卓越した計量性能を過酷な条件下でも発揮

卓越した計量性能を 過酷な条件下でも発揮 空気対流による影響を低減 このホワイトペーパー（技術資料）では、計量時の空気対流の影響について詳しく説明 します。上皿天びんの計量皿に施された革新的な設計により、空気対流が原因で生じる エラーを最小限に抑えることが可能となりました。画期的な設計の新しい計量皿は、過 酷な環境下でも2倍の速さでの計量を可能にします。さらに、過酷な環境（安全キャ ビネット内）で最小表示1mgの天びんを使用した計量において、繰返し性（精度）が 86%も改善したことが示されました。 目次 1 はじめに 2 2 上皿天びんを使用した計量時の考慮事項 2 3 SmartPanの効果検証 5 4 結果の要約 10 5 まとめ 16 6 信頼性の高い計量のためのヒントと推奨事項 16 7 外的要因に関する詳細情報 19 8 著者について 19 White Paper

1. はじめに 計量は、研究室で実施される最も一般的な作業のひとつです。電子天びんは質量を直接測定するのでは なく、重量の力から測定します。この力の不確かさは、計量機器の技術的仕様だけではなく、温度変化や空 気対流などの多くの環境要因からも影響を受けます。 環境条件は、計量の精度に重大な影響を与えます。開いたドアまたは窓、空調ユニットやファンからの空 気の流れや、臭いのある物質や有毒物質、悪性の物質を扱う際のドラフトチャンバーや安全キャビネット 内の空気対流、さらには、天びんの周囲での人の移動も、計量性能に影響を与える可能性があります。通 風があると、安定時間が長くなり測定結果の変動が起こることがあります。こうした状況では、天びんのオ ペレーターは、正確で信頼性の高い測定結果を得られなくなります。10年以上前から、最先端の分析天び んには、不安定な環境下でも正確な計量が行えるように、自動開閉可能なガラス製風防が搭載されてい ます。この場合、ユーザーは、部分的に開いたガラス風防越しに計量皿にアクセスします。天びんは、風防 のない環境と比べて空気対流の影響が少なくなるため、安定時間が短くなります。さらに、革新的設計の SmartGrid™懸架式格子状計量皿を使用することで、計量チャンバー内の空気対流の影響を受ける表面 積が、従来の計量皿よりも小さくなり、安定時間がより短縮され、結果を迅速に得ることができます。それで は、上皿天びんで計量を最適化するためにはどのような対策があるでしょうか？ 2. 上皿天びんを使用した計量時の考慮事項 上皿天びんは主に、空気対流から天びんを保護することにも制限があるような研究室や製造現場の開か れた環境で使用されます。 概して、最近の上皿天びんは高い計量性能を備えています。これはつまり、信頼性の高い計量結果を素 早く得られ、規制要件に適合できる安全性を備えていると言えます。しかし、人の動きや、ドアの開閉、 ラジエータからの熱、コンピュータや機器のファンなどから発生する空気対流は、この性能に影響を与え ます。こうした外部からの天びんへの影響をはかるもっとも重要な指標が、「平均安定時間」と「平均繰返し 性」です。しかし、このような状況に対して、十分に注意しても影響を防止するまではできません。 空気対流は、特殊設計の計量皿を使用することで最小化できます。格子状構造は上皿天びんにも適してい ますが、本質的な欠点があります。1つの問題として、すき間がある格子状の計量皿では特に清掃や保守 が難しくなります。そこで新しく開発されたのが、4本脚の計量皿です。この単純ながら優れた形状を開発 するにあたり、4つの主な設計基準を考慮しました。 1) 性能（速度と精度） 2) 風袋容器の設置 3) 計量皿の材質と構造 4) 清掃のしやすさ 2.1 性能 空気対流は計量皿の上にかかる力として働き、計量結果に悪影響を及ぼします。計量皿の形状を工夫し てこの摂動力の影響を最小化することで、上述の性能が向上します（図1）。この計量皿は第一に、風防を 使用しなくても空気対流によるマイナスの影響を最小化するよう設計されています。計量皿の下にあるド リップトレイにも、計量皿上の空気対流の影響を防ぐ機械的構造として風防リングが採用されています。 異なる環境条件下での実験では、この計量皿が計量に優れた効果をもたらすことが確認されました 2 White Paper METTLER TOLEDO White Paper

