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えりかまるこ
4 years ago
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1 電子天びんの原理ついて 2016 年 A&D 技術セミナー 1. 電子天秤の測定原理について 1-1 ロードセル式 ( 電気抵抗線式 ) 1-2 音叉式 1-3 静電容量式 1-4 電磁平衡式 1

2 1-1 ロードセル式 ( 電気抵抗線式 )1 1-1 ロードセル式 ( 電気抵抗線式 )2 2

3 1-1 ロードセル式 ( 電気抵抗線式 )3 1-1 ロードセル式 ( 電気抵抗線式 )4 3

4 1-1 ロードセル式 ( 電気抵抗線式 )5 デジタルはかり超大型デジタル台はかりデジタル台はかり 1-2 音叉式 1 4

5 1-3 静電容量式静電容量式 2 5

6 1-3 静電容量式 3 デジタルはかり 1-4 電磁平衡式電磁力により荷重に平衡する反発力を発生させます高分解能で 1/10 万 ~1/ 数千万まで実現できます ( 構造等は次の項目で説明 ) 6

7 2. 電磁平衡式電子天びん 2-1 電磁平衡式の測定原理 2-2 SHS (Super Hybrid Sensor) 2-3 電磁平衡式天びんの製品群 2-1 電磁平衡式の測定原理 1 荷重板ばね 4 位置センサ力点支点作用点電磁石 7

8 2-1 電磁平衡式の測定原理 2 フレーミングの左手の法則 2-2 SHS(Super Hybrid Sensor ) ロードセルで使用する起歪体 ( ロバーバル機構 ) に電磁平衡式の棹と磁気回路を組み合わせた機構です 8

9 2-3 電磁平衡式電子天びんの製品群分析用電子天びん重量級電子天びん汎用電子天びん 9

10 電子天びんの誤差要因と対策について 2016 年 A&D 技術セミナー注目すべき誤差要因の種類 1. 電子天びんの分解能 2. 静電気 ( 帯電物 ) の影響 3. 対流の影響 4. 風 ( 空気の流れ ) による影響 5. 振動による影響 6. 温度による影響 7. 重力による誤差 8. 傾斜による誤差 9. 浮力による誤差 1

11 1. 電子天びんの分解能分析天びんBM-252( 秤量 250g 最小表示 0.01mg) のカウント数は 250g / 0.01mg = となり分解能は 1/2500 万となります重さではなく長さに換算すると東京ー大阪間を500kmとして 500km / 2500 万 = m / = 0.02m = 2cmとなります 2. 静電気 ( 帯電物 ) の影響 A) 静電気の影響 + に帯電した試料引力表示はマイナスになる引力表示はプラスになる帯電物を近づけたとき Fig.1 帯電物を測定したとき Fig.2 2

12 2. 静電気 ( 帯電物 ) の影響 B) 静電気の発生帯電発生の種類接触帯電摩擦帯電はく離帯電衝突帯電帯電しやすい物樹脂製品ガラス粉フィルム紙などの絶縁物帯電しやすい場所ベルトコンベアや動きのある製造ライン乾燥した場所 2. 静電気 ( 帯電物 ) の影響 C) 静電気の対策対策は除電と遮蔽 ( シールド ) です金属シールド除電器静電気測定器シールド例 3

静電気 ( 帯電物 ) の影響 D) 静電気によるトラブルの実例具体例 ( 最小表示 1mg の電子天びん ):2 次電池の製造ラインで使用

13 2. 静電気 ( 帯電物 ) の影響 AD-1683 除電器定価 54,000 風の出ない直流式送風がないので粉末などの精密計量に最適 AD-1684 静電気測定器定価 83,000 非接触式のコンパクト静電気測定器 2. 静電気 ( 帯電物 ) の影響 D) 静電気によるトラブルの実例具体例 ( 最小表示 1mg の電子天びん ):2 次電池の製造ラインで使用ラインの駆動により計量値が安定しない問題が発生しました樹脂製冶具とステンレス製の 2 次電池が摩擦し静電気が発生していました静電気測定器 (AD1684) で帯電部を確認し除電器 (AD1683) を計量部付近に設置して問題が解決しました 4

3. 対流の影響 A) 対流による計量値の変動周囲温度と異なる温度の試料があることで試料周囲の温度が変化し対流を起こします周囲温度 20 40 対流 B) 対流の対策

