アーカイブ

利用状況を遠隔モニタリングする国内初の自動ドアデータプラットフォームを提供

 オプテックス(株)は、自動ドアから得られるデータ(稼働情報、速度などの各種設定値、エラー情報)を提供できる自動ドアデータプラットフォームを、2021年1月より提供開始する。収集したデータを活用することで、現場から離れた場所でも自動ドアの利用状況がリアルタイムに可視化でき、機器や設備の予防保全や保守サポートの効率化を図ることが可能となる。第一弾は、自動ドア保守契約サービスに活用される。

 日本国内の自動ドアの安全規格として制定されている「JIS A 4722(※1)」は、メーカーをはじめとする関係各社が自動ドアの安全対策として取り組むべき内容が明確化され、CAN通信(※2)を用いた機器同士の相互監視を行うなど、これまで以上の安全対策が要求されている。 オプテックスでは、CAN通信を用いた自動ドアシステムにIoT技術を組み合わせ、データを伝送するゲートウェイ、設定アプリ、各種データ保存サーバーで構成された自動ドアデータプラットフォームを開発した。自動ドア本体やセンサなどの接続機器の稼働状態、開閉回数などを取得し、リアルタイムに自動ドアの異常や故障を監視することができる国内初のデータサービスとなるという。

 このデータプラットフォームを活用するサービスの第一弾として、自動ドア装置の販売、施工、保守メンテナンスを行うフルテック(株)と共同開発した、遠隔モニタリングシステムによる自動ドア保守契約サービスに利用してもらう。各種自動ドアシステムから取得したデータを同社のサーバーを介しフルテック社のサーバーに送信、そのデータを活用して故障、予兆、保全対応を行う。 現在、自動ドアは継続的な維持管理のために、定期的に担当者が現場に出向き確認・点検を行っているが、今回のシステムを導入することで、遠隔でリアルタイムに現場の状況が把握でき、効率的なメンテナンスを実現できるとのこと。

 「JIS A 4722」は、自動ドアを構成する要素の商品設計・製造から施工、自動ドアが安全を維持し稼働できているか運用管理者による保守点検に至る全行程が対象範囲となる。オプテックスとパートナーシップを確立しているフルテック社の両社の専門的知見を活かし、属人化していた監視・点検の暗黙知を形式知として可視化するデータ活用で、自動ドア保守サービス提供が可能となった。

□画像:システム構成図_オプテックスの自動ドアデータプラットフォームとフルテック社サービスの流れ

(※1)JIS A 4722は、経済産業省より2017年3月、自動ドア全般にわたる安全規格 『JIS A 4722(歩行者用自動ドアセット -安全性)』として制定された。高齢者や子ども、お身体の不自由な方に配慮した安全思想と、設計段階からの安全に対する工夫と配慮により、これまで以上に、すべての人が安心して自動ドアをご利用いただくことを目的としている。
 安全ガイドブック(全国自動ドア協会)
 http://www.jada-info.jp/topics/documents/anzen_guide_book_JISA4722_2019.pdf

(※2)CAN (Controller Area Network)は ISO(国際標準化機構)の規格に準拠した通信技術で、自動車をはじめとして医療機器やFA・産業機器など幅広い分野で採用されている。

ニュースリリースサイト(optex):https://www.optex.co.jp/news/2020/1026.html

ウイルスや細菌の亜種を識別できるアイポア微粒子分析ソリューションを発売

アイポア(株)は2020年10月23日、ウイルスや細菌といった生体微粒子を高精度で識別できる、理化学研究用のアイポア微粒子分析ソリューションを発売した。アイポア微粒子分析ソリューションは、最新のナノポア計測技術と人工知能(AI)の融合によって生まれた、全く新しい微粒子分析手段だとのこと。

アイポア微粒子分析ソリューションによって、従来は遺伝子増幅、質量分析、光学計測、抗原抗体反応等による同定を必要としたウイルスや細菌などの生体粒子の識別を、これらの技術に比べて短時間かつ高精度で実現できるようになった。また、ウイルスや細菌に限らず、50nmから8μm程度の大きさの様々な微粒子の分析が可能という。

アイポア微粒子分析ソリューションを利用した成果として、2020年10月23日には、大阪大学産業科学研究所谷口正輝教授、大阪大学大学院医学系研究科・医学部の朝野和典教授および大阪大学微生物研究所松浦善治教授らのグループとアイポアが共同で実施した、コロナウイルス識別の研究が発表された。
この研究では培養検体を用いて、新型コロナウイルスを含むコロナ亜種4種(SARS-CoV-2、229E、SARS、MERS)の高精度識別に成功した。さらに同研究では、新型コロナPCR陽性/陰性の唾液臨床検体44例(PCR陽性20検体、陰性24検体)について、前処理2分+計測時間5分でPCRとの陽性一致率95%、陰性一致率92%という高い識別性能を実証した。また、このPCR陽性検体20検体のうち4検体について、1μLあたりRNAコピー数10以下の低ウイルス濃度であったにもかかわらず、アイポア微粒子分析ソリューションはこれら4検体すべてを正しく陽性と識別しており、高感度であることが示されたと伝えている。

