JP2008032454A - 振動位相検出装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体の振動情報を容易に取得でき、後の振動波形の解析も容易に行える振動位相検出装置を提供することである。
【解決手段】ローターの振動変位情報を取得する振動検出手段と、ローターの回転速度を検出する回転速度検出手段と、回転速度検出手段により検出した回転数に応じて振動信号標本化速度を最適化し記録する信号処理手段と、振動検出手段で検出した振動信号に対して振動信号標本化速度に基づいて回転速度に応じたトラッキングフィルター処理を行いトラッキング波形を求める情報処理手段と、情報処理手段により得られたトラッキング波形からローターの振動位相を検出する位相検出手段と、位相検出手段で検出されたローターの振動位相を記録する検出結果保存手段とを携帯端末装置に組み込んだことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転体のローターに発生する振動変位を検出し回転のアンバランス成分を評価するための振動位相検出装置及び方法に関するものである。

例えば、タービン、発電機、電動機等の回転体は、一般にローターで連結されて回転する。その際、ローターの連結部分での軸ぶれにより振動が生じることがある。そこで、回転機の軸受の振動を検出して軸受の異常を診断するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

回転体の回転によるアンバランスを検出するには、ローター回転中の振動変位を検出して行う。可搬型計測器でこれら一連の作業を行うには、一般的には振動速度センサに対応した可搬型振動測定装置を用い、速度情報を積分して振動変位情報に変換し振動変位情報を取得するようにしている。その際、ローターに貼り付けた反射板にストロボを照射して回転が止まって見える周期を手動で割り出し回転数を検出する。こうして得られた回転数（回転速度）と振動変位情報とから振動位相を検出している。
特開２００３−１４９０９０号公報

しかしながら、ローターに貼り付けた反射板により回転体の回転数を検出することは、近年デジタル技術の進歩を反映したものとは必ずしも言えない。すなわち、回転数を自動で取得することができず、また回転数を自動取得するとしても振動波形情報と同時に記録することができないので、振動波形の位相検出を迅速に行うことができない。また、回転体の昇速中において、振動波形の位相検出を行うにあたって求めた振動波形情報に回転パルス波形情報を併せて記録することができないので、後に振動波形を再解析することが困難であった。

本発明の目的は、回転体の振動情報を容易に取得でき、後の振動波形の解析も容易に行える振動位相検出装置及び方法を提供することである。

本発明の振動位相検出装置は、ローターの回転振動変位を検出し前記ローターのアンバランス成分を検出する振動位相検出装置において、ローターの振動変位情報を取得する振動検出手段と、ローターの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度検出手段により検出した回転数に応じて振動信号標本化速度を最適化し記録する信号処理手段と、前記振動検出手段で検出した振動信号に対して前記振動信号標本化速度に基づいて回転速度に応じたトラッキングフィルター処理を行いトラッキング波形を求める情報処理手段と、前記情報処理手段により得られたトラッキング波形からローターの振動位相を検出する位相検出手段と、前記位相検出手段で検出されたローターの振動位相を記録する検出結果保存手段とを携帯端末装置に組み込んだことを特徴とする。

本発明によれば、携帯端末装置を応用したので、現場環境で外部電源を必要とせずに測定作業が容易に行える。また、回転パルス信号を重畳した振動波形を取り込むので、常に最適な標本化速度で振動信号を離散化でき、測定後に再度解析することが容易に行える。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係わる振動位相検出装置の機能ブロック構成図、図２は本発明の実施の形態に係わる振動位相検出装置の外観構成図、図３は本発明の実施の形態に係わる振動位相検出装置のハードウエア構成図である。

振動位相検出装置１１は回転体のローターの回転振動変位を検出してローターの回転によるアンバランス成分を検出するものである。ローターの異なる位置に設けられた２個の振動センサ１２ａ、１２ｂからの振動信号は振動検出手段１３に入力される。振動検出手段１３はローターの振動変位情報を取得するものであり、振動センサ１２ａ、１２ｂが振動加速度センサである場合には、振動加速度センサから得られた加速度信号を２回積分して振動変位情報を取得する。すなわち、加速度信号の１回目の積分処理を行うことにより振動速度情報を求め、さらにこの振動速度情報を２回目の積分処理することにより振動変位情報を取得する。一方、振動センサ１２ａ、１２ｂが振動速度センサである場合には、振動速度センサ検出された振動速度情報を積分処理することにより振動変位情報を取得する。また、振動センサがレーザー変位計などである場合には、直接変位を入力することができる。

