JP2010151774A - 電磁診断装置用センサ - Google Patents

Abstract

【課題】導電性回転体に発生した異常状態を該回転体に非接触で検知することのできるピックアップコイルと磁石を分離した電磁診断装置用センサを提供する。
【解決手段】前記回転体の近傍に配置した磁場発生源と、この磁場発生源により発生した磁場中を運動することにより回転体に誘導された電流が発生する磁場を測定するための電磁診断装置用センサにおいて、ピックアップコイルと磁石を分離し、ピックアップコイルを平板上に巻く構造とすることにより、磁場による回転機の通常の運転に影響を与えることなしに、且つ回転体から近い位置に該ピックアップコイルを設置できるため電磁信号として従来技術に比べて大きなものを得ることができるので、回転体の異常を容易に検知することができ、また得られる信号から異常状態を容易に分類することを特徴とする電磁診断装置用センサ。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁現象を用いて導電性回転体を有する回転機の異常状態を非接触で検出することを実現する状態監視および状態診断技術に関するものである。

タービン、ポンプ、送風機、エンジン、遠心分離機などの回転機においては、長時間運転に伴う損傷および欠陥の発生は避けることができない。該回転機の部位によっては、回転機における不具合の発生がシステム全体の停止及びシステム自身の損傷につながる可能性があるため、定期的もしくは連続的に回転機の状態を診断し、不具合の発生の兆候を可能な限り早期に検知することが求められている。従来は、回転機器の軸振動における変位、速度、加速度、およびその振動スペクトルデータ等を収集し、それらのデータに基づいて回転機の状態を診断するという方法が用いられてきた。たとえば、特許公開平０８−２５４４０２においては、回転軸又は回転軸外周部に設けられた部品に磁性体を装着し、磁気センサにて外部磁場を検知することにより、回転軸の軸ぶれ幅、軸方向移動距離を計測する方法が適用されている。

回転機の損傷の多くは、軸受けの磨耗に起因するものであり、これまでの研究により、軸受けの磨耗に起因する損傷であれば、回転軸の振動を測定することで、ある程度の故障を予知できた。しかしながら、回転機の振動を測定することによって、それが軸受けの欠陥なのか回転翼の欠陥なのか等を特定することは難しく、ましてやどのような種類の回転機異常なのかを同定することは困難である。

軸受の磨耗の測定における従来技術では、使用されている転動体の形の変形やき裂を直接測定する目視検査が有効であり、主要な検査技術として採用されてきた。しかしながら目視検査は、回転機全体の分解を不可欠としており、それには多額のコストと時間を要する。そのため現在では、軸受けに使用されている油内の磨耗粒子を分析することによって故障を予知しているが、油内の磨耗粒子を測定する手法では早急な検査ができないため、常時の状態監視が困難で、検査結果がでるまでの間に、軸受け欠陥が進行し、故障に進展する可能性を否定できない。また、オンラインセンサなどの常時の油分析装置によるモニタリングは、簡易的ではあるが信頼性の高い状態監視方法であるとは言い難い。そこで、電磁診断技術による回転機の回転体に発生した欠陥等の異常の早期検出を可能とする状態監視技術が提案された（出願番号２００６−３０３３３７）。このような状態監視を実現するためにはセンサを常時設置することが望ましい。この電磁診断技術による状態監視技術においては、永久磁石にコイルを巻いたセンサが使用されている（プラントエンジニア１０：２００８年ＰＭ優秀商品賞開発賞、電磁診断装置“電磁郎”、日本プラントメンテナンス協会発行、２００８年１０月）。このようなセンサを長時間設置した状態で回転機を運転すると、永久磁石から発生磁場により回転機の回転状態や金属異物を補足する等の悪影響を与える可能性がある。また、このようなセンサでは、コイルが永久磁石にソレノイド状に巻いているため、回転機からコイルが遠くなるに従い磁束の検出への感度が小さくなるため、巻数を増大することが考えられるが、巻数を増大するとその分ソレノイドの長さが大きくなり、巻数の増大に見合った感度が得られず限界があるという欠点があった。

本発明は、このような課題を解決するために、センサ部を回転機に長期間装着しても磁場の影響を回転機に与えることがなく、且つ高い検出感度が得られる電磁診断装置用センサを提供するものである。

