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JP2019035666A - Constantly vibration monitoring system of equipment and device - Google Patents

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JP2019035666A
JP2019035666A JP2017157080A JP2017157080A JP2019035666A JP 2019035666 A JP2019035666 A JP 2019035666A JP 2017157080 A JP2017157080 A JP 2017157080A JP 2017157080 A JP2017157080 A JP 2017157080A JP 2019035666 A JP2019035666 A JP 2019035666A
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vibration
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JP2017157080A
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Japanese (ja)
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孝士 三原
Takashi Mihara
孝士 三原
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  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

To provide a vibration monitoring system that detects a vibration state of acceleration of a social infrastructure facility, industrial equipment and a production device and determines its operation/failed state and necessity of maintenance, which is a practical system that is not conventionally expensive and large-sized system but can be inexpensively constantly operated and is battery-driven.SOLUTION: There is provided an inexpensive vibration monitoring system which is equipped with an analog frequency analyzer that can automatically switch or control a center frequency of a band-pass filter without using expensive and large-sized high-speed amplifier and numerical calculation computer necessary for large power consumption, and thereby can acquire frequency-analyzed vibration data with small size at inexpensive cost by battery-driven, and can transfer or store data at the time of only abnormality in consistently operated state.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本考案は、橋梁・建築物、発電機等の社会インフラ、生産設備や機器等の産業機械の振動状態をモニタすることで、機構システムの故障診断やメンテナンス、或いは機器の正常運転の度合いを常時監視することを目的にしている。 The present invention monitors the vibration state of industrial machinery such as bridges, buildings, generators, and other social infrastructure, production equipment and equipment, etc. The purpose is to monitor.

本技術分野においては対象物の振動周波数が対象物の大きさや種類、機構によって大きく異なり、大型建築物である橋梁では数Hzから100HZ程度、モータシステムではギアやボールベアリングの傷による振動の周波数は数kHz、更に工作機械のバイトの振動は1k-5kHz程度になる場合もある。 In this technical field, the vibration frequency of the object varies greatly depending on the size, type, and mechanism of the object, and the frequency of vibration due to scratches on gears and ball bearings in the motor system is about several Hz to 100 Hz for bridges that are large buildings. The vibration of the tool tool bit may be about 1k-5kHz.

従来は高い周波数帯域では圧電ピックアップ、低い周波数帯域ではMEMS加速度センサが使用され、この信号を高速アナログデジタル変換して一旦記憶装置に蓄積し、そのデータをソフトウェアにて、例えば特許文献1にはエンベロープ処理やフーリエ変換を行っていたが、このような手法では、安価なセンサを大量に対象物に装着して常時モニタリングすることはできなかった。 Conventionally, a piezoelectric pickup is used in a high frequency band, and a MEMS acceleration sensor is used in a low frequency band. This signal is converted into high-speed analog-digital data and temporarily stored in a storage device. Processing and Fourier transform were performed, but with such a method, it was not possible to always monitor a large number of inexpensive sensors attached to an object.

また、別の手段として先行特許文献2に提案されているように、センサの信号をアナログデジタル変換した後、デジタルフィルタを用いて変調やFM復調等の手段を用いて周波数特性等を得る手段も示されているが、デジタルフィルタを実現するためには高速のプログラム可能なゲートアレーが必要であって、高価で消費電力が大きいという問題があった。 As another means proposed in the prior art document 2, there is also a means for obtaining a frequency characteristic or the like using a means such as modulation or FM demodulation using a digital filter after analog-to-digital conversion of the sensor signal. As shown, in order to realize a digital filter, a high-speed programmable gate array is necessary, which is expensive and consumes a large amount of power.

またフーリエ変換を高速で行う手段として、高速フーリエ変換と言われる、少ない演算回数で処理する方法も考案されているが、センサ端末に搭載する小型MPU、即ちマイクロコンピュータで行う場合は、例えばマイクロチップ社の16ビットマイコンを使っても、32MHzのクロック周波数で処理して、ほぼリアルタイム処理に近い100ms以下の時間を行うためには、3.3Vの電圧で15mAの電流が必要である。 Further, as a means for performing Fourier transform at high speed, a method of processing with a small number of computations called fast Fourier transform has been devised, but when performing with a small MPU mounted on a sensor terminal, that is, a microcomputer, for example, a microchip. Even when using a 16-bit microcomputer manufactured by the company, a current of 15 mA is required at a voltage of 3.3 V in order to perform processing at a clock frequency of 32 MHz and perform a time of 100 ms or less, which is almost similar to real-time processing.

ここで常時振動モニタリングを前提とすると、このMPUを常時動作して置かねばならず、センサシステム全体の消費電流が20mAとすると、比較的大きな電流容量を持つ5000mAhの単2アルカリ電池を使っても250時間と約10日の連続運転が精一杯となる。 Assuming constant vibration monitoring here, this MPU must be kept in constant operation. If the current consumption of the entire sensor system is 20 mA, a 5000 mAh AA alkaline battery with a relatively large current capacity can be used. 250 hours and continuous operation for about 10 days will be full.

