JP2014062861A - 自己電源供給型振動計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】増幅器へ電力を供給する電源出力ラインや、振動計測センサへ印加電力を供給する印加電力供給ラインから振動計測信号（実信号）へ電源ノイズが混入するのを防止することなどが可能な自己電源供給型振動計測装置を提供する。
【解決手段】振動計測センサ４と、電源である圧電素子５とをセンサ本体ケース３に内蔵して成るものであって、振動計測対象の回転機械１２に取り付けられるセンサ本体２と、振動計測センサによる回転機械の振動計測信号を増幅して出力する増幅器８とを有しており、圧電素子は回転機械の振動によって発電し、圧電素子の発電電力が電源出力ライン９を介して増幅器へ供給され、且つ、圧電素子の発電電力が増幅器から印加電力供給ライン７を介して振動計測センサへも供給される構成とする。また、増幅器もセンサ本体ケースに内蔵するようにしてもよい。また、増幅器は高インピーダンス機能を有することが望ましい。
【選択図】図１

Description

本発明はガスタービンや蒸気タービンなどの回転機械の振動を計測するための自己電源供給型振動計測装置に関する。

ガスタービンや蒸気タービンなどの回転機械の新規開発時やトラブル発生時などにおいては、当該回転機械に対して各種の振動計測が行われる。そして、この回転機械の振動計測には振動計測装置が用いられる。

図示は省略するが、振動計測装置はセンサ本体と増幅器と計測器とを有している。
センサ本体は、センサ本体ケース内にピエゾ機構等の振動計測センサを設けて成るものであり、振動計測対象のガスタービンや蒸気タービンなどの回転機械に取り付けられる。 振動計測センサは、前記回転機械の振動を計測し、この振動計測信号を信号出力ラインを介して増幅器へ出力する。
増幅器は、振動計測センサから振動計測信号を入力し、この振動計測信号を増幅した後、増幅信号出力ラインを介して計測器へ出力する。
計測器は、増幅器から増幅後の振動計測信号を入力し、この振動計測信号に対して例えばＦＦＴ（高速フーリエ変換）分析などの信号処理を行う。

なお、本発明に関連する先行技術文献としては、下記の特許文献１〜３がある。これらの特許文献１〜３には何れも、圧電素子を電源として用いている装置が開示されている。

特開２００３−１３３９７１号公報 特開２０１１−０１７６０５号公報 特許第３１９４０７８号公報

ガスタービンや蒸気タービンなどの回転機械の振動を振動計測装置によって計測する際には、振動計測信号（実信号）が得られるだけでなく、振動計測信号（実信号）以外の電源ノイズも発生する。

そして、ガスタービンや蒸気タービンなどの回転機械の振動計測では、振動計測信号（実信号）における回転数成分（回転機械の回転数に応じた振動成分）と、電源ノイズ成分とが同じ振動数（西日本：６０Ｈｚ、東日本：５０Ｈｚ）であるため、実信号の振動計測信号（回転数成分）と電源ノイズ成分との信号分離が困難であり、場合によっては、電源ノイズ成分が大きくて、振動計測信号成分（実信号成分）が電源ノイズ成分に埋もれてしまうこともある。

図３には、振動計測信号（実信号）の回転数成分と電源ノイズ成分の振動数が同じ６０Ｈｚである場合のＦＦＴ分析の結果を示す。振動計測信号（実信号）に電源ノイズが混入した場合、図３に実線で示す振動計測信号（実信号）の６０Ｈｚの振動レベルよりも、図３に点線で示すように振動計測信号（実信号）成分と電源ノイズ成分とが混合した信号の６０Ｈｚの振動レベルのほうが大きな値となってしまう。

電源ノイズの発生原因としては、以下のような内容の原因が考えられる。
（１） 振動計測対象の回転機械を駆動するため電力が電源から供給される場合、この電源からの供給電力に基づく電源ノイズが、振動計測装置のセンサ面を通じて回り込み（機械面及びセンサ部が金属設置のため）、振動計測装置の振動計測信号（実信号）に混入する。。
（２） 外部の電源から振動計測装置の増幅器へ電源出力ラインを介して電力が供給され、且つ、前記増幅器から印加電力供給ラインを介して振動計測装置の振動計測センサへも前記電力が印加される場合（即ち振動計測センサが、当該センサ自体に電力を印加しないと振動計測信号を出力しない構造のものである場合）、前記電源出力ラインや前記印加電力供給ラインからの電源ノイズが振動計測信号（実信号）に混入する。
（３） 敷設した振動計測装置のケーブルルート上に高電圧ライン（発電機等の電源ライン）がある場合、この高電圧ラインからの電源ノイズが振動計測信号（実信号）に混入する。

