産業用ロードセルが力を使える測定値に変換する仕組み

産業用ロードセルは、力を電気的な測定値に変換します。ひずみゲージ式では、力で弾性体がわずかに変形し、貼り付けたゲージの抵抗が変化します。ブリッジ回路はこの抵抗変化を微小な差動電圧に変換します。計器は励起電源を供給して電圧を読み取り、校正に基づいて力または質量を表示します。そのため、ロードセルには適切な電気入力に加え、明確に定めた機械的な荷重経路が必要です。

治具から表示器まで、一つの測定値の流れを追う

アクチュエータと試験対象の部品の間にセンサーを配置した、軸方向の試験治具を考えます。取付部の軸が合っていれば、意図した力が検出素子を通ります。ひずみゲージが変形に応答し、ブリッジ電圧が変化します。増幅器は励起電圧に対するこの変化を測定します。校正により、その結果を既知の印加荷重に対応付けます。

表示値が意味を持つのは、センサーに伝わった力についてだけです。ガイドに摩擦があると、荷重の一部がセンサーを迂回して伝わることがあります。偏心した接続部は曲げを生じさせます。ケーブルの剛性によって、小さな治具が引っ張られることもあります。ブリッジ信号を精密に読み取るだけでは、電子回路はこれらの影響と意図した力を区別できません。

はかりに表示される質量は、支持している荷重に重力が作用して生じる力から求めます。試験機では、ニュートンが適切な単位となる場合があります。単位の表示を変えるだけでは、校正基準や荷重方向を定義したことにはなりません。制御装置を交換しても引き継げるよう、これらの設定を計器の構成情報とともに保管してください。

産業用ロードセルの mV/V は何を表すか

定格感度は、励起電圧 1 V 当たりの、定格荷重時における公称信号変化を表します。電源電圧ではなく、そのまま PLC に接続できる信号でもありません。無負荷のブリッジにもオフセットがあり得るため、計算で求めるのは正確な絶対出力ではなく、ゼロ荷重時からの変化量です。

METRAVON MV-LC0190 の公称感度は、1 kg 仕様では 0.5 mV/V、5、20、50 kg 仕様では 1 mV/V です。励起電圧を 5 V とする例では、公称フルスケール変化量はそれぞれ 2.5 mV と 5 mV です。5 V は、公表されている励起電圧範囲 4-12 V 内にあります。実際には、感度の許容差、ゼロオフセット、増幅器の校正も考慮する必要があります。

機器の説明書に従い、微小信号の測定に適した計器を使ってください。抵抗の確認は、回路を切り離し、電源を遮断して行います。接続された電子回路に絶縁抵抗計を使用したり、規定のない試験電圧をセンサーに加えたりしてはいけません。抵抗値が一見妥当でも、運転条件下での機械的損傷や漏電を否定することはできません。

増幅器や計量器が必要な理由

一般的な産業用の電流入力では、受動式ブリッジの信号を直接読み取れません。対応するブリッジ入力は励起電源を供給し、微小電圧を測定してからスケーリングします。計量指示計は現場で結果を表示し、変換器はアナログ出力やデジタル出力を制御装置に送ることができます。PLC 用計量モジュールの中には、ブリッジを直接測定するものもあるため、別の変換器が常に必要とは限りません。

インターフェースは計器側で選定します。4-20 mA、RS485、Modbus RTU が必要だからといって、ブリッジ出力のセンサー単体がその機能を持つわけではありません。選定した計器の入力範囲、励起電源の駆動能力、雑音、更新周期、実際の出力仕様を確認してください。レジスタの割付けと制御装置側のスケーリングについては、PLC までの信号経路を解説した記事を参照してください。

フィルタ処理も、この信号経路の一部です。変動する値を平均化すれば指示値は安定しますが、応答が遅れます。貯蔵タンクに適した設定でも、充填停止の判断には遅すぎる場合があります。表示が安定した後だけでなく、工程が判断を行う瞬間の重量を観測してください。

一つのプラットフォームを複数のセルで支える場合

プラットフォームや容器では、荷重を複数のセンサーに分担させることがよくあります。各信号は、対応する加算用機器で合成するか、別々のチャンネルとして取り込めます。各支持部の指示値を個別に確認できるかどうかは、計器の構成で決まります。故障診断や荷重分布の監視が必要なら、購入前に決めてください。

一つの支持部の据付けが不適切でも、合計値は正しく見える場合があります。確認できる場合は各支持部の応答を調べ、その後、異なる位置に既知の荷重を加えます。四隅の調整で小さな電気的な不一致は補正できても、固定ガードに接触しているプラットフォームは直せません。電気的な均等化調整を行う前に、支持構造が毎回同じように動き、元に戻る必要があります。

セルを増やすと、励起電源に必要な供給能力も増えます。ブリッジの合成負荷、ケーブル損失、電源定格を確認してください。指示計の端子数だけでは、任意の数のセンサーを並列接続して給電できる根拠にはなりません。

症状に応じて次の確認項目を選ぶ

調整前の指示値を残してください。これにより、機械的な変化と、保守中に変更された電子回路の設定を区別しやすくなります。設置後の校正手順では、載荷と除荷の確認をさらに詳しく説明しています。

ブリッジ信号についての質問

Q1. 無負荷のセンサーは、必ず正確に 0 mV を出力しますか？

必ずしもそうではありません。ブリッジの初期平衡、治具の重量、取付け時の予荷重が、無負荷出力に影響します。納入されたセンサーのデータと、設置後に記録した以前のゼロ値を比較してください。過負荷や機械的な変更の後に新たなオフセットが生じた場合は、計器の風袋引きで消せても調査が必要です。

Q2. 信号線を逆に接続すれば、圧縮用セルを引張用にできますか？

できません。測定極性を反転して変わるのは、電気的な符号だけです。荷重導入面、取付部、許容される力の方向は変わりません。必要な荷重の加え方に対応したセンサーを使い、機械的な構成と校正方向の両方を確認してください。

まとめ

有効なロードセルの指示値を得るには、意図した力を加える、ブリッジ信号を測る、結果を校正する、という三つの処理をつなげる必要があります。METRAVON の設置仕様を検討する際は、治具または支持部の図面をお送りください。必要な表示器や制御装置のインターフェースも併せてお知らせください。これにより、センサーの役割と、測定システムの残りの部分が担う役割を明確にできます。