JP7482741B2 - 温度計測装置、機械システム、温度計測方法およびプログラム - Google Patents
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Description
本開示は、温度計測装置、機械システム、温度計測方法およびプログラムに関する。
特許文献１には、媒体内に超音波を伝播することにより該媒体内の温度分布を測定できる超音波を用いた温度測定方法が開示されている。
一般的な回転機械設備の軸受では、高周速・高面圧化により運転条件が過酷化する中、軸受内部側の表面に耐荷重性・耐摩耗性の高い複合材を積層してなる多層構造軸受の適用が進んでいる。
一般的に、軸受の温度は、軸受内部側の表面（複合材の表面）から数ミリメートル程度深い位置にある母材（バックメタル）内に設置した熱電対や測温抵抗体で計測・監視される。しかし、多層構造軸受の場合、軸受内部側の表面にある複合材の熱伝導率が低いため、上記手法では、異常の発生に伴い軸受内部側の表面に温度変化が生じた場合であっても、当該温度変化に対する感度が低くなってしまう。つまり、上記手法では多層構造を有する軸受の表面温度をタイムリーに監視することができない。
本開示の目的は、多層構造を有する構造体の内部側の表面温度をタイムリーに監視可能な温度計測装置、機械システム、温度計測方法およびプログラムを提供することにある。
本開示の一態様によれば、温度計測装置は、多層構造を有する構造体の背面側に取り付けられた超音波センサと、前記超音波センサを通じて、前記構造体の内部側へ入射された超音波の反射波信号を取得する取得部と、前記反射波信号のうち、前記構造体の内部側表面にて反射した反射波を含む領域を抽出する抽出部と、前記抽出された領域における反射波信号に基づいて前記構造体の内部側表面の温度を特定する特定部と、を備える。
本開示の一態様によれば、温度計測方法は、多層構造を有する構造体の背面側に取り付けられた超音波センサを用いる温度計測方法であって、前記超音波センサを通じて、前記構造体の内部側へ入射された超音波の反射波信号を取得するステップと、前記反射波信号のうち、前記構造体の内部側表面にて反射した反射波を含む領域を抽出するステップと、前記抽出された領域における反射波信号に基づいて前記構造体の内部側表面の温度を特定するステップと、を有する。
本開示の一態様によれば、プログラムは、多層構造を有する構造体の背面側に取り付けられた超音波センサを備える温度計測装置のコンピュータに、前記超音波センサを通じて、前記構造体の内部側へ入射された超音波の反射波信号を取得するステップと、前記反射波信号のうち、前記構造体の内部側表面にて反射した反射波を含む領域を抽出するステップと、前記抽出された領域における反射波信号に基づいて前記構造体の内部側表面の温度を特定するステップと、を実行させる。
上述の各態様によれば、多層構造を有する軸受の表面温度をタイムリーに監視できる。
＜第１の実施形態＞
以下、第１の実施形態に係る温度計測装置、およびこれを有する機械システムについて、図１～図６を参照しながら説明する。
以下、第１の実施形態に係る温度計測装置、およびこれを有する機械システムについて、図１～図６を参照しながら説明する。
（画像追跡装置の構成）
図１は、第１の実施形態に係る機械システムの全体構成を示す図である。
図１に示すように、機械システム９は、温度計測装置１と、回転機械２とを有してなる。
回転機械２は、例えばタービンなどである。図１は、回転機械２の軸受Ｂ、ロータＲ及び油層Ｏを回転軸線方向に見た様子を図示している。図１に示すように、回転機械２の構造体である軸受Ｂは、背面側に位置するバックメタルＢＭ、および、内部側に位置する複合材Ｃの多層構造とされている。複合材Ｃは、軸受Ｂにおける耐荷重性・耐摩耗性の向上を目的として設けられているものであり、例えばＰＥＥＫ材などである。複合材Ｃの厚さは例えば３ｍｍ程度とされる。
図１は、第１の実施形態に係る機械システムの全体構成を示す図である。
