JP7002859B2 - 地震が起きやすい地域におけるボルトセンサの長期ドリフトおよびクリープ現象を補正する方法 - Google Patents

Description

本発明は、地震が起きやすい地域におけるボルトセンサの長期ドリフトおよびクリープ現象を補正する方法、ならびにボルトセンサおよびこの方法を実行するための装置を備えたシステムに関する。

例えばねじ接続のようなボルト接続は、地震によって破壊されることがあるだけでなく、その際に緩むことによって地震の余波としての事故を引き起こすことがある。そこで、例えば日本では、臨界的なねじ接続を検査する規定がある。多くの場合、この検査は、依然としてトルクレンチを用いて行われている。しかし、代替手段として、ねじの予張力を監視するボルトセンサを使用することも可能である。ねじの張力は静的な測定値であるので、例えばひずみゲージに基づくボルトセンサにおいて生じることがある信号ドリフトあるいはクリープ作用によって、測定信号が歪められるおそれがある。

本発明の目的は、特に地震の際のボルト予張力の変化に関するより的確な表示を可能にするとともに、信号ドリフトを補正することができる方法およびシステムを提供することである。

本発明の一態様によれば、地震が起きやすい地域におけるボルトセンサの長期ドリフトを補正する方法が提供される。概してこの方法（評価ルーチン）は、後述の特定の条件に基づいて完全に終了しない限り、所定の測定周期時間の経過後に繰り返し周期的に開始される。

まず、上記方法の実施に合わせて、最新（現在）のボルトセンサ信号をその都度検出することができる。

ここで、ボルトセンサ信号とは、ボルト接続がどの程度強固であるかに関する情報を与える信号である。有利には、例えば、ボルト頭部と相手部品との間にある座金形式のボルトセンサが使用される。このボルトセンサは、ボルト頭部と相手部品との間の力を検出し、この力の関数である対応する信号を出力するように構成されている。ひずみゲージ、またはより有利には、圧電効果あるいは圧抵抗効果に基づいた多数の様々なボルトセンサが知られている。ここでいうボルトとは、特にねじを含むものであり、概して締結に適した縦長の物体を指す。

上記方法あるいは評価ルーチンの範囲内で、最新のボルトセンサ信号が許容検出範囲内にあるか否か、すなわち、ボルトセンサ信号が、例えば上限値および下限値の範囲内にあるか否かを判定することができる。最新のボルトセンサ信号が許容検出範囲外にあれば、最新のボルトセンサ信号が検出できなかったことを示す相応の警報信号が出力される（警報信号：「測定値検出範囲外」）。警報信号に応じて、評価ルーチンは、中止されることになる。

最新のボルトセンサ信号が許容検出範囲内にあれば、当該最新のボルトセンサ信号は保存される。この保存は、好適には、循環型の記憶装置において行われる。つまり、以前に保存された最も古いボルトセンサ信号は、最新のボルトセンサ信号によって上書きされる。有利には、少なくとも先行する直前のボルトセンサ信号は、引き続きの計算のために記憶装置に保持される。したがって、有利には記憶装置は、最新の信号および先行する信号の少なくとも２つのボルトセンサ信号を保存するように構成されている。

最新のボルトセンサ信号の継続的、周期的または定期的な検出、および保存された値の周期的な置換によって、ボルトにおける緩やかなドリフト事象が予め補正される。

最新のボルトセンサ信号の検出および保存後、地震が発生しているか否か、あるいは、最後の検出時点と最新の検出時点との間に地震が発生したか否かを示す信号（地震計）を評価する。

このような地震計が作動している、すなわち、地震が発生している、または直前の測定周期内に地震が発生した場合、最新のボルトセンサ信号は、少なくとも以前に（有利には最後に）保存されたボルトセンサ信号と比較される。最新のボルトセンサ信号と以前に保存されたボルトセンサ信号とが規定の閾値より大きく互いに異なっている場合、ボルト接続が不良であることを示す警報信号が出力される（警報信号：「ボルト接続不良」）。上記方法は終了する。

前の工程における地震計の評価の際に、地震計が作動していない、つまり地震が発生していないことが確認されると、評価ルーチンをこの時点で差し当たり終了することができる。後の時点で、例えば測定周期時間の経過後に、さらなるボルトセンサ信号の検出を続行することができる。

