JPH04122327U

JPH04122327U - 振動式力センサによる計量装置

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Publication number: JPH04122327U
Application number: JP1992014830U
Authority: JP
Inventors: ストーラービート
Original assignee: メトラートレドアクチエンゲゼルシヤフト
Priority date: 1991-03-19
Filing date: 1992-03-19
Publication date: 1992-11-02
Anticipated expiration: 2005-11-29
Also published as: EP0504487B1; JPH0752591Y2; DE59105670D1; EP0504487A3; EP0504487A2; CH684441A5; DE9115887U1; US5232063A

Abstract

(57)【要約】【目的】振動式力センサによる計量装置の温度補正を
行う。【構成】荷重−振動数力センサ１、そのセンサ１から
の荷重信号を出力荷重測定信号に変換するマイクロプロ
セッサ８からなり、温度に反応する第１の水晶発振器９
は、マイクロプロセッサ８用のクロックジェネレータ、
および荷重測定出力信号ＧＷを発生するために、前記力
センサ１からの荷重信号と比較されるタイミング信号と
して用いられる。マイクロプロセッサ８はまた、第１の
水晶発振器９の周波数信号を、通常の温度無反応の第２
の水晶発振器の周波数信号１１と比較し、それによって
温度補正信号ＴＷを発生する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、振動力学センサを有する振動式力センサによる計量装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

一般に、力センサを有する電気機械式計量秤では、計量精度の向上を図るため、力センサの振動周波数の温度影響を、秤の感度が温度影響を受けないように補正を行なうのと同時に、他の温度影響を受ける計量パラメータ、たとえば測定器のゼロ点のずれや直線性の狂いを最小に抑えるよう補正する必要がある。

【０００３】この計量パラメータに対する温度の補正には、直接の反作用（中和）に基づく方法を用いたり、連続的に測定する秤の温度に基づく補正量（測定量に関連している）を数学的に求めたりして、直接補正することが知られている。

【０００４】ところで、上記力センサと計量パラメータに対する温度補正のどちらの場合も、計量パラメータや補正手段および温度センサのばらつきが大きく、それらの温度特性に直線性がない場合、正確な補正効果を得るため複数の異なる温度で秤の補正を行なうことが必要となる。

【０００５】このような問題の一つの解決策として、従来、秤に使われる部品に、できるだけ精度が高く、また温度に対する直線性の良い、ばらつきの小さな部品を用い、上記の調整が少なくなるようにしている。しかし、一方で、それは秤のコスト上昇を招くため、あまりにも高価な補正方法だといえる。

【０００６】このため、例えば、米国特許第４，４６４，７２５号には、周波数伝達温度センサと、その温度センサの温度影響を受ける振動周波数の測定に用いるタイマー用のマイクロプロセッサのクロックジェネレータとを有し、前記マイクロプロセッサが前記温度センサから入力される振動周波数から秤の温度を算出し、その算出した測定温度から演算処理により数学的に秤の荷重測定量の補正を行い、直接的に作用する補正手段を用いないものが記載されている。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、上記の数学的に決定された補正量に基づいて温度補正を行うこの種の計量パラメータの包括的な温度補正では、手間のかかる調整作業を避けたいならば、ハード、ソフトの両面で装置の高度化を図らなければ不可能である。

【０００８】即ち、上記米国特許第４，４６４，７２５号に記載のものでは、マイクロプロセッサのクロックジェネレータは、周波数伝達力センサの振動周波数の測定用のタイマーとして用いられるが、上記機能を考えると品質面の許容誤差が小さいことが要求されるので、比較的高価なものを用いなければならない。

【０００９】また一方、温度センサとしては、上述の高精度という必要条件を満たすために、たとえば水晶発振器のような高品質の部品を必要とする。

【００１０】そこで、この考案の課題は、単純な方法で簡単に上記の問題を解決することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

