JPH11295009A - 軸変位検出計およびその製作方法 - Google Patents
軸変位検出計およびその製作方法Info
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- JPH11295009A JPH11295009A JP9870798A JP9870798A JPH11295009A JP H11295009 A JPH11295009 A JP H11295009A JP 9870798 A JP9870798 A JP 9870798A JP 9870798 A JP9870798 A JP 9870798A JP H11295009 A JPH11295009 A JP H11295009A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】回転機器を安全に運転するため回転軸に磁気を
用いた軸変位検出計を付け、その検出感度を最適状態に
する条件を定めた。 【解決手段】インピーダンスＺ1 及びＺ2 で表される２
組の検出コイルと、インピーダンスＺ3 及びＺ4 で表さ
れる２組の測定コイルを有するトランスとからブリッジ
回路を構成し、検出対象の軸変位を検出する軸変位検出
計において、前記２組の検出コイルのインピーダンスＺ
1 ，Ｚ2 と、前記トランスの各測定コイルのインピーダ
ンスＺ3 ，Ｚ4 の比が、０.６＜Ｚ3／Ｚ1，Ｚ4／Ｚ2＜
２.０の範囲にあることを特徴とする。 【効果】検出感度が高く、特性の優れた軸変位検出計を
構成することが可能となる。
用いた軸変位検出計を付け、その検出感度を最適状態に
する条件を定めた。 【解決手段】インピーダンスＺ1 及びＺ2 で表される２
組の検出コイルと、インピーダンスＺ3 及びＺ4 で表さ
れる２組の測定コイルを有するトランスとからブリッジ
回路を構成し、検出対象の軸変位を検出する軸変位検出
計において、前記２組の検出コイルのインピーダンスＺ
1 ，Ｚ2 と、前記トランスの各測定コイルのインピーダ
ンスＺ3 ，Ｚ4 の比が、０.６＜Ｚ3／Ｚ1，Ｚ4／Ｚ2＜
２.０の範囲にあることを特徴とする。 【効果】検出感度が高く、特性の優れた軸変位検出計を
構成することが可能となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、大型発電機やター
ビンなどの回転機器を安全に運転するために、回転軸の
変位や、ぶれを監視する軸変位検出計に関し、特に、変
位を電気信号として取り出す検出部の電気回路に関する
ものである。
ビンなどの回転機器を安全に運転するために、回転軸の
変位や、ぶれを監視する軸変位検出計に関し、特に、変
位を電気信号として取り出す検出部の電気回路に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】大型発電機やタービンなどの回転機器
は、起動時や出力を変更した場合に、機器構造部に発生
する応力や温度が変化し、ケースや固定子などの固定部
材、また回転子やブレードなどの回転部材の各部材自体
の寸法や、固定部材と回転部材間の相対寸法が変化す
る。このような寸法変化は、回転機器の負荷及び出力に
密接な関係があるため、回転機器を安全に運転するため
には回転機器の回転軸の変位を監視することは非常に重
要である。
は、起動時や出力を変更した場合に、機器構造部に発生
する応力や温度が変化し、ケースや固定子などの固定部
材、また回転子やブレードなどの回転部材の各部材自体
の寸法や、固定部材と回転部材間の相対寸法が変化す
る。このような寸法変化は、回転機器の負荷及び出力に
密接な関係があるため、回転機器を安全に運転するため
には回転機器の回転軸の変位を監視することは非常に重
要である。
【０００３】また、定常運転状態でも、長期使用された
回転機器は構造的な変形が発生したり、電気的な絶縁劣
化で局部発熱をしていることがある。このような事故に
つながる恐れのある要因を早期に発見することは、重大
事故を防止するために必要なことである。
回転機器は構造的な変形が発生したり、電気的な絶縁劣
化で局部発熱をしていることがある。このような事故に
つながる恐れのある要因を早期に発見することは、重大
事故を防止するために必要なことである。
【０００４】従来、回転軸の変位を検出する手段とし
て、図２に示す磁気的な方法や、図示しないレーザを使
用した光学的な方法が使用されている。一般的には、取
り付け環境やセンサの大きさなどから磁気的な方法が使
