JP6532061B2

JP6532061B2 - 光計測装置、光計測方法及び回転機械

Info

Publication number: JP6532061B2
Application number: JP2016054851A
Authority: JP
Inventors: 大西　智之; 智之大西; 貴洋宮本; 明生近藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2036-03-18
Also published as: JP2017167079A; US10488182B2; US20190033061A1; WO2017159770A1

Description

本発明は、光計測装置、光計測方法及び回転機械に関する。

タービンなどの回転機械の性能向上のためには、回転部（例えば、ブレード）と静止部（例えば、ケーシング）との間に設けられた隙間（チップクリアランス）を小さくする必要がある。そのクリアランスの計測として、光学式のクリアランス計測があり、光学式のクリアランス計測では、ブレード（翼）や反射ターゲットの通過タイミングを検知し、その時間差情報を三角測量の要領で計算している。

光学式のクリアランス計測では、図５（ａ）に示すような光ファイバ式の光センサ６０が使用されている。この光センサ６０は、三角測量における三角形の二辺を形成するように傾斜して配置された１対の光ファイバ群６１、６２を有している（後述の図６参照）。光ファイバ群６１は、図５（ｂ）に示すように、光を照射する１つの発光ファイバ６１ａと、光を受光する複数の受光ファイバ６１ｂとからなり、１つの発光ファイバ６１ａを中央とし、その周囲に複数の受光ファイバ６１ｂを配置した構成としている（特許文献１）。また、光ファイバ群６２も、発光ファイバ６２ａと受光ファイバ６２ｂとからなり、光ファイバ群６１と同等の構成である。

上記光センサ６０の計測原理について、図６及び図７を参照して説明する。ここでは、反射ターゲットとなるブレード７１の先端部分を計測するものとする。計測時においては、光ファイバ群６１の発光ファイバ６１ａ及び光ファイバ群６２の発光ファイバ６２ａから各々光を照射している。そして、回転するブレード７１が位置Ｃを通過すると、時間ｔ１において、光ファイバ群６１の受光ファイバ６１ｂがブレード７１から反射した光を受光することになる。その後、回転するブレード７１が位置Ｄを通過すると、時間ｔ２において、光ファイバ群６２の受光ファイバ６２ｂがブレード７１から反射した光を受光することになる。

このようにして、１対の発光ファイバ６１ａ、６２ａからの２つの光線の間をブレード７１が通過すると、図７のグラフに示すように、時間差Δｔずれた２つの波形（反射光の強度の変化）が観測され、これにより、時間差Δｔを求めることができる。

ここで、図６において、光センサ６０の先端からブレード７１の先端までの距離、即ち、クリアランスをｄとする。また、１対の発光ファイバ６１ａ及び６２ａから出た２つの光線の成す角度をαとする。また、１対の発光ファイバ６１ａ及び６２ａ同士の先端での間隔、即ち、間隔ＡＢをＬとする。そして、ブレード７１の周速をｖ、ブレード７１の回転半径をＲ、ブレード７１の回転数をＮとすると、間隔ＣＤは、ｖ×Δｔ＝２×Ｒ×π×Ｎ×Δｔであり、クリアランスｄは、以下の式１により求めることができる。なお、回転数Ｎは、別途、パルス計等を用いて取得している。

つまり、「角度α」、「間隔ＡＢ」及び「間隔ＣＤ」は、三角測量に必要なパラメータであり、図８に示すように、各々、「小さい三角形の角度」、「小さい三角形の底辺」及び「大きい三角形の底辺」に該当する。そして、角度α及び間隔ＡＢは既知のパラメータであるので、２つの波形の時間差Δｔにより、間隔ＣＤを求め、その結果、クリアランスｄを求めることができる。

特許第４４２９７０５号公報

上述したクリアランス計測を高温雰囲気で計測を行う場合、以下の（１）及び（２）の誤差要因が課題となる。
（１）光センサ６０の熱伸びにより間隔ＡＢが変化し、計測値に誤差が乗る。
（２）回転部の熱伸びや遠心伸びにより半径Ｒが変化して、計測値に誤差が乗る。

