JP2905871B2 - 超音波による回転体の間隙計測方法及び装置 - Google Patents
超音波による回転体の間隙計測方法及び装置Info
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- JP2905871B2 JP2905871B2 JP35580996A JP35580996A JP2905871B2 JP 2905871 B2 JP2905871 B2 JP 2905871B2 JP 35580996 A JP35580996 A JP 35580996A JP 35580996 A JP35580996 A JP 35580996A JP 2905871 B2 JP2905871 B2 JP 2905871B2
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、回転体の間隙寸
法を計測する方法及び装置に関するものである。
法を計測する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】回転体の間隙量の計測手段として、渦電
流式、放電式、静電容量式、光反射式、Ｘ線透過式とい
ったものがある。また、間隙よりはるかに量の大きな距
離の計測手段として超音波送受信方式のものもある。
流式、放電式、静電容量式、光反射式、Ｘ線透過式とい
ったものがある。また、間隙よりはるかに量の大きな距
離の計測手段として超音波送受信方式のものもある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の間隙計測装
置は、渦電流式、放電式、静電容量式のように、回転体
が金属でなければならないもの、光反射式のように汚れ
に弱いもの、Ｘ線透過式のように装置が大がかりなも
の、など一長一短であり使用上の問題点があった。ま
た、距離の計測装置として、超音波式のものは、計測範
囲は数十メートル以上であり、回転体の間隙（数十ミリ
メートル以下）計測には適していない。この発明は、こ
の問題点を解決するためになされたもので、金属あるい
は非金属の回転半径方向間隙寸法あるいは軸方向間隙寸
法を、非接触で、汚れた環境においても、容易に計測す
ることができる計測方法及び装置を提供することを目的
とする。
置は、渦電流式、放電式、静電容量式のように、回転体
が金属でなければならないもの、光反射式のように汚れ
に弱いもの、Ｘ線透過式のように装置が大がかりなも
の、など一長一短であり使用上の問題点があった。ま
た、距離の計測装置として、超音波式のものは、計測範
囲は数十メートル以上であり、回転体の間隙（数十ミリ
メートル以下）計測には適していない。この発明は、こ
の問題点を解決するためになされたもので、金属あるい
は非金属の回転半径方向間隙寸法あるいは軸方向間隙寸
法を、非接触で、汚れた環境においても、容易に計測す
ることができる計測方法及び装置を提供することを目的
とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この発明に係る回転体の
間隙計測装置は、回転体の半径方向、あるいは軸方向の
間隙において、間隙方向に取り付けられ、超音波パルス
を発生するとともに反射波を受信する超音波センサと、
該超音波センサの出力信号から超音波センサを励起した
際の共振波の影響を除去する手段と、上記間隙部の温度
を検出するセンサと、該検出温度より音速を算出する手
段と、前記超音波パルスの送受信の時間間隔と算出され
た前記音速とから、前記間隙量を算出する演算装置とを
備えたものである。
間隙計測装置は、回転体の半径方向、あるいは軸方向の
間隙において、間隙方向に取り付けられ、超音波パルス
を発生するとともに反射波を受信する超音波センサと、
該超音波センサの出力信号から超音波センサを励起した
際の共振波の影響を除去する手段と、上記間隙部の温度
を検出するセンサと、該検出温度より音速を算出する手
段と、前記超音波パルスの送受信の時間間隔と算出され
た前記音速とから、前記間隙量を算出する演算装置とを
備えたものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】トリガパルスで超音波センサを励
起させ超音波を発生させると、この超音波は間隙空間を
音速で伝播し物体壁面で反射され、その反射波は同じ超
音波センサ受信されて計測される。この超音波の発生か
ら反射波の受信までの経過時間Ｔは、間隙寸法Ｌに比例
し、音速Ｖに反比例する。従って、この経過時間および
音速を計測すれば、 Ｌ＝Ｔ・Ｖ／２ ‥‥‥ （１） （１）式の関係で、間隙寸法が計測される。超音波セン
