JP2001511886A - 超音波漏洩検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 高ダイナミック帯域と再現性のある固定減衰基準点とを有する超音波漏洩検出器は、超音波エネルギを受信し、それを受信した超音波の強度及び周波数に関連する電気的出力信号に変換する変換器（５，６）を含む。高ゲインチャージプリアンプ（７）は変換器（５，６）に接続し、その電気的出力信号の増幅された信号を発生する。増幅された信号はそれから検出され増幅された超音波信号の減衰された信号を生成するために少なくとも１つの固定減衰基準点を有する多レベル対数減衰器（８）を通過する。対数減衰器（８）の出力は、超音波周波数信号を大きさ及び周波数が減衰信号に関連する可聴周波数信号に変換する周波数シフト回路（９）に接続されている。可聴周波数信号はその後に音声アンプ（１０）で増幅され、増幅された出力信号の大きさを表示する信号レベル表示器（１２，１３）を駆動するために用いられる。検出器は、潤滑剤がデバイスに注入されるにつれて受信する超音波エネルギが低下することを検出することにより、軸受等の密封された機械的なデバイスに注入される潤滑剤の量を決定するために、潤滑剤注入工具に用いられてもよい。検出器は切迫した機械的欠陥と関連付けて超音波エネルギが上昇することを検出するために使用されてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】 超音波漏洩検出装置 技術分野 本発明は、超音波検出器に関し、更に詳しくは、軽量で、電池駆動の、超音波 音または超音波振動を検出する精密計器であって、漏洩及び故障を検出するため に有益である。 背景技術 よく知られているように、超音波発生器及び検出器は、たとえば、パイプの中 の漏洩及び欠陥を見つけるために使用される。そのようなシステムはハリス(Har ris)の米国特許Ｎｏ．３，９７８，９１５に示されている。その配置において、 超音波発生器はパイプが通っているチャンバー内に配置される。チャンバー外部 の、これらのパイプの末端には、超音波検出器が配置される。パイプ内の漏洩が 発生した部分またはパイプの壁が薄い部分では、超音波エネルギはチャンバーか らパイプに入り、検出器が配置されているパイプの端部に伝わる。検出器はパイ プの端部で、パイプ内の漏洩及び弱い部分の存在を表す超音波信号を受信する。 超音波センサは、グッドマン(Goodman)その他による再発行米国特許Ｎｏ．３ ３，９７７に開示されているように、機械的なデバイス内の摩擦によって発生し た超音波エネルギを検出するために用いられる。摩擦量が増大するにつれて、発 生される超音波エネルギの強度も増大する。デバイスへ潤滑剤を注入することは 摩擦を減少させ、結果として発生した超音波の強度を下げる。従って、超音波エ ネルギを測定することは、いつ潤滑剤が摩擦発生面に到達したかを 決定するための方法を提供する。更に、良好な軸受の超音波エネルギレベルより も高い値を発生する軸受のような欠陥のある装置及びそのような状態もまた検出 することができる。しかし、従来の手段では二人の人物がこの手順を実行するた めに必要である。一人はデバイスに潤滑剤を注入し、他の一人は超音波検出器を 操作する。 これらの目的に用いられる超音波エネルギは一般的には４０ｋＨｚの範囲内で あるため、人間が聞くには周波数が高すぎる。従って、一般的には検出された信 号をヘテロダイン化したり、周波数シフトしたりして可聴領域内に入るような手 段が提供されている。そして、これを行なうためには種々の考えが利用できる。 密閉したチャンバ内に超音波発生器を設置することによって、ピークとノード とを有する定在波パターンが規定される。ノードが漏洩部分または弱い所の位置 に発生したとすると、何らの超音波エネルギも漏れず、従って欠陥は検出されな い。この問題に対応する一つの方法はグッドマンその他による再発行米国特許Ｎ ｏ．３３，９７７に開示されている。グッドマン特許は、零位またはノードでの 漏洩を検出する目的でノードの位置を時間一杯シフトするために、入力された超 音波エネルギの周波数を変化させることを教示している。しかし、この方法に対 する手段は、ハードウェアのテストに複雑さと費用とを加える。 超音波変換器は、一般的には受信した超音波エネルギに応じて低電圧出力を発 生する。そのため、検出された信号が正確に処理される前に高ゲインプリアンプ を用いて信号を増幅する必要がある。しかし、低価格ヘテロダイン回路及びディ スプレイ回路が用いられる場合、高入力信号が存在するときにそれらの回路が飽 和することを防ぐために、増幅された信号を減衰するための手段が用意されてい なければならない。この減衰は装置の感度も調整する。携帯ユニッ ト用には、減衰の度合いはユーザによって選択可能でなければならない。 たとえば、ローズ(Rose)その他による米国特許Ｎｏ．４，７８５，６９５には 、ＬＥＤバーグラフィックディスプレイの出力レベルを調節するために用いられ る可変抵抗減衰器を有する超音波漏洩検出器が開示されている。