JP2002048633A - 振動測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ユーザがポンプの状態を正確に判断すること
ができる測定結果を得る振動測定装置を提供する。 【解決手段】 ポンプ１０の回転軸に取り付けられた回
転センサ１１による出力信号を、波形整形器７１によっ
て波形整形し、位相比較器７２に入力する。また、位相
比較器７２には、分周器７５の出力信号が入力され、両
信号の周波数及び位相の差に応じた信号が出力される。
この信号に応じた周波数のパルス信号が電圧制御発振器
７４から分周器７５及びＡ／Ｄ変換器４へ出力され、振
動センサ１２の出力信号を、前記パルス信号の周波数を
サンプリング周波数としてＡ／Ｄ変換し、得られたデジ
タル信号に対して、ＦＦＴ回路５によってフーリエ変換
を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポンプの振動を測
定する振動測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ポンプの故障、及びポンプに用いられて
いる消耗部品の劣化の度合いを調べるために、運転中の
ポンプの振動を測定する振動測定装置がある。従来の振
動測定装置は、ポンプの回転軸の軸受け付近のケーシン
グの振動の変位、速度、又は加速度の量を、振動センサ
を用いて測定していた。ユーザは、この測定値と閾値と
を比較し、測定値が閾値を越えている場合に、ポンプに
異常が発生していると判断していた。

【０００３】ところが、このような振動測定装置では、
ポンプの振動と、ポンプの近傍に設置された発動機又は
発電機等の他の機械による振動とが合成された信号が測
定されるため、ユーザが正確にポンプの状態を判断する
ことが困難であった。

【０００４】そこで、振動センサによってポンプの振動
を表すアナログ信号を出力し、このアナログ信号を、一
定のサンプリング周波数でＡ／Ｄ変換し、得られたデジ
タル信号に対してＦＦＴ回路によってフーリエ変換を行
い、ポンプの振動と、ポンプの近傍に設置された発動機
又は発電機等の他の機械の振動とを分離して測定する振
動測定装置が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで上述の如き従
来の振動測定装置では、以下に説明するような理由によ
って、測定結果からユーザが正確にポンプの状態を判断
できないという問題があった。

【０００６】ポンプによる振動は、ポンプの回転軸が１
回転する間にポンプの羽根車の羽根数Ｚ及び羽根数Ｚの
自然数倍の回数だけ発生する。またポンプの回転軸の回
転は、バルブ開度の変化等による負荷変動によって変化
し、従ってポンプの振動の周波数も変化する。

【０００７】図２は、従来の振動測定装置のＡ／Ｄ変換
器の動作を説明するグラフである。図において、横軸は
時間を表しており、縦軸は各時間における振動センサの
出力信号値を表している。振動センサの出力信号に対し
て、一定のサンプリング周波数でＡ／Ｄ変換を行った場
合、図２に示すように、振動の周波数変動に応じて、振
動センサの出力信号の１周期あたりのサンプリング回数
が変動する。このようにして得られたデジタル信号に対
してフーリエ変換を行ったとき、図３に示すように、ポ
ンプによる振動の強さを正確に表す結果を得ることがで
きない。

【０００８】図３は、振動センサの出力信号を一定のサ
ンプリング周波数でＡ／Ｄ変換して得たデジタル信号に
対してフーリエ変換を行った結果の一例を示すグラフで
ある。図において、縦軸は振動センサの出力信号の振幅
スペクトルを表し、横軸は周波数を表している。ポンプ
の振動は、ポンプの回転軸の平均的な回転速度Ｎに対し
て、羽根数Ｚを乗じた周波数ＺＮ、及び周波数ＺＮを自
然数倍した周波数２ＺＮ，３ＺＮ，…の付近に集中して
いる。また、前述した負荷変動により、ポンプの振動は
周波数ＺＮ，２ＺＮ，３ＺＮ，…の付近で、適宜の周波
数範囲に亘って分布している。回転軸の回転速度の変動
は、振動測定時毎に異なるため、夫々の測定時において
毎回異なった測定結果が得られることとなり、このよう
な測定結果からは、ユーザが正確にポンプの状態を判断
することができない。