これらの電源ノイズの発生原因に対しては以下のようなノイズ対策が有効であるが、状況によっては、これらのノイズ対策の効果が得られない場合もある。
（１） 回転機械の計測対象面と振動計測装置のセンサ設置面との間に絶縁体（ゴム材、ベークライト材、セラミック材）を設置する。
（２） 振動計測装置の増幅器に別途アース線を設けて、別途アースを行う。または、ＣＤ電源駆動の増幅器を振動計測装置に用いる。
（３） 振動計測装置のケーブル敷設ルートを高電圧ラインから離す。

従って本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、特に増幅器へ電力を供給する電源出力ラインや、振動計測センサへ印加電力を供給する印加電力供給ラインから振動計測信号（実信号）へ電源ノイズが混入するのを防止することなどが可能な自己電源供給型振動計測装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する第１発明の自己電源供給型振動計測装置は、振動計測センサと、電源である圧電素子とをセンサ本体ケースに内蔵して成るものであって、振動計測対象の回転機械に取り付けられるセンサ本体と、
前記振動計測センサによる前記回転機械の振動計測信号を増幅して出力する増幅器とを有しており、
前記圧電素子は前記回転機械の振動によって発電し、
前記圧電素子の発電電力が電源出力ラインを介して前記増幅器へ供給され、且つ、前記圧電素子の発電電力が前記増幅器から印加電力供給ラインを介して前記振動計測センサへも供給される構成であることを特徴とする。

また、第２発明の自己電源供給型振動計測装置は、振動計測センサと、電源である圧電素子と、前記振動計測センサによる振動計測対象の回転機械の振動計測信号を増幅して出力する増幅器とをセンサ本体ケースに内蔵して成るものであって、前記回転機械に取り付けられるセンサ本体を有しており、
前記圧電素子は前記回転機械の振動によって発電し、
前記圧電素子の発電電力が電源出力ラインを介して前記増幅器へ供給され、且つ、前記圧電素子の発電電力が前記増幅器から印加電力供給ラインを介して前記振動計測センサへも供給される構成であることを特徴とする。

また、第３発明の自己電源供給型振動計測装置は、第１又は第２発明の自己電源供給型振動計測センサにおいて、
前記増幅器は高インピーダンス機能を有していることを特徴とする。

第１発明の自己電源供給型振動計測装置によれば、振動計測センサと、電源である圧電素子とをセンサ本体ケースに内蔵して成るものであって、振動計測対象の回転機械に取り付けられるセンサ本体と、前記振動計測センサによる前記回転機械の振動計測信号を増幅して出力する増幅器とを有しており、前記圧電素子は前記回転機械の振動によって発電し、前記圧電素子の発電電力が電源出力ラインを介して前記増幅器へ供給され、且つ、前記圧電素子の発電電力が前記増幅器から印加電力供給ラインを介して前記振動計測センサへも供給される構成であることを特徴としていることから、外部の電源から増幅器や振動計測センサに電力を供給する必要は無く、内蔵の圧電素子の発電電力を電源出力ラインや印加電力供給ラインを介して増幅器や振動計測センサに供給するため、電源出力ラインや印加電力供給ラインから振動計測信号（実信号）へ電源ノイズが混入することがなく、その結果、振動計測の精度が向上する。
更には、本自己電源供給型振動計測装置は、内蔵の圧電素子を電源として用いているため、振動計測対象の回転機械が振動する限りは、半永久的に監視用等として使用可能である。また、本自己電源供給型振動計測装置は、圧電素子の発電電力を蓄電せずに直接増幅器や振動計測センサで利用するため、電力ロスが小さい。

