JP2008151700A - トルク測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動力伝達軸への加工が不要であり、かつ長期の信頼性の得られるトルク測定方法および装置を提供する。
【解決手段】回転機械の動力伝達軸１の軸長手方向に所定の距離隔たった駆動側の検出位置２と被駆動側の検出位置３に設置され動力伝達軸１の回転によって周期的に時間変化し軸表面の円周方向に角度の関数として特定される物理量を検出する検出器４，５と、前記検出された物理量を時間領域から周波数領域へフーリエ変換した上で、被駆動側の値を駆動側の値で除して求められる伝達関数の位相から２つの物理量の位相関係を求め、この位相関係から動力伝達軸に作用するトルクを求める信号演算処理装置６とを備えている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンや発電等の回転機械の動力伝達軸に作用するトルクを測定するトルク測定方法および装置に関する。

火力発電プラントの大型のタービン・発電機ユニットなどでは、大きな動力を短時間に発生させるため、大量の燃料を一時に消費するので、熱効率の把握、管理が重要である。最近では環境問題の観点からも、熱効率の向上が注目されており、きめ細かな熱効率の監視が必要になってきている。熱効率は出力する仕事量Ａ_Lを投入する熱量Ｑ₁で除した比で表されるため、Ａ_Lを正確に把握することは熱効率を監視する上で重要となる。さらに、前述のような大型の発電ユニットでは、高圧タービン軸と低圧タービン軸を連結した多段軸流型のタービンを適用している場合が多く、タービンの部分的すなわち高圧側の段落群あるいは低圧側の段落群のみの出力を把握することなどは、熱効率の監視に有効である。ここで、タービン・発電機ユニットの場合、Ａ_Lは発電量であり、単位時間当りの発電量Ｐは回転速度ωと動力伝達軸に作用しているトルクＴとの積に比例している。

したがって、発電運用中のタービン・発電機ユニットの動力伝達軸のトルクＴを高精度で測定できれば、プラントの熱効率を監視することが可能となり、エネルギーの有効利用ができ、環境対策にも有効となる。

動力伝達軸のトルクＴは、軸方向に隔たった２点間の軸のねじり剛性をＫ_B、測定点間の動力伝達中のねじり角度θ_tとして、Ｔ=Ｋ_B・θ_tで求めることができる。したがって、ねじり剛性Ｋ_Bをあらかじめ決定しておく必要があるが、一般には解析で軸の形状と材料特性から算出するか、停止中に当該２点間にＴの大きさのモーメントを負荷させて、発生するねじり角度θ_tを測定することにより実験的に求めておけばよい。このため、トルク計測の手段として軸のねじれ角を計測する種々のトルク計測装置が考案されている。

例えば、特許文献１に開示されているトルク計測装置では、図１２に示すように、レーザ照射装置２０のビーム光を分光して、被測定体２７の表面に一定の間隔で２箇所に設けられた側定点で軸表面に向けて照射し、それぞれの反射光を検知装置２４，２５で検出して信号処理装置２６に入力している。各側定点では軸表面に反射体２２，２３が設けられていて、ビーム光が反射体２２，２３に当たると強い信号が検出されるように構成されている。

図１３は収集した２つの検出波形であるが、ビーム光が反射体２２、２３に当たった点ではパルスが立ち上がっている。このとき、２つの波形の相互相関を求めると、相互相関を最大とする時間差が２つの波形の時間差を表すものであるから、時間差に被測定体２７の回転速度を乗ずることによって２点間の角度差を求めることができる。

一方、図１４は特許文献２に開示されているトルク計測装置の構成を示すものである。この発明では回転軸３２に一定間隔で歯車３０と３１を設け、回転センサー３３，３４で歯車の位置を検出すると、図１５に示すような矩形波形が得られる。２つの矩形波の立ち上がり時間の差をクロックでカウントすることによって２つの波形の時間差を求めている。
特開２０００−２０５９７７号公報 特公平７−１１３５９０号公報

