JP4253165B2

JP4253165B2 - 回転体の変位測定方法および装置

Info

Publication number: JP4253165B2
Application number: JP2002180253A
Authority: JP
Inventors: 川勝廣荒; 本哲橋; 山茂雄中; 一幸宇田川; 藤道雄佐; 本茂兼; 原義彦鵜
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2022-06-20
Also published as: JP2004020540A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体の変位測定方法および装置に係り、とくに水、油またはその他の液体や溶融金属の液体を汲み上げるためのポンプ等の、回転体の軸変位を測定する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、回転体の変位、たとえば振動を計測する手段として、レーザドップラ式振動計や渦電流式振動計、加速度式変位計がある。レーザドップラ式振動計や渦電流式振動計、加速度式変位計では、各センサを測定対象物に直接接触させることなくその振動を測定することができるから、回転体の変位を測定するには好都合である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら振動計はそれぞれ問題点を有する。まずレーザドップラ式振動計では、計測対象とするターゲット表面での油、水等が流れているような状態での測定はできない。また渦電流式振動計では、測定対象物の回転体に対し、振動計に用いたセンサの径の半分（たとえばセンサ径が５ｍｍの場合は２．５ｍｍ）以下の距離までセンサを接近させなければ計測することができない。このため、構造物に穴明け等の加工をしてセンサ自体を回転軸（または計測対象物）に近付けなければならない欠点があった。また、加速度式変位計ではポンプのモータ部構成材にセンサを設置してポンプの回転軸の振動を計測しているが、精度が悪く軸部分の微小な摩耗量の経時変化が計測できないという欠点がある。
【０００４】
本発明は、上述の点を考慮してなされたもので、回転体の表面状態による制約を受けず、しかも回転体からある程度の距離離れた位置で測定できる、回転体の変位測定方法および装置、ならびに回転体の変位測定のための超音波センサの設置方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のため、本発明では、
請求項１記載の、
液体が満たされた円筒状容器の中心に位置する回転体に超音波を作用させて前記回転体の変位を測定する方法において、
前記容器の外壁の周方向の接線上に超音波センサを設置し、
前記容器および前記液体を介して前記回転体に対し超音波を発信し、
前記回転体から反射される超音波を受信し、
前記超音波センサを、前記容器の外壁の周方向の接線方向に沿って移動させて前記回転体および前記容器から反射される超音波エコー波形が最大となる位置を求め、
この超音波エコー波形が最大となる位置に前記超音波センサを前記回転体および前記容器に対して相対的に移動させ、
受信した超音波につき、測定対象物から得られるエコー最大値、反射波形重心または波形間の時間的相関値である超音波反射波形代表点を求め、
この超音波反射波形代表点により算出された時刻に基き、前記回転体の変位を測定することを特徴とする回転体の変位測定方法、
および請求項3記載の、
回転体に超音波を作用させて前記回転体の変位を測定する装置において、
前記回転体の周囲に液体を満たした円筒状容器と、
前記容器の外壁の周方向の接線上で、かつ、前記回転体から反射される超音波エコー波形が最大となる位置に設置され、前記容器の壁から前記回転体に対し超音波を発信し、前記回転体から反射される超音波を受信する超音波センサと、
前記超音波センサを前記容器の外周接線方向に移動させ、かつ任意位置に固定するように支持する治具と、
