JPH0535370B2 - - Google Patents
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- JPH0535370B2 JPH0535370B2 JP59206905A JP20690584A JPH0535370B2 JP H0535370 B2 JPH0535370 B2 JP H0535370B2 JP 59206905 A JP59206905 A JP 59206905A JP 20690584 A JP20690584 A JP 20690584A JP H0535370 B2 JPH0535370 B2 JP H0535370B2
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Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Weight Measurement For Supplying Or Discharging Of Specified Amounts Of Material (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
(発明の分野)
この発明は質量計測装置に関するもので、特
に、車両や船舶などの、空間的に動揺する環境下
での変動質量計測に使用することができるととも
に、計測すべき質量が時間的に変動してもその質
量測定が可能な質量計測装置に関する。 (先行技術の説明) 物体の質量またはこれに関連する物理量(たと
えば重さ)を計測するための装置は、いわゆる
「秤」として、従来から種々のものが存在してい
る。このような装置は、被計測物体から計測装置
へと加わる力たとえば重力を、計測装置内の他の
物理量(たとえば、ばねの伸縮や圧電素子のひず
み)へと変換し、その物理量に基いて物体の質量
などを表示している。したがつて、これらにおい
ては、計測装置の基台や計測装置を支える床面な
ど(この明細書では「基準系」と呼ぶ。)が静止
または等速度運動をしていることが前提となつて
おり、被計測物体から基準系へと加わる力が、そ
のままの形で被計測物体の質量に関係していると
いう原理を基礎としている。したがつて、上記基
準系が加速度運動を行なつている場合、すなわ
ち、計測装置が動揺する環境下に存在する場合に
は上記前提が成立せず、これらの装置による正確
な質量計測は不可能である。 このため、船舶上などの動揺する環境下での使
用できる秤として、いわゆる船上秤などが提案さ
れている。このようなものとしては、「2本単て
こ方式」、「複合てこ方式」、「ロバーバル機構との
組合せ方式」と呼ばれる方式などが存在する。こ
れらは、たとえば、計測自動制御学会論文集第11
巻第1号第97頁〜第102頁(1975)、同第12巻第1
号第35頁〜第39頁(1976)、同第12巻第3号第69
頁〜第74頁(1976)のそれぞれにおける「船上は
かり」と題する記事(ともに、西山氏他3名著)
に開示されている。これらにおいては、単一のバ
ランス機構のみによつて上記揺動の影響を取り込
むことが不可能であることに着目して、複数のバ
ランス機構を機械的に組合せたものとして構成さ
れている。 ところが、このような装置においては、上記複
数の機構における静的なバランスのほかに、動的
な要因としての慣性モーメントのバランスが必要
とされているため、これら2つの条件を満足させ
るためには、被計測物体の質量が特定の値でなけ
ればならない。すなわち、これらは定感量形の秤
としてのみ使用でき、任意の質量を計測すること
はできない。そしてまた、連続的に供給される粉
体や液体などのように、被計測物体の質量が時間
的に変動する場合(以下、「変動質量」と言う。)
の質量計測は不可能であるという欠点がある。ま
た、これらはいずれもてこ方式の応用であるため
に、機械的工作精度に対する要求が厳しく、製作
上のノウハウを必要とする。このため、車載用な
どの大きな計測装置として製作するには好ましく
ないという問題も存在する。 さらに、被測定物体そのものが動揺している場
合にも適用できる質量計測装置として、この発明
の発明者等によつて「動的測定方式」と呼ばれる
方式が提案されている(たとえば、小野・島岡著
「動的測定方式による質量測定」計測技術’84.2
第35頁〜第41頁(1984))。この方式は、被計測物
体の変位と速度とを検出し、その検出出力を処理
することによつて正確な質量計測を行なおうとす
るものである。この方式は、車両の軸重計測など
に大きな成果を収めているが、定質量計測を主眼
とするものであつて、移動質量の計測には、その
ままの形で利用することができない。 (発明の目的) この発明の第1の目的は、動揺環境下における
定質量計測と変動質量計測とのいずれにも適用で
きるとともに、計測すべき質量が時間的に変動し
てもその質量測定が可能な質量計測装置を提供す
ることである。 この発明の第2の目的は、機械的工作精度に対
する厳しい要求や製作上のノウハウを必要とせ
ず、必要な用途に応じて製作可能な質量計測装置
を提供することである。 (発明の構成) 上述の目的を達成するため、この発明にかかる
質量計測装置は、被計測物体の外部に存在する所
定の基準系、たとえば該装置の基台や、車両・船
舶の床面などと、被計測物体との間に作用する力
を検出する力検出手段と、被計測物体に対して固
定された位置に設けられて当該被計測物体の加速
度を検出する加速度検出手段と、これらによつて
得られた力情報および加速度情報、ならびにその
加速度の時間積分によつて得られる情報を基礎に
して、被計測物体の質量に関連する物理量たとえ
ば重量そのものや重さなどの物理量を演算して求
める演算手段を備えている。すなわち、動揺する
環境の影響が物体の加速度に現れ、また物体自身
の質量変化が加速度の時間積分に現れるという事
実に着目して、力情報を加速度情報およびその時
間積分情報で修正することによつて、動揺の影響
を取り込もうとしているのである。 (発明の原理) そこでまず、この発明の原理を、後に示す実施
例に対応した具体的なモデルを例にとつて説明す
る。 第1図は、このようなモデルの力学的概念図で
ある。第1図において、被計測物体1(質量M)
は、保持手段としての容器2(質量m1)によつ
て保持されており、このうち、質量Mは、定質量
または変動質量であるものとする。力Lは、基準
系としての基準面4と、上記物体1および容器2
を含む集合体3との間に作用する力を示す。動揺
環境下では、この基準面4が動揺していることに
なる。加速度検出器5(物体1に連結された部分
の質量m0)は、物体1の運動における加速度を
検出するためのものであり、その検出作用によつ
て集合体3に加わる力がFである。外力Pは、集
合体3に与えられる外力のうち、上記力L、集合
体3に加わる重力、および前記力Fの三者を除い
た外力を示す。また、加速度検出器5と物体1と
のそれぞれの位置座標は、図示の方向にそれぞれ
X0およびX1として測るものとする。 力Fが相対的に小さい場合 力Fが集合体3に加わる他の力よりも小さいと
き(たとえば物体1の質量Mがかなり大きいと
き)には、この力Fは無視可能である。すると、
集合体3に対する運動方程式は、次の(1)式とな
る。 d/dt(mX〓1)=mg+P−L ……(1) ここで「・」は時間微分を示し、gは重力加速
度である。また、 m=m1+M ……(2) である。質量Mが時間的に一定の割合で変化する
ときには、単位時間あたりの変化重量をqとする
と、 M=qt/g ……(3) と書ける。ただし、tは時刻である。 (1)式の微分を実行し、(2)式と(3)式とを用いて質
量Mを求めると、 Mg=(q/g)∫t/px¨1dt−P+L/1−x1
/g−m1g
……(4) となる。ただし、関係式 X〓1=∫t px¨1dt ……(5) を用いた。(4)式のうち、右辺第1項の分子におけ
る時間積分が、被計測物体の加速度の時間積分に
相当し、これが存在することによつて、被計測物
体の質量が時間変化する場合にも適用可能となつ
ている。後述する各式に現れる時間積分も同様の
意味を有する。 このうち、m1とgとは、定数であるから、外
力Pがわかつている場合には、力Lと加速度x1と
がわかれば、所望の質量Mまたは重さMgがわか
ることになる。本来、qがわかると、(3)式によつ
て質量Mがわかるはずであるが、重量変化は外部
からの被計測物体の補給によつて行なわれる場合
などが多く、(3)式そのままでは誤差が生ずる。こ
のため、(4)式の右辺のqとしては補給側から定ま
る値を用い、左辺の正確な質量Mを求めることに
なる。また、(4)式においてM〓=0(つまりq=
0)、P=0とすれば、定質量かつ外力Pが存在
しない場合の演算式; Mg=L/1−x1/g−m1g ……(6) が得られ、x¨1=0とすれば、静止質量の演算式; Mg=L−m1g ……(7) となる。 力Fを考慮した演算 上記力Fが無視できない場合には、加速度検出
器5および集合体3に対するそれぞれの運動方程
式は、次のようになる。 d/dt(m0x〓0)=m0g−F ……(8) d/dt(mx〓1)=mg+P−L+F……(9) (9)式の微分を実行し、(2)式および(3)式を考慮し
て、質量Mについて書き表わすと、次の(10)式とな
る。 Mg=1/1−x¨1/g(q/gx〓1−P+L−F)−m1
g ……(10) 一方、(8)式より、 x〓0=−1/m0∫t p(F−m0g)dt ……(11) となるから、ξ≡X0−X1とすると、 x〓1=x〓0−ξ〓=−1/m0∫t p(F−m0g)dt−ξ〓
