状态评价系统、状态评价装置以及状态评价方法与流程

1.本发明的实施方式涉及一种状态评价系统、状态评价装置以及状态评价方法。


背景技术：

2.空气调节/热源系统用的压缩机在从装入室外机之后至达到压缩机的寿命为止难以通过目视来确认内部状态。因此，为了适当地管理压缩机的更换时期，需要利用某些方法来监视压缩机内部的异常的产生和异常的进展。以往，作为压缩机的异常探测方法，提出了使用从安装于压缩机外部的ae传感器获取的信号的方法(例如参照专利文献1和专利文献2)。ae传感器有可能在产生了成为轻微的破坏的起点的微小的裂纹、磨损之类的初始阶段的异常的时机能够探测出信号的变化。因此认为，如果能够探测从压缩机内部的滑动部(例如旋转体的轴与轴承的组合、刮板与滚子的组合)产生的弹性波，则无需将传感器内置于压缩机内部就能够从外壳的外侧估计压缩机内部的滑动状态。然而，运行中的压缩机始终振动。因此，检测的弹性波很多起因于壳体的振动、压缩工序的应力应变。在该情况下，难以判别所检测出的弹性波是由于设备的异常而产生的弹性波、还是起因于应力应变而产生的弹性波。因此，有时无法高精度地评价压缩机内部的异常。这样的问题不限于压缩机，在具有滑动部的产业设备整体中共同地产生。
3.专利文献1：日本专利第3325015号公报
4.专利文献2：日本专利第4809455号公报


技术实现要素：

5.发明要解决的问题
6.本发明要解决的问题是提供能够高精度地评价产业设备的异常的状态评价系统、状态评价装置以及状态评价方法。
7.用于解决问题的方案
8.实施方式的状态评价系统具有传感器、滤波器、信号处理部以及评价部。传感器检测从运行中的产业设备产生的弹性波。滤波器能够使具有起因于在所述产业设备内部产生的磨损的频率特性的弹性波通过。信号处理部使用通过了所述滤波器的弹性波来提取多个特征量。评价部基于提取出的多个特征量的组合来评价所述产业设备的异常。
附图说明
9.图1是表示实施方式的状态评价系统的结构的图。
10.图2是实施方式中的压缩机的a
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a部分的截面图。
11.图3是表示实施方式中的并非起因于磨损的弹性波信号的一例的图。
12.图4是表示实施方式中的设想为起因于磨损的弹性波信号的一例的图。
13.图5是表示实施方式中的信号处理部的功能的概略框图。
14.图6是表示利用实施方式中的状态评价系统的异常评价处理的流程的时序图。
15.图7是在实施方式中的压缩机中未产生异常的情况下得到的散布图。
16.图8是在实施方式中的压缩机中产生了异常的情况下得到的散布图。
17.图9是表示在实施方式中的压缩机中未产生异常的情况下得到的散布图的一例的图。
18.图10是表示在实施方式中的压缩机中产生了异常的情况下得到的散布图的一例的图。
19.图11是表示实施方式中的压缩机的转速与评价结果的正确回答率的关系性的图。
具体实施方式
20.以下，参照图来说明实施方式的状态评价系统、状态评价装置以及状态评价方法。
21.图1是表示实施方式的状态评价系统100的结构的图。状态评价系统100使用于产业设备的异常评价。在本实施方式中，作为产业设备的一例，以压缩机为例进行说明，但是产业设备无需限定于压缩机。产业设备只要是具有滑动部的产业设备，就可以是任意的设备。例如，产业设备有原动机、电动机以及泵等。滑动部表示例如旋转体的轴与轴承的组合或刮板与滚子的组合那样一边相对摩擦一边滑动的部分。本实施方式中的产业设备的异常例如是指设置于产业设备内部的滑动部的损伤。
22.状态评价系统100具备压缩机1、传感器10、放大器11、滤波器12、放大器13、a/d变换器14、信号处理部15以及状态评价装置20。信号处理部15与状态评价装置20以能够通过有线或无线进行通信的方式被连接。在信号处理部15与状态评价装置20通过无线被连接的情况下，无线的频带例如能够使用2.4ghz、920mhz段(在日本国内是915mhz～928mhz)等所谓的ism频段(industry science medical band：工业、科学、医学频段)。