ところが、動力伝達軸は一般的に十分な強度を確保できるように製作するため、動力伝達中の軸のねじり角度は微小である。特に火力発電用のタービン・発電機のユニットでは十分な軸方向長さが確保できる単純円筒形状部分が少ないため、ねじり角度測定点間の軸方向長さが短くなり、動力伝達中の測定点間の軸のねじり角度はさらに微小になる。例えば、１ｍの軸方向距離を隔てた位置における定格動力伝達時の軸のねじり角度は0.1deg程度となり、定格伝達動力の１％の変化を測定しようとする場合0.001degのねじり角度を検出する必要がある。

上述のように２点間の波形の時間差を計測できれば、軸のねじり角度θ_tを測定することができるが、このためには検出する物理量を収集するための高い分解能が要求される。特許文献１の発明では分解能を高めるのに物理量として反射光の光量を用いる方式が採用されている。光学式の場合は高速のデータ収集が可能となる反面、ほこりなどによって光の伝送経路が妨げられると計測が阻害される欠点を有する。特に、電力機器では軸の形状的な制約から測定位置を軸受の近傍に配置することになるので、測定位置は軸受潤滑油の油滴がかかる環境にある。このため、光学式の計測方法は設置直後の一時的な適用は可能であっても、長期の連続的な使用は困難である。

一方、特許文献２のような回転パルスを検出する方式では、歯車などの被検出体を回転軸上に加工あるいは設置する必要がある。さらに、測定精度の向上には被検出体の加工精度を上げなければならないが、電力機器のような大型の回転軸上に小さな被検出体を精度良く加工することには製作上の困難が伴う。また、既設の回転機に被検出体を追加するのも、加工とスペースの問題があって容易ではない。

そこで本発明は、動力伝達軸への加工が不要であり、かつ長期の信頼性の得られるトルク測定方法および装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明のトルク測定装置は、回転機械の動力伝達軸の軸長手方向に所定の距離隔たった駆動側の検出位置と被駆動側の検出位置に設置され動力伝達軸の回転によって周期的に時間変化し軸表面の円周方向に角度の関数として特定される物理量を検出する検出器と、前記検出された物理量を時間領域から周波数領域へフーリエ変換した上で、被駆動側の値を駆動側の値で除して求められる伝達関数の位相から２つの物理量の位相関係を求め、この位相関係から動力伝達軸に作用するトルクを求める信号演算処理装置とを備えている構成とする。

本発明のトルク測定方法は、回転機械の動力伝達軸の軸長手方向に所定の距離隔たった駆動側の検出位置と被駆動側の検出位置に軸表面の円周方向に角度の関数として特定される物理量を検出する検出器を設置して動力伝達軸の回転によって周期的に時間変化する物理量を検出し、検出された物理量を時間領域から周波数領域へフーリエ変換した上で、被駆動側の値を駆動側の値で除して求められる伝達関数の位相から２つの物理量の位相関係を求め、この位相関係から前記動力伝達軸に作用するトルクを求める方法とする。

本発明によれば、動力伝達軸への加工が不要であり、かつ長期の信頼性の得られるトルク測定方法および装置を提供することができる。

以下、図１〜図１１を参照して本発明の６つの実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
（構成）
図１は本発明の第１の実施の形態に係るトルク測定装置の構成を示す図である。回転機械の動力伝達軸１の軸長手方向に所定の距離L[m]隔たった駆動側の検出位置２と、被駆動側の検出位置３との２箇所に、それぞれ渦電流式非接触変位計４および５を設置する。渦電流式非接触変位計４および５で検出された信号は信号演算処理装置６に入力される。信号演算処理装置６は渦電流式非接触変位計４および５で検出された信号に対して、フーリエ変換を施して周波数領域に変換を行った上で、両者の比である伝達関数を求め、これを表示し記録する。

（作用）
渦電流式変位計は被測定物との距離を導磁率から測定するものであるが、導磁率は被測定物表面の特性にも依存することから、被測定物表面の残留応力、歪、結晶構造、磁化などの影響を受ける。このため、動力伝達軸１の断面形状が高い真円度で加工されていても、渦電流式非接触変位計４，５の出力は円周方向に変化する。これを電磁的ランナウトと呼ぶ。図２は軸を不つり合い振動の影響を受けないようにゆっくりと回転させたときに得られる渦電流式非接触変位計の出力波形の例である。電磁的ランナウトによる見かけの変位は数十[mm]にも達することがあり、振動測定の上では動力伝達軸１の表面に仕上加工するなど電磁的ランナウトの低減対策を施す必要がある。精度の要求される高速バランスマシンでは、低速回転時にあらかじめ電磁的ランナウトによるみかけの振動分を記録しておいて、測定された振動から電磁的ランナウト分を差し引いて補正する方法が採られている。このように電磁的ランナウトは振動測定の上では除去されなくてはならないが、本実施の形態は、電磁的ランナウトすなわち軸表面の材料特性に起因する導磁率を、軸の円周に角度の関数として特定できる関数として用いるものである。

