JPH0412221A - 計測器の経時誤差を補償する方法及び装置 - 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〕 この発明は、力または質量をデジタル値として計測する
例えば計量機、風洞天秤、圧力計等の計測器に関し、特
にその装置に用いられる検知器のクリープ等による経時
誤差を補償する装置に関する。

〔従来の技術〕

例えば、；ｉｌ量機の荷重検知器は、レバー機構または
ロバ−ハル機構またはこれ等のスプリング併用機構を用
いてその荷重による撓みを電気信号に変換するか（以後
＠ｌの型と呼ぶ）、または起歪体を用いてその歪を歪計
により電気的に検知する（以後第２の型と呼ぶ）ように
なっている。このような検知器は一般に荷重の印加によ
り直ちに出力信号を発生ずるが、その信号値が時間と共
に僅かながら変化して、指示誤差を生しることがある。

この現象をクリープと呼び、このクリープ誤差を補償す
る技術は例えば米国特許第４，４１２，２９８号および
第４，６９］、、２９０号に開示されている。

〔発明か解決しようとする課題〕

しかし、上記第１の型の検知器では、周囲温度によりそ
のクリープ特性が変化することが多く、指示精度を向上
するためにクリープの補償量に温度補正な加える必要か
ある。また、上記第２の型の検知器である歪計ロードセ
ルのように起歪体に機械電気変換器を貼着または接着す
るものでは、起歪体の歪と変換器の歪との間に時間と共
に微妙な差を生じる。これは詳細に後述するように「応
力緩和」によるものである。従って、このような型の検
知器ては、公知のクリープと上記の応力緩和を包括的に
補償する必要かあり、更に第１の型と同様に補償量の温
度補正が必要である。しかしながら、上記従来技術引例
にはこれに関する記載かなく、指示値の経時誤差の補償
は完全でないと考えられる。

従って、この発明の第１の目的は、＃１測器のクリープ
による指示値の経時誤差の補償量に温度補正を加え得る
進歩した補償装置を提供することである。

この発明の第２の目的は、計測器のクリープによる指示
値の経時誤差の補償量に応力緩和による誤差の補正を加
え得る進歩した補償装置を提供することである。

この発明の第３の目的は、計測器のクリープと応力緩和
による経時誤差の補償量に必要に応して温度補正を加え
得る進歩した補償装置を提供することである。

（課題を解決するだめの手段〕 」１記の目的を達成するだめの本発明は、検知器からの
計測信号を離散信号として出力する計測器と共に用いる
補償装置である。補償の対象は、検知器に負荷を印加し
たときに、負荷に対応した経時的変化を伴なう誤差を含
んているＪ１測器の計測信号である。この補償装置は、
経時的誤差信号を生成する検知器の伝達関数と本質的に
逆の伝達関数を生成する伝達関数生成手段を含んている
。

〔作　　　用〕

上記の検知器の等価モデルを考えると、これは、入力負
荷の時間的変化と全く相似の時間的変化を示す出力を生
じる理想検知部と、これに直列に接続され、出力に経時
的誤差を与える経時的誤差生成系とからなる。この経時
誤差生成系によって、検知器の出力に経時誤差が生しる
と考えることかてきる。従って、この経時誤差生成系の
パルス伝達関数（以下伝達関数という）をＧ　（ｚ）と
すると、本願発明の補償装置の補償手段の伝達関数をＩ
／Ｇ（ｚ）としておけば、上記検知器を含むａ１測器か
らの離散信号を本願発明の補償装置に入力することによ
って、本願発明の補償装置より経時的に変化する誤差を
補償した出力を得るととかてきる。

（実　施　例） この発明の詳細な説明なする前に、先ず計量機のクリー
プ特性と計量機の構造との一般的関係について考察する
。

計量機に用いられる荷重または力の検知装置は起歪体の
撓みまたは歪を電気信号に変換するものが多い。第４図
に示すように、通常、起歪体は荷重の印加（時点シロ）
により直ちに初期撓みδ（（））を生しるか、この撓み
はここで安定せず１曲線Ｉて示すように僅かではあるか
時間と共に増大する。この変化量は長時間後には一定の
安定値即ち最終撓みδ（ｏＯ）に達する。また、印加荷
重を除去したときも（時点ｔ１）、撓みは直ちに完全に
零に復帰せず、図示のように残留効果示す。これは起歪
体の撓みまたは歪がクリープ特性を持つためて、印加荷
重の小さいときも曲線ＩＩて示ずように同様である。以
後、次のように定義し、δｃ（ｔ）を撓みのクリープ量
、δＣＣを撓みの最終クリープ量、βをクリープ係数と
呼ぶ。

δ　（し）＝δ（１）−δ（ｏ）　　　　（１）δ　　
＝δ（ＯＯ）−δ（０）　　　（ｌａ）Ｃ 但し、δ（シ）は荷重印加後を時間における撓みである
。また、起歪体の撓みと歪は比例するから、撓みδ（１
）、δ（０）、εｃｃに対応する歪をそれぞれε（１）
、ε（０）、εｃｃとすると。

δ（Ｌ）　＝　Ｋ　ε（Ｌ）、δ（０）　＝　Ｋ　ε（
ＩＩ）、δｃｃｇＫｅｃｃとなり、従って、 となる。従ワて、歪（に関するクリープ特性も楠みδに
関するそれも、無次元化して表すと第４図に示ずように
同形となる。

起歪体にかかる定荷重Ｗの段階状入力ｗ−ｕ（Ｌ）に対
する応答か長時間後に安定する場合のモデルはフォーク
トモデル（Ｖｏｉｇｔ　ｍｏｄｅｌ）と呼ばれ、次式て
近似することが出来る。

