(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024173019
(43)【公開日】2024-12-12
(54)【発明の名称】振動監視システム、方法、及び、プログラム
(51)【国際特許分類】
G01M 99/00 20110101AFI20241205BHJP
G01H 17/00 20060101ALI20241205BHJP
【FI】
G01M99/00 Z
G01H17/00 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023091129
(22)【出願日】2023-06-01
(71)【出願人】
【識別番号】506209422
【氏名又は名称】地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター
(71)【出願人】
【識別番号】504030417
【氏名又は名称】株式会社林化工機製作所
(74)【代理人】
【識別番号】100200229
【弁理士】
【氏名又は名称】矢作 徹夫
(72)【発明者】
【氏名】市川 英伸
(72)【発明者】
【氏名】小西 毅
(72)【発明者】
【氏名】平野 康之
(72)【発明者】
【氏名】本橋 英治
【テーマコード(参考)】
2G024
2G064
【Fターム(参考)】
2G024AD01
2G024BA27
2G024CA13
2G024FA04
2G024FA06
2G024FA15
2G064AA01
2G064AA11
2G064AB01
2G064AB02
2G064AB22
2G064BA02
2G064BD02
2G064CC02
2G064CC41
2G064CC42
2G064CC43
2G064DD02
(57)【要約】
【課題】 羽根車の回り始めから最大回転周波数までの間の流体機械の振動を1つの振動センサで監視する技術を提供することにある。
【解決手段】 流体機械の振動を測定する振動センサによって測定された時系列の波形信号データを記憶する記憶部と、前記波形信号データを周波数解析し、周波数毎の信号の強度を出力する周波数解析部と、前記強度を、対応する前記周波数で重み付け処理し、重み付けした値を出力する重み付け部と、前記周波数、及び、前記重み付けした値を出力する出力部と、を備える振動監視システム。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
流体機械の振動を測定する振動センサによって測定された時系列の波形信号データを記憶する記憶部と、
前記波形信号データを周波数解析し、周波数毎の信号の強度を出力する周波数解析部と、
前記強度を、対応する前記周波数で重み付け処理し、重み付けした値を出力する重み付け部と、
前記周波数、及び、前記重み付けした値を出力する出力部と、
を備える振動監視システム。
【請求項2】
前記振動センサは、前記流体機械のポンプの吐出し口周辺の振動を測定する請求項1に記載の振動監視システム。
【請求項3】
前記周波数解析部は、前記波形信号データを周波数解析する際に、ローパスフィルタ処理を行うローパスフィルタ部を有する請求項1に記載の振動監視システム。
【請求項4】
前記周波数解析部は、前記波形信号データを周波数解析する際に、トラッキング方式のフィルタ処理を行うトラッキングフィルタ部を有する請求項1に記載の振動監視システム。
【請求項5】
前記記憶部は、前記流体機械のポンプを動作させるモータの電流値を測定する電流センサによって測定された電流信号も記憶し、
前記電流信号から、前記ポンプの羽根車の回転数を推定する推定部と、
前記推定部が推定した回転数、及び、前記重み付け部が重み付けした値を比較する比較部と、
をさらに備える請求項1記載の振動監視システム。
【請求項6】
前記記憶部は、前記流体機械のポンプを動作させるモータの回転数を測定する回転計によって測定された回転数信号も記憶し、
前記回転数信号、及び、前記重み付け部が重み付けした値を比較する比較部と、
をさらに備える請求項1記載の振動監視システム。
【請求項7】
前記振動センサからのアナログ電圧信号を増幅するアンプ部と、
増幅された前記アナログ電圧信号をデジタル信号に変換し、前記デジタル信号を前記記憶部へ出力するADコンバータ部と、
