JP2010230595A - 回転体検査装置およびコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 高速で回転する回転体を、回転させたまま異常の有無を調査する調査技術を提供する。
【解決手段】 被検査物である回転体(10)の回転軌道の一部または全部を撮影可能な場所へ単列直線上に並べた多数の受光体を備えたラインセンサ(20)と、 そのラインセンサ(20)にて一定時間間隔にて繰り返し撮影した撮影データを蓄積する撮影データ蓄積手段(30)と、 その撮影データを用いて長さおよび時間を次元とする二次元画像データとして合成する二次元画像データ作成手段と、 その二次元画像データに基づいて異常の有無を判断する異常判断手段(32)と、を備えた回転体検査装置とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転体（より具体的には風力発電装置のブレードなど）の状態が正常であるか否かを調査する回転体検査装置に関する。

風力発電装置におけるブレードに狂いがあると、発電効率が減少し、本来は生じない騒音、振動などが発生する。最悪の場合には、破損に至る。
ブレードの狂いは、着氷などの外部要因による変化や、風圧などの外力に伴う変形などが原因となる。

本願発明に関連すると思われる特許を調査したところ、以下の技術を発見した。変化に対して風力タービンの運転を適合させることができるようにする、という目的で開発された技術であり、特開２００６−５２８３０７号（風力タービン運転方法）である。この技術は、着氷しても運転を停止せずに発電を続けるための技術である。したがって、内的要因に起因するブレードの変形などには対応できない。

特開２００６−５２８３０７号公報

ところで、風力発電装置は、運転中はブレードが高速で回転している。その高速回転中でないと、異常がどこにあるかを検知できない場合がある。このため、運転中にブレードの異常を検知できる技術が求められていた。
しかし、異常であるか否かを判断するには、客観的なデータとしての撮影データが必要である。高速に高解像度の撮影を行わなければならないため、これまでは適切な検知技術が存在しなかった。

本発明が解決しようとする課題は、高速で回転する回転体を、回転させたまま異常の有無を調査する調査技術を提供することにある。

（第一の発明）
被検査物である回転体(10)の回転軌道の一部または全部を撮影可能な場所へ単列直線上に並べた多数の受光体を備えたラインセンサ(20)と、 そのラインセンサ(20)にて一定時間間隔にて繰り返し撮影した撮影データを蓄積する撮影データ蓄積手段(30)と、 その撮影データ蓄積手段(30)に蓄積された撮影データを用いて長さおよび時間を次元とする二次元画像データとして合成する二次元画像データ作成手段と、 その二次元画像データに基づいて異常の有無を判断する異常判断手段(32)と、を備えた回転体検査装置に係る。

（用語説明）
「回転体(10)」とは、風力発電装置における回転ブレード、ファン、輸送機器などに用いるプロペラなどである。
「異常判断手段(32)」による異常の有無の判断は、正常である二次元画像データとの比較を実行し、ズレが所定の値を超えるか否かにて判断するのが、最も一般的である。二次元画像の特徴によっては、ある色彩が所定の濃度以下となった、といったことを異常と判断する判断基準を採用できる場合もある。

（作用）
被検査物である回転体(10)の回転軌道の一部または全部を撮影可能な場所には、単列直線上に並べた多数の受光体からなるラインセンサ(20)を設置して固定する。 そのラインセンサ(20)にて一定時間間隔にて繰り返し撮影した撮影データは、撮影データ蓄積手段(30)に蓄積する。 その撮影データ蓄積手段(30)に蓄積された撮影データを用いて、二次元画像データ作成手段が長さおよび時間を次元とする二次元画像データとして合成する。その二次元画像データに基づいて、異常判断手段(32)が異常の有無を判断する。

（第一の発明のバリエーション１）
第一の発明に係る回転体検査装置は、前記回転体(10)に対して紫外光を発光する紫外光手段(40)を備えることもできる。
「紫外光手段(40)」とは、たとえば紫外光を発光可能な半導体（紫外光ＬＥＤ）などである。紫外光は波長が短いので、被検査物である回転体(10)に照射され、ラインセンサ(20)が撮影すると、表面のキズなどの欠陥に対して明瞭な撮影データを得ることに寄与する。

（第一の発明のバリエーション２）
第一の発明に係る回転体検査装置の前記異常判断手段(32)は、前記二次元画像データを空間で微分し、その微分値が予め定めた閾値を超えた場合に異常である旨を判断することとすることもできる。

