JPS6232368A - 高速回転体の回転検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高速回転体の回転検出装置に関し、例えば膨張
タービンの回転軸などの高速回転軸の回転数検出等に適
用される回転検出装置に関するものである。

〔従来技術〕

膨張タービンの回転軸のように、気体軸受あるいは磁気
軸受で支持されて数十力ｒ、ｐ、ｍ、で高速回転する回
転体に対しては、回転円板などの回転検出のための補助
手段を取り付けることは不可能である。そこで、このよ
うな高速回転軸では、第１４図に示すように回転軸１に
寸法上厳しく制限された切欠や突起体あるいは反射体な
どめ被検出部２を直接細工し、これを光電式センサ、磁
電式センサ、静電式センサ等の各種センサ３にて非接触
で検出するようにしている。

ところが、上記方法で検出される回転信号は、第１５図
（ａ）（ｂ）に示すように被検出部２に対応した成分（
以下主成分と称す）の他に、回転軸１の偏芯回転による
成分（以下アンバランス成分と称す）を含んでおり、同
図に実線で示すように偏芯回転が小さい場合にはアンバ
ランス成分に比較して主成分が大きく得られるので、周
波数カウンタによって回転数を比較的容易に検出するこ
とができる。しかし、同図に破線で示すように偏芯回転
が大きい場合にはアンバランス成分が主成分よりも大き
く検出される。この場合、アンバランス成分の大きさが
偏芯の程度によって定まらず、さらに偏芯位置によって
主成分波形とアンバランス成分波形との位置関係が定ま
らないため、これが回転数を検出する際の不安定要因と
なっている。例えば、主成分とアンバランス成分の大き
さ及び位置関係が第１５図（ｅ）で示すようになった場
合、カウンタのトリガリングレベルを波形振幅内のいず
れの位置に設定しても、カウントパルスは同図に示すよ
うに１回転に２パルスとなって検出結果は実回転数の２
倍になる。このように周波数カウンタだけでは回転数を
検出できないので、従来ではオシロスコープで回転信号
波形を常時モニター・し、基準発振周波との対比などに
よって目視測定が行なわれている。

このように従来は目視測定を行っているため、相当の熟
練性を必要とし、また精度が悪（かつ連続測定できない
ので応答性に欠け、さらに検出結果が電気信号として得
られないので、データ処理の自動化や回転の自動制御が
不可能である等の問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は上記従来の問題点を解決するためになされたも
のであって、高速回転体の外面に設けられた被検出部を
センサで検出して得られた検出信号中の主成分とアンバ
ランス成分を分離して自動的に正確な回転検出を行うこ
とができる回転検出装置の提供を目的とするものである
。

〔発明の構成〕

本発明に係る高速回転体の回転検出装置は、高速回転体
の側部に非接触状態で配置されて高速回転体の外面に設
けられた被検出部を検知するセンサと、このセンサの出
力信号から被検出部に対応する主成分と高速回転体の回
転時のアンバランスにより生じるアンバランス成分とを
それらの周波数成分の相違に基づいて分離する分離回路
と、基準時間当たりの前記出力信号の主成分を計数して
高速回転体の回転数を演算する計数回路とを備えてなり
、センサからの出力信号中の被検出部に対応する主成分
と偏芯回転によるアンバランス成分とでは周波数成分に
相違があることに着目して分離回路にて主成分を分離し
、これによって高速回転体が偏芯回転してもその回転数
を正確に検出できるようにしたことを特徴とするもので
ある。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図〜第１３図に基づいて
説明する。まず第１図により全体構成を説明すると、セ
ンサ３で検出された検出信号はプリアンプ回路４で増幅
され、分離回路５にて被検出部２に対応する主成分と偏
芯回転によるアンバランス成分とがそれらの周波数成分
の相違によって分離される。分離された主成分は計数表
示回路６に入力され、回転軸１の回転数を計数して表示
するとともにそのデジタルデータを制御信号出力回路７
に出力する。制御信号出力回路７では、回転数に比例し
たアナログ電圧及び電流を出力するとともに、回転数の
超過及び不足を検出してインクロック信号を出力する。

