JP2010164357A - 回転体の偏心量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏心量の測定精度の向上を図ることができる回転体の偏心量測定装置を得る。
【解決手段】回転軸７と対向配置される渦電流変位センサ１９からの電気信号Ｖｉｎに、回転軸の材質的不均一や傷により電気信号Ｖｉｎの波形が受ける影響を補償するランナウト補償信号設定回路１５からの補償信号Ｖｃを加算器１６にて加えて、補償電気信号を出力する。第１のサンプルホールド回路５ａは補償電気信号の波形の振幅値Ｖｄを保持し、第２のサンプルホールド回路９ａはサンプルホールド信号発生器８からサンプルホールド信号を受けたときにサンプルホールド回路５ａに保持されている電気信号の波形の振幅値を保持する。低位選択回路１４は、第１及び第２のサンプルホールド回路５ａ，９ａの保持する振幅値のうち小さい方を選んで出力し、この小さい方の値に基づき回転軸の偏心量を求める。ランナウト補償信号設定回路１５を設けたので測定精度の向上が可能である。
【選択図】図１

Description

この発明は、タービン発電機の回転軸などの回転体の偏心量を測定するための回転体の偏心量測定装置に関するものである。

一般に、タービン発電機などの大型回転機においては、起動に際し、その回転軸に曲がりがないことを確認するために偏心量の測定が行われる。この測定は、回転軸を例えばタービン発電機に付属するターニングギヤモータによって１〜６０ｒｐｍ程度の低速で回転させ、回転軸に対向配置された軸偏心検出センサから電気信号を得て、当該電気信号の振幅値に基づいて回転軸の偏心量を算出する（例えば、特許文献１参照）。

なお、軸偏心検出センサは周知の渦電流式の変位センサが用いられ、変位センサの先端部に配設された誘導コイルにより交流磁界を発生させ電磁誘導により上記変位センサが対向する回転軸に渦電流を発生させ当該渦電流による上記誘導コイルのインピーダンスの変化に基づいて回転軸と変位センサ先端部との距離を測定するもので、回転軸面と変位センサ先端部との距離に比例した電気信号を発生する。

ところで、回転軸の表面に材質不均一や傷などがあった場合、軸偏心検出センサからの出力される電気信号に凹や凸の信号すなわち高周波ノイズ（相対的に高周波と称している）が重畳される。この回転軸面の材質不均一による軸偏心検出センサの電気信号への影響を一般的にエレクトロランナウトと言い、回転軸面のキズによる軸偏心検出センサの電気信号への影響はメカニカルランナウトと呼ばれ、総称してランナウトと呼ばれている。

上記のような高周波ノイズを除去するために単なるカットオフ周波数固定型のローパスフィルタを設けたのでは、回転軸の回転周波数が減少した場合、当該ローパスフィルタのカットオフ周波数以下の高周波ノイズが通過するため、算出偏心量の誤差が大きくなる。そこで、回転軸の回転周期の電気信号から回転周期を算出する回転周期演算回路を設け、この回転周期演算回路により算出された周期によってパス周波数帯域を変更できるフィルタ手段を軸偏心検出センサの出力側に設け、回転軸の回転数が減少した場合でも、回転軸の表面の傷等によって発生する高周波ノイズを通過させず、算出偏心量に誤差を生じさせないようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開平０１−２４４３０９号公報（第３頁左下欄第１行〜第１３行及び図１） 特開平１１−１６００１２号公報（段落番号００１０〜００１５及び図１）

従来の回転体である回転軸の偏心量測定装置は以上のように構成され、パス周波数帯域を変更できるフィルタ手段を設けて回転軸の表面の傷等によって発生する高周波ノイズを通過させず、算出偏心量に誤差を生じさせないようにしているが、フィルタ手段による高周波ノイズの除去には限界がある。例えば、軸偏心検出センサの出力波形においてランナウトの影響による波形の凹や凸の継続時間は回転数３ｒｐｍでは２〜４秒に及ぶ場合があり、フイルタなどでは取り除くことが困難であり、より測定精度の向上を図りたいという要請に応えることができなかった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、偏心量の測定精度の向上を図ることができる回転体の偏心量測定装置を得ることを目的とする。

