エミッタに対する部品の近接度を測定するセンサアセンブリ及び方法
【課題】エミッタの散乱パラメータを安定化さすセンサアセンブリを提供する。
【解決手段】センサアセンブリ１１０は、所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を含む少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界２２４を発生させるエミッタ２０６を備えた少なくとも１つのプローブ２０２であって、部品が少なくとも１つの電磁界２２４と相互に作用した場合にエミッタ２０６に負荷が誘起される、少なくとも１つのプローブ２０２と、エミッタと結合されたデータコンジット２０４であって、負荷を表す少なくとも１つの負荷信号がこのデータコンジット２０４内でエミッタ２０６から反射されるデータコンジット２０４と、少なくとも１つの負荷信号の受信と電気的出力の発生とを行うように構成された少なくとも１つの信号処理装置２００と、を備える。
【解決手段】センサアセンブリ１１０は、所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を含む少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界２２４を発生させるエミッタ２０６を備えた少なくとも１つのプローブ２０２であって、部品が少なくとも１つの電磁界２２４と相互に作用した場合にエミッタ２０６に負荷が誘起される、少なくとも１つのプローブ２０２と、エミッタと結合されたデータコンジット２０４であって、負荷を表す少なくとも１つの負荷信号がこのデータコンジット２０４内でエミッタ２０６から反射されるデータコンジット２０４と、少なくとも１つの負荷信号の受信と電気的出力の発生とを行うように構成された少なくとも１つの信号処理装置２００と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、概して電力システムに関し、特に、広い周波数範囲で動作するエミッタに対する部品の近接度を測定するセンサアセンブリ及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電システム等の、少なくとも幾つかの既知の機械は、時間が経つにつれて損壊したり摩耗したりする部品を１つ以上含む。例えば、既知のタービン等の既知の発電システムは、時間が経つにつれて摩耗するベアリング、ギヤ、及び／又はロータブレード等の部品を含む。部品が摩耗した状態で運転を続けると、他の部品にも損壊が及んだり、部品又はシステムの早期故障に繋がったりする恐れがある。
【０００３】
機械内部の部品の損壊を検出するには、少なくとも幾つかの既知の機械の動作を監視システムで監視する。少なくとも幾つかの既知の監視システムは、当該機械の少なくとも幾つかの部品の近接度を測定する少なくとも１つのセンサアセンブリを含む。近接度の測定は、渦電流センサ、磁気ピックアップセンサ、又は容量センサを用いて可能である。しかし、こうしたセンサの測定範囲は限られているため、こうしたセンサを使用できる場所は限定される。更に、こうしたセンサの周波数応答は概して弱いため、こうしたセンサの精度は限定される。
【０００４】
こうしたセンサの既知の制限を多少なりとも解決するために、少なくとも幾つかの既知の、単一周波数で動作するマイクロ波エミッタが使用されてきた。しかし、こうした既知のマイクロ波エミッタは、近接度を測定する際に、目標物に近づくにつれて離調する場合がある。具体的には、マイクロ波エミッタの共振周波数がシフトする場合がある。こうしたシフトの結果として、マイクロ波エミッタの散乱パラメータ（Ｓパラメータ）に予測不能な挙動パターンが現れる場合がある。更に、Ｓパラメータが不規則であるために、マイクロ波エミッタの精度が制限される場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７６０４４１３号明細書
【発明の概要】
【０００６】
一実施形態では、エミッタに対する部品の近接度を測定する方法を提供する。本方法は、所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を有する少なくとも１つのマイクロ波信号をエミッタに送信するステップを含む。エミッタは、少なくとも１つの電磁界をマイクロ波信号から発生させる。その後、部品と電磁界との間の相互作用によってエミッタに負荷が誘起され、この負荷を表す少なくとも１つの負荷信号が、データコンジット内でエミッタから反射される。更に、負荷信号は、少なくとも１つの信号処理装置によって受信される。信号処理装置は、負荷信号に基づいて、エミッタに対する部品の近接度を測定する。
【０００７】
別の実施形態では、センサアセンブリを提供する。本センサアセンブリは、エミッタを含む少なくとも１つのプローブを含む。エミッタは、所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を含む少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界を発生させ、部品がこの電磁界と相互に作用した場合にエミッタに負荷が誘起される。本センサアセンブリは更に、エミッタと結合されたデータコンジットを含み、誘起された負荷を表す少なくとも１つの負荷信号が、データコンジット内でエミッタから反射される。更に、本センサアセンブリは、負荷信号の受信と電気的出力の発生を行うように構成された、少なくとも１つの信号処理装置を含む。
【０００８】
別の実施形態では、電力システムを提供する。本電力システムは、少なくとも１つの部品と、その部品に近接して配置された少なくとも１つのセンサアセンブリと、センサアセンブリと結合された診断システムと、を含む機械を含む。センサアセンブリは、エミッタを含む少なくとも１つのプローブを含む。エミッタは、所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を含む少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界を発生させ、部品がこの電磁界と相互に作用した場合にエミッタに負荷が誘起される。センサアセンブリは更に、エミッタと結合されたデータコンジットを含み、誘起された負荷を表す少なくとも１つの負荷信号が、データコンジット内でエミッタから反射される。更に、センサアセンブリは、負荷信号の受信と電気的出力の発生とを行うように構成された、少なくとも１つの信号処理装置を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】電力システムの一例のブロック図である。
【図２】図１に示した電力システムに使用可能なセンサアセンブリの一例のブロック図である。
【図３】図２に示したセンサアセンブリに使用可能なエミッタの一例の斜視図である。
【図４】図２に示したセンサアセンブリに使用可能なエミッタの一例の斜視図である。
【図５】図１に示した電力システムに使用可能な、エミッタに対する部品の近接度を測定する方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書に記載の方法、装置、及びシステムの例は、エミッタに対する機械部品の近接度の測定に用いる既知のセンサアセンブリ又はシステムに関連する、少なくとも幾つかの既知の不利点を克服するものである。本明細書に記載の実施形態が提供するセンサアセンブリは、広帯域エミッタ等の、広い範囲の周波数で動作するエミッタを含む。具体的には、本実施例では、エミッタは、ほぼフラットな定在波比を有しており、これによって、エミッタは、エミッタのＳパラメータにおける挙動パターンを安定させることが可能である。結果として、エミッタの共振周波数がシフトした場合でも、エミッタのＳパラメータは、適切な距離での相互関連付けに使用可能な一定パターンを維持する。したがって、本明細書に記載のセンサアセンブリは、ほぼ正確な測定が可能である。
【００１１】
図１に示すシステム１００は、これに限定されないが電力システム１００の一例であって、これらに限定されないが風力タービン、水力発電タービン、ガスタービン、及び／又は圧縮機等の機械１０２を含む。本実施例では、機械１０２は、発電機等の負荷１０６と結合された駆動軸１０４を回転させる。なお、本明細書で用いる「結合する」という用語は、部品間の直接の機械的及び／又は電気的接続に限定されず、複数の部品間の間接的な機械的及び／又は電気的接続も包含する。
【００１２】
本実施例では、駆動軸１０４は、機械１０２及び／又は負荷１０６に収容されている（図示されていない）１つ以上のベアリングで少なくとも部分的に支持されている。その代わりに、或いはこれに加えて、これらのベアリングは、独立した支持構造１０８（ギヤボックス等）又は他の任意の、電力システム１００が本明細書に記載のように機能することを可能にする構造に収容されていてもよい。
【００１３】
