WO2017213161A1 - 光学センサ - Google Patents

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optical fiber
light receiving
light
optical
illumination
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明生 近藤
大西　智之
貴洋 宮本
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/14—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/003—Arrangements for testing or measuring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/80—Devices generating input signals, e.g. transducers, sensors, cameras or strain gauges
    • F05D2270/804—Optical devices

Definitions

  • the present invention mainly relates to an optical sensor provided in a rotating machine.
  • a capacitance-type clearance sensor may cause insulation failure due to deterioration in such an environment. Furthermore, since it is affected by a change in dielectric constant, it cannot be used.
  • the optical sensor is suitable for use without being affected by the above-described effect in a high temperature / high pressure steam environment.
  • the conventional technology can capture qualitative changes, but cannot measure quantitatively.
  • ⁇ Possible causes of quantitative measurement include clouding and wear (depression, loss) at the end of the optical fiber provided in the optical sensor. That is, it is considered that the optical sensor exposed to high-temperature and high-pressure water vapor causes wear of the optical fiber, and the optical fiber (end portion) is whitened before reaching the wear.
  • the optical sensor is ideal to configure the optical sensor with an optical material that does not cause white turbidity or wear of the optical fiber even in a high temperature / high steam environment, but this is not realistic.
  • an object of the present invention is to provide an optical sensor capable of measuring the clearance even when the optical fiber becomes clouded or worn.
  • An optical sensor for solving the above-described problems is An optical sensor in which a light emitting part and a light receiving part of an optical fiber are arranged on a tip surface of a sensor head, A first plate member that is in close contact with the tip surface of the sensor head in parallel and has a through hole formed at a position corresponding to the end surface of the optical fiber; A second plate member that is arranged parallel to the first plate member and on the measurement target side, and has a through hole formed at an intersection with a virtual straight line perpendicular to the light emitting unit and the light receiving unit of the optical fiber. .
  • An optical sensor according to a second invention for solving the above-described problem is
  • the tip surface of the sensor head is opposed to a moving body to be measured so as to be parallel to the moving direction,
  • the optical fiber receives light from the moving body at a light receiving portion on a front end surface of the sensor head, and inputs the first light receiving optical fiber to the first light receiving device and the second light receiving device to the second light receiving device.
  • the through holes of the first plate member are respectively formed at positions corresponding to the light receiving portions of the first light receiving optical fiber and the second light receiving optical fiber
  • the through holes of the second plate member are respectively formed at intersections with virtual straight lines orthogonal to the light receiving portions of the first light receiving optical fiber and the second light receiving optical fiber
  • a measuring unit is provided for measuring the clearance from the moving body based on the timing of light from the moving body that is input to the first light receiving device and the second light receiving device, respectively.
  • the optical fiber includes an illumination optical fiber that emits illumination light from a light-emitting device toward a moving body from a light-emitting portion on a tip surface of the sensor head,
  • the through hole of the first plate member is formed at a position corresponding to the light emitting portion of the first optical fiber for illumination
  • the through hole of the second plate member is formed at an intersection with a virtual straight line orthogonal to the light emitting portion of the first optical fiber for illumination.
  • An optical sensor according to a fourth invention for solving the above-described problem is In the optical sensor according to any one of the first to third aspects, An environment-resistant window having translucency and higher resistance to temperature and steam than each optical fiber is inserted between the first plate member and the second plate member.
  • An optical sensor according to a fifth invention for solving the above-described problem is In the optical sensor according to any one of the first to third aspects, An environment-resistant window having transparency and higher resistance to temperature and steam than each of the optical fibers is embedded in the through hole of the first plate member.
  • An optical sensor according to a sixth invention for solving the above-described problems is In the optical sensor according to any one of the third to fifth aspects, The end surface of the illumination optical fiber is disposed at a distal end surface of the sensor head so as to be separated from the light receiving portions of the first light receiving optical fiber and the second light receiving optical fiber.
  • An optical sensor according to a seventh invention for solving the above-described problem is In the optical sensor according to any one of the third to sixth aspects, the through hole formed at the intersection of the illuminating optical fiber and a virtual straight line orthogonal to the light emitting portion is the light receiving of the first light receiving optical fiber and the second light receiving optical fiber. A diameter is larger than each said through-hole formed in the intersection with the virtual straight line orthogonal to a part, It is characterized by the above-mentioned.
  • the clearance can be measured even when the optical fiber becomes clouded or worn.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an optical sensor according to the present invention disposed in a rotating machine.
  • the rotating machine includes a rotating body 103 that is fixed to a rotating shaft 102 in a housing 101 and arranged with a clearance from an inner peripheral surface of the housing 101.
  • the optical sensor according to the present invention is provided in the rotating machine such that the tip is disposed on the inner peripheral surface of the housing 101 so as to face the peripheral surface of the rotating body 103.
  • the optical sensor according to the present invention includes the sensor unit 1 and the first optical fiber arranged on the inner peripheral surface of the housing 101 so that the tip surface faces the rotating body 103 to be measured.
  • a light-emitting device (light source) 2 connected to the sensor unit 1 via the second optical fiber, a first light-receiving device 3 connected to the sensor unit 1 via the second optical fiber, and a first connected to the sensor unit 1 via the third optical fiber.
  • illumination light is output from the light emitting device 2 to the sensor unit 1 via the first optical fiber, and this illumination light is transmitted to the tip of the sensor unit 1 (sensor head). ) To the rotating body 103.
  • Illumination light is reflected on the peripheral surface of the rotator 103, and a part of the reflected light enters the sensor head, passes through the second optical fiber to the first light receiving device 3, and passes through the third optical fiber. Each is input to the second light receiving device 4.
