JP4750185B2

JP4750185B2 - 電子化計量装置の寿命推定方法および装置

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Publication number: JP4750185B2
Application number: JP2008518230A
Authority: JP
Inventors: 口留司井
Original assignee: 日本電気計器検定所
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2027-12-06
Also published as: WO2009072204A1; JPWO2009072204A1

Description

本発明は、電子化計量装置の寿命推定方法およびその装置に係わり、とくに加速寿命試験と組み合わせて余寿命を推定する方法および装置に関する。

例えば電力量計が電子化されている例に見られるように、従来の機械式計量装置に替わって電子化計量装置が普及度合いを深めている。そこで、電子化計量装置の信頼性が注目されるようになっており、その評価が重要になっている。

他方、環境問題の一環として電子化計量装置を再利用する場合、予め再利用回数を決めておき、所定回数に達したとき、計量装置を廃棄するか、または故障部分を交換して計量装置を再利用することが考えられている。

機械式電力量計を例にとると、その計量電力量の積算値から稼動量が分り、ある程度は老朽度合いを知ることができるのに対し、電子化計量装置では計量電力量からストレス度を知ることはできず、外観上で判断することになる。

このようなことから、従来は、実際に使用された電子化計量装置の検満装置、つまり有効期間を稼動完了した計量装置をサンプリング調査し、その評価試験から寿命特性を推定し信頼性評価を行っている。また、幾つかのサンプリング計器を用いて暴露耐候試験等を行い、電子化計量装置の経年特性から寿命特性の算出を行っている。

電力量計以外の分野では、例えば特許文献１に示されるようなディスプレイパネルの場合、パネルに印加する信号とパネル面を撮影して得た信号とをデータ処理部に与えてデータ処理を行うことにより寿命分析するものがある。

しかしながら、電力量計の分野では、この種の寿命測定装置は未だ提供されていない。そして、電子化計量装置の寿命特性は、正常の使用状態では殆ど電気的性能特性変化が現れず経年特性が観測し難い。このため、通常の使用条件下のストレス試験で初期故障に関する寿命特性データを得ることが難しい。

本発明は上述の点を考慮してなされたもので、温度、湿度をパラメータとする加速試験を行って得た寿命特性を解析し寿命推定を行う装置を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本願では、次の方法および装置の発明を提供する。

まず方法の発明は、
被検電子化計量装置の余寿命を推定する方法において、
被検電子化計量装置のサンプルにつき温度、湿度を含む少なくとも２種のパラメータに関する加速試験を行い、ストレス対故障率に関する加速試験データを得、
前記加速試験データをワイブル解析して通常使用状態における寿命特性を推定し、
被検電子化計量装置が設置される環境における前記少なくとも２種のパラメータを実測して累積ストレスの測定データを得、
前記寿命特性および前記測定データから前記被検電子化計量装置の余寿命を推定する
ことを特徴とする。

また、装置の発明は、
被検電子化計量装置から求めた累積ストレスを基に、当該電子化計量装置の寿命時間を推定する装置において、
対象とする電子計量装置のサンプルにつき温度および湿度を含む少なくとも２種のパラメータに関する加速寿命試験を行って少なくとも２種の加速試験データを得るデータ形成手段と、
前記少なくとも２種の加速試験データをワイブル解析して前記被検電子化計量装置の寿命推定特性を求める特性推定手段と、
被検電子化計量装置の温度、湿度を含む被ストレス量を計測して少なくとも２種の測定データを得る測定手段と、
前記測定手段から前記少なくとも２種の測定データが与えられ、かつ前記特性推定手段から与えられた前記推定特性に基き寿命推定時間を算出する寿命推定手段と
をそなえたことを特徴とする。

本発明は上述のように、温度、湿度を含む２以上のパラメータについて加速試験を行って得た加速試験データをワイブル解析して余寿命特性を得、これに被検電子化計量装置から得た実測ストレスデータを当て嵌めて被検電子化計量装置の余寿命を推定することとしたため、被検電子化計量装置の余寿命をかなり正確に知ることができる。

本発明の一実施例の構成を示すブロック線図。図１におけるコントローラ１１の動作内容を示すフローチャート。加速寿命試験により得られる寿命特性を示す特性図。温度、湿度についての加速値および加速係数を示す図表。ワイブル確率紙にストレス実測値を記入した状態を示す累積ストレス対累積故障率特性を示す特性図。温度ストレス対平均寿命時間の特性を示す特性図。湿度ストレス対平均寿命時間の特性を示す特性図。寿命時間と累積ストレス量との関係を示す特性図。年間平均基準温度と実温度との差と寿命時間との関係を示す特性図。

