JP2575810B2 - 弁漏洩監視装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、弁シート部からの流体漏洩時に発生する超
音波をAE（アコースティック・エミッション）センサを
使用して測定し、これを解析することによってバックグ
ランドノイズ（BGN）による影響を除去し、弁からの流
体漏洩の有無を正確に検出できるようにした弁漏洩監視
装置に関する。

（従来の技術） 発電プラントや化学プロセスプラント等においては、
プラントのコントロールのために多数の弁が配置され、
流量、圧力、温度の制御や系統分離等の用途に使用され
ている。

これらの弁のうち、特にプラントの通常運転中に比較
的高い圧力の流体を遮断する用途に使用される弁には、
漏洩を防止するため完全な遮断性能が要求される。

このような弁に、異物の噛み込みやシート部の欠陥等
によって漏洩が生じると、流体が損失する上、高圧の流
体が長い間流れ続けた場合には、初期に発見できれば異
物の除去や簡単な修理等によって再び使用できるものも
使用不能になったり、修理等に多大な手数を要すること
になる。また、流体の漏洩はプラントの運転効率を低下
させ、結果的にプラントの運転コストを増大させること
になる。

そこで従来から、弁の流体漏洩を早期に発見するため
に弁漏洩監視装置が使用されている。

この弁漏洩監視装置は、第３図に示すように、弁１ま
たはその近くに設置したAEセンサ２と、このAEセンサ２
で検出した漏洩信号を増幅してフィルタリングするAE計
測装置３と、このAE計測装置３からの信号を解析してそ
の実効値と周波数スペクトルを求める信号解析装置４
と、この解析結果を入力し、予め蓄えられている周波数
スペクトルデータと比較することによって、弁１におけ
る流体漏洩の有無を検出する処理装置５と、その出力を
表示する出力装置６とから構成されている。

第４図は上述の弁漏洩監視装置の流れ線図を示すもの
で、信号解析装置４で解析した周波数スペクトルａと、
処理装置５内に蓄えられている基準周波数スペクトルｂ
を処理装置５で比較してスペクトル差ｃを求める。この
スペクトル差ｃが処理装置５内に記憶されている基準値
αと同じか、それより大きい場合には漏洩有りと判断
し、それ以外の場合には漏洩無しと判断する。

また、信号解析装置４で求めた漏洩信号の実効値と弁
の漏洩量との間には、第５図に示すような対応関係があ
る。そこで、処理装置５はこの関係に基づいて漏洩量を
算出し、出力装置６は結果を表示する。

以上のように構成した弁漏洩監視装置によれば弁から
の漏洩を早期に検出することができ、プラントの効率低
下を防ぎ、また弁体への損傷を軽減させることができ
る。

（発明が解決しようとする課題） 一般に、弁にはそれに付随するポンプやモータ等の回
転機や流体の流動音等がノイズとして配管やサポートを
介して伝えられる。従って、AEセンサ２によって検出さ
れる音響信号にはバックグランドノイズが含まれること
になる（前述の基準周波数スペクトルｂがこれに相当す
る）。

ところで、バックグランドノイズはプラントの運転状
態、例えば起動パターンや負荷によって大きく変化す
る。従って、弁からの漏洩を正しく検出するためには、
プラントのあらゆるバックグランドノイズを基準周波数
スペクトルｂのデータとして記憶させておく必要があ
る。

しかしながら、このように全てのバックグランドノイ
ズを基準周波数スペクトルのデータとして記憶させよう
とすると、バックグランドノイズの採集に多大な労力を
要する上、プラントの経年変化や改造等によってデータ
の信頼性が失われるという問題がある。