……(12) となる。(12)式を(10)式に代入すれば、 Mg=1/1−x1/g{−q/g/m0∫t p(F−m0g)dt
−q/gξ〓−P+L−F}−M1g……(13) となる。 ところで、(8)式を変形すると、 ξ¨+1/m0F=−x¨1+g……(14) となるが、加速度検出器5が集合体3に与える力
Fとしては、ばね力と減衰力とが考えられるた
め、一般に、 F=2hωoξ〓+ω2 oξ ……(15) と書ける。ただし、ωoは加速度検出手段5の固
有周波数、hは減衰係数である。加速度検出器5
として、たとえば加速度形振動計を用いた場合に
は、周知のように、(14)式の左辺の主要項は、(15)式
で与えられる力Fであり、ξ¨の項は相対的にかな
り小さい。また、加速度検出手段5として他の種
類の力学的計測器を用いた場合においても、力F
に基いて加速度検出を行なうことになるため、力
Fがξ¨よりも大きくなるような構造となつている
ことが期待される。このため、(14)式は、 1/m0F−x¨1+g ……(14a) と近似できる。この(14a)式を(13)式に代入する
と、 Mg=1/1−x1/g{q/g∫t px¨1dt−(P+q/g
ξ〓)+L}−(m0+m1)g……(15) となる。モデル的に求めたこの式と現実の装置と
の差を補償するために、定数a、bによる補正を
行ない、また、加速度検出器5による加速度検出
値Xが、重力加速度を含んだものとなつている場
合を考えると、(15)式は、 Mg=a(q/g){∫t/p(x−g)dt−b}−P+L
/2−x/g−
Mag ……(16) となる。ただし、x=x¨1+g、Ma=m0+m1であ
り、(15)式のξ〓は、補正項bの中に含ませてある。
この(16)式が、ここで考えている具体例における基
本演算式であり、力Lと加速度Xとから、質量M
を知る式となつている。 上記例ではMa=m0+m1であるが、一般にMa
は、集合体3のうち被計測物体を除いた部分と、
加速度検出器5のうち被計測物体1に連結された
部分とのそれぞれの質量の和である。集合体3に
は、他の部材等が付加されていてもよい。 定質量計測で、かつ外力Pが0の場合には、q
=0、P=0であり、補正項bも小さいと期待さ
れるから、 Mg=1/2−x/gL−Mag……(17) となり、静止環境下ではX=gとして、 Mg=L−Mag ……(18) となる。これら(16)〜(18)式はそれぞれ、前述した
(4)、(6)、(7)式に対応するとともに、(4)、(6)、(7)式
を、その特殊な場合として含む式である。 以上においては、保持手段としての容器2を含
めて考えているが、容器2を必要としないような
計測では、これらの式においてm1=0とすれば
よい。したがつて、保持手段の存在は、この発明
にとつて本質的なものではない。 以上の説明では、加速度情報と力情報とによる
質量計測の原理を例示したが、この発明は、上述
の式の使用のみを対象したものではない。加速度
情報が動揺する環境を反映したものとなつている
という着目点に対応しておれば、他の式による演
算もこの発明の原理に含まれていることになる。
また、上述したように、この発明の原理では動揺
する環境のみでなく、静止下における質量計測も
可能であり、(16)式においてg→0とした式(ただ
し、q=rg); M=−1/x{ar(∫t pXdt−b)−P+L}−Ma……(
19) を用いれば、無重力下の質量計測にも適用可能で
ある。 (実施例の説明) 次に、この発明をミキサー車における質量計測
に適用した実施例を説明する。ミキサー車などに
おいては、比較的軟弱な道床上や橋梁上におい
て、フイーダから連続的に供給されるセメント素
材等の質量計測が必要となる。このため、道床等
の動揺を考慮した変動質量の計測が特に重要とな
つている。 第2図および第3図はそれぞれ、この発明の一
実施例である質量計測装置が取り付けられたミキ
サー車の側面図および平面図であり、このミキサ
ー車は、コンクリート素材の運搬と混練とをあわ
せて行なうことのできる車両である。これらの図
において、車両Vのメインフレーム10上には、
サブフレーム11が固定され、このサブフレーム
11上に脚部12を介して荷箱13が支持、固定
されている。荷箱13内は、車両Vの前後方向に
延びる2つの隔壁14,15によつて、第1、第
2および第3収納室16,17,18に区画され
ている。これらの収納室16〜18はそれぞれ、
セメント素材としての、セメント、砂利および砂
を収納するためのものである。この荷箱13の底
部には、各収納室16,17,18に対応する搬
送手段としての第1ないし第3のスクリユーフイ
ーダ19,20,21が配設されている。これら
のスクリユーフイーダ19〜21は、油圧モータ
22,23,24によつてそれぞれ駆動される。
また各スクリユーフイーダ19〜21は、荷箱1
3よりも後方にわずかに延出しており、その後端
には、下方に向けて開口した搬出口25,26,
27が設けられている。 各スクリユーフイーダ19〜21の上部は、そ
のほぼ全長にわたつて各収納室16〜18内に向
けて開放されており、各収納室16〜18内のコ
ンクリート素材、すなわちセメント、砂利および
砂は各スクリユーフイーダ19〜21により個別
に搬出口25〜27まで搬送される。しかも、各
スクリユーフイーダ19〜21の搬送容量を予め
設定しておくことにより、セメント、砂利および
砂の搬送量比率はほぼ一定に保たれる。 荷箱13の後部には、脚部12から張出したフ
レーム31によつて箱状のカバー32が支持され
ており、各スクリユーフイーダ19〜21の後端
はカバー32内の上部に位置する。このカバー3
2内で、各スクリユーフイーダ19〜21の搬出
口25〜27の下方には、被計測物体の保持手段
としての計量用バケツト33が配置されている。
この計量用バケツト33は、力検出手段としての
ロードセル34を介して支持枠35から吊下げら
れている。支持枠35はカバー32に固着されて
おり、ロードセル34は、計量用バケツト33内
に投入されたコンクリート素材(被計測物体)と
計量用バケツト33とを含む集合体と、支持枠3
5との間に作用する力を検出する。 計量用バケツト33の底部は開放可能であり、
該底部を開放することにより、一定量のコンクリ
ート素材を落下させることができる。 計量用バケツト33の下方には、車両Vの幅方
向に延びる混練槽36が配置されており、この混
練槽36内には、相互には逆方向に回転する一対
のスクリユー37,38から成る混練手段39が
設けられている。また混練槽36の底部中央には
排出口40が設けられ、この排出口40の下方に
はサブフレーム11で枢支されたシユート41が
配置される。 サブフレーム11上には、荷箱13の下方に形
成されたデツドスペースを利用して一対の水タン
ク42が固定、配置されており、これらの水タン
ク42には、混練槽36内に水を供給するための
給水手段(図示せず)が付設されている。 また、計量用バケツト33の側面には、加速度
検出手段としての加速度形振動計43が取り付け
られており、ロードセル34と加速度形振動計4
3とのそれぞれの出力は、電気配線(第2図およ
び第3図には図示せず)を介して、サブフレーム
11上に設けられた制御盤44に与えられてい
る。この制御盤44の表面には、操作スイツチ群
45と、質量表示のための表示部46とが設けら
れている。 第4図は、車両Vに配置されたロードセル3
4、加速度形振動計43および制御盤44を含む
質量計測装置Dの電気的ブロツク図である。制御
盤44は、上記操作スイツチ群45と表示部46
とを含む操作部47とを有しており、バス48を
介して、制御盤44内に内蔵された演算手段とし
てのCPU49と、プログラムやデータの記憶の
ためのROM50、RAM51とを含むマイクロ
コンピユータMCに接続されている。 また、ロードセル34および加速度振動計43
のそれぞれの出力は、それぞれA/D変換器52
および53を介して、上記バス48へと与えられ
ている。 第5図は、上記車両Vの力学的概念図(車両後
部のみを示す。)である。フレーム31とカバー
32とを介して車両Vに固定された支持枠35と
計量用バケツト33との間に介挿されたロードセ
ル34は、ばね定数k1と減衰係数c1とを有してお
り、計量用バケツト33とその中に入つているセ
メント素材55とを含む集合体と、車両Vとの間
に作用する力Lを検出するものと考えられる。ま
た、加速度形振動計43は、計量用バケツト33
に対して、ばね定数k0と減衰定数c0とによつて特
徴づけられる力Fを与える。k2およびc2は、それ
ぞれ車両V(質量m2、位置座標x2)と道床G(位
置座標x3)との間のばね定数および減衰係数であ
る。他の記号は、第1図に示した記号にそれぞれ
対応した意味を有しており、被計測物体は、計量
用バケツト33内のセメント素材55である。車
両Vの動揺の原因は道床Gの動揺であるが、ロー
ドセル34の力検出における基準系は、この場合
車両Vとなる。それは、xの変動やk2、c2の存在
は、力Lの中に取り込まれており、力Lの検出を
行なえば、これらの効果が含まれていることにな
るからである。したがつて、このような対応関係
のもとに、(16)式が成立することになる。 (16)式のうち、外力Pとしては、スクリユーフイ
ーダ19〜21から、一定割合(単位時間あたり
重量q)で落下するセメント素材が、計量用バケ
ツト33内に与える落下衝撃力である。したがつ
て、計量用バケツト33からスクリユーフイーダ
19〜21の搬出口25〜27までの高さをH、