し ｅ（ｔ）＝ε（ｏｏ）＋［ε（０）−ε（Ｏｏ月ｅ　　
　Ｑ　　（３）ここて、τ、は後述のクリープの時定数
である。

今、 ε（ｏｏ　）　−ｅ　（０）　＝ε。ｃ（４）と置くと
、式３は次のように書ける。

これに式２ａを適用すると、 ε（ｔ）＝ｅ　（０）［１＋β（１−ｅ　　　　ＩＩり
　　　　　　　（３ｂ）歪な撓みに書き直すと、 δ（１）−δ（０）　［１＋β（１−ｅ　　９月　　（
５）計量機の荷重検知用の起歪体の材料は、弾性比例限
界値か大きく、クリープ係数βか小さい鋼合金、アルミ
ニウム合金、または高級な恒常弾性材料、例えばＣＯ−
口１ｎｖｅｒやＮｉ−５ｐａｎ　Ｃか好ましい。

βの値は材料により異なるか、２０℃てＩ　／　５０　
［１〜１／２０圓のものか多い。この値は通常２０　’
Ｃ以」−ては温度と共に増大し、２０°Ｃ以下ては温度
と共に若干減少する傾向にある。クリープによる誤差の
補正精度を余り問題にする必要のないときは、これを常
数と考えてよい。

前述のように、この発明の補償装置は入力計量信号がデ
ジタル離散信号（以下離散信号という。）であることを
要するが、計量装置にアナログ出力型とデジタル出力型
かあるため、計量装置との接続形式か次の２種に大別さ
れる。その第１の型は第５図に示ずものて、工１量装置
ｌか計量ユニッ）へ２と変位信号変換ユニット３を含む
。調量装置ｌに印加された荷重ｗ（ｔ）は起歪体に撓み
δ（１）を生し、この撓みは変位電圧または電流変換器
３により電圧または電流のアナロク電気信号ｅ（ｔ、）
に変換される。従って、この４量装置１の出力ｅ（し）
は八り変換器４により離散信号ｆ　（ｎＴ）に変換され
た後、本願発明の補償装置１０に印加されて補償△ 済信号ｙ　（ｎＴ）となる。但し、■はサンプリンタ間
隔、ｎはサンプリング番号である。第２の型は第６図に
示すものて、計−は装置ｌか計量ユニウ１−２と変位限
時３１数変換器５を含みむ。この場合は計量ユニッｌ−
２の撓みδ（し）に対応する周波数のパルスが発生され
、所定時間内のそのパルス数か計数される。この計数値
は離散信号ｆ　（ｎＴ）を形成し、上記の動作は所定時
間ごとに繰返し行われるから、直ちに本願の補償装置１
０に印加することか出来る。

クリープ特性を示す計量機構の第１の例は特公昭５１１
−３：ｌ’１２８５公報に開示のものて、これば」−記
第■の型に属し、計量ユニット２に起歪体としてスプリ
ンタを用いたロバ−ハル機構を含み、変換器３として差
動変圧器を用いている。起歪体としてリングまたはルー
プ状の弾性体を用いたものもこの例に含まれる。

第２の例は特公昭’１９−２７８４９号公報に開示のも
のて、第１の例と同様の起歪体を用いるが、上記第２の
型に属する。変換器５は撓みにより容量を変えるコンデ
ンサを組込んだ可変周波数パルス発振器と限時計数器を
含み、この計数器の計数値がデジタル信号ｆ（ｎＴ）を
形成する。

第３の例は特公昭５９−］：１１１３１号公報に開示０
ものて、弦振動の周波数かその弦の引張力により変わる
性質を利用した可変周波数パルス発振器と限時計数器を
含み、上記同様に離散的デジタル信号ｆ　（ｎＴ）を生
成する。この形式の力検知器の呈するクリープは極めて
小さく、例えばクリープ係数か約１　／　５０　［１０
である。

第４の例は特公昭６［］−３２１２７号公報に開示０電
磁平衡型のもので、荷重による変位を打消す電磁力を生
じるように電磁コイルに電流を流し、その電流に比例す
る電圧を第２図のアナロク信号ｅ（Ｌ）として取出すか
、このアナロク信号はクリープ特性と同様な経時変化特
性を生じることが多い。上記電磁コイルは平衡用電流の
増加により電力消費を増して短時間内にコイル自身の温
度を上昇するか、これによる重量信号の誤差に対しては
通常温度補償か成されている。しかし、コイルからの熱
か質量の大きい磁石全体に伝導して熱平衡に達するには
長時間を要し、また上記の磁石の磁束は前記の長時間の
温度により徐／Ｚに変化する。これか経時変化特性の主
原因であると考えられる。

上記各個のどの場合ても、単位荷重を階段状に載荷した
とき、第５図または塙６図のクリープを含む出力信号ｆ
　（ｎＴ）はサンプリング間隔Ｔの離散値から構成され
る。初期信１号を大きさｌの単位信号とすると、この信
号ｒ（ｎＴ）は次−式て表される。

これは、前人３１）または５の歪ε（１）または撓みδ
（１）と上式６の信号ｆ　（ｎＴ）との対応関係におい
て、初期歪（（０）または初期撓みδ（０）と初期信号
ｆ（０）とが比例的に対応するからである。

単位入力ｕ　（ｎＴ）に対する式６のＺ変換Ｆ　ｕ　（
ｚ　）は次のようになる。

１−ｅ”！７．−１ 弐［１の分母による除算を実行すると、クリープを生じ
ない場合を想定して、階段状の単位信号ｕ　（ｎＴ）か
入力したとすると、その入力信すは次式て表される。

ここで、 Ａ−β（１ ′ｔ９） （］Ｏｂ） （Ｉｎｃ） この弐８のＺ変換Ｕ（ｚ）は次のようになる。

と置くと、 ｎ＞１のときＧ１．（ｚ） は次式で表され る。

クリープの伝達関数Ｇ　１　（ｚ）は、クリープを含む
信号のＺ変換Ｆｕ（ｚ）とクリープを含まない信号のＺ
変換Ｕ　（ｚ）との凡て表されるから、式７と式９から
、 ■　５ ■ 上式１（）ｃのＢは式１０ａの隣接項の係数の比、即ち
ｚ　−Ｉ　ｎ　＋　Ｉ　Ｉの係数とｚ　−ｎの係数の比
であるから、式Ｉｎｃはクリープの時間推移率の関係を
表す。

