JP2003240788A - ターボ装置の回転数検出装置および方法 - Google Patents
ターボ装置の回転数検出装置および方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ターボ装置の大きさに関係なく用いることが
でき、回転子の回転バランスの再調整が不要な回転検出
装置および方法を提供する。 【解決手段】 回転軸周りに回転する回転子と、その回
転子を収容するケースに具備され、ターボ装置の回転子
のタービン羽根の通過による圧力変動に応答して信号を
出力する圧力検知手段と、該圧力検知手段からの信号を
周波数解析して該信号の周波数成分から基本周波数を測
定する測定手段とを備えているターボ装置の回転数検出
装置を提供する。また、タービン羽根と圧力検知手段で
はなく、その回転子に施され、回転子の回転位相に対応
する指標手段と、その指標手段に応答して信号を出力す
る検知手段とを用いるものとする、回転数検出装置を提
供する。
でき、回転子の回転バランスの再調整が不要な回転検出
装置および方法を提供する。 【解決手段】 回転軸周りに回転する回転子と、その回
転子を収容するケースに具備され、ターボ装置の回転子
のタービン羽根の通過による圧力変動に応答して信号を
出力する圧力検知手段と、該圧力検知手段からの信号を
周波数解析して該信号の周波数成分から基本周波数を測
定する測定手段とを備えているターボ装置の回転数検出
装置を提供する。また、タービン羽根と圧力検知手段で
はなく、その回転子に施され、回転子の回転位相に対応
する指標手段と、その指標手段に応答して信号を出力す
る検知手段とを用いるものとする、回転数検出装置を提
供する。
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は様々な装置に利用可
能な回転数検出装置および方法に関し、特にターボ装置
の回転数検出装置および方法に関する。
能な回転数検出装置および方法に関し、特にターボ装置
の回転数検出装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ターボ装置の回転数検出方法には、図５
に示すように、羽根車２０１の外周側に設けられたケー
シング２０２に距離を検知するセンサ２０３を設置し、
羽根の通過周波数を検出する方法がある。この方法を用
いる場合、羽根の翼厚が薄すぎるとセンサ２０３が羽根
２０１ａを検知できないことや、羽根枚数の多い羽根車
や高回転になるとセンサ２０３の周波数応答能力以上と
なり、主として小径のターボ装置には適用できない場合
が多い。
に示すように、羽根車２０１の外周側に設けられたケー
シング２０２に距離を検知するセンサ２０３を設置し、
羽根の通過周波数を検出する方法がある。この方法を用
いる場合、羽根の翼厚が薄すぎるとセンサ２０３が羽根
２０１ａを検知できないことや、羽根枚数の多い羽根車
や高回転になるとセンサ２０３の周波数応答能力以上と
なり、主として小径のターボ装置には適用できない場合
が多い。
【０００３】別の方法として、ケーシング２０２の外側
に設けられた箱２０７の内部にコイルを配し、そこに電
流を流して磁場を発生させておき、２０８のナットを磁
化させておいて回転させる方法がある。この方法によれ
ば、コイルの電流により発生した磁場をナットの磁場が
横切ることで、コイルに誘導パルスが発生する。このパ
ルスは回転周波数に同期しているので、回転周波数を検
出することができる。しかしながらこの方法では磁界が
弱いため、大径の羽根車には適用できない場合が多い。
に設けられた箱２０７の内部にコイルを配し、そこに電
流を流して磁場を発生させておき、２０８のナットを磁
化させておいて回転させる方法がある。この方法によれ
ば、コイルの電流により発生した磁場をナットの磁場が
横切ることで、コイルに誘導パルスが発生する。このパ
ルスは回転周波数に同期しているので、回転周波数を検
出することができる。しかしながらこの方法では磁界が
弱いため、大径の羽根車には適用できない場合が多い。
【０００４】さらに別の方法として、回転軸２０４に段
差２０５を設け、その外周側に設置された距離を検知す
るギャップセンサ２０６を用いて段差の通過周波数を検
出する方法がある。この方法では回転軸そのものに加工
が必要となる。また回転バランスを精密に確保する回転
バランスの再調整の追加工程も必要となる。特に小径の
ターボ装置は、高回転数で使用する場合が多いため、回
転バランスを精密に調整する必要があり、加工コストが
問題となっている。また、小径軸のターボ装置では、強
度的観点よりこういった段差加工が難しいという難点も
ある。
差２０５を設け、その外周側に設置された距離を検知す
るギャップセンサ２０６を用いて段差の通過周波数を検
出する方法がある。この方法では回転軸そのものに加工
が必要となる。また回転バランスを精密に確保する回転
バランスの再調整の追加工程も必要となる。特に小径の
ターボ装置は、高回転数で使用する場合が多いため、回
転バランスを精密に調整する必要があり、加工コストが
問題となっている。また、小径軸のターボ装置では、強
度的観点よりこういった段差加工が難しいという難点も
ある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、上
記課題の少なくともいくつかの解決を図るべく、ターボ
装置の大きさに関係なく用いることができ、回転子の回
転バランスの再調整が不要な回転検出装置を提供するこ
とを目的とする。
記課題の少なくともいくつかの解決を図るべく、ターボ
装置の大きさに関係なく用いることができ、回転子の回
転バランスの再調整が不要な回転検出装置を提供するこ
