JP2010534791A - キャビテーションの検出 - Google Patents

Abstract

流体機械、例えばポンプ（１００）においてキャビテーションを検出するための装置および方法が開示される。一実施の形態においては、圧電ガスケット（１０２）が、キャビテーションを検出するためのセンサとして使用される。いくつかの実施の形態においては、高域通過フィルタ（３０２）、（５０１）が、おおむねＭＨｚ範囲の超音波音響信号を検出するために使用される。ＭＨｚ範囲のエネルギーが過大である場合、キャビテーションが生じていると判断され、モータ（１１０）の速度を、生じていると判断されるキャビテーションの程度に比例して下げることができる。別の実施の形態（図５）においては、ＭＨｚ範囲のエネルギーが、ｋＨｚ範囲のエネルギーに対して正規化される。他のセンサ（６００、７０１）も開示される。
【選択図】図３

Description

本発明は、流体機構におけるキャビテーションの検出に関する。詳しくは、本発明は、流体（例えば、超臨界流体）または液体を移動させるためのポンプにおけるキャビテーションの検出に関する。

キャビテーションは、ポンプが、ポンプ内部の圧力がポンプによって送られる液体の蒸気圧を下回って低下するように運転される場合に生じうる厄介な現象である。気化した液体の気泡が形成される。気泡が崩壊するときに、ポンプに損傷が生じる可能性がある。激しいキャビテーションにおいては、気泡の崩壊の騒音が、人間に聞こえる可能性もある。一方で、ポンプの運転条件を変更（少量のキャビテーションは、一部の用途においては許容可能である）できるよう、深刻なキャビテーションおよび／または損傷につながるキャビテーションの発生を検出することが、好都合であると考えられる。

特開平１１−０３７９７９号公報が、ポンプなどの流体機構においてキャビテーションを検出するためのシステムを開示している。特開平１１−０３７９７９号公報は、ポンプからの連続する音響波形サイクルを比較することによって機能する。各々の波形サイクルが、複数の係数へと分解される。連続する音響波形サイクルの係数が、連続する音響波形のドット積を取ることによって、項目ごとのやり方で比較される。連続する音響波形サイクルが充分に類似している場合、キャビテーションは生じていないと判断され、連続する音響波形サイクルが充分に異なる場合、キャビテーションが生じていると判断される。

特開平１１−０３７９７９号公報

本発明の一態様によれば、
・トランスデューサと、
・トランスデューサからの信号に高域通過フィルタ処理を加えるための高域通過フィルタと、
・しきい値を受信するための基準受信器と、
・高域通過フィルタ処理後の信号をしきい値と比較するための比較器とが提供される。

本発明の他の態様によれば、音響センサおよびキャビテーションの検出方法が提供される。

本発明の利点は、いくつかの従来技術のキャビテーション検出方法に比べて、必要とされる信号処理がより少ない点にある。本発明のいくつかの実施の形態の別の利点は、ＭＨｚ範囲においてキャビテーションを検出することで、キャビテーション（または、激しいキャビテーションの発生）をより確実に特定できる点にある。

本発明の一実施の形態においては、センサからの信号が、低域通過フィルタ処理されたセンサからの信号と比較される。この実施の形態の利点は、センサからの信号のレベルにあまり依存せず、したがって監視対象のポンプに対するセンサの音響結合の不確実性に、より寛容である点にある。

ポンプおよびモータの斜視図。 圧電ガスケットを見て取ることができるようにしたポンプおよびモータの図。 図１ｂの圧電ガスケットの図。 キャビテーションの発生を検出し、キャビテーションが検出された場合にモータの速度を下げるために使用することができるシステムの概念図。 （ｉ）ポンプがキャビテーションを生じさせずに動作している場合、および（ｉｉ）キャビテーションの発生時のポンプからの音響波形の例。 図３にもとづいているが、センサからの信号に異なるフィルタ処理を加え、それら異なるフィルタ処理が加えられた信号を比較するシステムの概念図。 ポンプからの音響信号を測定するためにポンプのハウジングに押し付けることができるセンサの斜視図。 ポンプの音響センサが埋め込まれている部分の断面図。