  • the reflected light incident on the sensor head from the rotating body 103 has a predetermined intensity cycle depending on the shape or pattern changing in the circumferential direction (rotating direction) on the peripheral surface of the rotating body 103.
  • This “shape” is, for example, the shape of a moving blade when the rotating body 103 is a turbine.
  • the “pattern” refers to a pattern in which brightness and darkness are provided by attaching a marker or the like when there is no shape that changes in the circumferential direction on the peripheral surface of the rotating body 103.
  • the measuring unit 5 measures the clearance from the rotating body 103 based on the timing of the reflected light (from the peripheral surface of the rotating body 103) input to the first light receiving device 3 and the second light receiving device 4, respectively.
  • the above is the procedure for measuring the clearance of the rotating machine by the optical sensor according to the present invention.
  • optical sensor according to the present invention will be described in detail in Examples.
  • the present invention is not limited to this and can be applied to all rotating machines.
  • the optical sensor according to the present invention measures the clearance if it is a moving body, not limited to the rotating body of a rotating machine, on the principle described in the following embodiment (the following formula (1) and FIG. 4). be able to.
  • Example 1 is a sectional view in the sensor axial direction (a sectional view parallel to the radial section of the rotating body 103) around the sensor head in an initial (normal) state of the conventional optical sensor, and FIG. 3B is a conventional optical sensor. It is a sensor axial direction sectional view around the sensor head in the state after becoming cloudy or worn out. First, the initial state will be described with reference to FIG. 3A.
  • the front end surface 50a of the sensor head 50 is opposed to the peripheral surface of the rotating body 103, the illumination optical fibers 51 and 52 (first optical fiber), and the first light receiving optical fibers 53-1 and 53. -2, 53-3 (second optical fiber), and second light receiving optical fibers 54-1, 54-2, 54-3 (third optical fiber).
  • Each of the illumination optical fibers 51 and 52 is connected to the light-emitting device 2 (see FIG. 1), and the other end faces (light-emitting portions) 51a and 52a are exposed at the tip face 50a. And it is an optical fiber as a propagation path which radiate
  • Each of the first light receiving optical fibers 53-1, 53-2, and 53-3 has one end connected to the first light receiving device 3 (see FIG. 1) and the other end surfaces (light receiving portions) 53-1a and 53-3. -2a and 53-3a are exposed at the tip surface 50a. Then, the reflected light, which is the illumination light reflected by the peripheral surface of the rotator 103, is received (incident) by the end faces 53-1a, 53-2a, 53-3a, and is input to the first light receiving device 3. An optical fiber as a path.
  • each of the second light receiving optical fibers 54-1, 54-2, 54-3 is connected to the second light receiving device 4 (see FIG. 1), and the other end surfaces (light receiving portions) 54-1a, 54-2a. , 54-3a are exposed at the tip surface 50a. Then, reflected light that is illumination light reflected by the peripheral surface of the rotating body 103 is received by the end faces 54-1a, 54-2a, and 54-3a, and is input to the second light receiving device 4 as a propagation path. It is an optical fiber.
  • the first light receiving optical fibers 53-1, 53-2, 53-3 and the illumination optical fiber 51 are grouped into a set, and this is an optical fiber group P.
  • the second light receiving optical fibers 54-1, 54-2, 54-3 and the illumination optical fiber 52 are grouped into one set, and this is an optical fiber group Q.
  • the optical fiber groups P and Q extend substantially in the axial direction of the optical sensor, and within the sensor head 50, the separation distance from each other toward the distal end surface 50 a (in a cross-sectional view parallel to the radial cross section of the rotating body 103). It is inclined in a letter C in the spreading direction.
  • the optical fiber groups P and Q include the positions and angles of the end faces 53-1a, 53-2a, 53-3a and the end face 51a, and the end faces 54-1a, 54-2a, 54-3a and the end faces on the tip face 50a.
  • the position and angle of 52a are symmetrically arranged about the center line in the sensor axial direction of the optical sensor.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining clearance (chip clearance) measurement by an optical sensor, taking a turbine as an example. ing.
  • the positions of the end faces 54-1a, 54-2a, 54-3a and the end face 52a of the optical fiber group Q on the tip face 50a are point A (specifically, the positions of the end faces are four, but the optical fibers 54-1 and 54).
  • ⁇ 2, 54-3 and 52 are adjacent to each other, and the positions (and angles) of the end faces are substantially the same, so they are regarded as one point), and the end face 53 ⁇ of the optical fiber group P
  • the positions of 1a, 53-2a, 53-3a and the end face 51a are point B (similar to point A as one point).
  • L be the separation distance between point A and point B, and imaginary straight line p orthogonal to end faces 53-1a, 53-2a, and 53-3a (similar to the above, in detail, one virtual straight line is divided into three A virtual straight line q orthogonal to the end faces 54-1a, 54-2a, 54-3a (similar to the above, in detail, three virtual straight lines are regarded as one), and a sensor
  • the intersection of the three lines of the axial center line becomes the reference point O for distance measurement, and the intersection angle of the virtual straight lines p and q at the reference point O for distance measurement is ⁇ .
  • angular part is a location where the intensity
  • the time during which the moving blade 103a moves from point C to point D is ⁇ t, and the clearance (clearance to be measured) between the tip surface 31a of the optical sensor and the outer end surface 103b of the moving blade 103a is d.
  • R is the radius of the rotating body and T is the period of the rotating body.
  • each of the optical fiber groups p and q includes one light receiving optical fiber.
  • the coefficient related to the illumination optical fiber does not appear in the above equation (1), the reflected light reflected by the rotating body 103 can be received by the light receiving optical fiber as long as the illumination light is reflected by the light receiving optical fiber.
  • the end face may be at a position deviated from each of the points A and B (in this case, the points A and B indicate the position of only the end face of the light receiving optical fiber).