とを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明では、回転子を収
容するケースに設けられ、該回転子の羽根の通過による
圧力変動に応答して信号を出力する圧力検知手段と、該
圧力検知手段からの信号を周波数解析して該信号の周波
数成分から基本周波数を測定する測定手段とを備えてな
る回転子を有するターボ装置の回転数検出装置を提供す
る。本発明では、また、回転子を収容するケースに設け
られた圧力検知手段によって該回転子の羽根の通過によ
る圧力変動を検知し、該圧力変動に応答した信号を得る
ステップと、 該圧力検知手段からの信号を周波数解析
して該信号の周波数成分から基本周波数を測定するステ
ップとを備えてなる回転子を有するターボ装置の回転数
検出方法を提供する。
容するケースに設けられ、該回転子の羽根の通過による
圧力変動に応答して信号を出力する圧力検知手段と、該
圧力検知手段からの信号を周波数解析して該信号の周波
数成分から基本周波数を測定する測定手段とを備えてな
る回転子を有するターボ装置の回転数検出装置を提供す
る。本発明では、また、回転子を収容するケースに設け
られた圧力検知手段によって該回転子の羽根の通過によ
る圧力変動を検知し、該圧力変動に応答した信号を得る
ステップと、 該圧力検知手段からの信号を周波数解析
して該信号の周波数成分から基本周波数を測定するステ
ップとを備えてなる回転子を有するターボ装置の回転数
検出方法を提供する。
【０００７】圧力検知手段とは、圧力の時間変化を検出
できる任意の手段であり、絶対圧力測定型やバランス圧
力測定型といったタイプを用いることができる。また、
ダイアフラム型や圧電素子型なども用いることができ
る。
できる任意の手段であり、絶対圧力測定型やバランス圧
力測定型といったタイプを用いることができる。また、
ダイアフラム型や圧電素子型なども用いることができ
る。
【０００８】圧力検知手段周波数成分からの信号は、Ｆ
ＦＴ（高速フーリエ変換）アナライザやパルスカウンタ
ーなど、任意の周波数を解析する装置で周波数解析され
て、圧力変動に起因する複数ピークを示す中から、高調
波やノイズ成分から基本波が分離され、基本波の基本周
波数が求められる。この基本周波数は、回転数そのもの
を表わしたり、あるいは、回転数の整数倍を表わすもの
であるので、必要に応じて、この測定手段によって測定
された基本周波数を前記ターボ装置の回転数に変換する
手段を備え、所望の単位の回転数に換算する。
ＦＴ（高速フーリエ変換）アナライザやパルスカウンタ
ーなど、任意の周波数を解析する装置で周波数解析され
て、圧力変動に起因する複数ピークを示す中から、高調
波やノイズ成分から基本波が分離され、基本波の基本周
波数が求められる。この基本周波数は、回転数そのもの
を表わしたり、あるいは、回転数の整数倍を表わすもの
であるので、必要に応じて、この測定手段によって測定
された基本周波数を前記ターボ装置の回転数に変換する
手段を備え、所望の単位の回転数に換算する。
【０００９】本発明では、さらに、回転子に施され、該
回転子と共に回転する指標手段と、該指標手段に応答し
て信号を出力する検知手段と、該検知手段からの信号を
周波数解析して該信号の周波数成分から基本周波数を測
定する測定手段とを備えた回転子を有するターボ装置の
回転数検出装置であって、前記指標手段がターボ装置の
回転子の形状変更を伴わない指標手段であるターボ装置
の回転数検出装置を提供する。本発明では、また、回転
子に設けられ、該回転子と共に回転し、回転子の形状変
更を伴わない指標手段の回転を検知する検知手段を設け
るステップと、該検知手段によって該指標手段の回転を
検知して回転に応答した信号を得るステップと、該信号
を周波数解析して該検知信号の周波数成分から基本周波
数を測定するステップとを備えてなる回転子を有するタ
ーボ装置の回転数検出方法を提供する。
回転子と共に回転する指標手段と、該指標手段に応答し
て信号を出力する検知手段と、該検知手段からの信号を
周波数解析して該信号の周波数成分から基本周波数を測
定する測定手段とを備えた回転子を有するターボ装置の
回転数検出装置であって、前記指標手段がターボ装置の
回転子の形状変更を伴わない指標手段であるターボ装置
の回転数検出装置を提供する。本発明では、また、回転
子に設けられ、該回転子と共に回転し、回転子の形状変
更を伴わない指標手段の回転を検知する検知手段を設け
るステップと、該検知手段によって該指標手段の回転を
検知して回転に応答した信号を得るステップと、該信号
を周波数解析して該検知信号の周波数成分から基本周波
数を測定するステップとを備えてなる回転子を有するタ
ーボ装置の回転数検出方法を提供する。
【００１０】ここで、回転子とは流体の流れを軸の回転
運動に変えたり、軸の回転運動を流体の流れに変えたり
するタービンやコンプレッサ、そのタービンやコンプレ
ッサと一体となって回転する回転軸から構成される回転
軸なども含む機械要素を指す。また、指標手段とは、回
転子と共に回転して回転を示す任意の手段をいい、検知
手段とは、その指標手段の回転に伴う何らかの物理量
（例えば、圧力、輝度、磁場）の時間的な変動・変化を
検出・検知する任意の手段を意味する。また、形状の変
更を伴わない指標手段とは、形状が変化して回転バラン
ス（ダイナミックバランス）の再調整が必要な状況を生
じさせない指標手段を意味する。
運動に変えたり、軸の回転運動を流体の流れに変えたり
するタービンやコンプレッサ、そのタービンやコンプレ
ッサと一体となって回転する回転軸から構成される回転
軸なども含む機械要素を指す。また、指標手段とは、回
転子と共に回転して回転を示す任意の手段をいい、検知
手段とは、その指標手段の回転に伴う何らかの物理量
（例えば、圧力、輝度、磁場）の時間的な変動・変化を