本発明は、上述した従来技術の欠点を解決すべくなさ
れたもので、バックグランドノイズを簡便に除去すると
ともに、プラントやセンサの経年変化や改造等によって
影響を受けることがなく、弁漏洩有無の正しい評価と、
正確な漏洩量の算出が可能な弁漏洩監視装置を提供する
ことを目的とするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の弁漏洩監視装置は、弁またはその近傍に設置
され、この弁のシート部からの流体漏洩に伴って発生す
るリーク音を検出する第１のAEセンサと、前記弁の上流
側および下流側に設置したバックグランドノイズ測定用
の第２および第３のAEセンサと、これら第１、第２およ
び第３のAEセンサからの信号をそれぞれ計測する第１、
第２および第３のAE計測装置と、これら第１、第２およ
び第３のAE計測装置からの信号よりパワースペクトルを
それぞれ求める第１、第２および第３の信号解析装置
と、前記第１および第２のAE計測装置からの信号よりク
ロススペクトルを求める第４の信号解析装置と、前記第
１およぴ第３のAE計測装置からの信号よりクロススペク
トルを求める第５の信号解析装置と、前記第１および第
２の信号解析装置のパワースペクトルおよび前記第４の
信号解析装置のクロススペクトルに基づいて前記第１の
AEセンサと第２のAEセンサ間のコヒーレンス度を求める
第１の関数解析装置と、前記第１および第３の信号解析
装置のパワースペクトルおよび前記第５の信号解析装置
のクロススペクトルに基づいて前記第１のAEセンサと第
３のAEセンサ間のコヒーレンス度を求める第２の関数解
析装置と、前記第２の信号解析装置で求めたパワースペ
クトルと前記第１の関数解析装置で求めたコヒーレンス
度とを乗算しパワースペクトルを求める第１の演算装置
と、前記第３の信号解析装置で求めたパワースペクトル
と前記第２の関数解析装置で求めたコヒーレンス度とを
乗算しパワースペクトルを求める第２の演算装置と、前
記第１の信号解析装置で求めたパワースペクトルから前
記第１および第２の演算装置で求めたパワースペクトル
を除去し、漏洩検知を行う処理装置と、この処理装置の
出力を表示する出力装置とからなることを特徴とするも
のである。

（作用） 上述のように構成した弁漏洩監視装置においては、プ
ラントの運転状態が変化すると、弁の上流側および下流
側に設けたバックグランドノイズ測定用センサの出力が
変化するが、その際、弁またはその近傍に設置したセン
サの出力も変化するので、これらの出力から、弁の上流
側および下流側からのバックグランドノイズがどれだけ
関与しているかを求め、この関与分を弁またはその近傍
に設置したセンサの出力から差引くようにしたので、弁
のリーク信号がバックグランドノイズの影響を受けるこ
とはない。

次に、その理由を第６図を参照して説明する。なお、
以下の説明では、簡略化のため、弁上流側のバックグラ
ンドノイズ源とリーク音との関係についてのみ記述す
る。

第６図において、弁上流側からのバックグランドノイ
ズをひとつの発生源から発生するバックグランドノイズ
と考え、弁上流側の配管上にBGN発生源Ｘを置く。ま
た、弁で発生するリーク音もひとつの発生源と考え、リ
ーク発生源Ｚを置く。

BGN発生源Ｘからのバックグランドノイズが配管（そ
の伝達関数をＨ（ω）とする。）を経て伝達され、弁１
に取付けたセンサによってモニタされ、出力Ｙを生ずる
ものとする。

いま、BGN発生源Ｘの信号Gx（ω）をゲインαｘの変
換器で測定し、また伝達関数Ｈ（ω）を通った後の信
号、即ち出力Ｙをゲインαｙを持つ変換器で計測してい
るものと考えると、Ｘ点、Ｙ点で計測されるスペクトル
（リニアスペクトル）Gx′およびGy′は、 Ｘ点では Gx′（ω）＝αxGx（ω） ……（１） Ｙ点では Gy′（ω）＝αｙ［HGx（ω）＋Gz（ω）］ ……（２） ここで、Gx′、Gy′はそれぞれ変換器による測定量を
表し、また、Gzはリーク音によるスペクトル（リニアス
ペクトル）を意味する。なお、第（１）式中にGzの項が
含まれていないのは、リーク音はバックグランドノイズ
に比べて高周波成分が多いため、配管伝達中での減衰が
大きく、Ｘ点では検出されないためである。

