JP2022129655A

JP2022129655A - 計測装置

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Publication number: JP2022129655A
Application number: JP2021028417A
Authority: JP
Inventors: 成雄吉川; Shigeo Yoshikawa
Original assignee: Miyawaki Inc
Current assignee: Miyawaki Inc
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-09-06
Anticipated expiration: 2041-02-25
Also published as: JP7349161B2

Abstract

【課題】プローブの共振周波数と増幅回路のゲインとの不整合に起因するＳＮ比の低下を改善することが可能な計測装置を提供する。
【解決手段】計測装置は、第１のピーク値（例えばＫ１）を有する第１の共振周波数（例えばＦ２）と、第１のピーク値より低い第２のピーク値（例えばＫ２）を有する第２の共振周波数（例えばＦ１）とを有する振動プローブを備える。このような振動プローブを備える計測装置において、増幅回路は、振動センサから出力された電気信号のうち第１の共振周波数の帯域の信号を第１のゲイン（例えばＡ×Ｋ３／Ｋ１）によって増幅し、当該電気信号のうち第２の共振周波数の帯域の信号を、第１のゲインより高い第２のゲイン（例えばＡ×Ｋ３／Ｋ２）によって増幅する。
【選択図】図３

Description

本発明は、計測装置に関し、特に、スチームトラップの振動を計測する計測装置に関する。

蒸気配管系を備えたプラント等においては、熱交換又は放熱等によって配管系内に復水（ドレン）が生じることがある。この復水を配管系内に滞留させると運転効率が低下する原因となるため、一般には、配管系の適所にスチームトラップを設置し、このスチームトラップによって復水を配管系の外部に排出するようにしている。

経年劣化又は作動不良等によってスチームトラップのシール性能が損なわれると、蒸気配管系内の蒸気がスチームトラップを介して外部に漏出し、無駄な蒸気損失を招くこととなる。そのため、１年に１回等の定期的に、スチームトラップの状態を点検する作業が行われる。

下記特許文献１には、背景技術に係る計測装置が開示されている。当該計測装置は、スチームトラップに当接されることによりスチームトラップの振動を伝達する振動プローブと、振動プローブから伝達されたスチームトラップの振動に応じた電気信号を出力する振動センサと、振動センサから出力された電気信号から所定の周波数帯域の信号を得るフィルタ回路と、フィルタ回路から出力された信号を所定のゲインで増幅する増幅回路と、増幅回路から出力されたアナログ信号をディジタルデータに変換（ＡＤ変換）するＡＤ変換回路と、ＡＤ変換回路から出力されたデータを処理するデータ処理部とを備えている。

特開２０１６－１１９０４号公報

振動プローブは、その構成部品の形状等に起因して、振幅のピーク値が異なる複数の共振周波数を有する。しかし、背景技術に係る計測装置では、振動プローブの共振周波数と増幅回路のゲインとの不整合に起因して、ＳＮ比が十分ではないという課題がある。つまり、スチームトラップの所望の振動周波数と振動プローブの共振周波数とが相違する場合に、当該所望の振動周波数の信号レベルを上げるためには増幅回路のゲインを大きく設定する必要があり、その結果、ノイズも増幅されてＳＮ比が低下する。

本発明はかかる課題を解決するために成されたものであり、プローブの共振周波数と増幅回路のゲインとの不整合に起因するＳＮ比の低下を改善することが可能な計測装置を得ることを目的とする。

本発明の一態様に係る計測装置は、スチームトラップの振動を計測する計測装置であって、前記スチームトラップに当接されることにより前記スチームトラップの振動を伝達するプローブと、前記プローブから伝達された前記スチームトラップの振動に応じた電気信号を出力する振動センサと、前記振動センサから出力された前記電気信号を増幅する増幅回路と、を備え、前記プローブは、少なくとも、振幅の第１のピーク値を有する第１の共振周波数と、前記第１のピーク値より低い第２のピーク値を有する第２の共振周波数とを有し、前記増幅回路は、前記電気信号のうち前記第１の共振周波数の帯域の信号を、第１のゲインによって増幅し、前記電気信号のうち前記第２の共振周波数の帯域の信号を、前記第１のゲインより高い第２のゲインによって増幅する。