上述の課題を解決するため発明では、電磁診断装置用センサにおいて、センサ部の磁石とピックアップコイルを分離し、ピックアップコイルを平板上に巻く構造とし、測定する時には該ピックアップコイルと磁石をセットで電磁診断装置用センサとして使用することを特徴とする。

本発明の電磁診断装置用センサにおいては、回転機のケーシングにピックアップコイルを長期間装着することが可能で、測定する時のみ磁石をピックアップコイルの近傍に設置することにより、回転機の回転体に発生する渦電流によって生じる磁束を検出することができる。また、ピックアップコイルを平板上に巻いたことによって、回転体からピックアップコイル全体が近い位置に設置できることにより、高い検出感度を得ることができる。

以下、本発明における実施例について、添付図面に基づいて詳細に説明する。各図に共通の部分は同じ符号を使用している。

図１に本発明の電磁診断装置用センサの実施例を示す。磁場を発生させるための磁石１を磁場を検出するためのピックアップコイル２の近傍に設置した電磁診断装置用センサの例を示す。図２に本発明の電磁診断装置用センサを用いた回転機の状態監視技術システムに適用した場合のブロック図を示す。３はアンプ、４はオシロスコープ＆データ処理装置を示す。磁場を発生させるための磁石１からは、通常静磁場を発生させ、監視対象物の近傍に設置することにより、回転体が静磁場中を移動することによって回転体導体中に渦電流が発生し、該渦電流による磁束を磁場センサ２によって、磁束変化による起電力を観測する。磁束変化による起電力は巻き数に比例するので、ピックアップコイル２の巻き数は必要に応じて設定される。１つの例として示すと、数百ターン程度のコイルの場合もある。ピックアップコイル２で検出された起電力の信号はアンプ３で増幅されオシロスコープ＆データ処理装置４のディスプレーに表示される。

図３は、本発明が回転機の一例であるポンプに適用された場合の実施例を示す。図３がポンプのインペラ部ケーシングにピックアップコイルを設置した場合の鳥瞰図を示す。図４は従来のセンサをポンプのインペラ部ケーシングに取り付けた場合の鳥瞰図を示す。

図５は本発明の電磁診断装置用センサをインペラの回転に対して径方向に設置した場合を示す図である。この図で、４枚の回転翼からなるインペラ１０は回転軸１１に取り付けられており、インペラ１０は回転軸１１のまわりを、１２に示す矢印の方向に回転する。１は磁場を発生させるための磁場発生源であり、２は磁場センサである。インペラ１０が磁場発生源である磁石１によって発生した静磁場中を横切る時に、インペラ１０中に起電力が生じ、その結果電流が誘起される。この電流の流れ方はインペラ１０中の欠陥の存在の有無および欠陥の性状によって変化するため、磁場センサ２によって検出される信号の値から、欠陥の存在の検知および評価を行うことができる。

例えば、図５に示すように４枚の回転翼を持つインペラ１０が、毎秒１０回転している回転機による信号の例について説明する。磁場センサ２には誘導コイルを用いている。測定した信号について以下に説明する。翼に異常が無く、すべての翼の形状が同一である場合には、磁場センサ２の出力信号波形は、図６のように０．１秒間に同形の波形１３が４つ含まれる周期的なものとなる。それに対して、たとえば回転翼の１つに欠損が発生している場合には、得られる信号は図７のように回転翼の該欠陥翼からの寄与が欠落することにより、０．１秒間に２つの同形の波形１３と比較的周期の長い信号１４が得られる。

このような信号が得られるためには、インペラの回転翼からの信号が観測できることが前提である。本発明の電磁診断装置用センサでは、ケーシング５に直に設置できるので、観測対象であるインペラから最も近い位置に設置できる。このため、従来の電磁診断装置用センサと比較して、大きな信号が観測できる。図８に、本発明の電磁診断装置用センサを用いた場合と従来の電磁診断装置用センサを用いた場合のインペラからの信号の比較を示す。該図から明らかなように、本発明の電磁診断装置用センサを用いた場合には、従来の電磁診断装置用センサを用いた場合と比較して、大きな信号が得られ手いることが判る。

以上のように、本発明の電磁診断装置用センサを適用することによって大きな信号が得られるため、インペラに発生した欠陥を検出、および得られた信号からどのような欠陥が発生しているのかを容易に評価することが出来る。

