JP2007199060A - インダクタの温度安定性を制御するための近接プローブ及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】近接プローブ（１０４）を組み立てる方法（３００）の方法及びシステムを提供する。
【解決手段】本方法は、コイルが約１５０キロヘルツ〜約３５０キロヘルツの励起周波数で励起されたときにコイルの抵抗対温度プロファイルがほぼ一定になるようなプローブ用のコイルワイヤディメンション及びコイルジオメトリを決定する段階と、コイルの抵抗対温度プロファイルが実質的に一定になるようにコイルジオメトリを調整する段階とを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはインダクタの温度安定性を制御することに関し、より具体的には、近接プローブの検出コイルの温度安定性を制御するための方法及び装置に関する。

少なくとも幾つかの公知の回転及び往復機械は、機械振動又はロータ位置特性を監視するのを可能にするために渦電流すなわち近接プローブを使用している。近接プローブが動作する環境は、比較的苛酷である可能性がある。

一般的に、近接プローブは、機械の回転シャフト又は転動体軸受の外側リングのようなターゲット物体と近接プローブの検出コイルとの間の間隔に相関した信号を出力する。ターゲットと近接プローブの検出コイルとの間のギャップ又は間隔は、機械振動特性の正確かつ信頼性がある測定値を得るためには近接プローブの線形範囲内に保持される必要がある。従って、正確かつ信頼性がある測定値を得るために、近接プローブは、全ての動作環境条件下で線形動作範囲内に保持されなければならない。

近接プローブに関連する電子機器には一般的に、その振動振幅が検出コイルのコンダクタンスに依存した発振回路が組み込まれる。回路が振動しているとき、検出コイルはその中を流れる交流電流を有し、この交流電流により、検出コイルが交番磁界の形態でエネルギーを放射するようなる。ターゲット物体は、検出コイルから発散される交番磁界内に位置したときに、検出コイルからの放射エネルギーの幾らかを吸収する。このエネルギーの吸収は、交番磁界が物体内に渦電流を発生することの結果であり、渦電流は、それらを発生させた交番磁界に対抗するように循環する。ターゲット物体によって吸収されるエネルギーの量は、ターゲット物体と検出コイルとの間の間隔に相関する。ターゲットが検出コイルに近ければ近いほど、渦電流の原理の結果としてターゲットは検出コイルからより多くのエネルギーを吸収することになる。従って、発振回路の振動振幅は、検出コイルとターゲットとの間の間隔の関数として変化することになる。

回路及び環境条件の広範囲にわたって正確かつ信頼性がある測定値を提供する能力は、少なくとも部分的には、コイルを巻くのに使用したワイヤの材料及び直径を含む検出コイルの特性、システムの動作周波数、並びに近接プローブシステムの電子機器よって決まる。検出コイル及び残りの電子機器は通常、ゲイン、バイアス電圧、バイアス電流及び温度係数のような広範囲な許容差を有する。従って、各生産ユニットは、これら許容差を組み込むように最初に較正されなれければならない。さらに、近接プローブの検出コイルは通常、最終製品で補正しようと努力される温度ドリフト誤差源を含む。

検出コイルにおける温度ドリフト誤差源は、コイルの温度依存性抵抗及びコイルのインダクタンスによるものである。この検出コイルの温度依存性抵抗及びインダクタンスは、ターゲットと検出コイルとの間のギャップ変化の誤った見掛けの結果として不正確な近接プローブ測定値をもたらす温度ドリフト誤差源に影響を与える。近接プローブの温度安定性におけるそのような不一致は、近接プローブがその線形動作範囲内で機能しているときでさえ、予測不可能かつ信頼性がない測定値をもたらす。そのような不一致の補正は通常、温度依存性誤差を補正するのに部分的にしか効果がない。
米国特許第３，４７１，８１５号公報 米国特許第３，５６４，３９２号公報 米国特許第３，６３４，７９９号公報 米国特許第３，６９４，７８５号公報 米国特許第３，７５０，０１０号公報 米国特許第３，９３９，４０３号公報 米国特許第３，９９２，６９０号公報 米国特許第３，９９６，５１０号公報 米国特許第４，２１４，４８３号公報 米国特許第４，２６７，５０８号公報 米国特許第４，５９８，２６０号公報 米国特許第４，６５１，０９４号公報 米国特許第４，６５２，８２２号公報 米国特許第４，８５７，８４２号公報 米国特許第４，９２６，１２３号公報 米国特許第５，０２７，１８０号公報 米国特許第５，０８９，９３０号公報 米国特許第５，１１５，１９３号公報 米国特許第５，１２６，６６４号公報 米国特許第５，２７０，６４５号公報 米国特許第５，２７４，３２８号公報 米国特許第５，２７８，５２３号公報 米国特許第５，３３２，９６６号公報 米国特許第５，３５１，００３号公報 米国特許第５，５４５，９８３号公報 米国特許第５，５７４，３６６号公報 米国特許第５，５８９，７６８号公報 米国特許第５，６０８，３１８号公報 米国特許第６，２４６，２２９Ｂ１号公報