」二人１０は荷重の載荷状況をモデル化し、階段状単位
信号ｕ　（ｎＴ）の印加を仮定して求めたものであるが
、上記のように入力と出力の関係か線形と考えて差支え
ないときは、荷重が任意の時間に関する関数として印加
される場合に、クリープを含まないモデル化理想人力［
１（ｎＴ）とクリープを含む実際の出力ｒ（ｎＴ）の間
に式１０と同様の関係か成立する。従って、それぞれの
信号のＺ変換をＦｌ（７，）Ｆ（ｚ）て表ずと、次の関
係か成立する。

Ｆ　（ｚ）　−Ｆ　＋　（ｚ）・Ｇ＋（ｚ）　　　　　
（１１）従って、第５図、第６図の補償装置１０の伝達
関数Ｈｌ　（Ｚ）をＧ　ｌ　（ｚ）の逆伝達関数をする
と、これは１次系の伝達関数として次式で与えられる。

この式１２の系は安定で、この式による伝達関数を持つ
補償回路は実現可能である。補償装置１０の出力信号の
Ｚ変換をＹｌ（ｚ）とすると、式１１から次式か成立す
る。

△ Ｙ　＋（ｚ）＝　Ｆ　（ｚ）　・Ｈ＋（ｚ）〜Ｆ　＋（
ｚ）　　　（１３）即ち、信号Ｙ、（ｚ）としてモデル
化した理想信号Ｆ　ｌ　（Ｚ）に近いものか得られるか
ら、これから変△ 換された信号ｙ＋（ｎＴ）はクリープ補償済の信号と？
） １−［ｅ　　ＴＺ−β（１−ｅ　　ｚｌ］ｚなる。

高精度の補償を要する場合は、クリープ係数βか温度０
の関数であるとして補正を行う。ここてはクリープ係数
βを２次の多項式て表わすものとする。例えは、その２
０°Ｃの値をβ（２０）とすると次式か成立する。

β　（０）＝β（２０）　［ｌ＋Ｃ＋（０−２０）＋Ｃ
２（０−２０）２］（Ｉ４） 式１４の係数β（２０）、Ｃ１、Ｃ２を決定するには、
先ず３つの温度点例えば−１０°Ｃｌ２Ｏ°Ｃ１４０°
Ｃにおいてそれぞれ単位荷重を印加した際の初期撓みδ
（０）に対応する出力信号［（０，０）と、最終撓みδ
（（１））■ として実用上掛なくとも負荷後２時間経過した時刻にお
けるこれに対応する出力信号ｆ（Ｃｘ）、０）を測定し
、２８式より変形して求めた下記の２ｂ式を用いて、各
温度に対する係数値β（−１０）、β（２０）、β（４
０）を算出する。

これ等３組のβ値とβ値を式１４に代入して３つの連立
方程式を作り、これを解いてβ（２０）、ＣＩ、　Ｃ２
の数値を得る。このようにして同定された式１４て計算
されたクリープ係数βは上記補償回路の伝達関数＋１１
（Ｚ）の式１２に使用出来るが、開式の時定数で。は次
のようにして決定される。即ち、公知のように、時定数
で、は第４図に示すようにクリープ特性の初期微分係数
に関係するから、弐６のクリープを含む出力信号ｆ（ｎ
Ｔ）の初期微分係数をとると次式か成立する。

従って、常温におけるｆ　（ｎ　’ｒ　）の連続したデ
ータを測定し、上式の関係を利用して時定数で９を決定
することか出来る。時定数τΩはまたパーソナルコンピ
ュータの回帰分析用プログラムソフｌ〜を利用して決定
することも出来る。これによって伝達関数＋１１（７，
）の式１２か完全に同定された。

補償装置ＩＯの一実施例を第１図に示す。この補償装置
１０は、入力デシタル信号ｆ（ｎＴ）に式１２による伝
達関数Ｉｔ　ｌ　（Ｚ　）の重み付けをして出力信号ｙ
ｌ（ｎＴ）を生成する補償演算回路２０と、式１２中の
クリープ係数βの温度補正値β（θ）を式１４によって
算定し、これを回路２０に供給するクリープ係数演算回
路１１を含み、回路１１はまた計量ユニッｌ−２（第５
．６図）の起歪体近傍の温度を検知する温度検知器１３
を備えた温度測定回路１２からの温度信号θを受けるよ
うになっている。式１３について説明したように、回路
２０の出力ｙｌ（ｎＴ’）は本来クリープ補償済の５１
量信号であるか、回路１】の追加により、出力ｙｌ（ｎ
Ｔ）は温度に無関係の補償済み信りとなる。

ｆ５２図は補償演算回路２０の一実施例を示す。この回
路は本質的に非巡回型と巡回型の回路を含むデジタルフ
ィルタとして構成され、式１２の右辺の演算を実施する
ようになっている。即ち、図中破線て囲まれた非巡回回
路から成る部分２１が右辺の分子（または第１項）の演
算を担当し、巡回回路から成る部分２２が分母（または
第２項）の演算を担当する。部分２１は遅延素子２３、
係数乗算器２４．２５および加算器２６を含み、部分２
２は加算器２７、遅延素子２８および係数乗算器２９を
含む。入力信号ｆ（ｎＴ）は遅延素子２３によりｌサン
ブリンク時間Ｔたけ遅延された後、係数乗算器２４によ
り係数ｅ−Ｔ／ｃ２を乗しられる。入力信号ｆ（ｎＴ）
はまた係数乗算器２５により係数１を乗ぜられた後、加
算器２６により係数乗算器２４の出力に加算される。加
算器２６の出力は回路２０即ち装置１０の出力ｙｌ（ｎ
Ｔ）を出力する加算器２７の一方の入力に接続されるか
、その加算器２７の出力は遅延素子２８により１サンプ
リンタ時間たけ遅延された後、係数乗算器２９により係
数ｅ−Ｔ／ｃｇ−β（］−ｅ　−”　”　）を乗しられ
る。係数乗算器２９の出力は加算器２７の他方の入力に
フィー１〜バツクされて加算器２６の出力に加えられる
。係数乗算器２９ば第１図のクリープ係数演算回路１１
の出力β（０）を受けて、これにより上記係数の値を計
算する機能を備えている。

