JPH11117875A

JPH11117875A - 音響によるコンプレッサの監視装置

Info

Publication number: JPH11117875A
Application number: JP28068397A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Kaneda; 幸弘金田; Toshiyuki Doi; 敏行土井; Takayoshi Yamamoto; 隆義山本; Shigeru Kamata; 茂鎌田; Atsushi Nakahara; 淳中原; Hiroshi Wakayama; 浩志若山
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Tokyo Gas Co Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1997-10-14
Filing date: 1997-10-14
Publication date: 1999-04-27

Abstract

(57)【要約】【課題】監視員の判断に近いコンプレッサの異常検知
を行えるようにする。【解決手段】レシプロ型コンプレッサから発する音を
マイクロホンで音響信号に変換し、その音響信号をフィ
ルタ７に取り込んで所望の周波数成分を抽出し、フィル
タ処理された音響信号をフーリエ変換器８により周波数
分析し、その周波数分析結果に基づいてデータ分割器９
により音響信号を周波数帯域ごとに分割して平均化処理
し、そのデータ分割器の出力に基づいて主成分分析器１
０により主成分分析し、その主成分分析の結果に基づい
て主成分座標系にマッピングしてコンプレッサの異常を
判断するにあたり、マイクロホン４Ｃを吸入弁５及び排
気弁の近傍に設置し、寄与率及び累積寄与率の高い音響
信号に基づいて異常を検知することにより、監視員の判
断に近い異常検知を行うようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レシプロ型コンプ
レッサの運転状態を音響により監視する技術に属する。

【０００２】

【従来の技術】レシプロ型コンプレッサは、ピストンの
往復動により流体を圧縮する圧縮部を有し、例えば、吸
気弁から天然ガス等を吸入して圧縮することにより、天
然ガスを液化すること等に用いられものである。

【０００３】このようなコンプレッサにおける故障は、
吸入弁や排気弁の故障が全体の約９０％を占めている。
これらの弁は、弁プレートを弁座に対向させて、かつ弁
座と弁受の間に挟んで配置し、スプリングにより弁プレ
ートを弁座に押しつける構造になっており、弁プレート
を弁座に対して接離する方向に微振動させると、被圧縮
気体が弁受と弁座に形成された穴を通過して圧縮室に吸
入される。そして、弁プレートの振動周期は、圧縮ピス
トンの往復周期に同期している。このように構成される
吸入弁や排気弁にあっては、構成部品のうちで、弁プレ
ートが最も衝撃を受けることになる。そのため、初期異
常として、弁プレートにクラックが発生したり、欠損し
たり、割れなどが発生することがある。

【０００４】このようなコンプレッサの運転状態、特に
故障の有無を監視する方法として、従来は、クランク室
に取り付けた振動計、排気弁や吸入弁に埋め込んだ温度
計、あるいはシャフトの傾きを検出するギャップセンサ
等の出力を判定値と比較して、運転状態の傾向を監視す
ることが行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術では、吸入弁や排気弁の弁プレートの異常を発
見することができない。つまり、弁プレートの異常が発
生しても、異常振動や異常温度に達するまで故障が進行
しないと、発見することができないという問題がある。

【０００６】ところで、一般に、プラントの監視員がコ
ンプレッサの付近を通った際に、何かいつもと違う音が
すると感じ、コンプレッサを停止して分解点検すると、
上述したような弁の異常を発見することがある。このよ
うな監視員の経験による異常発見と同様に、音響に基づ
いて異常を発見する自動的な方法として、音の強さに基
づいて異常を検知する方法が考えられる。

【０００７】例えば、音の強さに基づいて異常を検知す
る原理は、図９に示すように、マイクロホンにより監視
対象の装置全体から発する音の強さを測定し、その測定
値を判定閾値と比較して異常を検知する方法がある。ま
た、これよりも検知精度の高い方法として、図１０に示
すように、正常な状態の音の強さを周波数に対応させて
予め求めておき、音の周波数帯域ごとに判定閾値を設定
して判定する方法がある。

【０００８】しかし、コンプレッサの場合、圧縮室、ク
ランク室、電動機等の監視対象に応じて音の発生メカニ
ズムが多種多様にわたり、しかもそのコンプレッサが設
置されている室内に設けられたその他の機器や配管、あ
るいはバルブ等からの音がマイクロホンに混入するの
で、測定音の周波数分布及び強さの関係が複雑になって
しまう。そのため、音響データの採取を工夫する必要が
ある。つまり、音響に基づく従来の監視技術は、異常現
象の判定能力が監視員よりも劣り、コンプレッサの初期
の軽微な変調を捉えることができないという問題があっ
た。

