JP2012503184A - テスト可能の振動モニタリングデバイスおよび方法 - Google Patents

Abstract

基準軸を持ち、共通支持体に固定された２つの加速度計を備えた振動モニタリングデバイス。各加速度計は、中間静止位置と２相対終端の間で基準軸に平行に移動可能な慣性質量と、共通支持体が振動していないとき静止位置から一方のテスト可能の方向に２相対終端の一方に向かって慣性質量を移動するための内部テスト回路と、基準軸に平行する慣性質量の動きに対応する加速度信号を発信する検知手段とを含み、前記加速度信号は中間静止位置と２相対終端の一方の間の慣性質量の動きに対応する第１の信号部分、および中間静止位置と２相対終端の他方の間の慣性質量の動きに対応する第２の信号部分を含んでいる。注目すべきことは、２つの加速度計のテスト可能の方向が相互に対して反対であることである。

Description

本発明は振動モニタリングデバイス(vibration monitoring device)に関し、さらに具体的には、過酷な環境で使用され、特に鉄道車両のボギー台車(bogie)の安定性をモニタリングするためのテスト可能の振動モニタリングデバイスに関する。また、本発明はこのようなデバイスで振動をモニタリングする方法およびこのようなデバイスの操作可能性をテストするための方法に関する。

従来のボギー台車は、片揺れダンパ(yaw damper)または摩擦板(friction plate)のように、ボギー台車が正弦波状の軌跡に追従する傾向を打ち消す作用をする受動的安定化手段を備えている。これらの安定化手段は「不安定限界(instability limit)」と呼ばれて、その限界になると比較的円滑な正弦波状の走行がボギー台車のハンチング(hunting)にまで悪化し、それが原因で走行快楽性が損なわれ、ホイールとレールの間に高い力が発生する速度を増加するためにも使用されている。

例えば、片揺れダンパの欠陥が原因で起こる危険走行のリスクを最小限にするために、ヨーロッパ委員会によって公表された非特許文献１は、高速列車に搭載されて列車のボギー台車の動きの不安定の検出を可能にする手段の導入に関する規定を記載している。

鉄道旅客車両のボギー台車の走行不安定を検出するアルゴリズムは、非特許文献２に定義されている。このアルゴリズムによれば、４Ｈｚから８Ｈｚの範囲のあらかじめ決めたしきい値を超えるボギー台車の横方向加速度が、あらかじめ決めた時間期間（例：５００ｍｓ）であらかじめ決めたしきい値（例：８ｍ／ｓ^２）を越える連続ピークのあらかじめ決めた数以上になると不安定が検出されている。

ボギー台車の不安定モニタリングシステム(instability monitoring system)は特許文献１から知られている。ボギー台車は、ボギー台車の縦方向の中央平面の各側に置かれた２つの縦方向加速度計を備えている。２つの加速度計からの信号は比較され、処理されて、これらの信号の差があらかじめ決めた量より大であるかどうかが判断され、大であれば、アラーム信号がトリガされる。

鉄道車両(rail vehicle)用の振動モニタリングシステムは特許文献２、特許文献３および特許文献４から知られている。１つまたは２つ以上の加速度計、好ましくは、三軸(tri-axial)加速度計は、列車配列構成(train consist)上の遠隔ロケーションに置かれた中央信号処理ユニットに接続されている。このタイプの構成は、ブレーキ、ボギー台車または車体（car body）のような特定の車両サブシステムを診断目的にモニタリングするのに適していることが実証されているが、他方では、安全コンポーネントに要求されるレベルの安全性と信頼性が得られない。具体的には、加速度計から遠隔処理ユニットへの加速度信号の伝送は不十分な信号対雑音比の影響を受けることがある。さらに、一方の加速度計の故障または中央信号処理ユニットの故障は未検出のままのことがある。

不安定検出デバイスを実現する既存の試みは、センサ〈例：加速度計〉および遠隔ソフトウェアベースの処理ユニットをベースとしているが、非特許文献１の安全性と信頼性の要件を満たす能力に欠けているので、安全であると証明することができない。不安定のリスクはこのようなデバイスの導入によって軽減されるが、その一方では、不安定走行期間のモニタリングデバイスの未検出誤動作は依然として起こり得るためにそのリスクを０にすることができない。

テスト可能の加速度計はこの分野では周知である。例えば、振動が発生していない場合に静止位置から一方のテスト可能の方向に２相対終端の一方に向かって加速度計の慣性質量を移動するための内部テスト回路を含む加速度計は特許文献５に記載されている。しかし、マーケットで市販されるテスト可能の加速度計は、静止位置の各側で２対向端の各々に向かって慣性質量を選択的に移動する能力を備えていない。