検出・検知する任意の手段を意味する。また、形状の変
更を伴わない指標手段とは、形状が変化して回転バラン
ス（ダイナミックバランス）の再調整が必要な状況を生
じさせない指標手段を意味する。
【００１１】さらに、本発明では、前記指標手段がター
ボ装置の回転子の少なくとも一部の電磁気的特性を変更
してなるものとすることができる。電磁気的特性とは、
回転子の形状を変化させずに検知可能とするために材料
の物理的特性を変化させることのうち、特に検知が容易
である電気的特性（抵抗率等）や磁気特性（磁化等）と
いったものを指す。
ボ装置の回転子の少なくとも一部の電磁気的特性を変更
してなるものとすることができる。電磁気的特性とは、
回転子の形状を変化させずに検知可能とするために材料
の物理的特性を変化させることのうち、特に検知が容易
である電気的特性（抵抗率等）や磁気特性（磁化等）と
いったものを指す。
【００１２】ここで、本発明においては、前記電磁気的
特性の変更は回転子の少なくとも一部の材質の部分焼入
れによって施すことができ、前記検知手段は、渦電流検
知型ギャップセンサとすることができる。
特性の変更は回転子の少なくとも一部の材質の部分焼入
れによって施すことができ、前記検知手段は、渦電流検
知型ギャップセンサとすることができる。
【００１３】部分焼入れとは、材質の特定箇所のみに施
された焼入れ処理であり、処理された部分の分子レベ
ル、結晶レベルでの材質変化を起こすものである。部分
焼入れとしては、高周波焼入れ、レーザーによる部分焼
入れ等の手段が利用できる。また、部分焼入れ以外に
は、形状を変えず、電気伝導特性を部分的に変更した
り、磁気特性を部分的に変更して渦電流の発生量を変更
できる任意の手段が可能である。例えば、材料組成を部
分的な元素拡散で変更してこれを達成したり、部分焼入
れのように材料の結晶構造を変更したりする別の手段と
することができる。また、形状は厳密には変わるが実質
的に影響のない手段であっても良い。この例としては、
めっき等が利用できる。いずれにしても、渦電流式ギャ
ップセンサが後述するエレクトリカルランアウト現象を
起こす任意の電磁気的特性の部分的な変更方法であれば
よい。
された焼入れ処理であり、処理された部分の分子レベ
ル、結晶レベルでの材質変化を起こすものである。部分
焼入れとしては、高周波焼入れ、レーザーによる部分焼
入れ等の手段が利用できる。また、部分焼入れ以外に
は、形状を変えず、電気伝導特性を部分的に変更した
り、磁気特性を部分的に変更して渦電流の発生量を変更
できる任意の手段が可能である。例えば、材料組成を部
分的な元素拡散で変更してこれを達成したり、部分焼入
れのように材料の結晶構造を変更したりする別の手段と
することができる。また、形状は厳密には変わるが実質
的に影響のない手段であっても良い。この例としては、
めっき等が利用できる。いずれにしても、渦電流式ギャ
ップセンサが後述するエレクトリカルランアウト現象を
起こす任意の電磁気的特性の部分的な変更方法であれば
よい。
【００１４】本発明においては、好ましくは、指標手段
がターボ装置の回転子の少なくとも一部において電磁波
の放射輝度を変更するものであり、検知手段が該放射輝
度の変化を検知するものとすることができる。電磁波
は、例えば光であり、その反射率を検知することができ
る。これに用いる検知装置は、放射される光の輝度など
を検知するものであり、より一般には、電磁波の放射輝
度を直接・間接に検知することができる任意の手段を利
用できるが、この手段には、必要に応じて光を含む電磁
波の照射装置や照明装置を組み合わせることができる。
この輝度や放射輝度を検知する手段とは、可視画像や赤
外画像等の画像を取り込む手段や、フォトトランジスタ
などの光検知手段といった、任意のものが使用できる。
回転子に施す放射輝度を変更する指標とは、実質的な形
状変化を伴わない任意の手段を用いることができる。例
として、照明光等を用いてその反射による輝度を用いる
場合には、殆ど厚みがないペイント等によるマーキン
グ、レーザーアブレーションを利用した表面近傍のみに
影響するマーキング、表面仕上げの違いによる光沢の違
い、めっき、部分焼入れによる色調の変更、その他の任
意の手段である。また、検知手段に赤外線の波長領域に
感度があるものを用い、運転中に高温となっている回転
子からの赤外線領域の放射を用いる場合にも、赤外線の
放射輝度を変化させる手段、特に赤外線透過率が変動す
る任意の手段が利用できる。
がターボ装置の回転子の少なくとも一部において電磁波
の放射輝度を変更するものであり、検知手段が該放射輝
度の変化を検知するものとすることができる。電磁波
は、例えば光であり、その反射率を検知することができ
る。これに用いる検知装置は、放射される光の輝度など
を検知するものであり、より一般には、電磁波の放射輝
度を直接・間接に検知することができる任意の手段を利
用できるが、この手段には、必要に応じて光を含む電磁
波の照射装置や照明装置を組み合わせることができる。
この輝度や放射輝度を検知する手段とは、可視画像や赤
外画像等の画像を取り込む手段や、フォトトランジスタ
などの光検知手段といった、任意のものが使用できる。
回転子に施す放射輝度を変更する指標とは、実質的な形
状変化を伴わない任意の手段を用いることができる。例
として、照明光等を用いてその反射による輝度を用いる
場合には、殆ど厚みがないペイント等によるマーキン
グ、レーザーアブレーションを利用した表面近傍のみに
影響するマーキング、表面仕上げの違いによる光沢の違
い、めっき、部分焼入れによる色調の変更、その他の任
意の手段である。また、検知手段に赤外線の波長領域に
感度があるものを用い、運転中に高温となっている回転
子からの赤外線領域の放射を用いる場合にも、赤外線の