図１ａおよび１ｂが、圧電ガスケット１０２によって導入パイプ１０１へと接続されたポンプ１００を示している。モータ１１０が、ポンプ１００の羽根車１１２を駆動するシャフト１１０を有している。

図２が、圧電ガスケット１０２のさらに詳細な図を示している。この実施の形態においては、圧電ガスケット１０２が環状であり、２つの平坦面を有している。一方の面が、ポンプ１００に対して流体シールを形成するために使用され、他方の面が、導入パイプ１０１に対して流体シールを形成するために使用される。

この実施の形態において、圧電ガスケット１０２は、５０μｍの厚さを有している例えばＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などのポリマー圧電材料を含んでいる。リード２０１ａ、２０１ｂが、ガスケット１０２のそれぞれの面へと接続されている。圧電ガスケット１０２は、膜のただ１つの層または一連の積層された層から製作することができ、あるいは構造化またはパターン化された電極を有することができる。圧電ガスケット１０２は、ポンプ１００と導入パイプ１０１との間に固定されたとき、ポンプからの音響信号を電気信号へと変換する。したがって、圧電ガスケット１０２を、ポンプ１００からの音響信号の検出に使用することができる。

他の実施の形態においては、外部の電気信号の影響を少なくするために、ガスケット１０２および／またはリード２０１ａ、２０１ｂの周囲に静電シールドを設けることができる。

さらに別の実施の形態においては、セラミック圧電材料または混合ポリマー−セラミック複合材料を、ポリマー圧電材料の代わりに使用することができる。セラミック圧電材料が使用される場合には、セラミック圧電材料がポンプ１００と導入パイプ１０１との間に固定されるときのセラミックの割れを防止するために、セラミックをゴムなどのポリマーでコートすることが必要かもしれない。

ポリマー圧電材料を使用する利点は、ポリマーの厚さを、セラミック圧電材料の厚さよりも容易に減らすことができる点にある。一般に、比較的薄い材料は、高周波の音響信号の検出において、より厚い材料よりも良好である。これは、薄い材料が、高周波の音響信号の波長に比べて小さいからである。例えば、ＰＶＤＦの厚さ５０μｍの層は、約２０ＭＨｚという上限周波数応答を有し、したがって２０ＭＨｚよりも高い周波数を有する音響信号の検出に効果的に使用することができない。２０ＭＨｚ未満の周波数においては、厚さ５０μｍのＰＶＤＦ層の厚さは、例えば水中の音波の波長よりも大幅に小さい。また、より薄い材料は、より高い共振周波数を有し（一次の共振が、材料の厚さが音波の波長の半分に等しくなるときに生じる）、したがってより高い周波数の信号の検出を可能にする。

図３は、キャビテーションの発生を検出し、キャビテーションが検出された場合にモータの速度を下げるために使用することができるシステムの概念図を示している。図３は、圧電ガスケット１０２からの電気信号が、増幅器３０１によって増幅され、次いで高域通過フィルタ３０２によってフィルタ処理されることを示している（別の実施の形態においては、圧電ガスケット１０２からの信号をフィルタ処理し、その後に増幅することが好ましいかもしれない）。この実施の形態においては、高域通過フィルタ３０２が、１ＭＨｚ未満の周波数を有する信号を減衰させる。この実施の形態においては、高域通過フィルタ３２が、二次の（すなわち、減衰が１オクターブにつき１２ｄＢ増加する）アナログフィルタであるが、別の実施の形態においては、デジタルフィルタも使用可能である。

高域通過フィルタ３０２の出力が、検出器３０３へと接続される。この実施の形態においては、検出器３０３が、包絡線検出器であって、高域通過フィルタ３０２からの信号を高域通過フィルタ３０２からの信号の強度を表わす電圧へと変換する。他の実施の形態においては、検出器３０３が、振幅センサまたはＲＭＳ（二乗平均平方根）検出器を備えることができる。