このように、アナログデジタル変換を行って、高速フーリエ変換を含む高速デジタル変換を行う1ヶ月以上の長期モニタリングを行い、かつ小型化することは厳しいことが判った。 As described above, it has been found that it is difficult to perform analog-to-digital conversion, to perform high-speed digital conversion including fast Fourier transform for a long period of one month or more, and to reduce the size.

そのため、本提案はオペアンプを用いたアナログ信号処理を用いて振動モニタリングに必要な5kHz程度までの周波数特性を簡易的な方法で複数の特定の周波数の振幅のみを抽出し、この抽出データを送信、記憶するここで、電池で何ヶ月も動作可能なシステムを構築するものである。 Therefore, this proposal uses analog signal processing using an operational amplifier to extract only the amplitudes of multiple specific frequencies using a simple method to extract the frequency characteristics up to about 5 kHz required for vibration monitoring, and send this extracted data. Here, we build a system that can operate for months on batteries.

本方法の先行技術として、特許文献3には、ある周波数より高い振幅の振動を検出するための複数のハイパスフィルターを用いた地震感知装置が開示されている。しかし、振動の低周波数域の周波数を規定するハイパスフィルターでは十分な情報は得られない。 As a prior art of this method, Patent Document 3 discloses an earthquake sensing device using a plurality of high-pass filters for detecting vibrations having an amplitude higher than a certain frequency. However, sufficient information cannot be obtained with a high-pass filter that defines the frequency of the low frequency range of vibration.

また特許文献4には、ある異常振動があったことを検出する回路に、ある振動周波数領域の下限を決めるためにハイパスフィルターを搭載する構成が開示されているが、幾つかの複数の機構を持つ機械システムや設備では複数の周波数を持つ振動が観察されるために、この構成では不十分である。 Patent Document 4 discloses a configuration in which a high-pass filter is mounted in a circuit for detecting that there is a certain abnormal vibration in order to determine a lower limit of a certain vibration frequency region. This configuration is not sufficient because vibrations having a plurality of frequencies are observed in the mechanical system and equipment.

更に可能性のある手段として、センサを可変抵抗でゲイン調整したあとに、パワーアンプで増幅したあと、外部に計測装置であるスペクトルアナライザーを接続する例も示されているが、高価で大きな消費電力を持つスペクトルアナライザーは、常時モニタリングには適さない。 Furthermore, as a possible means, there is an example of connecting a spectrum analyzer, which is a measurement device, after adjusting the gain of the sensor with a variable resistor, amplifying it with a power amplifier, but it is expensive and consumes a large amount of power. A spectrum analyzer with is not suitable for constant monitoring.

特開2014-98566号公報 「振動解析装置、振動解析方法、及び振動解析プログラム」JP 2014-98566 A "Vibration analysis apparatus, vibration analysis method, and vibration analysis program" 特開平 6-307923号公報 「多数点同時振動計測装置」JP-A-6-307923 "Multi-point simultaneous vibration measuring device" 特開2000-346701号公報 「感震器」Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-346701 特開平 2-21533号公報 「振動監視装置」Japanese Patent Laid-Open No. 2-21533 "Vibration monitoring device" 実開平 5-90335号公報 「騒音モニタ装置」Japanese Utility Model Publication No. 5-90335 "Noise Monitor"

従来の圧電ピックアップ等のセンサを利用した広帯域の振動モニタリングシステムは、センサ信号データをSDカードやコンピュータに一旦取り込んで、フーリエ変換等の処理をコンピュータで行って振動状態を解析することが一般的であった。 In a conventional broadband vibration monitoring system using a sensor such as a piezoelectric pickup, sensor signal data is once taken into an SD card or a computer, and processing such as Fourier transform is performed on the computer to analyze the vibration state. there were.

あるいはセンサシステムにセンサと信号処理装置や解析結果を表示する装置では、高速のアナログデジタル変換、デジタルフィルタや、高速フーリエ変換等の高速デジタル信号処理が必要であるため大型・高価・大消費電力で100Vの商用電源を使う場合が一般的であった。 Alternatively, sensors, signal processing devices, and devices that display analysis results on the sensor system require high-speed digital signal processing such as high-speed analog-digital conversion, digital filter, and fast Fourier transform, so large size, high cost, and high power consumption. In general, a commercial power supply of 100 V is used.

しかしこのような研究や試験的な装置のデータを元に、大規模対象物や工場の生産設備に大量に設置する場合は、これらのシステムが高価で大きな消費電力を必要とするために無線システムと一緒に、電池やエネルギーハーベスト発電素子で長時間に亘って常時モニタリングことが困難であった。 However, when installing a large amount on large-scale objects and factory production equipment based on such research and experimental equipment data, these systems are expensive and require a large amount of power. In addition, it has been difficult to constantly monitor batteries and energy harvesting power generation devices over a long period of time.

本提案は、大規模対象物や工場の生産設備に大量に設置して産業上必須となる5kHzまでの比較的高い周波数の振動状態を、電池駆動で何ヶ月も常時計測でき、異常を判断できることを目的とし、このために低い消費電力で動作するアナログ信号処理を有効に使ったシステムを提案するものである。 This proposal is able to measure the vibration state of a relatively high frequency up to 5kHz, which is essential for industry by installing in large quantities on large-scale objects and factory production equipment, for many months with battery operation, and to judge abnormalities. For this purpose, the present invention proposes a system that effectively uses analog signal processing that operates with low power consumption.