【０００９】本発明が解決しようとする課題は、監視員
の判断に近いコンプレッサの異常検知を行えるようにす
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題は、レシプロ型
コンプレッサから発する音を取り込んで電気信号の音響
信号に変換する音響センサと、該音響センサから出力さ
れる前記音響信号の周波数成分を調整するフィルタと、
該フィルタから出力される前記音響信号を周波数分析す
るフーリエ変換器と、該フーリエ変換器の出力である音
響データを周波数帯域ごとに分割し、該分割された周波
数帯域の音響信号成分を平均化するデータ分割器と、該
データ分割器の出力に基づいて主成分分析し、該主成分
分析の結果に基づいて主成分座標系にマッピングする主
成分分析器とを有してなり、前記音響センサを前記コン
プレッサの吸入弁及び排気弁の近傍に設置することによ
り、解決することができる。

【００１１】この場合において、周波数帯域を１／６〜
１／１２オクターブに分割することが好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１に、本発明を適用したレシプ
ロ型コンプレッサの平面配置図を示す。図示のように、
コンプレッサは、コンプレッサを駆動する電動機１と、
この電動機１の回転力を往復動に変換するクランク機構
が内蔵されたクランク室３と、クランクにより往復動さ
れるピストンを収納してなる複数（図示例では４個）の
圧縮室２とを有している。各圧縮室２には吸入弁５がそ
れぞれ４個づつ取り付けられている。また、図には表れ
ていないが、圧縮室２を挟んで吸入弁５の反対側に排気
弁が設けられている。そして、音響センサであるマイク
ロホン４Ａ〜Ｃが、それぞれ電動機１と、クランク室３
と、圧縮室２の近傍に配設されている。これらにより計
測される音響信号は監視装置６に入力されている。

【００１３】監視装置６は、各マイクロホン４Ａ〜Ｃか
ら入力される音響信号を取り込んで特定の周波数帯域の
音響信号を抽出するフィルタ７と、このフィルタ７の出
力を周波数分析するフーリエ変換器８と、このフーリエ
変換器８によりフーリエ変換して得られた音響データを
取り込み、所定の複数の周波数帯域に分割し、かつ平均
化処理するデータ分割器９と、このデータ分割器９の出
力を用いて主成分分析し、分析結果に基づいて主成分座
標系にマッピングする主成分分析器１０とを有してな
る。この監視装置６の各構成部品は、適宜コンピュータ
を用いて形成することができる。

【００１４】次に、このように構成される実施の形態の
詳細構成を動作とともに説明する。図２〜４に、各マイ
クロホン４Ａ〜Ｃにより測定される音響信号の周波数特
性を示す。図２は、電動機１の近傍に設けられたマイク
ロホン４Ａにより計測される音響信号の周波数特性であ
り、比較的高い周波数の音が強いのが特徴である。図３
は、クランク室３の近傍に設けられたマイクロホンＢに
より計測される音響信号の周波数特性であり、周波数が
高くなるにつれて、音の強さがなだらかに低減する分布
になっている。図４は、圧縮室２の近傍に設けられたマ
イクロホンＣにより計測される音響信号の周波数特性で
あり、比較的、周波数帯域間に相対関係が見受けられ、
圧縮室内部の構造と作動にかかわる機構が、他のクラン
ク室などに比べて複雑であることに起因する。また、大
きな音源の一つは、弁プレートが微振動する吸入弁の作
動に起因することも明らかである。

【００１５】このように、コンプレッサの各部から発生
する音響信号の周波数特性は様々であることから、単
に、周波数帯域ごとの音圧を基準値と比較して判断する
方法によると、コンプレッサの負荷変化などに起因する
外乱の影響を受けやすいだけでなく、通常運転時の正常
音に埋もれた異常音を検出することは困難である。

【００１６】そこで、本発明は、主成分分析法を適用し
て何かいつもと音が違うと行った程度の感覚と同様に、
マイクロホンにより得られた音響信号に基づいて、早期
に異常を検知するようにしたのである。主成分分析法の
基本原理は、異常を示す音響データが未知の場合に適用
できる異常検知方法であり、正常な状態において種々の
条件で変動する音響データを取得し、その音響データの
特徴量を統計的な手法で抽出して得られるデータを、正
常データとしてデータベースに蓄積しておき、運転状態
監視の際には、マイクロホンにより得られた音響信号に
基づいて同様の特徴量を抽出し、データベースの正常デ
ータと比較して、異常の有無を判定する手法であり、マ
イクロホンにより得られる音響データを連続的に監視す
ることにより、経時的な変化の把握を含めて、異常の有
無及び変化を把握することができ、監視員の経験による
監視よりも有効な監視システムとすることができる。