本実施例では、電力システム１００は、少なくとも１つのセンサアセンブリ１１０を含んでおり、これらのセンサアセンブリ１１０は、機械１０２、駆動軸１０４、負荷１０６、及び／又は他の任意の、電力システム１００が本明細書に記載のように機能することを可能にする部品の少なくとも１つの動作状態を測定及び／又は監視する。具体的には、本実施例では、センサアセンブリ１１０は、駆動軸１０４に近接して配置された近接度センサアセンブリ１１０であって、駆動軸１０４とセンサアセンブリ１１０との間の（図１には示されていない）距離の測定及び／又は監視に用いられる。更に、本実施例では、センサアセンブリ１１０は、複数の周波数成分を有する１つ以上のマイクロ波信号を用いて、電力システム１００の部品の、センサアセンブリ１１０に対する近接度を測定する。本明細書で用いる「マイクロ波」という用語は、約３００メガヘルツ（ＭＨｚ）から約３００ギガヘルツ（ＧＨｚ）の範囲の周波数を有する信号、又はこの信号を受信及び／又は送信する部品を意味する。或いは、センサアセンブリ１１０は、電力システム１００の他の任意の部品の測定及び／又は監視にも使用可能であり、且つ／又は、他の任意の、電力システム１００が本明細書に記載のように機能することを可能にするセンサ又はトランスデューサのアセンブリであってもよい。
【００１４】
本実施例では、各センサアセンブリ１１０は、電力システム１００内の任意の相対的な位置に配置される。更に、本実施例では、電力システム１００は、１つ以上のセンサアセンブリ１１０と結合された診断システム１１２を含む。診断システム１１２は、センサアセンブリ１１０が発生させた１つ以上の信号を処理及び／又は解析する。本明細書で用いる「処理する」という用語は、信号の少なくとも１つの特性を調節、フィルタリング、バッファリング、及び／又は変更することに関する操作を実行することを意味する。具体的には、本実施例では、センサアセンブリ１１０は、データコンジット１１３又はデータコンジット１１５を介して診断システム１１２と結合されている。或いは、センサアセンブリ１１０は、診断システム１１２と無線で結合されていてもよい。
【００１５】
本実施例では、運転中に、例えば、摩耗、損壊、又は振動により、電力システム１００の１つ以上の部品（駆動軸１０４等）の、１つ以上のセンサアセンブリ１１０に対する位置が変化する可能性がある。例えば、電力システム１００内の動作温度が変化すると、部品に振動が誘起されたり、部品が膨張又は収縮したりする場合がある。本実施例では、センサアセンブリ１１０は、近接度（静止時及び／又は振動時の近接度等）、及び／又はセンサアセンブリ１１０に対する部品の相対位置を測定及び／又は監視し、部品の測定された近接度及び／又は相対位置を表す信号（以下、「近接度測定信号」と称する）を、処理及び／又は解析のために診断システム１１２に送信する。
【００１６】
図２は、（図１に示した）電力システム１００に使用可能なセンサアセンブリ１１０の概略図である。本実施例では、センサアセンブリ１１０は、信号処理装置２００と、データコンジット２０４を介して信号処理装置２００と結合されたプローブ２０２とを含む。或いは、プローブ２０２は、信号処理装置２００と無線で結合されていてもよい。
【００１７】
更に、本実施例では、プローブ２０２は、エミッタ２０６を含んでおり、エミッタ２０６は、プローブハウジング２０８と結合されるか、且つ／又はプローブハウジング２０８内に配置されており、電磁界２２４を発生させる。エミッタ２０６は、データコンジット２０４を介して信号処理装置２００と結合されている。或いは、エミッタ２０６は、信号処理装置２００と無線で結合されていてもよい。更に、本実施例では、プローブ２０２は、広帯域エミッタ２０６を内蔵するマイクロ波プローブ２０２である。具体的には、本実施例では、エミッタ２０６は、所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を有する少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界２２４を発生させるように構成されている。
【００１８】
更に、本実施例では、信号処理装置２００は、送信電力検出器２１２、受信電力検出器２１４、及び信号調整装置２１６と結合された方向性結合装置２１０を含む。更に、本実施例では、信号調整装置２１６は、信号発生器２１８、減算器２２０、及びリニアライザ２２２を含む。
【００１９】
本実施例では、運転中に、信号発生器２１８が、複数のマイクロ波周波数成分を有する少なくとも１つの電気信号（以下、「マイクロ波信号」と称する）を発生させる。このマイクロ波信号は、共振動作の範囲内にある。この範囲は、エミッタ２０６の寸法によって決まる。信号発生器２１８は、マイクロ波信号を方向性結合装置２１０に送信する。方向性結合装置２１０は、マイクロ波信号を、送信電力検出器２１２及びエミッタ２０６に送信する。マイクロ波信号がエミッタ２０６を通して送信されると、エミッタ２０６からプローブハウジング２０８の外に電磁界２２４が放射される。物体、例えば、（図１に示した）駆動軸１０４又は（図１に示した）機械１０２の別の部品及び／又は電力システム１００が、電磁界２２４に入った場合、且つ／又は、電磁界２２４内において、その相対位置が変化した場合、その物体と電磁界２２４との間に電磁結合が発生する可能性がある。具体的には、物体が電磁界２２４内に存在するため、且つ／又は、こうした物体が動いたために、物体内での誘導作用及び／又は容量作用によって電磁界２２４に乱れが生じ、これによって、電磁界２２４の少なくとも一部分が電流及び／又は電荷として物体と誘導結合及び／又は容量結合する可能性がある。こうした場合、エミッタ２０６は離調して（即ち、エミッタ２０６の共振応答がシフト及び／又は変化する等して）、エミッタ２０６に負荷が誘起される。エミッタ２０６に誘起されたこの負荷によって、マイクロ波信号の反射（以下、「離調負荷信号」と称する）が引き起こされ、データコンジット２０４を通って方向性結合装置２１０に送信される。本実施例では、離調負荷信号は、電力振幅がマイクロ波信号の電力振幅より小さく、且つ／又は、位相がマイクロ波信号の位相と異なる。更に、本実施例では、離調負荷信号の電力振幅は、エミッタ２０６に対する物体の近接度に依存する。方向性結合装置２１０は、離調負荷信号を受信電力検出器２１４に送信する。
【００２０】
本実施例では、受信電力検出器２１４は、ひずみ信号に含まれる電力の量を測定し、測定された離調負荷信号電力を表す信号を信号調整装置２１６に送信する。更に、送信電力検出器２１２は、マイクロ波信号に含まれる電力の量を測定し、測定されたマイクロ波信号電力を表す信号を信号調整装置２１６に送信する。本実施例では、減算器２２０は、測定されたマイクロ波信号電力及び測定された離調負荷信号電力を受信し、マイクロ波信号電力と離調負荷信号電力との差を計算する。減算器２２０は、計算された差を表す信号（以下、「電力差信号」と称する）をリニアライザ２２２に送信する。本実施例では、電力差信号の振幅は、電磁界２２４内にある物体（軸１０４等）とエミッタ２０６との間で画定される距離２３０（即ち、物体近接度）にほぼ比例する（例えば、反比例又は指数関数的に比例する）。
【００２１】
しかし、エミッタ２０６の形状又は別の特性によっては、電力差信号の振幅が、物体近接度に対して非線形な関係を少なくとも部分的に示す場合がある。更に、本実施例では、エミッタ２０６は、ほぼフラットな定在波比を有する。したがって、エミッタ２０６が離調した結果として共振周波数がシフトしても、離調負荷信号は、広範囲の周波数にわたって距離２３０にほぼ比例（又は指数関数的に比例）したままである。
【００２２】
本実施例では、リニアライザ２２２は、電力差信号を、物体近接度と近接度測定信号の振幅との間のほぼ線形な関係を示す、電圧出力信号等の電気的出力（即ち、「近接度測定信号」）に変換する。更に、本実施例では、リニアライザ２２２は、近接度測定信号を、（図１に示した）診断システム１１２内での処理及び／又は診断に対応した尺度係数とともに、診断システム１１２に送信する。リニアライザ２２２は、アナログ信号処理又はデジタル信号処理のいずれかの手法を用いて、並びに、これらを混成させた手法を用いて、エミッタ２０６を利用及び駆動させることが可能である。例えば、本実施例では、近接度測定信号は、ボルト毎ミリメートルの尺度係数を有する。或いは、近接度測定信号は、診断システム１１２及び／又は電力システム１００が本明細書に記載のように機能することを可能にする他の任意の尺度係数を有してもよい。
【００２３】
図３は、（図１及び２とともに示した）センサアセンブリ１１０に使用可能なエミッタ３００の斜視図である。具体的には、エミッタ３００は、（図２に示した）広帯域エミッタ２０６として使用可能な特定タイプの広帯域エミッタである。本実施例では、エミッタ３００は、エミッタ３００の形状及び／又は寸法により定まる広い周波数範囲を有する対数螺旋エミッタ３００である。具体的には、本実施例では、エミッタ３００は、約２ＧＨｚから約８００ＭＨｚの間の周波数を有する信号を受信及び／又は送信することが可能である。
【００２４】
