JP2009525471A - 設備部品に対するインインパルス的な機械的作用の場所を検出する方法および装置 - Google Patents

Abstract

設備部品（２）に対するインパルス的な機械的作用の場所を検出する方法および装置において、設備部品（２）に存在している動作音が設備部品（２）に配置された複数（Ｐ）のセンサ（４_s）によって継続的に検出され、該センサによって測定信号（Ｍ_s）へ変換され、前記測定信号にそれぞれ第１のタイムスロット（Δｔ₁）のなかで変換が施される。このようにして求められた多数の第１の像関数から、設備部品（２）に対するインパルス的な機械的作用の発生を表す第１の評価関数（Ｋ_1,s）が導き出される。本発明によると、このような作用が認識されると、引き続いて第２の短いタイムスロット（Δｔ₂）で同じアルゴリズムによりそれぞれ第２の像関数とそれぞれ第２の評価関数（Ｋ_2,s）が導き出され、これらに基づいて、作用によって生成された音信号がセンサ（４_s）に入った時点（ｔ_s）がそれぞれ判定される。そして、センサ（４_s）の間でその都度生じる経過時間差に基づいて、作用の場所を正確に再構成することができる。

Description

本発明は、設備部品に対するインパルス的な機械的作用の場所を検出する方法および装置に関する。

利用する多くの場合において、例えば化学プロセス工学装置、動圧縮機などの配管や容器といった設備部品の適正な動作を継続して監視し、故障を早期に発見して重大な二次障害を防止することが必要である。このような監視のために、従来技術では数多くの方法が知られている。

例えば欧州特許出願公開第０７６５４６６Ｂ１号明細書では、タービン羽根に向けられたマイクロ波を用いて、タービン羽根の振動の監視を行うことが提案されている。タービン羽根に当たって反射されるマイクロ波の変調に基づいて、タービンの振動状態を推定することができる。

独国特許出願公開第１９８５７５５２Ａ１号明細書から知られている方法では、タービンのシャフトの破損が、シャフトの端部での回転周波数の測定によって検出される。

独国特許第１９８４３６１５Ｃ２号明細書では、空気吸込領域または排ガス領域に配置された音響検出器を用いて検出される測定信号の周波数スペクトルの分析によって、内燃機関の状態の診断を行うことが提案されている。

独国特許第１９７２７１１４Ｃ２号明細書では、機械を監視するために、空気伝送音に代えて、機械に生じる固体伝搬音信号が検出される。この公知の方法でも、固体伝搬音検出器によって検出された測定信号のその都度判定される周波数スペクトルが分析される。

独国特許第１９５４５００８Ｃ２号明細書で開示されている方法でも、機械の作動中に、例えば加速度検出器などの監視センサによって検出された測定信号の周波数スペクトルが分析されて、基準周波数スペクトルと比較される。

タービンで検出される固体伝搬音信号の周波数スペクトルの分析は、米国特許出願公開第６，３０１，５７２Ｂ１号明細書から公知となっている方法でも行われる。そのために測定信号をフーリエ変換したものがニューロネットワークでファジー論理の規則により分析され、そのようにしてタービンの状態に関する情報を得る。

１つの特別な問題は、流れによって一緒に流されて設備部品に当たる外れた部品であり、このような部品はインパルス的な一時的作用だけ引き起し、これを確実に検証することが相応に問題となる。

英国特許第２２８８２３５号明細書では、流れる媒体で一緒に流される外れた部品を、その部品が設備部品に当たったときに生成される振動によって検出することが提案されている。そのために音響検出器が設備部品に配置され、それによって生成される測定信号が、発生するパターンを参照しながらそれが正常な暗騒音であるか否かを決定することができる、学習能力のあるニューロンネットワークに送られる。

流れる媒体中での外れた部品の発生にともなう問題は、例えば過熱に対する防護のために燃焼室がセラミックタイルで外装されているガスタービンで生じる可能性がある。このようなセラミックタイルは、燃焼室で発生する圧力交番変動によって動的に高い負荷を受ける。このときタイルの部分片がそれぞれの保持部から破断し、排ガスの流れに引きさらわれて、ガスタービンの第１の案内羽根列に衝突するという事態が起こる可能性がある。このことは、案内羽根のコーティングの損傷や、その背後に配置された回転羽根の破損につながる可能性がある。さらに、部分片の破断によってすでに損傷をうけているタイルが保持部から完全に外れて、ガスタービンにおける相応に甚大な損傷につながるという危険がある。このような場合、外れた小さな部品の衝突または個々のタイルの衝突は、１つもしくは複数のタイルの全面的剥離が目前に迫っていることを示唆しているので、ガスタービンを早期に停止して、損傷したタイルを早期に交換することが大きな損傷を防止することになる。

ガスタービンへの異物の侵入を発見できるできるようにするために、米国特許第４，８８８，９４８号明細書ではタービンの吸込口にセンサが配置され、このセンサによって、異物により誘導される電荷が検出される。

このような設備部品への衝撃を監視するために、国際公開第０１／７５２７２Ａ２号パンフレットからも、英国特許第２２８８２３５号明細書から公知の方法の場合と同じく適当なセンサを用いて、衝撃をその際に生じる固体伝搬音を通じて検出することが基本的に知られている。しかしその場合、特にガスタービンにおいては正常な動作音が大きいために、ガスタービンの案内羽根へのタイル全体の衝突によってセンサで生成される信号割合であっても正常な動作音によって生成される暗騒音より小さく、そのため、固体伝播音信号の振幅を監視するだけでは、特に小さい部分片の衝突を検出することができないという問題が起こる。そこで信号対雑音比を改善するために同文献では、測定値検出器によって検出された測定信号をバンドパスフィルタまたはハイパスフィルタにかけ、そのようにして、タービンの正常な動作時に生じる固体伝搬音を取り除くことが提案されている。しかしながらこの方策は、時間的に変化する高い暗騒音の場合に、インパルス的な事象を確実に特定するためには十分ではない。

