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橋梁および柱の重量センサーに対する水平力の影響と、それらの使用シナリオの違い

2025-12-23

最新の企業ニュース 橋梁および柱の重量センサーに対する水平力の影響と、それらの使用シナリオの違い

橋型および円柱型重量センサーに対する横方向力の影響と、それらの使用シナリオの違い

重量システムの実際の運用において、センサーは力の作用面に垂直な軸方向の重量負荷だけでなく、水平または傾斜方向に沿った横方向の干渉にも直面することがよくあります。非対象負荷として、横方向力はセンサーの理想的な力負荷状態を乱し、測定精度の低下やハードウェアの損傷を引き起こします。構造設計と力負荷原理に固有の違いがあるため、橋型および円柱型重量センサーは、横方向力に対する耐性が大きく異なり、それがアプリケーションシナリオにおける明確な境界線を直接定義します。この記事では、横方向力の影響のメカニズムから始め、2つのセンサーの耐横方向力特性を比較し、アプリケーションシナリオにおけるコア要件の違いを体系的に整理します。

I. 横方向力の概念と典型的な発生シナリオ

(1) 横方向力の定義

横方向力とは、重量測定中に、センサーの弾性体に水平、傾斜、またはねじれ方向（センサーの軸方向力から逸脱、通常は垂直）に作用する非対象負荷を指します。主に、横方向の圧力/引っ張り、せん断力、およびねじりモーメントの3つのタイプが含まれます。重量システムで測定対象となるものではありませんが、この力は測定誤差を引き起こす主要な干渉源です。

(2) 横方向力発生の典型的なシナリオ

横方向力は、アプリケーションシナリオの動作モードと機器の状態に密接に関連しています。一般的なシナリオは、次の3つのタイプに分類できます。
  1. 動作中の動的干渉
    • 例：フォークリフトが樽を計量プラットフォームに移動させると、樽とプラットフォーム間の水平衝撃により横方向力が発生します。ロボットアームが重量測定のために材料を掴むと、アームの動きの慣性力により傾斜した横方向力が発生します。コンベアベルトが材料を輸送する場合、材料のずれによって引き起こされる負荷の偏りが横方向せん断力に変換されます。
  2. 機器の設置と校正エラー
    • センサーの取り付け面が水平でない（傾斜角がある）場合、軸方向の負荷が横方向の成分に分解されます。複数のセンサーを組み合わせて重量測定を行う場合、センサーの間隔または力点のずれにより、均一な軸方向の負荷伝達が妨げられ、ねじりモーメントが発生します。校正中に、重りの配置がずれると、局所的な横方向の圧力が生じます。
  3. 環境および作業条件の影響
    • 強い振動のある作業場では、機器の動作による周期的な振動がセンサーに伝達され、横方向の衝撃力が発生します。混合タンクまたは反応容器を計量する場合、内部材料の回転による遠心力が横方向力に変換されます。屋外の計量機器（例：トラック計量器）は強風にさらされ、風荷重による水平横方向力を受けます。

II. 橋型 vs. 円柱型重量センサーに対する横方向力の影響の違い

橋型および円柱型重量センサーの構造設計は、横方向力にさらされた際の応答メカニズム、エラーの現れ方、および損傷のリスクに大きな違いをもたらします。これは、弾性体の構造、ひずみゲージの配置、および性能への影響の3つの側面から分析できます。

(1) 橋型重量センサー：低感度で強力な干渉防止

ビーム型センサーとも呼ばれる橋型重量センサーは、「I字型」、「箱型」、または「二重穴」の弾性ビームをコア構造としています。ビームは両側の固定端を介して計量プラットフォーム/台座に接続され、ひずみゲージは中央の力負荷領域に取り付けられています。この構造の横方向力に対する耐性は、2つのコアの利点に由来します。
  1. 構造剛性の方向性適応弾性ビームの横断面二次モーメントは、軸方向のそれよりもはるかに大きく、非常に高い横方向剛性を備えています。たとえば、5tの定格負荷を持つ橋型センサーは、軸方向負荷の30％〜50％（つまり、1.5t〜2.5t）の横方向負荷抵抗を持っています。横方向力が作用すると、弾性ビームの横方向変形はわずか0.005mm〜0.01mmであり、軸方向負荷時の0.1mm〜0.15mmの変形よりもはるかに小さいため、意図しない変形が発生する可能性は低いです。
  2. ひずみゲージの方向性分離ひずみゲージは、弾性ビームの上面と下面にのみ取り付けられており、その感度グリッドの方向は軸方向に沿っています。それらは、軸方向の負荷によって引き起こされる「引張-圧縮ひずみ」にのみ敏感です。対照的に、横方向力（例：横方向せん断、ねじりモーメント）によって誘発される「せん断ひずみ」または「曲げひずみ」は、ひずみゲージの感度方向と垂直であるため、有効な電気信号に変換できません。したがって、橋型センサーに対する横方向力のエラーの影響は通常0.1％FS（フルスケール）以内に制御され、一部の高精度モデルではこれを0.05％FSにまで減らすことができます。
横方向力が橋型センサーの負荷抵抗限界（通常は軸方向負荷の50％）を超えると、弾性ビームが永久的な曲げ変形を起こす可能性があることに注意する必要があります。これは、センサーのゼロドリフトの増加（0.02％FS/℃を超える）と直線性低下として現れ、測定精度の不可逆的な損失をもたらします。

(2) 円柱型重量センサー：高感度で弱い干渉防止

円柱型重量センサーの弾性体は、円筒形または円錐台の構造を持ち、ひずみゲージは円筒の側面の円周方向に均等に取り付けられています（通常4つまたは8つで、フルブリッジ測定回路を形成します）。力が加わると、円筒の軸方向圧縮によってひずみが発生します。この構造のコアの欠陥は、「軸方向-横方向剛性の均一性」にあります。円筒形弾性体の軸方向と横方向の断面の慣性モーメントの差は小さく、その横方向剛性は橋型センサーの1/3〜1/5にすぎません。したがって、横方向力は弾性体の不可逆的な変形を容易に引き起こし、具体的な影響は次のとおりです。

 

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