をさらに備える請求項1記載の振動監視システム。
【請求項8】
流体機械の振動を測定する振動センサによって測定された時系列の波形信号データを周波数解析し、周波数毎の信号の強度を出力する周波数解析ステップと、
前記強度を、対応する前記周波数で重み付け処理し、重み付けした値を出力する重み付けステップと、
前記周波数、及び、前記重み付けした値を出力する出力ステップと、
を備える振動監視方法。
【請求項9】
流体機械の振動を測定する振動センサによって測定された時系列の波形信号データを周波数解析し、周波数毎の信号の強度を出力する周波数解析ステップと、
前記強度を、対応する前記周波数で重み付け処理し、重み付けした値を出力する重み付けステップと、
前記周波数、及び、前記重み付けした値を出力する出力ステップと、
をコンピュータに実行可能な振動監視プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、流体機械の振動を監視する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
流体機械の一つである非容積式ポンプは、モータの動力によってケーシング内の羽根車(インペラ)を回し、流体にエネルギーを与える。遠心ポンプは非容積式ポンプの一例である。そして、遠心ポンプの一つである渦巻ポンプは、ケーシング内の回転羽根車に流体を流し、遠心力で圧力をかけて液体の輸送を行う。
【0003】
このようなポンプは、羽根車の回転に起因した振動を監視する必要がある。また、IoT(Internet of Things)に代表されるモノのインターネット化によって、ポンプの振動監視を遠隔で行う要請がある。
【0004】
特許文献1は、複数の振動センサで測定した、正常時のモータの測定データを基準として、モータの回転数を少しずつ変化させた期間の各測定データの相関関係を比較処理し、モータに軸受けキズが発生しているかの異常を検知するモータ異常検知システムを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献1では、正常時のモータの測定データにはノイズが含まれており、周囲の環境が変化した際にノイズによる誤検知が発生してしまう可能性がある。また、ノイズかそうでないかを判定するために、複数のセンサが必要であるという課題がある。
【0007】
本発明は、このような課題に着目して鋭意研究され完成されたものであり、その目的は、羽根車の回り始めから最大回転周波数までの間の流体機械の振動を1つの振動センサで監視する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、本発明は、流体機械の振動を測定する振動センサによって測定された時系列の波形信号データを記憶する記憶部と、前記波形信号データを周波数解析し、周波数毎の信号の強度を出力する周波数解析部と、前記強度を、対応する前記周波数で重み付け処理し、重み付けした値を出力する重み付け部と、前記周波数、及び、前記重み付けした値を出力する出力部と、を備える振動監視システムである。
【0009】
他の本発明は、流体機械の振動を測定する振動センサによって測定された時系列の波形信号データを周波数解析し、周波数毎の信号の強度を出力する周波数解析ステップと、前記強度を、対応する前記周波数で重み付け処理し、重み付けした値を出力する重み付けステップと、前記周波数、及び、前記重み付けした値を出力する出力ステップと、を備える振動監視方法である。
【0010】
他の本発明は、流体機械の振動を測定する振動センサによって測定された時系列の波形信号データを周波数解析し、周波数毎の信号の強度を出力する周波数解析ステップと、前記強度を、対応する前記周波数で重み付け処理し、重み付けした値を出力する重み付けステップと、前記周波数、及び、前記重み付けした値を出力する出力ステップと、をコンピュータに実行可能な振動監視プログラムである。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、羽根車の回り始めから最大回転周波数までの間の流体機械の振動を1つの振動センサで監視する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図1】本発明の実施形態に係る振動監視システムの機能ブロック図である。
