JPH03170818A - 自動平衡式測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はゼロメソッドに基づく、いわゆる自動平衡式の
測定器に関する。

く従来の技術〉 ゼロメソッド（零位法）に基づく自動平衡式測定器にお
いては、一般に、測定すべき入力を打ち消すように働く
フィードバック制御系を構成して、そのフィードバック
量そのものを計測値として取り出すようにしている． 第９図に従来の自動平衡式測定器の基本的構或を示す， 力や圧力等の物理量の検出信号は、加え合わせ点９１を
経て偏差検出器９２によって偏差を電気信号に変換した
後、ＰＩＤ制御回路９３でＰＩＤ処理を施され、帰還要
素９４を介して加え合わせ点９１において検出信号にフ
ィードバックされる．そして、フィードバックすべきＰ
ＩＤ出力そのものが計測出力として取り出される。なお
、ＰＩＤ処理に代えてＰＩ処理あるいはＰＤとする場合
もある。

ここで、ＰＩＤ制御回路９３としては、例えば第１０図
にその回路構或図を示すような帰還増幅器を主体として
微分コンデンサＣＩおよび積分コンデンサＣ２を設けた
ものが使用される。

ゼロメソッドに基づく代表的な測定器として電子天びん
があるが、いずれも基本的には上述のような制御系を用
いている（例えば実公昭５５−３９２９３号、特開昭５
４−４８２７７号、特開昭６４−１６９５２２号）。

第９図に示す構戒において、系を２次遅れ系としたとき
、そのインディシャル応答は第１１図に示す通りとなる
．すなわち、Ａ点でステップ状の入力が入った場合、Ｐ
（比例）、Ｉ　（積分）およびＤ（微分）演算結果の合
計出力であるＰＩＤ出力は、鎖線で示すように安定点Ｂ
に至って安定することになる． 〈発明が解決しようとする課題〉 ところで、上記のような従来の制御系では、測定入力に
外乱を含む場合、その外乱を抑圧するように動作する． すなわち、第１２図に鎖線で示すように、Ｃ点以降に外
乱が作用したとき、ＰＩＤ出力は外乱に抗して系を安定
させるべく、外乱に応答して変動する。従って、系全体
としては安定となる反面、測定値（測定出力）にも外乱
抑圧信号が含まれる結果、安定した測定値を得るために
はフィルタを通す等の対策が必要であり、そのために測
定値の応答性が悪くなってしまうという欠点がある．ま
た、応答性を上げれば上げるはど外乱に対して敏感とな
ってしまう。更に、高制度の測定器の場合、フィルタを
用いると、フィルタに使用するコンデンサには大なり小
なり誘電吸収という現象があるため、理論的に定まる応
答時間よりもかなり長い時間待たないと、測定値が一定
にならないという欠点があり、これも応答を遅くする原
因となっていた． 本発明の目的は、系全体の安定性を損なうことなく、測
定出力の応答性を向上させ、しかもその測定出力は外乱
に対して強いものとするとともに、フィルタ用コンデン
サの誘電吸収の影響を排除することのできる自動平衡式
測定器を提供することにある． く課題を解決するための手段〉 上記の目的を達威するための構或を、第１図（ａ）の基
本概念図を参照しつつ説明すると、本発明は、偏差検出
器ａを経た偏差信号に対して比例および積分等の各演算
の内、少なくとも積分演算を個別に行う演算手段ｂと、
その各演算結果を合成する合威手段Ｃを有し、その合威
後の信号を帰還要素ｄを介してフィードバックするとと
もに、積分演算を施した信号のみを測定出力として抽出
するよう構成している． ここで、本発明では、比例および微分演算については必
ずしも個別に行う必要はないので、その基本概念図は第
１図（ロ）に要部を示すようにも表される． く作用〉 ＰおよびＩ、あるいはＰ，ＩおよびＤの演算結果の合威
信号がフィードバックされ、系全体としては従来と全く
同様の制御が行われる。

