KR101347968B1

KR101347968B1 - 전위차계의 열화 진단 방법

Info

Publication number: KR101347968B1
Application number: KR1020130006403A
Authority: KR
Inventors: 마코토 사루와타리; 히로아키 나리타; 다쿠지 아베
Original assignee: 아즈빌주식회사
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2014-01-07
Also published as: CN103308791A; CN103308791B; KR20130101450A; JP5843663B2; US20130229195A1; JP2013185823A; US9255951B2

Abstract

전위차계의 성능 열화에 관해서, 그 진행 상황을 단계적으로 알 수 있도록 한다.
전위차계의 고장에 이르기까지의 성능 열화의 진단 항목으로서, 「노이즈의 발생」,「직선성의 열화」,「저항값의 변화」,「회전 토크의 증대」를 진단 항목으로서 정하고, 「노이즈의 발생」,「직선성의 열화」,「저항값의 변화」,「회전 토크의 증대」의 순서로 단계적으로 진단해 간다.

Description

전위차계의 열화 진단 방법{DETERIORATION DIAGNOSTIC METHOD OF POTENTIOMETER}

본 발명은 전위차계의 성능 열화를 단계적으로 진단하는 전위차계의 열화 진단 방법에 관한 것이다.

종래부터 전동 밸브 액츄에이터 등의 회전 각도의 검출에 전위차계가 이용되고 있다. 이 전위차계는, 그 구조상, 슬라이더에 의한 마모로 인해, 저항체가 손상을 받거나 마모 가루가 생기거나 하기 쉽고, 빈번히 사용하는 슬라이딩 범위에서는 특히 그것이 심하다. 그 결과, 슬라이더가 약간 변위했을 뿐이고, 저항값이 우발적으로 크게 변화되는 현상이 발생한다. 그에 따라, 전위차계의 출력 신호도 우발적으로 크게 변화되어, 도 11에 도시한 바와 같이 수염형의 신호 S가 되어서 나타난다. 또, 도 11에 있어서, 횡축은 전위차계 변위(슬라이더의 변위) 또는 각도, 종축은 전위차계의 출력 신호의 크기를 나타낸다.

이러한 수염형의 신호가 전위차계의 출력 신호로 나타나면, 이 출력 신호가 공급되어 동작하고 있는 제어 장치 등은, 우발적으로 이상한 제어 동작을 행하여 버리는 경우가 있다. 그래서, 특허 문헌 1에서는, 이 전위차계의 출력 신호에 나타나는 수염형의 신호를 검출하고, 이 수염형의 신호가 정해진 상한값보다 큰 경우 또는 하한값보다 작은 경우, 또한 그 수염형의 신호의 변화율이 정해진 값보다 큰 경우, 고장으로 진단하도록 하고 있다. 전위차계가 고장으로 진단되면, 그 출력 신호가 공급되어서 동작하고 있는 제어 장치 등은, 즉시 정해진 신호 이상시의 제어로 이행한다.

특허문헌 1 : 일본국 특허 공개 평성07-95081호 공보

그러나, 전술한 수염형의 신호(노이즈)는 전위차계의 경년 변화의 초기 단계에 발생하는 것으로, 이러한 노이즈의 발생이 문제가 되지 않는 경우는 이후에도 사용할 수 있는 데도 불구하고, 고장으로 진단되어 버린다고 하는 문제가 있다. 즉, 특허문헌 1에서는, 노이즈의 발생이라는 하나의 사상밖에 파악하고 있지 않고, 너무나도 이른 단계에서 고장으로 진단되어, 시스템의 가동률이 저하하거나, 부품 교환의 수고나 비용이 든다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은, 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 전위차계의 성능 열화에 관해서, 그 진행 상황을 단계적으로 아는 것이 가능한 전위차계의 열화 진단 방법을 제공하는 것에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 전위차계의 고장에 이르기까지의 성능 열화의 진단 항목으로서, 가벼운 쪽으로부터 무거운 쪽을 향하여 복수의 진단 항목을 정하고, 이 복수의 진단 항목의 성능 열화를 정해진 순서로 단계적으로 진단해 가도록 한 것이다.

