JP7102651B2 - 振動信号変換器 - Google Patents

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本発明は、回転機の振動を解析する技術に関する。
モータやタービンなど軸を中心として回転する機械である回転機では、異常発生の兆候として周期的な振動の強弱が生じることが多い。このため、設備診断として振動を解析することが従来から行なわれている。
例えば、特許文献１に記載された設備診断では、回転機等の測定対象物に振動センサを取り付け、振動加速度に応じた振動信号を取得する。そして、振動信号をＦＦＴ演算して振動スペクトルに変換し、振動の周期性を評価するためにスペクトルピーク率を算出する。ここで、スペクトルピーク率は、ピークスペクトルのレベルとノイズスペクトルのレベルとの比であり、振動波形に含まれる周期成分の割合を表す指標である。
特開２００１－１５９５６２
回転機を対象とした設備診断では、振動波形に含まれる周期成分の割合が重要であるが、振動波形に含まれる周期成分の周波数自体も重要な情報である。特に、回転機では、異常が発生すると、回転周期に同期した特定周波数の振動が観察されることが多いため、振動波形に含まれる周期成分の周波数は異常の原因推定等に有用である。
しかしながら、振動波形に含まれる周期成分の周波数を把握するためには、特許文献１に記載されているように、振動信号にＦＦＴ演算を施して、振動スペクトルに変換する処理を行なうことから、演算負荷が増大し、応答時間の遅延等が生じる。
そこで、本発明は、回転機を対象とした設備診断において、振動信号に基づいて振動の周波数を簡易に取得することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一態様である振動信号変換器は、測定対象回転機の振動加速度を示す振動信号を入力する入力部と、前記振動信号を積分する積分器と、前記振動信号の実効値と前記積分器の出力信号の実効値との比に基づいて、前記測定対象回転機の振動周波数を算出する演算部を備える。
ここで、前記演算部は、ＡＤ変換器を介して前記入力部および前記積分器と接続し、前記演算部は、前記ＡＤ変換器により算出する振動加速度の実効値と前記積分器と前記ＡＤ変換器により算出する振動加速度の実効値との比に、１／（２π＊それぞれの経路における増幅率の比）を乗じることで前記測定対象回転機の振動周波数を算出することができる。
本発明によれば、回転機を対象とした設備診断において、振動信号に基づいて振動の周波数を簡易に取得することができる。
本実施形態の振動信号変換器１００の構成を示すブロック図である。 振動信号変換器１００の変形例の構成を示すブロック図である。
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の振動信号変換器１００の構成を示すブロック図である。本図に示すように振動信号変換器１００は、振動センサ２００から振動信号を入力し、振動周波数を算出する。算出した振動周波数は、例えば、無線伝送器４１０を介して無線伝送することができ、無線受信を行なう送受信器４２０側で設備診断等に用いられる。
振動センサ２００は、回転機３００に取り付けられ、回転機３００の振動加速度を検出する。回転機３００は、モータやタービンなど軸を中心として回転する機械である。このため、振動センサ２００は、回転機３００に固定する固定機構２１０、振動の加速度を電気信号に変換する振動検出部２２０、アナログ信号変換器２３０を備えている。
固定機構２１０は、ねじ付きの台座等とすることができる。振動検出部２２０は、回転機３００の振動加速度を電気信号に変換する。振動検出部２２０は、例えば、圧電素子、歪ゲージ等を用いることができる。アナログ信号変換器２３０は、例えば、アナログ信号増幅器を用いることができる。アナログ信号変換器２３０は、振動検出部２２０の出力を振動信号としてケーブル２６０を介して出力する。
無線伝送器４１０は、所定の通信規格を用いて送受信器４２０との間で無線通信を行なう。所定の通信規格は、例えば、ＩＳＡ１００．１１ａとすることができる。
振動信号変換器１００は、入力部１１０、第１ＡＤ変換器１２０、積分器１３０、第２ＡＤ変換器１４０、演算部１５０、電池１６０を備えている。
入力部１１０は、振動センサ２００からケーブル２６０を介して振動信号を入力する。入力部１１０は、例えば、信号増幅器と周波数フィルタとを備えて構成することができる。
第１ＡＤ変換器１２０は、入力部１１０が出力した振動信号をディジタル値に変換する。
積分器１３０は、入力部１１０が出力した振動信号を積分して出力する。第２ＡＤ変換器１４０は、積分器１３０の出力信号をディジタル値に変換する。
演算部１５０は、第１ＡＤ変換器１２０の出力と第２ＡＤ変換器１４０の出力に基づいて、回転機３００の振動周波数を算出する。演算部１５０は、マイクロコンピュータ等を用いて構成することができる。
電池１６０は、振動信号変換器１００、振動センサ２００、無線伝送器４１０に動作電源を供給する。
ここで、本実施形態における演算部１５０の振動周波数の算出方法について説明する。
回転機３００では、異常発生の兆候として周期的な振動の強弱が生じることが多い。一般に、この振動の強弱は、種々の周波数が重ね合わさったものではなく、異常に応じた特定周波数ｆの振動として現われる。この振動の変位を、ｘ（ｔ）＝Ａｍｓｉｎωｔとする。
振動センサ２００では、振動加速度が検出されるため、振動の変位を２回微分した信号（次式参照）に比例した値が得られる。すなわち、ｄ２ｘ（ｔ）／ｄｔ２＝－Ａｍω２ｓｉｎωｔに比例した振動信号として計測され、振動信号変換器１００の入力部１１０に入力される。
積分器１３０では、入力部１１０の出力の積分が行なわれるため、振動の変位を１回微分した振動速度（次式参照）に比例した信号が得られる。すなわち、ｄｘ（ｔ）／ｄｔ＝Ａｍωｃｏｓωｔに比例した信号が出力される。
このように、振動加速度の実効値は∝Ａｅω２、振動速度の実効値は∝Ａｅωとなる（ただし、Ａｅ＝Ａｍ／√２）。ここで、ω＝２πｆであることから（πは円周率を表す）、第１ＡＤ変換器１２０の増幅率と積分器１３０および第２ＡＤ変換器１４０の経路の増幅率との比をＫとすると、
第１ＡＤ変換器１２０出力の実効値／第２ＡＤ変換器１４０出力の実効値＝Ｋω
が成り立つ。
具体的には、Ｋは、第１ＡＤ変換器１２０の入力から演算部１５０の入力までの経路の増幅率と、積分器１３０の入力から演算部１５０の入力までの経路の増幅率との比である。
すなわち、振動周波数ｆ＝１×第１ＡＤ変換器１２０出力の実効値／（２πＫ×第２ＡＤ変換器１４０出力の実効値）となる。
このため、演算部１５０は、第１ＡＤ変換器１２０の出力信号の実効値を第２ＡＤ変換器１４０の出力信号の実効値で割った値に１／（２πＫ）を乗じることで回転機３００の振動周波数ｆを簡易に算出することができる。
Ｋは、あらかじめ機器ごとに第１ＡＤ変換器１２０の増幅率と、積分器１３０および第２ＡＤ変換器１４０の経路の増幅率との比を求めて、演算部１５０内等に記録しておくようにする。
振動周波数ｆは、ＩＳＡ１００．１１ａ等のフィールド無線のように１度に送信できるデータ数に制約がある通信規格であっても容易にリアルタイムに伝送することができる。このとき、振動周波数に加え、振幅の情報を併せて送信することが設備診断を行なう上で好ましい。
図２は、振動信号変換器１００の変形例を示すブロック図である。変形例の振動信号変換器１００ａでは、第１ＡＤ変換器１２０を入力部１１０の出力信号と、積分器１３０の出力信号とで共用している。そして、信号切替部１７０を用いて第１ＡＤ変換器１２０に入力する信号を切り換えるようにしている。変形例では、第１ＡＤ変換器１２０が共通するため、積分器１３０の増幅率をＫとすればよい。
第１ＡＤ変換器１２０に入力する信号の切替制御は、演算部１５０における振動加速度の実効値の取得タイミングおよび振動速度の実効値の取得タイミングに応じて演算部１５０が信号切替部１７０に対して任意に行なうことができる。
１００…振動信号変換器
１１０…入力部
１２０…第１ＡＤ変換器
１３０…積分器
１４０…第２ＡＤ変換器
１５０…演算部
１６０…電池
１７０…信号切替部
２００…振動センサ

