シグナルコンディショナとは

シグナルコンディショニングは、最新のデータ収録デバイス(別名DAQまたはDASシステム)の基本的な構成ブロックの1つです。データ収録システムの基本的な目的は、物理的な現象を測定することです。これらは、次の基本コンポーネントで構成されています。

  • センサ
  • シグナルコンディショナ
  • A/Dコンバータ(ADC)
  • 信号の収録と解析のためのDAQソフトウェアを搭載したコンピュータ

シグナルコンディショナは何をしますか?

データ収録システムは、さまざまなセンサや信号に接続して使用する必要があります。シグナルコンディショナは、センサから信号を受け取り、処理して、A/Dサブシステムに送信します。

名前が示すように、A/Dサブシステムによって信号をデジタルドメインに変換し,表示,保存,および解析できるように信号を調整を行っています。

結局、500VをA / Dカードの入力の1つに直接接続することはできません。 熱電対,RTD,LVDT,およびその他のセンサーが動作するにはシグナルコンディショニングが必要です また、A/Dカードに入力できる正規化された電圧出力を供給します。

シグナルコンディショナに求めるもの

現在のシグナルコンディショナには、最新のデータ収録システムに役立つようにするために必要な要素がいくつか含まれています。これらの要素は次のとおりです。

  • 電気的絶縁
  • センサ接続用の適切なコネクタ
  • 測定レンジの選択
  • 信号フィルタリング
  • センサ要件への適合

次に、シグナルコンディショナのこれらの各要素について見ていきます。

電気または、ガルバニック絶縁

最高のシグナルコンディショナは、入力と出力の間に電気的絶縁を有します。絶縁はノイズを低減し、測定チェーン内のグランドループを防ぎ、正確な測定を保証します。

場合によってはガルバニック絶縁とも呼ばれます。電気的絶縁とは、回路を他の電位源から分離することです。ほとんどの信号は比較的低いレベルで存在し、外部の電位が信号に大きな影響を与え、誤った読み取りを引き起こす可能性があるため、これは測定システムでは特に重要です。干渉電位は、本質的にACとDCの両方です。

たとえば、センサがテスト対象の製品(電源など)に直接配置されている場合、これは地面より高い電位(つまり0Vではない)であり、数百ボルトの信号にDCオフセットを課す可能性があります。電気的干渉またはノイズは、信号経路またはテスト環境内の他の電気コンポーネントによって作成されたAC信号の形をとることもあります。たとえば、室内の蛍光灯は400 Hzを放射する可能性があり、これは非常に高感度のセンサで検出できます。

これが、高性能データ収録システムに絶縁入力がある理由です。シグナルチェーンの完全性を維持し、センサ出力が正しく読み取られたものであることを保証します。現在採用されている絶縁手法にはいくつかの種類があります。

絶縁は、チャネルからグランドだけでなく、チャネル間でも行われていることが重要です。励起ラインも必要に応じて分離する必要があります。包括的な絶縁システムは、過剰な電圧によるシステムへの損傷を防ぎ、グランドループや誤った測定を回避します。

一例として、DEWESoftのSIRIUS DAQシステムのシグナルコンディショナは1000Vの絶縁を提供します(HV高電圧モジュールは、CAT II 1000Vに追加定格されています)。

最適なセンサ接続

高性能シグナルコンディショナは、さまざまなセンサを接続できます。基本的にはセンサ用の最適なコネクタが用意されています。

さまざまなコネクタタイプのDEWESoft SIRIUS DAQシステム:BNC,LEMO,安全バナナ,DB9

電圧は通常、BNCコネクタ(最大50V)と、その上の安全タイプのバナナプラグで入力します。シグナルコンディショナによるセンサへの電源供給を必要とする電圧出力センサの場合、コンパクトで信頼性の高いLEMOコネクター、または安価な(ただし大きい)DB9(DSUB-9)コネクターなどのマルチピンコネクターが使用されます。これが、ほとんどのメーカー(DEWESoftを含む)がさまざまな種類のコネクタで電圧シグナルコンディショナを使用できるようにする理由です。

加速度センサは通常、BNCまたは10-32マイクロドットコネクタを採用しています。

現在、熱電対はほとんど常にミニブレードタイプのコネクタを使用しており、国際規格に従ってタイプごとに色分けされています。

使用するマルチピンコネクタの業界標準がないため、ひずみゲージは通常、裸線で販売されます。 または、エンジニアが選択する配線方法(3線式,4線式,リモートセンシングライン,またはリモートセンシングライン無しなど)。 ひずみゲージアプリケーションで使用される最も一般的に採用されているマルチピンコネクタは、コンパクトで信頼性の高いLEMOコネクタ、またはより安価な(しかし大きい)DB9(DSUB-9)コネクタです。

