(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体と、回転機と、前記回転機で発生した電力を所望の電気波形に変換する回転機変換部とを備えた流体機械を計測対象とする超音波計測装置であって、
前記回転体が収められた前記流体機械のケーシング部外側に設置して使用される超音波プローブと、
前記超音波プローブに電気的に接続された計測回路部と、
基準信号生成部とを備え、
前記計測回路部は、前記回転体と前記ケーシング部との間隙距離を算出する間隙算出部を備え、
前記基準信号生成部は、前記回転機変換部に電気的に接続して用いる回転機信号検出部と、前記回転機信号検出部に電気的に接続された基準時間生成部とを備え、
前記回転機信号検出部は、前記回転機と前記回転機変換部とを結ぶ配線に設置されている電流検出器を備え、前記配線内の電流波形を検出して前記基準時間生成部に送信し、
前記基準時間生成部は、前記電流波形を基に、前記回転体の回転に対応した基準時間信号を生成し、
前記計測回路部は、前記基準時間生成部から出力される前記基準時間信号から前記超音波プローブの送信までのオフセット時間を可変にするオフセット時間設定部を備えた、超音波計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波計測装置であって、
前記計測回路部は、オフセット時間掃引部を備え、
前記オフセット時間掃引部は、前記オフセット時間として複数個のオフセット時間を掃引しながら、前記間隙距離を算出することを特徴とする超音波計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の超音波計測装置であって、
前記間隙算出部は、超音波の多重反射による繰り返し周期を計測することにより、前記間隙距離を算出することを特徴とする超音波計測装置。
【請求項４】
請求項１に記載の超音波計測装置であって、
前記流体機械は水車であることを特徴とする超音波計測装置。
【請求項５】
回転体と、回転機と、前記回転機で発生した電力を所望の電気波形に変換する回転機変換部とを備えた流体機械を計測対象とする超音波計測方法であって、
前記回転機と前記回転機変換部とを結ぶ配線内の電流波形を検出するステップと、
前記電流波形を基に、前記回転体の回転に対応した基準時間信号を生成するステップと、
前記生成した基準時間信号から、前記回転体が収められた前記流体機械のケーシング部外側に設置して使用される超音波プローブから超音波を送信するまでのオフセット時間を設定する設定ステップと、
前記オフセット時間を遅延させてから前記超音波プローブより超音波を送信するステップと、
前記送信した超音波を受信するステップと、
前記受信した超音波より前記回転体と前記ケーシング部との間隙距離を算出するステップ、を備える超音波計測方法。
【請求項６】
請求項５に記載の超音波計測方法であって、
前記オフセット時間として複数個のオフセット時間を掃引しながら、前記間隙距離を算出することを特徴とする超音波計測方法。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の超音波計測方法であって、
前記間隙距離の算出は、超音波の多重反射による繰り返し周期を計測することにより、前記間隙距離を算出することを特徴とする超音波計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体を備えた流体機械を測定対象とする、超音波計測装置及び超音波計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体機械（Ｆｌｕｉｄ  Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ）とは、電力と流体のエネルギーとを変換する機械である。回転翼などの回転体を備えた流体機械には、電力を入力して流体のエネルギーに変換するポンプや、投入された流体のエネルギーを電力として取り出す水車などがある。さらに、流体として気体を用いる流体機械には、圧縮機、ブロアや、タービンなどがある。【０００３】
ポンプでは、入力された電力により回転機（モータ）を回転させて回転翼を回転させ、回転翼が水などの流体を動かす。回転翼は、羽根車あるいはインペラ（Ｉｍｐｅｌｌｅｒ）とも呼ばれる。水車では、水などの流体が回転翼を回転させて、回転軸の軸駆動力に変換して、それを回転機（発電機）で電力に変換する。【０００４】