図１に示すように、機械システム９は、温度計測装置１と、回転機械２とを有してなる。
回転機械２は、例えばタービンなどである。図１は、回転機械２の軸受Ｂ、ロータＲ及び油層Ｏを回転軸線方向に見た様子を図示している。図１に示すように、回転機械２の構造体である軸受Ｂは、背面側に位置するバックメタルＢＭ、および、内部側に位置する複合材Ｃの多層構造とされている。複合材Ｃは、軸受Ｂにおける耐荷重性・耐摩耗性の向上を目的として設けられているものであり、例えばＰＥＥＫ材などである。複合材Ｃの厚さは例えば３ｍｍ程度とされる。
温度計測装置１は、回転機械２の運転中における軸受内部側の表面の温度を常時監視する。温度計測装置１は、後述する構成に基づき、回転機械２の軸受内部側の表面（以下、「内部側表面Ｈ」とも表記する。）の温度をタイムリーに監視可能とされる。これにより、機械システム９は、回転機械２における早期の異常検知および緊急停止を実現する。
図１に示すように、温度計測装置１は、コンピュータ１Ａと、超音波センサＳ１と、基準温度センサ（後述）として機能する熱電対Ｓ２とを備えている。超音波センサＳ１及び熱電対Ｓ２は、軸受Ｂの背面側表面に設置される。
超音波センサＳ１は、一定周期で、軸受Ｂの内部側へ超音波を入射し、その反射波を観測する。以下の説明において、超音波センサＳ１から出力される超音波を入射波Ｗ０とも表記する。また、バックメタルＢＭと複合材Ｃとの界面で生じた反射波を第１反射波Ｗ１とも表記する。また、複合材Ｃと油層Ｏとの界面（つまり、軸受Ｂの内部側表面）で生じた反射波を第２反射波Ｗ２とも表記する。
（超音波センサの設置）
図２は、第１の実施形態に係る超音波センサの設置方法を示す図である。
図２に示すように、本実施形態においては、超音波センサＳ２は、接着剤及びモールド剤により、軸受Ｂの背面側表面に固定設置される。
図２は、第１の実施形態に係る超音波センサの設置方法を示す図である。
図２に示すように、本実施形態においては、超音波センサＳ２は、接着剤及びモールド剤により、軸受Ｂの背面側表面に固定設置される。
（温度計測装置の機能構成）
図３は、第１の実施形態に係る温度計測装置の機能構成を示す図である。
図３に示すように、温度計測装置１のコンピュータ１Ａは、ＣＰＵ１０と、メモリ１１と、出力デバイス１２と、入力デバイス１３と、接続インタフェース１４ａ、１４ｂと、ストレージ１５とを有している。
図３は、第１の実施形態に係る温度計測装置の機能構成を示す図である。
図３に示すように、温度計測装置１のコンピュータ１Ａは、ＣＰＵ１０と、メモリ１１と、出力デバイス１２と、入力デバイス１３と、接続インタフェース１４ａ、１４ｂと、ストレージ１５とを有している。
ＣＰＵ１０は、温度計測装置１の処理全体を司るプロセッサであって、予め用意されたプログラムに従って動作することで種々の機能を有する。ＣＰＵ１０の具体的な処理については後述する。
メモリ１１は、いわゆる主記憶装置であって、ＣＰＵ１０の動作に必要な命令やデータが展開される。
出力デバイス１２は、ディスプレイモニタ（液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ）やスピーカ等の出力装置である。
入力デバイス１３は、マウス、キーボードやタッチセンサ等の入力装置である。
接続インタフェース１４ａ、１４ｂは、それぞれ、回転機械２の軸受Ｂに取り付けられた超音波センサＳ１、熱電対Ｓ２との接続インタフェースである。なお、接続インタフェース１４ａは、超音波センサＳ１に対し、超音波入射のためのパルス制御部、および、反射波取り込みのためのＡ／Ｄ変換部を有する。
ストレージ１５は、いわゆる補助記憶装置であって、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等であってよい。本実施形態において、ストレージ１５には、予め用意されている界面温度テーブルＴ（後述）が記憶されている。
次に、ＣＰＵ１０の機能について説明する。
