JPS5833551Y2 - 物体の振動を測定する装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は物体の振動を測定する装置に係り、特に送信機
、受信機、位相比較回路、オ・よび表示装置とを備え、
被測定体に接触することなく物体の振動を測定する装置
に関する。

すなわち、本考案による装置は、送信機から位相比較回
路ならびに被測定物体へ送られる信号と、該物体から受
信機へ反射される信号と、を上記位相比較回路にむいて
比較し、該位相比較回路の出力に基いて物体の振動を測
定するように、構成されている。

タービンの振動を測定する公知の測定装置は、測定本体
、すなわち、タービンの回転子の外被面に触れずにその
外被面に近接して取り付けられる検出装置を有する。

回転子の回転中、測定本体と外被面との間の距離は振動
により変化するはずであり、前記距離の変化は絶えず測
定される。

このような測定装置での大きな問題点は、きわめて苛酷
な環境条件、すなわち、タービンの荷重に伴なって大幅
に変化する高温（５００℃）、高圧、および高湿が測定
本体に影響を及ぼすことである。

他の環境に適した他の方法、たとえば、光学法または音
響法は、この場合には使用することができない。

物体に触れずにその位置の変化を測定することが可能な
電気的方法の中で、容量法はこの場合、実用上の理由で
除去しなければならない。

これ筐ではタービンの振動を測定するのに、磁気抵抗筐
たはうず電流形の誘導法のみが使用されている。

他方では、回転子の大体の振動レベルをうるために、回
転子軸受の外部に取り付けられた加速度計タイプの振動
測定装置を使用することが知られている。

誘導検出装置、すなわち、測定体は一般に、高温に釦い
てはむづかしい材質上の問題を生じるいくつかの巻線を
もったコイルを有している。

高圧トよび高湿は測定体を良好な動作状態に保つのを困
難にする。

上述の条件の下では、測定体（エミッタ）の動作は不確
実である。

また、振動があるのに出力信号が作られず、これは物体
からエミッタ筐での距離、物体（回転子）の表面の材料
組成、釦よび温度によっても左右される。

本考案の目的は、上述のような欠点を解決することであ
る。

本考案による装置の特徴は前述した実用新案登録請求の
範囲に記載されている。

以下、本考案を付図について詳しく説明する。

第１図による装置は、送信機１１、受信機１２、位相比
較回路１３、増幅器１４、ネーよび表示装置１５を有す
る。

送信機１１（ｒｉ、送受信機の組合せから振動膜１０に
信号を送る。

前記膜１０は受信機１２に信号を反射し、位相比較回路
１３において送信された信号と反射された信号の位相角
が比較される。

膜１０の振幅がａ （ｔ）と呼ばれ、極限値±ａｍａＸ
を有するものとすれば、反射信号の全走行距離は平均走
行距離２１！ｏから±２ａ だけ変化する。

仮に、信号の波長がλで表わされると、反射信号の変化
は±２ａｍａＸ／λダイクルに相当し、従って反射信号
の位相変化は±βｍａｘ＝±２π・２ａｍａｒ４となる
。

λ＝３ＣｒｆＬでかつａ ｍａｘ （１ｍｔｎ装置でば
β（ｔ）＝４π・ａ （ｔ） ／λは小さな角となる。

反射信号の平均走行距離２１ｏが半波長の整数倍ならば
、送受信信号は同相となる。

この場合は第２図の左の位相表示図に示されている。

太い線の矢印Ａによって表わされる膜１０からの反射信
号の位相角は、膜１０の振動によって送信機からの送信
信号（水平基準軸）と同相の平均値から±βｍａｘだけ
変化する。

位相比較回路１３に釦いて第２図の右の電圧・時間図で
垂直なｅ （ｔ）軸に矢印Ａの投影として表わされる出
力信号ｅ （ｔ）が作られる。

その結果ｅ（ｔ）＝Ａ ＊ ｓ ｉｎβ＝Ａ−π・４ａ
（ｔ〆λとなり、ここでＡは送信および反射減衰によっ
て定められる係数で、それは位相比較回路１３やその他
に訃ける減衰量に関係している。