回転体のローターには回転検出器１４が設けられている。例えば、光電式回転検出器が設けられている。この光電式回転検出器は、検出器本体からローターに光（赤外光）を放ち、ローターに当たって戻ってきた反射光を検出する非接触方式回転検出器が設けられ、ローターには、通常光を反射する反射マークが貼られている。これにより、ローターが一回転するごとに反射光が受信でき、これを回転パルス信号として検出する。

回転検出器１４で検出された回転パルス信号は、振動位相検出装置１１の回転速度検出手段１５に入力される。回転速度検出手段１５は回転パルス信号に基づいてローターの回転速度を検出する。回転速度検出手段１５により検出された回転数は信号処理手段１６に入力される。信号処理手段１６は回転数に応じて振動信号標本化速度を最適化するものであり、回転速度が低回転では標本化速度を下げ、高回転では標本化速度を上げて振動信号標本化速度を最適に制御する。

情報処理手段１７は、信号処理手段１６で制御された振動信号標本化速度に基づいて、振動検出手段１３で検出された振動信号に対して回転速度に応じたトラッキングフィルター処理を行いトラッキング波形を求める。また、回転速度検出手段１５で検出した回転パルス情報を振動信号に混ぜ込む。

位相検出手段１８は情報処理手段１７により得られたトラッキング波形と回転パルス情報とからローターの振動位相を検出する。そして、検出結果保存手段１９は、位相検出手段１８で検出されたローターの振動位相、振動検出手段１３で取得した振動変位情報、回転速度検出手段１５で検出された回転パルス情報、情報処理手段１７で得られたトラッキング波形を記憶装置２０に記録する。

振動位相検出装置１１は携帯端末装置に組み込まれる。図２に示すように、振動位相検出装置１１はＰＤＡ(Personal digitaal assistant)（パーソナル・デジタル・アシスタント）２１に搭載されているＰＣＭ／ＣＩＡ規格に対応した外付け回路モジュール２２で構成され、ＰＤＡ２１の拡張ジャケット２３に装着される。ＰＤＡ２１には２個の振動センサ１２ａ、１２ｂおよび回転検出器１４がＰＣＭ／ＣＩＡバス２４で接続されている。

図３に示すように、外付け回路モジュール２２は、振動センサ駆動電源回路２５、振動信号（加速度信号、速度信号）を積分し振動変位信号を作り出す積分回路２６、回転パルス信号を取り込むパルス入力回路２７、これらを制御するＣＰＵ２８、メモリ２９、Ａ／Ｄ変換器３０、カードコントローラ３１、コネクタ３２から構成されている。

すなわち、振動センサ１２ａ、１２ｂから振動変位情報を導く手法をとっているので、振動センサ１２ａ、１２ｂの小型化を図ることができる。従って、運用性が向上する。一般に、振動速度センサよりも振動加速度センサの方が小型軽量であるので、小型化を優先する場合には振動センサ１２ａ、１２ｂとしては振動加速度センサを用いることになる。なお、以上の説明では、振動位相検出装置１１がＰＤＡ２１である場合について説明したが、ＰＣ(Personal computer)（パーソナルコンピュータ）である場合も同様に適用できる。また、ＰＣＭ／ＣＩＡタイプのカードに内蔵し、ＰＤＡ２１側ジャケット経由でＰＤＡ２１と接続する構成もある。この構成の場合、ＰＣなどのＰＣＭ／ＣＩＡスロットに挿入することで、ＰＣで振動測定し回転パルスの取り込みが可能になる。

次に、図４は本発明の振動位相検出装置が適用される回転体として蒸気タービンを一例としたモデル図である。蒸気タービンは、通常、高圧タービン３３、低圧タービン３４、発電機３５の３ユニットで構成される。これらは、それぞれ別のユニットとして製作され、カップリング３６でローター３７が連結される。従って、全体としてローターの回転軸を精密に調整しないと、それぞれの連結部分で触れ回りが発生する。すなわち、ローターの回転軸Ｊに対し、触れ回りによるアンバランス成分Ｊ’が発生する。

この軸ずれを調整するために、複数箇所の測定ポイント３８ａ〜３８ｆを設け、各々の測定ポイント３８ａ〜３８ｆにそれぞれ振動センサ１２ａ〜１２ｆを設けて振動を測定する。すなわち、高圧タービン３３、低圧タービン３４、発電機３５の各ユニット、各ユニット相互の軸ぶれを振動変位量として計測し、所定の変位以内であるかどうかを監視する。

軸ぶれは個々のユニットとユニット相互のアンバランスそれぞれが原因で発生する。特に、相互のアンバランスを評価することが重要なので、図４で示した測定ポイントのうち、例えば他のユニットとの連結部分での２箇所の測定ポイント３８ｂ、３８ｃ、あるいは測定ポイント３８ｄ、３８ｅを選んで振動測定を行う。以下の説明では、図４の測定ポイント３８ｄ、３８ｅの２カ所で測定した場合について説明する。