供給されたセメント素材が、計量用バケツト33
内に落下する直前の速度をvとすれば; P=q/gv ……(20) q/ggH=1/2・q/g・v2 ……(21) が成立し、これらによつて P=q/g√2 ……(22) を得る、尚、ロードセル34で検出している力L
の内容は、η≡x1−x2としたとき、 L=c1η〓+k1η ……(23) である。したがつて、(22)式で与えられるPの
値を用い、(16)式中の定数a、bを実験的に求めて
おけば、荷箱13からスクリユーフイーダ19〜
21によつて計量用バケツト33中にセメント素
材を供給しつつ、ロードセル34の出力Lと加速
度振動計43の出力XとをCPU49に入力して、
(16)式に基く演算を行ない、その結果得られた質量
信号に基いて、表示部46が質量ないしは重量表
示を行なうことができる。 単に表示を行なうのみでなく、所定の目標質量
W0だけのセメント素材55が供給された時点で、
供給を停止させたいときには、CPU49の出力
を油圧モータ22〜24へと与える構成とし、油
圧モータ22〜24までの系における応答遅れ時
間τ1と、落下途中のセメント素材の重量(q/
g)√2とを考慮して、質量信号が を指示したときに、CPU49が油圧モータ22
〜24への停止信号を与えるようにすればよい。 ところで、(16)式に基いた演算を行なうにあたつ
ては、積分誤差をキヤンセルし、減衰係数の変動
などの影響や雑音の影響を除去しておくことが望
ましい。そこでまず、上記加速度Xおよび力Lが X=Ka(X¨1+g)+ea ……(25) L=KL(c1η〓+k1η)+eL ……(26) と書けるものとする。ただし、Ka、KLはそれぞ
れ、加速度形振動計43とロードセル34とのそ
れぞれのゲインであり、ea、eLは、それぞれの観
測雑音である。すると、(16)、(17)式に、 X→(X−ea)/Ka ……(27a) L→(L−eL)/KL ……(27b) なる置換えを行なつて、 Mg=1/2−x−ea/Kag〔a(q/g{∫t p(x/Ka
−g)dt−∫t pea/Kadt−b}−P+L−eL/KL〕−Ma
g……(28) Mg=L−eL/KL/2−(x−ea)/Kag−Mag……(29) となる。雑音eaやeLが、平均値0の正規過程であ
れば、時間tが十分経過することによつて、 ∫t pea/Kadt→0 ……(30) となるが、(28)、(29)式には、雑音eaやeLの瞬
時値が含まれているため、何らかの平滑化を行な
うことが望ましい。このような平滑化としては、
フーリエ解析や移動平均などの方法もあり、これ
らを利用することも可能であるが、ここでは、装
置の経済性と計算速度の面から考えて、時刻t以
前の観測データに基いた三重指数平滑化
(tripleexponential smoothing)を用いることに
する。この三重指数平滑法は、たとえば、磯田和
男・大野豊監修、「数値計算ハンドブツク」p662
〜p664(昭和47年オーム社刊)において説明され
ている。この方法は、0<α≦1の範囲で選択さ
れた平滑化パラメータαを用いて、時刻tにおけ
る観測データと、時刻t以前の平滑化データとを
加重平均し、それによつて時刻tにおける平滑化
データを得ようとする「指数平滑法」の応用であ
り、その手続の概略を以下に示す。 今、時刻列データytが、時刻tについての2次
式; yt=u+vt+1/2wt2 ……(31) に従うとき、漸化式; S(1) t=αyt+(1−α)S(1) t−1……(32) S(2) t=αs(1) t+(1−α)S(2) t−1 ……(33) S(3) t=αs(2) t+(1−α)S(3) t-1 ……(34) によつて、S(1) t、S(2) tおよびS(3) tを定義する。ただ
し、初期条件は、 S(1) 1=(y0+y1)/2 ……(35) S(2) 1=S(1) 1 ……(36) S(3) 1=S(2) 1 ……(37) であり、S(1) 1≡S(1) t|t=1、y1≡yt|t=1等である。こ
のようにしてS(1) t、S(2) t、S(3) tを求めると、ytの平
滑化データy^tは、 y^t=3S(1) t−3S(2) t+S(3) t ……(38) として与えられる。この(38)式は、(32)〜
(34)式によつて、S(1) t、S(2) t、S(3) tをyt、yt-1…
で
書き表わし、(31)式の関係を用いて、u、v、
wについて解くことなどによつて得られたもので
ある。 この方法において、ytが観測雑音etを有してい
るものとすれば、 yt→yt+et ……(39) として、(32)式を繰返し用いることにより、 S(1) t=αt 〓 〓i=1 (1−α)t-i(yi+ei)+(1−α)t(y0+e0)
……(40) を得る。また、(40)式の雑音部分E(1)は、次式で
与えらえる。 E(1)=αt 〓i=1 (1−α)t-iei+(1−α)te0 ……(41) このため、αが十分小さく、またtが十分大き
ければ、 E(1)αt〓i=1ei0 ……(42) であり、逆にα=1の場合でも E(1)=et ……(43) となる。S(2) t、S(3) tについても同様の関係が存在す
るため、(38)式で得られるy^tは、0〜et程度の
雑音成分を含むだけになる。 上記ytとして、力Lおよび加速度Xを適用し、
(28)、(29)式においてこのような平滑化を行な
つた場合には、(16)、(17)式にそれぞれ対応す
る式として、次の(44)、(45)式が得られる。 Mg=a(q/g)(S−Si−b)−P+L^/KL/2−
X^/Kag−Mag……(44) Mg=L^/KL/2−X/Kag−Mag ……(45) ただし、 S=∫t p(X/Ka−g)dt ……(46a) Si=∫tx p(X/Ka−g)dt ……(46b) であり、txはこの装置の質量計測開始時刻であつ
て、スクリユーフイーダ19〜21の運転開始信
号発信時刻tsとスクリユーフイーダ19〜21の
起動時の応答遅れ時間τ2とを用いれば、 で与えられる。尚、(44)式においてa=P=0
とすれば(45)式となることを付記しておく。 次に、この実施例における変動質量の計測動作
を、第6図ないし第8図に示したフローチヤート
を参照して説明する。まず、第6図のステツプ
S1において、第2図の操作スイツチ群45を操
作して、軽量用バケツト33内に供給すべきセメ
ント素材の重量W0、(44)式内の定数a、b、
Ka、KL、q、g、Ma=(m0+n1)g、P(=q/g √2)、および(24)式と(47)式とにそれぞ
れ含まれる定数τ1、τ2を入力してセツトする。こ
れらのうち、定数a、bは、あらかじめ実験的に
求めておいた値である。これらの値は、マイクロ
コンピユータMC中のRAM51にストアされる。
次のステツプS2において、操作スイツチ群45
を操作し、運転開始信号をロードセル34や加速
度形振動計43へと与え、運転を開始する。この
運転開始が行なわれると、ステツプS3において、
平滑化力L^および平滑化加速度X^を求めるための、
(32)〜(34)式のS(i) tに対応するそれぞれの指数
平滑値S(i) t(L)、S(i) t(X)(i=1、2、3)、(46a
)、
(46b)式のS、Si、時刻t、加速度Xおよび力L
の値がそれぞれ0に初期化される。これ以降の時
刻においては、ロードセル34からの力信号と加
速度形振動計43からの加速度信号とが入力され
るが、加速度信号Xの値は一般に揺いでいるた
め、後に行なう積分操作における誤差を防止する
目的で、ステツプS4において、X=Kagすなわ
ち重力加速度によつて与えられるべきXの値とな
る時点まで待機し、この条件が満足されたときに
次のステツプS5へと進む。ステツプS5では、t
についての計時を開始するとともに、その時点に
おける加速度Xの値によつて、量X1を定義して
おく。そして、ステツプS6において、n=1と
し、次のステツプS7で、その時刻tまでの
(46a)式の積分を行なう。この積分操作の詳細
は第7図に示されており、まず、ステツプS50に
おいて、時刻tが、積分時間幅Δt(たとえば1/10
0[sec])に対して、nΔtを越えているかどうか
が判断され、経過しているときには、ステツプ
S51において加速度Xの現在値を取り込む。ステ
ツプS52において、Δtだけ以前の時刻における加
速度X1とこの現在値Xとに基いて、台形近似を
行ない、(46a)式の積分値の変化分を取り込む。
ステツプS53において、X1=X、n=n+1とし
ておく。ステツプS50において、t<nΔtのとき
には、ステツプS51〜S53は迂回される。 第6図に戻つて、ステツプS8において、時刻
tがスクリユーフイーダ19〜21の運動開始時
刻ts(あらかじめ定められている。)に至つたかど
うかが判断され、t≧tsのときには次のステツプ
S9へと進み、t<tsのときにはステツプS7へと戻
る。したがつて、ステツプS9へ進んだときには、
積分値Sは、 S=∫ts p(X/Ka−g)dt ……(48) kとなつている。 時刻t=tsにおいて油圧モータ22〜24に信
号が与えられ、スクリユーフイーダ19〜21が
起動して計量用バケツト33へのセメント素材の
供給が始まる(ステツプS9)。ステツプS10にお
いて、さらに第7図に示した積分操作が行なわ
れ、次のステツプS11において、遅れ時間を考慮
する目的で、時刻tがtx(=ts+√2H/g+τ2)に至 つたかどうかが判断される。t<txのときにはス
テツプS10へと戻るが、t≧txのときには次のス
テツプS12へと進み、その時点における積分値S