（第3章を参照）。速度と精度は、天びんの使用で重視される主な性能指標です。これらの要素を測定する ためのパラメータは、天びんの安定時間（速度）と測定の繰返し性（精度）です。 図 1：標準的な計量皿上の空気流によって生じる力と SmartPan™上の空気流によって生じる力の比較。SmartPan™ の方が空気抵抗が少ない。 2.2 風袋容器の設置 SmartPan™は、どのような種類の風袋容器にも対応し、容器が倒れて中身がこぼれる心配がありません （図2）。 上皿天びんはさまざまな業界や作業場所において、幅広い用途で使用されるため、バイアル、フラスコ、ビ ーカー、ペトリカプセル、シリンダー、箱やバケツなどのさまざまな大きさの風袋容器が日常的に使用され ています。 図2：多様な風袋容器に対応するSmartPan™ SmartPan™の表面は非常に平坦なので、使用する容器の大きさやかさばる形状などを問わず、どのよう な種類の風袋容器やサンプルでも安定した位置に安全、容易に設置できます（図2）。偏置誤差を可能な限 り防ぐため、この計量皿では形を十字型に設計し、風袋容器やサンプルをごく自然に計量皿の中心に正し く配置できるようにしています。 White Paper 3 METTLER TOLEDO

2.3 計量皿の材質と構造 画期的なSmartPan™の設計では、計量皿の材質と構造が注意深く考慮されています。 新設計の計量皿では、理想的な材質として亜鉛合金が選ばれました。従来のアルミ製計量皿に比べて機械 加工に適し、引張りや衝撃に対する強度が高まるからです。これにより構造的な堅牢性が向上しています。 有限要素（FE）解析は、複合的な対象物の挙動を予測し最適化するために機械設計プロセスでよく使われ る、コンピュータシミュレーション技法です。この手法では、応力、振動、ヒートトランスファーなど多様な物 理試験を実施するために、あらゆる製品や機器の設計をきわめて詳細に解析できます。 今回、FEを使用して力の分布を調べ、新しい計量皿の設計における強度と頑丈さを判定しました。 図3と4には、静的な力の分布を従来と新設計の計量皿で比較した有限要素シミュレーションが示されて います。有限要素法では、内部荷重と外部荷重が課されたコンポーネントの変位、緊張、応力を計算しま す。これにより、線形弾性範囲内にある形状が確保されます。 シミュレーションは、重さ5kgの分銅をXPE6003SD5天びんの中央に置いて行われました。 （天びんの仕様：ひょう量6100g、最小表示5mg）。 図3：従来のアルミ製計量皿形状の力分布の有限要素シミュレーション 図4：新しい亜鉛製計量皿形状の力分布の有限要素シミュレーション SmartPan™で示された最大応力はおよそ7.45Mpa（メガパスカル）で、計量に重大な影響はなく無視でき る値です。この値は、素材が元に戻らないほどのたわみを意味する甚大な耐久応力値300Mpaをはるかに 下回ります。図3と4のカラーマップから、4脚計量皿の力の分布は標準計量皿と同じなので、SmartPan™が 非常に堅牢であり安全性が保持されていることが一目で分かります。 2.4 清掃のしやすさ この革新的な4脚計量皿（SmartPan™）は、計量性能を高めながら清掃もしやすい多くの特長を備えてい ます。容易な清掃を徹底的に追及し、計量皿は鋳造亜鉛で作られています。この素材は、酸や強力な洗剤 に対する高い耐性を備えています。分析天びんと同様に、こぼれたサンプルを収集するためのドリップトレ イが計量皿の下にあります。端は丸く、溝のない設計のため、あらゆる部分のクリーニングが容易に行え ます。 4 White Paper METTLER TOLEDO White Paper Performance

