JP2021043020A - 環境発電無線式センサおよびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、環境発電無線センサにおいて、簡便な方式で有寿命部品であるコンデンサの劣化診断を行い、遠隔地に設置された環境発電無線式センサの保守を適切に行うことである。【解決手段】本発明は、上記課題を解決するため、診断対象のコンデンサ6を環境発電無線式センサの回路から電気的に切り離し、予め定めた負荷など適切な負荷を接続してコンデンサ6の端子電圧の低下時間を測定し、これに基づいてコンデンサの劣化状況を判定することで劣化診断を行うものである。より具体的には、放電開始後一定時間経過後の静電容量と、予め測定したコンデンサの静電容量の比率を用いて劣化状況を判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、環境発電により電力供給を受け、無線で信号伝送する環境発電無線式センサの劣化診断、特に環境発電電力を蓄積するコンデンサの劣化診断方法に関する。
なお、劣化診断には、いわゆる予兆診断も含まれる。

近年、免許不要の特定小電力無線の範囲で長距離の無線伝送が可能なＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）通信方式が実用になり、また、環境発電技術も進歩してきている。このような技術動向の中、電源配線、信号配線が不要な環境発電無線式センサが実用化されつつある。これらの環境発電無線式センサは、電源配線、信号配線が不要と言う特徴を生かし、今まで設置コストが嵩むため断念していた山間地や河川などの環境計測用として期待されるものである。

このように環境発電無線式センサは、遠隔地に多数設置されるため保守を考えると、故障せず長寿命であることが望ましい。環境発電式無線センサにおいては、環境発電による電力供給は一定しないため通常大容量のコンデンサを実装し、負荷への電力供給を安定化している。そして、この大容量のコンデンサは、使用温度に依存した有寿命部品である。そのため、寿命が尽きる前にコンデンサの交換等を行い保守する必要がある。しかし、環境発電無線式センサは、上述のとおり様々な場所に設置されるため、設置場所の温度も様々で、一律寿命を予測することはできない。これを最悪条件でコンデンサ寿命を推定し、交換していたのでは経済的でない。そこで、環境発電無線式センサ毎にコンデンサの寿命診断を行い、適切な時期にコンデンサ交換を行うことが望まれる。

一般にコンデンサの劣化診断は、コンデンサを装置から取り外して、その静電容量を測定し静電容量の低下率を求めることで行われる。

特許文献1、2、3は、装置は異なるが、いずれも装置に実装状態でコンデンサの劣化診断する方法が示されている。しかし、いずれも、装置の動作状態でコンデンサから流れ出る電流およびコンデンサの端子電圧を測定してコンデンサの静電容量を求める方法である。具体的には、特許文献1には、コンデンサの充電電流を負荷に流した際の電圧・電流の変化率に基づいて劣化判定を行うことが記載されている。

特許文献2には、充電されたキャパシタ蓄電装置の電圧と出力電流から残容量と消費電力を求め、劣化を判定することが記載されている。

特許文献3には、充電された電気二重層コンデンサから供給される直流電流と直流電圧から求められる電気二重層コンデンサの静電容量と内部抵抗を基に異常の有無を判定することが記載されている。

特開平2-40572号公報 特開2001-197686号公報 特開2011-36046号公報

各特許文献では、コンデンサ等に対し、充電処理を行い出力電圧および電力を測定するとの複雑な構成により、劣化診断を行っている。

そこで、本発明の目的は、装置に実装状態でも、より簡便にコンデンサの静電容量を測定し、コンデンサの劣化診断を実現することにある。より簡便な劣化診断として、遠隔地に存在する環境発電無線式センサの劣化診断やその保守計画作成に好適な技術を提供することが含まれる。

本発明は、上記課題を解決するため、診断対象のコンデンサを環境発電無線式センサの回路から電気的に切り離し、予め定めた負荷など適切な負荷を接続してコンデンサの端子電圧の低下時間を測定し、これに基づいてコンデンサの劣化状況を判定することで劣化診断を行うものである。より具体的には、放電開始後一定時間経過後の静電容量と、予め測定したコンデンサの静電容量の比率を用いて劣化状況を判定する。

