JP5224912B2

JP5224912B2 - 振動監視装置および監視方法

Info

Publication number: JP5224912B2
Application number: JP2008143083A
Authority: JP
Inventors: 健司尾崎; 信也加藤; 幸治日隈; 幸夫渡部
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: JP2009288164A

Description

本件発明は、構造物の振動監視装置及び監視方法に関し、特に、構造物の内部にある測定対象物の振動を構造物の外部から超音波送受信装置により測定する振動監視装置及び監視方法に関する。

従来の非破壊検査装置において、容器内部や容器内を流れる流路の内側にある検査対象物の振動を非破壊で監視する方法として、測定対象物に加速度計を設け直接振動を監視する方法、外部に設けた超音波送受信装置により測定対象物の振動を監視する方法が用いられている。

超音波を用いた振動監視方法は、容器の外部に設置した超音波送受信装置から検査対象物に向けて超音波を発信し、容器の壁と容器内の媒質を伝わって検査対象物に入射した超音波は検査対象物から反射され、その超音波を受信してその伝播時間を計測するとともに、超音波の媒質中での伝播速度を考慮して距離に換算する。このプロセスを高速に繰り返すことで、測定対象物の振動変位量を計測し、測定対象物の構造物の異常を検出するものである。

このような超音波を用いた振動監視装置として、特許文献１には、原子炉圧力容器内の炉内構造物を監視するために、圧力容器の外側に設置した超音波送受信装置から超音波を炉内構造物に向けて送受信し、信号処理により炉内構造物の振動に基づく超音波の伝搬時間の変化分を測定することにより、炉内構造物の振動を監視することが記載されている。

また、特許文献２には、容器内に設置された電動ポンプの回転軸の振動を監視するために、容器外部に設置された超音波送受信装置から超音波を回転軸に向けて送受信し、反射波形を周波数解析等を用いて信号処理することにより、回転軸の変位を測定し、電動ポンプの振動を監視することが記載されている。
特許第３７８２５５９号公報特開２００４−０２０５４０号公報「超音波技術便覧」日刊工業新聞社刊、昭和４６年、ｐ１６〜２１

上述した加速度計を直接検査対象物に取り付ける従来の振動監視方法では、測定対象物が複数箇所に及ぶ場合、加速度計も多数設置する必要があるほか、測定対象物の動作に影響を及ぼしたり、複雑な配線が必要になったり、また、加速度計の劣化、脱落等、コスト上及び構造上、多くの問題があった。

また、上述した超音波を用いた振動監視装置では、容器や流路の外側から内部にある構造物の振動を監視することが可能であるが、容器や流路と振動を計測する対象物との間に、中間構造物が存在する場合、容器の外側から発信された超音波の大部分は中間構造物で反射されるため、測定対象物の振動を正確に計測できない問題があった。

このような場合、超音波の伝搬の妨害とならないように中間構造物に開口部を設けることにより、測定対象物の振動を計測することが可能ではあるが、開口を設けるために構造物の改造が必要となる問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、容器等の構造物と前記構造物内の測定対象物との間に中間構造物がある場合においても、超音波を効率よく伝播させ、測定対象物の振動を高精度で監視することができる振動監視装置および監視方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る振動監視装置は、構造物と前記構造物内の測定対象物との間に中間構造物を有する構造物の振動監視装置において、前記構造物の外壁に設けられ測定対象物に超音波を発信し受信波を受信する超音波送受信装置と、受信波をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換装置と、前記デジタル値を演算処理し受信信号の時間波形形状の変化から測定対象物の振動変位を計測し、前記測定対象物の振動値と振動周波数を算出する信号処理装置と、前記振動値又は振動周波数の変化を監視することにより前記測定対象物の異常を判定する異常判定装置と、を備え、前記超音波送受信装置は、当該超音波送受信装置から発信される超音波の周波数を変化させて受信波のエコーレベルが最大となる周波数を決定することによって、前記測定対象物に発信する超音波の波長を、ｎを整数としたとき前記中間構造物の厚さの２／ｎ倍に設定することを特徴とする。

