JP2004529338A - 誘電体を通る距離またはその変化を計測するための非侵入的かつ動的方法 - Google Patents
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Abstract
一定の厚さであって、１つまたは幾つかの近接してはいるが、間隔があけられている固体誘電層と導電性または半導電性の表面との間に位置している、距離の動的な計測、または、その厚さを構成しているそのものの時間変化、または、薄い圧縮性誘電性材料そのものの変化についての非侵入な方法とシステムである。
これは、前記誘電性材料の外側の層の上にある容量性センサーであって、お互いに電気的に絶縁されている２つの平行なプレートから構成されている前記容量性センサーを配置することと、
前記センサーの前記第１のプレートに高周波信号を与えることと、
固体誘電性材料の外側の前記層の表面に最も近接している前記センサーの前記プレートの間で前記高周波信号によって発生した電圧値と電流値を所定期間で計測することと、
前記距離またはその変化を差し引くことによって達成される。
これは、前記誘電性材料の外側の層の上にある容量性センサーであって、お互いに電気的に絶縁されている２つの平行なプレートから構成されている前記容量性センサーを配置することと、
前記センサーの前記第１のプレートに高周波信号を与えることと、
固体誘電性材料の外側の前記層の表面に最も近接している前記センサーの前記プレートの間で前記高周波信号によって発生した電圧値と電流値を所定期間で計測することと、
前記距離またはその変化を差し引くことによって達成される。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一定の厚さを有し、かつ導電性または半導電性表面を有する１つまたは幾つかの接近して隔置されている固体誘電層の間に位置している圧縮性の誘電性材料の厚さまたはその変化を構成する、距離またはその時間変化を計測する非侵入的方法とシステムに関し、より詳細には、発電機、または、前記発電機の間で動作し前記発電機が水素発電機またはタービン発電機であるモーターのステータバーの振動を検出し計測する方法とシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気的発生のステータ巻線絶縁システムは、きびしい動作状況にある。ウェッジングシステムは、もはや、前記ステータバーを保持する場所が存在しない時、振動が設定される。スロット内のステータバーが、徐々に弱くなるにつれて、部分的な放電の強度は、ゆっくりと増加し、絶縁物は削り取られる。この動作が、進化するにつれて、側面侵食が、前記半導電型の前記バーの塗装を破壊し、前記バーの前記振動と部分的な放電を増強する。前記有害な振動動作が、初めから検出されずに、正確な動作がなされていないならば、迅速な絶縁劣化によって、不可逆性の被害に繋がるか、または、エージングが激しいので、修理と部分的または完全な巻き戻しさえ、必要になる。
【０００３】
幾つかの検出システムと手法により、この問題は取り組まれている。
【０００４】
発電機のステータウェッジの堅固を査定するために取られている共通の方法は、各々の前記ステータウェッジをハンマーで叩き、前記ウェッジがそれらに接続されたスプリングの圧力によって、位置が保持される方法において生成される音から検出することにある。前記方法は、最大のケースでストップされる発電機と、少なくとともある部分で分解されるロータを必要とする点で不利である。
【０００５】
【特許文献１】
より最近では、US Pat.5,493,894(Dailey et al.)は、ステータコアラミネーションに対して影響が与えられている方法とシステムアセンブリを示しており、振動センサーが前記ステータコイルラミネーションから振動を受信している。前記方法とシステムは、ストップされ、開放される発電機と、衝撃アセンブリと前記振動センサーの一時の取付けのために完全に分解される前記ロータを必要としている。前記方法は、静的であり、侵入的であるという不利な点を示しており、発電機が動作している間、前記ウェッジがどのように動作するのかについては、連続的な手法で述べられていない。
【特許文献２】
US Pat.5,524,474(Lavalle et al.)は、ロータとステータの間のエアーギャップに挿入され、評価されるステータウェッジの前に配置されている薄い平坦なピストン取付けセンサーを利用する方法とアセンブリについて述べている。可変の圧力が、前記センサーのピストンに適用され、その堅固を決定するのに用いられる前記ウェッジの移動を引き起こす。この方法と装置は、前記ロータの分解を必要としないが、前記計測は、前記発電機がストップされている間、静的であり、前記発電機が動作している間、前記ウェッジがどうのように動作するのかについては、連続的な手法で述べられていない。
【特許文献３】
US Pat.4,675,670(Laonde et al.)は、発電機が動作している間、発電機の中のロータとステータの間に存在しているエアーギャップとその変化を所定時間で動的に計測する容量性の方法について述べている。前記方法は、前記特許のライセンスによって適合されており、VibroSystM Inc.が本出願の指定代理人であり、ステータスロットにおける容量性センサーを埋め込むことによって、発電機のステータウェッジの振動を計測するために、各前記容量性センサーは、ステータバーに面し、それ自体とそのステータバーとの間のギャップを計測する。この方法は、埋め込まれた容量性センサーとそのサポートアセンブリを適応させる特定のウェッジを有して存在しているウェッジの置き換えを必要とするという欠点を示している。この方法は、侵入的であり、存在しているステータの配置と取付け位置を変更している。
【０００６】