3 SmartPanの効果検証 従来設計の計量皿（標準計量皿）との比較で新形状の計量皿の性能を明らかにするため、表1に示されて いる実験が行われました。計測された主な性能指標は、天びんの安定時間と繰返し性です。 各実験は、（a）標準計量皿を備えた天びんと（b）同じ天びんにSmartPan™を装備したものを使用して、繰 り返し行われました。実行したすべての実験で、20回の計量を3セット実施し、平均値の結果を得ました。 実験は、異なる環境条件（標準の環境 ̶ 空気対流を遮るものがない実験台の上、過酷な環境 ̶ 空調ユ ニットの下または安全キャビネット内）で行い、研究室の環境で実際に起こりうる特定の環境状態を再現 し、複数の天びんモデルを使用しました（最小表示5mgと1mg）。 実験に際して使用された天びん設定は以下のとおりです。 • 計量モード：ユニバーサル • 環境：標準 • 値の表示：高信頼性・高速 実験 1 2 3 4 条件 標準 過酷 標準 過酷 説明 空気対流を遮るもの 空調ユニットの下 空気対流を遮るもの 安全キャビネッ がない実験台の上 がない実験台の上 ト内 計量皿 (a) 標準計量皿 (a) 標準計量皿 (a) 標準計量皿* (a) 標準計量皿* (b) SmartPan™ (b) SmartPan™ (b) SmartPan™ (b) SmartPan™* モデル名 XPE6003SD5 XPE6003SD5 XPE1203S XPE1203S 天びんのひょう量 6100g 6100g 1210g 1210g 天びんの最小表示 5mg 5mg 1mg 1mg 点検用分銅 400g 400g 200g 200g 2kg 2kg 500g 500g 5kg 5kg 計量回数 60 60 60 60 * 風防付き 表1：標準計量皿と新設計のSmartPan™を比較する実験の内容 3.1 実験1：最小表示5mgの天びんを使用し標準の環境で計量 実験1（a）と1（b）は、最小表示5mgの上皿天びん（XPE6003SD5）を使用し空気対流を遮るものがない実 験台の上で行いました。実験設備については図5を参照してください。天びんが最善の環境で確実に作動 するように、あらゆる必須要素を考慮しています。例えば、天びんを研究室の安定した実験台に置き、研究 室内の温度は20～23°C、相対湿度は35～45%に設定し、周囲に（ファン、真空ポンプや発電機などの）振 動源はなく、ドアや通路の付近以外の適所で実験を行っています。 ここでは、このような計量環境を「標準の環境」と定義しています。 最善の計量結果を得る理想的な環境の推奨事項については、第6章を参照してください。 White Paper 5 METTLER TOLEDO

実験1（a）では、標準の計量皿を備えた天びんを使用しています。実験対象の天びんの計量皿 に、5kg、2kg、400gの点検用分銅を繰り返し置きます。20回の計量を3セット実施し、合計60回の計量を 行いました。実験1（b）では、新設計のSmartPan™を備えた天びんを使用して同じ実験を行いました。安 定時間と最初に安定した数値が自動的に記録され、平均値の結果が得られました（図6）。 図5：実験1（b）：空気対流を遮るものが ない実験台の上に置かれたSmartPan™ を備えた最小表示5mgの上皿天びん 標準の環境（空気対流を遮るものがない実験台の上）で、最小表示5mgの天びんにSmartPan™と標準の 計量皿を使用した場合の計量の比較 20 15 l Smart 400g l Smart 2kg l Smart 5kg 10 n 標準400g 標準計量皿 n 標準2kg n 標準5kg 5 SmartPan™ 0 1 2 3 4 5 6 安定時間[秒] 図6：実験1の結果：空気対流を遮るものがない実験台の上（標準の環境）で最小表示5mgの上皿天びんの安定時間（速度）と繰返 し性（精度）に対するSmartPan™の効果 図6にあるように、実験1の結果から、新設計の計量皿を使うと、全体の平均安定時間が短縮され、繰り返 し性が向上していることが分かります。SmartPan™は、標準的な研究室の条件下における最小表示5mg の上皿天びんで従来の計量皿よりも迅速で正確な計量性能を実現することが示されました。 6 White Paper METTLER TOLEDO White Paper 繰返し性（最初に安定した値）[mg]

3.2 実験2：最小表示5mgの天びんを使用し過酷な環境で計量 実験2は、最小表示5mgの上皿天びん（XPE6003SD5）を空調ユニットの直下で使用して行われました。実 験設備については図7を参照してください。このような計量の環境は非常によく見られますが、計量に影 響する空気対流があるため、安定した計量結果を得るための理想に満たない環境です。ここではこのよう な環境を「過酷な環境」と定義しています。このような状況では、新設計の計量皿は計量の速度と精度の 面できわめて優れた効果をもたらします。 実験2（a）では、標準の計量皿を備えた天びんが使用されました。実験対象の天びんの計量皿に、5kg、 2kg、400gの点検用銅を繰り返し置きます。20回の計量を3セット実施し、合計60回の計量を行いました。 実験2（b）では、新設計のSmartPan™を備えた天びんを使用して同じ実験を行いました。安定時間と最初 に安定した数値が自動的に記録され、平均値の結果が得られました（図8）。 図7：実験2（b）：空調ユニットからの空気対 流の中に置かれた、SmartPan™を備えた 最小表示5mgの上皿天びん 過酷な環境（空調ユニット下）で、最小表示5mgの天びんにSmartPan™と標準の計量皿を使用した場合の 計量の比較 20 標準計量皿 15 l Smart 400g l Smart 2kg l Smart 5kg 10 n 標準400g n 標準2kg SmartPan™ n 標準5kg 5 0 1 2 3 4 5 6 安定時間[秒] 図8：実験2の結果：空調ユニットの下（過酷な環境）で最小表示5mgの上皿天びんの安定時間（速度）と繰返し性（精度）に対する SmartPan™の効果 White Paper 7 METTLER TOLEDO 繰返し性（最初に安定した値）[mg]

