製品と技術 Paroscientific製 Digiquartz®
デジクオーツ圧力計測装置Paroscientific製 Digiquartz®
最高品質で優れた性能を持つトランスデューサーが誕生
パロサイエンティフィック社は、高精度な圧力計測の分野でリーダー的存在です。同社は、デジタルフォースセンサーに関する10年にわたる研究の後、1972年にJerome M. Parosによって設立されました。
この技術を圧力計の分野に応用することで、最高品質で優れた性能を持つトランスデューサーが誕生しました。圧力によって振動数が変化する特殊な水晶振動子を使用することで、最高の一次圧力標準に匹敵する精度を実現しています。水晶振動子の温度信号は、計算された圧力を熱的に補正し、広い温度範囲で高精度を達成するために提供されます。
Digiquartz® 圧力計
パロサイエンティフィック社は、高精度の圧力計の全製品を製造・販売しています。厳しい環境条件下でも、フルスケールの10億分の1までの分解能と、フルスケールの0.01％の標準精度が達成しています。高い信頼性、低消費電力、優れた長期安定性などの望ましい特性も備えています。また、30種類以上のフルスケール圧力レンジが用意されており、1気圧以下の差圧及び低圧から高圧まで（±2 psigから40,000 psiaまで）対応しています。
絶対圧およびゲージ圧変換器は、インテリジェント・トランスミッター、深度センサー、実験室用および携帯用圧力標準器、気象計測システム、水位システムなど、さまざまな構成でパッケージ化されています。インテリジェント電子機器は双方向デジタルインターフェースを持ち、ユーザーはサンプルレート、分解能、工学単位、その他の動作パラメーターを調整することが可能です。
Digiquartz® 製品は、計測学、海洋学、気象学、プロセス制御、航空宇宙、エネルギー探査、実験室用計測器などの多様な分野で、成功裏に使用されています。
デジタル技術の利点
デジタル圧力トランスデューサーの使用は、デジタルデータ取得および制御システムの傾向とともに劇的に進歩しています。
周波数出力デバイスのような本質的にデジタルなセンサーは、マイクロプロセッサベースのシステムと組み合わされ、過酷な環境条件下でも比類ない精度と性能を発揮するようになりました。
これらの高度な変換器に求められる設計・性能には、次のようなものがあります。
1.デジタル出力
2.一次標準に匹敵する精度
3.高信頼性・シンプル設計
4.環境要因に左右されにくい
5.最小限のサイズ、重量、消費電力
6.読み出しの容易さと実用性
真のデジタルセンサーは、時間領域でより正確な測定ができるため、従来のアナログ機器に比べて分解能と精度で大きな優位性を持っています。また、デジタル信号は干渉の影響を受けにくく、長距離伝送が容易で、カウンタータイマー、テレメトリー、デジタルコンピューターシステムとのインターフェースも容易です。
Digiquartz® 圧力センサー技術
精度、安定性、困難な環境条件下での信頼性の高い性能は、精密圧力計の主要な性能要件です。データの品質を確保するためには、精度と安定性が必要です。 計測器の信頼性は、ネットワークデータの整合性だけでなく、運用コストに直接影響します。
Digiquartz計測器の優れた性能は、圧力による応力で振動数が変化する精密水晶振動子を使用することで実現されています。水晶振動子は、優れた再現性、低ヒステリシス、安定性から、検出素子として選ばれました。 共振周波数の出力は、精密時計やカウンターに使用されているものと同様の発振器電子回路で維持・検出されます。曲げ振動型、シングルビーム型、デュアルビーム型の負荷応答性共振器が開発されました。 両端音叉は2本の同一ビームを180度逆位相で圧電駆動しており、パッドへのエネルギー伝達が非常に少ないのが特徴です。高Qの共振周波数は、バイオリンの弦を調律するように、負荷の関数であり、張力によって増加し、圧縮力によって減少します。デジタル温度センサーは、圧電駆動のねじれ振動しその共振周波数は温度の関数で表されます。その出力は、計算された圧力を熱的に補正するために使用され、広い温度範囲にわたって高い精度を実現します。
