(57)【要約】  【課題】簡素なフィルタ機能でエリアジングエラーを防止することができ、また、振動変位のピーク値をピーク周波数前後の成分も含めて求めることで、精度よいピーク値を求めることができる振動監視装置を提供する。  【解決手段】振動加速度センサで検出した振動のアナログ出力信号を、該アナログ出力信号の監視対象周波数の上限近傍をカットオフ周波数としたローパスフィルタを介した後に増幅すると共に、この増幅された信号をデジタル変換して得られたデジタル信号を、アナログ出力信号の監視対象周波数の上限近傍の少なくとも４倍に設定したサンプリング周波数でサンプリングし、そのサンプリング信号を周波数分析する。  そして、前記監視対象周波数範囲における所定の周波数における振動変位のピーク値を、予め設定された周波数帯域間の成分の２乗和平方根で算出する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械の振動を検出する振動加速度センサ、該振動加速度センサからのアナログ出力信号を増幅する増幅部、増幅された信号をデジタル変換するA/D変換部、A/D変換されたデジタル信号を記憶する記憶部、該記憶部に記憶されたデジタル信号を無線送信する無線送受信部、前記各部への電源供給部を備えた無線センサと、
該無線センサからのデジタル信号を受信する送受信部、受信したデジタル信号を高速フーリエ変換処理により周波数分析を行なう周波数分析部、該周波数分析部の周波数分析データに基いて振動速度や振動変移等を算出し、状態判定を行なう演算部を備えた振動監視部と、
からなる振動監視装置において、
前記増幅部は、前記振動加速度センサで検出した振動のアナログ出力信号を、該アナログ出力信号の監視対象周波数の上限近傍をカットオフ周波数としたローパスフィルタを介した後に増幅し、
前記周波数分析部は、前記送受信部で受信した前記デジタル信号を、前記アナログ出力信号の監視対象周波数の上限近傍の少なくとも４倍に設定したサンプリング周波数でサンプリングし、そのサンプリング信号を周波数分析することを特徴とする振動監視装置。
【請求項２】
請求項１に記載の振動監視装置において、
前記演算部は、前記周波数分析データの中の監視対象周波数範囲における振動速度実効値、および所定の周波数における振動変位を演算し、状態判定を行なうことを特徴とする振動監視装置。
【請求項３】
請求項２に記載の振動監視装置において、
前記演算部は、前記所定の周波数における振動変位のピーク値を、予め設定された周波数帯域間の成分の２乗和平方根で算出することを特徴とする振動監視装置。
【請求項４】
請求項３に記載の振動監視装置において、
前記演算部で２乗和平方根を演算する周波数帯域は、特定の周波数の前後１Hz以内であることを特徴とする振動監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラント等における回転機械の振動状態を無線通信により遠隔監視する振動監視装置に関するものである。
【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、コンピュータ等によるデータ収集装置でFFT等（高速フーリエ変換）の解析処理が行われている。
特に、大規模なシステムでは長距離のケーブル布設を避けるため、無線タグを検出部に設置した異常監視システムなどもある（特許文献１、２参照）。
ここで、振動の異常判定は、検出した振動波形からFFT処理によって振動速度や振動変位を算出し、それらのトレンドデータによる変化や予め設定した閾値との比較判定で行われ、その振動周波数は回転機械の回転周波数のせいぜい3倍成分以下が対象になる。
その代表的な振動周波数としては回転軸のアンバランスや負荷機とのミスアライメント等によって発生する回転周波数成分fnおよびその２倍、３倍成分（２fn、３fn）がある。但し誘導電動機などの回転機械では、回転速度がすべりのために同期速度より数％遅くなるために、予め設定された回転周波数（同期速度）前後のピーク成分を検出し、fn成分としている。また、回転機械の負荷状態による僅かな回転周波数の変動には、FFT処理の時間平均でピーク成分を検出している。
【０００３】
従って、通常の回転機械では数１００Hz以下が対象になるが、実際の検出波形は数KHｚ成分の振動データを含むため、デジタル信号の周波数分析を行うFFT処理ではエリアジング防止のために、A/D変換前のアナログ信号にローパスフィルタ処理を施している。
FFT 処理を行う場合、サンプリング周波数レンジ（fs） 以上の周波数が入力されると、周波数レンジ内に図６に示すように対象周波数の上限ｆ0からｆａ，ｆｂ離れた位置にある振動が折り返し歪として発生し、この現象をエリアジングというが、このエリアジング現象により真のデータ測定が不可能となる。そこで、図７に示すように解析周波数レンジ以上の周波数の信号を遮断する減衰特性のエリアジング防止フィルタが設けられる。
【特許文献１】特開2005-24441号公報
【特許文献２】特開平10-19655号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、振動を検出するための無線タグは共振現象を回避するために固有振動数を高くする必要があり、小型・軽量化および長時間監視のために消費電力の低減化が望まれ、エリアジング防止フィルタの減衰特性を、通常の専用FFT分析器が備えるような-100dB/octもの減衰能をもつフィルタを備えることができないといった課題があった。
