JP5060168B2 - 回転振動位相検出装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転機器の回転部に発生する振動を検出し、回転のアンバランス成分を評価するための回転振動位相検出装置及び方法に関するものである。

タービン、発電機、電動機などの回転機器においては、回転部分のアンバランス等により回転軸が大きく振動することがあるため、回転機器の回転振動を検出し、振動による異常を診断している。回転機の軸受診断装置として、複数のファイルの中から振動信号とこれに対応した診断情報を正確に読み出して軸受診断を行うことができるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

回転機器の回転部のアンバランスを検出するには回転機器の振動変位を検出して行う。測定例としては、回転機器に振動センサと回転基準センサとを取り付け、振動センサで検出された振動信号から振動変位を求め、回転基準検出センサで検出された回転基準信号から振動変位の位相を算出する。

振動センサには振動変位を直接検出する変位センサ、振動速度を検出する速度センサ、振動加速度を検出する加速度センサが使用される。速度センサを使用した場合は検出した振動速度信号を１回積分することにより振動変位を得ており、加速度センサを使用した場合は検出した振動加速度信号を２回積分することにより振動変位を得ている。

変位センサは渦電流型センサが使用されることが多く、一般的に負電源を使用し、出力される信号も負極性の信号（直流の負電圧に変位振動信号が重畳された状態）が多い。また、加速度センサはアンプ内蔵型の加速度センサが使用されることが多く、このセンサに内蔵されているアンプに電源となる定電流を供給するため、加速度センサの信号出力は常時正極性の信号（直流の正電圧に変位振動信号が重畳された状態）となる。

回転基準センサは光電型センサや渦電流型センサが使用される。光電型センサでは回転部の回転基準位置に反射材を取り付けておき、反射材が回転する位置に光電センサを設置して回転基準信号を検出する。渦電流型センサでは変位センサと同じセンサが使用され、回転部の回転基準位置に段差を設け、この位置にセンサを設置して回転基準信号を検出する。

そして、振動センサから入力された信号をもとに回転変位振動を算出し、回転基準センサから入力された信号の周期とタイミングを基準として振動位相を算出する。通常は測定対象となる回転機器の定格回転数で測定するが、大型回転機器などでは起動から定格回転数に達する間に機械的な共振を起こす回転数が存在することがあるため、起動から定格回転数に達する間に一定の回転数間隔で測定を行うことがある。例えば定格回転数３６００ｍｉｎ−１で起動から３００ｍｉｎ−１毎に測定する場合、６００ｍｉｎ−１、９００ｍｉｎ−１、・・・３０００ｍｉｎ−１、３３００ｍｉｎ−１、３６００ｍｉｎ−１というような間隔で測定を行う。そして、得られた振動位相を基にカウンタウェイト等を回転体に取り付け、回転機器のアンバランスを補正している。
特開２００３−１４９０９０号公報

しかしながら、従来のものにおいては、下記のような課題があった。まず、回転振動位相補正、変位センサ信号バイアス補正、回転振動位相補正についての課題を述べる。回転振動のアンバランスを検出するのに必要な情報としては回転振動の位相が重要であり、特に大型回転機器の起動から定格回転数までに達するまでの低い回転数領域での振動位相を精度良く測定することが求められているが、振動センサに加速度センサや渦電流式変位センサを使用した場合、入力される信号には直流成分が重畳されるため、この成分を取り除く必要があり、直流分をカットするためにハイパスフィルタを使用している。

しかし、ハイパスフィルタを用いると、図１７に示すように低い回転数領域ではハイパスフィルタを通った後の信号位相がずれてしまうことから、ハイパスフィルタのカットオフ周波数を低めに設定するのが望ましい。一方で回転成分以外の低い振動成分を除去するにはハイパスフィルタのカットオフ周波数を高めに設定するのが望ましく、両者のトレードオフを考慮してハイパスフィルタのカットオフ周波数を決定しているが、いずれにしても低い回転数領域での振動位相の検出値は真値に対して誤差が発生することが免れないという問題点があった。

