JP4054310B2 - 設備部分への衝撃的な機械的作用の検出方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、設備部分への衝撃的な機械的作用の検出方法および装置に関する。

多くの適用例において、障害を時間遅れなく識別して重大な誘発的損害を避けるために、例えば化学プロセス技術のパイプラインまたは流体機械のような設備部分の規定通りの運転を絶え間なく監視することが必要である。この種の監視については従来技術において多くの方法が知られている。

欧州特許第０７６５４６６号明細書においては、例えば、タービン翼に向けられたマイクロ波によりタービン翼の振動を監視することが提案されている。タービン翼で反射されたマイクロ波の変調からタービンの振動状態が推定される。

独国特許出願公開第１９８５７５５２号明細書から公知の方法の場合、タービン回転軸の破損が回転軸端部における回転周波数の測定によって検出される。

独国特許第１９８４３６１５号明細書においては、空気取入れ口範囲または排ガス範囲に配置された音検出器により検出された測定信号の周波数スペクトルの解析により燃焼駆動装置の状態の診断を行なうことが提案されている。

独国特許第１９７２７１１４号明細書においては、機械の監視のために、空気雑音の代わりに機械が発生する構造体音信号が検出される。この公知の方法の場合にも、構造体音検出器によって検出された測定信号のその都度求められた周波数スペクトルが解析される。

独国特許第１９５４５００８号明細書に開示されている方法の場合にも、機械の運転中に、例えば加速度検出器のような監視センサによって検出された測定信号の周波数スペクトルが解析され、基準周波数スペクトルと比較される。

ガスタービンへの異物の侵入を検出できるようにするために、米国特許第４８８８９４８号明細書では、異物によって誘導された電荷を検出するセンサがタービンの入口に配置されている。

特に問題は流れによって一緒に運ばれて設備部分に衝突する離脱部品である。というのは、これらの離脱部品は衝撃的な短時間の作用しか引き起こさず、その作用の確実な検出は相当に困難であるからである。

この種の問題は、例えば燃焼室に過熱保護のためにセラッミクタイルを張られたガスタービンにおいて発生することがある。これらのセラミックタイルは、燃焼室内で発生する交番圧力変動によって動力学的に高い負担を受ける。このため、それぞれの保持体におけるタイルの部分片が壊れて剥がれ、排ガスの流れによって引きずり込まれ、そしてガスタービンの最初の静翼列に激突することがある。これは、静翼の被覆の損傷をもたらし、その背後に配置されている動翼の破壊をもたらすことがある。更に、部分片が壊れて剥がれることによって破損したタイルが完全に保持体から剥がれて激しい損傷をタービンにもたらすことがあるという危険が存在する。この場合に、小さな剥がれた離脱部分または個々のタイルの発生が１つのタイルまたは複数のタイルの目前に迫った全体崩壊を示唆するので、ガスタービンの早期の遮断および破損したタイルの早期の交換がより大きな損害を阻止する。

設備部分へのこの種の衝突を監視するために、適当なセンサにより衝突をその衝突時に発生する構造体音によって検出することは、基本的には国際公開第０１／７５２７２号パンフレットから知られている。しかしながら、特にガスタービンの場合、通常の運転騒音が非常に高いので、ガスタービンの静翼への１つのタイル全体の衝突によってセンサに発生された信号成分は通常の運転騒音によって発生された背景雑音よりも小さく、従って特に小さい部分片の衝突は構造体音の振幅の単独監視によっては検出できないという問題が生じる。信号雑音比の改善のために、上記の国際公開第０１／７５２７２号パンフレットでは、測定値検出器によって検出された測定信号を帯域または高域通過フィルタ処理することを提案している。このようにしてタービンの通常運転時に生じる構造体音が除去される。

本発明の課題は、従来技術において知られた方法に比べて改善された設備部分への衝撃的な機械的作用の検出方法を提供することにある。更に、本発明の課題はこの方法を実施するための装置を提供することにある。

方法に関する課題は本発明によれば請求項１の特徴事項を有する方法によって解決される。設備部分への衝撃的な機械的作用の検出方法において、設備部分に存在する運転雑音が設備部分に配置されたセンサにより連続的に検出され、このセンサによって測定信号に変換される。本発明によれば、次の方法ステップが用いられる。
ａ）時間的に連続する、特に互いに部分的に重なり合う期間において、予め与えられた周波数のもとで測定信号の周波数スペクトルの大きさを求めるステップ、
ｂ）各期間および各予め与えられた周波数について、大きさ平均値からの大きさの偏差を求めるステップ、
ｃ）各予め与えられた周波数について求められた偏差から、各期間について評価関数を導き出すステップ、
ｄ）評価関数を閾値と比較し、閾値の超過を、機械的作用を示す衝撃的な信号成分の存在の指標として利用するステップ。