また、出力信号ｅ （ｔ）は膜１０の振幅ａ （ｔ）の
−次関係となる。

平均走行距離２１ｏが半波長の整数倍でない場合は、出
力信号ｅ （ｔ）は変形される。

例えばその平均走行距離が四分の一波長の奇数倍ならば
反射信号は±βｍａｘだけ変動し、矢印Ａは垂直の基準
軸のいずれの側にも振動する。

その場合ｅ （ｔ）軸上の矢印Ａの投影は数値が同じで
符号が異なる２つのβの値の場合と同じである。

その出力信号は第２図の場合に比較してその振動は非常
に歪んだ形となる。

その信号ｅ （ｔ）は初期の信号の２倍の周波数を持ち
その尖頭値間の振幅はかなり小さい。

２１゜が半波長の整数倍すなわちｎ・１８０°でない場
合の状態においてはやや歪んだ形が得られる。

そのため、電気信号、望ましくは高い周波数の電波信号
の方法を使用するためには送信信号と受信信号との間の
比較回路における位相差を半波長の整数倍に調節する手
段が設けられその結果信号ｅ （ｔ）の振幅は膜１０の
振幅ａ （ｔ）に比例する。

電気信号、なるべく高周波信号（マイクロ波）の位相測
定法が実用となるには、送受信信号間の位相差をｎ−１
８０’ （ｎは整数）に調節する装置が要求される。

また、送信機の中にあって送信信号を発生する発振器の
周波数変調装置も要求される。

校正動作モードに３いては動作周波数のほぼ平均値の周
波数を中心として対称的にのこぎり波状に周波数の変化
する信号を発生し、その信号によって、表板器（マイク
ロ波発振器）は対称な掃引信号によって小さな周波数領
域にわたり周波数変調される。

掃引幅は、掃引中の送信信号と反射信号との位相差が１
８０°より少し冬目に変化するように調節される。

変調されない発振周波数の位相差がｎ・３６０° （ｎ
は整数）に調節されると、位相の矢印は変調中に第３図
に示されるように移動し、ｅ （ｔ）軸に対する位相矢
印Ａの端部の投影は第３図の場合のような出力信号の時
間変化を与えることになる。

（第３図の右の部分参照）。位相矢印Ａの端部が図の上
下を通り、その後１もなく後退し、再び上下を通ると、
図の右に示される特性チップが得られる。

係数Ａは信号の最大値と最小値との間の距離２人から得
られる。

変調がないときに信号間の位相差がｎ・１８０゜の値で
ないならば、変調があるときの出力信号はもはや対称で
はなくなり、すなわち、チップの１つは大きく、他は小
さかったり全く消えるようになる。

これは第４図に示され、ここで位相矢印Ａの平均位置は
もはや水平ではなく、すなわち、送受信信号の位相差は
ｎ・・１８０°ではない。

発振器の中間周波数捷たは平均走行距離２７１！ｏの調
節によって対称が再び作られ、位相差はもう一度ｎ・１
８０°となる。

この整相方法は振動信号を必要としないので被測定体が
静止しているときにも使用することができる。

信号は時間軸の方向に多少の位相変動（ｊｉｔｔｅｒ
）を生αが頂部には全く振幅変動（ｊｉｔｔｅｒ）を生
じないので上記の方法によれば係数Ａの測定はいかなる
振動信号によっても妨害されない。

従って、常にその測定装置の調節すなわち校正かは可能
である。

例えば、測定中でも校正することができる。

勿論、自動調節すなわち自動校正できようにその装置を
自動化することも可能であり、またいかなる振動情報も
失わないように時間的に多重化する技術を適用すること
もできる。

上述のように出力信号ｅ （ｔ）を振動の振幅ａ（ｔ）
の関係として表わす場合、係数Ａのほかに係数λ、すな
わち信号の波長も含１れるが、これは発振周波数がたと
えば位相位置を調節するときに変えられても、実際の場
合すべて一定と見なされる。

これは、調節周波数範囲が平均周波数に比べてきわめて
小さいからであり、装置の特性を単一の周波数で最適に
することができる。

このため、１つの条件は、平均走行距離２１ｏが信号の
波長に比べて大きいことである。

第５図の装置によれば、正確な目盛上に自動的に校正さ
れた出力信号が、その装置の送受信機の前に置かれた物
体の振動の測定値として現われる。

送信機５１は後述のバイアス電圧発生器６１から与えら
れるバイアス電圧によって設定される周波数をもった送
信信号を発生し、その送信信号は被測定物体に向って発
信されると共に受信機５２に内蔵された位相比較回路に
も与えられる。