【
図2】本発明の実施形態に係る信号処理のフローチャートである。
【
図3】本発明の実施形態に係る信号処理の結果を示すグラフである。
【
図4】本発明の変形例1に係る振動監視システムの機能ブロック図である。
【
図5】本発明の変形例2に係る振動監視システムの機能ブロック図である。
【
図6】本発明の変形例3に係る振動監視システムの機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【0014】
(振動監視システム)
図1は、本発明の実施形態に係る振動監視システムの機能ブロック図である。振動監視システム300は、流体機械100の振動を監視し、インターネット500を介して監視結果を監視端末400へ出力する。
【0015】
流体機械100は、流体を送り出すポンプ130と、ポンプを動作させるモータ110と、モータ110の動力をポンプに伝達する回転軸120を備える。ポンプ130は、回転軸120の回転数に応じて回転する羽根車132と、羽根車132を格納するケーシング131を備える。ケーシング131には、流体を吸込む吸込み口133、及び、流体を吐き出す吐出し口134が設けられている。
【0016】
ポンプ130の揚水能力は、羽根車132が回転し、ケーシング131内の液体に遠心力で圧力をかけることによって、吸込み口133から液体をくみ上げ、吐出し口134から液体を吐き出す能力である。このようにポンプ130が一定時間に吐出できる液体量を流量という。流量は羽根車の外径、羽根の枚数、羽根出口角、回転数などで定まる。羽根車132は、羽根の枚数が5枚であり、回転周波数は50Hzである。
【0017】
本実施形態のポンプ130は、建物給水や化学薬品プラントで利用されるケミカルポンプである。ポンプ130は、めっき工場で使用するめっき液などの腐食性の高い液体の移送や循環に適した、腐食しにくい樹脂製である。羽根車132は、半導体、プリント基板の製造に必要な洗浄液や粒子を含む液体を輸送するため、セミオープン形の羽根車(インペラ)である。また、羽根車132とケーシング131の隙間が広めにとられ、高い粒子通過性がある。
【0018】
本実施形態は、羽根車132の種類が、羽根部の片側が円盤で覆われているセミオープン形に限られず、羽根部がむき出しになっているオープン形や、羽根部の両側が円盤で覆われているクローズド形にも適用可能である。また、ポンプ130の材料は、樹脂に限られず、金属も適用可能である。
【0019】
振動センサ200は、ケーシング131の外側、かつ、吐出し口134の周辺に設置する。このような場所に設置する理由は、ポンプ130の羽根車の回転や、羽根車の回転により輸送された流体との相互作用により発生した気泡による振動等の影響が大きい場所が吐出し口134付近であり、キャビテーションの発生等故障以外のポンプに好ましくない振動が吐出し口134周辺で発生するからである。ただし、故障による異常振動を検出したいだけであれば、ケーシング131の外側であればどこに振動センサ120を設置しても検出可能である。
【0020】
本実施形態の振動センサ200は、圧電式の加速度センサである。センサ内部の圧電素子が圧電効果により電気信号を発生させ、振動を測定する。圧電式加速度センサは、小型、軽量、かつ安価で取り付け容易であり、吐出し口134の周辺に設置可能である。また、振動センサ200は製造業のIoT(Internet of Things)で良く利用されている。本実施形態では、ポンプ130の振動は数Hz~1000Hz程度である。振動センサ200は、測定値を振動監視システム300へ信号ケーブル等を介して送信する。そして、振動監視システム300の処理結果がインターネット500を介して、監視端末400へ送信される。
【0021】
振動監視システム300は、インターネット500と送受信可能なコンピュータ上で動作可能な振動監視ソフトウェアとして構成されている。振動監視システム300は、振動センサ200から送られてくるポンプ130の振動データを記憶する記憶部310と、振動データを周波数解析する周波数解析部320と、周波数解析されたデータに、後述する重み付け処理を行う重み付け部330と、重み付けしたデータを出力する出力部340を備える。このような振動監視ソフトウェアの各機能ブロックを、クラウド事業者が提供する仮想サーバのコンピュータに実行可能な形態で実装することによって、振動監視システム300を実施することが可能になる。