シグナルコンディショナには、信頼性が高く、場合によっては防水性のあるコネクタが不可欠です。

工業用測定環境に恒久的に取り付けられているデータ収録システムの場合、これらの要件が異なることに注意してください。持ち運んでさまざまなアプリケーションに使用される一般的なデータ収録システムとは異なり、これらのシステムは「固定」されており変更(移動)されません。固定システムまたは組み込みシステムには、通常、非常に効率的で低コストのネジ留め式端子ブロックコネクタが装備されています。

測定レンジの選択

センサに適切な測定レンジを選択する機能は、シグナルコンディショナの最も基本的な必須機能です。測定から最良の結果を得るには、コンディショナの電圧レベル(または一般にゲイン)を設定する必要があります。

たとえば、±2.5mV(±0.0025V)の電圧を測定しようとしているが、コンディショナの範囲が±50Vしかない場合、信号は結果として得られるゲイン内で非常に小さくなり使用できなくなります。 同様に、電圧が±100Vでレンジが±50Vの場合、信号の半分はコンディショナによってクリップされ測定されません。 (写真)

範囲の選択を示すDewesoft高電圧セットアップ画面(画面の左側)

したがって、コンディショナの種類とその用途に応じて適切なレンジ選択を提供することは、常にシグナルコンディショナの重要な要件です。

信号フィルタリング

入力ゲインの設定以外に、シグナルコンディショナの次の最も重要な機能は、何らかの方法でフィルタをかけることです。少なくとも、テスト環境からの信号に混入する可能性のある電気的ノイズを抑制または低減するために、2ポールまたは4ポールのローパスフィルタが必要になることがよくあります。

ノイズの多い(赤の信号)入力がIIRフィルタ(青の信号)で平滑化される

ADCプロセスの前に、アンチエイリアスフィルタリングという種類のフィルタリングをハードウェアで実行する必要があります。これは特別な種類のフィルタリングで、測定する信号の周波数成分と比較してサンプルレートを低く設定しすぎると、誤った読み取りが行われるのを防ぎます。アンチエイリアシングフィルタ(AAF)は、選択したサンプルレートに従ってフロントエンドフィルタを自動的に調整することで、誤った読み取りを防ぎます。AAFの詳細については、「A/Dコンバーターとは」という記事を参照してください。

事実上、他のすべてのフィルタリングはハードウェアまたはソフトウェアのいずれかで実行できます。たとえば、DEWESoft DAQシステムは、アプリケーションが必要とするハードウェアフィルタリングを提供します。たとえば、CHG(チャージアンプ)やACC(IEPEアンプ)のハイパスハードウェアフィルタは、AC結合加速度センサ出力に役立ちます。

その他のハードウェアフィルタは、DEWESoft DAQハードウェア内で提供されます。ただし、さらに強力なソフトウェアフィルタが各チャネルに実装されます。実際、ソフトウェアフィルタは、DEWESoft DAQシステムで収録の前または後に(またはその両方で)適用できます。これにより、エンジニアは生の信号と信号の1つ以上のフィルタ処理されたコピーの両方をキャプチャし、それらを比較できます(上の図に示すように、生の信号とフィルタ処理された信号を同じグラフに重ねることができます)。

センサへの適合

各シグナルコンディショナは、使用するセンサに完全に適合させる必要があります。センサには、動作原理により非常に異なる要件があり、コンディショナをそれに適合させる必要があります。

たとえば、ひずみゲージ(別名ひずみゲージ)シグナルコンディショナは、ひずみゲージセンサ励起電圧を印加する必要があります。また、エンジニアはひずみ測定を行う際に1~4個のゲージを使用するため、コンディショナは、クォーター,ハーフ,またはフルブリッジ構成を適応させる必要があります。

ひずみゲージは、おそらくシグナルコンディショナの世界で最も複雑な設定を必要とするため、最高のコンディショナは、ブリッジ構成,シャントキャリブレーション,自己発熱やセンサライン抵抗の変化を抑制するセンスライン接続などの幅広い機能を実装します。