ここでは近接プローブを組み立てる方法が開示され、この方法は、コイルが約１５０キロヘルツ〜約３５０キロヘルツの励起周波数で励起されたときにコイルの抵抗対温度プロファイルがほぼ一定になるようなプローブ用のコイルワイヤディメンション及びコイルジオメトリを決定する段階と、コイルの抵抗対温度プロファイルが実質的に一定になるようにコイルジオメトリを調整する段階とを含む。

一つの実施形態では、回転機械に関連するターゲットとの間のギャップを測定することによって該回転機械を監視するように構成された近接プローブは、その第１の側面でターゲットに磁気的に近接して設置されるように構成されたコイルであって、該コイルが約１５０キロヘルツ〜約３５０キロヘルツの励起周波数で励起されたときに該コイルの抵抗対温度プロファイルがほぼ一定になるような該プローブ用のコイルワイヤディメンション及びコイルジオメトリを含むコイルと、コイルの第２の反対側の側面に近接して配置された回転ディスクとを含み、第１のコイルと回転ディスクとの間の距離は、該コイルの所定のスケール係数を生成するように変更可能である。

別の実施形態では、渦電流近接プローブとターゲットとの間に形成されたギャップを測定するためのシステムは、近接プローブを含み、近接プローブは、出力信号が該近接プローブとターゲットとの間の距離に相関するようにコイルの第１の側面で該ターゲットに磁気的に近接して設置されるように構成されたコイルであって、該コイルが約１５０キロヘルツ〜約３５０キロヘルツの励起周波数で励起されたときに該コイルの抵抗対温度プロファイルがほぼ一定になるようなプローブ用のコイルワイヤディメンション及びコイルジオメトリを含むコイルと、コイルの第２の反対側の側面に近接して配置されて、該第１のコイルとの間の距離が該コイルの所定のスケール係数を生成するように変更可能である回転ディスクとを含む。本システムはまた、近接プローブに結合されて、該近接プローブに励起周波数を送信しかつ該近接プローブから出力信号を受信するように構成された電子回路を含む。

図１は、近接プローブシステム１００の概略図である。近接プローブシステム１００は、例えば機械（図示せず）の回転シャフト１０２のようなターゲット物体を監視するように構成される。近接プローブシステム１００は、温度安定インダクタ１０６を含む近接プローブ１０４と、電子回路１０８と、監視システム１１０とを含む。一般的に、近接プローブ１０４は、電子回路１０８に動作可能に結合され、その振動又はロータ位置特性を監視するために回転シャフト１０２に隣接して配置される。近接プローブ１０４は、渦電流を用いて回転シャフト１０２とインダクタ１０６との間のギャップ１１２を示す信号を生成する。近接プローブ１０４は、該近接プローブ１０４の出力のスケール範囲を設定するためにインダクタ１０６に磁気的に結合された回転ディスク１１４を含む。

近接プローブ１０４は、インダクタ１０６及び回転ディスク１１４の両方を収納する共通エンクロージャ１１６を形成する。この例示的な実施形態では、近接プローブ１０４は、前端部１２０及び後端部１２２を有する封入体を形成する成形材料１１８の硬化モノリスで形成される。インダクタ１０６は一般的に、近接プローブ１０４内部にほぼ対称に配置される。実質的に均一の厚さ１２６の一体形成保護プローブ先端１２４が、近接プローブ１０４の最前方部分に沿って製作される。成形材料１１８は、前端部１２０に近接してインダクタ１０６を実質的に囲み、かつ後端部１２２から出た電線用導管１２８の一部分を安置する。回転ディスク１１４は、インダクタ１０６と該回転ディスク１１４との間の距離１３８を近接プローブ１０４の出力特性の制御を可能にするように選択しかつ維持することができるように調整可能である。