【0022】
監視端末400は、インターネット500を介して、振動監視システム300を操作可能である。監視端末400は、出力部340から出力されたデータをグラフ化し、ディスプレイに表示可能である。監視端末400の利用者は、このディスプレイに表示されたグラフを閲覧することによって、ポンプ130の振動を監視することが可能になる。
【0023】
(信号処理)
図2は、本発明の実施形態に係る信号処理のフローチャートである。振動センサ200はポンプ130の振動を測定し、電気信号データを出力する。電気信号データは時系列の振幅波形信号データであり、振動監視システム300の記憶部310に記憶される。
【0024】
周波数解析部320は、時系列の波形信号データの周波数成分を分析するために、フーリエ周波数解析を行う。この周波数解析によって、周波数毎の信号の強度を出力する。この周波数解析結果データは横軸が周波数、縦軸がパワースペクトル密度のグラフで表すことが可能である。パワースペクトル密度はエネルギー密度ともいう。
【0025】
周波数解析部320は、波形信号データを周波数解析する際に、ローパスフィルタ処理を行うローパスフィルタ部を有してもよい。S110は、周波数解析結果データにローパスフィルタ処理を行うステップである。ローパスフィルタの中心周波数の初期値は300Hzに設定する。初期値を300Hzに設定した理由は、羽根車132の羽根の枚数が5枚であり、回転周波数が50Hzの場合だからである。中心周波数の初期値は、300Hzに限られず、適宜変更可能である。
【0026】
また、周波数解析部320は、波形信号データを周波数解析する際に、トラッキング方式のフィルタ処理を行うトラッキングフィルタ部を有してもよい。S120のステップでは、中心周波数f(例えば300Hz)の1.3倍のローパスフィルタ処理を行い、S130のステップでは周波数解析を行い、S140のステップでは、ピーク周波数を特定できるかを判断し、特定できた場合(S140のYes)、中心周波数fをピーク周波数Fに設定し(S150)、再度S120以降の処理を実行する。一方、ピーク周波数を特定できない場合(S140のNo)、トラッキング方式のローパスフィルタ処理は終了する。
【0027】
トラッキング方式のフィルタ処理としては、バンドパスフィルタを適用してもよい。以下では、本実施形態のようにローパスフィルタをトラッキング方式のフィルタ処理に適用する利点を説明する。例えば、羽根車132の羽根が1枚破損するような故障があると仮定すると、羽根車132の羽根の枚数が5枚から4枚に減る。羽根車132の振動周波数は250Hz(=回転周波数50Hz×5枚)から200Hz(=50Hz×4枚)になる。上述のような故障も考慮して監視できる状況を広く担保する必要がある場合には、トラッキング方式のフィルタ処理にローパスフィルタを適用することが好ましい。
【0028】
本実施形態では、周波数解析部320が、ローパスフィルタ処理及び/又はトラッキング方式のフィルタ処理を行うことを説明した。しかしながら、これらのフィルタ処理は必須の構成ではないことに留意していただきたい。
【0029】
重み付け部330は、周波数解析部320の出力である周波数毎の信号の強度(エネルギー密度)を受け取り、周波数毎の信号の強度(エネルギー密度)を、対応する周波数で重み付け処理を行う。S160は、具体的な重み付け処理であり、周波数に強度(エネルギー密度)を掛けるステップである。この重み付け処理によって、重み付けした値を出力する。この重み付け処理結果データは横軸が周波数、縦軸がエネルギーのグラフで表すことが可能である。
【0030】
出力部340は、周波数、及び、重み付けした値(エネルギー)の組を出力する。監視端末400は、インターネット500を介して、周波数、及び、エネルギーの組を受け取り、横軸が周波数、縦軸がエネルギーのグラフをディスプレイに表示する。監視端末400の利用者は、このディスプレイに表示されたグラフを閲覧することによって、ポンプ130の振動を監視することが可能になる。
【0031】
