JP2002162413A - 地震検出装置 - Google Patents
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Abstract
で、高精度化が難しかった。 2.静電容量式センサの気密性の変化により、その出力
特性が変化し正確に計測できなくなるとともに、その不
具合の発見が難しいという課題があった。 【解決手段】 1.固定電極と入力量に応じて変位する
可動電極とを有し気体雰囲気中に密閉保存した静電容量
式センサと、上記入力量に対して上記静電容量式センサ
から得られた出力結果と該入力量との関係を記憶した記
憶手段とを備えたものである。 2.交番電圧を自己診断用電極に印加し気密性の不具合
を検出した。
Description
ステムにおけるガバナ室などに設置された地震検出装置
に係り、特に3軸方向の加速度を検出する静電容量式セ
ンサと、この静電容量式センサの出力信号に基づいて演
算処理を行う演算処理回路とを防爆ケースに内蔵した地
震検出装置に関するものである。
ある。図において、31は静電容量式センサ30を収容
した密閉容器である。この静電容量式センサ30はシリ
コン製の下部ストッパ30aと、この下部ストッパ30
a上に配置した台座30bと、この台座30b上に配置
したシリコン製の可動電極30cと、この可動電極30
c上に位置した上部電極(固定電極)30dを備えてい
る。
30dの対向し合う面にそれぞれ設けられた導電体から
なる電極パターンを模式的に示す平面図であり、電極パ
ターンはC1〜C5に5分割されている。それぞれの電
極パターンはリード線32を介して容器本体31aの外
面に設けられた外部接続端子33に接続されている。可
動電極30cにはその中心電極パターンC5の裏側(電
極34が無い側)に振動特性を調整するために重錘体3
5が設けられ、この重錘体35が台座30bの中央に形
成された穴36に配置されている。
に示すように、それぞれ容量/電圧変換器38a〜38
eの入力側に接続され、容量/電圧変換器38a,38
cの出力側は減算回路としてのオペアンプ39aの入力
側に接続され、このオペアンプ39aの出力がX軸の出
力となっている。同様に、容量/電圧変換器38b,3
8dの出力側は減算回路としてのオペアンプ39bの入
力側に接続され、このオペアンプ39bの出力がY軸の
出力となっている。また、容量/電圧変換器38eはそ
の出力がそのままZ軸の出力となっている。なお、この
図8に示す回路は静電容量式センサ30と一体のパッケ
ージに設けられているものが多いので、以下の説明では
両者をまとめて単に静電容量式センサ30と呼ぶことも
ある。
0cの振動特性を最適に調整するために、乾燥した反応
性の低いガス(窒素等)37が減圧封入されている。す
なわち、可動電極30cの振動に対する気流抵抗を小さ
くしている。静電容量式センサ30の固有振動数は測定
しようとしている地震の周波数(約50Hz程度以下)
よりも、大幅に高い周波数に設定してあるので、地震の
周波数を充分測定出来る構造となっている。
ンサ30のX,Y,Z三軸方向を図7及び図10に示
す。静電容量式センサ30は地震の振動を受けると、振
動のX軸方向成分によって、重錘体35が図9に示すよ
うに矢印Fx方向の力を受けて変位するため、上部電極
30dに対する可動電極30cの各電極パターンC1〜
C5の位置が変化し、各電極パターンC1〜C5と上部
電極30dとの間における静電容量が変化する。
する静電容量は、一方は大きく他方は小さく変化する。
また、電極パターンC2,C4に対応する静電容量は、
両者とも同じに変化する。電極パターンC5に対応する
静電容量は、ほとんど変化しない。
1,C3に対応する静電容量を電圧に変換した容量/電
圧変換器38a,38cの出力は、オペアンプ39aで
減算処理されるとC1(又はC3)単独で容量が変化し
た量よりも2倍の感度出力となる。また、上記電極パタ
ーンC2,C4に対応する静電容量を電圧に変換した容
量/電圧変換器38b,38dの出力は互いに等しいた
め、オペアンプ39bで減算処理されると略零となる。
電極パターンC5に対応する静電容量を電圧に変換した
容量/電圧変換器38eも、同様に略零の出力が得られ
る。この結果、X軸方向の加速度成分を検出できる。
センサ30に上記と同等な作用が生じて、オペアンプ3