図３（ａ），（ｂ）は、動力伝達軸１が１回転する間に、駆動側の検出位置２と被駆動側の検出位置３でそれぞれ渦電流式非接触変位計４および５によって測定された信号波形を示す図である。２つの信号は軸１の回転周期で繰り返される周期関数であるから、両者の時間的なずれが求められれば駆動側の検出位置２と被駆動側の検出位置３の間おける動力伝達軸１のねじれ角度を算出できる。図４（ａ），（ｂ）は、図３の波形を動力伝達軸１の回転周期の範囲でＦＦＴで時間領域から周波数領域に変換して求められた周波数スペクトルである。動力伝達軸１の回転周期が収集時間であるため、図３の周波数分解能は動力伝達軸１の回転角周波数ω [rad/s]に一致する。フーリエ変換されると、２つの信号X₁、X₂は、調波の重ね合わせとしてそれぞれ次のように表される。

ここに、2N：サンプリング数、A_i、B_i：iw成分の振幅、f_i、j_i：iw成分の位相である。

伝達関数Ｈは両者の比として求められるから、

と表される。図５（ａ）は伝達関数のスペクトルである。

いま、上記の状態に対して負荷に起因するトルクＴが動力伝達軸１に作用して被駆動側の検出位置３における動力伝達軸１のねじれ角が駆動側の検出位置２に対して負荷トルク作用方向にq [rad]変化したとすると、被駆動側の検出位置３における信号X'₂は図３（ｂ）に破線で示すようにX₂に対してDt=q /w [s]だけずれる。これをフーリエ変換すると、

となる。X'₂のスペクトルを図４（ｃ）に示す。

このときの駆動側の検出位置２に対する伝達関数Ｈ'は、

となる。図５（ｂ）に伝達関数Ｈ'のスペクトルを示す。

負荷トルクＴが作用する前後で伝達関数ＨとＨ'を比較すると、iw 成分で位相がiq [rad]ずれていることがわかる。位相差を図５（ｃ）に示す。すなわち、伝達関数でＨとＨ' のi次成分における位相差を次数iで割った値が負荷トルクＴの作用によって生じるねじれ角θ に一致する。

このようにして本実施の形態のトルク測定装置は、渦電流式非接触変位計４および５を用いて動力伝達軸１の駆動側の検出位置２と被駆動側の検出位置３における導磁率を角度の関数として測定し、角度の関数をフーリエ変換によって周波数領域に変換し、周波数領域の関数の比として計算される伝達関数によって両者の位相関係を把握することができる。トルクの作用によって駆動側の検出位置２と被駆動側の検出位置３の間でねじれ角q [rad]が生じたとき、伝達関数のi次成分における位相変化を次数iで割ることによってねじれ角q [rad]を求めることができる。

（効果）
本実施の形態は、渦電流式非接触変位計４，５を用いて動力伝達軸１における導磁率を測定するので、光学式と比較して油滴など使用環境の影響を受けにくい。また、動力伝達軸１の表面に存在する導磁率を角度の関数とみなすので、動力伝達軸１に対して歯車など被検出体を加工する必要がない。さらに、フーリエ変換に当たり平均化処理を行うことによってノイズの影響を小さくすることができるので、分析精度の向上をはかれる利点を有する。なお、コヒーレンス関数の高い周波数で位相差を読み取れば、より精度のよい評価を行うことができる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態のトルク測定装置は、図６に示すように、駆動側の検出位置２において、動力伝達軸１の表面に動力伝達軸１と異なる透磁率を有する金属箔７を貼り付けキーフェーザとする。その他の構成は、図１に示した第１の実施の形態と同じである。信号演算処理装置６は、駆動側の検出位置２の渦電流式非接触変位計４で検出されたキーフェーザを基準にして、被駆動側の検出位置３の渦電流式非接触変位計５の信号を取り込み、フーリエ変換を施して周波数領域に変換を行った上で、これを表示し記録する。