次に、回転基準信号自動検出についての課題を述べる。回転振動位相検出装置には、測定対象に対して常設する固定式と、振動センサや回転基準センサを都度対象機器に設置する可搬式とがある。固定式の回転振動位相検出装置においては、振動センサ及び回転基準センサは多くの場合渦電流式センサが設置されており信号インターフェースもこれに合わせた仕様になっている。可搬式の回転振動位相検出装置においては、多くの場合振動センサは速度センサ及び加速度センサが用いられ、回転基準センサは光電式センサを用いており信号インターフェースもこれに合わせた仕様になっている。

しかしながら、実際のフィールドでの測定においては、固定式のセンサが設置された回転機器の振動位相を可搬式の装置で測定したい場合には検出位相の基準を合わせるために、固定式回転基準センサから出力される信号を入力するのが望ましいが信号レベルが異なるためにその信号を活用できないという問題点があった。

次に、回転昇速や降速時の測定タイミング予測についての課題を述べる。起動から定格回転数に達する間に一定の回転数間隔で測定する場合においては、一定の測定周期を決めて定期的に測定を行い、所望の測定回転数に近づいた際の測定値を採用している。例えば所望測定回転数が６００ｍｉｎ−１、許容範囲±１００ｍｉｎ−１とした場合測定回転数が５００ｍｉｎ−１〜７００ｍｉｎ−１の範囲に達した時、その測定値を６００ｍｉｎ−１時の測定値として採用している。

しかし、従来の測定方法においては測定周期が一定なため、所望の回転数にできるだけ近い回転数で測定するためには測定周期を短くするか、許容範囲を狭くしなければならないが、処理時間を考えると測定周期を短くするには限界があり、許容範囲を狭くし過ぎると、回転体の昇速率（回転数が上昇する比率）が大きい場合、測定周期の期間内に許容範囲を超えて回転数が上昇してしまい、測定時期を逃す恐れがある。

本発明の目的は、回転振動を検出するセンサから振動信号が出力されるまでの信号位相のずれを補正でき回転基準位置の検出ができるとともに、直流信号レベルを相殺でき所望回転数における振動信号を取得することができる回転振動位相検出装置及び方法を提供することである。

本発明は、回転機器の回転振動を検出し、前記回転機器の回転部のアンバランスを検出する回転振動位相検出装置において、回転機器の回転部の振動変位を示す振動信号を検出する振動センサと、回転機器の回転部の回転基準信号を検出する回転基準センサと、前記回転基準センサで検出された前記回転基準信号に基づいて回転数を取得する取得部と、前記取得部で取得された前記回転数の履歴から所望する回転数に達するタイミングを予測し、所望回転数における前記振動信号を取得する位相検出装置とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、回転振動を検出するセンサから振動信号が出力されるまでの信号位相のずれを補正でき、回転基準位置の検出ができるとともに、直流信号レベルを相殺でき、所望回転数における振動信号を取得することができる回転振動位相検出装置を提供できる。

図１は本発明の実施の形態に係わる回転振動位相検出装置に構成図である。図１に示すように、回転振動位相検出装置１１は、回転機器の回転部の振動変位を検出する振動センサ１２と、回転機器の回転部の回転基準信号を検出する回転基準センサ１３と、振動センサ１２で検出された振動変位の信号処理過程で発生した信号位相のずれを補正し振動信号を出力する位相検出装置１４とから構成される。

位相検出装置１４は、センサ入力部１５と、ＲＡＭ１６と、データ及びプログラムを格納するフラッシュＲＯＭ１７と、タッチパネル、キーボード、マウスなどの入力手段１８と、ＬＣＤ表示などの出力手段１９と、入力手段１８及び出力手段１９を制御するマンマシンインターフェース（ＭＭＩ）２０と、位相検出のための処理演算を行うＣＰＵ２１とで構成される。センサ入力部１５は振動センサ入力部２２及び回転基準センサ入力部２３を有している。

振動センサ１２の検出信号は、センサ入力部１５の振動センサ入力部２２に入力され、回転基準センサ１３の検出信号はセンサ入力部１５の回転基準センサ入力部２３に入力される。

図２は、振動センサ１２が加速度センサ１２ａの場合のセンサ入力部１５の振動センサ入力部２２の一例の構成図である。加速度センサ１２ａにはセンサ電源２４が接続され、加速度センサ１２ａからの検出信号はセンサ入力部１５の振動センサ入力部２２に入力される。振動センサ入力部２２は、ハイパスフィルタ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、積分器２６ａ、２６ｂ、マルチプレクサ２７、アンプ２８、ローパスフィルタ２９、アナログ／デジタル変換器３０から構成される。