上記の課題を解決するため、この考案にあっては、加えられる荷重の大きさを振動数に変換した荷重信号を出力する振動式力学測定手段と、発振周波数が温度に対して変化する第１のクロック信号を発生する第１の水晶発振器と、発振周波数が温度に対して常に一定な第２のクロック信号を発生する第２の水晶発振器と、前記第１のクロック信号がタイミングクロックとして入力され、その第１のクロック信号と前記振動式力学手段の荷重信号とから荷重測定信号を生成すると共に、前記第１のクロック信号と第２のクロック信号とからディジタル温度補正信号を生成するプロセッサ手段を備えた構成としたのである。

【００１２】また、上記第１の水晶発振器の温度依存性と上記振動式力学測定手段の温度依存性とを等しくしたり、上記第２の水晶発振器に、時計用水晶振動子を用いたり、上記第１の水晶発振器の水晶振動子の１次温度係数（α₁）がゼロでないものとし、一方、上記第２の水晶発振器の水晶振動子の１次温度係数（α₂）がゼロであるものとしたり、上記、第１の水晶発振器と第２の水晶発振器の水晶振動子の２次温度係数（β₁，β₂）を等しいものとすることもできる。

【００１３】また、上記マイクロプロセッサ手段が、上記第１のクロック信号と第２のクロック信号の商を算出することにより、上記ディジタル温度補正信号を生成することとすることもできる。

【００１４】さらに、上記振動式力学測定手段がロードセルを有し、一方、上記プロセッサ手段と第１及び第２の水晶発振器とをプリント回路板に取り付け、そのプリント回路板と前記ロードセルとをケーシング内に近接して取り付けた構成とすることもできる。

【００１５】その際、上記振動力学測定手段が振動弦を備えることもできる。

【００１６】

【作用】

このように構成される振動式力センサによる計量装置では、第２の水晶発振器は、単なるタイマー用発振器としてのみ用いられ、安価で構造の単純なクロック発振器が用いられる。

【００１７】一方、第１の水晶発振器は、マイクロプロセッサのクロックジェネレータ、および振動式力学測定手段の振動周波数の測定用のカウンタのタイマー用の発振器として用いられると同時に、温度センサとしても用いられ、その温度センサとして用いた第１の水晶発振器は、振動式力学測定手段の直接的な温度補正に用いられる。

【００１８】このとき、第１の水晶発振器の周波数の温度依存性が、振動式力学測定手段の振動周波数の温度依存性と、少なくとも本質的には対応するように選択されるようにしたものでは、この測定装置の最も重要な計量パラメータである前記振動式力学測定手段と第１の水晶発振器の温度特性のばらつきを非常に小さくする。

【００１９】また、第２の水晶発振器に時計用水晶振動子を用いたものでは、時計用水晶振動子が、必要な精度を有し、かつ広範囲に渡って温度影響を受けないため、第２の水晶発振器の温度依存性を解消する。

【００２０】さらに、第１の水晶発振器の水晶振動子の１次温度係数（α₁）がゼロでないように、また、第２の水晶発振器の水晶振動子の１次温度係数（α₂）をゼロとしたものでは、一般に、１次（α₁、α₂）と２次（β₁、β₂）の温度係数を有する水晶振動子の場合、一定の温度〔たとえば、Ｔ＝２５℃＋△Ｔ〕において、その固有振動周波数は、下記の等式で表され、

【００２１】

【数１】

【００２２】それらの等式の商は、

【００２３】

【数２】

【００２４】で表される。この等式（３）からわかるように、二つの周波数値の商は、単なる温度の関数として表される。

【００２５】このとき、第２の水晶発振器の水晶振動子として１次温度係数α₂＝０のものを用いて、その固有振動周波数が少なくとも（３）式の１次項の近似値では温度影響を受けないようなタイプのものを選択すると、上式（３）は

