2025-11-28
同じ測定範囲のアナログセンサーを交換・修理した後の計量データの大きな差異の理由の分析
産業用計量システムの日常的な運用と保守において、この種の問題は頻繁に発生します。アナログロードセルを交換または修理した後、その公称範囲が元のセンサーと同じであっても、計量結果は依然として大きく逸脱します。場合によっては、誤差が通常の許容範囲を超え、生産の測定精度に深刻な影響を与えることさえあります。
この現象は単純に見えますが、実際には、アナログロードセルの製造プロセス、性能パラメータ制御、および国家標準要件における微妙な違いと密接に関連しています。この記事では、中国の国家標準であるGB/T 7551-2019 ロードセルと組み合わせて、ロードセルの主要な性能パラメータの製造要件から始め、範囲が同じ場合でもデータ偏差が発生するより深い理由を分析します。
標準GB/T 7551-2019 ロードセルは、中国におけるアナログロードセルの製造と試験のコア標準として、同じ範囲のロードセルの複数の主要な性能パラメータの製造精度要件を明確に規定しています。これらのパラメータは、ロードセルの計量精度を直接決定し、その後のデータ差異の主要な原因でもあります。
その中で、データ偏差に最も密接に関連するパラメータには、主に次の4つのカテゴリがあります。
感度は、アナログロードセルの主要な指標の1つです。これは、定格負荷（つまり、フルスケールの上限）の下でのセンサーの出力信号の変化を指します。
標準によると、アナログロードセルの典型的な感度は一般的に
2.0 mV/V ± 0.02 mV/V（または、許容される小さな偏差を持つ他の固定公称値）です。
同時に、標準は感度温度係数の制限も規定しています。
動作温度範囲−10°C ～ +40°C内では、温度に対する感度の変動は
ゼロ温度係数は、温度変化に対するゼロ点の変動の大きさを表します。0.002% FS/°C
（FS = フルスケール）でなければなりません。これは、2つのロードセルが同じ公称範囲を持っていても、感度値のわずかな違い（たとえば、一方は2.01 mV/V、もう一方は1.99 mV/V
(2) 非線形性誤差
非線形性誤差とは、センサーの出力信号と負荷の実際の関係と、理想的な線形関係との間の最大偏差を指します。
国家標準では、次のように要求されています。国家標準によると、ヒステリシス誤差は次のとおりです。≤
0.02% FS（クラスC）または ≤
0.01% FS
（クラスB）でなければなりません。
同じ範囲のロードセルでは、次のような製造プロセスの変動により、非線形性が生じる可能性があります。
弾性要素の機械加工精度
0.002% FS/°C
ひずみゲージの接着位置のずれ（クラスC）または
元のロードセルの非線形性誤差は0.01% FS国家標準によると、ゼロ温度係数は
0.018% FS
です。
フル容量に近い負荷（たとえば、90 kgの負荷がかかった100 kgのロードセル）では、出力信号の差は次のようになります。
[(0.018% − 0.01%) × 100 kg = 0.008 kg]
範囲がより大きい場合（たとえば、1000 kg）、偏差はさらに拡大します。
これはすでに計量精度に大きく影響を与えるのに十分です。
(3) ヒステリシス誤差
0.02% FS国家標準によると、ヒステリシス誤差は次のとおりです。
≤
0.02% FS（クラスC）または
≤
0.01% FS
（クラスB）。
でなければなりません。になります。交換用ロードセルは、50 kgの負荷で1.000 mVを出力し、50 kgのアンロードで元のロードセルは、無負荷で20°Cで国家標準によると、ゼロ温度係数は
を出力し、30°Cでになります。交換用ロードセルは、50 kgの負荷で1.000 mVを出力し、50 kgのアンロードで交換用ロードセルは、20°Cで国家標準によると、ゼロ温度係数は
0.003 mV
長期間の運用では、これにより計量データの再現性の偏差が発生します。
(4) ゼロドリフトとゼロ温度係数
ゼロドリフトとは、無負荷（ゼロ）条件下でのロードセルの出力信号の時間的変動を指します。 ゼロ温度係数は、温度変化に対するゼロ点の変動の大きさを表します。国家標準によると、ゼロ温度係数は
≤
0.002% FS/°C
でなければなりません。0.001 mV例：元のロードセルは、無負荷で20°Cで0.000 mV
を出力し、30°Cで0.001 mVを出力します。交換用ロードセルは、20°Cで0.000 mV
を出力し、30°Cで0.003 mVを出力します。
0.002 mV
の信号ドリフトが発生し、これが重量データに変換されると、スケールが無負荷で正または負の値を示し、実際の計量結果に深刻な影響を与える可能性があります。2. 同じ定格範囲にもかかわらずデータ偏差が発生する実際のシナリオと原因分析