サは耐環境性はよく、高温で汚れた環境でも問題なく作
動する。
起させ超音波を発生させると、この超音波は間隙空間を
音速で伝播し物体壁面で反射され、その反射波は同じ超
音波センサ受信されて計測される。この超音波の発生か
ら反射波の受信までの経過時間Ｔは、間隙寸法Ｌに比例
し、音速Ｖに反比例する。従って、この経過時間および
音速を計測すれば、 Ｌ＝Ｔ・Ｖ／２ ‥‥‥ （１） （１）式の関係で、間隙寸法が計測される。超音波セン
サは耐環境性はよく、高温で汚れた環境でも問題なく作
動する。
【０００６】さて、この測定法を回転体の間隙量計測に
適用しようとする場合には、回転体の構造が半径方向あ
るいは軸方向に均等であるとは限らないという問題があ
り、もし、構造上凹凸があるものであればその対峙する
壁面との間隙は回転にともない変化することとなる。従
って、間隙量を計測するといってもそれが回転体凸部と
壁面との間隙であるのか、回転体の特定部と壁面との間
隙であるのか、あるいは回転体と壁面間の時間的に変化
する間隙を求めるのかによってその計測法は異なってく
る。また、音速にしても常に一定として扱えるものでは
なく、音波が伝播する媒質が何であるか（例えば空
気）、更に温度、密度によっても変化するものである。
したがって、本願発明は環境変化に対応した音速を計算
し間隙を演算するものである。
適用しようとする場合には、回転体の構造が半径方向あ
るいは軸方向に均等であるとは限らないという問題があ
り、もし、構造上凹凸があるものであればその対峙する
壁面との間隙は回転にともない変化することとなる。従
って、間隙量を計測するといってもそれが回転体凸部と
壁面との間隙であるのか、回転体の特定部と壁面との間
隙であるのか、あるいは回転体と壁面間の時間的に変化
する間隙を求めるのかによってその計測法は異なってく
る。また、音速にしても常に一定として扱えるものでは
なく、音波が伝播する媒質が何であるか（例えば空
気）、更に温度、密度によっても変化するものである。
したがって、本願発明は環境変化に対応した音速を計算
し間隙を演算するものである。
【０００７】本願発明では回転体の任意の特定点と壁面
との間隙量を求めることを考える。その特定点は、回転
体の何れかに基準点を決め１回転につき１回その基準点
が通過する際の信号を検出する基準位置センサ配設し、
その信号を適切な遅延をもたせて上記トリガパルスとす
ることにより、回転体の回転位置を特定することができ
る。それは基準位置センサと超音波センサの位置関係、
回転体の回転速度そしてこの遅延時間により決定され
る。この遅延時間を変更することで回転体の適宜の位置
の間隙を計測することができる。
との間隙量を求めることを考える。その特定点は、回転
体の何れかに基準点を決め１回転につき１回その基準点
が通過する際の信号を検出する基準位置センサ配設し、
その信号を適切な遅延をもたせて上記トリガパルスとす
ることにより、回転体の回転位置を特定することができ
る。それは基準位置センサと超音波センサの位置関係、
回転体の回転速度そしてこの遅延時間により決定され
る。この遅延時間を変更することで回転体の適宜の位置
の間隙を計測することができる。
【０００８】また、超音波送受信法によって間隙計測を
行った場合、反射波を受信する超音波センサ３の実際の
振動はこの反射波の受信によるものの他に発信の際の励
起に基づく超音波センサ自身の共振波が重畳されてい
る。長い距離の計測であれば反射波の到達時間はそれだ
け長くなり、励起共振波は十分に減衰しているのでこの
共振波の重畳はさほど問題にはならなかったが、計測す
べき間隙が狭い場合、反射波の到達時間が短いため、励
振共振波の減衰が少なく反射波をこの励起共振波から区
別して、正確な反射波の受信タイミングを割り出すこと
が困難になるという問題を生じる。そこで、本願発明は
励起共振波の減衰波形特性を予め記憶しておき、超音波
センサ３の出力信号からこれを差し引くようにして励起
共振波の影響を除去するようにしている。間隙が無限大
であれば反射波の受信はなく、超音波センサの出力は単
純に励起共振波に対応するものとみなすことができるの
で、この励起共振波の減衰波形特性は間隙が無限大の時
の超音波センサ３の計測データとして得ることができ
る。本発明はこの様に励起共振波の影響を除去すること
で反射波の受信タイミングを正確に割り出し、トリガパ
ルスから反射波までの経過時間の算出を容易にするもの
である。
行った場合、反射波を受信する超音波センサ３の実際の
振動はこの反射波の受信によるものの他に発信の際の励
起に基づく超音波センサ自身の共振波が重畳されてい