それゆえ、発電機とモーターが動作している間、発電機とモーターにおいて、連続的であることを基本として、ステータバーのウェッジの堅固な変化を検出するためには、非侵入的であって、動的な方法が必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の対象は、一定の厚さの薄い固体の誘電層と、接地された導電性または半導電性の表面との間に位置する圧縮誘電材料の厚さ、または、その時間変化を非侵入的な方法で、外側から、計測するための方法とシステムである。
【０００８】
本発明の第２の対象は、一定で既知の厚さの誘電層と前記導電性または半導電性の表面との間に位置している、わずかなエアーまたはガス状の隙間の厚さ、または、その時間変化を非侵入的な方法で、外側から、計測するための方法とシステムである。
【０００９】
本発明の第３の対象は、前記発電機またはモーターが作動している間、前記ステータのバーの振動から結果として生じるエアーギャップの振動を、非侵入的かつ動的な方法で、電気的発電機またはモーターのステータの外側から計測することである。
【００１０】
本発明の第４の対象は、前記シャフトを囲んでいる空気が、オイルの液状の粒子、または、他の潤滑剤を含んでいる時、放射状の振動、または、その縦軸まわりに回転するシャフトの時間的な変位を非侵入的かつ動的な方法で、検出し、計測することである。
【００１１】
本発明の第５の対象は、一定の厚さの薄い固体の誘電層と、接地された導電性または半導電性の表面との間に位置する流体の通過、または、エアーまたはガス状のギャップにおける流体のレベルの変化を非侵入的かつ動的な方法で、外側から検出し、計測することである。
【００１２】
本発明のこれらの対象および他の対象は、接近はしているが、可変的に構成要素から離れてそれに面している固体誘電性物質の１つまたは幾つかの平行な層の最近隣表面から、接地された導電性または半導電性の構成要素の表面を分離している所定時間での距離及びその変化を非接触に計測する方法であって、
前記可変距離は圧縮誘電性物質で満たされており、
前記固体誘電性物質の前記表面的な層の前記外面において、電気的にお互いに絶縁された第１と第２の平行に重畳された導電性または半導電性であって、誘電性物質の前記平行な層に対して平行な極板から構成される容量性センサーを配置することと、
前記センサーの前記第１の極板に高周波信号を送り込むことと、
固体誘電性物質の前記外側の層の表面に最近接している前記センサーの前記第２の極板と前記導電性または半導電性の構成要素の前記表面との間で前記高周波信号によって発生した時間の電圧と電流値を計測することと、
前記電流値とその変化、すなわち、導電性または半導電性の構成要素の表面に面している前記内側の固体誘電層の内側の表面を分離している前記距離の所定時間における前記値とその変化から処理手段によって差し引くステップを含んでいる方法を提供することによって成し遂げられている。
【００１３】
好ましい実施例によると、前記圧縮誘電性物質は空気またはガスであり、固体誘電性物質の前記平行な層の間のどこにでも位置している。
【００１４】
他の実施例によると、本発明に従う方法により、厚さが一定で、既知であって、各々の誘電率と厚さが既知である近接してはいるが間隔があいている誘電層と近接してはいるが離れている誘電性物質の所定時間の誘電率とその変化の計測が可能となる。
【００１５】
さらに別の実施例によると、前記誘電性が一定であり、各固体誘電層の厚さが既知であるため、それによって、所定時間での前記距離の変化を検出するだけでなく、与えられた瞬間での前記距離それ自体の値も検出することができる。
【００１６】
さらに別の実施例によると、本発明に従う方法によって発電機のステータバーの振動の計測が可能となり、その中で、容量性センサーは、対応しているステータバーを固定させているウェッジのロータ側の表面に付加されており、所定時間で計測される前記距離は、前記ステータ側の前記ウェッジと前記ロータ側の表面の前記ステータバーとの間のエアーギャップである。
【００１７】
さらに別の実施例によると、本発明に従う方法によって、放射状の移動と、導電性または半導電性の材料で作られたシャフトの変化と、不均一の回転させることと、粒子で荷電された乱れた空気の計測が可能になり、その中で、前記容量性センサーと前記外面に対してみがくことよって、半剛体の誘電材料から構成される保護カバーが、前記シャフトの前記外面との間のクリーンで変動のあるエアーギャップを作り出す。
【００１８】
さらに別の実施例によると、本発明に従う方法によって、通過の検出または容量性センサーの前で流体のレベル変化の計測が可能となり、前記通過またはレベル変化が、誘電体の固体層と導電性または半導電性の表面との間のどこにも生じることになる。
【００１９】
本発明を実行するためのモード
好ましい実施例を表現している前記図を参照すると、本発明は、以下のように説明できる。
【００２０】
図１と図２について、本発明に従う方法は、与えられた幅のエアーギャップ５と合わせて定義しているロータ１とステータ３を含んでいる発電機の前記ステータウェッジを量的に評価するために利用されることが意図されている。ステータ３には、前記エアーギャップ５を開放する出口を有している放射状のスロット７が与えられており、その各々で、通常、縦にまたは放射状にうねりがある絶縁材料で作られたリップルスプリング１１からなる弾性的な保持手段で、１以上のステータバー９が保持されている。図では、説明されている弾性的な保持手段は、各スロットの出口での前記ステータにおける前記目的のために、対称的に供給される１セットのグローブ１５に対して挿入された台形の断面のステータウェッジ１３に対して接する縦に波状のリップルスプリング１１からなる。
【００２１】
説明した実施例では、リップルスプリング１１は、直接的かまたはパッキング材料１７と複数のくさび１９を通して接触する合成材料の伸張された板ばねからなり、各々それ自身である近接したステータバー９と前記ステータウェッジ１３についてもまた、合成材料から作られる。
【００２２】