放射輝度を変化させる手段、特に赤外線透過率が変動す
る任意の手段が利用できる。
【００１５】さらに本発明は、回転子の羽根による音に
応答して信号を出力する音波検知手段と、該音波検知手
段からの信号を周波数解析して該信号の周波数成分から
基本周波数を測定する測定手段とを備えてなる回転子を
有するターボ装置の回転数検出装置を提供する。本発明
は、また、回転子の羽根による音を音波検知手段によっ
て検知し、該音に応答した信号を出力するステップと、
該音波検知手段からの信号を周波数解析して該信号の周
波数成分から基本周波数を測定するステップとを備えて
なる回転子を有するターボ装置の回転数検出方法を提供
する。タービンの回転に伴って回転音が発生する場合に
は、音波検知手段、例えば、マイクロフォンを用いて回
転音を検知し、その信号を解析することによって回転数
を求めることが可能となる。
応答して信号を出力する音波検知手段と、該音波検知手
段からの信号を周波数解析して該信号の周波数成分から
基本周波数を測定する測定手段とを備えてなる回転子を
有するターボ装置の回転数検出装置を提供する。本発明
は、また、回転子の羽根による音を音波検知手段によっ
て検知し、該音に応答した信号を出力するステップと、
該音波検知手段からの信号を周波数解析して該信号の周
波数成分から基本周波数を測定するステップとを備えて
なる回転子を有するターボ装置の回転数検出方法を提供
する。タービンの回転に伴って回転音が発生する場合に
は、音波検知手段、例えば、マイクロフォンを用いて回
転音を検知し、その信号を解析することによって回転数
を求めることが可能となる。
【００１６】以上に示した回転数検出装置において、検
出・検知された圧力、音、電磁場、反射率等に応じた信
号等に応じて、定められたしきい値に基づくパルス信号
を発生する手段をさらに備え、基本周波数を測定する前
記測定手段は該パルス信号を周波数解析して基本周波数
を測定する回転数検出装置とすることができる。パルス
信号は、予め定められたしきい値をトリガレベルとして
トリガーされるパルス信号であり、波形が整形されるた
め、より簡便な装置で基本周波数の測定等が行える。
出・検知された圧力、音、電磁場、反射率等に応じた信
号等に応じて、定められたしきい値に基づくパルス信号
を発生する手段をさらに備え、基本周波数を測定する前
記測定手段は該パルス信号を周波数解析して基本周波数
を測定する回転数検出装置とすることができる。パルス
信号は、予め定められたしきい値をトリガレベルとして
トリガーされるパルス信号であり、波形が整形されるた
め、より簡便な装置で基本周波数の測定等が行える。
【００１７】
【発明の実施の形態】［実施の形態１］図１に本発明の
第１の実施の形態を示す。ターボ装置１は気体等の流体
流から回転力を作り出すタービンであり、回転子２は羽
根２ａを備えている。羽根２ａは、図の左方からケーシ
ングの内部を流れてくる作動流体による圧力を受け、そ
れを回転子２全体の回転力に変える。この回転子２はケ
ーシング３に収容されていて、そのケーシング３には圧
力を検知する圧力センサ４が配置されている。圧力セン
サ４の出力はケーシング３内部で、羽根２ａの回転位相
に伴って、羽根の通過に応じて周期的に変動する、Ａの
ような圧力波形を検知する。この圧力センサ３の周期的
に変動する圧力波形の出力信号を周波数解析装置１００
に入力し、周波数解析して、Ｂのようなパワースペクト
ルを得る。このパワースペクトルは圧力波形に応じて様
々な高調波を含むが、この基本周波数ｆ1は単位時間当
たりの羽根の通過数であるため、回転数（ｚ）と羽根の
枚数（Ｎ）との積となる。したがって、パワースペクト
ルから基本周波数を適当な基準に従って測定してｆ1と
し、それを羽根の枚数Ｎで割ってｆ1／Ｎとすることに
よって、求める回転数が、周波数と同じ単位で求まる。
このとき、羽根の形状が全て同一のものでなく、複数種
の羽根が用いられているもの等においても、羽根の枚数
（Ｎ）を調整することによって、実際の回転数が検出で
きる。
第１の実施の形態を示す。ターボ装置１は気体等の流体
流から回転力を作り出すタービンであり、回転子２は羽
根２ａを備えている。羽根２ａは、図の左方からケーシ
ングの内部を流れてくる作動流体による圧力を受け、そ
れを回転子２全体の回転力に変える。この回転子２はケ
ーシング３に収容されていて、そのケーシング３には圧
力を検知する圧力センサ４が配置されている。圧力セン
サ４の出力はケーシング３内部で、羽根２ａの回転位相
に伴って、羽根の通過に応じて周期的に変動する、Ａの
ような圧力波形を検知する。この圧力センサ３の周期的
に変動する圧力波形の出力信号を周波数解析装置１００
に入力し、周波数解析して、Ｂのようなパワースペクト
ルを得る。このパワースペクトルは圧力波形に応じて様
々な高調波を含むが、この基本周波数ｆ1は単位時間当
たりの羽根の通過数であるため、回転数（ｚ）と羽根の
枚数（Ｎ）との積となる。したがって、パワースペクト
ルから基本周波数を適当な基準に従って測定してｆ1と
し、それを羽根の枚数Ｎで割ってｆ1／Ｎとすることに
よって、求める回転数が、周波数と同じ単位で求まる。
このとき、羽根の形状が全て同一のものでなく、複数種
の羽根が用いられているもの等においても、羽根の枚数
（Ｎ）を調整することによって、実際の回転数が検出で
きる。
【００１８】本実施の形態では、羽根２ａの翼厚及び大
きさに関係なく、回転数の算出が可能である。羽根２ａ
を具備する回転体であれば、その大きさに関係なく、回
転周波数を検出する事が可能である。本実施の形態で
は、回転軸を何ら加工する必要が無いため、高速で回転
するターボ装置においても容易に利用でき、回転バラン
スの修正といったコストがかかる追加工程は発生しな
い。また、既存のターボ装置でケーシングに圧力センサ
