JP6841798B2 - 電子天びん - Google Patents

Description

本願発明は、電子天びんにかかり、特に、分析用天びんやマイクロ電子天びん等の計量精度の高い電子天びんに関する。

電磁平衡式等の電子天びんでは、振動や風等の外乱は、荷重変動として荷重検出部にて検出され、計量結果にバラつきとして表れるため、計量誤差の要因となる。

特許文献１では、外乱の原因に関係する気圧や温度などの環境測定データと計量値を相関させて表示させ、使用者に環境状態を視認させている。

特開２０１２−１５４８７８号

しかし、特許文献１では、外乱の有無、詳しくは外乱の大きさの確認を行うために同一分銅を繰り返し計量する必要があるため、その間、試料の計量を行うことができない。

外乱の原因は多様であり、刻々と変化しており、使用者は原因よりまず簡易にリアルタイムに外乱の大きさを知りたいというニーズがある。

本発明は、リアルタイムに外乱の大きさを使用者が認識できる電子天びんを提供するものである。

上記目的を達成するため、本発明のある態様では、固有振動数が既知の電子天びんにおいて、計量データを検出する荷重測定機構と、前記計量データを用いて演算処理を行う演算処理部とを備え、前記演算処理部は、前記荷重測定機構で検出された計量データから前記固有振動数の振動成分を抽出して、該固有振動数の振動成分を表示する電子天びんを提供する。

この構成によれば、外乱と固有振動数の振動成分には相関があるため、外乱の大きさを固有振動数の振動成分により使用者がリアルタイムに認識することができる。

また、本発明のある態様では、前記演算処理部は、前記固有振動の振動成分を段階的なレベル表記で表示するものとした。数値としてではなく、外乱の大きさをレベルで確認できるため、使用者は外乱の大きさを一目で把握できる。

また、本発明のある態様では、前記演算処理部は、前記荷重測定機構で検出された計量データから算出された計量値と、前記固有振動の成分とを、リアルタイムに表示するものとした。両者を同時に表示することで、使用者は両者を相関させて観察でき、外乱の評価を行いやすい。

前記振動成分の振動成分とは、前記計量データから前記固有振動数近傍の振動成分のみを抽出するフィルタ処理を施した後に、絶対値を取り所定時間で平均化するデータ処理を施した値であるものとした。抽出した固有振動数の振動成分は値が振動しやすいため、使用者が外乱の大きさを認識しやすいように数値処理を行い、使用者に安定した値で外乱を把握しやすいものとした。

本開示の構成によれば、外乱の大きさを使用者がリアルタイムに認識可能な電子天びんを提供できる。

本発明の実施形態に係る電子天びんのブロック図である。 Ａ／Ｄ変換器からの出力値のグラフ(試料載置前)である。 図２の値を周波数解析した結果である。 図２の値の固有振動数の振動成分を示すグラフである。 計量のフローチャートである。 バンドパスフィルタのブロック図である。 バンドパスフィルタの係数を示す表である。 バンドパスフィルタの周波数特性を示すグラフである。 Ａ／Ｄ変換器からの出力値のグラフ（試料載置)である。 図９の値を周波数解析した結果である。 図９の値の固有振動数の振動成分を示すグラフである。 計量結果の標準偏差と固有振動数の振動成分の相関グラフである。 表示部の一例を示す図である。

以下、本発明の電子天びんの具体的な実施形態を、図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（ブロック図）
図１は本発明の実施形態に係る電子天びん１のブロック図である。電子天びん１は、荷重検出部２、Ａ／Ｄ変換器４、メモリ６、制御部８、表示部１０、入力部１２を備える。

荷重検出部２は、いわゆる電磁平衡式の荷重センサであり、機械式のバランス機構に位置検出器と電磁石を用いてつり合わせることで、電子天びん１に備えられた計量皿に載置された荷重を検知する機構である。

Ａ／Ｄ変換器４はアナログ信号をデジタル信号に変換する機器であり、荷重検出部２で検出されたアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器４でデジタル信号に変換される。

制御部８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏおよびこれらを接続するバスラインなどからなる周知のマイクロコンピュータを中心に構成されている。このうち、ＣＰＵが、ＲＯＭに記憶されているプログラムに基づき、ＲＡＭを作業エリアとして、表示部１０および入力部１２の制御、Ａ／Ｄ変換器４から出力されたデジタル信号の演算処理など、各種処理を実行するように構成されている。演算処理は、収納されたプログラムの他、実装した電気回路により実施される。

