JPS6273101A

JPS6273101A - 渦電流式高温用変位計

Info

Publication number: JPS6273101A
Application number: JP21416585A
Authority: JP
Inventors: Izumi Yamada; 泉山田; Akira Kobanawa; 章小塙
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-09-27
Filing date: 1985-09-27
Publication date: 1987-04-03

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、回転体の変位計測装置に係り、特に、広い温
度範囲で変位測定が必要な、例えば高速増殖炉機械式ナ
トリウムポンプ等の振動監視に好適な渦電流式高温用変
位計に関する。

〔発明の背景〕

ナトリウム等導電性液体中で回転する回転軸の変位を渦
電流を利用して測定する場合、変位対変位計メ出力特性
は、交流磁界の導電性液体への浸透深さに関連するため
、励磁周波数が高くなるほど非直線性が大きくなる。こ
のため、従来は、変位対変位計出力特性の直線性が良好
であることを重視して、低励磁周波数を用いていた。し
かしながら、低励磁周波数では感度が低いため、温度サ
イクル等による変位計の微少な特性変化が再現性悪化要
因となり、充分な変位測定精度を得ることが困難であっ
た。

なお、この種の高温用変位計として関連するものには、
例えば、特開昭５８−２０５８７８号、特開昭５９−５
９７８号等が挙げられる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、変位測定精度が高くしかも相対的にエ
ラーが小さい高精度の渦電流式高温用変位計を提供する
ことである。

〔発明の慨要〕

上記目的を達成するために、励磁−波数を高周波化して
感度を向上させることが考えられるが、高周波イこにと
もなって変位対出力特性の非線形性が増加することが問
題となる。以下、実験データをもとに、励磁周波数の高
周波化による感度向上の定量化と、高周波化により増加
する変位対出力特性の非線形性を解消する方法について
説明する。

第２図は、励磁周波数に対する感度の測定値である。第
２図の左端が、従来直線性を重視して設定していた励磁
周波数における感度である。第２図から、励磁周波数を
適当に選択すれば、その感度を従来の４倍以上に向上で
きることがわかる。

第３図は、最大感度近傍の励磁周波数における変位対出
力特性の実測値であり、直線からのずれが大きく、非線
形な特性であることがわかる。第３図の変位対出力特性
を適当な関数にフィッティングすることを考え、各種関
数によるフィッティングを試みた結果、以下の指数関数
に極めて良く一致することを見出した。この指数関数は
、変位計出力をＶとし、変位をと、出力オフセット電圧
をＶＯＦとすると、Ｖ＝ａ　・（１−ｅ−”）　＋ＶＯＦ　　　　−（１）
で表わされる。ａは変位対出力特性の感度を示す［１で
あり、ここでは感度係数と呼ぶこととする。

Ｃは変位対出力特性の非直線性を示す指標であり。

ここでは非直線係数と呼ぶこととする。感度係数ａ、非
直線係数Ｃ，オフセット電圧ＶＯＦはそれぞれ、使用温
度の関数であり、全ての使用温度範囲で、変位対出力特
性が（１）の関数に従うことは、実験で確認している。

第４図は、各温度における感度係数ａ、非直線係数Ｃの
測定値である。

次に、励磁周波数を高周波化した状態で、変位対出力の
非直線性を除去する方法について説明する。この非直線
性を除去する方法は、変位対出力特性が（１）式の指数
関数に従うという実験により得られた知見をもとに提案
するものである。

第５図が、非直線性除去方法の説明図である。

第５図において、ナトリウム中に浸漬しである回転軸１
の半径方向−直線上に左側変位計２と一＝ｌ［ｌ”右側
変位計３を取りつけである。回転軸１の外？変位計２と
３間の変位（ギャップ）ＸＬ　Ｉ　ＸＨの和は一定であ
り、測定変位の最大値Ｆに等しい。

また、ポンプが＊転され回転軸１が回転している状態で
は、変位ＸＬ　Ｉ　ＸＲは時間の関数である。

時間の関数である変位をｘ　１．（ｔ）　、　ｘ　ｕ（
ｔ）とし、各変位計の出力をＶＬ　、ＶＲとすると、・
・・　（３）となる。変位計出力Ｖ＋、、ＶＲの時間微分は、Ｖｓ＝
−−■−＝−ａ＋ｅ書−騨−■■自−−■―−一一拳−
−−−−−−−■■−一■−一―拳−−−−−ｃｊｔ　
　　　　　　　　　ｄｔ　　　　　ｄｘｔ、（ｔ）とな
る。２つの変位計出力信号の時間微分信号の比の対数を
、変位計の直線性補償後の出力Ｖｏとする。

＝Ｃ・（２ｘｂ（ｔ）　　　Ｆ）・・・（６）直線性補償後の変位計出力は、（６）式に示すように、
変位ｘｂ（ｔ）の−次式で表わされ、原理的に非線形性
のない出力が得られる。