用されている。
て、図２に示す磁気的な方法や、図示しないレーザを使
用した光学的な方法が使用されている。一般的には、取
り付け環境やセンサの大きさなどから磁気的な方法が使
用されている。
【０００５】図２に示す磁気的な方法では、回転軸２を
軸受け３で固定するようにした一般的な回転機器１で
は、回転軸２の変位を軸変位検出計にて検出するように
している。軸変位検出計は、回転子４と固定子５が収納
された室とはケーシング６で仕切られた軸端部に収納さ
れている。
軸受け３で固定するようにした一般的な回転機器１で
は、回転軸２の変位を軸変位検出計にて検出するように
している。軸変位検出計は、回転子４と固定子５が収納
された室とはケーシング６で仕切られた軸端部に収納さ
れている。
【０００６】軸変位検出計は、回転軸２と同じ方向の変
位を測定する軸伸差計センサ７と、回転軸２の偏芯を測
定する偏芯計センサ８がある。軸伸差計センサ７は、回
転軸２に強磁性体の変位板９を付けて磁気回路を構成
し、検出が容易にできるようにしている。
位を測定する軸伸差計センサ７と、回転軸２の偏芯を測
定する偏芯計センサ８がある。軸伸差計センサ７は、回
転軸２に強磁性体の変位板９を付けて磁気回路を構成
し、検出が容易にできるようにしている。
【０００７】なお、図２においては、軸伸差計センサ７
および偏芯計センサ８は、各一つずつしか示さないが、
実際にはそれぞれ二つのセンサの組合せからなり、軸伸
差計センサ７は変位板９を中心に、偏芯計センサ８は回
転軸２を中心にそれぞれ対向して備えられている。
および偏芯計センサ８は、各一つずつしか示さないが、
実際にはそれぞれ二つのセンサの組合せからなり、軸伸
差計センサ７は変位板９を中心に、偏芯計センサ８は回
転軸２を中心にそれぞれ対向して備えられている。
【０００８】軸伸差計センサ７および偏芯計センサ８の
各軸変位検出計は、コイルと鉄芯からなる簡単な磁気回
路である。図５に軸伸差計センサ７の構成例を示す。軸
伸差計センサ７は、コイル１１と鉄芯１２からなる２組
の磁気回路（以下、単にセンサともいう）が変位検出対
象である変位板９の両側に取り付けられており、それぞ
れのセンサと変位板９の距離（空隙）はｌ1 とｌ2 で表
される。この構成は、偏芯計センサ８においても変位検
出対象が回転軸２となるだけで、他は共通である。
各軸変位検出計は、コイルと鉄芯からなる簡単な磁気回
路である。図５に軸伸差計センサ７の構成例を示す。軸
伸差計センサ７は、コイル１１と鉄芯１２からなる２組
の磁気回路（以下、単にセンサともいう）が変位検出対
象である変位板９の両側に取り付けられており、それぞ
れのセンサと変位板９の距離（空隙）はｌ1 とｌ2 で表
される。この構成は、偏芯計センサ８においても変位検
出対象が回転軸２となるだけで、他は共通である。
【０００９】従来、上記の磁気回路を用いての変位検出
は、変位板９と軸伸差計センサ７間、または回転軸２と
偏芯計センサ８間の空隙の変化を、コイルのインピーダ
ンスωＬの変化とし、検出回路として、図３に示すよう
な対向する２つのセンサのインピーダンスωＬと任意の
抵抗Ｒによってブリッジ回路を構成し、交流電源１０で
励起して空隙の変化を電気信号出力ｅｓとして検出して
いた。定常運転時はそれぞれの空隙は、ｌ1 ＝ｌ2 とな
っており、各センサのインピーダンスωＬの差によって
生じる出力ｅｓは“０”である。変位が発生した場合
は、図３に示すような検出回路では、空隙の変化を示す
変位Δと出力ｅｓの関係が図４に示すように正の出力だ
けとなり、定常運転時の変位に比べて、伸びているの
か、縮んでいるのか不明であった。
は、変位板９と軸伸差計センサ７間、または回転軸２と
偏芯計センサ８間の空隙の変化を、コイルのインピーダ
ンスωＬの変化とし、検出回路として、図３に示すよう
な対向する２つのセンサのインピーダンスωＬと任意の
抵抗Ｒによってブリッジ回路を構成し、交流電源１０で
励起して空隙の変化を電気信号出力ｅｓとして検出して
いた。定常運転時はそれぞれの空隙は、ｌ1 ＝ｌ2 とな
っており、各センサのインピーダンスωＬの差によって
生じる出力ｅｓは“０”である。変位が発生した場合
は、図３に示すような検出回路では、空隙の変化を示す
変位Δと出力ｅｓの関係が図４に示すように正の出力だ
けとなり、定常運転時の変位に比べて、伸びているの
か、縮んでいるのか不明であった。
【００１０】このため、これらの問題を解決して効率よ
く変位電気信号を得ることができる検出回路として、図
