計測値のノイズ

常に変化する圧力変動(20Pa程度)を時系列(0.2s単位)で計測しています．このとき，計測値は電流値(4-20mA)として出力されますが，電流値の生値(瞬時値)には(過渡的な)ノイズが含まれているのでしょうか？
測定器には，移動平均やダンピング係数（減衰係数）やローパスフィルターが設定できるようになっています．しかし，ある程度時間をおけば真値になるとしても，過渡的な状況で計測しているので，設定すべきか悩んでいます．
測定の目的は，制御性能の評価であり，振れ幅が設定値±○の範囲に入っていることを確認しているのですが，ノイズが含まれていることが理屈上言えるのであれば，移動平均○秒を行った上で評価することも妥当だと考えております．
圧力変動は，薄いシリコン膜の前後に圧力がかかることで，シリコンに設置されているコイルがゆがみ？電流値として検知できる仕組みの様です．
電気回路の知識が乏しいのですが，24V(AC)電源でフルスケール-100～100Paが4-20mAの出力に割り当てられているような計器の場合，計測対象の圧力が5Pa程度変化した場合，○Pa(または, ○mA)程度の過渡的なノイズが　○秒間発生するので，○秒程度の移動平均(,またはローパスフィルター)を入れることは妥当だといえる計算方法などありましたらお願します．

No.6 ベストアンサー 回答者： sat000 回答日時： 2011/11/26 18:48

サンプリング周波数が1/0.2 = 5 Hzなので、正弦波なら2.5 Hzまで計測できます。

正弦波では無い場合は、さらに1/1.1程度とされるので、2.2 Hz前後までなら計測できます。
それ以上高い周波数成分はローパスでカットしないとエリアジングによって嘘の信号になります。
これが1点。
それ以外には、ダイアフラムがレスポンス時間もあります。
どれくらいでレスポンスするかはメーカーに問い合わせてください。
レスポンス時間よりも短い時間幅の信号は全てノイズと考えて差し支えないと思います。
もちろん、回路のノイズもあり得ますが、これは最小分解能程度になるようになっているはずです(まともな製品なら)。
大抵はヘッドとコントローラをケーブルでつなぐと思いますので、そのケーブルでノイズを拾う可能性もあります。
一番可能性があるのはハムノイズ(50Hz/60Hz)です。
エリアジングによって変な信号になりますので、絶対にカットする必要があります。
ゲージのレスポンス周波数とサンプリング周波数で決まる約2..2 Hzのどちらか低い方の周波数から急峻にカットするローパスが必要でしょう。
減衰率は-18 dB/oct～-24 dB/octくらいは必要じゃないかと思います。
3次か4次のチェビシェフとかですかね。
オフセットは即、嘘の信号になりますが、これは較正しないと取れません。
較正はメーカーに出すことになります。
ざっとですが、これくらいは考慮に入れておくべき対象かなと。

この回答へのお礼

役に立ちました有難うございます．
・正弦波では無い場合は、さらに1/1.1程度とされるので、
・ダイアフラムがレスポンス時間もあります。
・レスポンス時間よりも短い時間幅の信号は全てノイズと考えて差し支えない
・回路のノイズ ハムノイズ(50Hz/60Hz)
・オフセットは較正しないと

お礼日時：2011/11/28 09:20

No.7 回答者： lumiheart 回答日時： 2011/11/26 21:55

ANo.4です

>実働の状態で計測しているので，現状のデータでは対象がどのように変化しているかが
>分かりません．

>測定結果が基準値内に収まらず，制御系に対する変動要因の技術的な対策が尽きたため


これってもしかして圧力センサでフィードバックして圧力制御してるのでしょうか？
所謂、電空変換器とか電空レギュレータとか？
http://www.smcworld.com/2008/webcatalog/docs/frl …
http://www.yokogawa.co.jp/fld/valve/fld-pk200-01 …
それの圧力制御の変動幅が大きいと言う意味でしょうか？

そもそも使用流体は何？気体？液体？蒸気？
流速及び流量はどれくらい？
温度は何度？

憶測ですがノイズの問題ではなさそう
単純に制御パラメータが合っていないのでハンチングしてるだけとかじゃあ？

普通の圧力センサで
>5Paの変動が生じたときに，
>6Paの変動(過剰応答)として検出されているのではというものです
　これは無い
６Ｐａに上がってからそのまま放置したら５Ｐａに下がるのでしょうか？
（もちろん制御しない状態で）

