特許 7221829 状態監視システムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-06

(45)【発行日】2023-02-14

(54)【発明の名称】状態監視システムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   G01M 13/005 20190101AFI20230207BHJP

   G01M 99/00 20110101ALI20230207BHJP

   F16J 15/34 20060101ALI20230207BHJP

   F16J 15/00 20060101ALI20230207BHJP

   G01N 29/14 20060101ALI20230207BHJP

【ＦＩ】

G01M13/005

G01M99/00 A

F16J15/34 Z

F16J15/00 E

G01N29/14

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2019151332

(22)【出願日】2019-08-21

(65)【公開番号】P2021032287

(43)【公開日】2021-03-01

【審査請求日】2021-12-06

(73)【特許権者】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大津 賢治

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 浩章

(72)【発明者】

【氏名】町田 俊太郎

【審査官】羽鳥 公一

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６２－２２６０３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－０１６４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５５－０９８３５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－２７０９７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－１９８０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－３００６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２６１２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０２５１９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｊ １５／００－１５／３２

Ｆ１６Ｊ １５／３２４－１５／３８

Ｆ１６Ｊ １５／４６－１５／５３

Ｇ０１Ｈ １／００－１７／００

Ｇ０１Ｍ １３／００－１３／０４５

Ｇ０１Ｍ ９９／００

Ｇ０１Ｎ ２９／００－２９／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

メカニカルシールを持つ回転機械の状態を監視する状態監視システムであって、
前記回転機械の容器に設置されているＡＥセンサと、
前記ＡＥセンサからのＡＥ信号を取得する信号取得回路と、
前記信号取得回路で得た情報に基づいて、前記メカニカルシールに関する正常か否かを含む状態を判定し、前記状態に応じて、アラート出力または前記回転機械の動作制御を含む出力制御を行う状態監視装置と、
を備え、
前記状態監視装置は、監視対象の前記ＡＥ信号の周波数スペクトルの時間－周波数応答を、過去の正常時の信号と比較し、設定された所定の周波数範囲として０．７ＭＨｚ以上の範囲に連続的に発生する信号成分の増加の判断に基づいて、前記状態を判定する、
状態監視システム。

【請求項2】

請求項１記載の状態監視システムにおいて、
前記ＡＥセンサは、前記回転機械の回転軸に対する前記容器の側面のうち、前記メカニカルシールから固体部を経由する伝播経路のうち直接波の伝播距離が最小の伝播経路に対応する位置に設置されている、
状態監視システム。

【請求項3】

請求項１記載の状態監視システムにおいて、
前記ＡＥセンサは、前記回転機械の回転軸に対する前記容器の側面のうち、前記メカニカルシールから液体部を経由する伝播経路のうち直接波の伝播距離が最小の伝播経路に対応する位置に設置されている、
状態監視システム。

【請求項4】

請求項１記載の状態監視システムにおいて、
前記ＡＥセンサは、前記回転機械の回転軸に対する前記容器の上面のうち、前記メカニカルシールから固体部を経由する伝播経路のうち直接波の伝播距離が最小の伝播経路に対応した位置に設置されている、
状態監視システム。

【請求項5】

請求項１記載の状態監視システムにおいて、
前記容器の外面の少なくとも一部の領域に、前記容器内で発生する反射波の影響を抑制するための吸音材が設置されている、
状態監視システム。

【請求項6】

請求項１記載の状態監視システムにおいて、
前記ＡＥセンサは、前記容器の曲面に対し、前記曲面から平面に変換するための治具を介して設置されている、
状態監視システム。

【請求項7】

請求項１記載の状態監視システムにおいて、
前記ＡＥセンサは、前記容器の外面のうち、軸対称の複数の位置に、複数のＡＥセンサとして設置されている、
状態監視システム。

【請求項8】

請求項１記載の状態監視システムにおいて、
前記ＡＥセンサは、前記容器内の固体部において、空気に接していない位置のうち、前記メカニカルシールからのＡＥ波の伝播経路上の位置に設置されている、
状態監視システム。

【請求項9】

請求項１記載の状態監視システムにおいて、
前記ＡＥセンサは、前記回転機械の回転軸に対する前記容器の側面に設置されている第１ＡＥセンサと、前記容器の上面に設置されている第２ＡＥセンサと、を有し、
前記信号取得回路または前記状態監視装置は、前記第１ＡＥセンサからの第１ＡＥ信号から、前記第２ＡＥセンサからの第２ＡＥ信号を減算し、
前記状態監視装置は、前記減算後の信号に基づいて、前記状態を判定する、
状態監視システム。

【請求項10】

請求項１記載の状態監視システムにおいて、
前記回転機械は、回転軸の方向に、前記メカニカルシールとして、第１メカニカルシールおよび第２メカニカルシールを有し、
前記ＡＥセンサは、前記第１メカニカルシールからの第１伝播経路に対応する第１位置に設置されている第１ＡＥセンサと、前記第２メカニカルシールからの第２伝播経路に対応する第２位置に設置されている第２ＡＥセンサと、を有し、
前記状態監視装置は、前記第１ＡＥセンサからの第１ＡＥ信号に基づいて前記第１メカニカルシールの状態を判定し、前記第２ＡＥセンサからの第２ＡＥ信号に基づいて前記第２メカニカルシールの状態を判定する、
状態監視システム。

【請求項11】

請求項１記載の状態監視システムにおいて、
前記回転機械は、回転軸の方向に、前記メカニカルシールとして、第１メカニカルシールおよび第２メカニカルシールを有し、
前記ＡＥセンサは、前記第１メカニカルシールからの第１伝播経路と、前記第２メカニカルシールからの第２伝播経路との両方が到達する位置に設置され、
前記状態監視装置は、前記ＡＥセンサからのＡＥ信号に基づいて、前記第１メカニカルシールと前記第２メカニカルシールとを１つにまとめた単位で、前記状態を判定する、
状態監視システム。

【請求項12】

請求項１記載の状態監視システムにおいて、
前記ＡＥセンサは、前記容器の外面に対し、前記メカニカルシールからの伝播経路の方向に対して前記ＡＥセンサの受波面が垂直になるように変換するための治具を介して設置されている、
状態監視システム。

【請求項13】

請求項１記載の状態監視システムにおいて、
前記回転機械は、回転軸の方向に、前記メカニカルシールとして、第１メカニカルシールおよび第２メカニカルシールを有し、
前記ＡＥセンサは、前記容器の外面において、前記第１メカニカルシールからの第１伝播経路の反射波と、前記第２メカニカルシールからの第２伝播経路の直接波との両方が到達する位置に、治具を介して設置されている第１ＡＥセンサおよび第２ＡＥセンサを有し、
前記第１ＡＥセンサは、前記反射波の方向に対して受波面が垂直になるように前記治具を介して設置され、かつ、前記第２ＡＥセンサは、前記直接波の方向に対して受波面が垂直になるように前記治具を介して設置され、
前記状態監視装置は、前記第１ＡＥセンサからの第１ＡＥ信号に基づいて、前記第１メカニカルシールの状態を判定し、前記第２ＡＥセンサからの第２ＡＥ信号に基づいて、前記第２メカニカルシールの状態を判定する、
状態監視システム。

【請求項14】

請求項１記載の状態監視システムにおいて、
前記状態監視装置は、前記動作制御として、前記回転機械の回転軸の動作を停止する制御、または、前記回転軸の速度を減速する制御、または、前記回転機械の減圧装置の制御を行う、
状態監視システム。

【請求項15】

メカニカルシールを持つ回転機械の状態を監視する状態監視システムにおける状態監視方法であって、
前記状態監視システムは、
前記回転機械の容器に設置されているＡＥセンサと、
前記ＡＥセンサからのＡＥ信号を取得する信号取得回路と、
前記信号取得回路で得た情報に基づいて、前記メカニカルシールに関する正常か否かを含む状態を判定し、前記状態に応じて、アラート出力または前記回転機械の動作制御を含む出力制御を行う状態監視装置と、
を備え、
前記状態監視装置が、監視対象の前記ＡＥ信号の周波数スペクトルの時間－周波数応答を、過去の正常時の信号と比較し、設定された所定の周波数範囲として０．７ＭＨｚ以上の範囲に連続的に発生する信号成分の増加の判断に基づいて、前記状態を判定するステップを有する、
状態監視方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、メカニカルシールを持つポンプ等の回転機械の状態監視技術に関する。

【背景技術】

【0002】

ポンプ等の回転機械は、容器内で回転軸に対し、メカニカルシールが設けられているものがある。メカニカルシールは、容器内の液体（例えば水や油等の流体）が漏れることを防ぐための封止機構を構成する。メカニカルシールを持つ回転機械は、自動車、船舶、ロケット、プラント、住宅設備等、様々な分野で使用されている。メカニカルシールは、回転軸側に設置される回転リングと、容器側に設置される静止リングとを有し、回転リングと静止リングとの間に、摺動面（言い換えるとシール面）となる液体膜（例えば水膜や油膜）が形成される。

【0003】

回転機械の状態監視に関する先行技術例として、特開平８－１６６３３０号公報（特許文献１）が挙げられる。特許文献１には、回転機械の異常摺動診断方法等として、ＡＥ信号をＡＥセンサで検出し、周波数分布の大きな振幅になった周波数から、異常摺動の有無とその部位の判定を行う旨が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平８－１６６３３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来、回転機械のメカニカルシールに関する異常や不調や劣化またはそれらの予兆を、ＡＥ（アコースティック・エミッション）、すなわち音波の状態によって監視や検知を行うことで、損傷等の防止を図る技術が検討されている。メカニカルシールの摺動面である液体膜は、摺動に伴い音源となってＡＥ波を発生する。

【0006】

従来技術例の回転機械の異常検知または状態監視のシステムは、メカニカルシールから固体または液体等を介して伝播するＡＥ波を、容器の外壁に設置されたＡＥセンサによって検出する。そして、このシステムは、ＡＥセンサからのＡＥ信号における実効値や突発型ＡＥ波の発生数を監視し、それらの値が一定の閾値を超える場合に異常と判定する。

【0007】

従来技術例のシステムは、ＡＥ信号の周波数帯域として、例えば０．２ＭＨｚ以下のような周波数帯域に着目して判定を行っている。従来技術例のシステムは、上記のような判定方式であるため、メカニカルシールの破壊や亀裂等の深刻な異常の状態に到達する直前の時点にならないと、異常として検知できない。その検知時点では、手遅れである場合が多く、メカニカルシールの破壊等は防げない。それよりも前の時点、すなわちまだ異常や劣化等の進行の度合いが低い段階で、早期に、異常予兆として検知できることが望ましい。