23.压缩机1是对空气、气体等气体进行加压和压缩的设备。压缩机1例如是容积式压缩机或离心式压缩机。在本实施方式中，以压缩机1是容积式压缩机的情况为例进行说明。在容积式中，有往复式、旋转式、滚动式、螺旋式等种类。设压缩机1例如以转速60rps(revolutions per second：每秒钟转数)运行。压缩机1利用于产业用的空气调节热源系统、大楼或工厂用的空气调节系统。压缩机1具备外壳2和蓄能器3。外壳2与蓄能器3经由管被连接。外壳2具有喷出管4和电弧斑点(arc spot)6。喷出管4将被压缩的气体排出到外部。蓄能器3从吸入管5吸入制冷剂，将制冷剂分离为液态制冷剂和气态制冷剂。在图2中示出压缩机1中的a
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a部分的截面图。
24.图2是实施方式中的压缩机1的a
‑
a部分的截面图。
25.在压缩机1的内部至少设置有气缸7。在气缸7的内部设置有压缩室8。在压缩机1的外部设置有传感器10。在压缩室8中，由滑动部进行制冷剂的压缩。在压缩机1内部的滑动部中产生了异常的情况下，由于旋转体的轴与轴承相互摩擦而产生设想为起因于磨损的弹性波。压缩机1中产生的弹性波易于在将压缩机1的外壳2与气缸7固定的电弧斑点6周边被检测。因此，传感器10设置于电弧斑点6周边。期望将传感器10的设置位置设为电弧斑点6的直径的规定的倍数(例如3倍)的范围内。由此，能够提高弹性波的检测精度。
26.压缩机1中产生的弹性波不限于设想为起因于磨损的弹性波，还存在如壳体的振动、压缩工序的应力应变等那样并非起因于磨损的弹性波。在图3和图4中示出压缩机1中产生的弹性波信号的一例。图3是表示并非起因于磨损的弹性波信号的一例的图。图4是表示
设想为起因于磨损的弹性波信号的一例的图。在图3和图4中，横轴表示时间，纵轴表示弹性波信号的振幅。如图3和图4所示，在设想为起因于磨损的弹性波与并非起因于磨损的弹性波之间，信号的波形不同。因此，在本实施方式中的状态评价装置20中，通过检测该弹性波的差异来评价压缩机1的异常。
27.返回到图1来继续说明。
28.传感器10被设置于压缩机1的电弧斑点6周边。传感器10既可以被直接设置于外壳2，也可以使用适于传感器10中的传感器头的形状的磁体座被设置于外壳2。在传感器10被直接设置于外壳2的情况下，传感器10通过粘接剂被粘接于外壳2。在传感器10使用适于传感器头的形状的磁体座被设置于外壳2的情况下，在传感器头与外壳的接触面隔着油脂、弹性体被设置。传感器10检测压缩机1中产生的弹性波。传感器10将检测出的弹性波作为电信号输出到放大器11。在传感器10中，使用例如在10khz～1mhz的范围具有灵敏度的压电元件。传感器10有在频率范围内具有谐振峰值的谐振型、抑制了谐振的宽频带型等，传感器10的种类可以是任意的。作为传感器10检测弹性波的方法，有电压输出型、电阻变化型以及静电电容型等，可以是任意的检测方法。
29.放大器11将从传感器10输出的弹性波进行放大。放大器11将放大后的弹性波输出到滤波器12。放大器11将弹性波例如放大到能够在滤波器12中处理的程度。
30.滤波器12对从放大器11输出的弹性波进行滤波。滤波器12是被设定为能够使规定的频带的信号通过的带通滤波器。例如，滤波器12是被设定为能够使具有起因于磨损的频率特性的弹性波通过的滤波器。滤波器12例如被设定为能够使频率高于500khz的信号通过。在压缩机1是旋转式的压缩机的情况下，期望滤波器12被设定为能够使从520khz至850khz的信号通过。
31.放大器13将通过了滤波器12的弹性波进行放大。放大器13将放大后的弹性波输出到a/d变换器14。放大器13例如将通过了滤波器12的弹性波放大规定量(例如10倍～100倍)。
32.a/d变换器14将放大后的弹性波进行量化来变换为数字信号。a/d变换器14将数字信号输出到信号处理部15。
33.信号处理部15将从a/d变换器14输出的数字信号作为输入。信号处理部15对所输入的数字信号进行信号处理。由信号处理部15进行的信号处理例如是噪声去除、特征量提取等。信号处理部15生成包含信号处理后的数字信号的发送数据。信号处理部15将所生成的发送数据输出到状态评价装置20。信号处理部15是使用模拟电路或数字电路来构成的。数字电路例如通过fpga(field programmable gate array：现场可编程门阵列)、微型计算机来实现。数字电路也可以通过专用的lsi(large