そもそも真値は５Ｐａであるとどうやって確認したのでしょう？
別の圧力計との比較？　＜憶測ですがしてないですね


圧力制御していてハンチング状態になるなら
５Ｐａを通り越して６Ｐａ以上になっても不思議ではない
その後、一定の収束時間後に５Ｐａに落ち着く

これは制御のハンチングであってノイズとは呼ばない


ハンチングを抑える手段としてはセンサ入力移動平均は有効です
但し、制御の応答性は悪くなる　

入力応答速度が下がったらそれに合わせて出力側の応答速度も下げる必要が有ります
さもないと更にハンチングがひどくなる

この回答へのお礼

色々と有難うございました．
「これは無い」→ステップ応答を確認し，ご指摘の通りこれではなかったです．
「単純に制御パラメータが合っていないのでハンチング」
→制御を止めたりして，ハンチングしないようにパラメータ調整しました．
　数分に一度，範囲からの逸脱が起きています．
「圧力制御の変動幅が大きい・・・」
→やはり制御側での解決が必要なことと，見直す項目のヒントになりました．
　制御の問題であり，当初の質問からずれるので，この質問は打ち切ります．
　
　

お礼日時：2011/11/28 09:28

No.5 回答者： KEN_2 回答日時： 2011/11/25 14:07

ANo.2 です。

『オフセットがあれば、移動平均を設定します』
オフセットつまり圧力センサーに「0Pa」の圧力の印加されていない時のゼロ点調整です。
オフセット調整が取れていないと、測定値に下駄を履く結果が得られ測定誤差になります。

＞なぜ，移動平均がオフセット対策になるのかが分かりません．
　失礼しました。「移動平均」は別の目的の機能のようですね。
オフセット調整つまりゼロ点調整を意図しています。
＊圧力センサ－と計測器の仕様のURLを紹介いただけると、具体的に回答できますが・・・

＞フルスケール-100～100Paが4-20mAの出力に割り当てられている
　これより「0Pa」の時「12mA」の出力に割り当てられていると考えられますので「12mA」のオフセット調整を実施ください。

質問の背景に『5Paの変動が生じたときに，6Paの変動』として検出されているのですね。
　測定誤差として、
１．圧力センサーの直線性誤差・・・±１００Ｐａの±１％なら精度内
２．オフセット調整の誤差・・・＋１Ｐａなら誤差内
３．過渡応答の過渡時計測・・・波形観測して調査し設定を検討する
４．その他ドリフト・計測器ノイズなど
＊いずれの問題であっても原因調査にはオシロスコープで波形観測が必要です。

ダンピング係数（減衰係数）やローパスフィルターの設定は、先にも記載しました様に計測器の出力波形の観測結果で判断します。
　過渡応答のオーバーシュート・アンダーシュートの波形整形を行います。
ローパスフィルターの設定は、カットオフ周波数が分からなければ時定数(RC)の応答特性などで-3dB減衰周波数をカットオフ周波数と定義しているのであって、時定数(RC)でカットオフ周波数が定まるので機会があれば時定数との関係を調べてみてください。
　

この回答へのお礼

「いずれの問題であっても原因調査にはオシロスコープで波形観測が必要です」
了解しました．有難うございます

お礼日時：2011/11/25 15:02

No.4 回答者： lumiheart 回答日時： 2011/11/24 23:03

本件のノイズの定義は何？

１、計測装置以外の例えば付近にある他のモータやインバータからの電気的高周波ノイズ
　　（普通は無条件にノイズと言えばこちらを指すと思う）

２、圧力配管中に存在する圧力サージ
　　（電気的ノイズではなくてバルブ開閉時に発生する圧力波、ウォータハンマ等）

３、計測器自身が発生するノイズ
　　（ノイズと言うより計測誤差と言うべきか）


「計測しています」なので既に計測したのですよね
測定結果に納得がいかないのでしょうか？

例えば
１０秒間で０Ｐａ～１００Ｐａまで直線的に圧力を上げたハズなのに
測定結果は直線になっていないとか？

電気的ノイズと圧力サージの判別は記録計の波形からだけでは判別は難しい
ただ、圧力サージの場合は多くの場合では音が出る（ビビビ．．．とか）

他のモータ等から出る電気的ノイズは他のモータをＯＮ／ＯＦＦすれば
それに合わせてノイズも変動する

自分のポンプから電気的ノイズと圧力サージと両方同時に出てると
ちょっと困るかも？


＞計測対象の圧力が5Pa程度変化した場合，○Pa(または, ○mA)程度の過渡的なノイズが　○秒間発生するので
この文から推測すると
５Ｐａ瞬時に上げて計測したら
測定結果は
http://www.m-system.co.jp/mstoday/plan/mame/b_co …
一次遅れ時定数を持っていた　＜質問者はこれをノイズと呼んでるとも憶測できる