これらの研究は、AMED 国立研究開発法人日本医療研究開発機構による「AMED令和2年度ウイルス等感染症対策技術開発事業(実証・改良研究)」の、補助事業名「ナノポア技術と機械学習を用いた新型コロナウイルス検査法に関する研究」で支援を受けている。

このような研究成果は、既存の新型コロナウイルスの迅速検査よりも高い性能の検査手段の実現を示唆するもので、目下の最大の社会問題の解決に寄与する可能性があるという。

この他にも、アイポア微粒子分析ソリューションによって、ウイルスやエクソソームから細菌、血球類、さらには各種工業用微粒子など、幅広い応用範囲で、これまで不可能だったナノ〜マイクロサイズの粒子の分析ができるようになり、様々な分野での理化学研究の進歩への寄与が期待されるとしている。

アイポア微粒子分析ソリューションは、アイポアセンサモジュール〔NOK(株)製および(株)朝日ラバー製〕、微粒子計測装置〔(株)アドバンテスト製〕、 AIソフトウェアAipore-One™〔アイポア(株)開発/運営〕から成る。これらはすべて、アイポア株式会社が販売する。

※なお、アイポア微粒子分析ソリューションは、理化学研究用微粒子分析を目的とした製品であり、医療機器ではない。

ニュースリリースサイト:https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000002.000067529.html

コンパクトなボディに手ブレ補正機能を搭載した4Kカメラ「DJI Pocket 2」

DJIは、持ち運びが簡単な、コンパクトボディにパワフルな機能を備えた手ブレ補正搭載小型カメラDJI Pocket 2を発表した。
高い人気を誇るOsmo Pocket の2代目、DJI Pocket 2と名付けられた本製品は、創造性あふれるデザイン性とアップグレードした性能で、どんなスキルレベルの方でも簡単に素晴らしい映像を撮影し、自分だけのストーリーを作成することができるとしている。

携帯性の高い軽量ボディに、本格的な性能が搭載されているDJI Pocket 2は、ポケットやバッグ、ポーチに入れて持ち運び、すぐに撮影できるカメラ。コンパクトサイズでも機能面で妥協せず、3軸ジンバルにより、滑らかで魅力的な映像が撮影可能。大きなセンササイズで広角レンズを備えた4Kカメラを搭載し、前モデルと比較して写真と動画の画質が一段と向上した。新たに搭載されたズーム機能を使用し、近づかず遠くの被写体をアップで撮影することができる。進化したフォーカスシステムは、動いている被写体を前モデル以上に素早く正確に捉え、追尾する。新しく改良されたオーディオシステム、DJI マトリックス ステレオは、鮮明でクリアな音声録音が可能。また、事前設定された撮影モードを使用すれば、数回タップするだけで、誰でも魅力的なビジュアルコンテンツを作成できるという。

DJI Pocket 2は高度なモジュラー設計を採用し、ベースが取り外しできるため、アクセサリーを取り付け様々な用途に対応できる。前モデルOsmo Pocketと同じように単体でカメラスタビライザーとして使用でき、専用のスマートフォンアダプターにお使いのスマートフォンを接続し使用できる。さらに、無線用アクセサリーを使用すると、遠隔操作でカメラ制御でき、撮影の幅が広がるとのこと。

〔価格と販売時期〕
DJI Pocket 2はDJI公式オンラインストアstore.dji.comやDJI認定ストア、DJI正規販売代理店および特約販売店にて10月20日(火)より予約受付を開始。販売価格はミニ操作スティック/三脚マウント(1/4インチねじ穴)が付属したDJI Pocket 2(標準版)が49,500円(税込)、ミニ操作スティック/三脚マウント(1/4インチねじ穴)/広角レンズ/ワイヤレスマイク(ウィンドスクリーン付属)/Do-It-Allハンドル/マイクロ三脚アクセサリーがセットになったDJI Pocket 2 Creator コンボが64,900円(税込)。
発売はいずれも10月31日(土)を予定しているという。

プレスリリースサイト(dji):https://www.dji.com/jp/newsroom/news/dji_pocket2

通信距離、スループット、信頼性、セキュリティが向上したBluetooth® 5.2準拠のSoC

STマイクロエレクトロニクスは、最新のBluetooth®機能である、通信範囲の拡大、スループット向上、セキュリティ強化に対応し、また、消費電力の低減に貢献するBluetooth® Low Energy(Bluetooth LE)システム・オン・チップ(SoC)「BlueNRG-LP」を発表した。
超低消費電力無線により、受信モードでわずか3.4mA、送信時に4.3mA、ウェイクアップまでの待機時には500nA未満にまで消費電流を抑えられるため、さまざまなアプリケーションでバッテリ・サイズの小型化や、駆動時間の延長に貢献するという。