本実施例では、エミッタ３００は、プリント回路基板３０１で作製され、実質的に２次元の平面形状で形成されている。具体的には、エミッタ３００は、第１の面３０２及び第２の面３０４によって画定されるほぼ円形の断面形状で形成されている。第１の面は、コンジット３０６を含んでおり、本実施例では、コンジット３０６は、ほぼ螺旋形状であり金属ワイヤで形成されている。マイクロ波信号等の信号を、コンジット３０６を通して送信することが可能であり、具体的には、所望の螺旋長さ３０７を通して送信することが可能である。或いは、コンジット３０６は、コンジット３０６を収容するように寸法決めされ、エミッタ３００が本明細書に記載のように機能することを可能にする、他の任意の物質又は化合物から作製されてもよい。
【００２５】
エミッタ３００の第２の面３０４は、データコンジット２０４を介して（図２に示した）信号処理装置２００と結合されている。具体的には、データコンジット２０４は、第１の端部３０８及び第２の端部３１０を有する。第１の端部３０８は、エミッタの第２の面３０４と結合されており、本実施例では、第２の端部３１０は、信号処理装置２００と結合されている。本実施例では、エミッタの第２の面３０４は、第２の面３０４から第１の面３０２に延びる接続装置３１２を含む。データコンジット２０４は、接続装置３１２を介して、第２の面３０４と結合されている。
【００２６】
運転中、（図２に示した）信号発生器２１８は、複数の周波数成分を有するマイクロ波信号を発生させ、このマイクロ波信号を（図２に示した）方向性結合装置２１０に送信する。（図２に示した）方向性結合装置２１０は、そのマイクロ波信号を（図２に示した）送信電力検出器２１２及びエミッタ３００に送信する。マイクロ波信号がエミッタ３００を通して送信されると、エミッタ３００から（図２に示した）プローブハウジング２０８の外に（図２に示した）電磁界２２４が放射される。具体的には、マイクロ波信号は、コンジット３０６を通して送信される。物体、例えば、（図１に示した）駆動軸１０４又は（図１に示した）機械１０２の別の部品及び／又は（図１に示した）電力システム１００が、電磁界２２４に入った場合、且つ／又は、電磁界２２４内においてその相対位置が変化した場合、その物体と電磁界２２４との間に電磁結合が発生する可能性がある。具体的には、物体が電磁界２２４内に存在するために、且つ／又は、こうした物体が動いたために、物体内での誘導作用及び／又は容量作用によって電磁界２２４に乱れが生じ、これによって、電磁界２２４の少なくとも一部分が電流及び／又は電荷として物体と誘導結合及び／又は容量結合する可能性がある。こうした場合、エミッタ３００は離調して（即ち、エミッタ３００の共振周波数が低下及び／又は変化する等して）、エミッタ３００に負荷が誘起される。エミッタ３００に誘起されたこの負荷によって、離調負荷信号が（図２に示した）データコンジット２０４を通って方向性結合装置２１０に送信される。本実施例では、離調負荷信号は、電力振幅がマイクロ波信号の電力振幅より小さく、且つ／又は、位相がマイクロ波信号の位相と異なる。更に、本実施例では、離調負荷信号の電力振幅は、エミッタ３００に対する（軸１０４等の）物体の近接度に依存する。方向性結合装置２１０は、離調負荷信号を（図２に示した）受信電力検出器２１４に送信する。
【００２７】
更に、受信電力検出器２１４は、ひずみ信号に含まれる電力の量を測定し、測定された離調負荷信号電力を表す信号を（図２に示した）信号調整装置２１６に送信する。更に、送信電力検出器２１２は、マイクロ波信号に含まれる電力の量を検出し、測定されたマイクロ波信号電力を表す信号を信号調整装置２１６に送信する。本実施例では、（図２に示した）減算器２２０は、測定されたマイクロ波信号電力及び測定された離調負荷信号電力を受信し、マイクロ波信号電力と離調負荷信号電力との差を計算する。減算器２２０は、計算された差を表す信号（以下、「電力差信号」と称する）を（図２に示した）リニアライザ２２２に送信する。本実施例では、電力差信号の振幅は、電磁界２２４内にある物体（軸１０４等）とエミッタ３００との間で定まる距離２３０（即ち、物体近接度）にほぼ比例する（例えば、反比例又は指数関数的に比例する）。
【００２８】
本実施例では、エミッタ３００は、フラットな定在波比を有する。したがって、エミッタ３００が離調した結果として共振周波数がシフトしても、離調負荷信号は、広範囲の周波数にわたって（図２に示した）距離２３０にほぼ比例（又は指数関数的に比例）したままである。
【００２９】
図４は、（図１及び２とともに示した）センサアセンブリ１１０に使用可能なエミッタ４００の斜視図である。具体的には、エミッタ４００は、（図２に示した）広帯域エミッタ２０６として使用可能な特定タイプの広帯域エミッタである。本実施例では、エミッタ４００は、エミッタ４００の形状及び／又は寸法により定まる広い周波数範囲を有する対数周期エミッタ４００である。具体的には、本実施例では、エミッタ４００は、約３００ＭＨｚから約１６００ＭＨｚの間の周波数を有する信号を受信及び／又は送信することが可能である。
【００３０】
本実施例では、エミッタ４００は、プリント回路基板４０１から作製され、実質的に２次元の平面形状で形成されている。具体的には、エミッタ４００は、第１の面４０２及び第２の面４０４によって画定されるほぼ円形の断面形状で形成されている。第１の面４０２は、コンジット４０６を含んでおり、コンジット４０６は、本実施例では、第１の端部４０５及び第２の端部４０７を有するほぼ非線形の形状である。マイクロ波信号等の信号を、コンジット４０６を通して送信することが可能であり、具体的には、第１の端部４０５又は第２の端部４０７に送信することが可能である。
【００３１】
本実施例では、コンジット４０６は、金属ワイヤから形成されている。或いは、コンジット４０６は、コンジット４０６を収容するように寸法決め及び成形された、エミッタ４００が本明細書に記載のように機能することを可能にする、任意の物質又は化合物から形成されてもよい。
【００３２】
エミッタの第２の面４０４は、データコンジット２０４を介して（図２に示した）信号処理装置２００と結合されている。具体的には、データコンジット２０４は、第１の端部３０８及び第２の端部３１０を有する。第１の端部３０８は、エミッタの第２の面４０４と結合されている。より具体的には、エミッタの第２の面４０４は、第２の面４０４から第１の面４０２に延びる接続装置４１２を含む。データコンジット２０４は、接続装置４１２を介して、第２の面４０４と結合されている。
【００３３】
運転中、（図２に示した）信号発生器２１８は、複数の周波数成分を有するマイクロ波信号を発生させ、このマイクロ波信号を（図２に示した）方向性結合装置２１０に送信する。（図２に示した）方向性結合装置２１０は、そのマイクロ波信号を送信電力検出器２１２及びエミッタ３００に送信する。マイクロ波信号がエミッタ４００を通して送信されると、エミッタ４００から（図２に示した）プローブハウジング２０８の外に（図２に示した）電磁界２２４が放射される。具体的には、マイクロ波信号は、コンジット４０６を通して送信される。物体、例えば、（図１に示した）駆動軸１０４又は（図１に示した）機械１０２の別の部品及び／又は（図１に示した）電力システム１００が、電磁界２２４に入った場合、且つ／又は、電磁界２２４内においてその相対位置が変化した場合、その物体と電磁界２２４との間に電磁結合が発生する可能性がある。具体的には、物体が電磁界２２４内に存在するために、且つ／又は、こうした物体が動いたために、物体内での誘導作用及び／又は容量作用によって電磁界２２４に乱れが生じ、これによって、電磁界２２４の少なくとも一部分が電流及び／又は電荷として物体と誘導結合及び／又は容量結合する可能性がある。こうした場合、エミッタ４００は離調して（即ち、エミッタ４００の共振周波数が低下及び／又は変化する等して）、エミッタ４００に負荷が誘起される。この、エミッタ４００に誘起された負荷によって、離調負荷信号が（図２に示した）データコンジット２０４を通って方向性結合装置２１０に送信される。本実施例では、離調負荷信号は、電力振幅がマイクロ波信号の電力振幅より小さく、且つ／又は、位相がマイクロ波信号の位相と異なる。更に、本実施例では、離調負荷信号の電力振幅は、エミッタ４００に対する物体の近接度に依存する。方向性結合装置２１０は、離調負荷信号を（図２に示した）受信電力検出器２１４に送信する。
【００３４】
更に、受信電力検出器２１４は、ひずみ信号に含まれる電力の量を測定し、測定された離調負荷信号電力を表す信号を（図２に示した）信号調整装置２１６に送信する。更に、送信電力検出器２１２は、マイクロ波信号に含まれる電力の量を検出し、測定されたマイクロ波信号電力を表す信号を信号調整装置２１６に送信する。本実施例では、（図２に示した）減算器２２０は、測定されたマイクロ波信号電力及び測定された離調負荷信号電力を受信し、マイクロ波信号電力と離調負荷信号電力との差を計算する。減算器２２０は、計算された差を表す信号（以下、「電力差信号」と称する）を（図２に示した）リニアライザ２２２に送信する。本実施例では、電力差信号の振幅は、電磁界２２４内にある物体（軸１０４等）とエミッタ４００との間で定まる距離２３０（即ち、物体近接度）にほぼ比例する（例えば、反比例又は指数関数的に比例する）。
