JPH07198312A - 回転式機械におけるロータ及びステータの対向面間距離を動的に測定する装置 - Google Patents
回転式機械におけるロータ及びステータの対向面間距離を動的に測定する装置Info
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- JPH07198312A JPH07198312A JP6283750A JP28375094A JPH07198312A JP H07198312 A JPH07198312 A JP H07198312A JP 6283750 A JP6283750 A JP 6283750A JP 28375094 A JP28375094 A JP 28375094A JP H07198312 A JPH07198312 A JP H07198312A
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- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/14—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
Abstract
ータとステータ間の間隙を動的に測定可能な測定装置を
提供する。 【構成】 静電容量センサは同軸構造である。センサ
は、絶縁体3を介して被覆ケーブル2内に取り付けられ
た中央電極1を備えている。ケーブル2は、回転翼5に
対向する覆いの表面を電極1がかすめるようにして、覆
い4の隔壁に設けられた開口部に取り付けられる。ケー
ブル2の被覆は覆いと同電位に接続されている。覆いの
電極は、翼7の端部と覆い4の間の隙間Jの値を決める
のを可能にする測定ブロックに、同軸接続線6を介して
接続されている。翼の各端部とセンサの電極とによって
コンデンサが形成されるが、その静電容量はその端部と
センサの電極との距離によって決まる。この静電容量を
測定するため、静電容量センサは直流電圧により分極さ
れ、連続分極負荷アンプにより調整される。
Description
式機械におけるロータ及びステータの対向面間距離を動
的に測定することを可能にする装置に関する。本発明は
特に、ターボ機械のホイールの翼の端部とこのホイール
を囲む覆いの隔壁との間に存在する径方向隙間の動的測
定に関する。
の対向面間の隙間は、関係する回転式機械の種類にかか
わらず、機械の性能に著しい影響を及ぼす重要なパラメ
ータである。特に、コンプレッサ及びタービン内の翼の
端部と覆いとの間の隙間の場合にこのことが言える。こ
の隙間は熱的及び機械的変化により顕著に変化すること
があるため、モータ製造者にとっては、一定速度または
変動速度にて回転している実際の機械上で、ロータとス
テータとの間の境界面のあらゆる状態におけるこれら隙
間の変化を知っておくことが何よりも重要である。この
隙間の動的測定を行うには、電気的、光学的、無線周波
数現象に基いて動作する近接センサを使用することが知
られている。
定されたセンサの導電面と、ステータに対しロータが回
転している間に前述の導電面と対向する可能性のあるロ
ータの導電面とで構成されるコンデンサの負荷を測定す
ることから成る方法であって、静電容量についての電気
的現象に基いた方法により測定を行う装置に関する。
の種類と静電容量センサの調整の種類に依存する。
され、オシレータまたは負荷アンプにより調整される静
電容量センサを使用しているものがある。これらのセン
サにおいては、静電容量センサ、ならびにセンサと測定
ブロックとの間の接続ケーブルの技術は三軸の技術が使
用されている。
分極され、電圧アンプにより調整される静電容量センサ
を使用しているものがある。これらセンサにおいては、
センサ、ならびにセンサと測定ブロックとの間の接続ケ
ーブルの技術は同軸の技術が使用されている。
続ケーブルに残留容量があり測定ブロックの較正に影響
を及ぼしている。従ってセンサまたは接続ケーブルを交
換する度毎に較正を行わなければならない。
で測定ブロックの較正を行う必要があり、そのため製造
者は再現性があり連続使用が可能となるような較正を行
うことができない。
