JP2015175848A - 電磁効果試験 - Google Patents

Abstract

【課題】落雷は、航空機、発電、及び石油化学産業が抱える問題である。これらの産業において特定の構造物が、落雷の影響を受けやすくなっている。非常に高温で、高電流の電光放電路がこれらの構造物に付着し、物理的な損傷を起こす可能性があるので、落雷による電流波形を検出する装置を提供する。
【解決手段】電流検知装置１１０は、回路基板１２０と、回路基板上１２０のロゴスキーコイル１３０と、回路基板上１２０のデータストレージ１５０と、ロゴスキーコイル１３０が検知した電流を表す値を収集し、値をデータストレージ１５０に記憶させるための回路基板１２０上の制御回路１４０とを備える。
【選択図】図１

Description

落雷は、航空機、発電、及び石油化学産業が抱える問題である。これらの産業において特定の構造物が、落雷の影響を受けやすくなっている。非常に高温で、高電流の電光放電路がこれらの構造物に付着し、物理的な損傷を起こす可能性がある。

構造物への電光の影響を研究するために、実験室での試験を行う場合がある。例えば、ロゴスキーコイル等の複数のセンサを構造物に取り付け、各センサを電源及びオシロスコープに接続する。次に電光波形を構造物に当てると、波形が当たっている間にセンサが測定した測定値がオシロスコープへ送られる。測定値により、構造物を通った落雷電流の経路が明らかとなる。

データはストリーミング中に破損しうる。データの破損を減らすことが望ましい。

本明細書の一実施形態によると、装置は回路基板、回路基板上のロゴスキーコイル、回路基板上の永続データストレージ、コイルが検知した電流を表す値を収集し、値を永続メモリに記憶させるための回路基板上の制御回路を備える。装置は、コンピュータと無線で通信する無線送信機を含み、コンピュータはさらに、収集した情報を処理して、ＥＭＥ事象の最中に構造物を通って流れたＥＭＥ電流の経路をマッピングするようにプログラミングされることが好ましい。本発明の別の態様によれば、構造物に固定された複数の装置を備える、電磁効果（ＥＭＥ）事象の最中に構造物を分析するシステムの一実施形態が提供されている。システムはさらに、ＥＭＥ事象の最中に構造物を通って流れる電流についての情報を収集するよう装置にクエリを行うようにプログラミングされたコンピュータを備え、ＥＭＥ事象が終了した後で装置に対してクエリが行われることが好ましい。

本明細書の別の実施形態によれば、電流検知装置は、電磁効果（ＥＭＥ）電流センサと、電流センサからの値をバッファリングし、値を使用してＥＭＥ事象を検出し、ＥＭＥ事象直前の第１の期間中、及びＥＭＥ事象直後の期間中にバッファリングされたこれらの値から全電流波形を構築する制御回路とを備える。電流センサはロゴスキーコイルを含み、永続データストレージをさらに備え、コントローラは永続データストレージに全電流波形を保存し、要求に応じて全波形を出力するため有益である。

本明細書の別の実施形態によれば、方法は、留め具で構造物に複数の回路基板を固定することを含む。各回路基板は、留め具のうちの一つを囲むロゴスキーコイルを含む。この方法はさらに、コイルからセンサ測定値を収集し、回路基板に測定値を記憶させることと、コイルからさらにセンサ測定値を収集し、回路基板にさらにセンサ測定値を記憶させ続けながら、構造物をＥＭＥ事象にさらすこととを含む。ＥＭＥ事象が終了した後、回路基板から記憶された測定値が読み出される。

これらの特徴、及び機能は、種々の実施形態において単独で達成することができるか、または他の実施形態において組み合わせることができる。実施形態のさらなる詳細は、下記の説明及び図面を参照することによって理解することができる。

ＥＭＥ電流検知装置の図である。 構造物のＥＭＥ電流を検知するシステムの図である。 複合構造物の図である。 構造物のＥＭＥ電流を検知する方法を示す図である。 ＥＭＥ電流検知装置を示す図である。 図５のＥＭＥ電流検知装置のコントローラによって行われる特定の機能を示す図である。 検出されたＥＭＥ事象の直前及び直後の期間中に記憶された値から構築された電流波形を示す図である。