この発明に係る回転体の偏心量測定装置においては、
タイミング信号発生手段と補償手段と振幅値保持手段とを有し回転体の偏心量を測定する回転体の偏心量測定装置であって、
タイミング信号発生手段は、回転体の回転周期に同期して回転周期信号を発するものであり、
補償手段は、回転体と対向配置される渦電流式の変位センサからの電気信号の波形が回転体の材質的不均一や傷により受ける影響を補償するものであって、電気信号を補償して補償電気信号を出力するものであり、
振幅値保持手段は、補償電気信号の波形の振幅値を保持し、回転周期信号により振幅値の保持がリセットされるものであり、
振幅値に基づいて回転体の偏心量を求めるものである。

この発明は、
タイミング信号発生手段と補償手段と振幅値保持手段とを有し回転体の偏心量を測定する回転体の偏心量測定装置であって、
タイミング信号発生手段は、回転体の回転周期に同期して回転周期信号を発するものであり、
補償手段は、回転体と対向配置される渦電流式の変位センサからの電気信号の波形が回転体の材質的不均一や傷により受ける影響を補償するものであって、電気信号を補償して補償電気信号を出力するものであり、
振幅値保持手段は、補償電気信号の波形の振幅値を保持し、回転周期信号により振幅値の保持がリセットされるものであり、
振幅値に基づいて回転体の偏心量を求めるものであるので、
偏心量の測定精度の向上を図ることができる。

この発明の実施の形態１である回転軸の偏心量測定装置の構成を示す構成図である。 動作を説明するためのタイムチャートである。 各部の信号波形を示す信号波形図である。 各部の別の信号波形を示す信号波形図である。 この発明の実施の形態２である回転軸の偏心量測定装置の構成を示す構成図である。

実施の形態１．
図１〜図４は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１は回転軸の偏心量測定装置の構成を示す構成図、図２は動作を説明するためのタイムチャート、図３は各部の信号波形を示す信号波形図、図４は各部の別の信号波形を示す信号波形図である。図１において、回転軸の偏心量測定装置は、ピーク間振幅値検出回路１を有する。

ピーク間振幅値検出回路１は、軸偏心検出センサ１９からの電気信号Ｖｉｎのプラス側のピーク値Ｖｓ（図２（ａ）参照）を保持する第１のピークホールド回路２ａ、電気信号Ｖｉｎのマイナス側のピーク値Ｖｖ（図２（ａ）参照）を保持する第２のピークホールド回路４ａ、ピークホールド回路２ａの出力と第２のピークホールド回路４ａの出力との差を演算する減算回路３、振幅値保持手段としての第１のサンプルホールド回路５ａにて構成されている。第１のサンプルホールド回路５ａは、電気信号Ｖｉｎの波形の振幅値Ｖｄ（＝ｖｓ−Ｖｖ）を保持する。

また、回転軸の偏心量測定装置に関連する機器として、回転体である回転軸６に設けられた突部としての突起７に対向配置されたタイミング信号発生手段としてのサンプルホールド信号発生器８が設けられている。さらに、回転軸の偏心量測定装置は、第２のサンプルホールド回路９ａ、遅延回路１１ａ、１２ａ、低位選択手段としての低位選択回路１４、ランナウト補償信号設定回路１５、加算器１６を有する。ランナウト補償信号設定回路１５は、回転周期演算回路１５ａ及び補償関連値設定器１５ｂを有する。回転周期演算回路１５ａは、回転軸６の回転の周期を演算する。補償関連値設定器１５ｂは、補償バイアス値注入タイミング及び補償バイアス値を設定する。なお、ランナウト補償信号設定回路１５及び加算器１６がこの発明における補償手段である。

軸偏心検出センサ１９は、周知の渦電流式の変位センサが用いられ、変位センサの先端部に配設された誘導コイルにより交流磁界を発生させ電磁誘導により上記変位センサが対向する回転軸に渦電流を発生させ当該渦電流による上記誘導コイルのインピーダンスの変化に基づいて回転軸と変位センサ先端部との距離を測定するもので、回転軸面と変位センサ先端部との距離に比例した電気信号を発生する。