しかし、この減 衰方法には再現性のある測定を可能にする固定基準点を規定するための方法が与 えられていない。 ペクーコニス(Pecukonis)による米国特許Ｎｏ．５，０８９，９９７には、初 段のプリアンプの後でかつ信号処理回路の前に位置する減衰器回路網を有する超 音波エネルギ検出器が開示されている。この超音波エネルギ検出器は可聴音出力 及びＬＥＤバーグラフィックディスプレイ信号を生成する。ペクーコニス特許の 減衰器回路網内の抵抗は、減衰器の異なるレベル間の指数関係を与えるために設 計されている。しかし、ペクーコニス特許は可聴音出力を生成するために検出さ れた信号をヘテロダイン化させていないのみならず、むしろ超音波周波数の広い 範囲を狭い可聴範囲に圧縮する複雑な回路のセットの利点を教示している。多く の応用例に関して、回路のこの種のコスト及び複雑さは不要である。 漏洩部分または欠陥部分から漏れた超音波音を検出することに加えて、音響変 換器を用いた検出器は音源を正確に配置できるようにしなければならない。この 目的で、指向性を向上させるために、ニール・シニア(Neale，Sr)による米国特 許Ｎｏ．４，２８７，５８１に示されている円錐状集音器が変換器に結合して用 いられる。しかし、従来の検出器は、検出器によって与えられた測定単位に合わ せた量の追加の入力信号ゲインを得るために具体的に設計された集音コーンを利 用していない。 漏洩を検出するために超音波エネルギを使用する場合、視覚的及 び音響的に超音波エネルギの存在及び強度を表示する携帯用の超音波センサを有 していれば便利である。グッドマン特許は、線形モードまたは対数モードで出力 メータに検出信号の強度を表示するとともに、ヘッドフォンを通じた音響出力を 備えた超音波センサを開示している。ピーコック(Peacock)その他による米国特 許４，９８７，７６９は、検出した超音波信号の振幅を１０段階対数ＬＥＤディ スプレイ上に表示する超音波検出器を開示している。しかし、ピーコック特許に 開示された検出器は、可聴音応答を生成するための検出信号の処理を行なわない のみならず、初段のプリアンプの段階の後の信号減衰を準備していない。 発明の開示 本発明は、超音波または振動を検出するための、多用途で、軽量で、電池駆動 の精密機械を提供することにある。本発明は、測定の再現可能性を得るために、 広いダイナミックレンジを有するとともに全域にわたって固定基準点を設けてい る。一実施の形態において、検出回路は漏洩を検出するために用いられる携帯型 ユニットに収納される。他の実施の形態において、検出器は、軸受、ギヤボック スまたは変速機のような密封された機械的なデバイスが適切に潤滑されているか 否か、及び装置に欠陥があるかを検出するためにグリスガンと共に用いられる。 本発明の実施の形態において、超音波検出器は、超音波音を検出し、その振幅 及び周波数を反映した振幅及び周波数を有する電気信号に変換するための音響的 超音波変換器または接触超音波変換器を有している。取り外し可能な収束プロー ブは、超音波エネルギを集めるため及び１つの変換器振動子上に超音波エネルギ を集中させるために、変換器に超音波を送る。先行技術の装置は、焦点面上に位 置する多数の変換器を用いても良い。しかし、そのような配置では受信力はゼロ である。従って、プローブは多数振動子受信変換器モジュールの使用時に発生す る受信及び／又は位置合わせ空白による漏洩を取り逃がすという可能性を取り除 く。このプローブはまた更に１０ｄＢの信号ゲインを与える。 出力信号は、大きな超音波エネルギ場が検出されたときに、飽和の問題を回避 するために十分に大きいあき高（高レベル方向の余裕）を有する高ゲインプリア ンプを通る。更に、プリアンプはチャージ増幅器として構成され、変換器出力イ ンピーダンスまたは変換器出力キャパシタンスの変更をするために比較的不感に なる。プリアンプの出力は、基準ラインレベルまたは周辺雑音レベルを調整する ためと、出力音声アンプ及びディスプレイ回路の飽和を防ぐために、対数減衰器 回路網に容量性に結合される。回路網は−１０ｄＢステップで０ｄＢから−７０ ｄＢまでの信号減衰レベルが与えられる。補助的な可変抵抗は、非常に高い超音 波強度レベルが示されたとき、更に減衰ができるように設けられる。 減衰信号は、その後にヘテロダイン回路へ入力され、超音波周波数が可聴範囲 にシフトされ、濾過され、増幅される。ヘテロダイン化は、高周波数信号で調節 された可聴周波数フィルタの入力を転流し、または多重化することによって達成 され、その後にヘテロダイン化された音声出力は差動濾過及び増幅され、その後 にスピーカ出力とバーグラフィックディスプレイとを駆動する。この技術は、更 にキャリア排除のみならず倍化された電圧に振動を与えるために、ＬＭ３８６音 声アンプの差動入力に有益である。 本発明の音声アンプは低インピーダンス出力を与えるので、ヘテロダイン化さ れ増幅された信号は、固定された出力レベルにおいて８または１６Ωのスピーカ またはヘッドフォンを駆動するために用 いられる。この出力は信号処理器または信号分析器の入力としても用いられる。 音声アンプはまた対数ＬＥＤバーグラフィックディスプレイを駆動する。