圧力トランスデューサーの機構では圧力-負荷発生源としてベローズまたはブルドン管が使用されます。圧力はベローズの有効面積に作用し、ピボットに対して力とトルクを発生させ、振動子に圧縮応力を与えます。水晶振動子の周波数が変化することで加圧力を測定することができます。同様に、ブルドン管に圧力がかかると巻き戻し力が発生し、水晶振動子に張力がかかります。温度補償のために感温性水晶振動子が使用されています。機構はバランスウエイトによる重力加速度の補正を行い方位感度の影響を低減しています。トランスデューサーは密閉され空気のダンピングを排除し、レゾネーターのQを最大化するために真空にされています。内部真空は絶対圧トランスデューサーの構成において優れた基準としても機能します。マイクロプロセッサベースのインテリジェントエレクトロニクスはトランスデューサーの周波数または周期出力を測定するための高安定なTCXOカウンタータイマー回路、線形化および熱補償アルゴリズム、校正係数、出力をさまざまなデジタル形式で処理するコマンドおよび制御ソフトウェアを格納するために利用可能です。Paroscientific Intelligent Transmitters は、Digiquartz® 圧力センサー（トランスデューサー）とデジタルインターフェースボードを一体化したパッケージで構成されています。 コマンドとデータ要求は、双方向のRS-232またはRS-485シリアルインターフェースを介して送信されます。 デジタル出力は工学単位で物理量として直接提供され、標準精度は広い温度範囲にわたって0.01%です。 出力圧力は、水晶温度信号を使用して完全に熱補償されます。 すべてのインテリジェント・トランスミッターには、校正係数があらかじめプログラムされています。RS-232とRS-485のデュアルインターフェースにより、分解能、サンプルレート、工学単位の選択、積分時間、サンプリング要求などすべての動作パラメーターを完全にリモートで設定、制御することができます。 コマンドは以下の通りです。 シングル・サンプル・アンド・センド、シンクロナイズド・サンプル・アンド・ホールド、連続サンプル・アンド・センド、特殊バースト・サンプリング・モード。 ファームウェアリビジョンR5.10（M3.0、MET4/4A）以降では、10億分の1の分解能（1ppbFS）を達成することが可能になりました。 また、この機能はソフトウェアコマンドで有効にすることができます。 無効化した場合、センサーは下位互換性（従来方式）を持ち、標準モードで一般的な100万分の1の分解能で動作します。 ナノ分解能は、圧力をより高いレート（通常8 kHz）でサブサンプリングし、IIR（無限インパルス応答）フィルターを使用してデジタル信号処理技術を適用することで達成されます。その他の機能としては、シリアル・ループおよびマルチドロップ・ネットワークのサポート、ユーザーが選択可能な最大115,200ボーレート、時間ベースの統合による測定値の同期、1km以上の伝送距離を持つ2または4線式RS-485、高速連続圧力測定機能の向上、電源管理の「スリープ」モード、データフォーマット機能、ユニット識別コマンドなどが挙げられます。性能 Digiquartz® 製品は現在入手可能な最も高分解能、低ノイズ、そして最も正確な計器です。 この変換器はパロサイエンティフィック社が過去50年にわたり開発した本質的にデジタルで非常に安定した振動する水晶振動子技術をベースにしています。 厳しい現場条件下でも優れた性能を発揮できるように設計されテストされています。 多くの用途で高分解能と高精度の両方が要求されますが一般的に短期間の測定には当社の高感度圧力が有効で長期間の測定には当社の精度、安定性、環境誤差への鈍感さが必要です。
a. 高分解能
不十分な分解能のセンサーでは実際の信号がノイズによって不明瞭になったりセンサーノイズが実際の信号として解釈される可能性があります。 超高分解能を実現するために超科学的な変換機構、発振回路、デジタルインタフェースが慎重に設計されています。ナノ分解能（10億分の1の感度（1ppbFS））は、すべてのパロサイエンティフィック社のインテリジェント製品で利用可能です。
水晶センサーのノイズフロアは絶縁された水晶の場合、以下のようになります。
『マイクロ津波』