次に、動作を説明する。
サンプルホールド信号発生器８は、回転軸７に設けられた突起７を検知してタービン発電機の回転軸６が１回転すると１回転毎に回転周期信号としてのパルス状のサンプルホールド信号Ｖｒ１を発生する（図２（ｂ））。このサンプルホールド信号Ｖｒ１は、遅延回路１１ａ及び１２ａ（図１）にてそれぞれ所定時間遅延され、リセットパルス信号Ｖｒ２，Ｖｒ３として出力される（図２（ｃ），（ｄ））。なお、ピーク間振幅値検出回路１への電気信号Ｖｉｎは、図２（ａ）のようになっている。

軸偏心検出センサ１９からの電気信号Ｖｉｎが減算器１６を介してピーク間振幅値検出回路１に入力されると、電気信号Ｖｉｎのプラス側及びマイナス側のピーク値Ｖｓ，Ｖｖが第１及び第２のピークホールド回路２ａ，４ａに保持され、減算回路３にて両者の差が求められる。そして、電気信号Ｖｉｎのピーク値（振幅値）Ｖｄ（＝（Ｖｓ−Ｖｖ））として第１のサンプリングホールド回路５ａへ出力される。第１のサンプリングホールド回路５ａはこのピーク値Ｖｄを保持するとともに振幅値としての出力信号Ｖｏｕｔを、第２のサンプルホールド回路９ａ及び低位選択回路１４へ出力する。

第２のサンプリングホールド回路９ａは、時刻ｔｓ１（図２（ｅ））において回転周期信号であるサンプルホールド信号Ｖｒ１を受けて、サンプリングホールド回路５ａから出力されている振幅値Ｖｏｕｔを保持し、振幅値としての出力信号Ｖｏｕｔ−ｍとして出力する。

ところで、例えば図示しないタービンの熱膨張により、時刻ｔｓ２において回転軸６と軸偏心検出センサ１９との距離がステップ状に変化した場合、その変化は図２（ａ）に示すように電気信号ＶｉｎのＤＣオフセット変化Ｖａとなってステップ状に変化する。このようにステップ状に変化した電気信号Ｖｉｎのピーク値Ｖｄは、第１のサンプリングホールド回路５ａに保持され、出力信号Ｖｏｕｔは時刻ｔｓ２において図２（ｅ）に示すようにＶａだけステップ状に大きくなる。この出力信号Ｖｏｕｔが、低位選択回路１４へ入力される。

低位選択回路１４には、第１のサンプルホールド回路５ａから出力信号Ｖｏｕｔが入力され、第２のサンプリングホールド回路９ａから出力信号Ｖｏｕｔ−ｍが入力され、いずれか低い方の値が選択される。従って、第２のサンプリングホールド回路９ａから低位の出力信号Ｖｏｕｔ−ｍが入力されている限り、第１のサンプリングホールド回路５ａから入力される出力信号Ｖｏｕｔが高レベルになっても、低い方の値である出力信号Ｖｏｕｔ−ｍが選択され、出力信号Ｖｏｕｔ−１として出力される。このため、低位選択回路１４は、常にオフセット成分Ｖａをキャンセルした低位の出力信号（振幅値）を選択して出力することができる。この低位選択回路１４から出力される出力信号Ｖｏｕｔ−１に基づいて図示しない偏心量算出手段により回転軸の偏心量が算出される。

なお、第１のサンプリングホールド回路５ａからの出力信号Ｖｏｕｔは時刻ｔｓ１において第２のサンプルホールド回路９ａに保持され、時刻ｔｓ３において（図２（ｅ））次のサンプルホールド信号Ｖｒ１を受けるまで保持され、この間出力信号Ｖｏｕｔ−ｍとして出力が継続される。また、リセットパルス信号Ｖｒ２及びＶｒ３により１回転周期毎に、第１のサンプルホールド回路５ａに保持された振幅値Ｖｏｕｔ、第２のピークホールド回路２ａ，４ａに保持されたピーク値Ｖｓ，Ｖｖをリセットする。