この態様によれば、計測装置は、第１のピーク値を有する第１の共振周波数と、第１のピーク値より低い第２のピーク値を有する第２の共振周波数とを有するプローブを備える。このようなプローブを備える計測装置において、増幅回路は、振動センサから出力された電気信号のうち第１の共振周波数の帯域の信号を第１のゲインによって増幅し、当該電気信号のうち第２の共振周波数の帯域の信号を、第１のゲインより高い第２のゲインによって増幅する。これにより、共振周波数のピーク値の大小のばらつきを、増幅回路のゲインの大小によって補正できるため、プローブの共振周波数と増幅回路のゲインとの不整合に起因するＳＮ比の低下を改善することが可能となる。

上記態様において、前記プローブは、前記第２のピーク値より低い第３のピーク値を有する第３の共振周波数をさらに有し、前記増幅回路は、前記電気信号のうち前記第３の共振周波数の帯域の信号を、前記第２のゲインより高い第３のゲインによって増幅する。

この態様によれば、ピーク値が異なる３つの共振周波数を有するプローブを備える計測装置においても、３つの共振周波数のピーク値のばらつきを、増幅回路の３つのゲインによって補正することにより、プローブの共振周波数と増幅回路のゲインとの不整合に起因するＳＮ比の低下を改善することが可能となる。

本発明によれば、プローブの共振周波数と増幅回路のゲインとの不整合に起因するＳＮ比の低下を改善することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る可搬型の計測装置の構成を簡略化して示す図である。温度プローブ及び振動プローブの具体的な構成例を示す断面図である。本発明の実施の形態に係る計測装置における、周波数に対する振幅特性及びゲイン特性の第１の例を示す図である。本発明の実施の形態に係る計測装置における、周波数に対する振幅特性及びゲイン特性の第２の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、異なる図面において同一の符号を付した要素は、同一又は相応する要素を示すものとする。

図１は、本発明の実施の形態に係る可搬型の計測装置１の構成を簡略化して示す図である。計測装置１は、スチームトラップの温度及び振動を計測する機能と、その計測結果に基づいてスチームトラップの状態を診断する機能とを備えている。但し、診断機能は、計測装置１の外部装置（診断装置又はサーバ装置等）が備えても良い。また、可搬型に限らず設置型の計測装置であっても良い。

蒸気配管系を備えたプラント等においては、配管系内に生じた復水（ドレン）を配管系の外部に排出するために、配管系の適所に複数のスチームトラップが設置されている。スチームトラップは、１年に１回等の定期点検によって、その状態が点検される。定期点検の作業者は、可搬型の計測装置１を携帯してプラント内を移動することにより、計測装置１によって各スチームトラップを順に点検する。なお、スチームトラップの点検は、定期点検に限らず、不定期な点検であっても良い。

計測装置１は、プローブ（温度プローブＰ１及び振動プローブＰ２）、温度センサ１１、増幅回路１２、ＡＤ変換回路１３、振動センサ６１、フィルタ回路６２、増幅回路６３、ＡＤ変換回路６４、制御部７１、操作部４１、表示部４２、記憶部４３、及び通信部４４を有している。

温度プローブＰ１及び振動プローブＰ２は、例えば円筒状パイプの外観形状を有している。温度プローブＰ１は、振動プローブＰ２の内側の空間において、振動プローブＰ２の内周面に対して非接触に、同心の位置関係で配置されている。温度プローブＰ１及び振動プローブＰ２は、計測対象であるスチームトラップの表面に当接されることによって、当該スチームトラップの温度及び振動を温度センサ１１及び振動センサ６１に伝達する。

図２は、温度プローブＰ１及び振動プローブＰ２の具体的な構成例を示す断面図である。振動プローブＰ２は、計測対象であるスチームトラップからの振動が入力される振動プローブ本体２０を含む。

振動プローブ本体２０は、上下方向（図２では左右方向）に延びる断面円環状の金属製パイプ、具体的にはステンレス製のパイプからなる振動入力部２２と、この振動入力部２２の下端部（基端部）に繋がる台座部２４とを含む。

台座部２４は、複数の異径部分が軸方向に並んだ金属製の段付き円柱体である。具体的には、台座部２４は、下側から順に大径部２４ａ、中径部２４ｂ及び小径部２４ｃの３つの異径部分を備える。台座部２４は、振動入力部２２と同じ金属材料（ステンレス）で構成されている。

振動入力部２２を構成する金属製パイプの内径は、台座部２４の中径部２４ｂの外径と同等、又はそれよりも若干大きく設定されている。当該パイプは、台座部２４の中径部２４ｂに外嵌され、大径部２４ａの上面に突き当てられた状態で、外側からボルトＢ２で台座部２４に固定されている。これにより、円筒状の振動入力部２２を先端に備えた振動プローブ本体２０が構成されている。