本技術は磁場センサ直下を移動する回転体に対して感度が高く、磁場センサと被検査部との距離が離れるに従ってき裂検出性能が著しく低下するという欠点を補完することを狙いとしている。図３、図５のように回転翼近傍にピックアップコイル２を配置することにより、インペラからの大きな信号が得られることが図８によって示された。その結果、機器の異常を容易に検出および評価することが出来る。

本技術は磁場センサ直下を移動する回転体に対して感度が高く、磁場センサと被検査部との距離が離れるに従ってき裂検出性能が著しく低下するという欠点を補完することを狙いとしている例として、ピックアップコイル２を披検体に近い位置であるケーシングの内側に設置した場合の実施例を図９により説明する。図９はベアリングおよびそのケーシングを模式的に示したものである。ピックアップコイル２をベアリングケーシング８の内側に設置し、磁石１はベアリングケーシング８の外側に設置した場合を示す。該図において、１５はベアリングの玉、１６はベアリングの内輪、１７はベアリングの外輪である。ベアリングの玉１５は１８に示す方向に公転している。従来のセンサでは、大きさの点で、もう一つは磁場による機器運転への影響という点で、ベアリングケーシング８の内側に半永久的に設置しておくことは難しい。本発明の電磁診断用センサのピックアップコイル２は、測定用の端子をベアリングケーシング８の外側に導いてあれば、ベアリングケーシング８に半永久的に固定して置いても装置運転には何ら影響を与えない。測定するときだけ磁石１を図９のように設置し、普段は磁石を撤去した状態で運転することができる。

発明の効果

本発明の電磁診断装置用センサによれば、磁場による回転機の通常の運転に影響を与えることなしに、回転体からの電磁信号として従来技術に比べて大きなものを得ることができるので、回転体の異常を容易に検知することができ、また得られる信号から異常状態を分類することも容易である。

本発明の電磁診断装置用センサ 本発明の電磁診断装置用センサを含む計測システム 本発明の一実施例である電磁診断装置用センサをポンプインペラケーシングの外側に軸方向に設置した場合の鳥瞰図 従来のセンサをインペラケーシングの外側に軸方向に設置した場合の鳥瞰図 本発明の一実施例である電磁診断装置用センサをポンプインペラケーシングの外側に径方向に設置した場合の鳥瞰図 図３に示す本発明の一実施例において、軸が毎秒１０回転しており、いずれの回転翼にも損傷が無いときに得られる信号（ｔは時間、Ｖは信号電圧を示す） 図２に示す本発明の一実施例において、軸が毎秒１０回転しており、回転翼の１つが欠落しているときに得られる信号（ｔは時間、Ｖは信号電圧を示す） 図３に示す本発明の一実施例と図４に示す従来の電磁診断装置用センサにおいて、得られるインペラ信号の比較を示す図（１秒間の信号の変化を示す） 本発明の一実施例において、電磁診断装置用センサのピックアップコイル２をベアリングケーシング８の内側に設置し磁石２を外側に設置した場合の模式図

符号の説明

１ 磁場を発生させるための磁石
２ 磁場を検知するためのピックアップコイル
３ アンプ
４ オシロスコー＆データ処理装置
５ インペラケーシング
６ 入口管
７ 出口管
８ ベアリングケーシング
９ 従来の電磁診断装置用センサ
１０ インペラ
１１ 回転軸
１２ 回転方向
１３ 回転翼２が磁場を横切ることによって発生した磁場の変化による信号
１４ 回転翼２が欠損した箇所が磁場を横切ることによって発生した磁場の変化による信号
１５ ベアリングの玉
１６ ベアリングの内輪
１７ ベアリングの外輪
１８ ベアリング玉の公転方向

Claims (2)

1. 回転体の近傍に配置した磁場発生源と、この磁場発生源により発生した磁場中を運動する回転体に誘導された電流が発生する磁場を測定するための電磁診断装置用センサにおいて、センサ部の磁石とピックアップコイルを分離し、ピックアップコイルを平板上に巻く構造とし、測定する時には該ピックアップコイルと磁石をセットで使用することを特徴とする電磁診断装置用センサ。
2. 請求項１の発明において、該ピックアップコイルをベアリングケーシングの内側に設置し、磁石はベアリングケーシングの外側に設置することを特徴とする電磁診断装置用センサ。

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