目標とする消費電流は、約5000mAhの容量を持つ単二アルカリ電池で1ヶ月駆動できるとして、約平均電流6.9mA以下を必須とし、外部記憶装置への記憶や無線でのデータ転送は、間欠動作で必要な場合のみ行うとして平均1mA弱と仮定すると、センサシステムの最大電流は、6mAとなる。 Assuming that the target current consumption can be driven by a single alkaline battery with a capacity of about 5000 mAh for one month, an average current of about 6.9 mA or less is essential, and storage to an external storage device or wireless data transfer is intermittent. Assuming that the average is a little less than 1 mA assuming that it is performed only when necessary for operation, the maximum current of the sensor system is 6 mA.

センサシステムはセンサ信号を処理するアナログ回路とデジタル回路で構成し、何れも高速動作を行うと、その消費電流は処理周波数に比例して消費するため、最初のアナログ回路で周波数帯域を下げる必要があり、本発明はアナログ回路にて周波数解析を行うことを提案する。 The sensor system consists of an analog circuit and a digital circuit that process sensor signals, and if both operate at high speed, the current consumption is proportional to the processing frequency, so the frequency band must be lowered in the first analog circuit. The present invention proposes to perform frequency analysis in an analog circuit.

このアナログ回路を用いた周波数解析として、第一は異なる中心周波数を持つ比較的狭帯域のアナログ回路で構成されたバンドパスフィルターを複数並列に構成し、その出力を全波整流し、ローパスフィルターを掛けることで、そのバンドパスフルターの中心周波数の振幅の2乗平均平方根に比例する値を得ることが出来、これを振動加速度の当該周波数の振幅として出力するものである。 As a frequency analysis using this analog circuit, the first is to configure a plurality of band-pass filters composed of relatively narrow-band analog circuits with different center frequencies in parallel. By multiplying, a value proportional to the root mean square of the amplitude of the center frequency of the bandpass filter can be obtained, and this value is output as the amplitude of the frequency of vibration acceleration.

第二の方法は、1個の比較的狭帯域のアナログ回路で構成されたバンドパスフィルターの内部の中心周波数を決める回路パラメータを時間的に変化させることで、中心周波数可変バンドパスフィルターを構成し、その出力を全波整流し、ローパスフィルターを掛けることで、その周波数可変バンドパスフルターの中心周波数の振幅の2乗平均平方根に比例する値を得ることが出来、これを加速度の当該周波数の振幅として出力するものである。 The second method is to construct a center frequency variable band pass filter by temporally changing the circuit parameter that determines the center frequency inside the band pass filter composed of one relatively narrow band analog circuit. The output is full-wave rectified and a low-pass filter is applied to obtain a value that is proportional to the root mean square of the amplitude of the center frequency of the frequency variable bandpass filter. Is output as

この2つの方法とも、アナログ回路ではある程度の高い周波数の信号処理が必要であるが、アナログ回路の出力をデジタル変換してデータを記憶装置や無線モジュールに転送するのは低速のデジタル信号処理でよいのでMPU等の駆動周波数が少なくて良く、例えば4MHzの駆動周波数のMPUであれば、3.3Vで僅か0.5mAの電流しか消費しないため、全体として低消費電力になる。 Both of these methods require signal processing at a certain high frequency in the analog circuit, but low-speed digital signal processing may be used to digitally convert the output of the analog circuit and transfer the data to a storage device or a wireless module. Therefore, the drive frequency of the MPU or the like may be small. For example, if the MPU has a drive frequency of 4 MHz, only 0.5 mA of current is consumed at 3.3 V, resulting in low power consumption as a whole.

アナログ回路の低消費電力化は、低消費のCMOS回路で構成された、低いカットオフ周波数のオペアンプを低電圧で駆動するとともに、これらの低消費オペアンプは出力インピーダンスの駆動能力が低いので、次段の回路の入力インピーダンスを可能な限り高くし、また増幅率を押さえるような設計が必要になる。
Low power consumption of analog circuits drives low-cut-off frequency operational amplifiers composed of low-consumption CMOS circuits at low voltage, and these low-consumption operational amplifiers have low output impedance drive capability, so the next stage It is necessary to design the circuit to increase the input impedance of the circuit as much as possible and to suppress the amplification factor.

この考案の実施例(実施例1)の構成を示す。The structure of the Example (Example 1) of this invention is shown. 実施例2の構成を示す。The structure of Example 2 is shown. 実施例2の具体的な回路図の例を示す。The example of the concrete circuit diagram of Example 2 is shown. 実施例3の具体的な回路図の例を示す。The example of the concrete circuit diagram of Example 3 is shown. 実施例3の具体的な回路図の例を示す。The example of the concrete circuit diagram of Example 3 is shown. 実施例4の具体的な構成を示す。The concrete structure of Example 4 is shown.