【0008】

本発明の目的は、ＡＥを用いた回転機械の状態監視技術に関して、メカニカルシールの状態変化を高い感度で検知でき、回転機械の運用・保守を向上できる技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明のうち代表的な実施の形態は、以下に示す構成を有する。一実施の形態の状態監視システムは、メカニカルシールを持つ回転機械の状態を監視する状態監視システムであって、前記回転機械の容器に設置されているＡＥセンサと、前記ＡＥセンサからのＡＥ信号を取得する信号取得回路と、前記信号取得回路で得た情報に基づいて、前記メカニカルシールに関する正常か否かを含む状態を判定し、前記状態に応じて、アラート出力または前記回転機械の動作制御を含む出力制御を行う状態監視装置と、を備え、前記状態監視装置は、監視対象の前記ＡＥ信号の周波数スペクトルの時間－周波数応答を、過去の正常時の信号と比較し、設定された所定の周波数範囲として０．７ＭＨｚ以上の範囲の信号成分の増加の判断に基づいて、前記状態を判定する。

【発明の効果】

【0010】

本発明のうち代表的な実施の形態によれば、ＡＥを用いた回転機械の状態監視技術に関して、メカニカルシールの状態変化を高い感度で検知でき、回転機械の運用・保守を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施の形態１の状態監視システムの構成を示す図である。

【図2】実施の形態１で、容器断面およびＡＥセンサ設置位置等を示す図である。

【図3】実施の形態１で、メカニカルシールの構成を示す図である。

【図4】実施の形態１で、ＡＥ波の伝播経路を示す図である。

【図5】実施の形態１で、ＡＥセンサユニットおよび治具の構成例を示す図である。

【図6】実施の形態１で、信号取得部等の構成例を示す図である。

【図7】実施の形態１で、ＡＥ波の信号例を示す図である。

【図8】実施の形態１で、ＡＥ信号のスペクトログラムの例を示す図である。

【図9】実施の形態１で、ＡＥ信号の周波数スペクトルの例を示す図である。

【図10】実施の形態１で、状態判定例を示す図である。

【図11】実施の形態１で、他の周波数範囲の設定例を示す図である。

【図12】実施の形態１で、摺動面の状態等について示す図である。

【図13】実施の形態１で、表示画面の例を示す図である。

【図14】実施の形態１の変形例１における、容器断面等を示す図である。

【図15】実施の形態１の変形例３における、容器断面等を示す図である。

【図16】実施の形態１の変形例４における、ＡＥセンサ設置位置等を示す図である。

【図17】実施の形態１の変形例５における、ＡＥセンサ設置位置等を示す図である。

【図18】本発明の実施の形態２における、容器断面等を示す図である。

【図19】本発明の実施の形態３における、容器断面等を示す図である。

【図20】実施の形態３の変形例（変形例６）における、容器断面等を示す図である。

【図21】本発明の実施の形態４における、容器断面等を示す図である。

【図22】本発明の実施の形態５における、容器断面等を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図面において同一部には原則として同一符号を付し、繰り返しの説明は省略する。

【0013】

（実施の形態１）
図１～図１３等を用いて、本発明の実施の形態１の状態監視システムについて説明する。実施の形態１の状態監視システムは、回転機械の特にメカニカルシールの状態を監視し、異常予兆等を検知し、対処を行うシステムである。実施の形態１の状態監視方法は、実施の形態１の状態監視システムにおいて実行されるステップを有する方法である。実施の形態１の状態監視システムは、回転機械の稼動に伴い、リアルタイムでの状態監視を行い、メカニカルシールの異常予兆の状態を検知した時には、アラート出力や動作制御等の出力制御を行う。これにより、メカニカルシールが破壊等の深刻な異常に達する前に、異常予兆として検知し、破壊等を防止でき、保守等の対処が可能である。実施の形態１では、メカニカルシールを持つ回転機械の例としてポンプの例で説明するが、他の回転機械にも適用可能である。

【0014】

［概要等］
従来では、金属やセラミック等の材料中に存在するき裂が進展すると、ＡＥ信号の周波数が低くなることが知られており、その低い周波数帯域に着目する前述のような判定方式が用いられていた。それに対し、本発明者は、実験や検討の結果、メカニカルシールが正常な状態から異常な状態へと変化する際、言い換えるとその変化中に異常予兆を示す際に、ＡＥ信号における高い周波数帯域（例えば０．５ＭＨｚ以上）の周波数スペクトルが増加する現象を確認した。

【0015】

そこで、実施の形態１の状態監視システムは、メカニカルシールの異常予兆時または異常発生時に、上記ＡＥ信号の周波数帯域が変化する現象、特に高い周波数帯域の周波数スペクトルが増加する現象を利用し、早期に異常予兆を判定および検知する。特に、この状態監視システムは、ＡＥ信号の周波数帯域における所定の高い周波数範囲（例えば０．７ＭＨｚ以上）の信号成分に着目して状態判定を行う。この状態監視システムは、容器の外壁に設置されたＡＥセンサによって検出するＡＥ信号に基づいて、周波数スペクトルの時系列的変化を監視する。この状態監視システムは、リアルタイムでの監視対象のＡＥ信号を、過去の正常時のＡＥ信号と比較し、設定された所定の周波数範囲（例えば０．７ＭＨｚ以上、２ＭＨｚ以下）の信号成分の増加を判断する。これにより、この状態監視システムは、少なくとも正常か否（異常予兆または異常に対応する）かの状態を判定および検知し、検知した状態に応じて出力制御を行う。

【0016】

［状態監視システム］
図１は、実施の形態１の状態監視システムの構成を示す。この状態監視システムは、大別して、回転機械１と状態監視装置１０とを有し、それらが電気的な回路や通信を介して接続されている。この状態監視システムは、回転機械１、状態監視装置１０、プリアンプ７０、信号処理回路（信号処理装置）７１、オシロスコープ７２、回転動力源３１、および回転機械制御装置３０等を有する。状態監視に係わるユーザは、状態監視装置１０を操作する。

【0017】

なお、説明上、方向として、Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｃ方向を示す。Ｚ方向は、回転機械１の回転軸３の延在する方向である。Ｘ方向およびＹ方向は、回転軸３の方向に対する垂直な面を構成する２つの方向であり、言い換えると径方向である。Ｘ方向は、ＡＥセンサ５が設置される径方向に対応する。また、Ｃ方向は、回転方向や周方向である。容器２やメカニカルシール４等は、概略的には回転軸３に対する軸対称形状を有し、図１では円柱形状あるいは円板形状や円環形状として模式的に示している。

【0018】

回転機械１は、容器２、回転軸３、およびメカニカルシール４等を有する。ハウジングである容器２内には液体が充填されている。容器２の外部で、回転軸３には回転動力源３１が接続されている。回転動力源３１には回転機械制御装置３０が接続されている。回転機械制御装置３０は、回転機械１の稼動を制御する。回転機械制御装置３０は、回転動力源３１に駆動制御信号を与える。回転動力源３１は、駆動制御信号に従って、回転軸３をＣ方向に所定の回転数等で回転させる。メカニカルシール４は、容器２側に固定されている静止リング４１と、回転軸３側に固定されている回転リング４２とを有する。回転軸３の回転に伴い、静止リング４１に対し回転リング４２が回転する。

【0019】

容器２の一部、例えば外壁の側面の一箇所には、治具６を介して、ＡＥセンサ５がＡＥセンサユニット５０の形態で固定されている。ＡＥセンサ５は、回転機械１の稼動時に、主にメカニカルシール４を音源として発生するＡＥ波を検出し、ＡＥ信号として出力する。ＡＥセンサ５には、ケーブルを通じてプリアンプ７０が接続されている。プリアンプ７０には、ケーブルを通じて信号処理回路７１が接続されている。信号処理回路７１には、ケーブルを通じてオシロスコープ７２が接続されている。オシロスコープ７２は、ケーブルを通じて状態監視装置１０に接続されている。プリアンプ７０、信号処理回路７１、およびオシロスコープ７２は、ＡＥ信号の取得や処理のための構成要素であり、後述の図６の構成例と対応している。なお、信号処理回路７１からの後段は、ケーブルを用いた有線通信に限らず、無線通信としてもよい。

【0020】

状態監視装置１０は、回転機械１の状態を監視する状態監視機能を有する装置である。状態監視装置１０は、例えばＰＣやサーバ等のコンピュータ、あるいは電子回路基板等で構成できる。状態監視装置１０は、プロセッサ１０１、メモリ１０２、接続インタフェース部１０３、入力装置１０４、表示装置１０５、スピーカ１０６、およびランプ１０７等を備え、これらはバス等を介して相互に接続されている。プロセッサ１０１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成され、状態監視機能のコントローラを構成する。プロセッサ１０１は、制御用のプログラム１１１に従った処理を実行することで、状態監視機能を実現する。

【0021】

メモリ１０２は、不揮発性記憶装置等で構成され、プロセッサ１０１等が扱う各種のデータや情報が記憶される。メモリ１０２には、ＡＥ信号データや設定情報１２１等が格納される。設定情報１２１は、状態監視機能に係わるシステム設定情報やユーザ設定情報を含む。接続インタフェース部１０３は、入力装置１０４等や図示しない通信インタフェース装置等を接続するインタフェース部分である。入力装置１０４は、ユーザの入力操作を受け付ける操作パネルやボタンやキーボード等の装置である。表示装置１０５は、ユーザに対し表示画面で情報や画像を表示する装置である。スピーカ１０６は、ガイドやアラーム等の音声を出力する音声出力装置である。ランプ１０７は、ガイドやアラーム等に応じた発光を行う装置である。

【0022】

また、状態監視装置１０は、出力制御のために、通信で回転機械制御装置３０と接続されてもよい。例えば、状態監視装置１０は、出力制御として回転機械１の動作制御を行う場合に、動作制御情報を回転機械制御装置３０に送信する。回転機械制御装置３０は、その動作制御情報に基づいて、回転機械１の動作を制御する。

【0023】

なお、実施の形態１では、状態監視装置１０と回転機械制御装置３０とが別の装置として構成されているが、これに限らず、他の実施の形態としては、回転機械制御装置３０に状態監視装置１０の機能が実装されてもよい。状態監視装置１０に信号処理装置７１やオシロスコープ７２の機能が実装されてもよい。状態監視装置１０が複数の装置に分かれて構成されてもよい。状態監視装置１０に他の計算機やストレージ装置や通信装置等が接続されてもよい。

【0024】

［容器、メカニカルシール、およびＡＥセンサ］
図２は、回転機械１の構成例における容器２の回転軸３での断面（Ｘ－Ｚ面に対応する）の模式図を示す。この構成例は、容器２に１段のメカニカルシール４を持つ回転機械１の場合である。また、図２では、容器２に対するＡＥセンサ５の設置位置例も示す。実施の形態１では、位置Ｚ１にＡＥセンサ５が設置されている。他の実施の形態では、位置Ｚ２にＡＥセンサ５が設置される。

【0025】

容器２は、主な材料として例えばステンレスで構成されている。容器２の断面は、固体部２１と、液体部２２とを有する。液体部２２には液体（例えば水または油）が充填されている。液体部２２は、メカニカルシール４で区分される部分として、下側の液体部２２Ａと上側の液体部２２Ｂとを有する。液体部２２Ａおよび液体部２２Ｂは、それぞれ液体による圧力を持つ。