メモリ６は不揮発性記憶装置であり、上記演算処理に使用される補正値および校正データが収納される。メモリ６は制御部８の一部を使用して制御部８と一体として構成されてもよい。

表示部１０は計量値Ｗや後述する固有振動数の振動成分Ｆｒ、および状態等の情報を表示するディスプレイであり、入力部１２は命令や数値が入力可能なキースイッチである。

電子天びん１には、有線または無線などの各種通信手段により、外部機器１４が必要に応じて接続される。外部機器１４は、ＰＣ、タブレットなどの端末やコントローラで、情報を表示可能な表示部を有する。

また、電子天びん１の固有振動数は、天びん１の制御系に周波数を変えた外乱を印加した際の出力特性からの算出など、周知の方法により既知とする。

（固有振動数の振動成分Ｆｒ）
図２は、計量皿に試料を載置前のＡ／Ｄ変換器４からの出力値Ｚｎであり、上段：外乱が大きい場合（風速０．５m/s）、下段：外乱が小さい場合（風速０m/s）を示す。

図２に示すように、計量皿に試料を載置しない状態でも、荷重検出部２は平衡を保つよう働くため、Ａ／Ｄ変換器４からは出力値Ｚｎが出力される。Ａ／Ｄ変換器４からの出力値Ｚｎは、振動、静電気、対流、風など多くの要因（外乱）により振動する。外乱を０にすることは事実上不可能であるため、常にある程度の振幅をもって出力される。外乱が大きい場合には振幅は大きく、外乱が小さい場合には振幅は小さくなるが出力値Ｚｎは一定に定まらない。これは試料を載置した場合も同様であり、出力値Ｚｎは制御部８で電気的なフィルタ回路、または信号処理によるフィルタ処理が施された後に、計量値Ｗとして出力される。

図３は、図２の出力値Ｚｎを周波数解析した結果である。図３に示すように、外乱が小さい場合（図３下段参照）には、周波数特性に大きな特徴はなく、外乱が大きい場合（図３上段）のみ、出力値Ｚｎは電子天びん１の固有振動数で強く反応している。これは電子天びん１が外乱によって固有振動数で振動し、荷重検出部２がその振動を検出するためである。

即ち、外乱と固有振動数の振動成分には相関があり、Ａ／Ｄ変換器４の出力値Ｚｎから電子天びん１の固有振動数での振動成分を抽出して表示することで、使用者は外乱の大きさを認識することが可能であることを示している。

これに基づき、本実施形態では、電子天びん１に影響を与える外乱の大きさを簡易的にリアルタイムに示す指標として固有振動数の振動成分Ｆｒを用いる。固有振動数とは既知である電子天びん１の固有振動数を指し、固有振動数の振動成分とはＡ／Ｄ変換器４からの出力値Ｚｎの内の電子天びん１の固有振動数の振動成分を指す。

表示部１０には計量値Ｗと共に固有振動数の振動成分Ｆｒが表示され、作業者は外乱の大きさを固有振動数の振動数成分Ｆｒによりリアルタイムに認識することができる。

（フローチャート）
図５は、電子天びん１の計量のデータ処理のフローチャートである。データ処理は制御部８で行われ、計量値Ｗの算出と、固有振動数の振動成分Ｆｒの算出が並行して行われる。図５に沿って、電子天びん１の計量のデータ処理の工程について述べる。

最初に、ステップＳ１０１で、荷重検出部２で荷重がアナログ信号として検出され、アナログ信号はＡ／Ｄ変換器４でデジタル変換され出力値Ｚｎとして出力される。この出力値Ｚｎを制御部８が取得し、これを基に計量値Ｗおよび固有振動数の振動成分Ｆｒを算出する。

まず、計量値Ｗの算出方法について述べる。

ステップＳ１０２で、出力値Ｚｎはフィルタ処理される。フィルタはいわゆるローパスフィルタであり、低域周波数のみを信号として通過させて、ノイズを除去する。

ステップＳ１０３で、メモリ６に収納されている補正値および校正データを基に補正が行われる。荷重検出部２で平衡をとるために使用されているマグネットは温度によって磁束密度が変化し、電子天びん１内の機械式機構は温度によって伸縮が発生する。補正値は例えばこの温度による変化を使用時の状態に合わせて補正するためのものである。また電子天びん１の設置場所により重力加速度は変化する。校正データは質量が既知の分銅を載置した際のデータであり、これを基に出力値Ｚｎは質量に変換される。