【００３５】
本実施例では、エミッタ４００は、フラットな定在波比を有する。したがって、エミッタ４００が離調した結果として共振周波数がシフトしても、離調負荷信号は、広範囲の周波数にわたって（図２に示した）距離２３０にほぼ比例（又は指数関数的に比例）したままである。
【００３６】
図５は、（図１に示した）システム１００等の電力システムに使用されるエミッタに対する部品の近接度の測定に使用可能な方法５００の一例を示すフローチャートである。本実施例では、所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を有する少なくとも１つのマイクロ波信号を（図２に示した）エミッタ２０６に送信する（５０２）。エミッタ２０６は、このマイクロ波信号から、（図２に示した）少なくとも１つの電磁界２２４を発生させる（５０４）。（図１に示した）駆動軸１０４等の機械部品と電磁界２２４との間の相互作用によって、エミッタ２０６に負荷が誘起される（５０６）。この負荷を表す少なくとも１つの離調負荷信号が、（図２に示した）データコンジット２０４内で、エミッタ２０６から反射される。（図２に示した）少なくとも１つの信号処理装置２００が、この負荷信号を受信する（５０８）。
【００３７】
更に、本実施例では、信号処理装置２００が、離調負荷信号に基づいて、エミッタ２０６に対する軸１０４の近接度を測定する（５０９）。次に、信号処理装置２００は、電気的出力を発生させる（５１０）。この電気的出力は、（図１に示した）診断システム１１２に送信される（５１２）。
【００３８】
上述の実施形態は、エミッタに対する部品の近接度の測定に使用可能な、効率的且つほぼ正確なセンサアセンブリを提供する。具体的には、本明細書に記載の実施形態は、広範囲の周波数で動作するエミッタを用いて近接度を測定するセンサアセンブリを提供する。より具体的には、こうしたセンサは、ほぼフラットな定在波比を有しており、これによって、エミッタは、エミッタのＳパラメータにおける挙動パターンを安定させることが可能である。結果として、エミッタの共振周波数がシフトした場合でも、エミッタのＳパラメータは、適切な距離での相互関連付けに使用可能な一定パターンを維持する。したがって、本明細書に記載のセンサアセンブリは、ほぼ正確な測定が可能である。
【００３９】
以上、エミッタに対する機械部品の近接度を測定するセンサアセンブリ及び方法の実施例を詳説した。本方法及び本センサアセンブリが、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されることはなく、むしろ、本センサアセンブリの部品及び／又は本方法のステップを、本明細書に記載のその他の部品及び／又はステップとは別個独立に利用することもできる。例えば、本センサアセンブリを、その他の計測システム及び方法と組み合わせてもよく、また、本センサアセンブリが、本明細書に記載の電力システムを用いた実施のみに限定されることはない。むしろ、本実施例をその他の測定及び／又は監視用途に組み合わせて実施及び利用することもできる。
【００４０】
図面によっては、本発明の様々な実施形態の特定の特徴が示されていることも示されていないこともあるが、これはあくまでも便宜上の理由による。本発明の原理に従って、或る図面の或る特徴を、その他のあらゆる図面のあらゆる特徴と組み合わせて参照及び／又はクレームすることができる。
【００４１】
本明細書では、最適な態様を含めた例を用いて本発明を開示しているが、これによって当業者は、任意の装置又はシステムの作製及び使用、並びにこれに付随する任意の方法の実施を含め、本発明を実施することができる。本発明の特許請求の範囲は請求項に記載されているが、当業者に想到可能なその他の例も包含し得る。こうしたその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、又は請求項の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、本発明の特許請求の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００４２】
１００ 電力システム
１０２ 機械
１０４ 駆動軸又は部品
１０６ 負荷又は部品
１０８ 支持構造
１１０ センサアセンブリ
１１２ 診断システム
１１３ データコンジット
１１５ データコンジット
２００ 信号処理装置
２０２ プローブ
２０４ データコンジット
２０６ エミッタ
２０８ プローブハウジング
２１０ 方向性結合装置
２１２ 送信電力検出器
２１４ 受信電力検出器
２１６ 信号調整装置
２１８ 信号発生器
２２０ 減算器
２２２ リニアライザ
２２４ 電磁界
２３０ 距離
３００ エミッタ
３０１ プリント回路基板
３０２ 第１の面
３０４ 第２の面
３０６ コンジット
３０７ 所望の螺旋長さ
３０８ 第１の端部
３１０ 第２の端部
３１２ 接続装置
４００ エミッタ
４０１ プリント回路基板
４０２ 第１の面
４０４ エミッタの第２の面
４０５ 第１の端部
４０６ コンジット
４０７ 第２の端部
４１２ 接続装置
５００ 電力システムに使用されるエミッタに対する部品の近接度の測定プロセス
５０２ 所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を有する少なくとも１つのマイクロ波信号をエミッタに送信する
５０４ エミッタでマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界を発生させる
５０６ 機械部品と電磁界との間の相互作用によってエミッタに負荷を誘起する
５０８ 少なくとも１つの信号処理装置で負荷信号を受信する
５０９ 信号処理装置で、離調負荷信号に基づいてエミッタに対する軸の近接度を測定する
５１０ 信号処理装置で電気的出力を発生させる
５１２ 電気的出力を診断システムに送信する
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、概して電力システムに関し、特に、広い周波数範囲で動作するエミッタに対する部品の近接度を測定するセンサアセンブリ及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電システム等の、少なくとも幾つかの既知の機械は、時間が経つにつれて損壊したり摩耗したりする部品を１つ以上含む。例えば、既知のタービン等の既知の発電システムは、時間が経つにつれて摩耗するベアリング、ギヤ、及び／又はロータブレード等の部品を含む。部品が摩耗した状態で運転を続けると、他の部品にも損壊が及んだり、部品又はシステムの早期故障に繋がったりする恐れがある。
【０００３】
機械内部の部品の損壊を検出するには、少なくとも幾つかの既知の機械の動作を監視システムで監視する。少なくとも幾つかの既知の監視システムは、当該機械の少なくとも幾つかの部品の近接度を測定する少なくとも１つのセンサアセンブリを含む。近接度の測定は、渦電流センサ、磁気ピックアップセンサ、又は容量センサを用いて可能である。しかし、こうしたセンサの測定範囲は限られているため、こうしたセンサを使用できる場所は限定される。更に、こうしたセンサの周波数応答は概して弱いため、こうしたセンサの精度は限定される。
【０００４】
こうしたセンサの既知の制限を多少なりとも解決するために、少なくとも幾つかの既知の、単一周波数で動作するマイクロ波エミッタが使用されてきた。しかし、こうした既知のマイクロ波エミッタは、近接度を測定する際に、目標物に近づくにつれて離調する場合がある。具体的には、マイクロ波エミッタの共振周波数がシフトする場合がある。こうしたシフトの結果として、マイクロ波エミッタの散乱パラメータ（Ｓパラメータ）に予測不能な挙動パターンが現れる場合がある。更に、Ｓパラメータが不規則であるために、マイクロ波エミッタの精度が制限される場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７６０４４１３号明細書
【発明の概要】
【０００６】
一実施形態では、エミッタに対する部品の近接度を測定する方法を提供する。本方法は、所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を有する少なくとも１つのマイクロ波信号をエミッタに送信するステップを含む。エミッタは、少なくとも１つの電磁界をマイクロ波信号から発生させる。その後、部品と電磁界との間の相互作用によってエミッタに負荷が誘起され、この負荷を表す少なくとも１つの負荷信号が、データコンジット内でエミッタから反射される。更に、負荷信号は、少なくとも１つの信号処理装置によって受信される。信号処理装置は、負荷信号に基づいて、エミッタに対する部品の近接度を測定する。
【０００７】