この回答への補足

説明を聞いて，こちらの問題点が整理できそうです．
(過渡的)ノイズと呼んでいるものは，5Paの変動が生じたときに，
6Paの変動(過剰応答)として検出されているのではというものです．
実際は，ステップ応答で確認して確かめるべきだと分かりました．
実働の状態で計測しているので，現状のデータでは対象がどのように変化しているかが
分かりません．

補足日時：2011/11/25 12:10

この回答へのお礼

>測定結果に納得がいかないのでしょうか？
測定結果が基準値内に収まらず，制御系に対する変動要因の技術的な対策が尽きたため，
　測定側に何らかの要因があれば，フィルタを使うことが妥当だと説明したいというところです．

>３、計測器自身が発生するノイズ
>　　（ノイズと言うより計測誤差と言うべきか）
　これです．

有難うございました．

お礼日時：2011/11/25 15:28

No.3 回答者： gn_drive 回答日時： 2011/11/24 22:43

先ず、ローパスフィルタが１次のものであれば、カットオフ周波数を-3dB減衰を承知で5Hz(=1/0.2)で設定し、その周波数成分をみてみたらどうでしょう？

サンプリング定理上、2.5Hz以上の周波数成分は意味のないものですので、その周波数帯が抑圧されているか確認したらどうでしょう。

過減衰しているようでしたら、カットオフ周波数を下げ、減衰不足ならカットオフ周波数を上げてみたらどうでしょう。

この回答への補足

計測原理編 その３　http://www.eonet.ne.jp/%CB%9Chidarite/me2/keisok …
によると
最大利得より３dB（1/√2）減少する周波数を遮断周波数と呼び,
遮断周波数ｆ= 1/(2πτ)　τ：時定数
となっていました．有難うございました．

補足日時：2011/11/25 15:16

この回答へのお礼

やってみます．ローパスフィルタは時定数で設定するようになっていますが，カットオフ周波数との関係が分かりません．調べてみます．

お礼日時：2011/11/25 12:34

No.2 回答者： KEN_2 回答日時： 2011/11/24 21:27

制御した結果の挙動があり一定時間後に定常値に落ち着くならば、最大の過渡応答後に定常状態でのサンプリングして読み込むのが普通です。

　圧力変動を加えたイベントの基点が把握できるのであれば上記手法が取れますが、『時系列(0.2s単位)で計測しています』であれば測定器側でフィルターを設定する必要があります。

＞測定器には，移動平均やダンピング係数（減衰係数）やローパスフィルターが設定できるようになっています．
　この機能で過渡応答はダンピング係数で調整し、『計測対象の圧力が5Pa程度変化した場合』の処理はローパスフィルターの設定で除去の設定を実施します。
オフセットがあれば、移動平均を設定します。

＞計測対象の圧力が5Pa程度変化した場合，○Pa(または, ○mA)程度の過渡的なノイズが　○秒間発生するので，○秒程度の移動平均(,またはローパスフィルター)を入れることは妥当だといえる計算方法などありましたらお願します．
　現在の計測対象の信号成分の分析を実施して、過渡応答成分の周波数成分からダンピング係数・ローパスフィルターの設定を実施して最終的にはオシロスコープで波形観測して微調整します。
　単純な過渡応答とノイズ成分であれば、計算値で目安は設定できますが実際の挙動波形は複雑で、最終的には波形観測で調整するのが実用的です。
　

この回答へのお礼

対策が具体的にできそうです．ただ，「オフセットがあれば、移動平均を設定します」なぜ，移動平均がオフセット対策になるのかが分かりません．

お礼日時：2011/11/25 12:32

No.1 回答者： misawajp 回答日時： 2011/11/24 20:18

質問者の意図がわかりませんが

0.2sでのサンプリングならば、周期0.4s以下の変動はすべてノイズです

センサ部で0.4s以下の変動が無いようにする必要があります
次善の策はサンプリングより前段で0.4ｓ以下の変動が無いようにすることです

この回答へのお礼

有難うございました．

お礼日時：2011/11/25 12:01