１に示す回路がある。
く変位電気信号を得ることができる検出回路として、図
１に示す回路がある。
【００１１】図１では、コイルと鉄芯からなるセンサ２
４，２５は、回転軸２や変位板９の変位測定対象２３の
両側に備えられる磁気回路であり、変位測定対象２３と
の空隙によって定まるそれぞれのインピーダンスが
Ｚ1 ，Ｚ2 として示される。そのインピーダンスＺ1 ，
Ｚ2 は下式のように表される。
４，２５は、回転軸２や変位板９の変位測定対象２３の
両側に備えられる磁気回路であり、変位測定対象２３と
の空隙によって定まるそれぞれのインピーダンスが
Ｚ1 ，Ｚ2 として示される。そのインピーダンスＺ1 ，
Ｚ2 は下式のように表される。
【００１２】
【数１】 Ｚ1＝ωＬ1＝（ω４πμｓＮＳ／ｌ1）×１０-7＝ｋ／ｌ1 …（１）
【００１３】
【数２】 Ｚ2＝ωＬ2＝（ω４πμｓＮＳ／ｌ2）×１０-7＝ｋ／ｌ2 …（２） Ｌ1 ，Ｌ2 ：自己インダクタンス、μｓ：鉄芯の非透磁率 Ｎ：コイルの巻数、 Ｓ：コイルの断面積 ｋ：巻数等のセンサの固有の数値、及び電源周波数による固定値 （１）式，（２）式から、インピーダンスＺ1 ，Ｚ2 は
それぞれの空隙ｌ1 ，ｌ2 に反比例することが分かる。
それぞれの空隙ｌ1 ，ｌ2 に反比例することが分かる。
【００１４】更に図１においては、各センサとブリッジ
を構成するためのコイルを備えたトランス（以下、セン
シングトランスＴ1１３ とする）が備えられ、磁気回路
である二つのセンサ２４，２５と並列接続される。セン
シングトランスＴ1１３ には、インピーダンスＺ3 ，Ｚ
4 である２つの巻線を有し、励磁トランスＴ2１４ の２
次出力コイル１６により交流励磁される。励磁トランス
Ｔ2１４ の２次出力コイル１６は、１次コイル１５を介
して交流電源１０より印加される。Ｚ1 ，Ｚ2と並列接
続され、中点がＺ1 ，Ｚ2 の接続点と繋がれているボリ
ウム１７は、交流ブリッジの各辺のインピーダンス差に
よる位相補正用のボリウムで、ゼロ点調整が完全にでき
るようにするためのものである。ボリウム１７には、２
次出力コイル１６から、Ｚ1とＺ2の接続点方向へ流れる
センサ電流の１／１０〜１／３０の位相補正用電流が流
される。また、Ｚ3 とＺ4 の励磁は互いに逆励磁となる
ように、Ｚ3 とＺ4 の中点から励磁電流が流される。
を構成するためのコイルを備えたトランス（以下、セン
シングトランスＴ1１３ とする）が備えられ、磁気回路
である二つのセンサ２４，２５と並列接続される。セン
シングトランスＴ1１３ には、インピーダンスＺ3 ，Ｚ
4 である２つの巻線を有し、励磁トランスＴ2１４ の２
次出力コイル１６により交流励磁される。励磁トランス
Ｔ2１４ の２次出力コイル１６は、１次コイル１５を介
して交流電源１０より印加される。Ｚ1 ，Ｚ2と並列接
続され、中点がＺ1 ，Ｚ2 の接続点と繋がれているボリ
ウム１７は、交流ブリッジの各辺のインピーダンス差に
よる位相補正用のボリウムで、ゼロ点調整が完全にでき
るようにするためのものである。ボリウム１７には、２
次出力コイル１６から、Ｚ1とＺ2の接続点方向へ流れる
センサ電流の１／１０〜１／３０の位相補正用電流が流
される。また、Ｚ3 とＺ4 の励磁は互いに逆励磁となる
ように、Ｚ3 とＺ4 の中点から励磁電流が流される。
【００１５】このような構成の検出器出力のｅｓは、セ
ンシングトランスＴ1１３ の２次コイルから得られる。
交流の出力ｅｓは、交流電源周波数で同期整流する整流
器１８とコンデンサ１９で直流化され、加算器２０で基
準電圧２１と加減算されて、正規な変位信号Ｅｓに変換
される。
ンシングトランスＴ1１３ の２次コイルから得られる。
交流の出力ｅｓは、交流電源周波数で同期整流する整流
器１８とコンデンサ１９で直流化され、加算器２０で基
準電圧２１と加減算されて、正規な変位信号Ｅｓに変換
される。
【００１６】センシングトランスを使用する目的は次の
３点である。
３点である。
【００１７】（１）Ｚ1〜Ｚ4のインピーダンスの温度変
化の影響を低減。
化の影響を低減。
【００１８】（２）強電回転機器から受ける電気ノイズ
の低減。
の低減。
【００１９】（３）センシング部と信号回路のアイソレ
ーション（絶縁）。
ーション（絶縁）。
【００２０】上記に示す検出回路によって得られた変位
信号Ｅｓと、変位測定対象２３（回転軸２，変位板９）
とセンサ２４，２５との空隙差１1−１2の関係は、図６
に示す様な関係となり、負の変位も測定でき、変位の増