また、本発明に係る振動監視方法は、構造物と前記構造物内の測定対象物との間に中間構造物を有する構造物の振動監視方法において、前記構造物の外壁に設けられた超音波送受信装置から発信される超音波の周波数を変化させて受信波のエコーレベルが最大となる周波数を決定することによって、前記測定対象物に発信する超音波の波長を、ｎを整数としたとき前記中間構造物の厚さの２／ｎ倍に設定するとともに、当該波長の超音波を前記測定対象物に発信し、受信波をデジタル値に変換し、前記デジタル値を演算処理し受信信号の時間波形形状の変化から測定対象物の振動変位を計測し、前記振動変位から前記測定対象物の振動値と振動周波数を算出し、前記振動値又は振動周波数の変化を監視することにより前記測定対象物の異常を判定することを特徴とする。

本発明によれば、容器等の構造物と前記構造物内の測定対象物との間に中間構造物がある場合、超音波を効率よく伝播させ、測定対象物の振動を高精度で監視することができる振動監視装置および監視方法を提供することができる。

以下、本発明に係る振動監視装置および監視方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る振動監視装置を、図１〜図５を用いて説明する。

図１は、容器の外壁４の外側に設置した超音波送受信装置１により、容器の内部にある測定対象物６の振動を計測する場合を示しているが、容器の外壁４と測定対象物６との間には、内壁等の中間構造物５が存在する構造となっている。

超音波パルス発生装置２１により、超音波送受信装置１から送信波形２で示される所定周波数の超音波パルスが発信されると発信された超音波パルスは外壁４、容器４の内部の流体あるいは気体中を伝播し、中間構造物５に到達する。超音波パルスの一部は中間構造物５により反射されるが、それ以外は中間構造物５を透過し、測定対象物６まで伝播する。超音波パルスは測定対象物６で反射され再び流体あるいは気体中、中間構造物、外壁を伝播し、受信波形３で示される超音波パルスが超音波送受信装置１に到達し受信される。

受信された超音波パルスは、Ａ／Ｄ変換装置２２によりアナログ−デジタル変換され、信号処理装置２３に取り込まれる。信号処理装置２３では、超音波パルスのデジタル値を演算処理し受信信号の時間波形形状の変化から超音波エコーの戻り時間の変化を算出する。さらに、戻り時間の変化に流体あるいは気体中を伝播する超音波の音速を乗することにより、測定対象物の振動変位を算出する。算出された振動変位から測定対象物６の振動値及び振動周波数が算出され、それらの値は表示装置２４に表示されるとともに、異常判定装置２５で振動値及び振動周波数の変化を監視することにより検査対象である測定対象物６の異常の有無を判定する。
ここで本発明に係る振動監視装置の測定原理について説明する。

容器４と測定対象物６の間にある中間構造物５における超音波の透過率Ｔ_Ｉは、中間構造物周囲の音響インピーダンスをｚ_１、中間構造物のインピーダンスをｚ_２、中間構造物の板厚さをＬ、中間構造物中を伝播する超音波の波長をλ_２とすると、次式（１）であらわされる（非特許文献１）。

この式（１）に示すように、超音波の透過率Ｔ_Ｉは、中間構造物の板厚さＬが中間構造物５中の波長λ_２の２／ｎ倍となったときに最大となる。本発明は、発信する超音波の波長を透過率が最大となるように変更し、最適な波長となるように設定するものである。超音波の音速は温度と材質により決まるため、そのパラメータを考慮して周波数を制御する。具体的には、超音波送受信装置１から発信される発信波の周波数を変化させて、受信されるエコーが最大となる周波数を自動的に決定する。

このとき、寸法や材質を設計情報から測定対象物６に超音波が到達する時間を推定し、その時間領域の受信エコーをモニターし、エコーレベルが最大となる周波数を見つけ出す。

超音波送受信装置１として、一般的な超音波探触子を用いる場合、変更可能な発信周波数の幅が小さいため、周波数の走査範囲は限定されたものとなる。したがって、構造物の設計情報を基にして、推定される周波数に近い共振周波数を有する超音波送受信装置を選定するのが望ましい。また、発信するパルス信号は、複数の周波数を含む矩形波形のパルス波や超音波送受信装置の周波数特性を効率よく利用可能なチャープ波を用いるのが望ましい。さらに、送受信装置の共振周波数によらず変更可能な縦波を発信可能な電磁超音波（ＥＭＡＴ）を用いることも可能である。