예컨대, 본 발명에서는 전위차계의 성능 열화의 진단 항목으로서, 노이즈의 발생을 진단하고, 그것이 확인되면 입출력간의 직선성(이하, 단순히 직선성이라고 함)의 열화를 진단하고, 그것이 확인되면 저항값의 변화를 진단하고, 그것이 확인되면 회전 토크의 증대를 진단하도록 한다.

이에 따라, 전위차계의 성능 열화에 관해서, 그 진행 상황을 단계적으로 아는 것이 가능해진다. 즉, 노이즈가 발생하고 있는 단계에 있는 것인지, 직선성이 열화하고 있는 단계에 있는 것인지, 저항값이 변화하고 있는 단계에 있는 것인지, 회전 토크가 증대하고 있는 단계에 있는 것인지, 현재의 성능 열화의 단계를 아는 것이 가능해진다.

본 발명에 따르면, 전위차계의 고장에 이르기까지의 성능 열화의 진단 항목으로서, 가벼운 쪽에서 무거운 쪽으로 향하여 복수의 진단 항목을 정하고, 이 복수의 진단 항목의 성능 열화를 정해진 순서로 단계적으로 진단해 가도록 했기 때문에, 전위차계의 성능 열화에 관해서, 그 진행 상황을 단계적으로 아는 것이 가능해져, 너무나도 이른 단계에서 고장으로 진단되는 것을 없애고, 시스템의 가동률을 향상시키거나, 사용 상황에 따라서 적절한 시기에 부품 교환을 하게 하도록 하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 실시에 이용하는 전위차계의 열화 진단 장치를 포함하는 시스템의 주요부를 도시하는 블록도이다.
도 2는 이 시스템에 있어서의 전위차계 열화 진단 장치가 갖는 기능을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 도 2에 계속되는 흐름도이다.
도 4는 전위차계의 각 전극간의 저항값의 정의를 설명하는 도면이다.
도 5는 전체 저항값 R_A _-B의 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 접촉 저항값 r 및 단자간 저항값 R_A _-C, R_B _-C의 측정에 있어서 이용하는 전압 V1을 설명하는 도면이다.
도 7은 접촉 저항값 r 및 단자간 저항값 R_A _-C, R_B _-C의 측정에 있어서 이용하는 전압 V2를 설명하는 도면이다.
도 8은 선형 보간된 값으로서 구해지는 예측값 R'를 명시하는 도면이다.
도 9는 차분법으로 구해진 저항값의 변화 속도 및 가속도를 예시하는 도면이다.
도 10은 과도 상태에 있어서의 dωp,o/dt 및 dωp/dt를 예시하는 도면이다.
도 11은 전위차계의 출력 신호에 나타나는 수염형의 신호를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시에 이용하는 전위차계의 열화 진단 장치를 포함하는 시스템의 주요부를 도시하는 블록도이다. 동일한 도면에 있어서, 도면 부호 1은 전위차계, 도면 부호 1-1은 슬라이더, 도면 부호 2는 전위차계의 열화 진단 장치(이하, 전위차계 열화 진단 장치라고 지칭됨), 도면 부호 3은 진단 결과 표시 장치이다.

이 시스템에 있어서, 슬라이더(1-1)로부터 추출된 전위차계(1)의 출력 신호는 전위차계 열화 진단 장치(2)에 보내어진다. 또, 도 1 중, A, B는 전위차계(1)의 고정 전극, C는 전위차계(1)의 가동 전극, 도면 부호 1-2는 전위차계(1)의 저항체, 도면 부호 1-3은 가동 전극 C에서의 저항체(1-2)와의 사이의 접촉 저항이다.

