測定時のノイズについて

質問

こんにちは、熱電対を使用したときのノイズ除去方法を教えていただきたいです。

　20年程度前のマシニング(5m×5m×5m)程度のものをつかっております。
そのマシニングを使用して金属を切削したときの温度測定をしようと考えています。
しかし、いざ測定を始めるとステージ及び主軸回転をすることにより、ノイズ(周期的に2,3mV～200mV)が発生してしまい測定値(15?V程度)がかくれてしまいます。そのような測定時のノイズを消すまたは少なくする方法を知っている方に助言を頂きたいです。

　測定はマシニングの中に熱電対を置き、そこから1mほどの補償導電で測定器(オシロスコープ)までいれて測定しています(この銅線にノイズが乗っている疑いがあったのでアルミホイルで巻くなどしましたが効果はありませんでした)。
　また、主軸およびステージからグラウンドは取っていますので、グラウンドの本数を増やしてもあまり意味がありませんでした。空間を漂うノイズのようなものを拾ってしまいます。

　少し分かりにくい説明でしたが、2ヶ月ほど苦しんでおります。
良い助言があればお願いいたします。

すみません、書き方が悪かったようです。いくつか補足事項入れさせていただきます。
1)まず使用しているオシロスコープはLeCroy社製のデジタルオシロスコープ（WaveSurferXsのWS24Xs）です。

2)金属に付着させてK種や種の熱電ついでとるのではなく、削っている金属と熱電対との起電力で温度を取っています。ですので入力される信号は全て電流で出てきます。
　また測定の仕方として、2種類試しています。
一種類は1CH(起電力が高いほう)と2CH(起電力が低いほう)をつかってCH1-CH2という演算としてグランド(クリップのついているメスのほう)を共通にして測定する方法です(これで擬似的に差動動作になるということでした)。
もう一つは、1CHのみ使用してオスのほうに起電力が高いほう、クリップに起電力の低いほうとしてそくていしました。
私は、前者のほうの測定で正しいと考えていますが確証は持てていません。

3)計測系を探したところ
NR500　(http://www.keyence.co.jp/keisokuki/pcdirect/nr_500/index.jsp)
NR2000（http://www.keyence.co.jp/keisokuki/stand/nr_2000/index.jsp）
の2種類をみつけました。

回答No.4

noname#230359 · ベストアンサー

>2)金属に付着させてK種や種の熱電ついでとるのではなく、削っている金属と熱電対との起電力で温度を取っています。

やはりカッターの先端温度を測定するのですか？
反則技クラスの超想定外ですね

http://www.lecroy.com/japan/pdf/cata/wsxs-spec.pdf
この機種には平均値処理機能がありますね（Ｍｅａｎ）
どれくらいのレンジまで可能かは分りませんが
オシロの最大値まで平均個数を上げてみては？
（移動平均モードを選択してください）
憶測ですが１０ｍｓ程度の時間分解能がオシロの最大と思う

>温度はms単位で変化するものを追っていますので、一瞬しか出てきません。
この一瞬とは具体的に何ｍＳくらいでしょうか？

先に挙げた
http://www.fa.omron.co.jp/product/family/1906/index_r.html
はサンプリング周期は１００ｍｓ
それ以上の高速は取れません
ただ先の回答にもありますが温度計測でミリセカンド単位は異常なほどの超高速
何故このようなレコーダなら温度計測でノイズの影響を受けないかと言えば
単純に応答が遅いからノイズに追従できないだけです

>もし冷接点をとることでノイズが減るなら試してみようと思います。
冷接点はノイズ防止では有りません、冷接点は温度の補正です
絶対温度Ｋ＝熱接点温度＋冷接点温度
となります
一般的に冷接点温度は測定器の雰囲気温度になります
http://www.m-system.co.jp/mstoday/plan/mame/b_signal_con/9607/index.html

常識的には温度測定をオシロに入力するにはのような変換器を入れます
http://www.m-system.co.jp/mssjapanese/PDF/NS/M2/nsm2ts.pdf
ただ、これの応答速度は高速型でさえも２５ｍｓと遅い
（２５ｍｓ以下のパルス的温度変化は追従しない）