従って、変換器Ｘ点におけるパワースペクトルSxx′
（ω）は、 Sxx′（ω）＝Gx′（ω）・Gx′（ω）^＊ ＝αx²・Sxx（ω） ……（３） となり、また変換器Ｙ点におけるパワースペクトルSy
y′（ω）は、 Syy′（ω）＝αy²［Ｈ・Ｈ^＊Gx（ω）・Gx（ω）^＊ ＋Ｈ^＊Gx（ω）^＊・Gz（ω）＋HGx（ω）・Gz（ω）^＊ ＋Gz（ω）・Gz（ω）^＊］＝αy²［|H|²Sxx（ω） ＋Ｈ^＊Szx（ω）＋HSxz（ω）＋Szz（ω）］……（４） となる。なお上式中、＊印は複素共役数を示す。

第（３）式と第（４）式には、Sxz（ω）で表される
Ｘ点のスペクトルと、リーク源Ｚのスペクトルの相互積
が入っているが、リーク源Ｚの信号と入力信号Ｘとは独
立の無相関であるので、これらの相互積は０になる。従
って、第（４）式は Syy′（ω）＝αy²［|H|²Sxx（ω）＋Szz（ω）］ ……
（５） となる。

また、クロススペクトルSxy′は次式のようになる。

Sxy′（ω）＝Gx′（ω）Gy′（ω）^＊ ＝αxGx（ω）αｙ［HGx（ω）^＊＋Gz（ω）^＊］ ＝αｘαy:HxxSxx（ω）＋Sxz（ω）］ ……（６） リーク源Ｚの信号と入力信号Ｘは前述のように独立な
無相関であるので、これらの相互積は０になる。従っ
て、第（６）式は Sxy′（ω）＝αｘαyHSxx（ω） ……（６′） となる。

以上の関係によりコヒーレンス度を書き直すと、 γxy²（ω）＝|Sxy′（ω）|²/Sxx′（ω） ・Syy′（ω） ＝Sxy′（ω）・Sxy′（ω）^＊ /Sxx′（ω）・Syy′（ω） ＝αx²αy²H・Ｈ^＊・ Sxx′（ω）²/αx²αy²・ Sxx（ω）［|H|²Sxx（ω） ＋Szz（ω）］ ＝|H|²Sxx（ω）／［|H|² ・Sxx（ω）＋Szz（ω）］ ……（７） となる。

第（７）式から明らかなように、γxy²（ω）は、Ｙ
点で受ける全パワー ［|H|²Sxx（ω）＋Szz（ω）］ の内、Ｘ点からのパワー |H|²Sxx（ω） が占める割合いを示していることになる。

さらに、コヒーレンス度をＹ点のパワースペクトルに
乗じると、 γxy²（ω）・Syy′（ω）＝αy²・|H|²Sxx（ω） となる。これはＸ点からのパワーのみを計測したことに
なり、バックグランドノイズによるパワースペクトルを
分離できる。従って、これをＹ点のパワースペクトルか
ら除去すれば、リーク音だけのパワースペクトルを求め
ることができる訳である。

（実施例） 次に、第１図および第２図を参照して本発明の実施例
を説明する。なお、これらの図では、第４図における同
じ部分には同一の符号を付してある。

第１図において、弁１には直接、あるいはその近くに
AEセンサ２が取付けられており、また弁１の上流側と下
流側にもAEセンサ2a、2bが設置されている。

これらのAEセンサ２、2a、2bで検出された信号はAE計
測装置３、3a、3bによって増幅・フィルタリングされた
後、信号解析装置４、4a、4bによって周波数スペクトル
（パワースペクトル）を求められる。