図３は、振動センサ１２が変位センサ１２ｂの場合のセンサ入力部１５の振動センサ入力部２２の一例の構成図である。変位センサ１２ｂはトランスデューサ３１を介してセンサ入力部１５の振動センサ入力部２２に接続される。振動センサ入力部２２は、ハイパスフィルタ２５ａ、アンプ２８、ローパスフィルタ２９、アナログ／デジタル変換器３０から構成される。

図２の加速度センサ１２ａ及び図３の変位センサ１２ｂのセンサ出力信号はハイパスフィルタ２５ａに入力され、センサ出力信号の直流分がカットされるが、このときのハイパスフィルタ２５ａの位相特性は、例えば図４に示すような特性となり、回転数が低くなると位相のずれが大きくなる。この場合の回転数と位相の関係を表１に示す。

そこで、本発明の実施の形態では、データ格納用フラシュＲＯＭ１７に、表１に示した回転数と位相の関係のデータを回転数・位相データテーブルとして予め格納しておく。

そして、振動波形及び回転基準信号をサンプリングし、ＣＰＵ２１は回転基準信号の周期から回転数を算出し、振動センサの信号から回転周期成分を抽出し、回転基準信号との位相を算出する。その後、データ格納用フラシュＲＯＭ１７に格納された回転数・位相データテーブルから、算出された回転数に該当する位相特性を引き出し、回転基準信号と振動センサ信号から算出した位相量から位相特性量を差し引くことにより、ハイパスフィルタ２５ａによる位相のずれを相殺する。

これにより、加速度センサ１２ａや渦電流式変位センサ１２ｂなどの直流成分が重畳された信号が入力される場合においてハイパスフィルタ２５ａが構成されていても位相のずれを補正できるので、振動位相の真値により近い値を得ることができ振動位相の測定精度が向上する。

図５は本発明の実施の形態におけるセンサ入力部１５の回転基準センサ入力部２３の一例を示す構成図である。回転基準センサ入力部２３はリミッタ回路３２及びウィンドウコンパレータ３３から構成される。図５においてリミッタ回路３２では、入力されるセンサ信号の振幅を回路保護のためにある一定幅に制限する。ウィンドウコンパレータ３３は「上限閾値」と「下限閾値」とが設定され、入力された信号と上下限閾値とを比較し、表２に示す条件で出力する。

例えば、光電型センサを用いた回転基準センサ１３の場合、図６（ａ）に示すような回転基準センサ入力信号が入力される。回転基準センサ入力信号がＨｉｇｈレベルのとき、ウィンドウコンパレータ３３の上限閾値を超えるのでウィンドウコンパレータ３３の出力がＨｉｇｈレベルとなる。

また、渦電流式変位センサを用いた回転基準センサの場合、図６（ｂ）に示すような、回転基準センサ入力信号が入力される。回転基準センサ入力信号がＬｏｗレベルのとき、ウィンドウコンパレータ３３の下限閾値を超えるのでウィンドウコンパレータ３３の出力がＨｉｇｈレベルとなる。

次に、図７は本発明の実施の形態におけるセンサ入力部１５の回転基準センサ入力部２３の他の一例を示す構成図である。回転基準センサ入力部２３は、リミッタ回路３２、絶対値回路３４及びコンパレータ３５から構成される。

図７において、リミッタ回路３２では入力されるセンサ信号の振幅を回路保護のためにある一定幅に制限する。絶対値回路３４では入力された信号の極性（＋、−）にかかわらず、信号の絶対値を出力する。コンパレータ３５では予め設定された「閾値」とコンパレータに入力された信号とを比較し、表３に示す条件で出力する。

例えば、光電型センサを用いた回転基準センサ１３の場合、図８（ａ）に示すような回転基準センサ入力信号が入力される。そして絶対値回路３４を経た後の信号は入力信号と同じ波形となり、コンパレータで閾値と比較される。回転基準センサ入力信号がＨｉｇｈレベルのとき、コンパレータ３５の閾値を超えるのでコンパレータ３５の出力がＨｉｇｈレベルとなる。