図３に示すように、ＣＰＵ１０は、取得部１００、抽出部１０１、特定部１０２、接触判定部１０３としての機能を有する。
図３に示すように、ＣＰＵ１０は、取得部１００、抽出部１０１、特定部１０２、接触判定部１０３としての機能を有する。
取得部１００は、超音波センサＳ１を通じて、軸受Ｂの内部側へ入射された超音波（入射波Ｗ０）の反射波信号を取得する。ここで反射波信号とは、入射波Ｗ０の反射波（第１反射波Ｗ１および第２反射波Ｗ２）の信号強度の時系列情報である。
抽出部１０１は、取得部１００が取得した反射波信号のうち、軸受Ｂの内部側表面Ｈにて反射した反射波（つまり第２反射波Ｗ２）を含む時間領域を抽出する。
特定部１０２は、抽出部１０１によって抽出された時間領域における反射波信号（第２反射波Ｗ２の強度を示す信号）に基づいて軸受Ｂの内部側表面Ｈの温度（以下、「内部側表面温度」とも表記する。）を特定する。
接触判定部１０３は、超音波センサＳ１を通じて、予め定められた周波数帯であって超音波センサＳ１自らが出力する入射波Ｗ０とは異なる周波数帯に属する超音波信号を取得する。そして、接触判定部１０３は、当該超音波信号に基づいて、ロータＲと軸受Ｂとの接触判定を行う。
（界面温度テーブル）
図４は、第１の実施形態に係る界面温度テーブルの例を示す図である。
図４に示すように、界面温度テーブルＴは、第２反射波Ｗ２の「振幅」と熱電対Ｓ２から取得される「基準温度」との組み合わせから、軸受Ｂの内部側表面温度を一意に特定可能とする情報テーブルである。このような界面温度テーブルＴは、別途実施されたシミュレーション結果などに基づいて事前に用意される。
図４は、第１の実施形態に係る界面温度テーブルの例を示す図である。
図４に示すように、界面温度テーブルＴは、第２反射波Ｗ２の「振幅」と熱電対Ｓ２から取得される「基準温度」との組み合わせから、軸受Ｂの内部側表面温度を一意に特定可能とする情報テーブルである。このような界面温度テーブルＴは、別途実施されたシミュレーション結果などに基づいて事前に用意される。
一般に、ある界面における超音波の反射率は、その界面温度が高くなるほど大きくなることが知られている。つまり、第２反射波Ｗ２の振幅は、界面温度（軸受Ｂの内部側表面温度）が高くなるほど大きくなる。よって、温度計測装置１は、第２反射波Ｗ２の振幅を参照すれば、軸受Ｂの内部側表面温度を一意に特定できるようにも思える。しかしながら、反射波の強度は、界面温度のみならず、その超音波が伝搬する材料の温度にも大きく依存する。即ち、入射波Ｗ０及び第２反射波Ｗ２は、バックメタルＢＭ内で徐々に減衰しながら伝搬しているところ、この減衰の度合いは、バックメタルＢＭの温度に依存して増減する。
例えば、ある時刻ｔに軸受Ｂ及びロータＲに接触異常が発生して軸受Ｂの内部側表面温度が上昇したとする。異常が発生した瞬間（時刻ｔ）は、バックメタルＢＭの内部は標準温度（通常運転時の温度）となっているが、時間の経過とともに、異常発生箇所から徐々にバックメタルＢＭ背面側の方向に向けて高温領域が広がっていく。そうすると、入射波Ｗ０及び第２反射波Ｗ２は、時間の経過に伴いバックメタルＢＭ内の高温領域を伝搬する割合が高くなるため、伝搬中に減衰する度合いが大きくなる。これにより、実際に超音波センサＳ１で観測される第２反射波Ｗ２の振幅は、異常発生から時間が経過するにつれて、徐々に、内部側表面温度に理想的に対応する振幅よりも小さくなってしまう。
そこで、本実施形態に係る温度計測装置１は、バックメタルＢＭ内の温度上昇における減衰の度合いを考慮するため、熱電対Ｓ２にて計測される基準温度に基づいて内部側表面温度の観測値を補正することとしている。
例えば、ある時刻ｔに軸受Ｂ及びロータＲに接触異常が発生して軸受Ｂの内部側表面温度が上昇したとする。異常が発生した瞬間（時刻ｔ）は、バックメタルＢＭの内部は標準温度（通常運転時の温度）となっているが、時間の経過とともに、異常発生箇所から徐々にバックメタルＢＭ背面側の方向に向けて高温領域が広がっていく。そうすると、入射波Ｗ０及び第２反射波Ｗ２は、時間の経過に伴いバックメタルＢＭ内の高温領域を伝搬する割合が高くなるため、伝搬中に減衰する度合いが大きくなる。これにより、実際に超音波センサＳ１で観測される第２反射波Ｗ２の振幅は、異常発生から時間が経過するにつれて、徐々に、内部側表面温度に理想的に対応する振幅よりも小さくなってしまう。