によつて積分値Si((46b)式参照)を定義する。 ステツプS13では、その時点における時刻tを
用いてt0を定義しておき、次のステツプS14で、
t≧t0+Δtとなるまで待機する。t≧t0+Δtとな
ると、ステツプS15で、加速度Xと力Lとを取り
込む。ステツプS16において、第7図の積分操作
が行なわれ、次のステツプS17において加速度X
と力Lとの平滑化を行なつて、平滑化加速度X^と
平滑化力L^とを求める。このステツプの詳細を第
8図に示す。ここではまず、ステツプS60におい
て、加速度Xの指数平滑値S(1) t(x)の計算を(32)
式に基いて行なう。ここで用いられる平滑化パラ
メータαの値は、あらかじめ定められている。ス
テツプS61と62とにおいては、(33)式、(34)式
によるS(2) t(x)、S(3) t(x)の計算がそれぞれ行なわれ
る。ステツプS63では、(38)式に基いて、平滑
化加速度X^が求められ、加速度Xについての平滑
化を完了する。次のステツプS64〜S66は、力L
についての指数平滑値S(i) t(L)(i=1、2、3)
が、それぞれ(32)〜(34)式に基いて計算され
る。ステツプS67においては、(38)式に基く平
滑化力L^の計算が行なわれる。 第6図のステツプS17が完了すると、ステツプ
S18において、(44)式が用いられ、重量Mgが計
算される。ただし、外力Pは、(22)式によつて
計算されている。ステツプS19では、応答遅れ等
を考慮して、重量Mgが(24)式によつて定まる
値以上となつているかどうかが判断され、この値
以下のときはステツプS13へと戻つて、積分操作
と平滑化を繰返すが、(24)式の条件が満足され
ると、次のステツプS20において、油圧モータ2
2〜24に停止信号を与えることにより、スクリ
ユーフイーダ19〜21を停止させ、計量用バケ
ツト33に対するセメント素材の供給を停止す
る。 次にセメント素材供給後の、定質量計測の動作
を、第9図に示したフローチヤートを参照して説
明する。この場合も、最初に、定数のセツト(ス
テツプS101)、運転開始(ステツプS102)、初期
化(ステツプS103)、およびX=Kagとなるまで
の待機(ステツプS104)が行なわれるが、これ
らはそれぞれ第6図のステツプS1〜S4と同様で
あり、重複説明は省略する。次のステツプS105
では、第6図のステツプS5、S6と同様に、計時
開始と、X1=X、n=1の動作とが行われ、次
のステツプS106において、加速度Xと力Lとの
現在値が取り込まれる。そして、ステツプS107
において、第7図と同様の積分操作を行ない、ス
テツプS108で、時刻tがあらかじめ定められた
加速度Xと力Lとの取り込み単位時間Tに至つた
かどうかが判断され、ステツプS106とS107とは、
この時間Tに至るまで繰返される。すなわち、定
質量計測の場合は、油圧モータ22〜24などの
応答遅れなどを考慮する必要はないため、直ちに
積分値Sを求めるのである。t≧Tとなると、ス
テツプS109において、第8図に示したものと同
様の平滑化が行なわれる。ステツプS110では、
(45)式に基づいて重量Mgを求め、次のステツ
プS111でこの重量Mgを、第2図の表示部46に
よつて表示し、計測を完了する。 第10図は、上記の実施例における変動質量の
計測特性を確認するための計算機シユミレーシヨ
ンの結果を示す図である。この図は、横軸に時刻
tをとり、縦軸に、上述の実施例で得られる被計
測物体の計測重量値W(=Mg)と、真の重量値
W(=qt)に対する計測重量値Wの相対誤差
W−W/W×100=ΔW/W×100(%)をとつたもので ある。ただし、h1は、ロードセル34の減衰率
(第5図のc1に対応)であつて、この例では、h1
=0.3としている。 この図からわかるように、計測重量値Wはある
程度の揺ぎを有するが、時刻tが経過するにつれ
て相対誤差は減少し、t=3secでは約5%程度と
なる。また、図示していないが、スクリユーフイ
ーダ19〜21からの供給量qtの揺ぎを考慮し
て、この供給量qtを時刻に関して完全な直線とな
るように平均化する処理、すなわち、第11図に
示すように、qが揺ぐものとして、 1/2qt=∫t pqtdt ……(49) によつてqを求め、このqの値を用いて同様の計
算機シユミレーシヨンを行なつた結果では、上記
相対誤差は1%以下にまで減少することがわかつ
た。 なお、上述の実施例では重量測定を行なつてい
るが、この発明の「質量計測」とは、質量に関連
する物理量一般の計測を含む用語である。したが
つて、CPU49その他の演算手段は、必ずしも
質量値そのものを演算する必要はない。 (発明の効果) 以上説明したように、この発明によれば、動揺
環境下における定質量計測と変動質量計測とのい
ずれにも適用することができるとともに、計測す
べき質量が時間的に変動してもその質量測定が可
能な質量計測装置を得ることができる。また、こ
の装置は、静止環境下においても計測を行なうこ
とがてきるため、車両や船舶などに搭載する場合
に限らず、一般のホツパースケールその他にも利
用可能である。また、機構的に複雑な構成を有し
ていないため、機械的工作精度に対する要求も緩
やかであり、製作上のノウハウも特に必要として
いないため、製作も容易である。 さらに、単一の計測プロセスのみで計測可能で
あるため、複数回の計測を要せず、質量の連続計
測が可能であるという効果を有する。 また、この発明では加速度検出手段が被計測物
体に対して固定された位置に設けられている。こ
のため、たとえば被計測物体とは別に基準質量を
設けてその基準質量の加速度を検出する場合と異
なり、被計測物体にのみ作用する力がある場合に
も、被計測物体の加速度を正確に知ることができ
るとともに、それによつて被計測物体の質量を正
確に知ることができる。 さらに、被計測物体とは別に、基準質量やそれ
に関連する補助測定装置を設ける必要もない。
に、車両や船舶などの、空間的に動揺する環境下
での変動質量計測に使用することができるととも
に、計測すべき質量が時間的に変動してもその質
量測定が可能な質量計測装置に関する。 (先行技術の説明) 物体の質量またはこれに関連する物理量(たと
えば重さ)を計測するための装置は、いわゆる
「秤」として、従来から種々のものが存在してい
る。このような装置は、被計測物体から計測装置
へと加わる力たとえば重力を、計測装置内の他の
物理量(たとえば、ばねの伸縮や圧電素子のひず
み)へと変換し、その物理量に基いて物体の質量
などを表示している。したがつて、これらにおい
ては、計測装置の基台や計測装置を支える床面な
ど(この明細書では「基準系」と呼ぶ。)が静止
または等速度運動をしていることが前提となつて
おり、被計測物体から基準系へと加わる力が、そ
のままの形で被計測物体の質量に関係していると
いう原理を基礎としている。したがつて、上記基
準系が加速度運動を行なつている場合、すなわ
ち、計測装置が動揺する環境下に存在する場合に
は上記前提が成立せず、これらの装置による正確
な質量計測は不可能である。 このため、船舶上などの動揺する環境下での使
用できる秤として、いわゆる船上秤などが提案さ
れている。このようなものとしては、「2本単て
こ方式」、「複合てこ方式」、「ロバーバル機構との
組合せ方式」と呼ばれる方式などが存在する。こ
れらは、たとえば、計測自動制御学会論文集第11
巻第1号第97頁〜第102頁(1975)、同第12巻第1
号第35頁〜第39頁(1976)、同第12巻第3号第69
頁〜第74頁(1976)のそれぞれにおける「船上は
かり」と題する記事(ともに、西山氏他3名著)
に開示されている。これらにおいては、単一のバ
ランス機構のみによつて上記揺動の影響を取り込
むことが不可能であることに着目して、複数のバ
ランス機構を機械的に組合せたものとして構成さ
れている。 ところが、このような装置においては、上記複
数の機構における静的なバランスのほかに、動的
な要因としての慣性モーメントのバランスが必要
とされているため、これら2つの条件を満足させ
るためには、被計測物体の質量が特定の値でなけ
ればならない。すなわち、これらは定感量形の秤
としてのみ使用でき、任意の質量を計測すること
はできない。そしてまた、連続的に供給される粉
体や液体などのように、被計測物体の質量が時間
的に変動する場合(以下、「変動質量」と言う。)
の質量計測は不可能であるという欠点がある。ま
た、これらはいずれもてこ方式の応用であるため
に、機械的工作精度に対する要求が厳しく、製作
上のノウハウを必要とする。このため、車載用な
どの大きな計測装置として製作するには好ましく
ないという問題も存在する。 さらに、被測定物体そのものが動揺している場
合にも適用できる質量計測装置として、この発明
の発明者等によつて「動的測定方式」と呼ばれる
方式が提案されている(たとえば、小野・島岡著
「動的測定方式による質量測定」計測技術’84.2
第35頁〜第41頁(1984))。この方式は、被計測物
体の変位と速度とを検出し、その検出出力を処理
することによつて正確な質量計測を行なおうとす
るものである。この方式は、車両の軸重計測など
に大きな成果を収めているが、定質量計測を主眼
とするものであつて、移動質量の計測には、その
ままの形で利用することができない。 (発明の目的) この発明の第1の目的は、動揺環境下における
定質量計測と変動質量計測とのいずれにも適用で
きるとともに、計測すべき質量が時間的に変動し
てもその質量測定が可能な質量計測装置を提供す
ることである。 この発明の第2の目的は、機械的工作精度に対
する厳しい要求や製作上のノウハウを必要とせ