実験2の結果から（図8）、新設計の計量皿を使うと、全体の平均安定時間が短縮され、繰返し性が向上し ていることが分かります。これは、過酷な研究室の条件下における最小表示5mgの上皿天びんで SmartPan™が従来の計量皿よりも格段に迅速で正確な計量性能を実現することを示しています。 3.3 実験3：最小表示1mgの天びんを使用し標準の環境で計量 最小表示5mgの天びんでSmartPan™の結果が非常に良好だったため、この新設計の計量皿の効果をさ らに調査しました。さらに要求の厳しい計量プロセス（天びんのタイプと条件の面で）が試されました。 実験3では、最小表示1mgの上皿天びん（XPE1203S）を実験1で述べた条件と同じ標準の環境条件で使 用しました。実験設備については図9を参照してください。 実験3（a）の天びんは標準の計量皿を備え「風防付き」です。実験対象の天びんの計量皿に、500gと200g の点検用分銅を繰り返し置きます。20回の計量を3セット実施し、合計60回の計量を行いました。 実験3（b）の天びんは、新設計のSmartPan™を備え「風防なし」です。そして同じ実験を実施しました。 安定時間と最初に安定した数値が自動的に記録され、平均値の結果が得られました（図10）。 図9：実験3（b）：空気対流を遮るものがない 実験台の上に置かれたSmartPan™を備えた 最小表示1mgの上皿天びん 標準の環境（空気対流を遮るものがない実験台の上）で、最小表示1mgの天びんにSmartPan™と標準の 計量皿を使用した場合の計量の比較 6.00 5.00 標準計量皿 4.00 n 標準200g n 標準500g 3.00 Smart 200g Smart 500g 2.00 SmartPan™ 1.00 0.00 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 安定時間[秒] 図10：実験3の結果：空気対流を遮るものがない実験台の上（標準の環境）での最小表示1mgの上皿天びんの安定時間（速度）と 繰返し性（精度）に対するSmartPan™の効果 8 White Paper METTLER TOLEDO White Paper 繰返し性（最初に安定した値）[mg]

実験3の結果（図10）から、新設計の計量皿を使用すると、全体の平均安定時間が短縮され、繰返し性が向 上していることが分かります。これは、標準的な研究室の条件下における最小表示1mgの上皿天びんで SmartPan™が従来の計量皿よりも迅速で正確な計量性能を実現することを示しています。 3.4 実験4：最小表示1mgの天びんを使用し過酷な環境で計量 実験4は、最小表示1mgの上皿天びん（XPE1203S）を安全キャビネット内に置き、風速0.35m/sの層流空 気流の条件下で行われました。このような過酷な環境では、最小表示1mgの天びんを使用する計量では 特に困難がともない、風防を従来の計量皿とSmartPan™の両方の計量皿に取り付ける必要があります。 実験設備については、図11を参照してください。 実験4（a）では、天びんは標準の計量皿を備え風防が取り付けられています。実験対象の天びんの計量皿 に、500gと200gの点検用分銅を繰り返し置きます。20回の計量を3セット実施し、合計60回の計量を行 いました。 実験4（b）では、新設計のSmartPan™を備え風防を取り付けた天びんを使用して同じ実験を行いました。 安定時間と最初に安定した数値が自動的に記録され、平均値の結果が得られました（図17）。 備考：実験4（a）と4（b）では風防付きの天びんを使用しています。これは安全キャビネット内で3桁表示の 天びんを風防なしで使用するのは現実的でないからです。ただし、一連の実験を通じて風防の右側ドアは 開いた状態です（図11を参照）。 図11：実験4（b）：安全キャビネット内でSmartPan™を備えた 最小表示1mgの上皿天びん White Paper 9 METTLER TOLEDO

