JP5833679B2

JP5833679B2 - 振動センサ

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Publication number: JP5833679B2
Application number: JP2013553579A
Authority: JP
Inventors: ディアツィキス、エヴァンジェロスヴィ; ヴィディアツィキス、エヴァンジェロス; トゥワードクリブ、マイケル; アルメイダフェレイラ、ルイス、アルベルトデ; アラウホ、フランシスコマヌエルモイタ
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: CA2826226C; CA2826226A1; US20120204651A1; KR20130124378A; JP2014505887A; US8820167B2; WO2012109502A2; EP2673604A2; CN103459992B; WO2012109502A3; KR101532197B1; CN103459992A

Description

本発明は、振動センサ、より詳しくは、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を備えた光ファイバを含む振動センサに関する。

発電分野で使用される発電機は、ベース体、特に、積層ステータコア又はロータ体のスロットに圧入された多数の導体又はステータバーを有したステータ巻線を含む。このような発電機は大変高価で長期投資となる。その故障は、発電設備そのものを危うくするのみならず、修理に伴う停止期間中の深刻なサービス低下をも招き得る。

そのような状況を回避すべく、欠陥を早期に発見するために診断システムが開発されている。発電機内が超高電圧なので、発電機用診断システムは、通常、高電圧構造に置かれた場合に接地へのアーク放電を誘起し得る導電配線を使用しないセンサテクノロジを使用する。例えば、発電機内で検知信号は、グラスファイバなどの光導体により伝送される。

本発明の第一の態様によれば、ハウジング、光ファイバ、メンブレン（膜状）スプリングアセンブリを備えたセンサが提供される。ハウジングは、当該センサにより監視すべきシステム内の部品に装着されるように構成される。光ファイバは、ハウジングに対し固定の第１位置とハウジングに対し可動の第２位置とでハウジング内に設置され、第１位置と第２位置との間の光ファイバの検知部分を、第１位置に対し第２位置で光ファイバが変動する結果、伸張及び短縮させることが可能である。光ファイバの検知部分はファイバブラッググレーティングを含んでいる。メンブレンスプリングアセンブリは、ハウジング内に配置され、ハウジングに対し固定の固定部分とハウジングに対し可動の中央部分とを有するメンブレンディスクを備える。その中央部分は、前記第２位置で光ファイバに対し固定とされ、該中央部分の変動に応じて第２位置で光ファイバに変位が生じ、ファイバブラッググレーティングを含む光ファイバの検知部分が伸張及び短縮させられる。
このセンサのメンブレンスプリングアセンブリは、メンブレンディスクの互いに反対側に配置されてメンブレンディスクの最大変位撓みを制限する第１及び第２高さディスクをさらに備える。これら第１及び第２高さディスクは、それぞれが中央孔を有し、メンブレンディスクの外周縁部分と接触することでメンブレンディスクの中央部分の振動性変動を、その中央孔のサイズに従う減衰量で減衰させるように構成される。これによって光ファイバの検知部分の伸張量及び短縮量が制限される。
あるいは、メンブレンスプリングアセンブリは、メンブレンディスクの互いに反対側に配置されてメンブレンディスクの最大変位撓みを制限する第１及び第２メンブレンストッパをさらに備える。これら第１及び第２メンブレンストッパは、それぞれが中央孔を有し、メンブレンディスクの中央部分と接触することで該中央部分の振動性変動を、その中央孔のサイズに応じて制限するように構成される。これによって光ファイバの検知部分の伸張量及び短縮量が制限される。
光ファイバの検知部分の伸張及び短縮は、ファイバブラッググレーティングにより反射される光波長を変化させる。ファイバブラッググレーティングにより反射される光波長は、メンブレンディスクの中央部分の変動を測定するべく使用可能である。

本発明の第二の態様によれば、センサを備えたセンサシステムが提供される。そのセンサは、ハウジング、メンブレンスプリングアセンブリ、光ファイバを備える。ハウジングは、センサシステムにより監視すべきシステム内の部品に装着されるように構成される。メンブレンスプリングアセンブリは、ハウジング内に配置され、メンブレンディスクと第１及び第２高さディスクとを備える。そのメンブレンディスクは、ハウジングに対し固定の固定部分とハウジングに対し可動の可動部分とを有する。第１及び第２高さディスクは、メンブレンディスクの互いに反対側に配置され、メンブレンディスクの可動部分の最大変位撓みを制限する。光ファイバは、ハウジング内に配置され、ハウジングに対し固定の第１部分と、ファイバブラッググレーティングを含んだ第２部分と、メンブレンディスクの可動部分に対し固定の第３部分と、を備える。当該光ファイバの第２部分は、第１部分と第３部分との間に設けられており、このファイバブラッググレーティングを含んだ第２部分は、ハウジングに対しメンブレンディスクの可動部分が変動する結果、伸張及び短縮させられる。
このセンサのメンブレンディスクの固定部分は外周縁部分で且つ可動部分は中央部分であり得る。この場合の第１及び第２高さディスクは、それぞれ中央孔を画定したリング状部材からなり、メンブレンディスクの固定部分と接触して該メンブレンディスクの可動部分の振動性変動を、その中央孔のサイズに従う減衰量で減衰させるように構成される。これによってファイバブラッググレーティングを含む光ファイバの第２部分の伸張量及び短縮量が制限される。
光ファイバの第２部分の伸張及び短縮は、ファイバブラッググレーティングにより反射される光波長を変化させる。ファイバブラッググレーティングにより反射される光波長は、メンブレンディスクの可動部分の変動を測定するべく使用可能である。