【０００９】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、ポンプの回転軸の回転速度に応じたサンプリン
グ周波数で、振動センサの出力信号に応じたアナログ信
号をＡ／Ｄ変換し、得られたデジタル信号に対してフー
リエ変換を行うことにより、ポンプの回転むらによる振
動の周波数変動に関係せず、ポンプの回転軸の１回転あ
たりの各振動回数における振動レベルを算出することが
でき、ユーザがポンプの状態を正確に判断することがで
きる振動測定装置を提供することを目的とする。

【００１０】本発明の更に他の目的は、ポンプの羽根車
の羽根数Ｚに対して、発振器によって出力したパルス信
号の１／６Ｚの周波数と、ポンプの回転軸に取り付けら
れた回転センサによって出力される信号の周波数とを近
づけるように前記発振器が出力するパルス信号を制御
し、このパルス信号の周波数をＡ／Ｄ変換のサンプリン
グ周波数とすることにより、Ａ／Ｄ変換のサンプリング
周波数を回転センサの周波数の６Ｚ倍とし、ポンプの１
回転あたりの振動回数がＺ、２Ｚ、及び３Ｚの部分の振
動センサの出力信号の振幅スペクトルを算出することが
でき、ユーザがポンプの状態を判断するために十分な測
定結果を得ることができる振動測定装置を提供すること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】第１発明に係る振動測定
装置は、ポンプの振動に応じた信号を出力する振動セン
サと、該振動センサが出力した信号に応じたアナログ信
号をデジタル信号へ変換するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ
変換器の変換によって得られたデジタル信号に対してフ
ーリエ変換を行うフーリエ変換器とを備える振動測定装
置において、ポンプの回転軸の回転速度に応じた周波数
を有する信号を出力する回転センサを備え、前記Ａ／Ｄ
変換器は、前記回転センサが出力した信号の周波数に応
じたサンプリング周波数で、前記アナログ信号をデジタ
ル信号へ変換すべくなしてあることを特徴とする。

【００１２】図４は、第１発明に係る振動測定装置にお
けるＡ／Ｄ変換器の動作を説明するグラフである。図に
おいて、横軸は時間を表しており、縦軸は各時間におけ
る振動センサの出力信号値を表している。第１発明に係
る振動測定装置は、回転センサがポンプの回転軸の回転
速度に応じた周波数の信号を出力し、この周波数に応じ
たサンプリング周波数で、振動センサによって出力した
信号をＡ／Ｄ変換する。

【００１３】このようにして得られたデジタル信号は、
例えば半導体メモリにデータとして格納され、このデー
タを用いてフーリエ変換が行われる。フーリエ変換器
は、各データのサンプリング周波数をユーザによって定
められた一定の周波数、例えば一定の回転速度でポンプ
の回転軸が回転するときの、回転軸の１秒間あたりの回
転回数を自然数倍した周波数として、フーリエ変換を行
う。このようにサンプリング周波数を一定とみなしたと
き、前記デジタル信号は、ポンプの回転軸の回転速度が
一定の場合の振動を表している。図５は、サンプリング
周波数を一定とみなしたときのデジタル信号によって表
されるポンプの振動を模式的に示すグラフである。図に
おいて、横軸はサンプリング周波数を一定としたときの
見かけの時間を表し、縦軸は各サンプリング時間におけ
るデジタル信号値を表している。図に示すように、前記
デジタル信号のサンプリング周波数を一定の周波数とみ
なした場合には、ポンプの振動の周波数が一定となり、
ポンプの回転軸の回転速度が一定の場合のポンプの振動
を表す信号を求めることができる。

【００１４】また、ポンプの近傍に設置された発動機又
は発電機等の他の機械は、ポンプの回転軸の回転とは関
係なく、ポンプによる振動と別の周波数で振動する。図
６は、第１発明に係る振動測定装置による振動の測定結
果の一例を示すグラフである。図において、縦軸は振動
センサの出力信号の振幅スペクトルを表し、横軸はポン
プの回転軸の１回転あたりの振動回数を表している。図
に示すように、ポンプの１回転あたりの振動回数が羽根
数Ｚ又は羽根数Ｚの自然数倍の部分に振動が集中してい
る。また振動回数が大きい部分にも振動が集中している
部分が存在する。このうち、ポンプの１回転あたりの振
動回数が羽根数Ｚ又は羽根数Ｚの自然数倍の振動は、ポ
ンプの振動であり、ポンプの回転速度を一定とした場合
のポンプの振動を表す信号に対してフーリエ変換を行っ
ているため、局所的に夫々の振動が集中した状態で夫々
の振動が測定される。このような測定結果は、ポンプの
回転軸の回転むらの影響を受けず、従って略正確に各振
動の振動レベルを測定することができる。またこれらの
他の振動は、ポンプの近傍に設置された発動機又は発電
機等の他の機械の振動である。