減の様子がＥｓから変位を計測できる。従って、また、
システム制御機器と組み合わせ、回転機器の安全な運転
制御が可能となる。
信号Ｅｓと、変位測定対象２３（回転軸２，変位板９）
とセンサ２４，２５との空隙差１1−１2の関係は、図６
に示す様な関係となり、負の変位も測定でき、変位の増
減の様子がＥｓから変位を計測できる。従って、また、
システム制御機器と組み合わせ、回転機器の安全な運転
制御が可能となる。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
図１に示す検出回路では、変位板の材質や形状，据え付
け寸法が変わるとセンサのインピーダンス比が変化し、
それにより出力も変化するため、軸変位検出計を組み込
む回転機器毎に出力特性が異なり、回転機器によっては
Ｓ／Ｎ比の著しい低下などが生じていた。
図１に示す検出回路では、変位板の材質や形状，据え付
け寸法が変わるとセンサのインピーダンス比が変化し、
それにより出力も変化するため、軸変位検出計を組み込
む回転機器毎に出力特性が異なり、回転機器によっては
Ｓ／Ｎ比の著しい低下などが生じていた。
【００２２】また、従来は図１の検出回路の電源周波数
として、５０Ｈｚの周波数を用いていたが、商用電源の
周波数と同じであるため、ノイズを受けたり、ビートが
発生したり問題が多かった。他の周波数にする場合にお
いても、様々な条件に対する検出回路の特性が不明なた
め、出力低下、及びそれによるＳ／Ｎ比の低下等を招く
場合が生じ、電源周波数の変更が難しかった。
として、５０Ｈｚの周波数を用いていたが、商用電源の
周波数と同じであるため、ノイズを受けたり、ビートが
発生したり問題が多かった。他の周波数にする場合にお
いても、様々な条件に対する検出回路の特性が不明なた
め、出力低下、及びそれによるＳ／Ｎ比の低下等を招く
場合が生じ、電源周波数の変更が難しかった。
【００２３】そこで本発明においては、上記の課題を解
決するため、以下のことを検討する。
決するため、以下のことを検討する。
【００２４】１）センサの最適感度や特性を得るセンサ
ブリッジのインピーダンスＺ1 ，Ｚ2とセンシングトラ
ンスのインピーダンスＺ3 ，Ｚ4 の関係を明らかにす
る。
ブリッジのインピーダンスＺ1 ，Ｚ2とセンシングトラ
ンスのインピーダンスＺ3 ，Ｚ4 の関係を明らかにす
る。
【００２５】２）また、空隙ｌとインピーダンスＺの直
線関係を保つため、センサと変位測定対象の空隙ｌと電
源周波数ｆの最適条件を求めるための相互関係を明らか
にする。
線関係を保つため、センサと変位測定対象の空隙ｌと電
源周波数ｆの最適条件を求めるための相互関係を明らか
にする。
【００２６】本発明は、上記の検討事項に基づいた軸変
位検出計及びその製作方法を提供することを目的とす
る。
位検出計及びその製作方法を提供することを目的とす
る。
【００２７】
【課題を解決するための手段】上記目的における本発明
の特徴は、インピーダンスＺ1 及びＺ2 で表される２組
の検出コイルと、インピーダンスＺ3 及びＺ4 で表され
る２組の測定コイルを有するトランスとからブリッジ回
路を構成し、検出対象の軸変位を検出する軸変位検出計
において、前記２組の検出コイルのインピーダンス
Ｚ1 ，Ｚ2 と、前記トランスの各測定コイルのインピー
ダンスＺ3 ，Ｚ4 の比を、０.６＜Ｚ3／Ｚ1，Ｚ4／Ｚ2
＜２.０ の範囲にすること、である。
の特徴は、インピーダンスＺ1 及びＺ2 で表される２組
の検出コイルと、インピーダンスＺ3 及びＺ4 で表され
る２組の測定コイルを有するトランスとからブリッジ回
路を構成し、検出対象の軸変位を検出する軸変位検出計
において、前記２組の検出コイルのインピーダンス
Ｚ1 ，Ｚ2 と、前記トランスの各測定コイルのインピー
ダンスＺ3 ，Ｚ4 の比を、０.６＜Ｚ3／Ｚ1，Ｚ4／Ｚ2
＜２.０ の範囲にすること、である。
【００２８】また更には、比透磁率μｓ，電気抵抗率ρ
である検出対象と、インピーダンスＺ1及びＺ2で表され
る２組の検出コイルと、インピーダンスＺ3及びＺ4で表
される２組の測定コイルを有するトランスとからブリッ
ジ回路を構成し、検出対象の軸変位を検出する軸変位検
出計において、当該軸変位検出計の電源周波数ｆを設定
し、当該設定された電源周波数ｆに基づき、ｌ＝（２ρ
μｓ／２πｆ)1/2の関係式により前記検出対象と前記検
出コイルとの空隙ｌを設定し、当該空隙ｌに基づき、前
記検出センサ及び測定センサのインピーダンスを０.６