ず、必要な用途に応じて製作可能な質量計測装置
を提供することである。 (発明の構成) 上述の目的を達成するため、この発明にかかる
質量計測装置は、被計測物体の外部に存在する所
定の基準系、たとえば該装置の基台や、車両・船
舶の床面などと、被計測物体との間に作用する力
を検出する力検出手段と、被計測物体に対して固
定された位置に設けられて当該被計測物体の加速
度を検出する加速度検出手段と、これらによつて
得られた力情報および加速度情報、ならびにその
加速度の時間積分によつて得られる情報を基礎に
して、被計測物体の質量に関連する物理量たとえ
ば重量そのものや重さなどの物理量を演算して求
める演算手段を備えている。すなわち、動揺する
環境の影響が物体の加速度に現れ、また物体自身
の質量変化が加速度の時間積分に現れるという事
実に着目して、力情報を加速度情報およびその時
間積分情報で修正することによつて、動揺の影響
を取り込もうとしているのである。 (発明の原理) そこでまず、この発明の原理を、後に示す実施
例に対応した具体的なモデルを例にとつて説明す
る。 第1図は、このようなモデルの力学的概念図で
ある。第1図において、被計測物体1(質量M)
は、保持手段としての容器2(質量m1)によつ
て保持されており、このうち、質量Mは、定質量
または変動質量であるものとする。力Lは、基準
系としての基準面4と、上記物体1および容器2
を含む集合体3との間に作用する力を示す。動揺
環境下では、この基準面4が動揺していることに
なる。加速度検出器5(物体1に連結された部分
の質量m0)は、物体1の運動における加速度を
検出するためのものであり、その検出作用によつ
て集合体3に加わる力がFである。外力Pは、集
合体3に与えられる外力のうち、上記力L、集合
体3に加わる重力、および前記力Fの三者を除い
た外力を示す。また、加速度検出器5と物体1と
のそれぞれの位置座標は、図示の方向にそれぞれ
X0およびX1として測るものとする。 力Fが相対的に小さい場合 力Fが集合体3に加わる他の力よりも小さいと
き(たとえば物体1の質量Mがかなり大きいと
き)には、この力Fは無視可能である。すると、
集合体3に対する運動方程式は、次の(1)式とな
る。 d/dt(mX〓1)=mg+P−L ……(1) ここで「・」は時間微分を示し、gは重力加速
度である。また、 m=m1+M ……(2) である。質量Mが時間的に一定の割合で変化する
ときには、単位時間あたりの変化重量をqとする
と、 M=qt/g ……(3) と書ける。ただし、tは時刻である。 (1)式の微分を実行し、(2)式と(3)式とを用いて質
量Mを求めると、 Mg=(q/g)∫t/px¨1dt−P+L/1−x1
/g−m1g
……(4) となる。ただし、関係式 X〓1=∫t px¨1dt ……(5) を用いた。(4)式のうち、右辺第1項の分子におけ
る時間積分が、被計測物体の加速度の時間積分に
相当し、これが存在することによつて、被計測物
体の質量が時間変化する場合にも適用可能となつ
ている。後述する各式に現れる時間積分も同様の
意味を有する。 このうち、m1とgとは、定数であるから、外
力Pがわかつている場合には、力Lと加速度x1と
がわかれば、所望の質量Mまたは重さMgがわか
ることになる。本来、qがわかると、(3)式によつ
て質量Mがわかるはずであるが、重量変化は外部
からの被計測物体の補給によつて行なわれる場合
などが多く、(3)式そのままでは誤差が生ずる。こ
のため、(4)式の右辺のqとしては補給側から定ま
る値を用い、左辺の正確な質量Mを求めることに
なる。また、(4)式においてM〓=0(つまりq=
0)、P=0とすれば、定質量かつ外力Pが存在
しない場合の演算式; Mg=L/1−x1/g−m1g ……(6) が得られ、x¨1=0とすれば、静止質量の演算式; Mg=L−m1g ……(7) となる。 力Fを考慮した演算 上記力Fが無視できない場合には、加速度検出
器5および集合体3に対するそれぞれの運動方程
式は、次のようになる。 d/dt(m0x〓0)=m0g−F ……(8) d/dt(mx〓1)=mg+P−L+F……(9) (9)式の微分を実行し、(2)式および(3)式を考慮し
て、質量Mについて書き表わすと、次の(10)式とな
る。 Mg=1/1−x¨1/g(q/gx〓1−P+L−F)−m1
g ……(10) 一方、(8)式より、 x〓0=−1/m0∫t p(F−m0g)dt ……(11) となるから、ξ≡X0−X1とすると、 x〓1=x〓0−ξ〓=−1/m0∫t p(F−m0g)dt−ξ〓
……(12) となる。(12)式を(10)式に代入すれば、 Mg=1/1−x1/g{−q/g/m0∫t p(F−m0g)dt
−q/gξ〓−P+L−F}−M1g……(13) となる。 ところで、(8)式を変形すると、 ξ¨+1/m0F=−x¨1+g……(14) となるが、加速度検出器5が集合体3に与える力
Fとしては、ばね力と減衰力とが考えられるた
め、一般に、 F=2hωoξ〓+ω2 oξ ……(15) と書ける。ただし、ωoは加速度検出手段5の固
有周波数、hは減衰係数である。加速度検出器5
として、たとえば加速度形振動計を用いた場合に
は、周知のように、(14)式の左辺の主要項は、(15)式
で与えられる力Fであり、ξ¨の項は相対的にかな
り小さい。また、加速度検出手段5として他の種
類の力学的計測器を用いた場合においても、力F
に基いて加速度検出を行なうことになるため、力
Fがξ¨よりも大きくなるような構造となつている
ことが期待される。このため、(14)式は、 1/m0F−x¨1+g ……(14a) と近似できる。この(14a)式を(13)式に代入する
と、 Mg=1/1−x1/g{q/g∫t px¨1dt−(P+q/g
ξ〓)+L}−(m0+m1)g……(15) となる。モデル的に求めたこの式と現実の装置と
の差を補償するために、定数a、bによる補正を
行ない、また、加速度検出器5による加速度検出
値Xが、重力加速度を含んだものとなつている場
合を考えると、(15)式は、 Mg=a(q/g){∫t/p(x−g)dt−b}−P+L
/2−x/g−
Mag ……(16) となる。ただし、x=x¨1+g、Ma=m0+m1であ
り、(15)式のξ〓は、補正項bの中に含ませてある。
この(16)式が、ここで考えている具体例における基
本演算式であり、力Lと加速度Xとから、質量M
を知る式となつている。 上記例ではMa=m0+m1であるが、一般にMa
は、集合体3のうち被計測物体を除いた部分と、
加速度検出器5のうち被計測物体1に連結された
部分とのそれぞれの質量の和である。集合体3に
は、他の部材等が付加されていてもよい。 定質量計測で、かつ外力Pが0の場合には、q
=0、P=0であり、補正項bも小さいと期待さ
れるから、 Mg=1/2−x/gL−Mag……(17) となり、静止環境下ではX=gとして、 Mg=L−Mag ……(18) となる。これら(16)〜(18)式はそれぞれ、前述した
(4)、(6)、(7)式に対応するとともに、(4)、(6)、(7)式
を、その特殊な場合として含む式である。 以上においては、保持手段としての容器2を含
めて考えているが、容器2を必要としないような
計測では、これらの式においてm1=0とすれば
よい。したがつて、保持手段の存在は、この発明
にとつて本質的なものではない。 以上の説明では、加速度情報と力情報とによる
質量計測の原理を例示したが、この発明は、上述
の式の使用のみを対象したものではない。加速度
情報が動揺する環境を反映したものとなつている
という着目点に対応しておれば、他の式による演
算もこの発明の原理に含まれていることになる。
また、上述したように、この発明の原理では動揺
する環境のみでなく、静止下における質量計測も
可能であり、(16)式においてg→0とした式(ただ
し、q=rg); M=−1/x{ar(∫t pXdt−b)−P+L}−Ma……(
19) を用いれば、無重力下の質量計測にも適用可能で
ある。 (実施例の説明) 次に、この発明をミキサー車における質量計測
に適用した実施例を説明する。ミキサー車などに
おいては、比較的軟弱な道床上や橋梁上におい
て、フイーダから連続的に供給されるセメント素
材等の質量計測が必要となる。このため、道床等
の動揺を考慮した変動質量の計測が特に重要とな
つている。 第2図および第3図はそれぞれ、この発明の一
実施例である質量計測装置が取り付けられたミキ
サー車の側面図および平面図であり、このミキサ
ー車は、コンクリート素材の運搬と混練とをあわ
せて行なうことのできる車両である。これらの図
において、車両Vのメインフレーム10上には、
サブフレーム11が固定され、このサブフレーム
11上に脚部12を介して荷箱13が支持、固定
されている。荷箱13内は、車両Vの前後方向に
延びる2つの隔壁14,15によつて、第1、第
2および第3収納室16,17,18に区画され
ている。これらの収納室16〜18はそれぞれ、
セメント素材としての、セメント、砂利および砂
を収納するためのものである。この荷箱13の底
部には、各収納室16,17,18に対応する搬
送手段としての第1ないし第3のスクリユーフイ
ーダ19,20,21が配設されている。これら
のスクリユーフイーダ19〜21は、油圧モータ
22,23,24によつてそれぞれ駆動される。
また各スクリユーフイーダ19〜21は、荷箱1
3よりも後方にわずかに延出しており、その後端
には、下方に向けて開口した搬出口25,26,
27が設けられている。 各スクリユーフイーダ19〜21の上部は、そ