【００２６】

【数３】

【００２７】となり、第１の水晶発振器だけで温度測定が行える。

【００２８】また、第１及び第２の水晶発振器の水晶振動子の２次温度係数（β₁）、（β₂ ）が互いに等しいものとした場合、等式（３）の２次の項はゼロとなり、等式（３）は

【００２９】

【数４】

【００３０】となる。

【００３１】また、一方マイクロプロセッサ手段をそなえたプリント回路板を、力センサを入れた計量セルに取り付け、これらを共通のケーシングに収容したものでは、温度センサとして作動する第１の水晶発振器を補正すべき温度影響の効果が現れる計量セル内の部品のできるだけ近くに設けることによって、計量セル内の温度カーブをできるだけ正確に測定する。

【００３２】

【実施例】以下、この考案の実施例を図面に基づいて説明する。

【００３３】本実施例は、図１及び図２に示すように、振動式力センサによる計量装置を上皿天秤に適用した場合について述べる。

【００３４】即ち、上皿天秤は、ケーシング２０上面に設けられた上皿ａと、ケーシング内に設けられた前記計量装置とからなっている。

【００３５】前記計量装置は、振動式力学測定手段として設けられた計量セル１４とプリント回路板１６とからなり、計量セルには、いわゆるロードセル１４を用いる。このロードセル１４は、図３に示すように、固定支持部２と３との間にひも、または弦部材を固定した振動弦４を有する振動弦力センサ１と振動器５とからなっており、前記振動器５は、振動弦４を共振周波で駆動する。

【００３６】また、前記ロードセル１４は、ケーシング２０を貫通する入力軸ｂを介して上皿ａと連結され、上皿ａに加わる荷重が前記振動弦４の固定支持部２、３に伝達されるようになっている。即ち、上皿ａに荷重が加わると、振動弦４に加わる引張力が変化し、その引張力と共に変化する振動周波数出力が振動器５よりプリント回路板１６に出力される。

【００３７】プリント回路板１６は、例えばねじ１８によりロードセル１４に取り付けられ、そのプリント回路板１６の部品取り付け面には、第１の水晶発振器９、第２の水晶発振器１１及びマイクロプロセッサ８が取り付けられている。即ち、マイクロプロセッサ８のクロックジェネレータつまり、第１の水晶発振器９は、マイクロプロセッサ８の確実な作動を図るため、マイクロプロセッサ８の隣接した位置に設ける必要がある。さらに、前記第１の水晶発振器９は、ここでは温度センサとしてもはたらくので、補正すべき温度影響の効果が現れるロードセル１４内の部品のできるだけ近くに設ける必要がある。したがって、マイクロプロセッサ８をそなえたプリント回路板１６を振動弦力センサ１を備えたロードセル１４に取り付け、これらを共通のケーシングに収容してロードセル１４内の温度変化をできるだけ正確に記録するようにしてある。

【００３８】第１の水晶発振器９は、１次温度係数α₁がゼロと異なる水晶振動子を有し、周波数伝達温度センサとして形成されている。また、その水晶発振器９の温度特性は、前記振動弦力センサ１の温度特性と同じとなるよう設定されており、その出力は、前記マイクロプロセッサ８（例えばＩＮＴＥＬ８０Ｃ５１ＦＡ−１）に入力されている。このため、マイクロプロセッサ８へ入力される第１の水晶発振器出力と振動弦力センサ出力間の温度変化による特性のバラツキを小さくして両者間のマッチングを取るための調整作業を省いている。このマイクロプロセッサ８に入力された第１の水晶発振器９の出力は、マイクロプロセッサ８のタイミングクロック（システムクロック）として用いられると同時に、プロセッサ８内部のパルス成形器１０を介し、プロセッサ８により制御される例えば、内部の２つのカウンタ、即ち前記振動器５よりパルス成形器６を介して入力される振動弦４の振動周波数出力をカウントするカウンタ７とタイマー用カウンタ１３とへ入力されている。

