振動測定方法
【課題】加速度センサからの加速度信号をアンプで増幅し、Ａ／Ｄ変換器でデジタルデータに変換し、送信する際に、必要な送信精度を確保することのできる振動測定方法を提供する振動測定方法を提供する。
【解決手段】回転機械の軸受部で振動加速度を検出し電気信号に変換し、増幅して外部に電波として出力するときに、前記電気信号を二つに分岐し、分岐した一方を500Hz以下の低周波数領域信号とし、他方を1kHz以上の高周波数領域信号とした後、各信号をデジタル化して外部に電波として出力し、受信した低周波数領域信号に基づいて低周波振動解析を行い、高周波数領域信号に基づいて高周波振動解析を行う。
【解決手段】回転機械の軸受部で振動加速度を検出し電気信号に変換し、増幅して外部に電波として出力するときに、前記電気信号を二つに分岐し、分岐した一方を500Hz以下の低周波数領域信号とし、他方を1kHz以上の高周波数領域信号とした後、各信号をデジタル化して外部に電波として出力し、受信した低周波数領域信号に基づいて低周波振動解析を行い、高周波数領域信号に基づいて高周波振動解析を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンや発電機、電動機など機械装置の軸受部分に発生する異常振動を、機械装置を運転したままの状態で測定し、電波として出力する振動センサを用いた振動測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、多くの回転機械で構成されるプラントでは、設備の異常による操業停止を防止するため、主要な回転機械の振動監視が行われており、その方法も振動の変化をオンラインで常時監視する方法や、オフラインで定期的に監視する方法により、コンピュータ当によるデータ収集装置でFFT（Fast Fourier Transform）等の解析処理がおこなわれている（特許文献１参照）。
回転機械の軸受部で検出される振動には、例えばロータやファンなどの回転部の不釣合いに起因する回転数成分の１倍に相当する周波数成分や、電動機や発電機等ではロータの極数Ｎに起因する回転周波数のＮ倍に相当する周波数成分が計測された加速度信号の中に含まれている。さらに、転がり軸受の場合には回転周波数fと軸受の玉数ｍの整数倍（ｎ＊ｆ＊ｍ ここでｎ=1,2・・・・）や転動面に発生した傷に起因して励振される高調波成分が含まれるため、振動センサで測定された振動信号の中には、約10Hz〜10kHzの広帯域の振動周波数成分を含んでいる。
ここで、回転軸が回転時に発生する不具合に起因した振動周波数は、回転周波数の高々1〜3倍程度であり、商用電源で駆動される電動機の場合、およそ10Hz〜200Hzの周波数成分が振動診断の対象になる。このような低域の回転周波数領域の加速度信号レベルは最大でも4Ｇ程度である。
【０００３】
ところが、転がり軸受の振動では1kHz〜10kHzの高周波領域の振動加速度となるため、加速度信号は50Ｇ程度の大きさになる場合がある。圧電型の加速度センサを用いた従来の振動センサでは、加速度センサの信号をアンプ回路で増幅し、そのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換し、伝送回路によりセンサ周囲に設置した受信機で収集する。デジタルデータの伝送ではＡ／Ｄ変換器の精度が12bitの場合、分解能は振動波形の片振幅を2048分割（＝０.５＊２12）したものになる。
【特許文献１】特開平11-337400号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記で説明したような、センサの加速度信号をアンプで増幅し、Ａ／Ｄ変換器でデジタルデータに変換し、送信する方法には、次の問題点がある。
(１)振動信号を電波により送信する場合、4Ｇ程度である10Hz〜200Hzぐらいの周波数成分と50Ｇ程度である1kHz〜10kHzの高周波成分が混在したものになっている。
(２)振動波形に対する最小の分解能は0.024Ｇ（≒50Ｇ／2048）になり、これより小さな振動信号は分解能以下のレベルになるため正確に計測できなくなる。