STの第3世代Bluetooth SoCであるBlueNRG-LPは、最大128ノードの同時接続に対応する世界初のBluetooth LE 5.2認証取得済み製品。スタイリッシュかつ直感的なスマートフォン・アプリから、シームレスで低遅延の制御や多数の接続機器のモニタリングを行うことができるとのこと。

最大+8dBmまで設定可能な高いRF出力パワーと、-104dBmまでの優れたRF感度を備え、ビーコンやスマート照明、ゲーム、ビル・オートメーション・システム、産業機器、トラッキング・アプリケーションなどにおいて、通信範囲の大幅な拡大を実現する。また、BlueNRGの包括的なソフトウェア / ハードウェア開発エコシステムの一部として提供される認証取得済みのBluetooth LE Meshにより、シームレスかつ無制限に通信距離を拡張することも可能。

BlueNRG-LPは、前方誤り訂正方式(FEC)による符号付き物理層(Coded PHY)を使用するBluetoothロング・レンジ・モードに対応しているため、最大数百メートルまで無線通信距離を拡張でき、信頼性の向上にも貢献する。また、GATT(汎用アトリビュート・プロファイル)による高速かつ効率的な通信が可能。

BlueNRG-LPには、コア仕様バージョン5.2に準拠し超低消費電力アーキテクチャ対応の設計がなされた第3世代のBluetooth LEプロトコル・スタックに対応しています。同スタックは、コンパイラに依存せず、複数の統合開発環境(IDE)に対応したライブラリとして無償で提供される。また、小型化、モジュール性、低遅延、互換性、OTA(Over The Air)ファームウェア更新などに対応できるよう最適化されている。さらに、拡張アドバタイジングおよびスキャン、高デューティ・サイクルの非接続アドバタイジング、パケット長の拡張、2Mbit/sのスループットなどにも対応している。

BlueNRG-LPは、L2CAP Connection-Oriented Channel(CoC)をサポートしており、大容量の双方向データ通信、多機能の同時接続、Channel Selection Algorithm #2(CSA #2)を簡単に実現することができる。そのため、住宅、ビル、産業向けネットワークなど、ノイズの多い環境において堅牢性に優れた通信が可能。

内蔵のArm® Cortex®-M0+搭載マイクロコントローラ(マイコン)には、セキュア・ブートローダ、内蔵Flashメモリ(256KB)の読出し保護、48bitの個体識別用ユニークID、カスタマ・キー・ストレージ、真乱数発生器(RNG)、ハードウェア公開鍵アクセラレータ(PKA)、AES-128暗号化コプロセッサなど、優れたセキュリティ機能が搭載されている。また、最大64MHzの動作周波数と18µA/MHzの超低消費電流を実現し、業界標準のデジタル・インタフェース、マルチ・チャネル12bit ADC、調整可能なゲイン・アンプを内蔵したアナログ・マイクロフォン・インタフェース、ユーザ・タイマ、システム・タイマ、ウォッチドッグ・タイマ、および最大31個のユーザ設定用5V耐圧I/Oピンを搭載している。

BlueNRG-LPは、RFバラン、DC-DCコンバータ、HSE(High-Speed External)オシレータと内部低速リング・オシレータ用のキャパシタも搭載しており、部材コストの最小化と回路設計の簡略化にも貢献する。

BlueNRG-LPでは、QFN32(5 x 5mm)、QFN48(6 x 6mm)、小型WLCSP49ウェハレベル・パッケージ(3.14 x 3.14mm)のパッケージ・オプションに加え、32KBまたは64KBのRAM、最高85°Cまたは105°Cの動作温度範囲を選択できるため、設計要件に応じて最適かつ柔軟な選択が可能。BlueNRG-LPは、STが産業機器向けに提供する10年間の長期製品供給保証の対象製品であるという。

BlueNRG-LPは現在量産中で、QFN48パッケージの大量購入時の単価は1.00ドル以下とのこと。

ニュースリリースサイト:https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000001094.000001337.html

Wave Technology、AR活用による高精度位置測位技術提供サービスを開始

 (株)Wave Technologyは、屋内搬送機や特殊車両などの高精度位置測位をAR技術活用によって可能にする「高精度位置測位技術提供サービス」を2020年10月から開始する。
 このサービスは、同社のサービスブランド『テクノシェルパ(Techno Sherpa)』として提供するもので、脱炭素物流の実現や人手不足に伴う自動化といった社会的課題に対し、高精度位置測位技術を提供すると共にシステム導入までをコンサルティングすることで貢献するとしている。

