自動高精度計量モジュール、ロードセル、ロードセンサ

簡単に言えば、計量モジュールは、従来の計量器ではない構造物を、はかりとして機能するように変換するものです。一方、ロードセル、またはロードセンサは、あらゆる「従来型のはかり」の内部に搭載されているものです。これについて、もう少し詳しく見ていきましょう。

 
計量モジュールは、タンクなどの非伝統的な構造体を、計量装置に変えるものです。つまり、タンクの脚の下に計量センサモジュールを追加することで、タンクは単に物質を保持する構造体から、タンク内にどれだけの物質があるかを測定する計量構造体へ変わるのです。 

 
ロードセルとは、簡単に言えば、あらゆる標準的なはかりの心臓部です。ロードセルは、高感度の研究室/ラボ用天秤から頑丈なフロアスケールまで、あらゆる種類のはかりに搭載されています。ロードセルセンサこそが、単なる台座に過ぎない物を、高感度の計量装置へと変える役割を果たしているのです。

メトラー・トレドは、あらゆるプロジェクトにおいてコンサルティング型のアプローチを採用しています。当社の専門知識を持つ営業およびサービス技術者のチームが、お客様の用途に最適なソリューションを、その用途に必要な精度と耐久性を備えてご提供できるよう尽力いたします。

デジタルロードセルテクノロジーの基本は、地球の重力場において物体に加わる力である「荷重」を電気信号に変換することにあります。ほとんどのロードセルには、機械的なひずみを抵抗値の変化に変換する、いわゆるロードセルセンサが搭載されています。ロードセルセンサの詳細については、以下をご覧ください。質量は重力場によって強制された荷重を加え、その荷重がロードセルの本体に応力を与え、変形（ひずみ）を引き起こします。ロードセルセンサはこのひずみを抵抗値の変化に変換し、最終的に電圧出力として出力します。この出力は、加えられた質量に比例します。

スケール用ロードセル、あるいはロードセルセンサは、精密な測定が必要な様々な産業で使用されています。ロードセルは、タンク、容器、ホッパー、コンベアの重量を正確に測定します。ロードセルは、過酷な産業用途の要求に耐えられるよう設計されています。ロードセルの容量は大きく異なります。実験室用途に適したロードセルもあれば、大容量のバッチ処理や物流用途に適したロードセルもあります。

ロードセルは、世界的に要求されるすべての認証および規格を満たす必要があります。これには、電子式ロードセル、アナログ式ロードセル、油圧式ロードセルが含まれ、これらを使用することで、構造物をはかりに変えることができます。ロードセルは、フロアスケール、ベルトスケール、計量システム、パレットスケール、チェックウェイヤースケール、ロードセルスケール、コンベヤースケールなどに使用されています。メトラー・トレドのロードセル技術は、過酷な環境下でも高い耐久性を発揮します。これらは通常、タンクスケール、容器計量、サイロスケール、トラック計量などに使用されます。

ロードセルは、まず形状によって区別されます。 シングルポイントロードセルは、小規模から中規模の用途に使用されます。 ひずみゲージロードセルは、フロアスケールや中規模のタンクスケールに使用されます。キャニスター型ロードセルは、大容量のアプリケーションに使用されます。ロードセルの種類や用途を区分するもう一つの基準は、出力方式です。アナログ式ロードセルは、増幅やA/D変換を行うための外部端子が必要ですが、デジタル式ロードセルや電子式ロードセルは「インテリジェンス」を内蔵しており、より高い精度、はるかに堅牢なデータ転送、そしてメンテナンスに役立つロードセルの状態監視機能という利点があります。ロードセルの価格は、必要な性能に応じて異なります。設計や価格に関わらず、メトラー・トレドではあらゆる種類のロードセルをご購入いただけます。

ロードセルについて語る際、精度と分解能が混同されることがよくあります。分解能とは表示される桁数のことを指しますが、桁数が多いからといって精度が高いとは限りません。精度とは、計量結果がどれだけ正確であるかを表すものです(ロードセル精確計算およびロードセルのひょう量計算)。正当な理由から、計量用ロードセルでは、結果の解釈に迷いが生じないように、分解能が制限されています。したがって、精度の最良の指標は、計量法適合の認定です。ロードセルセンサーの精度は通常、1/3,000dから1/10,000dの範囲です（ロードセルの仕様書にも記載されています）。力復元方式を採用したロードセルは、1/200,000d、あるいはそれ以上の精度に達します。温度や湿度が一定であるといった理想的な条件下では、精度は5～10倍向上する可能性があります。