ウェッジの堅固が最適な時、前記リップルスプリングは、フラットであり、ウェッジの堅固がゆるい時、前記リップルスプリングのうねりは連続的に増加し、ウェッジ１３または存在すればくさび１９と、バー９または存在すればパッキング材料１７との間にエアーギャップ２を発生させるということを理解しなければならない。
【００２３】
ウェッジの堅固がゆるいならば、バー９は振動し始め、前記振動は、的確な同様の手法で直接的にエアーギャップ２を振動させるということが現象としてはっきり現れる。
【００２４】
US Pat.4,675,670のようにエアーギャップ５を計測する代わりに、容量性センサー６が、ステータウェッジ１３に付加され、前記センサー６が誘電体１３（とさらに存在するならばくさび１９）を通って、エアーギャップ２を計測するために反対方向に面しているならば、前記電圧出力は、ウェッジ１３の表面に近接しているセンサー６の前記第２のプレートとバー９の前記半導電性の表面との間を計測していることがわかり、容量性センサー６が高周波信号を取り込む時は、エアーギャップ２の厚さのファンクションである。
【００２５】
図３に示すように、本発明のもう１つの優位性は、US Pat.4,675,670で説明しているような容量性センサーを通る計測の手段もまた、次の場合の違いを有して、ここで利用できるという事実である。
【００２６】
ａ）容量性センサー６が、ロータ１の代わりの前記ステータの導電性のバー９に“面すること”と、前記導電性のバー９と１つまたは幾つかの固体誘電性物質の層との間で挟まれたエアーギャップ２の変化を検出することであり、
ｂ）容量性センサー６が、２つまたは幾つかの固体誘電層の間で挟まれたエアーギャップ２の誘電率の変化を検出していることである。
【００２７】
図３で見られるように、5から100ボルトの間を含んでいる電圧値を備えた高周波信号（100kHzと10MHzの間）は、センサー６の２つのプレートに対して発電機４によって取り込まれている。電流検出器８は、絶縁回路、または、高い共通モード阻止差動回路を通って計測され、前記電流は、センサー６によって戻される電圧信号の高周波値から発電機４とセンサープレート１２との間に直列で取り付けられた分流インピーダンスの端点で発生される。
【００２８】
導電性のバー９とセンサー６の前記第２のプレートとの間で計測される前記高周波電圧信号は、エアーギャップ２によって構成される前記距離の逆関数として変化することが、計算で示され、実験で確かめられる。
【００２９】
前記計算を単純化する目的で、くさび１９とパッキング材料１７が存在しないことを仮定してみることにする。
【００３０】
ウェッジ１３に関連する電気容量をC1とし、εr1をその関連する誘電率、d1をその厚さとすると、C1=εr1ε0S1/d1であり、ここでε0は、真空誘電率であり、S1は、前記電気容量C1の表面積である。
【００３１】
エアーギャップ２の電気容量C2とその関連する誘電率をεr2、d2をその厚さとし、計測すると、C2=εr2ε0S2/d2であり、ここでε0は、真空誘電率であり、S2は、前記電気容量C2の表面積である。
【００３２】
C1とC2によって構成される本システムの全電気容量CTは、一般的な公式で、CT=C1C2/C1+C2と与えられる。ゆえに、
CT=εr1εr2ε0 2S1S2/(εr2ε0S2d1+εr1ε0S1d2)となる。
S2=S1かつεr2=1（空気）ならば、
CT=εr1ε0S1/(d1+εr1d2)となる。
もし、d2が変化し、d'2となるならば、CTは変化し、その変化量ΔCTは、以下のようになる。
【００３３】
【数１】
C0=ε0S1/d1とすると、その時、
【００３４】
【数２】
これは、以下の形の双曲線の関数である。
【００３５】
【数３】
【００３６】
ここで、a, b, C0, kは、定数であり、
a=1/d1
b=1/εr1
C0=εr1εr0S1
K=C0/(1/εr1+d2/d1)
これらは、距離d'2の変化により計測された電気容量の変化は、前記距離の逆関数であることを示している。
【００３７】
事例
記載された本発明の妥当性を確かめるために、以下の実験を実行した。
【００３８】
-VibroSystM Inc.社が"VM3.12"のブランド名によるデザインで販売しているような工業用途の容量性センサーは、平行の導電性の接地されたプレート上で接している既知の厚さである平らな誘電性のプレートの外側の表面上に固定されており、前記センサーは、455kHzの高周波信号と2.94vの電圧（計算されたr.m.s.）によって取り込まれている。派生電圧は、導電性プレートに最近接しているセンサーの第２のプレートと前記導電性プレートとの間で計測した。
【００３９】
-前記伝導性プレートは、その時、進行する動作をするが、0から1,000μで変化しているエアーギャップに対応して、200μの増加範囲において前記誘電性プレートで平行のままであり、前記対応する電圧出力が計測された。
【００４０】
-第１の実験では、前記誘電性物質の厚さが6.35mmであり、その後、第２の実験では、12.7mmへ増大し、その後、19.05mm、25.4mm、31.75mmへと増大した。
【００４１】
図４に示されているように、前記エアーギャップ変化は、さまざまな厚さの誘電製プレートを通して前記センサーによって読み取られ、前記誘電性プレートの与えられた厚さに対応する各場合における前記エアーギャップの関数としての前記電圧出力は、厳密に直線近似され、前記エアーギャップの変化は、このようにして、直接的に、前記電圧の読み取りから導き出されるということがわかる。
【００４２】
