数字を超えて：VSPECT ®診断 を最大限に活用する

バイブレーティングワイヤー測定にVSPECT ^®テクノロジーを使用している場合、各測定の品質をどのように検証しますか?

VSPECT テクノロジーは、規定数値を考えるだけでなく、あらゆる測定の面においてある品質を理解するために設計されています。 バイブレーティングワイヤーセンサーの固有振動数を上回ることで、VSPECT は診断値を生成します。 これにより、データが確実で信頼性が高く、すぐに使用できる状態であるかどうかを確認できます。

Campbell Scientificが販売するすべてのバイブレーティングワイヤーインターフェースには、VSPECTテクノロジーが搭載されています。 さらに、バイブレーティングワイヤーアナライザー（VWAnalyzer）は、 測定ごとに明確で詳細なレポートを生成することができます。 しかし、真の疑問はあり、このテクノロジーから得られるすべての情報を得ていますか？

このブログ記事ではVSPECT の診断パラメータと設定について説明し、それらが何であるか、何をするか、そしてそれらを使用して可能な限り最も信頼性の高いデータを取得する方法を詳しく説明します。

スマート設定から始める

周波数スイープ

VSPECTは安心で300～6,500Hzの周波数範囲をカバーしており、これはほとんど最新のバイブレーティングワイヤーセンサーの動作範囲を網羅しています。これは一般的な用途には十分ですが、センサーの想定出力に合わせて掃引を調整することで、測定品質を向上させることができます。その理由は以下のとおりです。

• 目標励起-範囲を狭めると、必要な場所にのみエネルギーが集中し、信号強度が向上し、騒音が低減します。
• 信頼性の向上– 範囲を狭めると無関係な周波数がブロックされるため、表示されている信号がセンサーのものであり、他の何かからのものではないことがわかります。

しかし、ここでの「スイープ」とはどういう意味でしょうか？VSPECTにおけるスイープとは、ワイヤーを急激に引っ張るのではなく、周波数範囲全体にわたって緩やかに励起することを意味します。励起周波数を適切な範囲でスイープすることで、センサーは共振周波数付近で励起され、正確で再現性の高い測定値が得られます。

励起設定

VSPECT対応デバイスは柔軟性を考慮して設計されており、様々な設置条件に合わせて複数の励起レベルを提供します。

デフォルトでは、励起電圧は5ボルトに設定されています。これはほとんどのアプリケーションで問題なく機能し、信頼性の高い高品質の測定値を提供します。しかし、場合によっては、励起電圧を12ボルトに上げると顕著な違いが生じることがあります。なぜでしょうか？励起電圧が高いほどセンサーに送られるエネルギーが増加し、より強い信号を生成することができるためです。

数百メートル以上といった非常に長いケーブルを敷設する場合、より強い信号は特に有効です。このような状況では、余分なエネルギーがケーブル抵抗や減衰による信号損失を補い、データの正確性と信頼性を確保します。

より高い励起が意味を持つとき

励起を高めることは、次のようないくつかの状況で特に役に立ちます。

• ノイズの多い環境– 励起強度を上げると、返される信号の振幅が大きくなり、信号対雑音比 (SNR) が向上し、信号が背景の電気ノイズを上回るようになります。
• センサーの応答が弱い– センサーの応答が良好でない場合は、より強い励起を適用すると信号応答が強化され、より注意な戻り信号が生成され、より顕著な戻り信号が生成され、測定の信頼性が向上します。

低励起が意味をなす場合

逆に、高周波モニタリングには低励起が最適です。最新のVSPECT対応機器は処理能力が向上し、1秒に1回（1Hz）という高頻度でセンサーの読み取りが可能になりました。しかし、このような場合、次の読み取り開始時にセンサーが前回の励起による振動状態のままになっているのは望ましくありません。

この重複を防ぐため、新型デバイスでは励起レベルを2ボルトと低く設定できます。これにより、センサーは読み取りの間に十分な安定時間を確保でき、残留振動による干渉を回避し、より正確な結果が得られます。