また、渦電流式変位センサを用いた回転基準センサ１３の場合、図８（ｂ）に示すような回転基準センサ入力信号が入力される。そして絶対値回路３４を経た後の信号は入力信号と極性が反転した波形となり、コンパレータ３５で閾値と比較される。回転基準センサ入力信号がＬｏｗレベルのとき、コンパレータ３５の閾値を超えるのでコンパレータ３５の出力がＨｉｇｈレベルとなる。

次に、図９は本発明の実施の形態におけるセンサ入力部１５の回転基準センサ入力部２３の別の他の一例を示す構成図である。回転基準センサ入力部２３は、リミッタ回路３２、Ｈｉｇｈレベルピークホールド回路３６、Ｌｏｗレベルピークホールド回路３７、加算回路３８、１／２分圧回路３９及びコンパレータ３５から構成される。

図９において、リミッタ回路３２では、入力されるセンサ信号の振幅を回路保護のためにある一定幅に制限する。Ｈｉｇｈレベルピークホールド回路３６では入力される信号の中で最も高いレベルを保持し、Ｌｏｗレベルピークホールド回路３７では入力される信号の中で最も低いレベルを保持する。加算回路３８ではピークホールドされたレベルを加算し、１／２分圧回路３９では加算されたレベルを１／２のレベルにする。これにより１／２分圧回路３９の出力はＨｉｇｈ側ピークレベルとＬｏｗ側ピークレベルの中間レベルが得られ、これがコンパレータ３５の閾値として入力される。コンパレータ３５では、センサ信号と生成された閾値とを比較し、表４に示す条件で出力する。

図１０において、回転基準センサ入力信号が入力されるとＨｉｇｈレベルピークホールド回路３６で入力される信号の中で最も高いレベルが保持され、Ｌｏｗレベルピークホールド回路３７で入力される信号の中で最も低いレベルが保持される。これら２つの信号を加算回路３８で加算し、１／２分圧回路３９を経て、Ｈｉｇｈ側ピークレベルとＬｏｗ側レベルとの中間レベルの信号を得る。これがコンパレータ３５の閾値となる。コンパレータ３５では、センサ信号とこれにより生成された閾値とを比較する。

これにより、信号レベルの異なる回転振動位相検出装置は測定対象に対して常設する固定式と、振動センサや回転基準センサを都度対象機器に設置する可搬式との区別なく、回転基準センサ１３として適用できることから、位相検出装置１４の可用性が大きく向上する。

図１１は、振動センサ１２が変位センサ１２ｂの場合のセンサ入力部１５の振動センサ入力部２２の他の一例の構成図である。変位センサ１２ｂはトランスデューサ３１を介してセンサ入力部１５の振動センサ入力部２２に接続される。振動センサ入力部２２は、ローパスフィルタ２９ａ、アンプ２８、減算回路４０、ローパスフィルタ２９ｂ、アナログ／デジタル変換器３０から構成される。

センサ入力部１５における振動センサ入力部２２のローパスフィルタ２９ａは、入力された振動信号の振動成分を除去し、重畳されている直流分のみを出力する。減算回路４０では振動センサ信号からローパスフィルタ２９ａにより生成された信号を差し引く。これにより、振動センサの振動成分が得られる。減算回路４０により得られた信号は、アンプ２８、エイリアジングを除去するローパスフィルタ２９ｂを経てアナログ／デジタル変換器３０に入力される。

振動センサとして渦電流式変位センサを用いた場合、図１２に示すように、−の直流電圧に振動信号成分が重畳された波形となっており、ローパスフィルタ２９ａにより、重畳されている直流分のみが出力される。そして、減算回路４０にて振動センサ信号からローパスフィルタ２９ａにより生成された信号を差し引かれ、振動センサの振動成分が得られる。

図１３は、振動センサ１２が加速度センサ１２ａの場合のセンサ入力部１５の振動センサ入力部２２の他の一例の構成図である。加速度センサ１２ａはセンサ電源２４に接続されセンサ入力部１５の振動センサ入力部２２に接続される。振動センサ入力部２２は、ローパスフィルタ２９ａ、減算回路４０、ハイパスフィルタ２５ｂ、２５ｃ、積分器２６ａ、２６ｂ、マルチプレクサ２７、アンプ２８、ローパスフィルタ２９ｂ、アナログ／デジタル変換器３０から構成される。