最後にステップＳ１０４として、上記演算結果が計量値Ｗとして表示部１０に安定した数値で表示される。

次に、固有振動数の振動成分Ｆｒの算出方法を述べる。一例として、電子天びん１の固有振動数を１００Ｈｚとし、Ａ／Ｄ変換器４は２ｍｓ毎にデータを出力するものとする（サンプリング周波数５００Ｈｚ）。

まず、ステップＳ１０５で、バンドパスフィルタとしてＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタを用いて、様々な周波数成分を含む出力値Ｚｎから電子天びん１の固有振動数（１００Ｈｚ）付近の周波数成分のみを通過せさ、他の周波数を減衰させる抽出処理を行う。ＦＩＲフィルタとは、一定周期の連続したデータを入力として、数値演算を行い出力するもので、入力されたデータに乗じた係数により、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタあるいはバンドパスフィルタなど、フィルタの特性が変わる。

図６は本実施形態で使用したバンドパスフィルタのブロック図、図７は同バンドパスフィルタの係数の一覧表、図８は同バンドパスフィルタの周波数特性を示すグラフである。本実施形態ではバンドパスフィルタ（ＦＩＲフィルタ）のタップ数を２９、通過帯５５Ｈｚ〜１４５Ｈｚとした。図８に示すように、バンドパスフィルタを通過したデータは、固有振動数である１００Ｈｚ付近の周波数を除いてほぼ除去される。

次に、ステップＳ１０６で、抽出処理された値の絶対値を算出し、所望の時間（本実施形態では０．５秒間）で平均化するデータ処理が行われる。ステップＳ１０５で抽出処理を施した値を表示部１０にそのまま表示してもよいが、振動するため、安定した値として使用者が判断しやすいようにこのような処理が施される。

最後に、ステップＳ１０７で，ステップＳ１０６で算出された値が固有振動数の振動成分Ｆｒとして表示部１０に表示される。

なお、上記サンプリング周波数、ＦＩＲフィルタのタップ数、通過帯、平均時間幅などはあくまで一例にすぎず、適宜所望の値を使用することができる。さらに本実施形態ではデジタルフィルタのＦＩＲフィルタによってフィルタ処理を行ったが、フィルタをＩＩＲフィルタ等の他のフィルタ、あるいはアナログ回路により構成してもよい。

（実験データ）
図４は、上記方法により算出した図３のＡ／Ｄ変換器からの出力値Ｚｎの固有振動数の振動成分Ｆｒであり、外乱が大きい場合と外乱が小さい場合について、縦軸のレンジを同一にして同グラフ内に示した。

図４に示すように、固有振動数の振動成分Ｆｒは、外乱が小さい場合よりも外乱が大きい場合の方が非常に大きい。このように、固有振動数の振動成分Ｆｒの大小をもって使用者が外乱の大きさを判断するための指標とすることができる。

また別の実験データとして、図９は、計量皿に試料を載置した際のＡ／Ｄ変換器４からの出力値Ｚｎのグラフであり、上段：外乱が大きい場合（風速０．５m/s）、下段：外乱が小さい場合（風速０m/s）を示す。図１０は、図９の出力値Ｚｎを周波数解析した結果である。図１１は、図９の出力値Ｚｎから上記方法により算出した固有振動数の振動成分Ｆｒであり、外乱が大きい場合と外乱が小さい場合について、縦軸のレンジを同一にして同グラフ内に示した。

図１０に示すように、試料を載置した場合でも、外乱が大きい場合にはＡ／Ｄ変換器４の出力値Ｚｎには電子天びん１の固有振動数の成分は大きく表れる。一方、図３と図１０を比較すると、固有振動数以外での周波数成分（特に４０Ｈｚ以下）は試料載置による影響を受けていることが確認される。しかし、バンドパスフィルタを通すことにより、この影響は除去されるため、図１１に示すように、固有振動数の振動成分Ｆｒには、試料載置による影響はほとんど表れない。即ち、固有振動数の振動成分Ｆｒは計量値Ｗのように試料載置による値の変化の収束を待つ必要がなく、使用者はリアルタイムに外乱の大きさを認識できる。

図１２は、計量結果の標準偏差と固有振動数の振動成分Ｆｒの相関グラフである。標準偏差とはデータのバラつき具合を示す数値であり、図１２における標準偏差は、質量２０ｇの分銅を電子天びんで１０回繰り返し計量し、１０回の計量結果から算出した。この際、１０回毎に電子天びん周辺の外乱の大きさを変えて（風速０ｍ〜０．５ｍ／ｓ）計量した。