過酷な環境（安全キャビネット内）で、最小表示1mgの天びんにSmartPan™と標準の計量皿を使用した場 合の計量の比較 7.00 標準計量皿 6.00 5.00 n 標準200g 4.00 n 標準500g 3.00 Smart 200g Smart 500g 2.00 SmartPan™ 1.00 0.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 安定時間[秒] 図12：実験4の結果：安全キャビネット内（過酷な環境）で最小表示1mgの上皿天びんの安定時間（速度）と繰返し性（精度）に対す るSmartPan™の効果 実験4（図12）の結果から、新設計の計量皿を使用すると、全体の平均安定時間と繰返し性の両面で優れ た効果があることが分かります。これは、過酷な研究室の条件下における最小表示1mgの上皿天びんで、 SmartPan™には従来の計量皿よりも格段に迅速で正確な計量性能があることを示しています。 4 結果の要約 4.1 最小表示5mgの天びんの実験による結果（実験1、2） 最小表示5mgの上皿天びん（XPE6003SD5）を使用した実験1と2の結果について、安定時間（速度）は 表2、繰返し性（精度）は表3を参照してください。 図13：標準の計量皿を備えた上皿天びん（最小 図14：SmartPan™を備えた上皿天びん（最 表示5mg、XPE6003SD5）̶ 実験1（a）と2（a） 小表示5mg、XPE6003SD5）̶ 実験1（b）と で使用 2（b）で使用 10 White Paper METTLER TOLEDO White Paper 繰返し性（最初に安定した値）[mg]

4.1.1 速度への効果（安定時間） 実験条件 安定時間（速度） SmartPan™の効果 (a) 標準計量皿 (b) SmartPan™ 実験1 ̶ 標準の環境（空気 26%速い 対流を遮るものがない実験 2.3秒 1.7秒 標準計量皿との比較 台の上） 実験2 ̶ 過酷な環境（空調ユ 53%速い ニット下） 3.6秒 1.7秒 標準計量皿との比較 表2：標準の環境と過酷な環境において標準計量皿とSmartPan™での計量を比較した安定時間の結果の要約 （平均値） 上記の表から、SmartPan™には計量プロセスの速度の面で非常に有利な効果があることが分かります。 空気対流を遮るものがない実験台の上でSmartPan™を使用した場合、安定した計量結果を得られるまで の時間が標準の計量皿に比べて26%速くなります。一方で、計量プロセスを乱す原因になる空調ユニット からの空気対流がある過酷な環境では、SmartPan™を使用して安定した結果を得られるまでの時間は標 準の計量皿より53%速くなります。表2の結果をグラフで表すと図15のようになります。 最小表示5mgの天びんの安定時間（速度）に対するSmartPan™の効果 4.0 3.5 3.0 2.5 n 標準計量皿 2.0 n SmartPanTM 1.5 1.0 0.5 0.0 実験1：標準の環境 実験2：過酷な環境 図15：標準の環境と過酷な環境においてSmartPan™を備えた最小表示1mgの天びんと標準計量皿の天びんの安定時 間（平均値）の性能比較 図15には、標準の環境でSmartPan™を使用して安定した計量結果を得られるまでの時間が1.4倍速くな ることが示されています。一方、過酷な環境では、SmartPan™を使用して安定した計量結果を得られる時 間は標準の計量皿に比べて2.1倍速くなります。 White Paper 11 METTLER TOLEDO 安定時間[秒] 2倍超の 速度

