ロードセルの不確かさを計算するにはどうすればよいですか?

ちょっと、そこ！ロードセルのサプライヤーとして、私は最近、ロードセルの不確かさを計算する方法について多くの質問を受けています。これは、特にアプリケーションの正確な測定に依存している場合には、非常に重要なトピックです。そこで、このブログ投稿でそれを詳しく説明したいと思いました。

ロードセルの不確かさとは何ですか?

まず最初に、ロードセルの不確実性が何を意味するのかを理解しましょう。簡単に言うと、不確実性とは、測定値の真の値が収まる範囲の推定値です。ロードセルを使用して力や重量を測定する場合、さまざまな要因によって測定値が実際の値からずれる可能性があります。これらの要因がロードセルの不確かさに寄与します。

ロードセルの不確かさに影響を与える要因

ロードセルの不確かさに影響を与える可能性のある要因がいくつかあります。最も一般的なもののいくつかを見てみましょう。

1. 非直線性

非直線性は、ロードセルの出力が直線からどの程度逸脱するかを示す尺度です。理想的な世界では、加えられた力とロードセルの出力信号の関係は完全に線形になります。ただし、実際には、常にある程度の非線形性が存在します。これは、バネ要素の形状やひずみゲージの取り付け方法など、ロードセルの機械的構造が原因で発生する可能性があります。

2. ヒステリシス

ヒステリシスは、負荷が増加しているか減少しているかに応じて、同じ適用荷重に対してロードセルの出力が異なる場合に発生します。たとえば、ロード セルに荷重を加えてから取り外すと、出力が元の値に正確に戻らない場合があります。これは、ロードセル材料の内部摩擦と弾性特性によるものです。

3. 再現性

再現性とは、同じ条件下で試験を繰り返したときに、同じ適用荷重に対して同じ出力を与えるロードセルの能力を指します。ロードセルの再現性が悪い場合は、同じ荷重を加えるたびに測定値に大きなばらつきがあることを意味します。これは、電気的ノイズ、機械的振動、ロードセルコンポーネントの磨耗などの要因によって引き起こされる可能性があります。

4. 温度の影響

温度はロードセルの性能に大きな影響を与える可能性があります。温度の変化によりロードセルの寸法が変化する可能性があり、ひずみゲージ、ひいては出力信号に影響を与える可能性があります。さらに、温度はひずみゲージの抵抗などの電気的特性にも影響を与える可能性があります。ほとんどのロードセルは、これらの影響を最小限に抑えるために温度補償を行うように設計されていますが、温度変動による不確実性が依然として残ります。

ロードセルの不確かさの計算

ロードセルの不確かさに影響を与える要因を理解したところで、その計算方法について話しましょう。ロードセルの不確かさの計算は通常、統計的アプローチに基づいています。一般的な手順は次のとおりです。

1. 不確実性の原因を特定する

前に説明したように、非線形性、ヒステリシス、再現性、温度の影響など、不確実性の原因がいくつかあります。特定のロードセルとアプリケーションに関連する不確実性の原因をすべて特定する必要があります。

2. 各ソースの不確実性を推定する

不確実性の原因を特定したら、各原因の不確実性を推定する必要があります。これは、校正テスト、メーカーの仕様、または履歴データを通じて行うことができます。たとえば、製造業者は非直線性誤差をフルスケール出力のパーセンテージとして提供する場合があります。この値は、非線形性による不確実性の推定値として使用できます。

3. 不確実性を組み合わせる

各ソースの不確実性を推定した後、それらを組み合わせてロードセルの全体的な不確実性を取得する必要があります。これは通常、二乗和平方根 (RSS) メソッドを使用して行われます。 RSS メソッドの式は次のとおりです。

[U_{合計}=\sqrt{U_{1}^{2}+U_{2}^{2}+\cdots+U_{n}^{2}}]

ここで、(U_{total}) は合計の不確実性、(U_{1}, U_{2},\cdots, U_{n}) は各ソースによる不確実性です。

非線形性 ((U_{nl}))、ヒステリシス ((U_{h}))、再現性 ((U_{r}))、および温度の影響 ((U_{t})) による不確実性を推定したとします。ロードセルの全体的な不確かさは次のようになります。