電磁効果（ＥＭＥ）事象を検知する装置１１０を示す図１を参照する。電流検知装置１１０は、回路基板１２０と、回路基板１２０上のロゴスキーコイル１３０を含む。ロゴスキーコイル１３０は金属コア（例：留め具）を囲み、電流センサとして機能する。ロゴスキーコイル１３０は、コアを通って流れるＥＭＥ電流に応じて過渡パルスを生成する。

電流検知装置１１０はさらに、制御回路１４０と、回路基板１２０上の永続データストレージ１５０を含む。制御回路１４０は、ロゴスキーコイル１３０が検知した電流を表す値を収集する。例えば、制御回路１４０は、ロゴスキーコイル１３０が生成した過渡パルスを積分するアナログ積分器と、積分器のアナログ値をデジタル値に変換するアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器と、デジタル値を永続データストレージ１５０に記憶させるコントローラとを含む。永続データストレージ１５０には、ランダムアクセスメモリが含まれうる。

制御回路１４０とデータストレージ１５０は、強磁性シールドによってＥＭＥから保護されうる。強磁性シールドは、制御回路１４０とデータストレージ１５０とを収容することができる。

これら複数のＥＭＥ電流検知装置１１０を使用して、構造物を通って流れるＥＭＥ電流を検知することができる。例えば、複数の検知装置１１０を使用して、構造物への落雷の影響を調べることができる。

ＥＭＥ事象の最中に構造物２００を通って流れるＥＭＥ電流を検知するシステム２１０を示す図２を参照する。システム２１０は、構造物２００に固定された複数２２０のＥＭＥ電流検知装置１１０を含む。ある検知装置１１０は、構造物２００の上面に固定することができ、ある検知装置１１０は、構造物２００の下面に固定することができる。互いに固定されたパーツを有する構造物２００の場合、幾つかの検知装置１１０をパーツとパーツの間に締め付けることができる。検知装置１１０は、回路基板１２０の孔と、ロゴスキーコイル１３０に留め具３３０を挿入することによって、構造物２００に固定することができる。

図３に示す構造物２００の例を考慮する。構造物２００は、金属製留め具３３０（図３に単一の留め具３３０のみを示す）で互いに固定された第１の複合パーツ３１０と第２の複合パーツ３２０を含む。パーツ３１０及び３２０は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの複合材料から形成されうる。検知装置１１０は、ロゴスキーコイル１３０を通って延びる留め具３３０で、パーツ３１０とパーツ３２０との間に回路基板１２０を締め付けることによって、図３の構造物２００に固定されうる。制御回路１４０とデータストレージ１５０は、回路基板１２０の端部に位置づけされる。

構造物２００がＥＭＥ事象にさらされると、電流が留め具３３０を通って流れうる。例えば、電光が留め具３３０のヘッドに付着すると、電流は留め具３３０を通って矢印の方向に流れうる。あるいは、ＥＭＥ電流が複合パーツ３１０の表面に沿って流れた後で、留め具２２０に到達すると、電流は留め具３３０を通って矢印の方向に流れうる。ロゴスキーコイル１３０は、留め具３３０を通って流れる電流を検知する。

ある実施形態では、システム２１０はさらに、ＥＭＥ電流の人工光源を含みうる。例えば、人工光源は電流発生器を含むことができる。他の実施形態では、ＥＭＥ電流の供給源は自然のものであってよい。例えば、構造物を、電光を受ける環境に置くことができる。ＥＭＥ事象は、キロアンペアで測定されるＥＭＥ電流が構造物２００に印加された時に発生する。

システム２１０はさらに、検知装置１１０にクエリを行って、ＥＭＥ事象の最中に構造物２００を通って流れるＥＭＥ電流についての情報を取得するようにプログラミングされたコンピュータ２３０を含む基地局を含む。クエリは、ＥＭＥ事象が発生した後で行うことができる。クエリが行われると、各検知装置１１０は、バッファリングされたデジタル値及び／又は追加の情報（例：全電流波形）を供給しうる。基地局のコンピュータ２３０と電流検知装置１１０との間の通信は、有線又は無線であってよい。

