ロードセル

ロード セルは、張力、圧縮、圧力、トルクなどの力を、測定および標準化できる信号 (電気、空気圧、油圧、または機械式変位インジケータ) に変換します。これは力変換器です。ロード セルに加えられる力が増加すると、信号は比例して変化します。最も一般的なタイプのロード セルは、産業用途の空気圧、油圧、およびひずみゲージ タイプです。一般的な非電子式体重計は、機械式変位インジケータの一般的な例であり、荷重プラットフォーム (技術的には「ロード セル」) を支えるスプリングのたわみを測定することによって、加えられた重量 (力) が示されます。

ひずみゲージロードセルは、産業現場で最もよく見られるタイプです。高精度、多用途、コスト効率に優れているため、理想的です。構造上、ロードセルには、ひずみゲージが固定された金属本体があります。本体は通常、アルミニウム、合金鋼、またはステンレス鋼で作られており、非常に頑丈ですが、弾力性はほとんどありません。この弾力性から、ロードセルの本体を指す「スプリング エレメント」という用語が生まれました。ロードセルに力が加わると、スプリング エレメントはわずかに変形しますが、過負荷がかからない限り、常に元の形状に戻ります。スプリング エレメントが変形すると、ひずみゲージの形状も変化します。ひずみゲージの抵抗の変化は、電圧として測定できます。電圧の変化はセルに加えられた力の量に比例するため、力の量はロードセルの出力から計算できます。

ひずみゲージは、グリッド パターンに並べられ、柔軟な裏地に取り付けられた極細のワイヤまたは箔で構成されています。ひずみゲージの形状が変化すると、電気抵抗が変化します。ひずみゲージのワイヤまたは箔は、一方向に力を加えると抵抗が直線的に変化するように配置されています。張力はひずみゲージを引き伸ばし、細く長くして抵抗を増加させます。圧縮力はその逆です。ひずみゲージは圧縮され、太く短くなり、抵抗が減少します。ひずみゲージは柔軟な裏地に取り付けられているため、ロード セルに簡単に取り付けることができ、測定する微細な変化を反映できます。

ひずみゲージ 1 個で測定される抵抗の変化は極めて小さいため、変化を正確に測定することは困難です。ひずみゲージを複数個取り付けると、これらの小さな変化が拡大され、より測定可能になります。特定の回路に 4 個のひずみゲージを取り付けるのは、ホイートストン ブリッジの応用です。

ホイートストン ブリッジは、以下に示すように、既知の励起電圧が印加された 4 つのバランスのとれた抵抗器の構成です。

励起電圧は既知の定数であり、出力電圧はひずみゲージの形状に応じて変化します。すべての抵抗器がバランスしている場合、つまりはゼロになります。抵抗器の 1 つでも抵抗値が変化すると、 も同様に変化します。 の変化は、オームの法則を使用して測定および解釈できます。オームの法則では、2 点間の導体を流れる電流 ( 、アンペア単位) は、2 点間の電圧に正比例します。抵抗 ( 、オーム単位) は、この関係において、電流とは無関係な定数として導入されます。オームの法則は、式 で表されます。 ${\displaystyle V_{\text{EX}}}$${\textstyle V_{o}}$${\displaystyle {\frac {R1}{R2}}={\frac {R4}{R3}}}$${\textstyle V_{o}}$${\displaystyle V_{0}}$${\textstyle V_{o}}$${\textstyle I}$${\textstyle V}$${\displaystyle R}$${\displaystyle I=V/R}$

これをホイートストン ブリッジ回路の 4 つの脚に適用すると、次の式が得られます。

${\displaystyle V_{o}=\left({\frac {R3}{R3+R4}}-{\frac {R2}{R1+R2}}\right)V_{\text{EX}}}$

ロードセルでは、抵抗器がひずみゲージに置き換えられ、張力と圧縮が交互になるように配置されています。ロードセルに力が加わると、ひずみゲージの構造と抵抗が変化し、測定されます。得られたデータから、上記の式を使用して簡単に決定できます。^[1]${\textstyle V_{o}}$${\textstyle V_{o}}$

ひずみゲージロードセルにはいくつかの種類がある: ^[2]