Dewesoft STG(ひずみゲージ)設定画面

次に、主要なシグナルコンディショナのタイプをそれぞれ詳しく見ていき、それらの要件について詳しく説明します。

シグナルコンディショナの一般的なタイプ

現在のシグナルコンディショナは、これらの一般的なセンサとインタフェースできる必要があります。

信号タイプ センサー コンディショナー 基本的な要件
低電圧 (直接) 低電圧タイプ 複数の範囲,絶縁,安全基準(50V以上)への適合,選択可能なフィルタリング
キロボルト 電位差計トランスデューサー 高電圧タイプ 複数の範囲,絶縁,高電圧安全規格への適合,選択可能なフィルタリング
温度 熱電対 熱電対タイプ 絶縁,各種センサーからの線形化,冷接点補償
温度 RTD RTDタイプ 絶縁,センサー電源,センスライン調整,さまざまなRTDタイプからのスケーリング
衝撃と振動 IEPE Accel IEPEタイプ 複数の範囲,絶縁,公称コンプライアンス電圧での定電流センサー電源,選択可能なフィルタリング
衝撃と振動 チャージ加速 充電タイプ 複数の範囲,分離,pCイオンストリームの電圧への変換,ハイパスを含む選択可能なフィルタリング
ひずみ,圧力 ひずみゲージ ひずみゲージ式 複数の範囲,絶縁,センサー電源,ブリッジバランス,シャントキャリブレーション,センスライン調整,選択可能なフィルタリング
距離,変位 LVDT LVDTタイプ 複数の範囲,センサー電源,ゼロ調整,絶縁
距離,変位 ストリングポテンショメータ 抵抗式(通常ひずみゲージ式) 複数の範囲,センサー供給,ゼロ調整,選択可能なフィルタリング
デジタル入力 TTLイベント、Gear Tooth、エンコーダー デジタルタイプ 分離,さまざまな離散入力に適応可能,RawカウントをRPMに変換,その他の機能

絶縁,センサ電源,入力ゲイン,アンチエイリアシングなどのハード要件は、ハードウェアで実行する必要があります。ほとんどのフィルタリング(アンチエイリアスフィルタリングを除く)と線形化は、ソフトウェアで実行できます。

低電圧シグナルコンディショナ

電圧測定を見ると、信号はすでに電圧として存在しているため、これが最も簡単な測定であると思われます。ただし、電圧は10億分の1ボルト単位の非常に小さな電位から最大で数万ボルトまで及ぶ可能性があります。また、交流(AC)または直流(DC)として存在することもあります。

電位(電位)は、GNDよりはるか上に存在することも、0Vを中心に存在することもあります。課題とそのためのプロセスは、測定したい他の物理現象と基本的に同じです。小さな電圧は、通常のデジタル化レベル(通常は±5V)まで増幅する必要があります。誤った値とオフセットを導入して測定の完全性を破壊する可能性があるクロストークとグラウンドループを防ぐために、ガルバニック絶縁が必要になることがよくあります。

一定の測定目標のために、DC成分を除去するために電圧をAC結合するか、ローパスまたはハイパスフィルタリングを実行する必要がある場合があります。

DEWESoft SIRIUS DAQシステムとLV(低電圧信号コンディショナ)

DEWESoft のSIRIUS LV DAQモジュールは、BNC,セーフティバナナジャック,DSUB9,その他のリクエストに応じて、用途に合わせてさまざまなコネクタタイプで利用できます。

高電圧シグナルコンディショナ

大きな電圧は、通常のデジタル化レベルに下げる必要があります。このためのセンサがあり、送電線の数千ボルトを安全なレベルに分割できる変圧器(PT)が含まれます。次に、PTの出力が電圧シグナルコンディショナに送られ、デジタル化のためにさらに調整されます。

高電圧測定に使用されるすべてのシグナルコンディショナは、装置の操作オペレーターの安全のため、およびシステムの損傷や破壊を回避するために、強力に絶縁する必要があります。

適切なコネクタを使用して設計する必要があります。一時的な接続では、安全/絶縁バナナジャックが一般的です。恒久的な接続では、シールドされたネジ留め式端子が一般的です。露出した接触コネクタは避けなければなりません。

8チャンネルHV高電圧シグナルコンディショナを備えたDEWESoft SIRIUS DAQシステム

強力な高電圧シグナルコンディショナの良い例は、DEWESoftのSIRIUS HVモジュールです。

熱電対シグナルコンディショナ

熱電対センサが機能するには、高品質のシグナルコンディショナが必要です。T / Cはパッシブセンサであり、励起やセンサ電源は必要ありませんが、センサのコネクタ側で生成される小さな電位は絶縁,増幅,線形化する必要があります。さらに、絶対温度の読み取り値を表示するためにリファレンスが必要です。それ以外の場合は、相対温度の読み取り値しか生成できないため、あまり役に立ちません。

線形化タスクはハードウェアで、またはソフトウェアを介して実行できますが、増幅,絶縁,および補償の側面は、シグナルコンディショナによってハードウェアで提供される必要があります。

上記の「リファレンス」は、冷接点補償として知られています。センサの測定端は「ホットジョイント」(熱電対の構造で使用される異種金属の接合部)と呼ばれ、もう一方の端(信号を受信する部分)はセンサの冷接点です。このコールドジョイントは、熱電対を構成する異種金属がDAQシステムの銅線と接触する場所です。

小さな冷接点補償(CJC)チップは、ここではシグナルコンディショナの内部、またはコンディショナ接続する別ボックス内で使用されています。このCJCは、移動する空気または日光によって引き起こされる周囲温度の変動から保護する必要があります。それらは通常、温度を安定に保つために特別なペーストでインストールされます。

正確な熱電対測定では細部に注意を払わなければ、正確で直線的な熱電対測定を行うことはできません。

優れた熱電対シグナルコンディショナのその他の重要な機能は次のとおりです。

高分解能ADC

熱電対では24ビットの分解能をお勧めします。なぜか? タイプKの熱電対センサの測定範囲は-270℃~1260℃です。それは巨大な範囲です。

24ビットADCを使用すると、16ビットADCよりもはるかに多くの振幅軸が提供されます(各ビットは前のものから値の数を2倍にすることを覚えておいてください)