이 전위차계(1)는, 전원 주파수에 연동하여 회전계 전체의 각속도가 정상 상태에서는 일정 속도가 되는 것 같은 장치에 부설되어 있다. 예컨대, 전동 밸브 액츄에이터에 조립되고, 모터에 의해서 구동되는 밸브체의 개방도를 검출한다.

또한, 이 시스템에 있어서, 전위차계 열화 진단 장치(2)는, 프로세서나 기억장치로 이루어지는 하드웨어와, 이들 하드웨어와 협동하여 각종 기능을 실현시키는 프로그램에 의해서 실현된다.

전위차계의 성능은, 노이즈의 발생, 직선성(입출력 사이의 직선성)의 열화, 저항값의 변화, 회전 토크의 증대 순으로 열화하는 것이 알려져 있다. 본 실시형태에서는, 이 성능의 열화 순서에 착안하여, 노이즈의 발생, 직선성의 열화, 저항값의 변화, 회전 토크의 증대 순으로, 전위차계(1)의 성능 열화를 진단해 가도록 한다.

즉, 전위차계(1)의 고장에 이르기까지의 성능 열화의 진단 항목으로서, 「노이즈의 발생」,「직선성의 열화」,「저항값의 변화」,「회전 토크의 증대」를 진단 항목으로서 정하고, 「노이즈의 발생」,「직선성의 열화」,「저항값의 변화」,「회전 토크의 증대」의 순서로 단계적으로 진단해 가도록 한다. 이 진단은, 전위차계(1)를 장치로부터 제거하는 일없이, 즉 전위차계(1)를 장치에 내장한 채로 행한다.

이하, 도 2 및 도 3으로 분할하여 도시하는 흐름도를 참조하여, 전위차계 열화 진단 장치(2)가 갖는 본 실시형태 특유의 기능에 관해서 설명한다.

〔노이즈 발생의 진단〕

전위차계 열화 진단 장치(2)는, 우선 전위차계(1)의 노이즈의 발생을 진단한다(단계 S101: 도 2).

이 노이즈 발생의 진단은, 슬라이더(1-1)로부터 추출된 전위차계(1)의 출력 신호에 포함되는 수염형의 신호를 검출함으로써 행한다. 이 수염형의 신호가 정해진 상한값보다 큰 경우 또는 하한값보다 작은 경우, 또한 그 수염형의 신호의 변화율이 정해진 값보다 큰 경우에, 노이즈가 발생했다고 판단한다.

전위차계 열화 진단 장치(2)는, 노이즈가 발생했다고 판단하면(단계 S102의 YES), 열화 진단 결과 표시 장치(3)로 그 진단 결과를 보내고, 현재의 전위차계(1)의 열화 단계가 노이즈의 발생 단계(제1 단계(초기 단계))인 것을 표시한다(단계 S103).

〔직선성 열화의 진단〕

다음으로, 전위차계 열화 진단 장치(2)는, 직선성의 열화를 진단한다(단계 S104: 도 3). 이 직선성 열화의 진단은, 다음과 같이 하여 행한다.

전위차계(1)의 동작 상태에서의 출력 저항값 R을 계측하고, 그 때의 예측값 R'를 다음 식으로 구한다.

R'=〔(Ro, max - Ro, min)/tmax〕ㆍt + Ro,x% … (1)

또, 이 (1)식에 있어서, Ro, max 및 Ro, min은 전위차계(1)의 가동 범위에서의 출력 저항값의 최대값 및 최소값, t는 미리 정해진 보증점을 통과하고 부터의 동작 시간(동작 방향에 따라 가감함), tmax는 최대값 Ro, max로부터 최소값 Ro, min까지의 동작 시간, Ro, x%는 보증점에서의 출력 저항값이며, Ro, max 및 Ro, min은 초기에 측정해 둔다.

이 (1)식에 의해 구해지는 예측값 R'는 일정 구간 마다의 출력 저항값의 예측값이며 선형 보간된 것이다. 보증점이나 출력 저항값 R의 계측 방법 등에 대해서는 후술한다.