以上、本発明における非線性を伴わない感度向上法が、
変位計の変位対出力特性が（１）式に従うという実験事
実を新らたに見出したことによりなされるものであるこ
とを説明した。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の第１実施例を第１図を用いて説明する。

第１図は１本発明を高速増殖炉の機械式ナトリウムポン
プの振動監視に適用した例である。ナトリウムに浸漬さ
れた機械式ナトリウムポンプの回転軸１の中心に対向し
て、渦電流式変位計２，３を設置しである。その出力は
、変位増幅器４１゜４２を通り、変位Ｘｔ、　、　ＸＨ
に対応する電圧に変換される。微分器５１．５２は、変
位信号の時間微分をとる機能を有する。除算器６は１回
転軸１の左右の変位の微分信号の比をとる機能を有し、
その出力信号は、対数変換器７により対数変換される。

除算器６の出力信号は、負の信号であるため、対数変換
器７は、入力段で入力信号に−１を乗じて正の信号に変
換する機能も有している。回転＠１の近傍に設置した温
度計８１は、ナトリウム温度を測定するものであり、熱
電対を使用している。関数発生器８５は、各ナトリウム
温度に対応する非直線係数Ｃを出力する機能を有する。

発生する関数は、あらかじめ変位計２，３の特性を測定
して決定される。除算Ｊａ９は、対数変換ｍ７の出力信
号を非直線係数Ｃで除する機能を有し、結果として温度
依存性のない変位ＸＬに比例する信号が得られる。以上
、述べたように１本実施例の渦電流式高温用変位計は、
前述の（６）式を忠実に回路化したものである。

次に、第１図の各構成要素について説明する。

第６図に、変位計２または３の概略構造を示す。

この変位計は回転軸１に対向して設置されている。

耐高温性を確保するため、コイル２０１としてセラミッ
ク被覆線を、信号ケーブル２０２にマグネシア絶縁ケー
ブルを、容器２０３にはステンレスを用いている。変位
測定時は、コイル２０１に適当な周波数の励磁電流を流
し、容器２０３と回転軸１の間のナトリウム層にも交流
磁場を作り、ナトリウム層で発生する渦電流により発生
する磁界をコイル２０１で検出する。渦電流は、ステン
レス製の回転軸１でも発生するが、ナトリウムの方が抵
抗が小さいため、ナトリウム層で多く発生する。結局、
ナトリウム層の厚みに依存して、渦電流により発生する
磁界が変化する。この磁界を検出してナトリウム層の厚
み、すなわち回転軸１の変位が検出できる。増幅器４１
．４２は、適当な周波数の励磁電流を変位計２，３のコ
イル２０１に印加する機能と、変位の大きさに対応する
電圧を出力する機能とを有する。ナトリウム層の渦電流
により発生する磁界は、励磁電流の流れを妨げるように
働き１等価的にコイル２０１のインピーダンスを変化さ
せる。このため、増幅器４１゜４２は、変位変化に対し
て感度の高いリアクタンスを電圧に変換して出力するよ
うにしている。コイル２０１のリアクタンスを電圧変換
するのは、通常のインピーダンスメータと同様であり、
コイル２０１の電流・電圧・位相１から算出する。微分
器５１．５２は、抵抗とコンデンサの微分回路で実現で
きる。除算！６．９と対数増幅器７は。

市販のアナログ機能素子で実現される。対数変換器７の
入力信号の符号の反転機能は１通常の演算増幅器で実現
できる。関数発生器８５は、ナトリウム温度毎の非直線
係数Ｃを出力する機能を有するものであり、公知のアナ
ログおよびディジタル信号処理技術で実現可能である。

本実施例では。

主にアナログ回路により振動監視装置を実現しているが
、微分器５１，５２．除算器６，９、対数変換器７、関
数発生器８５は、ディジタル回路でも実現できる。特に
、高精度の測定が必要な場合は、ディジタル回路を用い
た方が良い。

第１図で、使用温度を限定できる場合は、温度補正が不
要であり、温度計８１、関数発生器８５゜除算器９は不
要である。

なお、第１図では、変位計２，３の出力信号の微分信号
同士の除算実施後、対数変換を実施してるが、微分信号
それぞれの対数変換後、その信号間の差をとっても、（
６）式の演算は実現できる。

本発明は、あくまでも「実質的に１　（６）式の演算を
行なって非線形を補償する方式の変位計に関するもので
ある。例えば、第１図で示した実施例において、対数目
盛をつけた交流指示計を使えば。

対数変換器７は不要である。

以上１本発明を高速増幅炉の機械式ナトリウムポンプの
振動監視に適用した例について述べたが、本実施例によ
れば、以下の効果がある。

（１）変位計出力信号の時間微分をとる構造としたため
、温度サイクル等による変位計オフセット電圧の変化や
、その他のドリフトを除去でき、変位測定の再現性が向
上する。