図５は図４のＡ部分の詳細図である。図５のように、低圧タービンと発電機との間のカップリング３６ｂの発電機側のローター３７に反射板３９を設け、この反射板３９に対向して回転検出器１４を設ける。また、低圧タービンと発電機との間のカップリング３６ｂを挟んで、それぞれ振動センサ１２ｄ、１２ｅを設ける。このように振動センサー１２ｄ、１２ｅおよび回転検出器１４からの検出信号は外付け回路モジュール２２に入力され、外付け回路モジュール２２に形成される振動位相検出装置１１で、振動センサー１２ｄ、１２ｅで検出された加速度信号を積分しトラッキングフィルター処理を施す。

図６は、積分およびトラッキングフィルター処理が施された振動変位信号および同期パルス信号の波形図である。振動センサ１２ｄから入力した振動加速度信号を積分し得られた振動変位信号Ｓｄは低圧タービンのローターでの振動であり、振動センサ１２ｅから入力した振動加速度信号を積分し得られた振動変位信号Ｓｅは発電機のローターでの振動である。これらの振動変位信号Ｓｄ、Ｓｅには回転パルス信号Ｐを重畳している。

これら振動変位信号Ｓｄ、Ｓｅのピークと回転パルス信号Ｐとの間隔が振動位相となる。すなわち、振動変位信号Ｓｄでは位相Ｔ１、振動変位信号Ｓｅでは位相Ｔ２である。また、回転パルス信号Ｐの間隔が回転周期Ｔ０である。

図７は、本発明の実施の形態に係わる振動位相検出器の処理内容を示すフローチャートである。まず回転パルス信号を入力し（Ｓ１）、回転パルス信号の間隔から回転数を導き最適な標本化速度を求める（Ｓ２）。次に回転速度からトラッキングフィルター用係数を求めフィルター処理を施す（Ｓ３）。そして、位相算出（図６のＴ１、Ｔ２）、ＲＭＳ（実効値）などの代表値を演算し（Ｓ４）、さらにＦＦＴ演算を行い（Ｓ５）、処理結果を表示装置に画面表示出力する（Ｓ６）。次に測定条件（サンプリング数や標本数）を算出し（Ｓ７）、すべての処理が終了したか否かを判定する（Ｓ８）。ステップＳ７では、例えば、蒸気タービンの昇速率を予想し次の標本化速度を割り出し測定準備を行う。

以上一連の処理を例えばタービン昇速中連続的（概ね１００[RPM]刻みで）に行うことにより、回転時の振動位相の履歴を取得することができる。この位相データからアンバランスポイントを算出し、バランシング用重りの敷設場所を導き機器のバランシングを行う。

このように、本発明の実施の形態では、振動波形の取得方法として、回転体に取り付けられた振動加速度センサからの振動加速度波形と同じく回転体に取り付けられた光電式回転検出器からの回転パルス情報をパルス間隔に応じて標本化速度を変えながらＡ／Ｄ変換器に取り込むようにしている。また、解析・診断方法として、標本化された振動信号について、パルス間隔に応じてデジタルフィルター処理（トラッキングフィルター処理）を行い、回転一次成分を取り出すデジタル処理機能を実行し、デジタル処理された振動波形と回転パルス信号から振動位相を検出する。そして、測定結果の記録は、検出した振動位相情報および回転パルス信号、振動波形を同一ファイルに記録する。

すなわち、携帯端末装置に振動加速度センサと光電式回転検出器とを取り付け、回転体の回転パルス信号と同時に振動変位情報を記録し振動位相を自動的に検出し、かつ取得した振動波形および回転パルス信号を自動的に記録するので、バランシング作業の精度向上と作業性向上を図ることができる。さらに、振動測定や診断結果について、例えばポーラ線図など解析機能を有することで解析情報を取り出すこともできる。

本発明の実施の形態によれば、携帯端末装置を応用した操作性の高い振動位相検出装置が実現できる。携帯端末装置を応用できるので、現場環境で外部電源を必要とせずに測定作業が可能になる。また、回転パルス信号を重畳した振動波形を取り込むことにより、常に最適な標本化速度で振動信号を離散化できるので、高精度且つメモリ利用効率の良いの位相検出処理が実現できる。さらに、位相測定時に振動波形と回転パルスを同時に記録することができるので、測定後に再度解析することが可能になり、測定作業とアンバランス解析作業を分業することができる。これにより作業効率向上を図ることが可能になる。