特に、本発明の環境発電無線式センサの一態様では、一定時間間隔でセンサを起動しセンサデータを伝送する運用に着目し、その停止期間を利用してコンデンサの劣化診断を行う。

さらに、環境発電無線式センサとネットワークを介して接続された環境発電無線式センサシステム（ホスト装置）において、環境発電無線式センサからのデータを用いて劣化状況に応じた保守計画を作成ないし修正することも本発明に含まれる。

環境発電無線式センサおよびシステムにおいて、簡便な方式で有寿命部品であるコンデンサの劣化診断を行うことができので、遠隔地に設置された装置の保守を適切に行うことができ、保守費の低減に効果がある。

実施例1における環境発電無線式センサの構成図 実施例2における環境発電無線式センサの構成を示す図 実施例3におけるシステムを示す図 実施例1のコンデンサ6に固定抵抗器7を接続した回路図(模式図)とコンデンサ6の放電電圧を示す図 実施例2のコンデンサ6に定電流回路14を接続した回路図(模式図)とコンデンサ6の放電電圧を示す図 実施例2の定電流回路14の示す図 実施例3のホスト装置34の動作フローの1例を示す図 実施例1の抵抗負荷時のコンデンサ容量計算テーブルの1例を示す図 実施例2の定電流負荷時のコンデンサ容量計算テーブルの1例を示す図

図1、図4を用いて、本発明の1実施例を説明する。

図1は、本実施例における環境発電無線式センサの構成を示す図である。

図1において、1は発電素子で例えば太陽発電パネル、2は発電・充電制御回路、3はシステム制御回路、4はシステム制御回路3に内蔵された電圧検出回路、5は無線式センサ回路、6はコンデンサ、7は固定抵抗器、8は発電・充電回路とコンデンサの断続を行うスイッチ、9はコンデンサと無線式センサの断続を行うスイッチ、10はコンデンサと固定抵抗器の断続を行うスイッチ、11はスイッチ8の制御信号、12はスイッチ9の制御信号、13はスイッチ10の制御信号である。

図4において、6は初期電圧V₀静電容量Cのコンデンサ、7は抵抗値Rの固定抵抗器、10はスイッチである。

まず図4を用いて、初期電圧V₀静電容量Cのコンデンサ6に抵抗値Rの固定抵抗器7を接続したときのコンデンサ6の端子電圧の変化について説明する。

図4において、ｔ₁秒間スイッチ10を閉じて固定抵抗器7をコンデンサ6に接続した場合、図4の下のグラフのように、コンデンサ6の端子電圧V₁は、
V₁＝V₀×EXP（-ｔ/RC）のカーブで減少する。そして、この式からｔ₁秒後のコンデンサ6の静電容量Cを計算すると、
C＝-ｔ₁/（R×ln（V₁/V₀））となる。ここで、ｌｎは、自然対数を示す。よって、コンデンサ6の初期電圧Ｖ₀、ｔ₁秒後の電圧Ｖ₁を測定すれば、固定抵抗器7の抵抗値は既知であるので、コンデンサ6の静電容量Cを求めることができる。

次に、図1を用いて本実施例における環境発電無線式センサの動作を説明する。

無線式センサ回路5の停止期間中に、スイッチ8とスイッチ9を開とし、コンデンサ6を発電・充電制御回路2および無線式センサ回路5から電気的に切り離す。次に、スイッチ10を閉じて固定抵抗器7をコンデンサ6に電気的に接続して、システム制御回路3に内蔵された電圧検出回路4でコンデンサ6の端子電圧を測定し初期値V₀とする。