本発明は、直接的にセンサによって検出された測定信号の周波数スペクトルにおける方が、本来の測定信号におけるよりも、（衝突によって発生された衝撃的な構造体音の）瞬間的な出来事の発生を容易に認識できるという考えに基づいている。更に、現在の周波数スペクトルが複数の周波数における平均化された周波数スペクトルと比較されることから、定常的な異常値が十分抑制され、本方法の感度が相応に高くなる。

このようにして比較的小さい破片も確実に検出可能であるので、例えばガスタービン監視の場合に、比較的小さい破片の初期剥離によって予告される完全なタイル剥離の始まりを認識して、それらが完全に剥離してガスタービンに連鎖的な甚大な損害を招く前に破損タイルを交換できることによって大きな損害を防止することができる。

本発明の他の有利な構成では、各予め与えられた周波数についての大きさ平均値は、異なる期間において求められた大きさから、時間的移動平均値形成によって求められる。それによって、比較のために利用される平均化された周波数スペクトルが、例えばガスタービンのごう音発生の場合における時間的に緩やかに変化する運転状態に整合させられる。

本発明の他の好ましい構成においては、各予め与えられた周波数について複数の連続する期間に対して、大きさ平均値からの大きさの標準偏差が求められ、この標準偏差を用いて大きさ平均値からの大きさの規格化偏差が求められる。次に、この規格化偏差から各期間について現在のパラメータ値が各予め与えられた周波数に関する各規格化偏差の２乗値の累計によって形成され、現在のパラメータ値が評価関数として使われる。

特に、複数の期間に亘って移動平均パラメータ値が導き出され、平均パラメータ値と現在のパラメータ値との間の差から評価関数が決定される。それによって、本方法の感度、すなわち有効信号と背景との間の差異が明確に高まる。

装置に関する課題は本発明によれば請求項６の特徴を備えた装置によって解決され、これの利点および付属の従属請求項に記載された構成の利点はそれぞれの対応する方法請求項の利点からその内容に従ってもたらされる。

本発明を更に説明するために図面を参照する。
図１は本発明による装置の実施例の概略原理図、
図２は外部作用のない状態でセンサにより検出された運転騒音が時間に対してプロットされているタイムチャート、
図３は静止しているタービンにおける衝撃的な機械的作用を通してセンサにより検出された測定信号が同様に時間に対してプロットされているタイムチャート、
図４は図３による測定信号と図２による通常の運転騒音との重なりが時間に対してプロットされているタイムチャート、
図５はガスタービンにおける通常の運転騒音のスペクトル、
図６はスペクトルの時間的変化の滝型グラフ、
図７は測定信号が時間的に高い分解能で時間に対してプロットされている簡単化されたタイムチャート、
図８は予め与えられた周波数のもとで測定信号から高速フーリエ変換によって求められた周波数スペクトルの大きさが時間に対してプロットされているタイムチャート、
図９は予め与えられた周波数のもとで周波数スペクトルの大きさの時間的移動平均値が時間に対してプロットされているタイムチャート、
図１０は本発明による信号解析から導き出された評価関数のタイムチャートを示す。

図１によれば、例えばガスタービンである設備部分２に、複数のセンサ４、とりわけ圧電式加速度センサが配置されている。これらのセンサ４は、設備部分２に存在しかつ構造体音の形で伝播する運転騒音を連続的に検出する。センサ４は構造体音信号を電気的な測定信号に変換する。測定信号は前置増幅器６で増幅され、アナログ−ディジタル変換器８のマルチプレクサに導かれる。アナログ−ディジタル変換器８はディジタルメモリ１０に接続されている。その都度発生し増幅された測定信号Ｍは、このようにしてディジタル変換されて中間記憶され、継続処理のためにコンピュータ装置１２に転送される。コンピュータ装置１２では本発明による評価アルゴリズムが実行される。