また、前記分離回路５から出力された主成分とアンバラ
ンス成分はアンバランス率検出回路８とバランスポイン
ト検出回路９とに入力されている。アンバランス率検出
回路８ではこれら２成分の比率に対応した電圧を出力す
るとともにアンバランス率が超過するとインクロック信
号を出力し、バランスポイント検出回路９では２成分の
位相を角度で表示するように構成されている。

前記分離回路５の詳細を第２図によ七説明すると、プリ
アンプ回路４の出力信号はカットオフ周波数可変型で特
性のよく揃ったハイパスフィルタ１１　（以下、図中で
はＨＰＦと記す）とローパスフィルタ１２　（以下、図
中ではＬＰＦと記す）にそれぞれ入力されており、これ
らハイパスフィルタ１１及びローパスフィルタ１２はカ
ットオフ周波数（以下、ｒｏと記すことがある）を別系
統の入力信号によって可変できるように構成されている
。これらハイパスフィルタ１１及びローパスフィルタ１
２の出力信号はそれぞれ特性のよく揃った第１及び第２
の交直変換回路１３・１４に入力されており、これら交
直変換回路からの出力信号が前記ハイパスフィルタ１１
及びローパスフィルタ１２のカットオフ周波数変換信号
を出力する第１の差動アンプ１５に入力されている。前
記ハイパスフィルタ１１及びローパスフィルタ１２の出
力信号はこれら両信号の差を出して主成分を出力する第
２の差動アンプ１６に入力されている。さらにハイパス
フィルタ１１から第１の差動アンプ１５に入力する入力
信号から補正値を減算する減算器１７が配設されている
。

この分離回路５の作用を説明すると、これは基本的にセ
ンサ３の出力信号の中で回転体の偏芯回転によって検出
されるアンバランス成分は回転角速度に応じた正弦波と
なるのに対して、被検出部による主成分は時間幅で数分
の１から数十分の１のパルス波形となるため（第１５図
参照）、両者間で周波数成分が異なること、及び両者の
周波数は回転軸１の回転数によって変化するが、その周
波数比は回転数に関係なくほぼ一定値を示すことに基づ
いたものである。

上記両フィルタ１１・１２を、第１の差動アンプ１５か
ら出力されるカプトオフ周波数変換信号が正の電圧信号
の場合はカットオフ周波数ｒ０を高周波側へ、負の電圧
信号の場合はカットオフ周波数ｆ０を低周波側へ移動さ
せるように構成してお（と、カットオフ周波数ｆ０はセ
ンサ３の出力信号の周波数に応じて追従するようになる
。これを第３図により説明する。第３図に両フィルタ１
１・１２の周波数−振幅特性を示し、ハイパスフィルタ
１１の特性は大実線で、ローパスフィルタ１２の特性は
綿実線で示しである。今、第１の差動アンプ１５の出力
信号が零、つまり両フィルタ特性の振幅が等しい点Ｏに
カットオフ周波数ｆ０が位置しているものとする。ここ
で、回転体の回転数が急激に上昇し、センサ３の出力信
号の周波数が急激に上昇してｆＸになったとすると、ハ
イパスフィルタ１１からはａ点の振幅値、ローパスフィ
ルタ１２からはｂ点の振幅値が出力され、その結果、第
１の差動アンプ１５のカットオフ周波数変換信号は上記
両振幅値の差に対応した正の電圧信号が出力されてカッ
トオフ周波数が高周波側に移動され、ｆ０点が「Ｘに一
致するようになる。

また逆に、回転体の回転数が急激にｆｘ’に下降した場
合も同様に両フィルタの出力がａ′・　ｂ′となり、カ
ットオフ周波数変換信号としてそれらの差に対応した負
の電圧信号が出力されてカットオフ周波数ｒ０がｆｘ′
に一致するように移動する。こうして、カットオフ周波
数ｆ０は回転体の回転数に応じたセンサ３からの検出信
号の周波数に追従することになる。