そして、ｔ₁秒後、スイッチ10を開として、コンデンサ6の端子電圧を測定しV₁とする。得られたコンデンサの端子電圧値V₀、V₁と固定抵抗器の抵抗値Rを用いて、システム制御回路3内の演算処理部で、C＝-ｔ₁/（R×ln（V₁/V₀））の計算をすることにより、コンデンサ6の静電容量値が求められる。ここで、発電・充電制御回路2には、図1に示すように、別途コンデンサが設けられ、スイッチ8切り離し時にシステム制御回路3を動作可能としている。

なお、小電力のマイクロコンピュータで、システム制御回路を構成した場合、自然対数演算（ｌｎ）の計算に時間と電力を要する可能性がある。その場合には、自然対数テーブルをマイクロコンピュータのメモリに予め格納しておき、V₁/V₀の値でテーブルを参照して求めることにより解決される。

図8に、実施例1の抵抗負荷の際におけるコンデンサ容量を計算した結果を示す。図8の表は、負荷抵抗R＝30Ω、ｔ₁＝60ｓの場合である。一般にコンデンサは、初期値として±10％、±20％程度の誤差をもつため、110Fから60Fの間の計算結果とした。コンデンサ6の初期値を3Vとしたとき、約60ｍVの電圧降下した2.941Vの場合、100Fと計算される。そして、約74ｍV電圧降下した2.926Vの場合、80Fと計算される。マイクロコンピュータのメモリに記憶しておくテーブルとしては、V₁/V₀の数値とCの数値を対にしておけばよい。そして、コンデンサの初期値は誤差があるため、工場出荷時には、初期値としてコンデンサ容量を記憶しておき、動作中のコンデンサ容量測定時には、初期値との比率を計算し、当該比率に基づいて劣化判定する。例えば、比率が予め定めた基準値以下の場合、劣化と判定する。また、基準値を複数用意しておき、基準値毎に劣化判定を変えることも可能である。例えば、（１）最も高い基準値以上の場合は問題なし(しばらく交換、保守の必要なし)と判定、（２）最も高い基準値と最も低い基準値の間の場合は劣化の予兆あり（将来交換、保守作業が必要）と判断、（３）最も低い基準値以下の場合は問題あり（至急交換、保守を実施）と判断可能である。

以上の劣化診断、判定処理はシステム制御回路3が実行し、その結果を自身で格納したり、環境発電無線式センサが有する通信装置(図示せず)を介して送信したりすることも可能である。この動作については、後述する実施例2でも同様である。

なお、基準値が３以上ある場合、上記（２）について、基準値との大小関係もしくは比率自体の数値に応じて、劣化の判定結果として、将来の交換、保守の緊急性をさせることが望ましい。またさらに、基準値との大小関係もしくは比率自体の数値に応じて、保守スケジュールを特定することも本実施例に含まれる。例えば、比率が大きい（劣化が少ない）ほど保守周期を長くする（逆に、比率が小さく劣化が大きい場合ほど保守周期を短くする）。

この場合、システム制御回路3が、保守スケジュールと比率（ないし基準値との大小関係）の対応関係を示す保守テーブルを保持し、算出された比率や大小関係に基づき、本テーブルに従って保守スケジュールを決定する。この結果を、保守計画を示す保守計画表に記載する。なお、本手順については、後述する実施例3で説明する。

本実施例の環境発電無線式センサの使用されるコンデンサ6は、環境発電で得られる電力を充分に蓄積しておく必要があるため、ファラッドオーダーの電気二重層コンデンサが使用される。この電気二重層コンデンサはアルミ電解コンデンサと同様に、電解液を封止した構造となっているため寿命計算には、アレニウスの式に従い、10℃2倍則が適用される。しかし、本実施例の環境発電無線式センサは、屋外設置が主となるため、季節による温度変化が大きく、アレニウスの式による寿命計算には不向きである。

コンデンサ6の寿命判定の他の方法として、静電容量による判定、損失角による判定が挙げられる。静電容量による判定では、一般的に、初期値の80％〜70％以下となった場合とされている。判定値はコンデンサメーカにより異なる場合もあるため、コンデンサメーカの仕様に従い適切に設定するものとする。