交換用ロードセルの定格範囲が元のロードセルと同じであっても、実際の交換とメンテナンス中に、上記の標準パラメータの微妙な違いが、
信号取得→伝送→処理
の全チェーンを通じて増幅され、最終的に計量データの大きな偏差として現れます。
実際の運用とメンテナンスのシナリオに基づいて、具体的な原因を次の3つのカテゴリに分類できます。
**(I) 製造プロセスの変動：同じ範囲のセンサーにおける「隠れた性能の違い」**
国家標準は、性能パラメータの許容範囲を指定していますが、同じ範囲のセンサーのパラメータが同一である必要はありません。制限内であれば、異なるメーカーまたはバッチのセンサーでもわずかな違いがあり、交換後に直接露呈します。
たとえば、工場では100kgのアナログセンサー（クラスC）を使用しています。メーカーAの元のセンサーの感度は2.005 mV/V、非線形性誤差は0.012% FS、ゼロ温度係数は0.0015% FS/°Cです。メーカーBの新しい交換用センサーの感度は1.995 mV/V、非線形性誤差は0.018% FS、ゼロ温度係数は0.0018% FS/°Cです。標準の観点から見ると、どちらもクラスCの要件を満たしています。ただし、実際のアプリケーションでは、次のようになります。
* 50kgの負荷が加えられた場合、元のセンサーの出力信号は（50kg / 100kg）× 2.005 mV/V × 励起電圧（通常10V）= 1.0025 mVです。新しいセンサーの出力は（50kg / 100kg）× 1.995 mV/V × 10V = 0.9975 mVです。感度の違いだけで0.005 mVの信号偏差が発生し、これは0.005mV ÷（2.0 mV/V × 10V / 100kg）= 0.025 kgの重量データ偏差に対応します。
* 環境温度が20°Cから30°Cに上昇した場合、元のセンサーのゼロドリフトは0.0015% FS/°C × 10°C × 100kg = 0.15 kgですが、新しいセンサーの場合は0.0018% FS/°C × 10°C × 100kg = 0.18 kgです。温度変化により、さらに0.03 kgの偏差が追加されます。合計偏差は0.055 kgに達します。食品包装に使用する場合（たとえば、±0.05 kgの精度が必要な場合）、これにより、製品が過剰または重量不足になる可能性があります。
さらに、一部の小規模メーカーは、コストを削減するために、国家標準に従ってパラメータを厳密に校正しない場合があります。たとえば、実際の感度偏差が0.05 mV/V（±0.02 mV/Vの標準要件を超える）に達する可能性がありますが、センサーは依然として「100kg範囲」と表示されています。このようなセンサーと交換した後のデータ差は、さらに顕著になります。
**(II) 設置および校正プロセス：元のシステムの「信号適応要件」を満たしていない**
アナログセンサーからのデータの精度は、それ自体の性能だけでなく、設置方法とシステムの校正とも密接に関連しています。交換用センサーのパラメータが国家標準に準拠していても、交換中に元のシステムの適応要件に従って操作しないと、データ偏差が発生する可能性があります。
1. **設置位置と負荷状態の偏差**
アナログセンサーの出力信号は、力の方向と設置の平面度に直接関係しています。国家標準では、センサーの設置中に、負荷が弾性要素の中心に垂直に作用し、取り付け面の平面度誤差が≤ 0.1 mm/mである必要があります。交換用センサーが位置ずれ（たとえば、元の中心位置から5mmのずれ）で設置されている場合、または取り付け面が水平になっていない場合（たとえば、0.2 mm/mの傾きがある場合）、センサーにかかる実際の力は、その公称範囲の「定格負荷方向」と一致しません。たとえば、100kgのセンサーは98kgの垂直負荷を受ける可能性がありますが、さらに2kgの横方向の力も受け、出力信号が通常よりも低くなり、「計量データ偏差」として現れます。
さらに、複数のセンサーアセンブリ（たとえば、車両、ホッパー）を含むシナリオでは、国家標準では、センサー間の負荷分布均一性偏差が≤ 1% FSである必要があります。1つのセンサーを交換する際に、その高さが調整されていない場合（たとえば、他のセンサーと比較して0.5mmを超える高さの違いが生じる場合）、負荷が他のセンサーに集中し、新しいセンサーが過小負荷になる可能性があります。これにより、全体の計量データが予想よりも低くなります。
**2. システム校正の再実行の失敗**
アナログセンサーからの信号は、計量データに変換される前に、機器によって「増幅 - フィルタリング - アナログ-デジタル変換」を受ける必要があります。国家標準では、アナログ計量システムは、センサーを交換した後、再「システム校正」を実行する必要があります。これには、標準重量を負荷し、センサーの出力信号を標準重量に合わせるために、機器の増幅率とゼロ点補償値を調整することが含まれます。