また信号解析装置10a、10bではAE計測装置３と3aの
間、および３と3bの間の周波数スペクトル（クロススペ
クトル）が求められる。

信号解析装置10a、10bで解析された周波数スペクトル
信号は、信号解析装置４と4aまたは４と4bからのパワー
スペクトルとともに関数解析装置11a、11bに入力され、
AEセンサ２の出力に対して弁１の上流側と下流側からの
バックグランドノイズがどれだけ関与しているかを表す
関数が求められる。

演算装置12a、12bは信号解析装置4a、4bと関数解析装
置11a、11bの出力を演算し、弁１の上流側と下流側から
の影響を表す周波数スペクトル（パワースペクトル）を
求める。

処理装置５では、信号解析装置４の出力から演算装置
12a、12bの出力を差引くことにより正確な弁リーク量を
求めることができる。

これにより、プラントの運転状態によるバックグラン
ドノイズの変化に影響されない漏洩信号の検出が可能と
なり、基準値αとの比較により、漏洩発生の有無の判断
を正確に行うことができ、また、漏洩量の正確な推定が
可能となる。

次に、上述の実施例の作用を第２図を参照して説明す
る。なお、同図中の各グラフにおいて、点線は弁１に漏
洩がない場合を示し、実線は漏洩がある場合を示す。

AE計測装置３、3a、3bは、前述のようにAEセンサ２、
2a、2bから入力する信号を増幅するとともにフィルタリ
ングして出力T_AE1、T_AE2、T_AE3を生ずる。これらの出力
T_AE1、T_AE2、T_AE3は信号解析装置４、4a、4bによってパ
ワースペクトルS_AE11、S_AE22、S_AE33に変換される。

信号解析装置10aはT_AE1とT_AE2に基づいてクロススペ
クトルS_AE12を求める。また、信号解析装置10bはT_AE1と
T_AE3に基づいてクロススペクトルS_AE13を求める。

関数解析装置11aは先に求めたS_AE11、S_AE12、S_AE22か
らコヒーレンス度γ12を求める。また、関数解析装置11
bはS_AE11、S_AE13、S_AE33からコヒーレンス度γ13を求め
る。

なお、コヒーレンス度は結合の度合いを０から１の間
の数値で表したものである。

一般に、コヒーレンス度γxyは次式で表すことができ
る。

γxy²＝|SAExy（ω）|²/［ＳAExx（ω） ×ＳAEyy（ω）］＝|H|²SAExx（ω）／［|H|² ×ＳAExx（ω）＋ＳAEyy（ω）］ ……（８） 但し、ＳAExy：点ｘ、ｙ間のクロススペクトル ＳAExx：点ｘのパワースペクトル ＳAEyy：点ｙのパワースペクトル H:点ｘから点ｙに対する伝達関数 従って、コヒーレンス度γxyに点ｙのパワースペクト
ルＳAEyyを乗算すると、点ｘにおける点ｙからの影響に
よるパワースペクトルを求めることができる。同様に、
コヒーレンス度γxyに点ｘのパワースペクトルＳAExxを
乗算すると、点ｙにおける点ｘからの影響によるパワー
スペクトルを求めることができる。

弁１に漏洩がない場合は、AEセンサ２によって検出さ
れる信号は、第２図のγ１およびγ13中の点線で示すよ
うに、強い結合関係を示し、弁１の上流側および下流側
からのバックグランドノイズであることが分る。

一方、弁１に漏洩がある場合は、AEセンサ２によって
検出される信号は、リークによる信号成分の割合いが多
くなる。この場合、弁１の上流側および下流側に設置し
たバックグランドノイズ計測用のAEセンサ2a、2bの信号
レベルも多少は大きくなるが、AEセンサ２によって検出
されるリーク信号に比べると非常に小さいので、第２図
のγ12およびγ13中の実線で示すように、弱い結合関係
を示し、弁１からの漏洩であることが分る。