［発明の概要］
本発明では、被検電子化計量装置に対してストレス印加による加速試験を行い、得られた加速試験データをワイブル解析して寿命特性を得ておき、この寿命特性および被検電子化計量装置から得られた累積ストレス量に基き披検計量装置の使用基準環境における余寿命を推定する。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の一実施例の構成を示すブロック線図である。図１において、被検（電子化）計量装置１００は、変流器１０１、変圧器１０２に接続されて電流および電圧が与えられる電子式電力量演算器１０３が電力量を計量し、計量結果を表示器１０４に与える構成となっている。

この被検計量装置１００は２種類あり、第１にはサンプルとしてのものであり、加速試験が行われる。第２には被検計量装置としてのものである。余寿命推定装置１０は、被検計量装置１００の表示器１０４からの表示データ、つまりストレスデータをコントローラ１１が受領して累算器１２または余寿命特性メモリ１３に与える。

コントローラ１１で行われる動作は２つあり、余寿命推定特性を形成して余寿命特性メモリ１３に格納する第1の動作モードと、余寿命特性メモリ１３に格納された余寿命推定特性に累算器１２からの被検計量装置毎の累算ストレスデータを照合して被検計量装置１台毎の余寿命を推定する第２の動作モードとである。

すなわち、第1の動作モードでは、被検計量装置と同種のサンプルを加速試験して試験ストレスデータを得、この試験ストレスデータから余寿命特性を求めて格納しておく。また、第２の動作モードでは、得られた余寿命特性に被検計量装置から実測した累積ストレスデータを当て嵌めて演算し当該被検計量装置の余寿命を推定する。

累算器１２およびストレスメモリ１３には、温度センサ１５および湿度センサ１６からＡＤ変換器１４を介してストレス要因としての温度及び湿度の実測データが与えられて、推定特性と実測データとの突合せを行い、ストレスの累算および温度、湿度の記憶を行う。

そして、累算器１２および余寿命特性メモリ１３は、得られた結果を余寿命表示器１７に与えて、被検計量装置毎の余寿命のみを表示するか、または累積ストレスデータを併せて与え、表示する。

図２は、余寿命推定装置１０内のコントローラ１１で行われる動作をステップ図として示したものである。まず、第１の動作モードでは、ステップＳ１における２種以上のストレスパラメータで加速試験を行い、加速試験データを得る。パラメータは、この場合、温度および湿度である。

次いでステップＳ２により、寿命推定手法でよく用いられるワイブル解析により被検計量装置の通常使用状態（平均基準温湿度）での寿命推定、つまりストレス量対余寿命の関係推定を行う。ワイブル解析を行うと、各加速試験データについて形状パラメータが得られ、その異同から故障モードの異同を知ることができる。

そして、この余寿命推定特性が得られたら、第２の動作モードに移行する。この第２の動作モードでは、被検計量装置の実際の温湿度ストレスを常時サンプリングして（ステップＳ３）、実際の総累積ストレス量を求め、既に得られている寿命推定特性と重ね合せて被検計量装置の余寿命を得る（ステップＳ４）。得られた余寿命を表示するか、またはさらに累積ストレス量を併せて表示する（ステップＳ５）。

図３は、電子装置の寿命を含む劣化、物理現象を推定するために用いられるアレニウスモデルによる推定方式を示す特性図である。

この特性図は、横軸をストレス、つまり温湿度とし、縦軸を寿命としたときのストレスと寿命との相関関係を示したもので、図では温度をストレスとした場合の特性を示している。

ストレスは、低温の高ストレスＴ２とより高温の高ストレスＴ１とを実測して、高ストレスＴ２での寿命がＬ２を中心値とするほぼワイブル分布をし、もう一つの高ストレスＴ１での寿命はＬ１を中心値とするほぼワイブル分布をすることが分った。

このことから、温度Ｔ２で寿命Ｌ２の点と温度Ｔ１で寿命Ｌ１の点とを結んで得られる推定特性線ＥＬを、外挿法により図示左側に向かって基準使用環境まで延長し、通常の使用環境であるＴｕ。での寿命はＬ０であると推定する。そして、検査しようとする計量装置、つまり被検計量装置が今までに与えられたストレスに、基準使用環境における推定寿命特性を適用して余寿命を推定する。