図3は、本発明の実施形態に係る信号処理の結果を示すグラフである。羽根車132の羽根の枚数が5枚であり、回転数は50Hzである場合に、振動センサ200が出力した信号を処理した結果である。なお、ローパスフィルタなどのフィルタ処理は行っていないことに留意していただきたい。
【0032】
同図(a)は、フーリエ周波数解析の一つである高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform、FFT)をした結果のグラフである。横軸は周波数(Hz)の対数メモリであり、縦軸は信号の強度(エネルギー密度)である。なお、縦軸の数値は振動センサ200が出力した生データの数値であり、エネルギー密度に相当する。
【0033】
同図(a)では、2つの大きな振動ピーク、すなわち、48Hz付近の振動ピーク(実線の円を参照)、及び、250Hz付近の振動ピーク(破線の円を参照)が表示される。
【0034】
一方、同図(b)は、本実施形態の重み付けFFTをした結果のグラフである。横軸は周波数(Hz)の対数メモリであり、縦軸はエネルギーに相当する。同図(b)では、250Hz付近の大きな振動ピーク(破線の円を参照)が表示される。しかしながら、48Hz付近の振動ピーク(実線の円を参照)は重み付け処理によってピークが抑制されることがわかる。
【0035】
(作用効果)
本実施形態の周波数で重み付け処理を行うことによって、48Hz付近の振動ピークは、ポンプ130の振動を監視する上で、何らかのノイズであることがわかる。周波数で重み付けしたエネルギー密度は、エネルギーに相当する。また、ノイズは原理的にエネルギーが無い又は小さい。このため、縦軸をエネルギーにした状態で振動センサ200の出力信号を比較することによって、低周波のノイズをより抑制することが可能になる。
【0036】
本実施形態の振動監視システム300によれば、羽根車の回り始め(1Hz程度の低周波数帯)から最大回転周波数(50Hz)までの羽根車132の振動を1つの振動センサ200で監視することが可能である。
【0037】
なお、
図3(b)の重み付けFFTでは、ローパスフィルタなどのフィルタ処理は行っていない。このため、487Hz付近にも振動ピークが描かれている。しかしながら、羽根車132の最大回転周波数から、起こりうる最大周波数が想定できるため、
図2で説明したローパスフィルタなどのフィルタ処理を行えば、487Hz付近の振動ピークは排除可能である。ローパスフィルタなどのフィルタ処理が本実施形態に必須の構成ではないことを説明するために、
図3(b)は、あえてフィルタ処理を行わずに重み付けFFTをした結果のグラフを表示している。
【0038】
(変形例1;モータの電流監視システムも併用)
図4は、本発明の変形例1に係る振動監視システム301の機能ブロック図である。
図1の振動監視システム300と同じ構成については同じ符号をつけ、それらの説明は省略する。
図1との相違点は、ポンプ130を動作させるモータ110の電流を監視するために、電流センサ210がモータ110に設置され、モータ110の電流値を測定する点である。
【0039】
電流センサ210から出力された時系列の電流信号は、信号ケーブル等を介して、振動監視システム301の記憶部310に記憶される。推定部350は、電流信号から羽根車132の回転数を推定する。そして、比較部360は、推定部350が推定した羽根車回転数、及び、重み付け部330が重み付けした振動周波数(
図3(b)相当)を比較することによって、羽根車の破損やその他の故障の発生の可能性を検知する。
【0040】
出力部340は、ポンプ130の振動監視結果、及び、上述した検知結果を、インターネット500を介して監視端末400に出力する。監視端末400の利用者は、
図3のグラフに加え、上述した検知結果がディスプレイに表示されるため、流体機械100について、いわば二重の監視をすることができるため、例えば電流値から推定した羽根車回転数と振動センサから推定した羽根車回転数が乖離した時はポンプ内の液体量が少ない等の異常診断が可能になる。
【0041】
(変形例2;モータの回転計も併用)
図5は、本発明の変形例2に係る振動監視システム302の機能ブロック図である。