＜Ｚ3／Ｚ1，Ｚ4／Ｚ2＜２.０となる範囲で、コイルの
巻数調整等により設定すること、である。
である検出対象と、インピーダンスＺ1及びＺ2で表され
る２組の検出コイルと、インピーダンスＺ3及びＺ4で表
される２組の測定コイルを有するトランスとからブリッ
ジ回路を構成し、検出対象の軸変位を検出する軸変位検
出計において、当該軸変位検出計の電源周波数ｆを設定
し、当該設定された電源周波数ｆに基づき、ｌ＝（２ρ
μｓ／２πｆ)1/2の関係式により前記検出対象と前記検
出コイルとの空隙ｌを設定し、当該空隙ｌに基づき、前
記検出センサ及び測定センサのインピーダンスを０.６
＜Ｚ3／Ｚ1，Ｚ4／Ｚ2＜２.０となる範囲で、コイルの
巻数調整等により設定すること、である。
【００２９】
【発明の実施の形態】本発明においては、軸伸差計セン
サ７および偏芯計センサ８の各軸変位検出計のインピー
ダンスＺ1 ，Ｚ2 と、センシングトランスの有する２つ
の巻線のインピーダンスＺ3 ，Ｚ4 のそれぞれの関係に
ついて、種々の検討を行った。以下にその検証について
示す。
サ７および偏芯計センサ８の各軸変位検出計のインピー
ダンスＺ1 ，Ｚ2 と、センシングトランスの有する２つ
の巻線のインピーダンスＺ3 ，Ｚ4 のそれぞれの関係に
ついて、種々の検討を行った。以下にその検証について
示す。
【００３０】図１の検出回路において、センシングトラ
ンスＴ1１３ の出力ｅｓは、キルヒホッフの法則により
求めれば以下のようになる。
ンスＴ1１３ の出力ｅｓは、キルヒホッフの法則により
求めれば以下のようになる。
【００３１】まず、センサ電流からセンサ２４の方向へ
流れる電流ｉ1 、およびセンサ２５の方向へ流れる電流
ｉ2 は、それぞれｉ1＝ｅ／（Ｚ1＋Ｚ3），ｉ2＝ｅ／
（Ｚ2＋Ｚ4）となる。また、センシングトランスＴ1１
３の１次側の電圧Ｅは、Ｅ＝ｉ1Ｚ3−ｉ2Ｚ4で求められ
る。そこで、これらの関係から、Ｅ＝ｅ・（Ｚ2・Ｚ3−
Ｚ1・Ｚ4）／（(Ｚ1＋Ｚ3)・(Ｚ2＋Ｚ4)）という式が得
られる。
流れる電流ｉ1 、およびセンサ２５の方向へ流れる電流
ｉ2 は、それぞれｉ1＝ｅ／（Ｚ1＋Ｚ3），ｉ2＝ｅ／
（Ｚ2＋Ｚ4）となる。また、センシングトランスＴ1１
３の１次側の電圧Ｅは、Ｅ＝ｉ1Ｚ3−ｉ2Ｚ4で求められ
る。そこで、これらの関係から、Ｅ＝ｅ・（Ｚ2・Ｚ3−
Ｚ1・Ｚ4）／（(Ｚ1＋Ｚ3)・(Ｚ2＋Ｚ4)）という式が得
られる。
【００３２】センシングトランスＴ1１３ の２次側の出
力ｅｓにおいてもインピーダンスの関係は変わらないの
で、以下の式が得られる。
力ｅｓにおいてもインピーダンスの関係は変わらないの
で、以下の式が得られる。
【００３３】
【数３】 ｅｓ＝ｋ1・(Ｚ2・Ｚ3−Ｚ1・Ｚ4)／((Ｚ1＋Ｚ3)・(Ｚ2＋Ｚ4)) …（３） ｋ1：任意の係数 ただし、センシングトランスＴ1１３ の２つの巻線
Ｚ3 ，Ｚ4 は同じインピーダンスで作るために、Ｚ3＝
Ｚ4、の条件があり、また、センサ間の空隙は回転軸の
変位があっても一定であるため、センサのインピーダン
スＺ1 とＺ2 は、Ｚ1＋Ｚ2＝一定、の条件がある。従っ
て（３）式は、下記のようになる。
Ｚ3 ，Ｚ4 は同じインピーダンスで作るために、Ｚ3＝
Ｚ4、の条件があり、また、センサ間の空隙は回転軸の
変位があっても一定であるため、センサのインピーダン
スＺ1 とＺ2 は、Ｚ1＋Ｚ2＝一定、の条件がある。従っ
て（３）式は、下記のようになる。
【００３４】
【数４】 ｅｓ＝ｋ1・Ｚ3(Ｚ2−Ｚ1)／((Ｚ1＋Ｚ3)・(Ｚ2＋Ｚ3)) …（４）
上式において、各Ｚ１ 〜Ｚ4 へ、Ｚ3 ／Ｚ1 ，Ｚ4 ／
Ｚ2 となるブリッジインピーダンス比が、それぞれ０.
１から４.０となるように数値を代入して出力ｅｓを求
めた結果を図７に示す。この結果から、出力信号ｅｓを
最も大きく得るためには、図７からも分かるように、ブ
リッジインピーダンス比が、Ｚ3／Ｚ1＝Ｚ4／Ｚ2 ＝１
となる状態である。実用的には、Ｓ／Ｎ比の良好な範囲
として出力ｅｓは約９０％以上であれば良いと考えられ
るので（出力信号ｅｓが低い場合、後段の信号処理でよ
り大きな増幅を行わなければならないが、出力信号と同
時にノイズ成分も増幅されてしまい、Ｓ／Ｎ比は改善さ
れない。）、図７によれば、０.６＜Ｚ3／Ｚ1，Ｚ4／Ｚ
2＜２.０であれば、９０％以上の出力が得られることが
分かった。
上式において、各Ｚ１ 〜Ｚ4 へ、Ｚ3 ／Ｚ1 ，Ｚ4 ／
Ｚ2 となるブリッジインピーダンス比が、それぞれ０.