果はセンサ及び接続ケーブルの温度により影響を受け
る。
の装置の不都合をもたらさず、現場での測定ブロックの
較正の必要がなく、隙間の動的な検査を行なうために連
続して使用できる、静電容量方式による動的測定装置を
提供することである。
隙間を他方では各翼の個別の隙間の測定を可能にする測
定装置を提供することである。
測定装置は、直流電圧によって分極され、望ましくは二
次高域フィルタの構造をもつ負荷アンプにより調整され
る静電容量センサを使用する。センサ及び接続ケーブル
は同軸技術によるものである。測定ブロックの較正は実
測に頼ることなく理論的に行われる。
付けられた少なくとも1つの静電容量センサと、センサ
に接続された少なくとも1つの測定ブロックを備えた、
回転翼の端部とターボ機械のステータとの隙間の動的な
測定を行うための装置であって、センサは、翼がセンサ
の下を通過する度に翼の端部と共働して可変容量コンデ
ンサを形成する電極を備え、測定ブロックはセンサの調
整を行なうと共に出力信号を出力するための調整装置
と、調整装置から発せられる信号の処理手段を備えてお
り、調整装置が高域フィルタの構造をもつ負荷アンプで
あって、静電容量センサと負荷アンプが同一の直流電圧
によって分極され、分極直流電圧は調整装置の出力信号
の平均値が電圧設定値に等しくなるように決定されるこ
とを特徴とする。
図面を参照して非限定的な例として示した以下の説明を
読めば明らかであろう。
静電容量センサの一例を示す断面図である。
は、絶縁体3を介して被覆ケーブル2内に取り付けられ
た中央電極1を備えている。ケーブル2は、回転翼5に
対向する覆いの表面を電極1がかすめるようにして、覆
い4の隔壁に設けられた開口部に取り付けられる。ケー
ブル2の被覆は覆いと同電位に接続されている。
隙間Jの値を決めるのを可能にする測定ブロックに、同
軸接続線6を介して接続されている。
が示す方向に移動する。翼の各端部とセンサの電極とに
よってコンデンサが形成されるが、その静電容量はその
端部とセンサの電極との距離によって決まる。この静電
容量を測定するため、静電容量センサは直流電圧により
分極され、連続分極負荷アンプにより調整される。
次高域フィルタ構造をもつ調整装置の一実施例を示す図
である。
介して、直流電圧VPによって分極され一次高域フィル
タ構造をもつ負荷アンプに接続されている。
れる正の入力端子と、静電容量センサの電極1に接続さ
れ正の入力端子と同じ電位をもつ(演算増幅器の基本原
理)負の入力端子と、センサの電極の下を翼が通過する
ことにより生じる静電容量の変化に依存した出力信号V
sを出力する出力端子とをもつ演算増幅器9を備えてい
る。この静電容量は時間の経過とともに変化する。すな
わち、静電容量は翼の端部がセンサの電極から離れてい
る時はほとんど0に等しく、翼の一端部がセンサの電極
の真下にある時最大となる。
端子と出力端子との間に並列に接続されている。抵抗及
び容量の値は、負荷アンプが、翼の通過周波数より低く
センサ及び同軸接続線の残留静電容量の変化周波数より
も高いカットオフ周波数、fc=1/(2πRC)、を
もつ高域フィルタとなるような値を選択する。
通過することによって生じる静電容量の変化のみが考慮
され、負荷アンプの出力信号Vsは、センサの電極と、
翼の端部によって形成されるコンデンサの幾何形状と、
負荷アンプのゲインと、とりわけ積分容量Cとによって
決まる。
ィルタ構造をもつ。より高い性能を得るには二次高域フ
ィルタ構造をもつ調整装置を使用するのが望ましい。二
次高域フィルタ構造により、とくに雑音低周波をよく取
り除くことができるとともに、すぐれたダイナミクスを
得ることができ、センサの絶縁抵抗を常時監視すること
が可能となる。
次高域フィルタ構造をもつ調整装置の一実施例を示して
いる。
された負の入力端子、正の入力端子、出力端子を備えて
いる。抵抗R6が正の入力端子と分極電圧VPとの間に
接続され、抵抗R5が正の入力端子と調整装置のアース
との間に接続されている。容量C1及び抵抗R1は演算
増幅器の負の入力端子と出力端子との間に並列に接続さ
れている。抵抗R1は分岐点Iにおいて直列に接続され
ている2つの抵抗R2、R3から成る。抵抗R4は点I
と点Jとの間に接続され、抵抗R7は点Jと電圧VPと