4.1.2 精度への効果（繰返し性） 実験条件 繰返し性（精度） SmartPan™の効果 （a）標準計量皿 （b）SmartPan™ 実験1 ̶ 標準の環境（空気 精度が36%向上 対流を遮るものがない実験 4.5mg 2.9mg 標準計量皿との比較 台の上） 実験2 ̶ 過酷な環境（空調ユ 精度が57%向上 ニット下） 14.7mg 6.2mg 標準計量皿との比較 表3：標準の環境と過酷な環境において標準計量皿とSmartPan™での計量を比較した繰返し性の結果の要約（平均値） 上記の表から、SmartPan™には計量プロセスの精度の面で非常に有利な効果があることが分かりま す。空気対流を遮るものがない実験台の上でSmartPan™を使用した場合、標準の計量皿に比べて繰 返し性は36%向上します。一方で、計量プロセスを乱す原因になる空調ユニットからの空気対流があ る過酷な環境では、SmartPan™を使用した繰返し性は標準の計量皿より57%向上します。表3の結果 をグラフで表すと図16のようになります。 最小表示5mgの天びんの繰返し性（精度）に対するSmartPan™の効果 16.0 14.0 12.0 10.0 n 標準計量皿 8.0 n SmartPanTM 6.0 4.0 2.0 0.0 実験1：標準の環境 実験2：過酷な環境 図16：標準の環境と過酷な環境においてSmartPan™を備えた最小表示5mgの天びんと標準計量皿の天びんの繰返し 性（平均値）の性能比較 図16には、標準の環境でSmartPan™を使用すると計量精度（繰返し性）が1.5倍向上することが示さ れています。一方、過酷な環境では、SmartPan™を使用すると繰返し性は標準の計量皿に比べて2.4 倍向上します。 新設計の計量皿を備えた最小表示5mgの天びんでは、標準の計量皿と比べて速度（安定時間）や精度 （繰返し性）の面で、置かれた実験条件下において優れた性能が示されました。その差は、過酷な環境 （空調ユニット下など）で計量した場合にさらに顕著になります。 ここでは、標準の計量皿に代えて新しいSmartPan™を使用すると、計量結果は2倍の速さで得られ （図15）精度は2倍以上高まります（図16）。 12 White Paper METTLER TOLEDO White Paper 繰返し性[mg] 2倍以上 高い精度

4.2 最小表示1mgの天びんの実験による結果（実験3、4） 最小表示1mgの上皿天びん（XPE1203S）を使用した実験3と4の結果について、安定時間（速度）は 表4、繰返し性（精度）は表5を参照してください。これらの実験に使用した天びんの構成については、 図17～19を参照してください。 図17：標準の計量皿と風防を備えた上皿 図18：SmartPan™を備えた上皿天びん 図19：SmartPan™と風防を備えた上皿天 天びん（最小表示1mg、XPE1203S）̶ 実 （最小表示1mg、XPE1203S）̶ 実験3 びん（最小表示1mg、XPE1203S）̶ 実験 験3（a）と4（a）で使用 （b）で使用 4（b）で使用 4.2.1 速度への効果（安定時間） 実験条件 安定時間（速度） SmartPan™の効果 (a) 標準計量皿 (b) SmartPan™ 実験3 ̶ 標準の環境（空気 30%速い 対流を遮るものがない実験 2.7秒 1.9秒 標準計量皿との比較 台の上） 実験3 ̶ 過酷な環境（安全 63%速い キャビネット内） 5.2秒 1.9秒 標準計量皿との比較 表4：標準の環境と過酷な環境において標準計量皿とSmartPan™での計量を比較した安定時間の結果の要約（平均値） 上記の表から、SmartPan™には計量プロセスの速度の面で非常に有利な効果があることが分かりま す。空気対流を遮るものがない実験台の上でSmartPan™を使用した場合、安定した計量結果が得ら れるまでの時間が標準の計量皿に比べて30%速くなります。一方で、計量プロセスを乱す原因になる 安全キャビネット内での作業による空気対流がある過酷な環境では、SmartPan™を使用して安定し た結果が得られるまでの時間は標準の計量皿より63%速くなります。表4の結果をグラフで表すと 図20のようになります。 White Paper 13 METTLER TOLEDO

最小表示1mgの天びんの安定時間（速度）に対するSmartPan™の効果 6.0 5.0 4.0 n 標準計量皿 3.0 n SmartPanTM 2.0 1.0 0.0 実験3：標準の環境 実験4：過酷な環境 図20：標準の環境と過酷な環境においてSmartPan™を備えた最小表示1mgの天びんと標準計量皿の天びんの安定時 間（平均値）の性能比較 図20には、標準の環境でSmartPan™を使用して安定した計量結果を得られる時間が1.4倍速くなること が示されています。一方、過酷な環境では、SmartPan™を使用して安定した計量結果が得られるまでの 時間は標準の計量皿に比べて2.7倍速くなります。 4.2.2 精度への効果（繰り返し性） 実験条件 繰返し性（精度） SmartPan™ (a) 標準計量皿 (b) SmartPan™ による改善 実験4 ̶ 標準の環境（空気 精度が58%向上 対流を遮るものがない実験 1.9mg 0.8mg 標準計量皿との比較 台の上） 実験4 ̶ 過酷な環境（安全 精度が86%向上 キャビネット内） 5.6mg 0.8mg 標準計量皿との比較 表5：標準の環境と過酷な環境において標準計量皿とSmartPan™での計量を比較した繰返し性の結果の要約（平均値） 上記の表から、SmartPan™には計量プロセスの精度の面で非常に有利な効果があることが分かります。 空気対流を遮るものがない実験台の上でSmartPan™を使用した場合、標準の計量皿に比べて繰返し性 は58%向上します。一方で、計量プロセスを乱す原因になる空調ユニットからの空気対流がある過酷な 環境では、SmartPan™を使用した繰返し性は標準の計量皿より86%向上します。表5の結果をグラフで 表すと図21のようになります。 14 White Paper METTLER TOLEDO White Paper 安定時間[秒] 2倍以上 速い