図1がこの発明の実施例(実施例1)の構成図であり、 対象物から振動強度である加速度を捉える振動検出センサ1に接続されたアンプ2と、アナログ信号処理法によって振動の特定の周波数成分のみが通過する回路である周波数可変バンドパスフィルター7と、検波回路3と、ローパスフィルター4を使って振幅の2乗平均平方根(rms値)に比例する値を算出する回路(周波数成分解析回路とする)と、この周波数成分解析回路の中心周波数を変更、制御する制御器(ADC付きマイコン5)と、当該rms値相当をデジタル信号に変換する手段を備えた、振動状態モニタリングシステムを示す。 FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment (embodiment 1) of the present invention. An amplifier 2 connected to a vibration detection sensor 1 that captures an acceleration as a vibration intensity from an object, and a specific vibration is determined by an analog signal processing method. A circuit that calculates a value proportional to the root mean square (rms value) of amplitude using a frequency variable bandpass filter 7, a detection circuit 3, and a lowpass filter 4, which is a circuit through which only a frequency component passes (frequency component analysis) Circuit), and a controller for changing and controlling the center frequency of the frequency component analysis circuit (the microcomputer 5 with the ADC) and a means for converting the equivalent of the rms value into a digital signal. .

図1に示す実施例1は、対象物から振動信号(通常は加速度)を捉える振動検出センサ1に接続されたアンプ2、アナログ信号処理法によって特定の振動の周波数成分を通過する回路である周波数可変バンドパスフィルター7と、検波回路3と、ローパスフィルター4の組み合わせによって、振幅の2乗平均平方根(rms値)に比例する値、または同等の加速度の振幅に相当する値を算出する回路と、この周波数可変バンドパスフィルター7の中心周波数を変更、制御するADC内蔵マイコン5と、データ転送回路6を備えている。 The embodiment 1 shown in FIG. 1 is a frequency that is a circuit that passes a specific vibration frequency component by an analog signal processing method, an amplifier 2 connected to a vibration detection sensor 1 that captures a vibration signal (usually acceleration) from an object. A circuit that calculates a value proportional to the root mean square (rms value) of the amplitude or a value corresponding to the amplitude of the equivalent acceleration by a combination of the variable band-pass filter 7, the detection circuit 3, and the low-pass filter 4; An ADC built-in microcomputer 5 for changing and controlling the center frequency of the frequency variable bandpass filter 7 and a data transfer circuit 6 are provided.

実施例1では、アナログデジタル変換をADC内蔵マイコン5の内蔵型を用いたが、これは分離されていても良いし、データ転送装置6は、SDカード等の記憶装置や無線ネットワークシステム、LAN等のサーバに接続されるネットワーク装置であっても良い。 In the first embodiment, the analog-to-digital conversion is performed using the built-in type of the microcomputer 5 with built-in ADC, but this may be separated, and the data transfer device 6 may be a storage device such as an SD card, a wireless network system, a LAN, or the like. It may be a network device connected to the server.

図2に示す第2の実施例では、実施例1の周波数可変バンドパスフィルター、すなわち特定の周波数成分のみを透過する回路は、複数のバンドパスフィルター8であり、周波数の切り替えは、アナログマルチプレクサーやアナログスイッチで構成されるアナログ切り替え回路9を用い、後の構成は実施例1と同様である。 In the second embodiment shown in FIG. 2, the frequency variable bandpass filter of the first embodiment, that is, the circuit that transmits only a specific frequency component is a plurality of bandpass filters 8, and the frequency switching is performed by an analog multiplexer. The analog switching circuit 9 including analog switches is used, and the subsequent configuration is the same as that of the first embodiment.

ここで、バンドパスフィルター8は、様々な構成が考えられるが、低消費電力で小型化可能なものとして図3に具体的な回路例として示すように、1個のオペアンプ、3個の抵抗と2個のコンデンサで構成されるオペアンプ多重帰還形バンドパスフィルターが望ましく、またそのアナログ切り替え回路9は制御信号の本数が少ないアナログマルチプレクサーが望ましい。 Here, the band-pass filter 8 may have various configurations. As shown in FIG. 3 as a specific circuit example that can be downsized with low power consumption, one operational amplifier, three resistors, An operational amplifier multiple feedback type bandpass filter composed of two capacitors is desirable, and the analog switching circuit 9 is desirably an analog multiplexer with a small number of control signals.

この図3に示された回路では、ゲインを可変できるOP1、バッファーアンプOP2、バンドパスフルター8は、オペアンプ多重帰還形バンドパスフィルターであって、オペアンプOP3に抵抗R5、R6,R7、容量C2,C3を用いて中心周波数は数1式で表され、またその帯域の広さを示すQ値は数2式で示される。 In the circuit shown in FIG. 3, the OP1, the buffer amplifier OP2, and the bandpass filter 8 that can change the gain are operational amplifier multiple feedback type bandpass filters. The operational amplifier OP3 includes resistors R5, R6, R7, and a capacitor C2, Using C3, the center frequency is expressed by Formula 1, and the Q value indicating the width of the band is expressed by Formula 2.

ここでQ値とは中心周波数を、−3dB値である中心周波数の振幅の0.707倍に減衰した周波数の帯域幅で割った値であって、Q値が大きいほど周波数分解能は良くなる。 Here, the Q value is a value obtained by dividing the center frequency by the bandwidth of the frequency attenuated to 0.707 times the amplitude of the center frequency, which is a -3 dB value, and the higher the Q value, the better the frequency resolution.