ここで、加速度センサ１２ａを用いた場合、センサ電源２４では加速度センサ１２ａに電源を供給するために定電流を供給している。そのため、加速度センサ１２ａの信号出力は、図１４に示すように、＋の直流電圧に振動信号成分が重畳された波形となっている。従って、ローパスフィルタ２９ａにより、入力された波形は、図１４に示すように、重畳されている直流分のみが出力される。そして、減算回路４０にて振動センサ信号からローパスフィルタ２９ａにより生成された信号が差し引かれ、振動センサの振動成分が得られる。

これにより、加速度センサ１２ａや渦電流式変位センサ１２ｂなどの直流成分が重畳された信号が入力される場合においても、ハイパスフィルタを用いることなく、直流分を除去できることから、低い回転数領域においても振動位相のずれが生じず、振動位相の真値により近い値を得ることができ測定精度が向上する。

次に、回転昇速降速時の測定タイミング予測について説明する。図１５は、本発明の実施の形態における回転機器が起動して定格回転数まで昇速する際の時間・回転数推移の一例の特性図である。

図１５のように、時間の経過と共に回転数が上昇する状況を想定する。図１５では一定時間間隔ΔＴで振動信号及び回転基準信号のサンプリングが行われ、回転基準信号の間隔より回転数が算出されている。ｎ回目のサンプリング時刻Ｔｎにおける回転数をＲｎとし、目標回転数をＲｔ、目標回転数Ｒｔに到達する時刻をＴｔとする。サンプリング間隔をΔＴとするとサンプリング時刻は下記関係式となる。

Ｔｎ−Ｔｎ−１＝ΔＴ
図１６は振動信号の取り込み動作の手順を示すフローチャートである。時刻Ｔｎ−１におけるサンプリングが終了し、次回サンプリング時刻Ｔｎが設定されると、当該時刻になるまでサンプリング待ちの状態となる。この状態ではサンプリング予定時刻になったか否かが判定される（Ｓ１）。

サンプリング予定時刻の時刻Ｔｎに達したときは、振動信号、回転基準信号をサンプリングし（Ｓ２）、回転基準信号から回転数を算出する（Ｓ３）。

そして、次回サンプリング予定時刻Ｔｎ＋１を設定し（Ｓ４）、予め設定された目標回転数Ｒｔと算出された回転数Ｒｎを比較する（Ｓ５）。一致もしくは予め設定された許容差以内であった場合には回転基準信号と振動信号から振動位相を算出し（Ｓ６）、次の目標回転数を設定し（Ｓ７）、次回サンプリング予定時刻Ｔｎ＋１に到達するのを待つ。

一方、ステップＳ５の判定で、目標回転数Ｒｔと算出された回転数Ｒｎとが不一致もしくは予め設定された許容差を越えた場合には、今回サンプリングされた時刻Ｔｎに算出された回転数Ｒｔと過去にサンプリングされた時刻Ｔｎ−ｋにおける回転数Ｒｔ−ｋから回転数変化率ΔＲ／ΔＴを下記式により算出する（Ｓ８）。

ΔＲ／ΔＴ＝（Ｒｎ−Ｒｎ−ｋ）／（Ｔｎ−Ｔｎ−ｋ）
ただし、ｋは１以上の整数値
そして、回転数変化率ΔＲ／ΔＴと今回のサンプリング時刻から次回サンプリング予定時刻Ｔｎ＋１における回転数を下記式により予測する（Ｓ９）。

Ｒｎ＋１＝Ｒｎ＋（ΔＲ／ΔＴ）
こうして得られた予測値Ｒｎ＋１と目標回転数Ｒｔとを比較し（Ｓ１０）、予測値Ｒｎ＋１が目標回転数Ｒｔを越える場合は、目標回転数Ｒｔに到達するまでの時間間隔ΔＴ’を下記式により推定する。

