JPH11287704A - キャビテーションセンサ及び壊食量評価システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 キャビテーション強度を直接的かつ簡便に計
測して、流体機械の構成部品の壊食速度をモニタできる
ようにした壊食量評価システムを提供する。 【解決手段】 流体の流路内の圧力波を検出する圧力波
センサ１０と、圧力波センサ１で検出された圧力波から
雑音を除去してキャビテーション気泡崩壊による衝撃波
形を取り出すハイパスフィルタ１２と、ハイパスフィル
タを通過した衝撃波形をサンプリングしてサンプル値を
抽出するサンプリング部１４，１６と、所定の検出時間
内に検出された前記サンプル値を基にキャビテーション
強度を求めてキャビテーションによる壊食量を評価する
演算部１８とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体機械内に発生
するキャビテーションが流体流路を形成する材料の表面
に作用する強度を計測するキャビテーションセンサ及び
それを用いて壊食量を評価する壊食量評価システムに関
する。

【０００２】

【従来の技術】キャビテーションは、流体の圧力の低下
に伴い気泡が生成する現象であり、この現象が生じる
と、気泡崩壊時に衝撃力が発生し、高速で材料表面に繰
り返し作用する。このため、ポンプ等の流体機械の流体
流路を形成する部品においては、繰り返し応力によって
進行する腐食であるいわゆるキャビテーション壊食を受
ける。従って、部品の健全性を保つためには、キャビテ
ーション壊食が部品に与える影響を評価する必要があ
る。

【０００３】従来は実験的に、磁歪振動法、ウォータジ
ェット法等衝撃力の既知な装置を使用して同一材料の壊
食量を予め求め、同材料を使用した実装置の運転後の材
料の壊食量により、実装置の衝撃力を求めていた。さら
に、その推定した衝撃力より衝撃力と壊食量の既知な材
料のデータより実装置に適した材料を選定していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例においては、材料の壊食量を特定の場合のデータに
基づいて運転時間で推定しているので、種々の状況の相
違に起因する運転条件の差に基づく壊食速度の相違を直
接に判断することができなかった。

【０００５】本発明は上記のような課題に鑑み、キャビ
テーション強度を直接的かつ簡便に計測して、流体機械
の構成部品の壊食速度をモニタできるようにした壊食量
評価システムと、キャビテーション強度を簡便にかつ感
度良く検出することができるキャビテーションセンサを
提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、流体の流路内の圧力波を検出する圧力波センサと、
前記圧力波センサで検出された圧力波から雑音を除去し
てキャビテーション気泡崩壊による衝撃波形を取り出す
ハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタを通過した
衝撃波形をサンプリングしてサンプル値を抽出するサン
プリング部と、所定の検出時間内に検出された前記サン
プル値を基にキャビテーション強度を求めてキャビテー
ションによる壊食量を評価する演算部とを有することを
特徴とする壊食量評価システムである。

【０００７】このような構成により、圧力波センサで求
められた衝撃力の波形からキャビテーションに基づくも
のを取り出し、この値の２乗の総和からキャビテーショ
ン強度を求めることができる。キャビテーション強度と
壊食量との間に直線的な相関関係があることが知られて
おり、この関係から材料の壊食量を評価することができ
る。

【０００８】ハイパスフィルタとしては、例えば、５０
ｋＨｚ以上の周波数を通過させるフィルタを使用する。
キャビテーション気泡崩壊による圧力負荷時間は、一般
に１〜２μｓ程度であり、５０ｋＨｚ以上のハイパスフ
ィルタを使用することで、雑音成分をほぼ確実に除去す
ることができる。

【０００９】サンプリング部には、前記ハイパスフィル
タを通過した衝撃波形の所定のリセット時間内でのピー
ク値を次のリセット信号が入力されるまで保持するピー
クホルダを用いてもよい。前記リセット時間は、例え
ば、５０〜１００μｓ程度に設定する。圧力センサの感
圧面積を７ｍｍ²とした場合のキャビテーション気泡崩
壊の検出頻度は、ほぼ１００μｓ以上であるので、圧力
センサの感圧面で生じるほぼ全てのキャビテーション気
泡崩壊を検出することができる。また、ピーク値をデジ
タル化して演算部に出力するＡ／Ｄコンバータを設ける
のが好ましい。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の壊食量評価システムを備え、流路を構成する部品に前
記圧力波センサが取り付けられていることを特徴とする
流体機械である。