本実施の形態のトルク測定装置では、常に駆動側の検出位置２のキーフェーザを基準にして被駆動側の検出位置３の渦電流式非接触変位計５の信号が取り込まれるので、この信号をフーリエ変換することにより、駆動側の検出位置２と被駆動側の検出位置３における動力伝達軸１の角度差（ねじれ角）qを、フーリエ変換の位相から直接読み取ることができる。すなわち、負荷トルクの作用前後の値は、

で表されるから、ねじれ角はq = f_i / i [rad]で求めることができる。

本実施の形態のトルク測定装置は、第１の実施の形態のトルク測定装置と同様の効果を奏する。そのうえ、伝達関数を求める操作が省略できるので、信号演算処理装置６の負担を軽減できる。

（第３の実施の形態）
図７は本発明の第３の実施の形態のトルク測定装置における渦電流式非接触変位計の配置を示す図である。すなわち、例えば駆動側の検出位置に２個の渦電流式非接触変位計４ａ，４ｂを角度１８０度に向き合わせて設置して、加算器８で両方の出力を同一の感度となるよう調節した上で加算して出力させる。

渦電流式非接触変位計４ａ，４ｂの出力には、動力伝達軸１の軸振動変位による導磁率の変化による信号が重ね合わされる。これは変位計として本来の機能であるが、トルク計測ではランナウトの位相を計測する必要があるため、振動変位が大きいと測定誤差の原因となる。軸振動は半径方向で同一の値となるから、渦電流式非接触変位計４ａ，４ｂを１８０度対向して配置することによって、軸振動変位成分は絶対値が等しく符号が反対に出力される。したがって、対向して配置された同一感度の渦電流式非接触変位計４ａ，４ｂの図８（ａ）に示すような出力を加算することによって、図８（ｂ）のように軸振動変位成分は互いに打ち消されてランナウト成分のみを検出することができる。

本実施の形態によれば、ねじれ変位の検出手段として渦電流式非接触変位計を用いる場合に、軸振動変位による影響を排除することができる。

（第４の実施の形態）
本実施の形態は図９に示すように、駆動側の検出位置２と被駆動側の検出位置３に、磁気抵抗効果素子（ＭＲセンサー）８、９を設置して、動力伝達軸１の表面の磁束を角度の関数として計測するものである。

本実施の形態は、角度の関数として計測される物理量が、第１の実施の形態における導磁率から磁束に置き換えられただけで、第１の実施の形態とまったく同一の作用をなす。

したがって本実施の形態は第１の実施の形態と同一の効果を奏するとともに、応答性の高い磁気抵抗効果素子（ＭＲセンサー）を使用することによってより高速なデータ収集が可能となるので、分析精度を向上できる。

（第５の実施の形態）
（構成）
本実施の形態のトルク測定装置は第１の実施の形態と同じ機器で構成される。ただし、信号演算処理装置６は渦電流式非接触変位計４および５で検出された信号に対して、フーリエ変換を施して周波数領域に変換を行った上で、両者の比である伝達関数を求め、これを表示し記録するが、データを収集するに当たり、データ収集する時間間隔（サンプリング間隔）を、動力伝達軸１の回転周期に対して分析精度に要求される時間幅を加算または減算した時間とする。

（作用）
図１０はサンプリング時間と信号波形の関係を示す図である。サンプリング間隔を0.02[s]として、55[Hz]の信号をデータ収集すると、黒丸でプロットした点列が収集される。このデータの周波数は55[Hz]ではなく、図１０に見られるように5[Hz]となる。これは、データが離散化されるときにナイキスト周波数fc[Hz]以上の高周波成分の影響が低周波成分にすり替えられてしまうもので、信号にナイキスト周波数fc[Hz]以上の周波数が存在する場合、2f_c±f, 4f_c±f,…なる周波数が現れる。上記の例では2f_c=1/0.02=50[Hz]、f=55-50=5Hz]となる。信号に高周波成分が含まれると、エイリアジングによってデータ処理において誤った信号処理を行うことになるので、一般にはローパスフィルタを用いて高周波成分を除去してからサンプリングを行っている。