（作用）
二次元画像データを空間で微分すると、空間的な変化を伴わない値はゼロとなる一方、空間的な変化を伴う値はゼロにはならない。空間的な変化が大きいほど、その空間を微分した値の絶対値は大きくなるため、空間的な変化をより明瞭にすることができる。
予め定めた閾値は、誤差や許容可能な異常値をカットするために設ける。したがって、その閾値を超えた場合には、その場所において回転体(10)が異常である可能性を有する、と判断することができる。

（第一の発明のバリエーション３）
第一の発明に係る回転体検査装置は、以下のように形成することもできる。
すなわち、前記回転体(10)と前記ラインセンサ(20)との間に、ラインセンサ(20)が捉える画像を拡大させる拡大レンズ(50)を備えることもできる。

（作用）
拡大レンズ(50)の存在により、細かな画像データを得ることができ、小さな異常を発見しやすくする。

（第一の発明のバリエーション４）
第一の発明に係る回転体検査装置は、以下のように形成することもできる。
すなわち、 前記回転体(10)の回転角に関する角度データを時刻データとともに記録する回転体角度記録手段を備え、 前記撮影データ蓄積手段(30)は、時刻データとともに撮影データを蓄積し、 前記異常判断手段(32)は、時刻データにて同期させた撮影データおよび角度データを用いて異常であるか否かを判断することもできる。

（作用）
ブレードを備えた回転体(10)の回転軌道を正面から撮影する場合には、角度データおよび時刻データを伴うことにより、回転体(10)の各ブレード（羽根）における角度ごとの撓み量を把握することができる。各角度におけるブレードの自重による応力との関係を考慮して、この撓み量を正常時の撓み量と比較することにより、ブレードの異常を発見することが可能となる。例えば、撓み量が正常時よりも大きい場合は、ブレードの強度不足などが懸念される。

（第一の発明のバリエーション５）
第一の発明に係る回転体検査装置は、以下のように形成することもできる。
すなわち、前記回転体(10)が正常な回転をした際に取得した正常時撮影データを蓄積する正常時撮影データ蓄積手段を備え、 前記異常判断手段(32)は、前記正常時撮影データとの比較をする比較手段と、その比較手段による比較結果を出力する出力手段(33)と、を備えることもできる。
正常時撮影データ蓄積手段は、前記の撮影データ蓄積手段(30)の一部としても良いし、別体として設けても良い。

（作用）
正常時撮影データ蓄積手段には、回転体(10)が正常な回転をした際に取得した正常時撮影データを蓄積する。比較手段は撮影データと正常時撮影データとの比較を実行し、出力手段(33)が比較手段による比較結果を出力する。
出力することで、操作者における確認、関係者への情報共有などが円滑に行える。

（第二の発明）
本願に係る第二の発明は、被検査物である回転体(10)の回転軌道の一部を撮影可能な場所へ単列直線上に並べた多数の受光体からなるラインセンサ(20)を用いて当該回転体の異常の有無を判断するコンピュータプログラムに係る。
そのプログラムは、 前記ラインセンサ(20)にて正常回転時に撮影した正常時撮影データを予め記憶しておく正常時撮影データ蓄積手順と、 一定時間間隔にて繰り返し撮影した撮影データを蓄積する撮影データ蓄積手順と、 その撮影データ蓄積手順にて蓄積された撮影データを用いて長さおよび時間を次元とする二次元画像データとして合成する二次元画像データ作成手順と、 その二次元画像データおよび前記正常時撮影データに基づいて異常の有無を判断する異常判断手順と、をコンピュータに実行させることとしたコンピュータプログラムである。

第二の発明に係るコンピュータプログラムを、記録媒体（たとえば、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−Ｒ、ハードディスクドライブなど）に格納することおよび格納した記録媒体を配布することは当然可能である。また、通信回線を介して配布することも可能である。

本願の第一の発明によれば、高速で回転する回転体を、回転させたまま異常の有無を調査する回転体検査装置を提供することができた。
本願の第二の発明によれば、高速で回転する回転体を、回転させたまま異常の有無を調査するコンピュータプログラムを提供することができた。

本発明の実施形態の回転体検査装置を示す概略図である。 （ａ）〜（ｃ）がラインセンサにて捉えた画像データを合成した二次元画像データであり、（ｄ）が合成前の画像データを重ね合わせたものである。 正常な回転体の画像データと異常な回転体の画像データとを重ね合わせたものである。 正常な回転体の画像データと異常な回転体の画像データとを重ね合わせるとともに、閾値を図示したものである。 回転体の画像データに、回転角度と時間のデータを加えて同期させて作成した出力データである。 回転体の画像データを、他の演算値などとともにモニタ出力させた例示である。 異常判定をした結果を出力させた例示である。 （ａ）が過去における正常時の画像データ、（ｂ）が調査時の画像データ、（ｃ）が両者を重ね合わせた画像データである。 第一の実施形態のハードウェア構成図である。 第二の実施形態のハードウェア構成図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
以下の実施形態では、回転体として風力発電装置の回転ブレードを選択しているが、回転体がこれに限られないのは、前述したとおりである。