[U_{合計}=\sqrt{U_{nl}^{2}+U_{h}^{2}+U_{r}^{2}+U_{t}^{2}}]

計算例

ロードセルの不確かさを計算する方法を説明する例を見てみましょう。次の仕様のロードセルがあるとします。

• 非直線性誤差: フルスケール出力の ±0.1%
• ヒステリシス誤差: フルスケール出力の ±0.05%
• 再現性誤差: フルスケール出力の ±0.03%
• ゼロバランスの温度係数：フルスケール出力の±0.002%/℃
• 感度温度係数: フルスケール出力の ±0.001%/°C

ロードセルのフルスケール出力は1000N、測定時の温度範囲は20℃～30℃です。

まず、温度の影響による不確かさを計算してみましょう。温度の変化 (\Delta T = 30 - 20=10^{\circ}C)。

ゼロバランスの温度係数による不確実性 ((U_{t1})) は次のとおりです。

[U_{t1}=0.002%\times10\times1000 = 0.2N]

感度の温度係数 ((U_{t2})) による不確実性は次のとおりです。

[U_{t2}=0.001%\times10\times1000 = 0.1N]

温度の影響による不確実性の合計 ((U_{t})) は次のとおりです。

[U_{t}=\sqrt{U_{t1}^{2}+U_{t2}^{2}}=\sqrt{0.2^{2}+0.1^{2}}=\sqrt{0.04 + 0.01}=\sqrt{0.05}\約0.22N]

非線形性 ((U_{nl})) による不確実性は次のとおりです。

[U_{nl}=0.1%\times1000 = 1N]

ヒステリシスによる不確実性 ((U_{h})) は次のとおりです。

[U_{h}=0.05%\times1000 = 0.5N]

再現性による不確実性 ((U_{r})) は次のとおりです。

[U_{r}=0.03%\times1000 = 0.3N]

ここで、RSS 法を使用してロードセルの全体的な不確かさを計算してみましょう。

[U_{合計}=\sqrt{U_{nl}^{2}+U_{h}^{2}+U_{r}^{2}+U_{t}^{2}}=\sqrt{1^{2}+0.5^{2}+0.3^{2}+0.22^{2}}=\sqrt{1 + 0.25+0.09 + 0.0484}=\sqrt{1.3884}\約1.18N]

ロードセルの不確かさを知ることの重要性

ロードセルの不確かさを知ることは、いくつかの理由から非常に重要です。まず、測定の精度を確保するのに役立ちます。正確な力の測定が必要な製造プロセスなど、重要な用途でロードセルを使用している場合、不確実性を理解することは、ロードセルがその作業に適しているかどうかを判断するのに役立ちます。

次に、ロードセルの品質を評価できるようになります。計算された不確実性をメーカーの仕様と比較することで、ロードセルの潜在的な問題を特定し、適切な措置を講じることができます。

当社のロードセル製品

当社では、お客様のニーズに合わせたロードセルを豊富に取り揃えております。探しているかどうか圧縮ロードセル、ステンレス製S型ロードセル、 または合金鋼Sロードセル、私たちはあなたをカバーします。当社のロードセルは、信頼性が高く正確な測定を保証するために、高精度かつ低い不確かさで設計されています。

結論

ロードセルの不確かさを計算することは、力と重量の測定の精度を確保するための重要なステップです。不確かさに影響を与える要因を理解し、このブログ投稿で概説されている手順に従うことで、ロード セルの不確かさを計算し、アプリケーションへの適合性について十分な情報に基づいた決定を下すことができます。ご質問がある場合、またはロードセルの購入に興味がある場合は、詳細についてお気軽にお問い合わせください。また、調達についての話し合いを開始できます。

参考文献

• OIML R60: ロードセルに関する推奨事項、国際法定計量機構。
• ASTM E4: 試験機の力検証の標準慣行、米国試験材料協会。