【0026】

容器２は、外壁の側面の一部に、液体部２２Ａに通じている流入口２０１を有し、側面の他の一部に、液体部２２Ｂに通じている流出口２０２を有する。また、容器２は、減圧装置２００を備える場合がある。減圧装置２００による減圧機構は、例えば細いチューブやオリフィスを用いて、圧損により減圧を行う機構である。減圧装置２００は、回転機械制御装置３０からの制御に従って、液体部２２Ａの圧力を減圧によって調整する。減圧装置２００は、液体部２２Ａに通じる位置に設けられている。側面の他の一部には、減圧装置２００に通じる流出口２０３を有する。容器２の下部の回転軸３の付近には、液体部２２Ａに通じる流出口２０４を有する。

【0027】

図３は、メカニカルシール４の構成概要を示す。回転軸３に対し、Ｚ方向の一箇所に、回転リング４２が固定されている。回転リング４２の上側には、容器２側の静止リング４１が配置されている。本例のメカニカルシール４は、構成材料としては、静止リング４１がカーボンで構成され、回転リング４２がシリコンカーバイド（ＳｉＣ）で構成されている。この材料の組み合わせは一般によく使用されている。なお、メカニカルシール４の材料の組み合わせは、この例に限らず適用可能である。

【0028】

回転軸３の回転に伴って回転リング４２が一体的に回転し、それに対し静止リング４１は回転せずに静止している。この際、静止リング４１の下面と回転リング４２の上面との間は、近接して微小な厚さの隙間を持ち、液体膜４３が形成されている。液体膜４３がシール面である摺動面となっている。このメカニカルシール４の液体膜４３を介して、図２の２つの液体部２２（２２Ａ，２２Ｂ）の間が封止されている。メカニカルシール４の液体膜４３における液体の粘性による摩擦が、音源となってＡＥ波を発生する。

【0029】

図２に戻り、容器２の外壁の側面には、１個のＡＥセンサ５が設置されている。本例では、図１のように概略円柱状の容器２の側面のうちのＣ方向の外周の一箇所に、１個のＡＥセンサ５が設置されている。このＡＥセンサ５は、例えば図１や後述の図５のように、ＡＥセンサユニット５０の態様で、かつ、治具６を介在する態様で、容器２の側面に取り付けられている。ＡＥセンサ５の受波面と容器２の外面との間には、音響伝達媒質としてのカプラント８を介在させる。カプラント８の材質は、グリス、ワックス、または接着剤等である。カプラント８の機能は、音波の反射を防ぎ、ＡＥ波をＡＥセンサ５の受波面へ伝達しやすくすることである。周波数が高い音波である超音波は、空気との界面で略全反射してしまう。よって、容器２とＡＥセンサ５の受波面との隙間は、空気や微小な気泡が入らないように、カプラント８で埋めて密着させる。

【0030】

［伝播経路］
図４は、図２の構成例に対応したＡＥ波の伝播経路の概要を示す。ここでは主な伝播経路として２つの伝播経路を示す。（Ａ）は、第１伝播経路として、主に固体部２１を経由する経路であり、図２中の伝播経路Ｐ１と対応している。（Ｂ）は、第２伝播経路として、固体部２１と液体部２２とを経由する経路であり、図２中の伝播経路Ｐ２と対応している。回転機械１の稼動時に、音源であるメカニカルシール４から、摺動に伴ってＡＥ波が発生する。（Ａ）の伝播経路は、メカニカルシール４から、容器２の固体部２１を経由し、外面のカプラント８を介して、ＡＥセンサ５の受波面に至る経路である。（Ｂ）の伝播経路は、メカニカルシール４から、容器２の液体部２２を経由し、固体部２１に至り、固体部２１から外面のカプラント８を介して、ＡＥセンサ５の受波面に至る経路である。なお、（Ｃ）のように、より詳細な伝播経路では、カプラント８とＡＥセンサ５との間に、治具６やＡＥセンサユニット５０のホルダー５０１（図５、特にフランジ部５０２）等が介在する。

【0031】

図２で、実施の形態１では、容器２の側面において、伝播経路Ｐ１に対応させた位置Ｚ１にＡＥセンサ５が設置されている。この位置Ｚ１は、メカニカルシール４のＺ方向の高さ位置に対して近い位置である。伝播経路Ｐ１は、メカニカルシール４からのＡＥ波が固体部２１を介して直接波として外壁まで伝播する経路のうち、伝播距離が最小となる経路である。位置Ｚ１は、その伝播経路Ｐ１に対応させて選択されている好適な位置である。これにより、このＡＥセンサ５は最も高い感度でＡＥ波を検出できる。

【0032】

固体と固体の界面ではＡＥ波がよく透過する。固体と液体の界面では、ＡＥ波はやや反射が大きいが透過する。固体と気体の界面ではＡＥ波はほぼ全反射する。そのため、メカニカルシール４からＡＥセンサ５までの伝播経路は、空気を介在しないことが好ましく、また、第１伝播経路のようになるべく液体部２２を介さない経路の方がより好ましい。

【0033】

［伝播経路－補足］
ＡＥ波の伝播経路における音圧反射率や透過損失について補足説明する。超音波であるＡＥ波は、音響インピーダンスが異なる領域の境界において、入射波の一部が反射し、透過するＡＥ波は減衰する。音響インピーダンスは、次の式１で表される。
式１： Ｚ＝ρ・Ｃ

【0034】

音響インピーダンスは、物質固有の定数であり、単位としては、一般に、ＭＲａｙｌ（メガ・レイル）が用いられる。１ＭＲａｙｌ＝１×１０^６ｋｇ・ｍ^－２・ｓ^－１である。式１でρは音響媒質の密度を表し、Ｃは音響媒質中の音速を表す。

【0035】

また、第１媒質の音響インピーダンスをＺ１とし、第１媒質に隣接する第２媒質の音響インピーダンスをＺ２とすると、第１媒質と第２媒質との界面における超音波の垂直反射率Ｒｐは、次の式２で与えられる。
式２： Ｒｐ＝（Ｚ２－Ｚ１）／（Ｚ１＋Ｚ２）

【0036】

第１媒質と第２媒質との界面における超音波の透過損失ＴＬは、次の式３で与えられる。式３中のＴＩは、音の強さの透過率であり、ＴＩ＝１－Ｒｐ^２である。
式３： ＴＬ＝１０ｌｏｇ_１０（１／ＴＩ）

【0037】

異なる媒質間の音響インピーダンスの差が小さいほど、媒質境界（界面）における反射が小さく、音響インピーダンスの差が大きいほど、界面での反射が大きい。代表的な物質の音響インピーダンス（単位［ＭＲａｙｌ］）は、空気が0.00041、水が1.5、アクリルが3.1、カーボンが5.0、アルミニウムが16.9、ＳｉＣが34.6、圧電セラミックが40.6、ステンレスが45.8である。空気は音響インピーダンスが非常に小さいため、超音波であるＡＥ波の伝播経路に気泡が存在すると、その境界において超音波が全反射してしまう。このため、高感度の計測のためには、ＡＥ波の伝播経路に空気が介在しないことが重要である。特に、容器２とＡＥセンサ５の受波面との間には、微小気泡が介在しないように、カプラント８を用いて密着させる。

【0038】

図４のＡＥ波の伝播経路に対し、異なる音響媒質間の界面における音圧反射率および透過損失の例を以下に示す。音響媒質の厚さが波長に対して十分小さい場合には、その媒質の界面における反射の影響は無視できる。その場合とは、一般的には波長の１／２０以下が目安である。そのため、その場合、カプラント８の界面における反射の影響は無視してよい。

【0039】

ＡＥ波の主な音源が、図３のようにカーボンの静止リング４１である場合、図４の（Ａ）の第１伝播経路は、例えば、カーボン→ステンレス→圧電セラミックとなる。この経路において、式３より、カーボンとステンレスとの界面における透過損失は、約４．５ｄＢであり、ステンレスと圧電セラミックとの界面における透過損失は、約０．０１ｄＢである。このことから、音源からＡＥセンサ５の受波面に到達するまでに、ＡＥ波は、反射によって少なくとも４．５ｄＢが減衰する。

【0040】

一方、図４の（Ｂ）の液体部２２を介する第２伝播経路は、例えば、カーボン→水→ステンレス→圧電セラミックとなる。カーボンと水との界面における透過損失は約１．５ｄＢ、水とステンレスとの界面における透過損失は約９．２ｄＢ、ステンレスと圧電セラミックの界面における透過損失は約０．０１ｄＢである。このことから、ＡＥ波は、媒質間での反射によって少なくとも１０．７ｄＢが減衰する。すなわち、第２伝播経路では、信号強度が１／３以下に減衰する。

【0041】

以上から、固体材料同士を伝播する経路の方が、液体を介して伝播する経路よりも、界面における反射が小さく、より強度の大きなＡＥ波を検知できる。よって、実施の形態１では、図４の第１伝播経路（図２の伝播経路Ｐ１）に対応する位置（位置Ｚ１）にＡＥセンサ５が設置される。

【0042】

また、特に、液体中においては、音波の拡散減衰、および音波の吸収減衰による伝搬損失を考慮する必要がある。いずれも伝搬距離が長いほど減衰が大きい。そのため、液体を介する伝播経路の場合には、音源からＡＥセンサ５の受波面に到達するまでに、上記の試算よりもさらに減衰が大きくなる。

【0043】

なお、容器２の外壁においてＡＥセンサ５等と接していない面は、空気と接しているため、容器２と空気との界面において超音波がほぼ全反射し、それによる反射波が容器２内を伝播する。液体部２２の水中では、ＡＥ波の多重反射が起こる。音源からのＡＥ波を高感度に計測するためには、その多重反射の影響を抑えられると、より好ましい。好適な伝播経路の選択や後述の吸音材の配置によって、その多重反射の影響を抑えられる。

【0044】

また、図２でのＡＥセンサ５の設置位置は、容器２の外周の一箇所である。図１のように容器２の外周が曲面であるのに対し、ＡＥセンサ５の受波面は一般的に平面である。そこで、ＡＥセンサ５の受波面を、曲面に対して平面として設置できるように、図５のような変換のための治具６を用いる。

【0045】

変形例としては、容器２の側面等の曲面のうち一部を、平面となるようにカットした形状とし、その平面に対しＡＥセンサ５の受波面が設置される構成としてもよい。

【0046】

［ＡＥセンサユニットおよび治具］
図５は、容器２の外壁に取り付けられるＡＥセンサユニット５０および治具６の構成例を示す。図５は、断面（Ｘ－Ｚ面に対応する）の模式図を示す。容器２の外壁の側面２Ｓは凸型の曲面となっている。ＡＥセンサ５は、ホルダー（言い換えるとカバー）５０１内に収容されることで、ＡＥセンサユニット５０として構成されている。ホルダー５０１および治具６は、容器２の面に対するＡＥセンサ５の安定的な固定のための機構を有する。

