JPH01158345A

JPH01158345A - 微小異物検出器

Info

Publication number: JPH01158345A
Application number: JP62316273A
Authority: JP
Inventors: Izumi Yamada; 泉山田; Shigeru Izumi; 出海　滋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-12-16
Filing date: 1987-12-16
Publication date: 1989-06-21
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH0830697B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、静止電気機器の絶縁劣化の測定器に係り、特
にガス絶縁機器などの静止電気機器の絶縁劣化の原因と
なる導電性異物により発生する音をとらえて、静止電気
機器内の異物の有無を知るに好適な微小異物検出器に関
する。

【従来の技術〕

従来の装置は、特開昭５５−４１１３５号に記載のよう
に、ガス絶縁機器の振動や電界により跳びはねる異物の
ガス絶縁機器容器への衝突音とらえて、異物の有無を監
視していた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、異物衝突音と雑音とを弁別して、異物
衝突音のみを抽出することについての配慮がなされてお
らず、雑音の大きさによっては、充分な感度が得られな
いという問題があった。

本発明の目的は、雑音と異物の衝突音、特に絶縁劣化の
原因となりやすい導電性の異物の衝突音と、他の雑音と
を弁別し、異物検出器を高感度とすることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、ガス絶縁機器の容器壁を伝播する音響を検
出し、その音響信号の低周波成分と高周波成分を比較し
、高周波成分と低周波成分の違いを示す指標、例えば高
周波成分と低周波成分の比があらかじめ設定した基準値
よりも大きいときに異物衝突音と判定する判定回路を備
えることにより、達成される。

〔作用〕

本発明の特徴である音響信号の低周波成分と高周波成分
の比較による、導電性異物の衝突音と、他の原因により
発生する雑音の弁別法について説明する。

物体相互の衝突において、衝突により発生する物体表面
の歪みは、物体相互が接触している期間中生じている。

この歪みにより、物体内には、弾性波が伝播する。この
弾性波の周波数分布は、衝突による歪みの周波数分布と
、物体の弾性波の伝播特性、すなわち音響伝播特性から
定まる。音響センサを設置した被衝突物体が同じならば
、検出される弾性波、すなわち音響信号は、異物衝突に
よる接触時間が短ければ、短いほど歪み波形がインパル
スに近ずくため、高周波成分を多く含むようになる。こ
の接触時間Ｔｃは、球体同志の衝突の場合、・・・（１）ｍｓ、ｍｚ：衝突物体質量ｆ”１ｙｒ２：　　　／／　　半径Ｅ１．Ｅ２：　　　／Ｆ　　　ヤング率ν１ｔ　ν２：
　　〃　　ポアッソン比■＝衝突速度となる（静電気学会ｉ＆ｌ：静電気ハンドブック：オー
ム社）。物体の大きさ１重さ、硬さ、衝突速度などによ
り、接触時間が定まることがわかる。このため、ガス絶
縁機器の容！ｍ壁で検出される音響信号の周波数分布は
、異物の材質と衝突速度により変化する。衝突速度は、
異物の重さや電界の強さの関数となり、電界の強さは一
定にできるため、異物個有の物性により音響信号の周波
数スペクトルが支配される。検出対象の異物は導電性の
数ｍｇ以下のものであり、衝突速度を１ｍ／ｓ程度に制
御すると、接触時間は数μｓｅｃ程度となる。

いっぽう、雑音である雨の衝突音やガス絶縁機器内部構
造物のこすれ、ガス絶縁機器の打撃音などの接触時間は
、これより大きいので、異物衝突音と、これらの雑音と
の区別を音響信号の周波数スペクトルを用いて分離する
ことは可能である。また、空気等の気体中を伝播して音
響センサに検出される騒音やコロナ音などの雑音は、気
中での高周波域の音響伝播減衰が大きいため、検出され
る音響信号は低周波域が大きく、異物による衝突音との
区別は可能である。第２図は、異物衝突音と、他の要因
で発生する音の弁別が可能であることを、代表的な雑音
を発生させて比較した結果である。

図では、音響信号の周波数成分のうち高周波側をＡＥセ
ンサで測定し、低周波側を加速度センサで検出し、その
比率を周波数分布の判断指標として用いている。第２図
に示す結果から、前述の異物衝突音と雑音が音響の周波
数分布で弁別できることがわかる。

以上説明したように、音響の周波数分布の違いから異物
の衝突音と、雨の衝突音、構造物のこすれ音、打撃音、
騒音、コロナ音等の雑音を区別できるため、これらの雑
音で誤検出しない高感度の異物検出器を実現できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

