シグナルコンディショナとは

シグナルコンディショナは、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、物理的な現象を計測することです。
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
  • ADコンバータ(ADC)※ADコンバータとは参照
  • 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コンバータによってアナログ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処理を行っています。

500Vもの高電圧を直接A / Dコンバータの入力に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が動作するにはさまざまなシグナルコンディショニングが必要で、それらはA/Dコンバータ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。

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。

シグナルコンディショナの種類

センサの信号を適切に調整するために、さまざまなタイプのシグナルコンディショナが必要です。シグナルコンディショナの一般的なタイプは次のとおりです。

  • 電圧および高電圧シグナルコンディショナ
  • 電流シグナルコンディショナ
  • IEPEシグナルコンディショナ(またはICP /圧電シグナルコンディショナ)
  • 充電シグナルコンディショナ
  • ひずみゲージシグナルコンディショナ
  • ロードセルシグナルコンディショナ
  • 熱電対シグナルコンディショナ
  • RTDシグナルコンディショナ
  • サーミスタシグナルコンディショナ
  • LVDTシグナルコンディショナ
  • ACシグナルコンディショナ
  • DCシグナルコンディショナ
  • デジタルシグナルコンディショナ

各タイプの詳細については、「シグナルコンディショナの一般的なタイプ」を参照してください。

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、計測チェーン内のグランドループを防ぎ正確な計測を確保します。

この機能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この電位が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、絶縁は計測システムでは特に重要です。干渉電位は、本質的にACとDC成分の両方です。

たとえば、センサがテスト対象の製品(電源など)に直接設置されている場合、電位がグランドより高い(0ボルトを超える)と信号にDCオフセットが課される可能性があります。電気的干渉またはノイズは、信号経路やテスト環境内の他の電気コンポーネントによって生成されたAC成分の形をとることもあります。室内の蛍光灯は50/60Hzを放射する可能性があり、これは非常に高感度のセンサ接続時に検出されます。

これら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計測を回避します。

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に準拠しています)。

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センサ接続用の最適なコネクタ

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。基本的にはセンサ接続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,安全バナナ端子,D-sub9ピン

DEWESoft製品では電圧入力にはBNCコネクタ(最大100V)と、安全型バナナ端子(最大1.6kV)が使用されています。また、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コネクタや安価なD-sub9ピン(DSUB-9)コネクタなどのマルチピンコネクタが使用されます。このように入力コネクタを変更することで、ほとんどのメーカのさまざまな種類のセンサが使用できるようなります。

多くの加速度センサは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。

熱電対はほとんどミニチュア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。

ひずみゲージは通常、裸線で販売され、計測者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有/無など)で接続されます。ひずみゲージ計測用にはブリッジボックス接続用にNDIS変換ケーブルやひずみゲージを直接接続できるオプションコネクタを準備しています。

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計測レンジの選択

センサに適切な計測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。計測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)を適切に設定する必要があります。

たとえば、±2.5mV(±0.0025V)の電圧を計測しようとした時に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しづらくなります。 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計測されません。

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

ADコンバータの前に、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、計測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します。AAFの詳細については、「A/Dコンバータとは」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。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も、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、計測者は生の信号とフィルタ処理された信号コピーの両方を取得し、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)。

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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、ひずみゲージシグナルコンディショナは、ひずみゲージセンサに励起電圧を印加する必要があります。また、計測者はひずみ計測を行う際に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、ブリッジ回路,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が実装されています。

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 コンディショナ 基本的な要件
低電圧 (直接) 低電圧タイプ 複数レンジ,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 高電圧タイプ 複数レンジ,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,各種センサからの線形化,冷接点補償
温度 RTD RTDタイプ 絶縁,センサ電源,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加速度 IEPEタイプ 複数レンジ,絶縁,公称コンプライアンス電圧での定電流センサ電源,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 複数レンジ,分離,容量性,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 複数レンジ,絶縁,センサ電源,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 複数レンジ,センサ電源,ゼロ調整,絶縁
距離,変位 ポテンショメータ 抵抗式(通常ひずみゲージ式) 複数レンジ,センサ供給,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 デジタルタイプ 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

電圧計測は信号がすでに電圧として存在しているため、最も簡単な計測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。

電圧(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。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引き入れ計測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。

一定の計測目標のために、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。

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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(±5V)に下げる必要があります。このための機器には、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)などが含まれます。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。

高電圧計測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と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計測する必要もあります。一般的な接続では、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。

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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。熱電対(TC)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もしくはソフトウェアを介して実行できますが、増幅,絶縁,および接点温度補償は、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。センサの計測端は「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保護されます。

正確な熱電対計測では細部に注意を払わなければ、正確で直線的な熱電対計測を実施できません。

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の熱電対センサの計測範囲は-270℃~1260℃で、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分解能が提供されます。

最適なコネクタのタイプと色の識別

現在、ミニチュア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アダプタを提供しています。

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計測を特長としています。10cm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。

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ユニバーサル熱電対シグナルコンディショナ

DEWESoftの KRYPTON絶縁熱電対モジュールはユニバーサルタイプの熱電対シグナルコンディショナで、8または16チャネルで利用可能です。これらのシグナルコンディショナは、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ビットの分解能のデルタシグマ型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微小信号を外部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。ユーザは、Dewesoft Xソフトウェアのチャネル設定画面で表示されているTC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、電源,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に適用できるよう設計されています。