前記超音波センサが受信した超音波につき、測定対象物から得られるエコー最大値、反射波形重心または波形間の時間的相関値である超音波反射波形代表点を測定する演算装置とをそなえ、
前記超音波反射波形代表点により算出された時刻に基き前記回転体の変位を測定することを特徴とする回転体の変位測定装置、
を提供するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例の全体構成について図１ないし図４に基づいて説明する。
【０００７】
図１は、本発明の実施例である、電動ポンプの超音波式軸振動計測装置の構成を示している。電動ポンプ１は、貯水槽２内に設置されている。貯水槽２には、注水管３から流れ出る水４が貯められている。そして、水４が貯水槽２内に一定の量まで貯まると、電動ポンプ１が起動して自動的に貯水槽２から揚水管５、排水管６を通って排出が行われるようになっている。
【０００８】
超音波センサ７は、揚水管５の外壁８に取付けてある。また、超音波センサ７は、信号ケーブルによって超音波送受信機、さらに軸振動幅を演算する計算機（パソコン）に接続されている。
【０００９】
図２は、図１に示した超音波センサ７付近の状態を拡大断面図として示すものであり、揚水管５の縦断面右側部分を示している。揚水管５の外壁８には超音波センサ７が設置されており、揚水管材１４および水４を介して回転軸９に向けて超音波を発信し、反射してきた超音波を受信する。
【００１０】
回転軸９は、図２に示すようにその径方向に振動し、振動前後で図示位置Ｃ１，Ｃ２を取る。この結果、超音波センサ７からの距離が変化して超音波センサ７の発信波を反射する様子が振動に応じて変化する。
【００１１】
貯水槽２内に溜まった水４を汲み出すポンプ１の回転軸９は、揚水管５内の水中に浸漬されている。そして、揚水管５の外壁８に超音波センサ７を設置すると、超音波は鋳鋼製の揚水管材１４（厚さ２０ｍｍ）を通って、水４が満たされた揚水管５中を通り、回転し振動している回転軸９で反射する。
【００１２】
伝播過程と同様に、反射波は、水４→揚水管材１４→超音波センサ７に戻り受信され、パソコンにて演算処理されてディスプレイ（図示せず）に回転軸のエコー波形や振動波形および周波数スペクトル分析値として表示される。
【００１３】
図３（ａ），（ｂ）は、超音波センサの発信波および受信波を示したものである。そして、図３（ａ）において、Ａは超音波の発信波波形、Ｂは揚水管材１４を透過した超音波の波形であり、またＣは、回転軸９からの反射波波形である。図３（ｂ）は、図３（ａ）で示す軸振動部の振動波形を拡大図示したものであり、超音波により振動している軸がその振動幅に対応した時間差Ｗで観測される。
【００１４】
図４は、揚水管５内の水に浸漬された回転軸９の演算処理された軸振動振幅を示す。測定１回当り５データを取得し、それを５セット行って得られた合計２５データは、何れも振動振幅４０μｍ強で、標準偏差は各回とも０．５μｍであり、再現性のある結果が得られた。
【００１５】
以上のように、測定対象物である回転体の変位を、容器（揚水管）に入った液体を介して計測できることが分る。ここで、液体は、水、油に限らず、溶融している金属も利用できる。
【００１６】
次に、本発明における超音波センサの設置の仕方について、図５ないし図９に基づいて説明する。この実施例における超音波センサ７は、図１を用いて前述したように、揚水管５の外壁８に取付けられているが、移動可能となっている。
【００１７】
まず図５は、揚水管５の超音波センサ７の設置位置付近を示す側面図であり、図６は図１のＡ−Ａ線に沿う横断面である。すなわち、図５および図６に示すように、超音波センサ７自体は、揚水管５における外壁８の周方向接線に沿って移動可能な移動ガイド治具１３に取付けられている。そして、図５、図６に示すように、超音波センサ７を揚水管５の外壁８における３箇所Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を含む幾つかの位置に移動できる。
【００１８】