国際公開第０３／０７１２４３Ａ１号パンフレットにより、検出された固体伝搬音に窓関数を用いてフーリエ変換が施される、設備部品に対するインパルス的な機械的作用を検知する方法が公知である。このようにして判定された多数のフーリエスペクトルから、同文献に詳しく説明されているアルゴリズムによって、設備部品に対するインパルス的な機械的作用の発生を表す評価関数Ｋが導き出される。この文献に記載されている評価関数Ｋを導き出すためのアルゴリズムは、雑音を含む測定信号に重ね合わされた、インパルス的な作用に帰せられるべき信号割合の正確な認識を可能にする。

特に多数のコンポーネントが組み込まれている大規模な設備部品の場合、このように正常な動作音に属するのではないインパルス的な機械的作用が起こっているという情報に加えて、そのような作用が設備部品のどの場所で起こっているのかを知ることも重要である。そのために複数のセンサを設備部品の異なる場所に取り付け、個々のセンサによってそれぞれ検知される事象の間の時間差と音速から、設備部品における作用の場所を推定することが基本的に知られている。作用の場所は、それがタイルの飛散であるのか（剥がれたタイルが案内羽根支持体または燃焼室の外側シェルに衝突している）、それとも、それ以外のタービンの領域で動作に起因する摩擦プロセスによってインパルス的な作用が引き起されているのかを判断できるようにするために、タービン監視の場合にも関心の対象となっている。

作用場所の正確な判定のためには、その都度センサで事象が検知されたタイムスロットに基づいて、事象の開始をその都度できる限り厳密に判定することが必要である。

独国特許第２２２３３２１Ｃ２号明細書より、亀裂の発生とその場所を、設備部品に配置された複数の圧電変換器によって検知することが知られている。そのために、変換器によって受信されたそれぞれの信号の最大値の時間差が評価される。

本発明の課題は、従来技術で知られている方法に比べてさらに改善されている、設備部品に対するインパルス的な機械的作用の場所を検出する方法を提供することである。さらに本発明の課題は、この方法を実施する装置を提供することである。

本方法に関して、本発明によれば上述の課題は請求項１の構成要件を備える方法によって解決される。設備部品に対するインパルス的な機械的作用の場所を検出する方法において、設備部品に存在している動作音が設備部品に配置された複数のセンサによって継続的に検出され、該センサによって測定信号へ変換され、測定信号を分析するために次の方法ステップが意図される。
ａ）測定信号が１つの時間領域についてその都度時間間隔をおいて保存され、
ｂ）第１の時間ステップで時間的に連続する、時間領域の内部にある第１のタイムスロットのなかで、数学的な変換規則の所定の第１のパラメータを用いて各々の測定信号の像関数の第１の値が算定され、
ｃ）各々の所定の第１のパラメータについて算定された第１の値から、各々の第１の時間ステップについてそれぞれ第１の評価関数が導き出され、
ｄ）第１の評価関数がそれぞれ第１の閾値と比較され、トリガ時点における第１の評価関数のうちの少なくとも１つによる第１の閾値の超過は、機械的作用を表すインパルス的な信号割合の存在を示す指標として評価され、
ｅ）第２の時間ステップで時間的に連続する、時間領域の内部にある、第１のタイムスロットよりも短い第２のタイムスロットのなかで、数学的な変換規則の所定の第２のパラメータにより、および同一のアルゴリズムにより第２の評価関数が求められ、
ｆ）第２の評価関数がそれぞれ所定の基準を満たしている時点から、およびそれに基づいて得られる経過時間差から、作用の場所が判定される。

このとき本発明は、インパルス的な作用を検知することができる感度は主としてタイムスロットの大きさに依存して決まり、典型的なバーストの継続時間が超過されるべきであり、ただしこの超過が大きすぎてはならず、タイムスロットがまだバーストの継続時間のオーダーに収まるようにする（継続時間＜タイムスロット＜継続時間の１０倍）という考察に依拠している。ただし大きいタイムスロットは、評価関数が非常にゆっくりとしか変化しないため、作用の時点すなわちバースト信号の開始時点を比較的不正確にしか判定できないという欠点を有する。そこで、チャネルのうちの１つでバースト信号が特定されて、評価関数があらためて有意に小さいタイムスロットで算出されれば、評価関数が変化する時間定数が相応に小さくなり、その上昇の時点およびこれに伴う作用の時点のいっそう正確な判定が可能となる。

２番目に挙げた課題は、本発明によると、請求項８の構成要件を備える装置によって解決され、その利点は請求項１について記載している利点に準じて得られる。

本発明の方法および装置の好ましい実施形態は、それぞれの従属請求項に記載されている。

本発明をさらに詳しく説明するために、図面を援用する。

図１では、例えばガスタービンのような設備部品２に、複数Ｐの測定値検出器またはセンサ４_1,..s,..p、特に圧電式の加速度検出器が配置され、これらはそれぞれ設備部品２に生じている、固体伝搬音の形態で伝搬する動作音を複数の測定チャネルで連続的に検出する。センサ４_sは、固体伝搬音信号をそれぞれ電気測定信号Ｍ_sに変換し、この測定信号が前置増幅器６で増幅されて、デジタル記憶装置１０に接続されたアナログ・デジタル変換器８へ転送される。その都度発生する増幅された測定信号Ｍ_sはデジタル化されて中間保存され、さらに処理をするために、本発明に基づく評価アルゴリズムが具体化されている計算装置１２へ転送される。