【0047】

治具６は、容器２の側面２Ｓの曲面と、ＡＥセンサ５の受波板５２の受波面である平面５２Ｓとの間での変換、および相互接続のための設置器具である。治具６は、容器２に対向する側である一方面に凹型の曲面６１を持ち、ＡＥセンサ５に対向する側の他方面に平面６２を持つ。容器２の側面２Ｓの曲面と治具６の曲面６１との間にはカプラント８（例えば接着剤）が充填されて密着される。ＡＥセンサ５の受波面である平面５２Ｓ（またはフランジ部５０２の平面）と、治具６の平面６２との間は、カプラント（例えば接着剤）が充填されるか、本例のようにねじ５０３等で固定される。治具６の材料は、音響インピーダンスが容器２の音響インピーダンスに近い材料が望ましく、例えばステンレスを用いる。

【0048】

本例では、治具６の平面６２に、ホルダー５０１のフランジ部５０２の平面が、複数のねじ５０３によって固定されている。ホルダー５０１内には、ＡＥセンサ５が収容されている。ホルダー５０１内では、ＡＥセンサ５のシールドケース５４がばね５０４によって押されることで、ＡＥセンサ５の受波板５２の受波面がフランジ部５０２の平面に密着されている。ばね５０４に限らず、例えば接着剤によって受波板５２がフランジ部５０２の平面に密着されてもよい。部材同士の固定手段は、ねじや接着剤やばねに限らず適用可能である。

【0049】

ホルダー５０１は、例えば箱状であるが、円柱状や他の形状としてもよい。フランジ部５０２の平板は、設置面に対し垂直な方向であるＸ方向で平面視した場合に、例えば四角形を持つが、これに限らず円形等としてもよい。ホルダー５０１は、防水性や防油性等を持つカバーである。他の実施の形態として、防水性や防油性等を持つＡＥセンサ５を適用する場合、ホルダー５０１等を省略してもよい。

【0050】

実施の形態１では、以下のようなタイプのＡＥセンサ５を適用した。このＡＥセンサ５のタイプは、広帯域型およびシングルエンド型である。この広帯域型は、周波数特性として、フラットな帯域を含み、例えば１００ｋＨｚ～４ＭＨｚの広帯域を持つ。

【0051】

このＡＥセンサ５は、圧電素子５１、受波板５２、ダンパー５３、シールドケース５４（蓋を含む）、コネクタ５５、信号ケーブル５６等を備える。ＡＥセンサ５は、例えば円柱状のシールドケース５４の底面に受波板５２を有し、シールドケース内で受波板５２の上に圧電素子５１、およびダンパー５３を有する。シールドケース５４の外面は、カプトンテープ５０５で覆われている。圧電素子５１は、圧電セラミクスで構成され、受波板５２に伝播するＡＥ波を、圧電効果によって電気信号に変換し、信号ケーブル５６から出力する。

【0052】

このＡＥセンサ５は、受波板５２の上の圧電素子５１を覆うダンパー５３によって共振を抑える。圧電素子５１からの信号ケーブル５６は、コネクタ５５に接続され、コネクタ５５を通じて外部のケーブルと接続される。このＡＥセンサ５の感度は、例えば４０～５５ｄＢである。感度の基準は、０ｄＢ＝１Ｖ／ｍ／ｓである。このような構成によって、容器２の固体部２１からのＡＥ波は、カプラント８、治具６、ホルダー５０１のフランジ部５０２を介して、ＡＥセンサ５の受波板５２の受波面まで、効率的に伝播する。

【0053】

［回路構成例］
図６は、プリアンプ７０、信号処理装置７１、オシロスコープ７２、および状態監視装置１０等の回路構成例を示す。なお、図６の回路構成例に限らず適用可能である。この回路構成例は、大別して、ＡＥセンサ５からのＡＥ信号を取得して好適な信号に整える信号取得部６００と、信号取得部６００で取得した信号についての解析や判定や出力制御等の処理を行う状態監視装置１０とを有する。信号取得部６００は、プリアンプ７０、信号処理装置７１、およびオシロスコープ７２を含む。信号処理装置７１は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７１Ａとメインアンプ７１Ｂとを含む。オシロスコープ７２は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）７２Ａ、表示器７２Ｂ、および記憶部７２Ｃを含む。状態監視装置１０は、信号演算部６０１としての周波数解析部１０Ａと、状態判定部１０Ｂと、出力制御部１０Ｃと、正常信号記憶部１０Ｄと、条件設定部１０Ｅとを含む。状態監視装置１０の各部は、図１の構成に基づいて例えばプロセッサ１０１によるプログラム処理で実現されてもよいし、各部の機能を実装した回路で実現されてもよい。

【0054】

ＡＥセンサ５から出力されるＡＥ信号は、微小であるため、増幅器で増幅して利用する。増幅器は、プリアンプとメインアンプとの２段構成を用いる場合が多い。本例では、プリアンプ７０と、信号処理回路７１内のメインアンプ７１Ｂとを用いる。ＡＥ信号の増幅は、例えば、プリアンプ７０では４０ｄＢ、メインアンプ７１Ｂでは２０ｄＢ、合計６０ｄＢとする。ＡＥセンサ５からのＡＥ信号は、プリアンプ７０に入力されて増幅され、増幅後のＡＥ信号が、信号処理回路７１のＢＰＦ７１Ａに入力される。ＡＥセンサ２からプリアンプ７０までの間は、ノイズを拾いやすいので、ケーブル長を短くし、低ノイズケーブルを用いる。

【0055】

信号処理回路７１は、例えば１台の装置として構成される。ＢＰＦ７１Ａは、ハイパスフィルタやローパスフィルタの機能を有する。本例では、ＢＰＦ７１Ａは、ハイパスフィルタ機能を用いて、ＡＥ信号の高周波数成分を抽出する。本例では、ハイパスフィルタのカットオフ周波数を１００ｋＨｚに設定し、メカニカルシール４の塑性変形に伴うＡＥ周波数よりも低い周波数帯域の振動成分等をカットした。ローパスフィルタ機能についてはスルー状態として使用しない。メインアンプ７１Ｂは、ＢＰＦ７１Ａからの信号をさらに増幅する。

【0056】

オシロスコープ７２は、波形測定器である。なお、オシロスコープ７２と信号処理回路７１とが一体の装置として構成されてもよい。ＡＤＣ７２Ａは、メインアンプ７１Ｂからのアナログ信号であるＡＥ信号をデジタル信号に変換する。ＡＤＣ７２Ａは、デジタルオシロスコープを用い、本例ではサンプリング周波数を５ＭＨｚとした。ＡＤＣ７２ＡからのＡＥ信号のデジタル信号は、表示器７２Ｂの表示画面でモニタ表示されると共に、記憶部７２Ｃ（例えばハードディスクドライブ）に生データとして記憶される。表示器７２Ｂは、波形表示器であり、ＡＥ信号のＡＥ波の振幅等の状態を表示する。記憶部７２Ｃは、ＡＥ信号の生データをログとして記憶する。ユーザは、操作に基づいて記憶部７２Ｃからデータを出力可能である。

【0057】

ＡＤＣ７２ＡからのＡＥ信号データは、接続インタフェース部１０３を通じて状態監視装置１０に入力される。信号演算部６０１の周波数解析部１０Ａは、監視対象のＡＥ信号について、リアルタイムでの周波数解析を行う。これにより、周波数解析部１０Ａは、ＡＥ信号の周波数応答である周波数スペクトルの時系列変化を表す、時間－周波数応答（スペクトログラムとも呼ばれる）を算出する。周波数解析部１０Ａは、その算出したスペクトログラムを含む監視対象信号ＳＩＧ１を、状態判定部１０Ｂへ出力する。

【0058】

状態判定部１０Ｂは、監視対象信号ＳＩＧ１のスペクトログラムについて、設定された所定の周波数範囲Ｈ１の成分に着目し、過去の正常信号ＳＩＧ２との比較に基づいて、変化を検出することで、メカニカルシール４の状態を判定する。実施の形態１では、周波数範囲Ｈ１は０．７ＭＨｚ以上、２．０ＭＨｚ以下の範囲である。言い換えると、状態判定部１０Ｂは、所定の周波数範囲Ｈ１を含む所定の条件に基づいて、状態を判定する。状態判定部１０Ｂは、監視対象信号ＳＩＧ１の周波数範囲Ｈ１のスペクトログラムと、正常信号ＳＩＧ２の周波数範囲Ｈ１のスペクトログラムとを比較し、例えば周波数範囲Ｈ１の成分に関する差分を抽出する。状態判定部１０Ｂは、例えば周波数範囲Ｈ１内の信号成分の変化として、上記差分が、ある程度以上存在する場合、例えば所定の率以上で増加している場合には、正常ではない状態（否の状態）、すなわち異常予兆等の状態と判定する。状態判定部１０Ｂは、判定結果の状態を表す判定結果信号ＳＩＧ３を、出力制御部１０Ｃに出力する。状態は、少なくとも、正常か否かがある。例えば、正常の状態が値＝０、否（異常予兆）の状態が値＝１、等と規定される。

【0059】

所定の周波数範囲Ｈ１の信号成分を参照する際には、詳しくは以下のような方式が可能である。監視対象信号ＳＩＧ１におけるスペクトログラム情報は、所定の時間単位毎および所定の周波数区間（例えば１００ｋＨｚ単位等）毎に測定および記憶される。状態判定部１０Ｂは、周波数範囲Ｈ１のうち、時間単位毎および周波数区間毎のデータを参照し、正常信号ＳＩＧ２の対応するデータと比べて、周波数範囲Ｈ１全体である程度以上の増加がある場合には、否の状態と判定する。あるいは、状態判定部１０Ｂは、周波数範囲Ｈ１のうちの任意の一部の周波数区間である程度以上の増加がある場合には、否の状態と判定する。

【0060】

正常信号記憶部１０Ｄには、比較用に、過去の正常時のＡＥ信号データが記憶されている。この正常信号ＳＩＧ２は、過去に実測したデータのスペクトログラムであり、正常の状態と判定されたデータである。状態判定部１０Ｂでの判定結果に基づいて、一定期間毎に、正常の状態のＡＥ信号データを、正常信号ＳＩＧ２として正常信号記憶部１０Ｄに記憶してもよい。あるいは、ユーザの設定によって、正常時の特定のデータを、正常信号ＳＩＧ２として正常信号記憶部１０Ｄに記憶してもよい。状態監視装置１０は、ＡＥ信号データと共に、監視の日時、対象の回転機械１やＡＥセンサ５のＩＤ等の情報も記憶する。

【0061】

条件設定部１０Ｅには、所定の周波数範囲Ｈ１を含む所定の条件が設定され、その条件が状態判定部１０Ｂに設定される。この条件には、上記変化の度合いを判断するための率等を含んでもよい。ユーザは、後述する表示画面でこの条件を確認および設定できる。