ΔＴ’＝（Ｒｔ−Ｒｎ）／（ΔＲ／ΔＴ）
そして、下記式により目標回転数到達時刻Ｔｔを推定する（Ｓ１１）。

Ｔｔ＝Ｔｎ＋ΔＴ’
そして、推定された時刻を次回サンプリング予定時刻に設定し（Ｓ１２）、次回サンプリング予定時刻に到達するのを待つ。予測値Ｒｎ＋１が目標回転数Ｒｔを越えない場合は、そのまま次回サンプリング予定時刻Ｔｎ＋１に到達するのを待つ。

これにより、起動から定格回転数に達する間に一定の回転数間隔で測定する場合において、測定周期の短縮が困難であっても、測定時期を逃すことなく所望の回転数測定することができるという優れた効果を奏する。

本発明の実施の形態に係わる回転振動位相検出装置に構成図。 本発明の実施の形態における振動センサが加速度センサの場合のセンサ入力部の振動センサ入力部の一例の構成図。 本発明の実施の形態における振動センサが変位センサの場合のセンサ入力部の振動センサ入力部の一例の構成図。 本発明の実施の形態における振動センサ入力部のハイパスフィルタによる回転数−位相特性の特性図。 本発明の実施の形態におけるセンサ入力部の回転基準センサ入力部の一例を示す構成図。 図５に示した回転基準センサ入力部の動作波形図。 本発明の実施の形態におけるセンサ入力部の回転基準センサ入力部の他の一例を示す構成図。 図７に示した回転基準センサ入力部の動作波形図。 本発明の実施の形態におけるセンサ入力部の回転基準センサ入力部の別の他の一例を示す構成図。 図９に示した回転基準センサ入力部の動作波形図。 本発明の実施の形態におけるセンサ入力部の振動センサ入力部の他の一例の構成図。 図１１に示した振動センサ入力部の動作波形図。 本発明の実施の形態におけるセンサ入力部の振動センサ入力部の別の他の一例の構成図。 図１１に示した振動センサ入力部の動作波形図。 本発明の実施の形態における回転機器が起動して定格回転数まで昇速する際の時間・回転数推移の一例の特性図。 本発明の実施の形態での振動信号の取り込み動作の手順を示すフローチャート 従来のハイパスフィルタによる回転数−位相特性の特性図。

符号の説明

１１…回転振動位相検出装置、１２…振動センサ、１２ａ…加速度センサ、１２ｂ…変位センサ、１３…回転基準センサ、１４…位相検出装置、１５…センサ入力部、１６…ＲＡＭ、１７…フラッシュＲＯＭ、１８…入力手段、１９…ＬＣＤ表示などの出力手段、２０…マンマシンインターフェース、２１…ＣＰＵ、２２…振動センサ入力部、２３…、２４…、２５…ハイパスフィルタ、２６…積分器、２７…マルチプレクサ、２８…アンプ、２９…ローパスフィルタ、３０…アナログ／デジタル変換器、３１…トランスデューサ、３２…リミッタ回路、３３…ウィンドウコンパレータ、３４…絶対値回路、３５…コンパレータ、３６…Ｈｉｇｈレベルピークホールド回路、３７…Ｌｏｗレベルピークホールド回路、３８…加算回路、３９…１／２分圧回路、４０…減算回路

Claims (2)

1. 回転機器の回転振動を検出し、前記回転機器の回転部のアンバランスを検出する回転振動位相検出装置において、
   回転機器の回転部の振動変位を示す振動信号を検出する振動センサと、
   回転機器の回転部の回転基準信号を検出する回転基準センサと、
   前記回転基準センサで検出された前記回転基準信号に基づいて回転数を取得する取得部と、
   前記取得部で取得された前記回転数の履歴から所望する回転数に達するタイミングを予測し、所望回転数における前記振動信号を取得する位相検出装置と
   を備えたことを特徴とする回転振動位相検出装置。
2. 回転機器の回転振動を検出し、前記回転機器の回転部のアンバランスを検出する回転振動位相検出方法において、回転機器の回転部の回転基準信号を検出し、回転機器の回転部の振動変位を示す振動信号を検出し、前記検出された前記回転基準信号に基づいて回転数を取得し、前記取得された前記回転数の履歴から所望する回転数に達するタイミングを予測し、所望回転数における前記振動信号を取得することを特徴とする回転振動位相検出方法。

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