電磁診断装置用超電導センサ
【課題】導電性回転体に発生した異常状態を回転体に非接触で検知することができ、大型機器に適用するため磁場の距離による減衰を抑えることのできる電磁診断装置用センサを提供する。
【解決手段】回転体に静磁場を発生させる磁場発生源の役割を有する高温超電導電磁石と、発生した磁場中を運動する回転体に誘導された電流が発生する磁場を測定するための誘導コイルやホール素子などの磁場センサを備え、測定する時には磁場センサと超電導電磁石をセットで使用することを特徴とする電磁診断装置用センサである。高温超電導材を使用することにより大電流で強い磁場を発生することと、電磁石の大型化により磁場の距離による減衰を抑えることと、電流のオンオフにより磁場を制御することが可能となる電磁診断装置用センサである。
【解決手段】回転体に静磁場を発生させる磁場発生源の役割を有する高温超電導電磁石と、発生した磁場中を運動する回転体に誘導された電流が発生する磁場を測定するための誘導コイルやホール素子などの磁場センサを備え、測定する時には磁場センサと超電導電磁石をセットで使用することを特徴とする電磁診断装置用センサである。高温超電導材を使用することにより大電流で強い磁場を発生することと、電磁石の大型化により磁場の距離による減衰を抑えることと、電流のオンオフにより磁場を制御することが可能となる電磁診断装置用センサである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁現象を用いて導電性回転体を有する回転機器の異常状態を非接触で検出することを実現する状態監視および状態診断技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転機器は現代産業において欠かすことはできず、特にプラント等の大規模施設における重要機器として組み込まれている回転機器に対しては、その停止がシステム全体の停止及びシステム自身の損傷につながる可能性もあるなど、その健全性の確保は重要な課題である。現在、回転機器の健全性評価のためには、運転中の回転機器の振動を測定し、その振幅値、各種統計量、そしてスペクトル分析結果などから各種異常および不具合を検知するという手法が最も多く採用されている。振動診断は比較的簡便でありながら回転機器の異常状態の大半を検出できるとされており、極めて多くの振動診断に関連した研究成果が報告されている。しかしながら、振動診断だけでは回転機器の異常状態および余寿命を必ずしも正しく評価することが出来ないということもまた、近年問題視されている。すなわち、異常振動の度合いが回転機器の機能損失の程度を表すとは必ずしも言うことができず、振動で検出される不具合は回転機器が機能を損失するごく直前であったり、または逆に機能には影響が無いと考えられる微細なキズであるにもかかわらず大きな異常振動が測定されたりする場合がある。このような問題を解決するために、特開２００８−０９６４１０においては電磁現象を利用した電磁診断技術が提案され、複数の状態監視技術を用いて同時に回転機器の状態監視を行い、得られた信号を総合的に評価することで、異常状態および余寿命をより定量的に評価しようとする試みが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】 特開２００８−０９６４１０
【特許文献２】 特願２００８−３３６１９８
【特許文献３】 特願２００８−３３６１９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電磁診断技術による回転機器の回転体に発生した欠陥等の異常の早期検出を可能とする状態監視技術が提案された（特開２００８−０９６４１０）。電磁診断技術を用いて回転機器の状態監視を行う際に問題となるのが、回転部位へのアクセス性である。回転部位は常に厚いケーシングに囲まれており、検出感度がケーシングの材質と厚さに影響され易い。特に大型回転機器の場合、設置可能な箇所から回転部までの距離が大きく、回転部における静磁場が発散してしまい、誘起する渦電流が弱くなり検出感度が低くなる問題がある。必要な感度を得るために大きな永久磁石を使用することができるが、磁石の製作および測定中の取扱いは困難である。
【０００５】
回転機器の状態監視においては、各回の測定において得られた信号が同一箇所におけるものであることが必要であるが、測定毎にセンサを配置する場合はセンサの取り付け位置決め精度の保証が困難となる。状態監視を実現するためにはセンサを常時設置することが望ましい。特開２００８−０９６４１０にて提案された電磁診断技術による状態監視技術においては、永久磁石にコイルを巻いたセンサが使用されている。このようなセンサを長時間設置した状態で回転機器を運転すると、永久磁石からの発生磁場により回転機器の回転状態を乱したり金属異物を捕捉する等の悪影響を与える可能性がある。
【０００６】