しかし、ロードセル式はかりの最終的なシステム精度を算出するのはかなり複雑です。温度、時間、分解能など、多くの要因を考慮する必要があります。ロードセルメーカーに相談することをお勧めします。計量コンポーネントセレクターでは、これらの計算を専門的な手法で行っています。

ロードセルの故障にはさまざまな原因が考えられます。最も一般的な故障の原因は、アナログ式ロードセルシステムのジャンクションボックスです。このようなアナログ式ロードセルシステムが故障した場合、すべてのロードセルケーブル、ロードセル本体、およびロードセル用ジャンクションボックスを点検する必要があるため、トラブルシューティングは煩雑になりがちです。デジタルロードセルは、診断データを提供することで、この問題をはじめとする多くの故障原因を解消します。このデータを処理することで、システムが正常に稼働していることを確認でき、万が一ロードセルが故障した場合でも、どのロードセルが応答していないかをシステムが通知してくれます。

ロードセルは、あらゆる物質の重量を測定するために使用されます（例：50kgロードセル、10トンロードセル、50トンロードセル、100トンロードセル、その他あらゆる容量のロードセル）。その測定範囲は、ロードセルセンサのマイクログラム単位から、高容量ロードセルスケールの100トン単位まで多岐にわたります。製薬用途では、数グラムの差が重要な結果をもたらすため、低容量のロードセルが求められます。中容量のロードセルは、通常、材料の加工や取引に使用されます（例：5トンロードセル）。大容量のロードセルは、貯蔵用途に使用されます。

ロードセルを使用する際によくある問題は、不適切な保護等級を選んでしまうことです。ロードセルは湿度や定期的な洗浄に非常に敏感です。高いIP等級を謳っていても、湿熱環境に対する保護性能は十分ではありません。高湿度や急激な温度変化（低温環境、高温洗浄）が予想される場合は、常にステンレス製の気密密封型ロードセルを選択することをお勧めします。したがって、ロードセルを購入する際には、さまざまなパラメータを考慮する必要があります。

ロードセルシステムの校正費用は、しばしば過小評価されがちです。品質管理システムにおいて、このような計量システムの定期的な校正が義務付けられている場合は、メトラー・トレドに最も効率的な方法についてご相談ください。ISO9001に準拠した方法では、国際標準にトレーサブルな独立した校正機器が必要です。いかなる状況においても、校正が永遠に変わらないと想定したり、ロードセルスケールに再校正が全く不要であると決めつけたりしてはなりません。 大型タンクスケールを校正する効率的な方法として、RapidCal™があります。

ロードセル式はかりの設置が精度に与える影響は、往々にして過小評価されがちです。いずれにせよ、ロードセルの信号は電圧が非常に低く、干渉を受けやすいため、シールドケーブルの使用が推奨されます。銅は温度によって抵抗値が変化するため、ケーブルはできるだけ短いものを選び、ケーブルの抵抗値は低いほど良いとされています。

はかり用ロードセルの組み込みは、多くの場合、手間がかかり、技術的な知識を必要とします。適切な計量モジュールの選び方や、販売中の適切なロードセルの見つけ方については、詳細をご覧ください。  

ひずみゲージはロードセルの構成要素です。ロードセルは、荷重をひずみに変換する装置です。そのひずみはロードセルセンサによって検知され、抵抗値に変換されます。この抵抗値は電気量として測定され、計量結果として表示されます。この原理は、10トンのロードセルでも100トンのロードセルでも同じです。

ロードセルは力を測定するものであり、残念ながら理想的な質量そのものを測定するものではありません。そのため、ロードセルスケールに偶発的に生じるその他の垂直方向の力が、精度に直接影響を及ぼすことになります。典型的な例としては、容器内の配管からの力、例えばゴミの堆積による地面との接触、ロードセルや小容量システムへのケーブルの接触、垂直方向の振動などが挙げられます。システムでこうした問題を回避し、適切なロードセルを購入するためには、専門家に相談することをお勧めします。