検出器３０３の出力が、比較器３０４へと接続される。比較器３０４は、検出器３０３からの電圧を、基準入力３０５から受信される基準信号と比較する。この実施の形態においては、比較器３０４が、検出された電圧から基準信号を引き算する。他の実施の形態においては、比較器３０４が、検出された電圧を基準信号によって割り算し、比を形成してもよい。

この実施の形態においては、比較器３０４の出力が、モータ１１０の速度を制御するモータコントローラ３０６へと接続されている。比較器３０４が過度なキャビテーションを知らせる場合、モータコントローラ３０５は、キャビテーションを減らすためにモータ１１０の速度を低下させる。他の実施の形態においては、キャビテーションを減らすために他の方法を使用することができる。例えば、ポンプ１００への入り口における圧力ヘッドを高めることができる。

図４は、ポンプ１００からの音響波形の例を示しており、音響波形の振幅を周波数に対して示している。曲線４０１（実線）が、ポンプが有意なキャビテーションを存在させずに動作しているときの音響波形の振幅を、周波数に対して示している。曲線４０２（点線）が、激しいキャビテーションの発生時の音響波形の振幅を、周波数に対して示している。

図４から見て取ることができるとおり、キャビテーションの最中は、音響波形の振幅が、ｋＨｚの周波数においてはわずかに増加するだけであるが、ＭＨｚの周波数において大きく増加する。従来技術のキャビテーション検出器は、一般に、数１００ｋＨｚの周波数を有するキャビテーションの検出を試みている。本発明の実施の形態は、高域通過フィルタ３０２のカットオフ周波数を適切に変更することによって、少なくとも０．５ＭＨｚ、少なくとも１ＭＨｚ、少なくとも２ＭＨｚ、少なくとも４ＭＨｚ、または少なくとも８ＭＨｚの周波数を有するキャビテーションを検出することができる。

図５は、図３にもとづいているが、圧電ガスケット１０２からの信号に異なるフィルタ処理を加え、それら異なるフィルタ処理を受けた信号を比較するシステムの概念図を示している。図５は、増幅器３０１からの出力が、（高域通過フィルタ３０２の代わりに）帯域通過フィルタ５０１によってフィルタ処理されることを示している。この実施の形態においては、帯域通過フィルタ５０１は、１ＭＨｚ〜５ＭＨｚという通過帯の外側にある周波数を減衰させる。さらに、増幅器３０１からの出力は、低域通過フィルタ５０２によってフィルタ処理され、検出器５０３によって検出され、比較器３０４への基準入力として使用される。この実施の形態においては、低域通過フィルタ５０２は、１ｋＨｚというカットオフ周波数を有しており、したがって１ｋＨｚよりも高い周波数を減衰させる。別の実施の形態においては、低域通過フィルタ５０２のカットオフ周波数が、最大で１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、または１ＭＨｚであってもよい。

当業者であれば理解できるとおり、帯域通過フィルタ５０１は、（たとえ帯域通過フィルタ５０１を、実際には連結された高域通過および低域通過フィルタとしてではなくて、単一の帯域通過フィルタとして実現できるにせよ）概念的には、５ＭＨｚの低域通過フィルタと直列な１ＭＨｚの高域通過フィルタであると考えることができる。したがって、図５は、図３の高域通過フィルタ３０２と同等の高域通過フィルタの機能を含んでいる。いくつかの実施の形態においては、圧電ガスケット１０２の上限周波数応答を、帯域通過フィルタ５０１の低域通過フィルタを定めるために利用することができる。

図５のシステムは、ポンプ１００から発せられる１ＭＨｚ〜５ＭＨｚの周波数範囲の音響エネルギーを、１ｋＨｚ未満の音響エネルギーと比較する。１ＭＨｚ〜５ＭＨｚの範囲に過剰なエネルギーが存在する場合に、ポンプ１００が過度のキャビテーションにさらされていると判断され、モータコントローラ３０５が、モータ１１０（したがって、ポンプ１００）の速度を相応に下げるために使用される。