別の態様によれば、上記方法の範囲内で、ボルトセンサの加速度を、例えば加速度値あるいは加速度ベクトルの形で検出することができる。有利には、加速度値または加速度ベクトルの振幅が規定の制限値を超えている場合に地震計を作動させることができる。これにより、ボルトセンサは、地震が発生しているか否かを自律的に決定することができる。

他の一態様によれば、外部の信号発信器からの地震信号を受信することも可能である。この場合、データバスにより、またはネットワーク、特に無線ネットワーク（インターネットまたは移動体通信等でもよい）による伝送を実施することができる。対応する地震信号が受信されれば、地震計を作動させることができる。

別の態様によれば、最新のボルトセンサ信号と最後に（以前に）保存されたボルトセンサ信号との間の差異を算出することができる。この差異が規定の閾値より大きければ、警報信号が出力される。地震が発生しているか否かの検証の結果、地震が発生している場合、それに応じて第１の警報信号（「ボルト接続不良」）を出力することができる。追加的または代替的に、地震が発生しているか否かの検証の結果、地震が発生していない場合にも、第２の警報信号（「ボルト接続弛緩」）を出力することができる。

別の態様によれば、有利には、この差異を測定周期時間で除算することができる。その場合、差異と測定周期時間との商を評価または出力することができる。これにより、ボルトセンサ信号の変化（差異）が時間的に基準化される。したがって、変化の速度およびそれに伴うリスクに関して追加的な表示を行うことができる。算出された値は、早期故障の指標となり得るので、予防的な保守を行うことができる。

有利には、少なくとも２つのボルトセンサ信号からの差異の算出、および場合によっては測定周期時間での除算は、地震が検出された場合であって、時間的にずらされて検出されたボルトセンサ信号が互いに異なっているか否か、および場合によってはどの程度互いに異なっているかを判定すべき場合にも、当然ながら行うことができる。

別の態様によれば、例えば地震が確認された後に、監視頻度を高めるために測定周期時間を短縮することができる。

さらに、エネルギ消費量の削減を図るために測定周期時間を延長することができる。

別の態様によれば、警報信号のうちの１つを含むメッセージを、ネットワークインフラストラクチャおよび／またはメッセージバスにより送信することができる。

別の態様によれば、少なくともボルトセンサと評価電子装置とを含むシステムが提供される。このシステムは、有利には、本明細書に説明されている様々な態様および実施例による方法を実行するために構成されている。

このシステムは、有利には、評価電子装置と連結され、地震に反応して加速度値を供給するように構成された加速度センサを含んでいてよい。

さらに、このシステムは、エネルギ貯蔵器を有していてよく、評価電子装置は、エネルギ貯蔵器に保存されたエネルギを用いて自立して動作可能である。

その他、評価電子装置は、自由に利用可能なエネルギ、例えば太陽エネルギ、風力エネルギ、または環境発電によって、エネルギ貯蔵器を充電するように構成することができる。

以下では本発明の特徴および態様を、実施例に基づいて添付図面を参照しながらより詳細に説明する。図に示されるのは以下である。

一実施の形態に係る簡略化された概略フローチャートである。 ドリフト補正を説明するための簡略図である。 一実施の形態に係るシステムの簡略図である。

一実施の形態に係る方法あるいは評価ルーチンを、図１のフローチャートに基づいて説明する。

この方法は工程Ｓ１から始まる工程Ｓ１では、システムが初期化されるか、または前回の方法の実行後に再び工程Ｓ１に戻る。これは、後述する複数の中止条件のうち１つの中止条件によって、有利には、時間的には予め設定された測定周期時間Ｔ０後に行われる。

工程Ｓ２ではボルトセンサ信号が検出される。

全体的に、図１によるフローチャートに図示された評価ルーチンは、完全な中止に至らない限りは、固定された測定周期時間Ｔ０（Ｔ０は概して変更可能）によって繰り返し周期的に実行される。

最新のボルトセンサ信号が工程Ｓ２で検出されると、工程Ｓ５において、このボルトセンサ信号が所定の検出範囲内にあるか否かが判定される。ボルトセンサ信号が検出範囲内になければ、工程Ｓ３において警報が発せられる。その後、工程Ｓ４において評価が中止される。