最適なコネクタのタイプと色の識別

現在、ミニブレード熱電対コネクタタイプは、熱電対タイプを簡単に視覚的に識別できる色分けとともに、事実上の標準になっています。たとえば、タイプSまたはT用に設計されたシグナルコンディショナにタイプKの熱電対を接続すると、誤った読み取りが行われます。

固定型熱電対シグナルコンディショナ

「固定タイプ」の熱電対シグナルコンディショナは、たとえばタイプJ,K,Tなどの特定の熱電対タイプと互換性を持つように作成されたものです。DEWESoftは、すべてのDAQシステムに高性能のユニバーサルシグナルコンディショナを提供しているため、最も人気のある熱電対タイプを含む、さまざまなセンサ用のDSIアダプターを作成しています。

DSI-熱電対センサ用のDEWESoftスマートインタフェースアダプタ

DSI-TH-xシリーズアダプタは、高精度の冷接点基準測定を特長としています。1 mの熱電対ケーブルがミニTCコネクタに付属しています。

サポートされている熱電対タイプ

  • DSI-TH-C-熱電対タイプC
  • DSI-TH-J-熱電対タイプJ
  • DSI-TH-K-熱電対タイプK
  • DSI-TH-T-熱電対タイプT

DSIアダプターは、SIRIUS,DEWE-43A,KRYPTON,IOLITEなど、DSUB9コネクタを備えたすべてのDEWESoft DAQシステムで使用できます。

ユニバーサル熱電対シグナルコンディショナ

ユニバーサルタイプの熱電対シグナルコンディショナの良い例は、モジュールごとに8または16チャネルで利用可能なDEWESoftのKRYPTON絶縁熱電対モジュールです。これらのシグナルコンディショナ、100 S / sで各チャネルをサンプリングし、チャネルごとに24ビットの分解能のシグマデルタADCを備えています。入力精度は通常、読み取り値の±0.02%±100μVです。チャンネルごとに1000Vの絶縁を提供し、熱電対によって生成されるミリボルトシグナルを干渉から保護します。

KRYPTONi-8xTH-ユニバーサル熱電対モジュール

付属のDewesoft Xデータ集録ソフトウェアによって非常に正確かつ迅速に線形化を実行できるため、これらのモジュールは、現在使用されているすべての主要な熱電対タイプと互換性があります。(K,J,T,R,S,N,E,C,U,B)

入力がユニバーサルであることを示すために、白色の熱電対コネクタが使用されています。エンジニアは、DEWESoft Xソフトウェアのチャネル設定画面で使用しているT / Cタイプを選択するだけで、正しい線形化が適用されます。

KRYPTONモジュールは、電力,データ,および同期を伝送する単一の高速EtherCat®インタフェースを介して相互に接続します。それらは、高い衝撃と振動,水,ほこり,煙,および非常に低温から高温までの過酷な環境向けに作られています。

RTDシグナルコンディショナ

RTD(測温抵抗体)は温度も測定しますが、熱電対とは非常に異なる種類の温度センサです。最も重要な違いは、RTDはパッシブセンサではないことです。RTDはシグナルコンディショナから電力を供給される必要があります。

いくつかのタイプのシグナルコンディショナを示すIOLITEモデル

良い例は、DEWESoftのIOLITE 8xRTDモジュールです。これは、チャネルごとに24ビットADCが統合された8チャネルRTDシグナルコンディショニングモジュールです。

3線式と4線式の両方のRTD接続をサポートしています。リード線の抵抗が測定値に追加され、結果として人為的に高温になるため、2線式フックアップは通常推奨されません。測定値の誤差を正確に知る方法はありません。

3線式と4線式のRTD接続

3線フックアップでは、3本目のワイヤーを使用して、平均リード線抵抗を検出します。シグナルコンディショナたは付随するソフトウェアは、このオフセットをリアルタイムで削除できるため、より正確な読み取りが可能になります。

一般的な3線式RTD接続

R1とR2の間の抵抗を測定し、R2とR3の間の抵抗を差し引くと、R(b)で回路の測定端のみの抵抗が得られます。もちろん、これは抵抗がすべて同じであることを前提としています。以下に示すように、4番目のワイヤーを追加することで、精度をさらに向上させることができます。

一般的な4線式RTD接続

この接続が完全なブリッジであることに気付くでしょう。ライン1と4は回路に電力を供給し、ワイヤ2と3はリード線抵抗をRTDシグナルコンディショナに読み戻すために使用されます。このようにして、リード線抵抗の変動を完全に相殺できます。

4線式より3線式を選択する理由

4線式の接続が常に3線式よりも優れている場合、なぜエンジニアは3線式を選択するのでしょうか?通常、答えは予算にあります。RTDが測定システムから遠く離れている場合、4本ではなく3本のワイヤを使用すると、ケーブルコストと配線コストの面で多くのコストを節約できます。これにより、大規模なテストシステムでは多くの時間と費用がかかる可能性があります。