（２）変位対出力特性が指数関数に従うことを利用した
ので、温度補正を非線形係数Ｃについてのみ実施すれば
良く、温度補正回路が簡単化される。

（３）変位対出力特性が指数関数に従うことを利用する
から、変位計の校正は、非線形係数Ｃについてのみ実施
すれば良く、また、温度に対するＣの変化傾向も見通し
やすくなる。その結果、校正すべき温度点を減ｆ゛るこ
とができ、校正作業が簡単になり、経済性向上の効果が
ある。

次に、本発明の第２実施例について、第７図を用いて説
明する０本実施例は、変位対出力特性が同一とみなせな
い個差のある変位計２０．３０をナトリウムポンプの軸
振動監視に適用した例である。第１実施例との違いは、
変位計２０．３０の特性が充分にそろっていないことと
、関数発生器８６とバイパスフィルタ１０１を追加した
ことである。今、変位計２０，３ｏの出力ＶＬ　、ＶＲ
は、感度係数をａ　Ｌ　ｒ　ａ　Ｒ、非線形係数をＱＬ
、　、　ＯＲ、オフセットをＶＯＦＬ　ｒ　ＶＯＦＲと
すると、・・・　（８）で表わされる。それぞれの時間微分は、−ｃｔ、−ｘし
くｔ）Ｖｔ、　　＝　　ａｔ、　　°　ＱＬ　　弓ｃ、（ｔ）
　　・　ｅ　　　　　　　　　　　　−（９）−ＣＲＦ
　　ｃＲ＋ｘＬｃｔ）ｖＲ＝−ａＲ−ｃＲベム（ｔ）・　ｅ　　　　　ｅ・・
・（１０）となる、（６）式と同様、非直線性補償後の変位計出力
電圧Ｖｏは。

ｚｃｌとなる、（１１）式で右辺第１項がポンプ運転時の変位
に対応して変動する部分であり、第２，３項は直流成分
である。よって、Ｖｏの変動部分のみに注目すれば変位
測定が実現できる。バイパスフィルタ１０１は、変動成
分のみを抽出する機能を有している。関数発生器８６の
発生関数は、２つの変位計２０．３０のそれぞれの非直
線係数ＣＬとＱＨの温度毎の平均値とすれば良い。以上
説明したように、本実施例においては、第一の実施例で
述べた効果のほかに、使用変位計２０゜３０の特性を必
ずしも充分そろえる必要がないため、変位計製作上の歩
留りを良くすることができ、経済性向上の効果がある６次に、本発明の第３実施例について、第８図を用いて説
明する。第１実施例との相違点は、温度補正法にあり、
本実施例では、ポンプ１回転毎に校正を行なって非線形
係数Ｃを算出している。円周の１部に凹凸をつけたポン
プの回転軸１００の変位は、第１の実施例と同様、対数
変換器７までに非線形補償される。対数変換器７の出力
は、回転軸の凹凸のため、１回転毎にパルス的変動を生
じる。このパルス的変動を除くのが、ローパスフィルタ
７１である。除算器９は、ローパスフィルタ７１の出力
と、サンプルホールド回路８７の出力信号である非線形
係数の比をとるものである。

その出力には、温度補正された変位信号が得られる。

本実施例の特徴である非線形係数Ｃの演算法について説
明する。サンプルホールド回路８７は、非線形係数Ｃを
回転軸の１回転毎に演算して出力する。その入力信号は
、回転軸１００の凹凸が変位計２，３を通過するタイミ
ングに、パルス信号を発生する回転計８２の出力信号Ｓ
３と、対数変換器７の出力信号Ｓ１と、ローパスフィル
タ７１の出力信号Ｓ２である。第９図に、その波形を示
す。回転＃１の凹凸の高さは同じである。対数変換器７
の出力Ｓ１には、凹凸ノの高さに対応する信号がパルス
状にでている。パルス状の信号は、高周波成分から成っ
ているため、ローパスフィルタ７１により高周波成分を
除いた信号が８２である。今、凹凸の高さをと、とする
と、凹凸測定タイミングにおける対数変換器７の出力Ｖ
ｏｈは、Ｖｏｈ＝ｃ　（２・（ｘ＋ｘｈ　）　−Ｆ）　
　−（１２）となる、一方、同一タイミングにおけるロ
ーパスフィルタ７１の出力ＶＯは、Ｖｏ　＝ｃ　（２・ｘ−Ｆ）　　　　　　　−（１３）
となる。非線形係数Ｃは、（１２）、（１３）式となる
。サンプルホールド回路では、（１４）式の演算を実現
するため、信号ＳＬ、Ｓ２を８３パルス発生タイミング
でホールドし、それぞれのホールド電圧の差を、２Ｘｘ
ｈ　に相当する定電圧で割り、非線形係数Ｃを出力して
いる。変位計に個差がある場合も、同様の信号処理で温
度補正が可能である。凹凸測定タイミングにおける対数
変換器７の出力Ｖｏゎは、ａＬ”ＯＬ・・・・・・（１５）である。また、同一タイミングにおけるローパスフィル
タ７１の出力Ｖｏは、Ｖｏ　＝　Ｑ　ｎ　（−）＋　ｘ（ａＲ＋　ＯＬ）　−
ｃＲ−ＦａＬ’ＯＬ・・・・（１６）である。（１５）、（１６）式の差をとり、非直、線描
数ＯＬ　、ＯＲの平均値をＱａｙｅ　とすると、２・Ｘ
。

