JP6285981B2 - 液面計の異常診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、サーボバランス式液面計に適用する液面計の異常診断方法に関するものである。

ディスプレーサを用いたサーボバランス式液面計は、例えば特許文献１に記載されている。

工業計器における異常診断機能は重要事項であり、液面計においても例外ではない。従来の液面計の異常警報手段としては、測定液位或いは測長ワイヤのトルク値が規定値を超えたときに異常と判定し、警報を発している。

実開昭６４−３４５２１号公報

サーボバランス式液面計では、経年劣化によるモータの劣化や摩擦駆動系の摩擦の増加等により液面測定の応答性が悪化することで、正確な測定値が得られなくなるという問題が生ずる。

サーボバランス式液面計に使用されるサーボモータの磁界には、永久磁石が使われているのが一般的であるが、経時的にその磁力効果が減じた場合にも同様な劣化現象が生ずる。液面計において、その他の劣化発生の主たる個所は機械駆動系であり、経時的に発生する機械的摩耗が原因である。この経時的な機械摩耗は、ドラムシャフトやドラムを保持するベアリング部で主として発生する。

図１０は液面計に内蔵するＡＣサーボモータのトルク速度のＴ−ω曲線と負荷線の関係を示している。サーボモータに制御電圧ｅ１を与えると負荷に対応した負荷線Ｔ＝Ｋ１ω（Ｋ１比例定数）とトルク速度曲線との交点Ｐ１の角速度ω１で回転し、この回転数がサーボ系の応答速度を決定する。経時変化等により負荷側の摩擦が増加すると、負荷線はＴ＝Ｋ２ωへと変化し、Ｔ−ω曲線との交点はＰ２、回転数はω２へと減少する。正常時と同じ速度を維持しようとすれば、制御電圧をｅ１からｅ２に上げる必要がある。

サーボモータ磁界には、永久磁石が使われているのが一般的であるが、経時的にその作用効果が減じた場合には、図１０において、等価的にＴ−ω曲線がｅ２からｅ１に変化したのと同じとみなすことができる。

例えば、サーボモータにこのような劣化現象が発生し、この劣化現象が計測値の異常として現れる場合には、これを基に警報を行うことはできるが、長年の使用により、摩擦駆動系の摩耗等の劣化に起因するパラメータの経時変化による異常の進行状態や、或いは今後に異常がどのように進展してゆくかの予測を行うことができない。

本発明の目的は、上述の課題を解決し、構成部品の劣化に起因するパラメータを測定して異常の進行状態等の診断を行う液面計の異常診断方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る液面計の異常診断方法は、所定診断周期τ毎において、サーボバランス式液面計のディスプレーサを下降させ、モータを含む機械駆動系のパラメータを測定すると共に記録して、前回までの前記所定診断周期τ毎に記録した前記パラメータの数値の経時変化を近似線で近似し、今回の診断で得られた前記パラメータの数値が所定の劣化規定値を超えた異常範囲であると共に、今回の測定で得られた前記パラメータが前記近似線の延長線上にあるときに異常状態と診断することを特徴とする。

また、本発明に係る液面計の異常診断方法は、所定診断周期τ毎において、サーボバランス式液面計のディスプレーサを下降させ、モータを含む機械駆動系のパラメータを測定すると共に記録して、前記所定診断周期τ毎に記録した今回の診断までの前記パラメータの数値の経時変化を近似線で近似し、該近似線の延長線が所定の劣化規定値に達する時期を異常状態に至る時期と診断することを特徴とする。

更に、本発明に係る液面計の異常診断方法は、所定診断周期τ毎において、サーボバランス式液面計のディスプレーサを下降させ、モータを含む機械駆動系のパラメータを測定すると共に記録して、前記所定診断周期τ毎に記録した今回の診断までの前記パラメータの数値の経時変化を近似線で近似し、該近似線に劣化の傾向があり、かつ今回得られた前記パラメータの数値が所定の劣化規定値に近付き、所定の劣化警戒値を超えている場合には以後の前記所定診断周期の間隔を短縮するべきと診断することを特徴とする。

本発明に係る液面計の異常診断方法によれば、所定診断周期におけるパラメータの数値を記憶しておき、その経時変化から構成部品の異常や、どの時点で異常が発生するかを予測できる。