基地局のコンピュータ２３０は、収集した情報を処理して、構造物２００を通って流れる電流経路をマッピングするようにプログラミング可能である。電流が構造物２００に侵入する入口点は、電流が構造物２００に印加される地点であってよい。入口点は留め具であってもなくてもよい。構造物２００から出る電流の出口点は、接地方式によって判断されうる。入口点と出口点との間で、検知装置１１０は、各留め具の電流の流れの測定値を供給する。これらの既知の地点と測定値を用いて、構造物２００の電流の流れの３Ｄマップを作成することができる。３Ｄマップは、留め具を介してどのようにＥＭＥ電流が表面から表面まで通過するのかを明らかにするものである。

電流の測定値はタイムスタンプを含むことができる。タイムスタンプは、ＥＭＥ事象の検出に対し、いつ測定が行われたかを示すものである。３Ｄマップはこれらのタイムスタンプを用いて、各留め具における電流の発生時間を示すこともできる。

システム２１０を使用して、ＥＭＥ事象の最中に構造物２００を通る電流の流れをマッピングする方法を示す図４を参照する。ブロック４１０において、複数２２０のＥＭＥ電流検知装置１１０を構造物２００に固定する。ブロック４２０において、電流検知が開始され、これにより、電流検知装置１１０は電流を検知し、検知した電流を表す値を記憶することを開始する。例えば、電流の検知は、電流検知装置１１０の電源が入った時に開始することができる。

ブロック４３０において、構造物２００をＥＭＥ事象にさらす。ＥＭＥ事象の最中、電流検知装置１１０は、検知した電流を表す値を記憶し続ける。構造物２００は、実験室、又は野外でＥＭＥ事象にさらすことができる。野外試験の一例では、電流検知装置１１０を取り付けた構造物２００を気象観測気球で、稲光を伴った嵐の中に送ることができる。嵐の最中に電光が構造物２００に付着すると、検知装置１１０が構造物２００に流れる電流を検知して、電流を表す値を記憶する。

実験室での試験の一例では、複数の検知装置１１０が、航空機の翼の実物大模型内部の異なる場所に固定される。次に翼の中に波形を投入することによって、落雷のシミュレーションが行われる。

ブロック４４０では、ＥＭＥ事象が終了した後で、検知装置１１０から記憶された値が読みだされる。例えば、基地局のコンピュータ２３０が電流検知装置１１０をポーリングし、これに応じて装置１１０は、記憶された情報を基地局のコンピュータ２３０へ送信する。

ＥＭＥ事象がすでに終わっているため、ＥＭＥ事象によって基地局のコンピュータ２３０へ送られる情報は破損しない。試験中の情報の破損をなくすのに加えて、高価なオシロスコープの使用もなくなる。オシロスコープの使用をなくすことにより、（使用されるオシロスコープの数によって制限されなくなるため）より多くのセンサを使用することが可能になる。

さらに、検知装置１１０と基地局のコンピュータ２３０との間の通信が無線になり、配線を除去し、設定時間を削減することができる。高価な試験機器を削減することに加えて、試験手順が簡素化される。

電流検知装置５１０の一例を示す図５を参照する。装置５１０は、多層プリント回路基板５２０を含む。ロゴスキーコイル５３０は、出願人の米国特許第７５３２０００号明細書に記載されるように、プリント回路基板５２０上に形成することができる。６層のプリント回路基板５２０の例については、層２〜５を使用して、ロゴスキーコイル５３０を形成するループが作製される。ループは対称的なものであってよい。プリント回路基板５２０の層１及び６を地板として使用して、ノイズを削減することができる。ロゴスキーコイル５３０用の強磁性シールドは必要ない。

制御回路５４０も、プリント回路基板５２０に取り付けられる。制御回路５４０は、ロゴスキーコイル５３０に近接した積分／増幅回路５４２を含む。積分／増幅回路５４２は、出願人の米国特許第７５３２０００号明細書に記載される受動積分器を用いることができる。受動積分器には、可変抵抗器及びコンデンサが含まれる。