この ディスプレイは、３０ｄＢの窓を範囲とする出力表示を提供するために１つのセ グメントにつき３ｄＢに目盛られた１０個のバーセグメントを有する。対数出力 ディスプレイと組み合わせた対数減衰器の使用は、入力信号をデシベル形式に変 換する。この組み合わせはまた検出器に３３ １／３ｄＢの固定された離散ステ ップで約１００ｄＢの広いダイナミックレンジを与える。これらのステップは、 計器の表示範囲内のどこかで固定された、再現性のある基準点を与える。ダイナ ミックレンジの１０ｄＢの追加は、必要であれば収束プローブを取り外すことに よって得られる。 第２の実施の形態において、検出器は、いつ機械的なデバイスが適切に潤滑剤 を注入されたかの検出に用いるために、グリスガン等の潤滑剤注入工具に取付け られている。密封軸受を扱う場合、たとえば、適当なグリス量がレースウェイま たはボールベアリング等の摩擦領域に何時到達したかを知る方法は通常は無い。 過剰なグリスは軸受の内部圧力を増加する可能性があり、破損を引き起こし、ま たはシールを“吹き飛ばす”可能性もあり、汚染物質が軸受内に入り込むことを 可能にする。過小なグリスは過剰な摩擦によって軸受を過熱させたり動かなくさ せたりする可能性がある。同様の問題がギヤボックスまたは変速機のような他の 密封された機械的なデバイスにも当てはまる。 密封された軸受、ギヤボックスまたは変速機等の装置は、使用時に内部摩擦の 結果として超音波エネルギを発生する。潤滑剤が注入されると内部摩擦は減少す る。従って、発生した超音波の強度は低い。潤滑剤を注入しつつ装置によって発 生される超音波のレベルを 測定することは、いつ十分な潤滑剤が注入されたかを決定する方法を与える。 更に、密封された軸受のような装置は、機能しなくなり始めたときに、超音波 の通常のレベルよりも高レベルの超音波を発生する。検出器の固定された再現性 のある基準点及び広いダイナミックレンジのために、潤滑剤が注入された特定の 軸受が発生する超音波量は正確に測定され、基準線レベルと比較され得る。通常 のレベルを超えて測定されるレベルの度合いは、どの程度軸受の品質が低下した かを示す。 グリスガン等の潤滑剤注入工具に検出器を取付けることは、潤滑剤を注入した り超音波測定をしたりする手順を、従来の手段では２人必要であったのに代えて 、１人で実行することを可能にするというさらなる利点がある。 図面の簡単な説明 本発明の前述及び他の特徴は、以下の本発明の実施の形態の詳しい記載及び図 面から更に容易に明白になる。 図１は回路素子の配置を示す本発明のブロック図、 図２Ａ及び図２Ｂは本発明の好ましい実施の形態の模式図、 図３Ａは取り外し可能な超音波収束プローブの軸方向から見た図、 図３Ｂは収束プローブの図３ＡのＡ−Ａ線側断面図、 図４Ａは、グリスガンと連結した検出器の実施の形態を示す説明図、 図４Ｂはクリップ留めされる変換器のハウジングの斜視図、 図４ＣはＬＥＤディスプレイと減衰切り換えスイッチとを示す検出器の一実施 の形態の制御パネルの外観図である。 発明を実施するための最良の形態 以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づいて説明する。 図１に本発明の一実施の形態のブロック図を示す。図１に示すように、超音波 エネルギーは取り外し可能な集束プローブ５に集められ、振幅及び周波数が超音 波エネルギーの振幅及び周波数に相当する電気信号を発生するために超音波変換 器６へ入力される。なお、変換器はユーザの必要性によって、音響変換器または 接触変換器の何れかを用いることが可能である。 変換器６の出力は、高ゲインプリアンプ７へ入力される。増幅された入力信号 はその後に、いくつかの固定された対数量の内のユーザの選択に応じた１つによ って増幅された入力信号を減衰する減衰器回路網８に容量的に結合される。 減衰された信号はその後に、入力された超音波周波数成分に比例する可聴周波 数及び振幅を有する出力信号を発生するヘテロダイン周波数シフタ９へ入力され る。この出力信号は音声アンプ１０によって増幅されて低インピーダンス出力１ １に与えられ、固定出力レベルでスピーカまたはヘッドフォンを駆動するために 用いられ、更に信号処理器または信号分析器の入力信号として用いられる。増幅 された音声信号はまた、半波整流器１２への入力を介して対数ディスプレイ１３ の駆動に使用される。対数ディスプレイ１３は、ＬＥＤバーグラフィックディス プレイであっても良い。 本発明の好ましい実施の形態による個々の回路素子にについて更に詳細に述べ る。全ての要素は標準的な常温領域で用いることができ、既成タイプの品である 。回路は直流の７．２乃至９ボルトの範囲の供給電圧Ｖｂを有する電池から駆動 されることが望ましい。好ましい実施の形態は、表面実装のハイブリッドで従来 のスルーホー ル素子を用いて構成してもよい。 図２Ａに見られるように、プリアンプ７は、抵抗１８及びコンデンサ２０を備 えた並列ＲＣ負帰還ループを有するオペアンプ１６を備えている。オペアンプ１ ６の非反転入力は、電池からの供給電圧Ｖｂの約半分の電圧Ｖｃでバイアスされ る。