Q
新製品開発のために、材料の引張強度を測定する必要が出てきました。予想では、引張強度は最大で約400Nになりそうです。
デジタルフォースゲージの製品型式には「レンジ」という項目がありますが、この「レンジ」って何を指しているのか気になります。今回、どの「レンジ」のデジタルフォースゲージを選べばいいのでしょうか。
A.
デジタルフォースゲージ（以下フォースゲージ）における「レンジ」は、測定できる「最大荷重」を指します。つまり、レンジが500Nのフォースゲージの場合、測定できる最大の荷重値は500Nになります。この最大荷重以上の力がフォースゲージにかかった状態をオーバーロードといい、この状態が続くと、荷重を感知するロードセルの破損＝フォースゲージの故障となってしまいます。それを予防するためには、予想される荷重値よりも大きなレンジを選ぶことが重要になります。オーバーロードは瞬間的でも最大荷重以上の力が加わった場合は発生するため、破壊試験など瞬間的に荷重が上がる測定での使用を想定される場合などは、予想される荷重値の2倍程度のレンジをお勧めすることも多いです。
では、今回予想される荷重値が約400Nなので、レンジは500Nではなく1000Nを選べばOKですね！とはならないのが難しいところです。
フォースゲージの機種選定には、レンジ以外に精度（と最小表示値）も重要になります。そしてフォースゲージに付属させて使用するアタッチメントの重量も考慮することが必要です。
フォースゲージの精度は、例えば「±0.2％F.S.±1digit」という表記になります。
「F.S.」「digit」など、普段の生活ではあまり目にしない言葉ですよね。
「F.S.」はフルスケールの略で計測範囲の幅になります。
「digit」は表示される桁です。1digitというのは、表示できる最小の値を示します。
例えば、イマダのフォースゲージZTAシリーズの表示は「符号小数点付4桁」となっており、符号（＋や－などの記号）、小数点を除いた数字部分が４桁まで表示できます。
レンジが500Nのイマダのフォースゲージでは、荷重値が400Nだった場合、「400.0N」と表示されます。
つまり、小数点第一位（0.1N）まで荷重値を表示できることになります。
こちらが1digit＝表示できる最小の値、となります。
フォースゲージの精度が±0.2%F.S.±1digitの場合、測定の精度は計測範囲の幅の±0.2%となります。ここに、表示誤差となる±1digitを追加します。精度から誤差を計算してみましょう。
（例）
・精度は±0.2％F.S.±1digit
・レンジが500Nのフォースゲージを使用。小数点第一位まで表示可能
・測定された荷重値が400Nで、400.0Nと表示
の場合、
±(0.2%×500.0+1digit)= ±(1.0+0.1)= ±1.1
誤差は±1.1Nとなります。
400.0Nと表示されていても、398.9N～401.1Nの間の荷重値である、ということですね。
以上が精度の説明になりますが、ここで気をつけたいことがあります。
異なるレンジのフォースゲージを使ったとき、誤差も異なります。以下に1000Nのレンジのフォースゲージを使った場合で計算してみましょう。
（例）
・精度は±0.2％F.S.±1digit
・レンジが1000Nのフォースゲージは一の位まで表示可能
・測定された荷重値が400Nで、400Nと表示
の場合、
±(0.2%×1000+1digit)= ±(2+1)= ±3
誤差は±3Nとなり、400Nと表示された場合397～403Nの間の荷重値になることになります。
レンジが500Nの時の誤差は±1.1N
レンジが1000Nの時の誤差は±3N
同じ400Nの荷重値が測定されていても、レンジが異なるフォースゲージでは誤差の範囲が異なってくる場合があります。測定の目的や管理レベルによって、許容できる誤差を確認する必要があります。
最後に、フォースゲージと共に使用するアタッチメントの重量に関する注意点をご説明します。測定サンプルや用途に合わせて、フォースゲージの先端にアタッチメントを付けて測定を行うことになります。その場合、アタッチメントの重量もフォースゲージにかかる負荷となります。
例えば、イマダの標準付属アタッチメントのＡ-1（細いサンプルなどをフックで引っ掛けての引張試験にご利用いただけます）の重量は3ｇになります。さきほどオーバーロード（最大荷重以上の力がフォースゲージにかかった状態）についてお話しました。例えば最大荷重が2Ｎのフォースゲージを使用している場合、このアタッチメントを付けるだけで約0.03Ｎの荷重がかかっていますので、2.000Ｎ－0.030Ｎ＝1.970Ｎを超えた時点でオーバーロードになります。アタッチメントの重量によるフォースゲージにかかる負荷も考えたうえで、オーバーロードが発生しないようなレンジを選ぶ必要があります。
以上、適切なデジタルフォースゲージを選ぶのに必要なレンジについての説明から、精度の計算方法、選びかたの注意点をご紹介してきました。今回のケースでは、想定荷重値や測定条件・精度などを考慮し、500Nレンジか1000Nレンジを選んでいただくことになります。 イマダではお客様のニーズに合わせたフォースゲージ選定も行っておりますので、ご相談されたい場合はこちらからお問い合わせください。
