專利名稱：用于機器內(nèi)部空間的監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于機器內(nèi)部空間的監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
所述的機器例如為燃氣渦輪機，其內(nèi)部空間為具有渦輪的燃燒室。所述的也例如為泵，其在運行中由待泵吸介質(zhì)流經(jīng)的內(nèi)部空間為具有槳輪的泵室。在所述的燃氣渦輪機中內(nèi)部空間例如由熱保護元件包裹，其在燃燒室內(nèi)燃燒的燃氣中保護機器的金屬外罩。該類元件可能會全部或部分脫落并且落入機器的內(nèi)部空間中。 槳輪的槳葉或者渦輪的渦輪槳葉的部分也可能會脫落并且干擾相應(yīng)機器的運行。機器及其外壁或者外殼上也可能出現(xiàn)裂紋或斷裂或者其它異物可能進入內(nèi)部空間。US 4，507，658公開了用于渦輪機的監(jiān)控系統(tǒng)，通過其可以觀察渦輪機槳葉的振動。為此渦輪機槳葉通過毫米波雷達系統(tǒng)被輻照并且分析反射信號以識別非正常振動。已知的監(jiān)控系統(tǒng)不能告知內(nèi)部空間內(nèi)掉落的熱保護元件或者其它異物的存在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于提供用于機器內(nèi)部空間的改進的監(jiān)控系統(tǒng)。本發(fā)明基于的想法是實現(xiàn)非接觸式的、還能檢測上面所述的機器內(nèi)部空間中松動部分或異物元件的監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)采用的技術(shù)在這里必須具有良好的位置分辨率，從而能夠例如檢測燃氣渦輪機中各個熱保護元件或其部件的缺失。同時監(jiān)控系統(tǒng)必須能夠穿過不同濃度的介質(zhì)，例如燃氣、蒸汽或者液體，從而能夠獲取機器內(nèi)部空間的信息。該任務(wù)通過按照權(quán)利要求1的用于機器內(nèi)部空間的監(jiān)控系統(tǒng)得以解決。它包括將雷達射線射入內(nèi)部空間的雷達源。這里不僅是渦輪槳葉，而是機器的整個內(nèi)部空間被輻照。 此處的問題是，內(nèi)部空間通常完全由金屬外殼包圍。整個內(nèi)部空間反射雷達射線。到目前為止公開的雷達技術(shù)的出發(fā)點均為在被輻照的空間區(qū)域內(nèi)僅發(fā)現(xiàn)單獨的反射元件(例如一架處于除飛機外空的大氣層中的飛機)。其反射波被用于雷達成像。采用雷達技術(shù)整體輻照內(nèi)部空間意味著與熟知方法的背離。雷達接收器接收在內(nèi)部空間中反射的雷達射線并且給出與接收的雷達射線相應(yīng)的接收信號。監(jiān)控系統(tǒng)還包括控制和分析單元。該控制和分析單元此時從接收信號中計算出-同樣背離于傳統(tǒng)的雷達技術(shù)-實際標(biāo)記(Signatur)，例如通過數(shù)字信號處理。它并不首先用于成像，而是應(yīng)當(dāng)只算出接收信號的特征曲線，其與內(nèi)部空間的幾何形狀相關(guān)，使得內(nèi)部空間中應(yīng)被觀察的偏差(例如缺失的熱保護元件、渦輪槳葉的缺失部件、機器部件的裂紋或斷裂或者內(nèi)部空間中的其它異物)導(dǎo)致實際標(biāo)記的變動。實際標(biāo)記例如為接收信號的時域或頻域信號分析的結(jié)果。這里可以想到的是分析接收信號的振幅和/或相位或者尋找頻譜中的頻移或者進行多普勒分析。在時間范圍內(nèi)可以例如通過從發(fā)射到接收超寬帶雷達脈沖的運行時間測量來采集內(nèi)部空間幾何形狀的改變。另一方面超寬帶雷達脈沖的頻譜分布的改變也表明了內(nèi)部空間的改變。
此外控制和分析單元還具有額定標(biāo)記，其對應(yīng)實際標(biāo)記的特征，但基于或代表已知的無故障的機器。換言之，額定標(biāo)記為在已知的無故障的機器上從接收信號計算出的實際標(biāo)記。監(jiān)控系統(tǒng)還包括輸出單元。當(dāng)實際標(biāo)記和額定標(biāo)記的差值越過極限尺寸時，該輸出單元輸出故障信號。額定標(biāo)記可以例如通過所謂的通道探測技術(shù) (Channel-Sounding-Technik)計算出。換言之，即通過監(jiān)控系統(tǒng)不會產(chǎn)生實際的真實的例如類似傳統(tǒng)雷達圖像的機器內(nèi)部空間的圖像，而是產(chǎn)生抽象的實際標(biāo)記，其包括了具有足夠位置分辨率的內(nèi)部空間的幾何說明或者材料特征曲線作為信息。