ここで、回転軸６の表面の一部に材質不均一や傷その他の欠陥などがあって、軸偏心検出センサ１９からの電気信号Ｖｉｎに凹や凸の信号が混入するいわゆるランナウト現象が発生した場合について説明する。ランナウト補償信号設定回路１５は、マイクロプロセッサを搭載した回路であり、回転軸６が１回転するに要する回転周期Ｔをサンプルホールド信号発生器８の信号に基いて演算し、サンプルホールド信号発生器８からのサンプルホールド信号を受け付けた時を回転角度０度とし、次のサンプルホールド信号を受け付けたときを３６０度として、１回転当たりの周期Ｔを演算する。

例えば、３ｒｐｍの時は１回転あたりの周期Ｔは２０秒であり、回転角度０度には０秒であり、回転角度３６０度は２０秒となる。回転数が６ｒｐｍの時は１回転あたりの周期Ｔは１０秒であり、回転角度０度は０秒であり、回転角度３６０度は１０秒となる。この周期Ｔと回転角度の関係は、回転時間周期演算回路１５ａで自動的に演算される。

補償関連値設定器１５ｂは、補償バイアス値及び補償バイアス値の注入タイミングを設定するものであり、補償バイアスを設定する角度の範囲と当該角度に対応させた補償バイアス値を設定するものである。図１における補償関連値設定器１５ｂの補償バイアス値を設定するには、軸偏心検出センサ１９からの電気信号Ｖｉｎの波形を測定し、サンプルホールド信号発生器８のサンプルホールド信号の発生時点を起点にランナウト発生位置又はランナウト発生角度とランナウト値とその極性プラス（＋）又はマイナス（−）を把握してから補償関連値設定器１５ｂの補償バイアス値を設定することになる。

ここで、図１における軸偏心検出センサ１９からの電気信号Ｖｉｎの波形Ｃが、図３（ｃ）に示すように１回転中の角度２７０度を中心とする位置においてランナウトが重畳され凸波形となっており、その振幅値はＷ２（＝Ｖｓ−Ｖｖ２）であるとする。この場合、ランナウト補償信号設定回路１５の補償関連値設定器１５ｂにて２７０度を中心とする位置に凹状の補償バイアス値を設定し、図３（ｂ）に示すような補償波形Ｂ（補償信号Ｖｃ）をランナウト補償信号設定回路１５から加算器１６へ出力する。

加算器１６で、図３（ｃ）に示す電気信号Ｖｉｎの波形Ｃと図３（ｂ）に示す補償波形Ｂとが加算されて、加算器１６から図３（ａ）に示すようにランナウトが補償された補償電気信号としての波形Ａを得ることができる。この波形Ａは、補償された振幅値Ｗ１（＝Ｖｓ−Ｖｖ）を有する。
これにより、容易にランナウトによる影響を補償し、回転軸の偏心量の測定精度の向上を図ることができる。

ところで、図４はランナウトが１８０度の位置で発生した場合を示したものである。この図４（ｃ）のように電気信号Ｖｉｎの波形Ｃ１は１８０度の部分の波形にランナウトの影響が出ているが、電気信号Ｖｉｎの振幅値（ピーク対ピーク間）Ｗ２１は、図４（ａ）における波形Ａ１の振幅値Ｗ１１と同じであり、電気信号Ｖｉｎのランナウトは電気信号Ｖｉｎの振幅値に影響を与えない。

しかし、この場合も要すれば図４（ｂ）に示すような補償波形Ｂ１（補償信号Ｖｃ）をランナウト補償信号設定回路１５から加算器１６へ出力し、加算器１６の出力波形Ａ１をランナウトの影響が補償されたものとすることもできる。
以上のように、ランナウトは発生位置により回転軸の偏心量測定装置への電気信号Ｖｉｎの振幅値に影響が出る場合とそうでない場合が発生する。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２である回転軸の偏心量測定装置の構成を示す構成図である。上記実施の形態１ではランナウト補償信号設定回路１５をマクロコンピュータで構成し、これ以外はアナログ式の回路で構成しているが、図５に示すように殆どのものを中央演算装置と記憶手段とを有する計算機装置により所定のプログラムを実行することによりソフトウエア的に構成することもできる。