永久磁石の代わりに電磁石を使用することが考えられる。しかし、十分な強度を有する磁場を作り出すには、大きな励磁電流が必要となり、永久磁石と同程度の強度を持つ電磁石を作ることになれば寸法は永久磁石の数倍から数十倍になる。また、従来の銅線で作られる電磁石では大きな励磁電流による発熱の問題も無視できない。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するために、センサ部を回転機器に長期間装着しても磁場の影響を回転機器に与えることが無く、且つ高い検出感度が得られる電磁診断装置用センサを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するための請求項１の発明は、電磁診断装置用センサにおいて、励磁部分と磁場センサ部分（誘導コイルやホール素子）を分離し、測定する時には磁場センサ部分と励磁部分をセットで電磁診断装置用センサとして使用することを特徴とする。図１に電磁診断装置用センサを示す。励磁部分では、高温超電導電磁石を使用する。高温超電導材で作られた励磁コイル２に大電流を加え、強い磁場を発生させる。励磁コイルを囲む液体窒素冷却容器３に液体窒素を充満させ励磁コイルの超電導状態を保つ。液体窒素容器には液体窒素を注入する入り口４と出口５があり、随時液体窒素の補充ができる。電磁石であるので磁場の制御が簡単であり、測定する時のみ磁場をオンにすることができる。磁場センサ部分１は励磁部分と分離し、ケーシングの外部または内部に長時間装着できる。ケーシング内部に装着する場合はより回転部に近づくことができ、検出感度を高めることができる。
【０００９】
請求項２の発明は、高温超電導電磁石に直流電流ではなく、交流電流もしくはパルス電流を印加し、磁場センサ出力信号を測定することで渦電流探傷も可能とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電磁診断装置用センサにおいては、高温超電導材で作られる電磁石を使用することで、強力で且つ減衰発散し難い静磁場を作り出し、大型回転機器の外部からでも内部の回転部に十分な強度を有する磁場を与え、電磁診断信号の検出感度を保つことができる。回転機器のケーシング内部に磁場センサを長期間装着することが可能で、測定する時のみ電磁石をオンすることにより、回転機器の回転体に発生する渦電流によって生じる磁場を検出することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明における実施例について、添付図面に基づいてより詳細に説明する。各図に共通の部分は同じ符号を使用している。
【実施例１】
【００１２】
図２は、本発明における請求項１が大型ポンプのインペラに対して適用された場合の実施例である。本発明の主要部は測定用電磁センサ部１、回転体通過部に静磁場を発生させるための励磁コイル２、そして液体窒素による冷却のための液体窒素冷却容器３、液体窒素の入り口４と出口５から成る。電磁診断装置用センサをポンプのケーシング７の外部に設置し、ケーシング内部のインペラ６を測定する。この図で、４枚の回転翼からなるインペラ６は回転軸８に取り付けられており、インペラ６は回転軸８のまわりを、９に示す矢印の方向に回転する。インペラ６が磁場発生源である高温超電導電磁石によって発生した静磁場中を横切る時に、インペラ６中に起電力が生じ、その結果電流が誘起される。この電流の流れ方はインペラ６中の欠陥の存在の有無および欠陥の性状によって変化するため、磁場センサ１によって検出される信号の値から、欠陥の存在の検知および評価を行うことができる。ここでの磁場センサ１はケーシングの外表面に張り付く誘導コイルとしているが、前述の通り、回転部が静磁場中を横切ることによって発生する誘導電流による動磁場を捉えることが肝要であるため、誘導コイルは必ずしもケーシングの外表面に張り付く必要は無く、さらに誘導コイル以外のホール素子等の磁場センサも適用され得るものである。
【実施例２】
【００１３】
図３は、本発明における請求項１がタービン翼等の回転翼に対して適用された場合の実施例である。電磁診断装置用センサの励磁部は前述と同様であるが、磁場センサ部の誘導コイルをタービンの車室１１の内部に設置し信号を測定する。タービンの羽根１０の近傍に設置することによって検出感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の電磁診断装置用センサ。
【図２】本発明の一実施例である電磁診断装置用センサをポンプインペラケーシングの外側に設置した場合の鳥瞰図
【図３】本発明の一実施例である電磁診断装置用センサをタービン車室の内側に設置した場合の断面図
【符号の説明】
【００１５】
１ センサの磁場測定部
２ 電磁石の励磁コイル部（高温超電導材）
３ 電磁石の液体窒素冷却容器
４ 液体窒素冷却容器の液体窒素入り口
５ 液体窒素冷却容器の液体窒素出口
６ ポンプのインペラ
７ ポンプのケーシング
８ 回転軸
９ 回転方向
１０ タービンの羽根
１１ タービンの車室