即ち、任意のｎ時点の入力ｆ（ｎＴ）か印加されたとき
の補償演算動作を説明すると次のようになる。このｎ時
点の入力ｆ（ｎＴ）と係数乗算器２５の係数１との積と
、遅延素子２３に記憶されているｎ時点の１つ前のｎ−
１時点の入力ｆ（ｎ−１・Ｔ）のデータと−Ｔ／　　τ 係数乗算器２４の係数−ｅ　　　９との積とを加算器２
６により加算して得られる合計出力値と、遅延素子２８
に記憶されている１１時点の１つ前のｎ−］時点の出力
ｙｌ（ｎ−１・Ｔ）のデータと係数乗算器２９の係数−
Ｔ／τ １′−−（＋−ｃ　　　ｆｌ　）との積とを加算器２７
て合計して、得られた値をｎ時点の出力ｙｌ（ｎＴ）と
して出力するのである。上記の補償演算は新しい入力毎
に繰返し行なわれる。

式１２の右辺をＺについて展開した後、式１０ａ〜１０
ｅに準して変形すると 次式か得られる。

器３Ｚの出力と加算される。加算器４１の加算出力は但
し、 式１２ａの伝達関数も安定な系として実現可能であり、
第３図はこれを補償演算回路２（）の他の実施例として
実現した回路を示す。この回路２０も非巡回回路部分３
０と巡回回路部分４０から成り、部分３０は係数乗算器
３１．３２および加算器３３を含み、部分４０は加算器
４１、遅延素子４２および係数乗算器４３を含んている
。入力信号ｆ（ｎＴ）は係数乗算器３１．３２によりそ
れぞれ係数Ｊ＋Ａ／Ｂｌ、−八／Ｉｌｌを乗しられた後
、それぞれ加算器３３．４１に供給される。加算器４１
の出力は遅延素子４２によりｌサンプリング時間Ｔたけ
遅延された後、係数乗算器４３て係数８１を乗しられて
加算器４Ｉにフィーハックされ、係数乗算加算器３３に
より係数乗算器３１の出力と加算されて出力ｙｌ（ｎＴ
）を生成する。この回路ては、パラメータ八、旧が式１
０ｂ、　１２ｂて示すようにクリープ係数βを含むから
、係数乗算器３］、３２．４３はそれぞれクリープ係数
演算回路ＩＩ（ｆｉ１図）の出力β（ｌを受けてそれぞ
れの係数を４算する機能を備えている。従って、実際の
回路構成は第２図の実施例より複雑になると考えられる
。この場合の動作は第２図の動作の説明から容易に理解
されるから、繁雑を避けるためその説明を省略する。

第７図はいわゆるストレーンゲージ・ロー１へセル型計
量ユニットの構造を示す。このユニツ１へは、起歪体５
０として、図示のような厚さ一様の長方形の弾性材料の
厚板にほぼ長方形の開口５１を設り、その４隅を特に切
込んて起歪部５２としたものを用いる。この起歪体５０
の一端を基台５３に固定し、負荷側ブロック５９に計量
台５４を設けてこれに荷重５５を載荷すると、起歪体５
０は起歪部５２において撓み、ロバ−ハル機構のような
平行４透彫型の変形を生じ、計量台５４は荷重に対応す
る変位δを示す。この変位を測定するため、各起歪部５
２の表面に第８図に詳示するように絶縁材５７を介して
歪５１５６か貼着または接着され、更に絶縁被覆５８か
施されている。４つの歪計はブリッジ接続され、ソリッ
シ出力電圧か増幅されて第５図のアナロク計量信号ｃ　
（ｔ）となり、更に八り変換されてデジタル計量信号ｆ
（ｎＴ）となる。

この計量装置ては、荷重を載荷すると直ちに信号ｆ（ｎ
Ｔ）の初期値が現れるか、その値は通常上記実施例と同
様に微量の経時変化を示す。しかし、その変化は弐６に
従わない場合もあり、これは次の理由による。即ち、歪
計のように起歪体に貼着または接着された変位電気信号
変換器を用いる場合、起歪部５２の表面に生じる歪（以
後「起歪体の歪」と呼ふ）ε（シ）は式３ｂに従うか、
上記絶縁材５７や絶縁被覆５８の影響を受けるため、歪
計に生じる歪εｇ（ｔ）に等しくならない。これを両者
間の応力緩和と呼ぶ。今、歪ε（シ）を入力とし、歪ε
ｇ（Ｌ）を出力とする応力緩和系を考え、これを等価な
信号の伝達系と見なして、その伝達関数を求める。

今、入力歪ε（１，）を階段状の単位信号＼＋（ｎＴ）
とすると、次式が成立する。

このＺ変換は次のようになる。

これに対する出力信号ｗ（ｎＴ）は、応力緩和の時定数
をτ、応力緩和係数なγとすると、次式て表される。

式１７のＺ変換は次式て表される。

”−１９ｚ−１＋ 従って、応力緩和の伝達関数Ｇ　２　（ｙ、）は次のよ
うになる。

Ｔ　　　　　　　　　　　　Ｔ １−ｅ　　９Ｚ−１ 式１９の応力緩和係数γは、式１４のクリープ係数βと
同様に、２０　°Ｃを基準とした温度０の２次関数とし
て次式て表ずことか出来る。