この例示的な実施形態では、電線用導管１２８は、インダクタ１０６の第１のリード線１４２に電気的に接続された中心導体１４０とインダクタ１０６の第２のリード線１４６に電気的に接続された同軸導体１４４とを含む多軸ケーブルを含み、中心導体７２及び同軸導体７４は、絶縁体又は誘電体１４８によって分離される。この例示的な実施形態では、編組シース１５０が、同軸導体１４４を囲み、絶縁体１５２によって同軸導体から分離される。編組シース１５０は、電線用導管１２８に対して付加的な遮蔽及び機械的健全性を与える。電線用導管１２８は、封入体１１８の後端部１２２から外に延びかつインダクタ１０６を電子回路１０８に結合してそれらの間での信号出力及び電力入力を可能にする。

電子回路１０８は、インダクタ１０６から回転シャフト１０２に交番磁界１５８の形態でエネルギーを放射しかつインダクタ１０６から信号を受信するためにインダクタ１０６に動作可能に結合される。回転シャフト１０２は、この放射エネルギーの幾らかを吸収し、電子回路１０８によって受信されたインダクタ１０６からの信号は、回転シャフト１０２とインダクタ１０６との間の間隔の関数である。従って、回転シャフト１０２がインダクタ１０６に近ければ近いほど、回転シャフト１０２内に誘導される渦電流の結果として回転シャフト１０２が吸収することになるエネルギーがより多くなる。

具体的には、軸１０２による放射エネルギーの吸収は、交番磁界１５８が軸１０２内に渦電流を発生することの結果であり、渦電流はそれらを発生させた磁界１５８に対抗するように循環する。この作用は、コイルの抵抗を変化させる。加えて、インダクタ１０６の緊密に隣接した導体すなわち巻線内の電流の相互作用は、交流電流に応答して抵抗の温度依存性変化を生じさせる。従って、インダクタ１０６の緊密に隣接した巻線内の電流の相互作用及びシャフト１０２内の電流の作用は、交流電流に応答して温度ドリフト及びゲイン変動を生じさせる。この例示的な実施形態では、インダクタ１０６及び該インダクタ１０６を含むワイヤのディメンションは、システム性能要件と近接プローブ１０４を動作させることになる環境とに基づいて予め選択される。例えば、距離１１２により、近接プローブ１０４及びインダクタ１０６の直径を決定することができる。システム動作周波数は、インダクタ１０６のディメンションとインダクタ１０６を形成するのに使用したワイヤのディメンション及び電気特性とに基づいて決定される。システムは、特定の周波数で動作させて許容レベルの温度安定性を得るようにする。この周波数は、例えばコイル巻線のワイヤ組成、直径及びジオメトリ構成に基づいて周波数を決定するようにプログラムされたコンピュータを使用して理論的に決定される。これによって、システムが動作することになる基準周波数が得られる。システムは、その動作温度範囲にわたって反復してテストされて、最適な動作周波数が決定される。この例示的な実施形態では、渦電流システムは、１５０キロヘルツ〜３５０キロヘルツの周波数で動作しているときに温度安定になる。具体的には、本明細書に記載したように構成した５０ミリメートル直径型プローブの場合には、システムは、約２６７キロヘルツの周波数で動作しているときに温度安定になる。

決定した周波数を用いて、抵抗対温度曲線の線形性が実験的に決定される。所望の範囲にわたる抵抗対温度曲線の線形性を向上させるために、例えばインダクタ１０６及びターゲット物体（すなわち、シャフト１０２）の両方によって発生されて温度安定インダクタ１０に作用することになる温度ドリフト及びゲイン変動が実質的に相殺され、それによって温度安定近接プローブ１０４が形成されるようにインダクタ１０６に対して巻線巻数を追加又は除去することによって、インダクタ１０６のインダクタンスが調整される。従って、温度補正近接プローブは、機械監視の環境において見られる温度変動の下で回転シャフト１０２とインダクタ１０６との間のギャップ１１２の正確な表示を維持する。