別の実施形態では、センサアセンブリを提供する。本センサアセンブリは、エミッタを含む少なくとも１つのプローブを含む。エミッタは、所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を含む少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界を発生させ、部品がこの電磁界と相互に作用した場合にエミッタに負荷が誘起される。本センサアセンブリは更に、エミッタと結合されたデータコンジットを含み、誘起された負荷を表す少なくとも１つの負荷信号が、データコンジット内でエミッタから反射される。更に、本センサアセンブリは、負荷信号の受信と電気的出力の発生を行うように構成された、少なくとも１つの信号処理装置を含む。
【０００８】
別の実施形態では、電力システムを提供する。本電力システムは、少なくとも１つの部品と、その部品に近接して配置された少なくとも１つのセンサアセンブリと、センサアセンブリと結合された診断システムと、を含む機械を含む。センサアセンブリは、エミッタを含む少なくとも１つのプローブを含む。エミッタは、所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を含む少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界を発生させ、部品がこの電磁界と相互に作用した場合にエミッタに負荷が誘起される。センサアセンブリは更に、エミッタと結合されたデータコンジットを含み、誘起された負荷を表す少なくとも１つの負荷信号が、データコンジット内でエミッタから反射される。更に、センサアセンブリは、負荷信号の受信と電気的出力の発生とを行うように構成された、少なくとも１つの信号処理装置を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】電力システムの一例のブロック図である。
【図２】図１に示した電力システムに使用可能なセンサアセンブリの一例のブロック図である。
【図３】図２に示したセンサアセンブリに使用可能なエミッタの一例の斜視図である。
【図４】図２に示したセンサアセンブリに使用可能なエミッタの一例の斜視図である。
【図５】図１に示した電力システムに使用可能な、エミッタに対する部品の近接度を測定する方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書に記載の方法、装置、及びシステムの例は、エミッタに対する機械部品の近接度の測定に用いる既知のセンサアセンブリ又はシステムに関連する、少なくとも幾つかの既知の不利点を克服するものである。本明細書に記載の実施形態が提供するセンサアセンブリは、広帯域エミッタ等の、広い範囲の周波数で動作するエミッタを含む。具体的には、本実施例では、エミッタは、ほぼフラットな定在波比を有しており、これによって、エミッタは、エミッタのＳパラメータにおける挙動パターンを安定させることが可能である。結果として、エミッタの共振周波数がシフトした場合でも、エミッタのＳパラメータは、適切な距離での相互関連付けに使用可能な一定パターンを維持する。したがって、本明細書に記載のセンサアセンブリは、ほぼ正確な測定が可能である。
【００１１】
図１に示すシステム１００は、これに限定されないが電力システム１００の一例であって、これらに限定されないが風力タービン、水力発電タービン、ガスタービン、及び／又は圧縮機等の機械１０２を含む。本実施例では、機械１０２は、発電機等の負荷１０６と結合された駆動軸１０４を回転させる。なお、本明細書で用いる「結合する」という用語は、部品間の直接の機械的及び／又は電気的接続に限定されず、複数の部品間の間接的な機械的及び／又は電気的接続も包含する。
【００１２】
本実施例では、駆動軸１０４は、機械１０２及び／又は負荷１０６に収容されている（図示されていない）１つ以上のベアリングで少なくとも部分的に支持されている。その代わりに、或いはこれに加えて、これらのベアリングは、独立した支持構造１０８（ギヤボックス等）又は他の任意の、電力システム１００が本明細書に記載のように機能することを可能にする構造に収容されていてもよい。
【００１３】
本実施例では、電力システム１００は、少なくとも１つのセンサアセンブリ１１０を含んでおり、これらのセンサアセンブリ１１０は、機械１０２、駆動軸１０４、負荷１０６、及び／又は他の任意の、電力システム１００が本明細書に記載のように機能することを可能にする部品の少なくとも１つの動作状態を測定及び／又は監視する。具体的には、本実施例では、センサアセンブリ１１０は、駆動軸１０４に近接して配置された近接度センサアセンブリ１１０であって、駆動軸１０４とセンサアセンブリ１１０との間の（図１には示されていない）距離の測定及び／又は監視に用いられる。更に、本実施例では、センサアセンブリ１１０は、複数の周波数成分を有する１つ以上のマイクロ波信号を用いて、電力システム１００の部品の、センサアセンブリ１１０に対する近接度を測定する。本明細書で用いる「マイクロ波」という用語は、約３００メガヘルツ（ＭＨｚ）から約３００ギガヘルツ（ＧＨｚ）の範囲の周波数を有する信号、又はこの信号を受信及び／又は送信する部品を意味する。或いは、センサアセンブリ１１０は、電力システム１００の他の任意の部品の測定及び／又は監視にも使用可能であり、且つ／又は、他の任意の、電力システム１００が本明細書に記載のように機能することを可能にするセンサ又はトランスデューサのアセンブリであってもよい。
【００１４】
本実施例では、各センサアセンブリ１１０は、電力システム１００内の任意の相対的な位置に配置される。更に、本実施例では、電力システム１００は、１つ以上のセンサアセンブリ１１０と結合された診断システム１１２を含む。診断システム１１２は、センサアセンブリ１１０が発生させた１つ以上の信号を処理及び／又は解析する。本明細書で用いる「処理する」という用語は、信号の少なくとも１つの特性を調節、フィルタリング、バッファリング、及び／又は変更することに関する操作を実行することを意味する。具体的には、本実施例では、センサアセンブリ１１０は、データコンジット１１３又はデータコンジット１１５を介して診断システム１１２と結合されている。或いは、センサアセンブリ１１０は、診断システム１１２と無線で結合されていてもよい。
【００１５】
本実施例では、運転中に、例えば、摩耗、損壊、又は振動により、電力システム１００の１つ以上の部品（駆動軸１０４等）の、１つ以上のセンサアセンブリ１１０に対する位置が変化する可能性がある。例えば、電力システム１００内の動作温度が変化すると、部品に振動が誘起されたり、部品が膨張又は収縮したりする場合がある。本実施例では、センサアセンブリ１１０は、近接度（静止時及び／又は振動時の近接度等）、及び／又はセンサアセンブリ１１０に対する部品の相対位置を測定及び／又は監視し、部品の測定された近接度及び／又は相対位置を表す信号（以下、「近接度測定信号」と称する）を、処理及び／又は解析のために診断システム１１２に送信する。
【００１６】
図２は、（図１に示した）電力システム１００に使用可能なセンサアセンブリ１１０の概略図である。本実施例では、センサアセンブリ１１０は、信号処理装置２００と、データコンジット２０４を介して信号処理装置２００と結合されたプローブ２０２とを含む。或いは、プローブ２０２は、信号処理装置２００と無線で結合されていてもよい。
【００１７】
更に、本実施例では、プローブ２０２は、エミッタ２０６を含んでおり、エミッタ２０６は、プローブハウジング２０８と結合されるか、且つ／又はプローブハウジング２０８内に配置されており、電磁界２２４を発生させる。エミッタ２０６は、データコンジット２０４を介して信号処理装置２００と結合されている。或いは、エミッタ２０６は、信号処理装置２００と無線で結合されていてもよい。更に、本実施例では、プローブ２０２は、広帯域エミッタ２０６を内蔵するマイクロ波プローブ２０２である。具体的には、本実施例では、エミッタ２０６は、所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を有する少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界２２４を発生させるように構成されている。
【００１８】
更に、本実施例では、信号処理装置２００は、送信電力検出器２１２、受信電力検出器２１４、及び信号調整装置２１６と結合された方向性結合装置２１０を含む。更に、本実施例では、信号調整装置２１６は、信号発生器２１８、減算器２２０、及びリニアライザ２２２を含む。
【００１９】