推定特性線ＥＬは、最低限で２つのデータがあれば得られ、データ数を増すほど、そして温度範囲を拡げるほど推定精度が向上する。もう一つのストレスである湿度についても同様である。

図４は、東京における基準使用環境と加速試験の条件とを表に纏めて示した図表である。まず、温度について、年間平均基準温度Ｔｕは１６℃であり、加速温度としては６０℃、７０℃、８０℃を選ぶと、それらに対応する加速値は、それぞれ７０，１５７，３３８倍である。因みに、加速温度が年間平均基準温度と同じ１６℃の場合、加速係数は１倍である。

次に湿度について、年間平均基準湿度は６３％であり、加速湿度としては０．８５つまり８５％であり、温度を加味した温湿度の加速係数ｋはそれぞれ９４，２１２，４５５倍である。この加速試験により、短い試験時間でありながら計量装置の寿命推定を行うことができる。

アレニウスモデル
上記図３によるアレニウスモデルで寿命を表わすと、寿命Ｌは、次式(1)により

ここで、Ｌ：寿命
Ａ：定数
Ｅａ：活性エネルギ[eV]
ｋ：ボルツマン定数（８．６２×１０^−５[eV/k]）
となる。

この式(1)は、温度と寿命との関係を表わしており、故障モードが一定であれば、温度（高ストレスＴ１，Ｔ２）における寿命試験から求めた寿命（logL）と温度ストレスとの関係は、図３の通りとなって、基準使用環境における寿命が推定できる。この場合、定数Ａを実態に合わせる。

次に加速係数Ｋを求める必要がある。アレニウスモデルによる寿命推定で用いる加速係数Ｋは、次式(2)により、

ここで、ＲＨｕ：基準湿度（年間、月間、月間平均湿度）
ＲＨｓ：試験湿度（一定）
Ｔｕ：基準温度（年間、月間、月間平均温度）
Ｔｓ：試験温度（一定）
と表わすことができる。このように、加速係数Ｋは、基準温湿度状態での寿命Ｌ１、および加速試験温、湿度における寿命Ｌ２との比Ｌ１／Ｌ２で計算できる（この場合、式(1)における定数Ａを計算しなくてよい利点がある）。

ワイブル解析
加速試験結果を用いて寿命特性を分析するには、ワイブル解析を用いる。

ワイブルの分布曲線は、次式(3)により、

ここで、ｍ：形状パラメータ
ｔ_０：尺度パラメータ
γ：位置パラメータ
と表わせる。

図５は、ワイブル分布における累積分布関数を示したものであり、上記ｆ（ｔ）の累積分布関数は、次式(4)により、

と表わすことができる。この結果をワイブル確率紙に記録すると、故障形式が種々異なっていても明確に識別される。

図５は、ワイブル確率紙に、寿命（累積ストレス時間）と累積故障率との関係を示したものである。ワイブル確率紙は、横軸が時間（寿命）、縦軸が故障率（不信頼性）でそれぞれが対数目盛であり、故障率６３％でηの横線およびこのηの横線の左起点から右上に向かう４本のそれぞれ角度が異なった斜め直線が引かれたものである。

図５に示された特性は、上記のワイブル確率紙に、紙面左側の右上がりに並行な２本の特性線Ａ１，Ａ２と紙面右側の１本の特性線Ｂであり、特性線Ａ１，Ａ２は加速試験により得られたものであり、特性線Ｂは基準使用環境における特性線である。

これら特性線Ａ１，Ａ２およびＢは、何れも同一の傾斜を持つため、形状パラメータは同一であり、故障モードは同一と見ることができる。

そして、加速試験下では短時間で故障率が増加するが、基準使用環境下では２桁以上長寿命となる。例えば、アレニウスモデルでの寿命特性値η（故障率６３％）を見ると、特性線Ａ１では３００時間弱であって特性線Ａ２では６００時間程度であるが、特性線Ａ１，Ａ２を通常使用環境まで並行移動させた特性線Ｂでは約３５,０００時間となる。

これは、特性線Ａ１，Ａ２の各形状パラメータｍが同じであるからできることであり、形状パラメータが同じであれば、故障モードは温度パラメータによって変らないことを意味している。

そして、故障モードが変らないのであれば、加速温湿度試験としてのパラメータにより基準温湿度による寿命推定時間を算出することができる。ここでは、信頼水準９０％で推定した平均寿命時間（ＭＴＴＦ）を寿命推定時間とする。