• シングルポイント ロードセル。プラットフォーム サイズが 200 x 200 mm から最大 1200 x 1200 mm の小型から中型のプラットフォーム スケールで使用されます。
• 平面ビーム ロード セル。医療用スケールや小売用スケールなど、スペースが限られている薄型ソリューションで使用されます。
• 曲げビーム ロードセル。パレット、プラットフォーム、小型ホッパー スケールで使用されます。
• せん断ビーム ロード セル。薄型スケールおよびプロセス アプリケーションで使用され、100 kg から 50 t までの容量で利用できます。
• デュアル シアー ビーム ロード セル。トラック スケール、タンク、ホッパー アプリケーションで使用されます。
• S 型ロード セル。静的および動的荷重が発生する張力アプリケーションで使用されます。
• 圧縮ロードセル。トラックスケール、大型プラットフォームスケール、計量ブリッジ、ホッパースケールに使用されます。
• リング トーション ロード セル。高精度のホッパー、サイロ、プラットフォーム、パレット スケールに使用されます。
• スポーク型ロードセル。薄型、高精度の用途に使用されます。1t から 500t までの高力に対応します。
• オンボード ロード セル。トラック、トラクター、その他の車両のオンボード計量システムに使用されます。
• ロードピン。動的、静的、または吊り上げ力を測定するアプリケーションで使用されます。
• 計量パッド。自動車の重量を計測したり、飛行機の重心を測定したりするためのポータブル計量パッド。
• スペシャル; 各種特殊センサー。

デジタル静電容量技術は、ロードセル本体内に取り付けられた非接触セラミックセンサーに基づいています。ロードセルには可動部品がなく、セラミックセンサーはロードセル本体に接触していないため、ロードセルは非常に高い過負荷（最大1000％）、横方向の負荷、ねじれ、漂遊溶接電圧に耐えることができます。^[3]これにより、高価で複雑な取り付けキット、ステイロッド、過負荷保護デバイスを使用せずにロードセルを簡単に設置でき、メンテナンスの必要がなくなります。

容量性ロードセルとひずみゲージ ロードセルはどちらも、測定する負荷によって変形する弾性要素に依存しています。腐食性のある工業用途で使用されるロードセルの場合、弾性要素に使用される材料は通常アルミニウムまたはステンレス鋼です。ひずみゲージ センサーは弾性要素の変形を測定し、センサーの出力は電子回路によって負荷を表す信号に変換されます。容量性ひずみゲージは、2 つのプレートが互いに近づくときの静電容量の変化を使用して弾性材料の変形を測定します。

静電容量センサーは、ひずみゲージに比べて感度が高いです。感度がはるかに高いため、弾性要素の変形ははるかに小さくて済み、静電容量ロードセルの弾性要素の歪みは、ひずみゲージロードセルの弾性要素の約 5 ～ 10 倍小さくなります。この低歪み要素と静電容量センサーが非接触であるという事実を組み合わせると、ひずみゲージロードセルと比較して、静電容量ロードセルの耐衝撃性と過負荷能力が非常に高くなります。これは、産業環境、特に衝撃や過負荷による損傷のリスクが高い低容量ロードセルでは明らかな利点です。

標準的なアナログひずみゲージ ロード セルでは、電源と低レベルのアナログ信号は通常、高価な 6 線ケーブルを介して計測機器に送られ、そこでアナログ信号がデジタル信号に変換されます。その代わりに、デジタル容量性ロード セルは、読み取り値に影響を与えることなく、数百メートル離れた場所に設置できる計測機器にデジタル信号を送り返します。

空気圧ロードセルは、バランス圧力を自動的に調整するように設計されています。空気圧はダイヤフラムの一端に加えられ、ロードセルの底部にあるノズルから排出されます。ロードセルには圧力ゲージが取り付けられており、セル内の圧力を測定します。ダイヤフラムのたわみは、ノズルを通る空気の流れとチャンバー内の圧力に影響を与えます。

油圧ロードセルは、ピストンを薄い弾性ダイヤフラム内に配置した従来のピストンとシリンダーの配置を使用します。ピストンは実際にはロードセルと接触しません。負荷が一定の限度を超えたときにダイヤフラムが過度に歪まないように、機械的なストッパーが配置されています。ロードセルは完全にオイルで満たされています。ピストンに負荷がかかると、ピストンとダイヤフラムの動きによって油圧が上昇します。この圧力は、高圧ホースを介して油圧ゲージに伝達されます。^[4]ゲージのブルドン管が圧力を感知し、ダイヤルに記録します。このセンサーには電気部品がないため、危険区域での使用に最適です。^[5]油圧ロードセルの一般的な用途には、タンク、ビン、ホッパーの計量があります。^[6]たとえば、油圧ロードセルは過渡電圧 (雷) の影響を受けないため、このタイプのロードセルは屋外環境でより効果的なデバイスになる可能性があります。この技術は他のタイプのロードセルよりも高価です。より高価な技術であるため、購入コストベースで効果的に競争することはできません。^[7]

