合、応答関数S(t)は、図4の例に類似して、特性時間定数のτ1及びτ2を用いたステップ応答
S(t)=1−e-t/τi
として表現され得、畳み込み積分
一定のサンプリングレートを用いると、図4の前の例で荷重のゆれの補償を例示している畳み込み積分の計算において、畳み込み積分は、加算を経て積分を近似し、再帰的アプローチを使用することによって、この場合もやはり、非常に効率的に算出され得る。
2つの温度差dT1及びdT2も以下の式
ΔdT=dT2−dT1=(Ts2−Te)−(Ts1−Te)=Ts2−Ts1
に従って、単一の差分信号ΔdTの中に結合され得る。
その結果、補償パラメーターCPは、差分信号ΔdTを介し、2つの温度差dT1及びdT2の差の特性を示している。最終的に、補償パラメーターCPは、差分信号ΔdT形式で(図5aの点線の矢印で示したように)次の演算モジュールへ送信される。
したがって第3の加算補償C_DTは、以下の方程式
最終的に第1の補償又は第2の補償の場合、第3の加算補償C_DTは、第3の加算補償C_DTを加算の中に追加的に入力することによって、対応する補償を実行する加算演算に入力される。力測定信号mLは、かくして、周辺温度Teの動的な変化に関連する付加的な補償を用いて調整される。温度差に関連して補償される出力信号mLcはこの場合もやはり、更なる処理に利用可能である。
10 力測定セル(force-measuring cell)
11 アナログ/デジタルコンバーター(analog/digital converter)
11a アナログ/デジタルコンバーター(analog/digital converter)
11b アナログ/デジタルコンバーター(analog/digital converter)
13 表示装置(indicator unit)
14 付加的な演算処理装置(further processing unit)
15 温度センサー(temperature sensor)
20 信号処理装置(signal-processing unit)
41 カンチレバー延長部(cantilevered extension)
42 固定部分(stationary part)
43 垂直可動部(vertically movable part)
44 導材(guide members)
45 屈曲式ピボット(flexure pivots)
46 レバー(lever)
47 屈曲式ピボット(flexure pivots)
48 レバーアーム(lever arm)
48a レバーアーム(lever arm)
48b レバーアーム(lever arm)
49 連結素子(coupling element)
50 永久磁石(permanent magnet)
51 空隙(air gap)
53 コイル(coil)
54 位置センサー(position sensor)
56 閉ループコントローラー(closed-loop controller)
a1 距離(distance)
a2 距離(distance)
C_S 加算補償(correction summand)
C_LD 加算補償(correction summand)
C_DT 加算補償(correction summand)
CP 補償パラメーター(correction parameter)
dT1 温度差(temperature difference)
dT2 温度差(temperature difference)
dTe 温度上昇(temperature jump)
dTr 相対的な温度差(relative temperature difference)
F 伝達関数(transfer function)
F1 伝達関数(transfer function)
F2 伝達関数(transfer function)
fM 磁気補償力magnetic compensation force)
Ic 補償電流(compensation current)
L 入力された力、荷重(input force, load)
m 質量(mass)
m1 質量(mass)
m2 質量(mass)
mL 力測定信号(force measurement signal)
mL' 力測定信号(force measurement signal)
mT 温度測定信号(temperature measurement signal)
mT' 温度測定信号(temperature measurement signal)
mLc 出力された信号(output signal)
P(t) 熱に消散された電力(power dissipated into heat)
S(t) 応答関数(response function)
S1(t) 応答関数(response function)
S2(t) 応答関数(response function)
Ts システム温度(system temperature)
Ts1 システム温度(system temperature)
Ts2 システム温度(system temperature)
Te 周辺温度(ambient temperature)
Tm 測定温度(measured temperature)
TK 温度係数(temperature coefficient)
TKLD 温度係数(temperature coefficient)
X 回転の中心(center of rotation)
α 膨張率(coefficient of expansion)
β 比率(ratio)
ΔdT 差分信号(difference signal)
τ 時定数(time constant)