【００１７】以下に、音響データに主成分分析法を適用
して異常の有無を監視する具体的な手順について説明す
る。フーリエ変換器８により音響信号をフーリエ変換す
ることにより、図２〜４に示した音の強さの周波数分布
を持った音響データが得られる。データ分割器９は音響
データを取り込み、その音響データの周波数帯域を、例
えば周波数の低い帯域から順に複数の帯域ｘ₁、ｘ₂、…
…ｘｐに分割するとともに、各帯域ごとの音の強さの平
均値Ｘ₁、Ｘ₂、……Ｘｐを求める。ついで、主成分分析
器１０において、次の式（１）により、第１〜ｐ主成分
Ｚ₁〜Ｚｐを求める。

【００１８】Ｚ_i＝Σａ_ijＸ_ij （１）ここで、ｉ，ｊ＝１，２，……ｐの自然数である。

【００１９】そして、係数ａ_1k（ｋ＝１，２，……ｐ）
を、Σ（ａ_1k）２乗＝１の条件のもとで、変量Ｚの分散
が最大になるように定め、そのＺ₁を第１主成分とす
る。同様に、係数ａ_2k、ａ_3k、……についてもＺの分散
が最大になるように定め、そのＺ₁、Ｚ₂、……を、それ
ぞれ第２，３，……主成分とする。

【００２０】次に、このようにして得られる複数次元の
主成分値のうち、主成分分析を適用する場合、何次まで
の主成分値を評価すべきかの判断基準として、各主成分
値の寄与率を累積した累積寄与率を用いる。ここで、寄
与率とは、式（１）に基づく主成分分析により得られる
「新たな情報」は、「元の情報」に対してどの程度の割
合になっているかを示すもので、次式（２）により定義
される。

【００２１】主成分の寄与率（％）＝（元の情報の平方和−情報の損失量の平方和）／元の情報の平方和（２）例えば、Ｘ₁、Ｘ₂の２つの平均値のデータについて説明
すると、Ｘ₁を横軸に、Ｘ₂を縦軸にとり、それらに対応
する複数の観測データをプロットすると、第１の主成分
Ｚ₁はそれらの観測データの分布の分散が最大の方向の
直線（ｚ軸）で示される。そして、複数の観測データの
中心をｚ軸の原点（Ｇ）として定め、１つの観測データ
Ａをその座標系にプロットしたときの、点Ａと点Ｇ間の
長さが元の情報に相当し、点Ａからｚ軸に降ろした垂線
の足と点Ｇ間の長さが新たな情報（主成分の得点）に相
当し、点Ａと垂線の足までの長さが情報の損失量にな
る。

【００２２】ここで、図５に、主成分を第１〜第４の４
つの主成分に分けた場合の第１主成分から第４主成分ま
での寄与率を示し、図６に第１主成分から第３主成分ま
での累積寄与率を示す。図５，６から明らかなように、
圧縮室近傍の第１、第２主成分は、電動機近傍等の他の
個所又は部位よりも寄与率がきわだって高く、かつ圧縮
室近傍の第１〜３主成分の累積寄与率は他の個所又は部
位よりもきわだって高いことが判明した。

【００２３】したがって、主成分分析法を適用する場合
の音響センサの設置位置は、電動機やクランク室の近傍
に設置することに比べ、圧縮室近傍に設置することが好
ましいことが判る。なお、主成分分析法の適用にあた
り、特徴抽出の性質上、累積寄与率が約８０％以上とな
るまでの主成分を用いて評価の指標とすることが望まし
く、図６に示したように、音響センサは圧縮室近傍に設
置し、第１〜３主成分の成分値を用いることが好まし
い。

【００２４】このようにして音響データから主成分値を
求めるとともに、何次までの主成分値を評価すべきかを
定め、それらの主成分値の内の２つの主成分値に係るデ
ータを、図７に示すように、プロットする。図では、第
１と第２主成分値を直交２軸とする主成分座標系に正常
時の音の主成分値をマッピングしたものである。同様
に、第１と第３、第２と第３の主成分値についてもマッ
ピングする。このように処理を、複数の正常データに対
して行い、これに基づいて図７に示す円形の正常音の範
囲を設定しておき、これを正常データのデータベースと
して蓄積しておく。

【００２５】そして、通常の監視においては、各マイク
ロホン４Ａ〜Ｃから得られる音響信号に対し、上述した
処理と同様に、フィルタ処理、フーリエ変換処理、デー
タ分割処理、及び主成分分析処理を行い、主成分値の主
成分得点を求め、図７の如き対応する座標系にマッピン
グし、主成分値がその範囲から外れているときに、異常
であると判定する。