このアンプ構成は、変換器とオペアンプ１６の反転入力との間に直列抵抗体 がないため、チャージ増幅器として分類されている。そのため、変換器からの信 号はコンデンサ２０に電荷を送るであろう。この形式のアンプの使用は、変換器 出力インピーダンスまたはキャパシタンスを変えるために超音波検出器を比較的 不感にする。またプリアンプ７の出力の一部として、抵抗２２と可変抵抗２４と からなる補助的な減衰回路が含まれる。可変抵抗２４は通常は減衰を与えないよ うに設定されている。非常に高い超音波強度レベルにある場合は、そのレベルは 、減衰器回路網８が最大減衰に設定されているときにスピーカまたはディスプレ イへの音声出力の過励振を防ぐために、調整することができる。 好ましい実施の形態において、オペアンプ１６はＮＥ５５３２チップのような 高ゲインＩＣアンプである。抵抗１８は１ＭΩであり、コンデンサ２０は４ｐＦ である。このことは、プリアンプが２０ｋＨｚから１００ｋＨｚのバンド幅で約 ６００ｖ／ｖまたは５５ｄＢのゲインを有し、更にピークからピークまで約６Ｖ の振幅を有する。このことはほとんどの飽和の問題を回避するために十分に大き いあき高（高レベル方向の余裕）を与える。１００乃至２００μＶの標準的な変 換器の出力電圧レベル与えられた場合、６Ｖの出力レベルを生成するために変換 器から１０ｍＶの入力が必要になる。このあき高は減衰器をプリアンプ７の後に 配置することを可能にする。 プリアンプ７の出力は、コンデンサ２６を介して図２Ｂに示す対 数減衰器回路網８に結合されている。対数減衰器回路網８は、直列抵抗３０，３ ２，３４，３６，３８，４０，４２及び４４に接続する多位置スイッチ２８を備 える。抵抗値は、−ステップにつき−１０ｄＢのように、減衰器の所望のレベル を与えるために選択されている。減衰量は抵抗値の比率の作用と減衰器の抵抗の 相互作用と、ヘテロダイン周波数シフタ９の入力インピーダンスとである。 適当な抵抗値を決定する１つの方法は、超音波入力信号として白色雑音源を用 いることである。白色雑音は、乱流状態において超音波漏洩信号及び摩擦信号の 特性を有するという理由で用いられる。抵抗値は、所望の減衰が行なわれるまで 異なるスイッチ設定で出力信号を観察している間に調整できる。 好ましい実施の形態において、抵抗３０，３２，３４，３６，３８，４０及び ４２は全て１％の許容限度でそれぞれ１．３０ｋΩ、３．８３ｋΩ，８．９８ｋ Ω，８４５Ω，１４０Ω，３０．１Ω及び１０Ωの抵抗値を有する。抵抗４４は 、５％の許容限度で２．２Ωの抵抗値を有する。この構成で、ユーザは０ｄＢか ら−７０ｄＢまで−１０ｄＢ間隔の減衰レベルの中から選択することができる。 減衰器２４と同様に減衰器回路網８は、音声アンプ１０の飽和と出力ディスプ レイ１３の過励振とを防ぐために、高ゲインプリアンプ７の後に配置される。減 衰器回路網の出力は、図２Ａに示されるように、その後にヘテロダイン周波数シ フタ９と音声アンプ１０とへ入力される。 ヘテロダイン周波数シフタ９は転流信号またはスイッチング信号を発生する位 相偏位発振器４８と、比較器５０及び５２と、調整された音声フィルタ５４とを 備えている。ヘテロダイン回路は、以下のように要約することができる。 位相偏位発振器４８はオペアンプ６８と、コンデンサ７０，７２， ７４、抵抗７６，７８及び可変抵抗８０で構成されるＲＣ帰還回路網とを含む。 オペアンプ６８の非反転入力は、オペアンプ１６と同様に、電圧Ｖｃでバイアス されている。回路要素は、電圧Ｖｃの周辺で変化する出力を有する発振器が約３ ７．２ｋＨｚの周波数で作動するように選択される。 好ましい実施の形態において、オペアンプ６８は、ＮＥ５５３２チップのよう な高ゲインＩＣである。コンデンサ７０，７２及び７４はそれぞれ５６０ｐＦで ある。抵抗７６，７８はそれぞれ１ｋΩであり、可変抵抗８０は１ＭΩである。 オペアンプ６８の出力からの転流信号は比較器５０の反転入力と比較器５２の 非反転入力とへ入力される。比較器５０の非反転入力と比較器５２の反転入力と は電圧Ｖｃでバイアスされている。比較器はＬＭ３３９ＩＣチップに与えられて いるようなオープンコレクタ出力を有していなければならない。 音声アンプ１０は、ＬＭ３８６ＩＣで可能なオペアンプ８２と、結線された抵 抗８４とコンデンサ８６及び８８とを備える。 調整された音声フィルタ５４は、コンデンサ６０及び６２と、抵抗６４及び６ ６とを含む。好ましい実施の形態において、コンデンサ６０は０．０１μＦ、コ ンデンサ６２は０．０４７μＦで、抵抗６４及び６６は共に１ｋΩである。 検出された超音波信号の周波数を可聴領域にシフトさせるヘテロダイン化は、 ３７．２ｋＨｚの高周波数で調整された可聴周波数フィルタ５４の入力を転流し 、差動濾過し、音声アンプ１０に出力を印加することによって達成される。超音 波入力信号は調整された音声フィルタ５４へコンデンサ５６，５８を通じて出力 される。１つおきの半周期において、比較器５０，５２の出力は、オペアンプ８ ２の差動入力へ入力される超音波信号を転流する。オペアンプ８２ のコモンモード不平衡は、オペアンプ８２の出力に出現するヘテロダイン音声を 抽出するフィルタ５４の濾過動作と組み合わせられる。