第２発明の自己電源供給型振動計測装置によれば、振動計測センサと、電源である圧電素子と、前記振動計測センサによる振動計測対象の回転機械の振動計測信号を増幅して出力する増幅器とをセンサ本体ケースに内蔵して成るものであって、前記回転機械に取り付けられるセンサ本体を有しており、前記圧電素子は前記回転機械の振動によって発電し、前記圧電素子の発電電力が電源出力ラインを介して前記増幅器へ供給され、且つ、前記圧電素子の発電電力が前記増幅器から印加電力供給ラインを介して前記振動計測センサへも供給される構成であることを特徴としていることから、第１発明の場合と同様に外部の電源から増幅器や振動計測センサに電力を供給する必要は無く、内蔵の圧電素子の発電電力を電源出力ラインや印加電力供給ラインを介して増幅器や振動計測センサに供給するため、電源出力ラインや印加電力供給ラインから振動計測信号（実信号）へ電源ノイズが混入することがない。しかも、振動計測センサと圧電素子と増幅器の全てをセンサ本体ケースに内蔵しているため、より一層、電源ノイズの影響が無くなる。従って、より一層、振動計測の精度が向上する。また、振動計測装置の小型化を図ることもできる。
更には、第１発明の場合と同様に本自己電源供給型振動計測装置は、内蔵の圧電素子を電源として用いているため、振動計測対象の回転機械が振動する限りは、半永久的に監視用等として使用可能であり、また、圧電素子の発電電力を蓄電せずに直接増幅器や振動計測センサで利用するため、電力ロスが小さい。

第３発明の自己電源供給型振動計測装置によれば、第１又は第２発明の自己電源供給型振動計測センサにおいて、前記増幅器は高インピーダンス機能を有していることを特徴としていることから、増幅器を計測器に接続しても、増幅器から計測器へ送られる振動計測信号は減衰が少なく、高出力で且つ安定した出力になるため、計測器での信号処理に用いることができる。

本発明の実施の形態例１に係る自己電源供給型振動計測装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態例２に係る自己電源供給型振動計測装置の構成を示す図である。 従来の振動計測装置の出力信号をＦＦＴ分析した結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。

＜実施の形態例１＞
図１に基づき、本発明の実施の形態例１に係る自己電源供給型振動計測装置１について説明する。

図１に示すように、本実施の形態例１の自己電源供給型振動計測装置１は、センサ本体２と増幅器８と計測器１１とを有している。

センサ本体２は、ピエゾ機構等の振動計測センサ４と、電源である圧電素子５とをセンサ本体ケース３に内蔵して成るものである。ガスタービンや蒸気タービンなどの回転機械１２の振動を計測する際、この振動計測対象の回転機械１２にセンサ本体２を取り付ける。

振動計測センサ４は、回転機械１２が回転しているときに当該回転機械１２の振動を計測し、この振動計測信号を信号出力ライン６を介して増幅器８へ出力する。なお、振動計測センサ４としては、例えば回転機械１２の振動の加速度を計測する加速度センサや前記振動の圧力を計測する圧力センサなどを用いることができる。

増幅器８は、振動計測センサ４から出力される振動計測信号（アナログ出力信号）を入力して、この振動計測信号を増幅する。増幅器８で増幅後の振動計測信号（アナログ出力信号）は、増幅器８から増幅信号出力ライン１０を介して計測器１１へ出力される。増幅器８から計測器１１へ送られる振動計測信号は、計測器１１での信号処理に用いられるため、高出力で且つ安定した出力である必要がある。これに対して増幅器８の出力インピーダンスが低い場合、増幅器８から計測器１１へ送られる振動計測信号は減衰し、低出力で且つ不安定になる可能性がある。そこで、増幅器８は計測器１１との接続で出力が減衰しないようにするため、高インピーダンス機能を有している。

計測器１１は、増幅後の振動計測信号を増幅器８から入力し、この振動計測信号に対して例えばＦＦＴ分析などの信号処理を行う。

そして、圧電素子５は、回転機械１２が回転しているときに当該回転機械１２の振動によって発電する。即ち、圧電素子５は、振動計測センサ４によって回転機械１２の振動を計測すべきときに当該振動によって発電する。圧電素子５の発電電力は、増幅器８の駆動電力として用いるため、電源出力ライン９を介して増幅器８へ供給される。また、圧電素子５の発電電力は、増幅器８から印加電力供給ライン７を介して振動計測センサ４へも供給される。振動計測センサ４は、当該振動計測センサ４自体に電力を印加しないと振動計測信号を出力しない構造のものであるため、圧電素子５の発電電力が印加電力として供給される。

以上のように、本実施の形態例１の自己電源供給型振動計測装置１によれば、振動計測センサ４と、電源である圧電素子５とをセンサ本体ケース３に内蔵して成るものであって、振動計測対象の回転機械１２に取り付けられるセンサ本体２と、振動計測センサ４による回転機械１２の振動計測信号を増幅して出力する増幅器８とを有しており、圧電素子５は回転機械１２の振動によって発電し、圧電素子５の発電電力が電源出力ライン９を介して増幅器８へ供給され、且つ、圧電素子５の発電電力が増幅器８から印加電力供給ライン７を介して振動計測センサ４へも供給される構成であることを特徴としていることから、外部の電源から増幅器８や振動計測センサ４に電力を供給する必要は無く、内蔵の圧電素子５の発電電力を電源出力ライン９や印加電力供給ライン７を介して増幅器８や振動計測センサ４に供給するため、電源出力ライン９や印加電力供給ライン７から振動計測信号（実信号）へ電源ノイズが混入することがなく、その結果、振動計測の精度が向上する。