  • the end face 50a has end faces 53-1a, 53-2a, 53-3a, 54-1a, 54-2a, 54-3a, and end faces 51a, 52a.
  • a pipe having a metal pore fitted to the tip portion of the optical fiber can be provided, and the optical path can be reliably defined by the metal pore.
  • the provision of the two metal plates having the through holes and the environment resistant window provides the above (1) even when each optical fiber is clouded or worn.
  • the equation can be established, the clearance can be measured, and it can be easily manufactured as compared with the optical sensor described in Patent Document 1.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view in the sensor axial direction (that is, a cross-sectional view parallel to the radial cross-section of the rotating body 103) around the sensor head in the optical sensor according to the present embodiment
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 2C is a view taken along the line BB in FIG. 2A.
  • the front end surface 10a of the sensor head 10 faces the peripheral surface of the rotating body 103, and the first illumination optical fiber 11 and the second illumination optical fiber. 12 (first optical fiber), a first light receiving optical fiber 13 (second optical fiber), and a second light receiving optical fiber 14 (third optical fiber).
  • the first illumination optical fiber 11 has one end connected to the light emitting device 2 (see FIG. 1) and the other end face (light emitting portion) 11a exposed at the tip face 10a. And it is an optical fiber as a propagation path which radiate
  • the second illumination optical fiber 12 has one end connected to the light emitting device 2 and the other end face (light emitting portion) 12a exposed at the tip face 10a. And it is an optical fiber as a propagation path which radiate
  • the first illumination optical fiber 11 and the second illumination optical fiber 12 may be connected to different light emitting units.
  • One end of the first light receiving optical fiber 13 is connected to the first light receiving device 3 (see FIG. 1), and the end face (light receiving portion) 13a at the other end is exposed at the tip face 10a.
  • An optical fiber as a propagation path that receives reflected light, which is illumination light reflected by the peripheral surface of the rotating body 103, at the end surface 13 a and inputs the light to the first light receiving device 3.
  • One end of the second light receiving optical fiber 14 is connected to the second light receiving device 4 (see FIG. 1), and the end face (light receiving portion) 14a at the other end is exposed at the tip face 10a.
  • Each of the optical fibers 11 to 14 extends substantially in the axial direction of the optical sensor.
  • the first light receiving optical fiber 13 and the second light receiving optical fiber 14 extend substantially in the axial direction of the optical sensor, and (at a cross sectional view parallel to the radial cross section of the rotating body 103) Inclined in the shape of a letter C in the direction in which the distance between them increases toward 10a.
  • the first illumination optical fiber 11 and the second illumination optical fiber 12 are parallel to the radial cross section of the rotating body 103. (In a cross-sectional view) are arranged to be inclined in a letter C in a direction in which the distance from each other increases toward the tip surface 10a.
  • FIG. 2A shows a state in which each of the optical fibers 11, 12, 13, and 14 is arranged one by one.
  • the present embodiment is not limited to this, and a plurality of each is provided. Also good.
  • the optical sensor according to the present embodiment is measured from the first metal plate 20 (first plate material), which is arranged in close contact with the tip surface 10a in parallel, parallel to the first metal plate 20 and from the first metal plate 20.
  • the second metal plate 30 (second plate material) disposed on the front side in the direction (rotating body 103 side), and the environment-resistant window inserted and fixed between the first metal plate 20 and the second metal plate 30 40, which defines the light receiving direction.
  • the first metal plate 20 has a first inner through hole 21 formed at a position corresponding to the end surface 11a exposed from the tip surface 10a, and a second inner side formed at a position corresponding to the end surface 12a exposed from the tip surface 10a.
  • a through hole 24 is provided.
  • the second metal plate 30 is formed at the intersection with the first outer through hole 31 formed at the intersection with the virtual straight line W (identical to the virtual line q) orthogonal to the end surface 11a and the virtual straight line X orthogonal to the end surface 12a.
  • the fourth outer through-hole 34 is formed at the intersection.
  • first outer through hole 31 and the second outer through hole 32 are larger in diameter than the third outer through hole 33 and the fourth outer through hole 34. This is because the through holes 31 and 32 are through holes for illumination light, and it is preferable that the illumination light is emitted to the rotating body 103 with a certain extent without being reduced.
  • the environment-resistant window 40 has a light-transmitting property to transmit illumination light and reflected light, and is made of a material resistant to high heat and high vapor, such as diamond or sapphire (this embodiment is resistant to heat). Although the material of the environmental window 40 is not limited, the environmental window 40 needs to have higher resistance to temperature and steam than at least each optical fiber). Further, the environment-resistant window 40 may be embedded in the through holes 21 to 24 of the first metal plate 20 instead of being inserted between the first metal plate 20 and the second metal plate 30. .
  • the optical sensor In the optical sensor according to the present embodiment, first, in the first metal plate 20 and the second metal plate 30, two through holes (the through hole 23 and the through hole 33 or the through hole 24) of these two metal plates are used. Since only the reflected light passing through the through hole 34) is received, the light receiving optical path is defined (similarly, the illumination optical path is also defined). Therefore, even if white turbidity or wear occurs near the end of each optical fiber exposed to harsh environments such as high temperature and high steam environment, the light receiving direction is not affected, and the value of ⁇ in the above equation (1) is not affected. Since there is no fluctuation, the clearance can be measured.
  • each optical fiber is not affected even in a high temperature / high steam environment. Therefore, accurate clearance measurement is possible.
  • the illumination optical fibers 11 and 12 and the light receiving optical fibers 13 and 14 are spaced apart from each other on the distal end surface 10a. This enables more accurate clearance measurement.
  • the environment-resistant window 40 is simply attached between the plate materials (the first metal plate 20 and the second metal plate 30) having the through holes, which is described in Patent Document 1 described above. As compared with metal pore processing, it is advantageous in feasibility and workability.