振動ワイヤロードセルは、ドリフト量が少ないため地質工学アプリケーションに有用である。

容量性ロードセルは、負荷がコンデンサの 2 つのプレートを互いに押し付けると コンデンサの静電容量が変化するロードセルです。容量性ロードセルは、ひずみゲージ ロードセルと比較して横方向の力に対する耐性があります。

圧電ロードセルは、ひずみゲージ ロードセルと同じ変形原理で動作しますが、基本的な圧電材料によって、ロードセルの変形に比例した電圧出力が生成されます。力の動的/頻繁な測定に役立ちます。圧電ベースのロードセルのほとんどの用途は、動的負荷条件で行われ、ひずみゲージ ロードセルは、高い動的負荷サイクルで故障する可能性があります。圧電効果は動的です。つまり、ゲージの電気出力はインパルス関数であり、静的ではありません。電圧出力は、ひずみが変化している場合にのみ役立ち、静的な値を測定するものではありません。

ただし、使用するコンディショニング システムによっては、「準静的」操作を行うこともできます。長い時定数を持つチャージ アンプを使用すると、小さな負荷の場合は数分、大きな負荷の場合は数時間にわたって正確な測定を行うことができます。チャージ アンプでコンディショニングされた圧電ロード セルのもう 1 つの利点は、測定範囲が広いことです。ユーザーは、数百キロニュートンの範囲のロード セルを選択し、同じ信号対雑音比で数ニュートンの力を測定するために使用できます。これも、コンディショニング用のチャージ アンプを使用した場合にのみ可能です。

• 機械的取り付け: セルは適切に取り付けられている必要があります。すべての負荷力は、変形が感知されるロード セルの部分を通過する必要があります。摩擦によりオフセットまたはヒステリシスが発生する可能性があります。取り付けが間違っていると、セルが望ましくない軸に沿って力を報告する可能性があり、それでも感知された負荷と多少相関関係があり、技術者を混乱させる可能性があります。
• 過負荷: 定格内では、ロード セルは弾性変形し、負荷がなくなると元の形状に戻ります。最大定格を超える負荷がかかると、ロード セルの材質が塑性変形する可能性があります。これにより、信号オフセット、直線性の喪失、校正の困難または不可能、さらにはセンシング要素の機械的損傷 (剥離、破裂など) が発生する可能性があります。容量性ロード セルは、非接触測定原理のため、ひずみゲージと比較して過負荷に対する耐性が優れています。
• 配線の問題: 腐食などにより、セルへの配線に高抵抗が生じる場合があります。あるいは、湿気の侵入により、平行電流経路が形成されることもあります。いずれの場合も、信号にオフセットが生じ (すべての配線が均等に影響されない限り)、精度が失われます。
• 電気的損傷: ロードセルは誘導電流や伝導電流によって損傷を受ける可能性があります。構造物に落雷したり、セルの近くでアーク溶接を行うと、 ^[8]ひずみゲージの微細抵抗に過度のストレスがかかり、損傷や破壊を引き起こす可能性があります。近くで溶接する場合は、ロードセルを外し、セルの近くですべてのピンを接地して短絡することをお勧めします。高電圧により、基板とひずみゲージ間の絶縁が破壊される可能性があります。
• 非線形性: スケールの下限では、ロード セルは非線形になる傾向があります。これは、非常に広い範囲を感知するセルや、一時的な過負荷や衝撃に耐えるだけの大きな負荷能力を持つセル (ロープ クランプなど) にとって重要になります。キャリブレーション カーブには、より多くのポイントが必要になる場合があります。
• アプリケーションの特殊性: 特定の圧力の大きさと種類に適していないロード セルは、精度、解像度、信頼性が低下します。