次に、実施例2について、図2、図5、図6を用いて説明する。

図1、図4と同じ部位には、同じ番号を付している。 図2において、図1と同じ部位には、同じ番号を付している。

実施例2の動作は、図1の固定抵抗器7が定電流回路14に変わっただけで、他は実施例1と同様である。

図5において、6は初期電圧V₀静電容量Cのコンデンサ、14は電流値iの定電流回路、10はスイッチである。

まず、図5を用いて、初期電圧V₀静電容量Cのコンデンサ6に電流値iの定電流回路14を接続したときのコンデンサ6の端子電圧の変化について説明する。

図5において、ｔ₁秒間スイッチ10を閉じて定電流回路14をコンデンサ6に接続した場合、図5の下のグラフのように、コンデンサ6の端子電圧V₁は、直線的に減少する。

これは、一般式で、コンデンサの電化量をQ、端子電圧をV、流出入電流をi、流出入時間をｔ₁とすると、Q＝C×V＝i×ｔ₁の関係が成り立つので、この関係からV＝（i×ｔ₁）/C が得られ、時間ｔ₁に比例して増減することによる。

図5の条件でコンデンサ6の静電容量を求めると、（C×V₀）-（C×V₁）＝i×ｔ₁の関係式から、C＝（i×ｔ₁）/（V₀-V₁）としてコンデンサ6の静電容量Cを計算することができる。なお、ここでは、定電流iは、コンデンサ6から流れ出る方向を正方向とする。この場合は、四則演算で済むので、システム制御回路のマイクロコンピュータでも容易に計算可能である。この場合においても、定電流値i、時間ｔ₁は既知であるので、（V₀-V₁）を変数として予め計算したテーブルをメモリに格納しておき、これを参照してもよい。

図9に、実施例2の定電流負荷のコンデンサ容量を計算した結果を示す。図9の表は、定電流i＝0.1A、ｔ₁＝60ｓの場合である。定電流負荷を60ｓ接続したときの電圧降下が60ｍVのとき、コンデンサ容量は100Fと計算され、電圧降下が75ｍVのときコンデンサ容量は80Fと計算される。マイクロコンピュータのメモリに記憶しておくテーブルとしては、V₀-V₁の数値とCの数値を対にしておけばよい。そして、コンデンサの初期値は誤差があるため、工場出荷の際などには、初期値としてコンデンサ容量を記憶しておき、動作中のコンデンサ容量測定時には、初期値との比率を計算し、当該比率に基づいて劣化判定する。なお、劣化判定の手法は、実施例1と同様である。

次に、図6を用いて定電流回路14の構成を説明する。

図6において、6はコンデンサ、62はシャントレギュレータ、63はトランジスタ、64は固定抵抗器、65はスイッチ、14は定電流回路を示す。シャントレギュレータ62は、近年、基準電圧約1.2V、最低動作電圧約1.2Vの低電圧動作で、かつ1μA程度の低動作電流のものが市販されている。このようなシャントレギュレータを用いることにより、コンデンサ端子電圧3V程度の回路においても、定電流回路を構成することができる。図6において、シャントレギュレータ62の基準電圧を1.2V、最低動作電圧を1.2V、動作電流を1μA、固定抵抗器の抵抗値を12Ωとすると、トランジスタ63を流れる電流はi＝（1.2V）/（12Ω）＝0.1Aの定電流に制御される。定電流回路14の全電流は、この0.1Aにシャントレギュレータ62の動作電流1μAを加えたものになるが、動作電流が非常に小さいので、無視が可能である。

なお、実施例1と2では、固定抵抗器7と定電流回路14を用いたが、これら以外の負荷を発生する負荷回路を用いてもよい。

次に、実施例3について、図3を用いて説明する。図3は、図1や2で示される環境発電無線式センサを、ネットワークを介して接続されるホスト装置34により劣化診断を行う。さらに、ホスト装置34では、劣化診断の結果に応じて、保守スケジュールを策定する。