本実施例では、運転中に、信号発生器２１８が、複数のマイクロ波周波数成分を有する少なくとも１つの電気信号（以下、「マイクロ波信号」と称する）を発生させる。このマイクロ波信号は、共振動作の範囲内にある。この範囲は、エミッタ２０６の寸法によって決まる。信号発生器２１８は、マイクロ波信号を方向性結合装置２１０に送信する。方向性結合装置２１０は、マイクロ波信号を、送信電力検出器２１２及びエミッタ２０６に送信する。マイクロ波信号がエミッタ２０６を通して送信されると、エミッタ２０６からプローブハウジング２０８の外に電磁界２２４が放射される。物体、例えば、（図１に示した）駆動軸１０４又は（図１に示した）機械１０２の別の部品及び／又は電力システム１００が、電磁界２２４に入った場合、且つ／又は、電磁界２２４内において、その相対位置が変化した場合、その物体と電磁界２２４との間に電磁結合が発生する可能性がある。具体的には、物体が電磁界２２４内に存在するため、且つ／又は、こうした物体が動いたために、物体内での誘導作用及び／又は容量作用によって電磁界２２４に乱れが生じ、これによって、電磁界２２４の少なくとも一部分が電流及び／又は電荷として物体と誘導結合及び／又は容量結合する可能性がある。こうした場合、エミッタ２０６は離調して（即ち、エミッタ２０６の共振応答がシフト及び／又は変化する等して）、エミッタ２０６に負荷が誘起される。エミッタ２０６に誘起されたこの負荷によって、マイクロ波信号の反射（以下、「離調負荷信号」と称する）が引き起こされ、データコンジット２０４を通って方向性結合装置２１０に送信される。本実施例では、離調負荷信号は、電力振幅がマイクロ波信号の電力振幅より小さく、且つ／又は、位相がマイクロ波信号の位相と異なる。更に、本実施例では、離調負荷信号の電力振幅は、エミッタ２０６に対する物体の近接度に依存する。方向性結合装置２１０は、離調負荷信号を受信電力検出器２１４に送信する。
【００２０】
本実施例では、受信電力検出器２１４は、ひずみ信号に含まれる電力の量を測定し、測定された離調負荷信号電力を表す信号を信号調整装置２１６に送信する。更に、送信電力検出器２１２は、マイクロ波信号に含まれる電力の量を測定し、測定されたマイクロ波信号電力を表す信号を信号調整装置２１６に送信する。本実施例では、減算器２２０は、測定されたマイクロ波信号電力及び測定された離調負荷信号電力を受信し、マイクロ波信号電力と離調負荷信号電力との差を計算する。減算器２２０は、計算された差を表す信号（以下、「電力差信号」と称する）をリニアライザ２２２に送信する。本実施例では、電力差信号の振幅は、電磁界２２４内にある物体（軸１０４等）とエミッタ２０６との間で画定される距離２３０（即ち、物体近接度）にほぼ比例する（例えば、反比例又は指数関数的に比例する）。
【００２１】
しかし、エミッタ２０６の形状又は別の特性によっては、電力差信号の振幅が、物体近接度に対して非線形な関係を少なくとも部分的に示す場合がある。更に、本実施例では、エミッタ２０６は、ほぼフラットな定在波比を有する。したがって、エミッタ２０６が離調した結果として共振周波数がシフトしても、離調負荷信号は、広範囲の周波数にわたって距離２３０にほぼ比例（又は指数関数的に比例）したままである。
【００２２】
本実施例では、リニアライザ２２２は、電力差信号を、物体近接度と近接度測定信号の振幅との間のほぼ線形な関係を示す、電圧出力信号等の電気的出力（即ち、「近接度測定信号」）に変換する。更に、本実施例では、リニアライザ２２２は、近接度測定信号を、（図１に示した）診断システム１１２内での処理及び／又は診断に対応した尺度係数とともに、診断システム１１２に送信する。リニアライザ２２２は、アナログ信号処理又はデジタル信号処理のいずれかの手法を用いて、並びに、これらを混成させた手法を用いて、エミッタ２０６を利用及び駆動させることが可能である。例えば、本実施例では、近接度測定信号は、ボルト毎ミリメートルの尺度係数を有する。或いは、近接度測定信号は、診断システム１１２及び／又は電力システム１００が本明細書に記載のように機能することを可能にする他の任意の尺度係数を有してもよい。
【００２３】
図３は、（図１及び２とともに示した）センサアセンブリ１１０に使用可能なエミッタ３００の斜視図である。具体的には、エミッタ３００は、（図２に示した）広帯域エミッタ２０６として使用可能な特定タイプの広帯域エミッタである。本実施例では、エミッタ３００は、エミッタ３００の形状及び／又は寸法により定まる広い周波数範囲を有する対数螺旋エミッタ３００である。具体的には、本実施例では、エミッタ３００は、約２ＧＨｚから約８００ＭＨｚの間の周波数を有する信号を受信及び／又は送信することが可能である。
【００２４】
本実施例では、エミッタ３００は、プリント回路基板３０１で作製され、実質的に２次元の平面形状で形成されている。具体的には、エミッタ３００は、第１の面３０２及び第２の面３０４によって画定されるほぼ円形の断面形状で形成されている。第１の面は、コンジット３０６を含んでおり、本実施例では、コンジット３０６は、ほぼ螺旋形状であり金属ワイヤで形成されている。マイクロ波信号等の信号を、コンジット３０６を通して送信することが可能であり、具体的には、所望の螺旋長さ３０７を通して送信することが可能である。或いは、コンジット３０６は、コンジット３０６を収容するように寸法決めされ、エミッタ３００が本明細書に記載のように機能することを可能にする、他の任意の物質又は化合物から作製されてもよい。
【００２５】
エミッタ３００の第２の面３０４は、データコンジット２０４を介して（図２に示した）信号処理装置２００と結合されている。具体的には、データコンジット２０４は、第１の端部３０８及び第２の端部３１０を有する。第１の端部３０８は、エミッタの第２の面３０４と結合されており、本実施例では、第２の端部３１０は、信号処理装置２００と結合されている。本実施例では、エミッタの第２の面３０４は、第２の面３０４から第１の面３０２に延びる接続装置３１２を含む。データコンジット２０４は、接続装置３１２を介して、第２の面３０４と結合されている。
【００２６】
運転中、（図２に示した）信号発生器２１８は、複数の周波数成分を有するマイクロ波信号を発生させ、このマイクロ波信号を（図２に示した）方向性結合装置２１０に送信する。（図２に示した）方向性結合装置２１０は、そのマイクロ波信号を（図２に示した）送信電力検出器２１２及びエミッタ３００に送信する。マイクロ波信号がエミッタ３００を通して送信されると、エミッタ３００から（図２に示した）プローブハウジング２０８の外に（図２に示した）電磁界２２４が放射される。具体的には、マイクロ波信号は、コンジット３０６を通して送信される。物体、例えば、（図１に示した）駆動軸１０４又は（図１に示した）機械１０２の別の部品及び／又は（図１に示した）電力システム１００が、電磁界２２４に入った場合、且つ／又は、電磁界２２４内においてその相対位置が変化した場合、その物体と電磁界２２４との間に電磁結合が発生する可能性がある。具体的には、物体が電磁界２２４内に存在するために、且つ／又は、こうした物体が動いたために、物体内での誘導作用及び／又は容量作用によって電磁界２２４に乱れが生じ、これによって、電磁界２２４の少なくとも一部分が電流及び／又は電荷として物体と誘導結合及び／又は容量結合する可能性がある。こうした場合、エミッタ３００は離調して（即ち、エミッタ３００の共振周波数が低下及び／又は変化する等して）、エミッタ３００に負荷が誘起される。エミッタ３００に誘起されたこの負荷によって、離調負荷信号が（図２に示した）データコンジット２０４を通って方向性結合装置２１０に送信される。本実施例では、離調負荷信号は、電力振幅がマイクロ波信号の電力振幅より小さく、且つ／又は、位相がマイクロ波信号の位相と異なる。更に、本実施例では、離調負荷信号の電力振幅は、エミッタ３００に対する（軸１０４等の）物体の近接度に依存する。方向性結合装置２１０は、離調負荷信号を（図２に示した）受信電力検出器２１４に送信する。
【００２７】
更に、受信電力検出器２１４は、ひずみ信号に含まれる電力の量を測定し、測定された離調負荷信号電力を表す信号を（図２に示した）信号調整装置２１６に送信する。更に、送信電力検出器２１２は、マイクロ波信号に含まれる電力の量を検出し、測定されたマイクロ波信号電力を表す信号を信号調整装置２１６に送信する。本実施例では、（図２に示した）減算器２２０は、測定されたマイクロ波信号電力及び測定された離調負荷信号電力を受信し、マイクロ波信号電力と離調負荷信号電力との差を計算する。減算器２２０は、計算された差を表す信号（以下、「電力差信号」と称する）を（図２に示した）リニアライザ２２２に送信する。本実施例では、電力差信号の振幅は、電磁界２２４内にある物体（軸１０４等）とエミッタ３００との間で定まる距離２３０（即ち、物体近接度）にほぼ比例する（例えば、反比例又は指数関数的に比例する）。
【００２８】
本実施例では、エミッタ３００は、フラットな定在波比を有する。したがって、エミッタ３００が離調した結果として共振周波数がシフトしても、離調負荷信号は、広範囲の周波数にわたって（図２に示した）距離２３０にほぼ比例（又は指数関数的に比例）したままである。
【００２９】
図４は、（図１及び２とともに示した）センサアセンブリ１１０に使用可能なエミッタ４００の斜視図である。具体的には、エミッタ４００は、（図２に示した）広帯域エミッタ２０６として使用可能な特定タイプの広帯域エミッタである。本実施例では、エミッタ４００は、エミッタ４００の形状及び／又は寸法により定まる広い周波数範囲を有する対数周期エミッタ４００である。具体的には、本実施例では、エミッタ４００は、約３００ＭＨｚから約１６００ＭＨｚの間の周波数を有する信号を受信及び／又は送信することが可能である。