本発明の第三の態様によれば、センサを備えたセンサシステムが提供される。そのセンサは、ハウジング、メンブレンスプリングアセンブリ、光ファイバを備える。ハウジングは、センサシステムにより監視すべきシステム内の部品に装着されるように構成される。メンブレンスプリングアセンブリは、ハウジング内に配置され、メンブレンディスクと第１及び第２メンブレンストッパとを備える。メンブレンディスクは、ハウジングに対し固定の固定部分とハウジングに対し可動の可動部分とを有する。第１及び第２メンブレンストッパは、メンブレンディスクの互いに反対側に配置され、メンブレンディスクの可動部分の最大変位撓みを制限する。光ファイバは、ハウジング内に配置され、ハウジングに対し固定の第１部分と、ファイバブラッググレーティングを含んだ第２部分と、メンブレンディスクの可動部分に対し固定の第３部分と、を備える。当該光ファイバの第２部分は、第１部分と第３部分との間に設けられており、このファイバブラッググレーティングを含んだ第２部分は、ハウジングに対してメンブレンディスクの可動部分が変動する結果、伸張及び短縮させられる。
このセンサのメンブレンディスクの固定部分は外周縁部分で且つ可動部分は中央部分であり得る。この場合の第１及び第２メンブレンストッパは、それぞれ中央孔を画定したリング状部材からなり、メンブレンディスクの可動部分と接触することで該可動部分の最大変位撓みを、その中央孔のサイズに応じて制限するように構成される。
光ファイバの第２部分の伸張及び短縮は、ファイバブラッググレーティングにより反射される光波長を変化させる。ファイバブラッググレーティングにより反
射される光波長は、メンブレンディスクの可動部分の変動を測定するべく使用可能である。

本願は、本発明を具体的に示し明確に請求する特許請求の範囲を含むが、次の図面を伴う以下の説明により、本発明をより良く理解できるであろうと考える。図中、同様の要素は同様の参照符号で示す。
本発明の一実施形態に係る振動センサを設けた発電機のステータコアの一部を示す斜視図。図１に示した振動センサの内部の拡大斜視図。図２に示した振動センサの要部の拡大斜視図。図２に示した振動センサの分解斜視図。本発明の一実施形態に係る振動センサの発電機運転中の出力例を示すグラフ。本発明の一実施形態に係る振動センサの発電機運転中の出力例を示すグラフ。本発明の一実施形態に係る振動センサの発電機運転中の出力例を示すグラフ。本発明の一実施形態に係る振動センサの発電機運転中の出力例を示すグラフ。本発明の一実施形態に係る振動センサの発電機運転中の出力例を示すグラフ。本発明の一実施形態に係る複数の振動センサを含むセンサシステムの概略図。本発明に係る振動センサで使用するメンブレンディスクの代替例の側面図。本発明に係る振動センサで使用するメンブレンディスクの代替例の側面図。

次に記載する好適な実施形態の詳細説明において、本発明を実施する特定の形態を、限定の目的ではなくて、例示の目的で示す図面を参照する。本発明の思想及び範囲を逸脱することなく、他の実施形態も可能であるし、変更もなし得ることは当然である。

図１を参照すると、発電機用ステータ１０の一部が図示してあり、放射状に延設されたスロット１６を画定する多数のステータティース（固定子歯）１４を備えたステータコア１２が含まれている。ステータコア１２は、各スロット１６に配置された１以上のステータバー２０を含むステータコイル１８を備える。図示の実施形態においては、一対のステータバー２０が、各スロット１６内に積み重ねた状態で配置されている。ステータバー２０は、接地壁絶縁を形成する絶縁層（図示せず）で包んでおくことができる。

バー２０は保持機構２４によりその位置を維持可能とされる。保持機構２４は、スロット１６においてステータバー２０の内側のものよりも半径方向内方に位置した、トップスロットフィルタ２６などの１以上のフィルタ部材とトップリップル（波形）スプリング２８とを備える。保持機構２４はさらに、トップリップルスプリング２８よりも半径方向内方に配置してスロット１６に組み入れたくさび３０を備え、予め決められた締め付け力でスロット１６内にステータバー２０を押さえ込み、ステータコア１２に対するバー２０の変動をほぼ制限する。ステータバー２０の対の位置は保持機構２４によりほぼ維持されるが、それでもステータバー２０の多少の曲げ変動が発電機内振動に伴い発生し、バー２０の素材中にストレスをもたらす。

追加して図２を参照すると、本発明の一実施形態に係る振動センサ５０が、ステータバーの中の所定のバー２０’に、図１に示すごとく該選択ステータスバー２０’の端部２０Ａにおいて取り付けられる。ただし、ステータコア１２のその他のステータバー２０がさらに振動センサ５０を含んでいてもよい。また、振動センサ５０は、選択ステータセンサ２０’に、例えば上部２０Ｂや側部２０Ｃ（図１参照）といった端部２０Ａ以外の場所で取り付けられていてもよい。

本発明によれば、選択ステータバー２０’の振動及び振動センサ５０の状況、すなわち構造的状況、が振動センサ５０により提供される信号を介して監視される。つまり、振動センサ５０がセンサデータを含んだ信号を生成し、ここに説明するように、本発明の実施形態に従って、センサデータの監視により選択ステータバー２０’の振動が判断され、また振動センサ５０の状況も判断される。振動センサ５０により提供される信号は、ほぼ周期的に変化する値の動的測定信号を含み、ステータバー２０内のストレスレベルを表し得る。特に、この測定信号は、選択ステータバー２０’の端部２０Ａに関し、一度の識別で速度のデータを提供し、二度の識別で加速度のデータを提供する、変位信号を含む。

図２〜図４を参照すると、振動センサ５０は、ここに説明する振動センサ５０の内部部品を収容したハウジング５２（図２及び図４）を備える。図３には振動センサ５０の要部のみを示し、該要部をより明確に図示してその機能を効果的に説明し易くしてある。

振動センサ５０は、光ファイバ導体（ＦＯＣ）５８に形成した屈折率格子により画定される光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）５４（図３及び図４参照）を備えた光ファイバセンサを含む。ＦＢＧ５４の屈折率格子は、予め決められた間隔で形成され、ＦＯＣ５８を通る光を、格子特有の中心ブラッグ波長λ₀を含む予め決められた波長で反射する。ＦＯＣ５８は、例えば既存のブラッググレーティングセンサにおいて使用されている光ファイバなど、ＦＢＧ５４のどちらかの側に力をかけると伸張及び短縮し得る、弾性的に変形可能な材料を用いて形成される。以下に詳しく説明するように、ＦＯＣ５８は、該ＦＯＣ５８も接続されるフレームに対して変位する変位可能質量体に、接続される。選択ステータバー２０’の振動に対応した、フレームに対する該質量体の変位は、ＦＯＣ５８の周期的な弾性伸張及び短縮を招き、その結果、ＦＢＧ５４から反射される光の測定波長λが、中心ブラッグ波長λ₀に対して周期的に変化する。ＦＢＧ５４から反射される光の測定波長λの周期的変化は、周知の方法で監視されて処理され、選択ステータバー２０’の領域における発電機の状況が調べられる。