【００１１】請求項３に記載の発明は、薄肉平板状の圧
電素子と、該圧電素子の両面に該圧電素子に対して面対
称になるようにそれぞれ取り付けられた金属製の感圧板
とを備えたことを特徴とするキャビテーション強度セン
サである。

【００１２】これにより、一方の感圧板の感圧面に作用
するキャビテーション気泡崩壊による衝撃力は感圧板中
を伝播して圧力素子に検出される。感圧板の厚さを３ｍ
ｍ以上とすることで、この感圧面で反射する２次波が１
次波と干渉することがなくなり、正確なピーク値を算出
することができる。また、例えば、このようなセンサを
羽根車の羽根や、２つの流路の仕切壁等に埋設すること
により、センサの両側の流路におけるキャビテーション
を検出することができる。

【００１３】請求項４に記載の発明は、流体の流路壁の
表面に所定の深さの溝が形成され、この溝の内側に該溝
に囲まれた台座状の圧電素子取付部が形成され、該圧電
素子取付部に薄肉平板状の圧電素子が感圧面をほぼ流路
壁の表面と面一に取り付けられていることを特徴とする
キャビテーション強度センサである。これにより、台座
状の圧電素子取付部を反射板として用いて簡単なキャビ
テーションセンサが構成される。

【００１４】請求項５に記載の発明は、前記感圧板の厚
さ又は前記圧電素子取付部の高さが３ｍｍ以上であるこ
とを特徴とする請求項３又は４に記載のキャビテーショ
ンセンサである。これにより、圧力波が圧電素子に到達
してできる第１のピークと、これが感圧面や反射面から
反射してできる第２のピークとが干渉することがなく、
正確なピーク値を算出することができる。

【００１５】請求項６に記載の発明は、前記圧電素子の
感圧面の面積が２．５〜１５ｍｍ²であることを特徴と
する請求項３ないし５のいずれかに記載のキャビテーシ
ョン強度センサである。これにより、単独のパルスを識
別しつつ、単位面積当たりのキャビテーション強度を正
確に評価するのに十分な強度の信号を検出することがで
きる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明をポンプに応用した
１つの実施の形態について図面を参照して説明する。図
１は、本発明の実施の形態の壊食量評価システムを示す
ブロック図で、このシステムは、流体中の圧力波を検出
する圧力波センサ（キャビテーションセンサ）１０と、
この圧力波センサ１０で検出された圧力波からキャビテ
ーションによる衝撃波形を取り出すハイパスフィルタ１
２と、この衝撃波形の所定のリセット時間内でのピーク
値をピーク波形として次のリセット信号が入力されるま
で保持するピークホルダ１４と、このピーク波形の最大
値をデジタル化するＡ／Ｄコンバータ１６と、このＡ／
Ｄコンバータ１６の出力信号に基づいて必要な演算処理
を行なうコンピュータ１８とから構成されている。

【００１７】圧力波センサ１０は、図２に示すように、
薄肉円板状のピエゾ素子等の圧電素子２０と、これの両
面にそれぞれ導電性接着剤層２２ａ，２２ｂを介して貼
付された２枚の同形状の金属製の感圧板２４ａ，２４ｂ
と、これらの感圧板に接続された信号線２６ａ，２６ｂ
とを備えている。このセンサは、全厚、すなわち、圧電
素子２０、接着剤層２２ａ，２２ｂ、感圧板２４ａ，２
４ｂの各厚さを加えた値が、羽根車２８の羽根３０の厚
さと等しく設定されており、羽根３０に形成された貫通
孔３２に例えばゴム製のクッション材３４を介して感圧
面（外面）が羽根面と面一になるように嵌め付けられて
いる。信号線２６ａ，２６ｂは、羽根車２８のシャフト
からスリーブリング等を介して外部に導出されている。

【００１８】この例では、圧電素子２０の厚さが０．２
５ｍｍ、接着剤層２２ａ，２２ｂは僅少であり、感圧板
２４ａ，２４ｂの厚さＨは後述する理由から片側で３ｍ
ｍ以上に設定されている。従って、羽根３０の厚さは圧
電素子２０の厚さ（ｔ）＋６ｍｍ以上になっている。セ
ンサ１０をこのように羽根３０に取り付けることによ
り、羽根３０の両面における圧力波を検知することがで
きる。