 (株)Wave Technologyは位置測位技術の中で自律航法※1に注目し、自律航法の課題である位置情報の累積誤差を画像処理技術の一つであるAR技術を活用することによって補正する新しい方式を開発した。本方式によってGPSが受信できない屋内倉庫などの環境下でも高精度、且つシステム導入しやすい位置測位システムを提供することが可能となるという。
(*1 自立航法:絶対位置を定義したポイントからの移動距離と方位を車速パルスやジャイロセンサで検出した位置を特定する技術)

 絶対位置を定義したサインポストにマーカを設け、測定を行うが、マーカは一辺30 cm程度の大きさで、マット仕上げであればプラ板などに印刷したものを準備するだけでよく、電源不要、メンテナンスフリー、柱などへの貼り付けが可能といった特徴があるとのこと。
デモ機による実証実験では位置測位精度2 cmを確認。(画像)

 同社のAR技術を活用した高精度位置測位技術は、屋内倉庫などでも移動体の高精度位置測位を可能とする。また、これまでシステム導入で課題であったサインポスト側の整備についても、マーカを準備するだけで済むことからシステム導入のハードルを大きく下げることができると考えているという。

ニュースリリースサイト:https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000005.000031647.html

壊れない・止まらない社会インフラの実現に資する振動計測ソリューションを開発

OKIは、社会インフラを支える機械設備の老朽化とこれをメンテナンスする労働力不足の恒常化という社会課題の解決に資するソリューションとして、多点型レーザー振動計を開発した。
広範囲に設置された多数の機械設備の振動を1台で常時測定(注1)することが可能で、コストを抑えつつ施設全体の設備の振動を「見える化」できる。機械設備のメンテナンスを効率化し、過剰な頻度のメンテナンスや機械設備の故障による経済損失の解消に貢献するという。

レーザー振動計は、本体に光ファイバーを介して多数の小型レーザー照射部を接続する多点レーザー方式(特許出願中)により、複数の対象物の振動を測定。非接触式であるため、モーターやポンプの回転軸、ベルトコンベアーのローラー、エンジンやタービンのように接触式のセンサを取り付けることができない可動部や、表面温度が非常に高温になる部分の振動も対象に含めることができる。
また、広帯域な周波数に対応し、設備本体のガタツキから部品の小さな損傷で生じる異常振動まで、多種多様な設備のさまざまな要因から生じる振動を高感度に測定することが可能。こうした特長により、施設全体に設置された設備の故障の予兆を網羅的かつ早期に検知し、「壊れない・止まらない」機械設備の運用に貢献するとのこと。

レーザー振動計は、OKIグループのイノベーションコンテスト「Yume Proチャレンジ」から生まれた。OKIは人の接触を抑えるニューノーマルな世界に貢献すべく、同じ「Yume Proチャレンジ」から生まれた遠隔操作型のAIエッジロボットとレーザー振動計を組み合わせ、将来的には施設の完全無人化に対応した設備の遠隔監視を実現することも視野に入れているという。

OKIは、レーザー振動計の商品化に向け、多地点・非接触の振動計測ソリューションが提供する新しい価値を多くの現場で検証するため、共創パートナーを募集している。その第1号として、重要インフラを管理されている水ing(株)とのPOC(概念実証)を実施していくとしている。

注1:OKIの実験環境にて本体と小型レーザー照射部の間を600mの光ファイバーで接続した状態で振動を測定できることを確認済みであり、測定の対象数として100か所程度を想定している。

ニュースリリースサイト:https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000414.000017036.html

パーソルR&D、ADAS(先進運転支援システム)試験受託サービス開始

パーソルR&D(株)は、先進運転支援システム(Advanced Driver-Assistance Systems、以下ADAS)を装着した車両に対し、高精度な測位システムを使用し、お客様のご要望に沿った試験内容を提供する「ADAS試験受託サービス」を開始したことを発表した。同サービスでは、各種車両試験や保安基準に準拠した車両走行の条件設定から、RTK(Real-Time Kinematic)による測位とセンサ信号などを同期させたデータによる車両挙動の把握、および機能評価までの試験を行うとのこと。

■背景:ADASの普及と高度化が進む一方、試験における課題が顕在化
交通事故防止、ドライバーの負担軽減などを目的に、自動車メーカーや部品メーカー各社でADASの技術開発が進み、多くの運転支援技術が実用化されている。ADASは衝突被害軽減ブレーキ(Advanced Emergency Braking System、以下AEBS)や前方の車両に追従して走行する車間距離制御装置(Adaptive Cruise Control、以下ACC)が代表的だが、近年はシステムの多様化、高度化が進んでいる。
その一方で、自動車メーカー各社によりシステムの名称やセンシング方式、制御方法に違いがあるため、同一基準での比較が難しく、横並びで性能比較を実施したいという要望が高まっている。また、定められた保安基準や各試験法に準じた試験を行うだけでなく、車両が何を検知し、どのように判断・制御し、どのような挙動をするのかを計測し評価を行うサービスのニーズも高まっている。