更には、本実施の形態例１の自己電源供給型振動計測装置１は、内蔵の圧電素子５を電源として用いているため、振動計測対象の回転機械１２が振動する限りは、半永久的に監視用等として使用可能である。また、本実施の形態例１の自己電源供給型振動計測装置１は、圧電素子５の発電電力を蓄電せずに直接増幅器８や振動計測センサ４で利用するため、電力ロスが小さい。

また、本実施の形態例１の自己電源供給型振動計測装置１によれば、増幅器８は高インピーダンス機能を有していることを特徴としていることから、増幅器８を計測器１１に接続しても、増幅器８から計測器１１へ送られる振動計測信号は減衰が少なく、高出力で且つ安定した出力になるため、計測器１１での信号処理に用いることができる。

＜実施の形態例２＞
図２に基づき、本発明の実施の形態例２に係る自己電源供給型振動計測装置２１について説明する。本実施の形態例２の自己電源供給型振動計測装置２１は、振動計測センサ２４及び圧電素子２５の他に増幅器２８もセンサ本体ケース２３内に設けられている点が、上記実施の形態例１の自己電源供給型振動計測装置１と異なる点である。

詳述すると、図２に示すように、本実施の形態例２の自己電源供給型振動計測装置２１は、センサ本体２２と計測器３１とを有している。

センサ本体２２は、ピエゾ機構等の振動計測センサ２４と、電源である圧電素子２５と、増幅器２８とをセンサ本体ケース２３に内蔵して成るものである。ガスタービンや蒸気タービンなどの回転機械３２の振動を計測する際、この振動計測対象の回転機械３２にセンサ本体２２を取り付ける。

振動計測センサ２４は、回転機械３２が回転しているときに当該回転機械３２の振動を計測し、この振動計測信号を信号出力ライン２６を介して増幅器２８へ出力する。なお、振動計測センサ２４としては、例えば回転機械３２の振動の加速度を計測する加速度センサや前記振動の圧力を計測する圧力センサなどを用いることができる。

増幅器２８は、振動計測センサ２４から出力される振動計測信号（アナログ出力信号）を入力して、この振動計測信号を増幅する。増幅器２８で増幅後の振動計測信号（アナログ出力信号）は、増幅器２８から増幅信号出力ライン３０を介して計測器３１へ出力される。増幅器２８から計測器３１へ送られる振動計測信号は、計測器３１での信号処理に用いられるため、高出力で且つ安定した出力である必要がある。これに対して増幅器２８の出力インピーダンスが低い場合、増幅器２８から計測器３１へ送られる振動計測信号は減衰し、低出力で且つ不安定になる可能性がある。そこで、増幅器２８は計測器３１との接続で出力が減衰しないようにするため、高インピーダンス機能を有している。
なお、メモリ機能を備えた増幅器が知られており、このような増幅器を増幅器２８として用いてセンサ本体ケース２３に内蔵すれば、増幅器２８のメモリにセンサの感度や製造年月日などを記憶させておくことがでるため、利便性が向上する。

計測器３１は、増幅後の振動計測信号を増幅器２８から入力し、この振動計測信号に対して例えばＦＦＴ分析などの信号処理を行う。

そして、圧電素子２５は、回転機械３２が回転しているときに当該回転機械３２の振動によって発電する。即ち、圧電素子２５は、振動計測センサ２４によって回転機械３２の振動を計測すべきときに当該振動によって発電する。圧電素子２５の発電電力は、増幅器２８の駆動電力として用いるため、電源出力ライン２９を介して増幅器２８へ供給される。また、圧電素子２５の発電電力は、増幅器２８から印加電力供給ライン２７を介して振動計測センサ２４へも供給される。振動計測センサ２４は、当該振動計測センサ２４自体に電力を印加しないと振動計測信号を出力しない構造のものであるため、圧電素子２５の発電電力が印加電力として供給される。