良いリファレンスは、DEWESoft IOLITE RTDシグナルコンディショナです。

IEPEシグナルコンディショナ

小さなアンプが組み込まれた加速度センサは、ICP®(PCB Piezotronicsの商品名)としても知られています。より一般的には、IEPEとしても知られています。これらの加速度センサの出力は比較的高レベルの電圧であり、充電タイプの加速度センサに必要なケーブルよりも費用をかけずに、良質のケーブルでシグナルコンディショナに送り返すことができます。

ただし、パッシブで電力を必要としないチャージタイプの加速度センサとは異なり、IEPEセンサはシグナルコンディショナンディショナからの電圧供給を必要とします。これは通常、4〜20 mAの定電流と25ボルト(通常)の追従電圧の形で提供されます。

Dewesoft X DAQソフトウェア内のIEPEシグナルコンディショナセットアップ画面。
画面の左上には、範囲,フィルタカップリング,励起(定電流)などのハードウェア設定が表示されます。

以来、IEPE加速度計センサは、 AC波形を測定するために作られ、このDC電源は、任意のオフセット又は測定誤差を生じることなく信号線上に配置することができます。

したがって、IEPEシグナルコンディショナの基本的な要件は、この定電流電力を提供できることです。SIRIUS ACCは、25 V追従電圧で2,4,8,12,16,または20mAのユーザー選択可能な定電流を提供します。

DEWESoft SIRIUS ACCモジュールで提供されるもう1つの便利な機能は、センサが接続されて動作していることを示す視覚的なインジケーターです。SIRIUS DAQモジュールは、センサ接続されて機能しているときに点灯する入力コネクターベゼルの周りの緑色のLEDによってこれを行います。

適切なセンサ接続を示すために点灯する緑色のLEDベゼルを備えたBNC入力を示すSIRIUS ACCスライス

IEPEセンサは、ほとんどの場合BNCコネクタを採用しているため、シグナルコンディショナが同じことを行うことが重要です。上の図を参照すると、SIRIUS ACCスライスのBNC入力コネクターが見えます。

TEDSサポートは、IEPEセンサで非常に役立ちます。TEDS (Transducer Electronic Data Sheet)は、測定単位,スケーリング係数,キャリブレーション情報などを含む、センサ内部のセンサに関する情報の格納に基づくIEEE 1451標準です。

SIRIUS ACCシグナルコンディショナは、センサが接続されている場合、この情報を読み取り、自動的にソフトウェア内のセンサを設定することができます。DEWESoft Xソフトウェアは、ユーザーが接続したセンサのデータベースを維持します。これはユーザーが管理できます。TEDSは、多くのセンサを短時間で接続する必要がある場合に非常に時間を節約し、手動入力エラーによるセットアップエラーを防ぎます。

入力結合は、SIRIUS ACCコンディショナが提供するもう1つの重要な機能です。DC(オフ)と、0.1 Hzと1 Hzの2つのAC設定から選択できます。したがって、AC / DCしきい値に近い低周波成分をロールオフできます。

そしてもちろん、私たちは振動を測定しているので、高帯域幅,ダイナミックレンジ,および垂直軸の解像度はミッションクリティカルです。これらのそれぞれを簡単に見てみましょう

高帯域幅

シグナルコンディショナの周波数応答。シグナルコンディショナでは測定できない場合でも、最大50 kHzまで測定できるセンサを用意しても意味がありません。そのため、対象の最高周波数信号を表すのに十分な帯域幅が明らかに重要です。

SIRIUS ACCコンディショナは最大200 kS / s /チャネルをサンプリングし、最大70 kHzのエイリアスフリー帯域幅を提供します。高速アプリケーションの場合、SIRIUS HSシリーズシグナルコンディショナ、16ビットSAR ADCを使用して最大1 MHz / s / chのサンプリングを提供し、100 kHzの5次アンチエイリアスフィルタを備えています。

ダイナミックレンジ

ほぼすべてのセンサから、特に加速度センサなどの動的センサから測定する場合の重要な側面の1つは、ダイナミックレンジです。これは、測定可能な最小信号と最大信号の間の最大の隔たりを定義します。
各チャネルアンプには、入力信号の高ゲインと低ゲインを常に測定する2つのADCがあります。

これにより、センサの可能な全測定範囲が得られ、信号がクリップされるのを防ぎます。DualCoreADC®テクノロジーにより、SIRIUSは130 dBを超えるS / N 比と160 dBを超えるダイナミックレンジを実現します。以下のビデオをご覧ください。

縦軸解像度

24ビットADCは、垂直軸に驚くべき解像度を提供します。さらに、すべてのチャネルの強力なアンチエイリアシングフィルタリングは、選択したサンプリングレートに調整され、アンダーサンプリングによって引き起こされる誤った信号が測定を破壊するのを防ぎます。