γ（Ｏ）＝γ（２０）　［１＋Ｃ３（θ−２［］）＋Ｃ
４（０−２０）２］（２［＋） さて、荷重による出力に経時変化を含むロードセルの歪
計を第９図に示すような等価モデルて考える。即ち、６
は荷重の載荷時にその荷重の時間的変化と全く相似の時
間的変化を示す出力を生しる「理想荷重変換器」、７は
それに直列に接続されてその出力に経時誤差を与える「
経時誤差生成系」である。この「経時誤差生成系」によ
って歪工１の出力に経時誤差か生じると考え、今ここて
は、この「経時誤差生成系」か前記のクリープを生しる
系と応力緩和系から成るものと考える。このように考え
ると、「経時誤差生成系」の入力εｇｉ（１，）は理想
モデル化信号（経時誤差を含まない歪）、出力εｇ（Ｌ
）は実際の信号出力（経時誤差を含む歪）となり、この
「経時誤差生成系」の伝達関数Ｇ（ｚ）は、クリープの
伝達関数Ｇ　１　（７，）と応力緩和の伝達関数Ｇ　２
　（７，）の積で表すことが出来る。

１−ｅ’　　−’ １−ｅ　　ｑｚ−１ 右辺第１項および第２項のそれぞれの除算を行った後、
双方を除算して展開し、極めて値の小さいβγの乗積項
を省略すると次式か得られる。

Ｔ／τ Ｇｆｚ）　＝□、−［β（□−”　　’ｌ　−Ｔｆｌ−
ｅ−”（１，］２−１Ｔ／τ　−Ｔ／τ ＋　［８（１−ｅ　　’　ｌｅ　　’　−Ｙ　（１−ｅ
−”ｑｌｅ−Ｔ”ｑｌｚ−２−Ｔ／”　−２Ｔ／”　　
−Ｔ／Ｔ　　−２Ｔ／”ｇ］、−３＋［β（１−ｅ　　
　ｌｅ　　　−Ｔ　（１−ｅ　　　１ｅ−Ｔ／τ　−３
Ｔ／τ　　　−Ｔ／τ　−３Ｔ／τ！ ＋　［β（１−ｅ　　　　　　　ｌｅ　　　　　　　　
−Ｔ　（１，−ｅ　　　　　　　ｌｅ　　　　　　　ｑ
ｌｚ−’十””””’　　　　　　　　　　　　　　　
＋２］、ａｌ今この伝達関数Ｇ（ｚ）を持つ系に単位入
力信号ｕ（ｎＴ）か印加され、出力信号ｅ　ｇｕ（ｎＴ
）を生しると仮定し、出力信号のＺ変換をＥｇｕ（ｚ）
とすると、これに任意温度Ｏについて式２４、式１４お
よび式２０を適用すると、次の関係が成立する。

上記出力信号εｇ　１１　（ＩＩ　Ｔ　）はロードセル
の歪計が単位荷重の階段状入力を受←プて歪εｇを生し
たときの経時変化を表ず。上式２２にＺ変換の最終値の
定理を適用し、またＧ（ｚ）に式２１を適用し、更にβ
γの乗ａダＩを省略すると、次式か得られる。

また、 ；β（２０）−γ（２０） この式２３は階段状単位荷重の印加から長時間後の１１
力を表す。

また、式２２にＺ変換の初期値の定理を適用して、同様
の処理を行うと次式が得られる。

ε、、（１１）　＝　１　　　　　　　　　　　　（２
４）この式は単位荷重印加時の初期出力を表す。

式２３から、 εＲｕ（■）−１−β−γ と書くと、このα（０）はストレーンゲージ・℃１−１
−セルの歪計の歪に関する経時変化係数て、α（０）は
次のように表すことが出来る。

α（θ）＝α（２０）［ｌ＋Ｃ３（ｅ−２０）＋ｃ６（
θ−２０）　］　　　　（２６＋式２４．２５．２６を
それぞれ（０−２０）に関する多項式として、各項の係
数を比較すると次の関係か成立する。

贋２０）　＝　８（２０）−〇（２０１Ｄ７ａ）上式２
７ａ　、　２７ｂ、２７ｃから係数ｙ　（２０）とパラ
メータＣ３、Ｃ４の値を決定することが出来る。

次に、実際に式３ｂによりストレーンゲージ・ロードセ
ルの起歪体の歪のクリープ係数β（０）を求める手順と
、そのロー１へセルの出力信号の経時変化係数α（０）
を測定してその応力緩和係数γ（θ）を算定する手順を
説明する。この場合、ロー１〜セルの起歪体の歪（（ｔ
）のクリープ特性を直接測定することは困難であるから
、第７図について前述した負荷側ブリンク５９の垂直方
向の変位δ（Ｌ）を精密な変位Ｎｌｄ定器（図示せず）
を用いて測定する。即ち、起歪部５２の歪ε（Ｌ）と負
荷側ブリンク５９の変位δ（シ）の間に直接関係かあり
、式３ｂと式５の関係か成立すると考える。この測定て
は、サンブリンク間隔Ｔを３〜６秒の範囲で適当に選び
、最終撓みδ（（１））の測定時点を荷重印加後２〜３
時間とする。また、温度係数の決定に用いる温度は前記
のように一１０°Ｃｌ２Ｏ°Ｃ１４０°Ｃとすればよい
。

先ず、温度２（）℃において、第７図の計量台５４に単
位荷重５５を瞬間に載置し、負荷側ブロック５９の撓み
δ（ｎＴ、　０＝２０°Ｃ）と計量出力ｆ（ｎＴ、θ＝
２０’Ｃ）のサンプリング番号ｎ＝］、２．３・・・・
の離散データを２時間に亙って採る。次に、温度−１０
°Ｃと４０°Ｃにおいて同様の測定を行い、同様の離散
データを採る。上記３温度における撓みδのデータ中か
ら、それぞれδ（０）とδｃｃを求め、２３式を用いて
、β（２０）、β（−１０）、β（４０）を算出する。