【００１９】感圧板２４ａ，２４ｂは、圧電素子２０の
電極としての作用と、それが面する流路において圧力波
を検知する場合の感圧作用と、他方の感圧板２４ａ，２
４ｂから受けた圧力波に対する反射板としての作用を行
なう。従って、原則として、２枚の感圧板２４ａ，２４
ｂは対称で同厚であるが、条件によってこれを変えても
よい。感圧板２４ａ，２４ｂの厚さＨを３ｍｍ以上とし
たのは、これが薄いと、図３（ａ）に示すように、流路
に面する感圧面からの圧力波が圧電素子２０に到達して
できる第１のピークと、これが感圧面から反射してでき
る第２のピークとが相殺してしまい、正確なピーク値が
算出できないが、これを３ｍｍ以上とすればこれらが干
渉することがないからである。

【００２０】圧電素子２０の感圧面積、つまり圧力板２
２及び反射板２４の断面積は、単位面積当たりのキャビ
テーション強度を正確に評価する上で、個々の荷重を分
離可能な範囲で極力大きくすることが好ましいが、大き
すぎると多数の単独の荷重を同時に検出して、単独のパ
ルスを識別できなくなる。このため、圧電素子２０の感
圧面積は５〜１５ｍｍ²程度であることが望ましい。

【００２１】以下、このように構成された壊食量評価シ
ステムの作用を説明する。まず、予め、このシステムで
計測される衝撃強度の較正を以下のようにして行なって
おく。すなわち、質量の分かっている剛球を所定高さか
ら圧力波センサ１０に向けて落下させ、その時の出力電
圧（Ｖ）を求めて、次式から定数ａを求めておく。Ｆ
（Ｎ）＝ａ×Ｖ（Ｖ）圧力波センサ１０として、厚さ
０．２５ｍｍで直径３ｍｍの圧電素子２０を使用し、反
射板２４の材質としてＳＳ４００を使用した場合の定数
ａは、２．１８であった。

【００２２】流体にキャビテーションが発生して衝撃力
が一方の感圧板２４ａの端面に作用すると、圧力波が感
圧板２２ａを介して圧電素子２０に伝達され、この結
果、圧電素子２０からはその強度に対応する電圧波形が
出力される。圧力波センサ１０で検出された圧力波の例
を図４に示す。圧力板２２の端面は、流体Ｌの流路に面
しているので、キャビテーション発生による衝撃波形
は、同図に示すように、静水圧成分の雑音に重畳した波
形Ａとして該雑音と同時に検出される。

【００２３】ハイパスフィルタ１２は、圧力波センサ１
０で検出された圧力波から低周波の雑音成分を除去する
ためのもので、例えば周波数５０ｋＨｚ以上の圧力波を
通過させるものが使用される。これにより、圧力波から
５０ｋＨｚ以下の低周波数成分が雑音として除去され、
図５（ａ）に示すような衝撃波形のみが取り出される。
なお、ハイパスフィルタ１２は、使用条件に応じてその
通過周波数を任意に変更できることが好ましい。

【００２４】ハイパスフィルタ１２を通過した衝撃波形
はピークホルダ１４に入力され、ここで、所定の設定計
測時間（リセット時間）内での衝撃波形のピーク値が次
のリセット信号が入力されるまで保持される。リセット
時間を１００μｓとした時の図５（ａ）を基にしたピー
ク波形を同図（ｂ）に示す。リセット信号Ｒは、例え
ば、図６に示すように９５μｓ毎に出力され、５μｓ保
持される５Ｖの矩形波であり、コンピュータ１８からピ
ークホルダ１２に入力される。これにより、リセット時
間内での最大電圧値（サンプル）Ｖｍがサンプリングさ
れる。ここで、感圧板２４ａ，２４ｂの厚さが３ｍｍ以
上に設定されており、図３（ｂ）に示すように感圧面か
らの２次反射が最初の波形と重ならないので、各ピーク
の値を正確に算出することができる。

【００２５】圧力波センサ１０の感圧面積を７ｍｍ²と
した場合のキャビテーションにおける気泡崩壊の検出頻
度は、ほぼ１００μｓ以上であるので、リセット時間を
この時間より短くすることで、圧力波センサ１０の感圧
面で生じるほぼ全てのキャビテーションを検出すること
ができる。一方、この時間をあまり短くすると、サンプ
ル数が増大してしまうので、５０〜１００μｓ程度に設
定することが好ましい。