‑
scale integration：大规模集成电路)来实现。信号处理部15也可以搭载快闪存储器等非易失性存储器、能够拆卸的存储器。
34.状态评价装置20使用包含在从信号处理部15输出的发送数据中的数字信号来评价压缩机1的异常。状态评价装置20具备通信部21、控制部22、存储部23以及显示部24。
35.通信部21接收从信号处理部15输出的数字信号。
36.控制部22控制状态评价装置20整体。控制部22是使用cpu(central processing unit：中央处理单元)等处理器、存储器来构成的。控制部22通过执行程序来作为获取部221和评价部222发挥功能。用于实现获取部221和评价部222的程序既可以在出厂时安装于状
mean square：均方根)值等。特征量提取部153将与提取出的特征量有关的参数输出到发送数据生成部154。
47.波形的振幅例如是在噪声去除弹性波信号中最大振幅的值。波形的上升时间例如是从选通信号的上升开始起至噪声去除弹性波信号达到最大值为止的时间t1。选通信号的持续时间例如是从选通信号的上升开始起至振幅小于预先设定的值为止的时间。零交叉计数数例如是噪声去除弹性波信号横穿通过零值的基准线的次数。波形的能量例如是在各时间点对噪声去除弹性波信号的振幅的平方进行时间积分而得到的值。此外，能量的定义不限定于上述例子，例如也可以使用波形的包络线进行近似来得到。频率是噪声去除弹性波信号的频率。达到时刻是检测到弹性波的时刻。rms值例如是在各时间点将噪声去除弹性波信号的振幅进行平方并通过平方根求出的值。
48.发送数据生成部154将与特征量有关的参数作为输入。发送数据生成部154生成包含所输入的与特征量有关的参数的发送数据。
49.存储器155存储发送数据。存储器155例如是双端口ram(random access memory：随机存取存储器)。
50.输出部156将被存储在存储器155中的发送数据逐次输出到状态评价装置20。
51.图6是表示利用实施方式中的状态评价系统100的异常评价处理的流程的时序图。在图6所示的例子中，设压缩机1处于运行中，在传感器等中包括传感器10、放大器11、滤波器12、放大器13以及a/d变换器14，来进行说明。
52.传感器10检测从运行中的压缩机1产生的弹性波(步骤s101)。传感器10将检测出的弹性波输出到放大器11。放大器11将从传感器10输出的弹性波进行放大(步骤s102)。放大器11将放大后的弹性波输出到滤波器12。从放大器11输出的放大后的信号通过滤波器12被滤波(步骤s103)。由此，能够提取从运行中的压缩机1检测的弹性波中的除了并非起因于磨损的信号以外的设想为起因于磨损的弹性波。
53.由滤波器12滤波后的弹性波被输入到放大器13。放大器13将被输入的弹性波进行放大(步骤s104)。放大器13将放大后的信号输出到a/d变换器14。a/d变换器14将被输入的弹性波进行量化来变换为数字信号(步骤s105)。a/d变换器14将数字信号输出到信号处理部15(步骤s106)。
54.信号处理部15被输入从a/d变换器14输出的数字信号。信号处理部15使用所输入的数字信号来提取弹性波的特征量(步骤s107)。具体地说，特征量提取部153使用作为在被输入第一选通信号的期间输入的数字信号的噪声去除弹性波信号，来提取噪声去除弹性波信号的特征量。信号处理部15将与提取出的特征量有关的参数输出到发送数据生成部154。发送数据生成部154生成包含与特征量有关的参数的发送数据(步骤s108)。输出部156将发送数据逐次输出到状态评价装置20(步骤s109)。
55.状态评价装置20的通信部21接收从信号处理部15输出的发送数据。获取部221获取由通信部21接收到的发送数据。获取部221将获取到的发送数据记录到存储部23中(步骤s110)。评价部222在存储部23中存储有规定的数量的发送数据的情况下，使用多个发送数据来生成表示多个特征量的相关关系的散布图(步骤s111)。具体地说，首先，评价部222从多个发送数据的各发送数据获取多个特征量。例如，评价部222从多个发送数据的各发送数据获取波形的能量和选通信号的持续时间来作为多个特征量。接着，评价部222使用获取到
