この記事では、IEPEとチャージ型加速度ピックアップ(加速度計とも呼ばれる)について、またこれらが回転機械の振動測定にどのように使用されるかについて詳しく説明します。
振動の測定には様々な方法があり、通常は圧電センサーや加速度センサーを使用する。加速度センサーは、物体の動的振動を電圧に変換するセンサーです。加速度計は、振動が予想される要素に直接取り付けられるフルコンタクトの変換器です。例えば、ボールベアリングやギア・トランスミッションなどがあります。この汎用性の高いセンサーは、高周波と低周波の両方の振動測定に使用できます。加速度ピックアップの利点は、広い周波数範囲での直線性と広いダイナミックレンジです。
加速度センサーの仕組みは？
ほとんどの加速度センサは圧電効果を利用しており、センサ内の水晶が圧力下で電圧を発することを意味します。ハウジングの加速度は校正質量（地震質量）に伝達され、その後、圧電結晶に比例した圧力がかかります。圧電振動子にかかる外部電圧は、印加された力に比例した高インピーダンスの電気抵抗を発生させ、したがって加速度に比例します。
正しい加速度センサーの選び方は？
加速度ピックアップは非常に多用途であるため、様々な形状、サイズ、範囲、その他の特定の特性があります。予想される測定信号と環境要因（温度や爆発感度など）を組み合わせることで、具体的なモデルを検討することができます。もちろん、適切なセンサーを選択する際には、いつでも電話でアドバイスを受けることができますが、以下に考慮すべき点を説明します。
Vibration 振幅
測定する振動の最大振幅、つまり最大レンジによって、必要なセンサーレンジが決まります。レンジに合わないセンサで振動を測定すると、出力は信頼性の低い信号となります。一般的に、高周波振動のモニタリングに使用される加速度ピックアップは、感度と質量が低くなります。
感度
感度は、適切な加速度センサを選択する際に重要なパラメータです。感度とは、基準周波数における振動と電圧の相関のことです。正確な感度は校正によって決定され、通常センサに付属する校正証明書に記載されています。感度は（予想される）周波数にも依存します。最終的には、感度が周波数とどのように相関するかを決定するために、使用可能な周波数範囲全体にわたる完全な校正が必要となります。
一般的に、感度の低い加速度センサは振幅/周波数の高い信号を測定するために使用され、感度の高い加速度センサは振幅/周波数の低い信号を測定するために使用されます。もう一つの側面は、センサーの自己共振周波数であり、測定可能な最大周波数は常にセンサーの自己共振周波数より2ファクター下であるべきであると言える。
軸数
測定方向に関しては、加速度ピックアップには2つのタイプがあります。最も一般的な加速度ピックアップは一方向の振動を測定します。このタイプは、設備や機械の機械振動レベルの測定によく使用されます。2つ目のタイプは3軸加速度ピックアップです。この加速度ピックアップは加速度の3D表現を作成することができます。
重量
加速度ピックアップの重量は、モニターする構造物よりもかなり軽くなければなりません。加速度センサを取り付ける物体の質量がセンサによって著しく増加すると、振動特性に影響を与える可能性があります。これは不正確な測定データにつながる可能性があります。一般的に、加速度センサの質量は対象物の重量の10％を超えてはなりません。どのようなアプリケーションにも特定のソリューションがあります。
取り付け
適切な加速度センサを選択する際のもう一つの考慮点は、センサをどのように表面に取り付けることができるかということです。取り付け方法には4つのタイプがあります：
- ハンドヘルド
- マグネティック
- 粘着剤
- スクリューマウント
ネジ止めが最も良い方法だが、機械に穴を開ける必要があるため、恒久的な設置が必要な場合にのみ行われる。別の方法として、センサーを接着することもできますが、この場合、ネジ止めよりも伝達特性が低下します。
その他の取り付け方法は、主に一時的な設置を目的としています。各取付方法は加速度ピックアップに何らかの影響を与えます。一般的に、取り付けが「緩い」ほど、測定可能な周波数限界は低くなります。磁気マウントのように加速度ピックアップに質量を加えると共振周波数が下がり、加速度ピックアップの精度と使用可能な周波数範囲の限界に影響を与えます。
環境要因
加速度ピックアップを選択する際には、最高使用温度、有害な化学物質への暴露、湿度などの環境要因を考慮する必要があります。ほとんどの加速度ピックアップは、堅牢で信頼性の高い構造により、危険な環境でも使用することができます。さらに保護するために、産業用加速度ピックアップは腐食や化学薬品に強いステンレス鋼で作ることができます。
チャージ型加速度ピックアップは極端な温度に適しています。これらの加速度ピックアップには電子回路が内蔵されていないため、最大動作温度はセンサエレメントと構造材料によってのみ制限されます。しかし、これらの加速度ピックアップはコンディショニングと信号増幅を内蔵していないため、環境干渉の影響を受けやすく、低ノイズのケーブルが必要です。環境ノイズが大きい場合は、インライン信号変換器または信号増幅器内蔵のIEPEセンサーを使用する必要があります。
湿度仕様は、加速度ピックアップのシールの種類によって決まります。一般的なシールはガラス製かエポキシ製です。これらのシールのほとんどは、高湿度レベルや過度の湿気に長時間さらされることに耐えることができます。
コスト
チャージモード加速度ピックアップとIEPE加速度ピックアップの価格は同等ですが、IEPE加速度ピックアップは特別な低ノイズケーブルやチャージアンプを必要としないため、マルチチャンネルシステムで使用する場合、コストが大幅に低くなります。さらに、IEPE加速度ピックアップはメンテナンスが容易なため、より使いやすくなっています。
近接プローブと加速度計の比較
機械の振動測定に使用されるセンサーのもう一つのタイプは、proximity プローブ（距離センサー）である。振動を検出するために加速度を測定する加速度計とは異なり、proximity プローブは対象物までの距離を測定する非接触センサーです。これらのセンサーは、主に大型で重い回転機械のシャフト振動を測定するために使用されます。蒸気タービンは、proximity プローブがシャフトの振動計測に使用される典型的な機械の 1 つです。主にジャーナルベアリング内のシャフトの振動を測定することに重点が置かれています。シャフトが配置されている油膜と重いケーシングの減衰効果により、シャフトの振動は、ハウジングの振動を大幅に増加させることなく、大幅に上昇する可能性があります。したがって、このような状況では、シャフトの動きを直接測定する proximity プローブを使用する方がよい。多くの場合、組み合わせて使用されます。