(３)前記(２)の対策としてＡ／Ｄ変換器のｂｉｔ数を大きくして精度を上げる方法もあるが、この場合データ伝送時間が長くなる問題が生じる。
本発明は、上記に鑑み、センサの加速度信号をアンプで増幅し、Ａ／Ｄ変換器でデジタルデータに変換し、送信する際に、必要な送信精度を確保することのできる振動測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明は、回転機械の軸受部で振動加速度を検出し電気信号に変換し、増幅して外部に電波として出力するときに、前記電気信号を二つに分岐し、分岐した一方を500Hz以下の低周波数領域信号とし、他方を1kHz以上の高周波数領域信号とした後、各信号をデジタル化して外部に電波として出力し、受信した低周波数領域信号に基づいて低周波振動解析を行い、高周波数領域信号に基づいて高周波振動解析を行うことを特徴とする。
このとき、低周波数領域信号を得るための手段としてローパスフィルタを選定し、その遮断特性を、カットオフ周波数 10Hz〜120Hz、遮断特性 −6〜−12dB／Octとし、この低周波領域信号をデジタル化して電波として出力した後、低周波振動解析として、受信した低周波数領域信号を分析して周波数スペクトルに変換し、各スペクトル毎にフィルタ特性の逆数を乗ずることにより、フィルタ処理前の振動信号を周波数分析した結果と同等の信号に復元することにある。
また、高周波数領域信号を得るための手段としてハイパスフィルタを選定し、そのフィルタ特性を、カットオフ周波数を0.5kHz〜1kHz、遮断特性を−6〜−12dB／Octとし、この高周波数領域信号をデジタル化して電波として出力した後、高周波振動解析として、包絡線化処理して波高率に変換し、Ｑ値を算出することにある。
【発明の効果】
【０００６】
電気信号を二つに分岐することで、500Hz以下の低周波数領域信号に対し、４Ｇ程度の小さな加速度信号の場合でも、加速度信号の分解能が向上し、高精度な加速度信号データを得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明による振動測定方法を実施するための振動センサの構成を示すブロック図であり、振動センサの送信部１と受信部２の内部構成を示している。受信部１は、圧電素子を使用した加速度検出素子１１と、その加速度検出素子１１の電荷出力を電圧に変換するチャージアンプ１２と、チャージアンプ１２の出力信号の低周波領域信号に対するローパスフィルタ１３と、高周波領域信号に対するハイパスフィルタ１４と、そのローパスフィルタ１３、ハイパスフィルタ１４の出力電圧信号を増幅するアンプ１５ａ、１５ｂと、アンプ１５ａ、１５ｂからのアナログ信号をデジタル信号に変換するためのA/D変換器１６ａ、１６ｂと、変換されたデジタル信号を一旦記憶するデータ記憶部１７と、外部からの指令に基づいて記憶されたデジタル信号を無線伝送するための無線送信部１８と、バッテリーによる電源供給部１９とで構成されている。
また、受信部２は、データ記憶部５に記憶されているデジタル信号を無線送信部１８を介して伝送させるための無線受信部２１と、受信したデジタル信号の周波数分析を行なって周波数スペクトルを算出する周波数分析処理部２２と、その周波数スペクトル毎にフィルタ処理前の振動信号を周波数分析した結果と同等の信号に復元するフィルタ特性補正処理部２３と、受信したデジタル信号を包絡線の波形の波高率に変換する包絡線化処理部２４と、包絡線波形の自乗平均平方根値と尖頭値よりＱ値を算出するＱ値算出処理部２５とで構成されている。
【０００８】
このような構成において、軸受部の振動を例えば圧電素子などの加速度検出素子１１により検出し、チャージアンプ１２で電気信号に変換し、その加速度電気信号を二つの系統に分岐し、１つをローパスフィルタ１３により500Hz以下の低周波数領域信号とし、もう1つをハイパスフィルタ１４により１kHz以上の高周波数領域信号の計測用とする。低周波数領域信号を作成する手段としてのローパスフィルタ１３は、その遮断特性として、カットオフ周波数を10Hz〜120Hz、遮断特性を−6〜−12dB／Octとする。