を取り付けるだけで回転数検出機能が付加でき、既存の
装置に監視機能が付加できる。
きさに関係なく、回転数の算出が可能である。羽根２ａ
を具備する回転体であれば、その大きさに関係なく、回
転周波数を検出する事が可能である。本実施の形態で
は、回転軸を何ら加工する必要が無いため、高速で回転
するターボ装置においても容易に利用でき、回転バラン
スの修正といったコストがかかる追加工程は発生しな
い。また、既存のターボ装置でケーシングに圧力センサ
を取り付けるだけで回転数検出機能が付加でき、既存の
装置に監視機能が付加できる。
【００１９】また、圧力センサ４の出力を、図示しない
パルス発生器に入力させて、例えば図１のＡに示したト
リガレベル５０によって任意のデューティー比のパルス
とすることができる。このパルス発生器を用いると、パ
ルスをカウントするだけでｆ 1を求めることができ、高
価なＦＦＴアナライザなどを用いなくても良好に周波数
を測定することができる。
パルス発生器に入力させて、例えば図１のＡに示したト
リガレベル５０によって任意のデューティー比のパルス
とすることができる。このパルス発生器を用いると、パ
ルスをカウントするだけでｆ 1を求めることができ、高
価なＦＦＴアナライザなどを用いなくても良好に周波数
を測定することができる。
【００２０】［実施の形態２］図２に本発明の第２実施
の形態の構成を示す。本実施の形態では回転子に一体化
されている回転軸２０（一体化されていない場合もあ
る）に部分焼入れ２１を設ける。この部分焼き入れ部２
１と正対する外周側に距離を検知する渦電流式ギャップ
センサ２２を設ける。この渦電流式ギャップセンサ２２
の出力を周波数解析装置１００に接続し、その周波数解
析装置１００の出力から基本周波数ｆ1を取り出して回
転数へと換算する。
の形態の構成を示す。本実施の形態では回転子に一体化
されている回転軸２０（一体化されていない場合もあ
る）に部分焼入れ２１を設ける。この部分焼き入れ部２
１と正対する外周側に距離を検知する渦電流式ギャップ
センサ２２を設ける。この渦電流式ギャップセンサ２２
の出力を周波数解析装置１００に接続し、その周波数解
析装置１００の出力から基本周波数ｆ1を取り出して回
転数へと換算する。
【００２１】部分焼き入れとは、局所的に部材を加熱す
ることで内部材料組織構造を変化させて強度を上げる方
法として一般的に用いられている。本実施の形態では、
この通常の目的とは異なり、部分焼入れによる組織変化
が、材料の電磁気的な性質を変化させることを用いてい
る。部分焼き入れ部２１のようなある一部分の電磁気的
性質が他の部位に比べて異なる回転軸２０を回転させる
と、ギャップセンサ２２のエレクトリカルランアウト現
象と呼ばれる現象により、図２のＡのような渦電流式ギ
ャップセンサ２２の出力が得られる。ここで、エレクト
リカルランアウト現象とは、渦電流式ギャップセンサが
距離に比例した電圧を出力する特性を備えているとき
に、実際の距離が変わっていないにもかかわらず、材料
の内部組織、組成等により出力が変化する現象である。
また、渦電流式ギャップセンサとは、空隙（ギャップ）
を精密に測定することで対象物が回転しているものであ
るときにその回転の芯ぶれ（ランアウト）を検知するも
のである。このセンサは、通常はメインコイルと読み出
しコイルの２つのコイルを備えており、メインコイルに
よって発生させた磁界中の作用で回転運動に伴って移動
する導体に渦電流を発生させ、その渦電流が発生する反
対向きの磁界を読み出しコイルで検知するものである。
ることで内部材料組織構造を変化させて強度を上げる方
法として一般的に用いられている。本実施の形態では、
この通常の目的とは異なり、部分焼入れによる組織変化
が、材料の電磁気的な性質を変化させることを用いてい
る。部分焼き入れ部２１のようなある一部分の電磁気的
性質が他の部位に比べて異なる回転軸２０を回転させる
と、ギャップセンサ２２のエレクトリカルランアウト現
象と呼ばれる現象により、図２のＡのような渦電流式ギ
ャップセンサ２２の出力が得られる。ここで、エレクト
リカルランアウト現象とは、渦電流式ギャップセンサが
距離に比例した電圧を出力する特性を備えているとき
に、実際の距離が変わっていないにもかかわらず、材料
の内部組織、組成等により出力が変化する現象である。
また、渦電流式ギャップセンサとは、空隙（ギャップ）
を精密に測定することで対象物が回転しているものであ
るときにその回転の芯ぶれ（ランアウト）を検知するも
のである。このセンサは、通常はメインコイルと読み出
しコイルの２つのコイルを備えており、メインコイルに
よって発生させた磁界中の作用で回転運動に伴って移動
する導体に渦電流を発生させ、その渦電流が発生する反
対向きの磁界を読み出しコイルで検知するものである。
【００２２】図２の構成においてギャップセンサ２２で
得られた出力波形は、Ａに示した様なものとなる。この
変位量とは、実際の回転軸２０の表面とギャップセンサ
２２との実際の相対的な位置変化（メカニカルランアウ
ト）だけでなく、前述のエレクトリカルランアウトをも
含んでいる点に注意されたい。この出力波形を周波数解
析装置１００により解析して、基本周波数を測定する事
で、部分焼き入れ部２１が渦電流式ギャップセンサ２２
を通過する周期、すなわち軸の回転周波数が検出でき
る。以上の実施の形態において、例えば、ターボ装置の
使用条件が過酷である場合や、軸の精度が長期間にわた
って高い精度に保たれている必要がある場合には、部分
焼入れ箇所が回転中心に対して軸対称になるように複数
箇所配置するといった工夫も有効である。なお、部分焼
き入れ部２１は渦電流式ギャップセンサがエレクトリカ
ルランアウト現象を起こす他の電磁気的特性の変更方法