上記（１）について、図８を参照して具体的に説明する。例えば、ステンレス製の筐体の光センサ６０が６００℃に加熱された場合、熱伸び前の間隔ＡＢに対して、６００℃での間隔Ａ₁Ｂ₁は１％増加する。この場合、２つの光線を横切る時間差も１％増加することになる。つまり、熱伸び前の間隔ＣＤに対し、６００℃での間隔Ｃ₁Ｄ₁が１％増加していることになる。

このような状態において、熱伸び前の三角測量の三角形では、見かけ上、２つの光線（線分ＯＡの延長線と線分ＯＢの延長線）上の位置Ｃ₂と位置Ｄ₂をブレード７１が通過したことになる。これにより、クリアランスが本来のｄではなく、それより大きいｄ₁で算定されてしまう。このように、光センサ６０側の熱伸びにより間隔ＡＢが変化すると、計測値に誤差が乗ることになる。

上記（２）についても、図８を参照して具体的に説明する。上述したように、周速ｖ＝２×Ｒ×π×Ｎであり、周速ｖは、パルス計等を用いて取得した回転数Ｎと半径Ｒに基づいて求めている。そして、この半径Ｒが、遠心伸びや熱伸びにより変化するため、誤差の原因となる。例えば、ブレード７１の素材の線膨張係数が１．５×１０^-5である場合、温度が６００℃上昇すると、熱伸び（熱ひずみ）は、１．５×１０^-5×６００×１００＝０．９％となる。これは、同じ回転数Ｎであっても、熱伸びにより、周速ｖが０．９％増加することを意味する。つまり、熱伸び前の間隔ＣＤに対し、６００℃上昇後の間隔Ｃ₁Ｄ₁が０．９％増加していることになる。

このような状態において、熱伸び前の三角測量の三角形では、見かけ上、２つの光線（線分ＯＡの延長線と線分ＯＢの延長線）上の位置Ｃ₂と位置Ｄ₂をブレード７１が通過したことになる。これにより、クリアランスが本来のｄではなく、それより大きいｄ₁で算定されてしまう。このように、回転側の熱伸びや遠心伸びにより半径Ｒが変化すると、周速ｖや距離ＣＤが変化し、計測値に誤差が乗ることになる。