■パーソルR&Dが提供する、ADAS試験受託サービスの特徴
1.RTK計測方法を用いた高精度の測位
RTK計測方法を用いることでGNSS※1と固定観測点の信号から、車両位置を0.01秒ごとに2cm以内の誤差でリアルタイムかつ高精度に測位することが可能で、センシングや制御された自車と対象物との位置関係や車両速度などのデータを総合的に計測し評価。

2.試験内容のアレンジが可能
規定された試験法を忠実に再現する実験技能も有しており、公道走行に加え、テストコースやシャシダイナモなどの設備を活用することで、利用者の要望に対し柔軟に試験をアレンジする。
   ※1:Global Navigation Satellite System 人工衛星(測位衛星)を利用した全地球測位システム

■主なADAS試験受託サービス
1.衝突被害軽減ブレーキ試験
①日本では保安基準が一部改定となり、2021年11月からAEBS装着が義務付けられる※2。この保安基準に準じ、静止車両、走行車両、歩行者に対して試験を行い、所定の要件を満たすか確認する。 ②新車アセスメントプログラム NCAP(New Car Assessment Program)は各国で異なり、日本版はJNCAPと呼ばれ、予防安全性能評価でもAEBSに関する評価が規定されており、歩行者に対する夜間の街灯の有無などの評価項目に応じた試験を行う。 各試験ともに、RTK計測や動画、さまざまなデータを組み合せたモニタリングにより、車両挙動の他、各種センサの認識や制御のわずかな違いを評価することが可能である。
※2:https://www.mlit.go.jp/report/press/jidosha08_hh_003618.html

2.かじ取り装置試験(UN-R79 ※3)
自動操舵(Automatically Commanded Steering Function、以下ACSF)機能を備える自動車に適用される試験基準で、車線逸脱を防止する補正操舵や、ハンドルを握った状態での車線を維持する自動車線維持(Lane keep assist)を含むAからEまでのカテゴリーの要件に適合する必要がある。走行車線の維持・変更に関する各要件の適合判定を行うため、要件に準じ車両を走行させ、動画撮影やRTK計測、およびさまざまな計測器による総合的なデータ計測から、ACSFの機能・制御の評価を実施。 各要件の他にも、多種多様な状況を想定した試験を設定し、走行、計測および機能確認を実施する。
※3:https://www.mlit.go.jp/common/001240112.pdf

3.その他のADAS機能評価
上記の他、ACCをはじめとする各種ADASの機能確認、走行評価も実施。その1つとして安全な車線変更を補助するため、死角となりやすい左右後方車両を検知して知らせる後側方車両接近警報(Blind Spot Monitor、以下BSM)機能もRTK計測の長所を生かし、自車後方車両の位置計測やセンサーの認識、制御の確認試験が可能。
現在、各自動車メーカーのADASの開発スピードは加速し、次々と新しい技術が開発されている。パーソルR&Dはこれからも、法規・試験法の改定にも対応すべく、各種試験への対応、計測方法などを工夫し、新たなADAS技術開発をご支援し、より安全な自動車の開発に貢献していくとしている。

ニュースリリースサイト:https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000427.000016451.html

工業用センサの製品コンセプトと設計の考え方(2)

日本工業大学 特別研究員
大木 眞一

3. 工業用センサに要求される仕様と設計の考え方

工業用センサは、プロセス制御の分野において多くの製品が長期に使用されてきた実績があることから、ユーザ側から図5に示すような様々な要求が出されている。
このような要求のすべてが実現されている訳ではないが、メーカーでは製品仕様として盛り込むための各種の工夫が重ねられてきた。以下、表1にそれぞれの要求を解説する。

図5 工業用センサに要求される主な仕様

4. スマートセンサ

1980年代以降、マイクロプロセッサを搭載することによりセンサを知能化した通称スマートセンサ、またはインテリジェントセンサと言われる製品が進化した。
従来のアナログ式のセンサに対して、補正機能を付加することにより高精度化、初期設定、レンジ変更や調整機能をリモートで操作することが可能、保守・点検および診断機能を搭載することが可能などの特長がある。

5. 最新の機能

工業用センサのまとめとして、主な最新の機能を紹介する。

・マルチセンシング
一つのセンサで、多くのプロセス量を測定出来ることはコスト低減につながる。最近では、流量、密度、温度などの状態量を同時計測出来るセンサがある。このような機能をマルチセンシングという。代表的な製品例を図6に示す。

図6 マルチバリアブル形伝送器をオリフィスと組合せて質量流量計測に適用した事例 (3)
(横河電機製)