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁現象を用いて導電性回転体を有する回転機器の異常状態を非接触で検出することを実現する状態監視および状態診断技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転機器は現代産業において欠かすことはできず、特にプラント等の大規模施設における重要機器として組み込まれている回転機器に対しては、その停止がシステム全体の停止及びシステム自身の損傷につながる可能性もあるなど、その健全性の確保は重要な課題である。現在、回転機器の健全性評価のためには、運転中の回転機器の振動を測定し、その振幅値、各種統計量、そしてスペクトル分析結果などから各種異常および不具合を検知するという手法が最も多く採用されている。振動診断は比較的簡便でありながら回転機器の異常状態の大半を検出できるとされており、極めて多くの振動診断に関連した研究成果が報告されている。しかしながら、振動診断だけでは回転機器の異常状態および余寿命を必ずしも正しく評価することが出来ないということもまた、近年問題視されている。すなわち、異常振動の度合いが回転機器の機能損失の程度を表すとは必ずしも言うことができず、振動で検出される不具合は回転機器が機能を損失するごく直前であったり、または逆に機能には影響が無いと考えられる微細なキズであるにもかかわらず大きな異常振動が測定されたりする場合がある。このような問題を解決するために、特開２００８−０９６４１０においては電磁現象を利用した電磁診断技術が提案され、複数の状態監視技術を用いて同時に回転機器の状態監視を行い、得られた信号を総合的に評価することで、異常状態および余寿命をより定量的に評価しようとする試みが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】 特開２００８−０９６４１０
【特許文献２】 特願２００８−３３６１９８
【特許文献３】 特願２００８−３３６１９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電磁診断技術による回転機器の回転体に発生した欠陥等の異常の早期検出を可能とする状態監視技術が提案された（特開２００８−０９６４１０）。電磁診断技術を用いて回転機器の状態監視を行う際に問題となるのが、回転部位へのアクセス性である。回転部位は常に厚いケーシングに囲まれており、検出感度がケーシングの材質と厚さに影響され易い。特に大型回転機器の場合、設置可能な箇所から回転部までの距離が大きく、回転部における静磁場が発散してしまい、誘起する渦電流が弱くなり検出感度が低くなる問題がある。必要な感度を得るために大きな永久磁石を使用することができるが、磁石の製作および測定中の取扱いは困難である。
【０００５】
回転機器の状態監視においては、各回の測定において得られた信号が同一箇所におけるものであることが必要であるが、測定毎にセンサを配置する場合はセンサの取り付け位置決め精度の保証が困難となる。状態監視を実現するためにはセンサを常時設置することが望ましい。特開２００８−０９６４１０にて提案された電磁診断技術による状態監視技術においては、永久磁石にコイルを巻いたセンサが使用されている。このようなセンサを長時間設置した状態で回転機器を運転すると、永久磁石からの発生磁場により回転機器の回転状態を乱したり金属異物を捕捉する等の悪影響を与える可能性がある。
【０００６】
永久磁石の代わりに電磁石を使用することが考えられる。しかし、十分な強度を有する磁場を作り出すには、大きな励磁電流が必要となり、永久磁石と同程度の強度を持つ電磁石を作ることになれば寸法は永久磁石の数倍から数十倍になる。また、従来の銅線で作られる電磁石では大きな励磁電流による発熱の問題も無視できない。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するために、センサ部を回転機器に長期間装着しても磁場の影響を回転機器に与えることが無く、且つ高い検出感度が得られる電磁診断装置用センサを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するための請求項１の発明は、電磁診断装置用センサにおいて、励磁部分と磁場センサ部分（誘導コイルやホール素子）を分離し、測定する時には磁場センサ部分と励磁部分をセットで電磁診断装置用センサとして使用することを特徴とする。図１に電磁診断装置用センサを示す。励磁部分では、高温超電導電磁石を使用する。高温超電導材で作られた励磁コイル２に大電流を加え、強い磁場を発生させる。励磁コイルを囲む液体窒素冷却容器３に液体窒素を充満させ励磁コイルの超電導状態を保つ。液体窒素容器には液体窒素を注入する入り口４と出口５があり、随時液体窒素の補充ができる。電磁石であるので磁場の制御が簡単であり、測定する時のみ磁場をオンにすることができる。磁場センサ部分１は励磁部分と分離し、ケーシングの外部または内部に長時間装着できる。ケーシング内部に装着する場合はより回転部に近づくことができ、検出感度を高めることができる。
【０００９】
請求項２の発明は、高温超電導電磁石に直流電流ではなく、交流電流もしくはパルス電流を印加し、磁場センサ出力信号を測定することで渦電流探傷も可能とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電磁診断装置用センサにおいては、高温超電導材で作られる電磁石を使用することで、強力で且つ減衰発散し難い静磁場を作り出し、大型回転機器の外部からでも内部の回転部に十分な強度を有する磁場を与え、電磁診断信号の検出感度を保つことができる。回転機器のケーシング内部に磁場センサを長期間装着することが可能で、測定する時のみ電磁石をオンすることにより、回転機器の回転体に発生する渦電流によって生じる磁場を検出することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明における実施例について、添付図面に基づいてより詳細に説明する。各図に共通の部分は同じ符号を使用している。