第ＥＰ１１９７７３９号明細書 第ＤＥ１００２０５１９号明細書 第ＤＥ１００２０５２０号明細書 第ＤＥ１００２０５２１号明細書 第ＤＥ４３１６２６３号明細書

ＴＳＩ ＨＳ(Technical Specifications of Interoperability−High-Speed) ＵＣＩリーフレット５１５．５ ＣＥＮＥＬＥＣ標準ＥＮ５０１２６−ＥＮ５０１２９

従来技術の上述した欠点は本発明によって解決されている。本発明の一側面によれば、基準軸をもち、共通支持体に固定された２つの加速度計を含む振動モニタリングデバイスが提供されており、各加速度計は、
中間静止位置と２対向端の間で基準軸に平行に移動可能である慣性質量と、
共通支持体の振動がないとき静止位置から一方のテスト可能の方向に２対向端の一方に向かって移動するための内部テスト回路と、
基準軸に平行する慣性質量の動きに対応する加速度信号を発信する検知手段であって、加速度信号は中間静止位置と２対向端の一方の間の慣性質量の動きに対応する第１の信号部分と、中間静止位置と２対向端の他方の間の慣性質量の動きに対応する第２の信号部分を含んでいるものと、
を備えていて、そこでは２加速度計のテスト可能の方向は相互に反対になっている。

２つの加速度計を使用すると、システムに冗長性が加わる。加速度計の特定の構成により、振動モニタリングデバイスを２相反方向にテストすること、および各信号のうち実際にテストができる第１の部分を使用してモニタリング目的またはテスト目的のために完全な加速度信号を再構築することができる。

上述したように、テスト可能の加速度計はこの分野で周知である。内部テスト回路は慣性質量と協働作用し、テスト端子に接続された容量性プレート(capacitive plate)を含み、ＤＣ電圧がテスト端子に印加されると、テスト可能の方向への慣性質量の動きが起るようになっており、この動きは、その方向への一定加速度をシミュレートしている。

好ましくは、振動モニタリングデバイスは、さらに、２加速度計によって発信された加速度信号を処理し、不安定信号を発信する不安定モニタリングアルゴリズムを実現するための信号処理ユニットを含んでいる。

好ましい実施形態によれば、振動モニタリングデバイスは、さらに、テストプロシージャを実行するための手段を備えていて、このテストプロシージャは、
不安定状態をシミュレートするように加速度計の内部テスト回路をアクチベートし、
不安定モニタリングアルゴルリズムを実行し、
不安定モニタリングアルゴリズムが不安定信号を発信した場合は正のテスト結果を出力し、そのでなければ負のテスト結果を出力すること、
を含んでいる。

加速度計によって生成されるテスト信号は加速度計と不安定モニタリングアルゴリズムの両方の動作可能性をテストするために使用される。本発明の利点は、テストプロシージャを実行する手段がステートマシン(state machine)を含んでいることである。

好ましい実施形態によれば、不安定モニタリングアルゴリズムは、２加速度信号の第２の信号部分を考慮することなく、２加速度信号の第１の信号部分をモニタする。言い換えれば、不安定モニタリングアルゴリズムは、加速度信号のうち実際にテストできる部分だけを考慮する。それぞれのテスト不可能な方向における加速度計の潜在的に検出できない欠陥はデバイスの操作可能性に影響することがない。

好ましい実施形態によれば、信号処理ユニットは２加速度計に接続され、同時に並行に実行される不揮発性ロジックブロックを備え、不安定モニタリングアルゴリズムを実現するプログラマブルロジックデバイス(programmable logic device)を含んでいる。ハードウェアベース、特に不安定検出アルゴリズムを実行するためのＰＬＤ(programmable logic device)の使用により、不安定モニタリングデバイスはＳＩＬ(Safety Integrity Level)に割り当てることができる。

好ましくは、プログラマブルロジックデバイスはＦＰＧＡ(field programmable gate array)にすることも、ＣＰＬＤ(complex programmable logic device)にすることも可能であり。これはフラッシュメモリのような不揮発性消去可能および再プログラム可能メモリを備えることができる。従って、コードをＰＬＤセルに置くための構成デバイスの必要がない。ＰＬＤはセットアップのあと即時に操作可能である。