55[Hz]の振動波形を分析するには、サンプリング定理からDt=1/(55×2)=0.00909[s]より短い時間でデータを収集する必要がある。実質的にはこれよりもさらに短い時間にしなければならない。ところが、図１０のエイリアジング波形をみると、55[Hz]の波形が時間軸方向に引き延ばされている5[Hz]の波形に拡大されていることがわかる。すなわち、サンプリング周波数をf_s=2f_c-5=55-5=50[Hz]（ナイキスト周波数は対象周波数の1/2で、f_c=1/55[Hz]であるので2f_c=55[Hz]）とすると、サンプリング周波数550[Hz]としてデータ収集した場合の波形を時間方向に11倍に引き延ばしたものが得られる。

本実施の形態では、信号演算処理装置６で渦電流式非接触変位計４および５で検出された信号をデータ収集するに当たり、動力伝達軸１の回転周期にねじり角の分析に必要なサンプリング間隔を加えた時間ごとにデータ収集を行う。トルク計測に要求されるねじり角の分解能は上述のように定格トルクの1/100で、約0.001[deg]に相当する。したがって、サンプリング間隔は回転周期×0.001/360となる。これは、回転周波数が50[Hz]の機械では、1/50×0.001/360=5.55×10^-8[s]と非常に短い時間となる。本実施の形態の場合のサンプリング間隔は、回転周期に前記の値を加えた時間とするので、1/50×(1+0.001/360)=2.000005556×10^-2[s]と比較的長い時間とすることができる。

（効果）
トルク計測で十分な計測精度を確保するにはサンプリング間隔を回転周期×0.001/360と非常に短い時間にする必要があるが、このためには高速サンプリングＡ／Ｄ変換器が必要となる。高速サンプリングＡ／Ｄ変換器はサンプリング間隔を短くできる分、データの分解能が低くなる傾向がある。サンプリング間隔が短くなっても、ダイナミックレンジが下がってしまうと分析精度も低下してしまう。本実施の形態のトルク測定装置では、サンプリングの間隔は回転周波数程度で十分であるから、低速のＡ／Ｄ変換器でも対応できるので、高速サンプリングＡ／Ｄ変換器のような分解能の制限を受けることがなく、高い測定精度が得られる。

（第６の実施の形態）
（構成）
本実施の形態のトルク計測装置は、第１の実施の形態の渦電流式非接触変位系４および５で計測された信号を時間領域から周波数領域に変換する過程において、信号の複数回のサンプリングを行った上で平均化処理を施して駆動側、被駆動側それぞれについて周波数関数を求めて、除算することによって両者の比である伝達関数を計算する。

（作用）
有意な信号波形は基準を合わせて加算していくと信号が強化されていくのに対して、ランダムなノイズ成分は加算していくと正負の成分が相殺して値が小さくなる。したがって、サンプリングを繰り返して、データの加算を行った上で平均を取るとノイズ成分を小さくしてデータの精度を高めることができる。統計的な理論によれば、n回加算すると、有意な信号はn倍に、ノイズ成分はn^1/2倍になることが知られている。すなわち、信号とノイズの比（S/N比）はn回の加算によってn^1/2倍向上されることになる。図１１は、（ａ）平均化を行わない一回のサンプリングによる波形と、（ｂ）平均化を施した波形を比較したものであるが、平均化によってノイズが減少して信号が強化されていることがわかる。