１から４.０となるように数値を代入して出力ｅｓを求
めた結果を図７に示す。この結果から、出力信号ｅｓを
最も大きく得るためには、図７からも分かるように、ブ
リッジインピーダンス比が、Ｚ3／Ｚ1＝Ｚ4／Ｚ2 ＝１
となる状態である。実用的には、Ｓ／Ｎ比の良好な範囲
として出力ｅｓは約９０％以上であれば良いと考えられ
るので（出力信号ｅｓが低い場合、後段の信号処理でよ
り大きな増幅を行わなければならないが、出力信号と同
時にノイズ成分も増幅されてしまい、Ｓ／Ｎ比は改善さ
れない。）、図７によれば、０.６＜Ｚ3／Ｚ1，Ｚ4／Ｚ
2＜２.０であれば、９０％以上の出力が得られることが
分かった。
【００３５】また（４）式に、変位測定対象と各センサ
間の空隙ｌ1，ｌ2を通常の位置から（ｌ1＝ｌ2となる位
置）から最大３０％分変化させたときのＺ1 ，Ｚ2 を代
入し、更にＺ1 に対して、Ｚ3 を２倍，１倍，０.５倍
としたときの値を代入した際の出力信号を用いて、下式
により直線性を求めた結果を図８に示す。
間の空隙ｌ1，ｌ2を通常の位置から（ｌ1＝ｌ2となる位
置）から最大３０％分変化させたときのＺ1 ，Ｚ2 を代
入し、更にＺ1 に対して、Ｚ3 を２倍，１倍，０.５倍
としたときの値を代入した際の出力信号を用いて、下式
により直線性を求めた結果を図８に示す。
【００３６】
【数５】
【００３７】図８では、横軸である軸の伸び／偏差が±
１００％のとき、変位測定対象が通常の位置から±３０
％変化しているときに相当する。ここで求められた直線
性は、変化が小さいほど測定精度が高いことを示し、直
線性の良い条件が判明すれば、検出誤差をできるだけ小
とすることが可能となる。図８によれば、直線性はＺ3
／Ｚ1，Ｚ4／Ｚ2のインピーダンス比の影響を受け、イ
ンピーダンス比が大きいほど直線性が小さくなることが
判った。
１００％のとき、変位測定対象が通常の位置から±３０
％変化しているときに相当する。ここで求められた直線
性は、変化が小さいほど測定精度が高いことを示し、直
線性の良い条件が判明すれば、検出誤差をできるだけ小
とすることが可能となる。図８によれば、直線性はＺ3
／Ｚ1，Ｚ4／Ｚ2のインピーダンス比の影響を受け、イ
ンピーダンス比が大きいほど直線性が小さくなることが
判った。
【００３８】以上の図７と図８の検証を合わせれば、Ｚ
3／Ｚ1，Ｚ4／Ｚ2のインピーダンス比は、ほぼ「２.０」
であれば、最も測定精度が高く、また実用上問題ない範
囲で出力信号ｅｓを得られることが分かった。
3／Ｚ1，Ｚ4／Ｚ2のインピーダンス比は、ほぼ「２.０」
であれば、最も測定精度が高く、また実用上問題ない範
囲で出力信号ｅｓを得られることが分かった。
【００３９】尚、上記の検証において、仮定した数値を
代入することで様々にインピーダンスを変化させたが、
実際の軸変位検出計においても、センサのインピーダン
スを最適値にするために、コイル巻数で調整を行うこと
が、最も容易に最適インピーダンス比を実現する事がで
きる。
代入することで様々にインピーダンスを変化させたが、
実際の軸変位検出計においても、センサのインピーダン
スを最適値にするために、コイル巻数で調整を行うこと
が、最も容易に最適インピーダンス比を実現する事がで
きる。
【００４０】なお、ｌ1，ｌ2の変化とＺ1 ，Ｚ2 の関係
をリニアにするためには、図５に示すコイルが発生する
磁束２２が通る磁気回路に注意する必要がある。即ち、
コイルは数１０Ｈｚから１ｋＨｚの交流電源で励起され
るため、鉄芯１２はケイ素鋼板などの強磁性体を積層し
て作るが、回転軸２や変位板９は磁性体ではあっても、
鉄芯１２と同様の材質と構造ではないことが多い。した
がって、回転軸２や変位板９の材質によっては交流の磁
束２２が変位板９に入り込み、磁気回路を構成しようと
しても渦電流による磁気反作用により磁束２２が排除さ
れることがある。一般に、回転軸２や変位板９に交流の
磁束２２が浸透する深さδは下式で表される。浸透深さ
の定義は、磁束密度が表面の値１／ｅになる深さで、ｅ
は自然対数の底である。
をリニアにするためには、図５に示すコイルが発生する
磁束２２が通る磁気回路に注意する必要がある。即ち、
コイルは数１０Ｈｚから１ｋＨｚの交流電源で励起され
るため、鉄芯１２はケイ素鋼板などの強磁性体を積層し
て作るが、回転軸２や変位板９は磁性体ではあっても、
鉄芯１２と同様の材質と構造ではないことが多い。した
がって、回転軸２や変位板９の材質によっては交流の磁
束２２が変位板９に入り込み、磁気回路を構成しようと
しても渦電流による磁気反作用により磁束２２が排除さ
れることがある。一般に、回転軸２や変位板９に交流の
磁束２２が浸透する深さδは下式で表される。浸透深さ
の定義は、磁束密度が表面の値１／ｅになる深さで、ｅ
は自然対数の底である。
【００４１】
【数６】 δ＝（２ρ／μｓω)1/2 …（６） ただし、ρは回転軸２若しくは変位板９の電気抵抗率、
μｓは比透磁率、ωは２πｆでｆは交流電源の周波数で
ある。
μｓは比透磁率、ωは２πｆでｆは交流電源の周波数で
ある。
【００４２】鉄芯１２を通った磁束２２は磁極から空隙
ｌ（ｌ1，ｌ2）を経由して回転軸２や変位板９に入る
が、最も効率良く磁束２２を回転軸２や変位板９に入れ
るためには、鉄芯１２の断面積が空隙ｌの２乗の値であ
ることが一般にいわれている。従って、回転軸２や変位
板９に入る面での磁束２２の広がり（面積）は、ほぼｌ
2 になる。
ｌ（ｌ1，ｌ2）を経由して回転軸２や変位板９に入る
が、最も効率良く磁束２２を回転軸２や変位板９に入れ
るためには、鉄芯１２の断面積が空隙ｌの２乗の値であ
ることが一般にいわれている。従って、回転軸２や変位
板９に入る面での磁束２２の広がり（面積）は、ほぼｌ
2 になる。