Claims (2)

  1. 測定対象回転機の振動加速度を示す振動信号を入力し、所定の処理を行なって出力する入力部と、
    前記入力部の出力信号を積分する積分器と、
    前記入力部の出力信号をディジタル値に変換する第１ＡＤ変換器と、
    前記積分器の出力信号をディジタル値に変換する第２ＡＤ変換器と、
    前記第１ＡＤ変換器の出力信号の実効値を前記第２ＡＤ変換器の出力信号の実効値で割った値に１／（２π×［前記第１ＡＤ変換器の増幅率と、前記積分器および前記第２ＡＤ変換器の経路の増幅率との比］）を乗じることで前記測定対象回転機の振動周波数を算出する演算部と、
    を備えたことを特徴とする振動信号変換器。
  2. 測定対象回転機の振動加速度を示す振動信号を入力し、所定の処理を行なって出力する入力部と、
    前記入力部の出力信号を積分する積分器と、
    前記入力部の出力信号と前記積分器の出力信号とを切換えて出力する信号切替部と、
    前記信号切替部の出力信号をディジタル値に変換するＡＤ変換器と、
    前記ＡＤ変換器が出力する前記入力部の出力信号の実効値を前記ＡＤ変換器が出力する前記積分器の出力信号の実効値で割った値に１／（２π×［前記積分器の増幅率］）を乗じることで前記測定対象回転機の振動周波数を算出する演算部と、
    を備えたことを特徴とする振動信号変換器。
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