（効果）
このように、本発明の形態では平均化を行うことによってノイズ成分を低減することができるので、精度の良いトルク計測が可能となる。

なお、平均化の処理は、時間波上や伝達関数上で実施しても同様にノイズ成分を低減して計測精度の向上の効果がある。

本発明の第１の実施の形態のトルク測定装置の構成を示す図。 本発明の第１の実施の形態のトルク測定装置に備えられる渦電流式非接触変位計の出力波形を例示する図。 本発明の第１の実施の形態のトルク測定装置に備えられる（ａ）駆動側および（ｂ）被駆動側の渦電流式非接触変位計の出力波形を示す図。 本発明の第１の実施の形態のトルク測定装置に備えられる渦電流式非接触変位計の出力波形の周波数スペクトルを示す図。 本発明の第１の実施の形態のトルク測定装置に備えられる渦電流式非接触変位計の出力波形の伝達関数のスペクトルを示す図。 本発明の第２の実施の形態のトルク測定装置の構成を示す図。 本発明の第３の実施の形態のトルク測定装置の構成を示す図。 本発明の第３の実施の形態のトルク測定装置の動作を説明する波形図。 本発明の第４の実施の形態のトルク測定装置の構成を示す図。 本発明の第５の実施の形態のトルク測定装置の動作を説明する波形図（ａ）およびその拡大図（ｂ）。 本発明の第６の実施の形態のトルク測定装置の動作を説明する波形図。 従来の第１の例のトルク測定装置の構成を示す図。 従来の第１の例のトルク測定装置の動作を説明する図。 従来の第２の例のトルク測定装置の構成を示す図。 従来の第２の例のトルク測定装置の動作を説明する図。

符号の説明

１…動力伝達軸、２，３…検出位置、４，４ａ，４ｂ，５…渦電流式非接触変位計、６…信号演算処理装置、７…金属箔、８…加算器、９，１０…磁気抵抗効果素子、２０…レーザ照射装置、２１…ビーム調整装置、２２，２３…反射体、２４，２５…検知装置、２６…信号処理装置、２７…被測定体、３０，３１…歯車、３２…回転軸、３３，３４…回転センサー。

Claims (10)

1. 回転機械の動力伝達軸の軸長手方向に所定の距離隔たった駆動側の検出位置と被駆動側の検出位置に設置され動力伝達軸の回転によって周期的に時間変化し軸表面の円周方向に角度の関数として特定される物理量を検出する検出器と、前記検出された物理量を時間領域から周波数領域へフーリエ変換した上で、被駆動側の値を駆動側の値で除して求められる伝達関数の位相から２つの物理量の位相関係を求め、この位相関係から動力伝達軸に作用するトルクを求める信号演算処理装置とを備えていることを特徴とするトルク測定装置。
2. 前記駆動側の検出器は軸の基準角度を検出する位置に設置され、前記信号演算処理装置は、前記駆動側の検出器で検知された軸の基準角度を始点として被駆動側で同期して計測された物理量を時間領域から周波数領域へフーリエ変換し、前記伝達関係の代りに周波数関数の位相から駆動側と被駆動側の位相関係を求め、この位相関係から動力伝達軸に作用するトルクを求めることを特徴とする請求項１に記載のトルク測定装置。
3. 前記信号演算処理装置は、前記物理量を収集する時間間隔を、軸の回転周期に対して物理量の分析精度に要求される時間幅以下の時間を加算もしくは減算した時間に設定することを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のトルク測定装置。
4. 前記物理量を時間領域から周波数領域にフーリエ変換するにあたり、複数回のサンプリングを行った上で、平均化処理を施すことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のトルク測定装置。
5. 前記物理量は導磁率であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のトルク測定装置。
6. 前記検出器は、渦電流式変位計であることを特徴とする請求項５に記載のトルク測定装置。
7. 前記渦電流式変位計は角度１８０度に向き合わせて２個設置され、前記２個の変位計の出力を入力し軸の振動成分が打ち消されるように加算する加算器を備えていることを特徴とする請求項６に記載のトルク測定装置。
8. 前記物理量は磁束であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のトルク測定装置。
9. 前記検出は磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項８に記載のトルク測定装置。
10. 回転機械の動力伝達軸の軸長手方向に所定の距離隔たった駆動側の検出位置と被駆動側の検出位置に軸表面の円周方向に角度の関数として特定される物理量を検出する検出器を設置して動力伝達軸の回転によって周期的に時間変化する物理量を検出し、検出された物理量を時間領域から周波数領域へフーリエ変換した上で、被駆動側の値を駆動側の値で除して求められる伝達関数の位相から２つの物理量の位相関係を求め、この位相関係から前記動力伝達軸に作用するトルクを求めることを特徴とするトルク測定方法。

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