同様の実験から導き出される表１の矢印によって示されているように、第２の列に直接的に（すなわち、誘電性プレートの干渉なしで）計測される前記エアーギャップd'2はまた、第４と第６の列に示されているような２つの異なる誘電性プレートC1を通して計測され、その変化または振動の振幅に直接的に関係するエアーギャップd'2を変化させるスロープの計測は、前記エアーギャップが直接的に計測されるであろうと誘電特性が変化するプレートを通って計測されるであろうと、同様にそのままである。その違いは、前記誘電体を通るエアーギャップ計測が、内部の変換が上記で計算された公式（1）によって与えられる“空気のみ”の場合から変換されるだけである。
【００４３】
表１
【００４４】
前記システム（センサーと信号の状況）は、エアーを構成する誘電体を計測するために校正されるので、この変換要素は、確かめられるさらなるテストとして重要である。前記状況において、校正しているベンチは、（接地された導電性の表面として見られるステータスタックのような）変化のほとんどない計測に摂動を起こさせる多くの要素を含んでおり、その時、その実際の環境での本システムの出力は、d2の任意の変化に対して（飽和していないならば）すぐに校正される電気信号である。
【００４５】
もう１つの工業的計測の問題が、本発明によって解決される。シャフトが、潤滑剤の粒子で荷電されている乱れた空気で回転する時、前記放射状の動作または前記シャフトの変化を検出して計測することが非常に困難になる。容量性センサーがあれば、粒子荷電されている前記エアーギャップは不均一であり、干渉のない計測パターンが、前記荷電された粒子のエアーギャップが計測される時に現れる。本発明により、以下の方法で前記問題を解決することができる。ここで、図５に示すように、容量性センサー２０は、ゴムのような半剛体の円柱形の誘電性材料で作られている保護カバー２１に取り囲まれて備え付けられており、１つの末端２２で開いて、もう１つの末端２３で閉まり、シャフトカバー３５の内方の表面からその開口の末端２２で垂直に広がって、密封して付加されており、もう１つの閉口の末端２３は、金属性シャフト２５を回転する外側の表面２４に対して放射状に接して磨く。前記シャフト２５は、潤滑剤粒子２７で荷電されている乱れた空気２６で回転する。保護カバー２１の内側２８は、潤滑剤粒子からシールドされており、クリーンなエアーギャップ２９は、前記センサーヘッド３２と前記閉口の末端２３の前記内側の表面３０の間に存在している。シャフト２５の外側の面２４が、任意の他の方法で振動し動作する時、保護カバー２１の閉口末端２３は、同じ方向で動作し、容量性センサー２０は、エアーギャップ２９と保護カバー２１の誘電層３１によって構成されている全電気容量の変化を計測する。その時、好ましい実施例で解決されるような、類似した問題に直面することが明らかになり、センサーヘッド３２とシャフト２５の外側の面２４との間の全電気容量の変化を通して、シャフト２５の放射状の動作が、センサー２０によって読み取られ、信号処理は、図３で説明したのと同様な組み立てに従い、電気信号伝送管路３４を通ってカバー３５の外側で行えるということが明らかになる。技術的に熟練した人にとっては、粒子またはほこりから免除されるエアーギャップであって、前記保護カバーが、回転しているシャフトに対して放射状に接して、一定に磨きつづけるエアーギャップ２９を作るような手法で保護カバー２１の形状と誘電性材料を変更することが可能であることに注目しなければならない。
【００４６】
前記容量性センサーの前の前記エアーギャップが、一定のままであるが、前記エアーが、前記センサーの前の前記エアーギャップを通って流れる液体、または、前記センサーの前でレベルが変化する液体のようなもう１つの誘電性物質に取って代わられるならば、この動作は、検出され、前記センサーと導電性または半導電性の構成要素との間に挿入された前記さまざまな誘電層の前記誘電率が、前記エアーギャップの厚さと同様に既知であるならば、その時、そのレベルの瞬間の位置はもちろん取って代わる流体の前記動作が、検出され、定量化されることは、第１の好ましい実施例に関して以前に説明した計算と実験から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】容量性センサーの位置はもちろん、ステータバーの概要とその制限ウェッジを備えた発電機のステータとロータの側面から見た断面を示す。
【図２】図１に対応する上部から見た様子を示す。
【図３】容量性センサーが送り込まれ、その電圧出力が計測され処理される手段について機能図を通して示す。
【図４】接地された導電性の構成要素と前記構成要素に面している半導電性の表面との間のエアーギャップの厚さの関数として与えられる、誘電層の厚さを通して容量性センサーによって計測された電圧のグラフである。
【図５】潤滑剤の粒子で荷電された空気で縦軸伝いに回転する円柱状のシャフトと容量性センサーによってその放射状の動きの検出手段を表現している断面である。
【０００１】
本発明は、一定の厚さを有し、かつ導電性または半導電性表面を有する１つまたは幾つかの接近して隔置されている固体誘電層の間に位置している圧縮性の誘電性材料の厚さまたはその変化を構成する、距離またはその時間変化を計測する非侵入的方法とシステムに関し、より詳細には、発電機、または、前記発電機の間で動作し前記発電機が水素発電機またはタービン発電機であるモーターのステータバーの振動を検出し計測する方法とシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気的発生のステータ巻線絶縁システムは、きびしい動作状況にある。ウェッジングシステムは、もはや、前記ステータバーを保持する場所が存在しない時、振動が設定される。スロット内のステータバーが、徐々に弱くなるにつれて、部分的な放電の強度は、ゆっくりと増加し、絶縁物は削り取られる。この動作が、進化するにつれて、側面侵食が、前記半導電型の前記バーの塗装を破壊し、前記バーの前記振動と部分的な放電を増強する。前記有害な振動動作が、初めから検出されずに、正確な動作がなされていないならば、迅速な絶縁劣化によって、不可逆性の被害に繋がるか、または、エージングが激しいので、修理と部分的または完全な巻き戻しさえ、必要になる。
【０００３】