振動センサ６１は、台座部２４の下面、すなわち台座部２４のうち反振動入力部２２側の位置に配置されている。振動センサ６１は、台座部２４の下面中央部に、下側からボルトＢ１で固定されている。

温度プローブＰ１は、振動プローブ本体２０における振動入力部２２の内側に配置されている。詳しくは、温度プローブＰ１は、振動入力部２２の中心部に、当該振動入力部２２の内周面に対して非接触の状態で配置されている。

温度プローブＰ１の内部空間には、熱電対３２が配置されている。具体的には、温度プローブＰ１は、振動入力部２２に沿ってその軸方向に延びる円筒状のハウジング３０と、出没可能となるように当該ハウジング３０の先端に配置される接触板３４と、ハウジング３０内に配置されて、接触板３４を先端側に向かって弾性的に付勢するコイルスプリング等の図略の付勢部材と、ハウジング３０の内側の空間に配置される熱電対３２と、ハウジング３０内で熱電対３２を保持するための部材等とを含む。ハウジング３０及び接触板３４は、同一の又は互いに異なる金属材料で構成されている。

ハウジング３０の内径は、振動プローブ本体２０における台座部２４の小径部２４ｃの外径と同等、又はそれよりも若干大きく設定されている。ハウジング３０は、台座部２４の小径部２４ｃに外嵌され、中径部２４ｂの上面に突き当てられた状態で、外側からボルトＢ３で台座部２４に固定されている。これにより、温度プローブＰ１は、振動入力部２２の中心部に、当該振動入力部２２の内周面との間に一定の隙間Ｓを隔てた状態（振動入力部２２に対して非接触の状態）で、振動プローブ本体２０に対して一体に組付けられている。

図２に示すように、上下方向（図２では左右方向）において、ハウジング３０の先端は、振動入力部２２の先端と面一に設けられている。従って、接触板３４は、上記付勢部材の付勢力によって、その上端面（図２では左端面）が振動入力部２２及びハウジング３０の端面から上方（図２では左方）に飛び出した突出位置に配置されている。

熱電対３２は、互いに異なる材質の金属線で構成された二本の熱電対素線３２ａ，３２ｂを備えている。例えば、一方の熱電対素線３２ａはクロメル線で、他方の熱電対素線３２ｂはアルメル線で構成されている。各熱電対素線３２ａは、ガラス繊維やフッ素樹脂等の被覆材によって被覆されている。

各熱電対素線３２ａ、３２ｂの一端（先端）は、接触板３４の下面（図２では右面）の同じ位置に接合されている。具体的には、各熱電対素線３２ａ、３２ｂの一端は、共に接触板３４の下面中心部に溶接されている（符号３３は溶接部分を示す）。これにより、当該接触板３４によって熱電対３２の測温接点が構成されている。上記の通り、温度プローブ６は、振動入力部２２の中心部に配置されており、従って、熱電対３２の測温接点は、振動入力部２２の中心部、すなわち振動プローブＰ２の軸心上に配置されていると言える。

各熱電対素線３２ａ，３２ｂは、ハウジング３０に沿って配索されている。各熱電対素線３２ａ，３２ｂの他端は、振動プローブ本体２０の台座部２４に形成されたスリット状の溝部２５を通じて振動プローブＰ２の外側に導出されている。

本実施の形態に係る計測装置１では、スチームトラップの振動の強度及び表面温度を計測する場合に、振動入力部２２の先端とハウジング３０の先端とがスチームトラップの表面に当接される。このため、スチームトラップの振動は、振動入力部２２及びハウジング３０の双方を伝達する。換言すると、計測装置１では、スチームトラップの表面と振動センサ６１との間の振動の伝達経路において、振動入力部２２、ハウジング３０、及び台座部２４の、３つの構成部品が介在することとなる。振動の伝達経路において、ハウジング３０は、振動入力部２２に対して並列に配され、台座部２４に対して直列に配されている。