計算装置１２は、各測定チャネルについて、アナログ／デジタル変換器８から転送されてくるデータの変換の迅速な計算のためのプロセッサを含んでおり、ならびに、変換によって求められる複数Ｌの像関数を保存するためのトロイダルコアメモリを含む。この変換は、本例では窓関数を用いた高速フーリエ変換ＦＦＴである。本発明の意味における数学関数（測定信号Ｍ_s（ｔ））の変換とは、その関数の式を完全な１セットの直交基底関数で表すことが可能となる、あらゆる数学的な演算を意味している。この直交基底関数は、（フーリエ変換の場合に当てはまるように）指数関数ｅ^-iω^tによって形成されていてよい。しかしながら原則として、これ以外の周期的な関数を直交基底系として使用することもできる。変換により、事前設定された１セットの離散的なパラメータを用いて離散的な像関数が算出される。これはフーリエ変換の場合、その都度の設備部品に準じて選択される、固定的に設定される周波数ｆ_i＝ω_i／２πであり、このことは例えば国際公開第０３／０７１２４３号パンフレットでタービンについて詳しく説明されている。

計算装置１２で求められた離散的な像関数から、各々の測定チャネルについて、計算機１２に具体化されていて以下に詳しく説明するアルゴリズムに基づき、時間ｔに依存する第１の評価関数Ｋ_1,s（ｔ）が求められ、この評価関数が比較装置１４で所定の第１の閾値Ｋ_1,0と比較される。いずれかのチャネル（いずれかの測定信号Ｍ_s）における第１の閾値Ｋ_1,0（アラーム閾値）の超過は、過渡的な機械的作用によって引き起される該チャネルでのインパルス的な信号割合の存在を示す指標としての役目を果たすものであり、相応のトリガ信号Ｓを生起する。トリガ信号Ｓはトランジエントレコーダ１６に供給され、そこで計算装置１２により求められたデータが例えば１０ｓの時間範囲について記録されて、評価コンピュータ１８へ転送され、それにより、以下に説明する測定信号Ｍ_s（ｔ）の事後的な分析を評価コンピュータで実行することができ、この分析は、それぞれチャネルで事象の発生が記録されたそれぞれの時点ｔ_sの差異（経過時間差）と、設備部品のジオメトリーの知見と、各センサの位置と、音速とに基づいて、インパルス的な作用の場所を推定することを可能にするものである。

図２には、原理図を用いて、計算ユニット１２（図１）で具体化されている対処法の第１のステップが説明されている。各々のチャネルで高いクロックレート（典型的には８０−１００ｋＨｚ）でデジタル化された測定信号Ｍ_s（図面では見やすさを考慮してアナログで示す）は、それぞれ時間領域ＴＳ（典型的には約１０ｓ）について、時間間隔ＤＴ（クロックレートに対応して典型的には約０．０１〜０．０１２５ｓ）で保存され、クロックレートに応じて更新される。この時間領域ＴＳの内部にある第１のタイムスロットΔｔ₁では、デジタル化された測定信号Ｍ_sに離散高速フーリエ変換が施される。引き続いて、この第１のタイムスロットΔｔ₁が第１の時間ステップδｔ₁だけずらされて、同じ長さの重なり合う第１のタイムスロットΔｔ₁で、あらためてフーリエ変換が実行される。本実施例ではΔｔ₁＝２５．６ｍｓであり、δｔ₁＝３．２ｍｓである。このようにして、それぞれ第１のタイムスロットΔｔ₁について、および無限個数の第１の離散的な周波数ｆ_1,iについて、時間依存的な第１の値Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ）が求められる。

そして図３には、所定の周波数ｆ_1,iのときの第１の値Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ）の時間的推移が図示されている。この図面から見て取れるように、この所定の周波数ｆ_1,iのとき、この値Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ）は時間的に変化している。図に書き込まれている時間インターバルは、高速フーリエ変換が更新される第１の時間ステップδｔ₁である。そして本発明によると、多数Ｎの所定の第１の周波数ｆ_1,iまたは周波数領域について、時間的に連続する第１の時間ステップδ_t1で、時間的に重なり合う第１のタイムスロットΔｔ₁について対応する第１の数値Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ_j）（このときｔ_j＝ｔ₀＋ｊδｔ₁）が算定され、このときｊは自然数である。

そして、このようにして得られた第１の数値Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ）から、この第１の周波数ｆ_1,iについて形成される平均値Ａ_sが差し引かれる。平均値Ａ-_sを算定するための適当なアルゴリズムは、監視されるべき設備部品、および予想される動作音の複雑さに依存して決まる。単純な動作状況では、固定的に設定された一定の平均値Ａ-_s,0（ｆ_1,i）を使用すれば足りる。図４に示すように、時間的に可変な平均値Ａ-ｓ（ｆ_1,i，ｔ）を定めておくとさらに好都合である。移動平均値Ａ-ｓ（ｆ_1,i，ｔ）の使用は、特に、設備部品が１つの動作状態から別の動作状態へと変わり、動作音または暗騒音が明らかに異なるレベルへきわめて迅速に上昇または下降することがある、ランダムな状態変化が起こる可能性のある設備部品を監視するときに好ましい。このような状態変化は、タービンの場合には例えばいわゆるうなり音の開始である。うなり音は環状スペースに炎が配置されることによって引き起されるもので、燃焼室全体が励起されて共振振動することにつながる可能性があり、特に、円周方向への振動モードが優先的に生じる。このような共振現象は部分的に突然消えたり、同様に突然再び始まったりする。例えば、本件特許出願の構成要素であることをここに明記する国際公開第０３／０７１２４３号パンフレットに開示されている方法の根底に置かれているのは、先行する複数の値の数学的平均の形態の単純な平均値形成によって形成される移動平均値Ａ-ｓ（ｆ_1,i，ｔ）であり、このような音の変動が誤発動につながる可能性があることが示されている。そこでこのような誤発動を回避するために、現場では、信号特性の分析によって認識されるタービンのうなり音中には、インパルス的な機械的作用に関する監視は抑圧されてきた。

また、例えば原子力発電所の原子炉圧力容器といった上記以外の設備部品でも、連続的な基本雑音（流体の流動、ポンプ音）に、例えば動作条件の許容される変化や動作進行への意図的な介入（バルブの操作、制御棒の移動）によって引き起される、作動に起因する一時的な動作音が重なり合っている。

特に状態変化が比較的ゆっくりしている設備部品のために好適な反復的な計算方法では、平均値Ａ-ｓと平均平方誤差（分散）が各々の周波数ｆ_1,iについて移動的に次の関係を用いて算定され、