そして、合成前のＩ、つまり積分演算結果のみが測定出
力として抽出される． 第１２図から明らかなように、外乱対してＰＩＤ出力が
系の安定をはかるべく大きく変動するのは、主としてＰ
とＤ出力が大きく反応して変動するためである。ところ
が、■出力だけに着目すると、外乱を積分しているので
平滑化され、実際の外乱変動よりも逆に小さい変動にと
どまる。本発明はこの点を利用して、系全体は従来通り
の制御を保ち、測定出力のみを外乱に対して安定したも
のとし、特にフィルタ等を用いることなく、あるいは掻
く弱いフィルタで良くなり、従って応答性を損なうこと
なく安定した測定値を得ている。

〈実施例〉 第２図は本発明実施例の構成を示すブロック図で、アナ
ログ方式のＰＩＤ演算を用いた電磁力平衡式天びんに本
発明を適用した例を示している．荷重平衡機構１は皿１
１、荷重受部１２およびフォースコイル１３等によって
構成された公知のもので、荷重受部１２の変位は変位セ
ンサ２で検出されるとともに、フォースコイル１３は磁
気回路（図示せず）で作られた静磁場内に置かれる．そ
して、このフォースコイル１３に流す電流を以下のサー
ボ系で制御することによって、皿１１上に作用する荷重
と平衡するような電磁力を作り、荷重受部１２の変位を
零にするとともに、後述するように表示器９に測定値を
表示する。

変位センサ２の出力は増幅器３によって増幅された後（
この変位センサ２と増幅器３で偏差検出器を構成してい
る）、比例演算回路４、微分演算回路５および積分演算
回路６に人力される。そして、この各演算回路の出力で
ある比例、微分および積分演算結果は電圧加算・電圧一
電流変換回路７に入力される。

電圧加算・電圧一電流変換回路７は、上記の各演算結果
をそれぞれ抵抗Ｒ−，ＲａおよびＲｔを介して入力する
ことによってこれらのＰ，ＩおよびＤ出力を合戒するオ
ペレーシゴナルアンプ７ａと、そのオペレーシゴナルア
ンプ７ａの出力電圧を電流に変換するための抵抗７ｂに
よって構成されており、ＰとＩとＤ出力を合戒後電流変
換した信号がフォースコイル１３に流される． 上記した各演算回路の出力のうち、■（積分）出力につ
いては、電圧加算・電圧一電流変換回路７以外にＡ−Ｄ
変換器８にも入力され、そのデジタル変換データが測定
値として表示器９に表示される。

以上の本発明実施例によると、皿１１への荷重は荷重受
部１２の変位となり、その変位は変位センサ２によって
検出される。その変位検出信号は増幅器３を経て比例，
微分および積分回路４．５および６によって個別に各演
算処理が施された後に合威されてＰＩＤ信号となり、更
に電流に変換されてフォースコイル１３にフィードバッ
クされ、磁場と共同して荷重受部１２の変位を零に保つ
ような！磁力を発生する。

完全にバランスした状態では変位は零となり、この状態
でフォースコイル１３に流れる電流を保持しているのは
積分演算回路６の出力によるものであり、この値は皿１
１上の荷重と比例することになる．従って、この積分演
算回路６の出力をＡ−Ｄ変換器８で所定の変換係数のも
とにデジタル化することにより、そのデジタル値は皿１
１上の荷重を表す値となり、表示器９には皿１１上の荷
重を表す測定値が表示されることになる。

この状態で外乱が作用したとき、フォースコイル１３に
は従来と同様にＰＩＤ処理された信号がフィードバック
されているので、このフィードバック信号（ＰＩＤ出力
）は第１０図のＣ点以降に鎖線で示すように、系を安定
させるべく外乱に反応して大きく変動する。ところが、
積分演算回路６の出力■は、同図に示すように外乱を平
滑化して殆ど変動せず、従って、表示器９による計量表
示値はほぼ安定状態を保つ。

ちなみに、従来のこの種の天びんでは、フォースコイル
１３に流れる電流を精密抵抗等によって電圧値に変換し
てＡ−Ｄ変換しており、いわばＰＩＤ出力そのものを測
定値として表示していた。

そして次にＡ−Ｄ変換器の入力にフィルタを用いるとコ
ンデンサの誘電吸収により、応答が更に悪くなることを
既に述べた。本発明の場合、積分器の出力がＡ−Ｄ変換
器に直接入力されることになるが（弱いフィルタを併用
してもよい）、積分器に使用するコンデンサに誘電吸収
があっても、以下の理由により誤差にならないことも大
きな特徴である。