【0062】

所定の周波数範囲Ｈ１は、最も広い範囲としては、０．５ＭＨｚ以上の範囲（例えば０．５ＭＨｚ以上、５．０ＭＨｚ以下の範囲）とすることができる。実施の形態１では、周波数範囲Ｈ１は、より狭い範囲として、０．７ＭＨｚ以上、２．０ＭＨｚ以下の範囲として設定した。周波数範囲Ｈ１は、さらに狭い範囲としては、１．０ＭＨｚ以上、２．０ＭＨｚ以下の範囲として設定されてもよい。好適な周波数範囲Ｈ１は、メカニカルシール４の材質に応じて決まる。メカニカルシール４が前述の材質とは異なる他の材質で構成される場合には、周波数範囲Ｈ１はその材質に合わせて他の周波数範囲が設定される。

【0063】

なお、状態判定部１０Ｂでは、機械学習や深層学習を用いて状態判定を行ってもよい。また、状態判定部１０Ｂは、正常か否かの２値の判断に限らず、正常から異常までを複数の度合いに区分けし、複数の状態を判定するようにしてもよい。例えば、周波数範囲Ｈ１での信号成分の変化が、第１率未満の場合には正常の状態とし、第１率以上で第２率未満の場合には異常予兆の状態とし、第２率以上の場合には異常の状態としてもよい。

【0064】

出力制御部１０Ｃは、アラート出力９１、動作制御９２、およびモニタ表示９３等を行う機能を有する。状態判定部１０Ｂからの判定結果信号ＳＩＧ３で、否の状態が検知された場合、出力制御部１０Ｃは、その否の状態に対応した出力制御を実行する。出力制御部１０Ｃは、否の状態の場合には、アラート出力９１として、例えば異常予兆を表すアラートをユーザに対し即時に出力する。アラート出力９１は、例えば、図２のスピーカ１０６からのアラート音声出力、ランプ１０７のアラート発光、表示装置１０５の表示画面でのアラート情報表示、通信インタフェースを通じた通知等が挙げられる。アラート出力９１は、異常の度合いに応じた複数のレベルのアラートが設けられてもよい。

【0065】

動作制御９２は、回転機械１の稼動の動作を制御することであり、例えば、即時に稼動を停止させる制御（動作停止制御）や、稼動をスローダウンさせる制御（動作減速制御）等が挙げられる。動作停止制御は、例えば回転軸３の回転を停止させることが挙げられる。動作停止制御は、稼動を停止させても問題が無い回転機械１の場合に適用できる。動作減速制御は、例えば回転軸３の回転速度を低下させることが挙げられる。出力制御部１０Ｃは、例えば、時点毎の状態に応じて、回転軸３の外周の回転速度を増加または減少させるように、フィードバック制御を行ってもよい。これにより、メカニカルシール４の摺動面を調整することができる。他の動作制御９２としては、図２の減圧装置２００を制御して圧力（回転軸３やメカニカルシール４が受ける面圧の圧力差等）を調整する制御が挙げられる。動作制御の際には前述のように回転機械制御装置３０との連携が行われる。

【0066】

モニタ表示９３は、図１の表示装置１０５の表示画面に、監視対象信号ＳＩＧ１のスペクトログラム、および判定結果の情報を表示することが挙げられる。ユーザは、出力制御部１０Ｃによる出力から、回転機械１のメカニカルシール４の状態を、損傷等の深刻な異常に至る前に、異常予兆として認識でき、対処することが可能となる。

【0067】

［ＡＥ波］
図７は、ＡＥ波の信号形状の例を示す。（Ａ），（Ｂ）は、図３のようなメカニカルシール４の摺動によって発生するＡＥ波の代表的な信号形状例を示す。（Ａ）は正常状態時のＡＥ波の例である。このＡＥ波は、連続型ＡＥ波と呼ばれる形状を持つ。メカニカルシール４の摺動時には、常にこのような連続型ＡＥ波のＡＥ信号が励振されている。このような連続型ＡＥ波は、時間相関がとれない。そのため、従来技術例として、複数のＡＥセンサを空間的に離れた位置に設置し、それらのＡＥセンサにＡＥ波が到達する時間差から音源の位置標定を行うこと等は難しい。

【0068】

（Ｂ）は異常予兆時のＡＥ波の例であり、連続型ＡＥ波に突発側ＡＥ波（例えば突発側ＡＥ波７０１）が重なって発生した場合の例を示す。メカニカルシール４の摺動面に異物（例えば磨耗粉）が噛み込まれること等が発生した場合、突発型ＡＥ波が発生する。突発型ＡＥ波の振幅が、連続型ＡＥ波の振幅よりも十分に大きい場合でないと、突発型ＡＥ波の発生を検知することは難しい。

【0069】

例えば、過去の正常時のＡＥ信号のスペクトログラムでは、周波数範囲Ｈ１内の信号成分が殆どみられないが、異常予兆時には、周波数範囲Ｈ１内の信号成分が出現する。よって、実施の形態１では、周波数範囲Ｈ１内の信号成分の大きさを判断することで、異常予兆状態として即時に検知が可能である。

【0070】

［スペクトログラム］
図８は、異常発生時に正常状態から異常予兆状態を経由して異常状態へ変化する際のＡＥ信号のＡＥ波の時間－周波数応答であるスペクトログラムの例を示す。グラフの横軸が時間、縦軸が周波数［ＭＨｚ］である。各点のＡＥ信号強度［ｄＢ］をカラーマップのグレースケールで表す。本例では、－５０ｄＢから－３５ｄＢまでの強度範囲とし、－５０ｄＢを黒、－３５ｄＢを白とした。このＡＥ信号データは、サンプリング周波数を５ＭＨｚとして測定したデータである。そのため、グラフの周波数の範囲は０から２．５ＭＨｚまでの範囲となっている。

【0071】

時刻ＴＡは正常時であり、時刻ＴＢは異常予兆時である。時刻ＴＡの正常時には、摺動時に、０．７ＭＨｚ以下の周波数成分を持つＡＥ信号が連続して検出されている。正常時には、０．７ＭＨｚ以上の周波数帯域の信号成分は小さい。図示のように、正常時の期間Ｔ１では、主に０．７ＭＨｚ以下の範囲内で、白い値が分布していることが分かる。

【0072】

一方、時刻ＴＢの異常予兆時には、０．７ＭＨｚ以下の信号成分に加え、０．７ＭＨｚ以上、２．０ＭＨｚ以下の周波数帯域の信号成分の信号強度が大きくなっている。図示のように、期間Ｔ２では、０．７ＭＨｚ以上、２．０ＭＨｚ以下の範囲内でも白い値が出現して分布していることが分かる。

【0073】

なお、図８のグラフでは、異常予兆時の信号の２．０～２．５ＭＨｚは、信号強度が相対的に小さく黒く見えているが、これは本例の測定で使用した広帯域型のＡＥセンサ５の周波数特性の影響を受けて、２．０ＭＨｚ以上では感度が低下しているためである。本例では、例えば０．５～２．０ＭＨｚの信号成分を検出しやすいＡＥセンサ５を使用している。実際には、異常予兆時におけるＡＥ信号の周波数帯域は、２．０ＭＨｚ以上の範囲、例えば５ＭＨｚまでにも存在する。

【0074】

実施の形態１の状態監視システムでは、従来判定時に着目する所定の周波数範囲Ｈ１として、図示のように、０．７ＭＨｚ以上の範囲、例えば０．７ＭＨｚ以上、２．０ＭＨｚ以下の範囲とした。０．７ＭＨｚ以下では、正常時にも信号強度が大きいＡＥ信号が検出されるため、周波数範囲Ｈ１の下限値を０．７ＭＨｚとする。これに限らず、他の設定としては、下限値を０．５ＭＨｚとしてもよいし、１ＭＨｚとしてもよい。周波数範囲Ｈ１の上限値については、例えば５．０ＭＨｚまで取得できるが、本例では、ＡＥセンサ５の特性やリアルタイムでの処理効率等も考慮し、周波数範囲Ｈ１の上限値を２．０ＭＨｚとした。状態判定部１０Ｂは、このような監視対象信号ＳＩＧ１のスペクトログラムを、正常信号ＳＩＧ２と比べ、周波数範囲Ｈ１の信号成分の増加を判断することで、異常予兆状態を判定できる。状態判定部１０Ｂは、例えば時刻ＴＢの時点で、周波数範囲Ｈ１内の成分がある程度以上、例えば所定の率以上、増加したことで、異常予兆状態として検知できる。

【0075】

なお、このようなＡＥ信号の周波数帯域は、主にメカニカルシール４の材質に依存する。すなわち、周波数範囲Ｈ１は、メカニカルシール４の材質の組み合わせに対応させて設定されている。詳細には、ＡＥ信号の周波数帯域は、摺動条件として、メカニカルシール４を含む回転機械１における寸法、形状、回転速度、荷重等によっても変わるが、メカニカルシール４の材質が最も支配的である。摺動条件の詳細に変更がある場合でも、概ね、周波数範囲Ｈ１内の信号成分の変化に着目することで、早期の異常予兆の検知が可能である。

【0076】

［周波数スペクトル］
図９は、図８の時刻ＴＡおよび時刻ＴＢにおける周波数特性である周波数スペクトルを示す。太線で示す特性１００１は、時刻ＴＡの正常状態時の周波数スペクトルであり、図８中の時刻ＴＡの破線の断面に対応する。細線で示す特性１００２は、時刻ＴＢの異常予兆状態時の周波数スペクトルであり、時刻ＴＢの破線の断面に対応する。グラフの横軸が周波数［ＭＨｚ］であり、ここでは０．５ＭＨｚから２．５ＭＨｚまでの範囲を示した。縦軸がＡＥ信号強度［ｄＢ］を示す。

【0077】

図８中の白い値で信号強度分布が表示されるように選択された閾値を、図９中では、閾値１００３として－４５ｄＢとした。条件として、信号強度が－４５ｄＢ以上（または－４５ｄＢよりも大きい）とする。すると、図９から、－４５ｄＢ以上となるのは、時刻ＴＡの特性１００１では、周波数が概略０．６ＭＨｚ以下となる部分が該当し、時刻ＴＢの特性１００２では、周波数が概略１．９ＭＨｚ以下となる部分が該当する。このように、周波数０．７ＭＨｚ以上の信号成分に着目すると、正常時と異常予兆時との差が明瞭である。異常予兆時には、周波数範囲Ｈ１に対応する高い周波数帯域にわたってＡＥ信号強度が大きいことが分かる。状態判定部１０Ｂは、このような特性を利用し状態を判定する。