このときδｔ₁は、それぞれ第１のタイムスロットΔｔ₁について第１の値Ａ_1,sが算出される第１の時間ステップである。そしてパラメータｋを選択することで、新たに付け加わる第１の値Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ＋δｔ₁）が、新たに算出される平均値Ａ-ｓ（ｆ_1,i，ｔ＋δｔ₁）にどの程度の影響を及ぼすかが規定される。この式は指数的に加重された平均値形成に相当し、ｋは適応速度を規定する。一定の初期値から、同じく一定である新たな値へと値Ａ_1,s（ｆ_i，ｔ）が飛躍的に変化すると、最新に存在している新たな値Ａ_1,sに合わせた新たな平均値Ａ_sの近似的に指数的な適応が、時間定数τ＝δｔ₁／（１−ｋ）で行われることになる。ｋ＝０．９９９およびδｔ₁＝３．２ｍｓについては、３．２ｓのτの時間定数が得られる。このような対処法は、例えば原子炉圧力容器の動作音を監視する場合に好適である。

例えばタービンの場合のように非常に迅速な状態変化が観察される設備部品を監視するときは、平均値Ａ-ｓ（ｆ_1,i，ｔ）が時間ステップδｔ₁で時間的に移動しながら、時間区域ＴのＭ個の第１の値Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ_m）が組み合わされてなる図３に示すデータセットＡ_1,s（ｆ_1,i，ｔ）に基づく時間ｔの関数として、次式

により規定される計算方法が格別に好適であることが判明し、このときＱα_,sおよびＱ_1-α_,sは、時間区域Ｔでそれぞれ規定される、第１の値Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ_m）（このときｔ_m＝ｔ＋ｍδｔ₁）のα分位数もしくは（１−α）分位数であり、ｍは整数である。そのために、例えば時点ｔに対して対称に配置されるこの時間区域Ｔ（本例では

が成り立ち、Ｍは奇数である）と、それぞれ時点ｔに割り当てられるデータセットＡ_1,s（ｆ_i，ｔ）とによって形成される対応する第１の値Ａ_1,s（ｆ_i，ｔ_m）が、数値に応じて順番にソートされる。するとα分位数もしくは（１−α）分位数は、この順番のαＭもしくは（１−α）Ｍの位置にある数値となる。実際問題としては、αについては０．７≦α≦０．８の間の値が設定され、好ましくはα＝０．７５が設定される。

そして、α分位数および（１−α）分位数であるＱα_,sおよびＱ_1-α_,sを用いて、第１の数値Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ_n）の平均偏差ｓ_s（ｆ_1,i，ｔ）が、平均値値Ａ-_s（ｆ_1,i，ｔ）から次式

によって算出され、このときｑ_1-α_,sは正規化されたガウス分布の（１−α）分位数である。

このように、この計算方法（分位数方式）を用いて、αおよび（１−α）によって定義される領域の範囲外にある値を考慮に入れることなく、データセットの平均値と偏差が算出される。このことは、重ね合わされたバースト信号によって追加的に増幅された状態で現れる可能性がある明らかに高い値が考慮に含まれず、したがって、結果が狂わされる可能性がないことを意味している。このような手法により、明らかに短い時間区域を、例えば時間ステップδｔ₁＝３．２ｍｓで時間区域Ｔ＝３２０ｍｓの長さを含む第１の数値Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ）のＭ＝１００からなるデータセットＡ _s（ｆ_1,i，ｔ）を、計算結果の等しい品質のままで選択することができる。このことは、平均値Ａ_s（ｆ_1,i，ｔ）が基本動作の急速な変化に適合化され、それにより、このような変化が正規化されたスペクトルの狂いにつながることがなく、もしくは監視で誤表示が現れないという結果につながる。このような対処法では、ガスタービンのうなり音中であっても、すなわち、共振振動によって燃焼室内で明らかに高い暗騒音がきわめて急激に、例えば約０．５ｓの時間定数で、係数５またはそれ以上の振幅上昇で発生しているときでも、外れた部品の衝突が認識されるようにすることが可能である。

そして、前述のように計算された平均値Ａ-_s（ｆ_1,i，ｔ）と、平均偏差ｓ（ｆ_1,i，ｔ）とを用いて、分位数法を基礎とする次の計算ステップで、その都度存在しているデータセットＡ-_s（ｆ_1,i，ｔ）から、先ほど計算した平均値Ａ-_s（ｆ_1,i，ｔ）よりも有意に大きい第１の値Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ_m）を消去することによって、改善された平均値Ａ-_opt,s（ｆ_1,i，ｔ）を求めることができる。このとき現実問題としては、Ａ-_s（ｆ_1,i，ｔ）＋３ｓ_s（ｆ_1,i，ｔ）よりも大きい第１の値Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ_m）の平均値計算を消去するのが好ましいことが判明している。そして、この完全なデータセットＡ _s（ｆ_1,i，ｔ）によって、α分位数ないし（１−α）分位数を用いてあらためて平均値計算が実行され、このとき、

が成り立ち、Ｍ_Eは、Ａ_s（ｆ_1,i，ｔ）＋３ｓ_s（ｆ_1,i，ｔ）よりも大きい第１の値Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ_m）の個数である。この代替案として、これらの値の分だけ減らしたデータセットによってあらためてα分位数ないし（１−α）分位数を規定することも可能であり、数学的には同一である。そして、このようなδ分位数ないし（１−δ）分位数を用いて、もしくは低減されたデータセットにより得られたα分位数ないし（１−α）分位数を用いて、上に掲げた式に準じて、改善された平均値Ａ-_opt,s（ｆ_1,i，ｔ）ないし改善された平均偏差ｓ_opt,s（ｆ_1,i，ｔ）が算出される。

そして、上述したようにして算出された平均値Ａ-_s（ｆ_i，ｔ）もしくはＡ_opt,s（ｆ_i，ｔ）と、平均偏差ｓ_s（ｆ_i，ｔ）もしくはｓ_opt,s（ｆ_i，ｔ）を用いて、第１の値Ａ_1,sの正規化された偏差Ｄ_s（ｆ_i，ｔ）が平均値Ａ-_sから次式により算出される。