このバンドパスフィルターは大変安定していると同時に、数1式に従って、中心周波数はC2、C3とR7で主に決定され、Q値はR7とR6の比で主に決るため、ある程度独立に設定される。 This bandpass filter is very stable, and at the same time, according to Equation 1, the center frequency is mainly determined by C2, C3 and R7, and the Q value is mainly determined by the ratio of R7 and R6. Is done.

このバンドパスフィルター8の中心周波数とQ値は、振動計測の応用、取り付け機器の観察したい周波数帯域によって決定されなければならないが、中心周波数が高い、或いはQ値が大きいと帯域・利得積の大きなオペアンプが必要で消費電力が大きくなるので注意が必要である。 The center frequency and Q value of the band-pass filter 8 must be determined according to the application of vibration measurement and the frequency band to be observed by the attached device. However, if the center frequency is high or the Q value is large, the band / gain product is large. Care must be taken because an operational amplifier is required and power consumption increases.

このバンドパスフィルター8の中心周波数とQ値の設計例では、50Hz程度から5kHzまでの2桁の広い帯域を対象に簡易的に常時モニタリングする場合は、Q値を1として125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHzの6個のバンドパスフィルター8を用いることでカバーされる。 In the design example of the center frequency and the Q value of the band pass filter 8, when simply monitoring a wide band of about 2 digits from about 50 Hz to 5 kHz, the Q value is 1, 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, This is covered by using six bandpass filters 8 of 1 kHz, 2 kHz, and 4 kHz.

その各バンドパスフィルター8の回路定数としては、1kHzの回路定数は、C1=1nF、C2=10nF、R5=120kΩ、R6=15kΩ、R7=180kΩで設計上の中心周波数は1015Hz,Q値1.05であり、消費電流80μA、利得1帯域1MHzのCMOSオペアンプNJU7095を使った場合の実測値は、ピーク周波数1kHz、−3dB周波数は650Hzと1700Hzであって、Q値1.05と設計値と良く合致していた。 As the circuit constants of each bandpass filter 8, the circuit constants of 1 kHz are C1 = 1 nF, C2 = 10 nF, R5 = 120 kΩ, R6 = 15 kΩ, R7 = 180 kΩ, the design center frequency is 1015 Hz, the Q value is 1. When the CMOS operational amplifier NJU7095 with a current consumption of 80 μA and a gain of 1 band is 1 MHz is used, the measured values are 1 kHz peak frequency, -3 dB frequencies are 650 Hz and 1700 Hz, and the Q value is 1.05, which is a good design value. It was in agreement.

ここで、設計的に非常に重要な項目として、図3のバッファーアンプOP1とOP2には、複数のバンドパスフィルター8を接続するが、この接続可能な数がオペアンプの利得帯域幅と電流(負荷)駆動能力で決定される。 Here, as a very important item in design, a plurality of band-pass filters 8 are connected to the buffer amplifiers OP1 and OP2 in FIG. 3, and the number of connectable numbers is the gain bandwidth and current (load) of the operational amplifier. ) Determined by driving ability.

低消費電力のCMOSオペアンプはレールツーレールと言う電源電圧の下限、上限まで出力振幅が取れるが、これは周波数帯域と負荷抵抗の関数となっているため、今回のような応用では1個のバンドパスフィルター8の入力抵抗(R5+R6)を100kΩ以上とし、バッファーアンプの並列接続個数を3以下にする必要がある。 Low power consumption CMOS operational amplifiers can output power to the lower and upper limits of the power supply voltage called rail-to-rail, but this is a function of frequency band and load resistance. The input resistance (R5 + R6) of the pass filter 8 must be 100 kΩ or more, and the number of buffer amplifiers connected in parallel must be 3 or less.

更に、数1式や数2式に従って回路定数を決めても、安価で容易に入手できる部品は離散的な値を持つため、正確には周波数、Q値、ゲインを合わせ揃える事は容易ではなく、ADC付きマイコン5を使って、ファンクションジェネレータ等で本回路の周波数特性を計測し、プリセット値で補正をかけるキャリブレーションを行う。 Furthermore, even if the circuit constants are determined according to Equation 1 and Equation 2, parts that are inexpensive and easily available have discrete values, so it is not easy to align the frequency, Q value, and gain accurately. Then, the frequency characteristic of the circuit is measured with a function generator or the like using the microcomputer 5 with ADC, and calibration is performed to correct the preset value.

図4に示す第3の実施例では、周波数成分を抽出する回路は、ステイトバリアブルフィルター10であって、オペアンプOP5と積分回路OP6,OP7の正帰還と負帰還回路によって構成され、R16,R17の2個の可変抵抗によって、中心周波数を変更できる。 In the third embodiment shown in FIG. 4, the circuit for extracting the frequency component is a state variable filter 10, which is composed of an operational amplifier OP5 and positive and negative feedback circuits of integrating circuits OP6 and OP7, and R16 and R17. The center frequency can be changed by two variable resistors.