図4の振動監視システム301(すなわち変形例1)と同じ構成については同じ符号をつけ、それらの説明は省略する。変形例1との相違点は、ポンプ130を動作させるモータ110の回転数を直接監視するために、回転計220がモータ110に設置され、モータ110の回転数を直接測定する点である。
【0042】
回転計220から出力された時系列の回転数信号は、信号ケーブル等を介して、振動監視システム302の記憶部310に記憶される。比較部360は、回転数信号(すなわち羽根車回転数)、及び、重み付け部330が重み付けした振動周波数(
図3(b)相当)を比較することによって、羽根車の破損やその他の故障の発生の可能性を検知する。そして、振動監視システム302も、変形例1と同様の異常診断が可能になる。
【0043】
(変形例3;振動監視システムにアンプを加えた場合)
図6は、本発明の変形例3に係る振動監視システム303の機能ブロック図である。
図1の振動監視システム300と同じ構成については同じ符号をつけ、それらの説明は省略する。
図1との相違点は、振動センサ200からのアナログ電圧信号を増幅するアンプ部370と、増幅されたアナログ電圧信号をデジタル信号に変換し、変換されたデジタル信号を記憶部310へ出力することによって、FFT等の信号処理を容易にするためのADコンバータ部380を備えている点である。アンプ部370及びADコンバータ部380は、振動監視ソフトウェアがインストールされたコンピュータの機能を用いてもよいし、外部の専用回路を用いてもよい。アンプ部370を追加し、振動センサ200の出力信号を増幅させると、ポンプの振動に対して非常に小さい振動を監視したい場合、ポンプ振動の信号がサチュレーションしてしまうようなアンプ倍率であっても、ポンプ振動と非常に小さい振動を同時に一つのシステムで監視できる。
【0044】
ADコンバータ部380は、入力電圧範囲が制限(通常0~5V)されているため、振動センサ200の入力電圧が例えば7VであってもADコンバータ部380で5Vに変換されて入力される。このような状態で、羽根車の破損等の故障により極めて大きな振動が発生して、設定入力電圧範囲を超えた入力電圧(例えば6Vなど)が発生した場合が想定される。
【0045】
このような場合、振動センサ200から記憶部310に送られてくる波形信号データは飽和し、波形ではなくなる。このように一定の信号(例えば5V)が数秒間、振動監視システム303に送られてくる。
【0046】
このような信号データに対して、従来のFFT処理を行うと、その処理結果のグラフには、低周波数のノイズとして現れる(例えば、
図3(a)のように)。この場合の低周波のノイズは正にエネルギーが無い信号と言える。これに対して、本実施形態の重み付けFFTによれば、このような低周波のノイズの抑制効果が大きく、ポンプ自体の振動よりかなり小さい振動であっても監視することが可能になる。
【0047】
以上、本発明の実施例(変形例を含む)について説明してきたが、これらのうち、2つ以上の実施例を組み合わせて実施しても構わない。あるいは、これらのうち、1つの実施例を部分的に実施しても構わない。さらには、これらのうち、2つ以上の実施例を部分的に組み合わせて実施しても構わない。
【0048】
また、本発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。例えば、振動センサ200は圧電式以外の加速度センサであってもよい。また、振動センサ200等からの信号データは、サンプリング周波数や、データの転送速度によっては、信号ケーブルに限らず、有線若しくは無線のローカルエリアネットワーク、又は、インターネットを経由して、振動監視システム300に送られてもよい。さらに、振動監視ソフトウェアがインストールされるコンピュータはクラウド型のサーバであってもよい。
【符号の説明】
【0049】
100 流体機械
110 モータ
120 回転軸
130 ポンプ
131 ケーシング
132 羽根車
133 吸込み口
134 吐出し口
200 振動センサ
210 電流センサ
220 回転計
300、301、302、303 振動監視システム
310 記憶部
320 周波数解析部
330 重み付け部
340 出力部
350 推定部
360 比較部
370 アンプ部
380 ADコンバータ部
400 監視端末
500 インターネット