これらの流体機械においては、回転翼などの回転体の摩耗や腐蝕が発生することがある。例えば、ポンプにおいては、流体である水に含まれる不純物による化学的作用や、流体に含まれる砂利などの異物による物理的作用などによって、回転翼が摩耗したり腐蝕したりする場合がある。摩耗などの劣化が進行すると、流体機械の動作効率が低下したり、誤動作したりするなどの影響が起こる場合がある。従って、回転翼を備えた流体機械において、回転翼やケーシング内部の摩耗などの劣化状態を計測する方法が求められていた。【０００５】
圧縮機やタービンなどの回転体に対して、超音波を用いて回転体とケーシングとの距離を計測する技術が、特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１８５５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の従来技術は、流体機械内に設置された回転体に、磁石など「基準位置を示す部材」を設ける必要がある。これにより、回転体の回転角度の基準位置を特定するためである。そのため、特許文献１に記載の従来技術では、そのような基準位置を示す部材が回転体に設置されていない流体機械では、使用できないという課題があった。特に既設のポンプや水車などでは、回転翼などの回転体に、磁石などの基準位置を示す部材を設置していない場合が多いので、既設のポンプや水車における回転翼の劣化状態を計測することが出来ないという課題があった。【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、流体機械内の回転体に基準位置指示部材を設けることなく、回転体とケーシングとの間隙距離を計測可能な超音波計測装置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】
【０００９】
本発明は、以下の構成を用いることで上記の課題を解決するものである。【００１０】
回転体を備えた流体機械を計測対象とする超音波計測装置であって、前記回転体が収められた前記流体機械のケーシング部外側に設置して使用される超音波プローブと、前記超音波プローブに電気的に接続された計測回路部と、基準信号生成部とを備え、前記計測回路部は、前記回転体と前記ケーシング部との間隙距離を算出する間隙算出部を備え、前記基準信号生成部は、回転機変換部に電気的に接続して用いる、回転機信号検出部と、前記回転機信号検出部に電気的に接続された基準時間生成部とを備え、前記計測回路部は、前記基準時間生成部から出力される基準時間信号から前記超音波プローブの送信までのオフセット時間を可変にするオフセット時間設定部とを備えた、超音波計測装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による超音波計測装置によれば、流体機械内の回転体に基準位置指示部材を設けることなく、回転体とケーシングとの間隙距離を計測することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１の超音波計測装置の構成を示す図である。
【図２】実施例１での基準信号生成部の動作を説明する図である。
【図３】実施例１でのオフセット時間の動作を説明する図である。
【図４】実施例１において、間隙算出部の動作を説明する図である。
【図５】実施例１での、間隙距離算出動作を説明するフロー図である。
【図６】実施例２の超音波計測装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。なお、下記はあくまでも実施の例であり、発明の内容を下記具体的態様に限定することを意図する趣旨ではない。発明自体は、特許請求の範囲に記載された内容に即して種々の態様で実施することが可能である。
【実施例１】
【００１４】
以下、図１を参照して、実施例１による超音波計測装置１０の構成を説明する。【００１５】
なお、本明細書での用語は、次のように定義する。流体機械(Ｆｌｕｉｄ  Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ)とは、電力と流体のエネルギーとを変換する機械である。回転翼を備えた流体機械には、電力を入力して流体のエネルギーに変換するポンプや、投入された流体のエネルギーを電力として取り出す水車などが含まれる。さらに、流体として気体を用いる流体機械として、圧縮機、ブロアや、タービンなどがある。回転翼は、羽根車あるいはインペラ（Ｉｍｐｅｌｌｅｒ）とも呼ばれる。ポンプは、入力された電力により回転機（モータ）を回転させて回転翼を回転させ、回転翼が水などの流体を動かす。水車では、水などの流体が回転翼を回転させて、回転軸の軸駆動力に変換して、それを回転機（発電機）で電力に変換する。【００１６】