【００３９】ちなみに、このタイプにふさわしい水晶の一例として、市販のフィリップス社製水晶ＲＷ−４３が挙げられる。

【００４０】第２の水晶発振器１１は、１次温度係数α₂がゼロ、また、２次温度係数β₂ が前記第１の水晶発振器１１の水晶振動子の２次温度係数β₁と同じ水晶振動子を備え、その発振出力はパルス成形器１２を介し、前記マイクロプロセッサ８のタイマー用カウンタ１３へ入力されている。

【００４１】このように、第２の水晶発振器１１は、単なるタイマー用の発振器として用いるので、第２の水晶発振器１１を安価で構造が単純なクロック発振器で構成することができる。というのは、例えば従来例で述べた米国特許第４，４６４，７２５号によるものでは、温度センサとして、高精度という必要条件を満たすために、水晶発振器のような高品質で比較的高価な部品を必要とする。しかし、本願考案では、温度測定に関する２つの水晶発振器の機能が上記のものと一部逆になっており、第１の水晶発振器は、マイクロプロセッサ８のクロックジェネレータ、および振動弦力センサ１の振動周波数の測定用のタイマーの基準周波数として用いられるのと同時に、温度センサの機能を果たす。そのため、第２の水晶発振器１１は、タイマー用の発振器としてのみ必要とされる。

【００４２】また、この第２の水晶発振器１１には、時計用に市販されている水晶発振器を用いることができる。いわゆる「時計用」水晶振動子である。この「時計用」水晶振動子は、非常に手頃な値段で、それにもかかわらず上記の目的に必要な精度を有し、広範囲に渡って温度影響を受けない。さらに、このとき周波数伝達温度センサのタイマーに、温度影響を受けない水晶発振器を使用すれば、温度測定に関して、従来、ほとんどの場合に必要だった互いに逆の温度特性を有する２つの水晶発振器は必要でなくなり、その代わり単一の水晶発振器だけで済む。この結果、２つの発振器の温度特性のバラツキにより発生する２つの出力信号の位相差等による測定値への干渉を減少できる。

【００４３】一方、上記の米国特許第４，４６４，７２５号記載の秤では、本願考案のように「時計用」水晶振動子を用いても問題の解決はできない。なぜなら振動周波数がふつう３２．７６８ｋＨｚの「時計用」水晶振動子は、振動周波数が低過ぎ、前記力センサの振動周波数測定に用いるタイマーや、高分析秤（クロック周波数約１６ＭＨｚ）のマイクロプロセッサのクロックジェネレータとして使用するのに適当ではないからである。

【００４４】なお、上記第２の水晶発振器１１の水晶振動子には、例えば商品化されたスイスのミクロクリスタル（ＥＴＡ）社製クリスタルタイプＭＸ−ＩＶ等の「時計用」水晶振動子が用いられる。

【００４５】この実施例は以上のように構成されており、第１の水晶発振器９はロードセル１４に取り付けられたプリント板１６にあって、ロードセル１４の温度（温度上昇カーブ）を検出し、その検出した温度と対応する所定の周波数の発振出力を、カウンタ７とカウンタ１３へ入力する。また、第２の水晶発振器９は周囲温度に無関係に、常に同じ周波数の発振出力をカウンタ１３へ入力する。一方、振動器５は振動弦４の共振振動数出力をカウンタ７へ入力している。

【００４６】いま、この天秤の上皿ａへ測定物を載置すると、その載置した測定物の荷重は、ロードセル１４に加わり、振動器５の振動出力を変移させる。この荷重により変移した振動器５の振動出力は、パルス成形器６で波形整形が施され、カウンタ７でカウントされる。このカウンタ７によりカウントされた振動数は、マイクロプロセッサ８により、公知の方法で、ある秤の荷重に対応する周波数値ｆ₁が決定され、その周波数値ｆ₁より、補正を行う場合、その結果も考慮して荷重測定出力値ＧＷが計算される。その測定出力ＧＷは秤表示手段（図示せず）により読み取られ表示される。