コンピュータ装置１２は、各チャンネルについて、アナログ−ディジタル変換器８から転送されたデータの高速フーリエ変換ＦＦＴのためのプロセッサと、フーリエ変換によって求められたスペクトルの個数Ｎを記憶するためのリングメモリとを有する。コンピュータ装置１２において求められた所謂ディスクリートフーリエ変換から、各チャンネルについて、コンピュータ装置１２内に実行され後で詳しく説明するアルゴリズムに基づいて、時間ｔに依存した評価関数Ｋ（ｔ）が求められる。評価関数Ｋ（ｔ）は比較装置１４において予め与えられた閾値Ｋ₀と比較される。閾値Ｋ₀の超過は過渡的な機械的作用によって生じた衝撃的な信号成分の存在の指標として用いられ、相応のトリガ信号Ｓを発生する。トリガ信号Ｓは一時記録器１６に導かれる。一時記録器１６にはコンピュータ装置１２において求められた、時間窓のためのデータが記録され、このデータが評価コンピュータ１８に転送され、評価コンピュータ１８にて後で解析が実施される。

図２は、約６．５秒間１つのセンサ４によって検出されて増幅された測定信号（背景信号Ｍ₀）を示す。この図から、通常の運転騒音は５０ｇ〜１００ｇの信号振幅に達することが分かる。

図３においては、回転子静止状態、すなわち通常は存在する運転騒音がない状態においてガスタービンの静翼へのタイルの衝突によって生じる測定信号（有効信号Ｍ₁）が時間に対してプロットされているタイムチャートで示されている。このタイムチャートから、この有効信号Ｍ₁の振幅は図２による背景信号Ｍ₀の振幅よりも明らかに小さいことが分かる。

図４は背景信号Ｍ₀と有効信号Ｍ₁とが重なっている測定信号Ｍを示す。この図から、測定信号Ｍの振幅監視は衝突発生を確実に検出できるためには十分でないことが分かる。

図５には、ガスタービンにおいて生じる運転騒音の典型的な周波数スペクトルＡ（ｆ）が示されている。この図においては、周波数スペクトルＡ（ｆ）において背景雑音のほかに回転数に依存した動翼基本周波数ｆ₁もしくはそれの数倍の調波ｆ_2,3に相当する特徴的な線（ＴＬＡ１−ｆ₁，・・・）が現われる。

図６による滝型グラフから、周波数スペクトルＡ（ｆ）は変動させられ、時間的に変化することが分かる。換言するならば、ガスタービンの運転騒音の振幅のみならず運転騒音の特殊な合成も、有効信号に由来する周波数成分の検出を困難にする時間的変動を受ける。

図７において、コンピュータ装置１２（図１）内で実行された方法の第１ステップが原理図に基づいて説明されている。高いクロック速度でディジタル化された測定信号Ｍ（図では分かり易さのためにアナログで示されている。）が期間Δｔの間記憶され、このようにして記憶された一部が高速ディスクリートフーリエ変換を受ける。時間ステップδｔの後に一部が更新され、重なり合っている等しい長さの期間Δｔにおいて新たにフーリエ変換を実施される。標準的にはΔｔ＝５０ｍｓおよびδｔ＝６ｍｓである。

図８には、予め与えられた周波数ｆ_iのもとで大きさＡの時間的経過を示す。この図か
ら、この予め与えられた周波数のもとで大きさＡ（ｆ_i）が時間的に変化することが分かる。この図に記入されている時間間隔δｔは高速フーリエ変換が更新される時間ステップである。本発明によれば、予め与えられた周波数ｆ_iの多数Ｎまたは周波数範囲について
、かつ時間的に部分的に重なり合う期間Δｔのための時間的に連続する時間ステップδｔにおいて、ｔ＝ｔ₀＋ｋδｔで大きさＡ（ｔ，ｆ_i）が算定される。ただし、ｋは自然数である。

このようにして得られた現在の大きさＡ（ｔ，ｆ_i）は、今や図９に従って、この周波数ｆ_iについて形成された大きさ平均値Ａ^-（ｆ_i）から差っ引かれる。大きさ平均値Ａ^-（ｆ_i）は、タイムチャートに鎖線で示されているように、時間的に一定の固定の予め与えられた平均値である。しかしながら、平均値としては、多数ｎのそれぞれ先行する大きさから算定された時間的移動平均値を算出すると特に有利である。それによって、ガスタービンの運転騒音の緩やかな変化、例えば発生するごう音を補償することができる。なお、Ａ^-は図においてＡの上にバー“−”を付した形（エーバー）で示されている。