好ましい実施形態によれば、不安定モニタリングデバイスは、
第１の加速度信号を前処理し、
前処理した加速度信号のうちテスト可能の方向においてあらかじめ決めたしきい値よりも高いピックを検出し、
２つの連続ピーク間の時間があらかじめ決めたタイムウィンドウ(time window)内にあればカウンタをインクリメントし、
カウンタがあらかじめ決めたカウンタしきい値に達したか、または越えた場合は、固体素子安全リレーをアクチベートし、
あらかじめ決めた時間間隔内にピークが検出されなかった場合は、カウンタをリセットすることを含んでいる。

このアルゴリズムは、非特許文献２に定義されている要件に基づいている。タイムウィンドウは下限が例えば１５０ｍｓに、上限が例えば２５０ｍｓになっており、これは標準で考慮された周波数スペクトルにおける限定バンド幅の時間と同等になっている。

本発明の利点は、第１の加速度信号の前処理が、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタを通して第１の加速度信号を処理することを含んでいることである。ローパスフィルタは高周波数のノイズを除去するために使用されるのに対し、ハイパスフィルタはカーブで起ったり、またはデバイスの位置付けが不適切であるために起ったりするＤＣオフセットを除去するために使用されている。

本発明の利点は、２つの加速度計が同一であるために、信号が比較または結合される場合または信号が同一ロジックブロックを実現する並列パネルを使用して並列に処理される場合には信号を前処理する必要がないことである。例えば、同一の加速度計はゲインが同一であるので２つの加速度計からの加速度信号のピークを検出するのに同じしきい値を使用することができる。

本発明の別の側面によれば、前述したような振動モニタリングデバイスを備えたボギー台車が提供されている。

なお、本発明は鉄道産業に限定されず、厳しい外部条件と高い安全要求条件を結合した他のシステムまたは応用分野においてもその利点が得られる。

本発明の別の側面によれば、前述した振動モニタリングデバイスを使用して振動をモニタリングする方法が提供されており、この方法は不安定モニタリングアルゴリズムを実行して不安定信号を得ることを含んでいる。好ましくは、モニタリングアルゴリズムは、２加速度信号の第２の信号部分を考慮することなく、２加速度信号の第１の信号部分をモニタする。

好ましくは、この方法はさらにテストプロシージャを含み、このテストプロシージャは、
不安定状況をシミュレートするように加速度計の内部テスト回路をアクチベートし、
不安定モニタリングアルゴリズムを実行し、
不安定モニタリングアルゴリズムが不安定信号を出した場合は正のテスト結果を出力し、そうでない場合は負のテスト結果を出力すること、
を含んでいる。

さらに、この方法の利点は、加速度信号の各々について、
加速度信号を前処理して、少なくとも加速度信号の第１の部分に対応する第１の部分を含む前処理された加速度信号を取得し、
あらかじめ決めた加速度しきい値より高い前処理された加速度信号の第１の部分のピークを検出すること、
を含んでいることである。

また、この方法は、加速度信号の各々について、
２つ連続ピーク間の時間があらかじめ決めたタイムウィンドウ内にある場合はカウンタをインクリメントし、
カウンタがあらかじめ決めたカウンタしきい値に達したか、または超えた場合は不安定信号を発信し、
あらかじめ決めた時間期間内にピークが検出されなかった場合はカウンタをリセットすること、
を含んでいる。

本発明のその他の利点および特徴は、非限定的な例としてのみ示され、添付図面に表された本発明の特定の実施形態の以下の詳細説明に明示されている。添付図面において、
本発明による不安定モニタリングデバイスを示すブロック図である。 図１の不安定モニタリングデバイスのカップルの自己テスト可能のマイクロ電気機械的加速度計を示す図である。 図３Ａ乃至図３Ｋは図１の不安定モニタリングデバイスによる加速度信号の処理を示す図である。 図１の不安定モニタリングデバイスの固体素子安全リレーのテストのために使用されるテスト回路を示す図である。 図４Ａの変形実施形態を示す図である。 図１に図示したタイプの複数の不安定モニタリングデバイスを含む不安定モニタリングシステムを示す図である。 図５Ａの変形実施形態を示す図である。

図１を参照して説明すると、ボギー台車１２の不安定モニタリングに専用される不安定モニタリングデバイス１０は、ボギー台車フレーム１８に固定されたボックス１６内にマウントされた印刷回路基盤(printed circuit board)１４を含んでいる。この回路基盤１４は、２つの同一の横方向加速度計(lateral accelerometer)２２Ａ、２２Ｂを主入力として、２つの固体素子安全リレーを主出力としてもつＰＬＤ(programmable logic device)２０の周りに構築されている。システムは、必要な電源回路２６の他に、温度センサ２８、クロック回路３０、監視回路(watchdog circuit)３２、テスト要求のための入力端３４および不安定通知のための出力端３６も備えている。