サーボバランス式液面計による測定状態の説明図である。 サーボバランス式液面計の検出部の構成図である。 液面測定時の動作フローチャート図である。 ディスプレーサの巻き下げ時の制御パターンの説明図である。 実施例１の異常診断のフローチャート図である。 診断時期とディスプレーサの定速度との関係のグラフ図である。 将来の劣化時期を推測する場合の説明図である。 診断周期を短縮する場合の説明図である。 実施例４のフローチャート図である。 サーボモータの劣化の説明図である。

本発明を図１〜図９に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１に示すようにサーボバランス式液面計は、例えば３０ｍもの深さのタンク１内の液面の計測に用いられている。タンク１内には、液面上に浮かぶディスプレーサ２が測長ワイヤ３により吊り下げられている。

タンク１の上方には、図２に示すような液面計の検出部が配置されている。基台に軸支されたドラムシャフト４に対しドラム５が直接又はマグネティックカップリング６により回転自在に保持され、ドラム５にはドラムシャフト４により駆動力が伝達されるようになっている。ドラム５には測長ワイヤ３が巻回されており、測長ワイヤ３の下端に止着されたディスプレーサ２がタンク１内に吊り下げられている。

また、基台の他側にはサーボモータ７が固定されており、サーボモータ７の回転軸の回転は、プーリ８、ベルト９を介してウォームギア１０に伝達されるようになっている。ウォームギア１０はドラム５と同芯状態で回転するウォームホイール１１のギアと噛合している。

ウォームホイール１１の側面の中心を挟んだ上下の２個所には、コイルスプリング１２ａ、１２ｂの端部が固定されている。コイルスプリング１２ａ、１２ｂの他端はドラムシャフト４に固定されたバランスアーム１３の両側に突設したアーム１３ａ、１３ｂにそれぞれ取り付けられ、これらのコイルスプリング１２ａ、１２ｂは、左右のアーム１３ａ、１３ｂに対してほぼ直交して配されている。つまり、右方向に突出した上側のアーム１３ａには、コイルスプリング１２ａ上端が固着されており、左方向の下側のアーム１３ｂには、コイルスプリング１２ｂの下端が固着されている。

バランスアーム１３には、先端にマグネット１４を取り付けた固定アーム１５が固定されている。このマグネット１４の近傍のウォームホイール１１の面には、マグネット１４の磁束に感応し、バランスアーム１３の回動変位つまり測長ワイヤ３の張力の変動を検出する磁気センサ１６が取り付けられている。磁気センサ１６からの検知出力は、サーボモータ７に駆動信号を供給するＭＰＵを搭載した演算制御回路１７に入力されている。

演算制御回路１７には、電源、磁気センサ１６の出力が接続されており、演算制御回路１７の出力はサーボモータ７に接続され、更に演算制御回路１７から表示器１８に液面測定信号が出力されている。

タンク１内の液体の液面の測定に際しては、ディスプレーサ２の浮力が測長ワイヤ３の張力Ｔとして検出され、この張力Ｔはドラム５を介してドラムシャフト４、バランスアーム１３を経てコイルスプリング１２ａ、１２ｂ、ウォームホイール１１に伝達される。

サーボモータ７の回転駆動力は、ウォームギア１０を介してウォームホイール１１に伝達され、更にコイルスプリング１２ａ、１２ｂ及びバランスアーム１３を介してドラムシャフト４に伝達されてドラム５が回転し、測長ワイヤ３の巻き取り及び繰り出しが行われる。

このドラム５の回転数を検出することにより、測長ワイヤ３の繰り出し量、巻き取り量はドラム５の回転として図示しない回転センサにより検出され、ディスプレーサ２の位置による液面レベルが測定される。

液体の液面の計測時におけるバランスを考えると、次の２式が成立する。
Ｔ＋（Ｖ／２）・ρ＝Ｗ ・・・（１）
Ｔ・Ｒ＝２・ｘ・ｋ・ｒ ・・・（２）

ただし、Ｔ：液体の液面測定時における測長ワイヤ３の張力、Ｖ：ディスプレーサ２の体積、ρ：液体の比重、Ｒ：ドラム５の半径、ｋ：コイルスプリング１２ａ、１２ｂのばね定数、ｒ：コイルスプリング１２ａ、１２ｂの取付半径、ｘ：液面の計測時におけるコイルスプリング１２ａ、１２ｂの伸び、Ｗ：ディスプレーサ２の自重である。