そこで、本実施形態に係る温度計測装置１は、バックメタルＢＭ内の温度上昇における減衰の度合いを考慮するため、熱電対Ｓ２にて計測される基準温度に基づいて内部側表面温度の観測値を補正することとしている。
このように、温度計測装置１は、超音波センサＳ１と同じく軸受Ｂの背面側に取り付けられた熱電対Ｓ２（基準温度センサ）を更に備えている。そして、特定部１０２は、熱電対Ｓ２による軸受Ｂの背面側表面の温度（基準温度）を取得するとともに、反射波信号および背面側表面の温度の両方に基づいて軸受Ｂの内部側表面温度を特定する。なお、基準温度は熱電対Ｓ２による計測ではなく、例えば、超音波の伝搬時間から温度分布を計測するなどの、その他の手法により計測しても構わない。
（温度計測装置の処理フロー）
図５は、第１の実施形態に係る温度計測装置の処理フローを示す図である。
また、図６は、第１の実施形態に係る温度計測装置の処理の説明図である。
以下、図５、図６を参照しながら温度計測装置１の処理の流れについて詳しく説明する。なお、図５に示す処理フローは、回転機械２の運転中において、一定周期で繰り返し実施される。
図５は、第１の実施形態に係る温度計測装置の処理フローを示す図である。
また、図６は、第１の実施形態に係る温度計測装置の処理の説明図である。
以下、図５、図６を参照しながら温度計測装置１の処理の流れについて詳しく説明する。なお、図５に示す処理フローは、回転機械２の運転中において、一定周期で繰り返し実施される。
まず、温度計測装置１の取得部１００は、超音波センサＳ１を通じて反射波信号を取得する（ステップＳ０１）。上述した通り、この反射波信号は、超音波センサＳ１自身が出力する入射波Ｗ０の反射波の強度の時系列情報である。入射波Ｗ０は、例えば数ＭＨｚオーダの周波数の超音波として出力される。
ここで図６は、取得部１００が取得する反射波信号の例を図示している。図６に示すように、超音波センサＳ１は、入射波Ｗ０の出力後、まずバックメタルＢＭと複合材Ｃとの界面で反射する第１反射波Ｗ１を観測し、次いで複合材Ｃと油層Ｏとの界面で反射する第２反射波Ｗ２を観測する。また、第１反射波Ｗ１の観測と第２反射波Ｗ２との観測に時間差があるのは、複合材Ｃの厚さ分の行路差によるものである。なお、入射波Ｗ０は、バックメタルＢＭと複合材Ｃとの界面、複合材Ｃと油層Ｏとの界面のみならず、油層ＯとロータＲとの界面でも生じる（これを第３反射波とも表記する）が、この第３反射波は、一般的に油層Ｏが数十μｍと非常に薄いため第２反射波Ｗ２との分離はできず、一体となった反射波Ｗ２として扱う。
図５に戻り、次に、温度計測装置１の抽出部１０１は、ステップＳ１で取得された反射波信号から、第２反射波の振幅を含む時間領域を抽出する（ステップＳ２）。ここで、図６に示すように、例えば、抽出部１０１は、第２反射波Ｗ２の振幅のみが時間領域である時刻ｔ１～ｔ２の領域を抽出する。時刻ｔ１～ｔ２の時間領域は、例えば過去の観測結果などから事前に定められる。
図５に戻り、次に、温度計測装置１の特定部１０２は、抽出部１０１によって抽出された反射波信号の振幅を計測し、さらに、熱電対Ｓ２を通じて基準温度を取得する。そして、特定部１０２は、界面温度テーブルＴ（図４）を参照し、第２反射波Ｗ２の振幅および基準温度に対応する界面温度（軸受Ｂの内部側表面温度）を特定し、出力する（ステップＳ３）。