因みにレコーダとは温度変換器＋オシロ＋平均値処理でしょうか

補足

こんにちは、移動平均化機能の存在を知らなかったので調べてみました。
その中で、「ある個数の値を平均して傾向をつかむ」といった記述があり、私が行っている実験でこれをやると、どのような利点があるのかが疑問になってきました。これは計算をさせることによりノイズに追従させないことがもくてきなのでしょうか？
統計の本を読んだのでもしかしたら、オシロスコープとしての意味が違っているのかもしれません。もしよろしければ、平均化処理を行う理由と利点を教えていただきたいです。

＞この一瞬とは具体的に何ｍＳくらいでしょうか？
回答：0.01ms程度の時間しか工具と熱電対は接触していません。そのときに温度が発生して起電力が発生しています(計算上です)。

＞因みにレコーダとは温度変換器＋オシロ＋平均値処理でしょうか
他の回答にも記述しましたが、金属とクロメル線との起電力(校正は自前)でおこうなうので、発生する起電力を測定するしかないのが現状です。

回答No.10

noname#230359

根本的に温度の測定方法についての考え方が間違っているのではないですか？熱電対の測定側は，２本の金属が一般的に溶接してあります。今回の測定では,測定すべき部分の被切削材と熱電対の先端の接続はどうなっているのでしょうか？それから，熱電対の出力は直流電圧です。測定器は温度補償をした直流の電圧計であるべきです。オシロスコープは交流波形を測定する機器だと思っています。しかも，電流で測定するように書いてありますが,電圧で出力されるという熱電対の測定原理を知らないというほかありません。熱電対の得意分野は，静止状態での測定だと思います。変化が早い場合には熱電対を極力細くして熱容量を下げてやらなければなりません。高速移動する物を測定できるものではないと思います。この場合の測定器は非接触の輻射温度計ではないでしょうか？測定したい部分は，チップですか？それとも被切削材ですか？輻射温度計でしたらどちらも測定できると思います。輻射温度計，放射温度計などで検索すればメーカーが分かります。そこに相談してみてください。

補足

＞根本的に温度の測定方法についての考え方が間違っているのではないですか？
今やっている方法で出力が得られているのは確認しております。
ですので下にも書きましたように、測定方法の問題だと思います。

＞オシロスコープは交流波形を測定する機器だと思っています。
この点は私も問題視しておりましたので、販売会社に聞いたところ測定できるとのお答えを頂きました。

＞この場合の測定器は非接触の輻射温度計ではないでしょうか？
これに関しては、輻射温度計が一本ありますが温度域の関係で使用することが出来ません。また工具にも問題があり、使用は出来ないことを確認しております。

多くの意見ありがとうございます。

回答No.9

noname#230359

回転する工具に熱電対を接触して起電力を測定しようとしてる？
熱起電力を発生出来るほどの接触が維持出来るかどうか疑問ですが一応ここでは置いて信号処理について考えてみるとデジタルオシロスコープだけでの処理は荷が重いような気がします。少なくとも冷接点を保障出来るアンプで受けて回転主軸が一定なのですからロックインアンプを通せば確実にノイズが消せます。CH1-CH2という演算は一応そうゆうことも出来ますよってことで、やはり専用の作動入力アンプを用意したほうがよいです。
以上思いつくままに書きましたけど質問者は企業の研究部門あるいは大学でしょうか？それによって用意出来る機材が違いますよね。
そもそも工学としての計測をもう少し勉強されたほうがよいかと。

補足

回答ありがとうございます。
発生することは確認しておりますので、後はどのように測定するかにかかっていると考えています。
またアンプははさみたいのはやまやまなのですが、正直なところ予算があまり無く購入できない状態になっております。

＞そもそも工学としての計測をもう少し勉強されたほうがよいかと。
はい、これは最もの事だとおもいます。
いままでやってこなかったツケがまわってきているので、今勉強させていただいてるところです。
未熟ではございますがよろしくお願いいたします。