【００２６】上述したように、図１に示した実施の形態
によれば、主成分分析法を適用するにあたり、累積寄与
率が高い主成分を定めることができ、これに基づいて音
響センサであるマイクロホン４Ｃを圧縮室２の吸入弁５
の近傍に設置したことから、コンプレッサの負荷変化な
どに起因する外乱の影響を低減でき、かつ通常運転時の
正常音に埋もれるような異常音をも検出することがで
き、監視員の判断に近いコンプレッサの異常検知を行え
る。

【００２７】つぎに、周波数帯域の分割方法と主成分分
析法との関係について、図８を参照して説明する。同図
で、横軸はオクターブ分割数を示し、立軸は相関係数の
平均と必要な計算時間を表す。図示のデータは、サンプ
リングされた５つの音響信号の主成分分析に基づくもの
であり、白丸印のデータは平均の相関係数を示し、黒丸
印のデータはその計算時間を示す。図から明らかなよう
に、１／６〜１／２４オクターブ分割の場合が最も相関
係数が高く、計算時間は分割数の二乗の割合で増大す
る。このことから、周波数帯域の分割数は１／６〜１／
１２程度が、特徴抽出の効果が高く、かつ計算時間から
見ても実用的であり、最適である。

【００２８】なお、上述の実施の形態では、主成分分析
法を適用したものとして説明したが、本発明に係る音響
センサの設置位置に関しては、これに限らず、音圧に基
づく監視法にも有効であり、異常監視機能の精度を向上
することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
音響センサをレシプロ型コンプレッサの圧縮室近傍ない
し吸入弁と排気弁の近傍に設置し、主成分分析法を適用
して音響による異常の監視法としたことから、コンプレ
ッサの負荷変化などに起因する外乱の影響を低減でき、
かつ通常運転時の正常音に埋もれるような異常音をも検
出することができ、監視員の判断に近いコンプレッサの
異常検知を行えるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の音響によるコンプレッ
サの監視装置の全体構成図である。

【図２】電動機近傍における音響信号の周波数特性を示
す線図である。

【図３】クランク室近傍における音響信号の周波数特性
を示す線図である。

【図４】圧縮室近傍における音響信号の周波数特性を示
す線図である。

【図５】マイクロホンの設置位置と音の主成分分析の結
果を示し、各マイクロホンにより測定された第１主成分
から第４主成分までの寄与率を示す。

【図６】マイクロホンの位置と第１主成分から第３主成
分までの累積寄与率との関係を示す図である。

【図７】主成分分析法による異常検知の原理を説明する
図である。

【図８】周波数帯域の分割数に対する相関係数の平均値
と計算時間の関係を示す線図である。

【図９】全体の音の強さと判定閾値とに基づいて異常を
判定する従来手法の説明図である。

【図１０】音響信号を周波数帯域に分析し周波数帯域ご
とに判定閾値を変えて異常を判定する従来手法の説明図
である。

【符号の説明】

１電動機２圧縮室３クランク室４Ａ〜Ｃマイクロホン５吸入弁６監視装置７フィルタ８フーリエ変換器９データ分割器１０主成分分析器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者土井敏行神奈川県横浜市鶴見区末広町１−７−７東京瓦斯株式会社生産技術センター内 (72)発明者山本隆義広島県呉市宝町６番９号バブコック日立株式会社呉工場内 (72)発明者鎌田茂広島県呉市宝町６番９号バブコック日立株式会社呉工場内 (72)発明者中原淳広島県呉市宝町６番９号バブコック日立株式会社呉工場内 (72)発明者若山浩志東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レシプロ型コンプレッサから発する音を
取り込んで電気信号の音響信号に変換する音響センサ
と、該音響センサから出力される前記音響信号の周波数
成分を調整するフィルタと、該フィルタから出力される
前記音響信号を周波数分析するフーリエ変換器と、該フ
ーリエ変換器の出力である音響データを周波数帯域ごと
に分割し、該分割された周波数帯域の音響データの強さ
を平均化するデータ分割器と、該データ分割器の出力に
基づいて主成分分析し、該主成分分析の結果に基づいて
主成分座標系にマッピングする主成分分析器とを有して
おり、前記音響センサを前記コンプレッサの吸入弁及び
排気弁の近傍に設置したことを特徴とするコンプレッサ
の監視装置。
【請求項２】前記データ分割器は、前記周波数帯域を
１／６〜１／１２オクターブに分割することを特徴とす
る請求項１に記載のコンプレッサの監視装置。