幾つかの検出システムと手法により、この問題は取り組まれている。
【０００４】
発電機のステータウェッジの堅固を査定するために取られている共通の方法は、各々の前記ステータウェッジをハンマーで叩き、前記ウェッジがそれらに接続されたスプリングの圧力によって、位置が保持される方法において生成される音から検出することにある。前記方法は、最大のケースでストップされる発電機と、少なくとともある部分で分解されるロータを必要とする点で不利である。
【０００５】
【特許文献１】
より最近では、US Pat.5,493,894(Dailey et al.)は、ステータコアラミネーションに対して影響が与えられている方法とシステムアセンブリを示しており、振動センサーが前記ステータコイルラミネーションから振動を受信している。前記方法とシステムは、ストップされ、開放される発電機と、衝撃アセンブリと前記振動センサーの一時の取付けのために完全に分解される前記ロータを必要としている。前記方法は、静的であり、侵入的であるという不利な点を示しており、発電機が動作している間、前記ウェッジがどのように動作するのかについては、連続的な手法で述べられていない。
【特許文献２】
US Pat.5,524,474(Lavalle et al.)は、ロータとステータの間のエアーギャップに挿入され、評価されるステータウェッジの前に配置されている薄い平坦なピストン取付けセンサーを利用する方法とアセンブリについて述べている。可変の圧力が、前記センサーのピストンに適用され、その堅固を決定するのに用いられる前記ウェッジの移動を引き起こす。この方法と装置は、前記ロータの分解を必要としないが、前記計測は、前記発電機がストップされている間、静的であり、前記発電機が動作している間、前記ウェッジがどうのように動作するのかについては、連続的な手法で述べられていない。
【特許文献３】
US Pat.4,675,670(Laonde et al.)は、発電機が動作している間、発電機の中のロータとステータの間に存在しているエアーギャップとその変化を所定時間で動的に計測する容量性の方法について述べている。前記方法は、前記特許のライセンスによって適合されており、VibroSystM Inc.が本出願の指定代理人であり、ステータスロットにおける容量性センサーを埋め込むことによって、発電機のステータウェッジの振動を計測するために、各前記容量性センサーは、ステータバーに面し、それ自体とそのステータバーとの間のギャップを計測する。この方法は、埋め込まれた容量性センサーとそのサポートアセンブリを適応させる特定のウェッジを有して存在しているウェッジの置き換えを必要とするという欠点を示している。この方法は、侵入的であり、存在しているステータの配置と取付け位置を変更している。
【０００６】
それゆえ、発電機とモーターが動作している間、発電機とモーターにおいて、連続的であることを基本として、ステータバーのウェッジの堅固な変化を検出するためには、非侵入的であって、動的な方法が必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の対象は、一定の厚さの薄い固体の誘電層と、接地された導電性または半導電性の表面との間に位置する圧縮誘電材料の厚さ、または、その時間変化を非侵入的な方法で、外側から、計測するための方法とシステムである。
【０００８】
本発明の第２の対象は、一定で既知の厚さの誘電層と前記導電性または半導電性の表面との間に位置している、わずかなエアーまたはガス状の隙間の厚さ、または、その時間変化を非侵入的な方法で、外側から、計測するための方法とシステムである。
【０００９】
本発明の第３の対象は、前記発電機またはモーターが作動している間、前記ステータのバーの振動から結果として生じるエアーギャップの振動を、非侵入的かつ動的な方法で、電気的発電機またはモーターのステータの外側から計測することである。
【００１０】
本発明の第４の対象は、前記シャフトを囲んでいる空気が、オイルの液状の粒子、または、他の潤滑剤を含んでいる時、放射状の振動、または、その縦軸まわりに回転するシャフトの時間的な変位を非侵入的かつ動的な方法で、検出し、計測することである。
【００１１】
本発明の第５の対象は、一定の厚さの薄い固体の誘電層と、接地された導電性または半導電性の表面との間に位置する流体の通過、または、エアーまたはガス状のギャップにおける流体のレベルの変化を非侵入的かつ動的な方法で、外側から検出し、計測することである。
【００１２】
本発明のこれらの対象および他の対象は、接近はしているが、可変的に構成要素から離れてそれに面している固体誘電性物質の１つまたは幾つかの平行な層の最近隣表面から、接地された導電性または半導電性の構成要素の表面を分離している所定時間での距離及びその変化を非接触に計測する方法であって、
前記可変距離は圧縮誘電性物質で満たされており、
前記固体誘電性物質の前記表面的な層の前記外面において、電気的にお互いに絶縁された第１と第２の平行に重畳された導電性または半導電性であって、誘電性物質の前記平行な層に対して平行な極板から構成される容量性センサーを配置することと、
前記センサーの前記第１の極板に高周波信号を送り込むことと、
固体誘電性物質の前記外側の層の表面に最近接している前記センサーの前記第２の極板と前記導電性または半導電性の構成要素の前記表面との間で前記高周波信号によって発生した時間の電圧と電流値を計測することと、
前記電流値とその変化、すなわち、導電性または半導電性の構成要素の表面に面している前記内側の固体誘電層の内側の表面を分離している前記距離の所定時間における前記値とその変化から処理手段によって差し引くステップを含んでいる方法を提供することによって成し遂げられている。
【００１３】
好ましい実施例によると、前記圧縮誘電性物質は空気またはガスであり、固体誘電性物質の前記平行な層の間のどこにでも位置している。
【００１４】