交換後に校正を実行せず、機器が元のセンサーのパラメータ（たとえば、元のセンサーの感度が2.005 mV/V、新しいセンサーが1.995 mV/V）を使用し続けると、機器によって計算された重量が逸脱します。たとえば、50kgの標準重量が負荷された場合、新しいセンサーは0.9975mVを出力しますが（前のケースと同様）、機器が依然として2.005 mV/Vの感度に基づいて計算する場合、結果の重量は0.9975mV ÷（2.005mV/V × 10V / 100kg）≈ 49.75kgとなり、実際の50kgとは0.25kg異なります。これは、標準許容範囲をはるかに超える偏差です。
一部のユーザーは、「同じ範囲のセンサーは直接交換できる」と誤って信じ、システム校正手順を見落としており、これはデータ不一致の一般的な原因です。
**(III) 経年劣化と摩耗：古いセンサーと新しいセンサーの間の「性能劣化の違い」**
長期間の使用後、アナログセンサーは、経年劣化と摩耗により、初期状態から性能パラメータがシフトします。新しいセンサーは「初期性能状態」にあります。範囲が同じであっても、古いセンサーと新しいセンサーの間のパラメータの違いは、データ偏差につながる可能性があります。これは、5年以上使用されているセンサーを交換する場合に特に顕著な現象です。
国家標準によると、アナログセンサーの標準的な耐用年数は10年です。ただし、過酷な環境（たとえば、高温、湿度、ほこり）では、性能劣化が加速します。
* 弾性要素は、長期間の負荷の下で「塑性変形」を起こし、感度が低下する可能性があります（たとえば、2.0 mV/Vから1.98 mV/Vに）。
* ひずみゲージ接着層の経年劣化により、ヒステリシス誤差が増加する可能性があります（たとえば、0.01% FSから0.03% FSに）。
* 回路内の補償抵抗の酸化により、ゼロドリフトが悪化する可能性があります（たとえば、0.001 mV/hから0.005 mV/hに）。
新しいセンサーが取り付けられると、そのパラメータは国家標準の「初期要件」に準拠します（たとえば、感度2.005 mV/V、ヒステリシス誤差0.012% FS）。ただし、システムの機器は、古いセンサーの「劣化パラメータ」に適応している可能性があります（たとえば、1.98 mV/Vの実効感度に基づいて計算）。再校正しない場合、新しいセンサーの出力信号は機器によって「過剰増幅」され、「より重い計量データ」として現れます。たとえば、50kgの負荷の下で、新しいセンサーは1.0025mVを出力します。機器が古いセンサーの1.98 mV/Vの感度を使用して計算する場合、結果の重量は1.0025mV ÷（1.98mV/V × 10V / 100kg）≈ 50.63kgとなり、実際の50kgとは0.63kg異なります。
**III. 解決策：標準準拠と運用最適化によるデータ不一致の削減**
メンテナンス中に同じ範囲のアナログセンサーを交換した後のデータ不一致を防ぐには、「選択 - 設置 - 校正」の全プロセスを管理し、国家標準要件を厳守しながら、実際のアプリケーションシナリオに基づいて運用を最適化することが不可欠です。
**(I) 選択：準拠製品を優先し、パラメータを一致させる**
* 交換中は、感度、非線形性誤差、温度係数などのパラメータが一致するように（偏差≤ 0.01mV/Vまたは0.005% FS）、元のセンサーと同じ「メーカーとモデル」の製品を優先する必要があります。
* 同じモデルが利用できない場合は、「GB/T 7551-2019」に準拠したメーカーからのパラメータテストレポートを要求し、感度、非線形性誤差、ゼロ温度係数などの主要な指標の検証に焦点を当て、偏差を最小限に抑えるようにします（たとえば、感度偏差≤ 0.005mV/V）。
**(II) 設置：標準要件を厳守し、均一な負荷分布を確保する**
* 設置前に、取り付け面の平面度を確認します（レベルを使用して、誤差が≤ 0.1mm/mであることを確認します）。設置中は、力がセンサーに垂直に作用するようにし、横方向の力を避けてください。
* 複数のセンサーアセンブリの場合は、高さゲージを使用してセンサー間の高さの違いを≤ 0.2mmに調整し、均一な負荷分布を確保します。
**(III) 校正：交換後にはシステム校正が必須**
* 国家標準「GB/T 14249.1-2008 計量器 - 一般技術要件」によると、アナログセンサーを交換した後、「マルチポイント校正」を標準重量（精度クラスはM1以下）を使用して実行する必要があります。これには、少なくとも5つのポイントが含まれます。ゼロ、25% FS、50% FS、75% FS、および100% FS。
* 機器を介して増幅率とゼロ点補償を調整し、各校正点での計量データ誤差が国家標準で許可されている範囲内になるようにします（たとえば、クラスIII機器の場合、許容誤差は≤ 0.1%です）。
**IV. まとめ**