この寿命推定時間から温湿度による寿命係数を算出し、基準温湿度による寿命時間を算出する。したがって温湿度による寿命時間は、次式(5)により、

と表わせる。寿命係数Ａを、パラメータを用いて適宜決め、温湿度を基準値（１６℃、６３％）に設定することにより寿命時間を推定することができる。

ここで、仮に温湿度ストレスのレベルをｘ、そのときの劣化の度合いをｙと表わすと、ｙはｘの関数として

と表わすことができ、劣化状態の時間的変化dy/dtは、反応速度をｐとすると、

となる。

反応速度ｐが定数の場合は、式(6)を積分すれば、

となり、この式(8)を用いて寿命計算をすることができる。

いま、総累積ストレス量ｙが寿命限度γに達したときを寿命Ｌとすれば、

と表わすことができる。そして、この式(9)に式(5)を代入すると、

が得られる。

図６は、基準温度１６℃、基準湿度６３％における温度ストレス対寿命時間特性を示している。温度範囲は、１６℃ないし９７℃で、寿命は１００時間から１００万時間の範囲である。そして、実測データは６０℃、７０℃、８０℃につき得た。

図７は、基準温度１６℃における湿度６０％、７０％、８５％における湿度ストレス対寿命時間特性を示している。湿度８５％と湿度５０％とを比べるとほぼ１桁程度（１０万時間から１００万時間へ）寿命が延びることが分る。

図８は、寿命（横軸）が縦軸にとった総累積ストレス量γに近付いていく様子を示したものである。累積ストレス量ｙは、式（８）に示すように経年的に増加していく。図８では、実測した時点（３年目）までを実線で示し、４年目以降を破線で示しており、ｙ＝γとなる時点で寿命Ｌに達する。

図９は、年間平均基準温度の差を＋１５℃ないし−１５℃の範囲として寿命時間Ｌがどのように変るかを示したものである。図示するように、差が０では、約３０万時間であるが、＋１５℃では約５０００時間となり、−１５℃では約１７，０００時間となることが判っている。

上述したように、被検電子化計量装置に加速試験を行ってワイブル解析により寿命推定を行うと形状パラメータが得られ、この形状パラメータの異同から故障モードが確認できて寿命推定のための特性線が求められる。そして、この寿命特性線を基準使用環境に敷衍するように延長することにより被検計量装置の余寿命を割り出すことができる。

Claims

電子化計量装置の余寿命を推定する方法において、
被検電子化計量装置のサンプルにつき温度、湿度を含む少なくとも２種のパラメータに関する加速試験を行い、ストレス対故障率に関する加速試験データを得、
前記加速試験データをワイブル解析して通常使用状態における寿命特性を推定し、
被検電子化計量装置が設置される環境における前記少なくとも２種のパラメータを実測して累積ストレスの測定データを得、
前記寿命特性および前記測定データから前記被検電子化計量装置の余寿命を推定する
ことを特徴とする電子化計量装置の寿命推定方法。
請求項1記載の電子計量装置の寿命推定方法において、
前記累積ストレスおよび前記余寿命を表示する電子計量装置の寿命推定方法。
被検電子化計量装置から求めた累積ストレスを基に、当該電子化計量装置の寿命時間を推定する装置において、
対象とする電子計量装置のサンプルにつき温度および湿度を含む少なくとも２種のパラメータに関する加速寿命試験を行って少なくとも２種の加速試験データを得るデータ形成手段と、
前記少なくとも２種の加速試験データをワイブル解析して前記被検電子化計量装置の寿命推定特性を求める特性推定手段と、
被検電子化計量装置の温度、湿度を含む被ストレス量を計測して少なくとも２種の測定データを得る測定手段と、
前記測定手段から前記少なくとも２種の測定データが与えられ、かつ前記特性推定手段から与えられた前記推定特性に基き寿命推定時間を算出する寿命推定手段と
をそなえたことを特徴とする電子化計量装置の寿命推定装置。
請求項３記載の電子化計量装置の寿命推定装置において、
前記寿命推定手段が推定した修正寿命時間を表示する表示手段をそなえたことを特徴とする電子化計量装置の寿命推定装置。
請求項４記載の電子化計量装置の寿命推定装置において、
前記表示手段は、累積ストレス量を表示することを特徴とする電子化計量装置の寿命推定装置。