他の実施例によると、本発明に従う方法により、厚さが一定で、既知であって、各々の誘電率と厚さが既知である近接してはいるが間隔があいている誘電層と近接してはいるが離れている誘電性物質の所定時間の誘電率とその変化の計測が可能となる。
【００１５】
さらに別の実施例によると、前記誘電性が一定であり、各固体誘電層の厚さが既知であるため、それによって、所定時間での前記距離の変化を検出するだけでなく、与えられた瞬間での前記距離それ自体の値も検出することができる。
【００１６】
さらに別の実施例によると、本発明に従う方法によって発電機のステータバーの振動の計測が可能となり、その中で、容量性センサーは、対応しているステータバーを固定させているウェッジのロータ側の表面に付加されており、所定時間で計測される前記距離は、前記ステータ側の前記ウェッジと前記ロータ側の表面の前記ステータバーとの間のエアーギャップである。
【００１７】
さらに別の実施例によると、本発明に従う方法によって、放射状の移動と、導電性または半導電性の材料で作られたシャフトの変化と、不均一の回転させることと、粒子で荷電された乱れた空気の計測が可能になり、その中で、前記容量性センサーと前記外面に対してみがくことよって、半剛体の誘電材料から構成される保護カバーが、前記シャフトの前記外面との間のクリーンで変動のあるエアーギャップを作り出す。
【００１８】
さらに別の実施例によると、本発明に従う方法によって、通過の検出または容量性センサーの前で流体のレベル変化の計測が可能となり、前記通過またはレベル変化が、誘電体の固体層と導電性または半導電性の表面との間のどこにも生じることになる。
【００１９】
本発明を実行するためのモード
好ましい実施例を表現している前記図を参照すると、本発明は、以下のように説明できる。
【００２０】
図１と図２について、本発明に従う方法は、与えられた幅のエアーギャップ５と合わせて定義しているロータ１とステータ３を含んでいる発電機の前記ステータウェッジを量的に評価するために利用されることが意図されている。ステータ３には、前記エアーギャップ５を開放する出口を有している放射状のスロット７が与えられており、その各々で、通常、縦にまたは放射状にうねりがある絶縁材料で作られたリップルスプリング１１からなる弾性的な保持手段で、１以上のステータバー９が保持されている。図では、説明されている弾性的な保持手段は、各スロットの出口での前記ステータにおける前記目的のために、対称的に供給される１セットのグローブ１５に対して挿入された台形の断面のステータウェッジ１３に対して接する縦に波状のリップルスプリング１１からなる。
【００２１】
説明した実施例では、リップルスプリング１１は、直接的かまたはパッキング材料１７と複数のくさび１９を通して接触する合成材料の伸張された板ばねからなり、各々それ自身である近接したステータバー９と前記ステータウェッジ１３についてもまた、合成材料から作られる。
【００２２】
ウェッジの堅固が最適な時、前記リップルスプリングは、フラットであり、ウェッジの堅固がゆるい時、前記リップルスプリングのうねりは連続的に増加し、ウェッジ１３または存在すればくさび１９と、バー９または存在すればパッキング材料１７との間にエアーギャップ２を発生させるということを理解しなければならない。
【００２３】
ウェッジの堅固がゆるいならば、バー９は振動し始め、前記振動は、的確な同様の手法で直接的にエアーギャップ２を振動させるということが現象としてはっきり現れる。
【００２４】
US Pat.4,675,670のようにエアーギャップ５を計測する代わりに、容量性センサー６が、ステータウェッジ１３に付加され、前記センサー６が誘電体１３（とさらに存在するならばくさび１９）を通って、エアーギャップ２を計測するために反対方向に面しているならば、前記電圧出力は、ウェッジ１３の表面に近接しているセンサー６の前記第２のプレートとバー９の前記半導電性の表面との間を計測していることがわかり、容量性センサー６が高周波信号を取り込む時は、エアーギャップ２の厚さのファンクションである。
【００２５】
図３に示すように、本発明のもう１つの優位性は、US Pat.4,675,670で説明しているような容量性センサーを通る計測の手段もまた、次の場合の違いを有して、ここで利用できるという事実である。
【００２６】
ａ）容量性センサー６が、ロータ１の代わりの前記ステータの導電性のバー９に“面すること”と、前記導電性のバー９と１つまたは幾つかの固体誘電性物質の層との間で挟まれたエアーギャップ２の変化を検出することであり、
ｂ）容量性センサー６が、２つまたは幾つかの固体誘電層の間で挟まれたエアーギャップ２の誘電率の変化を検出していることである。
【００２７】
図３で見られるように、5から100ボルトの間を含んでいる電圧値を備えた高周波信号（100kHzと10MHzの間）は、センサー６の２つのプレートに対して発電機４によって取り込まれている。電流検出器８は、絶縁回路、または、高い共通モード阻止差動回路を通って計測され、前記電流は、センサー６によって戻される電圧信号の高周波値から発電機４とセンサープレート１２との間に直列で取り付けられた分流インピーダンスの端点で発生される。
【００２８】
導電性のバー９とセンサー６の前記第２のプレートとの間で計測される前記高周波電圧信号は、エアーギャップ２によって構成される前記距離の逆関数として変化することが、計算で示され、実験で確かめられる。
【００２９】
前記計算を単純化する目的で、くさび１９とパッキング材料１７が存在しないことを仮定してみることにする。
【００３０】
ウェッジ１３に関連する電気容量をC1とし、εr1をその関連する誘電率、d1をその厚さとすると、C1=εr1ε0S1/d1であり、ここでε0は、真空誘電率であり、S1は、前記電気容量C1の表面積である。
【００３１】
エアーギャップ２の電気容量C2とその関連する誘電率をεr2、d2をその厚さとし、計測すると、C2=εr2ε0S2/d2であり、ここでε0は、真空誘電率であり、S2は、前記電気容量C2の表面積である。