回答No.8

noname#230359

恐ろしく難しい計測ですね。
視点を変えて、高速の温度測定が出来るものを捜して見ました。
参考になるかどうか・・・
0.1Kの温度変化をマイクロ秒単位で計測できるようです。
また、この会社では『熱画像計測』なんていうこともやっているようですので相談されるのも手かなと思います。

参考URL：

http://www.nobby-tech.co.jp/product/n01.html

補足

すごいものもあるのですね。
値段が分かりませんがすこし調べてみます

回答No.7

noname#230359

毎度ＪＯです。
>>0.01ms程度の時間しか工具と熱電対は接触していません
この接触中の信号は「単発」的な信号ですか？　あるいは次々と信号がやって来るのでしょうか？？
0.01msの信号は100kHzとなりノイズ成分と見分けができません、

今観測できている信号が、ノイズなのか観測すべき信号なのかを判断する必要があると思われます、
仮に全ての信号が、断続的に来る観測すべき信号のみであれば、フィルタなどにより処理できるかもしれません。

補足

こんんちは、回答ありがとうございます。
＞接触中の信号は「単発」的な信号ですか？
回答：信号は約0.4m/s程度の間出力されつずけて、後に10m/sていどの時間を空けて出力されます(これが測定に関して妥協できる最低条件です）。
信号は約10回程度出力されます。

出力されているノイズの周波数は約60kHzのものと2MHzのものが大きく見受けられました。またそのほかにもノイズのようなものが載っていますが、種類の判別が難しいです。

また主軸が回転したときのノイズが、主軸(回転していない状態)を測定したときの信号と同じなので、主軸が回転することによりその強さが強くなり、測定する線に乗ってくると思われます。

回答No.6

noname#230359

>回答：0.01ms程度の時間しか工具と熱電対は接触していません。そのときに温度が発生して起電力が発生しています(計算上です)。
冗談でしょと言うしかないほどの超高速温度計測になります
一般工業用の温度計測としては５００ｍｓでも高速の部類になりますから

ただlecroyのオシロを選んだのは間違いでは無いでしょうね
恐らく同等以上の性能のデジタルオシロでしか測定は難しいと思う

lecroyに↓と同様な機能が有れば良いのですが
http://www.yokogawa.co.jp/tm/Bu/DL1600/dl1600_1.htm
このページの一番下
「見たいのはノイズではなく埋もれた信号、リアルタイムディジタルフィルタ 」
一般的に平均処理すると同様な効果が得られますが信号は”なまり”ます
横河のデジタルフィルタとは信号をなまらせる事なくノイズを消す機能です
http://www.lecroy.com/japan/products/scopes/wsxs/03.asp
lecroyにも同様な機能が有りそうで見当たりません

計測用のローパスフィルタは有りますが、最適な選定は難しい
http://www.iti.iwatsu.co.jp/products/pspl/lowpass.html
http://www.toyo.co.jp/audio/precision/preci05_5.html

補足

回答ありがとうございます。
やはりノイズ対策と応答性を考えたものを用意しないといけないようですね。もしかしたら光測定用のオシロスコープを用意しないといけないかもしれませんね。

沢山に事を調べていただきありがとうございます。

回答No.5

noname#230359

すみません。内容がよく掴めません。いくつか疑問があるのですが、教えてください。

>2)金属に付着させてK種や種の熱電ついでとるのではなく、削っている金属と熱電対との起電力で温度を取っています。
ということは、オシロで観察しようとしている電気信号は、
「切削中の金属」　と　「熱電対(通常2本の金属の線)の2本をまとめて1本にした電線」で、
これら2つの金属を熱電対にみたてて、温度を測定ということでしょうか?
もしそうであるならば、校正表も独自で測定/作成されたということでしょうか?

>ですので入力される信号は全て電流で出てきます。
電流信号を、そのままオシロスコープの入力につなぐというのは、あまり聞かないのですが、
その方法で　すでに温度測定の実績があるということでしょうか?