とすることができる。また、本実施の形態においても、
実施の形態１と同様に、パルス発生器を採用することは
有効である。
得られた出力波形は、Ａに示した様なものとなる。この
変位量とは、実際の回転軸２０の表面とギャップセンサ
２２との実際の相対的な位置変化（メカニカルランアウ
ト）だけでなく、前述のエレクトリカルランアウトをも
含んでいる点に注意されたい。この出力波形を周波数解
析装置１００により解析して、基本周波数を測定する事
で、部分焼き入れ部２１が渦電流式ギャップセンサ２２
を通過する周期、すなわち軸の回転周波数が検出でき
る。以上の実施の形態において、例えば、ターボ装置の
使用条件が過酷である場合や、軸の精度が長期間にわた
って高い精度に保たれている必要がある場合には、部分
焼入れ箇所が回転中心に対して軸対称になるように複数
箇所配置するといった工夫も有効である。なお、部分焼
き入れ部２１は渦電流式ギャップセンサがエレクトリカ
ルランアウト現象を起こす他の電磁気的特性の変更方法
とすることができる。また、本実施の形態においても、
実施の形態１と同様に、パルス発生器を採用することは
有効である。
【００２３】本実施の形態の方法を用いると、ターボ装
置の大きさに無関係で回転周波数を検出することができ
る。また、回転軸に段差加工を必要としない為、回転バ
ランスの再調整といったコストのかかる追加工程が不要
となる。
置の大きさに無関係で回転周波数を検出することができ
る。また、回転軸に段差加工を必要としない為、回転バ
ランスの再調整といったコストのかかる追加工程が不要
となる。
【００２４】［実施の形態３］図３に本発明の第３実施
の形態を示す。ターボ装置３０の外部に、音波検知手段
であるマイクロフォン３１を設ける。マイクロフォン３
１の出力は周波数解析装置１００に接続されている。こ
の音波の周波数成分からも、実施の形態１および２と同
様に、基本周波数を測定する。
の形態を示す。ターボ装置３０の外部に、音波検知手段
であるマイクロフォン３１を設ける。マイクロフォン３
１の出力は周波数解析装置１００に接続されている。こ
の音波の周波数成分からも、実施の形態１および２と同
様に、基本周波数を測定する。
【００２５】羽根３２aを具備する回転子３２が回転す
ると、羽根３２aによる風切り騒音が発生する。その風
切り騒音をターボ機械３０の外部に設置したマイクロフ
ォン３１によって拾うと、Ａのような電圧波形データが
得られる。この電圧波形には羽根３２aの回転に伴う周
期性が含まれるため、これを周波数解析装置１００によ
って解析を行うことにより、Ｂのような羽根３２aによ
る音波のパワースペクトルが得られる。この得られたパ
ワースペクトルから基本周波数を測定し、実施の形態１
と同様の手続で軸の回転周波数へと換算される。
ると、羽根３２aによる風切り騒音が発生する。その風
切り騒音をターボ機械３０の外部に設置したマイクロフ
ォン３１によって拾うと、Ａのような電圧波形データが
得られる。この電圧波形には羽根３２aの回転に伴う周
期性が含まれるため、これを周波数解析装置１００によ
って解析を行うことにより、Ｂのような羽根３２aによ
る音波のパワースペクトルが得られる。この得られたパ
ワースペクトルから基本周波数を測定し、実施の形態１
と同様の手続で軸の回転周波数へと換算される。
【００２６】本実施の形態の方法では、ターボ装置への
一切の加工を必要とせずに、ターボ装置の大きさに無関
係で回転数を検出することができる。これにより、ター
ボ装置の回転数を容易に検出することができる。
一切の加工を必要とせずに、ターボ装置の大きさに無関
係で回転数を検出することができる。これにより、ター
ボ装置の回転数を容易に検出することができる。
【００２７】［実施の形態４］図４に本発明の第４実施
の形態を示す。回転軸４０にある任意の位置に部分的に
他の部材と比較して変色させた部分（放射輝度変更手
段）４１を設ける。この変色部分４１は、回転軸４０の
表面と異なる反射色を呈する金属薄膜をメッキして設け
る。光源４４はこの回転軸を照明し、画像撮影装置（放
射輝度検知手段）４２で容易に撮影できるようにする。
このようにして、前記変色部分４１が回転に応じて通過
する部分を画像撮影装置４２で撮影し、この画像撮影装
置４２の出力を画像解析装置４３に入力する。画像解析
装置４３では変色部分４１を示す画素位置の画素値が回
転軸４０の回転に応じて周期的に変動する。この変動は
画像撮影装置４２が撮影している部分での輝度の変動を
表わしている。
の形態を示す。回転軸４０にある任意の位置に部分的に
他の部材と比較して変色させた部分（放射輝度変更手
段）４１を設ける。この変色部分４１は、回転軸４０の
表面と異なる反射色を呈する金属薄膜をメッキして設け
る。光源４４はこの回転軸を照明し、画像撮影装置（放
射輝度検知手段）４２で容易に撮影できるようにする。
このようにして、前記変色部分４１が回転に応じて通過
する部分を画像撮影装置４２で撮影し、この画像撮影装
置４２の出力を画像解析装置４３に入力する。画像解析
装置４３では変色部分４１を示す画素位置の画素値が回
転軸４０の回転に応じて周期的に変動する。この変動は
画像撮影装置４２が撮影している部分での輝度の変動を
表わしている。
【００２８】本実施の形態では、画像撮影装置４２を用
いる際には撮影された画像は即時に画像解析装置４３に
転送される。画像解析装置４３にて画像解析を行うと、
Ａに示すような前記変色部分４１に起因する輝度変動が
観察される。この輝度変動の測定値を周波数解析するこ
とにより、Ｂに示す基本周波数が求まる。この基本周波
数は変色部分４１の通過する時間周期の逆数であるた
め、回転数を算出することができる。
いる際には撮影された画像は即時に画像解析装置４３に
転送される。画像解析装置４３にて画像解析を行うと、