この信号をアンプ１５ａで増幅し、Ａ／Ｄ変換器１６ａによりデジタル変換し，データ記憶部１７、無線送信部１８を介して無線受信部２１に向けて電波として出力する。無線受信部２１でデジタルデータを受信し、その受信信号を周波数分析処理２２で周波数スペクトルを算出し、フィルタ特性補正処理２３において各スペクトル毎に前記ローパスフィルタ１３のフィルタ特性の逆数を乗ずるフィルタ特性補正処理を行い、フィルタ処理前の振動信号を周波数分析した結果と同等の信号に復元する。
また、転がり軸受の異常診断を行うときは、1kHz〜10kHzの高調波領域の振動データが必要となるが、高周波数領域信号を得るためのフィルタ特性として、カットオフ周波数を0.5kHz〜1kHz、遮断特性を−6〜−12dB／Octのハイパスフィルタ１４により処理し、アンプ１５ｂで増幅後、この信号をＡ／Ｄ変換器１６ｂでデジタル変換して電波として送信する。そのデジタルデータは無線受信部２１で受信後に包絡線化処理部２４において波高率に変換し、例えば特公昭61-57491号公報、特開昭63-297813号公報に記載されているような公知の転がり軸受の異常程度を数値化する方法により、Ｑ値算出処理部２５にてＱ値を算出し、転がり軸受の異常診断を行うデータとして用いる。
【０００９】
本発明の振動測定方法によると、１つの加速度検出素子で、軸受部の振動計測と転がり軸受の異常の診断を高精度行うことができる。また、振動加速度センサからの電気信号を500Hz以下の低周波数領域信号と１kHz以上の高周波数領域信号の二つに分岐することにより、500Hz以下のデジタル変換された低周波数領域信号の分解能は、0.0019Ｇ（≒4Ｇ／2048）となり、転がり軸受の診断に必要な高調波の信号処理も兼用した場合の分解能0.024G(≒50Ｇ／2048)と比較し、高精度な信号データを得ることが可能な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による振動測定方法を実施するための振動センサの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００１１】
１・・・送信部、
２・・・受信部
１１・・・加速度検出素子
１２・・・チャージアンプ
１３・・・ローパスフィルタ
１４・・・ハイパスフィルタ
１５ａ，１５ｂ・・・アンプ
１６ａ，１６ｂ・・・Ａ／Ｄ変換器
１７・・・データ記憶部
１８・・・無線送信部
１９・・・電源供給部
２１・・・無線受信部
２２・・・周波数分析処理部
２３・・・フィルタ特性補正処理
２４・・・包絡線化処理部
２５・・・Ｑ値算出処理部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンや発電機、電動機など機械装置の軸受部分に発生する異常振動を、機械装置を運転したままの状態で測定し、電波として出力する振動センサを用いた振動測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、多くの回転機械で構成されるプラントでは、設備の異常による操業停止を防止するため、主要な回転機械の振動監視が行われており、その方法も振動の変化をオンラインで常時監視する方法や、オフラインで定期的に監視する方法により、コンピュータ当によるデータ収集装置でFFT（Fast Fourier Transform）等の解析処理がおこなわれている（特許文献１参照）。
回転機械の軸受部で検出される振動には、例えばロータやファンなどの回転部の不釣合いに起因する回転数成分の１倍に相当する周波数成分や、電動機や発電機等ではロータの極数Ｎに起因する回転周波数のＮ倍に相当する周波数成分が計測された加速度信号の中に含まれている。さらに、転がり軸受の場合には回転周波数fと軸受の玉数ｍの整数倍（ｎ＊ｆ＊ｍ ここでｎ=1,2・・・・）や転動面に発生した傷に起因して励振される高調波成分が含まれるため、振動センサで測定された振動信号の中には、約10Hz〜10kHzの広帯域の振動周波数成分を含んでいる。