あるいは、積分／増幅回路５４２は、能動積分器を用いることができる。能動積分器は、演算増幅器を含むことができる。

制御回路５４０はさらに、積分／増幅回路５４２の出力をアナログ値からデジタル値に変換するアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器５４６を含む。制御回路５４０はさらに、コントローラ５４４を含む。コントローラ５４４によって行われる特定の機能を図６に示す。

図６をさらに参照する。電流検知の開始において、コントローラ５４４により積分／増幅回路５４２がリセットされる（ブロック６１０）。積分期間の終わりに、コントローラ５４４によりＡ／Ｄコンバータ５４６からデジタル値が読み取られる（ブロック６２０）。デジタル値は、ロゴスキーコイル５３０によって検知された電流を表す。コントローラ５４４により次に、データストレージ５５０にデジタル値がバッファリングされる（ブロック６３０）。制御回路５４０はさらに、コントローラ５４４がバッファリングされた各値にタイプスタンプを追加するために使用しうるタイムベース５４８（例：システムクロック）を含むことができる。

コントローラ５４４により、ＥＭＥ事象の発生を検出するためにバッファリングされた各値も分析される（ブロック６４０）。この検出は、例えば、バッファリングされたデジタル値を閾値と比較することによって行うことができる。閾値はたとえば、図７に示すように、電流値の連続的な上昇Ｅが起こる少なくとも約５０マイクロ秒の期間閾値（Ｐ０）であってよい。コントローラ５４４により、閾値を超えるまでデータストレージ５５０に追加の値がバッファリングされる（つまり、ブロック６１０〜６４０が繰り返される）。閾値を超えると、コントローラ５４４はタイムベース４６０を検出されたＥＭＥ事象の時間とする。

さらに、図７を参照する。ＥＭＥ事象を検出した後、コントローラ５４４は、ＥＭＥ事象が検出された後の第１の期間（Ｐ１）、追加の値のバッファリングを継続する（ブロック６５０）。第１の期間（Ｐ１）は、ＥＭＥ事象が検出されたｔ_ＥＭＥの時点で開始し、時間ｔ_１で終了する。

第１の期間（Ｐ１）が終了した後、コントローラ５４４はバッファリングされた値から全電流波形を構築する（ブロック６６０）。コントローラ５４４は、時間ｔ_０よりも早い時点でバッファリングされたすべての値を捨てて、時間ｔ_０から時間ｔ_ＥＭＥまでの第２の期間（Ｐ０）の間にバッファリングされたすべての値を保持することができる。したがって、この第２の期間（Ｐ０）は、ＥＭＥ事象が検出される直前に発生するものである。一例では、第２の期間（Ｐ０）は少なくとも約５０マイクロ秒の継続時間であり、第１の期間（Ｐ１）は３００〜４５０マイクロ秒未満の継続時間である。

次にコントローラ５４４は、２つの期間の最中に記憶された値を結び付けて、２つの期間の最中に記憶されたこれらの値に基づき全電流波形Ｗを構築する。全電流波形Ｗは、データストレージ５５０にも記憶される。

全電流波形Ｗにより、落雷、又はその他のＥＭＥ事象の結果、留め具を通って流れる電流について有益な情報が得られる。例えば、全波形の前縁Ｅにより、留め具における電流の立ち上がり時間が明らかとなる。単一の留め具における立ち上がり時間により、ＥＭＥ事象によって誘発される電圧についての情報を得ることができる。異なる留め具における立ち上がり時間を比較することにより、電流がどのように構造物を通って流れるか（例えば、電流が消散するか、遅延するか否か）についての情報を得ることができる。

コントローラ５４４は次に、要求に応じて波形を出力する（ブロック６７０）。例えば、コントローラ５４４は、基地局のコンピュータからのクエリを待つ。クエリを受信すると、コントローラ５４４は全波形を基地局のコンピュータに送信する。

電流検知装置５１０はさらに、基地局のコンピュータと無線で通信するための無線システム５６０を含むことができる。無線システム５６０は、ＲＦＩＤ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＷｉＦｉ、Ｚｉｇｂｅｅ、又はその他の無線プロトコル等のプロトコルに従うものであってよい。

