JP2019071036A - 無線式センサモジュールおよび状態監視・診断装置システム - Google Patents

Abstract

【課題】大型構造物（橋梁、トンネル、建物大型構造物や設備などの状態監視・診断を行うときに用いられる数多くのセンサに安定的な電力（電源）を適時に長く供給する有効な方法を提供する。【解決手段】上記に述べたような課題を解決するために、本発明では、大型構造物や設備の状態監視のための計測部分にタイマースイッチを用いて、無線センサモジュールに電力を供給する主電池の電力供給を開始・停止するコントロールを行うことにより、主電池の使用時間を大幅に伸ばし、状態監視・診断のための信号を無線受・発信器と信号取集器を用いて計測・収集して、対象物の状態監視・診断をより長い時間で安定的に行うことを提案した。【選択図】図１

Description

本発明は設備や施設などの状態監視・診断の分野において、様々な箇所、特に人間が容易に届かない高所や人間にとって危険な場所などにおける診断信号を計測し、対象設備や施設の状態を効率良く監視・診断することに関するものである。

従来は設備や施設（特に大型設備・構造物）の状態監視・診断を行う場合、物理量（振動や歪など）を計測すべき箇所が多く、数多くのセンサと配線（電源・信号線）が必要であるが、ワイヤレス（無線）センサ・システムによる計測システムも多く提案されている。しかし、数多くのセンサやアンプなどにどのような手法で電力を長期間に供給するかは大きな課題になっている。

例えば、特許文献１には、振動発電素子と、振動センサと、無線発信手段を備えた振動センサシステムが開示されている。特許文献１のセンサシステムは、計測対象物の振動エネルギーを電力に変え、その振動をセンサで検知し、振動データを無線送信するものである。また例えば、特許文献２には、圧力変動を検知するセンサを支持基板上に載置し、その上部に電子部品素子とアンテナパターンを設けたセンサモジュールが開示されている。特許文献２のセンサモジュールによれば、圧力センサモジュールの検知信号を小さい伝送損失でアンテナから送信するものである。特許文献３は機械エネルギーを交流電力に変換する発電素子と、交流電力を直流電力に変換する変換回路とを含めて構成するもので、発電素子は、振動エネルギーを交流電力に変換する振動発電素子を用いるものである。特許文献３は構造物の振動を利用して発電し、蓄積した電気エネルギーをセンサ等に利用する。特許文献５，６は無線センサ群によるデータ収集法に関するものである。

特開２００８−２９２３１９号公報 特開２００５−２０８０５５号公報 特開２０１３−１２２７１８号公報 特許第３９８４１８５号 特許第５１４５５０１号 特許公開２００８−２５５５７０

しかしながら、特許文献１〜４に開示されたセンサ・システムは共に、対象物の振動という機械的なエネルギーを利用して発電し、センサ・システムに提供する方法であるが、振動レベルの小さい箇所においては発電に必要な機械的なエネルギーがセンサの電力供給に十分でない。また、一般に構造物や設備の振動レベルが変動するから、振動による発電で得られた電力は安定でない。電力を蓄積する装置も提案されているが、コストの増加や電力を蓄積する装置の劣化・故障も問題になる。特許文献５，６には多くの無線センサで構成される計測システムにどのように安定的な電力を提供するかを示されていない。

さらに、光電池を利用する場合、自然光が弱い箇所（トンネルの内部や橋梁の下など）や夜間において光電池の発電力が不足になる難点もある。

大型構造物や設備などの状態監視・診断を行うときに用いられる数多くのセンサに安定的な電力（電源）を適時に長く供給する有効な方法を提供する。

上記に述べたような課題を解決するために、本発明では、大型構造物や設備の状態監視のための計測部分にタイマースイッチを用いて、無線センサモジュールに電力を供給する主電池の電力供給を開始・停止するコントロールを行うことにより、主電池の使用時間を大幅に伸ばし、状態監視・診断のための信号を無線受・発信器と信号取集器を用いて計測・収集して、対象物の状態監視・診断をより長い時間で安定的に行うことを提案する。

本発明によれば、大型構造物（橋梁、トンネル、建物など）や設備（配管、タンク、港湾機械など）の状態監視・診断する場合、診断信号（振動信号や歪信号など）を計測するために用いられる数多くの無線式センサ・システムに安定的な電力（電源）を適時に長く提供し、電池交換する作業回数とコストを削減でき、より長期間にわたって状態監視・診断が安定的に行える診断装置システムの構築が可能となる。

本発明のタイマースイッチ付き無線センサモジュールを有する無線式診断装置システムの構成要素を示すグラフである。 本発明における実施形態の流れを示すグラフである。 本発明におけるシステム構成の例を示すグラフである。

本発明の無線式診断装置システムは、図１に示すように、大きく分けて計測部分と診断部分からなる。図１に各部分の構成要素を示すが、本発明が以下の構成要素によって限定されることはない。なお、図１（Ｉ）と図１（ＩＩ）との違いは、タイマースイッチは分離型（Ｉ）か一体型（ＩＩ）の処だけで、両者の果たす役割と機能が同じである。