【００４７】また同時に、マイクロプロセッサ８は、カウンタ１３のカウント値からカウンタ７と同じ方法で、周波数値ｆ₂を計算し、最後に２つの周波数値ｆ₁とｆ₂の商を計算する。その結果、補整用の有効なディジタル温度値ＴＷが得られる。

【００４８】このとき秤の感度が温度の影響を受けないようにするために、第１の水晶発振器８の温度特性は、振動弦センサ１の特性に合わせられ、また２次温度係数β₁ 、β₂が同じ値になるように２つの水晶発振器９、１１に使用される水晶振動子のタイプは選択されており、この結果、計算で求めた温度値ＴＷと温度センサ９の温度との関係は直線的になる。

【００４９】即ち、第１の水晶発振器９の水晶振動子の１次温度係数をα₁、２次温度係数をβ₁、また同様に第２の水晶発振器１１の水晶振動子の１次温度係数をα₂、２次温度係数をβ₂とすると、その各発振器９、１１の水晶振動子の固有振動周波数ｆ₁、ｆ₂は、一定の温度（たとえば、Ｔ＝２５℃＋△Ｔ）において、

【００５０】

【数５】

【００５１】となり、ここで、これらの等式の商を取ると（α△Ｔ，β△Ｔ＜＜１）、

【００５２】

【数６】

【００５３】となる。したがって、上式からわかるように、二つの周波数値からの商は、単なる温度の関数である。またこのとき、本実施例によれば、第２の水晶発振器用の水晶振動子として、その周波数が少なくとも上式の第１項（温度係数α₂＝０）では温度影響を受けないようなタイプのものを選択するので、上式は、

【００５４】

【数７】

【００５５】となり、第２の水晶発振器の発振出力は温度に無関係となるので、第１の水晶発振器の温度だけで温度測定値が決められる。

【００５６】また、２つの水晶発振器の水晶として、整級数として示される温度の関数の２次成分の係数（β₁、β₂）が互いに等しいため、上式は、

【００５７】

【数８】

【００５８】となり、この場合、上式によって温度に対する特性は直線的になることがわかる。したがって、両発振器９、１１に係る調整は、ある温度値（たとえば２０℃）で調整を行うだけで充分であり、その結果、測定量としての絶対温度が得られる。しかし多くの場合、温度測定の精密度が補正を行うのに充分なものなので、先に述べた調整をしなくてもよい。

【００５９】このように、本実施例では、第１の水晶発振器９を振動弦力センサ１の直接的な温度補正に用いるようにして、第１の水晶発振器の周波数の温度依存性が、振動弦力センサ１の周波数の温度依存性と、少なくとも本質的には対応するように選択される。このため、既存の高品質の水晶発振器を有効に利用できるという効果だけでなく、直接の反作用に基づいた温度補正が、ある条件下においては数学的補正方法よりも正確になるという効果ももたらす。さらに、このとき、上記振動弦力センサ１の特性は測定装置の最も重要な計量パラメータであるので、周波数伝達力センサ（たとえば、ひもや弦発振器）の特性のばらつきを非常に小さくできる。このため、調整作業の必要もなくなる。

【００６０】

【効果】

この考案は、以上のように構成したので、以下の様な効果を発する。

【００６１】（１）高価な部品を使うことなく、また手間のかかる計量パラメータの調整をせずに計量装置の温度補正が行える。

【００６２】（２）第１の水晶発振器の温度依存性と振動式力学測定手段の温度依存性とを等しくしたものでは、既存の高品質の水晶発振器を有効に利用できるという効果だけでなく、直接の反作用に基づいた温度補正が、ある条件下においては数学的補正方法よりも正確になるという効果ももたらすと同時に、装置の最も重要な計量パラメータである振動式力学測定手段の特性のばらつきを小さくし、装置の調整作業を必要としない。