または

時点ｔのときに有効な平均値Ａ-_s（ｆ_1,i，ｔ）と、該時点ｔで有効な平均偏差ｓ_s（ｆ_1,i，ｔ）を求めるために、Ｍ個のスペクトルのうち第１の値Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ）が評価される。換言すると、平均値Ａ-_s（ｆ_1,i，ｔ）もしくはＡ-_opt,s（ｆ_1,i，ｔ）と、平均偏差ｓ_s（ｆ_1,i，ｔ）もしくはｓ_opt,s（ｆ_1,i，ｔ）とはいずれも絶えずＭ回の変換によって更新される。この更新は第１の時間ステップδｔ₁で行われる。このとき、新たな平均値Ａ-_s（ｆ_1,i，ｔ＋δｔ₁）もしくはＡ-_opt,s（ｆ_1,i，ｔ＋δｔ₁）の計算、および新たな平均偏差ｓ_s（ｆ_1,i，ｔ＋δｔ₁）もしくはｓ_opt,s（ｆ_1,i，ｔ＋δｔ₁）の計算の基礎となるデータセットＡ_1,s（ｔ＋δｔ₁）は、第１の（古いほうの）値を削除し、新たな値を追加することによって形成される。これは、時点ｔに対して対称に配置された時間区域Ｔの場合、第１の値

ないし

である。１つの好ましい実施形態では、周波数ｆ_1,iを取り囲む、２Ｌ＋１周波数で構成される既存の周波数領域ｆ_1,iー_L，ｆ_1,i-L+1，．．．ｆ_1,i+Lのなかで、正規化された偏差Ｄ_s（ｔ，ｆ_1,i）が追加的に平均され、平均の正規化された偏差Ｄ_s（ｆ_1,i，ｔ）が次式

によって算定される。この追加の計算ステップは、背景信号しか存在していない領域で、正規化された偏差の大きさと変動幅の低下につながる。有効信号の割合は、隣接する周波数線を中心として常にセンタリングされた状態で現れるので、周波数領域内で平均をとることによって顕著には変化しない。このような方策により、信号対背景比がさらに１０から１５ｄＢだけいっそう改善される。

閾値Ｄ_0,sが追加的に導入され、正規化された偏差Ｄ-_v,s（ｆ_1,i，ｔ）がＤ-_s＜Ｄ₀，ｓについてはＤ-_v,s＝Ｄ_0,sによって、またＤ-_s≧Ｄ₀，ｓについてはＤ-_v,s＝Ｄ-_sによって規定されると、信号対背景比のさらなる改善が実現される。

このようにして求められた正規化された偏差Ｄ-_s（ｆ_1,i，ｔ），Ｄ-_s（ｆ_1,i，ｔ）、またはＤ-_v,s（ｆ_1,i，ｔ）が二乗され、すべての離散周波数ｆ_iにわたって合算される。

または

そしてこの合計Ｓ_s（ｔ）から、根の形成によって第１の評価関数Ｋ_1,s（ｔ）が導き出される。

この評価関数は、衝撃の発生を示す指標としての役目をするものである。その代替案として、合計Ｓ_s（ｔ）の根と、この根の時間的な移動平均値との間の差異の算出によって評価関数を形成することもでき、

衝撃の発生を表す特性量としての役目をすることができる。Ｋ_1,s（ｔ）またはＫ_1,s（ｔ）が、ガスタービンの場合には１．５から２の間である第１の閾値Ｋ_1,0（アラーム閾値）を超過すると、このことは、外れた部品の衝突を示す徴候である。以下の説明では、一例として、式（１）に基づいて算出した評価関数Ｋを前提とする。

事象が発生する時点ｔ_sの判定すなわち経過時間差の判定が各々のセンサについて可能である精度は、主として、第１の評価関数Ｋ_1,sの上昇速度に依存して決まる。ただし第１の評価関数Ｋ_1,sの上昇は、第１のタイムスロットΔｔ₁が大きくなればなるほど、いっそうゆっくりと行われる。

その様子は、図５と図６に１つの測定チャネルについて示されている。図５では、理想化された測定信号Ｍが時間ｔに対してプロットされ、これにバースト２０が時間インターバルｔ_aからｔ_bで重なり合っている。図６は、時間領域ＴＳの内部にある異なる第１および第２のタイムスロットΔｔ₁もしくはΔｔ₂によって図５の測定信号Ｍから導き出された、第１および第２の評価関数Ｋ₁（曲線ａ）もしくはＫ₂（曲線ｂ）が、時間ｔに対してプロットされた理想化されたグラフを示している。バースト２０がまだ始まっていない第１のタイムスロットΔｔ₁で第１の評価関数Ｋ₁が求められると、理想的な場合ではＫ₁＝１が得られる（Ｋ₁の代わりに第１の評価関数Ｋ₁が使われたときは、理想的な場合ではＫ₁＝０が得られる）。そして、第１のタイムスロットΔｔ₁は第１の時間ステップδｔ₁で右に向かって移動してゆき、バースト２０が第１のタイムスロットΔｔ₁から連続して検出され、それにより、フーリエ変換を行ったときに、バースト２０に含まれる周波数割合が第１の評価関数Ｋ₁の算定時に次第に大きい役割を演じることになる。そして、第１のタイムスロットΔｔ₁が右側の縁部でバースト２０の端部に時点ｔ_bで達すると、バースト２０はこの第１のタイムスロットΔｔ₁の内部に完全に入り、それにより、第１の評価関数Ｋ₁はその最大値に達することになる。次いで、第１のタイムスロットΔｔ₁の左側の縁部がバースト２０の端部と一致すると、第１の評価関数Ｋ₁はあらためて１まで減少する。予想されるバースト２０の幅に少なくとも相当している第１のタイムスロットΔｔ₁の幅に基づき、第１の評価関数Ｋ₁の上昇はタイムスロットｔ_aからｔ_bで比較的ゆっくりと行われ、その様子は図６の曲線ａに示されている。さらに図５には、第１のタイムスロットΔｔ₁よりも有意に短い第２のタイムスロットΔｔ₂が図示されている。この第２のタイムスロットΔｔ₂により、第２の評価関数Ｋ₂が第２の短い時間ステップδｔ₂＜δｔ₁で、上に第１の評価関数Ｋ₁の算出について説明したのと同じアルゴリズムにより、および短い第２のタイムスロットΔｔ₂に合わせて適合化された第２の周波数ｆ_2,i（パラメータ）により算出される。第２のタイムスロットΔｔ₂と第２の時間ステップδｔ₂は、いずれも第１のタイムスロットΔｔ₁もしくは第１の時間ステップδｔ₁より短いので、第１の評価関数Ｋ₁よりも有意に早く上昇し、図面の例では第２のタイムスロットΔｔ₂の長さにほぼ相当する、有意に短い時間内ですでに最大値に達し、その様子は図６の曲線ｂに見ることができる。この図では、第２の短いタイムスロットΔｔ₂によって算出される第２の評価関数Ｋ₂が、フーリエ変換の基礎となるデータ量が少ないことに基づき、有意に高い雑音を有する様子も明らかにわかる。