ここで、R16,R17が等しく、C11とC12が等しい時に、中心周波数は数3式、Q値は数4式で表され、中心周波数はC11とR16の積分回路の時定数が支配的であり、Q値はR3とR14の比、即ちゲインで主に決るため、中心周波数とQをある程度独立し決定することができる特徴を有している。 Here, when R16 and R17 are equal and C11 and C12 are equal, the center frequency is expressed by Equation 3 and the Q value is expressed by Equation 4, and the center frequency is dominated by the time constant of the integrating circuit of C11 and R16. Since the Q value is mainly determined by the ratio of R3 and R14, that is, the gain, the center frequency and Q can be determined independently to some extent.

具体的に実装する場合は、R16とR17を例えば100kΩの2連の線形的な可変が可能な電子可変抵抗素子とし、ADC付きマイコン5によって、その抵抗値を制御するが、数3式に示すように、中心周波数がR16に反比例することから、電子可変抵抗のデジタル制御インデックスnの逆数(1/n)に中心周波数が比例するため、高い周波数では離散的になって周波数に対する制御性が悪くなってしまう。 In the case of concrete mounting, R16 and R17 are, for example, two 100 kΩ electronic variable resistance elements that can be linearly changed, and the resistance value is controlled by the microcomputer 5 with ADC. As described above, since the center frequency is inversely proportional to R16, the center frequency is proportional to the reciprocal (1 / n) of the digital control index n of the electronic variable resistor. turn into.

図5に示す第3の実施例の別の例では、周波数成分を抽出する回路は、ステイトバリアブルフィルター10であって、オペアンプOP9と積分回路OP11,OP13の正帰還と負帰還回路によってそれぞれ構成され、その中心周波数は非反転アンプOP10、OP12の利得を、電子可変抵抗であるEVR1,EVR2の制御端子S1,S2のデジタル信号によって変更して行う。 In another example of the third embodiment shown in FIG. 5, the circuit for extracting the frequency component is a state variable filter 10, and is constituted by an operational amplifier OP9 and positive and negative feedback circuits of integrating circuits OP11 and OP13, respectively. The center frequency is obtained by changing the gains of the non-inverting amplifiers OP10 and OP12 by the digital signals at the control terminals S1 and S2 of the EVR1 and EVR2 which are electronic variable resistors.

ここでステイトバリアブルフィルター10の中心周波数は、R28とR33を一致させ、SW7はC21に接続、SW8はC24に接続し、C21とC24を合わせれば、定数kとEVR1(EVR2と同じ)で指定されるOP10(OP12と同じ)のゲインGOPを用いて、数5式で表現されるように、中心周波数はOP5のゲインGOPに比例する特性を持つため、周波数可変範囲で精度が一定に保たれ、MPUでの補正も不要であるため、低消費電力のMPUを使っても十分実用化できる。 Here, the center frequency of the state variable filter 10 is specified by constant k and EVR1 (same as EVR2) if R28 and R33 are matched, SW7 is connected to C21, SW8 is connected to C24, and C21 and C24 are combined. Using the gain GOP of OP10 (same as OP12), the center frequency has a characteristic proportional to the gain GOP of OP5 as expressed in Equation 5, so the accuracy is kept constant in the frequency variable range, MPU correction is also unnecessary, so it can be put to practical use even with a low power consumption MPU.

ここで、電子可変抵抗の制御は4ビット(16諧調)から10ビット(1024諧調)が安価に入手できるので、周波数の精度があがり、Q値はこの諧調数まで大きくすることも可能であるが、Q値を大きくすると不安定になり、自己発振を起こすこともあり、また必要なオペアンプの利得もQ値に比例することから周波数特性が悪くなって高い周波数では信号振幅やQ値が下がってしまうため、Q値は10以下であることが好ましい。 Here, since the control of the electronic variable resistor can be obtained inexpensively from 4 bits (16 gradations) to 10 bits (1024 gradations), the frequency accuracy is improved, and the Q value can be increased to this gradation number. If the Q value is increased, it may become unstable and self-oscillation may occur, and the gain of the required operational amplifier is proportional to the Q value, so the frequency characteristics deteriorate and the signal amplitude and Q value decrease at high frequencies. Therefore, the Q value is preferably 10 or less.

更に、検波回路3、ローパスフィルター4のカットオフ周波数を計測周波数帯域の下限に設定する必要があるが、この周波数の持つ時定数より早く電子可変抵抗EVR1やEVR2を切り替えると、安定な計測が出来ないため、電子可変抵抗の制御は4ビット(16諧調)から10ビット(1024諧調)の選択は、計測の時間も考慮に入れないとならないため、最低変調数は16諧調に設定した。 Furthermore, it is necessary to set the cutoff frequency of the detection circuit 3 and the low-pass filter 4 to the lower limit of the measurement frequency band, but stable measurement can be performed by switching the electronic variable resistors EVR1 and EVR2 earlier than the time constant of this frequency. Since there is no control, the selection of 4 bits (16 gradations) to 10 bits (1024 gradations) must be taken into account when selecting the electronic variable resistance, so the minimum modulation number is set to 16 gradations.