広帯域光源などの光照射源５６がカプラ６０でＦＯＣ５８と連結され、振動センサ５０に光を照射する（図２〜図４参照）。光照射源５６は、振動センサ５０の中心ブラッグ波長λ₀の反射応答に対応して予め決められた範囲の光波長（又は周波数）を提供する。ここに説明するように、振動センサ５０からの反射光は、ＦＯＣ５８を伝って戻り、カプラ６０を介してプロセッサ６２又はスペクトルアナライザで受光される。

図２を参照すると、ＦＯＣ５８は、ハウジング５２の壁に形成された孔６４を通ってハウジング５２へ入る。図３に示すように、ＦＯＣ５８の第１部分５８Ａは、振動センサ５０のアンカー（錨）部材６６を貫通するボア６６Ａを通り延伸する。ＦＯＣ５８の第１部分５８Ａは、例えば、ボア６６Ａ内でアンカー部材６６にＦＯＣ５８の第１部分５８Ａを接着剤接合やセメンティングするなどによる適切な付着処理を使用して、ボア６６Ａ内の第１位置Ｌ₁（図３参照）でアンカー部材６６に固着させてある。アンカー部材６６は、アンカープレート構造体６８に形成されている孔６８Ａを通って延伸し、コアサポート７０へ螺着される（図４参照）。アンカープレート構造体６８は、該アンカープレート構造体６８の脚６９の溝６９Ａとアンカー部材６６との間におけるＦＯＣ５８の湾曲部を画定するためと、ＦＯＣ５８の第１部分５８Ａの位置を維持するために、使用される。アンカープレート構造体６８は、複数のボルト７２でコアサポート７０へ取り付けられ、コアサポート７０は、複数のボルト７４でハウジング５２の下側部品５２Ａへ連結される（図２参照）。コアサポート７０は、ハウジング５２の下側部品５２Ａ内において、アンカープレート構造体６８、アンカー部材６６、及び第１位置Ｌ₁にあるＦＯＣ５８の第１部分５８Ａを構造的に支持し、これらの部品をハウジング５２に対し固定とする。

図４に示すように、アンカー部材６６の螺合端部６６Ｂは、コアサポート７０を貫通する螺合孔７０Ａへ螺合する。ＦＯＣ５８は、アンカー部材端部６６Ｂでボア６６Ａから出て延伸し、ここに説明するポインター（指標）部材８０を通り延伸するボア８０Ａへ受け入れられる（図３参照）。アンカー部材６６とポインター部材８０との間に延びるＦＯＣ５８の第２部分５８Ｂが伸張及び短縮させられ、ここに、上述のＦＢＧ５４を有するＦＯＣ５８の検知部分が含まれる。

図４に示すように、ポインター部材８０の螺合第１端部８０Ｂは、第１質量体８２の螺合孔８２Ａへ螺合して該第１質量体８２を支持する。ポインター部材８０の螺合第２端部８０Ｃは、第２質量体８４の螺合孔８４Ａへ螺合して該第２質量体８４を支持する。第１及び第２質量体８２，８４のそれぞれは本発明の一実施形態によれば２０〜３０グラムの重さであるが、質量体８２，８４は、振動センサ５０及び該センサを用いる発電機の構成に応じたその他の重さであってよい。質量体８２，８４に関するさらなる詳細がここに説明される。

ＦＯＣ５８の第３部分５８Ｃ（図３参照）は、例えば、ボア８０Ａ内でポインター部材８０にＦＯＣ５８の第３部分５８Ｃを接着剤接合やセメンティングするなどによる適切な付着処理を使用して、ボア８０Ａ内の第２位置Ｌ₂でポインター部材８０の第２端部８０Ｃに固着させてある。ここに説明するように、第２位置Ｌ₂にあるＦＯＣ５８の第３部分５８Ｃは、ハウジング５２に対し可動である。

図２〜図４を参照すると、メンブレンスプリングアセンブリ９０がポインター部材８０とつながっている。図４に最も明示されているように、メンブレンスプリングアセンブリ９０は、第１メンブレンストッパ９２、第１高さディスク９４、メンブレンディスク９６、第２高さディスク９８、及び第２メンブレンストッパ１００を備える。メンブレンスプリングアセンブリ９０のこれらの部品は、好ましくは、ステンレス鋼により形成し、複数のボルト１０２で互いに連結する。

ボルト１０２はスペーサ部材１０４のねじ穴１０４Ａへ締め込まれ、メンブレンスプリングアセンブリ９０をスペーサ部材１０４へ連結する（図２及び図４参照）。スペーサ部材１０４は、複数のボルト１０５でコアサポート７０へ連結される。コアサポート７０及びスペーサ部材１０４により質量スプリングサポート構造体１０７が構成され、メンブレンディスク９６の外周縁部分がハウジング５２へ事実上連結される。したがって、メンブレンディスク９６の外周縁部分は選択ステータバー２０’へ事実上連結される。すなわち、メンブレンディスク９６の外周縁部分は、コアサポート７０によってハウジング５２内で構造的に支持され、ハウジング５２及び選択ステータバー２０’に対し固定とされる。スペーサ部材１０４がメンブレンスプリングアセンブリ９０とコアサポート７０との好適な間隔を維持するために設けられるが、メンブレンディスク９６は、ここに説明するように、発電機運転中、振動センサ５０に伝わる振動に応じて、振動センサ５０の中心軸ＣＡ（図２参照）の方向において少量撓む。