【００４３】また、回転軸２や変位板９内の磁束通過面
積は、鉄芯１２の奥行き方向の長さと磁束２２の浸透深
さδの積で表される。鉄芯１２は、加工の行い易さ，コ
イルの巻き易さ等の理由から、最も製作しやすい形状
は、断面積が正方形のものである。従って、鉄芯１２の
奥行き方向の長さを「ｌ」とすると、製作面も含めて最
も有効な軸変位検出計の磁束通過面積は、「ｌ×δ」と
なる。
積は、鉄芯１２の奥行き方向の長さと磁束２２の浸透深
さδの積で表される。鉄芯１２は、加工の行い易さ，コ
イルの巻き易さ等の理由から、最も製作しやすい形状
は、断面積が正方形のものである。従って、鉄芯１２の
奥行き方向の長さを「ｌ」とすると、製作面も含めて最
も有効な軸変位検出計の磁束通過面積は、「ｌ×δ」と
なる。
【００４４】したがって、上記の磁束２２の広がりと、
回転軸２や変位板９内の磁束通過面積との関係は、回転
軸２や変位板９内では比透磁率μｓ倍だけ多く磁束を通
らせるため、下式が成り立つ。
回転軸２や変位板９内の磁束通過面積との関係は、回転
軸２や変位板９内では比透磁率μｓ倍だけ多く磁束を通
らせるため、下式が成り立つ。
【００４５】
【数７】 ｌ2＝μｓ・δ・ｌ …（７） また更に、（７）式に（６）式を用いることで下式のよ
うに、空隙ｌと電源周波数ｆの関係が成り立つ。
うに、空隙ｌと電源周波数ｆの関係が成り立つ。
【００４６】
【数８】 ｌ＝μｓ・δ＝（２ρμｓ／ω)1/2 ＝（２ρμｓ／２πｆ)1/2 …（８） 尚、（８）式における空隙ｌは、軸変位検出計の有する
それぞれのセンサの空隙ｌ1，ｌ2の最大値である。
それぞれのセンサの空隙ｌ1，ｌ2の最大値である。
【００４７】（８）式から、使用する電源周波数によっ
て、適切な空隙ｌを求めることが可能となる。
て、適切な空隙ｌを求めることが可能となる。
【００４８】最適な空隙ｌが定まることにより、最も高
出力・高精度が望める軸変位検出計を製作する方法を得
ることができる。
出力・高精度が望める軸変位検出計を製作する方法を得
ることができる。
【００４９】即ち、ブリッジ回路を構成する４組の各セ
ンサは、何れもコイルとコアとなる鉄芯で構成されてい
ることから、まず、インピーダンスＺ1 ，Ｚ2 で表され
るセンサ２３，２４について、前述のように「Ｚ＝ｋ／
ｌ」で定義される（１）式及び（２）式により、各セン
サ毎の固有値ｋを調整することで、インピーダンス
Ｚ1 ，Ｚ2 を設定する。具体的には、固有値ｋは、コイ
ルの巻数や鉄芯の断面積・比透磁率等で定まるものであ
るから、これらの要素（例えばコイルの巻数）を調整し
ていくことで、所望のインピーダンスとなるようにセン
サを構成することができる。
ンサは、何れもコイルとコアとなる鉄芯で構成されてい
ることから、まず、インピーダンスＺ1 ，Ｚ2 で表され
るセンサ２３，２４について、前述のように「Ｚ＝ｋ／
ｌ」で定義される（１）式及び（２）式により、各セン
サ毎の固有値ｋを調整することで、インピーダンス
Ｚ1 ，Ｚ2 を設定する。具体的には、固有値ｋは、コイ
ルの巻数や鉄芯の断面積・比透磁率等で定まるものであ
るから、これらの要素（例えばコイルの巻数）を調整し
ていくことで、所望のインピーダンスとなるようにセン
サを構成することができる。
【００５０】そして、定義されたインピーダンスＺ1 ，
Ｚ2 を基に、センシングトランスＴ1１３ のインピーダ
ンスＺ3 ，Ｚ4 について、コイルの巻数等に調整を行
い、各センサのインピーダンスの比が、０.６＜Ｚ3／Ｚ
1，Ｚ4／Ｚ2＜２.０の範囲となるように設定する。この
とき、前述のように、インピーダンス比をできるだけ
「２.０」と設定することにより、最も効率の良い出力
を得ることができる。
Ｚ2 を基に、センシングトランスＴ1１３ のインピーダ
ンスＺ3 ，Ｚ4 について、コイルの巻数等に調整を行
い、各センサのインピーダンスの比が、０.６＜Ｚ3／Ｚ
1，Ｚ4／Ｚ2＜２.０の範囲となるように設定する。この
とき、前述のように、インピーダンス比をできるだけ
「２.０」と設定することにより、最も効率の良い出力
を得ることができる。
【００５１】なお、センシングトランスＴ1１３ のイン
ピーダンスＺ3 ，Ｚ4 は、前述のように、Ｚ3＝Ｚ4の定
義がある。従って、インピーダンス比の調整は、センサ
２３，２４のインピーダンスＺ1 ，Ｚ2 で行う方が、調
整が容易になる。
ピーダンスＺ3 ，Ｚ4 は、前述のように、Ｚ3＝Ｚ4の定
義がある。従って、インピーダンス比の調整は、センサ
２３，２４のインピーダンスＺ1 ，Ｚ2 で行う方が、調
整が容易になる。
【００５２】上記の如く製作を行うことにより、軸変位
検出計の使用条件において、最も出力信号の大となるこ
とが期待できる、最適な軸変位検出計を製作することが
可能となる。
検出計の使用条件において、最も出力信号の大となるこ
とが期待できる、最適な軸変位検出計を製作することが
可能となる。
【００５３】
【発明の効果】上記の検証によれば、様々な材質や寸法
の回転機器に対しても検出感度が高い軸変位検出計を提
供することが可能となる。また、使用状況により最適な
電源周波数を選択したときにおいても、最も検出感度の
高い軸変位検出計およびその製作方法を提供することが
可能となる。
の回転機器に対しても検出感度が高い軸変位検出計を提
供することが可能となる。また、使用状況により最適な
電源周波数を選択したときにおいても、最も検出感度の
高い軸変位検出計およびその製作方法を提供することが
可能となる。
【図１】センサの回路構成を示す図である。
【図２】回転機器の軸端部を示す図である。
【図３】従来例の磁気回路を示す図である。
【図４】図３の回路における出力を示す図である。
【図５】軸伸差計センサの構造を示す図である。
【図６】図１の回路における出力を示す図である。