【００３０】
本実施例では、エミッタ４００は、プリント回路基板４０１から作製され、実質的に２次元の平面形状で形成されている。具体的には、エミッタ４００は、第１の面４０２及び第２の面４０４によって画定されるほぼ円形の断面形状で形成されている。第１の面４０２は、コンジット４０６を含んでおり、コンジット４０６は、本実施例では、第１の端部４０５及び第２の端部４０７を有するほぼ非線形の形状である。マイクロ波信号等の信号を、コンジット４０６を通して送信することが可能であり、具体的には、第１の端部４０５又は第２の端部４０７に送信することが可能である。
【００３１】
本実施例では、コンジット４０６は、金属ワイヤから形成されている。或いは、コンジット４０６は、コンジット４０６を収容するように寸法決め及び成形された、エミッタ４００が本明細書に記載のように機能することを可能にする、任意の物質又は化合物から形成されてもよい。
【００３２】
エミッタの第２の面４０４は、データコンジット２０４を介して（図２に示した）信号処理装置２００と結合されている。具体的には、データコンジット２０４は、第１の端部３０８及び第２の端部３１０を有する。第１の端部３０８は、エミッタの第２の面４０４と結合されている。より具体的には、エミッタの第２の面４０４は、第２の面４０４から第１の面４０２に延びる接続装置４１２を含む。データコンジット２０４は、接続装置４１２を介して、第２の面４０４と結合されている。
【００３３】
運転中、（図２に示した）信号発生器２１８は、複数の周波数成分を有するマイクロ波信号を発生させ、このマイクロ波信号を（図２に示した）方向性結合装置２１０に送信する。（図２に示した）方向性結合装置２１０は、そのマイクロ波信号を送信電力検出器２１２及びエミッタ３００に送信する。マイクロ波信号がエミッタ４００を通して送信されると、エミッタ４００から（図２に示した）プローブハウジング２０８の外に（図２に示した）電磁界２２４が放射される。具体的には、マイクロ波信号は、コンジット４０６を通して送信される。物体、例えば、（図１に示した）駆動軸１０４又は（図１に示した）機械１０２の別の部品及び／又は（図１に示した）電力システム１００が、電磁界２２４に入った場合、且つ／又は、電磁界２２４内においてその相対位置が変化した場合、その物体と電磁界２２４との間に電磁結合が発生する可能性がある。具体的には、物体が電磁界２２４内に存在するために、且つ／又は、こうした物体が動いたために、物体内での誘導作用及び／又は容量作用によって電磁界２２４に乱れが生じ、これによって、電磁界２２４の少なくとも一部分が電流及び／又は電荷として物体と誘導結合及び／又は容量結合する可能性がある。こうした場合、エミッタ４００は離調して（即ち、エミッタ４００の共振周波数が低下及び／又は変化する等して）、エミッタ４００に負荷が誘起される。この、エミッタ４００に誘起された負荷によって、離調負荷信号が（図２に示した）データコンジット２０４を通って方向性結合装置２１０に送信される。本実施例では、離調負荷信号は、電力振幅がマイクロ波信号の電力振幅より小さく、且つ／又は、位相がマイクロ波信号の位相と異なる。更に、本実施例では、離調負荷信号の電力振幅は、エミッタ４００に対する物体の近接度に依存する。方向性結合装置２１０は、離調負荷信号を（図２に示した）受信電力検出器２１４に送信する。
【００３４】
更に、受信電力検出器２１４は、ひずみ信号に含まれる電力の量を測定し、測定された離調負荷信号電力を表す信号を（図２に示した）信号調整装置２１６に送信する。更に、送信電力検出器２１２は、マイクロ波信号に含まれる電力の量を検出し、測定されたマイクロ波信号電力を表す信号を信号調整装置２１６に送信する。本実施例では、（図２に示した）減算器２２０は、測定されたマイクロ波信号電力及び測定された離調負荷信号電力を受信し、マイクロ波信号電力と離調負荷信号電力との差を計算する。減算器２２０は、計算された差を表す信号（以下、「電力差信号」と称する）を（図２に示した）リニアライザ２２２に送信する。本実施例では、電力差信号の振幅は、電磁界２２４内にある物体（軸１０４等）とエミッタ４００との間で定まる距離２３０（即ち、物体近接度）にほぼ比例する（例えば、反比例又は指数関数的に比例する）。
【００３５】
本実施例では、エミッタ４００は、フラットな定在波比を有する。したがって、エミッタ４００が離調した結果として共振周波数がシフトしても、離調負荷信号は、広範囲の周波数にわたって（図２に示した）距離２３０にほぼ比例（又は指数関数的に比例）したままである。
【００３６】
図５は、（図１に示した）システム１００等の電力システムに使用されるエミッタに対する部品の近接度の測定に使用可能な方法５００の一例を示すフローチャートである。本実施例では、所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を有する少なくとも１つのマイクロ波信号を（図２に示した）エミッタ２０６に送信する（５０２）。エミッタ２０６は、このマイクロ波信号から、（図２に示した）少なくとも１つの電磁界２２４を発生させる（５０４）。（図１に示した）駆動軸１０４等の機械部品と電磁界２２４との間の相互作用によって、エミッタ２０６に負荷が誘起される（５０６）。この負荷を表す少なくとも１つの離調負荷信号が、（図２に示した）データコンジット２０４内で、エミッタ２０６から反射される。（図２に示した）少なくとも１つの信号処理装置２００が、この負荷信号を受信する（５０８）。
【００３７】
更に、本実施例では、信号処理装置２００が、離調負荷信号に基づいて、エミッタ２０６に対する軸１０４の近接度を測定する（５０９）。次に、信号処理装置２００は、電気的出力を発生させる（５１０）。この電気的出力は、（図１に示した）診断システム１１２に送信される（５１２）。
【００３８】
上述の実施形態は、エミッタに対する部品の近接度の測定に使用可能な、効率的且つほぼ正確なセンサアセンブリを提供する。具体的には、本明細書に記載の実施形態は、広範囲の周波数で動作するエミッタを用いて近接度を測定するセンサアセンブリを提供する。より具体的には、こうしたセンサは、ほぼフラットな定在波比を有しており、これによって、エミッタは、エミッタのＳパラメータにおける挙動パターンを安定させることが可能である。結果として、エミッタの共振周波数がシフトした場合でも、エミッタのＳパラメータは、適切な距離での相互関連付けに使用可能な一定パターンを維持する。したがって、本明細書に記載のセンサアセンブリは、ほぼ正確な測定が可能である。
【００３９】
以上、エミッタに対する機械部品の近接度を測定するセンサアセンブリ及び方法の実施例を詳説した。本方法及び本センサアセンブリが、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されることはなく、むしろ、本センサアセンブリの部品及び／又は本方法のステップを、本明細書に記載のその他の部品及び／又はステップとは別個独立に利用することもできる。例えば、本センサアセンブリを、その他の計測システム及び方法と組み合わせてもよく、また、本センサアセンブリが、本明細書に記載の電力システムを用いた実施のみに限定されることはない。むしろ、本実施例をその他の測定及び／又は監視用途に組み合わせて実施及び利用することもできる。
【００４０】
図面によっては、本発明の様々な実施形態の特定の特徴が示されていることも示されていないこともあるが、これはあくまでも便宜上の理由による。本発明の原理に従って、或る図面の或る特徴を、その他のあらゆる図面のあらゆる特徴と組み合わせて参照及び／又はクレームすることができる。
【００４１】
本明細書では、最適な態様を含めた例を用いて本発明を開示しているが、これによって当業者は、任意の装置又はシステムの作製及び使用、並びにこれに付随する任意の方法の実施を含め、本発明を実施することができる。本発明の特許請求の範囲は請求項に記載されているが、当業者に想到可能なその他の例も包含し得る。こうしたその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、又は請求項の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、本発明の特許請求の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００４２】
１００ 電力システム
１０２ 機械
１０４ 駆動軸又は部品
１０６ 負荷又は部品
１０８ 支持構造
１１０ センサアセンブリ
１１２ 診断システム
１１３ データコンジット
１１５ データコンジット
２００ 信号処理装置
２０２ プローブ
２０４ データコンジット
２０６ エミッタ
２０８ プローブハウジング
２１０ 方向性結合装置
２１２ 送信電力検出器
２１４ 受信電力検出器
２１６ 信号調整装置
２１８ 信号発生器