図２に超音波受信波の時間波形の例を示す。図２中、受信エコー領域（１）は、発信されたパルスが外壁４の中で多重反射したものを受信している領域である。また、受信エコー領域（２）は中間構造物５の表面からの反射された多重エコーであり、受信エコー領域（３）は測定対象物６から反射されたエコーである。

したがって、測定対象物６に超音波が到達する時間を推定し、その時間領域の受信エコーをモニターし、受信エコー領域（３）にある測定対象物６からの受信波を検出し、解析する。

図３は、受信エコー領域（３）の超音波受信波の拡大図である。測定対象物６が超音波の伝播方向に振動している場合、超音波が測定対象物６に到達するまでの時間が振動量分だけ変化するため、受信波は受信波３ａおよび受信波３ｂのように時間軸方向に移動した形状となる。超音波の発信を連続的に行い、受信波３ａ、３ｂを連続的に保存し、信号処理装置により受信波３ａ、３ｂの形状変化量を算出し、超音波の速度と掛け合わせることで、測定対象物６の振動量（変位量）を算出することができる。

例えば、測定対象物６が水中にある場合を考える。水中での超音波の速度１５００ｍ／secとし、受信波の時間軸方向の変化量が１０nsecとすると、１５００（ｍ／sec）×１０（nsec）／２＝７．５μｍの振動を計測できたこととなる。その結果として図４に示すような振動の時間変化を得ることができる。この振動の時間変化から、検査対象６の振動の大きさ（振動値）及び振動周波数を検出し、それらの値の変動を監視することにより、検査対象の異常を把握することが可能となる。

また、図５に示すように、超音波送受信装置１として、送信用の超音波送信装置１ａと受信用の超音波受信装置１ｂを別個に設けてもよい。これにより、送受信波の感度調整、雑音解析をそれぞれ別個に行うことができるので、精度の高い信号処理及び振動監視が可能となる。

本第１の実施形態によれば、容器等の構造物と測定対象物との間に内壁等の中間構造物が存在しても、中間構造物を伝播可能な周波数を有する超音波パルスを送受信波として用いることにより、高精度で測定対象物の振動を測定し、異常の発生の有無を監視することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る振動監視装置を、図６〜図８を用いて説明する。
本発明の第２の実施形態は、本発明に係る監視装置をポンプ軸の監視又は熱交換機の伝熱管の監視に適用したものである。

図６（ａ）は揚水型の縦型ポンプの全体構成図で、長い揚水管の下端に羽根車を配置し、流体を吸い上げるものである。一般的にポンプに異常がないかどうか、振動監視による手法が用いられており、モータ部の加速度や回転部の軸振動が監視されている。この縦型ポンプは、図６（ａ）に示すように、揚水管１０とポンプ軸１２の間に上記の中間構造物５に相当する保護管１１が設置されている。ポンプ軸１２の振動を監視する場合、図６（ａ）の破線囲み部分を拡大して図６（ｂ）に示すように、揚水管１０の外側に超音波送受信装置１を設置し、内部にある保護管１１を透過する超音波を発信することによりポンプ軸１２の振動監視を行う。

本発明により外側から回転軸の監視が可能となることから、ポンプ本体の改造が不要でかつポンプの機能への影響を与えずにポンプの監視が可能となる。

また、揚水管１０がバレルやタンク内に設置されているタイプの縦型ポンプでは（図示せず）、バレルやタンクに超音波送受信装置１を設置し、中間構造物に相当する揚水管を通してポンプ軸１２の振動監視を行うことも可能である。

さらに、図７は熱交換器や給水加熱器のように伝熱管を持つ機器１４の振動監視に本発明の振動監視装置を適用した場合を示す。伝熱管１７を支える支え板の摩耗により伝熱管１７の振動が増加し、伝熱管が破損にいたることがある。図８の例では、容器１５と測定対象物である伝熱管１７の間に邪魔板１６が存在するが、外壁に設けた超音波送受信装置１により邪魔板１６を伝播する超音波パルスを発信し、伝熱管１７からの受信波を検出することにより伝熱管１７の振動を監視する。

