ロードセルとは何ですか?

ロードセルは基本的には力変換器で、主に質量計測に使用します。トルク,圧縮,圧力など他の力の計測にも使用できますが、ここでは質量計測アプリケーションに焦点を当てます。

ロードセルのサンプル
※画像提供: Daraceleste / CC BY-SA(https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

重力は4つの基本相互作用の中で最も弱いものですが、私たちが直接認識できる唯一の力です。重力が地球の中心にあるコアに向かってそれを引っ張るように、質量を持っている地球上のすべてが受けます。重量と質量は重力でつながっています。

世界標準では重量の計測単位はキログラム(kg)です。重量,距離,体積の国際単位が広く一般に使用されている米国でも、これらの単位はメートル法SIシステムを基準にしています。

したがって、米国の(重量の)ポンドは、別の国際単位では定義されていませんが、正式には0.45359237キログラムです。キログラムの質量を計算する方法は、2019年に世界の科学者によってPlanck定数を基準にするように定義され削除されました。

重力を取り除くと何も測れませんが、質量は変わりません。我々は何かを計量するとき、惑星に紐付いて物質の質量を実際に計測しています。つまり、実際にはロードセルは質量を計測します。

空気圧式ロードセルなどのロードセル内で使用されるいくつかの基本的な技術があります。油圧式ロードセルは電力を必要としないため、アクセスが難しい遠隔地で頻繁に使用されます。高レベル(非線形)出力を提供する圧電ロードセルもあります。

現在世界で使用されている最も一般的なタイプであるひずみゲージベースのロードセルに焦点を当てます。ひずみゲージベースのロードセルは安価で、信頼性が高く、幅広い力入力の処理が可能です。ひずみゲージベースのロードセルは計測業界の事実上の標準であり、0.25%以上のフルスケール精度で計測できます。

私達はひずみゲージロードセルベースの機器を、毎朝意識せず使用しているかもしれません。それは下図の機器です。

体重計:ひずみゲージベースのロードセルデバイス

従来の機械式体重計はレバーを使用して加えられた重量を分配し、機械式ダイヤルに接続されたバネを駆動しますが、現在のほとんどのデジタル体重計は複数のひずみゲージベースのロードセルを使用して重量を計算しています。

計測プレート上で一度足を押すと、マイクロコントローラが起動し、ひずみゲージのゼロオフセットキャリブレーションを実行します。デジタルディスプレイに0.0 kg(またはlbs)と表示されたら、すぐに体重を計測できます。

高級品の体重計では、ひずみゲージベースのロードセルが、スケールの四隅のそれぞれに設置されています。ロードセルの2つは引張りモードで配置され、他の2つは圧縮モードで配置されます。

体重計に乗ると、マイクロコントローラはその出力を取得して、選択した計測単位の総重量値に変換し、その数値をゲージに表示します。ひずみゲージは抵抗ベースのセンサであり、温度の影響を受けるため、一部のモデルでは、周囲温度を計測するために熱電対を使用し補正します。

身近の例でロードセルの使用例を紹介しましたが、今度は科学的計測DAQアプリケーションに使用されるロードセルをみていきましょう。

ひずみゲージベースのロードセルはどのように
機能しますか?

ひずみゲージは、抵抗変化を変換してひずみを計測します。 金属箔パターンは、絶縁体としても機能するフレキシブル基板にマウントされます。金属箔パターンに電流が流れます。テスト中のオブジェクトに応力がかかると(圧縮または張力がかかると)、たわみの量に比例する抵抗の変化が生じます。

4ゲージ法(フルブリッジ)

導体が伸ばされると抵抗が増加し、圧縮すると抵抗が減少します。この抵抗の変化は、パターンに配置された4つのひずみゲージセンサであるホイートストンブリッジを使用して計測できます。

ひずみゲージの挙動(わかりやすくするために曲げは誇張されています) ※画像:WikiCommon

ホイートストンブリッジ図

4つのセンサすべてで計測すると、4ゲージ法(フルブリッジ)構成になります。上のフルブリッジの図では、センサの出力電圧はCとBで計測され、励起電圧はAとDで供給されます。

したがって、ひずみゲージを機械式ハウジングに取り付け、そのハウジングに重量などの応力または力を加えると、ゲージはその力によって生じる相対的な圧縮または張力を計測します。そのようなハウジングとそれに取り付けられたひずみゲージセンサの組み合わせがロードセルです。