これらの（１）、（２）式から求められるコイルスプリング１２ａ、１２ｂの伸びｘから、液面のレベル計測時におけるバランスアーム１３の整定状態のバランス停止位置（バランス中点）が決まる。このときの磁気センサ１６での検知出力に対する測定値は、バランス停止位置における測長ワイヤ３の張力Ｔの設定値として、演算制御回路１７に記憶されている。

例えば保守点検作業が終了し、液面の計測を再開するときは、上昇させてあるディスプレーサ２を液面まで降下してバランスさせることにより測定を始める。測定中に例えば液面が上昇すると、ディスプレーサ２の浮力が増加し、測長ワイヤ３の張力Ｔが小さくなるので、コイルスプリング１２ａ、１２ｂの伸びｘが小さくなる。これによりバランスアーム１３が回動し、マグネット１４と磁気センサ１６の相対位置が変化し、増大した変化量を磁気センサ１６から演算制御回路１７に出力することになる。

磁気センサ１６の出力を受信する演算制御回路１７では、この磁気センサ１６の出力と設定値とを比較し、この比較値がゼロとなるまで、測長ワイヤ３の巻き取り方向にサーボモータ７が回転するように、サーボモータ７に信号を供給する。これにより、ウォームギア１０を介してウォームホイール１１が回転し、ウォームホイール１１の磁気センサ１６とバランスアーム１３に取り付けられたマグネット１４との相対位置が変動前の状態、つまりバランス停止位置まで戻り停止する。このとき、ドラム５がドラムシャフト４により回転して測長ワイヤ３が巻き取られ、この測長ワイヤ３の巻取長、つまりドラム５の回転数に対応するパルス積算値から液面の測定値が求められる。

また、液面が下降すると、ディスプレーサ２の浮力が減少し張力Ｔが大きくなり、コイルスプリング１２ａ、１２ｂが伸び、磁気センサ１６の出力が減少する方向にマグネット１４と磁気センサ１６の相対位置が変化する。これにより、上述した逆の動作によりバランス停止位置までサーボモータ７が逆転するので、ドラム５は測長ワイヤ３の繰り出し方向に回転する。そして、このときのドラム５の回転数に対応するパルス積算値から液面の測定値が求められる。

図３はサーボバランス式液面計において、上昇させていたディスプレーサ２を下降させてリバランス制御を行う場合の演算制御回路１７のプログラムによる制御動作のフローチャート図である。

図４はディスプレーサ２の巻き下げ時の制御パターンの説明図である。横軸は演算制御回路１７からサーボモータ７に発信するパルスｎの積算値Σｎであり、縦軸はディスプレーサ２の巻き下げ速度である。

ディスプレーサ２が上方から下降を開始し、演算制御回路１７から送りパルス（ｎ）がサーボモータ７に発信される。それに応じてサーボモータ７、ドラム５が回転し、測長ワイヤ３を巻き下げることにより、ディスプレーサ２は初速度Ｖで加速しながら（ステップＳ１）、パルスｎのスタートからの積算値ΣｎがＮ１になるまで下降する（ステップＳ２）。

パルスｎの積算値ΣｎがＮ１に達すると、ディスプレーサ２は定速度Ｖ２で下降し（ステップＳ３）、パルス積算値がＮ２になるまでそのまま下降する（ステップＳ４）。

パルスｎの積算値ΣｎがＮ２に達すると、ディスプレーサ２は一定加速度で減速しながら下降する（ステップＳ５）。そして、パルスｎの積算値ΣｎがＮ３に達すると（ステップＳ６）、ディスプレーサ２の下降を停止する（ステップＳ７）。以後は、力バランスの偏差がゼロとなるように、バランス制御を行い液面測定が安定した状態の整定に至る（ステップＳ８）。

整定した状態のパルス積算数をＮ４に対し、換算係数をｋとしてｋ・Ｎ４を液面計の出力とする。

本実施例に係る異常診断は、液面測定を中断して所定診断周期τ毎に、劣化診断のパラメータの数値として、上昇させたディスプレーサ２を下降させながらディスプレーサ２の下降速度を測定することにより実施する。所定診断周期τは、液面計の保守周期や機能安全（通称ＳＩＬ）で定義されているプルーフテスト間隔の最小単位に選定し、例えば半年、１年、数年周期の経過時間を基とする保守点検に併せて行う。