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RTDシグナルコンディショナ

RTD(測温抵抗体)は温度も計測しますが、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。

RTDシグナルコンディショナのIOLITEモデル

RTDシグナルコンディショナのひとつにIOLITE 8xRTDモジュールがあります。このモジュールは、チャネルごとに24ビットADCを搭載した8チャネルモデルです。

3線式と4線式の両方のRTD接続をサポートしています。リード線の抵抗が計測値に追加され、結果として人為的に高温になるため、2線式は通常推奨されません。計測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線式では3本目のワイヤを使用して、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と付随するDewesoftX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

RL1とRL2の間の抵抗を計測し、RL2とRL3の間の抵抗を差し引くと、R(b)で回路の計測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RL1とRL4は回路に電力を供給し、RL2とRL3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、なぜ計測者は3線式を選択するのでしょうか? 答えは費用にあります。RTD計測システムが計測点と遠く離れている場合、3線式を採用することでケーブルコストと配線コストの面で多くの節約ができます。

より良いシグナルコンディショナの代表例は、DEWESoft IOLITE RTDです。

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IEPEシグナルコンディショナ

小型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、電荷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電荷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。

DewesoftXデータ集録ソフトウェア内の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。

IEPE加速度計センサは、 AC波形を計測するために作られ、このDC電源は任意のオフセット又は計測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の範囲でユーザが選択可能な定電流を提供します。

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、入力コネクタベゼルの周りの緑色のLEDが点灯します。

SIRIUS ACCのスライスは、BNC入力でセンサが正しく接続されていることを示す緑色のLEDベゼルが点灯します。

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入力コネクタが点灯します。

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、計測単位,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。入力カップリングを0.1, 1, 3, 10Hzの4つのから選択できます。これにより、AC / DCしきい値に近い低周波成分をカットできます。

次に帯域幅,ダイナミックレンジ,解像度について見ていきましょう。

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高帯域幅

シグナルコンディショナの周波数応答。振動計測では50 kHzまで計測できるセンサを準備しても、シグナルコンディショナがその帯域まで応答できなければ意味がありません。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コンディショナの最大サンプリングは200 kS / s /chで、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は、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計測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、計測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計測する2つのADCがあります。

これにより、センサの可能な全計測範囲が得られ、信号がクリップされるのを防ぎます。DualCoreADC®テクノロジにより、SIRIUSは130 dBを超えるS / N 比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計測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つは非常に高レンジに設定され、もう1つは低レンジに設定されます。

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。

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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計測)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。特殊センサには、動作温度範囲がさらに広い、低い、高いなどの特長があります。

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。値が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、私たちは振動を計測しているので、高帯域幅,ダイナミックレンジ,および垂直軸の解像度についても高い性能を有しています。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。振動計測では50 kHzまで計測できるセンサを準備しても、シグナルコンディショナがその帯域まで応答できなければ意味がありません。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サンプリング200 kS / s /chで、最大70 kHzの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

ひずみゲージシグナルコンディショナには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。

一般的に、計測者はゲージ率を使用するか、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、ひずみゲージシグナル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、計測値を重量(kg)で確認できます。すべてのオプションを計測者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。

優良なひずみゲージシグナルコンディショナのひとつは、DEWESoftのSIRIUS STGモジュールです。

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LVDTシグナルコンディショナ

LVDT(線形可変差動変圧器)トランスデューサは、比較的短い距離で線形変位/位置を計測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、過酷な環境で使用できます。

LVDTシグナルコンディショナは、トランスデューサ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。シグナルコンディショナは、表示と計測のために、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。

良い提案は、DEWESoftのDSI LVDTアダプタを装備した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。計測者は必要に応じて、ゼロバランシングと単位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-9ピン(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-9ピン(メス)コネクタがあります。DS-16xLVDTrは、フルブリッジおよびハーフブリッジLVDTセンサタイプでの計測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は距離を計測するセンサです。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計測しますが、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計測します。

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コンディショナが必要です。読み値をmm,cm,m,インチ,フィートなどの有用な計測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ことにあります。基本的なハーフブリッジ構成で抵抗計測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計測フックアップ

デジタル入力シグナルコンディショナ

デジタル入力は、単純なオン/オフ信号の記録から、高精度のエンコーダや回転数やその他のバリアントの計測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。計測する必要がある最高値と最低値の間に複雑な値を持つアナログ信号とは異なり、信号はハイまたはロー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、回路がオンかオフか、および計測する必要があるかもしれない他の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。これらのカウンタ入力には、エンコーダと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調整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

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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,およびエンコーダから、回転機械のRPMおよび角度出力値を計測できます。1つのサンプル後でのみ整数を出力する標準カウンタ(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ネルと完全に同期できます。

これは、追加のカウンタで信号の立ち上がりエッジの正確な時間を計測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,角度などの計測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)のRPMを計算できます。
  • 欠け歯(60-2など)または2つの歯を持つセンサ,CDM,ゼロCDM,TRGCDM

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。出力は計測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、計測者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DewesoftXデジタル/カウンタセットアップ画面

一般的なカウンタ仕様

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 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、最大 100mA / 30ボルト
センサ供給 5V / 100mA; 12V / 50mA

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