Ａに示すような前記変色部分４１に起因する輝度変動が
観察される。この輝度変動の測定値を周波数解析するこ
とにより、Ｂに示す基本周波数が求まる。この基本周波
数は変色部分４１の通過する時間周期の逆数であるた
め、回転数を算出することができる。
【００２９】本実施の形態の方法においても、ターボ装
置への一切の加工を必要とせずに、ターボ装置の大きさ
に無関係で回転数を検出することができる。本実施の形
態によれば、さらに、ターボ装置の大きさに無関係に回
転周波数を検出する事ができ、また軸に段差加工等を必
要としないことから回転バランスの再調整等のコストの
かかる追加工程が不要となる。画像撮影装置としては、
例えば装置の運転状態を監視するためといった他の目的
に用いる画像撮影装置等が利用できる。
置への一切の加工を必要とせずに、ターボ装置の大きさ
に無関係で回転数を検出することができる。本実施の形
態によれば、さらに、ターボ装置の大きさに無関係に回
転周波数を検出する事ができ、また軸に段差加工等を必
要としないことから回転バランスの再調整等のコストの
かかる追加工程が不要となる。画像撮影装置としては、
例えば装置の運転状態を監視するためといった他の目的
に用いる画像撮影装置等が利用できる。
【００３０】なお、本実施の形態では、画像取り込みの
フレームレートをサンプリング周期とする時間的に離散
化されたサンプリングデータが得られる。したがって、
ナイキストのサンプリング理論より、フレームレートが
監視するタービンの回転数の周波数の１／２より低い場
合には、エイリアシリングを起こす。このため、例えば
実際は回転しているタービンが全く回転していないよう
に観測されたりすることもある。しかし、本発明に記載
される別の手段を用いる等の工夫により回転数の概略の
値が別途求まっていれば、画像から推測できる複数の回
転数のうちの何れかに同定することが可能となる。
フレームレートをサンプリング周期とする時間的に離散
化されたサンプリングデータが得られる。したがって、
ナイキストのサンプリング理論より、フレームレートが
監視するタービンの回転数の周波数の１／２より低い場
合には、エイリアシリングを起こす。このため、例えば
実際は回転しているタービンが全く回転していないよう
に観測されたりすることもある。しかし、本発明に記載
される別の手段を用いる等の工夫により回転数の概略の
値が別途求まっていれば、画像から推測できる複数の回
転数のうちの何れかに同定することが可能となる。
【００３１】また、より高速な現象に対応できるフォト
トランジスタを用いても良い。この場合、適当な照明に
よってマーク部分を照明し、この照明した箇所からの反
射光の強度を信号としてより速いサンプリングレートで
データとして得られる。このとき、通常の画像撮影装置
のような２次元のドットマトリックス画素構造以外に
も、1次元のインライン画素構造や、０次元の点状の光
検出器等であっても同様の信号が得られる。この場合に
は、２次元や１次元の画像撮影装置で高速使用とすると
非常に高価な撮影装置が必要になるが、それらより高速
にサンプリングが可能な検知器が安価に得られるという
利点もある。画像撮影装置４２を用いないときには画像
解析装置４３を省略して周波数解析装置１００に接続可
能であるという利点もある。
トランジスタを用いても良い。この場合、適当な照明に
よってマーク部分を照明し、この照明した箇所からの反
射光の強度を信号としてより速いサンプリングレートで
データとして得られる。このとき、通常の画像撮影装置
のような２次元のドットマトリックス画素構造以外に
も、1次元のインライン画素構造や、０次元の点状の光
検出器等であっても同様の信号が得られる。この場合に
は、２次元や１次元の画像撮影装置で高速使用とすると
非常に高価な撮影装置が必要になるが、それらより高速
にサンプリングが可能な検知器が安価に得られるという
利点もある。画像撮影装置４２を用いないときには画像
解析装置４３を省略して周波数解析装置１００に接続可
能であるという利点もある。
【００３２】また、回転数が大きいターボ装置やガスタ
ービン装置等では、回転子が高温になることがしばしば
見られる。このような場合には、回転子が赤外線を放射
していることを利用して、変色部で赤外線の放射量（放
射輝度）を低下させたり、増強させたりするような工夫
を行うことにより、照明装置４４を用いる必要が無くな
る。
ービン装置等では、回転子が高温になることがしばしば
見られる。このような場合には、回転子が赤外線を放射
していることを利用して、変色部で赤外線の放射量（放
射輝度）を低下させたり、増強させたりするような工夫
を行うことにより、照明装置４４を用いる必要が無くな
る。
【００３３】
【発明の効果】本発明によれば、回転バランス等の再調
整といった追加工程を必要としない回転数検出装置が得
られる。また、ターボ装置の大きさにも依存しない回転
数検出装置が得られる。
整といった追加工程を必要としない回転数検出装置が得
られる。また、ターボ装置の大きさにも依存しない回転
数検出装置が得られる。
【図１】本発明の実施の形態に係る圧力検知手段を用い
た回転数検出装置の構成を示す構成図である。
た回転数検出装置の構成を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るギャップセンサを用
いた回転数検出装置の構成を示す構成図である。
いた回転数検出装置の構成を示す構成図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る音波検知手段を用い
た回転数検出装置の構成を示す構成図である。
た回転数検出装置の構成を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る放射輝度検知手段を