のほぼ全長にわたつて各収納室16〜18内に向
けて開放されており、各収納室16〜18内のコ
ンクリート素材、すなわちセメント、砂利および
砂は各スクリユーフイーダ19〜21により個別
に搬出口25〜27まで搬送される。しかも、各
スクリユーフイーダ19〜21の搬送容量を予め
設定しておくことにより、セメント、砂利および
砂の搬送量比率はほぼ一定に保たれる。 荷箱13の後部には、脚部12から張出したフ
レーム31によつて箱状のカバー32が支持され
ており、各スクリユーフイーダ19〜21の後端
はカバー32内の上部に位置する。このカバー3
2内で、各スクリユーフイーダ19〜21の搬出
口25〜27の下方には、被計測物体の保持手段
としての計量用バケツト33が配置されている。
この計量用バケツト33は、力検出手段としての
ロードセル34を介して支持枠35から吊下げら
れている。支持枠35はカバー32に固着されて
おり、ロードセル34は、計量用バケツト33内
に投入されたコンクリート素材(被計測物体)と
計量用バケツト33とを含む集合体と、支持枠3
5との間に作用する力を検出する。 計量用バケツト33の底部は開放可能であり、
該底部を開放することにより、一定量のコンクリ
ート素材を落下させることができる。 計量用バケツト33の下方には、車両Vの幅方
向に延びる混練槽36が配置されており、この混
練槽36内には、相互には逆方向に回転する一対
のスクリユー37,38から成る混練手段39が
設けられている。また混練槽36の底部中央には
排出口40が設けられ、この排出口40の下方に
はサブフレーム11で枢支されたシユート41が
配置される。 サブフレーム11上には、荷箱13の下方に形
成されたデツドスペースを利用して一対の水タン
ク42が固定、配置されており、これらの水タン
ク42には、混練槽36内に水を供給するための
給水手段(図示せず)が付設されている。 また、計量用バケツト33の側面には、加速度
検出手段としての加速度形振動計43が取り付け
られており、ロードセル34と加速度形振動計4
3とのそれぞれの出力は、電気配線(第2図およ
び第3図には図示せず)を介して、サブフレーム
11上に設けられた制御盤44に与えられてい
る。この制御盤44の表面には、操作スイツチ群
45と、質量表示のための表示部46とが設けら
れている。 第4図は、車両Vに配置されたロードセル3
4、加速度形振動計43および制御盤44を含む
質量計測装置Dの電気的ブロツク図である。制御
盤44は、上記操作スイツチ群45と表示部46
とを含む操作部47とを有しており、バス48を
介して、制御盤44内に内蔵された演算手段とし
てのCPU49と、プログラムやデータの記憶の
ためのROM50、RAM51とを含むマイクロ
コンピユータMCに接続されている。 また、ロードセル34および加速度振動計43
のそれぞれの出力は、それぞれA/D変換器52
および53を介して、上記バス48へと与えられ
ている。 第5図は、上記車両Vの力学的概念図(車両後
部のみを示す。)である。フレーム31とカバー
32とを介して車両Vに固定された支持枠35と
計量用バケツト33との間に介挿されたロードセ
ル34は、ばね定数k1と減衰係数c1とを有してお
り、計量用バケツト33とその中に入つているセ
メント素材55とを含む集合体と、車両Vとの間
に作用する力Lを検出するものと考えられる。ま
た、加速度形振動計43は、計量用バケツト33
に対して、ばね定数k0と減衰定数c0とによつて特
徴づけられる力Fを与える。k2およびc2は、それ
ぞれ車両V(質量m2、位置座標x2)と道床G(位
置座標x3)との間のばね定数および減衰係数であ
る。他の記号は、第1図に示した記号にそれぞれ
対応した意味を有しており、被計測物体は、計量
用バケツト33内のセメント素材55である。車
両Vの動揺の原因は道床Gの動揺であるが、ロー
ドセル34の力検出における基準系は、この場合
車両Vとなる。それは、xの変動やk2、c2の存在
は、力Lの中に取り込まれており、力Lの検出を
行なえば、これらの効果が含まれていることにな
るからである。したがつて、このような対応関係
のもとに、(16)式が成立することになる。 (16)式のうち、外力Pとしては、スクリユーフイ
ーダ19〜21から、一定割合(単位時間あたり
重量q)で落下するセメント素材が、計量用バケ
ツト33内に与える落下衝撃力である。したがつ
て、計量用バケツト33からスクリユーフイーダ
19〜21の搬出口25〜27までの高さをH、
供給されたセメント素材が、計量用バケツト33
内に落下する直前の速度をvとすれば; P=q/gv ……(20) q/ggH=1/2・q/g・v2 ……(21) が成立し、これらによつて P=q/g√2 ……(22) を得る、尚、ロードセル34で検出している力L
の内容は、η≡x1−x2としたとき、 L=c1η〓+k1η ……(23) である。したがつて、(22)式で与えられるPの
値を用い、(16)式中の定数a、bを実験的に求めて
おけば、荷箱13からスクリユーフイーダ19〜
21によつて計量用バケツト33中にセメント素
材を供給しつつ、ロードセル34の出力Lと加速
度振動計43の出力XとをCPU49に入力して、
(16)式に基く演算を行ない、その結果得られた質量
信号に基いて、表示部46が質量ないしは重量表
示を行なうことができる。 単に表示を行なうのみでなく、所定の目標質量
W0だけのセメント素材55が供給された時点で、
供給を停止させたいときには、CPU49の出力
を油圧モータ22〜24へと与える構成とし、油
圧モータ22〜24までの系における応答遅れ時
間τ1と、落下途中のセメント素材の重量(q/
g)√2とを考慮して、質量信号が を指示したときに、CPU49が油圧モータ22
〜24への停止信号を与えるようにすればよい。 ところで、(16)式に基いた演算を行なうにあたつ
ては、積分誤差をキヤンセルし、減衰係数の変動
などの影響や雑音の影響を除去しておくことが望
ましい。そこでまず、上記加速度Xおよび力Lが X=Ka(X¨1+g)+ea ……(25) L=KL(c1η〓+k1η)+eL ……(26) と書けるものとする。ただし、Ka、KLはそれぞ
れ、加速度形振動計43とロードセル34とのそ
れぞれのゲインであり、ea、eLは、それぞれの観
測雑音である。すると、(16)、(17)式に、 X→(X−ea)/Ka ……(27a) L→(L−eL)/KL ……(27b) なる置換えを行なつて、 Mg=1/2−x−ea/Kag〔a(q/g{∫t p(x/Ka
−g)dt−∫t pea/Kadt−b}−P+L−eL/KL〕−Ma
g……(28) Mg=L−eL/KL/2−(x−ea)/Kag−Mag……(29) となる。雑音eaやeLが、平均値0の正規過程であ
れば、時間tが十分経過することによつて、 ∫t pea/Kadt→0 ……(30) となるが、(28)、(29)式には、雑音eaやeLの瞬
時値が含まれているため、何らかの平滑化を行な
うことが望ましい。このような平滑化としては、
フーリエ解析や移動平均などの方法もあり、これ
らを利用することも可能であるが、ここでは、装
置の経済性と計算速度の面から考えて、時刻t以
前の観測データに基いた三重指数平滑化
(tripleexponential smoothing)を用いることに
する。この三重指数平滑法は、たとえば、磯田和
男・大野豊監修、「数値計算ハンドブツク」p662
〜p664(昭和47年オーム社刊)において説明され
ている。この方法は、0<α≦1の範囲で選択さ
れた平滑化パラメータαを用いて、時刻tにおけ
る観測データと、時刻t以前の平滑化データとを
加重平均し、それによつて時刻tにおける平滑化
データを得ようとする「指数平滑法」の応用であ
り、その手続の概略を以下に示す。 今、時刻列データytが、時刻tについての2次
式; yt=u+vt+1/2wt2 ……(31) に従うとき、漸化式; S(1) t=αyt+(1−α)S(1) t−1……(32) S(2) t=αs(1) t+(1−α)S(2) t−1 ……(33) S(3) t=αs(2) t+(1−α)S(3) t-1 ……(34) によつて、S(1) t、S(2) tおよびS(3) tを定義する。ただ
し、初期条件は、 S(1) 1=(y0+y1)/2 ……(35) S(2) 1=S(1) 1 ……(36) S(3) 1=S(2) 1 ……(37) であり、S(1) 1≡S(1) t|t=1、y1≡yt|t=1等である。こ
のようにしてS(1) t、S(2) t、S(3) tを求めると、ytの平
滑化データy^tは、 y^t=3S(1) t−3S(2) t+S(3) t ……(38) として与えられる。この(38)式は、(32)〜
(34)式によつて、S(1) t、S(2) t、S(3) tをyt、yt-1…
で
書き表わし、(31)式の関係を用いて、u、v、
wについて解くことなどによつて得られたもので
ある。 この方法において、ytが観測雑音etを有してい
るものとすれば、 yt→yt+et ……(39) として、(32)式を繰返し用いることにより、 S(1) t=αt 〓 〓i=1 (1−α)t-i(yi+ei)+(1−α)t(y0+e0)
……(40) を得る。また、(40)式の雑音部分E(1)は、次式で
与えらえる。 E(1)=αt 〓i=1 (1−α)t-iei+(1−α)te0 ……(41) このため、αが十分小さく、またtが十分大き