  • the tip surface of the sensor head is parallel to the moving direction with respect to the moving body to be measured. Similar results can be obtained by making them face each other.
  • the present invention is suitable as an optical sensor.

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Abstract

センサヘッド（１０）の先端面（１０ａ）に端面が露出するようにして配される光ファイバを有する光学センサであって、センサヘッド（１０）の先端面（１０ａ）に対し平行に密着し、光ファイバの端面に対応する位置に貫通孔が形成された第１板材（第１金属板）（２０）と、第１板材（第１金属板）（２０）に対し平行かつ計測方向前方に配され、光ファイバの端面に直交する仮想直線との交点に貫通孔が形成された第２板材（第２金属板）（３０）とを備える光学センサを用いることで、光ファイバの白濁化や損耗が生じた場合であってもクリアランス計測を行うことができる。

Description

光学センサ
　本発明は、主に回転機械に備わる光学センサに関する。
　タービン機械の性能向上のためには、チップクリアランスを小さくする必要がある。そこで、このチップクリアランスを高精度で計測することが求められる。さらには、回転機械全般において、回転側と静止側のクリアランスを高精度で計測することが求められる。
実開昭５９‐１３４０２６号公報
　高温・高圧水蒸気環境下でクリアランスを計測するには、解決すべき課題が多く、たとえば、静電容量式のクリアランスセンサは、このような環境下において、劣化による絶縁不良が発生する可能性があり、さらに、誘電率変化の影響を受けるため、使用することができない。
　その点、光学センサは、高温・高圧水蒸気環境下において、上述のような影響を受けることがなく、使用に適している。しかし従来の技術では、定性的な変化は捉えることができるが、定量的な計測はできない。
　定量的な計測ができない原因として、光学センサに設けられた光ファイバの端部の白濁化や損耗（陥没、減損）が挙げられる。すなわち、高温・高圧水蒸気にさらされた光学センサは、光ファイバの損耗が生じ、また、光ファイバ（端部）は損耗に至る前に表面に白濁化が生じていると考えられている。
　光ファイバの端部に白濁化や損耗が生じると、光ファイバに入射する光の方向が変動する。光学センサの計測原理から、光ファイバに入射する光の方向の変動は、クリアランス計測に影響を及ぼす。
　よって、高温・高蒸気環境下であっても、光ファイバの白濁化や損耗を生じない光学材料にて光学センサを構成することが理想ではあるが、これは現実的ではない。
　したがって本発明では、上記技術的課題に鑑み、光ファイバの白濁化や損耗が生じた場合であってもクリアランス計測可能な光学センサを提供することを目的とする。
　上記課題を解決する第１の発明に係る光学センサは、
　センサヘッドの先端面に光ファイバの発光部及び受光部が配される光学センサであって、
　前記センサヘッドの先端面に対し平行に密着し、前記光ファイバの前記端面に対応する位置に貫通孔が形成された第１板材と、
　前記第１板材に対し平行かつ計測対象側に配され、前記光ファイバの発光部及び受光部に直交する仮想直線との交点に貫通孔が形成された第２板材とを備える
　ことを特徴とする。
　上記課題を解決する第２の発明に係る光学センサは、
　上記第１の発明に係る光学センサにおいて、
　前記センサヘッドの前記先端面が、計測対象である移動体に対し、その移動方向と平行となるように対向しており、
　前記光ファイバは、前記移動体からの光を、前記センサヘッドの先端面の受光部にて受光し、第１受光装置に入力する第１受光用光ファイバ及び第２受光装置に入力する第２受光用光ファイバを備え、
　前記第１板材の前記貫通孔は、前記第１受光用光ファイバ及び前記第２受光用光ファイバの前記受光部に対応する位置に、それぞれ形成され、
　前記第２板材の前記貫通孔は、前記第１受光用光ファイバ及び前記第２受光用光ファイバの前記受光部に直交する仮想直線との交点に、それぞれ形成され、
　さらに、前記第１受光装置と前記第２受光装置とにそれぞれ入力される前記移動体からの光のタイミングに基づき、前記移動体とのクリアランスを計測する、測定部を備える
　ことを特徴とする。
　上記課題を解決する第３の発明に係る光学センサは、
　上記第２の発明に係る光学センサにおいて、
　前記光ファイバは、発光装置からの照明光を、前記センサヘッドの先端面における発光部から前記移動体に向けて出射する、照明用光ファイバを備え、
　前記第１板材の前記貫通孔は、前記第１照明用光ファイバの前記発光部に対応する位置に形成され、
　前記第２板材の前記貫通孔は、前記第１照明用光ファイバの前記発光部に直交する仮想直線との交点に形成され、
　前記第１受光用光ファイバ及び前記第２受光用光ファイバが受光する前記移動体からの光は、前記照明用光ファイバから出射される前記照明光の反射光である
　ことを特徴とする。
　上記課題を解決する第４の発明に係る光学センサは、
　上記第１から３のいずれか１つの発明に係る光学センサにおいて、
　前記第１板材と前記第２板材との間に、透光性を有し各前記光ファイバよりも温度及び蒸気への耐性が高い耐環境性窓が挿入される
　ことを特徴とする。