>一種類は1CH(起電力が高いほう)と2CH(起電力が低いほう)をつかってCH1-CH2という演算として
>グランド(クリップのついているメスのほう)を共通にして測定する方法です
>(これで擬似的に差動動作になるということでした)。
確かに、その方法はオシロの機能として正しい使い方だと思いますが、
(起電力が高いほう)と(起電力が低いほう)の差を取ると、どのようなデータが得られるのでしょうか。

一般に温度測定は、センサそのものの熱容量が時定数となり、
msオーダーでは完全応答しないと思います。対象物とセンサをもっと長い時間熱結合する必要があると思います。

測定方法について、もう少し吟味、検討された方がよいかと思います。
ひとまずは、ロガーなど温度測定出来る機器でトライされるのが、
近道かもしれません。

「ご参考」
以前、熱電対箔というのを聞きました。箔だけあって、応答性が良く、
エンジンの爆発によるシリンダー内部の温度上昇までも取れる?、
と聞いたことがあります。今から30年も前の話です。間違っていたら、すみません。

ご回答ありがとうございました。

>よって削っている金属とクロメル線との起電力を測定する形です。
>校正表につきましては、独自に校正を行っております。
　　なるほど、校正表まで取られているのですね。
　　しかしながら、相手部材が変わるたびに校正値を取るのも面倒かと思われます。
　　やはり、温度計測は温度用の熱電対の方に軍配が上がると思います。

>1ms程度のグラフもきちんと取れているのですが、
>その実験とは使っている機器(測定用のオシロスコープ)が違います。
　　通常のオシロですと、冷接点をもっていないのではないかと思います。
　　冷接点がないと、夏場と冬場で測定値が違ってきますし、
　　絶対確度がないので、本筋ではないような気がします。

　　また、1msのグラフが取れているとのことですが、
　　通常の温度変換器(含むロガー)の出力は、とても遅いフィルタが
　　かけてあるので、この出力を1ms毎に測ったとしても、
　　それは電圧値を1ms毎に得た、ということであり、
　　真の温度を1ms毎に測定したのとは異なるような気がします。

>熱電対箔につきましては、ネットで検索しても出てこなかったので
　　この件ですが、今ネットでザクッと検索したら出てきました。
　　以下のページなどが参考になると思います。
　　このページに記載のアンプ出力をオシロで観測すれば、
　　高速変化も信頼性のある数値になるかもしれません。
　　ご参考にされてください。
http://www.anbesmt.co.jp/tctest.html
http://www.ishikawa-sangyo.co.jp/products/thermocouples/probes/0001.html

補足

こんにちは、不明瞭な点があり失礼しました。
＞「切削中の金属」　と　「熱電対(通常2本の金属の線)の2本をまとめて1本にした電線」で、
これら2つの金属を熱電対にみたてて、温度を測定ということでしょうか?
回答：これに関しては、切削中の金属と熱電対に使われるクロメル線とで一つの熱電対の形をとっております。よって削っている金属とクロメル線との起電力を測定する形です。
校正表につきましては、独自に校正を行っております。

＞電流信号を、そのままオシロスコープの入力につなぐというのは、あまり聞かないのですが、
その方法で　すでに温度測定の実績があるということでしょうか?
回答：はい、実績はあります。1ms程度のグラフもきちんと取れているのですが、その実験とは使っている機器(測定用のオシロスコープ)が違います。

＞確かに、その方法はオシロの機能として正しい使い方だと思いますが、
(起電力が高いほう)と(起電力が低いほう)の差を取ると、どのようなデータが得られるのでしょうか。
回答：これについては、正直良く分かっていないのが現状です。
オシロスコープの会社に技術的なことで問い合わせると、このような方法もあると紹介されたので試してみたのです。なのでまだどのようなデータが取れるかは検証中です。

やはりデータロガーが必要になりそうですね。今周りに無いか探しているところです。
熱電対箔につきましては、ネットで検索しても出てこなかったのでもう少し人伝いに探してみることにします。

回答No.3

noname#230359

最大の問題はオシロスコープとは実際には何か？です
恐らく温度測定用データロガーでは無くて
http://www.fa.omron.co.jp/product/family/1906/index_p.html
http://www.keyence.co.jp/keisokuki/stand/nr_1000/index.jsp
http://www.yokogawa.co.jp/ns/daq/mobilecorder/mv/ns-mv-01-ja.htm