ほとんどのロードセルは、2～3 mV/Vのアナログ出力を提供します。これらは受動素子であるため、励起には外部電源が必要です。出力信号は、励起電圧と負荷電流の相対的な関係に応じて変化します。したがって、電源による影響を排除できる、非常に安定した励起源を確保することが極めて重要です。2mV/Vのロードセルは、10Vの電源を供給した場合、定格荷重時でも出力はわずか20mV程度になります。最新の指示計(ロードセルリーダー)は、安定した電源供給と出力信号の正確な増幅を両立し、計量結果をデジタル情報に変換します。信号が正常に動作するためには、適切なロードセルの配線を行うことが重要です。

ロードセルは受動素子であり、励起には外部電源が必要です。この励起電圧は、負荷電流によって変動し、誤差の原因となる可能性があります。そのため、電源に起因する誤差を排除するには、極めて安定した励起電源を確保することが極めて重要です。最新の測定器は、安定した電源供給、微弱な出力信号の正確な増幅、および測定結果のデジタル情報への変換機能を提供します。

油圧式ロードセルは、密閉された流体に荷重をかけた際の圧力変化の原理を利用しています。この圧力変化は、圧力変換器によって測定されます。油圧式ロードセルは精度がそれほど高くなく、現在ではあまり一般的ではありません。電子機器の精度が今ほど高くなかった時代に、その堅牢性がもたらしていた利点は、もはや過去のものとなっています。

一般的に、ロードセルは0.03%程度、あるいはそれ以上の精度で非常に直線的です。現在のはかりは、主にゼロ点と最大スパン点でのみ校正されており、その間の範囲は直線的であるとされています。

液面制御システムでは、タンクの脚の数よりも少ない数のロードセルを使用することも可能です。重要なのは、荷重がかかった際にシステムの重心が水平方向にずれないようにすることです。このようなシステムの精度は理想的とは言えない場合があります。ばら積み物には、このようなシステムを使用しないでください。

アナログ式ロードセルはmV/Vインターフェースを採用しており、PT100などのパッシブ型温度センサーとは異なるため、専用の電子機器が必要となります。

ロードセルセンサは、実際に使用する場所で校正する必要があります。現場での校正が求められる主な理由は、場所によって重力が異なるためです。場所Aで製造されたロードセルを場所Bで使用する場合、現場での校正を行わなければ誤差が生じることになります。現場での校正が重要であるもう一つの理由は、すべての計測機器が避けられない装置自体の経年劣化です。はかりが使用される工程における精度の重要度にもよりますが、1～2年ごとに校正を行うことが推奨されます。

ロードセルセンサは、実際に使用する場所で校正を行う必要があります。現場での校正が不可欠な主な理由は、場所によって重力が異なるためです。場所Aで製造されたロードセルを場所Bで使用する場合、現場での校正を行わなければ誤差が生じることになります。現場での校正が重要であるもう一つの理由は、すべての計測機器が避けられない装置自体の経年劣化です。はかりが使用される工程における精度の重要度にもよりますが、1～2年ごとに校正を行うことが推奨されます。

計量器用ロードセルは、精密な測定が必要な様々な産業分野で使用されています。計量器用ロードセルは、タンク、容器、ホッパー、コンベヤの重量を正確に測定します。ロードセル技術は、過酷な産業用途の要求に耐えられるよう設計されています。計量機用ロードセルの容量は、製品によって大きく異なります。実験室用途に適したロードセルもあれば、大容量のバッチ処理や物流用途に適したロードセルもあります。

計量器用ロードセルは、世界的に要求されるすべての認証および規格を満たしている必要があります。これには、構造をスケールに変えることができるシングルエンドビーム型ロードセルが含まれます。ビーム型ロードセルは、フロアスケール、ベルトスケール、計量システム、パレットスケール、チェックウェイヤー、コンベヤスケールなどで複数台使用されます。キャニスター型／リング型ロードセル技術も、過酷な環境下での堅牢性を備えています。これらは通常、タンクスケール、容器計量、サイロスケール、およびトラック計量に使用されます。