ロードセル計測アプリケーション

ロードセルには事実上無制限の数のアプリケーションがあり、大小を問わず使用できます。

  • 材料試験 - 製造される部品の重量を計測
  • 航空宇宙 - ジェットエンジンの推進力テスト,トルクと機体への負荷計測
  • 海洋技術 - もやいづな(船と船あるいは船と岸をつなぐ綱)が水と共に移動する船の負荷の下で伸びるときに、もやいづなの張力をモニタリング
  • 輸送用機器 - 電気,ガソリン,ディーゼルエンジンのトルク計測,車軸負荷モニタリング,列車およびトラックの車輪負荷,計量ステーションでの貨物重量の計測
  • 一般産業 - ギアボックスとポンプの力計測,海底パイプ敷設アプリケーションでの張力計測,製紙工場と製鉄所アプリケーションでの張力と力の計測,ホッパと容器の計量
  • 医療/ヘルスケア - 患者の体重を計測する病院のベッド,精密な幼児および幼児用保育器の体重計,理学療法および運動器具の負荷計測
  • 建設 - エレベーター内のワイヤの力計測、足場の力計測。
  • エンターテイメント - S字型のロードセルは、曲芸師や俳優を巻き上げるために使用されるケーブルの中央に設置され、力が規定のレベルを超えないようにします
  • 石油化学 - 石油およびガス掘削ツールへの力の計測
  • 農業と牧場 - ワーキングシュートを通過する家畜の重量の計測,ケーブルとホスティング機器への力の計測,ホッパー,タンカー,サイロ(青草などを備蓄する倉庫)の計量
  • 家庭/消費者 - デジタル体重計

ロードセルを使用する際の考慮事項

最大定格荷重

計測する荷重の種類や方向に適合するだけでなく、予想される最大荷重に対応できる定格のロードセルを選択することが重要です。

たとえば、ロードセルは最大kg(またはlbs)で評価されます。最大1000 kgを計測するには、少なくともその重量の1.5~2倍の定格のロードセルを選択してください。

2点校正とゼロ校正

各ロードセルに同梱されている校正シートには、組み込まれたひずみゲージの好ましい励起電圧と感度が表示されます。希望する計測単位(通常はkgまたはlbs)で出力を正確に計測するためにソフトウェアで設定が必要です。

Dewesoft Xのソフトウェアは、それが実行するために非常に簡単である任意のセンサのゼロ校正を、例えば、すべての負荷を削除してソフトウェアでセットゼロを押してください(イメージとしては体重計で0kg表示に調節すること)。また、既知の基準荷重を使用して2点校正を実行し、ロードセルがゼロと適用する基準荷重の間の正しい線形値を出力していることを確認することもできます。

Dewesoft X DAQソフトウェア内のロードセルのセットアップとキャリブレーション

環境への配慮

腐食性ガス,水,蒸気などを含む環境でロードセルを使用する場合は、耐腐食性のあるロードセルを使用する必要があります。密封されたステンレス鋼ロードセル(IP65以上のような高いIP規格)は、悪環境のために特別に作られています。そしてもちろん、爆発が懸念される環境で使用されるすべてのセンサまたはシステムは、規制要件に応じて本質的に安全および/または防爆性として認定される必要があります。

ロードセルの種類

さまざまなアプリケーション向けに、さまざまな形状とサイズで作られたロードセルがあります。現在利用できる主なものは次のとおりです。

  • バー/曲げビームロードセル
  • キャニスタ型ロードセル
  • Sビームロードセル
  • スルーホール/ドーナツ型ロードセル
  • パンケーキ型ロードセル
タイプ バー/曲げビーム キャニスタ型 Sのビーム スルーホール/
ドーナツ型
パンケーキ型
イメージ
アプリケーション 重量の計測に使用されます。中心から外れた計測に最適 圧縮荷重の計測に
使用
圧縮と引張の両方に使用可能。スチールケーブルの真ん中に取り付けられます 最も頑丈なタイプ。ロードセルの穴の中は通して使用できます 100 kg(220,000ポンド)以上の圧縮と張力に達する最高の荷重タイプ
計測項目 張力と圧縮 圧縮 張力と圧縮 圧縮のみ、または張力と圧縮 張力と圧縮

バー/曲げビームロードセル

シングルポイントロードセルと、4つ以上のひずみゲージに負荷を分散させて精度や容量を向上させる圧縮モデルでも違いがあります。上記は主要なロードセルのタイプのほんの一部を表しています。他にもたくさんありますが、特殊なアプリケーションや環境向けに設計されたいくつかの特殊タイプもあります。非常に小さな場所で使用できる薄型,小型,超小型ロードセルがあります。スペクトルの反対側には、数百トンを計測するために使用されるロードセルがありますが、これは明らかな理由で非常に大きいものです。

典型的な曲げビームロードセル
※画像提供:Daraceleste [CC BY-SA(https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

バーまたは曲げビーム (別名双眼ビーム)ロードセルは、一般産業用計量アプリケーションのために使用されます。センサの自由端に力が加えられている間、バーの一端は構造に固定されています。