　上記課題を解決する第５の発明に係る光学センサは、
　上記第１から３のいずれか１つの発明に係る光学センサにおいて、
　前記第１板材の前記貫通孔に、透光性を有し各前記光ファイバよりも温度及び蒸気への耐性が高い耐環境性窓が埋め込まれる
　ことを特徴とする。
　上記課題を解決する第６の発明に係る光学センサは、
　上記第３から５のいずれか１つの発明に係る光学センサにおいて、
　前記照明用光ファイバの端面は、前記センサヘッドの先端面において、前記第１受光用光ファイバ及び前記第２受光用光ファイバの前記受光部から離隔して配される
　ことを特徴とする。
　上記課題を解決する第７の発明に係る光学センサは、
　上記第３から６のいずれか１つの発明に係る光学センサにおいて、
　前記第２板材において、前記照明用光ファイバの前記発光部に直交する仮想直線との交点に形成される前記貫通孔は、前記第１受光用光ファイバ及び前記第２受光用光ファイバの前記受光部に直交する仮想直線との交点にそれぞれ形成される各前記貫通孔よりも、径が大きい
　ことを特徴とする。
　本発明に係る光学センサによれば、光ファイバの白濁化や損耗が生じた場合であってもクリアランス計測を行うことができる。
回転機械に配置された本発明に係る光学センサを説明する概略図である。 本発明の実施例１に係る光学センサにおけるセンサヘッド周辺の、センサ軸方向断面図である。 図２ＡのＡ‐Ａ矢視図である。 図２ＡのＢ‐Ｂ矢視図である。 従来の光学センサ（初期状態）におけるセンサヘッド周辺の、センサ軸方向断面図である。 従来の光学センサ（白濁化あるいは損耗後の状態）におけるセンサヘッド周辺の、センサ軸方向断面図である。 タービンを例として、光学センサのクリアランス（チップクリアランス）計測を説明する模式図である。
　図１は、回転機械に配置された本発明に係る光学センサを説明する概略図である。図１に示すように、該回転機械は、ハウジング１０１内において、回転軸１０２に固定され、ハウジング１０１の内周面とクリアランスを有して配された回転体１０３を備えている。そして、本発明に係る光学センサは、先端が、ハウジング１０１の内周面に、回転体１０３の周面と対向して配されるようにして、該回転機械に設けられている。
　より詳述すると、本発明に係る光学センサは、ハウジング１０１の内周面において、先端面が計測対象である回転体１０３側を向くようにして配されるセンサ部１、第１の光ファイバを介してセンサ部１に接続する発光装置（光源）２、第２の光ファイバを介してセンサ部１に接続する第１受光装置３、第３の光ファイバを介してセンサ部１に接続する第２受光装置４、及び、第１受光装置３及び第２受光装置４に接続する測定部５を備えている（図１中では、第１～３の光ファイバをまとめて符号６で示している）。
　計測の手順としては、まず、回転機械の駆動中において、発光装置２から第１の光ファイバを介してセンサ部１へ照明光が出力され、この照明光がセンサ部１の先端部（センサヘッド）から回転体１０３へ向けて出射（放出）される。
　照明光は回転体１０３の周面において反射し、その反射光の一部は、センサヘッドに入射し、第２の光ファイバを介して第１受光装置３へ、第３の光ファイバを介して第２受光装置４へそれぞれ入力される。
　このとき、回転体１０３からセンサヘッドに入射する反射光は、回転体１０３の周面において周方向（回転方向）に変化する形状あるいは模様に依存した、所定の強度周期を有している。この「形状」は、例えば、回転体１０３がタービンである場合には動翼の形状となる。また「模様」とは、回転体１０３の周面において周方向に変化する形状がない場合、例えば、マーカ等を付すことによって明暗を設けているものを指す。
　測定部５では、第１受光装置３及び第２受光装置４にそれぞれ入力される（回転体１０３の周面からの）反射光のタイミングに基づき、回転体１０３とのクリアランスを計測する。
　以上が、本発明に係る光学センサによる回転機械のクリアランス計測の手順である。
　以下、本発明に係る光学センサを実施例にて詳述する。なお、下記実施例では、一部タービンに光学センサを配するものとして説明している箇所があるが、本発明はこれに限らず、回転機械全般に適用可能である。
　さらに言えば、本発明に係る光学センサは、下記実施例中に説明する原理（下記（１）式及び図４）上、回転機械の回転体に限らず、移動体であればクリアランスを計測することができる。
［実施例１］
　図３Ａは、従来の光学センサの初期（通常）状態におけるセンサヘッド周辺の、センサ軸方向断面図（回転体１０３の径方向断面と平行な断面図）であり、図３Ｂは、従来の光学センサの白濁化あるいは損耗後の状態におけるセンサヘッド周辺の、センサ軸方向断面図である。まず、図３Ａにて初期状態について説明する。
　従来の光学センサは、センサヘッド５０の先端面５０ａが回転体１０３の周面に対向し、照明用光ファイバ５１，５２（第１の光ファイバ）、第１受光用光ファイバ５３‐１，５３‐２，５３‐３（第２の光ファイバ）、及び、第２受光用光ファイバ５４‐１，５４‐２，５４‐３（第３の光ファイバ）を備えている。
　照明用光ファイバ５１，５２は、それぞれ、一端が発光装置２（図１参照）に接続し、他端の端面（発光部）５１ａ，５２ａが先端面５０ａにおいて露出している。そして、発光装置２から出力された照明光を、端面５１ａ，５２ａから、回転体１０３の周面に向けて出射する伝搬経路としての光ファイバである。
　第１受光用光ファイバ５３‐１，５３‐２，５３‐３は、それぞれ、一端が第１受光装置３（図１参照）に接続し、他端の端面（受光部）５３‐１ａ，５３‐２ａ，５３‐３ａが先端面５０ａにおいて露出している。そして、回転体１０３の周面にて反射された照明光である反射光を、端面５３‐１ａ，５３‐２ａ，５３‐３ａにて受光（入射）し、第１受光装置３へ入力する伝搬経路としての光ファイバである。