以上のように、本来のクリアランスｄと上述した算定によるｄ₁との差は、計測誤差の要因として影響がある。従って、熱伸びや遠心伸びに起因する誤差を解消することが望まれている。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、熱伸びや遠心伸びに起因する誤差を解消することができる光計測装置、光計測方法及び回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る光計測装置は、
光センサにおいて、先端が所定間隔で配置された１対の第１の発光ファイバと１対の第１の受光ファイバとを有し、対同士が三角測量における三角形の二辺を形成するように傾斜して配置された１対の第１のファイバ群と、
前記光センサにおいて、先端が前記所定間隔で配置された１対の第２の発光ファイバと１対の第２の受光ファイバとを有し、対同士が平行に配置された１対の第２のファイバ群と、
前記１対の第１の発光ファイバ及び前記１対の第２の発光ファイバに光を出力して、前記１対の第１の発光ファイバから２本の斜め光線を出射させ、前記１対の第２の発光ファイバから２本の平行光線を出射させる光源と、
回転体の外周面に設けられ、前記２本の斜め光線を前記１対の第１の受光ファイバへ各々反射し、前記２本の平行光線を前記１対の第２の受光ファイバへ各々反射するターゲットと、
前記１対の第１の受光ファイバと各々接続され、各々で受光した前記光の強度を検出する１対の第１の受光素子と、
前記１対の第２の受光ファイバと各々接続され、各々で受光した前記光の強度を検出する１対の第２の受光素子と、
前記１対の第１の受光素子及び前記１対の第２の受光素子で各々検出した前記強度の変化を示す４つの波形に基づいて、熱伸びの影響を受けた前記所定間隔を含む演算を行う演算部とを有する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る光計測装置は、
上記第１の発明に記載の光計測装置において、
前記演算部は、
４つの前記波形における立ち上がりと立ち下がりの２つの時間から第１の時間差を各々求め、４つの前記第１の時間差の中の１つ又は複数の平均を用いて、前記ターゲットの周速を求め、
前記１対の第２の受光素子で検出した２つの前記波形に基づいて、前記２本の平行光線の各々を前記ターゲットが通過する２つの時間から第２の時間差を求め、当該第２の時間差を用いて、熱伸びの影響を受けた前記所定間隔を求め、
前記１対の第１の受光素子で検出した２つの前記波形に基づいて、前記２本の斜め光線の各々を前記ターゲットが通過する２つの時間から第３の時間差を求め、当該第３の時間差を用いて、前記１対の第１の発光ファイバの先端から前記ターゲットまでの距離を求める
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る光計測装置は、
上記第１又は第２の発明に記載の光計測装置において、
前記光源は、第１の光を前記１対の第１の発光ファイバに出力する第１の光源と、前記第１の光とは異なる波長の第２の光を前記１対の第２の発光ファイバに出力する第２の光源とを有し、
前記１対の第１の受光ファイバと前記１対の第１の受光素子との間に、前記第１の光のみを透過する第１のフィルタを設け、
前記１対の第２の受光ファイバと前記１対の第２の受光素子との間に、前記第２の光のみを透過する第２のフィルタを設けた
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る回転機械は、
上記第１〜第３のいずれか１つの発明に記載の光計測装置を備えた
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る光計測方法は、
先端が所定間隔で配置された１対の第１の発光ファイバと１対の第１の受光ファイバとを有する１対の第１のファイバ群を、対同士が三角測量における三角形の二辺を形成するように傾斜して光センサに配置し、
先端が前記所定間隔で配置された１対の第２の発光ファイバと１対の第２の受光ファイバとを有する１対の第２のファイバ群を、対同士が平行になるように前記光センサに配置し、
光源から前記１対の第１の発光ファイバ及び前記１対の第２の発光ファイバに光を出力して、前記１対の第１の発光ファイバから２本の斜め光線を出射させ、前記１対の第２の発光ファイバから２本の平行光線を出射させ、
回転体の外周面に設けられたターゲットを用いて、前記２本の斜め光線を前記１対の第１の受光ファイバへ各々反射し、前記２本の平行光線を前記１対の第２の受光ファイバへ各々反射し、
前記１対の第１の受光ファイバと各々接続された１対の第１の受光素子を用いて、各々で受光した前記光の強度を検出し、
前記１対の第２の受光ファイバと各々接続された１対の第２の受光素子を用いて、各々で受光した前記光の強度を検出し、
前記１対の第１の受光素子及び前記１対の第２の受光素子で各々検出した前記強度の変化を示す４つの波形に基づいて、熱伸びの影響を受けた前記所定間隔を含む演算を行う
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る光計測方法は、
上記第５の発明に記載の光計測方法において、
４つの前記波形における立ち上がりと立ち下がりの２つの時間から第１の時間差を各々求め、４つの前記第１の時間差の中の１つ又は複数の平均を用いて、前記ターゲットの周速を求め、
前記１対の第２の受光素子で検出した２つの前記波形に基づいて、前記２本の平行光線の各々を前記ターゲットが通過する２つの時間から第２の時間差を求め、当該第２の時間差を用いて、熱伸びの影響を受けた前記所定間隔を求め、
前記１対の第１の受光素子で検出した２つの前記波形に基づいて、前記２本の斜め光線の各々を前記ターゲットが通過する２つの時間から第３の時間差を求め、当該第３の時間差を用いて、前記１対の第１の発光ファイバの先端から前記ターゲットまでの距離を求める
ことを特徴とする。

本発明によれば、光センサにおいて、熱伸びの影響を受けた間隔を求めるので、光センサ側の熱伸びに起因する誤差を解消することができる。また、回転側の周速を求めて、回転側の半径を演算に使用しないようにするので、回転側の熱伸びや遠心伸びに起因する誤差を解消することもできる。