図２に図示の２つの横方向加速度センサ２２Ａ、２２Ｂは、好ましくは、ＭＥＭＳ(Micro- Electro-Mechanical System)タイプになっている。このタイプの加速度計はこの分野では周知である（例えば、VTI TechnologiesのSCA 1000参照）。加速度計２２Ａ、２２Ｂは、支持つなぎ鎖(supporting tether)２２２によって基板上に吊り下げられたポリシリコン桁の形体をした慣性質量(inertia mass)を含んでいる。基板にほぼ平行である桁２２１は、基準軸Ｘ‐Ｘに沿って延長され、桁の軸に直交する方向に桁から離れるように延びている複数のプレート２２３を備えている。桁２２１とプレート２２３は軸Ｘ−Ｘに沿って基板に対して横方向に移動可能になっている。これらの可動プレート２２３の各々は、桁２２１に直交し、基板に対して固定されている２つのポリシリコンプレート２２４間に位置している。各可動プレート２２３および可動プレートの両側の固定プレート２２４は差動キャパシタセル(differential capacitor cell)２２５を形成している。これらのセルは付加的に差動キャパシタを形成している。ポリシリコンの代わりに、加速度計は、単結晶シリコンのようにこの分野で知られた他の材料で作られることもある。

このような差動キャパシタで加速度を検知するには種々の手法が使用可能である。可動プレート（例えば、質量と共に移動可能）は各々が静止位置にある２固定プレート間の中央に位置している。可動プレートの一方の側のすべての固定プレートは電気的に一緒に結合され、充電されており、可動プレートの他方の側のすべての固定プレートも電気的に一緒に結合され、充電されている。基準軸に沿った外部の力／加速度に応答して、質量は可動プレートと共に一方または他方の固定プレートセットの方向に移動するので、異なるプレート間のキャパシタンスが変わり、電気信号が発生する。固定プレート上のこの信号は増幅され、処理されて出力端子２２６に送られる。

センサ２２Ａ、２２Ｂの正しい動作を検証するために、自己テスト入力端子２２８が設けられている。自己テストをアクチベートすると、基準軸Ｘ−Ｘに平行なテスト可能の方向に階段関数力(step function force)が加速度計２２に加えられる。さらに具体的には、自己テスト入力端子２２８を介して自己テストをアクチベートすると、テストセル(test cell)２３１における可動桁２２１の一方の側の少なくともペアの固定プレート２２９上の電圧が変化する。これにより、可動桁２２１と一体のテストプレート２３０に吸引静電力が発生するので、桁２２１は静止位置からテスト可能の方向に向かって移動する。このセンサがテスト可能の方向に変位すると、センサの出力端子２２６に現れた信号が変化する。

注目すべきは、２つの同一加速度計２２Ａ、２２８が印刷回路基盤上で相反方向に向いていることであり、このことは、印刷回路基盤が振動を受けたときに、それぞれの出力が同一絶対瞬時値と反対符号を有していることである。また、このことはその基準軸Ｘ−Ｘが同一線上にあること、およびそれぞれのテスト可能の方向ＤＡ、ＤＢが相互に対して相反していることも意味している。

加速度計２２Ａ、２２Ｂは、ＡＤ(analog to digital)コンバータＡ／ＤＣを介してプログラマブルロジックデバイスＰＬＤ(programmable logic device)に接続されている。このプログラマブルロジックデバイスはＦＰＧＡ(field-programmable gate array）にすることも、ＣＰＬＤ(complex programmable logic device)にすることもできる。これは、同時に並行に実行され、不安定状態が検出されると、第１および第２の固定素子リレーのステートをアクティブステートから障害ステートに変化させる不安定モニタリングアルゴリズムを実現する不揮発性ロジックブロック(non-volatile logic blocks)を備えている。