第１図は、本発明の微小異物検出器を、ＧＩＳ（ガス絶
縁開閉装置）の母線部に適用した例である。ＧＩＳ容器
１１と中心導体１２に印加された高電圧により生ずるク
ーロン力で、導電性の微小異物１３がＧＩＳ内部を飛び
跳ね、容器１１に衝突する。ＧＩＳの容器１１の外表面
には、数百ｋＨｚで感度の良いＡＥセンサ２１と、数十
ｋｌｌｚ以下を測定帯域とするＡＣセンサ２２（加速度
センサ）がとりつけられている、衝突音の高周波成分を
ＡＥセンサ２１で、低周波成分をＡＣセンサ２２で検出
する。それぞれのセンサ出力は、増幅器３１．３２で増
幅され、バンドパスフィルタ４１．４２で不要周波数帯
域が除かれ、検波器５１．５２により検波される。ＡＥ
センサ２１゜ＡＣセンサ２２の出力の検波信号は、異物
衝突音判定器６に入力される。異物衝突音判定器６では
。

音響信号の周波数スペクトルの低周波成分の代表値であ
るＡＣセンサ出力の振幅と、高周波成分を代表するＡＥ
センサ出力の振幅から、異物衝突音のみを選択的に抽出
する。

異物の衝突音は、前述のように、衝突音の周波数分布か
ら識別可能であり、基本的には、周波数スペクトルのパ
ターンマツチングにより可能である。また、周波数分布
を識別するための指標を用いれば、その指標の大きさか
ら、比較的簡易に、識別することも可能である。異物衝
突音は、他の音に比べて、低周波成分より高周波成分が
大きいことに特徴がある。音響信号の低周波成分の振幅
をＰＬ、高周波成分の振幅をＰＨとすると、周波数スペ
クトルの識別指標としては、比　　　　Ｒ：ＰＨ／ＰＬ　　　　　　　　　　　・・
・（３）差　　　　Ｄ＝ＰＬ−ＰＨ・・・（４）幾何平
均Ａ　＝　ｍ　　　　　　　−（５）等が適当である。

本実施例では、比較的計算が簡単で、周波数分布の識別
能力の高い（１）式の指標を採用している。このＰＨと
Ｐ＋、の比率である識別指標Ｒを用いて、その有効性を
確認した結果が第２図である。横軸に音源を、縦軸に測
定により得たＲの値をデイジベルで示す、導電性異物の
衝突音の周波数識別指標を基準にしてある。比率Ｒが小
さいほど、高周波成分が小さいことを示す。

水滴の衝突の場合は、ＧＩＳ容器との接触時間が長いた
め、手打前は空中伝播のときの高周波音の減衰が大きい
ことなどのため、Ｒの値が小さい６ＧＩＳの内部構造の
電磁力や振動によるこすれ音等も、接触時間が長いため
、低周波成分が大である。また、ＧＩＳの容器を打撃す
る場合も同様に接触時間が長く、低周波成分が大である
。このため１周波数分布識別指標のＲの値を用いること
で、異物の衝突音と、他の雑音信号との識別が可能とな
る。

第３図は、周波数分布の識別指標である比率Ｒを用いた
異物衝突音判別器６の内部構成を示したものである。異
物衝突音判別器６は、ＡＥ検検波信号Ｓｉ上ＡＣ検波信
号Ｓｉ２を入力し、衝突音の発生タイミングを示す衝突
音発生信号Ｓｏｌ。

衝突音のピーク値であるピーク値信号Ｓ０２．衝突音の
発生頻度を示す衝突数信号Ｓ０３．衝突音の周波数分布
識別指標Ｒの平均値であるＲ平均信号Ｓｏ４を出力する
。衝突音発生信号Ｓｏｌは、異物衝突音が発生したとき
のみ論理Ｋｌ　ｌ　１７となり。

異物の有無を知るために用いられる。ピーク値信号Ｓｏ
２は、異物衝突音と判別したときの、ＡＥＥ波信号のピ
ーク値を示すもので、複数の異物衝突音が発生したとき
の検波信号の最大値を出力する。異物の衝突速度は、衝
突のタイミングによりバラツキがあるが、その最大値は
異物の質量に依存すると考えられるので、ピーク値信号
Ｓｏ２は、異物の大きさを推定する手がかりとなる。衝
突数信号Ｓｏ３は、異物衝突音の発生頻度を示す主２の
であり、異物の数や飛び跳ねやすさを知る手がかりとな
る。Ｒ平均信号Ｓｏ４は、各異物衝突音の周波数分布識
別指標Ｒの平均値を示すものであ゛す。