る。長い距離の計測であれば反射波の到達時間はそれだ
け長くなり、励起共振波は十分に減衰しているのでこの
共振波の重畳はさほど問題にはならなかったが、計測す
べき間隙が狭い場合、反射波の到達時間が短いため、励
振共振波の減衰が少なく反射波をこの励起共振波から区
別して、正確な反射波の受信タイミングを割り出すこと
が困難になるという問題を生じる。そこで、本願発明は
励起共振波の減衰波形特性を予め記憶しておき、超音波
センサ３の出力信号からこれを差し引くようにして励起
共振波の影響を除去するようにしている。間隙が無限大
であれば反射波の受信はなく、超音波センサの出力は単
純に励起共振波に対応するものとみなすことができるの
で、この励起共振波の減衰波形特性は間隙が無限大の時
の超音波センサ３の計測データとして得ることができ
る。本発明はこの様に励起共振波の影響を除去すること
で反射波の受信タイミングを正確に割り出し、トリガパ
ルスから反射波までの経過時間の算出を容易にするもの
である。
【０００９】
【実施例１】図１は、この発明の一実施例を示す構成図
で、圧縮機あるいはタービンの回転翼端とケーシングと
の間隙を計測する例である。図１において、１は回転
翼、２はケーシング、３は超音波センサ、４は基準位置
センサ、５は温度センサ、６は増幅器、７は演算装置で
あって、マイクロプロセサ、ＡＤ変換器およびＤＡ変換
器で構成されており、トリガ信号の遅延（可変）、経過
時間の計測、温度変化に対応した音速の計算、励起共振
波の影響除去処理を行い、間隙寸法を算出する。
で、圧縮機あるいはタービンの回転翼端とケーシングと
の間隙を計測する例である。図１において、１は回転
翼、２はケーシング、３は超音波センサ、４は基準位置
センサ、５は温度センサ、６は増幅器、７は演算装置で
あって、マイクロプロセサ、ＡＤ変換器およびＤＡ変換
器で構成されており、トリガ信号の遅延（可変）、経過
時間の計測、温度変化に対応した音速の計算、励起共振
波の影響除去処理を行い、間隙寸法を算出する。
【００１０】次に動作について説明する。回転体の回転
方向基準位置が基準位置センサ４（例えば、回転翼の一
つに磁石を取り付けておきその通過を検出する磁気セン
サ）により検出される。その信号は図２Ａのような信号
であるが、その信号はＡＤ変換器８（例えば、ある閾値
以上の信号に応動するワンショットマルチバイブレー
タ）を介して図２Ｂのようなディジタルのパルス信号と
され、演算装置７内で図２Ｃのように遅延（τ）され
る。遅延された信号はＤＡ変換器９（例えば、信号がハ
イの時だけゲート出力するアナログ発振器）を介して図
２Ｄのようなパルス幅の超音波振動周波数のアナログ信
号に変換され、超音波センサ３のトリガパルスとなる。
このパルスにより超音波センサ３を励起し、Ｄと同形の
超音波が放出され、回転翼１に向かった超音波は翼端で
反射される。反射波は同じ超音波センサ３で検出（図２
Ｅの様な信号）され、増幅器６に入力されて増幅される
ことになる。しかし、この超音波センサ３の実際の振動
はこの反射波の受信によるものの他に発信の際の励起に
基づく超音波センサ自身の共振波が重畳されており、そ
れに対応した電気信号（図２Ｆ）が増幅器６を介してＡ
Ｄ変換器１０に送られディジタル値とされる。反射波を
この励起共振波から区別して、正確な反射波の受信タイ
ミングを割り出すことが困難である。そこで、図２Ｇの
ような励起共振波の減衰波形特性（間隙が無限大の時の
超音波センサ３の計測データ）を演算装置７内に記憶し
ておき、超音波センサ３の出力信号よりこれを差し引く
ようにすれば励起共振波の影響を除去することができ、
Ｅの反射波の受信に対応した図２Ｈのような信号を得る
ことが出来る。メモリからの励起共振波の減衰波形読み
出しのタイミングはＡＤ変換器１０の出力に重畳された
励起共振波信号と同期されるようにされ、減算器で減算
される。この様に励起共振波の影響を除去することでト
リガパルスから反射波までの経過時間の算出が容易にな
る。
方向基準位置が基準位置センサ４（例えば、回転翼の一
つに磁石を取り付けておきその通過を検出する磁気セン
サ）により検出される。その信号は図２Ａのような信号
であるが、その信号はＡＤ変換器８（例えば、ある閾値
以上の信号に応動するワンショットマルチバイブレー
タ）を介して図２Ｂのようなディジタルのパルス信号と
され、演算装置７内で図２Ｃのように遅延（τ）され
る。遅延された信号はＤＡ変換器９（例えば、信号がハ
イの時だけゲート出力するアナログ発振器）を介して図
２Ｄのようなパルス幅の超音波振動周波数のアナログ信
号に変換され、超音波センサ３のトリガパルスとなる。
このパルスにより超音波センサ３を励起し、Ｄと同形の