しかし、生のビット数は、SIRIUS解決の話のほんの始まりにすぎません。たとえば、SIRIUSモジュールの各入力には、文字通り2つの24ビットADCがあります。1つは非常に高い範囲に設定され、もう1つは低い範囲に設定されます。

シグナルコンディショナは、デュアルストリームからの最適な振幅信号を自動的に使用し、最高の解像度で単一のデータストリームを作成します。つまり、このDualCoreADCイノベーションの結果、振幅軸の分解能が単一の24ビットADCのシステムよりも約20倍優れ、ノイズが20分の1になるため、SIRIUSの分解能が24ビットであると言っても過言ではありません。

チャージシグナルコンディショナ

電荷加速度センサには、荷電イオンの高インピーダンスストリーム(pC、またはピコクーロンで測定)を読み取り、高レベルの電圧に変換できるシグナルコンディショナが必要です。これらは、IEPEセンサ(上記を参照)と同じ圧電原理に基づいていますが、プリアンプは組み込まれていません。したがって、センサの電力は必要ありません。

ただし、それらの高インピーダンス出力は、IEPEセンサの増幅出力ほど簡単には送信されません。ノイズが信号に影響を及ぼさないようにするために、高価な低ノイズケーブルを使用し、できるだけ短くする必要があります。それでも、チャージ加速度センサは、538℃(1000°F)までの最高温度動作範囲と最高の帯域幅を提供するため、現在も使用されています。特殊センサ、動作温度範囲がさらに広い、低い、高い場合があります。

電荷センサの出力は、加速度を速度に変換するために積分することができ、変位を提供するために二重積分できます。

8つのチャージ入力を備えたSIRIUS CHGスライス

SIRIUS CHG型シグナルコンディショナは、多用途チャージモードシグナルコンディショナの優れた例です。電荷センサの処理に加えて、低電圧コンディショナおよびIEPEシグナルコンディショナしても機能します。

コネクタの互換性

チャージセンサで一般的に使用される3つのコネクタがあります:BNC,TNCおよび10-32。SIRIUS CHGモジュールは、BNCまたはTNC(基本的にはBNCのスレッドバージョン)で利用できます。

入力カップリング

SIRIUS CHGコンディショナが提供するもう1つの重要な機能です。0.01 Hz,0.03 Hz,0.1 Hz,0.5 Hz,1 Hz,10 Hz,100 Hzから選択できます。したがって、AC / DCしきい値に近い低周波成分をロールオフできます。信号を積分または二重積分することを計画している場合、これは重要です。これは、ノイズとオフセットがこのプロセスによって劇的に増大するためです。

そしてもちろん、私たちは振動を測定しているので、高帯域幅、ダイナミックレンジ、および垂直軸の解像度はミッションクリティカルです。これらのそれぞれを簡単に見てみましょう

高帯域幅

シグナルコンディショナの周波数応答。シグナルコンディショナでは測定できない場合でも、最大50 kHzまで測定できるセンサを用意しても意味がありません。そのため、対象の最高周波数信号を表すのに十分な帯域幅が明らかに重要です。SIRIUS CHGコンディショナは最大200 kS / s /チャネルをサンプリングし、その最高速度で80 kHzを超えるエイリアスフリー帯域幅を提供します。

ひずみゲージシグナルコンディショナ(ストレンアンプ)

ひずみゲージシグナルコンディショナは、おそらくデータ収録の世界で最も複雑な機能をしています。まず、比較的シンプルなフルブリッジ構成からクォーターおよびハーフブリッジ構成までの複数の接続方式をサポートする必要があり、それぞれにいくつかの配線オプションがあります。また、フルブリッジフックアップ以外のものを選択した場合、ホイートストンブリッジ回路を完成させるために必要な抵抗も提供されることが期待されます。

DEWESoft SIRIUS STGシグナルコンディショナでサポートされている6線式フルブリッジ構成

もちろん、シグナルコンディショナのゲイン(感度)を調整できる必要があります。また、ひずみゲージセンサに送られる電圧(励起電圧)を調整します。ほとんどの場合、ひずみゲージではフィルタリングが必要であり、これはハードウェアまたはソフトウェアのいずれかで、選択可能な次数(フィルタ強度)で提供する必要があります。

クォーターブリッジ構成を示すDEWESoft STGセットアップ画面

それは十分に思えますが、1つまたは複数のセンスラインに接続し、それらを使用してケーブル長や自己発熱によって引き起こされるリード線の抵抗変化を相殺する機能など、さらに多くの要件があります。
また、すべてのひずみゲージには、約2のゲージ率があります。これは、センサからの生のmV / Vリターンをマイクロストレイン読み取り値に変換するためにシステムで入力および使用する必要があります。

一般的な説明として、エンジニアがゲージ率を使用するを選択するか、センサのリターンを任意の方法でスケーリングするかを選択する必要があります。たとえば、ひずみゲージコンディショナはロードセルにも使用されます。この場合、測定値を重量(kgまたはlbs)で確認できます。すべてのオプションをエンジニアに提供する必要があります。