的波形的能量和选通信号的持续时间，将横轴设为持续时间并将纵轴设为能量来生成表示相关关系的散布图。
56.在图7和图8中示出散布图的一例。图7是表示在压缩机1中未产生异常的情况下得到的散布图的一例的图。图8是表示在压缩机1中产生了异常的情况下得到的散布图的一例的图。图7和图8所示的点30是基于从弹性波得到的多个特征量标绘的点。图7和图8中的点30是基于从弹性波得到的波形的能量和选通信号的持续时间标绘的。在压缩机1内部的滑动部中没有损伤的压缩机1中，如图7所示，测量到的弹性波的能量呈现与信号的持续时间成比例地增加的趋势。另一方面，在压缩机1内部的滑动部中存在异常的情况下，如图8的区域31所示，脱离弹性波的能量与持续时间的关系的点30频发。评价部222基于脱离的点30的比例来评价压缩机1内部的异常(步骤s112)。具体地说，评价部222在所生成的散布图上描绘近似直线，在从近似直线离开规定的距离的点30的比例(在全部的点30中的比例)为阈值以上的情况下评价为压缩机1内部的异常。评价部222将评价结果输出到显示部24。显示部24显示从评价部222输出的评价结果(步骤s113)。显示部24既可以显示散布图来作为评价结果，也可以显示异常的有无来作为评价结果。
57.在如以上那样构成的状态评价系统100中，利用滤波器12对从安装于压缩机1的外壳2的传感器10得到的弹性波进行滤波，提取在运行中的压缩机1内部产生的起因于磨损的弹性波(振幅小、且具有比较高的频率特性的弹性波)。然后，在状态评价装置20中，基于从弹性波得到的多个特征量的组合来评价压缩机1的异常。由此，能够排除起因于振动、压缩工序的应力应变的弹性波来进行评价。因而，无需判别起因于振动、压缩工序的应力应变的弹性波和由于压缩机1的异常而产生的弹性波。因此，能够高精度地评价压缩机内部的异常。
58.评价部222在从根据多个弹性波各自的多个特征量的相关关系导出的近似直线脱离的比例为阈值以上的情况下，评价为压缩机1的异常。存在脱离的弹性波表示有可能在装置内部产生了某些异常。但是，在脱离的比例少的情况下(例如小于阈值)，还有可能是偶然产生的弹性波。另一方面，在脱离的比例为阈值以上的情况下，可设想为不是偶然产生的弹性波，而是由于装置内部的异常的产生而成为通常不可能产生的现象。因此，评价部222通过在脱离的比例为阈值以上的情况下评价为压缩机1的异常，即使在装置内部不设置传感器等也能够发现异常。
59.以下，说明状态评价系统100的变形例。
60.放大器11、滤波器12、放大器13以及a/d变换器14的至少一个也可以与信号处理部15成一体地构成。信号处理部15也可以配备于状态评价装置20。
61.状态评价装置20所具备的各功能部也可以是其一部分或全部配备于其它壳体。例如也可以是：状态评价装置20具备通信部21、控制部22以及存储部23，显示部24配备于其它壳体。在这样构成的情况下，控制部22对通信部21进行控制来将评价结果输出到其它壳体所具备的显示部24。
62.在本实施方式中示出了将波形的能量和持续时间用作多个特征量的结构，但是评价部222在评价中使用的多个特征量不限定于此。只要是从弹性波得到的特征量，则评价部222也可以将任意的特征量进行组合来进行评价。例如，评价部222也可以将波形的能量和波形的振幅用作多个特征量。即使在该情况下，除了在散布图的生成中使用的特征量不同
这一点以外，关于散布图的生成与上述的实施方式同样。使用图9和图10来说明基于其它特征量的组合(例如波形的能量和波形的振幅)的评价。在该情况下，评价部222使用获取到的波形的能量和波形的振幅，将横轴设为波形的能量并将纵轴设为波形的最大振幅来生成散布图。
63.图9表示在压缩机1中未产生异常的情况下得到的散布图的一例，图10表示在压缩机1中产生了异常的情况下得到的散布图的一例。图9和图10所示的点30是基于从弹性波得到的多个特征量标绘的点。图9和图10中的点30是基于从弹性波得到的波形的能量和波形的振幅标绘的。在压缩机1内部的滑动部中存在异常的压缩机1中，与在压缩机1内部的滑动部中没有损伤的情况相比，测量到的弹性波的能量变大。因此，评价部222在所生成的散布图中被设定为阈值th的某能量以上的标绘存在规定的数量以上的情况下，评价为压缩机1内部的异常。另一方面，评价部222在所生成的散布图中被设定为阈值th的某能量以上的标绘少于规定的数量的情况下，评价为不存在压缩机1内部的异常。此外，阈值th是预先设定的值，既可以根据压缩机1的种类而不同，也可以相同。