超音波が放出され、回転翼１に向かった超音波は翼端で
反射される。反射波は同じ超音波センサ３で検出（図２
Ｅの様な信号）され、増幅器６に入力されて増幅される
ことになる。しかし、この超音波センサ３の実際の振動
はこの反射波の受信によるものの他に発信の際の励起に
基づく超音波センサ自身の共振波が重畳されており、そ
れに対応した電気信号（図２Ｆ）が増幅器６を介してＡ
Ｄ変換器１０に送られディジタル値とされる。反射波を
この励起共振波から区別して、正確な反射波の受信タイ
ミングを割り出すことが困難である。そこで、図２Ｇの
ような励起共振波の減衰波形特性（間隙が無限大の時の
超音波センサ３の計測データ）を演算装置７内に記憶し
ておき、超音波センサ３の出力信号よりこれを差し引く
ようにすれば励起共振波の影響を除去することができ、
Ｅの反射波の受信に対応した図２Ｈのような信号を得る
ことが出来る。メモリからの励起共振波の減衰波形読み
出しのタイミングはＡＤ変換器１０の出力に重畳された
励起共振波信号と同期されるようにされ、減算器で減算
される。この様に励起共振波の影響を除去することでト
リガパルスから反射波までの経過時間の算出が容易にな
る。
【００１１】一方、計測すべき間隙の近傍に設置された
温度センサ５で温度が計測され、ＡＤ変換器１１を介し
てディジタル化され、既知の作動流体の物性値を使い温
度に対応した音速が計算される。ちなみに空気中の音速
Ｖを考えると、 Ｖ＝３３２ｍ／sec＋０．６１ｔ ‥‥（２） で与えられ、圧力や密度によらず、温度ｔによって変化
するので、温度センサ５によって計測された温度値より
音速Ｖを計算する。そして経過時間は間隙の往復分に対
応するので、計測すべき間隙Ｌは、演算器においてＴ
（経過時間）×Ｖ（音速）÷２なる計算で求められる。
温度センサ５で温度が計測され、ＡＤ変換器１１を介し
てディジタル化され、既知の作動流体の物性値を使い温
度に対応した音速が計算される。ちなみに空気中の音速
Ｖを考えると、 Ｖ＝３３２ｍ／sec＋０．６１ｔ ‥‥（２） で与えられ、圧力や密度によらず、温度ｔによって変化
するので、温度センサ５によって計測された温度値より
音速Ｖを計算する。そして経過時間は間隙の往復分に対
応するので、計測すべき間隙Ｌは、演算器においてＴ
（経過時間）×Ｖ（音速）÷２なる計算で求められる。
【００１２】上記のトリガパルスの遅延時間（τ）を変
えることにより、任意の回転翼の翼端間隙が計測されう
る。また、回転翼がない時にトリガパルスが出るように
遅延時間を調整すれば、上記の励起共振波の減衰波形特
性（間隙が無限大の時の超音波センサ３の計測データ）
が計測できるので、このデータを予めＲＡＭに記憶して
おけばよい。
えることにより、任意の回転翼の翼端間隙が計測されう
る。また、回転翼がない時にトリガパルスが出るように
遅延時間を調整すれば、上記の励起共振波の減衰波形特
性（間隙が無限大の時の超音波センサ３の計測データ）
が計測できるので、このデータを予めＲＡＭに記憶して
おけばよい。
【００１３】
【発明の効果】この発明は、超音波送受信方式の距離測
定法を間隙計測に適応可能としたもので、金属あるいは
非金属の回転体の半径方向間隙寸法あるいは軸方向間隙
寸法を、非接触で、汚れた環境においても、容易に計測
することができる計測装置であり、航空用ガスタービン
エンジンをはじめ、産業用ガスタービン、スティームタ
ービン等の運転時の翼端間隙計測、回転軸の軸方向変位
の計測、等を可能にする。これにより、これらのエンジ
ンの性能向上、安全性向上を図ることが可能となる。
定法を間隙計測に適応可能としたもので、金属あるいは
非金属の回転体の半径方向間隙寸法あるいは軸方向間隙
寸法を、非接触で、汚れた環境においても、容易に計測
することができる計測装置であり、航空用ガスタービン
エンジンをはじめ、産業用ガスタービン、スティームタ
ービン等の運転時の翼端間隙計測、回転軸の軸方向変位
の計測、等を可能にする。これにより、これらのエンジ
ンの性能向上、安全性向上を図ることが可能となる。
【図１】この発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】この発明の一実施例における動作波形を示す図
である。
である。
１ タービン回転翼 ２ タービンのケーシング ３ 超音波センサ（送受波器） ４ 基準位置センサ ５ 温度センサ ６ 増幅器 ７ 演算装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01B 17/00 G01N 29/00
Claims (4)
- 【請求項１】 回転体との間隙を超音波の送受信により