【実施例１】
【００１２】
図２は、本発明における請求項１が大型ポンプのインペラに対して適用された場合の実施例である。本発明の主要部は測定用電磁センサ部１、回転体通過部に静磁場を発生させるための励磁コイル２、そして液体窒素による冷却のための液体窒素冷却容器３、液体窒素の入り口４と出口５から成る。電磁診断装置用センサをポンプのケーシング７の外部に設置し、ケーシング内部のインペラ６を測定する。この図で、４枚の回転翼からなるインペラ６は回転軸８に取り付けられており、インペラ６は回転軸８のまわりを、９に示す矢印の方向に回転する。インペラ６が磁場発生源である高温超電導電磁石によって発生した静磁場中を横切る時に、インペラ６中に起電力が生じ、その結果電流が誘起される。この電流の流れ方はインペラ６中の欠陥の存在の有無および欠陥の性状によって変化するため、磁場センサ１によって検出される信号の値から、欠陥の存在の検知および評価を行うことができる。ここでの磁場センサ１はケーシングの外表面に張り付く誘導コイルとしているが、前述の通り、回転部が静磁場中を横切ることによって発生する誘導電流による動磁場を捉えることが肝要であるため、誘導コイルは必ずしもケーシングの外表面に張り付く必要は無く、さらに誘導コイル以外のホール素子等の磁場センサも適用され得るものである。
【実施例２】
【００１３】
図３は、本発明における請求項１がタービン翼等の回転翼に対して適用された場合の実施例である。電磁診断装置用センサの励磁部は前述と同様であるが、磁場センサ部の誘導コイルをタービンの車室１１の内部に設置し信号を測定する。タービンの羽根１０の近傍に設置することによって検出感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の電磁診断装置用センサ。
【図２】本発明の一実施例である電磁診断装置用センサをポンプインペラケーシングの外側に設置した場合の鳥瞰図
【図３】本発明の一実施例である電磁診断装置用センサをタービン車室の内側に設置した場合の断面図
【符号の説明】
【００１５】
１ センサの磁場測定部
２ 電磁石の励磁コイル部（高温超電導材）
３ 電磁石の液体窒素冷却容器
４ 液体窒素冷却容器の液体窒素入り口
５ 液体窒素冷却容器の液体窒素出口
６ ポンプのインペラ
７ ポンプのケーシング
８ 回転軸
９ 回転方向
１０ タービンの羽根
１１ タービンの車室
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の通過位置に静磁場を発生させる磁場発生源の役割を有する高温超電導電磁石と、発生した磁場中を運動する回転体に誘導された電流が発生する磁場を測定するための誘導コイルやホール素子などの磁場センサを備え、測定する時には磁場センサと高温超電導電磁石をセットで使用することを特徴とする電磁診断装置用センサ。
【請求項２】
回転体の通過位置に静磁場を発生させる磁場発生源の役割を有する高温超電導電磁石と、発生した磁場中を運動する回転体に誘導された電流が発生する磁場を測定するための誘導コイルやホール素子などの磁場センサを備え、請求項１の発明と同様に回転部が静磁場中を横切ることによって発生する誘導電流により発生する動磁場に起因する磁場センサの信号を収集することを可能としつつ、さらに励磁用高温超電導コイルに交流電流もしくはパルス電流を印加し、磁場センサ出力信号を測定することで渦電流探傷も可能とする電磁診断装置用センサ。
【請求項１】
回転体の通過位置に静磁場を発生させる磁場発生源の役割を有する高温超電導電磁石と、発生した磁場中を運動する回転体に誘導された電流が発生する磁場を測定するための誘導コイルやホール素子などの磁場センサを備え、測定する時には磁場センサと高温超電導電磁石をセットで使用することを特徴とする電磁診断装置用センサ。
【請求項２】
回転体の通過位置に静磁場を発生させる磁場発生源の役割を有する高温超電導電磁石と、発生した磁場中を運動する回転体に誘導された電流が発生する磁場を測定するための誘導コイルやホール素子などの磁場センサを備え、請求項１の発明と同様に回転部が静磁場中を横切ることによって発生する誘導電流により発生する動磁場に起因する磁場センサの信号を収集することを可能としつつ、さらに励磁用高温超電導コイルに交流電流もしくはパルス電流を印加し、磁場センサ出力信号を測定することで渦電流探傷も可能とする電磁診断装置用センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−３９０１９（Ｐ２０１１−３９０１９Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０４０９４（Ｐ２００９−２０４０９４）
【出願日】平成２１年８月１４日（２００９．８．１４）
【出願人】（３０２０７０５４５）株式会社ＩＩＵ (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１４日（２００９．８．１４）
【出願人】（３０２０７０５４５）株式会社ＩＩＵ (6)
【Ｆターム（参考）】
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