次に、温度計測装置１の接触判定部１０３は、軸受ＢとロータＲとの接触判定を行う（ステップＳ４）。軸受ＢとロータＲとの接触があった場合、機械の構造的特徴から定まる周波数帯（例えば数百ｋＨｚ程度）の超音波が発生する。接触によって発生する周波数帯は、超音波センサＳ１が出力する超音波の周波数帯とは重複しない。したがって、接触判定部１０３は、数百ｋＨｚの周波数帯に属する超音波の有無を、超音波センサＳ１を通じて監視する。そして、接触判定部１０３ある判定閾値を上回る、数百ｋＨｚ帯の超音波を観測した場合には、軸受ＢとロータＲとが接触したものと判定し、その結果を出力する。
（作用効果）
以上、第１の実施形態に係る温度計測装置１は、多層構造を有する軸受Ｂの背面側に取り付けられた超音波センサＳ１と、超音波センサＳ１を通じて、軸受Ｂの内部側へ入射された超音波の反射波信号を取得する取得部１００と、取得部１００が取得した反射波信号のうち軸受Ｂの内部側表面Ｈにて反射した反射波（第２反射波Ｗ２）を含む領域を抽出する抽出部１０１と、抽出部１０１によって抽出された領域における反射波信号に基づいて軸受Ｂの内部側表面温度を特定する特定部１０２とを有する。
このようにすることで、多層構造を有する軸受Ｂの内部側表面温度を、超音波の反射波の振幅をもって精度よく推定することができる。したがって、第１の実施形態に係る温度計測装置１によれば、多層構造を有する軸受の内部側の表面温度をタイムリーに監視できる。
以上、第１の実施形態に係る温度計測装置１は、多層構造を有する軸受Ｂの背面側に取り付けられた超音波センサＳ１と、超音波センサＳ１を通じて、軸受Ｂの内部側へ入射された超音波の反射波信号を取得する取得部１００と、取得部１００が取得した反射波信号のうち軸受Ｂの内部側表面Ｈにて反射した反射波（第２反射波Ｗ２）を含む領域を抽出する抽出部１０１と、抽出部１０１によって抽出された領域における反射波信号に基づいて軸受Ｂの内部側表面温度を特定する特定部１０２とを有する。
このようにすることで、多層構造を有する軸受Ｂの内部側表面温度を、超音波の反射波の振幅をもって精度よく推定することができる。したがって、第１の実施形態に係る温度計測装置１によれば、多層構造を有する軸受の内部側の表面温度をタイムリーに監視できる。
また、第１の実施形態に係る温度計測装置１は、軸受Ｂの背面側に取り付けられた基準温度センサ（熱電対Ｓ２）を更に備える。そして、特定部１０２は、熱電対Ｓ２による軸受Ｂの背面側表面の温度（基準温度）を取得するとともに、反射波信号の強度（第２反射波Ｗ２の振幅）および背面側表面の温度の両方に基づいて軸受Ｂの内部側表面の温度を特定する。
このようにすることで、軸受Ｂ（バックメタルＢＭ）内部で生じる超音波の減衰の影響も加味した上で、内部側表面温度を特定することができる。
このようにすることで、軸受Ｂ（バックメタルＢＭ）内部で生じる超音波の減衰の影響も加味した上で、内部側表面温度を特定することができる。
また、第１の実施形態に係る温度計測装置１は、超音波センサＳ１を通じて、予め定められた周波数帯（数百ｋＨｚ帯）に属する超音波信号を取得し、当該超音波信号に基づいて、ロータＲと軸受Ｂとの接触判定を行う接触判定部１０３をさらに備える。
このようにすることで、温度による異常検知と接触判定による異常検知の両方を同時に行うことができるので、より安全性の高い機械システムを提供することができる。
このようにすることで、温度による異常検知と接触判定による異常検知の両方を同時に行うことができるので、より安全性の高い機械システムを提供することができる。
（第１の実施形態の変形例）
以下、第１の実施形態の変形例について説明する。
以下、第１の実施形態の変形例について説明する。
第１の実施形態では、特定部１０２は、界面温度テーブルＴを参照して、第２反射波の振幅と基準温度との組み合わせから内部側表面温度を特定するものとして説明したが、他の実施形態においてはこれに限定されない。
例えば、第１の実施形態の変形例に係る特定部１０２は、第２反射波の振幅と基準温度とを説明変数（Ｘ１，Ｘ２）とし、内部側表面温度を目的変数（Ｙ）とするモデル関数ｆを用いて、Ｙ＝ｆ（Ｘ１、Ｘ２）を計算し、内部側表面温度を特定するものとしてもよい。また、この場合において、モデル関数ｆのパラメータは、機械学習により学習されて同定されるものとしてもよい。