9bからのみ出力信号が得られ、オペアンプ39a及び
容量/電圧変換器38eからの出力信号は生じない。こ
の結果、Y軸方向の加速度成分を検出できる。
体35が矢印Fz方向の力を受けて変位するため、上部
電極30dに対する可動電極30cの各電極パターンC
1〜C5の位置が変化し、各電極パターンC1〜C5と
上部電極30dとの間における静電容量が変化する。
する静電容量はすべて同じように変化し、電極パターン
C5に対応する静電容量も変化する。
2,C4に対応する静電容量を電圧に変換した容量/電
圧変換器38a,38b,38c,38dの出力は、オ
ペアンプ39a,39bで減算処理されると略零とな
り、電極パターンC5に対応する静電容量を電圧に変換
した容量/電圧変換器38eからのみある出力が得られ
る。この結果、Z軸方向の加速度成分を検出できる。
サは個体毎の検出特性のばらつきが比較的大きいという
問題点を有している。従来の地震検出装置はこのような
静電容量式センサを搭載しているので、量産したときに
各個体毎に検出特性がばらついてしまうという課題があ
った。
うな場合に、その検出特性が初期の状態から変化してし
まうことがあった。 (1)容器の密閉性が悪化して、内部のガス圧力が変化
したとき。 (2)材料の割れや剥離が生じて、重錘体を保持してい
る梁や重錘体の接合部の弾性特性が変化したとき。 (3)地震センサの傾きが変化し、重錘体に作用する重
力方向が初期位置から変化したとき。 しかしながら、地震検出装置は建物に固定設置された状
態で使用されているので、点検作業を行うために設置場
所に点検設備を持ち込んだり、あるいは点検設備を有す
る工場へ地震検出装置を移送したりすることには非常に
手間がかかるという問題点があった。
めになされたもので、静電容量センサを用いても個体毎
の検出特性のばらつきが少ない地震検出装置を得ること
を目的とする。また、簡単な操作によって点検作業を的
確に行うことができ、設置場所においても点検作業が可
能な地震検出装置を得ることを目的とする。
装置は、固定電極と入力量に応じて変位する可動電極と
を有し気体雰囲気中に密閉保存した静電容量式センサ
と、上記入力量に対して上記静電容量式センサから得ら
れた出力結果と該入力量との関係を記憶した記憶手段と
を備えたものである。
と入力量に応じて変化する可動電極とを有し気体雰囲気
中に密閉保存した静電容量式センサと、上記入力量に対
して上記静電容量式センサから得られた出力結果と該入
力量との関係を記憶した記憶手段と、外部からの指示に
応じて、上記固定電極と可動電極との間に交番波形の入
力量を加え、この入力量に対応する上記静電容量式セン
サからの出力結果と上記記憶手段に記憶された該入力量
に対応する出力結果を対比判断する判断手段とを備えた
ものである。
る。 実施の形態1.図1はこの発明の実施の形態1による地
震検出装置を使用するガス供給システムの概略構成を示
す説明図である。図1において、1は防爆域を備えたガ
ス製造工場、2はガスタンク、3は高圧導管、4はガバ
ナ、5は防爆域を備えたガバナステーション、6は中圧
導管、7はガバナ、7aは緊急遮断弁、8は監視室、9
および10はガバナ4および緊急遮断弁7aに緊急遮断
指示を供給する伝送線、11は防爆域たるガバナ室、1
2は緊急遮断機能を有したガバナである。
段40を密閉保持した防爆ケースである。静電容量式セ
ンサ30は前述の通り図6に示したように構成されてお
り、3軸(X,Y,Z軸)計測が可能である。演算処理
手段40は図2に示すように、静電容量式センサ30に
切替えスイッチ46を介して電圧を供給する電圧発生回
路41および該静電容量式センサ30からの出力を切替
えスイッチ46を介して検出する検出回路42、この検
出回路42の出力をA/D変換するA/D変換回路4
3、このA/D変換回路43の出力を処理するマイクロ
コンピュータ等の判断処理回路44、この判断処理回路
44の判断結果を記憶するE2PROM等の記憶手段4
5を備えている。記憶手段45には診断を実行するため
の診断プログラムが格納されており、外部からの診断開
始指令に応じて読み出され実行される。
出信号としてのデジタル信号(2値信号)を、ガバナ室
外壁面(非防爆域)に設けられた制御盤60へ伝送する
検出信号の伝送線である。制御盤60には振り子などを
利用してなる機械式地震センサ61と、上記伝送線50
を介して伝送されたデジタル信号と機械式地震センサ6