演算装置12aでは、弁上流側からの検出信号のパワー
スペクトルS_AE22とコヒーレンスγ12に基づいて、弁１
上流側からの影響を示すパワースペクトルS_BGN12を演算
する。また、演算装置12bでは、弁下流側からの検出信
号のパワースペクトルS_AE33とコヒーレンス度γ13に基
づいて、弁１下流側からの影響を示すパワースペクトル
S_BGN13を演算する。

処理装置５においては、信号解析装置４の出力S_AE11
から、弁上流側と弁下流側からの影響S_BGN12、S_BGN13を
差引く。

これによりプラントの運転状態によるバックグランド
ノイズの変化に影響されることなく漏洩信号S_Lの検出が
可能となり、基準値αとの比較によって漏洩発生の有無
の判定を正確に行うことができる。また、漏洩信号S_Lよ
り求めた実効値により漏洩量の推定を正確に行うことが
できる。

［発明の効果］ 上述のように、本発明に係る弁漏洩監視装置によれ
ば、プラントの運転状態によるバックグランドノイズの
変化に影響されることかう漏洩信号を検出することがで
き、弁から漏洩が生じた場合、これを正確に判別するこ
とができる上、正確な漏洩量の推定も可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の弁漏洩監視装置の実施例を示すブロッ
ク図、第２図は第１図に示す弁漏洩監視装置の作動を示
す流れ線図、第３図は従来の弁漏洩監視装置を例示する
ブロック図、第４図は第３図の弁漏洩監視装置の作動を
示す流れ線図、第５図は第３図における信号解析装置に
よって求めた漏洩量と実効値との関係を示すグラフ、第
６図はバックグランドノイズ源とリーク音との関係を説
明する流れ図である。 １……弁 ２、2a、2b……AEセンサ ３、3a、3b……AE計測装置 ４、4a、4b……信号解析装置 ５……処理装置 ６……出力装置 10a、10b……信号解析装置 11a、11b……関数解析装置 12a、12b……演算装置。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弁またはその近傍に設置され、この弁のシ
   ート部からの流体漏洩に伴って発生するリーク音を検出
   する第１のAEセンサ（２）と、前記弁の上流側および下
   流側に設置したバックグランドノイズ測定用の第２およ
   び第３のAEセンサ（2a,2b）と、これら第１、第２およ
   び第３のAEセンサからの信号をそれぞれ計測する第１、
   第２および第３のAE計測装置（3,3a,3b）と、これら第
   １、第２および第３のAE計測装置からの信号よりパワー
   スペクトルをそれぞれ求める第１、第２および第３の信
   号解析装置（4,4a,4b）と、前記第１および第２のAE計
   測装置からの信号よりクロススペクトルを求める第４の
   信号解析装置（10a）と、前記第１およぴ第３のAE計測
   装置からの信号よりクロススペクトルを求める第５の信
   号解析装置（10b）と、前記第１および第２の信号解析
   装置のパワースペクトルおよび前記第４の信号解析装置
   のクロススペクトルに基づいて前記第１のAEセンサと第
   ２のAEセンサ間のコヒーレンス度を求める第１の関数解
   析装置（11a）と、前記第１および第３の信号解析装置
   のパワースペクトルおよび前記第５の信号解析装置のク
   ロススペクトルに基づいて前記第１のAEセンサと第３の
   AEセンサ間のコヒーレンス度を求める第２の関数解析装
   置（11b）と、前記第２の信号解析装置で求めたパワー
   スペクトルと前記第１の関数解析装置で求めたコヒーレ
   ンス度とを乗算しパワースペクトルを求める第１の演算
   装置（12a）と、前記第３の信号解析装置で求めたパワ
   ースペクトルと前記第２の関数解析装置で求めたコヒー
   レンス度とを乗算しパワースペクトルを求める第２の演
   算装置（12b）と、前記第１の信号解析装置で求めたパ
   ワースペクトルから前記第１および第２の演算装置で求
   めたパワースペクトルを除去し、漏洩検知を行う処理装
   置（５）と、この処理装置の出力を表示する出力装置
   （６）とからなることを特徴とする弁漏洩監視装置。