図１を参照して、温度センサ１１は、上記一対の熱電対素線３２ａ，３２ｂと図略の温度計測回路とを備えて構成されており、温度プローブＰ１から伝達された温度を電気信号に変換して出力する。温度センサ１１から出力された電気信号は、増幅回路１２に入力される。増幅回路１２は、入力された電気信号を増幅して出力する。増幅回路１２から出力された電気信号は、ＡＤ変換回路１３に入力される。ＡＤ変換回路１３は、入力されたアナログの電気信号をディジタルデータに変換して出力する。ＡＤ変換回路１３から出力された、温度計測値を示すディジタルデータ（温度データ）は、制御部７１に入力される。

振動センサ６１は、例えば圧電型加速度センサを備えて構成されており、振動プローブＰ２から伝達された振動を電気信号に変換して出力する。振動センサ６１から出力された電気信号は、フィルタ回路６２に入力される。フィルタ回路６２は、入力された電気信号のうち所定の周波数帯域の電気信号を通過して出力する。フィルタ回路６２から出力された電気信号は、増幅回路６３に入力される。増幅回路６３は、入力された電気信号を増幅して出力する。増幅回路６３から出力された電気信号は、ＡＤ変換回路６４に入力される。ＡＤ変換回路６４は、入力されたアナログの電気信号をディジタルデータに変換して出力する。ＡＤ変換回路６４から出力された、振動計測値を示すディジタルデータ（振動データ）は、制御部７１に入力される。

操作部４１は、作業者が各種の情報を入力するための操作スイッチ等によって構成されている。表示部４２は、液晶ディスプレイ又は有機ＥＬディスプレイ等を用いて構成されている。但し、タッチパネル式ディスプレイを使用することにより、操作部４１と表示部４２とが一体として構成されても良い。記憶部４３は、フラッシュメモリ等の書き換え可能な半導体メモリ等を用いて構成されている。通信部４４は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の任意の通信方式に対応した通信モジュールを備えて構成されている。

制御部７１は、ＣＰＵ等を備えて構成されている。制御部７１は、当該ＣＰＵが所定のプログラムを実行することによって実現される機能として、診断部５１を有している。診断部５１は、ＡＤ変換回路１３，６４から入力された測定データ（温度データ及び振動データ）に基づいてスチームトラップの状態を診断し、その診断の結果を示す診断データを出力する。例えば、診断部５１は、入力された温度データと予め設定された所定の温度しきい値とを比較し、また、入力された振動データと予め設定された所定の振動しきい値とを比較する。診断部５１は、これら二つの比較結果の組合せに応じて、スチームトラップが正常であるか異常（蒸気漏出、ドレン排出不良、又は閉塞）であるかを診断する。制御部７１は、スチームトラップの診断データを含めて診断結果情報（点検日及び診断結果等）を作成し、当該診断結果情報を記憶部４３に記憶する。また、制御部７１は、診断データを表示部４２に入力する。これにより、スチームトラップの診断結果が表示部４２に表示される。さらに、制御部７１は、スチームトラップの診断結果情報を通信部４４に入力する。通信部４４は、入力された診断結果情報を、計測装置１の外部のデータ処理装置に送信する。

図３は、本実施の形態に係る計測装置１における、周波数に対する振幅特性及びゲイン特性の第１の例を示す図である。上段は、周波数に対する振動プローブＰ２の振幅特性を示しており、下段は、周波数に対する増幅回路６３のゲイン特性を示している。

上記の通り、本実施の形態に係る計測装置１では、スチームトラップの表面と振動センサ６１との間の振動の伝達経路において、振動入力部２２、ハウジング３０、及び台座部２４の、３つの構成部品が介在する。従って、振動プローブＰ２は、これら３つの構成部品の形状等に起因して、振幅のピーク値が異なる３つの共振周波数を有する。図３の例において、振動プローブＰ２は、ピーク値Ｋ２の共振周波数Ｆ１と、ピーク値Ｋ１の共振周波数Ｆ２と、ピーク値Ｋ３の共振周波数Ｆ３とを有する。周波数の大きさはＦ１＜Ｆ２＜Ｆ３であり、ピーク値の大きさはＫ３＜Ｋ２＜Ｋ１である。

本実施の形態に係る計測装置１では、このような振動プローブＰ２の振幅特性に対して逆特性となるように、増幅回路６３のゲイン特性が設定されている。具体的に、共振周波数Ｆ３におけるゲインをＡとした時に、共振周波数Ｆ１におけるゲインがＡ×Ｋ３／Ｋ２となり、共振周波数Ｆ２におけるゲインがＡ×Ｋ３／Ｋ１となるように、増幅回路６３のゲインが設定されている。各共振周波数Ｆ１～Ｆ３間のゲインは、直線近似又は曲線近似によって滑らかに連続するように設定されている。