またステイトバリアブルフィルター10の安定した周波数可変範囲は、1桁程度であるため、OP11とOP13の積分器の容量を、切り替え装置SW7やSW8によって切り替えるのが望ましく、この切り替え装置の内部抵抗や端子間、端子と接地間の容量は少ないほうが望ましので、アナログマルチプレクサーやアナログスイッチを用いるのが望ましい。 Further, since the stable variable frequency range of the state variable filter 10 is about one digit, it is desirable to switch the capacities of the integrators OP11 and OP13 by the switching devices SW7 and SW8. Since it is desirable that the capacitance between the terminal and the ground is small, it is desirable to use an analog multiplexer or an analog switch.

図6に示す第4の実施例では、対象物から振動強度(通常は加速度)を捉える振動検出センサ1に接続されたアンプ2、アナログ信号処理法によって振動の周波数成分を透過する回路である周波数可変バンドパスフィルター7と、検波回路3と、ローパスフィルター4の組み合わせによって、その振幅の2乗平均平方根(rms値)に比例する値、または同等の加速度の振幅に相当する値を算出する回路と、この周波数可変バンドパスフィルター7の中心周波数を変更、制御するADC内蔵マイコン5と、無線モジュール13と外部記憶装置14を備えている。 In the fourth embodiment shown in FIG. 6, an amplifier 2 connected to a vibration detection sensor 1 that captures vibration intensity (usually acceleration) from an object, a frequency that is a circuit that transmits a vibration frequency component by an analog signal processing method. A circuit that calculates a value proportional to the root mean square (rms value) of the amplitude or a value corresponding to the amplitude of the equivalent acceleration by a combination of the variable bandpass filter 7, the detection circuit 3, and the low-pass filter 4. The microcomputer 5 includes an ADC built-in microcomputer 5 that changes and controls the center frequency of the frequency variable bandpass filter 7, a wireless module 13, and an external storage device 14.

このADC内蔵マイコン5の内部に、特定の周波数の2乗平均平方根(rms値)に比例する値の、時間依存性を記憶する複数の高速データ記憶部11を持ち、この値を一旦記憶する。 The ADC built-in microcomputer 5 has a plurality of high-speed data storage units 11 for storing time dependency of a value proportional to the root mean square (rms value) of a specific frequency, and temporarily stores this value.

この高速データ記憶部11は当該周波数に対応する値のセットであるが、単一時間に対応するものでも良いし、ある時間範囲で複数の値、すなわち周波数と時間の行列データでも良い。 The high-speed data storage unit 11 is a set of values corresponding to the frequency, but may correspond to a single time, or may be a plurality of values in a certain time range, that is, matrix data of frequency and time.

この高速データ記憶部11はこのデータセットが正常であるか、或いは異常データであるかのフラグ領域を持っており、異常データであれば異常データが格納されたデータ記憶部12のように後で認識出来るように構成される。 The high-speed data storage unit 11 has a flag area indicating whether the data set is normal or abnormal data. If the data is abnormal data, the data storage unit 12 stores the abnormal data later. Configured to be recognized.

この高速データ記憶部11に格納されたデータが異常であるかは、予め1個、或いは複数の特定の周波数において、その特定の周波数の2乗平均平方根(rms値)に比例する値が閾値を超えるか否かで判断する。 Whether or not the data stored in the high-speed data storage unit 11 is abnormal is determined based on a value that is proportional to the root mean square (rms value) of the specific frequency at one or a plurality of specific frequencies in advance. Judgment is made based on whether or not it exceeds.

ある一定の時間の測定のあと、異常データが格納されたデータ記憶部12があれば、そのデータ領域、或いは異常データが格納されたデータ記憶部12の前後の高速データ記憶部のデータを無線モジュール13や外部記憶装置14に記憶する。 If there is a data storage unit 12 in which abnormal data is stored after measurement for a certain period of time, the data area or the data in the high-speed data storage unit before and after the data storage unit 12 in which abnormal data is stored are wireless modules. 13 and the external storage device 14.

無線モジュール13や外部記憶装置14は、一般的には大きな電流を消費するため、通常の振動モニタリングを行っている場合は電源を切り、異常信号と判断した場合のみ電源を入れて、データを送ることで、センサシステム全体の平均電力を下げることが可能である。
Since the wireless module 13 and the external storage device 14 generally consume a large current, the power is turned off when normal vibration monitoring is performed, and the power is turned on only when an abnormal signal is determined, and data is transmitted. Thus, it is possible to reduce the average power of the entire sensor system.

1 振動検出センサ
2 アンプ
3 検波回路
4 ローパスフィルター
5 ADC内蔵マイコン
6 データ転送モジュール
7 周波数可変バンドパスフィルター
8 バンドパスフィルター
9 アナログ切り替え回路
10 ステイトバリアブルフィルター
11 高速データ記憶部
12 異常データが格納されたデータ記憶部
13 無線モジュール
14 外部記憶装置


DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vibration detection sensor 2 Amplifier 3 Detection circuit 4 Low pass filter 5 Microcomputer with built-in ADC 6 Data transfer module 7 Frequency variable band pass filter 8 Band pass filter 9 Analog switching circuit 10 State variable filter 11 High-speed data storage unit 12 Abnormal data is stored Data storage unit 13 Wireless module 14 External storage device


Claims (7)