このようにして算出された差値

が、ここで標準偏差

によって割算され、

が得られる。Ｄ^-（ｔ，ｆ_i）は平均値Ａ^-の大きさＡの規格化偏差である。なお、Ｄ^-は平均値を表わす手段としてＤの上にバー“−”を付した形（デーバー）で示されている。これは後記するＫ^-に対しても同じである。

標準偏差ｓ（ｆ_i）を求めるためにｎ個の先行スペクトルの大きさＡが評価される。換言するならば、標準偏差ｓ（ｆ_i）が常にｎ個の先行の測定により更新される。これに対する代替として、各周波数ｆ_iについての標準偏差ｓ（ｆ_i）を一度「較正」の過程において測定し、周波数特有の定数として記憶してもよい。

有利な構成では、規格化偏差Ｄ^-（ｔ，ｆ_i）は、付加的に周波数ｆ_iを取り囲み（２Ｌ＋１）個の周波数からなる周波数範囲ｆ_i-L，ｆ_i-L+1，・・・ｆ_i+Lにおいて平均化され、平均の規格化偏差Ｄ ^-（ｔ，ｆ_i）が、

なる式によって求められる。この付加的な計算ステップは背景信号のみが存在する範囲における規格化偏差の高さおよび変動幅の低減をもたらす。有効信号成分は周波数範囲における平均化によって目立って変化しない。なぜならば、有効信号成分は隣接した周波数線の周りにいつも集中して現われるからである。この措置によって、信号背景比がさらに１０〜１５ｄＢだけ改善される。

このようにして求められた規格化偏差Ｄ^-（ｔ，ｆ_i）またはＤ ^-（ｔ，ｆ_i）が２乗されて、全ての離散周波数ｆ_iに亘って加算され、次の結果が得られる。

もしくは

ここで、この和Ｓ（ｔ）から平方根の形成によってパラメータ値Ｋ（ｔ）が導き出される。

これは衝突の発生に対する評価関数として用いられる。これの代わりに、評価関数としてパラメータ値Ｋ（ｔ）と、このパラメータ値Ｋ（ｔ）の時間的移動平均値Ｋ^-（ｔ）との間の差、すなわち

を形成し、これを衝突の発生に対する特性量として用いることもできる。

このようにしてかつ平均の規格化偏差Ｄ ^-（上記の式（ｂ））により得られる評価関数Ｋ（ｔ）が、図１０に、時間ｔに対してプロットされている。大きな時間目盛（δｔ＜＜１ｓ）により表示では連続的な経過が生じる。この図では、評価関数がｔ＝４．２ｓにおいて衝撃的な出来事の発生を確実に認識できるような特徴のある最大値を有することが分かる。相応の閾値Ｋ₀はノイズレベルの直ぐ上のところに設定される。本発明による方法によって得られた有効信号とノイズとの間の差異は図示の例では２５〜３０ｄＢである。

本発明装置の実施例を示す概略原理図 外部作用のない状態で検出された運転騒音を示すタイムチャート タービン静止状態で検出された衝撃的な機械的作用の測定信号を示すタイムチャート 図３による測定信号と図２による通常の運転騒音との重なりを示すタイムチャート ガスタービンにおける通常の運転騒音のスペクトル図 スペクトルの時間的変化を示す滝型グラフ 測定信号を時間的に高い分解能で簡単化して示すタイムチャート 測定信号から高速フーリエ変換によって求められた予め与えられた、周波数における周波数スペクトルの大きさを示すタイムチャート 予め与えられた周波数における周波数スペクトルの大きさの時間的移動平均値を示すタイムチャート 本発明による信号解析から導き出された評価関数のタイムチャート

符号の説明

２ 設備部分
４ センサ
６ 前置増幅器
８ マルチプレクサ
１０ アナログ−ディジタル変換器
１２ コンピュータ装置
１４ 比較装置
１６ 一時記録器
１８ 評価コンピュータ
Ｍ 測定信号
Ｍ₀ 背景信号
Ｍ₁ 背景信号
Ｋ パラメータ値
ｔ 時間
Δｔ 期間
δｔ 時間ステップ
Ａ 大きさ
ｆ_i 周波数
Ａ^- 大きさ平均値

Claims (10)