【図７】Ｚ3 ／Ｚ1 ，Ｚ4 ／Ｚ2 のブリッジインピーダ
ンス比を変化させたときの出力を示す図である。
ンス比を変化させたときの出力を示す図である。
【図８】Ｚ3 ／Ｚ1 を変化させた時の出力信号の直線性
を示す図である。
を示す図である。
１…回転機器、２…回転軸、３…軸受け、４…回転子、
５…固定子、６…ケーシング、７…軸変位計センサ、８
…偏芯計センサ、９…変位板、１０…交流電源、１１…
コイル、１２…鉄芯、１３…センシングトランスＴ1 、
１４…励磁トランスＴ2 、１５…１次コイル、１６…２
次出力コイル、１７…ボリウム、１８…整流器、１９…
コンデンサ、２０…加算器、２１…基準電源、２２…磁
束。
５…固定子、６…ケーシング、７…軸変位計センサ、８
…偏芯計センサ、９…変位板、１０…交流電源、１１…
コイル、１２…鉄芯、１３…センシングトランスＴ1 、
１４…励磁トランスＴ2 、１５…１次コイル、１６…２
次出力コイル、１７…ボリウム、１８…整流器、１９…
コンデンサ、２０…加算器、２１…基準電源、２２…磁
束。
Claims (2)
- 【請求項１】インピーダンスＺ1 及びＺ2 で表される２
組の検出コイルと、インピーダンスＺ3 及びＺ4 で表さ
れる２組の測定コイルを有するトランスとからブリッジ
回路を構成し、検出対象の軸変位を検出する軸変位検出
計において、 前記２組の検出コイルのインピーダンスＺ1 ，Ｚ2 と、
前記トランスの各測定コイルのインピーダンスＺ3 ，Ｚ
4 の比を、 ０.６＜Ｚ3／Ｚ1，Ｚ4／Ｚ2＜２.０ の範囲にすることを特徴とする軸変位検出計。 - 【請求項２】比透磁率μｓ，電気抵抗率ρである検出対
象と、インピーダンスＺ1 及びＺ2で表される２組の検
出コイルと、インピーダンスＺ3 及びＺ4 で表される２
組の測定コイルを有するトランスとからブリッジ回路を
構成し、検出対象の軸変位を検出する軸変位検出計にお
いて、 当該軸変位検出計の電源周波数ｆを設定し、 当該設定された電源周波数ｆに基づき、ｌ＝（２ρμｓ
／２πｆ)1/2の関係式により前記検出対象と前記検出コ
イルとの空隙ｌを設定し、 当該空隙ｌに基づき、前記検出センサ及び測定センサの
インピーダンスを0.6＜Ｚ3／Ｚ1，Ｚ4／Ｚ2＜２.０ と
なる範囲で、コイルの巻数調整等により設定することを
特徴とする軸変位検出計の製作方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9870798A JPH11295009A (ja) | 1998-04-10 | 1998-04-10 | 軸変位検出計およびその製作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9870798A JPH11295009A (ja) | 1998-04-10 | 1998-04-10 | 軸変位検出計およびその製作方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11295009A true JPH11295009A (ja) | 1999-10-29 |
Family
ID=14226993
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9870798A Pending JPH11295009A (ja) | 1998-04-10 | 1998-04-10 | 軸変位検出計およびその製作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11295009A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2663247C2 (ru) * | 2013-10-11 | 2018-08-03 | Мекос Аг | Бесконтактный датчик для определения смещений ротора |
| CN109416262A (zh) * | 2016-06-30 | 2019-03-01 | 罗伯特·博世有限公司 | 旋转角度传感器，用于该旋转角度传感器的定子元件以及转子元件 |
-
1998
- 1998-04-10 JP JP9870798A patent/JPH11295009A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2663247C2 (ru) * | 2013-10-11 | 2018-08-03 | Мекос Аг | Бесконтактный датчик для определения смещений ротора |
| CN109416262A (zh) * | 2016-06-30 | 2019-03-01 | 罗伯特·博世有限公司 | 旋转角度传感器，用于该旋转角度传感器的定子元件以及转子元件 |
| JP2019520577A (ja) * | 2016-06-30 | 2019-07-18 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングＲｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈ Ｇｍｂｈ | 回転角度センサ並びに回転角度センサ用のステータエレメント及びロータエレメント |
| CN109416262B (zh) * | 2016-06-30 | 2022-08-02 | 罗伯特·博世有限公司 | 旋转角度传感器，用于该旋转角度传感器的定子元件以及转子元件 |
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