　第２受光用光ファイバ５４‐１，５４‐２，５４‐３は、一端が第２受光装置４（図１参照）に接続し、他端の端面（受光部）５４‐１ａ，５４‐２ａ，５４‐３ａが先端面５０ａにおいて露出している。そして、回転体１０３の周面にて反射された照明光である反射光を、端面５４‐１ａ，５４‐２ａ，５４‐３ａにて受光し、第２受光装置４へ入力する伝搬経路としての光ファイバである。
　またここでは、第１受光用光ファイバ５３‐１，５３‐２，５３‐３、及び、照明用光ファイバ５１が、一組に纏められており、これを光ファイバ群Ｐとする。さらに、第２受光用光ファイバ５４‐１，５４‐２，５４‐３、及び、照明用光ファイバ５２が、一組に纏められており、これを光ファイバ群Ｑとする。
　光ファイバ群Ｐ，Ｑは、光学センサの略軸方向に延伸し、センサヘッド５０内部では、（回転体１０３の径方向断面と平行な断面視において）先端面５０ａに向けて互いの離間距離が広がる方向にハの字に傾斜している。また、光ファイバ群Ｐ，Ｑは、先端面５０ａにおいて、端面５３‐１ａ，５３‐２ａ，５３‐３ａ及び端面５１ａの位置及び角度と、端面５４‐１ａ，５４‐２ａ，５４‐３ａ及び端面５２ａの位置及び角度とが、光学センサのセンサ軸方向中心線を中心として対称的に配されている。
　以上が従来の光学センサの構成である。なお、従来の光学センサを用いたクリアランスの計測手順は、図１を用いて説明した如くである。
　図４は、タービンを例として、光学センサによるクリアランス（チップクリアランス）計測を説明する模式図であり、図中の破線矢印は、回転体１０３（図１参照）の動翼１０３ａの回転方向を示している。
　先端面５０ａにおける光ファイバ群Ｑの端面５４‐１ａ，５４‐２ａ，５４‐３ａ及び端面５２ａの位置をＡ点（詳細には端面の位置は４箇所となるが、光ファイバ５４‐１，５４‐２，５４‐３，５２は一纏まりのため隣接しており、端面の位置（及び角度）が略同一であるため、一つの点と見做す）とし、光ファイバ群Ｐの端面５３‐１ａ，５３‐２ａ，５３‐３ａ及び端面５１ａの位置をＢ点（Ａ点同様に一つの点と見做す）。
　さらに、Ａ点とＢ点との離間距離をＬとし、端面５３‐１ａ，５３‐２ａ，５３‐３ａに直交する仮想直線ｐ（上述と同様に、詳細には３本の仮想直線を１本と見做す）、端面５４‐１ａ，５４‐２ａ，５４‐３ａに直交する仮想直線ｑ（上述と同様に、詳細には３本の仮想直線を１本と見做す）、及び、センサ軸方向中心線の３つの線の交点が、距離計測の基準点Ｏとなり、距離計測の基準点Ｏにおける仮想直線ｐ，ｑの交差角をαとする。
　また、動翼１０３ａの外側端面１０３ｂにおける角部（二つの角部のうち回転方向前方側の角部）が、仮想直線ｑと交わる点をＣ点とし、仮想直線ｐと交わる点をＤ点とする。なお、この角部とは、第１受光用光ファイバ３３及び第２受光用光ファイバ３４へ入射する反射光の強度が（急激に）変化する箇所である。
　さらに、動翼１０３ａが、Ｃ点からＤ点まで移動する時間をΔｔとし、光学センサの先端面３１ａと動翼１０３ａの外側端面１０３ｂとのクリアランス（計測すべきクリアランス）をｄとする。
　すると、下記（１）式が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ただし、Ｒを回転体半径、Ｔを回転体の周期とする。
　なお、上記（１）式は、光ファイバ群ｐ，ｑにそれぞれ受光用光ファイバが１本ずつ含まれていれば成立する。また、上記（１）式中に照明用光ファイバに関わる係数は出てこないため、照明光が回転体１０３で反射した反射光を受光用光ファイバで受光できさえすれば、照明用光ファイバの端面は、Ａ，Ｂ点からそれぞれ外れた位置にあってもよい（その場合、Ａ，Ｂ点は、受光用光ファイバの端面のみの位置を示すことになる）。
　従来の光学センサでは、図３Ａに示すように、先端面５０ａに端面５３‐１ａ，５３‐２ａ，５３‐３ａ，５４‐１ａ，５４‐２ａ，５４‐３ａ、及び、端面５１ａ，５２ａがあることで、先端面５０ａにおいて照明光が出射され反射光を受光している場合は、上記（１）式が成立する。
　しかしながら、図３Ｂに示すように、各光ファイバ５１，５２，５３‐１，５３‐２，５３‐３，５４‐１，５４‐２，５４‐３に、白濁化あるいは損耗が発生すると、照明光の出射位置及び光の広がりがランダム化し、それとともに、反射光の受光位置及び受光角度もランダム化してしまい、上記（１）式におけるαが不確定となり、上記（１）式は成立しなくなる。
　また、上記特許文献１に記載されるように、光ファイバの先端部分に嵌合する金属細孔を有するパイプを設け、この金属細孔により光路を確実に規定することもできるが、このような方法では、金属細孔の径が小さいため正確に形成することが難しい。
　一方、本実施例に係る光学センサでは、貫通孔の形成された２つの金属板及び耐環境性窓を設けることで、各光ファイバに白濁化や損耗が発生した場合にも、上記（１）式を成立させ、クリアランス計測ができ、さらに、上記特許文献１に記載された光学センサに比べ、簡易的に作製することを可能とするものである。
　図２Ａは、本実施例に係る光学センサにおけるセンサヘッド周辺の、センサ軸方向断面図（すなわち回転体１０３の径方向断面と平行な断面図）であり、図２Ｂは、図２ＡのＡ‐Ａ矢視図であり、図２Ｃは、図２ＡのＢ‐Ｂ矢視図である。