また、振動を検出するための無線タグは、小型化・低コスト化および消費電力低減のために伝送時間の短縮化が望まれ、無線タグ内の記憶部での記憶容量を大きくできず、時間平均するための十分なデータを確保できないという課題があった。
さらに、図８は、回転周波数成分fnである30Hzの振動波形（ａ）に対して、FFT処理後の周波数分析結果（ｂ）を示したものであるが、Ａ／Ｄ変換器の周波数分解能の関係で、僅かな振動周波数のずれに対して同じピーク周波数30Hzでも周波数分析結果（ｂ）に示す２つのデータ（○と●）のように、そのレベルに１５％以上の差が現われ、安定した振動ピーク値の検出が難しかった。このため、fn成分や２fn成分のトレンドデータがばらつき,信頼性ある振動判定ができないといった課題があった。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、簡素なフィルタ機能でエリアジングエラーを防止することができる無線センサによる振動監視装置を提供することを目的とする。
【０００５】
また、本発明の他の目的は、振動変位のピーク値をピーク周波数前後の成分も含めて求めることで、精度よいピーク値を求めることができる振動監視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】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された振動監視装置は、  回転機械の振動を検出する振動加速度センサ、該振動加速度センサからのアナログ出力信号を増幅する増幅部、増幅された信号をデジタル変換するA/D変換部、A/D変換されたデジタル信号を記憶する記憶部、該記憶部に記憶されたデジタル信号を無線送信する無線送受信部、前記各部への電源供給部を備えた無線センサと、該無線センサからのデジタル信号を受信する送受信部、受信したデジタル信号を高速フーリエ変換処理により周波数分析を行なう周波数分析部、該周波数分析部の周波数分析データに基いて振動速度や振動変移等を算出し、状態判定を行なう演算部を備えた振動監視部と、からなる振動監視装置において、前記増幅部は、前記振動加速度センサで検出した振動のアナログ出力信号を、該アナログ出力信号の監視対象周波数の上限近傍をカットオフ周波数としたローパスフィルタを介した後に増幅し、前記周波数分析部は、前記送受信部で受信した前記デジタル信号を、前記アナログ出力信号の監視対象周波数の上限近傍の少なくとも４倍に設定したサンプリング周波数でサンプリングし、そのサンプリング信号を周波数分析することを特徴とする。
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の振動監視装置において、前記演算部は、前記周波数分析データの中の監視対象周波数範囲における振動速度実効値、および所定の周波数における振動変位を演算し、状態判定を行なうことを特徴とする。
【０００７】
請求項３に記載された発明は、請求項２に記載の振動監視装置において、前記演算部は、前記所定の周波数における振動変位のピーク値を、予め設定された周波数帯域間の成分の２乗和平方根で算出することを特徴とする。
請求項４に記載された発明は、請求項３に記載の振動監視装置において、前記演算部で２乗和平方根を演算する周波数帯域は、特定の周波数の前後１Hz以内であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明による無線センサによる振動監視装置によれば、比較的容易なフィルタ回路でフィルタ処理をすると共に、監視対象周波数より広い範囲の周波数分析データから所要の領域の成分を表示・判定するので、無線センサのコスト低減および回路の簡素化による小型化、また電池の長寿命化によるメンテナンス間隔の拡大に貢献することができる。
また、FFT処理による周波数分解能によって分散された振動変位のピークレベルを、ピーク周波数を含む狭帯域間のレベルの合成値として求めるので、A./D変換素子の周波数分解能があらい場合でも正確なピークレベルを求めることができ、コスト低減、伝送時間短縮、これにともなう電池の長寿命化によるメンテナンス間隔の拡大に貢献することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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、本発明による振動監視装置の構成を示すブロック図であり、振動監視装置は、無線センサとしてのRFIDタグ１と振動監視部8とから構成されている。
図において、RFIDタグ１は、圧電素子を使用した振動加速度センサ２と、その振動加速度センサ２からのアナログ出力信号を増幅する増幅部３と、増幅部３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変換部４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５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受信部６と、バッテリーからなり、各部に電源を供給する電源供給部７とから構成されている。
増幅部３は、振動加速度センサ２の電荷出力を電圧に変換するチャージアンプ３１と、チャージアンプ３１の出力信号に振動監視周波数範囲の上限付近をカットオフ周波数としたローパスフィルタ３２と、その出力電圧信号を増幅する電圧増幅器３３を備えている。
