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ロジスティックスに重要なロードセル (荷重変換器)

ロードセル 航空業界では「重さは金なり」です。重さが1kg増えると、飛行に必要な燃料が増えることになります。そのため燃料が十分かどうかを確認するためには、航空機の重量を把握することが必要になります。また、もう一つの因子として重量配分があります。後ろが重くなると機首が上を向き、仰角が変化して燃料消費が増加します。

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航空機のように大きい物体を計量することは、ボーイング747であっても、特に難しいことではありません。その計量にはロードセルが利用されています。今回のOMEGAエンジニアリングのホワイトペーパーでは、非常に大きい物体の計量に利用されているロードセルについて説明します。各セクションの内容は以下のとおりです。

  • 輸送における重量の重要性
  • 計量技術
  • ロードセルの基本
  • トラック計量システム
  • 列車計量システム
  • 航空機計量システム

輸送における重量の重要性

航空機は、二人乗りの民間飛行機から大型旅客機や貨物機に至るまで、以下の2つの理由によって、定期的に計量されています。まず最初に、FAAの要件として、運航者は航空機の重量を把握しなければなりません。また、重量は経時的に変化する可能性があるため、定期的に再計量することが義務付けられています。次に、パイロットは、必要な燃料や重量配分を決定するために、貨物、乗客や手荷物の積載重量を把握することが必要です (小型のターボジェット飛行機では、重量配分を均等にするために、乗客が移動しなければならないことがよくあります)。

ロードセルが利用されることが多い用途として、その他にはトラックの計量があります。大型車両は、道路、特に架橋の破損の原因となるため、最大許容積載量の限度が定められています。これらの限度の執行は、道路沿いの計量所で実施され、全てのトラックが停止して計量することが義務付けられています。

列車も計量が必要です。道路と同様に、過剰な積載は線路の損耗を加速し、航空機と同様に、不均等な重量配分は安定性の問題につながる恐れがあります。列車で運ばれる貨物は、重量に基づいて課金されることもあり、各車両やワゴンの積載量を把握することが重要になります。

計量技術

Load Cells Weighing Technology
Load Cells Weighing Technology
何世紀もの間、主な計量手段は、ばねの伸びを利用する秤や一方の重さを他方と比較する天秤のいずれかでした。しかし近年、ほとんどの工業および商業用途では、重い物を測定する必要がある場合、ロードセルを利用するようになっています。

ロードセルの基本

ロードセルとは、力 (質量と重力の乗算) をアナログ電気信号に変換するデバイスです。これは一般には、圧電効果を通じて、またはひずみゲージを用いて行われます。圧電性物質とは、圧縮されると弱い電気信号を出力する物質です。最もよく知られているのは圧電性結晶ですが、圧電セラミックスなど、同じ効果のある物質は他にもあります。

Wheatstone Bridge
Wheatstone Bridge
ホイートストンブリッジAひずみゲージは、その抵抗が通常は変形として現れる、ひずみによって変化する材料から作製された電子デバイスです。これらは、荷重に応じてゆがむように設計されたロードセルで使用されます。ほとんどのロードセルは、荷重下で屈曲するビーム構造で設計されますが、一部は、縦方向または軸方向の圧縮からもたらされる断面の膨張を利用します。この場合は概ね、屈曲構造よりも少ない線形出力となり、較正の問題が生じてきます。

典型的な屈曲構造は、「S」字ビーム型ロードセルです。形状が「S」字のようになり、4つのひずみゲージが水平方向部分に固定されています。荷重が「S」字の上に下向きに垂直方向に加わると、2つのゲージが圧縮され、残りの2つが引っ張られます。これらのゲージをホイートストンブリッジ配列に接続すると、抵抗のわずかな変化が測定可能な電気信号になります。

ひずみゲージのロードセルが有効な測定値を生じるためには、荷重を作用方向に加えなければなりません。横向きの荷重は測定値が不正確になり、デバイスが破損する恐れがあります。この点では、圧電センサーシステムのほうが頑丈ですが、全体的に精度が劣ります。さらに、多くの圧電性物質からの出力は温度依存性がかなり高いものです。

ロードセルの選択

用途に適切なロードセルを評価する場合、以下についての考慮が必要です。
  • 測定範囲
  • 安全な荷重限度 (測定値に永久的な影響を発生させずに加えることができる最大荷重)
  • 超過荷重 (ロードセルが破損する荷重)
  • 安全な横向き荷重 (ロードセルが測定値に永久的な影響を発生させずに測定可能な、横方向の最大荷重)
その他に注意すべき点として、衝撃荷重の可能性、中心から外れた積載、環境保護に対する必要性があります。衝撃荷重の例には、積載物のロードセル上への落下などがあります。衝撃吸収材はこのような加重の影響を緩和することができます。中心から外れた積載は誤った結果を招くことになり、ロードセルを破損する恐れがあります。屋外環境での使用を目的とするロードセルは、適切なIPおよびNEMA基準を満たすような仕様にする必要があります。

トラック計量システム

ほとんどの計量所は、圧電ベースまたはひずみゲージのいずれかのロードセルを利用しています。これらは、道路の表面に埋め込まれ、各軸によって生じる荷重が測定されます。最新技術はいわゆる「動態荷重測定 (Weigh-in-Motion: WIM)」技術で、トラックを停止させずに正確に計量できます。これらのシステムは、ロードセルと、車両の存在を検出する誘導ループを組み合わせて使用します。迅速かつ正確な上に、最も重要な点として、各トラックが計量のために停止する必要がなくなります。このため、交通量が多い時間に発生する渋滞の問題が解決し、計量所を一時的に閉鎖しなくてもよくなります。

公道で使用するWIMシステムの要件は、ASTM E1318-02に規定されています。

列車計量システム

トラックと同様に、停止状態の測定とWIM測定の両方のシステムが利用されています。これらは、個別のアクセル荷重やボギー荷重、さらに台車または車両全体の重量も決定できます。ロードセルはこれらのシステムで使用され、±1%以上の精度があります。

航空機計量システム

航空機は、ロードセルを組み入れたプラットフォームスケールで計量されます。一般に、全車輪がプラットフォームに載るように航空機を前方に引っ張り、全体重量として、各プラットフォームの測定値を合計します。またプラットフォームの測定距離と測定差を使用して重量配分を計算します。

精度と耐性

トラック、航空機、列車はすべて定期的に計量する必要があります。これは、ロードセルを利用して実行されます。ロードセルは、物質が変形すると発生する抵抗変化を測定するひずみゲージ、または圧力下で電気変化が発生する圧電性物質のいずれかを採用します。この信号は増幅され、±1%の精度の測定値を得ることができます。

関連情報
ロードセル