本発明に係る光計測装置及び回転機械の実施形態の一例（実施例１）を示す概略図である。図１に示した光計測装置を示す図であり、（ａ）は装置構成を示す構成図、（ｂ）は光ファイバ群の配置を示す図である。図１に示した光計測装置で計測した反射光量を示すグラフであり、（ａ）は斜め２光線の反射光量、（ｂ）は平行２光線の反射光量である。本発明に係る光計測装置の実施形態の他の一例（実施例２）を示す図であり、装置構成を示す構成図である。従来の光ファイバ式の光センサを示す図であり、（ａ）は、その先端部の斜視図、（ｂ）は、その光ファイバ群の拡大図である。図５に示した光センサの計測原理を説明する図である。図５に示した光センサで計測した反射光の強度の変化を示すグラフである。図５に示した光センサにおける計測の課題を説明する図である。

以下、図１〜図４を参照して、本発明に係る光計測装置、光計測方法及び回転機械の実施形態を説明する。なお、ここでは、回転機械の回転体として、ロータを例示しているが、本発明は、回転体として、シャフトやタービンなども使用可能である。

［実施例１］
本実施例の光計測装置は、図１に示すように、ターゲット１３、光センサ２０、光信号処理部３０、光信号演算部４０を有している。また、回転機械１０は、静止部であるケーシング１１と、ケーシング１１の内部に回転可能に支持された、回転部であるロータ１２（回転体）とを有している。光センサ２０は、ケーシング１１に取り付けられ、ロータ１２の外周面１２ａを望むように配置されている。

ターゲット１３は、光センサ２０から入射された光線を反射するように、ロータ１２の外周面１２ａ上に配置、固定されている。このターゲット１３は、熱伸びが小さい（線膨張係数が小さい）素材、例えば、石英やセラミックの板材からなり、所定の幅ｗを有している。また、ターゲット１３は、光センサ２０から入射された光線に対する反射率が高いものが好ましく、例えば、石英やセラミックの板材を反射率が高い色のものにしたり、石英やセラミックの板材の表面に高反射材料をコーティングしたりしても良い。

光センサ２０は、図２（ａ）に示すように、１対の斜めファイバ群２１及び２２（第１のファイバ群）、１対の平行ファイバ群２３及び２４（第２のファイバ群）を有している。１対の斜めファイバ群２１及び２２は、三角測量における三角形の二辺を形成するように傾斜して配置されており、１対の平行ファイバ群２３及び２４は、互いに平行に配置されている。

斜めファイバ群２１は、図２（ｂ）に示すように、１つの斜め発光ファイバ２１ａ（第１の発光ファイバ）と複数の斜め受光ファイバ２１ｂ（第１の受光ファイバ）からなり、１つの斜め発光ファイバ２１ａを中央とし、その周囲に複数の斜め受光ファイバ２１ｂを配置した構成としている。１つの斜め発光ファイバ２２ａ（第１の発光ファイバ）と複数の斜め受光ファイバ２２ｂ（第１の受光ファイバ）からなる斜めファイバ群２２も、図２（ｂ）に示すように、斜めファイバ群２１と同等の配置である。

また、１つの平行発光ファイバ２３ａ（第２の発光ファイバ）と複数の平行受光ファイバ２３ｂ（第２の受光ファイバ）からなる平行ファイバ群２３、そして、１つの平行発光ファイバ２４ａ（第２の発光ファイバ）と複数の平行受光ファイバ２４ｂ（第２の受光ファイバ）からなる平行ファイバ群２４も、図２（ｂ）に示すように、斜めファイバ群２１と同等の配置である。

なお、ここでは、１つの発光ファイバの周囲に、各々、複数の受光ファイバが一重に配置されているが、複数の受光ファイバを二重、三重又はそれ以上にして配置しても良いし、中央の発光ファイバの数を増やしても良い。

また、光センサ２０の先端における位置（ロータ１２の周方向に沿う位置）について、斜め発光ファイバ２１ａと平行発光ファイバ２３ａの先端の位置を同じ位置Ａとし、斜め発光ファイバ２２ａと平行発光ファイバ２４ａの先端の位置を同じ位置Ｂとしている。つまり、斜め発光ファイバ２１ａの先端と斜め発光ファイバ２２ａの先端との間隔ＡＢと、平行発光ファイバ２３ａの先端と平行発光ファイバ２４ａの先端との間隔ＡＢは、共に長さＬとしている。