計測部分には、以下の要素が含まれる。
（１）センサ
対象物の状態監視・診断のために、物理量の計測に用いられるものである。計測すべき物理量は診断対象によって異なるが、たとえば、振動加速度・速度・変位、歪み、温度、ＡＥなどがある。
（２）アンプ
センサに適切な電圧・電流を供給し、信号の増幅を行うものである。
（３）無線受・発信部
診断部分からの指令を無線で受信し、計測部分の計測信号を診断部分へ送信するものである。なお、必要に応じて、診断部分に通知などの発信も行う。
（４）主電池
無線式センサモジュールの各構成要素（センサ、アンプ、無線受・発信部等）に必要な電力を供給するための電池である。
（５）タイマースイッチ（（Ｉ）専用電池はたは電池内蔵（ＩＩ））
タイマーに事前に設定されたスケジュール（信号計測の日時、信号計測時間長）に従って、スイッチのオン・オフにより主電池の電力提供の開始・中止を行うものである。
（６）無線中継器
計測部分と診断部分が遠く離れている場合、無線信号を確実に受送信するために、無線信号を中継するものである。なお、計測部分と診断部分との距離が比較的近く、無線信号を確実に受送信できる場合は無線中継器を省くこともある。

診断部分には、以下の要素が含まれる。
（７）無線受・発信部
計測部分に指令を送信し、計測部分からの通知や計測信号を受信するものである。
（８）信号採集器
計測部分からの計測信号（データ）を採集・保存するものである。
（９）制御器
対象物の状態監視・診断のために、計測部分と診断部分の動作を制御するものである。
（１０）状態診断部
計測部分からの計測信号を用いて、対象物の状態を監視・診断し、診断結果を表示するものである。

図２（Ｉ）、（ＩＩ）に示すように、本発明の２実施形態の流れは以下の通りである。

まず、図２（Ｉ）については、計測部分では、
（ａ）予めタイマースイッチの中に信号を計測するスケジュール（信号計測開始の日時、信号計測の時間長）を設定する。
（ｂ）タイマースイッチが予め設定された信号計測のスケジュールに従って、主電池のスイッチをオン（電力供給の開始）する。
（ｃ）主電池のスイッチをオンにした後、無線センサモジュールに電源供給が開始される。
（ｄ）診断部分からの指令を受け、予め設定された信号計測の時間長で信号を計測し、計測した信号（データ）を診断部分に送信する。
（ｅ）タイマースイッチの中に設定されたスイッチ・オフ（電力供給中止）の時刻になったならば、次の（ｆ）へ移り、そうでなければ、（ｄ）の内容が続く。
（ｆ）主電池のスイッチをオフにして、無線センサモジュールへの電力供給を中止し、（ａ）へ戻る。

診断部分では、
（ｇ）計測部分のタイマースイッチに設定された（電源ｓｗｉｔｃｈ ｏｎ）日時に従って、計測部分に信号計測の指令を発信したり、計測部分からの信号を受信したりする。
（ｈ）必要に応じて計測部分からの信号（データ）を診断部分の指定場所に保存する。
（ｉ）計測部分のタイマースイッチに設定されたスイッチ・オフ（電力供給中止）の時刻になったならば、次の（ｊ）へ移り、そうでなければ、（ｇ）と（ｈ）の内容が続く。
（ｊ）受信したデータを用いて対象物の状態を診断し、診断結果を表示する。

次に図２（ＩＩ）については、計測部分では、
（ａ）予めタイマースイッチの中に信号計測するスケジュール（信号計測開始の日時、信号計測の時間長）を設定する。
（ｂ）タイマースイッチが予め設定された信号計測のスケジュールに従って、主電池のスイッチをオン（電力供給の開始）する。
（ｃ）主電池のスイッチをオンにした後、無線センサモジュールに電源供給が開始される。
（ｄ）診断部分に電力供給開始の通知を送信する。
（ｅ）診断部分からの指令を受け、予め設定された信号計測の時間長で信号を計測し、計測した信号（データ）を診断部分に送信する。
（ｆ）タイマースイッチの中に設定されたスイッチ・オフ（電力供給中止）の時刻になったならば、次の（ｇ）へ移り、そうでなければ、（ｅ）の内容が続く。
（ｇ）診断部分に電力供給中止の通知を送信する。
（ｈ）主電池のスイッチをオフにして、無線センサモジュールへの電源供給を中止し、（ａ）へ戻る。

診断部分では、
（ｉ）計測部分からの電力供給開始の通知を待つ。
（ｊ）計測部分からの電力供給開始の通知がなければ、（ｉ）の内容が継続し、そうでなければ、次の（ｋ）へ移る。
（ｋ）計測部分に信号計測の指令を発信し、計測部分からの信号を受信する。
（ｌ）必要に応じて計測部分からの信号（データ）を診断部分の指定場所に保存する。
（ｍ）計測部分からの電力供給中止の通知がなければ、（ｋ）、（ｌ）の内容が継続し、そうでなければ、次の（ｎ）へ移る。
（ｎ）受信したデータを用いて対象物の状態を診断し、診断結果を表示する。