本発明の実施の形態に係わる振動位相検出装置の機能ブロック構成図。 本発明の実施の形態に係わる振動位相検出装置の外観構成図。 本発明の実施の形態に係わる振動位相検出装置のハードウエア構成図。 本発明の実施の形態に係わる振動位相検出装置が適用される回転体として蒸気タービンを一例としたモデル図。 図４のＡ部分の詳細図。 本発明の実施の形態における積分およびトラッキングフィルター処理が施された振動変位信号および同期パルス信号の波形図。 本発明の実施の形態に係わる振動位相検出器の処理内容を示すフローチャート。

符号の説明

１１…振動位相検出装置、１２…振動センサ、１３…振動検出手段、１４…回転検出器、１５…回転速度検出手段、１６…信号処理手段、１７…情報処理手段、１８…位相検出手段、１９…検出結果保存手段、２０…記憶装置、２１…ＰＤＡ、２２…外付け回路モジュール、２３…拡張ジャケット、２４…ＰＣＭ／ＣＩＡバス、２５…振動センサ駆動電源回路、２６…積分回路、２７…パルス入力回路、２８…ＣＰＵ、２９…メモリ、３０…Ａ／Ｄ変換器、３１…カードコントローラ、３２…コネクタ、３３…高圧タービン、３４…低圧タービン、３５…発電機、３６…カップリング、３７…ローター、３８…測定ポイント、３９…反射板

Claims (10)

1. ローターの回転振動変位を検出し前記ローターのアンバランス成分を検出する振動位相検出装置において、ローターの振動変位情報を取得する振動検出手段と、ローターの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度検出手段により検出した回転数に応じて振動信号標本化速度を最適化する信号処理手段と、前記振動検出手段で検出した振動信号に対して前記振動信号標本化速度に基づいて回転速度に応じたトラッキングフィルター処理を行いトラッキング波形を求める情報処理手段と、前記情報処理手段により得られたトラッキング波形からローターの振動位相を検出する位相検出手段と、前記位相検出手段で検出されたローターの振動位相を記録する検出結果保存手段とを携帯端末装置に組み込んだことを特徴とする振動位相検出装置。
2. 前記振動検出手段は、少なくとも２個の振動加速度センサより検出された加速度信号の積分処理を行うことにより振動速度情報を求め、さらにこの振動速度情報を積分処理することにより振動変位情報を取得することを特徴とする請求項１記載の振動位相検出装置。
3. 前記振動検出手段は、少なくとも２個の振動速度センサより検出された振動速度情報を積分処理することにより振動変位情報を取得することを特徴とする請求項１記載の振動位相検出装置。
4. 前記回転速度検出手段は、光電式回転検出器から得られた回転パルスに基づいて回転数を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の振動位相検出装置。
5. 前記信号処理手段は、前記回転速度検出手段で検出された回転速度が低回転では標本化速度を下げ、高回転では標本化速度を上げて振動信号標本化速度を最適に制御することを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれか１項記載の振動位相検出装置。
6. 前記情報処理手段は、前記振動検出手段で取得した振動変位情報に対して、前記振動信号標本化速度に基づいて回転速度に応じて振動信号に対して回転一次成分だけを取り出すためのトラッキングフィルターを施すとともに、前記回転速度検出手段で検出した回転パルス情報を振動信号に混ぜ込むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の振動位相検出装置。
7. 前記位相検出手段は、前記情報処理手段により得られたトラッキング波形と回転パルス情報とから振動位相を検出することを特徴とする請求項６記載の振動位相検出装置。
8. 前記検出結果保存手段は、前記振動検出手段で取得した振動変位情報、前記回転速度検出手段で検出された回転パルス情報、前記情報処理手段で得られたトラッキング波形を記憶装置に記録することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の振動位相検出装置。
9. 前記携帯端末装置はＰＤＡもしくはＰＣであり、前記振動検出手段、前記回転速度検出手段、前記信号処理手段、前記情報処理手段、前記位相検出手段、前記検出結果保存手段は、ＰＣＭ／ＣＩＡ 規格に対応した回路で構成し、ＰＣＭ／ＣＩＡバスでＰＤＡまたはＰＣと接続することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１記載の振動位相検出装置。
10. ローターの回転振動変位を検出し前記ローターのアンバランス成分を検出する振動位相検出方法において、ローターの振動変位情報を取得し、ローターの回転速度を検出し、検出した回転数に応じて振動信号標本化速度を最適化し、検出した振動信号に対して前記振動信号標本化速度に基づいて回転速度に応じたトラッキングフィルター処理を行いトラッキング波形を求め、得られたトラッキング波形からローターの振動位相を検出し、検出されたローターの振動位相を記録することを特徴とする振動位相検出方法。
    

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