【００３２】
C1とC2によって構成される本システムの全電気容量CTは、一般的な公式で、CT=C1C2/C1+C2と与えられる。ゆえに、
CT=εr1εr2ε0 2S1S2/(εr2ε0S2d1+εr1ε0S1d2)となる。
S2=S1かつεr2=1（空気）ならば、
CT=εr1ε0S1/(d1+εr1d2)となる。
もし、d2が変化し、d'2となるならば、CTは変化し、その変化量ΔCTは、以下のようになる。
【００３３】
【数１】
【００３４】
【数２】
【００３５】
【数３】
ここで、a, b, C0, kは、定数であり、
a=1/d1
b=1/εr1
C0=εr1εr0S1
K=C0/(1/εr1+d2/d1)
これらは、距離d'2の変化により計測された電気容量の変化は、前記距離の逆関数であることを示している。
【００３７】
事例
記載された本発明の妥当性を確かめるために、以下の実験を実行した。
【００３８】
-VibroSystM Inc.社が"VM3.12"のブランド名によるデザインで販売しているような工業用途の容量性センサーは、平行の導電性の接地されたプレート上で接している既知の厚さである平らな誘電性のプレートの外側の表面上に固定されており、前記センサーは、455kHzの高周波信号と2.94vの電圧（計算されたr.m.s.）によって取り込まれている。派生電圧は、導電性プレートに最近接しているセンサーの第２のプレートと前記導電性プレートとの間で計測した。
【００３９】
-前記伝導性プレートは、その時、進行する動作をするが、0から1,000μで変化しているエアーギャップに対応して、200μの増加範囲において前記誘電性プレートで平行のままであり、前記対応する電圧出力が計測された。
【００４０】
-第１の実験では、前記誘電性物質の厚さが6.35mmであり、その後、第２の実験では、12.7mmへ増大し、その後、19.05mm、25.4mm、31.75mmへと増大した。
【００４１】
図４に示されているように、前記エアーギャップ変化は、さまざまな厚さの誘電製プレートを通して前記センサーによって読み取られ、前記誘電性プレートの与えられた厚さに対応する各場合における前記エアーギャップの関数としての前記電圧出力は、厳密に直線近似され、前記エアーギャップの変化は、このようにして、直接的に、前記電圧の読み取りから導き出されるということがわかる。
【００４２】
同様の実験から導き出される表１の矢印によって示されているように、第２の列に直接的に（すなわち、誘電性プレートの干渉なしで）計測される前記エアーギャップd'2はまた、第４と第６の列に示されているような２つの異なる誘電性プレートC1を通して計測され、その変化または振動の振幅に直接的に関係するエアーギャップd'2を変化させるスロープの計測は、前記エアーギャップが直接的に計測されるであろうと誘電特性が変化するプレートを通って計測されるであろうと、同様にそのままである。その違いは、前記誘電体を通るエアーギャップ計測が、内部の変換が上記で計算された公式（1）によって与えられる“空気のみ”の場合から変換されるだけである。
【００４３】
表１
前記システム（センサーと信号の状況）は、エアーを構成する誘電体を計測するために校正されるので、この変換要素は、確かめられるさらなるテストとして重要である。前記状況において、校正しているベンチは、（接地された導電性の表面として見られるステータスタックのような）変化のほとんどない計測に摂動を起こさせる多くの要素を含んでおり、その時、その実際の環境での本システムの出力は、d2の任意の変化に対して（飽和していないならば）すぐに校正される電気信号である。
【００４５】
もう１つの工業的計測の問題が、本発明によって解決される。シャフトが、潤滑剤の粒子で荷電されている乱れた空気で回転する時、前記放射状の動作または前記シャフトの変化を検出して計測することが非常に困難になる。容量性センサーがあれば、粒子荷電されている前記エアーギャップは不均一であり、干渉のない計測パターンが、前記荷電された粒子のエアーギャップが計測される時に現れる。本発明により、以下の方法で前記問題を解決することができる。ここで、図５に示すように、容量性センサー２０は、ゴムのような半剛体の円柱形の誘電性材料で作られている保護カバー２１に取り囲まれて備え付けられており、１つの末端２２で開いて、もう１つの末端２３で閉まり、シャフトカバー３５の内方の表面からその開口の末端２２で垂直に広がって、密封して付加されており、もう１つの閉口の末端２３は、金属性シャフト２５を回転する外側の表面２４に対して放射状に接して磨く。前記シャフト２５は、潤滑剤粒子２７で荷電されている乱れた空気２６で回転する。保護カバー２１の内側２８は、潤滑剤粒子からシールドされており、クリーンなエアーギャップ２９は、前記センサーヘッド３２と前記閉口の末端２３の前記内側の表面３０の間に存在している。シャフト２５の外側の面２４が、任意の他の方法で振動し動作する時、保護カバー２１の閉口末端２３は、同じ方向で動作し、容量性センサー２０は、エアーギャップ２９と保護カバー２１の誘電層３１によって構成されている全電気容量の変化を計測する。その時、好ましい実施例で解決されるような、類似した問題に直面することが明らかになり、センサーヘッド３２とシャフト２５の外側の面２４との間の全電気容量の変化を通して、シャフト２５の放射状の動作が、センサー２０によって読み取られ、信号処理は、図３で説明したのと同様な組み立てに従い、電気信号伝送管路３４を通ってカバー３５の外側で行えるということが明らかになる。技術的に熟練した人にとっては、粒子またはほこりから免除されるエアーギャップであって、前記保護カバーが、回転しているシャフトに対して放射状に接して、一定に磨きつづけるエアーギャップ２９を作るような手法で保護カバー２１の形状と誘電性材料を変更することが可能であることに注目しなければならない。
【００４６】