τ1 時定数(time constant)
τ2 時定数(time constant)
Claims (10)
- 測定モードで作動中に、力測定装置(1)の温度補償をする方法であって、
力測定セル(10)によって、入力された力に対応する電気的な力測定信号(mL)を生成するステップと、
前記力測定装置(1)の熱を生成する構成部品から距離を置いて配置される単一の温度センサー(15)によって温度(Tm)を測定するステップであって、前記温度(Tm)が主に、前記力測定装置が晒されている周辺温度(Te)に対応し、前記測定温度(Tm)に対応する温度測定信号(mT)を生成するものと、
前記温度測定信号(mT)及び前記力測定信号(mL)に基づいて、前記力測定信号(mL)を処理して温度補償した出力信号信号(mLc)にするステップであって、第1の加算補償(C_S)が前記力測定信号(mL)及び前記温度測定信号(mT)から算出され、前記第1の加算補償(C_S)を元の力測定信号(mL)に追加する加算演算に入力されるものと、
前記出力信号(mLc)を表示装置(13)及び/又は更なる処理装置(14)へ送信するステップと、を含んでいて、
前記処理ステップにおいて、前記出力される信号(mLc)を補償する目的を果たす少なくとも1つの補償パラメーター(CP)が算出され、前記力測定信号(mL)及び当該力測定信号(mL)から決定された消散総電力量(P)から少なくとも1つの付加的な第2の加算補償(C_LD)が基本的な熱力学モデルによって算出され、追加的に前記第2の加算補償(C_LD)を加算に入力することによって、前記第2の加算補償(C_LD)が加算演算に渡され、対応する第2の補償を実行され、
前記補償パラメーター(CP)が、
A)システム温度(Ts,Ts1,Ts2)と前記測定温度(Tm)との間、及び/又は
B)第1のシステム温度(Ts1)と第2のシステム温度(Ts2)との間
に存在する温度差(dTr,dT1,dT2)の特性を示しており、
システム温度(Ts,Ts1,Ts2)が前記力測定装置(1)の構成部品の温度に対応すること、を特徴とする方法。 - 前記補償パラメーター(CP)が、応答関数(S(t),S1(t),S2(t))及び畳み込み積分によって、前記温度測定信号(mT)、前記力測定信号(mL)、又は前記応答関数(S(t),S1(t),S2(t))の時間導関数を用いて前記力測定信号(mL)から決定された消散電力量(P)の畳み込みによって算出され、前記応答関数(S(t),S1(t),S2(t))が、熱力学、及び/又は階段関数又はインパルス関数の形式の入力に対する熱力学的応答、及び/又は特定の時定数(τ,τ1,τ2)を有する指数関数の法則のうち少なくとも1つに従って定義されることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記補償パラメーター(CP)が、再帰的処理を経て算出されることを特徴とする請求項1又は2のいずれか1項記載の方法。
- 前記補償パラメーター(CP)が、前記測定温度(Tm)及び/又は前記力測定信号(mL)の変化率に依存する、時間に依存した量として算出されることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の方法。
- 前記システム温度(Ts,Ts1,Ts2)が、力入力素子の温度、力伝達素子の温度、レバー(46)の温度又はレバーアーム(48)の温度に対応していて、前記出力信号(mLc)が、前記構成部品の前記熱膨張に関連して補償されることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の方法。
- 前記補償パラメーター(CP)が、前記力測定装置(1)の異なる構成部品にそれぞれ関連付けられている前記少なくとも2つの温度差(dT1,dT2)の特性を示しており、前記補償パラメーター(CP)が、前記2つの温度差(dT1,dT2)の差として取得される差分信号(ΔdT)によって算出され、第3の加算補償(C_LD)が算出され、追加的に前記第3の加算補償(C_LD)を加算に入力することによって加算演算に渡され、対応する補償を実行されることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載の方法。
- 前記力測定装置(1)が、電磁力の補償原理に基づくことと、前記補償パラメーター(CP)が、前記補償力を生成する前記処理に関連して生じる温度差の特性を示していることと、を特徴とする請求項1から6のいずれか1項記載の方法。
- 前記補償力が、電流が流れているコイル(53)によって生成され、それによって電力(P)の大きさが、消散によって失われることと、前記補償パラメーター(CP)が、前記力測定信号(mL)の関数として、前記力測定信号(mL)から導出された電力消費の損失(P)の関数として算出されることと、を特徴とする請求項7記載の方法。
- 前記補償力が、コイル(53)と永久磁石(50)との相互作用によって生成されることと、前記システム温度(Ts)が、前記コイル(53)の温度及び/又は前記永久磁石(50)の温度に対応することと、を特徴とする請求項7又は8記載の方法。
- 前記力測定信号(mL)の少なくとも2つの補償が、異なる2つ、基本的には、個別の算出モジュールを経て算出され、モジュールそれぞれが、少なくとも1つの補償パラメーター(CP)の前記計算をそれぞれ実行すること、を特徴とする請求項1から9のいずれか1項記載の方法。
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