最小表示1mgの天びんの繰り返し性（精度）に対するSmartPan™の効果 6.0 5.0 4.0 n 標準計量皿 3.0 n SmartPanTM 2.0 1.0 7倍以上高い 精度 0.0 実験3：標準の環境 実験4：過酷な環境 図21：標準の環境と過酷な環境においてSmartPan™を備えた最小表示1mgの天びんと標準計量皿の天びんの安定 時間（平均値）の性能比較 図21には、標準の環境でSmartPan™を使用すると計量精度（繰返し性）が2.7倍向上することが示されて います。一方、過酷な環境では、SmartPan™を使用すると繰返し性は通常の計量皿に比べて7倍向上し ます。 SmartPan™を備えた最小表示1mgの天びんでは、標準の計量皿と比べて速度（安定時間）や精度（繰返し 性）の面で、置かれた実験条件下において優れた性能が示されました。その差は、過酷な環境（安全キャ ビネット内など）で計量した場合にさらに顕著になります。ここでは、標準の計量皿に代えて新設計の計量 皿を使用すると、計量結果は2倍以上の速さで得られ（図20）精度は7倍以上高まります（図21）。 White Paper 15 METTLER TOLEDO 繰返し性[mg]

5 まとめ 4脚構造を持つ新設計の計量皿を使用すると、標準の計量皿に比べて速度と精度の面で天びんの性能を 大幅に最適化する効果があることが分かりました。 最小表示5mgの天びんを使用した計量： 本書で紹介した実験では、過酷な計量環境（空調ユニット下など）でSmartPan™を備えた最小表示5mg の天びんを使用すると、計量結果が速度と精度の面で大幅に向上することが示されています。 • SmartPan™を使用すると、2倍以上高速な計量が可能。 • SmartPan™を使用すると、計量結果の精度が2倍以上向上。 最小表示1mgの天びんを使用した計量： さらに計量の限界点を探る実験では、SmartPan™を備えた最小表示1mg（3桁）の天びんを過酷な計量 環境（安全キャビネット内など）で使用した場合に、計量結果が速度と精度の面でさらに向上しています。 • SmartPan™を使用すると、2倍以上高速な計量が可能。 • SmartPan™を使用すると、計量結果の精度が7倍向上。 空気対流を遮るものがない実験台の上で風防なしに計量した場合 空気対流を遮るものがない実験台の上では、3桁表示の天びんでも風防を使用せずに問題なく使用する こともできます。 空気対流を遮るものがない実験台の上（標準の環境）での計量比較では、SmartPan™を備えた風防なし の3桁表示の天びんを使用すると、標準の計量皿を備えた「風防付き」の同じ天びんよりも高速で高精度 に計量できることが示されています。 • SmartPan™を使用すると、風防なしでもほぼ1.5倍高速な計量が可能。 • SmartPan™を使用すると、風防なしでも計量結果の精度が2倍以上向上。 計量皿の設計と容易な清掃 SmartPan™は、特に計量に影響を与える空気対流の影響を最小化して流体抵抗を最小にするように最適 化されています。静的な力の分布は上皿天びん用の標準的な計量皿と同様です。また新設計の計量皿は、 格子状の計量皿に比べて清掃が格段に容易です。 以上のように、新設計の計量皿は空気対流による影響を受けにくく、あらゆる上皿天びんユーザーがその特 長を実感できる革新的な製品に仕上げられています。 6 信頼性の高い計量のためのヒントと推奨事項 このホワイトペーパー（技術資料）では、過酷な環境下で空気対流が原因で頻繁に起こる問題を克服する シンプルで洗練されたソリューションを説明しました。その他にも、信頼性の高い計量結果を得ることが できる有用なヒントや推奨事項がありますので、ここにご紹介します。 天びんの設置場所に関する推奨事項 正確な計量結果は天びんの設置場所と密接な関係があります。ご使用の天びんが最良の条件下で作動す るよう、次のガイドラインに従ってください。 16 White Paper METTLER TOLEDO White Paper