抽出された音声はコンデ ンサ９４を通じて出力回路に結合する。上記実施の形態においては、ヘテロダイ ン回路９，１０のバンド幅は、プリアンプ回路７のバンド幅２０ｋＨｚ乃至１０ ０ｋＨｚに対して、ほぼ０乃至２０ｋＨｚである。 出力回路は図２Ｂに示されており、低インピーダンス音声出力１１と対数ＬＥ Ｄディスプレイ１３とを備える。音声出力１１はフォノジャック９６と抵抗９８ ，１００とを含む。この構成は固定された出力レベルにおいて８または１６Ωの スピーカまたはヘッドフォンを駆動するには適当であり、信号処理器または信号 分析器の入力としても適当である。 好ましい実施の形態において、対数ディスプレイは、ＮＳＣ３９１５対数チッ プのような対数応答ＬＥＤドライバチップ１０２を有している。対数応答ＬＥＤ ドライバチップ１０２は、１０セグメントＬＥＤバーディスプレイ１０４を駆動 するために用いられる。ＮＳＣ３９１５は低価格のデバイスとして立証されてお り、これらの目的に対して高精度、且つ高効率である。 対数ディスプレイ１３は、抵抗１０６，１０８，１１０及び１１２、コンデン サ１１４、ダイオード１１６及びトランジスタ１１８からなる半波整流器１２に よって駆動される。整流器１２は、ヘテロダイン化され、対数減衰された音声出 力を整流し、それを平均値信号として対数ディスプレイチップ１０２へ入力する 。 お分かりのように、対数出力ディスプレイと組み合わせて対数減衰器を使用す ることは入力信号をデシベル表示形式に変換する。減衰器の８個のポジションは 広ダイナミックレンジと固定基準点との両方を与える。即ち、それぞれのスイッ チ位置は固定された公知の 減衰量を与える。可変電位差計はこの形式の精度を与えることができない。たと えば、非常に異なった振幅の２つの信号が比較されるべきとき、大きいほうの信 号の振幅範囲を小さくするか、または小さいほうのそれを大きくするために減衰 器を使用することができ、その後に２つの信号は正確に測定または比較すること が可能である。振幅の大きい信号の範囲と振幅の小さい信号の範囲との差は、ス イッチ位置によって明示されるように、必要な減衰量から知ることができるであ ろう。（所定の基準ラインまたは周辺雑音の決定に使用される）固定基準点の使 用はこのセンサに精密計器としての使用及び再現性のある測定を与える自由度を 与える。 更なる精度及び自由度は、図３Ａ及び図３Ｂに示されている円錐形状の取り外 し可能な収束プローブ５の使用によって達成することができる。超音波変換器６ の先端としてプローブ５を使用することは、指向性を向上させ、更に１０乃至１ ２ｄＢの信号ゲインを加える。収束プローブ５はまた超音波を信号変換器６に集 める。この収束動作は、多数振動子受信変換器モジュールの使用時に発生する受 信及び／又は位置合わせ空白により生じる漏洩をユーザが取り逃す機会を少なく する。 図４Ａに示すように他の実施の形態において、超音波検出器２０６は、ネック ２０２及びグリスフィッティングアダプタ２０４を有するグリスガン２００のよ うな潤滑剤注入工具に連結することができる。超音波回路は、グリスガン２００ の本体にベルクロ（トレードマーク）のストラップ２１２で取付けられたケーシ ング２０８内に収納される。他の方法としては、ケーシング２０８はグリスガン ２００にクリップ、紐、または溶接及び粘着等の他の適切な手段でも取付けられ る。 超音波変換器６（図示せず）はハウジング２１０の中に収納され ており、電線２０９によって超音波回路に接続している。変換器ハウジング２１ ０は、グリスフィッティングアダプタ２０４近辺のネック２０２と共にグリスガ ン２００に取付けられるか、アダプタ２０４自体に取付けられる。変換器ハウジ ング２１０の一実施の形態は図４Ｂに示すようにクリップオンタイプである。な お、変換器６は、グリスフィッティングアダプタ２０４またはネック２０２と音 響的に接触する場所に他の機構によって取付けられることも可能である。変換器 がグリスガンに取付けられる他の方法は、ストラップまたは磁気的によるものか 含まれる。他に、ネック２０２またはグリスフィティングアダプタ２０４はぴっ たり合う形状に成形されたハウジング２１０をしっかりと支える手段で特別に構 成することができる。 機械的なデバイスの使用時には、内部摩擦は超音波の発生を引き起こす。潤滑 剤が注入されてグリスが摩擦発生表面または超音波発生表面に到達するに伴って 発生した超音波の強度は弱まる。超音波検出器とグリスガン等の潤滑工具との組 み合わせは、一人のユーザに機械的なデバイスに潤滑剤を注入させると同時にデ バイスから発生した超音波エネルギーの強度を観察させることを可能にする。こ のことは、検出された超音波エネルギーが最低レベルに下がったとき、及び十分 な潤滑剤が注入されたときをユーザに知らせることができる。 本実施の形態の一使用形態において、グリスガン２００は潤滑剤密封軸受２２ ０に使用できる。軸受２２０は密封されているので、通常はいつ適当なグリス量 が、レースウェイまたはボールベアリング等の摩擦領域に到達したかを知る方法 がない。