JP2019035666A - 設備・機器の常時振動モニタリングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 本考案は、社会インフラ設備、産業機器、生産装置との加速度等の振動状態を検出し、その運転・故障状態やメンテナンスの必要性を判断するための振動モニタリングシステムを、従来の高価・大型なシステムではなく、安価に、電池駆動で、常時運転できる実用化システムを提供するものである。【解決手段】 本考案は、高価で大型、大きな消費電力が必要な高速アンプや、数値計算コンピュータを使うことなしに、バンドパスフィルターの中心周波数を自動的に切り替え、或いは制御することが可能なアナログ周波数解析装置を搭載することで、小型・安価に、電池駆動で周波数解析された振動データを取得でき、常時運転で異常時のみにデータを転送、或いは保存できるようにした振動モニタリングシステムを提供するものである。【選択図】 図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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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」 特開平 6-307923号公報 「多数点同時振動計測装置」 特開2000-346701号公報 「感震器」 特開平 2-21533号公報 「振動監視装置」 実開平 5-90335号公報 「騒音モニタ装置」

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

この考案の実施例（実施例１）の構成を示す。 実施例２の構成を示す。 実施例２の具体的な回路図の例を示す。 実施例３の具体的な回路図の例を示す。 実施例３の具体的な回路図の例を示す。 実施例４の具体的な構成を示す。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (7)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。