14 3. 対流の影響 A) 対流による計量値の変動周囲温度と異なる温度の試料があることで試料周囲の温度が変化し対流を起こします周囲温度対流 B) 対流の対策試料や風袋は事前に周囲温度になじませます試料や風袋は直接手で持たずピンセットなどで操作し体温の伝達を防ぎます温度変化のある場所に天びんを設置しない特に窓や直射日光の当る場所などを避けて設置します Fig.3 4. 風 ( 空気の流れ ) による影響 A) 風の影響風が計量皿に当たると計量値が不安定になります電子天びんは人間が感知しにくい弱い風でも表示が不安定になります B) 風への対策風の影響を受けにくい場所に設置する風防を付けて風が直接あたらないようにする特に天びんの横方向からの風を防ぐと効果があります 5

15 卓上風防の効果 ( 第 29 回センシングフォーラム発表資料より ) 測定環境はかり検定室の風景卓上風防の効果 ( 第 29 回センシングフォーラム発表資料より ) 除振台卓上風防無し除振台卓上風防あり 6

16 5. 振動による影響 A) 振動の影響天びんに振動が伝わると計量値が不安定になります特に低周波の振動には注意が必要です B) 振動の対策計量スピード(Response) を安定側に変更する 1 階の壁沿いに天びんを設置する除振台を使用する除振台の効果 ( 第 29 回センシングフォーラム発表資料より ) 2012 年 7 月 3 日 11 時 31 分震源 : 東京湾マグニチュード :5.4 最大震度 :4 埼玉県北本市 : 震度 2 除振台無し除振台あり 7

17 気象庁地震情報 2012 年 7 月 3 日 11 時 31 分震源 : 東京湾マグニチュード :5.4 最大震度 :4 埼玉県北本市 : 震度 2 遠地の地震による影響 2015/4/25 15:11 ネパールでM7.8の地震が発生日本での震度は観測されていないが 15:30 頃から計量値がばらつき始める P 波 :Primary Wave 6~7km/ 秒 S 波 :Secondary Wave 3.5~4.5km/ 秒東京ーカトマンズ約 5,200km 5,200km 4.5km/ 秒 =19.3 分 8

18 6. 温度による影響 ( 感度ドリフト ) A) 感度ドリフトとは電子天びん本体の温度が変化すると測定値も影響を受けます変化量は感度ドリフトというスペックで規定されています感度ドリフトとは同じものを温度を変化させて測定したときに測定値がどれだけ変化するかを表しています変化量の割合は ppm(parts Per Million: 百万分率 ) で表します BM-252 の場合感度ドリフトのスペックは ±2ppm/ となっていますこれは温度が 1 変化することで感度が最大で ±100 万分の 2 変化する可能性があることを示しています 6. 温度による影響 ( 感度ドリフト ) B) 感度ドリフトの計算例 BM-252 において 25 で g となるようにキャリブレーションを行いましたその後に周囲温度が 26 になった場合感度ドリフトによる測定値の誤差は? 測定値 ( 基準 ) ( ppm / ) 温度変化量 ( g) { ± 2( ppm / )} {26( ) 25( )} ± 2 = = ± ( g) = ± 0.40( mg) これより 1 の変化によって g に対して最大 ±0.40mg( ~ g) 変化する可能性があることを示しています 9

19 7. 重力による誤差 Fig.5 A) 緯度による重力加速度の変化地球は自転により遠心力が発生していますこれは赤道付近が最大で両極が最小になります重力は万有引力と遠心力の合力なので赤道では重力加速度が小さくなり両極では大きくなります北海道の重力加速度 > 沖縄の重力加速度 B) 標高による重力加速度の変化標高が低い場所の重力 > 標高が高い場所の重力地球の半径山の高さ例えば 500g 分銅を地表で測定する場合と標高 100m の地点で測定する場合その差は g となります 2 ( 地球の半径 ) ( 地球の半径 + 100m) g = g 2 ( 地球の半径は m としています ) 7. 重力による誤差 C) 重力加速度の影響製造拠点 ( 茨城 ) で g の分銅で校正した電子天びんを国内の各都市に持って行き同じ分銅を測定するとどうなるでしょう場所重力加速度 (m/sec 2 ) 分銅の測定値 (g) 製造拠点との差分 (g) 札幌仙台茨城 ( 製造拠点 ) 東京名古屋大阪福岡那覇 Table.1 理科年表より 10