ブリッジは、安定化電圧 (通常は 10V ですが、バッテリー駆動の計測器の場合は 20V、5V、またはそれ以下になる場合があります) で励起されます。負荷に比例した差電圧が信号出力に表示されます。セル出力は、定格の機械的負荷での差電圧のミリボルト/ボルト (mV/V) で評価されます。したがって、2.96 mV/V のロード セルは、10 ボルトで励起された場合、全負荷で 29.6 ミリボルトの信号を提供します。

一般的な感度値は 1 ～ 3 mV/V です。一般的な最大励起電圧は約 15 ボルトです。

フルブリッジ セルは通常、4 線構成になっています。ブリッジの上端と下端の線は励起線 (多くの場合、E+ と E-、または Ex+ と Ex- と表記) で、ブリッジの側面の線は信号線 (S+ と S- と表記) です。理想的には、S+ と S- 間の電圧差は、負荷がゼロのときはゼロで、ロード セルの機械的負荷に比例して大きくなります。

6 線構成が使用される場合もあります。追加の 2 本の線は「センス」(Sen+ と Sen-) で、4 端子センシングと同様の方法で、Ex+ 線と Ex- 線でブリッジに接続されます。これらの追加信号により、コントローラは温度変動などの外部要因による線抵抗の変化を補正できます。

ブリッジ上の個々の抵抗器の抵抗値は通常 350 Ωです。他の値 (通常は 120 Ω、1,000 Ω) になることもあります。

ブリッジは通常、基板から電気的に絶縁されています。センシング要素は近接しており、相互に良好な熱接触を保つため、温度差によって生じる差動信号は発生しません。

単一の荷重を検知するために、1 つまたは複数のロード セルを使用できます。

力が 1 点に集中できる場合 (小規模なセンシング、ロープ、引張荷重、点荷重)、1 つのセルを使用できます。長い梁の場合は、端に 2 つのセルを使用します。垂直のシリンダーは 3 点で測定できますが、長方形のオブジェクトには通常 4 つのセンサーが必要です。大型のコンテナやプラットフォーム、または非常に高い荷重の場合は、より多くのセンサーが使用されます。

荷重が対称であることが保証されている場合は、ロード セルの一部をピボットに置き換えることができます。これにより、ロード セルのコストは節約できますが、精度が大幅に低下する可能性があります。

ロード セルは並列に接続できます。その場合、対応するすべての信号が一緒に接続され (Ex+ から Ex+、S+ から S+、...)、結果として得られる信号はすべての感知要素からの信号の平均になります。これは、たとえば個人用体重計やその他のマルチポイント重量センサーでよく使用されます。

最も一般的な色の割り当ては、Ex+ が赤、Ex− が黒、S+ が緑、S− が白です。

あまり一般的ではない割り当てとしては、Ex+が赤、Ex−が白、S+が緑、S−が青、またはEx+が赤、Ex−が青、S+が緑、S−が黄色などがあります。^[9]他の値も可能で、例えばEx+が赤、Ex−が緑、S+が黄色、S−が青などがあります。^[10]

ロード セルはどれも、突然の負荷変化を受けると「リンギング」が発生します。これは、ロード セルのバネのような動作に起因します。負荷を測定するには、ロード セルを変形させる必要があります。そのため、有限の剛性を持つロード セルはバネのような動作をし、その固有周波数で振動する必要があります。振動するデータ パターンは、リンギングの結果である可能性があります。リンギングは、受動的な手段によって限定的に抑制できます。または、制御システムでアクチュエータを使用して、ロード セルのリンギングをアクティブに減衰できます。この方法は、複雑さが大幅に増加するという代償を払って、パフォーマンスを向上させます。

^{ロードセルは、実験室用天秤、工業用はかり、台秤[11]}、万能試験機^[12]など、さまざまな種類の計測機器に使用されています。1993年から、英国南極調査局は、アホウドリの雛の体重を量るためにグラスファイバー製の 巣にロードセルを設置しました。 ^{[13]ロードセルは、レースカーのセットアップによく使用される}7ポストシェーカーなど、さまざまなアイテムに使用されています。

ロード セルは、工業環境で重量を測定するためによく使用されます。ロード セルはホッパーやリアクターなどに取り付けて重量容量を制御できますが、これは工業プロセスにとって非常に重要な意味を持ちます。ロード セルのパフォーマンス特性のいくつかは、期待されるサービスに対応できるように定義および指定する必要があります。設計特性には次のようなものがあります。