図２は、本発明の実施形態による例示的な近接プローブ１０４の分解斜視図である。近接プローブ１０４は、インダクタ１０６及び回転ディスク１１４を収納する共通エンクロージャ１１６を含む。この例示的な実施形態では、近接プローブ１０４は、前端部１２０及び後端部１２２を有する封入体を形成する成形材料１１８で形成される。インダクタ１０６は、近接プローブ１０４内部にほぼ対称に配置される。実質的に均一な厚さ１２６の一体形成保護プローブ先端１２４は、近接プローブ１０４の最前方部分に沿って製作される。成形材料１１８は、前端部１２０に近接してインダクタ１０６を実質的に囲む。ボス２０２を貫通するフィードが、後端部１２２から延びてインダクタ１０６からの電線用導管１２８（図２には図示せず）を案内しかつ保護する。ボス２０２は、それを貫通するボア２０４と、回転ディスク１１４のネジ部２０８にねじ込み可能に係合するように構成されたネジ部２０６とを含む。回転ディスク１１４は、インダクタ１０６と回転ディスク１１４との間の距離を近接プローブ１０４の出力特性の制御を可能にするように選択しかつ維持することができるように調製可能である。溶接リング２１０は、エンクロージャ１１６に対してケース２１２を密封するのを可能にする。

図３は、近接プローブ１０４（図２に示す）を組み立てる例示的な方法３００のフローチャートである。本方法は、コイルが約１５０キロヘルツ〜約３５０キロヘルツの励起周波数で励起されたときにコイルの抵抗対温度プロファイルがほぼ一定になるようにプローブのコイルワイヤディメンション及びコイルジオメトリを決定する段階３０４と、コイルの抵抗対温度プロファイルが実質的に一定になるようにコイルジオメトリを調整する段階３０６とを含む。

コイルジオメトリは、近接プローブの用途に基づいて選択される。この例示的な実施形態では、５０ミリメートル直径型プローブが選択される。コイルジオメトリを選択する段階はまた、ワイヤ直径及び材料を選択する段階を含む。動作中にプローブに加えられる励起は、例えばプローブの出力の温度依存性を減少させるのを可能にする動作周波数を決定するコンピュータベースのアルゴリズムを用いて決定される。この例示的な実施形態では、アルゴリズムは、選択したコイルジオメトリ及びコイルワイヤディメンション並びに電気特性を用いて約１５０キロヘルツ〜約３５０キロヘルツの動作周波数を決定する。コイルは、コイルとターゲットとの間の様々なギャップ距離での出力テストを受ける。１つのそのようなテストでは、プローブが使用されることになる特定の用途で受けると予測される最高最低温度間で、プローブの周囲温度を変化させる。コイルジオメトリは、コイルの抵抗対温度プロファイルがほぼ一定になることが達成されるように反復して調整される。例えば、コイル巻数を追加又は除去して、励起周波数が相関して変化するようにコイルインダクタンスを制御する。この例示的な実施形態では、約２６７キロヘルツの動作周波数が、最終動作周波数である。さらに、この例示的な実施形態ではステンレス鋼ディスクを含む回転ディスクは、ターゲットとは反対側のコイルの側面に配置される。回転ディスクは、コイルに対して励起信号が加えられたときにコイルに磁気的に結合される。回転ディスクは、コイルエンクロージャの側面から延びるボスに対してねじ込み可能に結合される。コイルのスケール係数は、コイルにより近接させて回転ディスクをねじ込むか又はコイルからさらに離して回転ディスクをねじ込むかによって制御される。出力スケール係数が所定値になるように決定されたとき、回転ディスクは所定の位置に固定され、近接プローブはさらに組み立てられる。

温度安定近接プローブシステムの上記の実施形態は、機械を監視するための費用効果がありかつ信頼性がある手段を提供する。より具体的には、近接プローブのコイルは、コイルの出力の温度依存性を実質的に軽減する動作周波数が選択されるように製作される。その結果、近接プローブの精度及び再現性を向上させるのを可能にする近接度ベースの監視システムが得られる。

以上、監視システムの例示的な実施形態を詳細に説明している。例示した監視システム構成要素は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各監視システムの構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。例えば、上記の監視システム構成要素はまた、他の監視システムと組合せて使用することができる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明は特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には分かるであろう。