揚水管５内において、排水管３から供給されて貯水槽２内に貯まった水を吸い上げるポンプ１の回転軸９（破線図示）は、水４に浸漬されている。そして、揚水管５の外壁８において、超音波センサ７は、揚水管５の外壁８の接線に沿って設置された直線移動ガイド治具１３上に設置されている。
【００１９】
いま超音波センサ７から発信された超音波（周波数２ＭＨｚ）は、揚水管材１４および揚水管５内の水中を通り、振動している回転軸９で反射する。反射波は、発信過程と同様に、水４→揚水管材１４なる経路を経て超音波センサ７に戻り受信され、パソコンにて演算処理されてディスプレイ（図示せず）に回転軸の振動波形として表示される。
【００２０】
たとえば超音波センサ７のセンサ径が１０ｍｍであり、外径３００ｍｍの揚水管５の外壁８に取付けられるとする。この場合、超音波センサ７はセンサ面全体が外壁８に密着せず、センサ７の両端に隙間が生じたり、片側に偏ったりする。この結果、超音波波形に多重エコーが生じたりして位置決めが困難である。また揚水管５の径が５００ｍｍと大きいと、センサ７自体がその外壁８に安定に密着できるが、密着したとしても果たしてその超音波が回転軸中心に向かって発信されているかどうかがはっきりしない。
【００２１】
そこで、超音波センサ７を正しく設置するために、本発明では移動ガイド治具１３を用いる。このセンサ移動治具１３は、揚水管５の外壁８接線上に設けられ、それに沿って超音波センサ７を移動させることができる。このとき、移動させながら最大の波高値を示す波形の得られた点を、正確なセンサ７の設置すべき位置として確定することが重要である。
【００２２】
回転軸９の中心を探す場合、超音波センサ７を移動する距離は、回転軸９の直径以内である方が能率的である。ここで注意すべきは、超音波センサ７の取付け位置が回転軸中心からずれることにより、エコー波形および振動波形が変化するから取得できるデータも誤差が大きく、ノイズも混じり易くなり、サンプリングデータに信頼性がなくなることである。
【００２３】
超音波センサ７を、揚水管５の外壁８接線上に設置した移動ガイド治具１３によって移動させ、波形形状から超音波が軸中心に向かっているかどうかを判別する方法を示す。
【００２４】
揚水管５における外壁８の接線方向に設置した移動ガイド治具１３には、超音波センサ７を取付け、回転軸９の直径に相当する距離を移動していき、最大の波高値を示すエコー波形を見出す。
【００２５】
図７は、超音波センサ７の位置を揚水管５における外周上の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３と移動していったときのエコー波形を示したものである。つまり、センサ位置Ｐ１での波形は図７におけるＰ１のようになり、波形の数が多くかつ右上がりの波形になっていく形状のものが多い。また、図７のＰ３は、Ｐ１と同様に超音波が振動している軸の中心に当たっていない時の波形を示す。これらＰ１，Ｐ３の波形となる原因は、超音波が回転軸の側部に当り易いため、より多くの散乱、回折が起きる結果である。このようなセンサ位置では、振動している回転軸からの超音波エコー（反射波）が、極端に少なくなっているためである。
【００２６】
これに対し波形Ｐ２は、最大の波高値を示す波形であり、超音波が外壁８の外周接線と回転軸９の直径延長線との交点で送受信している時の波形形状を示している。ポンプの回転軸９は通常円柱であるため、僅かなずれでも超音波は回折、散乱を起こすが、Ｐ２の位置に設置したときに示す波形（図７のＰ２）は、円柱形状を平板に置き換えて超音波をその平板に垂直に当てるようにしても、同様な線対称の波形が得られる。したがって、波形Ｐ２の得られる点が超音波が軸中心に当たっている証拠であり、回転軸９の変位測定に最適となる。
【００２７】
回転軸９の中心からずれた位置Ｐ１，Ｐ３にあるセンサで得られる波形は、波形の数が多く不規則である。これに対して、軸中心に向かう位置Ｐ２に設置されたセンサで得られる波形は、最大の波高値を示す波形に規則性が見られしかも線対称のきれいな波形が得られている。このため、測定対象が円柱形状でも、線対称の波形を見出せる設置位置を決定することが振動している回転軸９からの反射波を計測できる唯一の方法と言える。
【００２８】