到達時間間隔として測定する方法であって、温度によっ
て変化する音速を算出すると共に、間隔が無限大のとき
の超音波センサの計測データを励起共振波の減衰波形特
性として演算装置内に記憶しておき、前記超音波センサ
の出力信号より前記減衰波形特性を減算することによ
り、前記超音波センサの出力中に重畳される励起共振波
の影響を除去して正確な反射波形を得て、該反射波形か
ら反射波の伝播時間を得、該伝播時間と上記算出された
音速から間隙寸法を算出することを特徴とする回転体の
間隙を計測する方法。 - 【請求項２】 回転体の半径方向、あるいは軸方向の間
隙において、間隙方向に取り付けられ、トリガパルスに
基づいて超音波パルスを発生するとともに反射波を受信
する超音波センサと、該超音波センサの出力信号から超
音波センサを励起した際の共振波の影響を除去する手段
と、上記間隙部の温度を検出するセンサと、該検出温度
より間隙部における音速を算出する手段と、前記超音波
パルスの送受信の時間間隔と算出された前記音速とか
ら、前記間隙寸法を算出する演算装置とを備えたことを
特徴とする回転体の間隙計測装置。 - 【請求項３】 回転体の一部に基準位置を示す部材を設
け、超音波センサとある回転角度離れた位置に当該部材
の通過を検出する基準位置検出センサを配設すると共
に、この基準位置センサの出力を遅延する手段とを備
え、１回転につき１回その基準点が通過する際の信号を
検出し、その信号を適宜の遅延をもたせてトリガパルス
とすることにより、計測すべき回転体の回転部位を特定
することができる請求項２に記載された回転体の間隙計
測装置。 - 【請求項４】 超音波センサの出力を記憶する記憶手段
と減算手段を演算装置内に備え、適宜の遅延時間を与え
て回転体との間隙が十分に大きな部位を特定して、超音
波パルスを発生した際の超音波センサの出力信号を記憶
しておき、超音波センサの出力から超音波センサを励起
した際の共振波の影響を減算除去する請求項３に記載さ
れた回転体の間隙計測装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35580996A JP2905871B2 (ja) | 1996-12-25 | 1996-12-25 | 超音波による回転体の間隙計測方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35580996A JP2905871B2 (ja) | 1996-12-25 | 1996-12-25 | 超音波による回転体の間隙計測方法及び装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10185538A JPH10185538A (ja) | 1998-07-14 |
| JP2905871B2 true JP2905871B2 (ja) | 1999-06-14 |
Family
ID=18445866
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35580996A Expired - Lifetime JP2905871B2 (ja) | 1996-12-25 | 1996-12-25 | 超音波による回転体の間隙計測方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2905871B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6081219B2 (ja) * | 2013-02-21 | 2017-02-15 | 株式会社東芝 | 回転機械の監視システム及び回転機械の監視方法 |
| JP6706689B2 (ja) * | 2016-12-28 | 2020-06-10 | 株式会社日立製作所 | 超音波計測装置及び超音波計測方法 |
| CN108645910B (zh) * | 2018-06-04 | 2020-06-26 | 华中科技大学 | 一种基于声速谱线的拐点探测气体成分的方法 |
-
1996
- 1996-12-25 JP JP35580996A patent/JP2905871B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10185538A (ja) | 1998-07-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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