今、以上のように制御されたカットオフ周波数ｆ０が第
４図に示す位置にあり、各フィルタ１１・１２の特性が
実線で示すようになっているものとし、アンバランス成
分の周波数がｆｕ、主成分の周波数がｆｓであるとする
と、各フィルタの出力信号は第５図（ａ）に示すように
なる。即ち１、入力信号に対してローパスフィルタ１２
の出力信号は主成分の振幅が減衰し、ハイパスフィルタ
１１の出力信号はアンバランス成分の振幅が減衰した波
形となる。ここで、第１の交直変換回路１３からの出力
信号に減算器１７で補正電圧を印加し、ハイパスフィル
タ１１の出力信号のアンバランス成分の振幅がローパス
フィルタ１２の出力信号の振幅に等しくなるように調整
する。つまり、この補正によって第４図におけるカット
オフ周波数を「。点からｆｕ点へ若干移動させ、破線で
示した特性になるように補正する。すると、第５図（ｂ
）に示すように、ローパスフィルタ１２の出力信号は主
成分の振幅がさらに減衰する−ためアンバランス成分だ
けになり、ハイパスフィルタ１１の出力信号は主成分と
アンバランス成分の両方を含む波形となる。この分離を
確実に行うためには、両フィルタ１１・１２のカットオ
フ特性が重要であり、主成分とアンバランス成分の周波
数比が大きければ緩い傾斜のカットオフ特性のフィルタ
でよいが、小さい場合は急傾斜のカットオフ特性のフィ
ルタが必要となる。

こうして得られたハイパスフィルタ１１とローパスフィ
ルタ１２の出力信号がそれぞれ第２の差動アンプ１６に
入力され、第６図に示すように両者の差がとられてこの
第２の差動アンプ１Ｇから主成分が出力され、又、ロー
パスフィルタ１２の出力信号がアンバランス成分として
出力されることにより、主成分とアンバランス成分が分
離されて出力されるのである。第７図及び第８図に、ア
ンバランス回転時とバランス回転時において主成分とア
ンバランス成分を分離処理した実例の結果を示す。

こうして得られた主成分を入力信号として回転数を計数
表示する前記３（数表示回路６は、第９図に示すよ・う
に構成されている。主成分は比較回路１８に入力される
。比較回路１８では、しきい値設定回路１９から入力さ
れた値と主成分とが比較され、第１Ｏ図に示すように、
主成分がしきい値を超える毎にパルス信号が出力される
９パルス信号はバルスカウン］・回路２０に入力され、
基準時間発生回路２１にて設定された基準時間毎のパル
ス信号数をカウントし、そのカラン＋−ｉが外部に出力
されるとともに表示回路２２にてディスゲ！５・イ２３
に表示される。前記基準時間は通常回転数がｒ、ｐ、ａ
＋、表示されるように設定される。

前記アンバランス率検出回路８は、第１１図に示すよう
に、特性のよく揃った第１と第２のピーク値検出回路２
４・２５にそれぞれ主成分とアンバランス成分の信号が
入力され、各成分のピーク値が除算回路２６に入力され
、「アンバランス成分／主成分」の演算が行われ、その
結果が電圧値で出力される。このように、アンバランス
の程度をアンバランス成分と主成分との比率で定置化す
ることによ、って、センサ３を含む検出系の感度あるい
は直線性などの特性の変化を相殺することができ、これ
によって結果が不安定になるのを防止することかできる
。また、こうして得られたアンバランス率は、超過率設
定回路２７にて予め設定された回転体の損傷を来す虞れ
のある超過率と比較回路２８で比較され、アンバランス
率がこの設定値を超えた場合に回転を停止すべくインク
ロック信号を出力するように構成されている。

さらにバランスポイントの検出は、次のような方法に基
づいて求めるようにしている。今、例えば分離回路５か
ら出力された主成分とアンバランス成分が第１２図に示
すような波形で、主成分を基準として時間の進む方向に
２７０°の位置に′アンバランス成分のピークがあると
すると、回転軸１が被検出部２から回転方向に２７０°
　（反回転方向に９０°）の位置でセンサ３に最接近す
るような偏芯回転をしていることがわかる。ここで、第
１２図のａ−ｂの時間、即ち１周期（３６０゜）の時間
をＸ、ａ−ｃの時間をＹとすると、０点の位置（角度）
は、３６０・Ｙ／Ｘで表すことができる。つまり、ここ
での０点は３６０・３／′４−２７０となる。