短いタイムスロットΔｔ₂に基づき、周波数スペクトルは離散の少ない周波数を含む。換言すると、第２の値Ａ_2,s（ｆ_2,i，ｔ）が少ない第２の周波数ｆ_2,iについて存在しているが、第２の周波数ｆ_2,iの集合は第１の周波数ｆ_1,iの集合の部分集合である。

そして、すべての測定チャネルについて上に掲げたアルゴリズムで算出される第１の評価関数Ｋ_1,s（ｔ）を用いて、バーストの発生に関してすべての測定チャネルの監視がきわめて高い感度で行われ、このとき、個々のチャネルにおけるバーストの開始を低い精度でしか判定できないことは甘受される。

そして、いずれかの測定チャネルでバーストがトリガ時点ｔ₀で確認されると（第１の閾値を超える第１の評価関数Ｋ_1,sの上昇＞Ｋ_1,0）トリガ信号が発せられ、このトリガ信号は、トリガ信号の時点ｔ₀を中心としてほぼ対称に位置する時間領域ＴＳで、すべてのチャネルに保存されている測定信号を約１０ｓのあいだフリーズさせる（プレトリガ）。次いですべてのチャネルについて、それぞれ第２の評価関数Ｋ_2,s（ｔ）が上に掲げたアルゴリズムによって算出されるが、ただしこの算出のためには、トリガ時点ｔ₀またはその直前に第１の値Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ）から求められた、第２の周波数ｆ_2,iについて有効な平均値Ａ-_s（ｆ_2,i，ｔ₀）と標準偏差値Ｓ_s（ｆ_2,i，ｔ₀）とが基礎におかれる。それが可能である理由は、トリガ時点までは重ね合わされたバースト信号が存在しておらず、したがってその値は純粋な動作暗騒音を表しているからであり、さらには、その後の短時間でバースト中に動作暗騒音が有意には変化しないと想定されるからである。

図７ａ〜ｆは、それぞれセンサ４_s（４_1-6）により原子炉圧力容器のさまざまな測定位置で検出される測定信号Ｍ_s（Ｍ_1-6）（曲線ｃ）を、およそ３０ｍｓの時間について示している。これらのグラフからただちに見てとることができるように、少なくとも図７ｂのグラフで測定信号Ｍ₂に事象の発生を特定することができるが、ただし、それが動作状態の移行であるのか、それとも外れた部品の衝突に起因するインパルス的な事象であるのかを、測定信号から直接読み取ることは可能ではない。

上に挙げたいずれか１つの方法を用いて得られる第２の評価関数Ｋ_2,s（ｔ）は、図７ａ−ｆには、それぞれ連続する曲線ｄとして図示されている。図示した例では、第２の評価関数Ｋ_2,s（ｔ）は反復式の手法により算出されている。各図面からわかるように、第２の評価関数Ｋ_2,s（ｔ）はそれぞれ異なる時点ｔ_s＝ｔ₁からｔ₆で有意な上昇を示している。これらの時点ｔ_sは、例えば第２の評価関数Ｋ_2,s（ｔ）がそれぞれ所定の第２の閾値Ｋ_2,0を超えた時点として判定することができる。これらの時点ｔ_sが既知であれば、インパルス的な事象の発生を確実に認識できるばかりでなく、センサ場所が既知ならば、経過時間差ＬＺｔ₁−ｔ₂，ｔ₁−ｔ₃，．．．（本例ではｔ₁−ｔ₂，ｔ₃−ｔ₂，ｔ₄−ｔ₂，ｔ₅−ｔ₂およびｔ₆−ｔ₂）に基づいて衝撃の場所を推定することも可能である。

このようにして各々の測定チャネルについて算出される第２の評価関数Ｋ_2,sを用いて、次のステップでは、インパルス的な作用によって引き起されるバースト信号がそれぞれのセンサ４_sの場所で生じる時点ｔ_sのいっそう厳密な算出が行われる。この厳密な算出について、図８と図９に示すグラフを参照しながら以下に説明する。