ボルトセンサ信号が検出範囲内にあれば、工程Ｓ６において最新のボルトセンサ信号が保存される。この保存は、例えば、循環型あるいは回転型の記憶装置において行うことができる。つまり、この記憶装置は、限られた数（例えば２つ以上）のボルトセンサ信号を保存可能なように構成されていてよい。最大数に達すると、記憶装置は再び最初から上書きされる。

その後、続いて工程Ｓ７では、地震が発生しているか否かが通常確認される。このような信号、すなわち地震計が作動していなければ、工程Ｓ１に戻る。つまり、工程Ｓ７において評価ルーチンが中止されて工程Ｓ１を続ける。工程Ｓ１または工程Ｓ２は、有利には、所定の測定周期時間Ｔ０が完全に経過した後に初めて続けられる。地震計が作動していれば、すなわち地震の指標があれば、工程Ｓ８においてボルトセンサ信号が変化しているか否かが確認される。ボルトセンサ信号が変化していなければ、再び工程Ｓ１に戻る。つまり、この時点で評価ルーチンは中止される。有利には、測定周期時間が経過するのを待ってから、評価ルーチンが最初から開始される。

ボルトセンサ信号が地震の発生後に大きく変化している場合、工程Ｓ９においてボルトが不良であることを示す警報（「ボルト接続不良」）が発せられる。この場合、方法は工程Ｓ１０で終了する。

なお、工程Ｓ８におけるボルトセンサ信号の検証については、別途の任意の工程Ｓ１１において、最新のボルトセンサ信号と最後にあるいは以前に保存されたボルトセンサ信号との間の差異を規定の閾値に対して検証するようにしてもよい。この差異が決まった閾値よりも小さければ、工程Ｓ８においてルーチンが中止されて工程Ｓ１に戻る。この差異が閾値による決まった限度外にあれば、工程Ｓ９において警報が発せられる（「ボルト接続不良」）。そして、方法は工程Ｓ１０で終了する。工程Ｓ１１においても同様に行うことができる。

先行するボルトセンサ信号と最新のボルトセンサ信号とから差異を算出することに加えて、この差異をその都度の測定周期時間Ｔ０で除算することもできる。

特に工程Ｓ１１によって示されている（図１）ように、検出された各ボルトセンサ信号がどのように推移するかを方法内で継続的に制御することができる。地震は発生していない、かつ、最新のボルトセンサ信号と１つまたは複数の最後に保存されたボルトセンサ信号（すなわち、時間的により早いボルトセンサ信号）との間の差異が著しく変化していることが確認された場合、警報「ボルト接続弛緩」を発することができる。この検証は、好適には、以前に保存されたボルトセンサ信号と最新のボルトセンサ信号との間の差異を決定することにより実施してもよい。さらに、この１つまたは複数の差異が閾値を超えているか否かが検証される。経時的変化に関する質的および量的な表示を得るために、この差異を基本的に測定周期時間で除算することができる。この差異と測定周期時間との商を、追加的に出力あるいは評価することができる。これにより、ボルト接続における激しい変化を、「通常の」長期変化（ドリフト）と区別することができる。特に、ボルトセンサ信号は、「通常の」ドリフトに基づいて長期にわたって評価することができる。「通常の」ドリフトは、定期的な間隔において補正される。

図２は、ドリフト補正を説明するための簡略化したグラフである。ここではボルトセンサ信号ＢＳの時間経過に伴う経時的推移が、一定の間隔（Ｔ０、２Ｔ０、３Ｔ０…）で補正される「通常の」ドリフトを考慮して図示されている。