なお、ホスト装置34は、いわゆるコンピュータで実現され、後述する処理フローは、演算装置がプログラムに従って実行する。

図3において、31は環境発電無線式センサA1、32は環境発電無線式センサA2、33は環境発電無線式センサAｎ、34はホスト装置、35はホスト装置で保守計画を策定するための保守計画表の例である。本図では無線ネットワークを介して各環境発電無線式センサとホスト装置34が接続されているが、環境発電無線式センサを優先対応とし優先ネットワークを介して接続する構成を採用してもよい。

保守計画表35の環境発電無線センサA1〜Z5は、それぞれ実施例1あるいは実施例2のようにしてコンデンサ容量を求め、初期コンデンサ容量との比率を求めてホスト装置34に送信する。ホスト装置34では、例えば、図7のフローに従い保守計画を策定する。ここでは、コンデンサ容量の初期比率が75％以上80％未満(基準値)の場合は1年以内に交換、75％未満の場合は6ヶ月以内に交換と定義し、6ヶ月後、1年後を保守期限として計画表に記載する。そして、保守計画策定要領として、地区毎に纏めて作業できるよう、6ヶ月以内交換判定センサの設置地区に、1年以内交換判定センサがある場合には、同時に実施するものとした。このようにして、保守計画表35のように設置場所、センサNo.に対応した保守年月を計画する。この場合、B地区のB5センサは、1年以内の交換でよいが、同じB地区に6ヶ月以内の交換対象であるB1、B2センサがあるため、同時に実施し効率向上を図るものである。

なお、環境発電無線式センサは、実施例1あるいは実施例2のV₀とV₁の値ないしそれらの比率をホスト装置34の送信し、ホスト装置34側で劣化診断の計算をしてもよい。

図7に、ホスト装置34における保守スケジュールの策定フローの1例を示す。ここで、本フローは、各環境発電無線式センサのシステム制御回路3で算出された比率（コンデンサ容量）を、各環境発電無線式センサからネットワークを介して受信する例で記載する。但し、端子電圧を受信しホスト装置34で比率を計算してから本フローを実行してもよい。さらに、本フローを環境発電無線式センサのシステム制御回路3で実行し、それぞれから自身の保守管理表をホスト装置34が受信して、複数の環境発電無線式センサ全体の保守管理表にマージする構成としてもよい。

まず、ステップ101で、各環境発電無線式センサから送信される比率、つまり、コンデンサ容量を受信し、上位基準値の80％未満かを判断する。つまり、上位基準値との比較を行う。80%以上の場合、保守計画外（保守不要）とするか、保守計画の策定ないし変更は不要と判断し、処理を終了する。また、80%未満であればステップ102に進む。なお、上位基準値とは、コンデンサ6が比較的良好に保たれており、保守計画が不要ないし見直し（短縮化）が不要と判断するための基準値である。

次に、ステップ102で、コンデンサ容量が75%未満、つまり、下位基準値未満かを判断する。75%未満の場合はステップ103に進み、75％以上の場合はステップ104に進む。

ステップ103では、コンデンサ容量が75%未満つまり下位基準値未満と判定されているので、最低劣化状況とみなせる。このため、保守の１つである交換をより短期間で行う必要があると判定する。つまり、6ヶ月以内の交換と判定する。

ステップ104では、コンデンサ容量が75%以上80%未満、つまり、上位基準と下位基準値の間と判定されて。このため、中程度の結果状況と判断され、1年以内の交換と判定する。

ステップ105で、上記で判定された結果について、環境発電無線式センサ毎に、保守スケジュールを示す保守管理表を作成する。保守管理表は、コンデンサ容量（％）、コンデンサ交換要否、交換時期（保守期限）から構成されることが好適である。なお、コンデンサ交換要否は、ステップ101で80%以上と判定された環境発電無線式センサは否と判定され、他は要と判定される。