【００２６】このようにして得られたサンプルは、Ａ／
Ｄコンバータ１６に入力されてデジタル化された後、コ
ンピュータ１８で処理される。すなわち、 Ｆ（Ｎ）＝ａ×Ｖ（Ｖ） に各リセット時間内でのピーク値を代入する（Ｖ＝Ｖ
ｍ）ことで、圧力波センサ１０に作用するキャビテーシ
ョン気泡崩壊の衝撃力Ｆ（Ｎ）を求める。コンピュータ
１８は予め設定された所定の演算時間毎に、検出された
サンプルを基に１回の処理を行う。例えば、この検出時
間を３秒、リセット時間を１００μｓとした時には、３
×１０⁴（３秒／１００μｓ）のサンプルが得られ、コ
ンピュータ１８は、これらのサンプルを基に１回の処理
を行う。

【００２７】そして、衝撃力Ｆ（Ｎ）により圧力波セン
サ１０に作用する衝撃エネルギｅを、 ｅ＝（ΔＴ／ρＣ）｛Ｆ（Ｎ）｝² ここに、ΔＴ：衝撃力の持続時間 ρ ：流体の密度 Ｃ ：流体内での音速 により求める。この衝撃エネルギは、各リセット時間内
に圧力波センサ１０に作用したものであるので、検出時
間内においては、この時間内にサンプルされたピーク波
形の全てにおいて上記の計算を行い、これらの全ての値
を合計してキャビテーション強度を求める。

【００２８】所定時間内に作用する衝撃エネルギｅは、
所定時間内に作用する衝撃力の２乗の合計Ｓ＝Σ｛Ｆｉ
（Ｎ）｝²に比例する。キャビテーション壊食において
は、ＡｌとＣｕについて図７に示すように、所定時間内
における衝撃力の２乗の合計Ｓと壊食量とがリニアな関
係であることが知られている。なお、１Ｎ以下の衝撃力
は、壊食に対して及ぼす影響が小さいので、衝撃力の２
乗の合計Ｓから除外してもよい。

【００２９】そこで、衝撃力の２乗の合計Ｓを求め、こ
の値と壊食量との関係から材料の壊食量を求めることに
より、簡単な作業でその流体機械の流路構成部品におけ
る壊食量を推定することができる。従って、Ｓの累積値
を算出し、これを基にポンプ部品の寿命を推定して、部
品の交換やメンテナンスのタイミングを判断することが
できる。例えば、この値が所定の閾値に達した場合に、
メンテナンスや部品交換を促す警告信号を発するよう
に、コンピュータ１８にプログラムしておく。

【００３０】以下、本発明の圧力波センサの第２の実施
の形態を説明する。図８に示すように、この圧力波セン
サ４０は、先の実施の形態と異なり、羽根３０の全厚を
刳り抜いた貫通孔にではなく、羽根３０の表面の一部を
除去した凹所に取り付けられている。

【００３１】すなわち、羽根３０の表面には垂直に溝４
２が切り込まれており、これにより、圧電素子２０と同
一の断面を有する反射部４４が形成されている。反射部
４４の頂面は羽根３０の表面より下になるように切削さ
れ、ここに、薄肉円板状の圧電素子２０が導電性接着剤
２２ａを介して貼り付けられている。圧電素子２０の表
面側には、全面を覆う金属製の圧力板２４が同様に導電
性接着剤２２ｂを介して貼り付けられている。反射部４
４の頂面の位置は、取り付けられた圧力板２４の表面が
羽根３０の表面と面一となるように設定されている。

【００３２】溝４２にはゴム製等の弾性素材からなるク
ッション材３４が埋め込まれており、これにより、反射
部４４と羽根３０の他の部位とが振動的に及び電気的に
独立した系となっている。圧力板２４は圧電素子２０の
一方の電極として機能し、これには信号取り出し線２６
が接続されて、スリップリング等により外部に引き出さ
れ、圧電素子２０の他方の電極は反射部４４すなわち羽
根３０が代用され、適当な箇所でアース線４６に接続さ
れる。従って、この例では羽根車２８から引き出す信号
線が１本でよい。