VSPECT 対応デバイスは、設置ニーズに合わせて 3 つの励起レベルを提供します。

励起強度が高ければセンサーの寿命は短くなるのでしょうか？研究結果をご紹介します。

良いニュース: より高い励起レベル (推奨範囲内) を使用すると、バイブレーティングワイヤーセンサの寿命が短くなるという信頼できる証拠はありません。

実際のところ、強い励起がこれらのセンサーの早期摩耗、疲労、または故障を引き起こすことを示す研究は発表されていません。むしろその逆で、ノルウェー地質工学研究所（NGI）による長期研究では、25年以上にわたる継続的な励起の影響が調査されています（https://www.tib.eu/en/search/id/BLCP:CN071467090/A-case-study-of-vibrating-wire-sensors-that-have/）。その結果は？数十年使用した後でも、センサーワイヤーに測定可能な疲労や損傷は見られませんでした。

そのため、センサーがそれに対応できるように構築されていることを知っていれば必要に応じて自信を持ってより高い励起レベルを使用できます。

診断を理解する

測定された周波数は重要な結果ですが、追加の診断機能は信号の品質を評価する上で重要な役割を果たします。これらの診断機能は、報告された周波数が正確であるだけでなく、信頼できるものであることを確認するのに役立ちます。

測定を適格とするための追加診断を重要度順に示します。

#1 – SNR: 診断のMVP

これは最も重要な診断情報です。センサーのメイン信号と近傍の最も強いノイズの比率を示し、信号が干渉からどれだけ明確に区別されているかを示します。

• SNR > 3 → 良好な信号（通常）
• SNR > 10、100、または1,000 → クリーンな環境で優れた信号
• SNR ≈ 1～3 → 疑わしい。VWAnalyzerで検証してください。

SNR の向上は、多くの場合、周波数スイープを狭めたり、励起を強めたりすることで実現できます。

#2 – 周波数振幅

この値は、振動するワイヤーの応答の電気的強度、つまり信号強度を示します。

• > 0.1 mV → 一般的に許容可能な応答とみなされる
• < 0.01 mV → VSPECTはデフォルトで無視します

SNR の向上と同様に、センサー固有の励起に合わせてスイープ周波数を調整したり、励起振幅を大きくしたりすることで、センサーからの応答振幅を大きくすることができます。 

#3 – ノイズ周波数

ノイズ周波数とは、定義された掃引範囲内で2番目に強い信号を指します。これは主要な診断ではありませんが、ノイズ周波数を知ることは、そのエリアにおける潜在的な電気干渉源を特定する際に役立ちます。

• ノイズ周波数は読み取りごとに変化することがありますが、通常は問題にはなりません (SNR が低い場合のトラブルシューティングを行う場合を除く)。
• 何が起こっているかをより明確に把握するには、VWAnalyzer の周波数スペクトル グラフが、ノイズ源を見つけて視覚化するのに最適なツールです。

#4 – 減衰率

これは、センサーの信号が励起された後にどれだけ速く消えるか、言い換えれば、ワイヤーがどれだけ速く静止状態に戻るかを示します。

• 通常、良好な読み取り値を確認するために必須ではありませんが、時間の経過に伴う減衰率を監視することで、センサーの長期的な健全性に関する洞察が得られます。
• 同一のセンサーであっても、減衰率が変動するのは正常なことです。減衰が速かったり遅かったりしても、何か問題があるわけではなく、自然な変動の一部です。

追加測定: 温度

多くのバイブレーティングワイヤー センサーにはサーミスタが内蔵されており、歪みゲージ測定など、温度補正が必要な場合に特に便利です。

温度の測定方法は、使用するサーミスタの種類によって異なります。ほとんどのメーカーは3kΩのサーミスタを使用しています。これは、25℃（77°F）で3kΩの抵抗を持つことを意味します。

適切なサーミスタ モデルを選択した場合、または正しい変換係数を入力した場合、一部のデバイスではその抵抗を摂氏または華氏での温度の読み取り値に自動的に変換できます。

データの視覚化：多くのことを語るグラフ

VSPECTテクノロジーは、時間領域と周波数領域の両方を簡単に確認できるグラフプロットを作成し、センサーの応答をより明確に把握することを可能にします。CR6自動モニタリングプラットフォームまたはAVW200 2チャンネルバイブレーティングワイヤーアナライザモジュールを使用する場合、これらのプロットはDevice Configuration Utility（DevConfig）で表示できます。また、VWAnalyzerで測定を行った後、これらのプロットを画面上で即座に確認することもできます。