また、光信号処理部３０は、１つの光源３１と複数の受光素子３２〜３５を有している。光源３１は、例えば、レーザなどであり、斜め発光ファイバ２１ａ、斜め発光ファイバ２２ａ、平行発光ファイバ２３ａ及び平行発光ファイバ２４ａの各々に接続されている。光源３１から出力された光線は、斜め発光ファイバ２１ａ、斜め発光ファイバ２２ａ、平行発光ファイバ２３ａ及び平行発光ファイバ２４ａを各々介して、ロータ１２の外周面１２ａに向けて照射されている。なお、光源３１は、１つの光源から構成しても良いし、複数の同じ光源から構成しても良い。１つの光源から構成した場合には、１つの光源の光路を４つに分岐し、分岐した各々の光路から、斜め発光ファイバ２１ａ、斜め発光ファイバ２２ａ、平行発光ファイバ２３ａ及び平行発光ファイバ２４ａに出力すれば良い。複数の光源、例えば、４つの光源から構成した場合には、４つの光源の各々の光路から、斜め発光ファイバ２１ａ、斜め発光ファイバ２２ａ、平行発光ファイバ２３ａ及び平行発光ファイバ２４ａに出力すれば良い。

このとき、斜め発光ファイバ２１ａからの斜め光線ＯＬ１と斜め発光ファイバ２２ａからの斜め光線ＯＬ２は、上述した三角測量の三角形を形成している。つまり、２本の斜め光線ＯＬ１及びＯＬ２は、従来と同様に、三角測量用の光線である。また、平行発光ファイバ２３ａからの平行光線ＰＬ１と平行発光ファイバ２４ａからの平行光線ＰＬ２は、長さＬの平行光線となっている。これらの２本の平行光線ＰＬ１及びＰＬ２は、後述するように、光センサ２０の熱伸び計測用の光線となる。なお、斜め光線ＯＬ１と平行光線ＰＬ１とが成す角度θ１と、斜め光線ＯＬ２と平行光線ＰＬ２とが成す角度θ２とは同じでなくても良い。

そして、１つの斜め発光ファイバ２１ａから照射された斜め光線ＯＬ１がターゲット１３で反射されると、複数の斜め受光ファイバ２１ｂで受光されて、その光信号ＯＳ１の強度が受光素子３２で検出される。同様に、１つの斜め発光ファイバ２２ａから照射された斜め光線ＯＬ２がターゲット１３で反射されると、複数の斜め受光ファイバ２２ｂで受光されて、その光信号ＯＳ２の強度が受光素子３３で検出される。

また、１つの平行発光ファイバ２３ａから照射された平行光線ＰＬ１がターゲット１３で反射されると、複数の平行受光ファイバ２３ｂで受光されて、その光信号ＰＳ１の強度が受光素子３４で検出される。同様に、１つの平行発光ファイバ２４ａから照射された平行光線ＰＬ２がターゲット１３で反射されると、複数の平行受光ファイバ２４ｂで受光されて、その光信号ＰＳ２の強度が受光素子３５で検出される。

すると、１対の受光素子３２及び３３（第１の受光素子）により、図３（ａ）のグラフに示すような２つの波形が観測され、また、１対の受光素子３４及び３５（第２の受光素子）により、図３（ｂ）のグラフに示すような２つの波形が観測される。図３（ａ）にグラフにおいて、各々の波形が光信号ＯＳ１及びＯＳ２に該当し、図３（ｂ）にグラフにおいて、各々の波形が光信号ＰＳ１及びＰＳ２に該当する。

そして、本実施例においては、光信号演算部４０が、図３（ａ）及び（ｂ）のグラフに示された４つの波形に基づいて、以下の手順により、下記（１）〜（３）の演算を行って、クリアランスｄを求めている。

（１）周速ｖの算出
図３（ａ）及び（ｂ）のグラフに示された４つの波形のうちの１つを用いて、波形の立ち上がりと立ち下がりの２つの時間から時間差Δｔ１（第１の時間差）を求める。次に、ターゲット１３の幅ｗを用いて、ｖ＝ｗ／Δｔ１から周速ｖを求める。このとき、平行光線ＰＬ１、ＰＬ２による光信号ＰＳ１、ＰＳ２の２つ波形のいずれかを用いることが望ましい。