　本実施例に係る光学センサは、まず、図２Ａに示すように、センサヘッド１０の先端面１０ａが回転体１０３の周面に対向し、第１照明用光ファイバ１１と第２照明用光ファイバ１２（第１の光ファイバ）、第１受光用光ファイバ１３（第２の光ファイバ）、及び、第２受光用光ファイバ１４（第３の光ファイバ）を備えている。
　第１照明用光ファイバ１１は、一端が発光装置２（図１参照）に接続し、他端の端面（発光部）１１ａが先端面１０ａにおいて露出している。そして、発光装置２から出力された照明光を、端面１１ａから、回転体１０３の周面に向けて出射する伝搬経路としての光ファイバである。
　第２照明用光ファイバ１２は、一端が発光装置２に接続し、他端の端面（発光部）１２ａが先端面１０ａにおいて露出している。そして、発光装置２から出力された照明光を、端面１２ａから、回転体１０３の周面に向けて出射する伝搬経路としての光ファイバである。なお、第１照明用光ファイバ１１と第２照明用光ファイバ１２とは、別々の発光部に接続しているものとしてもよい。
　第１受光用光ファイバ１３は、一端が第１受光装置３（図１参照）に接続し、他端の端面（受光部）１３ａが先端面１０ａにおいて露出している。そして、回転体１０３の周面にて反射された照明光である反射光を、端面１３ａにて受光し、第１受光装置３へ入力する伝搬経路としての光ファイバである。
　第２受光用光ファイバ１４は、一端が第２受光装置４（図１参照）に接続し、他端の端面（受光部）１４ａが先端面１０ａにおいて露出している。そして、回転体１０３の周面にて反射された照明光である反射光を、端面１４ａにて受光し、第２受光装置４へ入力する伝搬経路としての光ファイバである。
　各光ファイバ１１～１４は、光学センサの略軸方向に延伸している。センサヘッド１０内部では、第１受光用光ファイバ１３及び第２受光用光ファイバ１４は、光学センサの略軸方向に延伸し、（回転体１０３の径方向断面と平行な断面視において）先端面１０ａに向けて互いの離間距離が広がる方向にハの字に傾斜して配される。さらに、第１受光用光ファイバ１３と第２受光用光ファイバ１４との間において、第１照明用光ファイバ１１及び第２照明用光ファイバ１２は、（回転体１０３の径方向断面と平行な断面視において）先端面１０ａに向けて互いの離間距離が広がる方向にハの字に傾斜して配される。
　また、先端面１０ａでは、（回転体１０３の径方向断面と平行な断面視において）端面１１ａ～１４ａが互いに隔離して配されている。なお、図２Ａには、各光ファイバ１１，１２，１３，１４がそれぞれ１本ずつ配されている状態を示しているが、本実施例はこれに限定されず、それぞれを複数本ずつにしてもよい。
　さらに、本実施例に係る光学センサは、先端面１０ａに対し平行に密着して配された第１金属板２０（第１板材）、第１金属板２０と平行かつ第１金属板２０より計測方向前方側（回転体１０３側）に配された第２金属板３０（第２板材）、及び、第１金属板２０と第２金属板３０との間に挿入され固定された耐環境性窓４０を備え、これにより受光方向を規定している。
　第１金属板２０は、先端面１０ａから露出した端面１１ａに対応する位置に形成される第１内側貫通孔２１、同じく先端面１０ａから露出した端面１２ａに対応する位置に形成される第２内側貫通孔２２、同じく先端面１０ａから露出した端面１３ａに対応する位置に形成される第３内側貫通孔２３、及び、同じく先端面１０ａから露出した端面１４ａに対応する位置に形成される第４内側貫通孔２４を備えている。
　第２金属板３０は、端面１１ａに直交する仮想直線Ｗ（上記仮想直線ｑと同一）との交点に形成される第１外側貫通孔３１、端面１２ａに直交する仮想直線Ｘとの交点に形成される第２外側貫通孔３２、端面１３ａに直交する仮想直線Ｙとの交点に形成される第３外側貫通孔３３、及び、端面１４ａに直交する仮想直線Ｚ（上記仮想直線ｐと同一）との交点に形成される第４外側貫通孔３４を備えている。
　また、第１外側貫通孔３１及び第２外側貫通孔３２は、第３外側貫通孔３３及び第４外側貫通孔３４に比べ径が大きくなっている。貫通孔３１，３２は照明光用の貫通孔であり、照明光については、あまり絞らずにある程度の広がりをもって回転体１０３に出射した方が好ましいためである。
　耐環境性窓４０は、照明光及び反射光を透過させる透光性を有し、高熱及び高蒸気に耐性のある材質、例えばダイヤモンドあるいはサファイアなどにより構成されるものとする（本実施例は耐環境性窓４０の材質を限定するものではないが、耐環境性窓４０は少なくとも各光ファイバよりも温度及び蒸気への耐性が高い必要がある）。また、耐環境性窓４０は、第１金属板２０と第２金属板３０との間に挿入されるのではなく、第１金属板２０の貫通孔２１～２４にそれぞれ埋め込まれるものとしてもよい。
　以上が本実施例に係る光学センサの構成である。なお、本実施例に係る光学センサを用いたクリアランスの計測手順は、図１を用いて説明した如くである。
　本実施例に係る光学センサは、まず、第１金属板２０及び第２金属板３０にて、これら２つの金属板の２つの貫通孔（貫通孔２３と貫通孔３３、又は、貫通孔２４と貫通孔３４）を通過する反射光のみしか受光しないことになるため、受光光路が規定される（同様に照明光路も規定される）。そのため、高温・高蒸気環境等の過酷環境下にさらされる各光ファイバの端部付近に白濁化や損耗が発生した場合でも、受光方向に影響がなく、上記（１）式におけるαの値に変動がないため、クリアランス計測が可能となる。
　また、耐環境性窓４０により、先端面１０ａを封止することで、高温・高蒸気環境下でも各光ファイバがその影響を受けることがない。よって、正確なクリアランス計測が可能となる。