の間に接続され、容量C2は点Jと調整装置のアースと
の間に接続されている。各種抵抗の値は、センサの絶縁
抵抗値が無限大であると仮定した時出力信号Vsの直流
成分が0になるような値が選択されている。
は
P・△C翼である。ここで△C翼はセンサの電極の下を
翼が通過することによる静電容量の変化を表わす。
センサに対向する翼の端部とによって形成されるコンデ
ンサの面積s(x)に比例し、隙間Jに反比例する。こ
こでxはセンサに対する翼の位置を表わす。以下の説明
においては面積s(x)を、電極と翼の端部の間の共通
面と呼称する。
(a)には、センサの電極の前を等速で移動する隔離翼
の一例が、図4(b)には、本発明による図4(a)の
場合に相当する調整装置の出力信号が、各々示されてい
る。
円盤形状をなしている。この電極の前をx方向に等速で
移動する翼は、厚みeが電極の直径2rより薄く取付角
がγであるような、平行面をもった薄板であると近似的
にみなされる。
には、電極と翼の端部の間には共通面がなく、調整装置
の出力信号はない。すなわち同装置は、センサの下を翼
が通過する際の周波数より低いノイズ低周波を取り除く
高域フィルタとなっている。
調整装置の出力信号Vs(x)は電極と翼の端部の間の
共通面s(x)に比例して変化する。したがって調整装
置の出力信号は、分極電圧VP及び最大共通面積Sma
xに比例し電極と翼の端部との間の隙間Jに反比例する
最大振幅△VSのパルスの形状をもつ。信号Vs(x)
の波形はs(x)の波形と同一である。
つ、回転翼付きホイールの場合、調整装置の出力信号
は、センサの電極の下を通過する翼の周波数に等しい循
環周波数の連続したパルスで構成される。調整装置の高
域フィルタの構造のため、この信号の平均値は0となっ
ている。このようにして、センサと翼とで構成されるも
のの幾何特性と面積Smaxが正確にわかっていれば、
調整装置の出力信号の変化は、測定を行う前に理論的に
求めることが可能である。その場合、測定ブロックのキ
ャリブレーションは理論的に行われ、較正を行う必要が
ない。
測定を可能にする測定ブロックのブロック図である。
容量センサの電極1に接続されている。測定ブロック
は、直列に配した、調整装置10、振幅測定装置11、
各翼の個別隙間Jの計算装置12を備えている。測定装
置11は、調整装置10の出力として得られる各パルス
の個別最大振幅△VSmaxを測定するためのものであ
る。個別隙間Jの計算装置12は以下の演算を行うため
のものである。
て、εoは絶縁体の誘電率を表わす。絶縁体は通常、乾
燥した空気と、翼の端部とセンサの電極で形成されるコ
ンデンサとで構成される。このコンデンサは平面コンデ
ンサとして機能するとみなされる。
が正確にわかっている場合のみ求めることができる。
ころを起点とし、パルスが始まる直前に信号の最初のサ
ンプリングを行い、その値がパルスの最大値に近くなっ
た時点で二回目のサンプリングを行った後、このように
して得られた2つの数値の差を求めることにより、正確
に測定することができる。
全に既知の場合、およびすべての翼が同じ場合翼群の平
均隙間の測定を可能にする測定ブロックのブロック図で
ある。
量センサの電極に接続されている。測定ブロックは、調
整装置10、ゲインKの電圧アンプ13、モータの回転
数Nにかかわらずフィルタリング範囲が一定になるよう
にターボ機械のロータの回転速度の関数としてプログラ
ムされた帯域フィルタ14、平均値抽出装置15、信号
の値を基準電圧値と比較するための比較装置16を含む
積分ループから成り、比較の結果は、無限大連続ゲイン
をもつ積分装置17に送られ、積分装置は、送られてき
た直流電圧VPを分極電圧値として調整装置10にフィ
ードバックする。
圧VPの振幅の制御ループである。この制御は、増幅及
びフィルタリングを経た後の調整装置の出力信号の平均
値が平衡状態において基準電圧値Vに等しくなるように
行われる。
値の監視装置18と、監視装置に接続された警報装置1
9を備えている。監視装置18は、調整装置の出力電圧
VS及び分極電圧VPの値を入力として受け取り、万一
センサの絶縁抵抗値に異常があった場合それを検出する
ため、前述の2つの値の比較を行う。異常が検出される