図３及び図４に示すように、第１及び第２ナット１０６，１０８が第１及び第２質量体８２，８４のそれぞれとメンブレンディスク９６との間に位置する。これら質量体８２，８４及びナット１０６，１０８は、それらの間にメンブレンディスク９６を事実上挟持し、メンブレンディスク９６の可動（対ハウジング５２）中央部分を、中央部分の各側へのナット１０６，１０８の螺着を通じて、ポインター部材８０へ連結する。ポインター部材８０は、第２位置Ｌ₂においてポインター部材８０のボア８０Ａ内にＦＯＣ５８の第３部分５８Ｃが結合されていることにより、ＦＢＧ５４を含むＦＯＣ５８の第２部分５８Ｂと、事実上接続されている。したがって、メンブレンディスク９６の中央部分は、ＦＢＧ５４を含むＦＯＣ５８の第２部分５８Ｂと事実上連結され、選択ステータバー２０’の振動性変動及び振動センサ５０とメンブレンディスク９６の外周縁部分の対応する変動が、ＦＢＧ５４を含むＦＯＣ５８の第２部分５８Ｂを変位させる。すなわち、メンブレンディスク９６の中央部分と第１及び第２質量体８２，８４とは互いに対し固定である一方、ハウジング５２に対しては可動であり、質量スプリングシステム１１０（図２参照）を形成する。質量スプリングシステム１１０は質量スプリングサポート構造体１０７へ支持され、選択ステータバー２０’からハウジング５２へ伝わる振動により生じるメンブレンディスク９６の中央部分の撓み変動が、ここに説明するように、ＦＢＧ５４を含むＦＯＣ５８の第２部分５８Ｂの対応する伸張及び短縮を発生させる。

メンブレンディスク９６の互いに反対側に配置された第１及び第２高さディスク９４，９８は、それぞれ中央孔９４Ａ，９８Ａ（図４参照）を画定するリング状部材からなる。第１及び第２高さディスク９４，９８は、メンブレンディスク９６の中央部分振動性変動を減衰させ、メンブレンディスク９６の最大変位撓みを制限し、これによりＦＯＣ５８の第２部分５８Ｂの伸張量及び短縮量を制限してＦＯＣ５８の損壊を防止する。詳細には、第１高さディスク９４は、センサ５０の放射状で内向きの方向、すなわちセンサ５０の中心軸方向ＣＡと平行な方向、のメンブレンディスク９６の外周縁部分の変動を規制することにより、メンブレンディスク９６の中央部分の最大変位撓みを制限し、ＦＯＣ５８の第２部分５８Ｂの短縮量を事実上制限する。同様に、第２高さディスク９８は、放射状で外向きの方向のメンブレンディスク９６の外周縁部分の変動を規制することにより、メンブレンディスク９６の中央部分の最大変位撓みを制限し、ＦＯＣ５８の第２部分５８Ｂの伸張量を事実上制限する。なお、高さディスク９４，９８の孔９４Ａ，９８Ａのサイズを変更することで、当該高さディスク９４，９８により提供されるメンブレンディスク９６の中央部分振動性変動に対する減衰量を調節することができる。

第１及び第２メンブレンストッパ９２，１００もまた、メンブレンディスク９６の最大変位撓みを制限し、これにより、ＦＯＣ５８の第２部分５８Ｂの伸張量及び短縮量が制限され、ＦＯＣ５８の損壊が防止される。詳細には、第１メンブレンストッパ９２が、メンブレンディスク９６の中央部分と接触する物理的停止部位として機能し、放射状で内向きの方向のメンブレンディスク９６の中央部分の変動が規制されて、ＦＯＣ５８の第２部分５８Ｂの短縮量が事実上制限される。同様に、第２メンブレンストッパ１００が、メンブレンディスク９６の中央部分と接触する物理的停止部位として機能し、放射状で外向きの方向のメンブレンディスク９６の中央部分変動が規制されて、ＦＯＣ５８の第２部分５８Ｂの伸張量が事実上制限される。

なお、メンブレンストッパ９２，１００の孔９２Ａ，１００Ａ（図４参照）のサイズ及び高さディスク９４，９８の厚みの一方又は両方を変更することで、メンブレンストッパ９２，１００により提供されるメンブレンディスク９６の中央部分振動性変動の制限を調節することができる。また、メンブレンディスク９６の外周縁部分はハウジング５２に対し固定であり且つメンブレンディスク９６の中央部分はハウジング５２に対し可動であるが、センサ５０としては、メンブレンディスク９６の外周縁部分がハウジング５２に対し可動且つメンブレンディスク９６の中央部分がハウジング５２に対し固定とする構成とすることも可能である。すなわち、第１及び第２高さディスク９４，９８がその間にメンブレンディスク９６の中央部分を挟持し、外周縁部分が放射状で撓むことを許容する。このような構成において、メンブレンディスク９６の外周部分、あるいは少なくともその一部が、直接的又は間接的に、ＦＯＣ５８の第２部分５８Ｂへ構造的に連結される。

さらに、メンブレンストッパ９２，１００の孔９２Ａ，１００Ａのサイズは本実施形態においては固定であるが、当該孔９２Ａ，１００Ａのサイズは、発電機運転中に手動又は自動でアジャストしてメンブレンディスク９６の最大変位撓みを変化させられるように、可変とすることもできる。これは、いわゆる当業者には自明であるように、カメラの絞り機構のような方式で実施可能である。

本実施形態の場合、第１及び第２メンブレンストッパ９２，１００は、高さディスク９４，９８とは別部品としてある。しかしながら、高さディスク９４，９８は、各メンブレンストッパ９２，１００と一体として、すなわちストップ部品として形成することもできる。

発電機運転中、選択ステータバー２０’の端部２０Ａに対するセンサハウジング５２の取り付け部を経て、ステータバー２０’の振動（振動性変動）がセンサハウジング５２の対応する振動性変動を引き起こす。センサハウジング５２の振動性変動は、センサハウジング５２の下側部品５２Ａにコアサポート７０が連結されているので、質量スプリングサポート構造体１０７へ伝達される。メンブレンディスク９６の外周縁部分が質量スプリングサポート構造体１０７へ固着しているので、ハウジング５２の振動性変動は、メンブレンディスク９６の外周縁部分へ伝達される。メンブレンディスク９６の中央部分においては、質量体８２，８４の慣性がメンブレンディスク９６の中央部分の変動に事実上抵抗し、固定であるメンブレンディスク９６の外周縁部分に伝達された振動性変動に応じてメンブレンディスク９６を撓ませる。したがって、メンブレンディスク９６は、選択ステータバー２０’の駆動周波数に応じた周波数で振動し得る。

