JPH0535370B2 - - Google Patents

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＝2hω_oξ〓＋ω² _oξ ……(15) と書ける。ただし、ω_o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、M_a＝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M_a＝m₀＋m₁であるが、一般にM_a
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−M_aｇ……(17) となり、静止環境下ではＸ＝ｇとして、 Mg＝Ｌ−M_aｇ ……(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｝−M_a……(
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＝K_a（X¨₁＋ｇ）＋e_a ……（25） Ｌ＝K_L（c₁η〓＋k₁η）＋e_L ……（26） と書けるものとする。ただし、K_a、K_L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、e_a、e_Lは、それぞれの観
測雑音である。すると、(16)、(17)式に、 Ｘ→（Ｘ−e_a）／K_a ……（27a） Ｌ→（Ｌ−e_L）／K_L ……（27b） なる置換えを行なつて、 Mg＝１／２−ｘ−e_a／K_aｇ〔ａ（ｑ／ｇ｛∫^t _p（ｘ／K_a
−ｇ）dt−∫^t _pe_a／K_adt−ｂ｝−Ｐ＋Ｌ−e_L／K_L〕−M_a
ｇ……（28） Mg＝Ｌ−e_L／K_L／２−（ｘ−e_a）／K_aｇ−M_aｇ……(29) となる。雑音e_aやe_L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 _pe_a／K_adt→０ ……（30） となるが、（28）、（29）式には、雑音e_aやe_L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y_tが、時刻ｔについての２次
式； y_t＝ｕ＋vt＋１／２wt² ……（31） に従うとき、漸化式； S⁽¹⁾ _t＝αy_t＋（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≡y_t｜_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、y_t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y_t、y_t-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、y_tが観測雑音e_tを有してい
るものとすれば、 y_t→y_t＋e_t ……（39） として、（32）式を繰返し用いることにより、 S⁽¹⁾ _t＝α_t 〓 〓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⁾＝α_t 〓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⁾α_t〓ⁱ⁼¹e_i０ ……（42） であり、逆にα＝１の場合でも E⁽¹⁾＝e_t ……（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〜e_t程度の
雑音成分を含むだけになる。 上記y_t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^／K_L／２−
X^／K_aｇ−M_aｇ……（44） Mg＝L^／K_L／２−Ｘ／K_aｇ−M_aｇ ……（45） ただし、 Ｓ＝∫^t _p（Ｘ／K_a−ｇ）dt ……（46a） S_i＝∫^tx _p（Ｘ／K_a−ｇ）dt ……（46b） であり、t_x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t_s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、
K_a、K_L、ｑ、ｇ、M_a＝（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、S_i、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＝K_aｇ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t_s（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≧t_sのときには次のステツプ
S9へと進み、ｔ＜t_s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／K_a−ｇ）dt ……（48） ｋとなつている。 時刻ｔ＝t_s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t_x（＝t_s＋√2H／ｇ＋τ₂）に至 つたかどうかが判断される。ｔ＜t_xのときにはス
テツプS10へと戻るが、ｔ≧t_x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S_i（（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＝K_aｇ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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims (1)

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、 M_a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) S_i＝∫^tx _p（Ｘ／Ka−ｇ）dt ……(iv) であり、 t_Xは、質量計測開始時刻であり、 K_aおよびK_L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。