実施例１では、超音波計測装置１０の計測対象である流体機械として、ポンプ５０１の例を記す。
（計測対象である流体機械の構成）
まず、超音波計測装置１０の計測対象である流体機械（ポンプ５０１）の構成を述べる。図１に示したポンプ５０１は、縦軸型斜流ポンプ（ｖｅｒｔｉｃａｌ−ａｘｉｓ  ｍｉｘｅｄ  ｆｌｏｗ  ｐｕｍｐ）の例である。縦軸型斜流ポンプは、上下水道用や農地かんがい用などに用いられるポンプである。【００１７】
ポンプ５０１のケーシング５１２（筐体）内部には、回転翼５１０（羽根車とも呼ばれる）が取り付けられている。回転翼５１０は、主軸５１６に設置されており、主軸５１６は回転機５２０に機械的に接続されている。主軸５１６により、回転機５２０の回転力が回転翼５１０に伝達される。回転機５２０は、回転機駆動部５２２が電気的に接続されている。【００１８】
回転機駆動部５２２が回転機５２０に出力する交流電力により、回転機５２０が回転する。回転機５２０に入力される交流電力は、典型的にはＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相交流電力である。回転機５２０の回転エネルギーは主軸５１６により回転翼５１０に伝達される。回転翼５１０が回転すると、ケーシングに固定された静翼（ｓｔａｔｏｒ  ｂｌａｄｅ、図示せず）との作用により、水などの流体が移動し、ポンプとしての機能を果たす。図１に流体の流れ５５０を矢印で図示した。【００１９】
（超音波計測装置の構成）
次に、超音波計測装置１０の構成を述べる。超音波計測装置１０は、超音波プローブ２０、計測回路部４０、基準信号生成部６０と、を備える。【００２０】
超音波プローブ２０は、流体機械のケーシング５１２の外側に設置される。超音波プローブ２０は、後述する計測回路部４０と電気的に接続されている。計測回路部４０が出力する励起信号により、超音波プローブ２０は超音波を発生する。そして、超音波プローブ２０は、受信した超音波を電気信号に変換して、計測回路部４０に入力する。【００２１】
計測回路部４０は、送信部４２と受信部４３、そして同期信号入力部４１とオフセット時間設定部４４、間隙距離算出部４６、オフセット時間掃引部４８とを備える。【００２２】
同期信号入力部４１に入力されたトリガ信号を時間起点として、オフセット時間設定部４４でオフセット時間ｔｏｆの間、遅延させてから送信部４２は超音波励起信号を発生し、超音波プローブ２０を励起する。超音波プローブ２０で発生した超音波は、流体機械内部に送信される。【００２３】
超音波は、ケーシング５１２内部と流体を通過して、回転翼５１０に照射される。そして、超音波は、回転翼５１０の表面で反射され、流体とケーシング５１２内部とを経由して超音波プローブ２０に入る。すると、超音波プローブは、超音波を電気信号に変換し、その電気信号が計測回路部４０の受信部４３に入力される。この受信部４３に入力された電気信号を、反射波信号と呼ぶ。受信部４３に入力された反射波信号は、受信部４３で増幅されてから、間隙距離算出部４６に入力される。間隙距離算出部４６は後述する方法で、反射波信号から、回転翼５１０とケーシング５１２内壁との間隙距離Ｌを算出する。【００２４】
（基準信号生成部）
基準信号生成部６０は、回転機信号検出部６２と基準時間算出部６４とを備える。回転機信号検出部６２は、回転機駆動部５２２に電気的に接続される。本実施例では、回転機信号検出部６２は電流検出器６６を備える。電流検出器６６はクランプ型の電流検出器６６であり、回転機駆動部５２２と回転機５２０との間の配線にクランプして接続される。すなわち、回転機駆動部５２２の配線に直流的に結線されるのではなく、交流的に接続されることで、漏れ磁場を検出して配線内の通電電流を検出する。このように、クランプ型の電流検出器６６を用いることにより、既設の流体機械に対して、運転動作を停止することなく、間隙距離Ｌの計測を行うことが可能になる。回転機駆動部５２２と回転機５２０との間のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相配線のうち、いずれか１つに電流検出器６６を接続すればよい。また、回転機信号検出部６２の別の構成としては、回転機駆動部５２２から１回転に同期した同期信号が出力される場合には、その同期信号を回転機信号検出部６２に入力しても良い。【００２５】