図３Ａと図３Ｂに例示の第１と第２の加速度計からのデジタル化加速度信号は、それぞれ図３Ｃ乃至図３Ｋに図示のように並行チャネルで処理される。プログラマブルロジックデバイスに入力されるとき、各加速度計のデジタル化加速度信号は、数値バンドパスフィルタ(numerical band-pass filter)を使用して最初にフィルタリングされる。このバンドパスフィルタは、ローパスとハイパス２次Butterworthフィルタから構成されている。ハイパスフィルタは信号オフセット(single offset)を除去するために使用される。そのカットオフ周波数（−３ｄＢ周波数）は３Ｈｚである。ローパスフィルタはカットオフ周波数がノイズ除去のために３０Ｈｚおよび４０Ｈｚになっている。フィルタリングされた結果信号は図３Ｃと図３Ｄに示されている。あらかじめ決めたしきい値を超えるフィルタリングされた信号のピークは図３Ｅに図示のように検出される。しきい値は、各加速度計２２Ａ、２２Ｂについて、対応するテスト可能の方向ＤＡ、ＤＢ（すなわち、この例では正のしきい値）に対応する方向にセットされる。テスト可能の方向に反対の方向における加速度信号のピークは考慮されない。ゼロからスタートして、カウンタは、連続ピークがあらかじめ決めたタイムウィンドウ内に検出されたとき、つまり、図３Ｆに示すように、２つの連続ピークが１２５ｍｓ以上および２５０ｍ以下だけ相互から離れているとき、各加速度計についてインクリメントされる。さらに具体的には、タイマはカウンタの各インクリメントのあと始動される。最後にカウントされたピークと新しいピーク（タイマによって測定された）の間の時間が１２０ｍｓ以下または２５０ｍｓ以上であるが、５００ｍｓ以下である場合は、カウンタは更新されない。カウンタとタイマは、最後のピークのあとのＴ＝５００ｍｓの期間にどのピークも検出されない場合または１２５ｍｓ以下または２５０ｍｓ以上は離れているピークが５００ｍｓの期間後に検出された場合０にリセットされる。不安定信号は、図３Ｈと図３１に示すようにカウンタが一方の加速度計でＮに達すると発信され、その場合にはタイマとカウンタもリセットされる。不安定検出信号は、図３Ｊに示すように、不安定信号が両方の加速度計で検出されたとき発信される。警告信号は初期のステージに、例えば、図３Ｋに示すように、第１または第２のピークが両方のチャネルで検出されると直ちに発信されることもある。注目すべきことは、不安定を検出するために使用されるアルゴリズムは、各加速度計のある部分だけ、すなわち、各加速度計のテスト方向に対応する部分を使用することである。

各安全固定素子リレー２４ａ、２４ｂは、２つの出力端子４１ａ、４２ａ、４１ｂ、４２ｂを備えており、制御入力端子に現れた対応する制御信号が変化したときアクティブステートから障害ステートにそのステートを変化させるように設計されている。第１と第２の固定素子リレー２４ａ、２４ｂは、「常時開いた」接点の働きをし、このことは、励磁されたとき閉じられ、制御信号がないとき開くことを意味している。さらに具体的には、不安定がないときは、あらかじめ決めた周波数(例えば、１０００Ｈｚ)のＡＣ制御信号がプログラマブルロジックデバイス２０によって第１の固体素子リレー２４ａに接続された周波数検出器４０に供給されて第１固定素子リレーをアクティブで閉じたステートに維持する。同じ場合には、ＤＣ制御信号がプログラマブルロジックデバイス２０によって第２の固体素子リレー２３ｂに供給されてそのリレーを閉じたステートに維持する。不安定が検出されると、２制御信号の中断と２固体素子安全リレー２３ａ、２４の開がトリガされる。

図４Ａを参照して説明すると、固体素子リレー２４ａは、２つのテストスイッチ２４１ａ、２４２ａとテスト電流検出器２４３ａを含むローカルテスト回路２４ａを備えている。ローカルテスト回路２４０ａの上流側ブランチは、テストスイッチの一方２４１ａを、固定素子リレーの一方の端子４１ａとローカルテストＤＣ電源の正端子の間に直列に接続する。上流側ブランチにダイオード２４５ａを設けると、電流がローカルテスト電源に逆流するのを防止することができる。ローカルテスト回路の下流側ブランチは、固体素子リレーの他方の出力端子４２ａを第２のテストスイッチ２４２ａに、第２のテストスイッチ２４２ａをテスト電流検出器２４３ａに接続しており、テスト電流検出器２４３ａはローカルテスト電源２４４の負端子で定まるアースに接続されて回路を閉じている。電流検出器２４３ａは、第１および第２のテストスイッチ２４１ａ、２４２ａが固定素子リレーと同様に閉じているとき固体素子リレーの端子４１ａ、４２ａを通る電流の存在を検出する。第２の固体素子リレー２４ｂは、同一電源を使用する類似のテスト回路を備えており、対応する部品は、サフィックスに‘ａ’の代わりに‘ｂ’を使用した同じ参照符号で図４Ａに示している。図４Ｂの変形実施形態に示すように、２つの別々の電流検出器２４３ａおよび２４３ｂの代わりに共通電流検出器２４３を使用することができる。

固体素子リレー２４ａ、２４ｂ、ペアのテストスイッチ２４１、２４２および電流検出器２４３はプログラマブルロジックデバイス２０に接続され、光結合器として実現されてそれぞれのプログラマブルロジックデバイス２０との接続がテスト回路との接続から完全に絶縁されるようになっている。