20 8. 傾斜による誤差 A) 傾斜の影響天びんが検出できない力 θ θ 重力天びんが表示する質量値重力 = 天びんが表示する質量値 Fig.5 Fig.6 B) 傾斜の対策水平玉と足コマを使用して電子天びん本体を水平に設置します 9. 浮力による誤差空気は約 1.2kg/m 3 (1.2mg/cm 3 ) 密度があり最小表示 0.1mg 以下の分析天びんでの計量には試料にかかる浮力の影響がでてきます例 )200g のステンレス分銅 ( 密度 8g/cm 3 ) を測定する場合気圧 1000hPa で空気の密度が g/cm 3 とすると浮力 = 空気の密度分銅の体積 =0.0012g/cm 3 200g 8 g/cm 3 =0.03 g 気圧が 980hPa に変化した場合浮力による誤差は浮力の誤差 =0.03g-0.03g 980hPa/1000 hpa 0.6 mg 11

21 医薬品に関する規格について 2016 年 A&D 技術セミナー 1.GLP/GMP/GCP 医薬品に関する基準には次のようなものがあり管理責任者の設置や管理業務使用する機器に対し点検保守の管理及び記録の保管等の規定を定めています GLP :Good Laboratory Practice ( 安全性試験の実施基準 ) GMP:Good Manufacturing Practice( 製造及び品質に関する基準 ) GCP :Good Clinical Practice ( 臨床試験の実施基準 ) A&D の天びんはこれらに対応した出力機能を持っています 1

22 2.IQ/OQ/PQ IQ (Installation Qualification 据付時的確性確認 ) IQ は新規に設置された機器が仕様に基づいて正しく納品されまたその設置が適切に実施された事を確認し文書化します OQ (Operational Qualification 稼動性能的確性確認 ) OQ では正しく設置された機器が正常に動作する事を確認しその検査を記録します PQ (Performance Qualification 稼動時的確性確認 ) PQでは機器が一貫して使用目的に適した性能を維持していることを検証しその結果を文書化しますこれにより日々の計量において機器が一貫して信頼性の高い正確な計量を行っていることていることを確認する記録ができます A&D では天びん水分計粘度計について IQ OQ PQ のサンプルを用意しホームページにて公開しています 3.USP と最小計量値 USP U.S.Pharmacopeia( 米国薬局方 ) 医薬品の品質の適正を図るための規格 USP Chapter 41 Balances 特に明記しない限り分析にて物質が正確に計量されるべき際には測定の不確かさ ( 偶発および系統誤差 ) が読み値の 0.1% を超えない計量機器で計量が行わなければならない測定の不確かさは少なくとも 10 回の繰り返し計量した標準偏差 σの2 倍を計量値で割った値が 0.001(0.1%) を超えないこと 2

23 3-1. 最小計量値の計算方法と意味測定の不確かさは少なくとも 10 回繰り返し計量した標準偏差 σ の 2 倍を計量値で割った値が 0.001(0.1%) を超えないこと 2σ 計量値 σ 1000 計量値最小計量値 = 2000 σ 最小計量値を計算した天びんでは最小計量値未満の重さの試料は計量してはいけませんという意味になります 3-2. 最小計量値の具体例弊社代表機種 ( カタログスペック適用 ) 最小表示機種ひょう量繰返し性 (SD) 注 1 不確かさ (2 SD) 最小計量値カタロクスヘック実測値注 3 1ug BM-20 22g 注 2 2.5ug 5.0ug 5.0mg 3.0mg 0.01mg BM g 注 mg 0.06mg 60mg 20mg GR g( 小レンシ ) 0.02mg 0.04mg 40mg 30mg 0.1mg BM g 0.2mg 0.4mg 400mg 120mg GR g 0.1mg 0.2mg 200mg 120mg 0.001g GX g 0.001g 0.002g 2g 1.4g 0.01g GX g 0.01g 0.02g 20g 14g 注 1) 天びんが正しく調整 ( 校正 ) され良好環境下にてカタログスペックを満たす場合の目安となります周囲環境天びん設定により再現性の性能は影響されるので実際の使用環境にて測定することが必要です注 2) BM-20 の繰返し性は 1g BM-252 の繰返し性は 100g のスペックです注 3) ひょう量の 5% の荷重にて実測した繰り返し性から求めた最小計量値 ( 実測値 ) です 3

不確かさ資料 1/8

不確かさ資料 1/8 不確かさ資料 /8 天びんの校正の不確かさの目安表に代表的な電子天びんの校正の不確かさ ( 目安 ) 示します表校正の不確かさ ( 目安 ) 最小表示機種校正ポイント拡張不確かさ ( 風袋なし ) (k=2) 0.00mg BM-20 g 0.09 mg GH-202 50 g 0.7 mg 0.0mg GH-252 00 g 0.3 mg BM-252 00 g 0.29 mg GR-20/GH-20