【００６３】（３）第２の水晶発振器に時計用水晶振動子を用いたものでは、第２の水晶振動子の精度を低下することなく安価に構成できる。

【００６４】（４）第１の水晶発振器の水晶振動子の１次温度係数（α₁）がゼロでなく、第２の水晶発振器の水晶振動子の１次温度係数（α₂）をゼロとしたものでは第１の水晶発振器の測定値だけで温度測定が行える。

【００６５】（５）第１と第２の水晶発振器の水晶振動子の２次温度係数（β₁、β₂）を等しくしたものでは、両発振器間の温度特性がリニアになり、両発振器間の特性を合わすために必要とされる多温度点での調整を１点で済ますことができる。

【００６６】（６）第１と第２の水晶振動子の商を求めるものでは、その商を求めることにより温度を周波数の関数として求めることができる。

【００６７】（７）プリント回路板とロードセルとをケーシング内に近接して取り付けたものでは、ロードセルの温度変化を直接検出し、正確な補正が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の上皿天秤を示す縦断面図

【図２】図１のII−II線に沿った横断面図

【図３】実施例のブロック図

【符号の説明】

１振動弦力センサ８マイクロプロセッサ９第１水晶発振器１１第２水晶発振器１４ロードセル１６プリント回路板２０ケーシングＴＷディジタル温度補正信号ＧＷ荷重測定出力信号

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】加えられる荷重の大きさを振動数に変換
した荷重信号を出力する振動式力学測定手段と、発振周
波数が温度に対して変化する第１のクロック信号を発生
する第１の水晶発振器と、発振周波数が温度に対して常
に一定な第２のクロック信号を発生する第２の水晶発振
器と、前記第１のクロック信号がタイミングクロックと
して入力され、その第１のクロック信号と前記振動式力
学手段の荷重信号とから荷重測定信号を生成すると共
に、前記第１のクロック信号と第２のクロック信号とか
らディジタル温度補正信号を生成するプロセッサ手段を
備えた振動式力センサによる計量装置。
【請求項２】請求項１記載の振動式力センサによる計
量装置において、上記第１の水晶発振器の温度依存性と
上記振動式力学測定手段の温度依存性とを等しくしたこ
とを特徴とする振動式力センサによる計量装置。
【請求項３】請求項１または２記載の振動式力センサ
による計量装置において、上記第２の水晶発振器に、時
計用水晶振動子を用いたことを特徴とする振動式力セン
サによる計量装置。
【請求項４】請求項１乃至３記載のいづれかの振動式
力センサによる計量装置において、上記第１の水晶発振
器の水晶振動子の１次温度係数（α₁）がゼロでないも
のとし、一方、上記第２の水晶発振器の水晶振動子の１
次温度係数（α₂）がゼロであるものとしたことを特徴
とする振動式力センサによる計量装置。
【請求項５】請求項１乃至４記載のいづれかの振動式
力センサによる計量装置において、上記第１の水晶発振
器と第２の水晶発振器の水晶振動子の２次温度係数（β
₁，β₂）を等しいものとしたことを特徴とする振動式
力センサによる計量装置。
【請求項６】請求項１乃至５記載のいづれかの振動式
力センサによる計量装置において、上記マイクロプロセ
ッサ手段が、上記第１のクロック信号と第２のクロック
信号の商を算出することにより、上記ディジタル温度補
正信号を生成することを特徴とする振動式力センサによ
る計量装置。
【請求項７】請求項１乃至６記載のいずれかの振動式
力センサによる計量装置において、上記振動式力学測定
手段がロードセルを有し、一方、上記プロセッサ手段と
第１及び第２の水晶発振器とをプリント回路板に取り付
け、そのプリント回路板と前記ロードセルとをケーシン
グ内に近接して取り付けたことを特徴とする振動式力セ
ンサによる計量装置。
【請求項８】請求項１乃至７記載のいづれかの振動式
力センサによる計量装置において、上記振動力学測定手
段が振動弦を備えたことを特徴とする振動式力センサに
よる計量装置。