すなわち、積分器は偏差検出器（天びんの場合は変位セ
ンサおよび増幅器）の入力が０になるまでその出力を変
化させていくことになるが、誘電吸収により出力が変化
を始めれば、バランスし始めるのでそれに見合うだけ積
分器入力が変化していくことになり、結局、積分器出力
は変わらないことになり、誘電吸収の影響が表示に現れ
ないか、あるいは大幅に抑圧される。

ここで、第２図に示す構或において、比例．微分および
積分の各演算回路とこれらの出力を合成する回路は、実
際には第３図に例示するようなＰＩＤ演算回路を使用す
ることによって実現できる。

この例では、増幅器からの出力を２系統に分け、一方を
演算増幅器と微分コンデンサＣ，を傭えて微分および比
例演算を行うＰＤ演算回路３１に導くとともに、他方を
積分コンデンサＣ２を備えた積分演算のみを行うＩ演算
回路３２に導いている。

そして、これらの出力を次段の加算回路３３で合威して
ＰＩＤ出力とするとともに、フォースコイル１３に流す
ようにする。そして、Ｉ演算回路３２の出力は別途測定
出力として取り出している。

第４図は本発明の他の実施例の構戒を示すブロック図で
ある。この例は同じく電磁力平衡式の天びんでデジタル
方式のＰＩＤ演算を用いたものに本発明を適用した例を
示している． なお、この第４図において、第２図と同等の部材につい
ては同一の符号を附してその説明を省略する． さて、この例では、変位センサ２の出力を増幅器３で増
幅した後：．Ａ−Ｄ変換器４１でデジタル化して所定の
周期でそのデジタル変換データをデジタルＰＩＤ演算部
４２に採り込んでいる．このデジタルＰＩＤ演算部４２
においては、デジタルデータに後述する演算によって比
例，積分および微分処理を施し、その合威結果Ｐ＋Ｉ＋
Ｄをパルス電流発生部４３に供給している。

パルス電流発生部４３は、デジタルＰＩＤ演算部４２か
らのデータに比例して一定周期内でＨとＬの比率が変化
するパルスを出力するパルスデューティ変換回路４３ａ
と、そのバルスデューティ変換回路４３ａからのパルス
信号でＯＮ・ＯＦＦされる電子，スイッチ４３ｂ１およ
び定電流発生回路４３ｃによって構成され、フォースコ
イル１３には、定電流発生回路４３ｃからの一定電流を
電子スイッチ４３ｂによってチョッピングして得られる
パルス状の電流が流される。この構或によりフォースコ
イル１３に流れるパルス電流のデューティは、デジタル
ＰＩＤ演算部４２から供給されるＰＩＤ出力の大きさに
比例することになり、その平均電流値が作る電磁力が荷
重受部１２を平衡させる． そして、デジタルＰＩＤ演算部４２は上記のようなＰＩ
Ｄ合威信号とともにＩ出力を単独で出力し、そのデータ
を質量換算部４４に供給し、ここで■出力資質量値に変
換して表示器９に表示するように構或している． なお、以上の構成において、デジタルＰＩＤ演算部４２
と質量変換部４４は実際にはマイクロコンピュータによ
って構成され、各演算ないしは変換はソフトウエアによ
って実行される。第５図はそのマイクロコンピュータの
プログラムの要部ヲ示すフローチャートで、Ａ−Ｄ変換
器４１からのデータは一定の周期で採り込まれ（ＳＴＩ
）、中立点との偏差が求められた後（ＳＴ２）、下記の
式によって比例、積分および微分演算が行われる（ＳＴ
３）。

Ｐ冨一Ｋ，ｘ．　　　　　　　　・・・・（１）ｌ　　
ＩＩｗ　　ｌ　　ｘ軸一富）＋　　Ｋ　４　　Ｘ　　ｍ
　　　　　　・●●●（２）Ｄｘ−Ｋａ（Ｘａ−Ｘｎ−
ｔ）　　　・−−−（ａ）ここで、Ｋ．．ＫｉおよびＫ
４はそれぞれ比例，積分および微分係数であって、ｘ１
は最・新の採取データの中立点からの偏差、ｘ．−１は
前回の採取データの中立点からの偏差、Ｉｘ（ｎ−１）
は前回の積分結果である。