・診断機能
 4項で紹介したスマートセンサの技術成果として、最近では診断機能を搭載した製品が増えている。診断機能は①自己診断、②プロセス診断の2種類がある。

① 自己診断
センサの健全性を診断する機能であり、使用時に故障が発生した場合、異常状態のアラーム信号を発生し、検出部、信号変換部のいずれが異常か、また特定の故障カ所(センサエレメント、信号変換部のブロック、出力など)を表示する機能がある。
② プロセス診断
プロセス状態の異常(圧力変動、流量変動、外部振動、センサ部への付着物、腐食が発生など)を検知、アラーム信号を発生する機能である。センサの機種によって診断機能の特長がある。

・無線伝送
最近では、工業用センサの分野でも無線伝送の技術が進んでいる。プラントにおいては特に信頼性が要求されるため、一般の産業のような爆発的な普及はないが、温度、圧力のモニター用などを中心に導入されている。

表1 工業用センサに要求される仕様 (2) (4)
区分 項目 内容
性能 信頼性 (*) プロセス用センサとして、十分信頼性があること。
① 耐久性=要求される使用期間に対して十分性能 を発揮する能力、②保全性=故障が発生しても容易に修復出来る能力、③設計信頼性=シンプルな構造、部品点数が少ないことなどが必要である。
長期安定性 10年レベルの長期間での出力の変動(経年変化)が小さく、安定していること。
再現性
精度
プロセス状態量を安定に計測するために、出力の再現性が重要。また、精度は「測定の不確かさ」として定義され、目的に見合った精度で測定出来ること。
レンジアビリティー レンジアビリティー(精度を保証する測定の最大量と最小量の比)が大きいこと。
耐環境性能 実験室に比べて過酷な環境で使用されるため、下記のような条件で耐久性が要求される。
① 耐候性(温度、湿度、腐食性ガスなど)、②耐機械的振動・衝撃など、③耐ノイズ性(電磁誘導など)
構造 堅牢な構造
頑丈さ
現場設置形のため、過酷な環境条件でも耐久性がある堅牢な構造、頑丈さが要求される。
互換性 同一機種(異なるメーカーの製品)間での互換性があること。
設置 簡易設置 センサの現場設置が容易であること。(設置工事、取付が容易、設置場所の溶接加工が不要など)
操作
保守
取扱い容易性 センサを取り扱う作業者にとって、小形、軽量、かつ保守が容易であること、調整点検が簡単であること、特殊な工具や操作が不要であること。
保守性
定期校正
保守点検が容易であること。また取引用の場合、定期校正が必要となる。
メンテナンスフリー 理想はメンテナンスフリー。実際には、簡単にオンライン・メンテナンス可能であること。
規格 規格
法規制対応
センサの機械的、電気的設計・構造が規格(JIS、IECなど)に対応していること。
また、使用条件に対応した法規制(高圧ガス、サニタリーなど)に準拠して設計、認定されていること。
防爆構造 石油・化学プラントなどでは、プラントのフィールドで使用される機器類は、爆発性雰囲気など危険な作業環境で使用する場合には、安全確保のため防爆対策機器の使用が法的に義務付けられている。
基本的な防爆対策としては、①耐圧防爆構造(機器の内部で爆発が発生しても、外部に爆発が及ばない構造)②本質安全防爆構造(爆発性雰囲気の生成と電気設備が着火源となるのを実質的にゼロとなるような小さな値以下の保持する構造)が代表的である。
標準化 プロセスを制御するために、センサの信号出力を一元的に管理する必要があることから、0-100%の測定レンジを4-20mA電流出力に統一して標準化している。
また、その後アナログ信号からデジタル通信の流れに対応して、通信プロトコルHART、フィールドバスなどの標準化に発展している。
コスト
消費電力
低コスト 機器、設置、およびメンテナンスを含むトータルコストが低いこと。
低消費電力 工場プラント内で、現場設置形として多くのセンサが使用されるため、低消費電力タイプであることが要求される。このため、4-20mADC、2線伝送方式が多い。

(*)工業用センサの信頼性を表す指標として、故障率は図7のような「バスタブ曲線」となる。多数の部品から構成されているセンサは、偶発故障の間隔を取って平均故障間隔MTBF (Mean Time Between Failures) や故障率λ (Failure Rate) が使われる。図7のフラットな部分が偶発故障による期間となり、初期はデバッグの期間、後半は摩耗期間となる。

図7 故障率のバスタブ曲線

参考文献

1) 山崎弘郎 「センサ工学の基礎(第2版)」オーム社 2000年

2) 黒森健一ほか 「産業応用計測技術」コロナ社 2003年

3) 大木眞一 DVD教材「流量計測入門講座」日本工業出版 2017年

4) 福島豊治 「センサ概論とスマートトランスミッタ」安全工学 Vol.25 No.6 (1986)