前記の実施形態に従って本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施例は本発明を適用した形態の例であって、本発明が以下の実施例（使用する部品など）によって限定されることはない。

図３（Ｉ）はタイマーとスイッチを分離した構成例を示す。以下、図２に照らして、その動作流れを説明する。

計測部分（無線式センサモジュール）では、
（１）タイマーの中に予め信号を計測するスケジュール（信号計測開始の日時、信号計測の時間長）を設定する。
（２）予め設定された信号計測のスケジュールに従って、主電池のスイッチをオン・オフ（電力供給の開始・中止）する。
（３）タイマースイッチ用電池はタイマーとスイッチに電力を供給する。なお、タイマーとスイッチの電力消費量がセンサ、アンプおよび無線受・送信部などの電力消費量に比べて少なく、タイマースイッチ用電池は主電池より使用寿命が長いものとする。
（４）主電池はスイッチのオン・オフにより、センサ、アンプおよび無線受・送信部への電力提供が開始・中止する。
（５）センサ、アンプ、無線受・送信部は主電池のスイッチがオンになっている間、診断部分からの指示を受け、信号計測し、計測した信号を診断部分に送信する。なお、図２（ＩＩ）に示すように、必要に応じて診断部分に主電池のスイッチのオン・オフ通知を発信することもある。

（６）診断部分では、制御器、受・発信部、信号収集部、状態診断部を含み、計測部分における主電池のスイッチのオン・オフに合わして、計測部分に指示を発信したり、計測部分からの通知（図２（ＩＩ）の場合、電力供給開始・中止の通知）と計測信号の受信を行ったりして、計測信号（データ）を用いて対象物の状態を診断し、診断結果を表示する。

図３（ＩＩ）はタイマーとスイッチを一体にした構成例を示す。この構成例では、電池内蔵の一体型タイマースイッチを有するが、その動作流れは図３（Ｉ）と同じである。

計測部分（無線式センサモジュール）では、
（１）タイマー▲１▼がマイクロコンピュータとクロックモジュールから構成され、その中に予め信号を計測するスケジュール（信号計測開始の日時、信号計測の時間長）を設定する。
（２）予め設定された信号計測のスケジュールに従って、主電池▲４▼のスイッチ▲２▼をオン・オフ（電力供給の開始・中止）する。
（３）タイマースイッチ用電池▲３▼はタイマー▲１▼とスイッチ▲２▼に電力を供給する。なお、タイマー▲１▼とスイッチ▲２▼の電力消費量がセンサ、アンプ、無線受・送信部▲５▼などの電力消費量に比べて少なく、タイマースイッチ用電池▲３▼は主電池▲４▼より使用寿命が長いものとする。
（４）主電池▲４▼はスイッチ▲２▼のオン・オフにより、センサ、アンプ、無線受・送信部▲５▼への電力提供が開始・中止する。
（５）センサ、アンプ、無線受・送信部▲５▼は主電池▲４▼のスイッチ▲２▼がオンになっている間、診断部分からの指示を受け、信号計測し、計測した信号を診断部分に送信する。なお、図２（ＩＩ）に示すように、必要に応じて診断部分に主電池▲４▼のスイッチ▲２▼のオン・オフ通知を発信することもある。

（６）診断部分では、制御器、受・発信部、信号収集部、状態診断部▲６▼を含み、計測部分における主電池▲４▼のスイッチ▲２▼のオン・オフに合わして、計測部分に指示を発信したり、計測部分からの通知（図２（ＩＩ）の場合、電力供給開始・中止の通知）と計測信号の受信を行ったりして、計測信号（データ）を用いて対象物の状態を診断し、診断結果を表示する。

図３（ＩＩ）はタイマーとスイッチを一体にした構成例を示す。この構成例では、電池内蔵の一体型タイマースイッチ▲１▼を有するが、その動作流れは図３（Ｉ）と同じである。

Claims (3)

1. 物理量を計測するためのセンサと、
   センサの信号を増幅するためのアンプと、
   指令や信号を受信・送信するための無線受・送信部と、
   前記センサと前記アンプと前記無線受・送信部に電力を供給する主電池と、
   前記主電池の電力供給の開始・中止をコントロールするためのタイマースイッチと、
   前記タイマースイッチに電力を供給するタイマースイッチ用電池と、
   を備えた無線式センサモジュール。
2. 請求項１に記載の前記無線式センサモジュールにおいては、前記タイマースイッチの中に予め設定された前記主電池の電力供給のスケジュール（電力供給開始日時と信号計測時間長）に従って、前記タイマースイッチにより前記主電池の電力供給を開始・中止することを特徴とする電力供給方法。
3. 請求項１に記載の前記無線式センサモジュールを少なくとも一つ備え、請求項２に記載の電力供給方法を有する計測部分と、
   前記計測部分に無線で指令を送信し、前記計測部分からの通知や計測信号を無線で受信して、対象物の状態を監視・診断する診断部分と、
   を有することを特徴とする、対象物の状態監視・診断を行うための無線式診断装置システム。

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