そして、以上の各演算結果の内、積分結果１．のみを用
いて質量Ｗが決定され（ＳＴ４）、また、同時にＰＸ，
Ｉ，，ＤＸの各演算結果は合威されてパルス電流発生回
路４３に出力されるようになっている（ＳＴ５，ＳＴ６
）。

この実施例において、バランス状態ではＡ−Ｄ変換器４
１の出力は０となり、従ってＰ．およびＤ，ｌの値もＯ
となって、ＰＩＤ出力はＩ８の値だけとなる．つまりこ
の状態ではフォースコイル１３に流れているパルス電流
のデューティはＩ．の値に比例し、換言すれば皿１１上
の荷重と１．とが比例しており、このＩ．を質量に換算
して表示する表示器９には、皿１１上の質量を表す値が
表示されることになる．なお、ＰＩＤ演算の方法はこの
例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である
． ところで、本発明において、入力（例えば皿１１上の荷
重値）の状況に応じて、積分時間を長くしたり、あるい
は微分時間を短くしたりすることによって、より一層安
定性を高めることができ、また、同様に入力状況に応じ
て比例ゲインを上げることにより、応答性を高めること
もできる。更に、入力偏差が大きいときには積分を弱く
（積分時間を短か＜）、微分を強く（微分時間を長く）
、比例ゲインを大きくし、偏差が小さくなったらこれと
は逆にするようコントロールするようにすれば、より応
答性が良く、かつ、自動平衡後はより安定性が高くなる
ようにすることができる。また、別の方法として、増幅
器３の特性を、入力が小さいときはゲインを低く、大き
いときにはゲインを高くする非線型特性とする方法も有
効である．第６図はこのような観点に立って構成したア
ナログＰＩＤ演算回路の例を示すものであって、この例
は、第３図に示したＰＩＤ演算回路の積分回路に改良を
加えたもので、積分コンデンサＣ２と直列に帰還抵抗Ｒ
，３を挿入するとともに、抵抗Ｒ１とスイッチ６１を介
して増幅器出力を直接積分回路の帰還回路に導けるよう
にしている。そして、スイッチ６１を、増幅器出力（Ｐ
　Ｉ　Ｄ入力）を入力するレベルコンバレータ６２によ
って切り換えるようにしている。

ここで、レベルコンパレータ６２は、入力電圧の大きさ
に応じて第７図に示すようにスイッチを動作させるよう
にしている。

この構或により、皿１１上に試料が載せられた直後はＰ
ＩＤ入力が大きいので、スイッチ６１は接点ａ側に繋が
れる。

スイッチ６１が接点ａ側の状態では、積分回路の入力抵
抗をＲ．としたとき、この積分回路は、として、つまり
Ｐ（比例）要素として働くと同時に、積分時間ｔ，が のＩ　（積分）要素として働く。

このため、コンデンサＣ２には速やかに電圧がチャージ
されることになり、系は速やかに平衡に近づくことにな
る。

平衡状態に近づいて、ＰＩＤ入力が０に近づくと、スイ
ッチ６１は接点ｂ側に切り替り、増幅度０の単なる積分
回路となり、かつ、この状態での積分時間ｆ−ｉｂは、 ｔ，ｂ＝Ｒ．Ｃ， と大きくなる。これにより、外乱に対するＩ出力の変化
が少なく抑えられることになって、外乱に強く、しかも
応答性を向上した天びんが得られる。

この第６図と同等の観点に立ち、構或を簡素化したもの
を第８図（ａ）に示す。この例では、電圧依存性の抵抗
素子Ｚを積分回路の入力抵抗Ｒ．と直列に挿入しており
、入力が大きい場合にはＺが少なくなって、積分時間が
短縮され、応答性がアップするようにしている．なお、
この場合、Ｒ８は第６図に示したものより小さく設定す
ることによってこの効果が得られる． ここで、電圧依存性の抵抗素子としては、第８図（ｂ）
に示すように例えばダイオードを互いに逆接続したもの
等を使用することができる。