ここで、回転軸が回転時に発生する不具合に起因した振動周波数は、回転周波数の高々1〜3倍程度であり、商用電源で駆動される電動機の場合、およそ10Hz〜200Hzの周波数成分が振動診断の対象になる。このような低域の回転周波数領域の加速度信号レベルは最大でも4Ｇ程度である。
【０００３】
ところが、転がり軸受の振動では1kHz〜10kHzの高周波領域の振動加速度となるため、加速度信号は50Ｇ程度の大きさになる場合がある。圧電型の加速度センサを用いた従来の振動センサでは、加速度センサの信号をアンプ回路で増幅し、そのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換し、伝送回路によりセンサ周囲に設置した受信機で収集する。デジタルデータの伝送ではＡ／Ｄ変換器の精度が12bitの場合、分解能は振動波形の片振幅を2048分割（＝０.５＊２12）したものになる。
【特許文献１】特開平11-337400号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記で説明したような、センサの加速度信号をアンプで増幅し、Ａ／Ｄ変換器でデジタルデータに変換し、送信する方法には、次の問題点がある。
(１)振動信号を電波により送信する場合、4Ｇ程度である10Hz〜200Hzぐらいの周波数成分と50Ｇ程度である1kHz〜10kHzの高周波成分が混在したものになっている。
(２)振動波形に対する最小の分解能は0.024Ｇ（≒50Ｇ／2048）になり、これより小さな振動信号は分解能以下のレベルになるため正確に計測できなくなる。
(３)前記(２)の対策としてＡ／Ｄ変換器のｂｉｔ数を大きくして精度を上げる方法もあるが、この場合データ伝送時間が長くなる問題が生じる。
本発明は、上記に鑑み、センサの加速度信号をアンプで増幅し、Ａ／Ｄ変換器でデジタルデータに変換し、送信する際に、必要な送信精度を確保することのできる振動測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明は、回転機械の軸受部で振動加速度を検出し電気信号に変換し、増幅して外部に電波として出力するときに、前記電気信号を二つに分岐し、分岐した一方を500Hz以下の低周波数領域信号とし、他方を1kHz以上の高周波数領域信号とした後、各信号をデジタル化して外部に電波として出力し、受信した低周波数領域信号に基づいて低周波振動解析を行い、高周波数領域信号に基づいて高周波振動解析を行うことを特徴とする。
このとき、低周波数領域信号を得るための手段としてローパスフィルタを選定し、その遮断特性を、カットオフ周波数 10Hz〜120Hz、遮断特性 −6〜−12dB／Octとし、この低周波領域信号をデジタル化して電波として出力した後、低周波振動解析として、受信した低周波数領域信号を分析して周波数スペクトルに変換し、各スペクトル毎にフィルタ特性の逆数を乗ずることにより、フィルタ処理前の振動信号を周波数分析した結果と同等の信号に復元することにある。
また、高周波数領域信号を得るための手段としてハイパスフィルタを選定し、そのフィルタ特性を、カットオフ周波数を0.5kHz〜1kHz、遮断特性を−6〜−12dB／Octとし、この高周波数領域信号をデジタル化して電波として出力した後、高周波振動解析として、包絡線化処理して波高率に変換し、Ｑ値を算出することにある。
【発明の効果】
【０００６】
電気信号を二つに分岐することで、500Hz以下の低周波数領域信号に対し、４Ｇ程度の小さな加速度信号の場合でも、加速度信号の分解能が向上し、高精度な加速度信号データを得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明による振動測定方法を実施するための振動センサの構成を示すブロック図であり、振動センサの送信部１と受信部２の内部構成を示している。受信部１は、圧電素子を使用した加速度検出素子１１と、その加速度検出素子１１の電荷出力を電圧に変換するチャージアンプ１２と、チャージアンプ１２の出力信号の低周波領域信号に対するローパスフィルタ１３と、高周波領域信号に対するハイパスフィルタ１４と、そのローパスフィルタ１３、ハイパスフィルタ１４の出力電圧信号を増幅するアンプ１５ａ、１５ｂと、アンプ１５ａ、１５ｂからのアナログ信号をデジタル信号に変換するためのA/D変換器１６ａ、１６ｂと、変換されたデジタル信号を一旦記憶するデータ記憶部１７と、外部からの指令に基づいて記憶されたデジタル信号を無線伝送するための無線送信部１８と、バッテリーによる電源供給部１９とで構成されている。