5) 横河電機(株)HP https://www.yokogawa.co.jp/



【著者紹介】
大木 眞一(おおき しんいち)
・日本工業大学 特別研究員
・日本工業出版 「計測技術」企画委員
・一般社団法人 次世代センサ協議会 技術委員

■略歴
横河電機(株)にて、流量計開発設計・製品企画・流量設備設計などの業務に携わる。

■主な著書
・「渦流量計の創造」 日本工業出版 大木他
・「流量計測入門」 日本工業出版 DVD教材
・「蒸気流量計測」 日本工業出版 DVD教材

差圧伝送器(2)

島津システムソリューションズ(株)
製造本部技術部
緑川 淳

4.差圧伝送器の構造

差圧伝送器の構造について、当社の半導体ストレインゲージ式差圧伝送器を例に説明する。当社の差圧伝送器の外観および、各部の名称を図5に示す。

図5.差圧伝送器の外観

差圧伝送器は、圧力差を受けて電気信号に変換する受圧部と、この電気信号を出力信号に変換する伝送部により構成される。
受圧部には差圧測定箇所から圧力を導く圧力導入口、圧力を受けるシールダイアフラム、シールダイアフラムの変位を伝える封入液、そして半導体複合センサが配置されている。
受圧部の密閉方式としては、Oリング(オーリング)などのシール方式と、全溶接構造とする方式とがある。全溶接構造は、信頼性が高く真空プロセスにも使用でき、長期間にわたって安定した性能を示す。また、小型、コンパクトな造りとすることができるといった特徴がある。一方、Oリングなどのシール方式は、受圧部の分解が可能で、受圧部ダイアフラム面の目視点検、洗浄作業可能であるといった特徴がある。
検出部となる半導体複合センサは、受圧部ボディ、シールダイアフラムおよび気密封止構造により密閉されている。中には清浄で安定した封入液(シリコーンオイル)が充填されており、汚れなどから保護される構造である。
伝送部は、入力信号を演算処理して4~20mAの電気信号に変換するマイコン回路と出力回路、電源・出力の接続点となる端子部から構成されている。防爆構造かつ耐水構造となっており、増幅部と表示部および端子部との2室に分れている。したがって屋外や爆発性ガス雰囲気中での設置も可能である。表示部は、差圧伝送器単体で測定データを現場で目視したり、各種設定を行ったり、設定内容を確認したりできる。

図5で示した差圧伝送器は、プロセス流体の圧力を直接シールダイアフラムに印加する構造になっている。ところが、プロセス流体が高温、高粘度、腐食性、凝固性の場合、差圧伝送器が損傷したり、正しい測定ができなかったりする。また、離れた2箇所の差圧を測定したい場合がある。このようなときには、図6に示す、ダイアフラムシール形差圧伝送器が使用される。
ダイアフラムシール形差圧伝送器は、ダイアフラムシール部を付けたキャピラリーチューブ(圧力を伝えるための管)を受圧部に取り付けてある。キャピラリーチューブの内部には封入液(シリコーンオイル)を充填している。ダイアフラムシール部で受けたプロセス流体の圧力は、封入液を介して受圧部に伝わる。

図6.ダイアフラムシール形差圧伝送器

5.使用例:差圧式流量計

流体が流れる配管内に、流れを絞る構造物(絞り機構)を配置すると、絞り機構の前後の流体には圧力差が生じる。この圧力差(差圧)を測定することで、流量を求めることができる。差圧式流量計は流量計の中でも歴史が古く、現在でも様々な場所で使用されている。絞り機構には、オリフィス、ベンチュリ、フローノズル、ピトー菅などがある。
図7にオリフィスを使用した差圧式流量計の使用例、図8にオリフィスの外観を示す。

図7. 差圧式流量計
図8. オリフィスの外観および配管との関係

差圧式流量計は差圧を作り出す絞り機構と差圧伝送器で構成される。配管内を流れる流量と、絞り機構の上流側と下流側に生じた差圧との関係は、ベルヌーイの式から導くことができる。ベルヌーイの式を基本に展開して 流量計算式を求めると、下記の式になる。

Q=C(ΔP/ρ)1/2
 Q :体積流量
 ΔP:差圧
 ρ :測定流体の密度
 C :定数

この式によれば、流量Qは、絞り機構の差圧ΔPの平方根に比例する。定数Cは、絞り直径比、レイノルズ数、絞りの形状、圧力取出し口の位置など多くのパラメータによって決まる。

6.使用例:圧力式レベル計

差圧伝送器を使用した圧力式レベル計は、タンクや圧力容器のレベル計測に使用されている。タンク側面から圧力を取出し、その圧力から液面を算出するため、省スペースで、設置や保守が容易であるなどの特長を持っている。
タンク内の基準面(差圧伝送器を取り付けた位置)の圧力は、液面までの距離に比例して変化するため、液面の圧力との差圧からタンクのレベルを求めることができる。ここで、大気に開放されたタンクの場合、液面の圧力は大気圧となる。密閉されたタンクの場合、液面の圧力はタンクの内圧になるため、キャピラリーチューブで受圧部を延長したダイアフラムシール形差圧伝送器を使用する。