プログラマブルロジックデバイス２０は、不安定モニタリングデバイスの動作可能性を検査するための一連のテストを実行するための有限ステートマシン(finite state machine)５０Ｉ（図１を参照）も備えている。

第１のテストシーケンスにおいて、固体素子リレーのスイッチングが検査される。プログラマブルロジックデバイス２０は第１の固定素子リレー２４ａのテストスイッチ２４１、２４２を閉じ、あらかじめ決めた持続時間の間ＡＣ制御信号を中断し、他方では第１の固定素子リレー２４ａの応答がテスト電流検出器２４３によって検査される。ＡＣ制御信号の中断期間に電流がテスト検出器２４３によって検出される場合は、テストが失敗しており、ステートマシンはスタートアップ障害ステートに移行する。そのあと、テストが第２の固体素子リレー２４ｂに対して繰り返され、該当ＤＣ信号が中断され、プログラマブルロジックデバイス２０によってＯＮにスイッチバックされる。

第２のテストシーケンスにおいて、加速度計の内部テスト回路が不安定状態に対応するテストパターンをシミュレートするために使用される。一連のＮ個の電圧パルスが２加速度計のテスト端子に印加される。これを受けて、２加速度計はそれぞれのフルスケールの８０％で反応し、検出しきい値を超えたＮ個のピークを生成するはずである。Ｎ個のピークのあと、不安定モニタリングアルゴリズムは不安定信号を生成し、２固定素子スイッチをトリガするはずである。不安定信号が生成されない場合は、テストは失敗しており、ステートマシン５０はスタートアップ障害ステートに移行する。

注目すべきことは、相反方向に向いた２加速度計を各不安定モニタリングデバイスで使用すると、静止位置からテスト可能のステートへの慣性質量の移動に対応する各加速度信号のピークを実際のモニタリングアルゴリズムで選択的に検出することが可能になり、これは実際にテストされている。言い換えれば、このアルゴリズムのピークしきい値は、テスト可能の方向とは反対の方向、すなわち、加速度計の内部テスト回路がテストを許容しない方向の加速度信号のピークが無視されるようにセットされている。

不安定モニタリングデバイスはその他のテスト、例えば、温度測定を含んでいることがある。温度センサによって測定される温度は下限値および上限値（例えば、−４０および９５℃の間）と比較される。温度があらかじめ定義したウィンドウ内になければ、アラームがトリガされる。

図５Ａに示すように、不安定モニタリングデバイスは鉄道車両のボギー台車フレームの少なくとも一部に、好ましくは、すべてのボギー台車上に重複されて不安定モニタリングシステム３００を構築し、このシステムは２つの安全ループ３０２ａ、３０２ｂを含んでおり、その一方の安全ループは、不安定モニタリングデバイス１０の第１の安全リレー２４ａを、ＤＣ電源、例えば、バッテリユニット３０４およびドライバのキャブ内のアラーム３０６に、さらには速度制御システおよび／または車両のブレーキ制御システムに接続された共通電流検出器３０６ａを含む閉回路内に直列に接続しており、他方の安全ループ（３０２ｂ）は、同じ条件の下で不安定モニタリングデバイス１０の第２の安全リレー２４ｂを電源３０４と電流検出器３０６ｂの間に直列に接続している。安全ループには、電流がＤＣ電源３０４に逆流するのを防止するダイオード３１０ａ、３１０ｂも設けられている。

安全ループ内の電流検出器３０６ａ、３０６ｂによって検出された電流の中断は不安定事態と考えられ、該当のアクション、例えば、アラーム３０８の作動、駆動電力の減少および／または鉄道車両のブレーキの作動がとられる。

各ローカルテストＤＣ電源２４４のアースは絶縁されているので、上記に挙げた第１のテストシーケンスは、安全ループ３０２ａのＤＣ電力の重ね合わせと共に、すべての第１の安全リレー２４ａで同時に実行することができる。しかし、各ユニットの第１と第２の安全リレーは直列に接続されることを意図しているので、信頼性のない結果を避けるためにこれらの安全リレーは順次にテストされることが好ましい。

不安定モニタリングシステムは、分散システム上でスタートアップテストを実行し、種々のテストを制御してその動作可能性をチェックするためのテストバスを備えている。このテストバスはテスト要求を不安定モニタリングデバイスに送信し、その結果を収集するために使用される。