그리고, 전위차계 열화 진단 장치(2)는, 계측한 출력 저항값 R과 그 때의 예측값 R'로부터 |R-R'|를 구하고, 이 |R-R'|와 미리 정해져 있는 임계값 ΔRth를 비교하고, | R-R'|>Δ Rth 이었던 경우에 직선성을 잃었다고 판단한다. 즉, 직선성이 열화되었다고 판단한다.

전위차계 열화 진단 장치(2)는, 직선성을 잃었다고 판단하면(단계 S105의 YES), 열화 진단 결과 표시 장치(3)로 그 진단 결과를 보내고, 현재의 전위차계(1)의 열화 단계가 직선성의 열화 단계(제2 단계)인 것을 표시한다(단계 S106).

〔저항값 변화의 진단〕

다음으로, 전위차계 열화 진단 장치(2)는, 저항값의 변화를 진단한다(단계 S107). 이 저항값의 변화의 진단에서는, 전위차계(1)의 전체 저항값 R_A _-B를 정시 측정하고, 어떤 임계값을 넘었을 때, 열화하고 있다고 판단한다. 전위차계(1)의 전체 저항값 R_A _-B의 측정에 관해서는 후술한다.

전위차계 열화 진단 장치(2)는, 저항값이 변화되었다고 판단하면(단계 S108의 YES), 열화 진단 결과 표시 장치(3)로 그 진단 결과를 보내고, 현재의 전위차계(1)의 열화 단계가 저항값의 변화 단계(제3 단계)인 것을 표시한다(단계 S109).

〔회전 토크의 증대 진단〕

다음으로, 전위차계 열화 진단 장치(2)는, 회전 토크의 증대를 진단한다(단계 S110). 이 회전 토크의 증대 진단은 다음과 같이 하여 행한다.

전위차계(1)의 동작 상태에서의 부하 토크 Tp를 계측하고, 이 계측한 부하 토크 Tp와 미리 정해져 있는 임계값 Tpth를 비교하고, Tp>Tpth 이었던 경우에 회전 토크가 증대되었다고 판단한다.

전위차계(1)의 동작 상태에서의 부하 토크 Tp는 다음 식에 의해 구할 수 있다.

Tp=Ipㆍ(dωp,o/dt-dωp/dt) … (2)

또, 이 (2)식에 있어서, dωp,o/dt는 전위차계(1)를 장치로부터 제거하여 모터를 구동했을 때의 과도 상태에 있어서의 각가속도, dωp/dt는 전위차계(1)를 장치에 조립하고 모터를 구동했을 때의 과도 상태에 있어서의 각가속도, Ip는 전위차계(1)의 관성이며, dωp,o/dt는 초기에 측정해 둔다. dωp/dt는 출력 저항값 R로부터 환산한다. 또한, Ip는 메이커로부터 입수한다(일정값). dωp,o/dt의 초기 측정이나 dωp/dt의 출력 저항값 R로부터의 환산에 관해서는 후술한다.

전위차계 열화 진단 장치(2)는, 회전 토크가 증대되었다고 판단하면(단계 S111의 YES), 열화 진단 결과 표시 장치(3)로 그 진단 결과를 보내고, 현재의 전위차계(1)의 열화 단계가 회전 토크의 열화 단계(제4 단계(최종 단계))인 것을 표시한다(단계 S112).

이와 같이 하여, 본 실시형태에서는, 전위차계(1)의 성능 열화에 관해서, 그 진행 상황을 단계적으로 아는 것이 가능해진다. 이에 따라, 너무나도 이른 단계에서 고장으로 진단되는 것을 없애고, 시스템의 가동률을 향상시키거나, 사용 상황에 따라서 적절한 시기에 부품 교환을 하게 하도록 할 수 있게 된다.