【００１５】このように、ポンプの回転軸の回転速度に
応じたサンプリング周波数で、振動センサの出力信号に
応じたアナログ信号をＡ／Ｄ変換し、これによって得た
デジタル信号に対してフーリエ変換を行うことにより、
ポンプの回転むらによる振動の周波数変動に関係せず、
ポンプの回転軸の１回転あたりの各振動回数における振
動レベルを略正確に測定することができ、しかもポンプ
の振動と、他の機械の振動とを分離するため、ユーザが
ポンプの状態を従来に比して正確に判断することができ
る。

【００１６】第２発明に係る振動測定装置は、第１発明
に係る振動測定装置において、入力信号に応じた周波数
のパルス信号を、前記Ａ／Ｄ変換器へ出力する発振器
と、該発振器が出力したパルス信号の周波数に、ポンプ
が有する羽根車の羽根数に６を乗じた数を除した周波数
の信号を出力する分周器と、該分周器によって出力した
信号の周波数及び前記回転センサによって出力した信号
の周波数の差分を表す信号を、前記発振器へ前記入力信
号として与える差分器とを有するＰＬＬ回路を更に備え
ることを特徴とする。

【００１７】第２発明に係る振動測定装置による場合
は、分周器が、発振器によって出力したパルス信号の周
波数に、ポンプの羽根車の羽根数に６を乗じた数を除し
た周波数の信号を出力するようにしてあることにより、
発振器から、回転センサの出力信号の周波数Ｎ及び羽根
数Ｚに対して６ＺＮの周波数を有するパルス信号が出力
され、６ＺＮのサンプリング周波数によって、振動セン
サの出力信号がＡ／Ｄ変換されることとなる。ポンプの
検査には、ポンプの１回転あたりの振動回数がＺ、２
Ｚ、及び３Ｚの部分の振幅スペクトルが用いられること
が多く、分周器の分周比をこのように設定することによ
り、これらの振幅スペクトルを算出することができ、ユ
ーザがポンプの状態を判断するために十分な測定結果を
得ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下本発明をその実施の形態を示
す図面に基づいて詳述する。図１は本発明に係る振動測
定装置の実施の形態の要部の構成を示すブロック図であ
る。

【００１９】図において、１０はポンプであり、１１は
ポンプの回転軸に取り付けられた回転センサであり、ま
た、１２はポンプのケーシングに取り付けられた振動セ
ンサである。本発明に係る振動測定装置１は、前記回転
センサ１１及び前記振動センサ１２を備えており、また
測定結果を出力する出力装置１３及びユーザからの入力
を受け付けるための入力装置１４に接続されている。

【００２０】回転センサ１１は、ポンプ１０の回転軸の
回転周期で変化する信号を出力するようになっており、
振動センサ１２は、これが取り付けられたケーシングの
変位に応じた電圧を出力するようになっている。振動セ
ンサ１２は増幅器２に接続されており、振動センサ１２
によって出力される電圧が増幅器２によって増幅される
ようになっている。増幅器２の出力端子は、ローパスフ
ィルタ３の入力端子に接続されており、ローパスフィル
タ３の出力端子は、Ａ／Ｄ変換器４の入力端子に接続さ
れている。

【００２１】また、Ａ／Ｄ変換器４の出力端子は、ＦＦ
Ｔ回路（フーリエ変換器）５の入力端子に接続されてお
り、Ａ／Ｄ変換器４から出力されたデジタル信号に対し
て、高速フーリエ変換を行うようになっている。更にＦ
ＦＴ回路５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、及びＲＯＭ等を備えた
制御部６に接続されており、この制御部６からの制御信
号を受け、この制御信号に応じて高速フーリエ変換の演
算を行い、この結果を出力装置１３へ出力するようにな
っている。