図１２に示すように、固有振動数の振動成分Ｆｒが大きくなると、標準偏差も大きくなり、繰り返し性が悪化している。外乱が大きくなると、当然データのバラつき（標準偏差）も大きくなるため、外乱の大きさと固有振動数の振動成分Ｆｒとの相関が認められ、固有振動数の振動成分Ｆｒを外乱の大きさの指標として使用できることが実験により確認された。

（作用効果）
電子天びんの設置箇所における環境条件の変化、例えばエアコンの動作による急激な温度変化や低気圧の通過による気圧及び湿度の変化の他、周辺機器の動作振動、ドア開閉による風の発生のなど、様々な要因（外乱）が計量データに影響を与え、高精度の計量を阻害することが知られている。しかし、計量値の読み取り精度（最少表示）が０．１ｍｇ以下の分析用天びん、さらには１μｇ以下のマイクロ電子天びんでは、超高精度を実現するために、計量データに強いフィルタをかけて計量値として表示するため、計量値は安定するが使用者には外乱による変動が分かりにくいという問題があった。分銅の計量を繰り返し行った計量結果がバラついた場合、それが外的要因（外乱）に起因する性能不良なのか、故障などによる天びん本体の性能不良なのかを使用者が判断するのは困難であった。

風や振動などの外乱が電子天びん１に影響を与えている場合、電子天びん１は固有振動数で振動しており、それを荷重検出部２が拾うため、計量データである出力値Ｚｎは電子天びん１の固有振動数の振動成分を含む。このため、出力値Ｚｎから電子天びん１の固有振動数の振動成分を抽出してデータ処理を施し、表示部１０に表示することで、外乱の大きさを使用者が判断することを可能とした。

電子天びん１の性能判断には、分銅による繰り返し性の測定が有効であるが、この作業中には電子天びん１を目的の計量に使用できないという問題がある。計量値Ｗと同時にリアルタイムに表示部１０に固有振動数の振動成分Ｆｒを表示することで、リアルタイムに簡易的に外乱の大きさを使用者が認識することができる。これにより使用者は、外乱が無視可能か否か、計量結果がバラついた場合には原因は外乱によるものか天びんの性能不良か、さらに外乱の排除を行うべきかなどの判断を行うことができ、電子天びん１の性能安定を図ることができる。

（変形例）
本実施形態では、固有振動数の振動成分Ｆｒは、表示部１０に計量値Ｗと共に表示されたが、外部機器１４の表示部にグラフにより経時的変動をリアルタイムに表示されてもよい。さらに計量値Ｗと固有振動数の振動成分Ｆｒの両者を同グラフで同時に表示させるとなお好ましい。外乱の大きさを視覚的に認識でき、直感的に使用者が把握できる。

あるいは、図１３に示すように、固有振動数の振動成分Ｆｒを、段階的なレベルとして、表示部１０にインジケータ１８で表示しても好ましい。

あるいは、単純に固有振動数の振動成分Ｆｒがある数値を超えた場合に、ワーニングランプが点灯するように構成しても好ましい。

以上、本発明の好ましい実施形態や変形例について述べたが、上記の実施形態は本発明の一例であり、これらを当業者の知識に基づいて組み合わせることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。

１ 電子天びん
２ 荷重検出部
４ Ａ／Ｄ変換器
６ メモリ
８ 制御部
１０ 表示部
１２ 入力部
１４ 外部機器
１８ インジケータ
Ｆｒ 固有振動数の振動成分
Ｗ 計量値
Ｚｎ （Ａ／Ｄ変換器からの）出力値

Claims (4)

1. 固有振動数が既知の電子天びんにおいて、
   計量データを検出する荷重測定機構と、
   前記計量データを用いて演算処理を行う演算処理部と、
   を備え、
   前記演算処理部は、前記荷重測定機構で検出された計量データから前記固有振動数の振動成分を抽出して、該固有振動数の振動成分を表示する、
   ことを特徴とする電子天びん。
2. 前記演算処理部は、前記固有振動の振動成分を段階的なレベル表記で表示する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子天びん。
3. 前記演算処理部は、前記荷重測定機構で検出された計量データから算出された計量値と、前記固有振動の成分とを、リアルタイムに表示する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子天びん。
4. 前記固有振動数の振動成分とは、前記計量データから前記固有振動数近傍の振動成分のみ抽出するフィルタ処理を施した後に、絶対値を取り所定時間で平均化するデータ処理を施した値である、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３に記載の電子天びん。