図８（ａ），（ｂ）は、超音波センサの位置が、Ｐ２またはＰ１，Ｐ３のときに計測した各軸振動波形を示している。そして、位置Ｐ２で得られた図８（ａ）の波形では、振動の波高値に大差はみられず、ほとんどＨ１＝Ｈ２である。この場合、最大の波高値を示す波形に規則性が見られ線対称のきれいな波形での振動波形を示す。この波形は、軸が振動した幅Ｗを正確に計測しており振動状態を示す波高値（Ｈ１＝Ｈ２）にほとんど差は見られない。
【００２９】
また、図８（ｂ）の波形が得られる位置Ｐ１，Ｐ３では、超音波センサ７が軸中心からずれた位置にあったため、振動波形では波高値にＨ１＞Ｈ２で示すような高低差が見られる。この場合、振動している回転軸９の中心からずれた位置（図７のＰ１，Ｐ３）に設置したときの軸振動を計測している状態での波形を示す。設置位置が回転軸９の中心からずれていると、波形の数が多くしかも波形が線対称にならず、波高値に高低差（Ｈ１＞Ｈ２）が見られる。
【００３０】
図９は、超音波センサ７を図５、図６における位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に置いたときの振動振幅演算の結果を示したものである。位置Ｐ１，Ｐ３では、振動幅が２０μｍ前後から３５μｍ前後までばらつくのに対して、位置Ｐ２では４５μｍ前後に固まった測定値が得られる。
【００３１】
この図９において、最大の波高値を示す波形で得られた振動幅の値から周波数スペクトル分析によって得られた振動値は、渦電流式変位計で計測した振動値と一致しており、本発明の有効性が確認できた。本発明では、この超音波が表す軸振動波形の形状に着目した。超音波センサを揚水管５の外壁８に設置し、超音波センサ７を移動させながら波形を観察することにより、超音波が回転軸９の軸中心位置に当たっているか、また幾何学的に位置付けされているかが判別できる。
【００３２】
続いて、図１０および図１１を参照して本発明における波形演算につき説明する。この波形演算は、超音波反射波形代表点、つまりエコー最大値、反射波重心、波形間の相関値を求めるものである。
【００３３】
図１０は、コンピュータで収録した、測定物である回転体からの超音波反射エコー波形を示している。超音波パルス発信繰り返し回数ｒ、Ａ／Ｄ（アナログデジタル）変換器によるサンプリング時刻ｔを用いて、回転体からの超音波の反射エコー波形の波高は、ｘ（ｔ，ｒ）と表せる。
【００３４】
回転体が振動している場合、この反射エコー波形ｘ（ｔ，ｒ）が時間軸上で振動する。通常、エコー波形ｘ（ｔ，ｒ）は、図１０に示したようなパルス状をしている。
【００３５】
そこで、たとえば、その最大値を取る時間Ｔ_ｍａｘ（ｒ）を算出し、これを超音波がセンサと回転体との往復に要した時間とすれば、下式を用いて変位ｙ（ｒ）は、
ｙ（ｒ）＝Ｔ_ｍａｘ（ｒ）ｃ_ｕ／２
ここで、ｃ_ｕは音速
として求めることができる。
【００３６】
この算出方法は極めて簡便ではあるが、サンプル周期δｔがＴ_ｍａｘ（ｒ）の分解能となってしまい、変位としてもδｔ・ｃ_ｕ／２の分解能でしか測定できなくなる。
【００３７】
そこで、図１１に示す変位を、下記の手順により算出する。
【００３８】
ステップ１
エコー波形ｘ（ｔ，ｒ）の最大値を取る点ｘ_ｍａｘ（Ｔ_ｍａｘ，ｒ）を求める。
【００３９】
ステップ２
図１１におけるエコー波形ｘ（ｔ，ｒ）の平均値ｘ_ａｖｅより上方で、最大点ｘ_ｍａｘを含むピークについて、下式により重心の時刻Ｔｃ、
ここで、加算範囲は、最大ピーク前後のｘ（ｔ，ｒ）＞ｘ_ａｖｅの領域
を求める。
【００４０】
ステップ３
そして、次式によって距離ｙ（ｒ）を、
ｙ（ｒ）＝Ｔ_ｃ（ｒ）ｃ_ｕ／２
求める。
【００４１】
この演算を行うプログラムをコンピュータにインストールしておくことにより、図１の構成における超音波センサ７が検出し超音波送受信機を介してコンピュータに与えられた波形データに基き、コンピュータが回転軸９の振動幅を算出することができる。
【００４２】