• 複合エラー
• 最小検証間隔
• 解決

ロードセルの電気的、物理的、環境的仕様は、ロードセルがどのアプリケーションに適しているかを判断するのに役立ちます。一般的な仕様には以下が含まれます。^[14]

• フルスケール出力 (FSO): mV/V で表された電子出力。フルスケールで測定されます。
• 複合誤差: 定格容量での無負荷と負荷の間に引かれた直線からの最大偏差を表すフルスケール出力のパーセント。多くの場合、負荷の減少時および増加時に測定されます。
• 非直線性: 定格容量とゼロ負荷の間に引かれた直線からの校正曲線の最大偏差。負荷の増加時に測定され、フルスケール出力のパーセントとして表されます。
• ヒステリシス: 同じ荷重を加えた場合のロードセル出力信号間の最大差。最初の測定値は定格出力から荷重を減らすことで得られ、2 番目の測定値はゼロから荷重を増やすことで得られます。
• 再現性: 同一条件下での繰り返し負荷に対する出力測定値間の最大差。定格出力のパーセントで測定されます。
• ゼロバランス (オフセット): 定格励起による無負荷時のロードセルの出力読み取り値。真のゼロ測定値とゼロ負荷時の実際のロードセル間の出力の偏差を、フルスケール出力のパーセンテージで表します。
• 補正温度範囲: 指定された制限内でゼロバランスと定格出力を確保できるようにロードセルが補正される温度範囲。°F または °C で表されます。
• 動作温度範囲: ロード セルがパフォーマンス特性に永続的な悪影響を与えることなく動作できる温度範囲の上限。°F または °C で表されます。
• 出力に対する温度の影響: ロード セルの温度によって生じる出力読み取り値の変化。°F または °C あたりのフル スケール出力のパーセントとして表されます。
• ゼロに対する温度の影響: 周囲温度の変化によって生じるゼロバランスの変化。°F または °C あたりのフルスケール出力のパーセントとして表されます。
• 入力抵抗: ロード セルのブリッジ回路の入力抵抗。負荷をかけずに正と負の励起リードで測定されます。オーム単位で測定されます。
• 出力抵抗: ロード セルのブリッジ回路の出力抵抗。負荷をかけずに正と負の励起リードで測定されます。単位はオームです。
• 絶縁抵抗: ブリッジ回路とトランスデューサ要素、ブリッジ回路とケーブル シールド、トランスデューサ要素とケーブル シールド間の経路に沿って測定される抵抗。通常は標準テスト条件下で 50 ボルトで測定されます。
• 推奨励起: トランスデューサが仕様内で動作するための推奨最大励起電圧。VDC で表されます。
• ケーブル長: ロード セルを校正する標準ケーブルの長さ。ケーブル長はロード セルの校正方法に影響します。
• 安全過負荷: ロード セルの性能仕様に永続的な影響を与えることなくロード セルに適用できる最大負荷。フル スケール出力のパーセントとして測定されます。
• 最大過負荷: 構造的な破損を引き起こすことなく耐えることができる最大負荷。
• 材質: ロードセルのバネ要素を構成する物質。

ロードセルは、工業、航空宇宙、自動車産業のほとんどの計量システムに不可欠な部分であり、厳しい日常使用に耐えます。時間の経過とともに、ロードセルはドリフト、老化、ずれが生じるため、正確な結果を維持するために定期的に校正する必要があります。^[15] ISO9000および他のほとんどの規格では、ロードセルの劣化レベルに応じて、再校正手順の間隔を最大約18か月から2年と指定しています。多くのロードセルユーザーは、最も正確な測定を保証するために、毎年の再校正をベストプラクティスと考えています。

標準校正テストでは、直線性と再現性を校正ガイドラインとして使用します。これらは両方とも精度を決定するために使用されるためです。校正は、昇順または降順で開始して段階的に行われます。たとえば、60トンのロードセルの場合、5、10、20、40、60トンの増分で測定する特定のテストウェイトを使用できます。通常、5段階の校正プロセスで、デバイスが正確に校正されていることを確認するのに十分です。一貫した結果を得るには、この5段階の校正手順を2〜3回繰り返すことをお勧めします。^[16]

• バネ秤
• ストレッチセンサー

• ASTM E4 – 試験機の力の検証に関する実践
• ASTM E74 – 試験機の力表示を検証するための力測定機器の校正方法
• NTEP – 全国度量衡会議（適合証明書）