例えば、時点０、Ｔ０、２Ｔ０、３Ｔ０、および４Ｔ０において、ボルトセンサ信号ＢＳｉ～ＢＳｉ＋４が検出される。ここで、Ｔ０は測定周期時間（期間）である。上述のように、この測定周期時間は、調整することができる。ドリフトまたはクリープ作用に基づいて、測定周期時間Ｔ０内で値がゆっくりと高まっていく。差し当たりは、それぞれの最後の値が常に基準線（振幅ＢＳ）と一致することを前提としている。したがって、それぞれの先行する値ＢＳｉは、それに続く値ＢＳｉ＋１の基準に使用される。これにより、クリープ作用およびドリフトの補正が既に達成される。さらに、ある特定の期間にわたってのボルトセンサ信号の挙動に基づいて、通常のドリフト挙動に関する予測を立てることも可能である。そして、この挙動を地震に関する評価の根拠とすることができる。特に、測定周期時間Ｔ０（Ｔ０は概して変更可能）により差異（ＢＳｉ＋１－ＢＳｉ）を除算することによって、時間的に標準化することができる。したがって、測定周期が変化する場合にも、目立った挙動をより的確に評価することが可能である。

概して、地震計は、例えば、ボルトセンサに接して配置されているか、またはボルトセンサ内に配置されている加速度センサに基づくものであってもよい。この加速度センサは、好適には互いに直交する１つ、２つ、または３つの方向における加速度を測定することができる。これに応じて、加速度ベクトルが得られる。この加速度ベクトルの値のうちの１つ、複数、または全てが規定の制限値を、例えば加速度ベクトルの振幅の形で超えている場合、これによって、地震が起こる可能性が極めて高いこと、あるいは地震が発生していることが認識され、これに応じて地震計が作動される（工程Ｓ７）。工程Ｓ７において、外部の信号発信器によって地震計を提供することも同様に可能である。この場合、地震信号を、データバスにより、またはネットワーク、特にモバイルネットワークにより評価回路に伝送することができる。このような信号が受信され次第、地震計を作動させることができ、ルーチンを工程Ｓ８から続行することができる。

地震が発生したか否かの検証は、上記の２つの代替案を組み合わせることも可能である。この場合、少なくとも１つの方法あるいは少なくとも１つの装置、すなわち、加速度値の検出および評価、または外部の信号発信器の信号の評価によって地震を検知した場合、地震計を作動させることができる。また、２つの方法によって地震を検知した場合にのみ、地震計を作動させることも可能である。

図３は、一実施の形態に係るシステム１００の簡略図である。システム１００は、少なくとも１つのボルトセンサ１と、１つの評価電子装置２とを含んでいる。さらに、ボルト３と、当該ボルト３が取り付けられていて、これ以降は関連性がない装置６とが図示されている。ボルトセンサ１は、ここでは座金として構成されており、その内部には、例えば軸方向ＡＸの力を検出する要素が設けられている。ボルトセンサ信号は、ボルトと装置６との間に生じる軸方向の力の関数となる。同様に、有利には部分的または完全にボルトセンサ１内に位置している評価電子装置２は、単に概略的に図示されているだけである。他の構成では、評価電子装置２は、ボルトセンサ１の外側に設けることもできる。この評価電子装置２は、有利には、上記の方法あるいは評価ルーチンを実行可能なように構成されている。この評価電子装置２は、プロセッサ、記憶装置、およびその他の構成要素を含むことができる。評価電子装置２は、固定プログラム化されているか、または固定配線接続されていてよい。

さらに上記の実施の形態では、例えば、加速度センサ５が設けられている。加速度センサ５は、ボルトセンサ１内に配置されている。択一的には、この加速度センサ５は、ボルトセンサに当接させて配置することもできる。加速度センサ５は、加速度ベクトル（電気信号）を評価電子装置２に送信する。この加速度ベクトルに基づいて、地震が発生したか否かを検出することができる。

さらに、評価電子装置２は、警報のうちの１つを含むメッセージを、例えばネットワークインフラストラクチャおよび／またはメッセージバスにより、メッセージ受信者に送信するように構成することができる。さらに、ネットワークまたはバスを介して、信号発信器７からの地震指標を評価電子装置２に伝送することも可能である。

評価電子装置２またはボルトセンサ１は、有利にはエネルギ貯蔵器４を含むことができる。評価電子装置２は、エネルギ貯蔵器４に保存されたエネルギを用いて自己完結的に動作可能である。

さらに、評価電子装置２は、自由に利用可能なエネルギ、例えば太陽エネルギ、風力エネルギ、または環境発電によってエネルギ貯蔵器４を充電することに適していてもよい。

さらに、上記の方法あるいはシステムを絶対的な警報閾値で補足することができる。これによって、ねじ接続あるいはボルト接続を弛緩させるゆっくりとした揺さぶりをも検出可能になり、あるいは、測定信号が後続の電子装置の測定範囲の限界に達するか、あるいはこの限界から離れる前に警報が発せられるようになる。