振動検出センサからの入力信号をアナログ信号処理法によって特定の周波数成分のみを透過させる回路と、その信号を検波する回路と、ローパスフィルターを使って特定の周波数の振動加速度の2乗平均平方根値に比例する値を出力する回路と、この特定の周波数成分のみを透過させる回路の中心周波数を変更、制御する制御器と、特定の周波数の振動加速度の2乗平均平方根値に比例する値をデジタル信号に変換する手段を備えた、振動モニタリングシステム。     A circuit that transmits only a specific frequency component of the input signal from the vibration detection sensor using an analog signal processing method, a circuit that detects the signal, and a root mean square value of vibration acceleration at a specific frequency using a low-pass filter A circuit that outputs a proportional value, a controller that changes and controls the center frequency of the circuit that transmits only this specific frequency component, and a digital signal that is proportional to the root mean square value of the vibration acceleration of the specific frequency Vibration monitoring system with means to convert to 特定の周波数成分のみを透過させる回路は、複数のオペアンプを使ったバンドパスフィルターであり、その中心周波数の切り替えに、アナログマルチプレクサーやアナログスイッチを用いた請求項1の振動モニタリングシステム。    2. The vibration monitoring system according to claim 1, wherein the circuit that transmits only a specific frequency component is a band-pass filter using a plurality of operational amplifiers, and an analog multiplexer or an analog switch is used for switching the center frequency. バンドパスフィルターのQ値の範囲は1から10であって、バッファーアンプから最大3個のバンドパスフィルターに接続され、各バンドパスフィルターの入力抵抗が100kΩ以上であって、複数のバンドパスフィルターによってカバーされる範囲は50Hz以上8kHz以下であって、センサシステム全体の平均電流が7mAを超えない請求項1、2の振動モニタリングシステム。     The bandpass filter has a Q value range of 1 to 10 and is connected to a maximum of three bandpass filters from the buffer amplifier. Each bandpass filter has an input resistance of 100 kΩ or more. The vibration monitoring system according to claim 1, wherein the range covered is 50 Hz or more and 8 kHz or less, and the average current of the entire sensor system does not exceed 7 mA. 特定の周波数成分のみを透過させる回路は、ステイトバリアブルフィルターであって、負帰還積分回路の時定数と正帰還積分回路の時定数を決める2個の電子可変抵抗を持ち、16段階以上の周波数を当該電子可変抵抗によって変更することを可能にした請求項1の振動モニタリングシステム。    A circuit that transmits only a specific frequency component is a state variable filter, which has two electronic variable resistors that determine the time constant of the negative feedback integrator circuit and the time constant of the positive feedback integrator circuit, and has a frequency of 16 stages or more. The vibration monitoring system according to claim 1, wherein the vibration monitoring system can be changed by the electronic variable resistor. 特定の周波数成分のみを透過させる回路は、ステイトバリアブルフィルターであって、負帰還積分回路の時定数と正帰還積分回路の時定数を決める、2個の電子可変抵抗を持った一対の可変ゲインアンプによって16諧調以上の周波数を当該電子可変抵抗によって変更することを可能にした請求項1の振動モニタリングシステム。    A circuit that transmits only a specific frequency component is a state variable filter, a pair of variable gain amplifiers having two electronic variable resistors that determine the time constant of the negative feedback integrator circuit and the time constant of the positive feedback integrator circuit. The vibration monitoring system according to claim 1, wherein a frequency of 16 tones or more can be changed by the electronic variable resistor. 1対のアナログマルチプレクサーやアナログスイッチを用いて、1対の積分器の容量を変更することで、周波数帯域を広げ、可変可能な周波数帯域の範囲は50Hz以上8kHz以下することを可能にした請求項1、4、5の振動モニタリングシステム。 By changing the capacity of a pair of integrators using a pair of analog multiplexers or analog switches, the frequency band can be expanded and the variable frequency band range can be 50 Hz or more and 8 kHz or less. Item 1, 4, 5 vibration monitoring system. 特定の周波数に対応する振動加速度の2乗平均平方根値に比例する値を、マイコン内部の高速データ記憶装置に時系列的に当該周波数毎に保管し、その値が周波数毎に予め設定された閾値を超えると異常データと判断して、そのデータセットにフラグを立て、予め設定された時間の測定が終わった段階で、当該フラグがある異常データのセット、或いはその異常データを含む前後の高速データ記憶装置に記憶されたデータを、異常が発見された時のみに電源を入れる無線モジュールでデータを送信するか、異常が発見された時のみに電源を入れる外部記憶装置に書き込むことを可能にした請求項1から6の振動モニタリングシステム。


A value that is proportional to the root mean square value of vibration acceleration corresponding to a specific frequency is stored in a high-speed data storage device inside the microcomputer for each frequency in a time series, and the value is a preset threshold value for each frequency. If it exceeds, the data is judged to be abnormal data, a flag is set for the data set, and when the preset time measurement is finished, the abnormal data set with the flag or high-speed data before and after including the abnormal data Data stored in the storage device can be sent with a wireless module that turns on only when an abnormality is found, or written to an external storage device that turns on only when an abnormality is found The vibration monitoring system according to claim 1.


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