ＦＯＣ５８の第３部分５８Ｃがポインター部材８０、すなわち第２位置Ｌ₂、を通じてメンブレンディスク９６の中央部分と連結され、そして、ＦＯＣ５８の第１部分５８Ａがアンカー部材６６、すなわち第１位置Ｌ₁、を通じてサポート７０と連結されているので、質量スプリングサポート構造体１０７によりメンブレンディスク９６へ伝達される振動による、メンブレンディスク９６の中央部分の変位は、ＦＯＣ５８の第２部分５８Ｂの対応する伸張及び短縮を、選択ステータバー２０’における振動の周波数に対応する周波数で、引き起こす。なお、好ましくは、ＦＯＣ５８は、予め緊張させた状態でアンカー部材６６及びポインター部材８０に取り付ける。この場合、メンブレンディスク９６に伝達される振動性変動は、ＦＯＣ５８のさらなる伸張と短縮をもたらす。このＦＯＣ５８の伸張及び短縮は非常に小さく、すなわち、マイクロメーターのオーダーである。巨視的（肉眼的）スケールでみると、メンブレンディスク９６の変動及び対応するＦＯＣ５８の変動はほとんど感知できないが、その結果生じるＦＢＧ５４の伸張及び短縮は、ＦＢＧ５４により反射される波長λに検知可能な変化を引き起こす。反射波長λの変化は、ハウジング５２の振動性変動により生じるメンブレンディスク９６の変位に直接関係する、ＦＯＣ５８の伸張及び短縮の大きさの直接測定値である。この方法により、メンブレンディスク９６の撓み変動を、選択ステータバー２０’の端部２０Ａの振動に関連した変位を判断するために、測定して使用し得る。

ＦＢＧ５４で生成された反射波長λの形式でのデータは、ＦＯＣ５８を通り、カプラ６０を経てプロセッサ６２へ伝送される。プロセッサ６２は、データすなわち波長λの変化を時間軸で処理し、データに関わる加速度を判断する。さらに、プロセッサ６２は、時間に伴う波長変化に基づいて変化の周波数を判断する。とりわけ、選択ステータバー２０’上のセンサ５０の変位及び加速度の一方又は両方に対応したデータの受信に加え、プロセッサ６２は、データを処理して、注目すべき周波数を、その周波数での変位及び加速度の一方又は両方の大きさを含めて、識別する。このような注目すべき周波数の一つが、メンブレンディスク９６及び質量体８２，８４により形成される質量スプリングシステム１１０の固有周波数に相当する。

既存の加速度計センサの設計の場合、質量スプリングシステムは、その固有周波数が、センサにより監視すべきシステムにおける振動周波数と実質的に異なっているように設計することが望まれる。殊に、既存のセンサ設計においては、センサの固有周波数が測定対象のシステムの周波数よりも実質的に高くなるように設計することが、常識である。センサの固有周波数と監視すべきシステムで収集されるデータの周波数との間に実質的差異を設定することで、センサからの固有周波数入力に関連した歪みが収集データにおけるノイズとして干渉する可能性はまずない。

本発明の一つの側面によると、センサ５０の質量スプリングシステム１１０の固有周波数は、監視すべきシステムの駆動周波数に比較的近いものに設計される。特に、システムが高感度をもつように設計されると、センサ５０の質量スプリングシステム１１０の固有周波数を低める結果となる。例えば、監視周波数の大部分が典型的には約２５０Ｈｚ以下の調波（高調波）周波数を含む発電機の場合、センサ５０の設計は、約４００Ｈｚ以上、例えば約４１０Ｈｚの固有周波数を含み得る。しかし、振動センサ５０の設計は、その固有周波数を、他の監視すべき周波数をもつ他のシステムでの使用に合わせるように、改変することができる。例えば、第１及び第２質量体８２，８４の重さ及び高さディスク９４，９８の中央孔９４Ａ，９８Ａのサイズの一方又は両方を、振動センサ５０の固有周波数を事実上変更すべく変えることができる。さらに、センサ５０の感度は、メンブレンディスク９６の厚さ、直径、及び硬さの少なくともいずれかを変更することによりチューニングすることができる。

システムの振動を表す、すなわち、選択ステータバー２０’で生成される振動性変位に対応するデータを含む、振動センサ５０から出力されるセンサデータと、振動センサ５０の固有周波数を表すデータとは、ＦＯＣ５８によってカプラ６０を通りプロセッサ６２へ伝送される。このデータは、リアルタイムでプロセッサ６２により監視される。メンブレンディスク９６の変位の変化に対応するセンサデータは、振幅（変位）測定値を得るために使用され、センサ５０の固有周波数と共にセンサ５０の振動が得られる。

センサデータを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）で処理した後の、正常運転状況における振動センサ５０の周波数の典型的出力スペクトルを示したグラフを、図５に示す。メンブレンディスク９６で測定される、選択ステータバー２０’の振動は、符号Ｆ_Vでグラフ中に示されている。Ｆ_V1及びＦ_V2は、振動Ｆ_Vの調波である。振動センサ５０の固有周波数は、符号Ｆ_Nでグラフ中に示されている。なお、振動センサ５０の固有周波数は、発電機内で起こる振動から独立している。すなわち、センサ５０の固有周波数Ｆ_Nの逸脱は、ほぼ、選択ステータバー２０’の測定振動Ｆ_Vの逸脱に影響しない又は逸脱を引き起こしたりしないし、その逆もまた同様である。上述のように、振動センサ５０により検知される振動の大部分は、振動センサの固有周波数より低い調波周波数を含む。すなわち、上述の具体例においては、振動センサ５０により検知される振動の大部分は２５０Ｈｚ以下の調波周波数を含む一方、例示した振動センサの固有周波数は約４１０Ｈｚである。

プロセッサ６２は、センサデータを監視し、発電機部品にダメージを与え得る振動を見張る。監視振動Ｆ_Vが予定の振幅範囲又は周波数範囲から外れていると判断される場合、少なくとも１つのシステム運転パラメータを変更して発電機に起こっている振動を変えることができる。例えば、発電機の負荷を減らしたり、発電機冷却用のガス又は水の温度を変えたりすることが可能である。