と、監視装置18は警報装置19にアラーム発生信号を
送る。
幾何特性を正確に知ることにより、電極と翼の端部との
間の平均面積Soを正確に求めることができる。この平
均面積はs(x)の変化から数学的に計算することがで
きる。翼の端部を平行面をもつ薄板とみなすことができ
る場合であって静電容量センサの電極が円形である場合
には、平均面積Soの式は次のようになる。
であり、eは翼の厚みであり、Xoは翼のピッチであ
り、γは翼の取付角である。
おいて
と同じであるので、ここでBは隙間の特定の値とSo*
(フィルタリング)=So(フィルタリング)の時の計
算によって得られる一定の係数である。
グ範囲はターボ機械のロータの回転速度にかかわらず一
定なため、分極電圧VPの値は翼群の平均隙間に比例す
る。積分装置17より出力される分極電圧VPの値は、
センサの電極と翼端部との間の平均隙間を計算するため
の計算装置20に送られる。
られていない場合に、翼群の平均隙間の測定を可能にす
る測定ブロックのブロック図である。
翼群の軸方向の位置を正確に把握できず、翼の厚みにば
らつきがあるため、常に翼は平行面をもつ薄板の連続で
あるとみなすことはできない。したがって、翼の端部に
対するセンサの電極の位置が異なると、平均面積s
(x)の変化量も異なり、キャリブレーションも異な
る。この場合、本発明では、同一ではあるが翼23、2
4の端部との隙間がJ及びJ+△Jというように異な
る、2つの静電容量センサ21及び22をステータ内に
配設する。センサは、翼の同一の面積s(x)を「見
る」よう回転機械の軸に対し直角な同一面内に配設され
る。隙間Jは未測定の隙間であり、△Jは既知である。
表示により同一の基準電圧値を印加することにより同じ
方法でキャリブレーションが行われ同一のゲインをもつ
2つの測定ブロック25、26に接続されている。この
基準電圧値V* は、センサのうちの一つの電極と翼の端
部との間の平均面積と同等の大きさであってそれに近い
数値S’oを用いて計算する。S’oの値は0.1So
から10Soであり、Soは実際の共通面積を表す。各
測定ブロックの出力信号VP1、VP2は比率計27に
送られ、比率計27は歯車箱および翼の端部に関する表
面間の平均隙間Jの測定値を出力する。
と、出力信号VP1及びVP2はそれぞれ
は以下の演算を行う。
静電容量センサによって実際に「見られている」翼の平
均面積Soを求めることができる。ロータと同じ段上
で、比率計を装備していない別の測定ブロックが使用さ
れている場合、この平均値をそこに表示することができ
る。
定されるものではない。特に安全上の理由から、センサ
の電極は覆いの中に引っ込んだ状態で取り付けることも
できる。その場合、キャリブレーションの設定を決める
には、センサによって測定される隙間を示す項Jはすべ
てJ+Rに置き換えて、引っ込みの値Rを考慮する必要
がある。同様に電極の幾何形状を円盤以外の形とするこ
ともできる。
けられた静電容量センサの一例を示す断面図である。
タ構造をもつ調整装置の一実施例を示す図である。
タ構造をもつ調整装置の一実施例を示す図である。
する隔離翼の一例を示すと共に、(b)において(a)
に相当する調整装置の出力信号を示す図である。
る測定ブロックのブロック図である。
合翼群の平均隙間の測定を可能にする測定ブロックのブ
ロック図である。
場合翼群の平均隙間の測定を可能にする測定ブロックの
ブロック図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 翼に対し垂直に、ステータ内に取り付け
られるようにした、少なくとも1つの静電容量センサ
と、センサに接続された少なくとも1つの測定ブロック
を備えた回転翼の端部とターボ機械のステータとの隙間
の動的測定を行うための装置であって、センサは、翼が
センサの電極の下を通過する度に翼の端部と共働して可
変容量コンデンサを形成する電極を備え、測定ブロック
はセンサを調整すると共に出力信号を出力する調整装置
と、調整装置から出力される信号の処理手段を備え、調
整装置(10)が高域フィルタの構造をもつ負荷アンプ
を備えており、静電容量センサと負荷アンプが同一の直
流電圧によって分極され、調整装置(10)の出力信号