すなわち、図１におけるアナログ回路をマクロコンピュータによる処理手段に置き替えたものであり、図５において、回転軸の軸偏心量測定装置は、ピーク間振幅値検出手段１０１、第１のピーク値記憶手段１０２ａ、減算手段１０３、第２のピーク値記憶手段１０４ａ、振幅値保持手段としての第１のサンプル値記憶手段１０５ａ、サンプルホールド手段としての第２のサンプル値記憶手段１０９ａ、遅延手段１１１ａ，１１２ａ、低位選択手段１１４、補償手段としてのランナウト補償値設定手段１１５、回転周期演算手段１１５ａ、補償関連値設定手段１１５ｂ、加算手段１１６を有している。

この実施の形態においては、図１における回転軸６に設けた突起７の代わりに、凹部としての溝形成部１０７を設けている。なお、ランナウト補償値設定回路１１５及び加算手段１１６がこの発明における補償手段である。
動作については、実施の形態１で示した回転軸の偏心量測定装置と同様であるので、説明を省略する。

これにより、容易にランナウトによる影響を補償し、偏心量の測定精度の向上を図ることができる。

なお、回転体は回転軸に限られるのではなく、広く渦電流式の変位センサを用いて偏心量を測定するものに適用できる。

１ ピーク間振幅値検出回路、２ａ 第１のピークホールド回路、３ 減算回路、
４ａ 第２のピークホールド回路、５ａ 第１のサンプルホールド回路、６ 回転軸、
８ サンプルホールド信号発生器、９ａ 第２のサンプルホールド回路、
１４ 低レベル選択回路、１５ ランナウト補償信号設定回路、
１５ａ 回転周期演算回路、１５ｂ 補償関連値設定器、１６ 加算器、
１９ 軸偏心量検出センサ、１０１ ピーク間振幅検出手段、
１０２ａ 第１のピーク値記憶手段、１０３ 減算手段、
１０４ａ 第２のピーク値記憶手段、１０５ａ 第１のサンプル値記憶手段、
１０９ａ 第２のサンプル値記憶手段、１１４ 低位選択手段、
１１５ ランナウト補償信号設定手段、１１５ａ 回転周期演算手段、
１１５ｂ 補償関連値設定手段、１１６ 加算手段。

Claims (4)

1. タイミング信号発生手段と補償手段と振幅値保持手段とを有し回転体の偏心量を測定する回転体の偏心量測定装置であって、
   上記タイミング信号発生手段は、上記回転体の回転周期に同期して回転周期信号を発するものであり、
   上記補償手段は、上記回転体と対向配置される渦電流式の変位センサからの電気信号の波形が上記回転体の材質的不均一や傷により受ける影響を補償するものであって、上記電気信号を補償して補償電気信号を出力するものであり、
   上記振幅値保持手段は、上記補償電気信号の波形の振幅値を保持し、上記回転周期信号により上記振幅値の保持がリセットされるものであり、
   上記振幅値に基づいて上記回転体の偏心量を求めるものである
   回転体の偏心量測定装置。
2. サンプルホールド手段と低位選択手段とを有するものであって、
   上記サンプルホールド手段は、上記回転周期信号に基づいて所定のタイミングで上記振幅値を保持するものであり、
   上記低位選択手段は、上記振幅値保持手段保持する上記振幅値と上記サンプルホールド手段が保持する上記振幅値とのうちいずれか低い方の値を選択するものであり、
   上記選択された低い方の値に基づいて上記回転体の偏心量を測定するものである
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転体の偏心量測定装置。
3. 上記タイミング信号発生手段は、上記回転体に設けられた突部または凹部を検出する回転検出手段が発する上記突部または上記凹部の検出信号に基づいて上記回転周期信号を発するものであることを特徴とする請求項１に記載の回転体の偏心量測定装置。
4. 上記タイミング信号発生手段と上記振幅値保持手段と上記サンプルホールド手段と上記補償手段と上記低位選択手段は、中央演算装置と記憶手段とを有する計算機装置が所定のプログラムを実行することにより実現されるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転体の偏心量測定装置。

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