本記事では、IEPE型および充電式加速度計（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解説します。
振動の測定には様々な方法があり、通常は圧電センサーまたは加速度計を用いて行われます。加速度計とは、物体の動的な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型の変換器です。 例としては、ボールベアリングや歯車伝動装置などが挙げられます。この汎用性の高いセンサーは、高周波および低周波の振動測定の両方に使用できます。加速度計の利点は、広い周波数範囲にわたる直線性と、広いダイナミックレンジにあります。
加速度計はどのように機能するのでしょうか？
ほとんどの加速度計は圧電効果を利用しており、これはセンサー内の結晶が圧力を受けると電圧を発生することを意味します。ハウジングの加速度は校正済みの質量（地震用質量）に伝達され、その後、圧電結晶に比例した圧力が加わります。結晶にかかる外部電圧は、加えられた力に比例し、したがって加速度に比例する高インピーダンスの電気抵抗を生成します。
適切な加速度計の選び方は？
加速度計は非常に汎用性が高いため、形状、サイズ、測定範囲、その他の特定の特性が様々なものが存在します。測定対象となる信号の想定と環境要因（温度や爆発感度など）を組み合わせて検討することで、具体的なモデルを選定することができます。もちろん、適切なセンサーの選定についてはいつでも当社までご相談ください。以下では、選定の際に考慮すべき点について説明します。
Vibration amplitude
最大振幅、すなわち測定対象の振動の最大範囲によって、必要なセンサーの測定範囲が決まります。測定範囲に合わないセンサーで振動を測定すると、出力される信号は信頼性の低いものとなります。一般的に、高周波振動の監視に使用される加速度計は、感度と質量が低くなっています。
配慮事項
感度（Sensitivity）は、適切な加速度計を選択する際の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関係を指します。正確な感度は校正によって決定され、通常はセンサー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、感度が周波数とどのように相関するかを判断するには、使用可能な全周波数範囲にわたる完全な校正が必要となります。
一般的に、振幅・周波数が高い信号の測定には感度の低い加速度計が、振幅・周波数が低い信号の測定には感度の高い加速度計が使用されます。もう一つの側面はセンサーの固有共振周波数であり、測定可能な最大周波数は常にセンサーの固有共振周波数の2分の1以下であるべきだと言えます。
軸数
測定方向の観点から、加速度計には2種類あります。最も一般的な加速度計は、一方向の振動を測定します。このタイプは、設備や機械の機械的振動レベルを測定するためによく使用されます。2つ目のタイプは三軸加速度計です。この加速度計は、加速度の3次元表現を作成することができます。
重要度
加速度計の重量は、監視対象の構造物よりも大幅に軽くなければなりません。加速度計が取り付けられた対象物の質量が、センサーによって大幅に増加すると、振動特性に影響を与える可能性があります。これにより、測定データが不正確になる恐れがあります。一般に、加速度計の質量は対象物の重量の10％を超えてはなりません。あらゆる用途に対して、最適なソリューションが用意されています。
取り付け
適切な加速度計を選択する際のもう一つの考慮点は、センサーを表面にどのように取り付けるかです。取り付け方法には、以下の4つのタイプがあります：
- ハンドヘルド
- Magnetic
- 接着剤
- スクリューマウント
ネジ固定が断然最良の方法ですが、機械に穴を開ける必要があり、これは恒久的な設置が必要な場合にのみ行われます。あるいは、センサーを接着することも可能ですが、この方法ではネジ固定に比べて伝達特性が劣ります。
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。各取り付け方法は、何らかの形で加速度計に影響を与えます。一般的に、取り付けが「緩い」ほど、測定可能な周波数の上限は低くなります。磁気取り付けのように加速度計に質量を追加すると、共振周波数が低下し、加速度計の精度や使用可能な周波数範囲の限界に影響を与える可能性があります。
環境的要因
加速度計を選択する際には、最高動作温度、有害化学物質への曝露、湿度などの環境要因を考慮する必要があります。ほとんどの加速度計は、堅牢で信頼性の高い構造を備えているため、危険な環境でも使用可能です。さらなる保護のため、産業用加速度計はステンレス鋼で作ることができ、これにより耐腐食性および耐薬品性が向上します。
電荷式加速度計は、極端な温度環境に適している。これらの加速度計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ー素子と製造に使用される材料によってのみ制限される。 しかし、これらの加速度計には信号調整機能や信号増幅機能が内蔵されていないため、環境ノイズの影響を受けやすく、低ノイズのケーブルが必要となります。環境ノイズが過大な場合は、インライン信号変換器、または信号増幅器を内蔵したIEPEセンサーを使用する必要があります。
湿度に関する仕様は、加速度計のシール材の種類によって決まります。一般的なシール材には、ガラスやエポキシ樹脂が使用されます。これらのシールのほとんどは、高湿度環境や過度の湿気への長時間の曝露に耐えることができます。
費用
チャージモード型とIEPE型加速度計の価格は同等ですが、IEPE型加速度計は、特殊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型加速度計はメンテナンスが容易であるため、使い勝手が良いという利点もあります。
近接プローブ対加速度計
機械の振動を測定するために使用されるもう一つのセンサーは、 proximity プローブ、すなわち距離センサーである。加速度を測定して振動を検出する加速度計とは異なり、 proximity プローブは物体までの距離を測定する非接触型センサーである。これらのセンサーは、主に大型で重量のある回転機械のシャフト振動を測定するために使用される。蒸気タービンは、 proximity プローブを用いてシャフト振動を測定する代表的な機械の一つである。 測定の焦点は、主にジャーナルベアリング内のシャフトの振動にある。シャフトが配置されている油膜の減衰効果や、重量のあるケーシングのため、ハウジングの振動が著しく増加することなく、シャフトの振動が大幅に上昇することがある。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のが望ましい。多くの場合、両者を組み合わせて使用される。