この値を用いて１４式に関する３つの方程式を作り、こ
れを解いて、式Ｊ４の未知パラメータβ（２０）、Ｃ１
、Ｃ２を算定する。

さて、ｉｔ　ｆｆｉ出力ｆ（ｎＴ）は前記の歪計に生じ
る歪εｇ（ｔ）に比例すると考えることが出来る。従っ
て、単位荷重を階段状に印加したときの出力信号をｒ　
ｕ　（ｎ　Ｔ　）とし、その初期値をｆｕ（［］）　、
　ｉ時開時間収斂する安定値をｆｕ（ｏｏ）とすると、
前記の９ｇ１１（ｎＴ）、εｇｕ（ＩＩ）　、　　εｇ
Ｉ＋（（１））かそれぞれ薗（ｎＴ）、ｆｕ（０）、　
ｆＨ（ｏｏ）に対応する。従って、ｆ　ｕｃｃ　＝　ｆ
、　（（Ｘ））　−ｆ、（０）　　　　　　（２８）と
定義すると、式２５ａのストレーンゲージ・ロー１〜セ
ルの経時変化係数α（０）は次式て表される。

この式２９に上記３温度における計量信号の測定値を用
いることにより、その３温度における係数α（０）を算
出することが出来る。従って、前記クリープ係数β（０
）の算定手順と同様の手順により、式２６の未知パラメ
ータα（２０）、Ｃ５、Ｃ６を算定することか出来る。

また、以上のようにして得られたβ（２０）、Ｃ１、Ｃ
２、α（２０）、Ｃ５、Ｃ６を式２７ａ１２７ｂ、２７
ｃに適用すると、γ（２０）、Ｃ３、Ｃ４か得られる。

次に５時定数τ　、τρを決定する。式１９の右辺の分
母による除算を行うと次式か得られる。

Ｔ／Ｔ Ｇ２（ｚ）　＝　１−７（１−ｅ　　　ｑ）ｚ−１（１
９ａ） また１式１０ａ、１９ａ、２１ａの関係から次式が成立
する。

Ｇ２（Ｚ）　　＝　　ＧＣｚ）　　−Ｇ＋（ｚ）　　＋
Ｉ　　　　　　　（３０）この式３０において階段状人
力ｕ（ｔ）か印加された場合を考える。ｕ（ｔ）のＺ変
換は、 であるから、 また、式１９、式２２および式１０から次の３式４＜得
られる。

これ等を式３１に適用すると次式か得られる。

Ω（ｚ）＝Ｅ　、、、（Ｚ）−Ｅ　、（Ｚ）　　　　　
　　（３３）式３２のＦＵ（Ｚ）は、式７について前述
したように、階段状単位荷重を印加されたロー１〜セル
の起歪体の歪を表す出力信号のＺ変換て、クリープのみ
による経時誤差を含むものである。この関数を求めるた
め、第７図の負荷側ブロック５９の垂直方向の撓みδ（
１）かストレーンゲージ５６の応力緩和の影響を受側づ
ることかないのて、この撓みδ（シ）を精密な変位測定
器（図示せず）を用いて測定する。式５における初期変
位δ（０）を１と置くことによりδ（Ｌ）を無次元化し
て図示すると第１０図の曲線Ｉが得られる。式３２のＵ
（７，）は階段状の入力のＺ変換で、第１０図における
水平の点線で表されるから、式３２のＥｒ（ｚ）は第１
０図の矢印で示されるクリープによる誤差を表す関数と
なり、クリープ誤差関数と呼ばれる。また、式３３のＥ
ｇｕ（ｚ）は第８図の歪計５６の計量出力ｒ　Ｌｌ　（
ｎ　Ｔ　）のＺ変換て、クリープと応力緩和の双方の誤
差を含む。計量出力ｆｕ（ｎＴ）は歪計の歪εｇ　ｕ　
（ｎ　Ｔ　）に比例するから、その初期値ｆｕ（０）を
１と置いてこれを無次元化すると、計量出力ｆｕ（ｎＴ
）を測定することにより、関数Ｅｇｕ（ｚ）を第１０図
に曲線ＩＩとして表すことか出来る。従って、応力緩和
のみによる誤差を表ず式３３の関数Ω（７，）は曲線Ｉ
Ｉから矢印の部分を差引いて得られる曲線■として与え
られる。

これまでストレーンゲージロードセルに階段状人力を印
加したときの応力緩和の関数Ω（ｚ）を求める手順の理
論について説明したが、実際に精度の高い各パラメータ
の値を得るためには、各測定ことに測定誤差を少なくす
るように配慮する必要かある。−例として、撓みδ（ｎ
Ｔ）またはロー１〜セルの出力ｆ（ｎＴ）の各サンプリ
ンタ番号ｎ＝１２．３・・・・に対応する離散データと
して５柱間隔てサンプルする場合に、生のデータとして
は１行間隔てデータを得て、各サンプル点を中心にこれ
に近い前後のデータ５個の平均を求めて、各サンプル点
のデータとする。また第２の例としては、測定を複数回
行って、その平均を測定値とする。

この場合、各回ごとの測定を行う際には、前回の測定に
よって生したクリープ効果の完全な消滅を待って測定を
開始する必要かある。第１Ｊ図は、前記のように６（ｎ
Ｔ）またはｆ（口Ｔ）を用いて算出したΩ（Ｚ）の値を
点線てっないて得られた曲線てあり、これは階段状の入
力を印加したときの応力緩和関数な表わすものである。

応力緩和はｎＴ＝　Ｏのとき０から１に立上って、その
後に減少するか長時間経過後には１の伯から式２７ａを
用いて算出した応力緩和係数γたげ減少した値、即ちｌ
−γに漸近する。応力緩和特性もクリープ特性と同様に
時定数τ　と初期微分係数との間に次の関係かある。

０Ｃにおりる撓みの測定値δ（ｎＴ）を式１４ａについ
て前述した手順て処理して決定する。通常のストレーン
ゲージ・ロー１〜セルでは、一般にて　かでΩより小さ
い。

これによってストレーンゲージ・ロードセルの出力の経
時変化特性の伝達関数の式２１に含まれる全ての未知パ
ラメータか決定され、よってこの伝達関数か同定された
。

上記出力の経時変化を補償する補償回路Ｉｎ（第５図）
の伝達関数Ｈ（ｚ）は式２１のＧ（７，）の逆伝達関数
として与えられる。

この関係を利用して、第１１図に示すようにτ　を決定
することかてきる。またコンピュータの回帰分析用プロ
グラムソフトを用いることにより、精度の高いτ　の推
定値を得ることかできる。