このように、エコー波形の重心位置をエコー戻り時間として用いることにより、サンプリング分解能からくる制約を受けることなく、測定対象物の振動を測定できる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は上述のように、超音波センサと測定対象とする回転体間に液体を存在させることにより回転体の変位を検知することができ、これを用いて測定対象の存否および振動を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるポンプの軸振動を計測するシステムの構成を示す図。
【図２】図１に示す超音波による軸振動部を、水を介して計測する部分の拡大図。
【図３】図３（ａ），（ｂ）は回転軸に向かって超音波を発信したときに表れる発信および受信両波形を示す図。
【図４】ポンプ軸の振動幅測定値を示す図。
【図５】揚水管の接線方向に設置した移動ガイド治具にセンサを取付け、位置を移動していく状態を示す図。
【図６】図１のＡ−Ａ線に沿って切断した横断面図。
【図７】図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図５および図６に示した超音波センサの設置個所Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３における振動波形の違いを示す波形図。
【図８】図８（ａ）は図５，図６における設置個所Ｐ２での測定波形を、また図８（ｂ）は設置個所Ｐ１，Ｐ３での測定波形を示す波形図。
【図９】図５，図６における設置個所Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３における振動振幅値を示す図。
【図１０】本発明における、エコー波形の最大値の時間をエコーの戻り時間として変位を算出する方法を説明するための図。
【図１１】本発明における、エコー波形の重心の時間をエコーの戻り時間として変位を算出する方法を説明するための図。
【符号の説明】
１電動ポンプ
２容器
３注水管
４水
５揚水管
６排水管
７超音波センサ
８揚水管外壁
９回転軸
１０回転翼
１１モータ
１２水
１３接線移動ガイド治具
１４揚水管材

Claims

液体が満たされた円筒状容器の中心に位置する回転体に超音波を作用させて前記回転体の変位を測定する方法において、
前記容器の外壁の周方向の接線上に超音波センサを設置し、
前記容器および前記液体を介して前記回転体に対し超音波を発信し、
前記回転体から反射される超音波を受信し、
前記超音波センサを、前記容器の外壁の周方向の接線方向に沿って移動させて前記回転体および前記容器から反射される超音波エコー波形が最大となる位置を求め、
この超音波エコー波形が最大となる位置に前記超音波センサを前記回転体および前記容器に対して相対的に移動させ、
受信した超音波につき、測定対象物から得られるエコー最大値、反射波形重心または波形間の時間的相関値である超音波反射波形代表点を求め、
この超音波反射波形代表点により算出された時刻に基き、前記回転体の変位を測定することを特徴とする回転体の変位測定方法。
請求項１記載の回転体の変位測定方法において、
前記液体は、海水を含む水、油またはその他の液体や溶融金属である回転体の変位測定方法。
回転体に超音波を作用させて前記回転体の変位を測定する装置において、
前記回転体の周囲に液体を満たした円筒状容器と、
前記容器の外壁の周方向の接線上で、かつ、前記回転体から反射される超音波エコー波形が最大となる位置に設置され、前記容器の壁から前記回転体に対し超音波を発信し、前記回転体から反射される超音波を受信する超音波センサと、
前記超音波センサを前記容器の外周接線方向に移動させ、かつ任意位置に固定するように支持する治具と、
前記超音波センサが受信した超音波につき、測定対象物から得られるエコー最大値、反射波形重心または波形間の時間的相関値である超音波反射波形代表点を測定する演算装置とをそなえ、
前記超音波反射波形代表点により算出された時刻に基き前記回転体の変位を測定することを特徴とする回転体の変位測定装置。
請求項３記載の回転体の変位測定装置において、
前記超音波センサの検出波形を表示する手段と、
をそなえた回転体の変位測定装置。