図３のシステムと比較した図５のシステムの利点は、図５が、圧電ガスケット１０２とポンプ１００との間の不完全な音響結合により寛容であり、超音波信号が移動しなければならないポンプ１００内のキャビテーション表面からポンプ１００のケーシングまでの距離ゆえの不完全な結合にも、より寛容である点にある。図３のシステムは、音響結合の乏しさを考慮することができない（音響結合が乏しいと、キャビテーションが生じていないとする知らせが誤ってもたらされる可能性がある）。対照的に、図５のシステムは、１ＭＨｚ〜５ＭＨｚの周波数帯のエネルギーを１ｋＨｚ未満の周波数範囲のエネルギーに対して正規化する。すなわち、圧電ガスケット１０２がポンプ１００に良好に結合していない場合、１ＭＨｚ〜５ＭＨｚの周波数帯の信号および１ｋＨｚ未満の周波数範囲の信号が、両方とも小さくなる。したがって、図５のシステムは、音響結合の不完全さを少なくとも部分的に補償することができる。

図６は、ポンプからの音響信号を測定するためにポンプのハウジングに押し付けることができるセンサ６００の斜視図を示している。センサ６００を、ポンプの試運転の際に、過度なキャビテーションを伴わないポンプの動作条件を決定するために使用することができる。ひとたび動作条件が決定されると、センサ６００は、例えば圧電ガスケット１０２よりも容易にポンプから取り去ることが可能である。他方で、圧電ガスケット１０２の利点は、ポンプ１００の連続的なリアルタイム監視が可能になる点にある。

図示のように、センサ６００は、ポンプのハウジングに押し付けることができる音響カプラ６０１を備えている。この実施の形態において、音響カプラ６０１はゴムで形成され、音響エネルギーを３つのＰＶＤＦ層６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃに結合させる。この実施の形態において、３つのＰＶＤＦ層６０２の各々は、実質的に平らである。３つのＰＶＤＦ層を使用することで、センサ６００の出力電圧が約３という係数で改善されるが、センサ６００の周波数上限も（ただ１つのＰＶＤＦ層を使用する場合に比べて）低くなる（この周波数上限の低下は、３つのＰＶＤＦ層の厚さがただ１つの層に比べて大きいことに起因する）。この実施の形態において、弾性カプラ６０１のショア硬さは、好ましくは１０〜２０の範囲にあるが、他の実施の形態においては、ショア硬さが１０未満または２０超であってもよい。

さらにセンサ６００は、この実施の形態においては、ユーザがセンサ６００の音響カプラ６０１をポンプの外側またはポンプに取り付けられたパイプに対して保持することができるよう、把持部として機能する金属製の軸部６０３を有している。リード６０４が、センサ６００を回路（図示されていない）へと接続するために使用される。

別の実施の形態においては、音響センサ（図示されていない）を、ポンプの外側へと固定でき、あるいは（例えば接着剤を使用して）貼り付けることができる。そのような実施の形態においては、音響カプラ６０１および／または金属製の軸部６０３は、不要であるかもしれない。

図７は、音響センサ７０１が埋め込まれているポンプ７００の一部分の断面図を示している（ポンプ７００の大部分は、想像線で示されている）。音響センサ７０１が、ポンプ７００のケーシング７０３の凹所７０２に埋め込まれている。この実施の形態の利点は、音響センサ７０１がキャビテーションが生じうる流体により近い点にある。対照的に、図１の実施の形態では、音響信号がポンプ１００の内部から圧電ガスケット１０２まで移動しなければならない。

当業者であれば理解できるとおり、本発明は、例えば遠心ポンプまたは軸流ポンプなどのポンプや、あるいは他の流体機構において、キャビテーションを少なくするために使用することができる。