基準時間算出部６４は、回転機信号検出部６２で検出した信号を基にして、回転体（回転翼）の１回転に対応した周期に１回毎に、基準時間信号を生成する。その具体的な生成方法を図２を用いて述べる。【００２６】
本実施例では、回転機として５０Ｈｚ駆動、４極の誘導電動機を用いた例を示す。図２の上段に模式的に示したように、電流検出器６６では、概ね５０Ｈｚの電流波形信号が得られる。４極の電動機なので、回転機駆動電流が２周期で回転翼が１回転する。したがって、図２の下段に模式的に示したように、電流波形信号の２周期毎の特定の位相時刻に基準時間信号を発生させる。【００２７】
基準時間算出部６４の具体的な回路構成は、位相同期回路（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ、ＰＬＬ）による同調回路により電流波形信号に同期した内部信号を発生させ、次に、分周回路により２周期毎の特定の位相時間に基準信号を発生させれば良い。なお、「特定の位相時間」とは、回転翼の１回転周期のうちの、特定の位相に固定された時間であれば、いずれの位相時間であってもよい。このようにして生成された基準時間信号は、計測回路部４０のオフセット時間設定部４４に入力される。【００２８】
図３は、回転体（回転翼５１０）の回転角度と時間との関係を模式的に示す図である。基準時間信号が発生する毎に、回転角度は０〜３６０度の範囲で回転する。オフセット時間設定部４４では、基準時間信号を時間原点としてオフセット時間ｔｏｆが経過した時点で、送信部４２にトリガ信号を送信し、これにより超音波プローブ２０から超音波を発生させる。【００２９】
図３からわかるように、オフセット時間ｔｏｆは、回転体（回転翼５１０）の、計測地点の回転角度、すなわち位相角度を指定する。したがって、オフセット時間ｔｏｆを適切に設定することで、回転体（回転翼５１０）の任意の回転角度での間隙距離Ｌを計測することが出来る。【００３０】
回転翼は複数の動翼（ｒｏｔｏｒ  ｂｌａｄｅ）で構成されている場合が多い。その場合に、複数個のオフセット時間ｔｏｆに切り替えて超音波計測装置を動作させることにより、どの動翼が摩耗しているかを計測することが出来る。【００３１】
さらに、計測回路部の中に、オフセット時間掃引部４８を設けて、オフセット時間ｔｏｆを掃引させながら間隙距離Ｌを計測することにより、以下の情報を計測することが出来るという効果がある。
（１）動翼の摩耗劣化の分布（場所による摩耗劣化の度合いの分布）
（２）回転翼の構造が未知の場合であっても、回転翼の構造を知ることが出来る。【００３２】
特に既設の流体機械を計測対象とする場合、その回転翼の構造、例えば動翼の枚数や形状が不明な場合もある。そのような場合に、オフセット時間掃引を行うことで回転翼の構造を知ることができる。【００３３】
（反射波信号から間隙距離の算出）
図４に反射波信号の例を示す。横軸は、超音波パルスを送信してからの経過時間であり、縦軸は反射波信号の値である。【００３４】
０〜７μｓの期間に現れている大振幅の信号は、超音波がケーシング５１２の壁内で多重反射をしていることによるノイズ信号である。この信号は、回転翼〜ケーシング間の間隙距離には無関係な信号なので、ノイズとなる信号である。【００３５】
１０μｓ以降は、Δｔの周期で繰り返される信号が現れている。これは、回転翼〜ケーシング間で超音波が多重反射されるために、周期的に繰り返して現れる信号である。繰り返し周期Δｔの期間で超音波が１往復しているので、間隙距離Ｌは（数１）で求めることが出来る
Ｌ＝ｃΔｔ／２      ・・・（数１）
ここで、ｃは、流体中での超音波の音速である。本実施例では流体は水なので、ｃ＝１５００（ｍ／ｓ）である。【００３６】
間隙距離Ｌを計測する方法として、回転翼での１回目の反射の信号が超音波プローブに戻るまでの経過時間を測定してもよい。【００３７】
本実施例で用いた、流体中での多重反射による多重反射波の周期Δｔを用いて間隙距離Ｌを算出する方法は、以下の効果がある。
（１）ケーシング壁内の多重反射によるノイズ信号が減衰してから計測できるので、ノイズの影響が少なくなり、正確な測定が出来る。
（２）複数個の繰り返し周期Δｔの平均値を用いることで、間隙距離Ｌを高精度に計測出来る。【００３８】
最後に図５に実施例１での、間隙距離算出動作を説明するフロー図を示す。超音波プローブ設置ステップＳ１０１、基準信号生成ステップＳ１０２、オフセット時間設定ステップＳ１０３、超音波送信ステップＳ１０４、超音波受信ステップＳ１０５、隙間距離算出ステップＳ１０６の各ステップより構成される。【００３９】
