チャージアンプを理解する
A チャージアンプ ピコクーロン(pC)単位で測定されるチャージモードの微小で高インピーダンスの電荷出力を変換する電子信号調整デバイスである。 圧電加速度計 を、ケーブル配線や測定器での処理に適した低インピーダンス電圧に変換する。これは要するに、精密な電荷-電圧変換器と増幅器であり、チャージモード・センシングを実用的なものにする要素である。チャージモード・センサには電子回路が内蔵されていないため、極端な温度や過酷な環境下でも使用できる。 IEPE加速度計 は単純に故障してしまう。
チャージアンプは、日常的な産業用モニタリングでは、かつてほど一般的ではなくなりました。自己完結型のIEPEセンサーは、ほとんどすべての場所でチャージアンプに取って代わられましたが、およそ175 °C以上、核放射線フィールド、および特定の本質安全防爆設備など、センサーエレクトロニクスが耐えられない場所では、依然として不可欠です。そのため、チャージアンプがどのように動作するかを理解することは、高温環境下でのセンサーの動作にとって重要である。 振動 モニタリングや、古い測定システムを稼働させ続けるためのものである。
1.動作原理
充電電圧変換
圧電結晶は電荷を発生させる Q に比例する。 加速度 と感じる。その電荷は特殊な低ノイズ・ケーブルを伝ってアンプに入り、オペアンプがそれをフィードバック・コンデンサーに積分する。出力電圧は単純に
V = Q / Cフィードバック
ケーブルではなくフィードバック・コンデンサーがゲインを設定するため、その結果、クリーンで低インピーダンスの電圧（通常、フルスケールで最大±10V）が得られ、忠実度を失うことなく長いケーブルを駆動することができる。
主な回路の特徴
- 非常に高い入力インピーダンス (10以上12 Ω）なので、貴重な電荷が測定される前に漏れてしまうことはない。
- フィードバック・コンデンサー はゲインを定義し、したがってシステム 感度.
- フィードバック抵抗 低域のロールオフ（ハイパスコーナー）を設定する。
- 低ノイズ設計、これは、入力信号が非常に弱いため、非常に重要である。
- 複数のゲイン設定 そのため、1台のアンプで異なる感度のセンサーに対応できる。
2.チャージ・モード・システムを選ぶ理由
チャージアンプという余分なハードウェアを受け入れる理由は、それが供給するセンサーの能力にある：
- 極端な温度： チャージモード・センサは650°Cまで、中には1000°Cまで動作するものもある。半導体が内部にないため加熱に強く、排気システム、炉、キルン、エンジンテスト作業には不可欠である。一方、IEPEセンサーは175°C付近が上限となる。
- 耐放射線性： センサーヘッドにアクティブな電子回路を持たないチャージモードデバイスは、IEPE電子回路が破壊されるような核環境に適している。
- ケーブルの互換性： ゲインはケーブルではなくフィードバック・コンデンサーに依存するため、再校正することなく、制限内でケーブルの長さを変えることができる。設置時に便利な柔軟性である。
3.デメリットと現実的な課題
これらの利点には実際のコストが伴うため、チャージモードは現在では専門家向けの選択肢となっている。
- システムの複雑さ： 外付けアンプを別に用意すると、コストと嵩が増し、故障箇所が増えるだけでなく、セットアップもプラグアンドプレイのIEPEチェーンより手間がかかる。
- ケーブルが必要： このシステムには特殊な低ノイズケーブルが必要である。なぜなら、通常のケーブルの動きはフィードバック・コンデンサーを通じてスプリアス電荷を発生させるからだ。 摩擦電気効果ケーブルの屈曲を止めるためにクランプで固定する必要があり、標準的な同軸ケーブルよりコストが高く、一般的に100m程度が限度である。
- 湿気に弱い： この設計が依存している非常に高いインピーダンスは、絶縁抵抗の低下にも弱い。水分の浸入は信号のドリフトやノイズの原因となるため、優れたシーリングとケーブルのコンディションが不可欠である。
4.チャージ・モードを使うとき、使わないとき
本当に必要なこと
- 高温： 175°C以上——排気システム、炉、キルン、エンジン試験。
- 核環境： センサーの電子機器が許容できる放射線レベルを超えている。.
- 爆発性雰囲気： ヘッドにアクティブな電子回路を持たない本質安全防爆仕様のセンサー。
- 研究： チャージモード特性に依存する特殊なテスト。
避けた方がよい
- 標準的な産業 状態監視 ― 代わりにIEPEを使用する。
- 電気的ノイズの多い工場内を長いケーブルが走る場合。
- チャージアンプは高価なので、予算が限られたプロジェクト。
- 複雑さの増加が正当化されない、日常的なルートベースの作業。
5.機能、セットアップ、キャリブレーション
一般的なチャージアンプは調整可能である。 ゲイン/感度 ― 一般的に0.1～1000 mV/pCの範囲であり、使用中のセンサーに合わせて校正されていれば、同じユニットで多くのセンサーに対応できる ― さらに 周波数応答制御 調整可能なハイパス・コーナー（多くの場合、0.1～10 Hz）、ローパス アンチエイリアシングフィルター, また、内蔵されていることもある。 統合 または 微分 速度や変位を出力するために使用します。その低インピーダンス出力は長いケーブル（通常±10 V）を駆動でき、複数の機器に信号を供給することができます。
設定は明確な手順に従う。まずセンサーを適切な低ノイズケーブルで接続し、センサーの電荷感度に合わせてゲインを設定し、アプリケーションに応じてハイパスおよびローパスのコーナーを設定し、出力をアナライザーにルーティングし、最後に既知の加振を用いてチェーン全体をエンドツーエンドで検証する。この検証は通常、加振台、携帯型キャリブレーター、または基準センサーとの比較（感度と周波数応答の両方を確認）によって行われる。新しい 校正証明書 を発行することで、このステップの後も測定のトレーサビリティが維持される。これは、信頼できる 較正 キャリブレーション体制を支える、まさにその規律である。
6.現代のトレンドとチャージアンプの位置づけ
使用は減少傾向にあります。IEPE は、より簡単で安価、導入しやすいため、大半の用途でチャージモードに取って代わっており、施設によってはチャージモードシステムを積極的に廃止しつつあります。それでも、高温のガスタービンやエンジンの監視、原子力発電所、研究所、チャージモード特性を活かす精密測定、既設設備の保守といった一部の重要用途は残っています。ほとんどの現場作業で実用的な代替手段は、内蔵電子回路付きの自己完結型センサー、つまり IEPE または MEMS 加速度計をポータブル計測器に接続する方式です。たとえば、 バランセット-1A、たとえば 2 個のアナログ MEMS 加速度計が付属しており、エンジニアはそれらを使用して 振幅と位相 のバランスを取る。 ローター は、チャージアンプのフロントエンドなしで、自身のベアリング内で動作する。チャージアンプは複雑で高価だが、通常のエレクトロニクスでは対応できない場所までセンサーを届けられる唯一の手段である。