〔저항값 측정의 방법〕

각각의 열화 진단에 이용하는 저항값의 측정 방법을 이하에 나타낸다. 여기서, 도 4에 도시한 바와 같이, 전위차계(1)의 고정 전극 A, C 간의 저항값을 R_A _-C, B, C 간의 저항값을 R_B _-C, A, B 간의 저항값을 R_A _-B(전체 저항값)로 정의한다. 또한, 가동 전극 C에서의 저항체(1-2)와의 사이의 접촉 저항(1-3)의 저항값(접촉 저항값)을 r로 한다.

(1) 전체 저항값 R_A _-B의 측정

도 5에 도시한 바와 같이, 단자 A-B 간에 정전류 i를 흘리고, 그 때의 전압 V를 측정한다. 저항값 R_A _-B는 옴의 법칙에 의해 다음 식으로 구한다.

R_A _-B= V/i … (3)

(2) 접촉 저항값 r의 측정

도 6에 도시한 바와 같이, 단자 A-C 간에 정전류 i를 흘리고, 그 때의 전압 V1을 측정한다. 다음으로, 도 7에 도시한 바와 같이, 단자 C-B 간에 정전류 i를 흘리고, 그 때의 전압 V2를 측정한다. 이들의 값은 하기의 식으로 기재하여 나타낼 수 있다.

V1=(R_A _-C+r)ㆍi … (4)

V2=(R_B _-C+r)ㆍi … (5)

따라서, 접촉 저항값 r은,

r={(V1+V2)/i〕+R_A _-B}/2 … (6)

에 의해 구할 수 있다.

(3) 단자간 저항값 R_A _-C, R_B _-C의 측정

단자간 저항값 R_A _-C, R_B _-C는,

R_A _-C=V1/i-r … (7)

R_B _-C=V2/i-r … (8)

에 의해, 구할 수 있다.

〔직선성 열화의 진단 상세〕

미리 전위차계(1)의 가동 범위에서의 출력 저항값의 최대값 Ro, max 및 최소값 Ro, min을 측정한다.

다음으로, 어떤 일정 개방도마다(예컨대, 전동 밸브 액츄에이터에 있어서의 개방도의 경우, 20, 40, 60, 80% 등, 이들의 간격은 진단시에는 어느 하나의 점을 통과하도록 고려한 점)의 예측 저항값을 산출한다.

산출은 출력 저항값의 최대, 최소값의 선형 보간으로 하고, 이들 값을 Ro,₂₀%, Ro,₄₀%, …로 한다. 별도로, 장치에는 전술한 일정 개방도에 있어서의 절대 위치 정밀도를 보증할 수 있는 모듈(예컨대, 방사형으로 슬릿이 들어 간 원반을 회전각의 측정 대상에 완전 고정하고, 포토 커플러로 광의 투과를 확인하는 등)을 구비해 두고, 각각의 점을 보증점으로 정의한다.

진단은 어느 하나의 보증점을 통과했을 때부터 시작하여, 동작 상태에서의 출력 저항값 R을 계측하고 그 때의 예측값 R'를 상기 (1)식으로 구한다(도 8 참조).

그리고, 계측한 출력 저항값 R과 그 때의 예측값 R'로부터 |R-R'|를 구하고, 이 |R-R'|와 미리 정해져 있는 임계값 ΔRth를 비교하여, |R-R'|>Δ Rth 이었던 경우에 직선성을 잃었다고 판단한다. 또, 출력 저항값 R은, 전술한 「(2) 접촉 저항값 r의 측정」 및 「(3) 단자간 저항값 R_A _-C, R_B _-C의 측정」에 의해, 산출한다.

〔저항값 변화의 진단 상세〕

전체 저항값 R_A _-B를 정시 측정하고, 어떤 임계값을 넘었을 때, 열화하고 있다고 판단한다. 전체 저항값 R_A _-B의 측정 방법은 전술한 「(1) 전체 저항값 R_A _-B의 측정」에 의한다.

〔회전 토크의 증대 진단의 상세〕

우선 장치로부터 전위차계(1)를 제거하고, 모터를 구동하여, 과도 상태에 있어서의 각가속도 dωo/dt를 회전계 등을 사용하여, 계측한다. 전위차계 축 환산의 각가속도는 기어비를 i로 하면,

dωp,o/dt=(1/i)ㆍdωo/dt … (9)

가 된다.