【0078】

［状態判定例］
図１０は、状態判定部１０Ｂによる状態判定例を模式的に示す。（Ａ）は第１例である。状態判定部１０Ｂは、周波数範囲Ｈ１全体の信号成分に着目し、監視対象信号ＳＩＧ１の特性１１０２の周波数範囲Ｈ１全体の信号成分が、正常信号ＳＩＧ２の特性１１０１の周波数範囲Ｈ１全体の信号成分に対し、所定の率（例えば率Ｒ１）以上で増加している場合、異常予兆状態と判定する。この率は、増加の割合や大きさを判断するための閾値である。状態判定部１０Ｂは、例えば、監視対象信号ＳＩＧ１の特性１１０２と、正常信号ＳＩＧ２の特性１１０１との比較で、周波数範囲Ｈ１全体の信号成分についての差分（例えば周波数区間毎の差分の総和）を算出する。状態判定部１０Ｂは、その差分が、所定の大きさ以上である場合、異常予兆状態と判定する。

【0079】

（Ｂ）は第２例である。状態判定部１０Ｂは、周波数範囲Ｈ１のうち任意の一部の信号成分のみが増加する場合にも、異常予兆状態と判定する。状態判定部１０Ｂは、例えば、監視対象信号ＳＩＧ１の特性１１０２における周波数範囲Ｈ１のうちの一部（例えば範囲１１０５）の信号成分が、正常信号ＳＩＧ２の特性１１０１の周波数範囲Ｈ１のうちの対応する一部の信号成分に対し、所定の率（例えば率Ｒ２）以上で増加している場合、異常予兆状態と判定する。なお、率Ｒ１と率Ｒ２は異なってもよい。状態判定部１０Ｂは、例えば、監視対象信号ＳＩＧ１の特性１１０２と、正常信号ＳＩＧ２の特性１１０１との比較で、周波数範囲Ｈ１のうちの周波数区間毎の信号成分についての差分を算出する。状態判定部１０Ｂは、少なくとも一部の周波数区間の差分が、所定の大きさ以上である場合、異常予兆状態と判定する。なお、周波数範囲Ｈ１内の区分された部分毎に異なる率Ｒ２が設定されてもよい。

【0080】

［他の周波数範囲］
図１１は、変形例として、周波数範囲Ｈ１の設定に関する他の例を示す。この変形例では、周波数範囲Ｈ１は、１ＭＨｚ以上の範囲とし、例えば１ＭＨｚ以上で２．０ＭＨｚ以下の範囲とする。（Ａ）は、図８とは別例のＡＥ信号のスペクトログラムを示す。周波数範囲Ｈ１ｂとして１ＭＨｚ以上で２ＭＨｚ以下の範囲を示す。（Ｂ）は、（Ａ）に対応する周波数スペクトルを示す。例えば０．３ＭＨｚ程度以下の低周波数帯域では、回転軸３に係わる振動成分等のノイズが乗っている。０．７ＭＨｚ以上では、信号強度が大きい。特に、１ＭＨｚ以上、２ＭＨｚ以下の範囲では、信号強度が大きい。このような周波数範囲Ｈ１ｂの設定の場合でも、異常予兆を検知できる。

【0081】

［摺動面の状態］
図１２は、補足として、メカニカルシール４等の摺動面に関する正常および異常の状態や一般的な摩擦等の力学について示す。摺動面は、第１固体と第２固体との面間に潤滑剤等の液体膜を有する。摺動面における間隔をｈとし、表面粗さをＲとし、液体膜の粘度をηとする。摺動面に対する荷重をＦ_Ｎとし、速度をＶとする。グラフの横軸は、（粘度η×速度Ｖ）／荷重Ｆ_Ｎとして計算される値である。縦軸は摺動面における摩擦係数であり、ｆとする。流体潤滑領域１２０１では、間隔ｈが表面粗さＲよりもずっと大きく、正常状態（または定常状態）に対応する。境界潤滑領域１２０３では、間隔ｈが０に近付く。混合潤滑領域１２０２は、流体潤滑領域１２０１と境界潤滑領域１２０３との間にある領域であり、間隔ｈは表面粗さＲに近い。混合潤滑領域１２０２と境界潤滑領域１２０３は異常状態に対応する。流体潤滑領域１２０１と混合潤滑領域１２０２では、連続の力学が作用する。混合潤滑領域１２０２と境界潤滑領域１２０３では、接触の力学が作用する。摺動面の磨耗の進行に応じて、摩擦係数ｆは低下し、混合潤滑領域１２０２に入り、さらに磨耗が進行すると、摩擦係数ｆが増加する。

【0082】

前述の図１１のＡＥ信号は、メカニカルシール４の摺動面が図１２の混合潤滑領域１２０２の状態にある場合の信号である。混合潤滑領域１２０２では、流体潤滑領域１２０１に比べて液体膜が薄くなっており、静止リング４１と回転リング４２とが局部的に接触し、磨耗等が発生する。このような摺動の状態でのＡＥ信号は、例えば０．７ＭＨｚ以上の周波数領域で信号強度が大きくなる。

【0083】

実施の形態１の状態監視システムは、メカニカルシール４の摺動面の状態として、混合潤滑領域１２０２、特に変化の早期に係わる領域１２０４を、異常予兆の状態として検知することができる。

【0084】

［表示画面例］
図１３は、状態監視装置１０がユーザに対して提供する表示画面でのグラフィカル・ユーザ・インタフェース（ＧＵＩ）の例を示す。状態監視装置１０は、ユーザの操作に基づいて、表示装置１０５の画面に、このようなＧＵＩ情報を表示する。ユーザは、この画面で設定を確認および変更でき、出力制御部１０Ｃのモニタ表示９３等の他の画面に遷移できる。図１３のＧＵＩ情報は、状態判定用の条件を設定する場合の例であり、項目として、設定名、周波数範囲Ｈ１、変化（率）、注釈等を有する。ユーザは、条件を構成する、周波数範囲Ｈ１の下限値や上限値を選択して設定できる。ユーザは、条件を構成する、正常信号ＳＩＧ２に対する監視対象信号ＳＩＧ１の変化の大きさに関する率［％］を選択して設定できる。ユーザは、注釈項目に、設定に関する注釈等を記載できる。ユーザは、監視対象の回転機械１やメカニカルシール４の材質等に応じて設定を変更でき、これにより、感度を調整できる。ユーザは、容器２に対しＡＥセンサ５を設置する位置についても変更でき、これにより、感度を調整できる。

【0085】

［効果等］
上記のように、実施の形態１の状態監視システムおよび方法によれば、ＡＥを用いた回転機械１の状態監視に関して、メカニカルシール４の状態変化を高い感度で検知でき、回転機械１の運用・保守を向上できる。

【0086】

［変形例１］
図１４は、実施の形態１の変形例（変形例１とする）における容器２の断面等の構成例を示す。変形例１では、ステンレスで構成される容器２の外壁の外面において、ＡＥセンサ５を設置する箇所以外の少なくとも一部の領域を、吸音材９で覆う構成とする。この構成例では、容器２の側面、上面、および下面の殆どの領域が吸音材９で覆われている。吸音材９は、反射波を吸収する。これにより、音波を吸音材９側へ逃がし、液体部２２の水中への反射を小さくすることができ、界面での反射による多重反射を抑制することができる。

【0087】

吸音材９の物質は、ステンレスに近い音響インピーダンスを持つ材料、すなわち、比重が大きく、音速の大きな材料が望ましい。吸音材９の材料は、例えば鉛等が適用でき、例えば吸音材シートとして圧延鉛板を用いる。また、容器２の外壁と吸音材９との間は、空気層ができないように、カプラントで埋めるとより良い。

【0088】

［変形例２］
実施の形態１の変形例２として、以下の構成も可能である。前述の図２では、変形例２に対応するＡＥセンサ５の設置の位置Ｚ２も示している。位置Ｚ２は、容器２の側面において、メカニカルシール４からのＡＥ波が液体部２２を経由して伝播する伝播経路Ｐ２に対応した位置である。伝播経路Ｐ２は、固体と液体との界面での反射が生じるため、伝播経路Ｐ１よりも感度が下がるが、同様に適用可能である。この伝播経路Ｐ２のＡＥセンサ５からのＡＥ信号についても、周波数範囲Ｈ１を用いた判定によって、異常予兆を検知可能である。

【0089】

例えば、図２の容器２の固体部２１に近い外壁において、ＡＥセンサ５等を設置するためのスペースが確保できない場合や設置がしにくい場合がある。例えば、外壁の形状が複雑で設置に適していない場合や、他の部品等が配置されている場合がある。そのような場合には、本例のように、容器２の液体部２２に近い外壁の位置に、ＡＥセンサ５や治具６等を設置する。図２中のＡＥセンサ５を設置する位置Ｚ２は、位置Ｚ１よりも下方にあり、液体部２２に対し外周の位置である。伝播経路Ｐ２は、液体部２２を経由する伝播経路のうち伝播距離がなるべく小さい経路として選択されている。

【0090】

［変形例３］
図１５は、実施の形態１の変形例３における容器２の断面およびＡＥセンサ５の設置位置等を示す。変形例３は、容器２の外壁の上部の平面の一箇所に、ＡＥセンサ５の受波面が設置される。伝播経路Ｐ１ｂは、メカニカルシール４からのＡＥ波が主に固体部２１を経由して直接波として上面まで伝播する経路である。また、このＡＥセンサ５の設置の位置Ｘ３は、回転軸３に係わるノイズが少なくなるように、回転軸３の位置からはやや離れた位置として外周寄りの位置としている。容器２の上面において、主に固体部２１を経由する伝播経路Ｐ１ｂに対応させて、回転軸３に係わるノイズが比較的少ない位置Ｘ３が選択されている。

【0091】

容器２の側面にＡＥセンサ５を設置しにくい場合等には、変形例３のように、容器２の上面等の平面にＡＥセンサ５を設置してもよい。変形例３の場合、容器２に対するＡＥセンサ５の取り付けが容易である利点があり、治具６等を省略または簡略化することができる。

【0092】

［変形例４］
図１６は、実施の形態１の変形例４におけるＡＥセンサ５の設置位置等を示す。変形例４は、容器２の外壁の周方向にある外周面において、２箇所以上の位置に、２個以上のＡＥセンサ５を設置する。本例では、容器２の外周における直径を介して対向する２箇所に、それぞれ治具６を介して、ＡＥセンサ５ａ，５ｂが設置されている。容器２やメカニカルシール４は、軸対称形状を持つので、音源からのＡＥ波は、外周の各位置に到達する。そのため、基本的には１個のＡＥセンサ５があれば、ＡＥ波を検出できる。しかしながら、場合によっては、ＡＥ波が外周の一部にしか伝播しない可能性も想定される。そこで、本例のように、外周上に複数のＡＥセンサ５を設置する。これにより、常時に少なくとも１つのＡＥセンサ５がＡＥ波を検出できる。なお、容器２の側面に限らず、同様に、上面等において、軸対称である複数の位置を選択し、複数のＡＥセンサを配置してもよい。