H=ΔP/(ρ・g)
 H :基準面からのレベル
 ΔP:差圧(基準面圧力-大気圧、あるいは基準面圧力-内圧)
 ρ :密度
 g :重力加速度

図9. 圧力式レベル計測の例

7.おわりに

本稿では、差圧伝送器についてその原理、構造、使用例を紹介した。差圧伝送器の歴史は古く、1940年代より始まる工業用プロセス計測器の発展と共に存在したとも言われる。流量やレベルを計測することで流体の制御を行い、プラントの自動化を可能としてきた。過酷な環境下で様々な流体の測定を求められ続け、現在もなお進化を重ねる差圧伝送器が、これからも誕生するであろう様々なセンサの手本になることと考える。



【著者紹介】
緑川 淳(みどりかわ じゅん)
島津システムソリューションズ株式会社
製造本部技術部

■略歴
2012年 島津システムソリューションズ株式会社へ入社
同社 技術部にて電気化学を応用した廃水、排ガスの浄化装置の開発業務に従事。
2015年 電磁流量計、伝送器。その他工業用計測器の開発業務に従事し現在に至る。

工業用流量センサの製品コンセプトと設計の考え方(2)

日本工業大学 特別研究員
大木 眞一

3. 流量計の選定方法と製品コンセプト

流量計として必要な主な要件は以下のような性能、仕様である。
・測定精度、および信頼性
・広い測定レンジ(最小流量から最大流量までの測定範囲)
・多くの流体の種類(液体、気体、蒸気ほか)が測定できる
・各種条件(温度、圧力、粘度ほか)の流体が測定できる
・測定によって生ずる流体のエネルギー損失が小さい
・応答性が良い、など
2項で紹介したように、多くの種類の流量計が製品化されているが、選定方法について表5および表6にまとめた。1 流量測定の目的、要件、2 流体の性質、状態、3 流量計の設置条件の各項目を検討して仕様条件を確認した上で、流量計メーカーの仕様書を比較することにより製品を選定する。

表5 流量計の選定方法 ① (1)
表6 流量計の選定方法 ② (1)

また、表7に流量計の種類と適用可能な流体をまとめた。

表7 流量計の選定方法 ③ 流量計の種類と適用可能な流体 (1)

図1に液体用超音波流量計の製品コンセプトの事例を示す。高精度測定用のスプール形(配管一体形)、配管の外側にセンサを取付て測定するクランプオン形、および現場に持込み可能なポータブル形の3種類が製品化されている。

図1 超音波流量計 主な種類と用途 ② (1)
(富士電機製)

4. 最近の流量計の技術動向

表8に最近の流量計の技術動向をまとめた。1台の流量計で、複数の状態量を測定、出力する機能を持つマルチバリアブル形。プロセスの異常を診断、アラーム信号を出力する診断機能。計装コストを削減する2線伝送式などが主な動向といえる。
IoT技術の進化にともない、工業用流量センサも一層の技術開発が期待されている。

表 3 主な流量センサの種類と分類 (3)
1. マルチバリアブル形: 1台の流量計で、複数の状態量を測定、出力する機能
流量計 測定、出力する状態量の例
コリオリ式 質量流量、体積流量、密度、温度、など
差圧式伝送器 質量流量、体積流量、差圧、静圧、密度、温度、など
渦式 飽和蒸気の質量流量、温度、など
2. 診断機能: プロセスの異常を診断、アラーム出力する機能
流量計 診断する内容例
コリオリ式 気泡、付着、など
差圧式伝送器 導圧管の詰まり、など
渦式 電極付着、など
3. 2線式: 計装コストの削減
コリオリ式、電磁式

参考文献

1) 大木眞一「流量計測入門講座」DVD教材 日本工業出版 (2018)

2) 山崎弘郎 センサ工学の基礎(第2版) オーム社 (2014)

3) 松山裕 実用 流量測定 (財)省エネルギーセンター (1995)

4) 大木眞一「センサ基礎講座 流量・流速センサ」計測技術 日本工業出版 (2020.7)



【著者紹介】
大木 眞一(おおき しんいち)
・日本工業大学 特別研究員
・日本工業出版 「計測技術」企画委員
・一般社団法人 次世代センサ協議会 技術委員

■略歴
横河電機(株)にて、流量計開発設計・製品企画・流量設備設計などの業務に携わる。

■主な著書
・「渦流量計の創造」 日本工業出版 大木他
・「流量計測入門」 日本工業出版 DVD教材
・「蒸気流量計測」 日本工業出版 DVD教材