ければ、 E(1)αt〓i=1ei0 ……(42) であり、逆にα=1の場合でも E(1)=et ……(43) となる。S(2) t、S(3) tについても同様の関係が存在す
るため、(38)式で得られるy^tは、0〜et程度の
雑音成分を含むだけになる。 上記ytとして、力Lおよび加速度Xを適用し、
(28)、(29)式においてこのような平滑化を行な
つた場合には、(16)、(17)式にそれぞれ対応す
る式として、次の(44)、(45)式が得られる。 Mg=a(q/g)(S−Si−b)−P+L^/KL/2−
X^/Kag−Mag……(44) Mg=L^/KL/2−X/Kag−Mag ……(45) ただし、 S=∫t p(X/Ka−g)dt ……(46a) Si=∫tx p(X/Ka−g)dt ……(46b) であり、txはこの装置の質量計測開始時刻であつ
て、スクリユーフイーダ19〜21の運転開始信
号発信時刻tsとスクリユーフイーダ19〜21の
起動時の応答遅れ時間τ2とを用いれば、 で与えられる。尚、(44)式においてa=P=0
とすれば(45)式となることを付記しておく。 次に、この実施例における変動質量の計測動作
を、第6図ないし第8図に示したフローチヤート
を参照して説明する。まず、第6図のステツプ
S1において、第2図の操作スイツチ群45を操
作して、軽量用バケツト33内に供給すべきセメ
ント素材の重量W0、(44)式内の定数a、b、
Ka、KL、q、g、Ma=(m0+n1)g、P(=q/g √2)、および(24)式と(47)式とにそれぞ
れ含まれる定数τ1、τ2を入力してセツトする。こ
れらのうち、定数a、bは、あらかじめ実験的に
求めておいた値である。これらの値は、マイクロ
コンピユータMC中のRAM51にストアされる。
次のステツプS2において、操作スイツチ群45
を操作し、運転開始信号をロードセル34や加速
度形振動計43へと与え、運転を開始する。この
運転開始が行なわれると、ステツプS3において、
平滑化力L^および平滑化加速度X^を求めるための、
(32)〜(34)式のS(i) tに対応するそれぞれの指数
平滑値S(i) t(L)、S(i) t(X)(i=1、2、3)、(46a
)、
(46b)式のS、Si、時刻t、加速度Xおよび力L
の値がそれぞれ0に初期化される。これ以降の時
刻においては、ロードセル34からの力信号と加
速度形振動計43からの加速度信号とが入力され
るが、加速度信号Xの値は一般に揺いでいるた
め、後に行なう積分操作における誤差を防止する
目的で、ステツプS4において、X=Kagすなわ
ち重力加速度によつて与えられるべきXの値とな
る時点まで待機し、この条件が満足されたときに
次のステツプS5へと進む。ステツプS5では、t
についての計時を開始するとともに、その時点に
おける加速度Xの値によつて、量X1を定義して
おく。そして、ステツプS6において、n=1と
し、次のステツプS7で、その時刻tまでの
(46a)式の積分を行なう。この積分操作の詳細
は第7図に示されており、まず、ステツプS50に
おいて、時刻tが、積分時間幅Δt(たとえば1/10
0[sec])に対して、nΔtを越えているかどうか
が判断され、経過しているときには、ステツプ
S51において加速度Xの現在値を取り込む。ステ
ツプS52において、Δtだけ以前の時刻における加
速度X1とこの現在値Xとに基いて、台形近似を
行ない、(46a)式の積分値の変化分を取り込む。
ステツプS53において、X1=X、n=n+1とし
ておく。ステツプS50において、t<nΔtのとき
には、ステツプS51〜S53は迂回される。 第6図に戻つて、ステツプS8において、時刻
tがスクリユーフイーダ19〜21の運動開始時
刻ts(あらかじめ定められている。)に至つたかど
うかが判断され、t≧tsのときには次のステツプ
S9へと進み、t<tsのときにはステツプS7へと戻
る。したがつて、ステツプS9へ進んだときには、
積分値Sは、 S=∫ts p(X/Ka−g)dt ……(48) kとなつている。 時刻t=tsにおいて油圧モータ22〜24に信
号が与えられ、スクリユーフイーダ19〜21が
起動して計量用バケツト33へのセメント素材の
供給が始まる(ステツプS9)。ステツプS10にお
いて、さらに第7図に示した積分操作が行なわ
れ、次のステツプS11において、遅れ時間を考慮
する目的で、時刻tがtx(=ts+√2H/g+τ2)に至 つたかどうかが判断される。t<txのときにはス
テツプS10へと戻るが、t≧txのときには次のス
テツプS12へと進み、その時点における積分値S
によつて積分値Si((46b)式参照)を定義する。 ステツプS13では、その時点における時刻tを
用いてt0を定義しておき、次のステツプS14で、
t≧t0+Δtとなるまで待機する。t≧t0+Δtとな
ると、ステツプS15で、加速度Xと力Lとを取り
込む。ステツプS16において、第7図の積分操作
が行なわれ、次のステツプS17において加速度X
と力Lとの平滑化を行なつて、平滑化加速度X^と
平滑化力L^とを求める。このステツプの詳細を第
8図に示す。ここではまず、ステツプS60におい
て、加速度Xの指数平滑値S(1) t(x)の計算を(32)
式に基いて行なう。ここで用いられる平滑化パラ
メータαの値は、あらかじめ定められている。ス
テツプS61と62とにおいては、(33)式、(34)式
によるS(2) t(x)、S(3) t(x)の計算がそれぞれ行なわれ
る。ステツプS63では、(38)式に基いて、平滑
化加速度X^が求められ、加速度Xについての平滑
化を完了する。次のステツプS64〜S66は、力L
についての指数平滑値S(i) t(L)(i=1、2、3)
が、それぞれ(32)〜(34)式に基いて計算され
る。ステツプS67においては、(38)式に基く平
滑化力L^の計算が行なわれる。 第6図のステツプS17が完了すると、ステツプ
S18において、(44)式が用いられ、重量Mgが計
算される。ただし、外力Pは、(22)式によつて
計算されている。ステツプS19では、応答遅れ等
を考慮して、重量Mgが(24)式によつて定まる
値以上となつているかどうかが判断され、この値
以下のときはステツプS13へと戻つて、積分操作
と平滑化を繰返すが、(24)式の条件が満足され
ると、次のステツプS20において、油圧モータ2
2〜24に停止信号を与えることにより、スクリ
ユーフイーダ19〜21を停止させ、計量用バケ
ツト33に対するセメント素材の供給を停止す
る。 次にセメント素材供給後の、定質量計測の動作
を、第9図に示したフローチヤートを参照して説
明する。この場合も、最初に、定数のセツト(ス
テツプS101)、運転開始(ステツプS102)、初期
化(ステツプS103)、およびX=Kagとなるまで
の待機(ステツプS104)が行なわれるが、これ
らはそれぞれ第6図のステツプS1〜S4と同様で
あり、重複説明は省略する。次のステツプS105
では、第6図のステツプS5、S6と同様に、計時
開始と、X1=X、n=1の動作とが行われ、次
のステツプS106において、加速度Xと力Lとの
現在値が取り込まれる。そして、ステツプS107
において、第7図と同様の積分操作を行ない、ス
テツプS108で、時刻tがあらかじめ定められた
加速度Xと力Lとの取り込み単位時間Tに至つた
かどうかが判断され、ステツプS106とS107とは、
この時間Tに至るまで繰返される。すなわち、定
質量計測の場合は、油圧モータ22〜24などの
応答遅れなどを考慮する必要はないため、直ちに
積分値Sを求めるのである。t≧Tとなると、ス
テツプS109において、第8図に示したものと同
様の平滑化が行なわれる。ステツプS110では、
(45)式に基づいて重量Mgを求め、次のステツ
プS111でこの重量Mgを、第2図の表示部46に
よつて表示し、計測を完了する。 第10図は、上記の実施例における変動質量の
計測特性を確認するための計算機シユミレーシヨ
ンの結果を示す図である。この図は、横軸に時刻
tをとり、縦軸に、上述の実施例で得られる被計
測物体の計測重量値W(=Mg)と、真の重量値
W(=qt)に対する計測重量値Wの相対誤差
W−W/W×100=ΔW/W×100(%)をとつたもので ある。ただし、h1は、ロードセル34の減衰率
(第5図のc1に対応)であつて、この例では、h1
=0.3としている。 この図からわかるように、計測重量値Wはある
程度の揺ぎを有するが、時刻tが経過するにつれ
て相対誤差は減少し、t=3secでは約5%程度と
なる。また、図示していないが、スクリユーフイ
ーダ19〜21からの供給量qtの揺ぎを考慮し
て、この供給量qtを時刻に関して完全な直線とな
るように平均化する処理、すなわち、第11図に
示すように、qが揺ぐものとして、 1/2qt=∫t pqtdt ……(49) によつてqを求め、このqの値を用いて同様の計
算機シユミレーシヨンを行なつた結果では、上記
相対誤差は1%以下にまで減少することがわかつ
た。 なお、上述の実施例では重量測定を行なつてい
るが、この発明の「質量計測」とは、質量に関連
する物理量一般の計測を含む用語である。したが
つて、CPU49その他の演算手段は、必ずしも
質量値そのものを演算する必要はない。 (発明の効果) 以上説明したように、この発明によれば、動揺
環境下における定質量計測と変動質量計測とのい
ずれにも適用することができるとともに、計測す
べき質量が時間的に変動してもその質量測定が可
能な質量計測装置を得ることができる。また、こ
の装置は、静止環境下においても計測を行なうこ
とがてきるため、車両や船舶などに搭載する場合
に限らず、一般のホツパースケールその他にも利