過剰なグリスは軸受の内部圧力を増加する可能性があり、破損を引き起 こし、またはシールを“吹き飛ばす”可能性もあり、汚染物質が軸受内に入り込 むことを可能にする。過小なグリスは過剰な摩擦によって軸受を過熱させたり動 かなくさせたりする可能性がある。同様の問題がギヤボックスまたは変速機のよ うな他の密封された機械的なデバイスに潤滑剤を注入するときにも発生する。 使用時に、グリスフィッティングアダプタ２０４は軸受２２０のグリスフィッ ティング２１４に取付けられる。そして、グリスフィッティングアダプタ２０４ は導波管として機能し、密封軸受２２０で発生した超音波を変換器６に伝達する 。潤滑剤の注入に際して軸受２２０で発生される超音波のレベルは、ＬＥＤバー ディスプレイに視覚的に表示されるとともにフォノジャック９６に接続されたヘ ッドフォン（図示せず）を通じて音声的に指示される。図４Ｃを参照されたい。 図４Ｃに示すように、ユニットの制御パネルに設けられた減衰スイッチ２８及び ＬＥＤバーグラフィックディスプレイ１０４を観察することによって選択可能な 固定された減衰設定値の使用により、検出された超音波エネルギの低下を正確に 測定することができる。 潤滑剤は検出された超音波レベルが最低レベルに達するまで、即ち十分な潤滑 剤が注入されたことを表示するまで、軸受２２０に詰め込まれる。検出器は超音 波信号の振幅の差を正確に測定することができるので、ユーザは潤滑剤が“詰め 込まれすぎ”てその結果シールが吹き飛ぶということから軸受を妨げることがで きる。 本実施の形態はまた、欠陥のある軸受を検出するために用いることができる。 使用時に、良好な軸受は超音波エネルギの通常の基本レベルを発生する。測定し たときに、このエネルギレベルは対数減衰スイッチ２８の特定の位置及びＬＥＤ ディスプレイ１０４の点灯されたバーのある数に対応している。このレベルは、 たとえばグリスガン２００を、良好な状態にあるとわかっている適切に潤滑剤が 注入された軸受に取付け、検出された超音波を測定することによって決定するこ とができる。固定基準点は、その次の測定が行なわれたときに、この測定は再現 性がありその値が基準または基準線として用いることができるということを保証 する。 実際には、作業者はグリスガン２００のグリスフィッティングアダプタ２０４ を軸受２２０のグリスフィティング２１４に取付け、発生された超音波の強度を 測定する。検出レベルが所定の基準レベル以上に高い場合は、検出された超音波 レベルがその最低レベルに到達するまで潤滑剤を注入することができる。しかし 、欠陥のある軸受に潤滑剤が注入された後には、通常の超音波レベルよりも高い 超音波レベルが更に発生するであろう。基準線を上回るデシベル数の読みは、軸 受が破損の段階にあることを示している。 基準線より８ｄＢ上の読みは、軸受が破損の前段階、最も早い破損の段階にあ ることを意味している。この段階で軸受は、髪の毛のように細いひびまたは微小 な破片のような、人間の目では見えないひびを発生する。固定された基準点及び ＬＥＤバーディスプレイの一目盛につき３ｄＢのゲインにより、発生した超音波 エネルギがこの小さい増加であっても正確に検出することができる。 基準線より１６ｄＢ上の読みは、軸受が破損段階にあることを意味している。 このレベルにおいて、軸受は取り替えられるべきであるか、または頻繁に観察さ れるべきである。超音波の検出レベルが３５乃至５９ｄＢ通常よりも上であると きは軸受は破滅状態にあり、早急な破損が切迫している。これはベアリングの隙 間が増加し、それによって更なる摩擦とこすれとを機械内部に引き起こす原因に なり、それが潜在的な損傷を他の部品に引き起こすため、高度な危険状態である 。 なお、上記議論は密封された軸受に潤滑剤を注入したり、試験を したりするために本発明の一実施の形態を用いることに向けられているが、この 実施の形態は同じ目的でギヤボックスまたは変速機等の他の密封された機械的デ バイスに用いることも可能である。 本発明は、好ましい実施形態を参照して詳しく示したり記述したりしたが、発 明の意図及び範囲から逸脱することなしに外観及び細部の変更ができることは当 業者には理解できるであろう。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 いられてもよい。検出器は切迫した機械的欠陥と関連付 けて超音波エネルギが上昇することを検出するために使 用されてもよい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．受信した超音波エネルギの強度及び周波数に関連する超音波周波数範囲に おいて電気的出力信号を生成する超音波変換器と、 前記変換器に接続されており、変換器電気的出力信号の増幅した信号を発生す る高ゲインチャージプリアンプと、 プリアンプの出力を受信し、少なくとも１つの固定基準点を有し、前記プリア ンプの出力信号の減衰された信号を生成する多レベル対数減衰器と、 対数減衰器の出力を受信するために接続され、大きさ及び周波数において減衰 信号に関連し、超音波周波数範囲から可聴周波数範囲にシフトされた可聴周波数 範囲信号を生成する周波数シフト回路と、 周波数シフト回路からの音声信号を受信して増幅することにより、増幅された 音声出力信号を生成する音声アンプと、 増幅された音声出力信号を受信するために接続され、音声アンプの増幅された 音声出力信号の大きさを表示する信号レベル表示器と を備えることを特徴とする超音波漏洩検出装置。 ２．前記チャージアンプは、 出力、反転入力及び非反転入力を有する演算増幅器と、 演算増幅器の出力と反転入力との間に並列に接続された抵抗及びコンデンサと を備え、 前記変換器は前記演算増幅器の反転入力と非反転入力との間に直接接続されて いることを特徴とする請求項１記載の超音波漏洩検出装置。 ３．プリアンプの出力に接続された入力と、対数減衰器に接続された出力とを 有し、一端が前記入力に接続された固定抵抗と、一端が抵抗の他端に、他端が基 準レベルに接続されており、ワイパが前 記出力に接続された電位差計とを含む可変減衰器を更に含むことを特徴とする請 求項１記載の超音波漏洩検出装置。 ４．前記対数減衰器は１ステップにつき１０ｄＢで７ステップを有することを 特徴とする請求項１記載の超音波漏洩検出装置。 ５．前記対数減衰器は、 入力と基準レベルとの間に直列に接続された８個の抵抗と、 対数減衰器の入力と抵抗の接点それぞれに接続された複数の入力と、対数減衰 器の出力に接続されたワイパと、対数減衰器の出力がプリアンプの出力と７個の 固定された１０ｄＢステップの対数減衰量と関連するような複数の抵抗の値とを 有する多位置スイッチと を備えることを特徴とする請求項４記載の超音波漏洩検出装置。 ６．前記周波数シフト回路は、 切り換え信号を発生する発振器と、 反転入力及び非反転入力を有し、反転入力に切り換え信号が入力される第１の 比較器と、非反転入力に切り換え信号が入力される第２の比較器と、 ２個の信号入力、２個の比較器入力及び２個の出力を有し、対数減衰器の出力 が両信号入力へ入力され、両比較器の出力が両比較器入力のそれぞれへ入力され 、２個の出力が音声アンプへ入力される平衡可聴周波数フィルタと を備えることを特徴とする請求項１記載の超音波漏洩検出装置。 ７．前記平衡可聴周波数フィルタは、 各信号入力と各比較器入力との間に接続された第１及び第２の入力コンデンサ と、 各比較器入力の間に接続された第３のコンデンサと、 各比較器入力と各比較器出力の間にそれぞれ接続された第１及び第２の抵抗と 、 出力の間に接続された第４のコンデンサと を備えることを特徴とする請求項６記載の超音波漏洩検出装置。 ８．前記周波数シフト回路は平衡出力を有し、前記音声アンプは、平衡出力が 接続される反転入力及び非反転入力を有する演算増幅器を含み、前記演算増幅器 は、それ自身の２入力へ入力される信号のための高コモンモード不平衡を有する ことを特徴とする請求項１記載の超音波漏洩検出装置。 ９．前記信号レベル表示器は、音声アンプの出力を受信するスピーカを備える ことを特徴とする請求項１記載の超音波漏洩検出装置。 １０．前記信号レベル表示器は、 整流信号を供給するために前記音声アンプの出力を整流する整流回路と、 ＬＥＤバー表示信号を供給するために整流信号によって駆動される対数表示回 路と、 バー表示信号で駆動され、検出された超音波エネルギの強度に関連してデシベ ル表示で複数のバーセグメントが照明されるＬＥＤバーディスプレイと を備えることを特徴とする請求項１記載の超音波漏洩検出装置。 １１．超音波エネルギを受け入れて該超音波エネルギを変換器に送る取り外し 可能な収束プローブを更に含むことを特徴とする請求項１記載の超音波漏洩検出 装置。 １２．前記プローブは円錐形状で、結合時において約１０ｄＢの信号ゲインを 与えることを特徴とする請求項１１記載の取り外し可能な収束プローブ。 １３．超音波エネルギを超音波エネルギの強度と周波数とに関連する電気信号 に変換するステップと、 大きな超音波エネルギ場が検出された場合に飽和を回避するため に十分なあき高（高レベル方向の余裕）を有する高ゲインプリアンプで前記電気 信号を増幅するステップと、 前置増幅信号の減衰された信号を生成するために少なくとも１つの固定基準点 で前記増幅された信号を対数的に減衰するステップと、 前記減衰された信号をその大きさ及び周波数に関連した可聴周波数信号に変換 するステップと、 増幅された可聴周波数信号の大きさを表示するステップと を含むことを特徴とする超音波エネルギの検出方法。 １４．前記減衰された信号を可聴周波数信号に変換するステップは、 高周波数切り換え信号を前記減衰された信号で転流するステップと、 前記転流された信号を一対の平衡濾過信号を得るために平衡可聴周波数フィル タで差動濾過するステップと、 前記可聴周波数信号を生成するために、高コモンモード不平衡を有する音声ア ンプ内の平衡濾過信号を増幅するステップと を含むことを特徴とする請求項１３記載の超音波エネルギの検出方法。 １５．前記減衰された信号を可聴周波数信号に変換するステップは、位相形発 振器で高周波切り換え信号を発生するステップを更に含むことを特徴とする請求 項１４記載の超音波エネルギの検出方法。 １６．