図８に振動監視の具体例を示す。検査対象物であるポンプ軸または伝熱管の振動の時間変化から、振動値及び振動周波数を検出し、それらの値の変動を監視する。そして、図８（ａ）に示すように、振動値が予め定められた判定基準を超えたときに異常が発生した判断する。また、振動周波数については、その周波数が正常時の周波数よりも所定値以上シフトしたときに異常が発生したと判断する。上記説明では、振動値及び振動周波数を、それぞれ別個に監視対象としているが、それらを組みわせてもよいことはもちろんである。

また、本第２の実施形態では、本発明に係る振動監視装置をポンプまたは伝熱管の監視に適用した例を説明したが、検出対象物と超音波送受信装置１との間に中間構造物が存在する構造物であれば、全ての構造物に適用できることはもちろんである。

本第２の実施形態によれば、本発明に係る振動監視装置を揚水ポンプや伝熱管を持つ機器、等に適用することにより、保護管や邪魔板等の中間構造物が存在したとしても、高精度でポンプ軸又は伝熱管の振動を監視し、確実に異常の発生を把握することができる。

本発明の第１の実施形態に係る振動監視装置の全体構成図。本発明の第１の実施形態に係る超音波受信波の模式図。本発明の第１の実施形態に係る超音波受信波の波形図。本発明の第１の実施形態に係る振動波形の模式図。（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る振動監視装置の垂直断面図、（ｂ）はその平面断面図。（ａ）は揚水ポンプの全体図、（ｂ）は本発明に係る振動監視装置を揚水ポンプに適用した場合の模式図。本発明に係る振動監視装置を、伝熱管を有する機器に適用した場合の模式図。（ａ）は本発明に係る振動監視装置の運転時間に対する振動値の変化図、（ｂ）は周波数特性に対する振動値の変化図。

符号の説明

１…超音波送受新装置、１ａ…超音波発振装置、１ｂ…超音波受信装置、２…送信波形、３…受信波形、３ａ，３ｂ…受信波、４…外壁、５…中間構造物、６…測定対象物、１０…揚水管、１１…保護管、１２…ポンプ軸、１３…揚水ポンプ、１４…機器、１５…外壁、１６…邪魔板、１７…伝熱管。

Claims

構造物と前記構造物内の測定対象物との間に中間構造物を有する構造物の振動監視装置において、
前記構造物の外壁に設けられ測定対象物に超音波を発信し受信波を受信する超音波送受信装置と、受信波をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換装置と、前記デジタル値を演算処理し受信信号の時間波形形状の変化から測定対象物の振動変位を計測し、前記測定対象物の振動値と振動周波数を算出する信号処理装置と、前記振動値又は振動周波数の変化を監視することにより前記測定対象物の異常を判定する異常判定装置と、を備え、
前記超音波送受信装置は、当該超音波送受信装置から発信される超音波の周波数を変化させて受信波のエコーレベルが最大となる周波数を決定することによって、前記測定対象物に発信する超音波の波長を、ｎを整数としたとき前記中間構造物の厚さの２／ｎ倍に設定することを特徴とする振動監視装置。
前記超音波送受信装置が、超音波送信装置と超音波受信装置からなることを特徴とする請求項１記載の振動監視装置と監視方法。
前記測定対象物からの受信波領域を前記構造物の設計情報から算出し、前記受信波の時間波形情報から前記中間構造物からの受信波と分離する信号処理手段を有することを特徴とする請求項１又は２記載の振動監視装置。
前記超音波の発信周波数が複数の周波数成分を含んでいることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の振動監視装置。
構造物と前記構造物内の測定対象物との間に中間構造物を有する構造物の振動監視方法において、
前記構造物の外壁に設けられた超音波送受信装置から発信される超音波の周波数を変化させて受信波のエコーレベルが最大となる周波数を決定することによって、前記測定対象物に発信する超音波の波長を、ｎを整数としたとき前記中間構造物の厚さの２／ｎ倍に設定するとともに、当該波長の超音波を前記測定対象物に発信し、受信波をデジタル値に変換し、前記デジタル値を演算処理し受信信号の時間波形形状の変化から測定対象物の振動変位を計測し、前記振動変位から前記測定対象物の振動値と振動周波数を算出し、前記振動値又は振動周波数の変化を監視することにより前記測定対象物の異常を判定することを特徴とする振動監視方法。