の平均値が設定電圧値に等しくなるよう分極直流電圧が
決定されることを特徴とする回転翼の端部とターボ機械
のステータとの隙間を動的に測定する装置。 - 【請求項2】 同軸接続線(6)を介して測定ブロック
が静電容量センサの電極(1)に接続されていることを
特徴とする請求項1に記載の装置。 - 【請求項3】 調整装置(10)が、正の入力端子と、
負の入力端子と出力端子と、負の入力端子と出力端子と
の間に並列に接続された少なくとも一つの抵抗及びキャ
パシタンスとをもつ演算増幅器(9)を備えており、正
の入力端子が分極電圧に接続され、負の入力端子が静電
容量センサの電極(1)に接続され正の入力端子と同じ
電位まで上昇することを特徴とする請求項2に記載の装
置。 - 【請求項4】 高域フィルタが2次高域フィルタであ
り、出力端子がセンサの電極の下を翼が通過することに
より生じる分極電圧及び静電容量の変化に比例した出力
信号を出力することを特徴とする請求項3に記載の装
置。 - 【請求項5】 測定ブロックが、調整装置(10)と直
列に配置された振幅測定装置(11)、各翼の個別隙間
の計算装置(12)を備えたことを特徴とする請求項4
に記載の装置。 - 【請求項6】 測定ブロックが、調整装置(10)の分
極電圧の制御のための積分ループを備えており、積分ル
ープが調整装置(10)と直列に配置された、電圧アン
プ(13)、帯域フィルタ(14)、平均値抽出装置
(15)、平均値抽出装置の値と電圧設定値との比較を
行なう比較装置(16)、センサの電極と翼の端部との
間の平均隙間に比例した直流電圧を出力する無限大連続
ゲイン積分装置(17)と、分極電圧値として調整装置
(10)に出力された直流電圧を伝送する伝送手段とを
備えたことを特徴とする請求項4に記載の装置。 - 【請求項7】 測定ブロックがさらに、センサの絶縁抵
抗を監視するための装置(18)と監視装置に接続され
た警報装置(19)とを備えたことを特徴とする請求項
6に記載の装置。 - 【請求項8】 ロータの回転速度の値にかかわらずフィ
ルタリング範囲が一定となるように、帯域フィルター
(14)がロータの回転速度の関数としてプログラムさ
れていることを特徴とする請求項6に記載の装置。 - 【請求項9】 設定電圧値が、静電容量センサ及び翼で
構成されるアセンブリの幾何特性により数学的に決定さ
れ、この値はセンサの電極と翼の端部との間の共通フィ
ルタリング平均面積に比例し、特定の隙間の値を設定す
ることにより比例係数の値が決定され、平均面積のフィ
ルタリング範囲は制御ループ内に配設された帯域フィル
タ(14)のそれと同じであることを特徴とする請求項
8に記載の装置。 - 【請求項10】 積分装置(17)から出力される電圧
値を受信すると共に、センサの電極と翼の端部との間の
平均隙間を計算するための装置(20)を備えているこ
とを特徴とする請求項9に記載の装置。 - 【請求項11】 翼の端部における隙間はまちまちであ
るがお互いの差異は既知の値である状態で、翼に対し垂
直であってターボ機械の軸線に対し直角な同一面上にあ
るようにターボ機械のステータに取り付けられた2つの
静電容量センサ(21、22)を備え、この2つのセン
サが、同一の設定電圧値を印加することにより同じ方法
でキャリブレーションが行われ同一のゲインをもつ2つ
の測定ブロック(25、26)に接続されていることを
特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の装置
であって、さらに、2つの測定ブロック(25、26)
の出力に接続されており、2つの測定ブロックによって
伝達される信号を受信し、2つの信号を比較しセンサの
電極の一方と翼の端部との間の平均隙間の値を出力とし
て出力する比率計(27)を備えたことを特徴とする請
求項1から8のいずれか一項に記載の装置。 - 【請求項12】 一方のセンサの電極と翼の端部との間
の共通平均面積の近似値を設定することにより、2つの
測定ブロック間に印加された基準電圧値が数学的に決定
されることを特徴とする請求項11に記載の装置。
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