図８は、このようにして算出される第２の評価関数Ｋ_2,sの典型的な推移を示している（第２の時間区域δｔ₂＝０．１６ｍｓ、第２のタイムスロットΔｔ₂＝２．５６ｍｓ）。この第２の評価関数Ｋ_2,sは、第２の閾値Ｋ_2,0を時点ｔ_sで超過している。この第１の閾値Ｋ_1,0に基づき、第２の評価関数Ｋ_2,sの上昇がバーストに割り当てられる。そして、第２の評価関数Ｋ_2,sが時間ｔに対して微分される。これに対応する微分商ｄＫ_2,s／ｄｔが、時間に対する曲線として図９にプロットされている。そしてこの曲線で、時点ｔ_sを起点として、微分商が０になる時点、すなわち第２の評価関数Ｋ_2,sが第１の局所的な最大値に達する時点を探す。これは時点ｔ₁で該当する。そして、曲線が値０に達する時点ｔ２＜ｔ１が求められる。このｔ２からｔ１の範囲内で、第２の評価関数Ｋ_2,sの最大の勾配を表している最大値ＤＫ_max,sが求められる。そしてこの最大値ＤＫ_max,sを用いて、ＤＫ_0,s＝βＤＫ_max,sの関係により閾値差ＤＫ_0,sが算出され、このときβは０．０５から０．２の間の値である。そして、第１の導関数ｄＫ_2,s／ｄｔが時間インターバルｔ２−ｔ１で最初にこの閾値差ＤＫ_0,sを超過する時点ｔ_s,korrが、修正された時点として、経過時間差を算出するために援用される。このようにして経過時間の正確な判定が可能である。

本発明による装置の一実施例を示す模式的な原理図である。 測定信号Ｍが時間的に高い解像度で時間ｔに対してプロットされている簡略化したグラフである。 測定信号から高速フーリエ変換によって求められた周波数スペクトルの値Ａが、所定の周波数ｆ_iで時間ｔに対してプロットされているグラフである。 スペクトルの値の時間的な移動平均値Ａが、所定の周波数ｆ_iで同じく時間ｔに対してプロットされているグラフである。 測定信号でただちに認識可能なバーストを含む理想化された測定値Ｍが時間ｔに対してプロットされているグラフである。 異なるタイムスロットによって図５の測定信号から求められる評価関数Ｋ₁およびＫ₂が、時間ｔに対してプロットされているグラフである。 異なる位置に配置されたセンサによって、外部作用の存在下でそれぞれ検出される設備部品の動作音（測定信号Ｍ）、ならびに、本発明の方法により第２のタイムスロットによって求められる評価関数（Ｋ₂）が、時間ｔに対してプロットされているそれぞれのグラフである。 異なる位置に配置されたセンサによって、外部作用の存在下でそれぞれ検出される設備部品の動作音（測定信号Ｍ）、ならびに、本発明の方法により第２のタイムスロットによって求められる評価関数（Ｋ₂）が、時間ｔに対してプロットされているそれぞれのグラフである。 異なる位置に配置されたセンサによって、外部作用の存在下でそれぞれ検出される設備部品の動作音（測定信号Ｍ）、ならびに、本発明の方法により第２のタイムスロットによって求められる評価関数（Ｋ₂）が、時間ｔに対してプロットされているそれぞれのグラフである。 異なる位置に配置されたセンサによって、外部作用の存在下でそれぞれ検出される設備部品の動作音（測定信号Ｍ）、ならびに、本発明の方法により第２のタイムスロットによって求められる評価関数（Ｋ₂）が、時間ｔに対してプロットされているそれぞれのグラフである。 異なる位置に配置されたセンサによって、外部作用の存在下でそれぞれ検出される設備部品の動作音（測定信号Ｍ）、ならびに、本発明の方法により第２のタイムスロットによって求められる評価関数（Ｋ₂）が、時間ｔに対してプロットされているそれぞれのグラフである。 異なる位置に配置されたセンサによって、外部作用の存在下でそれぞれ検出される設備部品の動作音（測定信号Ｍ）、ならびに、本発明の方法により第２のタイムスロットによって求められる評価関数（Ｋ₂）が、時間ｔに対してプロットされているそれぞれのグラフである。 第２のタイムスロットにより１つのセンサについて求められる評価関数Ｋ₂もしくはその時間の導関数ｄＫ₂／ｄｔが、時間ｔに対してプロットされているそれぞれのグラフである。 第２のタイムスロットにより１つのセンサについて求められる評価関数Ｋ₂もしくはその時間の導関数ｄＫ₂／ｄｔが、時間ｔに対してプロットされているそれぞれのグラフである。

符号の説明

２ 設備部品
４_1,s,p センサ
６ 前置増幅器
８ マルチプレクサ
１０ アナログ／デジタル変換器
１２ 計算装置
１４ 比較装置
１６ トランジエントレコーダ
１８ 評価コンピュータ
２０ バースト
Ｍ_s 測定信号
Ｋ_1,s；Ｋ_2,s 第１、第２の評価関数
ｔ 時間
Δｔ_1,2 第１、第２のタイムスロット
δｔ_1,2 第１、第２の時間ステップ
Ａ_1,s；Ａ_2,s 第１、第２の値
ｆ_i 周波数
Ａ-_s 平均値
Ａ_1,s データセット
Ｔ 時間区域
ＴＳ 時間領域
ＤＴ 時間間隔
ｔ_s 時点
ｔ_s,korr 修正された時点
ｔ₁、ｔ₂ 時点
ＤＫ_max,s 最大値
ＤＫ_0,s 閾値差
Ｋ_1,0 第１の閾値
Ｋ_2,0 第２の閾値

Claims (9)