作成された保守管理表は、ホスト装置34が記憶装置に格納する。ここで、本保守管理表は、各保守員が用いる端末からアクセスしたり、印刷したりすることが可能とする。そして、保守員は、この保守計画表を参照し、各地区毎の保守計画を策定し保守を行う。

なお、本フローを環境発電無線式センサのシステム制御回路3で実行する場合、システム制御回路3が環境発電無線式センサ自身の保守管理表を記憶し、その結果を各保守員の端末に送信したり、ホスト装置34に送信してもよい。

1…発電素子、2…発電・充電制御回路、3…システム制御回路、4…電圧検出回路、5…無線式センサ回路、6…コンデンサ、7…固定抵抗器、14…定電流回路、34…ホスト装置

Claims (7)

1. 発電素子で発電した電力で各種物理量を計測し無線伝送する無線式センサ回路を有する環境発電無線式センサ装置において、
   発電・充電制御回路と、
   前記発電素子で発電された電力を蓄電するコンデンサと、
   前記コンデンサと電気的に接続可能である負荷回路と、
   前記無線式センサ回路の駆動制御を行うシステム制御回路を有し、
   前記システム制御回路は、
   前記コンデンサを前記発電・充電回路および前記無線式センサ回路から切り離して、前記コンデンサの第1の端子電圧を計測し、
   一定時間前記コンデンサに前記負荷回路を接続して放電させてから前記負荷回路を切り離して前記コンデンサの第2の端子電圧を計測し、
   前記コンデンサの第1の端子電圧と前記第2の端子電圧から求められる端子電圧の変化、前記負荷回路の負荷および前記一定時間を用いて前記コンデンサの静電容量を算出して、当該静電容量に基づいて前記コンデンサの劣化状況を判定することを特徴する環境発電無線式センサ装置。
2. 請求項1に記載の環境発電無線式センサ装置において、
   前記システム制御回路は、前記静電容量と、予め測定された前記コンデンサの静電容量の比率を算出し、当該比率を用いて前記コンデンサの劣化状況を判定することを特徴する環境発電無線式センサ装置。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の環境発電無線式センサ装置において、
   前記負荷回路は、固定抵抗器であり、
   前記システム制御回路は、前記負荷として前記固定抵抗器の固定抵抗値を用い、
   前記静電容量の算出を、前記固定抵抗値を用いた自然対数演算を行うことで実行することを特徴とする環境発電無線式センサ装置。
4. 請求項１または２のいずれかに記載の環境発電無線式センサ装置において、
   前記負荷回路は、定電流回路であり、
   前記システム制御回路は、前記負荷として前記定電流回路の流出入電流を用い、
   前記静電容量の算出を、前記流出入電流を用いた比例演算を行うことで実行することを特徴とする環境発電無線式センサ装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の環境発電無線式センサ装置において、
   前記システム制御回路は、前記無線式センサ回路の停止期間中に、前記前記コンデンサの劣化状況の判定を実行することを特徴とする環境発電無線式センサ装置。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の環境発電無線式センサ装置と接続され、当該環境発電無線式センサ装置から伝送されるデータを受信して処理する環境発電無線式センサシステムにおいて、
   前記環境発電無線式センサ装置における前記コンデンサの静電容量あるいは前記コンデンサの劣化状況を受信する手段と
   受信した前記静電容量あるいは前記劣化状況に応じて、前記環境発電無線式センサ装置の保守計画を作成する手段と、
   前記保守計画を保守計画表に記録するする手段とを有することを特徴とする環境発電無線式センサシステム。
7. 請求項６に記載の環境発電無線式センサシステムにおいて、
   さらに、前記環境発電無線式センサ装置から前記静電容量を受信した場合、当該静電容量から前記劣化状況を算出する手段を有し、
   前記保守計画を作成する手段は、前記劣化状況が良好なほど長い保守期間とする保守計画を作成することを特徴とする境発電無線式センサシステム。

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