となり、（１４）式の演算と同一の信号処理が可能であ
る。（１４）、（１７）の演算処理は、単にサンプルホ
ールドと、２信号の差と比をとる従来の信号処技術で達
成できる。サンプルホールドのタイミングをとるため、
本実施例では回転計８２を用いて凹凸が変位計２，３を
通過する時にパルスを発生するようにしている。他の方
法として、対数変換器７の出力信号Ｓ１を微分しても、
上記タイミングを抽出できる。また（１４）。

（１７）式の分母は単なる定数であり、この除算は省く
ことも可能である。

以上説明したように１本実施倒によれば、第１゜第２実
施例で述べた効果の他に、常に自動的に変位計の校正が
行なわれるため、変位計の信頼性が七がる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、変位８１ｑ定感度が高くしかも非直線
性エラーが少なく高精度の渦電流式高温用変位計が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による渦電流式高温用変位計の第１実施
例のブロック図、第２図は渦″６ｉ流式高温用変位計の
励磁周波数に対する感度特性、第３図は最適励磁周波数
近傍の変位出力特性、第４図は温度に対する感度係数と
非直線係数の変化を示す図、第５図は変位計の設置位置
を示す図、第６図は渦電流式高温用変位計の原理図、第
７図は第２実施例を示すブロック図、第８図は第３実施
例を示すブロック図、第９図は第８図実施例のパルス波
形図である。１・・・ナトリウムポンプ回転軸、２，３，２０゜３０
・・・変位計、４１．４２・・・増幅器、５１．５２・
・・微分器、６・・・除算器、７・・・対数変換器、７
１・・・ローパスフィルタ、８１・・温度計、８２・・
・回転計、８５．８６・・・関数発生器、８７・・・サ
ンプルホールド回路、９・・・除算器、１００・・・凹
凸をつけた回転軸、２０１・・・コイル、２０２・・信
号ケーブル、２０３・・・容器。

Claims

【特許請求の範囲】１、検出端における変位対出力特性が指数関数に従う渦
電流式高温用変位計において、測定対象物を中心にして
対向設置される検出端としての２つの変位計と、それぞ
れの変位計からの出力信号の時間微分をとる回路と、そ
れぞれの微分信号の比をとる回路と、その比を対数変換
する回路とからなり、上記指数関数に従うことによる出
力の非線形性を除去することを特徴とする渦電流式高温
用変位計。２、検出端における変位対出力特性が指数関数に従う渦
電流式高温用変位計において、測定対象物を中心にして
対向設置される検出端としての２つの変位計と、それぞ
れの変位計からの出力信号の時間微分をとる回路と、そ
れぞれの微分信号の比をとる回路と、その比を対数変換
する回路と、測定対象物と変位計との間隙の温度を測定
する装置と、その温度における使用変位計の非線形係数
を演算する回路と、対数変換回路の出力とこの非線形係
数との比をとる回路とからなり、上記指数関数に従うこ
とによる出力の非線形性を温度の影響も含めて除去する
ことを特徴とする渦電流式高温用変位計。３、特許請求の範囲第２項において、非線形係数演算回
路が、２つの変位計の非線形係数の平均値を演算し出力
することを特徴とする渦電流式高温用変位計。４、検出端における変位対出力特性が指数関数に従う渦
電流式高温用変位計において、測定対象物を中心にして
対向設置される検出端としての２つの変位計と、それぞ
れの変位計からの出力信号の時間微分をとる回路と、そ
れぞれの微分信号の比をとる回路と、その比を対数変換
する回路と、基準変位を与えるために測定対象物に設け
た凹凸の変位計設置位置通過タイミング検出手段と、基
準変位信号と変位信号との差をホールドして非線形係数
を出力する回路と、対数変換回路の出力とこの非線形係
数との比をとる回路とからなり、上記指数関数に従うこ
とによる出力の非線形性を温度の影響も含めて測定毎に
除去することを特徴とする渦電流式高温用変位計。