いくつかの状況においては、電気ノイズの影響を小さくすることが好都合であるかもしれない。音響センサからの電気信号は、典型的にはかなりの増幅を必要とし、したがって浮遊電気信号を誤って取り上げてしまう恐れが存在する。図２に関して上述した静電シールドが充分であるかもしれないが、他の実施の形態においては、較正工程を実行することが可能である。そのような実施の形態においては、キャビテーションが生じていないことが既知である条件（例えば、モータ１１０が停止しているとき）のもとで音響信号が測定される。このキャビテーションなしの条件下で、例えば２ＭＨｚの周波数を有する信号が検出された場合、電気的に設定できるノッチフィルタを、モータ１１０の動作時に誤ったキャビテーションの警報を避けるために、この外来の２ＭＨｚ信号を抑えるために使用することができる。

例えば使用中であって停止させることができないプラント設備に音響センサが取り付けられる場合など、いくつかの実施の形態においては、ポンプを駆動するモータを停止させることが不都合であるかもしれない。そのような場合、音響センサをポンプの本体から取り外すことによって、キャビテーションが生じていない「正規化」信号をもたらすことが、より好都合かもしれない。あるいは、音響センサを空気中にぶら下げることができるようにしてもよく、センサが、（とくには、ポンプが電気的騒音の多い環境にある場合に）依然として背景の電気信号を採取でき、この背景の電気騒音を正規化信号として使用することができる。

いくつかの実施の形態においては、圧電ガスケット１０２からの信号が充分に強い場合に、増幅器３０１を使用する必要がないかもしれない。

流体機構（例えば、ポンプ１００）においてキャビテーションを検出するための装置および方法を開示した。一実施の形態においては、圧電ガスケット１０２が、キャビテーションを検出するためのセンサとして使用される。いくつかの実施の形態においては、高域通過フィルタ３０２、５０１が、ほぼＭＨｚ範囲の超音波音響信号を検出するために使用される。ＭＨｚ範囲のエネルギーが過度である場合、キャビテーションが生じていると判断され、モータ１１０の速度を、生じていると判断されるキャビテーションの程度に比例して減らすことができる。他の実施の形態（図５）においては、ＭＨｚ範囲のエネルギーが、ｋＨｚ範囲のエネルギーに対して正規化される。他のセンサ６００、７０１も開示されている。

本出願の要約における開示、およびＧＢ ０７１４６９５．４（本出願は、このＧＢ ０７１４６９５．４の優先権を主張している）の全体が、ここでの言及によって本明細書に援用される。

１００ ポンプ
１０１ 導入パイプ
１０２ 圧電ガスケット
１１０ モータ
１１１ シャフト
１１２ 羽根車
２０１ａ リード
２０１ｂ リード
３０１ 増幅器
３０２ 高域通過フィルタ
３０３ 検出器
３０４ 比較器
３０５ 基準入力
３０６ モータコントローラ
４０１ ポンプがキャビテーションなく動作しているときの音響波形
４０２ キャビテーションの発生時の音響波形
５０１ 帯域通過フィルタ
５０２ 低域通過フィルタ
５０３ 検出器
６０１ 音響カプラ
６０２ａ ＰＶＤＦ層
６０２ｂ ＰＶＤＦ層
６０２ｃ ＰＶＤＦ層
６０３ 把持部
６０４ リード
７００ ポンプ
７０１ 音響センサ
７０２ 凹所
７０３ ケーシング

Claims (25)