図７は、第１の実施形態の変形例に係る温度計測装置の処理の説明図である。
次に、第１の実施形態の他の変形例について図７を参照しながら説明する。
次に、第１の実施形態の他の変形例について図７を参照しながら説明する。
バックメタルＢＭの内部の温度変化に伴い、超音波の伝搬速度も変化することが知られている。そのため、バックメタルＢＭの温度変化とともに入射波Ｗ０の出力時間に対する第２反射波Ｗ２の到達時間も変化する。そこで、本変形例に係る抽出部１０１は、熱電対Ｓ２による基準温度に応じて、第２反射波Ｗ２を抽出する時間領域（時刻ｔ１～ｔ２）を変更してもよい。また、基準温度に対する時間領域の変更の度合いは機械学習によって同定されるパラメータの一つであってよい。
＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態の変形例に係る機械システムについて図８を参照しながら説明する。
以下、第２の実施形態の変形例に係る機械システムについて図８を参照しながら説明する。
図８は、第２の実施形態に係る超音波センサの設置方法を示す図である。
図８に示すように、第２の実施形態に係る回転機械２の軸受Ｂは、背面側表面から内側に向けて設けられた凹部Ｋを有している。そして、温度計測装置１の超音波センサＳ１は、凹部Ｋに取り付けられている。なお、図示を省略するが、熱電対Ｓ２も超音波センサＳ１と同様に凹部Ｋに取り付けられている。
図８に示すように、第２の実施形態に係る回転機械２の軸受Ｂは、背面側表面から内側に向けて設けられた凹部Ｋを有している。そして、温度計測装置１の超音波センサＳ１は、凹部Ｋに取り付けられている。なお、図示を省略するが、熱電対Ｓ２も超音波センサＳ１と同様に凹部Ｋに取り付けられている。
このようにすることで、入射波Ｗ０及び第２反射波Ｗ２がバックメタルＢＭを伝搬する距離が物理的に短くなる。そうすると、入射波Ｗ０及び第２反射波Ｗ２の、バックメタルＢＭ伝搬中における減衰の度合いが低減されるため、超音波センサＳ１で観測される第２反射波Ｗ２の信号強度を高めることができる。よって、内部側表面温度の変化に応じた第２反射波Ｗ２の振幅の変化を鮮明に捉えることができ、内部側表面温度の検出精度を高めることができる。
（第２の実施形態の変形例）
図９、図１０は、それぞれ、第２の実施形態の変形例に係る超音波センサの設置方法を示す図である。
第２の実施形態の変形例に係る機械システム９では、例えば、図９、図１０に示すように、取付治具Ｊを介して凹部Ｋの内部に取り付けられる態様であってもよい。
具体的には、凹部Ｋの内側表面にネジ溝が設けられ、取付治具Ｊ自身が固定ネジとして凹部Ｋに取り付けられる態様とされる。
これにより、超音波センサＳ１の交換作業の負荷を軽減することができる。
図９、図１０は、それぞれ、第２の実施形態の変形例に係る超音波センサの設置方法を示す図である。
第２の実施形態の変形例に係る機械システム９では、例えば、図９、図１０に示すように、取付治具Ｊを介して凹部Ｋの内部に取り付けられる態様であってもよい。
具体的には、凹部Ｋの内側表面にネジ溝が設けられ、取付治具Ｊ自身が固定ネジとして凹部Ｋに取り付けられる態様とされる。
これにより、超音波センサＳ１の交換作業の負荷を軽減することができる。
また、上述の各実施形態及び変形例においては、温度計測装置１は、熱電対Ｓ２（基準温度センサ）を有するものとして説明したが、他の実施形態においては熱電対Ｓ２を具備しなくともよい。即ち、他の実施形態に係る温度計測装置１は、超音波センサＳ１による第２反射波Ｗ２の信号強度（振幅）のみで軸受２の内部側表面温度を計測するものであってよい。この場合において、例えば、温度計測装置１は、発熱とともにバックメタルＢＭ内部に徐々に高温領域が広がり、第２反射波Ｗ２が時々刻々と減衰していく経時的な振る舞い、即ち、初期温度からの振幅変化を累積的に計測することにより、内部側表面温度を特定するものとしてもよい。
＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態に係る機械システムについて図１１を参照しながら説明する。
次に、第３の実施形態に係る機械システムについて図１１を参照しながら説明する。
（機械システムの構成）
図１１は、本開示の少なくとも一実施形態に係る機械システムの構成を示す図である。
本実施形態に係る機械システム９は、図１１に示すように、エンジンである内燃機関３を含むシステムである。温度計測装置１は、この内燃機関３の構造体であるシリンダライナＬ及び油層Ｏの多層構造を温度計測対象とする（本実施形態においては、シリンダライナＬ及び油層Ｏの組が「多層構造を有する構造体」に相当する。）。温度計測装置１は、シリンダライナＬ及び油層Ｏの内部側に配されるピストンＰのピストンリングＰＲの表面（内部側表面Ｈ）を計測対象とする。
図１１は、本開示の少なくとも一実施形態に係る機械システムの構成を示す図である。
本実施形態に係る機械システム９は、図１１に示すように、エンジンである内燃機関３を含むシステムである。温度計測装置１は、この内燃機関３の構造体であるシリンダライナＬ及び油層Ｏの多層構造を温度計測対象とする（本実施形態においては、シリンダライナＬ及び油層Ｏの組が「多層構造を有する構造体」に相当する。）。温度計測装置１は、シリンダライナＬ及び油層Ｏの内部側に配されるピストンＰのピストンリングＰＲの表面（内部側表面Ｈ）を計測対象とする。
回転機械システム９の超音波センサＳ１は、シリンダライナＬの背面側に設置される。超音波センサＳ１は、シリンダライナＬの内部側に向けて入射波Ｗ０を出力し、第１反射波Ｗ１、第２反射波Ｗ２をそれぞれ観測する。本実施形態においては、図１１に示すように、第１反射波Ｗ１は、シリンダライナＬと油層Ｏとの界面での反射波である。また、第２反射波Ｗ２は、油層ＯとピストンリングＰＲとの界面での反射波である。本実施形態に係る温度計測装置１は、第２反射波Ｗ２の振幅の観測結果に基づいて、ピストンリングＰＲの表面温度をタイムリーに計測可能とする。
上述の実施形態においては、温度計測装置１の各種処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって上記各種処理が行われる。また、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
上記プログラムは、上述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。更に、上述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
以上のとおり、本開示に係るいくつかの実施形態を説明したが、これら全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１ 温度計測装置
１Ａ コンピュータ
１０ ＣＰＵ
１００ 取得部
１０１ 抽出部
１０２ 特定部
１０３ 接触判定部
１１メモリ
１２ 出力デバイス
１３ 入力デバイス
１４ 接続インタフェース
１５ ストレージ
２ 回転機械（機械）
３ 内燃機関（機械）
９ 機械システム
Ｂ 軸受（構造体）
Ｌ シリンダライナ
Ｒ ロータ
ＢＭ バックメタル
Ｃ 複合材
Ｏ 油層
Ｓ１ 超音波センサ
Ｓ２ 熱電対（基準温度センサ）
Ｔ 界面温度テーブル
１Ａ コンピュータ
１０ ＣＰＵ
１００ 取得部
１０１ 抽出部
１０２ 特定部
１０３ 接触判定部
１１メモリ
１２ 出力デバイス
１３ 入力デバイス
１４ 接続インタフェース
１５ ストレージ
２ 回転機械（機械）
３ 内燃機関（機械）
９ 機械システム
Ｂ 軸受（構造体）
Ｌ シリンダライナ
Ｒ ロータ
ＢＭ バックメタル
Ｃ 複合材
Ｏ 油層
Ｓ１ 超音波センサ
Ｓ２ 熱電対（基準温度センサ）
Ｔ 界面温度テーブル
Claims (7)
- 多層構造を有する構造体の背面側に取り付けられた超音波センサと、
前記超音波センサを通じて、前記構造体の内部側へ入射された超音波の反射波信号を取得する取得部と、