また、この場合のクリープの時定数で９は、２０ここて
、β、γは前述のように温度θの関数として次式て与え
られる。

γ（θ） ＝　Ｔ（２０１［１＋　Ｃ３（θ ２０）　＋　Ｃ（θ−２０）２］ 式３６の右辺の第１項、第２項をそれぞれ第１および第
２の伝達関数Ｈ１（７，）およびＨ２（ｚ）で表ずと、
これ等の１次の伝達関数を持つ系はそれぞれ安定な系と
して実現することか出来る。従って、伝達量１ａＨ（Ｚ
）を持つこの補償回路は実現可能てあり、第１２図にそ
の一実施例を示す。図示のように、この回路はどちらも
非巡回型と巡回型の回路を含む構成の２つの回路部分２
０．２０′の直列接続から成り、前段の第１の回路部分
２０は第２図の回路と同しであるか、第２の回路部分２
０′は、乗算−Ｔ／τ 器２４′の係数か−ｃ　　　ｇに、巡回部の乗算器、−
Ｔ／τ　　　　　　−Ｔ／で ２９′の係数かｅ　　ｇ＋γ（１−ｅ　　　　ｇ）にな
っている点か異なる。第１の回路部分２０は、任意のｎ
時点て入力ｆ（ｎＴ）が印加される度に、第２図につい
て前述した動作と同じ動作を行フて出力ｘ（ｎＴ）を生
成し、第２の回路部分２（ｌ′はこの出力ｘ（ｎＴ）を
受けて再度第２図と同様の動作を行い、補償さ△ れた信号ｙ２（ｎＴ）を生成する。第１の回路部分２０
の係数乗算器２９には第２図の場合と同様にクリープ係
数演算回路１１（第１図）からクリープ係数β（０）か
供給されるか、第２の回路部分２０′の係数乗算器２９
′には応力緩和係数演算回路ＩＩ’から応力緩和係数γ
（θ）か供給される。回路１１′は回路１１と同様に温
度測定回路１２から温度信号θを受けて、式２０により
温度θにおける応力緩和係数γ（θ）を算定するように
なっている。

また、式３５の分子と分母をそれぞれｚ−１について展
開すると、次式か得られる。

即ち、この式の分子、分母共ｚ−１に関する２次多項式
となり、この伝達関数を持つ２次系も安定な系として実
現可能である。これによる補償回路１０の実施例を第１
３図に示す。図示のように、この補償回路は式３５ａの
分子を演算する非巡回回路部分６０と、分母を演算する
巡回回路部分７０を含んている。非巡回回路部分６ｆ１
はそれぞれｌサンプリンタ時間Ｔの遅延を与える遅延素
子６１．６２により２次まての遅延を生成する回路と、
それぞれソロツク内に係数を表示した係数乗算器６３．
６４．６５な含み、巡回回路部分７０は同様の遅延素子
７１．７２により２次まての遅延を生成する回路と、係
数乗算器７３．７４を含む。各乗算器の出力は加算器７
５て合計されて補償済み出力ｙ２（ｎＴ）を生しる。こ
の回路が式３５ａの伝達関数１１（ｚ）を演算する手順
は、当業者が図から容易に実現出来るから、その説明を
省略する。この第１３図の回路は、巡回回路を含み、そ
の巡回回路か少なくとも２次の遅延素子を含むことを特
徴とする。

上記実施例において、即ち、ストレーンゲージ・ロード
セル型計量ユニットに荷重か任意の時間に関する関数と
して印加された場合において、クリープと応力緩和を含
まないモデル化理想入力信号１１（ｎＴ）のＺ変換Ｆｌ
（７，）と、クリープと応力緩和を含む実際の入力信号
ｆ（ｎＴ）のＺ変換Ｆ　（ｙ、）との間に次の関係が成
立する。

Ｆ（Ｚ）　　　＝　　　Ｆ＋（ｚ）　　・Ｇ（７，）　
　　　　　　（３６）ここて、Ｇ（ｚ）は式２１または
２１ａて示される経時誤差生成系の伝達関数である。補
償装置１０は、その内部にＧ（ｙ、）の逆伝達関数１１
（ｚ）（式３５または３５ａ）を生成する回路を含み、
入力信号ｆ（ｎＴ）を受けて出力信号ｙ２（ｎＴ）を生
しるが、この入出力信号のＺ変換Ｆ（７，）とＹ２（ｚ
）の間には次式か成立する。

即ち、出力信号ｙ２（ｎＴ）のＺ変換がモデル化理想入
力信号ｆｌ（ｎＴ）Ｚ変換にほぼ等しくなる。また、前
述の第１２図、第１３図のどちらの補償回路もその伝達
関数１１（ｚ）がこの式を具現するようになっており、
これは補償装置の出力か上記経時変化を含まないモデル
化入力にほぼ等しいこと、即ち、補償装置の出力か、温
度に拘らず、クリープと応力緩和の双方について補償さ
れていることを意味する。

上記実施例の説明は本願発明の例示目的たけに呈示した
ちのてあって、発明の限定を意味するものてはない。特
許請求の範囲に規定された本願発明の精神と範囲を逸脱
することなく、これ等の実施例に種々の改変を加え得る
ことは、当業者に容易に理解される筈である。例えば、
力の計測に起歪体と電気変換器を用いる風洞天秤にはこ
の発明をそのまま適用することが出来るし、米国特許第
３１．９５３３５号開示のような構造を持つ圧力計、気
圧計、高度計等を含む本質的な圧力計測機器や、米国特
許第３３６３４５６号開示のような構造を持つ差圧計て
も、適当な手段てその感圧部に一定の圧力または差圧を
加えたときのその出力の経時特性に対してこれを適用す
ることかできる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、請求項１記載の補償装
置は、検知器において出力に経時変化を生しさせる特性
の伝達関数の逆伝達関数を備えるものであるのて、本願
発明による補償装置に上記検知器を備える計測器の出力
を供給することによって、上記経時変化を補償すること
ができる。請求項９記載の方法ても同様である。