【００２２】一方、回転センサ１１はＰＬＬ回路７に接
続されている。ＰＬＬ回路７は、波形整形器７１と、位
相比較器（差分器）７２と、ローパスフィルタ７３と、
電圧制御発振器（発振器）７４と、分周器７５とを備え
ている。回転センサ１１の出力端子は、波形整形器７１
の入力端子と接続され、波形整形器７１の出力端子は、
位相比較器７２の一方の入力端子と接続されている。位
相比較器７２の出力端子は、ローパスフィルタ７３の入
力端子と接続されており、ローパスフィルタ７３の出力
端子は、電圧制御発振器７４の入力端子に接続されてい
る。そして、電圧制御発振器７４の出力端子は、Ａ／Ｄ
変換器４及び分周器７５の夫々の入力端子に接続されて
おり、分周器７５の出力端子が、位相比較器７２の他方
の入力端子に接続されている。

【００２３】また、分周器７５は、ポンプの羽根車の羽
根数Ｚに対して、入力信号の周波数の１／６Ｚの周波数
のパルス信号を出力するようになっている。分周器７５
は、制御部６に接続されており、ユーザが入力装置１４
を操作することによって、制御部６に対して羽根数Ｚを
指定し、制御部６からこの指定に応じた制御信号を分周
器７５へ送信して、分周器の羽根数Ｚが変更されるよう
になっている。

【００２４】なお、分周器７５は１／６Ｚの周波数のパ
ルス信号を出力する構成としたが、この他の周波数、例
えば１／１２Ｚの周波数のパルス信号を出力する構成と
してもよいことはいうまでもない。

【００２５】次に、振動測定装置１の動作を説明する。
回転センサ１１から、ポンプの回転軸が１回転につき１
周期の信号が出力され、この信号が波形整形器７１に入
力される。波形整形器７１は、回転センサ１１の出力信
号に混入したノイズ成分を除去し、この信号の波形を整
えて、位相比較器７２へ出力する。

【００２６】位相比較器７２は、波形整形器７１から出
力された信号と、分周器７５から出力された信号との周
波数及び位相を比較し、その誤差に比例した直流電圧を
出力する。この直流電圧はローパスフィルタ７３を通過
して、ノイズ成分が除去された後、電圧制御発振器７４
に加えられる。そして電圧制御発振器７４は、前記直流
電圧に応じた周波数のパルス信号を出力する。

【００２７】電圧制御発振器７４から出力されたパルス
信号は、分周器７５に入力され、分周器７５によって、
このパルス信号の１／６Ｚの周波数のパルス信号が位相
比較器７２へ出力される。

【００２８】このようにすることによって、波形整形器
７１の出力信号と、分周器７５の出力信号との周波数差
及び位相差が低減する方向に電圧制御発振器７４の発振
周波数が変化し、電圧制御発振器７４から波形整形器７
１の出力信号の６Ｚ倍の周波数のパルス信号が出力され
る。

【００２９】一方、振動センサ１２の出力電圧は、増幅
器２によって増幅され、ローパスフィルタ３によって高
周波のノイズ成分が除去されて、Ａ／Ｄ変換器４に入力
される。Ａ／Ｄ変換器４には、電圧制御発振器７４から
出力されたパルス信号が入力されており、このパルス信
号の周波数に応じて、ローパスフィルタ３からの出力信
号をＡ／Ｄ変換する。

【００３０】Ａ／Ｄ変換器４から出力されたデジタル信
号は、ＦＦＴ回路５に入力され、フーリエ変換が行われ
た結果が、出力装置１３へ出力される。ユーザは、この
ような測定結果と、同様の測定を正常な状態のポンプに
対して行ったときに得られた測定結果とを比較し、ポン
プの状態を判断する。

【００３１】なお、特許請求の範囲の項に図面との対照
を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明
は添付図面の構造に限定されるものではない。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述した如く第１発明に係る振動測
定装置による場合は、回転センサが出力した信号の周波
数に応じたサンプリング周波数で、振動センサが出力し
た信号に応じたアナログ信号をＡ／Ｄ変換するため、ポ
ンプの回転軸の回転速度に応じて変化するサンプリング
周期で、振動センサの出力信号がサンプリングされ、こ
のようにして得られたデジタル信号に対してフーリエ変
換を行うことによって、ポンプの回転むらによる振動の
周波数変動に関係せず、ポンプの回転軸の１回転あたり
の各振動回数における振動レベルを算出することがで
き、ユーザがポンプの状態を正確に判断することができ
る。