用いた回転数検出装置の構成を示す構成図である。
用いた回転数検出装置の構成を示す構成図である。
【図５】従来の回転数検出装置の構成を示す構成図であ
る。
る。
１ ターボ装置
２ 回転子
３ ケーシング
４ 圧力センサ
１００ 周波数解析装置
２０、４０ 回転軸
４２ 画像撮影装置（放射輝度検知手段）
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｇ０１Ｐ 3/49 Ｇ０１Ｐ 3/49
Claims (10)
- 【請求項１】 回転子を収容するケースに設けられ、該
回転子の羽根の通過による圧力変動に応答して信号を出
力する圧力検知手段と、 該圧力検知手段からの信号を周波数解析して該信号の周
波数成分から基本周波数を測定する測定手段とを備えて
なる回転子を有するターボ装置の回転数検出装置。 - 【請求項２】 回転子に施され、該回転子と共に回転す
る指標手段と、 該指標手段に応答して信号を出力する検知手段と、 該検知手段からの信号を周波数解析して該信号の周波数
成分から基本周波数を測定する測定手段とを備えた回転
子を有するターボ装置の回転数検出装置であって、 前記指標手段がターボ装置の回転子の形状変更を伴わな
い指標手段であるターボ装置の回転数検出装置。 - 【請求項３】 前記指標手段がターボ装置の回転子の少
なくとも一部の電磁気的特性を変更してなるものである
請求項２に記載の回転数検出装置。 - 【請求項４】 前記電磁気的特性の変更は回転子の少な
くとも一部の材質の部分焼入れによって施されており、
前記検知手段が渦電流検知型ギャップセンサである請求
項３に記載の回転数検出装置。 - 【請求項５】 前記指標手段がターボ装置の回転子の少
なくとも一部において電磁波の放射輝度を変更してなる
ものであり、前記検知手段が該放射輝度を検知するもの
である請求項２に記載の回転数検出装置。 - 【請求項６】 回転子の羽根による音に応答して信号を
出力する音波検知手段と、 該音波検知手段からの信号を周波数解析して該信号の周
波数成分から基本周波数を測定する測定手段とを備えて
なる回転子を有するターボ装置の回転数検出装置。 - 【請求項７】 前記信号に応じ、定められたしきい値に
基づくパルス信号を発生する手段をさらに備え、基本周
波数を測定する前記測定手段は該パルス信号を周波数解
析して基本周波数を測定する請求項１から６のいずれか
に記載の回転数検出装置。 - 【請求項８】 回転子を収容するケースに設けられた圧
力検知手段によって該回転子の羽根の通過による圧力変
動を検知し、該圧力変動に応答した信号を得るステップ
と、 該圧力検知手段からの信号を周波数解析して該信号の周
波数成分から基本周波数を測定するステップとを備えて
なる回転子を有するターボ装置の回転数検出方法。 - 【請求項９】 回転子に設けられ、該回転子と共に回転
し、回転子の形状変更を伴わない指標手段の回転を検知
する検知手段を設けるステップと、 該検知手段によって該指標手段の回転を検知して回転に
応答した信号を得るステップと、 該信号を周波数解析して該検知信号の周波数成分から基
本周波数を測定するステップとを備えてなる回転子を有
するターボ装置の回転数検出方法。 - 【請求項１０】 回転子の羽根による音を音波検知手段
によって検知し、該音に応答した信号を出力するステッ
プと、 該音波検知手段からの信号を周波数解析して該信号の周
波数成分から基本周波数を測定するステップとを備えて
なる回転子を有するターボ装置の回転数検出方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002037527A JP2003240788A (ja) | 2002-02-15 | 2002-02-15 | ターボ装置の回転数検出装置および方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002037527A JP2003240788A (ja) | 2002-02-15 | 2002-02-15 | ターボ装置の回転数検出装置および方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003240788A true JP2003240788A (ja) | 2003-08-27 |
Family
ID=27779084
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|---|---|---|---|
| JP2002037527A Withdrawn JP2003240788A (ja) | 2002-02-15 | 2002-02-15 | ターボ装置の回転数検出装置および方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003240788A (ja) |
Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2008082735A (ja) * | 2006-09-26 | 2008-04-10 | Japan Aerospace Exploration Agency | 感圧塗料による非定常圧力場の画像計測方法 |
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| WO2017154105A1 (ja) * | 2016-03-08 | 2017-09-14 | 三菱重工業株式会社 | 過給機のサージング検出方法およびサージング検出装置 |
-
2002
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