また、請求項２．６記載の補償装置ては、泪縫器、風洞
天秤、圧力計、気圧計、高度計等において生しるクリー
プの影響を補償てきる。

また、請求項３．７．８記載の補償装置ては、クリープ
特性と応力緩和の双方を補償てきる。

また、請求項４．５記載の補償装置ては、クリープ特性
や応力緩和特性か、周囲温度の変化によって変動しても
、補償てきる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による補償装置の１実施例のブロック図
、第２図は同実施例の補償演算回路の１例のソロツク図
、第３図は同実施例の補償演算回路の他の例のソロツク
図、第４図は荷重検知装置の起歪体に特定の荷重を印加
したときに起歪体に生しる撓みと歪の時間的変化を示す
図、第５図は計量ユニットから本発明による補償装置ま
ての重量信号伝達系の第１の型を示すブロック図、第６
図は同第２の型を示すブロック図、第７図は公知のスト
レーンゲージロードセル型計量ユニットの一例を示す側
面図、第８図は第７図の計量ユニッ１〜のストレーンゲ
ージの取付は状態を示す拡大断面図、第９図は第７図の
計量ユニットに本発明補償装置を適用した場合の信号伝
達系を示すソロツク図、第１０図は撓みの経時変化に及
ぼずクリープと応力緩和の影響を説明する図、第１１図
は応力緩和の伝達関数を図解するだめの図、第１２図は
第７図の計量ユニットに適用し得るこの発明の補償装置
の実施例を示すソロツク図、第１３図は同実施例の他の
例を示すブロック図である。 １０・・・・補償装置、１１・・・・クリープ係数演算
回路、２０・・・・補償演算回路。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）計測信号を生成する検知器を含み上記計測信号を
   離散信号として出力するものであって、上記検知器に負
   荷を印加したとき、上記計測信号が上記負荷に対応した
   経時的変化を伴なう誤差を含んだ信号を生成する計測器
   と共に使用して、上記計測信号の上記誤差を相殺する補
   償装置であって、この補償装置の信号生成に関し、上記
   検出器の上記経時的な誤差信号生成の伝達関数の本質的
   な逆伝達関数を生成する伝達関数生成手段を含む計測器
   の経時誤差を補償する装置。
2. （２）上記補償装置の伝達関数生成手段が１次の遅延素
   子を含む１個またはそれ以上の巡回回路に対応する手段
   を含む請求項１記載の計測器の経時誤差を補償する装置
   。
3. （３）上記補償装置の伝達関数生成手段が複数次の遅延
   素子を含む巡回回路に対応する手段を含む請求項１記載
   の計測器の経時誤差を補償する装置。
4. （４）上記補償装置の伝達関数生成手段が１個またはそ
   れ以上の係数乗算器を含み、上記補償装置が上記係数乗
   算器の１個またはそれ以上の係数を温度によって変更す
   る手段を含む請求項１、２または３記載の計測器の経時
   誤差を補償する装置。
5. （５）上記補償装置の伝達関数生成手段が１個またはそ
   れ以上の係数乗算器を含み、上記補償装置が上記係数乗
   算器の１個またはそれ以上の係数を本質的に温度の関数
   である因子によって決定する手段を含む請求項１、２ま
   たは３記載の計測器の経時誤差を補償する装置。
6. （６）上記因子を１次またはそれ以上の次数の多項式で
   表される関数として算出する手段を含む請求項５記載の
   計測器の経時誤差を補償する装置。
7. （７）上記補償装置の伝達関数Ｈ１（ｚ）が本質的に下
   記の式に対応する手段を含む請求項１記載の計測器の経
   時誤差を補償する装置。 ▲数式、化学式、表等があります▼ 但し、ｚ＾−＾１は上記離散信号の１単位の遅延、Ｔは
   上記離散信号の１間隔の時間、τ＿ｌは上記経時的変化
   特性に含まれる時定数、βはある温度条件において１つ
   の定数を与える因子である。
8. （８）上記補償装置の伝達関数Ｈ（２）が本質的に下記
   の式に対応する手段を含む請求項１記載の計測器の経時
   誤差を補償する装置。 ▲数式、化学式、表等があります▼ 但し、ｚ＾−＾１は上記離散信号の１単位の遅延、Ｔは
   上記離散信号の１間隔の時間、τ＿ｌ、τ＿ｇはそれぞ
   れ上記経時的変化特性に含まれる第１および第２の時定
   数、β、γはある温度条件においてそれぞれ第１および
   第２の定数を与える因子である。
9. （９）上記計測信号の経時的変化特性がクリープ特性と
   応力緩和特性を含み、上記補償装置の伝達関数が上記ク
   リープ特性と応力緩和特性の伝達関数の逆伝達関数とし
   て対応する手段を含む請求項１記載の計測器の経時誤差
   を補償する装置。
10. （１０）計測信号を生成する検知器を含み、その計測信
    号をデジタル離散信号として出力する計測器の上記検知
    器に階段状入力を印加したとき、上記計測信号に経時的
    変化を生じるものにおいて、上記経時的変化による上記
    出力の変化を相殺する補償方法であって、 上記離散信号を補償装置に入力してその出力を得る段階
    と、 上記検知器に階段状入力を印加して上記経時的変化を発
    生させ、その経時的変化特性の経時値を少なくとも１個
    計測する段階と、 上記検知器の計測信号の経時的変化特性に関する伝達関
    数と、その伝達関数を構成する複数個の因子を決定する
    段階と、 上記決定された伝達関数の本質的な逆伝達関数を選定す
    る段階と、 上記逆伝達関数を上記補償装置の伝達関数として設定す
    る段階とを含む計測器の経時誤差を補償する方法。