近接プローブシステムの概略図。 本発明の実施形態による例示的な近接プローブの分解斜視図。 図２に示す近接プローブを組み立てる例示的な方法のフローチャート。

符号の説明

１０ 温度安定インダクタ
７２ 中心導体
７４ 同軸導体
１００ 近接プローブシステム
１０２ 回転シャフト
１０４ 近接プローブ
１０６ インダクタ
１０８ 電子回路
１１０ 監視システム
１１２ ギャップ
１１４ 回転ディスク
１１６ エンクロージャ
１１８ 成形材料
１２０ 前端部
１２２ 後端部
１２４ 保護プローブ先端
１２６ 厚さ
１２８ 電線用導管
１３８ 距離
１４０ 中心導体
１４２ 第１のリード線
１４４ 同軸導体
１４６ 第２のリード線
１４８ 絶縁体又は誘電体
１５０ 編組シース
１５２ 絶縁体
１５８ 磁界
２０２ ボス
２０４ ボア
２０６ ネジ部
２０８ ネジ部
２１０ 溶接リング
２１２ ケース
３００ 方法
３０２ 決定する段階
３０４ 調整する段階

Claims (10)

1. 回転機械に関連するターゲットとの間のギャップ（１１２）を測定することによって該回転機械を監視するように構成された近接プローブ（１０４）であって、
   その第１の側面で前記ターゲットに磁気的に近接して設置されるように構成されたコイルであって、該コイルが１５０〜３５０キロヘルツの励起周波数で励起されたときに該コイルの抵抗対温度プロファイルがほぼ一定になるような該プローブ用のコイルワイヤディメンション及びコイルジオメトリを含むコイルと、
   前記コイルの第２の反対側の側面に近接して配置された回転ディスク（１１４）と、を含み、
   前記第１のコイルと前記回転ディスクとの間の距離（１３８）が、該コイルの所定のスケール係数を生成するように変更可能である、
   近接プローブ。
2. 前記コイルが、該コイルが２６７キロヘルツの励起周波数で励起されたときに該コイルの抵抗対温度プロファイルがほぼ一定になるような該プローブ用のコイルワイヤディメンション及びコイルジオメトリを含む、請求項１記載の近接プローブ（１０４）。
3. 前記コイルが、温度依存性直列抵抗を形成するＤＣワイヤ抵抗と近接効果ワイヤ抵抗とを含む、請求項１記載の近接プローブ（１０４）。
4. 前記コイルが、複数のワイヤ巻数と所定の周波数で動作したときに該コイルの温度依存性を低下させるのを可能にするように構成されたジオメトリとを含む、請求項３記載の近接プローブ（１０４）。
5. 前記コイルが、複数のワイヤ巻数と動作中の該近接プローブとターゲットとの間の距離範囲に基づいたジオメトリとを含む、請求項１記載の近接プローブ（１０４）。
6. 前記コイルが、５０ミリメートルのコイル直径を含む、請求項１記載の近接プローブ（１０４）。
7. 渦電流近接プローブとターゲットとの間に形成されたギャップ（１１２）を測定するためのシステム（１００）であって、該システムが、
   近接プローブ（１０４）を含み、前記近接プローブが、
   出力信号が該近接プローブとターゲットとの間の距離に相関するようにコイルの第１の側面で該ターゲットに磁気的に近接して設置されるように構成されたコイルであって、該コイルが１５０〜３５０キロヘルツの励起周波数で励起されたときに該コイルの抵抗対温度プロファイルがほぼ一定になるような該プローブ用のコイルワイヤディメンション及びコイルジオメトリを含むコイルと、
   前記コイルの第２の反対側の側面に近接して配置されて、該第１のコイルとの間の距離（１３８）が該コイルの所定のスケール係数を生成するように変更可能である回転ディスク（１１４）と、を含み、該システムがさらに、
   前記近接プローブに結合されて、該近接プローブに励起周波数を送信しかつ該近接プローブから出力信号を受信するように構成された電子回路、を含む、
   システム（１００）。
8. 前記コイルが、該コイルが２６７キロヘルツの励起周波数で励起されたときに該コイルの抵抗対温度プロファイルがほぼ一定になるような前記プローブ（１０４）用のコイルワイヤディメンション及びコイルジオメトリを含む、請求項７記載のシステム（１００）。
9. 前記コイルが、温度依存性直列抵抗を形成するＤＣワイヤ抵抗と近接効果ワイヤ抵抗とを含む、請求項７記載のシステム（１００）。
10. 前記コイルが、複数のワイヤ巻数と所定の周波数で動作したときに該コイルの温度依存性を低下させるのを可能にするように構成されたジオメトリとを含む、請求項９記載のシステム（１００）。

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