前記容量性センサーの前の前記エアーギャップが、一定のままであるが、前記エアーが、前記センサーの前の前記エアーギャップを通って流れる液体、または、前記センサーの前でレベルが変化する液体のようなもう１つの誘電性物質に取って代わられるならば、この動作は、検出され、前記センサーと導電性または半導電性の構成要素との間に挿入された前記さまざまな誘電層の前記誘電率が、前記エアーギャップの厚さと同様に既知であるならば、その時、そのレベルの瞬間の位置はもちろん取って代わる流体の前記動作が、検出され、定量化されることは、第１の好ましい実施例に関して以前に説明した計算と実験から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】容量性センサーの位置はもちろん、ステータバーの概要とその制限ウェッジを備えた発電機のステータとロータの側面から見た断面を示す。
【図２】図１に対応する上部から見た様子を示す。
【図３】容量性センサーが送り込まれ、その電圧出力が計測され処理される手段について機能図を通して示す。
【図４】接地された導電性の構成要素と前記構成要素に面している半導電性の表面との間のエアーギャップの厚さの関数として与えられる、誘電層の厚さを通して容量性センサーによって計測された電圧のグラフである。
【図５】潤滑剤の粒子で荷電された空気で縦軸伝いに回転する円柱状のシャフトと容量性センサーによってその放射状の動きの検出手段を表現している断面である。
Claims (5)
- 誘電体物質の層の誘電率の変化の連続的非接触測定方法であって、
前記誘電体物質が、それぞれが一定のかつ必ずしも同一でない誘電率を有する固体かつ固定誘電体物質の幾つかの平行な層の間のいずれかに挟まれて配置されており、
前記幾つかの層が、接地された導電性または半導電性の表面から近接かつ可変に隔置されている前記方法であって、
接地されている導電性または半導電性の表面から最も離れている前記固体誘電性物質の第１の層の外側の表面上の容量性センサーであって、
誘電性物質の前記平行な層に対して平行であり、前記第１の層から最も離れている第１の導電性または半導電性のプレートと、
前記第１の層から最も近く、前記第１のプレートから電気的に絶縁されており、平行に重畳されている導電性または半導電性の第２のプレートとから構成されている前記センサーを平行な誘電層の中に存在している配置を変更することなく、両方のプレートが誘電性物質の前記平行な層に対する平行を保って外側から配置するステップと、
前記センサーの前記第１のプレートに高周波信号を与えるステップと、
固体誘電性物質の前記第１の層の外側の表面に最も近接している前記センサーの前記第２のプレートと、前記誘電層に面している接地された前記導電性または半導電性の構成要素の前記表面との間で前記高周波信号によって発生した電流値を所定期間で計測するステップと、
前記第１の誘電層の前記外側の表面と前記接地されている導電性または半導電性の構成要素の前記表面との間に存在している前記誘電率の時間変化を前記電流変化から差し引くステップを含んでいる方法。 - 誘電率の変化が、空気またはガスであり、固体誘電性物質の前記平行の層の間の任意の場所に位置している、圧縮性誘電性物質の層の厚さの変化に基づいており、その中で、前記測定された電流が、前記圧縮性誘電性物質の厚さの逆関数として変化しており、それによって、前記圧縮性誘電性物質の前記厚さの変化の大きさを計測することを可能にする請求項１に従う方法。
- 前記容量性センサーが、前記対応するステータバーの堅固であるウェッジのロータ側の表面に付加されており、
所定時間で計測される距離が、前記ウェッジのステーター側と前記ステータバーのロータ側の表面との間のエアーギャップである、発電機の前記ステータバーの変化の計測を可能にする請求項２に従う方法。 - 導電性または半導電性の材料で作られているシャフトの放射状の動作または振動の計測と、不均一であって粒子で荷電されている乱れた空気のケーシング内での回転とを可能にする方法であって、その中で、
-前記容量性センサーが、前記シャフトの縦軸に対して平行である前記ケーシングの内側の表面に付加されており、
前記センサーの前記第１のプレートが、前記シャフトの縦軸に対して平行であり、前記ケーシングから最も近く、
前記センサーの第２のプレートが、前記第１のプレートに対して平行であり、前記シャフトから最も近い前記容量性センサーであり、
-１つまたは幾つかの半剛体の誘電性材料から構成される保護カバーが、前記ケーシング内部に存在している前記粒子から前記容量性センサーを保護し、
前記ケーシングの内側の表面から前記シャフトの外側の表面へ広げることと、それに反してブラシをかけることによって、前記容量性センサーと前記保護カバーの前記誘電性材料との間に挟まれているクリーンで可変であるエアーギャップを作成し、
-その中で、前記計測される前記エアーギャップの前記厚さの変化または振動が、直接的に、前記放射状の動作または前記シャフトの振動を反射している
請求項２に従う方法。 - 流路の検出、または、容量性センサーの前での流体のレベル変化の計測を可能にする請求項１に従う方法であって、前記通過、または、レベルの変化は、平行な誘電体の固体の層と導電性または半導電性の表面との間の任意の場所に位置している空白のスペースに生じており、それによって、前記センサーが、前記スペースにおける前記流体の前記流路の始めと終わりによって、または、前記スペースの検出している領域において前記流体のレベルの到達によって生ずる誘電率の変化を検出している方法。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP2008539444A (ja) * | 2005-04-27 | 2008-11-13 | ローホー，インコーポレイテッド | 近接センサー |
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