２２０ 減算器
２２２ リニアライザ
２２４ 電磁界
２３０ 距離
３００ エミッタ
３０１ プリント回路基板
３０２ 第１の面
３０４ 第２の面
３０６ コンジット
３０７ 所望の螺旋長さ
３０８ 第１の端部
３１０ 第２の端部
３１２ 接続装置
４００ エミッタ
４０１ プリント回路基板
４０２ 第１の面
４０４ エミッタの第２の面
４０５ 第１の端部
４０６ コンジット
４０７ 第２の端部
４１２ 接続装置
５００ 電力システムに使用されるエミッタに対する部品の近接度の測定プロセス
５０２ 所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を有する少なくとも１つのマイクロ波信号をエミッタに送信する
５０４ エミッタでマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界を発生させる
５０６ 機械部品と電磁界との間の相互作用によってエミッタに負荷を誘起する
５０８ 少なくとも１つの信号処理装置で負荷信号を受信する
５０９ 信号処理装置で、離調負荷信号に基づいてエミッタに対する軸の近接度を測定する
５１０ 信号処理装置で電気的出力を発生させる
５１２ 電気的出力を診断システムに送信する
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を含む少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界（２２４）を発生させるエミッタ（２０６）を備えた、少なくとも１つのプローブ（２０２）であって、部品（１０４）が前記少なくとも１つの電磁界と相互に作用した場合に前記エミッタに負荷が誘起される、少なくとも１つのプローブ（２０２）と、
前記エミッタと結合されたデータコンジット（２０４）であって、前記負荷を表す少なくとも１つの負荷信号が該データコンジット内で前記エミッタから反射される、データコンジット（２０４）と、
前記少なくとも１つの負荷信号の受信と電気的出力の発生とを行うように構成された、少なくとも１つの信号処理装置（２００）と、
を備えるセンサアセンブリ（１１０）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの信号処理装置（２００）は更に、前記少なくとも１つの負荷信号に基づいて、前記エミッタ（２０６）に対する前記部品（１０４）の近接度を計算するように構成されている、請求項１に記載のセンサアセンブリ（１１０）。
【請求項３】
前記電気的出力は、前記部品（１０４）の近接度測定値にほぼ比例する、請求項１に記載のセンサアセンブリ（１１０）。
【請求項４】
前記エミッタ（２０６）は、実質的に２次元の平面形状を有する、請求項１に記載のセンサアセンブリ（１１０）。
【請求項５】
前記エミッタ（２０６）は、広帯域エミッタである、請求項１に記載のセンサアセンブリ（１１０）。
【請求項６】
前記広帯域エミッタは、対数螺旋エミッタである、請求項５に記載のセンサアセンブリ（１１０）。
【請求項７】
前記広帯域エミッタは、対数周期エミッタである、請求項５に記載のセンサアセンブリ（１１０）。
【請求項８】
少なくとも１つの部品（１０４）と前記少なくとも１つの部品に近接して配置された少なくとも１つのセンサアセンブリ（１１０）とを備えた機械（１０２）を備える電力システム（１００）であって、
前記少なくとも１つのセンサアセンブリは、
所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を含む少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界（２２４）を発生させるエミッタ（２０６）を備えた、少なくとも１つのプローブ（２０２）であって、前記少なくとも１つの部品が前記少なくとも１つの電磁界と相互に作用した場合に前記エミッタに負荷が誘起される、少なくとも１つのプローブ（２０２）と、
前記エミッタと結合されたデータコンジット（２０４）であって、前記負荷を表す少なくとも１つの負荷信号が該データコンジット内で前記エミッタから反射される、データコンジット（２０４）と、
前記少なくとも１つの負荷信号の受信と電気的出力の発生とを行うように構成された、少なくとも１つの信号処理装置（２００）と、
前記少なくとも１つのセンサアセンブリと結合された診断システム（１１２）と、を備える、
電力システム（１００）。
【請求項９】
前記少なくとも１つの信号処理装置（２００）は更に、前記少なくとも１つの負荷信号に基づいて、前記エミッタに対する前記少なくとも１つの部品（１０４）の近接度を計算するように構成されている、請求項８に記載の電力システム。
【請求項１０】
前記エミッタ（２０６）は、実質的に２次元の平面形状を有する、請求項８に記載の電力システム。
【請求項１】
所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を含む少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界（２２４）を発生させるエミッタ（２０６）を備えた、少なくとも１つのプローブ（２０２）であって、部品（１０４）が前記少なくとも１つの電磁界と相互に作用した場合に前記エミッタに負荷が誘起される、少なくとも１つのプローブ（２０２）と、
前記エミッタと結合されたデータコンジット（２０４）であって、前記負荷を表す少なくとも１つの負荷信号が該データコンジット内で前記エミッタから反射される、データコンジット（２０４）と、
前記少なくとも１つの負荷信号の受信と電気的出力の発生とを行うように構成された、少なくとも１つの信号処理装置（２００）と、
を備えるセンサアセンブリ（１１０）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの信号処理装置（２００）は更に、前記少なくとも１つの負荷信号に基づいて、前記エミッタ（２０６）に対する前記部品（１０４）の近接度を計算するように構成されている、請求項１に記載のセンサアセンブリ（１１０）。
【請求項３】
前記電気的出力は、前記部品（１０４）の近接度測定値にほぼ比例する、請求項１に記載のセンサアセンブリ（１１０）。
【請求項４】
前記エミッタ（２０６）は、実質的に２次元の平面形状を有する、請求項１に記載のセンサアセンブリ（１１０）。
【請求項５】
前記エミッタ（２０６）は、広帯域エミッタである、請求項１に記載のセンサアセンブリ（１１０）。
【請求項６】
前記広帯域エミッタは、対数螺旋エミッタである、請求項５に記載のセンサアセンブリ（１１０）。
【請求項７】
前記広帯域エミッタは、対数周期エミッタである、請求項５に記載のセンサアセンブリ（１１０）。
【請求項８】
少なくとも１つの部品（１０４）と前記少なくとも１つの部品に近接して配置された少なくとも１つのセンサアセンブリ（１１０）とを備えた機械（１０２）を備える電力システム（１００）であって、
前記少なくとも１つのセンサアセンブリは、
所定の周波数範囲内で複数の周波数成分を含む少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界（２２４）を発生させるエミッタ（２０６）を備えた、少なくとも１つのプローブ（２０２）であって、前記少なくとも１つの部品が前記少なくとも１つの電磁界と相互に作用した場合に前記エミッタに負荷が誘起される、少なくとも１つのプローブ（２０２）と、
前記エミッタと結合されたデータコンジット（２０４）であって、前記負荷を表す少なくとも１つの負荷信号が該データコンジット内で前記エミッタから反射される、データコンジット（２０４）と、
前記少なくとも１つの負荷信号の受信と電気的出力の発生とを行うように構成された、少なくとも１つの信号処理装置（２００）と、
前記少なくとも１つのセンサアセンブリと結合された診断システム（１１２）と、を備える、
電力システム（１００）。
【請求項９】
前記少なくとも１つの信号処理装置（２００）は更に、前記少なくとも１つの負荷信号に基づいて、前記エミッタに対する前記少なくとも１つの部品（１０４）の近接度を計算するように構成されている、請求項８に記載の電力システム。
【請求項１０】
前記エミッタ（２０６）は、実質的に２次元の平面形状を有する、請求項８に記載の電力システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１１２９４１（Ｐ２０１２−１１２９４１Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２５０２９７（Ｐ２０１１−２５０２９７）
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５０２９７（Ｐ２０１１−２５０２９７）
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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