なお、本発明は以上の各実施例に限られず、天びん以外
のゼロメソッドを用いたあらゆる測定器に適用すること
ができるとともに、上記した各実施例の構成以外に多く
の変形が可能である。例えば、デジタルＰＩＤ演算を行
うものにあっては、変位センサをデジタル出力型のもの
に代えることができ、この場合Ａ−Ｄ変換器は不要とな
る。また、デジタルＰＩＤ演算を採用してパルス電流を
フォースコイルに流す方式の天びんにあっては、一定の
電流をチョソビングする以外に、正負が切り替わるパル
ス状電流をフォースコイルに流すものにも、あるいは、
パルス電流を実質的に２種類つくり、一つを大荷重に他
を微小荷重に対応させてそのパルスデューティを変化さ
せこれらを個別に設けた２つのフォースコイルに、もし
くは重畳して１つのフォースコイルに流す方式のものに
も適用できる． く発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、自動平衡式測定
器において、ＰＩ、もしくはＰＩＤ演算を個別に行い、
フィードバック信号にはこれらを合威したものを用いる
とともに、測定出力はその内のＩ演算結果のみを抽出し
て用いるので、系全体としては従来と同等の働きのちと
に検出信号ないしはそれに含まれる外乱に対して応答す
るが、測定出力（測定値）は外乱対して従来に比して大
幅に安定したものとなる。その結果、従来のように測定
出力を通過させるフィルタを不要とするかあるいは大幅
に簡素化することができる。このため、高精度化時のフ
ィルタコンデンサの誘電吸収の影響を排除できる利点も
ある。特に２次遅れ系を有する場合に、ＰＩＤ制御が必
要となり、微分（Ｄ）は外乱に対して大きな出力となる
が、本発明の適用によって上記の作用効果は極めて有用
となる． また、この本発明の構成によれば、上記の効果に付随し
て比例ゲインを上げて微分を強く効かずことが可能とな
るので、系の安定性を劣化させずに高応答の測定器を得
ることができるという利点も引き出せる． 更に、以上のことから、従来測定が困難であった場所や
環境化でも、安定した測定値が得られる測定器を実現す
ることができる．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構戒を示す基本概念図、第２図は本発
明をアナログＰＩＤ演算方式の天びんに適用した場合の
実施例の構戒を示すブロック図、第３図はそのＰＩＤ演
算回路の具体的な回路構成例を示す図、第４図は本発明
の他の実施例で、デジタルＰＩＤ演算方式の天びんに本
発明を適用した場合の構或を示すブロック図、第５図は
そのプログラムの内容の要部を示すフローチャート、第
６図は本発明をアナログ演算方式の天びんに適用した場
合のＰＩＤ演算回路の他の実施例を示す回ｉ１１１７ｆ
ｆｌＬ　第７図はそのレベルコンパレータ６２の動作説
明図、第８図は第６図のＰＩＤ演算回路を簡素化した例
を示す回路構或図、第９図は従来の自動平衡式測定器の
基本的回路構或図、第１０図は従来のＰＩＤ演算回路の
例を示す回路構或図、第１１図は自動平衡式測定器のＰ
ＩＤ出力のインディシャル応答の説明図、第１２図は同
じく自動平衡式測定器のＰＩＤ出力の外乱に対する応答
の説明図である． １・・・・荷重平衡機構 １１・・・・皿 １２・・・・荷重受部 １３・・・・フローチャート ２・・・・変位センサ ３・・・・増幅器 ４・・・・比例演算回路 ５・・・・微分演算回路 ６・・・・積分演算回路 ７・・・・電圧加算・電圧一電流変換回路８・・・・Ａ
−Ｄ変換器 ９・・・・表示器 ４１・・・・Ａ−Ｄ変換器 ４２・・・・デジタルＰＩＤ演算部 ４３・・・・パルス電流発生部 ４４・・・・質量換算部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 検出信号にフィードバック信号を加え合わせた偏差信号
   を、偏差検出器に入力して増幅した後、少なくとも比例
   および積分演算を施すとともに、帰還要素を介して上記
   フィードバック信号として上記検出信号に戻すことによ
   り、上記偏差検出器への入力偏差を０にするような自動
   制御系を構成した測定器において、上記各演算の内少な
   くとも積分演算を個別に行う演算手段と、その各演算結
   果を合成する合成手段を有し、その合成後の信号をフィ
   ードバック信号とするとともに、積分演算を施した信号
   のみを測定出力として抽出するよう構成したことを特徴
   とする自動平衡式測定器。