【0093】

［変形例５］
図１７は、実施の形態１の変形例５におけるＡＥセンサ５の設置位置等を示す。変形例５は、容器２の内部にＡＥセンサ５を設置する。図１７では、いくつかの設置位置例を示す。設置例Ａは、ＡＥセンサ５が収容されたＡＥセンサユニット５０を静止リング４１に直接的に設置する例である。設置例Ｂは、固体部２１のうち液体部２２Ａに面する位置にＡＥセンサユニット５０を設置する例である。設置例Ｃや設置例Ｄは、固体部２１内に埋め込むようにＡＥセンサユニット５０を設置する例である。いずれの設置例も、メカニカルシール４からの直接波の伝播経路上で、空気には接しない位置として選択されている。ＡＥセンサ５からのケーブルは、容器２内を貫通して外に出る。

【0094】

変形例５は、ＡＥセンサ５をできるだけ音源であるメカニカルシール４の近くに配置することで、材料同士の界面での超音波の反射の影響を小さくし、超音波の伝播減衰を小さくできるため、検出の感度を高くすることができる。ただし、このように容器２内部にＡＥセンサ５を設置する構成とする場合、回転機械１の稼働中には、ＡＥセンサ５の取り出しが困難である。そのため、この構成は、保守等の面では不利であり、感度を高めるための設置位置調整等もしにくい。前述の実施の形態１では、保守等の有利の点も考慮して、容器２の外面にＡＥセンサ５を設置する構成を基本とし、その上でなるべく感度を高める工夫を行っている。

【0095】

（実施の形態２）
図１８を用いて、本発明の実施の形態２の状態監視システムについて説明する。以下では、実施の形態２等における実施の形態１とは異なる構成部分について説明する。実施の形態２の状態監視システムは、ポンプ等の回転機械において、追加して設置されるＡＥセンサを用いて、回転軸に係わるノイズの影響をキャンセルし、状態判定の精度を高める。

【0096】

［ノイズキャンセル］
図１８は、実施の形態２におけるＡＥセンサ５の設置位置等を示す。実施の形態２は、容器２の外面において、２個のＡＥセンサ５としてＡＥセンサ５ｍ，５ｎを有する。実施の形態２では、容器２の側面の一箇所にメインのＡＥセンサ５ｍが設置され、上面の一箇所にサブのＡＥセンサ５が設置される。サブのＡＥセンサ５は、回転軸３に係わるノイズを検出して減算等によってキャンセルするために用いられる。まず、容器２の側面には、例えば実施の形態１と同様に伝播経路Ｐ１の先の位置Ｚ１に、ＡＥセンサ５ｍが設置されている。さらに、容器２の上面には、回転軸３に対して比較的近い内周寄りの位置Ｘｎに、サブのＡＥセンサ５ｎが設置されている。この位置Ｘｎは、メカニカルシール４からの直接波の伝播経路Ｐｎに対応する位置のうちで、回転軸３に係わるノイズをある程度拾う位置として選択されている。メインのＡＥセンサ５ｍは、回転軸３に係わるノイズをなるべく拾わない位置として選択されている。

【0097】

図１８の下側には、実施の形態２における回路構成例を簡単に図示している。図６の信号取得部６００は、メインのＡＥセンサ５ｍからのメインＡＥ信号である第１ＡＥ信号と、サブのＡＥセンサ５ｎからのサブＡＥ信号である第２ＡＥ信号とを取得する。第２ＡＥ信号には、回転軸３に係わるノイズとして、回転軸３を伝播する回転動力源３１側の振動成分のノイズが含まれている。信号取得部６００または状態監視装置１０は、減算器１８１を備える。減算器１８１は、第１ＡＥ信号から第２ＡＥ信号を減算する。減算後の信号は、回転軸３に係わるノイズの影響がある程度除去されている。状態監視装置１０の状態判定部１０Ｂは、減算後の信号を対象として状態を判定する。これにより、実施の形態２では、メカニカルシール４を音源とするＡＥ波と、外部音源である回転軸３に係わるノイズとを区別することができ、より正確な状態判定が可能である。

【0098】

（実施の形態３）
図１９を用いて、本発明の実施の形態３の状態監視システムについて説明する。実施の形態３の状態監視システムは、ポンプ等の回転機械において複数段のメカニカルシールを持つ構成を有し、複数のＡＥセンサを用いて各メカニカルシールの状態を監視する。

【0099】

［２段のメカニカルシール］
図１９は、実施の形態３における回転機械１の容器２の断面、および複数のＡＥセンサ５の設置位置等を示す。この容器２には、Ｚ方向において２段のメカニカルシール４として、メカニカルシール４Ａ，４Ｂを有する。Ｚ方向の下側のメカニカルシール４Ａを第１メカニカルシール（言い換えると第１段摺動部）とし、Ｚ方向の上側のメカニカルシール４Ｂを第２メカニカルシール（言い換えると第２段摺動部）とする。メカニカルシール４Ａは、第１静止リングである静止リング４１Ａと第１回転リングである回転リング４２Ａとの組で構成されている。メカニカルシール４Ｂは、第２静止リングである静止リング４１Ｂと第２回転リングである回転リング４２Ｂとの組で構成されている。いずれのメカニカルシール４も、材料としては、図３と同様に、カーボンとＳｉＣの組み合わせで構成されている。

【0100】

２段の構成に対応して、容器２内には、複数の液体部２２（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ）や減圧装置２００（２００Ａ，２００Ｂ）等がある。液体部２２は、下側のメカニカルシール４Ａの近傍の液体部２２Ａと、上側のメカニカルシール４Ｂの近傍の液体部２２Ｂと、上側のメカニカルシール４Ｂよりも上側の液体部２２Ｃとを含む。メカニカルシール４Ａは、液体部２２Ａと液体部２２Ｂとの間に設けられている。メカニカルシール４Ｂは、液体部２２Ｂと液体部２２Ｃとの間に設けられている。容器２の固体部２１は、下側のメカニカルシール４Ａ（特に第１静止リング４１Ａ）の近傍の固体部２１Ａと、上側のメカニカルシール４Ｂ（特に第２静止リング４１Ｂ）の近傍の固体部２１Ｂとを含む。

【0101】

液体部２２Ａには、流入口２０１Ａおよび流出口２０４を有する。液体部２２Ａと液体部２２Ｂとの間には、減圧装置２００Ａを有する。液体部２２Ｂには、流入口２０１Ｂおよび流出口２０４を有する。液体部２２Ｂと流出口２０４との間には、減圧装置２００Ｂを有する。液体部２１Ｃには流出口２０２を有する。

【0102】

この回転機械１は、容器２内の液体に圧力がかかった結果として、メカニカルシール４における静止リング４１および回転リング４２に面圧が生じる。その面圧によって静止リング４１と回転リング４２との間の液体膜の厚さが調整される。第１メカニカルシール４Ａと第２メカニカルシール４Ｂとの間には、本例のように、減圧装置２００Ａが設けられていてもよい。この減圧装置２００Ａは、それぞれのメカニカルシールが均等の圧力条件で液体を封止するための圧力制御に用いられる。例えば、下側の液体部２２Ａを第１シール室とし、上側の液体部２２Ｂを第２シール室とし、第１シール室は約７ＭＰａの圧力に保たれ、第２シール室は約３．５ＭＰａの圧力に保たれる。これにより、第１シール室と第２シール室は、ほぼ均等な圧力で軸封止が行われる。

【0103】

そして、図１９の構成例では、容器２の外壁の側面において、第１メカニカルシール４Ａからの直接波が主に固体部２１Ａを経由する伝播経路ＰＡの先の位置ＺＡに、第１ＡＥセンサ５Ａが設置されている。また、第２メカニカルシール４Ｂからの直接波が主に固体部２１Ｂを経由する伝播経路ＰＢの先の位置ＺＢに、第２ＡＥセンサ５Ｂが設置されている。伝播経路ＰＡは、第１メカニカルシール４Ａからの固体部２１Ａを通じたＡＥ波の伝播距離が最小となる経路である。伝播経路ＰＢは、第２メカニカルシール４Ｂからの固体部２１Ｂを通じたＡＥ波の伝播距離が最小となる経路である。前述のように、ＡＥ波は媒質の界面で反射し、液体部を介さずに固体部を伝播する経路の方が、透過損失が小さい。よって、ＡＥセンサ５（５Ａ，５Ｂ）の設置位置としては、それぞれ、固体部２１を介する伝播経路のうちで伝播距離がなるべく小さくなる伝播経路の組み合わせに対応する位置（ＺＡ，ＺＢ）が選択される。

【0104】

また、図１９の構成例では、前述の実施の形態２と同様に、回転軸３に係わるノイズのキャンセルのために、容器２の上面に、サブのＡＥセンサ５ｎが第３ＡＥセンサとして設置されている。

【0105】

図１９の下側には、実施の形態３における回路構成例を簡単に示す。図６の信号取得部６００は、第１ＡＥセンサ５Ａからの第１ＡＥ信号と、第２ＡＥセンサ５Ｂからの第２ＡＥ信号と、サブのＡＥセンサ５ｎからの第３ＡＥ信号とを取得する。第３ＡＥ信号には、回転軸３に係わるノイズが含まれている。信号取得部６００または状態監視装置１０は、減算器１９１，１９２を備える。減算器１９１は、第１ＡＥ信号から第３ＡＥ信号を減算する。減算器１９２は、第２ＡＥ信号から第３ＡＥ信号を減算する。各減算後の信号は、回転軸３に係わるノイズの影響がある程度除去されている。状態監視装置１０の状態判定部１０Ｂは、各減算後の信号を対象として状態を判定する。状態判定部１０Ｂは、減算器１９１からの信号を対象に、第１メカニカルシール４Ａに関する状態を判定し、減算器１９２からの信号を対象に、第２メカニカルシール４Ｂに関する状態を判定する。

【0106】

また、実施の形態３では、第１ＡＥセンサ５Ａと第２ＡＥセンサ５Ｂとを空間的に十分に離れた位置に設置することで、第１メカニカルシール４Ａを音源とするＡＥ波と第２メカニカルシール４Ｂを音源とするＡＥ波とを区別して判定できる。これは、超音波の周波数が高くなるとＡＥ波の直進性が増す性質を利用している。また、周波数が高いほど、伝播減衰が大きくなる性質がある。これらの性質に基づいて、上記のように離れた位置（ＺＡ，ＺＢ）に２個のＡＥセンサ５を設置する構成とする。これによって、第１ＡＥ信号からは第１メカニカルシール４Ａの状態が判定でき、第２ＡＥ信号からは第２メカニカルシール４Ｂの状態が判定できる。第１ＡＥ信号では、第２メカニカルシール４ＢからのＡＥ波の信号強度は小さく、第２ＡＥ信号では、第１メカニカルシール４ＡからのＡＥ波の信号強度は小さい。この状態監視システムは、周波数範囲Ｈ１として高い周波数範囲のＡＥ波を対象として状態判定を行うので、上記のような高い周波数での伝播特性を活かして、高感度の検知が可能である。