電流検知装置５１０は、外部電源から作動電力を受けることができる。電流検知装置５１０は、バックアップ電力のためのバッテリ（図示せず）を含むこともできる。したがって、データの取得、データの記憶、及び無線送信はすべて、比較的小さい単一のプリント回路基板５２０上で行われる。プリント回路基板５２０の長さは数インチのみでありうる。

積分及び増幅回路５４２をロゴスキーコイル５３０に近接して配置することで、過渡パルスのノイズも削減される。対照的に、配線を介して遠隔地に送られるパルスは、大幅にＥＭＥ事象にさらされる。

上述した検知装置１１０及び５１０は、回路基板１２０と５２０につき単一のロゴスキーコイルのみを有しうる。しかしながら、本発明による検知装置はそれほど限定されない。ある実施形態は、多数の留め具を通る電流を検知するために、多数のロゴスキーコイルを含むことができる。専用の制御回路を、各ロゴスキーコイルに供給することができる。

検知装置１１０及び５１０は、留め具を通って流れる電流を検知することに限定されない。検知装置は、ポスト、配線、又はロゴスキーコイル内部に適合しうるその他任意の物体を通って流れる電流を検知することができる。

１１０ ＥＭＥ電流検知装置
１４０ 制御回路
１５０ 永続データストレージ
２００ 構造物
３１０ 第１の複合パーツ
３２０ 第２の複合パーツ
３３０ 留め具
Ｐ０ 期間閾値
Ｐ１ 第１の期間
Ｅ 全波形の前縁
Ｗ 全電流波形
ｔ_０ 第２の期間の開始点
ｔ_ＥＭＥ ＥＭＥ事象が検出された時点
ｔ_１ 第１の期間の終了点

Claims (13)

1. 回路基板と、
   前記回路基板上のロゴスキーコイルと、
   前記回路基板上の永続データストレージと、
   前記コイルが検知した電流を表す値を収集し、前記値を永続メモリに記憶させるための前記回路基板上の制御回路と
   を備える装置。
2. 前記回路基板が、多層プリント回路基板であり、前記ロゴスキーコイルは前記回路基板の多層に形成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記制御回路が前記コイルに反応するアナログ積分器を含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記データストレージと前記制御回路をカバーする強磁性シールドをさらに備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記回路基板の長さが数インチである、請求項１に記載の装置。
6. 前記制御回路は、前記コイルが検知した電流を表す値を使用して、電磁効果（ＥＭＥ）事象を検出し、前記ＥＭＥ事象の検出後の第１の期間の値を記憶するように構成されたコントローラを含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記制御回路はさらに、前記ＥＭＥ事象の直前の第２の期間中に記憶された値、及び前記ＥＭＥ事象の直後の前記第１の期間中に記憶された値に基づいて、電流波形を構築するように構成されている、請求項６に記載の装置。
8. 前記第１の期間は少なくとも５０マイクロ秒であり、前記第２の期間は、３００〜４５０マイクロ秒である、請求項７に記載の装置。
9. 前記制御回路は、外部クエリの受信に応じて前記電流波形を送信するように構成されている、請求項７に記載の装置。
10. 前記電流波形全てを送信するための無線送信機をさらに備える、請求項１に記載の装置。
11. 留め具で、前記留め具の内の一つを囲むロゴスキーコイルを各々含む複数の回路基板を構造物に固定することと、
    前記コイルからセンサの測定値を収集し、前記測定値を前記回路基板に記憶させることと、
    前記コイルから追加のセンサ測定値を収集し、前記回路基板に前記追加のセンサ測定値を記憶させ続けながら、前記構造物を電磁効果（ＥＭＥ）事象にさらすことと、
    前記ＥＭＥ事象が終了した後、前記回路基板から記憶された前記測定値を読み出すことと
    を含む方法。
12. 前記コイルが検知した電流を表す前記測定値を使用して、前記ＥＭＥ事象を検出することと、
    前記測定値から電流波形を構築することとをさらに含み、各波形は、検出された前記ＥＭＥ事象の直後の第１の期間中、及び検出された前記ＥＭＥ事象の直前の第２の期間中にバッファリングされた測定値から構築される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記波形は、前記ＥＭＥ事象が終了した後に出力される、請求項１２に記載の方法。

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