所謂普通のオシロスコープしかもアナログだったりして
http://www.iti.iwatsu.co.jp/products/ss/index.html
アナログオシロでは打つ手はほとんどありません　
（シールド云々の対策は時間とお金の無駄に過ぎません）

デジタルオシロ
http://www.home.agilent.com/JPjpn/nav/-536902447.0/pc.html
http://www.yokogawa.co.jp/tm/Bu/index-wave.htm

憶測ですが熱電対の線をアナログオシロに直接入力してるのではないでしょうか？
そのオシロには冷接点補償機能はありますか？
http://www.m-system.co.jp/mstoday/plan/mame/2004-2005/0404/index.html
恐らく無いと思います

何故なら冷接点補償機能付きで温度測定直接入力可能な機種であれば
既にノイズ消去機構は最初から組み込まれていてよほど強大なノイズ
でなければ考慮する必要など無いからです
一番上に挙げたオムロンやキーエンスのデータロガーでは
通常の工作機械のサーボから発生するノイズは対策済みです
それ以外のメーカの温度記録用データロガーは必ずしもFA環境で使えるよう
には出来ていない可能性はあります
それでも測定値平均の数を上げるだけでノイズのほとんどは消去できます

同様にデジタルオシロの高級機になら平均値処理機能がありますので
それでノイズの多くは消せます

平均値処理すると当然の如く応答は遅くなりますが通常の温度計測では
問題にはならないはずです
何故なら温度の変動がｍｓ単位で変動することはほどんどあり得ないから
まさかバイトのチップ先の温度を測定するのじゃあないですよね

補足

こんにちは、回答ありがとうございます。
オシロスコープはLeCroy社製のデジタルオシロスコープ（WaveSurferXsのWS24Xs）をしようしています。

測定は、熱電対を直接プローブで入力しています。なので冷接点などはとっていません。
もし冷接点をとることでノイズが減るなら試してみようと思います。

温度はms単位で変化するものを追っていますので、一瞬しか出てきません。
またそれに近い値が前後で数回出る程度です。

オムロンやキーエンスのデータロガーだと、どの程度のノイズ対策が出来るのでしょうか？

回答No.2

noname#230359

温度測定の測定器として、オシロスコープを使用する理由は何でしょうか?
一般的に、熱電対で温度測定するには、熱電対入力を前提とした温度測定器や
ロガーを使用します。
温度変化の傾向を時間的に見たいのであれば、温度→電圧値の出力を持った、
温度測定器を使用し、オシロで観測するのが一般的です。

どうしてもオシロスコープで、ということなら、
冷接点補償回路と差動増幅を使用して、同相ノイズを取らないで済む方法で
測定します。これらの回路が一式入ったのが、前出の
熱電対入力を前提とした温度測定器やロガーです。

ご参考まで

補足

回答ありがとうございます。
オシロスコープ(デジタルオシロ)で行う理由として、データロガーが手に入らないといった理由があります。

冷接点を取ると、ノイズは関係なくなるのでしょうか？
今は冷接点を取らずに、直接入力でやっているます。
また差動増幅回路ということですが、これは通常の電圧を増幅するアンプと考えてよろしいのでしょうか？

回答No.1

noname#230359

毎度ＪＯです。
ノイズ対策についてですが、測定温度範囲が常温に近い物でしたら熱電対以外の選択はありませんか？
他の測定方法であれば、対ノイズに強い物もありかも知れません、

オシロスコープで観測されているようですが、ノイズ成分の周波数特性などは判りませんか？　
１）交流電源の誘導を拾っている、
２）主軸のインバータの出力（1kHz～10KHz程度）
３）サーボなどからのノイズ？
何れにしても、ノイズの正体が分からなければ対策のしようもありません、

補足

回答ありがとうございます。

ノイズの周波数特性ということなのですが、

1)60kHz程度の電源から来ていると思われるもの
2)11kHz程度のノイズ

があります。
　1は電源周りから来ていると考えていますが、2は何から来ているのか不明です。
またノイズの大半は正弦波のような形のものが多く(表現が少し曖昧)、それに、また主軸回転しだすとそれに定期的なノイズが載ります。

曖昧ですのでもう一度測定してみて、報告したいと思います。