なお、４つの波形のうちの２つ以上を用いて、複数の時間差Δｔ１の平均値を求め、その平均値を最終的な時間差Δｔ１として用いても良い。このとき、平行光線ＰＬ１、ＰＬ２による光信号ＰＳ１、ＰＳ２の２つの波形を用いることが望ましい。

（２）間隔ＡＢの算出
図３（ｂ）のグラフに示された２つの波形、つまり、平行光線ＰＬ１、ＰＬ２による光信号ＰＳ１、ＰＳ２の２つ波形に基づいて、２本の平行光線ＰＬ１、ＰＬ２の各々をターゲット１３が通過する２つの時間から時間差Δｔ２（第２の時間差）を求める。次に、算出した周速ｖを用いて、間隔ＡＢ＝ｖ×Δｔ２から間隔ＡＢを求める。

従来は、間隔ＡＢとして、作製時の寸法を用いていたが、本実施例では、時間差Δｔ２を求めることにより、熱伸びの影響を受けた間隔ＡＢを求めており、これにより、熱伸びによる誤差を低減することができる。

（３）クリアランスｄの算出
図３（ａ）のグラフに示された２つの波形、つまり、斜め光線ＯＬ１、ＯＬ２による光信号ＯＳ１、ＯＳ２の２つ波形に基づいて、２本の斜め光線ＯＬ１、ＯＬ２の各々をターゲット１３が通過する２つの時間から時間差Δｔ０（第３の時間差）を求める。この時間差Δｔ０は上述した式１におけるΔｔである。従って、算出した周速ｖ及び間隔ＡＢ（＝Ｌ）を用いて、上述した式１からクリアランスｄを求めることができる。そして、このとき、間隔ＣＤとして、間隔ＣＤ＝２×Ｒ×π×Ｎ×Δｔではなく、間隔ＣＤ＝ｖ×Δｔを用いてクリアランスｄを求めており、熱伸びや遠心伸びにより変化する半径Ｒを使用していないので、回転側の熱伸びや遠心伸びによる誤差を低減することができることになる。

本実施例は、以上説明した構成及び方法により、光センサ２０の熱伸び（間隔ＡＢの熱伸び）を求めているので、光センサ２０の熱伸びによる変化（間隔ＡＢの変化）や回転側の熱伸びや遠心伸びによる変化（半径Ｒの変化）に起因するクリアランスｄの計測誤差を解消して、より正確なクリアランスｄを求めることができる。

［実施例２］
本実施例の光計測装置は、上記実施例１に示した光計測装置を前提としている。そのため、ここでは、図１及び図２に示した実施例１の光計測装置と同等の構成には、同じ符号を付し、重複する構成については、その説明を省略する。

本実施例の光計測装置は、図４に示すように、更に、２つの光源３１ａ、３１ｂ、フィルタ３６〜３９を有している。光源３１ａ及び３１ｂ（第１の光源及び第２の光源）は、互いに異なる波長の光（第１の光及び第２の光）を出力するものである。実施例１においては、１つの光源３１が、斜め発光ファイバ２１ａ、斜め発光ファイバ２２ａ、平行発光ファイバ２３ａ及び平行発光ファイバ２４ａの全てに接続されていたが、ここでは、光源３１ａが斜め発光ファイバ２１ａ及び斜め発光ファイバ２２ａに接続され、光源３１ｂが平行発光ファイバ２３ａ及び平行発光ファイバ２４ａに接続されている。つまり、斜め発光ファイバ２１ａ及び斜め発光ファイバ２２ａから照射される斜め光線ＯＬ１及びＯＬ２と、平行発光ファイバ２３ａ及び平行発光ファイバ２４ａから照射される平行光線ＰＬ１及びＰＬ２とで、照射される光の波長（色）を変えている。