図１に示すのは、風力発電装置１０の回転ブレード１１を被検査物とする回転体検査装置である。風力発電装置１０は、ハブ１２を中心に、三枚（図５においてＡ翼、Ｂ翼、Ｃ翼と表示）の回転ブレード１１を備えている。
回転体検査装置は、前記回転ブレード１１の真下に位置させたラインセンサ２０を備えており、そのラインセンサ２０は、回転ブレード１１の全体を捉えられる長さに並べられた多数の受光体を備えている。
なお、回転体検査装置は、風力発電装置１０と向かい合う位置にラインセンサ２０を備えて、風力発電装置１０の正面から回転ブレード１１の回転軌道の一部または全部を撮影することにより、回転ブレード１１表面に欠陥があるか否か検査してもよい。

ラインセンサ２０は一定時間間隔にて繰り返し撮影し、撮影した撮影データは、コンピュータの記憶装置としての撮影データ蓄積手段３０に蓄積される。
その撮影データ蓄積手段３０に蓄積された撮影データを用いて、前記コンピュータは、以下のような機能をなす。
まず、長さおよび時間を次元とする二次元画像データとして合成する。 そして、その二次元画像データに基づいて異常の有無を判断する異常判断手段３２としても機能する。 更に、判断結果をモニタ（出力手段３３）に出力する。

本実施形態の回転体検査装置には、撮影データの質を高めるため、紫外光発光装置４０を備えている。紫外光発光装置４０は、紫外線を回転ブレード１１に照射する。紫外線は波長が短いため、表面のキズなどの欠陥に対して明瞭な撮影データを取得することができる。

本実施形態の回転体検査装置におけるラインセンサ２０の直上には、拡大レンズ５０を備えている。この拡大レンズ５０によって撮影データを拡大でき、ひいては異常発見の確率を高めることに寄与する。

図２には、ラインセンサ２０が捉えた画像データから長さおよび時間を次元とする二次元画像データとしてコンピュータにて合成された二次元画像データを、（ａ）〜（ｃ）にて示す。
また、（ｄ）には、合成前の画像データを重ね合わせたものを示す。

図３は、正常位置にある回転ブレード１１の画像データと異常位置にある回転ブレード１１の画像データとを重ねて出力した場合を示している。
正常位置にある画像データは、正常な回転をしている際に取得し、撮影データ蓄積手段３０に蓄積してある。その正常位置にある画像データ（想像線）と、異常がないかどうかを検査する際に取得した撮影データ（実線）とを、出力手段において重ねて表示させる。それによって、異常の有無を目視できる。
図３では、異常位置となった画像データを表示した例であるが、正常位置にあれば両方が重なることとなる。

図示してはいないが、風力発電装置１０と向かい合う位置にラインセンサ２０を備えて、風力発電装置１０の正面から回転ブレード１１の回転軌道の一部または全部を撮影する場合には、回転ブレード１１の表面にキズなどの欠陥があると、その箇所は、画像データで不連続な線で現れる。すなわち、欠陥の箇所は、画像データ上、濃淡となって現れるため、これを目視することにより、表面の欠陥の有無を判断することができる。

図４は、正常位置にある画像データを基準として、異常であると判断する閾値αを図示したものである。閾値αについては、過去のデータ、修理等が必要だったデータなどの蓄積から算出される。

図５には、回転ブレード１１の角度データ、時刻データを画像データに伴った場合において、三枚の回転ブレード１１（Ａ翼，Ｂ翼，Ｃ翼）を出力表示させた様子を示している。回転ブレード１１の画像データに、回転角度と時間のデータを加えて同期させて作成している。

図６は、回転ブレード１１の画像データから作成した二次元画像データと、異常か否かの閾値と、二次元画像データを空間で微分することによって算出された微分値と、その閾値や微分値から異常の有無を判断した判断結果とを、連続的にモニタ３３へ出力させる様子を示している。微分値は例えばその最大値を表示して、閾値との比較を行うことができる。

回転ブレード１１が回転を続けており、ラインセンサ２０による撮影も連続して行われており、一カ所に異常があるという場合であれば、一定周期で繰り返し「異常有り」の表示が出力されることとなる。