以上のように、本実施の形態例２の自己電源供給型振動計測装置２１によれば、振動計測センサ２４と、電源である圧電素子２５と、振動計測センサ２４による振動計測対象の回転機械３２の振動計測信号を増幅して出力する増幅器２８とをセンサ本体ケース２３に内蔵して成るものであって、回転機械３２に取り付けられるセンサ本体２２を有しており、圧電素子２５は回転機械３２の振動によって発電し、圧電素子２５の発電電力が電源出力ライン２９を介して増幅器２８へ供給され、且つ、圧電素子２５の発電電力が増幅器２８から印加電力供給ライン２７を介して振動計測センサ２４へも供給される構成であることを特徴としていることから、上記実施の形態例１の場合と同様に外部の電源から増幅器２８や振動計測センサ２４に電力を供給する必要は無く、内蔵の圧電素子２５の発電電力を電源出力ライン２９や印加電力供給ライン２７を介して増幅器２８や振動計測センサ２４に供給するため、電源出力ライン２８や印加電力供給ライン２７から振動計測信号（実信号）へ電源ノイズが混入することがない。しかも、振動計測センサ２４と圧電素子２５と増幅器２８の全てをセンサ本体ケース２３に内蔵しているため、より一層、電源ノイズの影響が無くなる。従って、より一層、振動計測の精度が向上する。また、振動計測装置の小型化を図ることもできる。

更には、上記実施の形態例１の場合と同様に本実施の形態例２の自己電源供給型振動計測装置２１は、内蔵の圧電素子２５を電源として用いているため、振動計測対象の回転機械３２が振動する限りは、半永久的に監視用等として使用可能であり、また、圧電素子２５の発電電力を蓄電せずに直接増幅器２８や振動計測センサ２４で利用するため、電力ロスが小さい。

また、上記実施の形態例１の場合と同様に本実施の形態例２の自己電源供給型振動計測装置２１によれば、増幅器２８は高インピーダンス機能を有していることを特徴としていることから、増幅器２８を計測器３１に接続しても、増幅器２８から計測器３１へ送られる振動計測信号は減衰が少なく、高出力で且つ安定した出力になるため、計測器３１での信号処理に用いることができる。

本発明はスタービンや蒸気タービンなどの回転機械の振動を計測するための自己電源供給型振動計測センサに関するものであり、特に増幅器へ電力を供給する電源出力ラインや、振動計測センサへ印加電力を供給する印加電力供給ラインから振動計測信号（実信号）へ電源ノイズが混入するのを防止することなどを可能にする場合に適用して有用なものである。

１ 自己電源供給型振動計測装置
２ センサ本体
３ センサ本体ケース
４ 振動計測センサ
５ 圧電素子
６ 信号出力ライン
７ 印加電力供給ライン
８ 増幅器
９ 電源出力ライン
１０ 増幅信号出力ライン
１１ 計測器
１２ 回転機械
２１ 自己電源供給型振動計測装置
２２ センサ本体
２３ センサ本体ケース
２４ 振動計測センサ
２５ 圧電素子
２６ 信号出力ライン
２７ 印加電力供給ライン
２８ 増幅器
２９ 電源出力ライン
３０ 増幅信号出力ライン
３１ 計測器
３２ 回転機械

Claims (3)

1. 振動計測センサと、電源である圧電素子とをセンサ本体ケースに内蔵して成るものであって、振動計測対象の回転機械に取り付けられるセンサ本体と、
   前記振動計測センサによる前記回転機械の振動計測信号を増幅して出力する増幅器とを有しており、
   前記圧電素子は前記回転機械の振動によって発電し、
   前記圧電素子の発電電力が電源出力ラインを介して前記増幅器へ供給され、且つ、前記圧電素子の発電電力が前記増幅器から印加電力供給ラインを介して前記振動計測センサへも供給される構成であることを特徴とする自己電源供給型振動計測装置。
2. 振動計測センサと、電源である圧電素子と、前記振動計測センサによる振動計測対象の回転機械の振動計測信号を増幅して出力する増幅器とをセンサ本体ケースに内蔵して成るものであって、前記回転機械に取り付けられるセンサ本体を有しており、
   前記圧電素子は前記回転機械の振動によって発電し、
   前記圧電素子の発電電力が電源出力ラインを介して前記増幅器へ供給され、且つ、前記圧電素子の発電電力が前記増幅器から印加電力供給ラインを介して前記振動計測センサへも供給される構成であることを特徴とする自己電源供給型振動計測装置。
3. 請求項１又は２に記載の自己電源供給型振動計測センサにおいて、
   前記増幅器は高インピーダンス機能を有していることを特徴とする自己電源供給型振動計測センサ。

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