また、プロセッサ６２は、振動センサ５０の固有周波数Ｆ_Nを表すデータの変化、例えば、振動センサ５０におけるクラックなどの構造的ダメージを示す変化、を見張る。すなわち、本実施形態によれば、振動センサ５０の固有周波数包絡線のピークがおよそ４１０Ｈｚである。この値が、例えば少なくとも５Ｈｚ程度の予め決めた量だけ４１０Ｈｚから外れる場合、振動センサ５０は構造的ダメージをおっており、修理又は交換が必要である。したがって、振動センサ５０の固有周波数のピークが少なくとも５Ｈｚほど４１０Ｈｚから外れる、すなわち、図６に示すように低くなる、あるいは、図７に示すように高くなる場合、振動センサ５０の修理や交換のために注意が喚起される。この他の要因も、振動センサ５０の注意喚起に対する引き金として使用し得る。例えば、振動センサ５０の固有周波数の周波数包絡線が図８と図９にそれぞれ示すようになだらかになったり急峻になったりする場合である。なお、図６〜図９中に示す点線は、図５に示す正常な運転状況における振動センサ５０の周波数包絡線を表し、図６〜図９において振動センサ５０の周波数逸脱を説明するために提供されている。

振動センサ５０に注意が喚起されると、選択ステータバー２０’から取り外して点検し、例えば、修理や交換が行われる。そして、新しい振動センサ（あるいは修理した振動センサ５０）が選択ステータバー２０’に配設される。

振動センサ５０の状況は選択ステータバー２０’の振動と同時に監視されるので、振動センサ５０のいかなるダメージも、早い段階で検出することができ、振動センサ５０に対する物理的点検不要で実行することができる。さらに、振動センサ５０の固有周波数Ｆ_Nを表すデータは、選択ステータバー２０’の振動Ｆ_Vを表すデータと同時にＦＯＣ５８を通し本質的に伝送されるので、振動センサ５０の状況を監視するための専用機器が不要である。

図１０を参照すると、発電機２０１の運転状況を監視するシステム２００が示されている。このシステム２００は、上述の振動センサ５０などの振動センサを少なくとも１つ含むが、好ましくは、多数の振動センサ５０ａ〜ｆを備え、該振動センサ５０ａ〜ｆのそれぞれが、上述のような対応するステータバーへ取り付けられている。

システム２００の各振動センサ５０ａ〜ｆは、プロセッサ２０２、例えばプラントデータ取得システムと通信し、センサデータを送信する。そのセンサデータは、上述のように、対応する振動センサ５０ａ〜ｆに伝わる振動を表すデータと対応する振動センサ５０ａ〜ｆの固有周波数を表すデータとを含んでいる。さらに、システム２００の各振動センサ５０ａ〜ｆは、個々のセンサ５０ａ〜ｆに対応した固有の中心ブラッグ波長λ₀をもつ固有のＦＢＧ５４ａ〜ｆを有する。広帯域光源などの光照射源５６が、振動センサ５０ａ〜ｆまで延伸する多数のＦＯＣ５８ａ〜ｆに接続され、振動センサ５０ａ〜ｆへ光を放射する。広帯域光源は、センサ５０ａ〜ｆのＦＢＧ５４ａ〜ｆにより提供される反射波長に対応した範囲の光を供給する。プロセッサ２０２は、センサ５０ａ〜ｆのＦＢＧ５４ａ〜ｆからそれぞれ反射される固有の波長範囲に基づいて、センサ５０ａ〜ｆから受信されるデータの発信源を同定し得る。

プロセッサ２０２は、振動センサ５０ａ〜ｆのそれぞれに対応するセンサデータを取得する。その監視センサデータが、予定範囲から外れた振動の発生を示している場合、発電機２０１の１以上の運転状況が変更されてその中で生じている振動が変えられる。さらに、上述したように、監視センサデータが、振動センサ５０ａ〜ｆのいずれかの固有周波数が正常周波数から外れている、例えば、低くなっているか又は高くなっていることを示す場合、あるいは、周波数包絡線がなだらか又は急峻になっている場合、当該振動センサ５０の修理又は交換のための注意が喚起される。

図１１及び図１２を参照すると、本発明の他の実施形態に係る振動センサ用のメンブレンディスク３００，４００が示されている。図１１に示すメンブレンディスク３００は、概略円形であり、その外周縁の切り欠き又はその他の切除による丸め又は湾曲凹部３０２，３０４，３０６，３０８を有する。すなわち、凹部３０２，３０４，３０６，３０８は外周縁から半径方向内方へ延設されている。図１２に示すメンブレンディスク４００は、概略円形であり、その外周縁の切り欠き又はその他の切除による、より広範囲の双曲線状凹部４０２，４０４，４０６，４０８を有する。すなわち、凹部４０２，４０４，４０６，４０８は外周縁から半径方向内方へ延設されている。凹部３０２〜３０８及び凹部４０２〜４０８の切り欠きにより、メンブレンディスク３００，４００はより撓み易くなり、メンブレンディスク３００，４００の固有周波数が低くなる。また、当該メンブレンディスク３００，４００はそり易いので、各振動センサが取り付けられるステータバーの振動におけるより小さな振幅変化に応じてメンブレンディスク３００，４００が容易に撓み、センサがより高感度になる。加えて、図１２の実施形態の場合、メンブレンディスク４００から材料を切り欠いた凹部４０２〜４０８を画定する双曲線状が、決められた設計基準に準拠するメンブレンディスク４００のチューニングを可能にすると期待される。さらに、切り欠き凹部４０２〜４０８の双曲線状は、メンブレンディスク４００の構造的ストレスを大幅に低くし、ディスク４００にクラックが入る可能性を低くする。

ここに説明したセンサデータの監視は、振動センサ５０の使用に関連させて説明してきたが、本発明のシステム及び方法は、センサの固有周波数を表すデータを含んだ出力を提供するいずれのセンサでも実行し得る。さらに、発電機内状況が監視されるとしてここに説明しているが、他のタイプのシステムでも、ここに説明するシステム及び方法を使用して監視可能である。すなわち、ここに説明したシステム及び方法は、発電機内状況の監視に限定するように意図されてはいない。