64.在本实施方式中，作为压缩机1的转速，以60rps为例进行了说明，但是压缩机1的转速不限定于此。例如，压缩机1的转速优选在转速30rps～70rps的范围内。关于其理由，使用图11进行说明。图11是表示压缩机1的转速与评价部222的评价结果的正确回答率的关系性的图。在图11中，横轴表示旋转速度，纵轴表示正确回答率。正确回答率是表示评价部222的评价精度的指标。图11中的阈值是成为表示评价部222的评价精度的基准的值。在正确回答率为阈值以上的情况下表示评价部222的评价精度良好，在正确回答率小于阈值的情况下表示评价部222的评价精度差。如图11所示，在转速30rps～70rps的范围内，正确回答率为阈值以上，与此相对，在转速小于30rps以及多于70rps的情况下，正确回答率显著下降。在转速少(小于30rps)的情况下，认为由于检测不到多少弹性波而评价精度变差。另一方面，在转速多(多于70rps)的情况下，认为除了设想为起因于磨损的弹性波以外，还检测出大量的因内部的设备彼此的碰撞等而产生的弹性波，因此评价精度变差。因此，为了高精度地检测压缩机1内部的损伤，认为压缩机1的转速优选在转速30rps～70rps的范围内。
65.在本实施方式中，示出了评价部222基于从根据多个特征量的相关关系导出的近似直线脱离的比例来评价压缩机1的异常的结构。评价部222也可以基于多个特征量的相关关系使用其它方法来评价压缩机1的异常。例如，评价部222也可以根据基于多个特征量的相关关系的相关系数、残差来评价压缩机1的异常。以下，具体进行说明。
66.(使用相关系数的情况)
67.评价部222在将选通信号的持续时间和波形的能量用作多个特征量的情况下，基于以下的式(1)计算选通信号的持续时间与波形的能量的相关系数r。在式(1)中，将选通信号的持续时间设为x，将波形的能量设为y。
68.[数学式1]
[0069][0070]
式(1)中的s
xy
表示选通信号的持续时间(x)与波形的能量(y)的协方差。式(1)中的s
x
表示选通信号的持续时间的标准偏差。式(1)中的s
y
表示波形的能量的标准偏差。越是随
着损伤的发展而脱离点增加则越是多个特征量的相关关系被破坏而相关系数减小。因此，评价部222在计算出的相关系数r小于阈值的情况下，评价为在压缩机1内部产生了异常。评价部222在计算出的相关系数r为阈值以上的情况下，评价为在压缩机1内部未产生异常。
[0071]
(使用残差的情况)
[0072]
评价部222在将选通信号的持续时间和波形的能量用作多个特征量的情况下，基于以下的式(2)计算利用最小二乘法以直线近似来表示选通信号的持续时间与波形的能量的相关关系时的残差的均方根r。
[0073]
[数学式2]
[0074][0075]
式(2)中的f(x)表示近似直线。式(2)中的n表示数据的数量。数据的数量例如是图7和图8所示的点30的数量。评价部222在计算出的均方根r为阈值以上的情况下，评价为在压缩机1内部产生了异常。评价部222在计算出的均方根r小于阈值的情况下，评价为在压缩机1内部未产生异常。
[0076]
根据以上说明的至少一个实施方式，具有传感器、滤波器、信号处理部以及评价部。传感器检测从运行中的产业设备产生的弹性波。滤波器使具有起因于在所述产业设备内部产生的磨损的频率特性的弹性波通过。信号处理部使用通过了所述滤波器的弹性波来提取多个特征量。评价部基于提取出的多个特征量的组合来评价所述产业设备的异常。由此，能够高精度地评价产业设备的异常。
[0077]
说明了本发明的若干个实施方式，但是这些实施方式是作为例子呈现的，不意图限定发明的范围。这些实施方式能够以其它各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式、其变形包括在发明的范围、主旨中，同样地包括在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。