捷た受信機５２は物体からの反射信号を受けて、前記送
信機５１から与えられる送信４号との位相が比較され、
その位相差に対応した出力信号を発生する。

該受信機５２からの出力信号は前置増幅器５３に供給さ
れるが、上記前置増幅器は切替え接点５９の上げ位置に
おいて振幅測定回路５４の第１劫は接続される。

上記振幅測定回路５４の他の入力に対する基準電圧は、
ツェナー・ダイオード５５を有する分圧器５５〜５６か
ら加えられる。

上記振幅測定回路５４の制御出力は前置増幅器５３の制
御入力に接続される。

これにより、切替え接点５９がその上げ位置にあるとき
、上記前置増幅器５３は所定の最大値を有する校正信号
を発生する。

前置増幅器５３（ｄ切替え接点の下げ位置において測定
増幅器５７に接続される。

上記測定増幅器の出力側に、出力信号ｅ（ｔ）が得られ
る。

前記信号はある種の表示装置５８、たとえばオシロスコ
ープに供給される。

切替え接点を前記上げ位置にすると、前置増幅器５３の
出力は対称測定回路６０およびバイアス電圧発生器６１
にも接続される。

筐た、掃引発生器６３の出力信号は加算回路に加えられ
バイアス電圧発生器６１の出力バイアス電圧に組合され
る。

掃引発生器６３は後述の如くのこぎり波の出力信号を発
生し、したがって送信機５１は前記バイアス電圧によっ
て設定された周波数を中心として、掃引発生器６３の信
号により周波数変調された送信４号を発生することにな
る。

このため前記受信機５２より発生する送信信号と受信信
号との位相差信号は、前記バイアス電圧によって設定さ
れる送信４号の周波数に対する物体迄の距離との関係に
よって第２図乃至第４図に示されるように各種の波形を
とることとなる。

前記対称測定回路６０は必ずしも基準値を必要とせず、
第４図によって説明すると、前記対称測定回路６０は第
４図に示す信号波形を微分することによって該信号波形
から直流分を分離し、上・下２つの波高値は個別に整流
積分された後差動増幅することによって誤差信号を出力
し、該誤差信号はバイアス電圧発生器６１に印加される
。

バイアス電圧発生器６１の出力バイアス電圧は誤差信号
によって制御され、送信機５１の送信信号の設定周波数
（変調されない周波数）を調整し、周波数変調された送
信４号による前記位相差信号が第３図に示すように上下
対称となり、前記誤差信号が実質的に０となるようにす
る。

従って、上記対称測定回路６０とバイアス電圧発生器６
１は調節すなわち校正期間に送信信号と反射信号との間
の位相差をｎ・１８０゜（ｎは整数）に調節するように
構成されており、加算回路６４を介して送信機５１内の
周波数制御入力に接続されている。

掃引制御回路６２は矩形波を発生し、掃引発生器６３は
前記掃引制御回路６２の矩形波出力を積分してのこぎり
波を発生し、加算回路６４を介して前記バイアス電圧と
組合される。

切替え接点５９はパルス発生器６５によって駆動され、
前述の如き上げ位置に釦ける校正動作モードと下げ位置
における測定動作モードとに交互に切替えられる。

前述の如く校正動作モードでは、対称測定回路６０の発
生する誤差信号が０になるようにバイアス電圧が制御さ
れる。

したがってそれによって設定される送信４号の周波数は
、送信４号が周波数変調されたときの位相差信号が上下
対称となるような周波数となり、その状態で測定モード
に切替えられるので測定動作モードにおける位相差信号
は第３図のような波形となり、その振幅は物体の振動の
大きさを示すこととなる。