異物衝突音の判定の確からしさを知る手がかりとなる。

第３図のブロック線図と、第４図のタイムチャートによ
り、異物衝突音判別器６の動作を説明する。ピークホー
ルドタイミング信号Ｓ１は、ＡＥ検波信号Ｓｉｌが、コ
ンパレータ６０１の設定値を越えたときに、論理″′１
″となる。パルスの持続時間は、異物衝突音の持続時間
に相当し、ワンショット回路６０２のパルス幅として、
あらかじめ設定してある。ピークホールド回路６０３゜
６０４の出力信号Ｓ２．Ｓ３の比は、割算器６０６の出
力として得られる。それぞれの検波信号Ｓ２゜Ｓ３のピ
ーク値は、ピークホールドタイミング信号Ｓ１の後縁近
傍で得られる。この後縁近傍のタイミング信号Ｓ４を、
タイミング信号発生器６０５で発生させ、タイミング信
号Ｓ４の論理“１″の期間だけ、アナログスイッチ６０
７をオンとし、周波数分布識別指標に用いるＲ信号Ｓ５
を得る。

第４図では、３種の音響信号が検出されており、最初の
信号が異物衝突音、次の信号が水ａ衝突音。

最後の信号が手打前である。コンパレータ６１０の出力
である衝突音発生信号Ｓｏｌが論理゛′１”になるのは
、異物衝突音発生時のみである。ピークホールド回路６
０９は、異物衝突音が検出されかつタイミング信号Ｓ２
が、論理“１”になった時点で、動作し、保持してる値
と、ピークホールド信号Ｓ２の値を比較し、大きい値を
ホールドする。第４図においては、ピークホールド信号
Ｓ２の値が保持されている。カウンタ６１１の出力であ
る衝突数信号Ｓｏ３は、異物衝突音を検出したタイミン
グで＃　１　ｔｌだけ増加している。平均演算器６１２
は、周波数分布識別指標Ｒの平均値の演算回路であり、
異物衝突音の発生タイミングでＲの値の積算値と衝突数
の積算値の比をとり、Ｒ平均信号Ｓｏ４として出力する
。なお、ピークホールド回路６０９．カウンタ６１１．
平均演算器６１２は、図示していないタイマーにより一
定時間毎にリセットされる。

以上、述べたように、音響信号の低周波成分をＡＣセン
サで、高周波成分をＡＥセンサでとらえ高周波成分と低
周波成分のそれぞれの振幅の比Ｒを周波数分布の識別指
標とすることにより、異物衝突音を選択的に抽出できる
。上記の微小異物検出器で異物が検出された場合は、異
物の掃除器等による吸引や、液体による洗浄等を実施し
、その除去の確認を微小異物検出器で実施することとな
る。

本実施例特有の効果として以下の事項があげられる。

（１）高周波音と、低周波音の比率による周波数分布の
識別法を採用したため音響信号の周波数分布の識別が簡
単化が可能となり、微小異物検出器を低コストにでき、
経済性改善の効果がある。

（２）高周波音と低周波音の比率により微小異物音を識
別するため、単にＡＥセンサ出力の振幅だけで異物衝突
を判別する従来法に比べ、判別の信頼性が高くなり、微
小異物検出器の信頼性向上の効果がある。

（３）異物質量に依存するＡＥ検波信号のピーク値を、
複数の異物衝突音からピックアップする機能を付加した
ことにより、ＡＥ検波信号から異物質量の大まかな推定
が可能となり、微小異物検出器の性能向上の効果がある
。

本発明の第２の実施例を第５図により説明する。

第５図は、本発明の微小異物検出器を、ＧＩＳの母線部
に適用した例である。第１の実施例との違いは、衝突音
の検出センサを１個として、微小異物検出器の低コスト
化を図ったことにある。センサとしては、ＡＥセンサ２
１を用いている。

ＡＥセンサ２１は、低域の周波数は感度は低いが。

全く感度がないわけではない。このため、増幅器３１で
増幅後、高域成分のみを抽出するバンドパスフィルタ４
１と、低域成分のみを抽出するバンドパスフィルタ４２
を通すことで、音響信号の高周波成分と低周波成分を抽
出できる。検波器５１゜５２および異物衝突音判別器６
の動作および機能は、第１の実施例と同じである。

以上述べた第２の実施例の特有の効果としては、第１の
実施例の特有の効果の他に、センサを１個としたことに
より微小異物検出器の低コスト化でき、経済性改善の効
果があげられる。

本発明の第３の実施例を第６図により説明する。

第６図は、本発明の微小異物検出器を、ＧＩＳの母線部
に適用した例である。本実施例では、共振特性を示すＡ
Ｅセンサ２１の周波数応答を信号処理により平坦化し、
検出した音響信号の周波数分布と、あらかじめ実験もし
くは計算で求めた雑音や異物の質量や材質による基準音
響周波数分布のパターンマツチングをとることで、異物
衝突音と雑音を弁別するだけでなく、異物衝突音の周波
数分布の違いから、異物の質量や材質を検知しようとす
るものである。