ここで、ローパスフィルタ３２の減衰特性は、図２に示すような−２４dB/oct程度のものである。また、デジタル変換するA/D変換部４では、ローパスフィルタ３２のカットオフ周波数foの４倍、すなわち監視対象周波数の上限近傍の少なくとも４倍の周波数４foでサンプリングし、このサンプリング信号がデータ記憶部５に記憶される。
【００１０】
また、振動監視部８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受信部６を介して伝送させるための送受信部８１と、受信したデジタル信号をFFT処理により周波数分析を行う周波数分析部８２と、その分析結果から振動速度、振動変位を算出する演算部８３と、演算結果の判定結果やレベルのトレンドグラフ等を表示する表示部８４とで構成されている。
このような構成において、振動加速度センサ２により検出された振動加速度による電荷出力は、チャージアンプ３１により電圧に変換され、ローパスフィルタ３２において振動監視周波数範囲の上限付近以上をカットされた後に電圧増幅器３３において増幅される。
この電圧増幅器３３の出力信号は、A/D変換部４において監視対象周波数の上限近傍の少なくとも４倍の周波数４foでサンプリングされ、データ記憶部５に記憶される。
このようにして記憶されたデジタル信号は、振動監視部8に併設された送受信部８２からの送信指令信号に基づいて無線送受信部６から伝送され、振動監視部８に取り込まれる。
FRIDタグ１から振動監視部８に伝送されたデジタル信号は、周波数分析部８２で、監視対象周波数の上限foの４倍に設定したサンプリング周波数fsの１／２を上限（fn=fs/2）とする周波数分析が行なわれる。
【００１１】
この周波数分析結果は、演算部８３に送られ、この演算部８３では、図３に示す分析フローのように０〜fo（Hz）の振動速度の実効値を算出するとともに、その実効値の中で、回転機の回転周波数成分ｆ１の整数倍ｆ１，２ｆ１，３ｆ１における振動変位を算出し、算出された実効値、振動変位を予めISO規格などをもとに設定された判定基準値（閾値）と比較し、状態判定結果を表示部８４に表示する。
また、表示部８４では、算出された実効値、振動変位をメモリに記憶し、図示しないトレンド画面にその数値グラフを表示するようにしても良い。
ここで、演算部８３で演算する振動変位ｆ１，２ｆ１，３ｆ１は、図４に示す周波数分析結果のようになるが、それぞれのピーク値Pkの算出は、例えば図５に示す周波数分析の拡大した図においては、回転周波数成分付近の最大値fpnの前後２点を対象に、（１）式により求める。
【００１２】
【数１】
2009133810.tif 000003
【００１３】
このように、回転周波数およびその整数倍における振動変位のピーク値を回転周波数の前後数点の周波数分析値で求めるようにすれば、サンプリング周波数によって決まる周波数分解能に関係なく、特定の周波数成分に対して精度良い振動変位のピーク値を正確に求めることができる。
ここで、振動変位を求めるために用いる回転周波数の前後数点の周波数範囲は１Hz以下に制限する。このように制限することにより、周波数分解能があらい場合でも、ほかの要因による成分を含むことなくピーク値を算出することができる。さらに、サンプリング点数とサンプリング周波数によって決まる周波数分解能に違いがある場合でも、範囲拡大によるピーク値の過大評価を防ぐことができる。
例えば、サンプリング周波数500Ｈzを2048点でサンプリングすると、分解能は約0.25Ｈz 、4096点ならその半分の0.125Ｈzであり、周波数ラインの４点は前者で１Ｈz ,後者が0.5Hzとなる。一定回転で運転される回転機器の回転周波数変動は、通常１Ｈz以下であり、ピーク成分を検出する範囲を１Ｈz以下にすることにより、回転周波数とは異なる成分を含む可能性が無くすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による振動監視装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明によるローパスフィルタの減衰特性の１例を示す図。
【図３】本発明の振動監視装置の主要機能を示す解析フロー図
【図４】振動変位の周波数分析例を説明する図。
【図５】図６の周波数軸を拡大した図。
【図６】エリアジング現象の発生周波数を説明する図。
【図７】一般的なエリアジング防止フィルタの周波数応答特性を示す図。
【図８】周波数分析を行なった場合の振動変位のピーク値のずれを説明する図。
【符号の説明】
【００１５】
１・・・RFIDタグ
２・・・振動加速度センサ
３・・・増幅部
４・・・A/D変換部
５・・・データ記憶部
６・・・無線送受信部
７・・・電源供給部、
８・・・振動監視部
３１・・チャージアンプ
３２・・ローパスフィルタ
３３・・電圧増幅器
８１・・送受信部
８２・・周波数分析部
８３・・演算部
８４・・表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2009133810.tif 000008
【図６】
2009133810.tif 000009
【図７】
2009133810.tif 000010
【図８】
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