1からの出力信号との両方が規定値以上の時、ガバナ1
2を遮断する遮断信号63を発生させる判定回路62と
が設けられている。制御盤60には診断スイッチ(図示
せず)が設けられており、保守作業者がこの診断スイッ
チを押すことにより、地震検出装置に診断開始指令を与
えて上記診断プログラムを実行させることができる。6
4は低圧導管、65はガスを供給される家庭、66はガ
スを供給される工場、70は制御盤60から演算処理手
段40に指令信号を伝送する指令信号の伝送線である。
なお、通信手段(図示せず)を用いて遠隔にある監視室
8から地震検出装置へ診断開始指令を送信し、上記診断
プログラムを実行させることもできる。
発生回路41および検出回路42の接続構成を示す図で
あり、可動電極30cの分割された各電極パターンC1
〜C5および温度検出素子80には、切替えスイッチ4
6を介して電圧発生回路41および検出回路42が接続
される。なお、図示例は説明の簡略化のために切替えス
イッチ46として機械式スイッチを示したが、コンピュ
ータプログラムによるソフトウェア的な切替手段が用い
られることが多い。この切替えスイッチ46は複数の接
点を有しており、上記診断プログラムの手順に従って特
定の接点が選択的に開閉されるようになっている。
て、静電容量式センサ30が地震を検出すると、その検
出信号が切替えスイッチ46,検出回路42,A/D変
換回路43を介して演算処理手段40の判断処理回路4
4に入力される。この判断処理回路44ではSI(Sp
ectrum Intensity)値が算出され、こ
の算出値に基づいて緊急遮断指示を出力するか否かが判
定され、緊急遮断指示が出力されると、伝送線50を介
して制御盤60の判定回路62に当該指示が入力され
る。一方、機械式地震センサ61の出力も判定回路62
に入力される。
40の判断処理回路44からの指示信号と機械式地震セ
ンサ61からの出力信号との両方が入力され、その両入
力がともに規定値以上であるときは遮断信号63を発生
させ、これによりガバナ12を遮断する。すなわち、低
圧導管64へのガスの供給が緊急遮断され、ガス漏れに
よる被害の拡大や2次災害の発生を防止する。
施される校正作業(キャラクタリゼーション)について
述べる。この校正作業は静電容量式センサ30の個体に
よるばらつきの影響を補正すると共に静電容量式センサ
30の初期特性を記録するために行うものである。すな
わち、静電容量センサ30に対して所定の入力(加速
度、診断用入力電圧)を与え、これに応じて静電容量セ
ンサ30(検出回路42)から出力される出力電圧との
関係を示すデータを記憶手段45に記憶させる。ここで
記憶手段45に記憶されるデータには二種類がある。第
一のデータは加速度とそれに対する出力電圧との関係を
示すデータであり、地震の検出に用いられるものであ
る。第二のデータは診断用入力電圧とそれに対する出力
電圧との関係を示すデータであり、専ら診断作業のため
に用いられるものである。第一のデータとは別に第二の
データを設けたのは、第一のデータを用いて診断を行お
うとすると静電容量式センサ30に加速度を印加する必
要があり、固定設置されている地震検出装置を取り外さ
なければならない等の煩雑さが生じるからである。そこ
で、この発明の実施の形態においては、地震検出装置内
に電圧発生回路41を予め設けておき、必要時に静電容
量センサ30に所定の診断用入力電圧を印加し、その出
力を第二のデータと比較して診断を行うようにして、地
震検出装置を設置場所から取り外すことなく診断作業を
可能としたのである。なお、第一及び第二のデータとし
て計測したデータをそのまま記憶させておくことも可能
であるが、ここでは計測したデータからそれぞれの近似
式を導き出して記憶させるようにしている。
せる工程を説明する。 回転や振動をさせることにより、または、重力(98
0Ga1の加速度が常に印加している)の印加角度を変
化させることにより、加速度を任意に変化させて印加で
きるように、静電容量式センサ30と演算処理手段40
を含んだ防爆ケース20ごと架台に設置して恒温槽へ取
り付ける。加速度の印加方法は別の方法でも良い。外
部のコンピュータからの指示により、恒温槽温度を何点
か変化させながら、その各温度において、架台を回転し
印加加速度を変化させる。 演算処理手段40内の判断処理回路44は、外部のパ