なお切替接点５９の切替え周波数は少くとも被測定物体
の振動数の最大周波数の２倍以上となるように構成され
ている。

測定すべき物体の位置のきわめて遅い変化は、測定装置
における乱れた不安定性として、第５図による装置によ
って認められよう。

これらは前置増幅器５３と測定増幅器５７によって得ら
れる出力信号ｅ （ｔ）の中には含１れず、他方ではこ
れらは送信機５１０制御電圧に変化が存在するように、
（対称測定回路６０とバイアス電圧発生器６１とを有す
る）位相調節装置に影響を及ぼすことになる。

その結果、物体の位置の変化を補償するものとして、送
信機５１で周波数の変化が存在するであろう。

送信機の出力周波数の変化を測定することにより、たと
えば直接校正済計数回路によりまたは間接的には制御電
圧の変化を電圧計によって測定することにより送信通路
の電気的長さの変化が算出され、また、それによって位
置の変化も知ることができる。

しかし、大きな位置の変化では、通過した半波長の数を
計数することが必要である。

すなわちたとえばタービン回転子の低速な位置変化の可
能な存在を周波数測定によって調べることができ、この
場合、発生すると思われる電子部品の特性の低速な変化
は、校正が示された方法で行なわれるならば、測定の結
果に影響を及ぼさない。

第１図と第５図の装置をその機能について比較するとユ
ニットｉｉＶ′ｉはぼユニット６１トよび５１に相当し
、ユニット１２と１３はユニット５２に相当し、ユニッ
ト１４はユニット５３と５７に相当し、さらにユニット
１５（／ｉユニット５８に相当することが認められる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案による装置のブロック図を示し、第２
図から第４図は第１図による装置の機能を説明する信号
図を示し、第５図は自動校正付装置のブロック図を示す
。 符号の説明、１０・・・・・・物体、１１，５１・・・
・・・送信機、１２，５２・・・・・・受信機、１３・
・・・・・位相比較回路、ｉｓ、ｓａ・・・・・・表示
装置、５３・・・・・・前置増幅器、５４・・・・・・
振幅測定回路、５５〜５６・・・・・・分圧器、５７・
・・・・・測定増幅器、５９・・・・・・切替え接点、
６０・・・・・・対称測定回路、６１・・・・・・バイ
アス電圧発生器、６２・・・・・・掃引制御回路、６３
・・・・・・掃引発生器１６４°°°°°°加算回路、
６５・・・・・・）ζルス発生器。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 物体に信号を送る送信機と、 物体から反射する信号を受ける受信機と、前記送信信号
   の周波数を設定するためのバイアス信号を発生するバイ
   アス電圧発生器と、前記の送信された信号と前記反射信
   号との間の位相差を表わす信号を発生する位相比較回路
   と、前記バイアス信号と組合されて、前記送信信号の周
   波数を前記バイアス信号で設定された周波数に対して対
   称に所定の周波数範囲にわたり周波数変調する対称掃引
   信号を発生する手段であって、前記所定の周波数範囲は
   前記送信信号の設定された周波数に比較して小さく、前
   記送信信号と反射信号との間の前記周波数変調による前
   記位相差は最大で１８０°をやや越えるようにされた前
   記対称掃引信号発生器と、 前記位相差信号の振幅を指示する表示手段と、前記位相
   差信号の波形の対称性を測定し、該波形の非対称性が測
   定された時は誤差信号を発生する対称測定手段であって
   、該誤差信号は前記バイアス電圧発生器に与えられて前
   記位相差信号の波形の対称性が得られるように前記バイ
   アス信号を制御するようにした対称測定手段と、 動作モードを校正動作モードと測定動作モードとに交互
   に切換える手段とを有し、前記校正動作モードにおいて
   は前記位相差信号を前記対称測定手段に接続し、前記対
   称掃引信号を前記バイアス信号に組合わし、それによっ
   て前記周波数変調された送信信号に基づく前記位相差信
   号の波形の対称性が得られるように前記バイアス信号を
   制御し、また前記測定動作モードにおいては前記対称掃
   引信号を前記バイアス信号から切離しまた前記位相差信
   号を前記表示手段に接続してそれによって前記校正動作
   モードで制御された前記バイアス信号により設定された
   周波数をもちかつ周波数変調されない前記送信信号に基
   づく前記位相差信号の振幅から物体の振動を測定するよ
   うにしたことを特徴とする物体の振動を測定する装置。