周波数帯域別にゲインが異なる特性は、通過帯域が異なる複数のバンドパスフィルタを用いてフィルタ回路６２を構成し、ゲインが異なる複数の増幅器を用いて増幅回路６３を構成することによって、実現することができる。

このように、本実施の形態に係る計測装置１では、振動プローブＰ２の振幅特性に対して増幅回路６３のゲイン特性が逆特性となるように設定されている。そのため、増幅回路６３から出力された電気信号においては、全ての周波数帯域において信号レベルが整合される。

図３では、振動伝達経路に３つの構成部品が介在することによって３つの共振周波数を有する振動プローブＰ２の例について示した。しかし、共振周波数の数は３つに限らず、本発明は、振動伝達経路に複数の構成部品が介在することによって複数の共振周波数を有する振動プローブについて適用することが可能である。

図４は、本実施の形態に係る計測装置１における、周波数に対する振幅特性及びゲイン特性の第２の例を示す図である。図４では、振動伝達経路に２つの構成部品が介在することによって２つの共振周波数を有する振動プローブの例について示している。

図４の例において、振動プローブは、ピーク値Ｋ４の共振周波数Ｆ４と、ピーク値Ｋ５の共振周波数Ｆ５とを有する。周波数の大きさはＦ４＜Ｆ５であり、ピーク値の大きさはＫ５＜Ｋ４である。共振周波数Ｆ５におけるゲインをＡとした時に、共振周波数Ｆ４におけるゲインがＡ×Ｋ５／Ｋ４となるように、増幅回路６３のゲインが設定されている。図４の例においても、増幅回路６３から出力された電気信号において、全ての周波数帯域で信号レベルを整合させることが可能である。

このように本実施の形態によれば、計測装置１は、第１のピーク値（例えばＫ１）を有する第１の共振周波数（例えばＦ２）と、第１のピーク値より低い第２のピーク値（例えばＫ２）を有する第２の共振周波数（例えばＦ１）とを有する振動プローブＰ２を備える。このような振動プローブＰ２を備える計測装置１において、増幅回路６３は、振動センサ６１から出力された電気信号のうち第１の共振周波数の帯域の信号を第１のゲイン（例えばＡ×Ｋ３／Ｋ１）によって増幅し、当該電気信号のうち第２の共振周波数の帯域の信号を、第１のゲインより高い第２のゲイン（例えばＡ×Ｋ３／Ｋ２）によって増幅する。これにより、共振周波数のピーク値の大小のばらつきを、増幅回路６３のゲインの大小によって補正できるため、振動プローブＰ２の共振周波数と増幅回路６３のゲインとの不整合に起因するＳＮ比の低下を改善することが可能となる。

また、図３に示した例によれば、ピーク値が異なる３つの共振周波数Ｆ１～Ｆ３を有する振動プローブＰ２を備える計測装置１において、３つの共振周波数Ｆ１～Ｆ３のピーク値Ｋ１～Ｋ３のばらつきを、増幅回路６３の３つのゲインによって補正することにより、振動プローブＰ２の共振周波数と増幅回路６３のゲインとの不整合に起因するＳＮ比の低下を改善することが可能となる。

１計測装置
６１振動センサ
６２フィルタ回路
６３増幅回路
Ｐ２振動プローブ

Claims

スチームトラップの振動を計測する計測装置であって、
前記スチームトラップに当接されることにより前記スチームトラップの振動を伝達するプローブと、
前記プローブから伝達された前記スチームトラップの振動に応じた電気信号を出力する振動センサと、
前記振動センサから出力された前記電気信号を増幅する増幅回路と、
を備え、
前記プローブは、少なくとも、振幅の第１のピーク値を有する第１の共振周波数と、前記第１のピーク値より低い第２のピーク値を有する第２の共振周波数とを有し、
前記増幅回路は、前記電気信号のうち前記第１の共振周波数の帯域の信号を、第１のゲインによって増幅し、前記電気信号のうち前記第２の共振周波数の帯域の信号を、前記第１のゲインより高い第２のゲインによって増幅する、計測装置。
前記プローブは、前記第２のピーク値より低い第３のピーク値を有する第３の共振周波数をさらに有し、
前記増幅回路は、前記電気信号のうち前記第３の共振周波数の帯域の信号を、前記第２のゲインより高い第３のゲインによって増幅する、請求項１に記載の計測装置。