このような演算を行う前記バランスポイント検出回路９
は、第１３図に示すように構成されている。主成分及び
アンバランス成分が入力されているゲートコントロール
信号発生回路２９によって、主成分信号に対応するＸデ
ー１−３０３とアンバランス成分信号に対応するＹデー
１−３０　ｂを開閉するように構成され、かつこれらゲ
ートに基準パルス発生回路３１からのパルス信号が入力
されており、第１２図のａ点で両ゲートが開いてパルス
信号がそれぞれＸカウンタ３２ａ及びＹカウンタ３２ｂ
でカウントされ、第１２図の０点でＹゲー）３０ｂが閉
じ、Ｙカウンタ３２ｂからのカラン］・データが確立さ
れて一時記憶され、続いて第１２図の１）点でＸゲート
３０ａも閉じ、Ｘカウンタ３２ａのカウントデータが確
立された後、演算回路３５にて上記演算が行われ、その
結果が表示回路３６にてディスプレイに表示される。

〔発明の効果〕

本発明に係る高速回転体の回転検出装置によれば、以上
のように高速回転体の外面に設けられた被検出部を検知
するセンサと、このセンサの出力信号から被検出部に対
応する主成分と高速回転体の回転時のアンバランスによ
り生じるアンバランス成分とをそれらの周波数成分の相
違に基づいて分離する分離回路と、基準時間当たりの前
記出力信号の主成分を計数して高速回転体の回転数を演
算する計数回路とを備えているので、センサからの出力
信号中に被検出部に対応する主成分と偏芯回転によるア
ンバランス成分とを含んでいても両者の周波数成分に相
違があることに基づいて分離回路にて主成分を分離する
ことができる。これによって高速回転体が偏芯回転して
もその回転数を正確に検出することができ、自動的に電
気信号として回転検出できるため、データ処理及び回転
の自動制御が可能となる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の全体構成を示すブロック図
、第２図は分離回路のブロック図、第３図、第４図、第
５図（ａ）、同（ｂ）及び第６図はそれぞれ分離回路の
動作説明図、第７図（ａ）（ｂ）（ｃ）及び第８図（ａ
Ｎｂ）（ｃ）は実例について分離処理した結果を示す波
形図、第９図は計数表示回路のブロック図、第１０図は
同動作説明図、第１１図はアンバランス率検出回路のブ
ロック図、第１２図（ａ）（ｂ）はバランスポイント検
出方法の説明図、第１３図は同ブロック図、第１４図は
回転検出状態の説明図、第１５図（ａ）、同（ｂ）、同
（ｃ）は同作用説明図である。 １は回転軸、２は被検出部、３はセンサ、５は分離回路
、６は計数表示回路、１１はカットオフ周波数可変型ハ
イパスフィルタ、１２はカットオフ周波数可変型ローパ
スフィルタ、１３は第１の交直変換回路、１４ば第２の
交直変換回路、１５は第１の差動アンプ、１６は第２の
差動アンプ、１７は減算器である。 第５１１Ｉ 第６図 第７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．高速回転体の側部に非接触状態で配置され高速回転
   体の外面に設けられた被検出部を検知するセンサと、こ
   のセンサの出力信号から被検出部に対応する主成分と高
   速回転体の回転時のアンバランスにより生じるアンバラ
   ンス成分とをそれらの周波数成分の相違に基づいて分離
   する分離回路と、基準時間当たりの前記出力信号の主成
   分を計数して高速回転体の回転数を演算する計数回路と
   を備えていることを特徴とする高速回転体の回転検出装
   置。
2. ２．分離回路が、カットオフ周波数可変型のハイパスフ
   ィルタ及びローパスフィルタと、これらフィルタの出力
   信号が交直変換回路を介して入力されかつこれら両フィ
   ルタに対してカットオフ周波数変換信号を出力する第１
   の差動アンプと、ハイパスフィルタの出力信号からロー
   パスフィルタの出力信号を減算して主成分を出力する第
   ２の差動アンプとを備えている特許請求の範囲第１項記
   載の高速回転体の回転検出装置。