上記のすべての機能は、重要なひずみゲージシグナルコンディショナの基本的な要件です。

強力で柔軟なひずみゲージシグナルコンディショナの例は、DEWESoftのSIRIUS STGモジュールです。

LVDTシグナルコンディショナ

LVDT(線形可変差動変圧器)トランスデューサーは、比較的短い距離で線形変位/位置を測定するために使用されます。それらは、ロッドを含むチューブで構成されています。チューブの基部は固定位置に取り付けられ、ロッドの先端は動くものに固定されています。

ロッドがチューブから引き抜かれるか、スライドして戻されると、センサは、ロッドの開始点から最大たわみまでのロッドの位置を表す信号を出力します。ロッドはチューブの内部に触れないため、実質的に摩擦がありません。また、LVDT自体には電子機器が含まれていないため、過酷な環境で人気があります。

LVDTシグナルコンディショナは、トランスデューサーが操作に必要とするAC励起を提供する必要があります。このACは1次コイルを駆動し、チューブの両端にある2次巻線のそれぞれから出力を誘導します。シグナル調整器は、表示と測定のために、差動出力信号を適切に取り込んでスケーリングできる必要があります。

良い例は、DEWESoftのDSI LVDTアダプターを備えたSIRIUS STG です。STGモジュールには、理想的なLVDTシグナルコンディショナとして機能するために必要なほとんどすべての機能があるためです。LVDTで使用するシグナルコンディショナを完成させるために、STGモジュールの入力コネクタにDSI-LVDTと呼ばれる小さなアダプターを追加するだけです。

DEWESoftのDSI-LVDTアダプタ

DSI-LVDTにはTEDSチップが内蔵されています。SIRIUS-STGに接続すると、シグナルコンディショナチップから情報を読み取り、LVDTシグナルコンディショナとして自動的に設定されます。エンジニアは、必要に応じて、ゼロバランシングとEU入力およびスケーリングをさらに実行できます。DSI-LVDTは、センサに必要な4〜10 kHzの励起を生成し、小型のポテンショメーターを介して位相調整を可能にします。

大規模LVDTシグナル調整

DS-LVDTr 16チャネルLVDTフロントエンド

大規模なLVDTシグナル調整のために、DEWESoft DS-16xLVDTrは独自のレシオメトリックアーキテクチャを使用して、LVDTインタフェースへの従来のアプローチに関連するいくつかの欠点を排除します。DS-16xLVDTrは、16チャネルのDSI-LVDTアダプターを1U 19インチラック互換ハウジングに組み合わせたものです。

新しい設計の主な利点は、外部関数発生器からBNCフロントコネクタ(INコネクタ)に提供される非同期励起信号です。複数のDS-LVDTrデバイスを使用する場合、EXC信号をBNC OUTコネクタから他のデバイスのBNC INコネクタにデイジーチェーン接続できます。

フロントパネルには、DEWESoftデータ収録システムへの接続用に16個のDSUB-9Mオスコネクタがあります。各コネクタには、位相調整用のトリマーが含まれています。背面パネルには、LVDTセンサ接続用の16個のDSUB-9F(メス)コネクターがあります。DS-16xLVDTrは、フルブリッジおよびハーフブリッジLVDTセンサタイプでの測定をサポートしています。

ストリングポットシグナルコンディショナ

ストリングポットまたはストリングポテンショメーターは距離を測定するセンサです。これは、スプリング式の頑丈な弦のリールを含むハウジングとして構成されており、弦が解放されると自動的にハウジングに巻き戻されます。

ハウジングは固定位置に取り付けられますが、ストリングの端は、ドアなどの動くもの、またはブラケットが取り付けられている場所に対して前後に動く他の物体に取り付けられます。良い例は、列車の車輪の「トラック」と、サスペンションシステムでその上を走行する列車の車体の間の動きです。

ストリングポットはLVDTと動作が似ていますが、動作方法が異なります。LVDTは差動AC電位を使用してスライドロッドの位置を測定しますが、ストリングポットは可変抵抗を使用して、展開されているストリングの量を測定します。

そして、機械的な観点から、LVDTのロッドは、管状のハウジングと平行な平面に沿って移動する必要があります。一方、ストリングポットのストリングは、ハウジングからの出現点から広い弧で自由に移動できます。

ストリングポットの出力を調整するために、センサからの抵抗変化を引き起こすために必要な励起を提供し、出力を読み取ることができるシグナル調整器が必要です。読み値をmm,cm,m,インチ,フィートなどの有用な測定単位にスケーリングできることも必要です。

良い例は、DEWESoftのSIRIUS STGモジュールです。ひずみゲージモジュールとして、それはすでに励起と小さな電圧電位の読み取りを提供するビジネスにあります。基本的なハーフブリッジ構成で抵抗測定を行うことができます。ストリングポットをDEWESoft STGシグナルコンディショナ直接接続するために、追加のアダプターは必要ありません。