전위차계(1)를 장치에 내장한다. 장치 조립후의 전위차계(1)의 과도 상태에 있어서의 각가속도 dωa/dt를 하기와 같이 구한다. 예컨대, 전체 저항값 1kΩ, 회전 각도 320°의 전위차계가 있는 시각에서 미소 시간 0.1s 간격으로 21, 22, 24Ω으로 변화된 경우, 차분법으로 도 9와 같이 저항값의 변화 속도, 가속도를 구할 수 있다. 따라서, 이 때의 전위차계의 가속도는,

dωa/dt=50×(320×π/180)/10000= 2.79 e-003〔rad/s〕

가 된다.

여기서, 전위차계(1)의 부하 토크가 없는 경우의 각 운동 방정식은,

Ipㆍ(dωp,o/dt)= T … (10)

여기에, T는 전위차계(1)를 구동하는 토크, Ip는 전위차계 단체의 관성(메이커로부터 입수, 고정값)으로 한다.

한편, 전위차계(1)의 부하 토크가 있는 경우의 각 운동 방정식은,

Ipㆍ(dωa/dt)= T-Tp … (11)

(10), (11) 식으로부터 전위차계(1)의 부하 토크 Tp는 다음 식과 같이 구할 수 있다.

Tp = Ipㆍ(dωp,o/dt-dωp/dt) … (12)

여기서, 과도 상태에 있어서는 도 10과 같이 dωp,o/dt> dωo/dt, dωp,o/dt≠0, dωo/dt≠0 이므로, 전원 주파수에 연동하여 회전계 전체의 각 속도가 정상 상태에서는 일정 속도가 되는 것 같은 장치에 있어서도 Tp를 산출할 수 있다.

이들 Tp를 시시 각각, 계측ㆍ산출하여 일정한 임계값 Tpth를 넘을 때에 회전 토크가 증대되었다고 판단한다.

〔실시형태의 확장〕

이상, 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않는다. 본 발명의 구성이나 상세에는, 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 당업자가 이해할 수 있는 여러 가지 변경을 행할 수 있다.

1 : 전위차계 1-1 : 슬라이더
1-2 : 저항체 1-3 : 접촉 저항
2 : 전위차계 열화 진단 장치 3 : 진단 결과 표시 장치

Claims

전위차계의 고장에 이르기까지의 성능 열화의 진단 항목으로서, 가벼운 쪽으로부터 무거운 쪽을 향하여 복수의 진단 항목을 정하고, 이 복수의 진단 항목의 성능 열화를 정해진 순서로 단계적으로 진단해 가는 것을 특징으로 하는 전위차계의 열화 진단 방법.
제1항에 있어서, 상기 전위차계의 성능 열화의 진단 항목으로서, 노이즈의 발생을 진단하고, 그것이 확인되면 입출력간의 직선성의 열화를 진단하고, 그것이 확인되면 저항값의 변화를 진단하고, 그것이 확인되면 회전 토크의 증대를 진단하는 것을 특징으로 하는 전위차계의 열화 진단 방법.
제1항에 있어서, 상기 전위차계의 성능 열화의 진단 항목으로서, 노이즈의 발생을 진단하고, 그것이 확인되면 입출력간의 직선성의 열화를 진단하는 것을 특징으로 하는 전위차계의 열화 진단 방법.
제1항에 있어서, 상기 전위차계의 성능 열화의 진단 항목으로서, 입출력간의 직선성의 열화를 진단하고, 그것이 확인되면 저항값의 변화를 진단하는 것을 특징으로 하는 전위차계의 열화 진단 방법.
제1항에 있어서, 상기 전위차계의 성능 열화의 진단 항목으로서, 저항값의 변화를 진단하고, 그것이 확인되면 회전 토크의 증대를 진단하는 것을 특징으로 하는 전위차계의 열화 진단 방법.