用可能である。また、機構的に複雑な構成を有し
ていないため、機械的工作精度に対する要求も緩
やかであり、製作上のノウハウも特に必要として
いないため、製作も容易である。 さらに、単一の計測プロセスのみで計測可能で
あるため、複数回の計測を要せず、質量の連続計
測が可能であるという効果を有する。 また、この発明では加速度検出手段が被計測物
体に対して固定された位置に設けられている。こ
のため、たとえば被計測物体とは別に基準質量を
設けてその基準質量の加速度を検出する場合と異
なり、被計測物体にのみ作用する力がある場合に
も、被計測物体の加速度を正確に知ることができ
るとともに、それによつて被計測物体の質量を正
確に知ることができる。 さらに、被計測物体とは別に、基準質量やそれ
に関連する補助測定装置を設ける必要もない。
第1図はこの発明の原理を示すための、具体例
に沿つた力学的概念図、第2図および第3図はそ
れぞれこの発明の実施例である質量計測装置が取
り付けられたミキサー車の側面図および平面図、
第4図は、この発明の実施例における電気的ブロ
ツク図、第5図はこの発明の実施例に関する力学
的概念図、第6図ないし第9図はこの発明の実施
例の動作を説明するためのフローチヤート、第1
0図は、この発明の実施例に関する計算機シユミ
レーシヨンの結果を示す図、第11図は、被計測
物体の供給速度の平均化を説明するための図であ
る。 1……被計測物体、2……容器、3……集合
体、4……基準系、5……加速度検出器、19〜
21……スクリユーフイーダ、33……計量用バ
ケツト、34……ロードセル、43……加速度形
振動計、44……制御盤。
に沿つた力学的概念図、第2図および第3図はそ
れぞれこの発明の実施例である質量計測装置が取
り付けられたミキサー車の側面図および平面図、
第4図は、この発明の実施例における電気的ブロ
ツク図、第5図はこの発明の実施例に関する力学
的概念図、第6図ないし第9図はこの発明の実施
例の動作を説明するためのフローチヤート、第1
0図は、この発明の実施例に関する計算機シユミ
レーシヨンの結果を示す図、第11図は、被計測
物体の供給速度の平均化を説明するための図であ
る。 1……被計測物体、2……容器、3……集合
体、4……基準系、5……加速度検出器、19〜
21……スクリユーフイーダ、33……計量用バ
ケツト、34……ロードセル、43……加速度形
振動計、44……制御盤。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 物体の質量を計測するための質量計測装置で
あつて、 前記物体の外部に存在する所定の基準系と前記
物体との間に介挿されて、前記基準系と前記物体
との間に作用する力を検出し、検出された力に応
じた力信号を発生する力検出手段と、 前記物体に対して固定された位置に設けられ
て、前記物体の加速度を検出し、検出された加速
度に応じた加速度信号を発生する加速度検出手段
と、 前記加速度信号を時間的に積分して加速度積分
信号を得る積分手段と、 前記力信号、前記加速度信号、および前記加速
度積分信号に基いて前記物体の質量に関連する物
理量を演算し、前記演算の結果を質量信号として
発生する質量演算手段と、 前記質量信号に基いて前記物体の質量の大きさ
に応じた出力を与える出力手段とを備える、質量
計測装置。 2 前記物体は保持手段によつて保持されてお
り、前記力は、前記物体と前記保持手段とを含む
集合体と、前記基準系との間に作用する力として
検出され、前記加速度は重力加速度を含んで検出
され、 前記演算手段は、前記物体の質量Mに関連する
物理量を、次の(i)式: Mg=a(q/g){∫t/p(X−g)dt−b}−P+L
/2−x/g−
Mag ……(i) に基づいて演算し、ここで、 Xは、前記加速度であり、 Lは、前記集合体と前記基準系との間に作用す
る力であり、 Pは、前記集合体に作用する外力のうち、前記
力L、前記加速度検出手段が前記集合体に与える
力、および前記集合体に加わる重力の三者を除い
た外力であり、 Maは、前記集合体のうち前記物体を除いた部
分と、前記加速度検出手段のうち前記物体に機械
的に連結された部分とのそれぞれの質量の和であ
り、 gは、重力加速度であり、 aおよびbは、定数であり、 tは、時刻であり、 qは、Mg=qtを満す定数である、特許請求の
範囲第1項記載の質量計測装置。 3 前記演算手段は、前記加速度Xおよび前記力
Lをそれぞれ時間的に平滑化して、平滑化加速度
X^を表わす信号と平滑化力L^を表わす信号とを与
える平滑化手段を含み、 前記演算手段は、前記平滑化加速度X^と平滑化
力L^とに応じて、次の(ii)式; Mg=a(q/g)(S−Si−b)−P+L^/KL/2−X
/Kag−
Mag ……(ii) に基いて、前記物体の質量Mに関連する物理量を
求め、ここで、 S=∫t p(X/Ka−g)dt ……(iii) Si=∫tx p(X/Ka−g)dt ……(iv) であり、 tXは、質量計測開始時刻であり、 KaおよびKLはそれぞれ、前記加速度検出手段
と前記力検出手段とのそれぞれのゲインである、
特許請求の範囲第2項記載の質量計測装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20690584A JPS6183918A (ja) | 1984-10-01 | 1984-10-01 | 質量計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20690584A JPS6183918A (ja) | 1984-10-01 | 1984-10-01 | 質量計測装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6183918A JPS6183918A (ja) | 1986-04-28 |
JPH0535370B2 true JPH0535370B2 (ja) | 1993-05-26 |
Family
ID=16531006
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20690584A Granted JPS6183918A (ja) | 1984-10-01 | 1984-10-01 | 質量計測装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6183918A (ja) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4018520C2 (de) * | 1990-06-09 | 1994-03-31 | Josef Femboeck | Automatisches Erfassungssystem |
WO1993005374A1 (en) * | 1991-08-31 | 1993-03-18 | Kyoei Automatic Control Technology Co., Ltd. | Method and device for measuring dynamic load |
WO1994027122A1 (en) * | 1993-05-17 | 1994-11-24 | Kyoei Automatic Control Technology Co., Ltd. | Method and apparatus for measuring dynamic load |
JP6453421B2 (ja) * | 2013-11-29 | 2019-01-16 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | データ処理方法、データ処理装置および処理装置 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS50159358A (ja) * | 1974-06-11 | 1975-12-23 | ||
JPS5610215A (en) * | 1979-07-06 | 1981-02-02 | Agency Of Ind Science & Technol | Gravimetric device |
JPS5954932A (ja) * | 1982-08-20 | 1984-03-29 | メツトラ−−ヴア−ゲン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング | はかり |
-
1984
- 1984-10-01 JP JP20690584A patent/JPS6183918A/ja active Granted
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS50159358A (ja) * | 1974-06-11 | 1975-12-23 | ||
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JPS5954932A (ja) * | 1982-08-20 | 1984-03-29 | メツトラ−−ヴア−ゲン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング | はかり |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS6183918A (ja) | 1986-04-28 |
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