また、フィルタ３６及び３７は（第１のフィルタ）、光源３１ａから出力された波長の光のみを透過するものであり、フィルタ３８及び３９（第２のフィルタ）は、光源３１ｂから出力された波長の光のみを透過するものである。そして、光源３１ａが接続された斜め発光ファイバ２１ａ及び斜め発光ファイバ２２ａに対応して、斜め受光ファイバ２１ｂと受光素子３２との間にフィルタ３６を挟んで配置し、斜め受光ファイバ２２ｂと受光素子３３との間にフィルタ３７を挟んで配置している。同様に、光源３１ｂが接続された平行発光ファイバ２３ａ及び平行発光ファイバ２４ａに対応して、平行受光ファイバ２３ｂと受光素子３４との間にフィルタ３８を挟んで配置し、平行受光ファイバ２４ｂと受光素子３５との間にフィルタ３９を挟んで配置している。

以上説明した構成とすることにより、斜め光線ＯＬ１及びＯＬ２による反射光と平行光線ＰＬ１及びＰＬ２による反射光が混信した場合、外乱となる他方の反射光を排除することができる。

例えば、光源３１ａから出力する第１の光を緑色の波長の光（以降、緑色光線）とし、光源３１ｂから出力する第２の光を赤色の波長の光（赤色光線）とすると、斜め光線ＯＬ１及びＯＬ２は緑色光線、平行光線ＰＬ１及びＰＬ２は赤色光線となる。この場合、斜め受光ファイバ２１ｂ及び、斜め受光ファイバ２２ｂへの反射光は緑色光線であるが、乱反射した赤色光線が混信する可能性がある。その場合でも、フィルタ３６、３７は、混信した赤色光線を排除し、緑色光線のみを受光素子３２、３３へ通すので、受光素子３２、３３は、緑色光線のみの強度を検出することができる。同様に、平行受光ファイバ２３ｂ及び平行受光ファイバ２４ｂへの反射光は赤色光線であるが、乱反射した緑色光線が混信する可能性がある。その場合でも、フィルタ３８、３９は、混信した緑色光線を排除し、赤色光線のみを受光素子３４、３５へ通すので、受光素子３４、３５は、赤色光線のみの強度を検出することができる。

この場合、受光素子３２、３３は、緑色光線の波長に対して受光感度が高いものが望ましく、また、受光素子３４、３５は、赤色光線の波長に対して受光感度が高いものが望ましい。

このように、光源として、互いに異なる波長の光を出力する光源３１ａ、３１ｂを用い、斜め光線ＯＬ１及びＯＬ２による反射光と平行光線ＰＬ１及びＰＬ２による反射光が混信した場合でも、フィルタ３６〜３９により、外乱となる他方の反射光を排除することができ、その結果、ＳＮ比（信号雑音比）の低下を防止して、計測精度の低下を防止することができる。

本発明は、回転機械（例えば、タービン、圧縮機などのターボ機械など）の回転体を対象とする計測に好適なものである。例えば、タービンにおいては、内部リーク低減やラビング回避のためのクリアランス計測などに適用可能である。

１０回転機械
１２ロータ
１３ターゲット
２０光センサ
２１、２２斜めファイバ群
２１ａ、２２ａ斜め発光ファイバ
２１ｂ、２２ｂ斜め受光ファイバ
２３、２４平行ファイバ群
２３ａ、２４ａ平行発光ファイバ
２３ｂ、２４ｂ平行受光ファイバ
３０光信号処理部
３１、３１ａ、３１ｂ光源
３２、３３、３４、３５受光素子
３６、３７、３８、３９フィルタ
４０光信号演算部