ーソナルコンピュータ(図示せず)からの指示により、
温度(電圧)/出力特性(電圧)を正確に計測しなが
ら、温度検出素子80で検出する温度を何点か(例え
ば、0,25,50℃)変化させながら印加加速度も変
化させる。静電容量式センサ30のように検出特性が温
度の影響を受けやすいものを用いる場合には、このよう
に温度に関する特性データを計測しておくことが必要で
ある。 その入力量即ち印加加速度は、架台の回転角より正確
に求め、温度は、温度検出素子80の出力電圧と静電容
量式センサ30からの出力電圧である39a(X軸)、
39b(Y軸)、38e(Z軸)を検出回路42,A/
D変換回路43を通して、正確に求める。 そして、それらのデータから逆にその出力電圧と温度
から正確に加速度を求める下記の加速度関数式を外部コ
ンピュータで演算処理して求め、E2PROM等の記憶
手段45へ格納する。 このような〜の処理は工場の生産ラインの中で行
う。
力、αzはZ軸方向の出力、Tは温度である。
ース20,演算処理手段40,静電容量式センサ30等
の図2全体)を通常の地震検出に使用するときには、記
憶手段45に格納された加速度関数式(第一のデータ)
に、静電容量式センサ30の出力電圧と温度検出素子8
0の出力電圧を代入して、真の加速度を得ることがで
き、高精度の検出を達成できる。
せる工程を説明する。 上記と同じシステムで実施する。外部コンピュータか
らの指示により、判断処理回路44は切換えスイッチ4
6に切替指令を与え、目的の電極に電圧を印加できるよ
うに、また、静電容量式センサ30の出力電圧を検出で
きるように、選択された切換えスイッチ46の可動片を
白丸又は黒丸接点側に投入する。 電圧発生回路41へ判断処理回路44から指令を与
え、規定の電圧を発生させる。各電極への印加電圧は、
全電極の電圧が同じ場合もあり、個々の電極により異な
る場合もある。静電容量センサ30は、可動電極30c
に設けられた電極パターンと上部電極30d(固定)に
設けられた電極パターンとが狭い隙間を隔てて対向した
構造になっているので、それぞれの電極に極性の異なる
(同じ)電圧を印加すると両極間に吸引力(反発力)が
発生し、可動電極30cが上部電極30dの方向(上部
電極30dと反対の方向)へ変位して両極間の静電容量
が変化する。 検出回路42へ判断処理回路44から指令を出し、そ
のときの温度検出素子80と静電容量式センサ30の出
力を測定する。例えば、T1温度にて、X軸の自己診断
のキャラクタリゼーションを実施する場合、電極パター
ンC1にa1電圧を、電極パターンC3にa3電圧を印
加し、電極パターンC5またはリング片C6(または電
極パターンC2,C4)にて出力を検出する。これらの
測定を印加電圧を変え、数回測定する。更に交番電圧
(周波数、波形は適切なものを用いる)を印加し、その
周波数特性を測定する。即ち、ある印加電圧・波形で何
点かの周波数を変え、その出力電圧を測定しデータを取
る。 上記の手順を他の電極にも実施する。この場合、電圧
を変えることと電極を変える異に関しては、どちらを先
に実施しても良い。
実施する場合、電極パターンC2にa2電圧を、電極パ
ターンC4にa4電圧を印加し、電極パターンC5また
はリング片C6(または電極パターンC1,C3)にて
出力を検出する。また、例えば、T1温度にて、Z軸の
自己診断を実施する場合、電極パターンC1にa1電圧
を、電極パターンC4にa4電圧を印加し、電極パター
ンC3にa3電圧、電極パターンC2にa2電圧を印加
し、電極パターンC5またはリング片C6にて出力を検
出する。また、通常は、測定用電極を逆に利用し、電圧
を印加するが、自己診断用電極を素子の中に用意してあ
る場合も全電極測定しておく。同様に交番電圧による周
波数特性を測定する。逆に電極パターンC5やリング片
C6にa5電圧を印加し、C1,C2,C3,C4の出
力電圧39a,39bを測定しても良い。
0,25,50℃と変化させながら測定しデータを取得
する。 上記〜の処理で取り込んだデータに基づき、温度
と印加電圧と静電容量式センサの出力電圧との関係から
自己診断出力関連式を求め、記憶手段45に格納する。
以上〜までの処理を工場の生産ラインの中で行う。
自己診断用
装置の自己診断(自動診断)について説明する。演算処
理手段40の判断処理回路44は制御盤60から伝送線
70を介して自己診断実施信号の供給を受けると、切換