異常診断は図３のステップＳ３におけるディスプレーサ２を定速度Ｖ２で下降する過程（図４におけるＮ１〜Ｎ２間）において実施する。つまり、ディスプレーサ２がパルスｎの積算値ΣｎがＮ１に達した時点の速度で下降中の定速度Ｖ２を測定し、この定速度Ｖ２の変化に基づいて異常を判定する。

モータ等の経年劣化により出力が低下すると、初速度Ｖ１からの加速度が低下し、パルス積算数がＮ１〜Ｎ２に至る定速度Ｖ２も低下することになる。定速度Ｖ２が所定の規定値を超えて小さくなっていると、サーボモータ７を含む機械駆動系に劣化による異常が生じていることを意味する。

図５はこの異常診断のフローチャート図である。図４の通常の液面測定におけるステップＳ３と同様の手段により、ディスプレーサ２の定速度Ｖ２を時間当たりのパルス積算数を基に測定する（ステップＳ１１）。

得られた定速度Ｖ２を測定年月日と共に、液面計に備えたＲＯＭ記憶媒体に記録する（ステップＳ１２）。図６は横軸は経過時間であり、縦軸は過去の診断時期τにおける液面計の定速度Ｖ２の大きさであって、定速度Ｖ２の履歴つまり経時変化のグラフ図である。なお、〇印、×印は２個の液面計の定速度Ｖ２をそれぞれ示している。

今回の診断において、得られた定速度Ｖ２を劣化規定値Δｖに対して比較する（ステップＳ１３）。この劣化規定値Δｖは過去の経験等から、これ以上定速度Ｖ２が低下した場合には、測定精度、応答性に不具合が生ずるとした閾値である。
今回の診断周期５τで定速度Ｖ２が劣化規定値Δｖを超えて低速となれば、劣化が発生している可能性がある。なお、Ｖ２＞Δｖであれば、交換、修理の時期に至るほどの劣化はないと判断できる（ステップＳ１４）。

今回の診断周期５τにおいて、〇印、×印のように劣化している可能性がある場合には、前回までの診断周期τにおける定速度Ｖ２の経時変化を直線又は曲線から成る近似線で近似する（ステップＳ１５）。そして、今回得られた定速度Ｖ２が、この近似線の延長線上にあるかを確かめる（ステップＳ１６）。

図６に示すように、〇印の液面計の定速度Ｖ２は、診断周期５τにおける定速度Ｖ２が劣化規定値Δｖよりも小さく、かつ〇印の近似線の延長線上にあるので、機械駆動系に劣化による異常が生じていると判断する（ステップＳ１７）。

このステップＳ１７で劣化と診断された場合には、サーボモータ７を含む機械駆動系に劣化等があるとして、構成部品の少なくとも一部を交換、修理すべきであると判断できる。従って、どの部品が劣化しているかを更に検査して、必要な部品交換、修理等を行う際の不要な警報情報を与えることができる。

一方、図６に示す×印のように、診断周期５τで定速度Ｖ２が劣化規定値Δｖよりも小さくとも、点線で示す×印の延長線上になければ、つまり前回の診断周期４τまでの経時変化では劣化の傾向が殆ど認められなかった場合には、今回得られた定速度Ｖ２は測定誤差ということもあり得る。従って、×印の定速度Ｖ２による液面計については、直ちに劣化と診断せずに、劣化の疑いありと診断して、確認のために再度の定速度Ｖ２の診断試験を行うことが好ましい（ステップＳ１８）。

この再診断により劣化が確実と判断された場合には、劣化が急激に進行したと判断して、劣化部品の特定を行い、部品の修理、交換等を行えばよい。

また、今回の診断周期５τでの測定では、劣化規定値Δｖを超えない場合であっても、図７に示すように前回までの経時変化による近似線によって劣化の傾向が認められる場合がある。この場合には、近似線により劣化規定値Δｖを超えて異常状態となると思われる診断周期５τと６τとの間の劣化時期を推測することができる。従って、この劣化推定時期を表示することにより、構成部品を来る診断周期５τと６τとの間で交換、修理をすることが望ましいことになる。