1. 設備部分（２）に存在する運転雑音を、設備部分（２）に配置されたセンサ（４）により連続的に検出し、この検出信号を前記センサ（４）によって測定信号（Ｍ）に変換する、設備部分（２）への衝撃的な機械的作用の検出方法において、
   ａ）時間的に連続する期間（Δｔ）において、予め与えられた周波数（ｆ_i）のもとで測定信号の周波数スペクトルの大きさ（Ａ）を求め、
   ｂ）各期間（Δｔ）および各予め与えられた周波数（ｆ_i）について、大きさの平均値（Ａ^-）からの大きさ（Ａ）の偏差を求め、
   ｃ）各予め与えられた周波数（ｆ_i）について求められた偏差から、各期間について、すべての周波数（ｆ _i ）に対し共通のただ一つの、かつ前記偏差を関数中に含む評価関数（Ｋ）を導き出し、
   ｄ）評価関数（Ｋ）を閾値（Ｋ₀）と比較し、閾値（Ｋ₀）の超過を、機械的作用を示す衝撃的な信号成分（有効信号Ｍ₁）の存在の指標として利用する
   ことを特徴とする設備部分への衝撃的な機械的作用の検出方法。
2. 連続する期間（Δｔ）は部分的に重なり合っていることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 各予め与えられた周波数についての大きさ平均値（Ａ^-）は、異なる期間（Δｔ）において求められた大きさ（Ａ）から、時間的移動平均値形成によって求められることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. ｅ）各予め与えられた周波数（ｆ_i）について複数の連続する期間（Δｔ）に対して、大きさ平均値からの大きさの標準偏差を求め、この標準偏差を用いて大きさ平均値からの大きさの規格化偏差を求め、
   ｆ）規格化偏差から各期間（Δｔ）について現在のパラメータ値を各予め与えられた周波数に関する各規格化偏差の２乗値の累積によって形成し、
   ｇ）現在のパラメータ値から評価関数（Ｋ）を導き出すことことを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. 複数の期間に亘って移動平均パラメータ値が導き出され、平均パラメータ値と現在のパラメータ値との差から評価関数が導き出されることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 設備部分（２）に存在する運転雑音の連続的な検出および測定のために設備部分（２）に配置された少なくとも１つのセンサ（４）と、センサ（４）の後に接続されセンサ（４）によって検出された測定信号をディジタル化しかつコンピュータ装置（１２）にディジタル測定信号を転送するためのアナログ−ディジタル変換器（８）とを備え、コンピュータ装置（１２）が、
   ａ）時間的に連続する期間（Δｔ）において、予め与えられた周波数（ｆ_i）のもとで測定信号の周波数スペクトルの大きさ（Ａ）を求め、
   ｂ）各期間（Δｔ）および各予め与えられた周波数（ｆ_i）について、大きさ平均値（Ａ^-）からの大きさ（Ａ）の偏差を求め、
   ｃ）各予め与えられた周波数（ｆ_i）について求められた偏差から、各期間（Δｔ）について、すべての周波数（ｆ _i ）に対し共通のただ一つの、かつ前記偏差を関数中に含む評価関数（Ｋ）を導き出し、
   ｄ）評価関数（Ｋ）を閾値（Ｋ₀）と比較し、閾値（Ｋ₀）の超過時に警報信号（Ｓ）を転送する
   ことを特徴とする設備部分への衝撃的な機械的作用の検出装置。
7. 互いに部分的に重なり合っている期間（Δｔ）が用いられることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 各予め与えられた周波数（ｆ_i）についての大きさ平均値（Ａ^-）は、異なる期間（Δｔ）において求められた大きさ（Ａ）から、時間的移動平均値形成によって求められること
   を特徴とする請求項６又は７記載の装置。
9. ｅ）各予め与えられた周波数（ｆ_i）につい複数の連続する期間（Δｔ）に対して、大きさ平均値からの大きさの標準偏差を求め、この標準偏差を用いて大きさ平均値からの大きさの規格化偏差を求め、
   ｆ）規格化偏差から各期間（Δｔ）について現在のパラメータ値を各予め与えられた周波数に関する各規格化偏差の２乗値の累積によって形成し、
   ｇ）現在のパラメータ値から評価関数（Ｋ）を作成する
   ためのアルゴリズムが、コンピュータ装置（１２）内で実行されることを特徴とする請求項６乃至８の１つに記載の装置。
10. コンピュータ装置（１２）内で実行されたアルゴリズムは、移動平均パラメータ値を形成し、平均パラメータ値と現在のパラメータ値との差から評価関数（Ｋ）を作成することを特徴とする請求項９記載の装置。

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