【００３３】第２発明に係る振動測定装置による場合
は、分周器が、発振器によって出力したパルス信号の周
波数に、ポンプの羽根車の羽根数に６を乗じた数を除し
た周波数の信号を出力するようにしてあることにより、
発振器から、回転センサの出力信号の周波数Ｎ及び羽根
数Ｚに対して６ＺＮの周波数を有するパルス信号が出力
され、６ＺＮのサンプリング周波数によって、振動セン
サの出力信号がＡ／Ｄ変換されることとなる。ポンプの
検査には、ポンプの１回転あたりの振動回数がＺ、２
Ｚ、及び３Ｚの部分の振幅スペクトルが用いられること
が多く、分周器の分周比をこのように設定することによ
り、これらの振幅スペクトルを算出することができ、ユ
ーザがポンプの状態を判断するために十分な測定結果を
得ることができる等、本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る振動測定装置の実施の形態の要部
の構成を示すブロック図である。

【図２】従来の振動測定装置のＡ／Ｄ変換器の動作を説
明するグラフである。

【図３】振動センサの出力信号を一定のサンプリング周
波数でＡ／Ｄ変換して得たデジタル信号に対してフーリ
エ変換を行った結果の一例を示すグラフである。

【図４】第１発明に係る振動測定装置におけるＡ／Ｄ変
換器の動作を説明するグラフである。

【図５】サンプリング周波数を一定とみなしたときのデ
ジタル信号によって表されるポンプの振動を模式的に示
すグラフである。

【図６】第１発明に係る振動測定装置による振動の測定
結果の一例を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 振動測定装置 ２ 増幅器 ３ ローパスフィルタ ４ Ａ／Ｄ変換器 ５ ＦＦＴ回路（フーリエ変換器） ６ 制御部 ７ ＰＬＬ回路 １０ ポンプ １１ 回転センサ １２ 振動センサ １３ 出力装置 １４ 入力装置 ７１ 波形整形器 ７２ 位相比較器（差分器） ７３ ローパスフィルタ ７４ 電圧制御発振器（発振器） ７５ 分周器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 盛 本成 兵庫県尼崎市浜１丁目１番１号 株式会社 クボタ技術開発研究所内 (72)発明者 松本 秀樹 大阪府枚方市中宮大池１丁目１番１号 株 式会社クボタ枚方製造所内 Ｆターム(参考） 2G024 AD50 BA12 CA08 FA04 2G064 AA11 AB22 BA02 CC06 CC17 CC26 CC42 CC43 DD29

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポンプ（１０）の振動に応じた信号を出
   力する振動センサ（１２）と、該振動センサ（１２）が
   出力した信号に応じたアナログ信号をデジタル信号へ変
   換するＡ／Ｄ変換器（４）と、該Ａ／Ｄ変換器（４）の
   変換によって得られたデジタル信号に対してフーリエ変
   換を行うフーリエ変換器（５）とを備える振動測定装置
   において、 ポンプ（１０）の回転軸の回転速度に応じた周波数を有
   する信号を出力する回転センサ（１１）を備え、前記Ａ
   ／Ｄ変換器（４）は、前記回転センサ（１１）が出力し
   た信号の周波数に応じたサンプリング周波数で、前記ア
   ナログ信号をデジタル信号へ変換すべくなしてあること
   を特徴とする振動測定装置。
2. 【請求項２】 入力信号に応じた周波数のパルス信号
   を、前記Ａ／Ｄ変換器（４）へ出力する発振器（７４）
   と、該発振器（７４）が出力したパルス信号の周波数
   に、ポンプ（１０）が有する羽根車の羽根数に６を乗じ
   た数を除した周波数の信号を出力する分周器（７５）
   と、該分周器（７５）によって出力した信号の周波数及
   び前記回転センサ（１１）によって出力した信号の周波
   数の差分を表す信号を、前記発振器（７４）へ前記入力
   信号として与える差分器（７２）とを有するＰＬＬ回路
   （７）を備えることを特徴とする請求項１記載の振動測
   定装置。