以上、本実施例によれば、流体機械内の回転体に基準位置指示部材を設けることなく、回転体とケーシングとの間隙距離を計測することが可能になる。
【実施例２】
【００４０】
図６は、実施例２による超音波計測装置を示す図である。本実施例は、水車５３０を計測対象とする例である。【００４１】
図６の中で、計測対象である水車５３０の構成を述べる。水車５３０は、回転翼５１０、ケーシング５１２、主軸５１６、回転機５２０（発電機）、回転機変換部５３２を備える。本明細書においては、回転機５２０（発電機）と回転機変換部５３２まで含めた装置を水車５３０と呼ぶ。水車においては、回転翼５１０は、ランナー（ｒｕｎｎｅｒ）とも呼ばれる。また、水車において、回転機５２０は発電機（ｅｌｅｃｔｒｉａｌ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）とも呼ばれる。【００４２】
流体の流れ５５０で図示した方向で流体が流れると、その流体エネルギーにより回転翼５１０が回転する。この回転運動が主軸５１６により回転機５２０（発電機）に伝達される。回転機５２０（発電機）は回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。【００４３】
回転機５２０（発電機）で発生した電力は回転機変換部５３２に送られ、回転機変換部５３２において、所望の電気波形に変換される。具体的には、回転機変換部５３２は、電力の周波数や電圧を変えたり、安定化させたりする。図６においては、回転機５２０（発電機）と回転機変換部５３２とは３相配線で結線する例を示したが、３相配線以外、例えば２相配線であっても良い。【００４４】
次に、本実施例における、超音波計測装置１０の構成を述べる。本実施での超音波計測装置の構成は、実施例１での構成と概ね同じである。本実施例において、基準信号生成部６０は以下のように動作する。【００４５】
基準信号生成部６０は、回転機信号検出部６２と基準時間算出部６４とを備える。本実施では、回転機信号検出部６２は電流検出器６６を備え、電流検出器６６は回転機５２０（発電機）と回転機変換部５３２とを結ぶ配線に設置されている。【００４６】
回転機信号検出部６２は、配線内の電流波形を検出し、それを基準時間算出部に送信する。基準信号生成部６０は、その電流波形を基に回転翼５１０の１回転毎に対応するタイミングで、基準時間信号を発生する。基準時間信号は、計測回路部４０に送信される。回転機５２０（発電機）から回転機変換部５３２に送られる電力は、主軸の回転状態を反映した交流電力である。したがって、図２で述べた方法により、基準時間信号を生成することが出来る。計測プローブと計測回路部の構成と動作は、実施例１と同様であり、実施例１と同様に回転体とケーシングとの間隙距離を計測することが可能になる。【００４７】
なお、本発明においては提案した実施例を単独で実施しても良いし、場合によっては複数の実施例を組み合わせて実施しても差し支えないものである。【００４８】
本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で本発明を実施することができる。本明細書に記載された実施例はあくまでも例示にすぎず、限定的に解釈してはならないことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４９】
Ｌ：間隙距離
１０：超音波計測装置
２０：超音波プローブ
４０：計測回路部
４１：同期信号入力部
４２：送信部
４３：受信部
４４：オフセット時間設定部
４６：間隙距離算出部
４８：オフセット時間掃引部
６０：基準信号生成部
６２：回転機信号検出部
６４：基準時間算出部
６６：電流検出器
５０１：ポンプ
５１０：回転翼
５１２：ケーシング
５１６：主軸
５２０：回転機
５２２：回転機駆動部
５３０：水車
５３２：回転機変換部
ｔｏｆ：オフセット時間
Ｓ１０１：超音波プローブ設置ステップ
Ｓ１０２：基準信号生成ステップ
Ｓ１０３：オフセット時間設定ステップ
Ｓ１０４：超音波送信ステップ
Ｓ１０５：超音波受信ステップ
Ｓ１０６：隙間距離算出ステップ
【図１】
0006706689.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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