スイッチ46のうち特定の可動片(例えば電極パターン
C1,C3に接続された可動片)を診断側(白丸接点側
に投入)に切替選択するとともに、電圧発生回路41を
起動させる。このため、静電容量式センサ30の電極C
1,C3には、上記キャラクタリゼーション時と同じ電
圧が電圧発生回路41より印加され、このときの静電容
量式センサ30の電極パターンC5,リング片C6の出
力値を検出回路42,A/D変換回路43を介して判断
処理回路44に供給する。
パターンに対して直流だけの電圧印加では、静電容量式
センサの劣化を全て確実に検出することができない。そ
こで、10Hz,30Hzのように周波数を変え、正弦
波交流、脈流、矩形波、三角波等の交番波形(予め第二
のデータとして記憶されているもの)の電圧を印加す
る。実施の形態では10Hzの正弦波の電圧を印加して
いる。
測定結果とを比較する。図4に静電容量式センサ30の
初期特性の一例を示す。図4(a)は周波数スペクト
ル、(b)は位相特性である。一方、気密性が低下した
場合の同特性をそれぞれ図5(a),(b)に示す。こ
の例では比較的周波数の高いところでレベルの低下が発
生している。静電容量式センサ30の劣化・故障の種類
や程度により、このように特性曲線の形状が変化するの
で、診断が可能となる。通常は、1〜3点位の周波数で
初期のデータと診断時のデータと差異を調べる。そこ
で、この特性の差異の大きさにより、軽故障や重故障や
使用不可等の判断を行い、各種警報信号を制御盤60に
出力し、制御盤60に設けた表示灯を点灯させて報知す
る。また、通信手段(図示せず)を用いて遠隔の監視室
8へ通報することも可能である。
検出出力に対して非常に大きく、その補償をする必要が
ある。然るに、予め生産工場において、様々な温度にお
ける特性データを測定し記憶しておくことにより検出出
力に対する温度の影響を排除できる。すなわち、自己診
断時での出力が小さくても、出力が変動した場合は、ド
リフトとして分離できる。また、この自己診断の工程を
判断処理回路44で実施し、データ測定や演算や判断を
その判断処理回路44で実施するため、作業員等による
判断ミス等が発生しないで、確実に判断でき、外部へ異
常信号(重故障や軽故障)として出力することができ
る。
量に対して静電容量式センサから得られた出力結果と該
入力量との関係を記憶しておくように構成したので、高
精度の地震検出装置を維持することができる効果があ
る。
と、静電容量式センサに交番波形(交流、脈流、矩形
波、三角波などを含む)の電圧を印加して自己診断を行
い、この時得られた測定結果と、予め求めた自己診断関
数式に測定温度と印加電圧を代入して求めた結果とを比
較して静電容量式センサの性能劣化を内部判断回路にて
検出するように構成したので、簡単にかつ正確に静電容
量式センサを検出精度が低下した状態(あるいは故障し
た状態)で使用され続けることを防止することができる
効果がある。
使用するガス供給システムの概略構成を示す説明図であ
る。
である。
検出回路の接続構成図である。
(533Pa)された場合の入力電圧の周波数変化に対
するLogMagおよび周波数変化に対する位相の特性
図である。
が大気圧の場合の入力電圧の周波数変化に対するLog
Magおよび周波数変化に対する位相の特性図である。
平面図である。
たときの検出動作を示す断面図である。
たときの検出動作を示す断面図である。
ある。
Claims (2)
- 【請求項1】 固定電極と入力量に応じて変位する可動
電極とを有し気体雰囲気中に密閉保存した静電容量式セ
ンサと、上記入力量に対して上記静電容量式センサから
得られた出力結果と該入力量との関係を記憶した記憶手
段とを備えた地震検出装置。 - 【請求項2】 固定電極と入力量に応じて変化する可動
電極とを有し気体雰囲気中に密閉保存した静電容量式セ
ンサと、上記入力量に対して上記静電容量式センサから
得られた出力結果と該入力量との関係を記憶した記憶手
段と、外部からの指示に応じて、上記固定電極と可動電
極との間に交番波形の入力量を加え、この入力量に対応
する上記静電容量式センサからの出力結果と上記記憶手
段に記憶された該入力量に対応する出力結果を対比判断
する判断手段とを備えた地震検出装置。
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