また、受信部２は、データ記憶部５に記憶されているデジタル信号を無線送信部１８を介して伝送させるための無線受信部２１と、受信したデジタル信号の周波数分析を行なって周波数スペクトルを算出する周波数分析処理部２２と、その周波数スペクトル毎にフィルタ処理前の振動信号を周波数分析した結果と同等の信号に復元するフィルタ特性補正処理部２３と、受信したデジタル信号を包絡線の波形の波高率に変換する包絡線化処理部２４と、包絡線波形の自乗平均平方根値と尖頭値よりＱ値を算出するＱ値算出処理部２５とで構成されている。
【０００８】
このような構成において、軸受部の振動を例えば圧電素子などの加速度検出素子１１により検出し、チャージアンプ１２で電気信号に変換し、その加速度電気信号を二つの系統に分岐し、１つをローパスフィルタ１３により500Hz以下の低周波数領域信号とし、もう1つをハイパスフィルタ１４により１kHz以上の高周波数領域信号の計測用とする。低周波数領域信号を作成する手段としてのローパスフィルタ１３は、その遮断特性として、カットオフ周波数を10Hz〜120Hz、遮断特性を−6〜−12dB／Octとする。
この信号をアンプ１５ａで増幅し、Ａ／Ｄ変換器１６ａによりデジタル変換し，データ記憶部１７、無線送信部１８を介して無線受信部２１に向けて電波として出力する。無線受信部２１でデジタルデータを受信し、その受信信号を周波数分析処理２２で周波数スペクトルを算出し、フィルタ特性補正処理２３において各スペクトル毎に前記ローパスフィルタ１３のフィルタ特性の逆数を乗ずるフィルタ特性補正処理を行い、フィルタ処理前の振動信号を周波数分析した結果と同等の信号に復元する。
また、転がり軸受の異常診断を行うときは、1kHz〜10kHzの高調波領域の振動データが必要となるが、高周波数領域信号を得るためのフィルタ特性として、カットオフ周波数を0.5kHz〜1kHz、遮断特性を−6〜−12dB／Octのハイパスフィルタ１４により処理し、アンプ１５ｂで増幅後、この信号をＡ／Ｄ変換器１６ｂでデジタル変換して電波として送信する。そのデジタルデータは無線受信部２１で受信後に包絡線化処理部２４において波高率に変換し、例えば特公昭61-57491号公報、特開昭63-297813号公報に記載されているような公知の転がり軸受の異常程度を数値化する方法により、Ｑ値算出処理部２５にてＱ値を算出し、転がり軸受の異常診断を行うデータとして用いる。
【０００９】
本発明の振動測定方法によると、１つの加速度検出素子で、軸受部の振動計測と転がり軸受の異常の診断を高精度行うことができる。また、振動加速度センサからの電気信号を500Hz以下の低周波数領域信号と１kHz以上の高周波数領域信号の二つに分岐することにより、500Hz以下のデジタル変換された低周波数領域信号の分解能は、0.0019Ｇ（≒4Ｇ／2048）となり、転がり軸受の診断に必要な高調波の信号処理も兼用した場合の分解能0.024G(≒50Ｇ／2048)と比較し、高精度な信号データを得ることが可能な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による振動測定方法を実施するための振動センサの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００１１】
１・・・送信部、
２・・・受信部
１１・・・加速度検出素子
１２・・・チャージアンプ
１３・・・ローパスフィルタ
１４・・・ハイパスフィルタ
１５ａ，１５ｂ・・・アンプ
１６ａ，１６ｂ・・・Ａ／Ｄ変換器
１７・・・データ記憶部
１８・・・無線送信部
１９・・・電源供給部
２１・・・無線受信部
２２・・・周波数分析処理部