　さらに、本実施例に係る光学センサでは、照明用光ファイバ１１，１２と受光用光ファイバ１３，１４とが、先端面１０ａにおいて離隔して配されるため、送受光の干渉を低減することができ、より正確なクリアランス計測が可能となる。
　また、本実施例に係る光学センサでは、貫通孔を開けた板材（第１金属版２０及び第２金属板３０）の間に耐環境性窓４０を取り付けるだけであり、上記特許文献１に記載されるような、金属細孔加工と比較し、実現性及び加工性において有利である。
　また、本発明に係る光学センサを、回転体以外も含めた移動体に対するクリアランスの計測に用いる場合には、センサヘッドの先端面を、計測対象である移動体に対し、その移動方向と平行となるように対向させれば、同様の結果を得ることができる。
　本発明は、光学センサとして好適である。
１　センサ部
２　発光装置
３　第１受光装置
４　第２受光装置
５　測定部
６　各光ファイバ
１０，５０　センサヘッド
１０ａ，５０ａ　（センサヘッドの）先端面
１１　第１照明用光ファイバ
１１ａ　（第１照明用光ファイバの）端面（発光部）
１２　第２照明用光ファイバ
１２ａ　（第２照明用光ファイバの）端面（発光部）
１３，５３‐１，５３‐２，５３‐３　第１受光用光ファイバ
１３ａ，５３‐１ａ，５３‐２ａ，５３‐３ａ　（第１受光用光ファイバの）端面（受光部）
１４，５４‐１，５４‐２，５４‐３　第２受光用光ファイバ
１４ａ，５４‐１ａ，５４‐２ａ，５４‐３ａ　（第２受光用光ファイバの）端面（受光部）
２０　第１金属板（第１板材）
２１　第１内側貫通孔
２２　第２内側貫通孔
２３　第３内側貫通孔
２４　第４内側貫通孔
３０　第２金属板（第２板材）
３１　第１外側貫通孔
３２　第２外側貫通孔
３３　第３外側貫通孔
３４　第４外側貫通孔
４０　耐環境性窓
５１，５２　照明用光ファイバ
５１ａ，５２ａ　（照明用光ファイバの）端面（発光部）
１０１　ハウジング
１０２　回転軸
１０３　回転体
１０３ａ　動翼
１０３ｂ　外側端面

Claims (7)

  1. 　センサヘッドの先端面に光ファイバの発光部及び受光部が配される光学センサであって、
    　前記センサヘッドの先端面に対し平行に密着し、前記光ファイバの前記端面に対応する位置に貫通孔が形成された第１板材と、
    　前記第１板材に対し平行かつ計測対象側に配され、前記光ファイバの発光部及び受光部に直交する仮想直線との交点に貫通孔が形成された第２板材とを備える
    　ことを特徴とする光学センサ。
  2. 　前記センサヘッドの前記先端面が、計測対象である移動体に対向して配置されており、
    　前記光ファイバは、前記移動体からの光を、前記センサヘッドの先端面の受光部にて受光し、第１受光装置に入力する第１受光用光ファイバ及び第２受光装置に入力する第２受光用光ファイバを備え、
    　前記第１板材の前記貫通孔は、前記第１受光用光ファイバ及び前記第２受光用光ファイバの前記受光部に対応する位置に、それぞれ形成され、
    　前記第２板材の前記貫通孔は、前記第１受光用光ファイバ及び前記第２受光用光ファイバの前記受光部に直交する仮想直線との交点に、それぞれ形成され、
    　さらに、前記第１受光装置と前記第２受光装置とにそれぞれ入力される前記移動体からの光のタイミングに基づき、前記移動体とのクリアランスを計測する、測定部を備える
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光学センサ。
  3. 　前記光ファイバは、発光装置からの照明光を、前記センサヘッドの先端面における発光部から前記移動体に向けて出射する、照明用光ファイバを備え、
    　前記第１板材の前記貫通孔は、前記第１照明用光ファイバの前記発光部に対応する位置に形成され、
    　前記第２板材の前記貫通孔は、前記第１照明用光ファイバの前記発光部に直交する仮想直線との交点に形成され、
    　前記第１受光用光ファイバ及び前記第２受光用光ファイバが受光する前記移動体からの光は、前記照明用光ファイバから出射される前記照明光の反射光である
    　ことを特徴とする請求項２に記載の光学センサ。
  4. 　前記第１板材と前記第２板材との間に、透光性を有し各前記光ファイバよりも温度及び蒸気への耐性が高い耐環境性窓が挿入される
    　ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学センサ。
  5. 　前記第１板材の各前記貫通孔に、透光性を有し各前記光ファイバよりも温度及び蒸気への耐性が高い耐環境性窓がそれぞれ埋め込まれる
    　ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学センサ。
  6. 　前記照明用光ファイバの端面は、前記センサヘッドの先端面において、前記第１受光用光ファイバ及び前記第２受光用光ファイバの前記受光部から離隔して配される
    　ことを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の光学センサ。
  7. 　前記第２板材において、前記照明用光ファイバの前記発光部に直交する仮想直線との交点に形成される前記貫通孔は、前記第１受光用光ファイバ及び前記第２受光用光ファイバの前記受光部に直交する仮想直線との交点にそれぞれ形成される各前記貫通孔よりも、径が大きい
    　ことを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の光学センサ。
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