第６図において、ＡＥセンサ２１で検出し、増幅器３１
で増幅した音響信号を１周波数分析器７１により分析し
、その周波数分布を求める。周波数分布補償器７２は、
ＡＥセンサ２１の周波数応答のデータを保持しており、
検出音響信号の周波分布を、この周波数応答で割ること
により、見かけ上平坦な音響センサで検出した場合の音
響信号の周波数分布が得られる。異物衝突音判別器７３
は、異物の材質や重さに応じた音響信号の周波数分布の
基準パターンが記憶されており、これと対比することで
、検出音響信号が雑音であるか、どの程度の質量である
かを判別し、表示する。

ＧＩＳ印加電圧信号ｓｂは、あらかじめ記憶された基準
周波数分布の逍択に用いられる。

第７図は、異物衝突音判別器７３に記憶されている。基
準周波数分布の一部である。前述の（１）式で述べたよ
うに接触時間は質量や材料の硬さ、衝突速度で定まり、
結局、衝突音の周波数分布も定まることになる。衝突速
度の最大値は、電界と異物の質量や材質で定まると考え
られるので、基準周波数分布としては、電界の強さと異
物の材質毎に、衝突音の最大のときのものを準備してい
る。

第７図に示す基準周波数分布において、Ｎの領域は雑音
、Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄになるに従って異物質量は軽
くなり、硬くなっていく。異物衝突音判別器７３では、
雑音と異物衝突音を、一般的に用いられるパターン間の
距離計算で識別し、異物衝突音のみについて一定時間内
の最大値を求め、７その最大値の周波数分布と、基準周
波数分布のパターン間の距離を求めて、最も近いパター
ンに対応する異物の資料と材質を表示する。

周波数分析器７１および周波数分布補償器７２は、ディ
ジタル信号処理の分野で一般的に用いられており、特殊
な回路ではない、また、異物衝突音判定器７３は、周波
数分布の記憶機能と、パターン間の距離算機能を有して
いる必要があるが、これも、ディジタル信号処理の分野
では一般的に用いられるものであり、特に実現困難なも
のではない。

以上説明した第３の実施例特有の効果としては、異物の
重さや材質を知ることができるので、微小異物検出器の
性能向上の効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、異物衝突音のみを選択的に抽出するこ
とが可能となるので、微小異物検出を高感度化すること
ができるので、微小異物検出器の性能向上の効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の第１の実施例の微小異物検出器のブ
ロック線図、第２図は、周波数分布識別指標Ｒと、各種
音源の関係を示したもの、第３図は、異物衝突音判別器
の詳細のブロック線図、第４図は、異物衝突音判別器の
タイムチャート、第５図は、第２の実施例の微小異物検
出器のブロック線図、第６図は、第３の実施例の微小異
物検出器のブロック線図、第７図は、基準周波数分布図
である。６・・・異物衝突音判別器、２１・・・ＡＥセンサ、２
２・・・ＡＣセンサ、３１，３２・・・増幅器、４１．
４２・・・バンドパスフィルタ、５１．５２・・・検波
器、７１・・・周波数分析器、７２・・・周波数分析補
償器、７３・・・異物衝突音判別器。代理人　弁理士　小川勝男７、−・＼、（，１、：、−／茅２　口第４固

Claims

【特許請求の範囲】１、容器等に取り付けた音響検出手段と、導電性微小異
物の衝突音響信号が他の原因で生ずる雑音に比べて高周
波成分が多いことをとらえて異物衝突音を識別する手段
を備えた微小異物検出器。２、特許請求の範囲第１項記載の微小異物検出器におい
て、異物衝突音の識別手段が、検出音響信号の高周波成
分と低周波成分を分離する手段と、高周波成分と低周波
成分の振幅の比を演算する手段と、その比率が設定値を
越えたときに異物衝突音と判別する判別手段から成るこ
とを特徴とする微小異物検出器。３、特許請求の範囲第１項記載の微小異物検出器におい
て、音響検出手段が、低周波検出用の加速度センサと高
周波検出用のＡＥセンサから成り、異物衝突音の識別手
段が、ＡＥセンサ出力信号と加速度センサ出力信号の振
幅の比率の演算手段と、その比率が設定値を越えたとき
に異物衝突音と判別する手段から成ることを特徴とする
微小異物検出器。４、特許請求の範囲第１項記載の微小異物検出器におい
て、異物衝突音の識別手段が、検出音響信号の周波数分
析手段と、この周波数分析結果と、あらかじめ記憶して
ある雑音と異物の質量、電界の強さごとの異物衝突音の
基準周波数分布のパターン間の距離を演算する手段と、
パターン間距離が雑音の周波数分布より異物衝突音の周
波数分布に近いときに異物衝突音と判別し、かつどんな
質量の異物衝突音の基準周波数分布に近いから検出異物
質量を判別する手段から成ることを特徴とする微小異物
検出器。