前記平衡可聴周波数フィルタは、第１及び第２の入力と、第１及び第２ の出力とを含み、 前記高周波切り換え信号は、 前記高周波数切り換え信号を第１の比較器の反転入力と第２の比較器の非反転 入力とへ入力するステップと、 前記第１の比較器の出力を前記第１の音声フィルタ入力へ入力し、 前記第２の比較器の出力を前記第２の音声フィルタ入力へ入力するステップと、 前記減衰された信号を前記第１のフィルタ入力に容量的に結合し、前記減衰さ れた信号を前記第２のフィルタ入力に容量的に結合するステップと、 前記第１及び第２の音声濾過出力を前記音声アンプへ入力するステップと によって前記減衰された信号で転流されることを特徴とする請求項１４記載の 超音波エネルギの検出方法。 １７．前記音声増幅信号をスピーカへ入力するステップを更に含むことを特徴 とする請求項１３記載の超音波エネルギの検出方法。 １８．対数目盛のＬＥＤバーグラフィックディスプレイに前記音声増幅信号を 入力することによって前記音声増幅信号の大きさを表示するステップを更に含む ことを特徴とする請求項１３記載の超音波エネルギの検出方法。 １９．機械的なデバイスによって生成された超音波エネルギを検出するととも に前記デバイスに潤滑剤を注入する装置であって、超音波エネルギ検出器が取付 けられた潤滑剤注入工具を備えることを特徴とする装置。 ２０．前記超音波エネルギ検出器は、 受信した超音波エネルギの強度に関連する強度の電気信号を生成する超音波変 換器と、前記信号を処理する電気回路とを備え、 前記変換器は前記潤滑剤注入工具と音響的に結合しており、 前記電気回路は前記潤滑剤注入工具に取付けられており、前記電気信号の大き さを表示する出力を有する ことを特徴とする請求項１９記載の装置。 ２１．前記潤滑剤注入工具は、前記機械的なデバイスとインタフ ェイスするために適合したグリスフィッティングアダプタを有するグリスガンを 備え、前記変換器は少なくとも前記グリスフィッティングアダプタに近い位置で 前記グリスガンと音響的に結合されていることを特徴とする請求項２０記載の装 置。 ２２．前記回路は、 変換器からの前記電気信号と接続されており、電気信号の増幅された信号を発 生する高ゲインプリアンプと、 プリアンプの出力を受信し、少なくとも１つの固定基準点で前記プリアンプの 出力信号の減衰された信号を生成する多レベル対数減衰器と、 減衰信号を受信するため及び検出された超音波エネルギの大きさの表示を与え るための対数信号レベル表示器と を備えることを特徴とする請求項２０記載の装置。 ２３．前記多レベル対数減衰器は−１０ｄＢステップで０ｄＢ乃至−７０ｄＢ の固定減衰レベルを選択する手段を備えることを特徴とする請求項２２記載の装 置。 ２４．前記対数信号レベル表示器は、対数表示回路と、検出された超音波エネ ルギの強度に関連してデシベル表示で複数のバーセグメントが照明されるＬＥＤ バーディスプレイとを備えたことを特徴とする請求項２２記載の装置。 ２５．対数減衰器の出力を受信するために接続され、大きさ及び周波数におい て減衰信号に関連し、超音波周波数範囲から可聴周波数範囲にシフトされた可聴 周波数範囲信号を生成する周波数シフト回路と、 周波数シフト回路からの音声信号を受信して増幅することにより、前記対数信 号レベル表示器と接続された増幅された音声出力信号を生成する音声アンプと、 前記増幅された音声出力信号をスピーカに接続する手段と を更に備えることを特徴とする請求項２２記載の装置。 ２６．密封された機械的な回転するデバイスの状態を検出する方法において、 固定基準点及び可変減衰器を有する超音波検出器によって回転中のデバイスに より発生される超音波エネルギ量を、基準線測定を得るために良好な状態であり 、良好に潤滑剤が注入されたデバイスにより測定するステップと、 超音波エネルギ量が上昇したとき、デバイスから発生される超音波エネルギ量 を引き続いて測定するステップと、 引き続いて行なわれた測定が第１の所定量を超えたエネルギの増加を示した場 合、エネルギ量を観察しつつ、エネルギ量の減少が止まるまで前記デバイスに潤 滑剤を注入するステップと を含むことを特徴とする密封された機械的な回転するデバイスの状態を検出す る方法。 ２７．現在の測定値を得るために潤滑剤を注入するステップの後にエネルギレ ベルを決定するステップと、 軸受が通常の損傷を経験し、交換すべきであることを表す第２の所定量以上で ある現在の測定値と基準線の測定値との間の差を決定するステップと を更に含むことを特徴とする請求項２６記載の密封された機械的な回転するデ バイスの状態を検出する方法。 ２８．現在の測定値と基準線の測定値との差が第２の所定量よりも大きい、軸 受が破滅的な損傷に近いことを表す第３の所定量を決定するステップを更に含む ことを特徴とする請求項２７記載の密封された機械的な回転するデバイスの状態 を検出する方法。 ２９．密封された機械的な回転するデバイスは密封軸受であり、 第１の所定量は約８ｄＢ以上のエネルギ量であり、第２の所定量は約１６ｄＢ未 満のエネルギ量であり、第３の所定量は少なくとも約３５ｄＢであることを特徴 とする請求項２８記載の密封された機械的な回転するデバイスの状態を検出する 方法。