【００３３】この実施の形態では、先の場合と同様に、
圧力板２４から圧電素子２０に加えられた圧力波は反射
部４４に伝達され、反射部４４の根本部分すなわち溝４
２の底部の深さ位置の反射面４８で反射する。反射部４
４の厚さＨは、先の場合と同様に３ｍｍ以上となってお
り、１次波が反射面から戻る２次波と干渉しないように
なっている。なお、この実施の形態では、反射面４８が
固定端であるので、反射面が開放端である先の実施の形
態の場合と反射波の波高が異なることに留意する必要が
ある。

【００３４】この実施の形態の圧力波センサ４０の構造
は、先の実施の形態のように全厚の貫通孔を形成する必
要がなく、特に羽根３０の厚さが大きい場合に作業工程
が簡単となる。逆に、先の実施の形態の場合は羽根３０
の厚さが６ｍｍ以上必要であったが、この場合には最低
３ｍｍ程度でも良いので、羽根厚が薄い場合でも取り付
けが可能である。

【００３５】この発明の壊食量評価システムは、上述し
た実施の形態のように、実際の製品に設置して用いて
も、また、製造された特定の機種のキャビテーション壊
食に対する特性を実験的に求める場合に用いてもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
キャビテーションにより生成する圧力波を、反射波の干
渉を防止して感度良く検出することができ、しかも、セ
ンサ部を両側に設けることで、両側にキャビテーション
が発生するような部位にあっても、１個のセンサでこれ
に対処することができる。従って、キャビテーション強
度を直接的かつ簡便に計測することができ、流体機械に
おけるキャビテーション壊食に対する的確な対策を迅速
に採ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示すブロック図である。

【図２】図１に示す圧力波センサ及びその取り付け例を
示す断面図である。

【図３】圧力波センサで検出された圧力波を模式的に示
す図である。

【図４】圧力波センサで検出された圧力波を示す図であ
る。

【図５】ハイパスフィルタを通過した衝撃波形、この衝
撃波形から得られたピーク波形及びリセット信号の入力
時間を示す図である。

【図６】リセット波形を示す図である。

【図７】キャビテーション壊食における所定時間内の衝
撃力の２乗の合計と壊食量の関係を示すグラフである。

【図８】圧力波センサの他の実施の形態を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１０，４０ 圧力波センサ ２０ 圧電素子 ２４ａ，２４ｂ 感圧板 ２８ 羽根車 ３０ 羽根 ４２ 溝 ４４ 反射部

フロントページの続き (72)発明者 野口 学 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 服部 修次 福井県福井市大願寺１−１−33 大願寺宿 舎１−34

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の流路内の圧力波を検出する圧力波
   センサと、 前記圧力波センサで検出された圧力波から雑音を除去し
   てキャビテーション気泡崩壊による衝撃波形を取り出す
   ハイパスフィルタと、 前記ハイパスフィルタを通過した衝撃波形をサンプリン
   グしてサンプル値を抽出するサンプリング部と、 所定の検出時間内に検出された前記サンプル値を基にキ
   ャビテーション強度を求めてキャビテーションによる壊
   食量を評価する演算部とを有することを特徴とする壊食
   量評価システム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の壊食量評価システムを
   備え、流路を構成する部品に前記圧力波センサが取り付
   けられていることを特徴とする流体機械。
3. 【請求項３】 薄肉平板状の圧電素子と、 該圧電素子の両面に該圧電素子に対して面対称になるよ
   うにそれぞれ取り付けられた金属製の感圧板とを備えた
   ことを特徴とするキャビテーションセンサ。
4. 【請求項４】 流体の流路壁の表面に所定の深さの溝が
   形成され、この溝の内側に該溝に囲まれた台座状の圧電
   素子取付部が形成され、該圧電素子取付部に薄肉平板状
   の圧電素子が感圧面をほぼ流路壁の表面と面一に取り付
   けられていることを特徴とするキャビテーションセン
   サ。
5. 【請求項５】 前記感圧板の厚さ又は前記圧電素子取付
   部の高さが３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項３
   又は４に記載のキャビテーションセンサ。
6. 【請求項６】 前記圧電素子の感圧面の面積が２．５〜
   １５ｍｍ²であることを特徴とする請求項３ないし５の
   いずれかに記載のキャビテーションセンサ。