• 時系列プロット – 励起後の最初の300ミリ秒間の振幅（mV）を時間（秒）とともに表示します。波形の不規則性を特定したり、信号の一貫性を確認したり、測定間のパフォーマンスを比較したりするために使用できます。
• 周波数領域プロット – このグラフは、生の信号に高速フーリエ変換 (FFT) を適用した結果を示し、振幅と周波数の関係を散布図としてプロットしています。このグラフでは、主要な信号周波数だけでなく、周囲のノイズや競合信号も一目で確認できます。
  
  グラフの白い部分は、宣言されたスイープ周波数、つまり有効なセンサー応答が受け入れられる範囲を表しています。この範囲外の信号はすべて無視されます。
  
  下のグラフ 1 に示すように、クリーンな環境では、センサーは強力で明瞭なピークを生成します。対照的に、さらに下のグラフ 2 は、ノイズの多い信号 (前の時系列グラフと同じ) を示していますが、VSPECT により支配的な周波数は依然として検出されています。ただし、余分なノイズや高調波がより見やすくなったため、潜在的な干渉源を特定し、情報に基づいた判断を下して測定の信頼性を向上させるのに役立ちます。

下の2つの画像は、同じスポット溶接可能なバイブレーティングワイヤーひずみゲージから取得した測定値を、それぞれ異なるノイズ条件下で示しています。DevConfigのVW診断タブに表示されるこれらのプロットは、CR6によって作成された診断ファイルから生成されました。

例1

グラフ 1: クリーンな信号、高い信頼性
グラフをクリックすると、画像が大きく表示されます。

この最初の例では、掃引範囲内にノイズがほとんどない理想的な環境でセンサを測定しています。5,000Hz付近に小さなブリップが現れますが、VSPECTはこれをインテリジェントにフィルタリングします。真の信号は2,460Hzで明瞭に現れ、7.8mVの強い振幅と干渉がなく、優れたSNRを実現しています。時間領域プロットは、滑らかな繰り返し波形と緩やかな減衰を示しており、これは高品質の測定を示しています。

まとめ

• ノイズ:最小限
• 信号: 2,460 Hz、振幅7.8 mV
• SNR:非常に高い
• 考察：時間軸と周波数軸の両方のプロットから、クリーンで正確な信号であることが確認されました。信頼度：非常に高い

例2

グラフ 2: ノイズの多い信号ですが、読み取り値は良好です
。グラフをクリックすると、画像が大きく表示されます。

この2番目の例では、センサーははるかにノイズの多い環境で動作しています。機械共振や信号干渉により、掃引範囲内に高調波、つまり信号の多くの成分の1つによるエコーが現れることがあります。これらの存在により、時間領域表示で主要信号が不明瞭になり、真のセンサー応答の視覚的な識別が困難になります。しかし、センサーの特性に合わせて掃引範囲を狭めることで、VSPECTは4,500 Hzに強い信号が存在する場合でも、2,460 Hzの固有周波数を正しく識別します。識別された信号振幅はわずかに低いものの、SNRは3をはるかに上回っており、結果に十分な信頼性があります。このことは、測定値がより静かな環境での結果と非常によく一致していることからも明らかです。

まとめ

• ノイズ: 4,500 Hzで強いが、うまく除去されている
• 信号:正しい周波数がまだ識別されています。振幅は減少していますが安定しています。
• SNR: 3を少し上回る程度。まだ許容範囲内
• 洞察:ノイズがあるにもかかわらず、周波数領域のプロットにより信頼性の高い測定が確認されます。

最後に

VSPECTはただの数値ではなく、新しい確かな信頼性を提供します。診断ツールは、限界な環境下でもセンサーが正常に動作していることを確認するのに役立ちます。システムを導入する場合でも、古いセンサーを再利用する場合でも、VSPECTはバイブレーティングワイヤーセンサーからクリーンで信頼性の高いデータを取得するための強力なツールです。

セットアップの最適化についてご質問はございませんか? ご質問がございましたら、お気軽に弊社のアプリケーション エンジニアまたは営業チームまでお問い合わせください。

クレジット: Campbell Scientific, Inc. の Brent Randall がこの記事に投稿しました。