前記反射波信号のうち、前記構造体の内部側表面にて反射した反射波を含む領域を抽出する抽出部と、
前記抽出された領域における反射波信号に基づいて前記構造体の内部側表面の温度を特定する特定部と、
前記構造体の基準温度計測手段と、
を備え、
前記特定部は、前記基準温度を取得するとともに、前記反射波信号および前記基準温度の両方に基づいて前記構造体の内部側表面の温度を特定する、
温度計測装置。 - 前記特定部は、機械学習によって同定されたモデル関数を用いて、前記反射波信号および前記基準温度の両方に基づいて前記構造体の内部側表面の温度を特定する、
請求項１に記載の温度計測装置。 - 前記超音波センサを通じて、予め定められた周波数帯に属する信号を取得し、当該信号に基づいて、前記構造体における接触判定を行う接触判定部をさらに備える、
請求項１または２に記載の温度計測装置。 - 多層構造を有する構造体の背面側に取り付けられた超音波センサと、
前記超音波センサを通じて、前記構造体の内部側へ入射された超音波の反射波信号を取得する取得部と、
前記反射波信号のうち、前記構造体の内部側表面にて反射した反射波を含む領域を抽出する抽出部と、
前記抽出された領域における反射波信号に基づいて前記構造体の内部側表面の温度を特定する特定部と、
前記超音波センサを通じて、予め定められた周波数帯に属する信号を取得し、当該信号に基づいて、前記構造体における接触判定を行う接触判定部と、
を備える温度計測装置。 - 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の温度計測装置と、
前記構造体を有する機械と、を備え、
前記構造体は、背面側表面から内部側に向けて設けられた凹部を有し、
前記超音波センサは、前記凹部に取り付けられている、
機械システム。 - 多層構造を有する構造体の背面側に取り付けられた超音波センサを用いる温度計測方法であって、
前記超音波センサを通じて、前記構造体の内部側へ入射された超音波の反射波信号を取得するステップと、
前記反射波信号のうち、前記構造体の内部側表面にて反射した反射波を含む領域を抽出するステップと、
前記抽出された領域における反射波信号に基づいて前記構造体の内部側表面の温度を特定するステップと、
前記構造体の基準温度を計測するステップと、
を有し、
前記構造体の内部側表面の温度を特定するステップは、前記反射波信号および前記基準温度の両方に基づいて前記構造体の内部側表面の温度を特定する、
温度計測方法。 - 多層構造を有する構造体の背面側に取り付けられた超音波センサを備える温度計測装置のコンピュータに、
前記超音波センサを通じて、前記構造体の内部側へ入射された超音波の反射波信号を取得するステップと、
前記反射波信号のうち、前記構造体の内部側表面にて反射した反射波を含む領域を抽出するステップと、
前記抽出された領域における反射波信号に基づいて前記構造体の内部側表面の温度を特定するステップと、
前記構造体の基準温度を計測するステップと、
を実行させるプログラムであって、
前記構造体の内部側表面の温度を特定するステップは、前記反射波信号および前記基準温度の両方に基づいて前記構造体の内部側表面の温度を特定する、
プログラム。
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| DE102021205884.1A DE102021205884A1 (de) | 2020-10-02 | 2021-06-10 | Temperaturmessvorrichtung, mechanisches System, Temperaturmessverfahren und Programm |
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2021
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