構成された列車における安全ループのケーブリングの完全性をテストするために、特殊な車両テストを実行することができる。最終車両(last car)の不安定モニタリングデバイスがシャットダウンされ、鉄道車両(rail car)のサーキットブレーカ(circuit breaker)により再び電力が供給される。このアクションはそのロケーションで安全ループを開閉し、これはドライバのキャブで検証される。このテストが正であれば、安全ループ全体が働いているものと見なされる。正でなければ、このアクションは上流側に直接に置かれた不安定モニタリングデバイスで繰り返され、これはエラーが見つかるまで行なわれる。このようなケースでは、ケーブリングのエラーはループがそのために機能しているユニットと下流側の次のユニットの間に位置している。

変形実施形態として、２つの安全ループは共通電源と共通電流検出器の間に直列に接続することができる。

不安定モニタリングデバイスの１つに障害が起った場合に利用可能性問題を制限するために、図５Ｂに示すように、各々のボギー台車に第１の不安定モニタリングデバイス１０Ａと第２の不安定モニタリングデバイス１０Ｂを設けることも目的としている。各不安定モニタリングデバイス１０Ａの安全リレー２４ａと２４ｂは直列に接続されている。第１の不安定モニタリングデバイスの安全リレー２４ａ、２４ｂは第１の安全ループ３０２Ａに接続され、第２の不安定モニタリングデバイスの安全リレー２４ａと２４ｂは第２の安全ループ３０２Ｂに接続されている。一方の不安定モニタリングデバイスに障害があり、安全ループの一方を中断したときは、他方の安全ループで操作を続けることができる。

本発明は本明細書において上述した実施形態に限定されない。

加速度測定の冗長性が重要でなければ、シングルの加速度計が使用できる。好ましくは、シングルの加速度計は２つのテスト可能の方向を持っている。すなわち、その静止位置の両側の加速度計の慣性質量を移動するためのテスト手段を備えている。１つまたは２つの加速度計は二軸(biaxial)または三軸(triaxial)にすることができ、その場合には追加軸からの信号は単に無視することも、第１の軸からの信号と並列に処理することもできる。異なる軸からの信号を結合して加速度ベクトルを作ることもでき、これはプログラマブルロジックデバイスによって処理される。加速度計は便利であればどのタイプでもよく、例えば、圧電トランスジューサをベースにすることができる。

不安定モニタリングアルゴリズムは多数の変形がある。具体的には、ピークをカウントするための下限しきい値と上限しきい値をもつタイムウィンドウの使用は、より高度の数値フィルタ(numerical filter)で置き換えて、観察した周波数範囲に含まれない信号の部分を無視することができる。

２加速度計からの信号を並行に処理する代わりに、２信号の第１の部分を結合して新しい加速度信号を形成することができる。

固体素子安全リレーの冗長性が重要でない場合、１つのオプションは２固体素子リレーの一方を除去することであり、その場合には不安定モニタリングシステムは１つの安全ループだけを備えることになる。

鉄道車両に関連して使用されている不安定モニタリングシステムは、不安定状態、例えば、航空機またはパワープラントのタービンの不安定状態を判断するために分散加速度測定が必要になる種々の複雑なシステムで実現することもできる。

１０ 不安定モニタリングデバイス
１０Ｂ 第２の不安定モニタリングデバイス
１２ ボギー台車
１４ 印刷回路基盤
１６ ボックス
１８ フレーム
２０ プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）
２２Ａ、２２Ｂ 横方向加速度計
２４ａ、２４ｂ 安全リレー
２６ 電源供給回路
２８ 温度センサ
３０ クロック回路
３２ 監視回路
３４ テスト要求入力
３６ 不安定表示出力
４１ａ、４２ｂ、４１ｂ、４２ｂ 出力端子
２２１ 可動桁
２２２ 支持つなぎ鎖
２２３ 可動プレート
２２４ 固定プレート
２２５ 差動キャパシタセル
２２６ 出力端子
２２８ 自己テスト入力端子
２２９ 固定プレート
２３１ テストセル
２４１ａ、２４２ａ テストスイッチ
２４３ａ テスト電流検出器
２４４ ローカルテストＤＣ電源
２４５ａ ダイオード
３００ 不安定モニタリングシステム
３０２ａ、３０２ｂ 安全ループ
３０４ バッテリユニット
３０６ｂ 電流検出器
３０８ アラーム

Claims (17)