1. キャビテーションを検出するためのシステムであって、
   ・音響センサ（１０２；６０２；７０１）と、
   ・前記音響センサ（１０２）からの信号をフィルタ処理するための高域通過フィルタ（３０２）と、
   ・高域通過フィルタ処理された前記音響センサからの信号中のエネルギーを表わす信号をもたらすための第１の検出器（３０３）と、
   ・基準値信号を受け取るための基準受信器（３０５）と、
   ・前記第１の検出器（３０３）からの信号を前記基準値信号と比較し、前記第１の検出器からの信号が前記基準値信号を超える場合に知らせをもたらす比較器（３０４）と
   を備えているシステム。
2. 前記音響センサ（１０２）からの信号を増幅するための増幅器（３０１）を備えている請求項１に記載のシステム。
3. 前記高域通過フィルタ（３０２）が、０．５ＭＨｚ、１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、および４ＭＨｚのうちの１つと同じ、またはそれ以上のカットオフ周波数を有している請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記高域通過フィルタ（３０２）が、低域通過フィルタを含んでいる帯域通過フィルタ（５０２）の一部を形成している請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記低域通過フィルタが、前記音響センサの上限応答周波数からなっている請求項４に記載のシステム。
6. 前記帯域通過フィルタ（５０２）の前記低域通過フィルタ部のカットオフ周波数が、５ＭＨｚまたは２０ＭＨｚである請求項４または５に記載のシステム。
7. ・前記音響センサ（１０２）からの信号をフィルタ処理するための低域通過フィルタ（５０２）、および
   ・低域通過フィルタ処理された前記音響センサからの信号中のエネルギーを表わす信号をもたらすための第２の検出器（５０３）
   を備えており、
   前記基準受信器（３０５）が、前記基準値信号として、前記第２の検出器（５０３）からの信号を受け取るように構成されている請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記低域通過フィルタ（５０２）が、最大で１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、および１ＭＨｚのうちの１つのカットオフ周波数を有している請求項７に記載のシステム。
9. コントローラ（３０６）を備えており、
   前記コントローラが、前記比較器（３０４）が前記第１の検出器（３０３）からの信号が前記基準値信号を超える旨を知らせる場合に、キャビテーションを少なくすべく流体機構（１００；７００）の動作状態を制御するように動作することができる請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記コントローラが、モータコントローラ（３０６）を備えており、
    前記モータコントローラが、前記第１の検出器（３０３）からの信号が前記基準値信号を超える場合に、モータ（１１０）の速度を落とすように動作することができる請求項９に記載のシステム。
11. モータ（１１０）を含んでいる請求項１０に記載のシステム。
12. 前記モータ（１１０）へと接続されたポンプ（１００；７００）を備えており、前記音響センサ（１０２；６０２；７０１）が、前記ポンプ（１００）の内部で生じるキャビテーションを検出するために前記ポンプに対して位置している請求項１１に記載のシステム。
13. 前記音響センサ（１０２）が、圧電材料を含むガスケット（１０２）を備えている請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. 前記圧電材料が、ポリマー圧電材料を含んでいる請求項１３に記載のシステム。
15. 前記ガスケットが、ＰＶＤＦを含んでいる請求項１４に記載のシステム。
16. 前記ガスケットが、ポンプ（１００）への導入口（１０１）に位置している請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
17. 前記音響センサ（１０２）が、ゴム製音響カプラ（６０１）、１つ以上のポリマー圧電層（６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ）、および把持部（６０３）を備えている請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
18. ゴム製音響カプラ（６０１）が、１０〜２０の範囲のショア硬さを有するゴムを備えている請求項１７に記載のシステム。
19. 音響センサ（７０１）が、ポンプ（７００）のケーシング（７０３）の凹所（７０２）に設けられている請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
20. ポリマー圧電材料を含むガスケットを備えている音響センサ（１０２）。
21. 音響カプラ（６０１）、１つ以上のポリマー圧電層（６０２）、および把持部（６０３）を備えている音響センサ。
22. 音響センサ（７０１）がケーシングの凹所（７０２）に設けられているポンプ（７００）。
23. 流体機械におけるキャビテーションを検出する方法であって、
    ・前記流体機械に音響的に結合させた音響センサから信号を受信するステップと、
    ・前記音響センサからの信号にＭＨｚ範囲の高域通過フィルタ処理を加えるステップと、
    ・高域通過フィルタ処理された前記音響センサからの信号中のエネルギーを表わす信号をもたらすステップと、
    ・前記エネルギーを表わす信号を基準値信号と比較し、前記エネルギーを表わす信号が前記基準値信号を超える場合に知らせをもたらすステップと
    を含んでいる方法。
24. 本明細書において開示され、あるいは図面のうちのいずれか１つに示されたシステム。
25. 本明細書において説明され、あるいは図面のうちのいずれか１つに示された方法。

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