【0107】

なお、上記２段のメカニカルシール４の構成に限らず、３段以上のメカニカルシール４を持つ構成の場合にも同様に適用可能である。なお、下側の第１メカニカルシール４Ａと上側の第２メカニカルシール４Ｂとでは、材質や形状等が同じである構成の場合もあるし、異なる構成の場合もある。例えば、各メカニカルシールは、液体部間の圧力差の変換の機能に応じて、異なる構成を持つ場合がある。実施の形態２では、各段のメカニカルシール４は同様の構成とした。各段で伝播経路やＡＥセンサ５の位置には違いがあることから、各ＡＥ信号を用いた感度は異なり得るが、所定の周波数範囲Ｈ１を用いた判定によって同様に検知可能である。他の実施の形態では、各段のメカニカルシール４および対応するＡＥセンサ５毎に、異なる周波数範囲Ｈ１が設定されてもよい。

【0108】

［変形例６］
図２０は、実施の形態３の変形例（変形例６とする）における構成を示す。変形例６は、容器２において２段のメカニカルシール４を持つ場合で、側面の一箇所に、１個のＡＥセンサ５を設置する構成である。１個のＡＥセンサ５の設置位置である位置ＺＡＢは、例えば、第１メカニカルシール４Ａからの固体部２１Ａを経由する伝播経路ＰＡ１と、第２メカニカルシール４Ｂからの液体部２２Ｂを経由する伝播経路ＰＢ１との両方が一箇所に到達する位置として選択されている。

【0109】

１個のＡＥセンサ５からのＡＥ信号には、伝播経路ＰＡ１からのＡＥ波と、伝播経路ＰＡ２からのＡＥ波との両方の成分が含まれている。状態監視装置１０は、１個のＡＥセンサ５からのＡＥ信号を対象として、第１メカニカルシール４Ａと第２メカニカルシール４Ｂとの２つについてまとめて状態を判定する。この状態判定では、個々のメカニカルシール４の状態を区別することは難しいが、２段のメカニカルシール４のいずれか一方または両方に異常がある場合に、２段のメカニカルシール４に関する異常予兆状態として判定し検知することができる。この異常予兆状態は、第１メカニカルシール４Ａと第２メカニカルシール４Ｂとの一方または両方に異常予兆があることを表す状態である。変形例６では、ＡＥセンサ５の設置数を削減できる。他の構成例としては、容器２の上面に１個のＡＥセンサ５を設けてもよい。

【0110】

（実施の形態４）
図２１を用いて、本発明の実施の形態４の状態監視システムについて説明する。実施の形態４の状態監視システムは、容器に１段のメカニカルシールを持つ構成の場合で、ＡＥセンサの設置の向きを好適にして感度を高める構成を示す。

【0111】

［ＡＥセンサの向き］
図２１は、実施の形態４における構成を示す。（Ａ）は、容器２の断面やＡＥセンサ５の設置位置等を示す。（Ｂ）は、（Ａ）に対応して、容器２の側面に対するＡＥセンサ５および治具６の設置例の概要を示す。容器２に１段のメカニカルシール４を持つ場合で、容器２の側面の一箇所にＡＥセンサ５が設置されている。実施の形態４では、ＡＥセンサ５の受波面が、メカニカルシール４からの直接波の伝播経路Ｐ１の方向に対し、垂直となるように、変換のための治具６を介して、ＡＥセンサ５が設置されている。前述のように、高い周波数のＡＥ波は、直進して伝播する。そのため、ＡＥセンサ５の設置の向きは、ＡＥ波の伝播方向に向けた方が、高感度の検知ができる。すなわち、ＡＥセンサ５の設置の向きは、受波面を、到来するＡＥ波の伝播方向に対し垂直とする向きとする。

【0112】

この治具６は、ＡＥセンサ５の受波面が伝播経路Ｐ１の方向に対し垂直となるように変換するための形状を有する。容器２の側面は曲面であり、伝播距離が短い好適な伝播経路Ｐ１の方向に対しては、角度θがあり、垂直ではない。治具６における一方面は凹型の曲面として容器２の側面の曲面に固定される。治具６と容器２の側面との間には、前述と同様にカプラント８が設けられる。治具６における他方面は、伝播経路Ｐ１の方向に対して垂直な角度を持つ平面となっており、その平面に対しＡＥセンサ５の受波面または前述のホルダー５０１の平面が固定される。このように、治具６を用いてＡＥセンサ５の受波面を伝播経路Ｐ１の方向に対し垂直とすることで、感度を高めることができる。

【0113】

実施の形態４の変形例として、２段以上のメカニカルシール４を持つ場合でも、各段のメカニカルシール４毎に対応付けて各治具６を用いて各ＡＥセンサ５の向きを好適にする構成が同様に可能である。

【0114】

（実施の形態５）
図２２を用いて、本発明の実施の形態５の状態監視システムについて説明する。実施の形態５の状態監視システムは、回転機械において複数段のメカニカルシールを持つ構成の場合において、選択した好適な１つの位置に、治具を介して複数のＡＥセンサが設置される。

【0115】

［２段のメカニカルシールおよびＡＥセンサの向き］
図２２の（Ａ）は、実施の形態５における容器２の断面等の構成を示す。（Ｂ）や（Ｃ）は変形例を示す。回転機械１は、容器２に２段のメカニカルシール４（４Ａ，４Ｂ）を持つ場合である。本構成例では、容器２の外壁の上面における選択された好適な１つの位置Ｘ５に、変換のための治具６を介して、２個のＡＥセンサ５（５Ａ，５Ｂ）が設置される。各ＡＥセンサ５は、それぞれ対応する音源からのＡＥ波に対して正対する向きで設置される。

【0116】

伝播経路ｐ２１は、第２メカニカルシール４ＢからＡＥ波が固体部２１Ｂを経由して直接波として伝播する経路の１つである。この伝播経路ｐ２１の方向に対し、受波面が垂直となる向きで、位置Ｘ５の治具６の第２面ｓ２に第２ＡＥセンサ５Ｂが設置されている。

【0117】

伝播経路ｐ１１，ｐ１２は、第１メカニカルシール４Ａを音源として、容器２の内壁で反射しながら容器２内部を伝播する経路である。伝播経路ｐ１１は、第１メカニカルシール４ＡからＡＥ波が主に固体部２１Ａを経由して直接波として側面の位置Ｚ５に達する経路である。伝播経路ｐ１２は、伝播経路ｐ１１に対応して、側面の位置Ｚ５で反射された反射波が、主に固体部２１Ｂを経由して、上面の位置Ｘ５に達する経路である。この伝播経路ｐ１２の方向に対し、受波面が垂直となる向きで、位置Ｘ５の治具６の第１面ｓ１に第１ＡＥセンサ５Ａが設置されている。

【0118】

２個のＡＥセンサ５（５Ａ，５Ｂ）を概略的に１つの位置にまとめて設置するにあたり、候補となる複数の伝播経路が存在する。それらの中から、好適な伝播経路の組み合わせを選択すると、図示のように２個のＡＥセンサ５を設置できる好適な位置Ｘ５が見つかる。この位置Ｘ５は、第２メカニカルシール４Ｂからの直接波と、第１メカニカルシール４Ａからの反射波との両方が到来し、それらの信号強度も十分であるような位置である。このような好適な位置は、例えば有限要素法による音響伝播シミュレーションによって伝播経路を可視化することで、計算によって決定することが可能である。

【0119】

選択した位置Ｘ５には、各ＡＥセンサ５の向きを最適にする変換のための形状を持つ治具６が固定される。（Ａ）の治具６は例えば三角の断面を持つ。本例では、上面の位置Ｘ５が選択されているため、治具６の一方面は平面である。治具６の他方面は、第１面ｓ１と第２面ｓ２とを有し、それぞれ、対応する伝播経路の方向に対して垂直となるように角度が設計されている。第１面ｓ１には第１ＡＥセンサ５Ａの受波面が固定され、第２面ｓ２には第２ＡＥセンサ５Ｂの受波面が固定される。

【0120】

状態監視装置１０は、第１ＡＥセンサ５Ａからの第１ＡＥ信号に基づいて第１メカニカルシール４Ａの状態を判定し、第２ＡＥセンサ５Ｂからの第２ＡＥ信号に基づいて第２メカニカルシール４Ｂの状態を判定する。実施の形態５の構成では、各メカニカルシール４からのＡＥ波を、容器２の外壁の１つの位置から選択的に検出可能である。この構成では、容器２の外壁の１つの位置にまとめてＡＥセンサ５等を設置することができるため、２箇所以上にＡＥセンサ５等を設置する場合に比べて、設置や保守がしやすく、再現性をとりやすい利点がある。

【0121】

なお、容器２の内壁における反射の影響が大きい場合、このような同じ位置での選択的な検出が困難となる場合がある。この場合、容器２内の界面での多重反射の影響を抑制するために、ＡＥセンサ５等の設置箇所以外で、容器２の外面の少なくとも一部の領域に、吸音材９を配置する。これにより、反射波を抑制して、感度を高めることができる。本例では下側のメカニカルシール４Ａの液体部２２Ａ等の外周の付近に吸音材９を設けている。例えば、音響伝播シミュレーション等の計算に基づいて、容器２の外壁で反射波の到達が多くなる領域に選択的に吸音材９を配置してもよい。

【0122】

また、（Ｂ）に示すように、特に、２個のＡＥセンサ５（５Ａ，５Ｂ）の向きに関する角度差（言い換えると受波面等の角度差）が約９０度になる位置Ｘ５ｂを選択してもよい。この治具６は、２つの伝播経路ｐ２１，ｐ１２の方向が成す角度、および第１面ｓ１と第２面ｓ２が成す角度が約９０度である。これにより、直接波と反射波との関係で、感度を高めることができる。治具６における２個のＡＥセンサ５の受波面の角度差は、９０度以上で１８０度未満の範囲内であればよい。

【0123】

また、（Ａ）では、治具６の設置面である容器２の上面に対する第１面ｓ１の角度と第２面ｓ２の角度とを同じとしたが、これに限らず、それらの角度が異なってもよい。（Ｃ）は、その場合の例を示す。この例では、上面に対する第１面ｓ１の角度と第２面ｓ２の角度とが異なり、特に第１面ｓ１と第２面ｓ２が成す角度を約９０度とした場合を示す。

【0124】

なお、他の構成例としては、同様の計算に基づいて、容器２の側面における１つの好適な位置（例えば位置Ｚ５）に、治具６を介して好適な向きで２個のＡＥセンサを設置する構成も、同様に可能である。また、実施の形態５では、直接波と反射波との組み合わせによる位置Ｘ５を選択したが、これに限らず、回転装置によっては、直接波同士の組合せによる位置や、反射波同士の組合せによる位置としてもよい。

【0125】

以上、本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は前述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

【符号の説明】

【0126】

１…回転機械、２…容器、３…回転軸、４…メカニカルシール、５…ＡＥセンサ、６…治具、１０…状態監視装置、３０…回転機械制御装置、３１…回転動力源、４１…静止リング、４２…回転リング、５０…ＡＥセンサユニット、７０…プリアンプ、７１…信号処理回路、７２…オシロスコープ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】