２３・・・フィルタ特性補正処理
２４・・・包絡線化処理部
２５・・・Ｑ値算出処理部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械の軸受部で振動加速度を検出して電気信号に変換し、該電気信号を二つに分岐し、分岐した一方を500Hz以下の低周波数領域信号とし、他方を1kHz以上の高周波数領域信号とした後、各電気信号をデジタル化して外部に電波として出力し、受信した前記低周波数領域信号に基づいて低周波振動解析を行い、前記高周波数領域信号に基づいて高周波振動解析を行うことを特徴とする振動センサの振動測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の振動測定方法において、低周波数領域信号を得るための手段としてローパスフィルタを選定し、その遮断特性を、カットオフ周波数 10Hz〜120Hz、遮断特性 −6〜−12dB／Octとし、前記低周波数領域信号をデジタル化して電波として出力した後、前記低周波振動解析として、受信した前記低周波数領域信号を分析して周波数スペクトルに変換し、各スペクトル毎に前記フィルタ特性の逆数を乗ずることにより、フィルタ処理前の振動信号を周波数分析した結果と同等の信号に復元することを特徴とする振動測定方法。
【請求項３】
請求項１に記載の振動測定方法において、高周波数領域信号を得るための手段として、ハイパスフィルタを選定し、そのフィルタ特性を、カットオフ周波数を0.5kHz〜1kHz、遮断特性を−6〜−12dB／Octとし、前記高周波数領域信号をデジタル化して電波として出力した後、前記高周波振動解析として、包絡線化処理して波高率に変換し、Ｑ値を算出することを特徴とする振動測定方法。
【請求項１】
回転機械の軸受部で振動加速度を検出して電気信号に変換し、該電気信号を二つに分岐し、分岐した一方を500Hz以下の低周波数領域信号とし、他方を1kHz以上の高周波数領域信号とした後、各電気信号をデジタル化して外部に電波として出力し、受信した前記低周波数領域信号に基づいて低周波振動解析を行い、前記高周波数領域信号に基づいて高周波振動解析を行うことを特徴とする振動センサの振動測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の振動測定方法において、低周波数領域信号を得るための手段としてローパスフィルタを選定し、その遮断特性を、カットオフ周波数 10Hz〜120Hz、遮断特性 −6〜−12dB／Octとし、前記低周波数領域信号をデジタル化して電波として出力した後、前記低周波振動解析として、受信した前記低周波数領域信号を分析して周波数スペクトルに変換し、各スペクトル毎に前記フィルタ特性の逆数を乗ずることにより、フィルタ処理前の振動信号を周波数分析した結果と同等の信号に復元することを特徴とする振動測定方法。
【請求項３】
請求項１に記載の振動測定方法において、高周波数領域信号を得るための手段として、ハイパスフィルタを選定し、そのフィルタ特性を、カットオフ周波数を0.5kHz〜1kHz、遮断特性を−6〜−12dB／Octとし、前記高周波数領域信号をデジタル化して電波として出力した後、前記高周波振動解析として、包絡線化処理して波高率に変換し、Ｑ値を算出することを特徴とする振動測定方法。
【図１】
【公開番号】特開２００９−１１５５３７（Ｐ２００９−１１５５３７Ａ）
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８７２３２（Ｐ２００７−２８７２３２）
【出願日】平成１９年１１月５日（２００７．１１．５）
【出願人】（５９１０８３２４４）富士電機システムズ株式会社 (1,717)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月５日（２００７．１１．５）
【出願人】（５９１０８３２４４）富士電機システムズ株式会社 (1,717)
【Ｆターム（参考）】
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