この力により、ロードセルの上部と下部、および両端に組み込まれている4つのひずみゲージが、ロードセルにかかる力の適用または除去に応じて、伸長または圧縮されます。ひずみゲージによる電位のこれらの小さな変化は、Dewesoft Xデータ収録ソフトウェア内で簡単に重量に変換されます。

曲げビームロードセルアプリケーション

キャニスタ型ロードセル

「キャニスタロードセル」とも呼ばれる圧縮ロードセルは、最も基本的なタイプのロードセルです。主にロードセルの上に置かれる負荷の重量を計測するために使用されます。キャニスタ(茶葉などを保存する缶)のような形から名前が付けられました。

典型的なキャニスタタイプロードセル
※画像提供:Daraceleste[CC BY-SA(https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Sビーム(ダブルビーム)ロードセル

Sビームロードセルは、プッシュ/プルの両方のアプリケーションにも適しています。彼らはその独特の形から名前をつけられました。それらは通常、鋼鉄ケーブルの中心に接続されます。重い荷物を持ち上げる時に使用されるケーブルを想像してください。

典型的なSビームロードセル
※画像提供:Daraceleste [CC BY-SA(https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

スルーホール/ドーナツ型ロードセル

これらのタイプは圧縮専用に作られていますが、一部のモデルでは圧縮と引張の両方に使用できます。中央の穴は、必要に応じて構造の一部がロードセルを通過できるようにします。

典型的なドーナツ/スルーホールロードセル ※画像提供:Forsentek

パンケーキ型ロードセル

パンケーキ型ロードセルは、張力と圧縮の両方が発生するアプリケーション向けに設計されています。

典型的なパンケーキ型ロードセル
※画像提供:Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

DEWESoftロードセルデータ収録システム

SIRIUS DAQシステム

SIRIUS DAQシステムは、各チャネルにアンチエイリアスフィルタを備えたデュアル24ビットデルタシグマA/Dコンバータを最大限に活用するDualCoreADC®テクノロジを有し、各チャネル最大200 kS / sの時間および周波数領域で160 dBのダイナミックレンジを実現します。

SIRIUSスライスは、8または16のアナログ入力チャネルで構成されます。すべてのSIRIUS DAQシステムには、Dewesoft Xデータ収録ソフトウェアが標準添付されており、システムのセットアップ,操作,表示,保存,解析,およびレポート作成ができます。

ロードセルセンサと互換性のあるSIRIUSアンプリスト

  • SIRIUS STG(8チャネル):200 kS / s,すべてのひずみタイプをサポート,高入力範囲
  • SIRIUS STGM(8チャネル):200 kS / s,低電力,センサとアンプのバランス
  • SIRIUS-LV(8チャネル):200 kS / s,フルブリッジ接続をサポート
  • SIRIUS-HD STGS(16チャネル):200 kS / s,低電力,センサとアンプのバランス
  • SIRIUS-HS STG(8チャネル):1 MS / s,すべてのひずみタイプをサポート,高入力範囲
  • SIRIUS-HS-LV(8チャネル):1 MS / s,フルブリッジ接続をサポート

KRYPTON DAQシステム

KRYPTON DAQは、モジュールごとに1,3,または6チャネルの高耐久性ひずみゲージ入力システムです。他の多くのKRYPTONおよびKRYPTON ONEは、他のセンサおよび信号タイプで使用できます。KRYPTON DAQはIP67の防水・防塵規格,衝撃,振動,極端な温度などの悪環境で使用できるように設計されています。すべてのKRYPTONシステムには、Dewesoft Xデータ収録ソフトウェアが標準添付されており、システムのセットアップ,操作,表示,保存,解析,およびレポート作成ができます。

ロードセルセンサと互換性のあるKRYPTON DAQモジュールリスト

  • KRYPTON-3xSTGおよびKRYPTON-6xSTG:すべてのひずみゲージタイプと高入力範囲をサポートする3または6チャネルのDAQモジュール
  • KRYPTONi-1xSTG:すべてのひずみタイプと高入力範囲をサポートする1チャネル絶縁DAQモジュール

IOLITE DAQおよび制御システム

IOLITE DAQと制御システムは、データ収録とデュアルEtherCAT®インタフェースを介したリアルタイム制御を組み合わせています。IOLITE-6xSTGは、他のさまざまなセンサを処理するために入力変換アダプタDSIコネクタの接続できます。19インチラックモデルとベンチトップモデルがあります。すべてのIOLITEシステムには、Dewesoft Xデータ収録ソフトウェアが標準添付されており、システムのセットアップ,操作,表示,保存,解析,レポート作成が可能です。

ロードセルセンサと互換性のあるIOLITE DAQモジュールのリスト

  • IOLITE-6xSTG(6チャネル)すべてのひずみタイプ、高入力範囲をサポート