1. 基準軸をもち、共通支持体に固定された２つの加速度計を含む振動モニタリングデバイスであって、各加速度計は、
   中間静止位置と２対向端の間で基準軸に平行に移動可能である慣性質量と、
   共通支持体の振動がない場合、静止位置から２対向端の一方の端に向かって一方のテスト可能の方向に慣性質量を移動するための内部テスト回路と、
   基準軸に平行の慣性質量の動きに対応する加速度信号を発信する検知手段であって、加速度信号は中間静止位置と２対向端の一方の端の間の慣性質量の動きに対応する第１の信号部分、および２対向端の他方の端の間の慣性質量の動きに対応する第２の信号部分を含んでいるものとを含んでいて、
   前記２加速度計のテスト可能の方向は相互に対して反対であることを特徴とする振動モニタリングデバイス。
2. ２加速度計によって発信される加速度信号を処理し、不安定信号を出力する不安定モニタリングアルゴリズムを実現するための信号処理ユニットをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の振動モニタリングデバイス。
3. テストプロシージャを実行するための手段をさらに備えていて、前記テストプロシージャは、
   不安定状況をシミュレートするために加速度計の内部テスト回路をアクチベートし、
   不安定モニタリングアルゴリズムを実行し、
   不安定モニタリングアルゴリズムが不安定信号を発信する場合は正のテスト結果を出力し、そうでない場合は負のテスト結果を出力する、
   ことを含むことを特徴とする請求項２に記載の振動モニタリングデバイス。
4. テストプロシージャを実行する手段はステートマシンを含むことを特徴とする請求項３に記載の振動モニタリングデバイス。
5. 不安定モニタリングアルゴリズムは、２加速度信号の第２の信号部分を考慮することなく、２加速度信号の第１の信号部分をモニタすることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の信号モニタリングデバイス。
6. 信号処理ユニットは、２加速度計に接続され、並列に同時に実行されて不安定モニタリングアルゴリズムを実現する不揮発性ロジックブロックを備えたプログラマブルロジックデバイスを含んでいることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載した振動モニタリングデバイス。
7. プログラマブルロジックデバイスは、ＦＰＧＡ(field programmable gate array)またはＣＰＬＤ(complex programmable logic device)であることを特徴とする請求項６に記載の振動モニタリングデバイス。
8. プログラマブルロジックデバイスは、不揮発性消去可能およびリプログラマブルメモリを含むことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の振動モニタリングデバイス。
9. 不安定モニタリングアルゴリズムは、
   第１の加速度信号を前処理し、
   テスト可能の方向においてあらかじめ決めた加速度しきい値よりも高い前処理した加速度信号のピークを検出し、
   ２つの連続ピーク間の時間があらかじめ決めたタイムウィンドウ内にある場合はカウンタをインクリメントし、
   カウンタがあらかじめ決めたカウンタしきい値に達しているか、または超えている場合は固体素子安全リレーをアクチベートし、
   あらかじめ決めた時間期間内にピークが検出されなかった場合はカウンタをリセットする、
   ことを含むことを特徴とする請求項２乃至８のいずれかに記載の振動モニタリングデバイス。
10. 第１の加速度信号の前処理は、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタを通して第１の加速度信号を処理することを含むことを特徴とする請求項９に記載の振動モニタリングデバイス。
11. ２加速度計は同一であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の振動モニタリングデバイス。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の振動モニタリングデバイスを備えたボギー台車。
13. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の振動モニタリングデバイスで振動をモニタリングする方法であって、不安定モニタリングアルゴリズムを実行して不安定信号を発信することを含むことを特徴とする方法。
14. モニタリングアルゴリズムは、２加速度信号の第２の信号部分を考慮することなく、２加速度信号の第１の信号部分をモニタすることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. さらにテストプロシージャを含み、そのテストプロシージャは、
    不安定状況をシミュレートするために加速度計の内部テスト回路をアクチベートし、
    不安定モニタリングアルゴリズムを実行し、
    不安定モニタリングアルゴリズムが不安定信号を発信した場合は正のテスト結果を出力し、そうでなければ負のテスト結果を出力する、
    ことを含む請求項１３または１４のいずれかに記載の方法。
16. 加速度信号の各々について、さらに、
    加速度信号を前処理して、少なくとも加速度信号の第１の部分に対応する第１の部分を含む前処理した加速度信号を取得し、
    あらかじめ決めた加速度しきい値よりも高い前処理した加速度信号の第１の部分を検出する、
    ことを含むことを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれかに記載の方法。
17. 加速度信号の各々について、さらに、
    ２つの連続ピーク間の時間があらかじめ決めたタイムウィンドウ内にある場合はカウンタをインクリメントし、
    カウンタがあらかじめ決めたカウンタしきい値に達したか、または超えた場合は不安定信号を発信し、
    あらかじめ決めた時間期間内にピークが検出されなかった場合はカウンタをリセットする、
    ことを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。

Images