さらに、特に保存された信号と最新の信号との間の差異をドリフト予測のために評価し、次いでこの差異を測定周期で除算することができる。この値は早期故障の指標となるので、予防的な保守を行うことができる。評価アルゴリズムにおける周期が可変であることによって、例えばシステムのエネルギ消費量を削減することができる。他方では、例えば地震による衝撃が小さい場合に測定頻度を高めれば、情報量を増やすことも可能である。

１ ボルトセンサ
２ 評価電子装置
３ ボルト
４ エネルギ貯蔵器
５ 加速度センサ
６ 装置
７ 信号発信器
１００ システム
ＡＸ 軸方向
Ｔ０ 測定周期時間
ＢＳｉ ボルトセンサ信号
Ｓ１…Ｓ１１ 方法の工程

Claims (12)

1. 評価ルーチンにおいて、
   最新のボルトセンサ信号を検出する検出工程と、
   検出した前記ボルトセンサ信号が所定の検出範囲内にあるか否かを検証する検証工程と、
   前記ボルトセンサ信号が前記検出範囲内にない場合、警報信号を出力して前記評価ルーチンを中止する中止工程と、
   前記ボルトセンサ信号が前記検出範囲内にある場合、検出した前記ボルトセンサ信号を記憶装置に保存して前記評価ルーチンを続行する続行工程と、
   検出した前記ボルトセンサ信号を以前に保存したボルトセンサ信号と比較する比較工程と、
   検出した前記ボルトセンサ信号が以前に保存した前記ボルトセンサ信号から所定の閾値よりも大きく異なっているか否かを判定し、前記閾値を超えている場合、警報信号を出力する出力工程と、
   を所定の測定周期時間で周期的に実行することを含み、
   前記比較工程において、以前に保存した前記ボルトセンサ信号を、検出した前記ボルトセンサ信号の基準として使用して、ボルトセンサ信号の長期ドリフトを補正し、
   加速度センサによって加速度値を検出するまたはデータバスまたはネットワークにより地震信号を受信することにより地震が発生したか否かを検証し、地震が発生しているか否かの検証において、地震が発生していない、かつ、前記閾値を超えているとの結果を出した場合、「ボルト接続は緩んでいる」との警報信号を出力することを含む
   方法。
2. 地震が発生したか否かの検証は、前記加速度値が規定の制限値を超えている場合、地震計を作動させることを含む、請求項１に記載の方法。
3. 検出した前記ボルトセンサ信号が以前に保存した前記ボルトセンサ信号から所定の閾値よりも大きく異なっているか否かを判定する前記出力工程は、最新の前記ボルトセンサ信号および以前に保存した前記ボルトセンサ信号から差異を算出し、前記差異が前記閾値よりも大きいか否かを判定することをさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記差異を前記測定周期時間により除算することを含む、請求項３に記載の方法。
5. 地震が発生しているか否かの検証が、地震が発生しているとの結果を出した場合、「ボルト接続は不良」との警報信号を出力することを含む、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
6. 監視頻度を高めるために前記測定周期時間を短縮することを含む、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
7. エネルギ消費量を削減するために前記測定周期時間を延長することを含む、請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
8. 前記警報信号のうちの１つを含むメッセージを、ネットワークインフラストラクチャおよび／またはメッセージバスにより送信することを含む、請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
9. ボルトセンサ（１）と評価電子装置（２）とを含み、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成された、システム（１００）。
10. 前記評価電子装置（２）に連結されていて、地震に反応して加速度値を供給するように構成された加速度センサ（５）を含む、請求項９に記載のシステム（１００）。
11. エネルギ貯蔵器（４）を含み、
    前記評価電子装置（２）は、前記エネルギ貯蔵器（４）に保存されたエネルギによって自立して動作可能である、請求項９または１０に記載のシステム（１００）。
12. 前記評価電子装置は、自然エネルギ、または環境発電によって、前記エネルギ貯蔵器（４）を充電するように構成されている、請求項１１に記載のシステム（１００）。

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