計量台 • 安定している計量台（実験台、テーブル、ストーンベンチ）を使 用。計量台は、その上で作業を行ってもたわまず振動をなるべ く伝えないものを使用してください。 • 耐磁性のあるもの（鉄板は不可）。 • 静電気帯電に対する保護を備えた材料を使用すること（樹脂、 ガラスではないこと）。 • 計量台は、床または壁のいずれかに固定してください。床と壁 の両方に固定すると、壁面と床の両方から振動が伝わります。 • 天びん専用であること 人が計量テーブルに寄りかかったり計量ステーションに近づいたり した場合に、天びん画面の表示が変化することがないように、計量台 の設置場所は安定している必要があります。柔らかいパッドを下に敷かないでください。天びんの設置位 置としては、デスクやテーブルの脚や支柱などの支持部の真上が振動の発生が一番少ないため最適 です。 作業部屋 • 振動なし • 通風なし 計量作業を行う部屋の隅に計量台を置きます。そこが建物の中で振 動が一番少ない場所です。部屋の出入り口ドアとしては、ドアの開閉 動作の影響を抑えるために、スムーズに動作する引き戸が理想的 です。 温度 • 室温を可能な限り一定に保ってください。計量結果は温度の影 響を受けます。（代表的変動値：1～2ppm/°C） 最大 +30°C • 暖房装置や窓の近くでは計量しないでください "FACT（" 全自動調整（校正）機構）を備えたメトラー・トレドの天びん最適化 は、温度変動をほぼすべて補償できます。従って「FACT」のスイッチを 常にオンに設定しておきます。 最小 -5°C White Paper 17 METTLER TOLEDO

周囲の湿度 • 相対湿度（%RH）は45～60%の範囲にあることが理想的です。い 範囲 20～8 かなる場合も相対湿度の下限20%、上限0 80%を超える環境で天 最大 % びんを操作しないでください。 • ミクロ天びんでは常に湿度に注意するようお勧めします。 湿度変化がある場合は、できるだけ是正してください。 日光や照明 • 天びんをできるだけ窓がない壁際に設置して下さい。直射日光 （熱）は計量結果に影響を与えます。 • 天びんは照明器具から充分な距離を取って置き、その熱が伝わら ないよう注意します。これは白熱灯の場合に特に当てはまります。 照明には蛍光灯を使用してください。 空気流 • 天びんは、空調設備やコンピュータ、大型ラボ装置など、換気をと もなう機器の空気流の中にできるだけ置かないでください。 • 天びんは暖房機器から充分離して置いてください。暖房機器の近 くでは、温度変動以外に、空気の強い対流が発生して障害となる 恐れがあります。天びんはドアの近くに置かないで下さい。 • 人通りが頻繁な場所は避けて下さい。人が通り過ぎると天びんの 設置場所に空気対流が起こります。 18 White Paper METTLER TOLEDO White Paper

7. 外的要因に関する詳細情報 7.1 e-ラーニングコース「ラボ用天びん：計量に影響を与える外的要因と天びん の最適な清掃方法」 このコースでは、計量結果に影響を与える可能性のある外的要因の中から、最も一般的な6つの要因につ いて解説し、さらに外的要因を排除もしくは少なくとも抑制する是正処置とヒントを提示します。また、電 子天びんの適切な設置場所と適切な清掃方法についてのガイドラインも提供します。このコースでは、以 下の内容を習得できます。 • 天びんが外的要因によって受ける影響 • 天びんの適切な設置場所 • 外的要因を排除もしくは少なくとも抑制するための簡単な是正処置 • 天びんの適切な清掃方法 最後の試験に合格すると、証明書が自動的に発行されます。この証明書は、印刷して内部トレーニング記 録用（GMP資格用など）に保存でき、3年間有効です。 このトピックスに関する詳細は以下をご覧ください。 www.mt.com/lab-elearning-influences 7.2 『 計量ガイド ̶ 電子天びんを使って正しく計量するために』 このガイド（36ページ、PDF形式）は無料でダウンロードできます。 www.mt.com/lab-properweighing 8. 著者について Peter Ryser博士は、スイス連邦工科大学 ローザンヌ校のマイクロエンジニアリング専 攻の教授です。30年以上にもわたるさまざ まな企業や学術団体での研究および教授経 験があります。以前は、Siemens Building Technologies社の取締役として、R&D、製品 開発、特許関係を担当していました。 ジュネーヴ大学で物理学博士号、実験物理 学修士号、MBA を取得。 White Paper 19 METTLER TOLEDO

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