DEWESoft SIRIUS STGシグナルコンディショナを使用したシンプルな電位差測定フックアップ

デジタル入力シグナル調整器

デジタル入力は、単純なオン/オフ信号の記録から、高精度の直交エンコーダ、またはRPMやその他のバリアントの測定を可能にするギア歯センサの処理まで、さまざまな範囲を実行します。測定する必要がある最高値と最低値の間に多くの値を持つ波形を持つアナログ信号とは異なり、信号は高または低のいずれかの形式であるため、デジタルと呼ばれます。

離散デジタル入力

理想的なTTLオン/オフストリームの表現

最も単純なデジタル入力は、オン/オフタイプの信号で、これを見ると方形波のように見えます。これらは、ディスクリートチャネルまたはイベントチャネルと呼ばれることもあります。状態は2つしかないため、ドアが開いているか閉じているか、回路がオンまたはオフであるか、および測定する必要がある可能性のある他の1000件のイエス/ノーの可能性を示すためによく使用されます。

ディスクリート入力は通常、5Vプルアップに基づくTTL(トランジスタからトランジスタロジック)レベルでリレーまたはトランスデューサから出力されます。理論的には、完全なTTLオン/オフ信号は、オフを表す0V(デジタル値0を意味する)と、オンを表す5V(デジタル値1を意味する)です。ただし、実際にはそのような精度を達成することはほとんど不可能であるため、許容範囲は、OFFの場合0~0.8V、ONの場合2V~5Vになっています。

許容可能なTTLレベルの入力および出力レベル

これらのデジタル入力は、ほぼすべてのDEWESoftモデルDAQシステムで利用可能なDEWESoftのSuperCounter®デジタル入力によって簡単に処理されます。これらのカウンター入力には、エンコーダーとRPMセンサを処理できる3つのライン(A,B,Z)があります。または、これらを3つの個別のデジタル入力(IN0,IN1,IN2)として使用できます。DEWESoftのデジタルラインは、ユーザーがアナログ入力用に選択したサンプルレートをはるかに超えてサンプリングされますが、時間軸上でアナログ入力と正確に整列していることに注意してください。

典型的なDEWESoft SuperCounterコネクタ

さらに、多数のプレーンデジタル入力に対して、DEWESoft IOLITEは32チャネルデジタル入力モジュールを提供します。このモデル32xDIは、簡単なネジ留め式端子とセンサ電源を備えており、多チャンネルデータの取得と制御アプリケーションに最適です。

IOLITE 32xDI入力モジュール

タコ,RPM,および角度センサ

DEWESoft SuperCounter入力は、さまざまなRPMセンサ,速度センサ,およびエンコーダーから、回転機械のRPMおよび角度出力値を測定できます。1つのサンプル後でのみ整数を出力する標準カウンター(例:1,1,2,2,3,4)と比較して、SuperCountersはアナログサンプル間で1.37,1.87,2.37のような非常に正確な値を抽出し、それらをアナログチャンネルと完全に同期できます。

これは、追加のカウンターで信号の立ち上がりエッジの正確な時間を測定することによって行われます。DEWESoft SuperCountersは、アナログサンプリングレートとは関係なく、102.4 MHzタイムベースで動作します。

イベントのカウント,速度,RPM,角度などの測定に使用されるいくつかの一般的なセンサがあります。これらには次のものが含まれます。

  • 1,2,または3出力のエンコーダ(A,B,Zリセット信号)
  • 線形パルスとパルスエンコーダ
  • 光学タコプローブ(1回転あたり1パルス)反射ステッカーの角度とRPMを計算できます。
  • 欠けている歯(60-2など)または2つの歯を持つ歯センサ,CDM,ゼロのCDM,TRGのCDM

これらはすべて、DEWESoft SuperCounterに接続して、ソフトウェア内で簡単に設定できます。出力は測定中のアナログデータとも完全に同期しているため、回転振動やねじり振動,燃焼解析,オーダートラッキング解析,バランシング,人体振動などの高度なアプリケーションを実行できます。

Dewesoft Xソフトウェアには、一般的なセンサのライブラリが組み込まれていますが、エンジニアが新しいセンサを作成して名前を付け、将来いつでも呼び出すことができる柔軟なデータベースも備えています。

エンコーダセンサのセットアップを示すDEWESoftデジタル/カウンターセットアップ画面

一般的なカウンター仕様

タイムベース 102.4 MHz
タイムベースの精度 5 ppm、最大:20 ppm
最大帯域幅 10MHz
入力フィルター 500 ns、1μs、2μs、4μs、5μsおよび7.5μs
入力レベルの互換性 TTL(低:<0.8、高> 2V)
入力インピーダンス + 3.3Vへの100kΩプルアップ
入力保護 ±25V連続
警報出力 オープンコレクター、最大。100mA / 30ボルト
センサー供給 5V / 100mA; 12V / 50mA