Claims

光センサにおいて、先端が所定間隔で配置された１対の第１の発光ファイバと１対の第１の受光ファイバとを有し、対同士が三角測量における三角形の二辺を形成するように傾斜して配置された１対の第１のファイバ群と、
前記光センサにおいて、先端が前記所定間隔で配置された１対の第２の発光ファイバと１対の第２の受光ファイバとを有し、対同士が平行に配置された１対の第２のファイバ群と、
前記１対の第１の発光ファイバ及び前記１対の第２の発光ファイバに光を出力して、前記１対の第１の発光ファイバから２本の斜め光線を出射させ、前記１対の第２の発光ファイバから２本の平行光線を出射させる光源と、
回転体の外周面に設けられ、前記２本の斜め光線を前記１対の第１の受光ファイバへ各々反射し、前記２本の平行光線を前記１対の第２の受光ファイバへ各々反射するターゲットと、
前記１対の第１の受光ファイバと各々接続され、各々で受光した前記光の強度を検出する１対の第１の受光素子と、
前記１対の第２の受光ファイバと各々接続され、各々で受光した前記光の強度を検出する１対の第２の受光素子と、
前記１対の第１の受光素子及び前記１対の第２の受光素子で各々検出した前記強度の変化を示す４つの波形に基づいて、熱伸びの影響を受けた前記所定間隔を含む演算を行う演算部とを有する
ことを特徴とする光計測装置。
請求項１に記載の光計測装置において、
前記演算部は、
４つの前記波形における立ち上がりと立ち下がりの２つの時間から第１の時間差を各々求め、４つの前記第１の時間差の中の１つ又は複数の平均を用いて、前記ターゲットの周速を求め、
前記１対の第２の受光素子で検出した２つの前記波形に基づいて、前記２本の平行光線の各々を前記ターゲットが通過する２つの時間から第２の時間差を求め、当該第２の時間差を用いて、熱伸びの影響を受けた前記所定間隔を求め、
前記１対の第１の受光素子で検出した２つの前記波形に基づいて、前記２本の斜め光線の各々を前記ターゲットが通過する２つの時間から第３の時間差を求め、当該第３の時間差を用いて、前記１対の第１の発光ファイバの先端から前記ターゲットまでの距離を求める
ことを特徴とする光計測装置。
請求項１又は請求項２に記載の光計測装置において、
前記光源は、第１の光を前記１対の第１の発光ファイバに出力する第１の光源と、前記第１の光とは異なる波長の第２の光を前記１対の第２の発光ファイバに出力する第２の光源とを有し、
前記１対の第１の受光ファイバと前記１対の第１の受光素子との間に、前記第１の光のみを透過する第１のフィルタを設け、
前記１対の第２の受光ファイバと前記１対の第２の受光素子との間に、前記第２の光のみを透過する第２のフィルタを設けた
ことを特徴とする光計測装置。
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の光計測装置を備えた
ことを特徴とする回転機械。
先端が所定間隔で配置された１対の第１の発光ファイバと１対の第１の受光ファイバとを有する１対の第１のファイバ群を、対同士が三角測量における三角形の二辺を形成するように傾斜して光センサに配置し、
先端が前記所定間隔で配置された１対の第２の発光ファイバと１対の第２の受光ファイバとを有する１対の第２のファイバ群を、対同士が平行になるように前記光センサに配置し、
光源から前記１対の第１の発光ファイバ及び前記１対の第２の発光ファイバに光を出力して、前記１対の第１の発光ファイバから２本の斜め光線を出射させ、前記１対の第２の発光ファイバから２本の平行光線を出射させ、
回転体の外周面に設けられたターゲットを用いて、前記２本の斜め光線を前記１対の第１の受光ファイバへ各々反射し、前記２本の平行光線を前記１対の第２の受光ファイバへ各々反射し、
前記１対の第１の受光ファイバと各々接続された１対の第１の受光素子を用いて、各々で受光した前記光の強度を検出し、
前記１対の第２の受光ファイバと各々接続された１対の第２の受光素子を用いて、各々で受光した前記光の強度を検出し、
前記１対の第１の受光素子及び前記１対の第２の受光素子で各々検出した前記強度の変化を示す４つの波形に基づいて、熱伸びの影響を受けた前記所定間隔を含む演算を行う
ことを特徴とする光計測方法。
請求項５に記載の光計測方法において、
４つの前記波形における立ち上がりと立ち下がりの２つの時間から第１の時間差を各々求め、４つの前記第１の時間差の中の１つ又は複数の平均を用いて、前記ターゲットの周速を求め、
前記１対の第２の受光素子で検出した２つの前記波形に基づいて、前記２本の平行光線の各々を前記ターゲットが通過する２つの時間から第２の時間差を求め、当該第２の時間差を用いて、熱伸びの影響を受けた前記所定間隔を求め、
前記１対の第１の受光素子で検出した２つの前記波形に基づいて、前記２本の斜め光線の各々を前記ターゲットが通過する２つの時間から第３の時間差を求め、当該第３の時間差を用いて、前記１対の第１の発光ファイバの先端から前記ターゲットまでの距離を求める
ことを特徴とする光計測方法。