【ひずみ・荷重】ロードセルの原理と化学工場での使用例

制御計装設計

NEONEEETです。

この記事は、化学工場の機電系設計者・プラントエンジニアを対象としています。

この記事を読むと、ロードセルについて知ることができます。

結論

ロードセルは、力→電気に変換する変換器。

力に比例したひずみが、ホイートストンブリッジの電気抵抗として検出

粉体ホッパーや、液体の原料タンクに使用。

はじめに

ロードセルは機械屋にも直感的に理解しやすい計器です。

静電容量の信号変換と同じで、力→電気の変換機能を使っています。

ひずみゲージを使ったロードセルについて解説します。

ひずみゲージ

ひずみゲージは力→電気の信号変換を行う変換器です。

原理は下図のようなものです。

ひずみゲージに力が加わると、ゲージにひずみが発生します。

ゲージはホイートストンブリッジを組んでおり、

ひずみが発生した分だけゲージ部の電気抵抗は増えます。

この電気抵抗の変化分を電気信号として検出すれば、力→電気の変換が可能です。

差圧式液面計や電磁式流量計なども原則的には同じです。

粉体ホッパー

バッチ系化学工場でロードセルを使う場面を解説します。

圧倒的多数が粉体ホッパーです。

粉体ホッパー内の粉体量を体積で測るのは、極めて難しい。

粉体はかさ密度という概念があり、粉体が緩んでいる時と閉まっている時で体積が変わります。

家庭の調理棚にある、砂糖や塩を見れば一目瞭然

重量が変わっているわけではないのに、体積は変わります。

音波や電波などの体積を頼りにする測定器では、粉体の実容量は測定することができません。

質量保存の法則にあるように、質量が最も根本的な物理の1つですので、

これを使った測定は非常に効果的に作用します。

原料タンク

化学工場では液体の原料タンクでもロードセルを使う場合があります。

特に反応物については重量で測定することが多いでしょう。

というのも、反応物の量を規定しないと反応熱で膨大な熱が発生して暴走して、制御不能になる可能性があるからです。

だからこそ、反応物を徐々に添加していきます。

添加量が固定化されるように、液体のタンクから、ヘッドで仕込むことが多いです。

そこで調整弁と流量計を使って制御します。

この仕込みは厳密性を高めれば高めるほど安心です。

原料タンクの原料濃度が変われれば、同じ重量でもモル数が変わり反応速度が変わります。

これが化学の怖いところ。

原料タンクに液面計を付けて、液面計と重量計でダブルチェックすればかなり確実です。

普通は手固く攻めるにも重量計だけで、液面計と重量計を同時に使うことはないと思います。

まともな会社なら、原料受入時にCoAだけでなく、原料分析をかけますので、原料タンクの原料密度が変わったということが、突然起こることはないでしょう。

運転条件を変えて濃度を変える場合も、事前に試験をします。

その結果を、ロードセルの設定値に掛ければいいので、ロードセルだけでも十分に機能します。

おわりに

ロードセル自身は単純な構造ですが、化学工場ではその使い方が独特です。

かさ密度や原料濃度と言った概念は、機械屋としてはなじみにくいかもしれません。

計測機器だけでなく化学工学の知識もある程度必要になるのが、化学工場のエンジニアの難しいところ。

視野を広げて勉強していってください。

この記事が皆さんのお役に立てれば嬉しいです。

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