本発明の特定の実施形態について図示し説明してきたが、当業者であれば、本発明の思想及び範囲を逸脱することなくその他様々な交換や変更をなし得ることは自明である。したがって、本発明の範囲内にあるそれら交換や変更の全ては特許請求の範囲に含まれるものと意図されている。

１０ステータ
１２ステータコア
１４ステータティース
１６スロット
１８ステータコイル
２０ステータバー
２０’ 選択ステータバー
２４保持機構
２６トップスロットフィルタ
２８トップリップルスプリング
３０くさび
５０，５０ａ〜５０ｆ振動センサ
５２ハウジング
５２Ａ下側部品
５２Ｂ上側部品
５４，５４ａ〜５４ｆファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）
５６光照射源（光源）
５８，５８ａ〜５８ｆ光ファイバ導体（ＦＯＣ）
５８Ａ第１部分
５８Ｂ第２部分
５８Ｃ第３部分
６０カプラ
６２プロセッサ
６４孔
６６アンカー部材
６６Ａボア
６６Ｂ螺合端部
６８アンカープレート構造体
６９脚
６９Ａ溝
７０コアサポート
７２ボルト
７４ボルト
８０ポインター部材
８０Ａボア
８０Ｂ第１端部
８０Ｃ第２端部
８２第１質量体
８２Ａ螺合孔
８４第２質量体
８４Ａ螺合孔
９０メンブレンスプリングアセンブリ
９２第１メンブレンストッパ
９２Ａ孔
９４第１高さディスク
９４Ａ中央孔
９６メンブレンディスク
９８第２高さディスク
９８Ａ中央孔
１００第２メンブレンストッパ
１００Ａ孔
１０２ボルト
１０４スペーサ部材
１０４Ａねじ穴
１０５ボルト
１０６第１ナット
１０７質量スプリングサポート構造体
１０８第２ナット
２００システム
２０１発電機
２０２プロセッサ
３００メンブレンディスク
３０２，３０４，３０６，３０８凹部
４００メンブレンディスク
４０２，４０４，４０６，４０８凹部
Ｌ₁ 第１位置
Ｌ₂ 第２位置