1. 設備部品（２）に対するインパルス的な機械的作用の場所を検出する方法において、前記設備部品（２）に存在している動作音が前記設備部品（２）に配置された複数（Ｐ）のセンサ（４_s）によって継続的に検出され、前記センサによって測定信号（Ｍ_s）へ変換され、次の構成要件を有し、
   ａ）前記測定信号（Ｍ_s）が１つの時間領域（ＴＳ）についてその都度時間間隔（ＤＴ）をおいて保存され、
   ｂ）第１の時間ステップ（δｔ₁）で時間的に連続する、前記時間領域（ＴＳ）の内部にある第１のタイムスロット（Δｔ₁）のなかで、数学的な変換規則の所定の第１のパラメータ（ｆ_1,i）を用いて各々の前記測定信号（Ｍ_s）の像関数の第１の値（Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ））が算定され、
   ｃ）各々の所定の前記第１のパラメータ（ｆ_1,i）について算定された前記第１の値（Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ））から、各々の第１の時間ステップ（δｔ₁）についてそれぞれ第１の評価関数（Ｋ_1,s（ｔ））が導き出され、
   ｄ）前記第１の評価関数（Ｋ_1,s（ｔ））がそれぞれ第１の閾値（Ｋ_1,0）と比較され、トリガ時点（ｔ₀）における前記第１の評価関数（Ｋ_1,s（ｔ））のうちの少なくとも１つによる前記第１の閾値（Ｋ_1,0）の超過は、機械的作用を表すインパルス的な信号割合の存在を示す指標として評価され、
   ｅ）第２の時間ステップ（δｔ₂）で時間的に連続する、前記時間領域（ＴＳ）の内部にある、前記第１のタイムスロット（Δｔ₁）よりも短い第２のタイムスロット（Δｔ₂）のなかで、数学的な変換規則の所定の第２のパラメータ（ｆ_2,i）により、および同一のアルゴリズムにより第２の評価関数（Ｋ_2,s（ｔ））が求められ、
   ｆ）前記第２の評価関数（Ｋ_2,s（ｔ））がそれぞれ所定の基準を満たしている時点（ｔ_s，ｔ_s,korr）から、およびそれに基づいて得られる経過時間差から、前記作用の場所が判定される方法。
2. 前記第２の時間ステップ（δｔ₂）は前記第１の時間ステップ（δｔ₁）よりも短い、請求項１に記載の方法。
3. 各々の前記第１の時間ステップ（δｔ₁）および各々の所定の前記第１のパラメータ（ｆ_1,i）について第１の平均値（Ａ-_1,s（ｆ_1,i，ｔ））（「Ａ-」は「Ａ」の上に「-」を付した平均値記号、以下同じ）に対する前記第１の値（Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ））の偏差が算定されるとともに、前記平均値に対応する平均偏差（ｓ_s（ｆ_1,i，ｔ））が算定され、これらに基づいて各々の所定の前記第１のパラメータ（ｆ_1,i）について、および各々の前記第１の時間ステップ（δｔ₁）について前記第１の評価関数（Ｋ_1,s（ｔ））が導き出され、前記トリガ時点（ｔ₀）で前記第２のパラメータ（ｆ_2,i）について有効な平均値（Ａ-_1,s（ｆ₂，_i,ｔ₀））と、これに対応する平均偏差（ｓ_s（ｆ_1,i，ｔ₀））との両方が前記第２の評価関数（Ｋ_2,s（ｔ））の算定の基礎に置かれる、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記所定の基準が満たされているのは、前記第２の評価関数（Ｋ_2,s（ｔ））がそれぞれ第２の閾値（Ｋ_2,0）を超過しているときである、請求項１、２または３に記載の方法。
5. 前記所定の基準が満たされているのは、前記第２の評価関数（Ｋ_2,s（ｔ））の第１の導関数が閾値差（ＤＫ_0,s）を超過しているときである、請求項１、２または３に記載の方法。
6. 前記閾値差（ＤＫ_0,s）は前記第２の評価関数（Ｋ_2,s（ｔ））の立ち上がりエッジの最大の勾配（ＤＫ_max,s）から導き出される、請求項５に記載の方法。
7. 前記閾値差（ＤＫ_0,s）はＤＫ_0,s＝βＤＫ_max,sの関係により算出され、このとき０．０５≦β≦０．２である、請求項６に記載の方法。
8. 設備部品（２）に対するインパルス的な機械的作用の場所を検出する装置において、前記設備部品（２）に存在している動作音を継続的に検出して測定するために前記設備部品（２）に配置された複数（Ｐ）のセンサ（４_s）と、前記センサ（４_s）によって検出された測定信号（Ｍ_s）をデジタル化し、デジタル化された前記測定信号（Ｍ）を次の計算ステップを実行するための計算装置（１２）へ転送するために前記センサ（４_s）に後置された少なくとも１つのＡ／Ｄ変換器（１０）とを備え、
   ａ）前記測定信号（Ｍ_s）が１つの時間領域（ＴＳ）についてその都度時間間隔（ＤＴ）をおいて保存され、
   ｂ）第１の時間ステップ（δｔ₁）で時間的に連続する、前記時間領域（ＴＳ）の内部にある第１のタイムスロット（Δｔ₁）のなかで、数学的な変換規則の所定の第１のパラメータ（ｆ_1,i）により各々の前記測定信号（Ｍ_s）の像関数の第１の値（Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ））が算定され、
   ｃ）各々の所定の前記第１のパラメータ（ｆ_1,i）について算定された前記第１の値（Ａ_1,s（ｆ_1,i，ｔ））から、各々の第１の時間ステップ（δｔ₂）についてそれぞれ第１の評価関数（Ｋ_1,s（ｔ））が導き出され、
   ｄ）前記第１の評価関数（Ｋ_1,s（ｔ））がそれぞれ第１の閾値（Ｋ_1,0）と比較され、トリガ時点（ｔ₀）における前記第１の評価関数（Ｋ_1,s（ｔ））のうちの少なくとも１つによる前記第１の閾値（Ｋ_1,0）の超過は、機械的作用を表すインパルス的な信号割合の存在を示す指標として評価され、
   ｅ）第２の時間ステップ（δｔ₂）で時間的に連続する、前記時間領域（ＴＳ）の内部にある、前記第１のタイムスロット（Δｔ₁）よりも短い第２のタイムスロット（Δｔ₂）のなかで、数学的な変換規則の所定の第２のパラメータ（ｆ_2,i）により、および同一のアルゴリズムにより第２の評価関数（Ｋ_2,s（ｔ））が求められ、
   ｆ）前記第２の評価関数（Ｋ_2,s（ｔ））がそれぞれ所定の基準を満たしている時点（ｔ_s）から、およびそれに基づいて得られる経過時間差から、前記作用の場所が判定される装置。
9. 請求項２から７までのいずれか一項に記載の方法を実施するために前記計算装置（１２）に具体化されたアルゴリズムを有する、請求項８に記載の装置。

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