上述の実施例１、２では、診断を等周期τで行う場合を説明したが、定速度Ｖ２が劣化規定値Δｖに近付いた場合には、劣化が近々顕著となるとして、次回以降の診断周期τを短縮することが好ましい。

例えば図８において、周期５τでは定速度Ｖ２は劣化規定値Δｖは超えないが、劣化規定値Δｖよりも稍々大きい速度の劣化警戒値ａを超えた場合には、近々に劣化規定値Δｖを超える虞れがあるので、その劣化を正確に把握するために、周期５τ以降では従来の診断周期を例えば１／２に短縮して、診断周期５．５τ、６τ、６．５τにおいて診断を行う。

なお、上述の実施例１〜３における診断に際して、定速度Ｖ２が劣化規定値Δｖを超えたからといって、直ちに警報を発するのではなく、問い合わせがあったときに、異常があったかどうかを応答するようにしてもよい。

図９は任意の時期において、劣化診断の結果を確認する場合のフローチャート図である。

劣化に関する問い合わせの要求信号があると、図５のフローチャート図のステップ１２で得られている定速度Ｖ２のデータを集める（ステップＳ２１）。

次いで、これらの定速度Ｖ２のデータのうち、Ｖ２−Δｖ＞０のデータがあるかを確認する（ステップＳ２２）。もし、なければ劣化なしと判断する（ステップＳ２３）。集めた定速度Ｖ２の経時変化を近似線に近似する（ステップＳ２４）。そして、直近の定速度Ｖ２は近似線の延長線上にあるかを確かめる（ステップＳ２５）。

直近の定速度Ｖ２が近似線上であれば、劣化ありと診断する（ステップＳ２６）。直近の定速度Ｖ２が近似線上になくとも、直近の定速度Ｖ２はＶ２＞Δｖであることから、ステップＳ２７において劣化の疑いありと診断し、必要な措置を講ずる。

また、実施例１〜３においては、診断指標として使用するパラメータとしてディスプレーサ２の下降定速度Ｖ２としたが、所定の速度を得るためのサーボモータ７に印加すべき電圧のずれ電圧や、或いは印加すべき電圧に対応する制御電流をパラメータとして、このパラメータを測定することにより診断をしてもよい。

サーボモータ７としては、パルスモータも適用可能である。この場合には、パルスモータ固有のコギングの回数、脱調を回避し、所定診断周期τ毎のエンコーダの出力により平衡位置に押し戻した回数の頻度をパラメータとすることもできる。

２ ディスプレーサ
３ 測長ワイヤ
５ ドラム
７ サーボモータ

Claims (6)

1. 所定診断周期τ毎において、サーボバランス式液面計のディスプレーサを下降させ、モータを含む機械駆動系のパラメータを測定すると共に記録して、前回までの前記所定診断周期τ毎に記録した前記パラメータの数値の経時変化を近似線で近似し、今回の診断で得られた前記パラメータの数値が所定の劣化規定値を超えた異常範囲であると共に、今回の測定で得られた前記パラメータが前記近似線の延長線上にあるときに異常状態と診断することを特徴とする液面計の異常診断方法。
2. 所定診断周期τ毎において、サーボバランス式液面計のディスプレーサを下降させ、モータを含む機械駆動系のパラメータを測定すると共に記録して、前記所定診断周期τ毎に記録した今回の診断までの前記パラメータの数値の経時変化を近似線で近似し、該近似線の延長線が所定の劣化規定値に達する時期を異常状態に至る時期と診断することを特徴とする液面計の異常診断方法。
3. 所定診断周期τ毎において、サーボバランス式液面計のディスプレーサを下降させ、モータを含む機械駆動系のパラメータを測定すると共に記録して、前記所定診断周期τ毎に記録した今回の診断までの前記パラメータの数値の経時変化を近似線で近似し、該近似線に劣化の傾向があり、かつ今回得られた前記パラメータの数値が所定の劣化規定値に近付き、所定の劣化警戒値を超えている場合には以後の前記所定診断周期の間隔を短縮するべきと診断することを特徴とする液面計の異常診断方法。
4. 前記診断の状態を外部からの要求信号により応答することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の液面計の異常診断方法。
5. 前記パラメータは前記ディスプレーサの下降速度としたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の液面計の異常診断方法。
6. 前記所定診断周期τは最小の保守周期又は機能安全で定めるプルーフテスト間隔とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の液面計の異常診断方法。

Images