Claims

監視すべきシステム内部品に装着されるように構成されたハウジングと、
前記ハウジングに対し固定の第１位置と前記ハウジングに対し可動の第２位置とで前記ハウジング内に設置された光ファイバであって、前記第１位置と前記第２位置との間の該光ファイバの検知部分を、前記第１位置に対し前記第２位置で該光ファイバが変動する結果、伸張及び短縮させることが可能であり、該光ファイバの前記検知部分がファイバブラッググレーティングを含んでいる、光ファイバと、
前記ハウジング内に配置されたメンブレンスプリングアセンブリであって、前記ハウジングに対し固定の固定部分と前記ハウジングに対し可動の中央部分とを有するメンブレンディスクを備え、前記中央部分は、前記第２位置で前記ファイバに対し固定とされ、該中央部分の変動に応じて前記第２位置で前記光ファイバに変位が生じ、前記ファイバブラッググレーティングを含む前記光ファイバの前記検知部分が伸張及び短縮させられる、メンブレンスプリングアセンブリと、
を備え、
前記メンブレンスプリングアセンブリは、前記メンブレンディスクの互いに反対側に配置されて前記メンブレンディスクの最大変位撓みを制限する第１及び第２高さディスクをさらに備え、これら第１及び第２高さディスクは、それぞれが中央孔を有し、前記メンブレンディスクの外周縁部分と接触することで前記メンブレンディスクの前記中央部分の振動性変動を前記中央孔のサイズに従う減衰量で減衰させるように構成され、これにより前記光ファイバの前記検知部分の伸張量及び短縮量を制限し、
前記光ファイバの前記検知部分の伸張及び短縮が、前記ファイバブラッググレーティングにより反射される光波長を変化させ、
該ファイバブラッググレーティングにより反射される光波長が、前記メンブレンディスクの前記中央部分の変動を測定するべく使用可能である、
センサ。
前記メンブレンスプリングアセンブリは、前記メンブレンディスクの互いに反対側に配置されて前記メンブレンディスクの最大変位撓みを制限する第１及び第２メンブレンストッパをさらに備え、これら第１及び第２メンブレンストッパは、それぞれが中央孔を有し、前記メンブレンディスクの前記中央部分と接触することで該中央部分の振動性変動を前記中央孔のサイズに応じて制限するように構成され、これにより前記光ファイバの前記検知部分の伸張量及び短縮量を制限する、請求項１に記載のセンサ。
監視すべきシステム内部品に装着されるように構成されたハウジングと、
前記ハウジングに対し固定の第１位置と前記ハウジングに対し可動の第２位置とで前記ハウジング内に設置された光ファイバであって、前記第１位置と前記第２位置との間の該光ファイバの検知部分を、前記第１位置に対し前記第２位置で該光ファイバが変動する結果、伸張及び短縮させることが可能であり、該光ファイバの前記検知部分がファイバブラッググレーティングを含んでいる、光ファイバと、
前記ハウジング内に配置されたメンブレンスプリングアセンブリであって、前記ハウジングに対し固定の固定部分と前記ハウジングに対し可動の中央部分とを有するメンブレンディスクを備え、前記中央部分は、前記第２位置で前記ファイバに対し固定とされ、該中央部分の変動に応じて前記第２位置で前記光ファイバに変位が生じ、前記ファイバブラッググレーティングを含む前記光ファイバの前記検知部分が伸張及び短縮させられる、メンブレンスプリングアセンブリと、
を備え、
前記メンブレンスプリングアセンブリは、前記メンブレンディスクの互いに反対側に配置されて前記メンブレンディスクの最大変位撓みを制限する第１及び第２メンブレンストッパをさらに備え、これら第１及び第２メンブレンストッパは、それぞれが中央孔を有し、前記メンブレンディスクの前記中央部分と接触することで該中央部分の振動性変動を前記中央孔のサイズに応じて制限するように構成され、これにより前記光ファイバの前記検知部分の伸張量及び短縮量を制限し、
前記光ファイバの前記検知部分の伸張及び短縮が、前記ファイバブラッググレーティングにより反射される光波長を変化させ、
該ファイバブラッググレーティングにより反射される光波長が、前記メンブレンディスクの前記中央部分の変動を測定するべく使用可能である、
センサ。
前記光ファイバは、予め緊張させた状態にして、前記第１位置と前記第２位置とで前記ハウジング内に設置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ。
前記第２位置で前記光ファイバと固着すると共に前記メンブレンディスクの前記中央部分に連結されて、前記光ファイバを前記メンブレンディスクへ連結する、ポインター部材をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ。
前記メンブレンディスクが質量スプリングシステムの一部をなし、
該質量スプリングシステムは、前記メンブレンディスクの互いに反対側に配置された第１及び第２質量体を備え、
これら質量体の慣性が前記メンブレンディスクの前記中央部分の変動に抵抗し、前記メンブレンディスクの前記固定部分の変動に応じて当該メンブレンディスクを撓ませる、
請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサ。
前記ハウジングに連結されたコアサポートをさらに備え、
該コアサポートは、前記メンブレンディスクの前記固定部分及び前記第１位置の前記光ファイバに対する構造的支持を提供する、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のセンサ。
前記コアサポートと前記メンブレンスプリングアセンブリとの間に配置されたスペーサ部材をさらに備え、
該スペーサ部材は、前記コアサポートと前記メンブレンスプリングアセンブリとの好適な間隔を維持する、
請求項７に記載のセンサ。
前記メンブレンディスクは、外周縁から半径方向内方へ延設された凹部を有する円形状である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のセンサ。
監視すべきシステム内部品に装着されるように構成されたハウジングと、
該ハウジング内に配置されたメンブレンスプリングアセンブリであって、前記ハウジングに対し固定の固定部分と前記ハウジングに対し可動の可動部分とを有するメンブレンディスクと、該メンブレンディスクの互いに反対側に配置されて前記メンブレンディスクの前記可動部分の最大変位撓みを制限する第１及び第２高さディスクと、を有する、メンブレンスプリングアセンブリと、
前記ハウジング内に配置された光ファイバであって、前記ハウジングに対し固定の第１部分と、ファイバブラッググレーティングを含んだ第２部分と、前記メンブレンディスクの前記可動部分に対し固定の第３部分と、を有し、該光ファイバの前記第２部分は、前記第１部分と前記第３部分との間に設けられており、このファイバブラッググレーティングを含んだ第２部分は、前記ハウジングに対し前記メンブレンディスクの前記可動部分が変動する結果、伸張及び短縮させられる、光ファイバと、
を含むセンサを備え、
前記メンブレンディスクの前記固定部分が外周縁部分で且つ前記可動部分が中央部分であり、
前記第１及び第２高さディスクは、それぞれ中央孔を画定したリング状部材からなり、前記メンブレンディスクの前記固定部分と接触して該メンブレンディスクの前記可動部分の振動性変動を前記中央孔のサイズに従う減衰量で減衰させるように構成され、これにより前記ファイバブラッググレーティングを含む前記光ファイバの前記第２部分の伸張量及び短縮量を制限し、
前記光ファイバの前記第２部分の伸張及び短縮が、前記ファイバブラッググレーティングにより反射される光波長を変化させ、
該ファイバブラッググレーティングにより反射される光波長が、前記メンブレンディスクの前記可動部分の変動を測定するべく使用可能である、
センサシステム。
前記光ファイバ端へ光を供給する光源と、
前記ファイバブラッググレーティングにより反射される前記光を分析するアナライザと、
をさらに備えた、請求項１０に記載のセンサシステム。
前記センサを多数備え、
各前記センサは、前記光源からの光を受け入れると共に、その前記光ファイバの前記第２部分に固有の前記ファイバブラッググレーティングを有し、
前記アナライザは、当該センサシステム中にある各前記センサの前記ファイバブラッググレーティングにより反射される光を分析する、
請求項１１に記載のセンサシステム。
監視すべきシステム内部品に装着されるように構成されたハウジングと、
該ハウジング内に配置されたメンブレンスプリングアセンブリであって、前記ハウジングに対し固定の固定部分と前記ハウジングに対し可動の可動部分とを有するメンブレンディスクと、該メンブレンディスクの互いに反対側に配置されて前記メンブレンディスクの前記可動部分の最大変位撓みを制限する第１及び第２メンブレンストッパと、を有する、メンブレンスプリングアセンブリと、
前記ハウジング内に配置された光ファイバであって、前記ハウジングに対し固定の第１部分と、ファイバブラッググレーティングを含んだ第２部分と、前記メンブレンディスクの前記可動部分に対し固定の第３部分と、を有し、該光ファイバの前記第２部分は、前記第１部分と前記第３部分との間に設けられており、このファイバブラッググレーティングを含んだ第２部分は、前記ハウジングに対して前記メンブレンディスクの前記可動部分が変動する結果、伸張及び短縮させられる、光ファイバと、
を含むセンサを備え、
前記メンブレンディスクの前記固定部分が外周縁部分で且つ前記可動部分が中央部分であり、
前記第１及び第２メンブレンストッパは、それぞれ中央孔を画定したリング状部材からなり、前記メンブレンディスクの前記可動部分と接触することで該可動部分の最大変位撓みを前記中央孔のサイズに応じて制限するように構成され、
前記光ファイバの前記第２部分の伸張及び短縮が、前記ファイバブラッググレーティングにより反射される光波長を変化させ、
該ファイバブラッググレーティングにより反射される光波長が、前記メンブレンディスクの前記可動部分の変動を測定するべく使用可能である、
センサシステム。
前記メンブレンスプリングアセンブリは、前記メンブレンディスクと前記各メンブレンストッパとの間に配置されて前記メンブレンディスクの前記可動部分の最大変位撓みを制限する第１及び第２高さディスクをさらに有し、
これら第１及び第２高さディスクも、それぞれ中央孔を画定したリング状部材からなり、
前記メンブレンディスクの前記可動部分の最大変位撓みが、前記各メンブレンストッパの前記中央孔のサイズ、前記各高さディスクの前記中央孔のサイズ、及び前記各高さディスクの厚み、の少なくともいずれか１つにより調節可能である、
請求項１３に記載のセンサシステム。