図７は、測定結果を、回転ブレード（Ａ翼，Ｂ翼，Ｃ翼）ごとに示した例である。閾値、微分による最大値、正常なブレードとの比較値、および異常の有無を出力している。

図８では、（ａ）が過去における正常時の画像データ、（ｂ）が調査時の画像データ、（ｃ）が両者を重ね合わせた画像データを、それぞれ示している。（ｃ）の合成画像により、異常があれば画像が鮮明とならずに二重に表示されることとなる。

図９には、ハードウェア構成の一例を示している。
撮影画像処理装置は、翼角度算出部とタイマーと二次元化合成部を含む画像変換部、個別翼識別部、予め蓄積している蓄積撮像データ、新たに撮影されたデータを記録する記録部などを備える。
撮影画像分析装置は、撮影画像変位判定部、個別翼角度算出部、周速度算出部、照合部、異常正常の判断をする判定部などを含む。また、撮影画像変位判定部には、閾値設定部、相対位置算出部、微分値演算部などを含む。

図１０は、第二の実施形態のハードウェア構成を示している。第一の実施形態との相違点は、集音装置、振幅測定装置などを備えることによって、画像のみならず、音声や振幅などによっても異常正常を判断したりできるハイブリッドな異常判断装置となっている。
詳しい説明は省略するが、集音装置および音量値算出部などによって、正常な回転時の音声との比較により、異常の有無を判定する。振幅測定装置も同様である。

以上説明したような回転体検査装置により、風力発電装置の回転ブレードに関する異常を、運転させたまま発見し、修理や調整などを手間無く行えるようになる。発電効率を高めたり、回転機器の消耗を最小限に抑えたりすることにも寄与する。

本願発明は、回転体（たとえば風力発電装置やプロペラ）の製造業、回転体のメンテナンス業などにおいて利用可能性を有する。

１０ 回転体（風力発電装置） １１ 回転ブレード
１２ ハブ
２０ ラインセンサ
３０ 撮影データ蓄積手段 ３２ 異常判断手段
３３ 出力手段（モニタ）
４０ 紫外光発光装置
５０ 拡大レンズ

Claims (7)

1. 被検査物である回転体の回転軌道の一部または全部を撮影可能な場所へ単列直線上に並べた多数の受光体を備えたラインセンサと、
   そのラインセンサにて一定時間間隔にて繰り返し撮影した撮影データを蓄積する撮影データ蓄積手段と、
   その撮影データ蓄積手段に蓄積された撮影データを用いて長さおよび時間を次元とする二次元画像データとして合成する二次元画像データ作成手段と、
   その二次元画像データに基づいて異常の有無を判断する異常判断手段と、
   を備えた回転体検査装置。
2. 前記回転体に対して紫外光を発光する紫外光手段を備えた請求項１に記載の回転体検査装置。
3. 前記異常判断手段は、前記二次元画像データを空間で微分し、その微分値が予め定めた閾値を超えた場合に異常である旨を判断することとした請求項１または請求項２のいずれかに記載の回転体検査装置。
4. 前記回転体と前記ラインセンサとの間には、ラインセンサが捉える画像を拡大させる拡大レンズを備えることとした請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転体検査装置。
5. 前記回転体の回転角に関する角度データを時刻データとともに記録する回転体角度記録手段を備え、
   前記撮影データ蓄積手段は、時刻データとともに撮影データを蓄積し、
   前記異常判断手段は、時刻データにて同期させた撮影データおよび角度データを用いて異常であるか否かを判断することとした請求項１から請求項４のいずれかに記載の回転体検査装置。
6. 前記回転体が正常な回転をした際に取得した正常時撮影データを蓄積する正常時撮影データ蓄積手段を備え、
   前記異常判断手段は、前記正常時撮影データとの比較をする比較手段と、
   その比較手段による比較結果を出力する出力手段と、を備えた請求項１から請求項５に記載の回転体検査装置。
7. 被検査物である回転体の回転軌道の一部または全部を撮影可能な場所へ単列直線上に並べた多数の受光体からなるラインセンサを用いて、当該回転体の異常の有無を判断するコンピュータプログラムであって、
   そのプログラムは、 前記ラインセンサにて正常回転時に撮影した正常時撮影データを予め記憶しておく正常時撮影データ蓄積手順と、
   一定時間間隔にて繰り返し撮影した撮影データを蓄積する撮影データ蓄積手順と、
   その撮影データ蓄積手順にて蓄積された撮影データを用いて長さおよび時間を次元とする二次元画像データとして合成する二次元画像データ作成手順と、
   その二次元画像データおよび前記正常時撮影データに基づいて異常の有無を判断する異常判断手順と、
   をコンピュータに実行させることとしたコンピュータプログラム。

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