2010年12月21日（M7.4小笠原諸島地震）、ナノ分解能圧力センサーにより微小津波が記録されました。ウェーブレット解析により、津波のスペクトログラムを算出しました（図6参照）。 バターワースフィルタを使用し、潮汐除去のカットオフ周期は1時間です。なお、プロットのカラースケールは津波を強調するように設定されているため、高い周波数成分は弱くなっています。上段の赤線はモデル化された津波の振幅の時系列です。津波は645分から745分（白い破線で示す）にかけて現れ、周期は約14分である。津波の最大振幅は約0.2cmです。
『火山活動の遠隔監視』
2009年10月3日、桜島火山の噴火により発生した低周波音は、987km離れた核実験監視局で測定されました。
なお、海洋で発生した振幅0.1Paのマイクロバロムの信号は噴火の前後で0.0003Paの感度で測定されます。
『航空機等の衝撃波観測』
2010年4月20日、スペースシャトルはカナダのブリティッシュコロンビア州のバンクーバー島上空で大気圏に再突入しました。
上の図9は、約150マイル離れたウエストシアトルの場所から測定された圧力信号です。
図中の圧力変化は、超音速飛行から発生する典型的なN波である。
b. 静圧のエラーバンドについて
Digiquartz® Instrumentsの標準精度はフルスケールの0.01%またはそれ以下です。 一次圧力標準に対する精度は、分解能、ヒステリシス、再現性、整合性を含みます。 Digiquartz® Instrumentsは広い動作温度範囲で校正されており、温度変化による精度の劣化はありません。
Digiquartz® Instrumentsの典型的な静圧でのエラーバンドは、綿密なテストと校正の後に達成されます。 校正は一次圧力標準からの既知の圧力を温度槽に取り付けられたトランスデューサーのマニホールドに加えることによって行われます。 各トランスデューサーから2つの周波数（または周期）出力信号が送信されます。 圧力は力に敏感な水晶振動子で測定されその出力周期は加えられる荷重によって変化します。 2つ目の周期出力は熱補償に使用される水晶温度センサーから出力されます。 変換器の信号は多重化され、測定され、データは変換器を特徴付ける標準方程式の係数を導き出すために適合されます。 校正係数は各トランスデューサーに付属しており指示圧力（計算値）は、圧力と温度の全範囲においてトランスデューサーのフルスケールの0.01%の標準精度で「真の」適用圧力に一致します。 Digiquartz® インテリジェント・トランスミッターは校正係数を不揮発性 EEPROM に保存し、双方向 RS-232 および RS-485 インターフェースで完全に温度補償され線形化された出力を提供します。
c. 環境的に堅牢で高信頼性
Digiquartz® 計器は広い温度範囲で慎重に校正および温度補償されています。 また極端な衝撃や振動にも耐えうるように設計されており、正確で信頼性の高い測定が可能です。 パロサイエンス社のトランスデューサーは、宇宙探査から深海底への展開まで様々な用途で使用されてきました。すべてのデジクオーツ変換器は内部に水晶温度センサーを持ちその出力は計算された圧力を熱的に補正し、広い温度範囲にわたって高い精度を達成するために使用されています。
上の温度適合性プロットは圧力と温度の全運転範囲において異なる温度での印加圧力に対する指示圧力の近さを示しています。
d. 低い維持費
Digiquartz®製品は維持費が低いです。 Digiquartz®製品の長期安定性は再校正の間隔と運用コストを削減します。 使い勝手が良いため大規模なトレーニングの必要性が低くなります。 信頼性の高い操作により過剰な製品の購入、修理費用、プロセスの中断による収益の損失がなくなります。
・品質保証とテスト
パロサイエンティフィック社は国際品質規格ISO 9001の要件に認定された品質管理システムを維持しています。 パロサイエンティフィック社で行われるすべての校正は国立標準技術研究所（NIST）にトレーサブルです。当社の品質システムと卓越性への取り組みはお客様に優れた製品とサービスをお約束します。
・施設
Paroscientific Inc.の本社と製造施設は米国ワシントン州レドモンドの受賞歴のある建物にあります。
この施設には電子ビーム、レーザー、抵抗、パルスTIG溶接機、真空蒸着機、質量分析計リークディテクター、特殊水晶振動子と圧力トランスデューサーの製造とテストステーション、高真空排気とベークアウト装置、環境テストチャンバー、一次圧力標準器、自動テストスタンドなど、世界で最も正確な圧力機器の製造に必要な高度な製造・テスト機器がすべて揃っています。