通過監(jiān)控系統(tǒng)，在機器運行中反復(fù)測量的實際標(biāo)記和對應(yīng)無故障的機器的額定標(biāo)記間的差值被觀測。通過該方法實現(xiàn)了將不適用于整體空間監(jiān)控的雷達技術(shù)也應(yīng)用于機器的金屬內(nèi)部空間。為了確認(rèn)接收信號中的改變需要為正常的、即已知的無故障的運行定義額定標(biāo)記。這里需要考慮到接收信號例如通過位于機器內(nèi)部空間的介質(zhì)的密度波動或者湍流引起的變化。當(dāng)在標(biāo)記出現(xiàn)顯著的變化時-其例如引起松動元件及機器內(nèi)部空間或外殼表面結(jié)構(gòu)損壞或諸如此類，會產(chǎn)生實際標(biāo)記相對于額定標(biāo)記的差值，其由上述介質(zhì)波動等得出。以此可以識別機器的故障情況并且輸出相應(yīng)的故障信號。通過根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以檢查上述機器的所述內(nèi)部空間，而是技術(shù)設(shè)備的普遍意義上的內(nèi)部空間，例如礦山隧道的不尋常變動，因為只需要構(gòu)造相應(yīng)的雷達源以實現(xiàn)用于內(nèi)部空間待觀察的非正常變動的相應(yīng)的位置分辨率。當(dāng)在可能的情況下流經(jīng)機器內(nèi)部空間的介質(zhì)被雷達射線穿過并且在故障情況下-例如介質(zhì)不足或者異物的連帶輸送-改變了實際標(biāo)記時，通過該方法也可以在內(nèi)部空間中監(jiān)控介質(zhì)。監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了一種新的雷達方法，其中不僅是例如空中的飛機的單個點的孤立反射波，而是來自整個空間被反射回的雷達反射波被接收。此外所述形式為接收信號的雷達反射波不以圖像方式，而是以抽象方式被分析。通過所述方法的形式為逼真的或者圖像式的(這意味著能夠被觀察者分析)內(nèi)部空間影像的實際成像是所希望的，但不是必須的， 因為僅需要通過該系統(tǒng)辨別內(nèi)部空間的故障。數(shù)字的是/否信號的輸出作為相應(yīng)的“無故障”或“機器故障”的故障信號足夠滿足。當(dāng)然接收信號的復(fù)雜處理也是可以考慮的，其中實際標(biāo)記確實給出內(nèi)部空間的具體圖像，但這并不是強制必須的。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施形式中雷達射線為窄帶(例如位于微波區(qū)域)或超寬帶(UWB)雷達射線。用于該頻率區(qū)域的雷達技術(shù)是成熟的并且在雷達應(yīng)用中多次被驗證。 雷達源發(fā)射出例如形為窄帶或者正弦信號的雷達射線，其在機器的內(nèi)部空間中被反射并被天線或者雷達接收器再次接收。此處一般進行頻率范圍內(nèi)的分析。窄帶雷達例如實現(xiàn)為 FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)雷達。FMCW雷達提供了提升運動部件檢測能力的優(yōu)點。在超寬帶雷達中每次會發(fā)射出短暫的雷達脈沖，其具有例如帶寬約為IGHz的寬頻譜。信號在時間范圍就由盡可能短暫的脈沖組成。此處在內(nèi)部空間中被反射的雷達信號也被接收和處理并且相應(yīng)地由接收信號產(chǎn)生實際標(biāo)記。防熱元件的排布和幾何形狀導(dǎo)致接收信號在時間范圍中脈沖形式的改變。此處在實踐中厘米級的分辨率是可以實現(xiàn)的。分析的實現(xiàn)例如根據(jù)脈沖形式，采用匹配濾波器方法。超寬帶雷達也適用于粗糙環(huán)境。不同的射線在這里適用于不同的應(yīng)用或者機器內(nèi)部空間中可以找到的介質(zhì)。窄帶雷達例如適用于燃氣填充或者蒸汽填充。與此相對的超寬帶雷達適用于幾乎所有介質(zhì)，即也可以用于液體或固體。在另一個優(yōu)選的實施形式中監(jiān)控系統(tǒng)包括控制和分析單元，其根據(jù)入射的和反射的雷達射線在時間或頻率范圍的分析計算實際標(biāo)記。換言之，即通過入射的和反射的雷達射線的相位和/或運行時間和/或者頻譜信號分布計算實際標(biāo)記。相對于純運行時間測量， 通過分析相位獲得關(guān)于內(nèi)部空間的額外信息并且可以用于實際標(biāo)記。雷達射線碰到金屬時會被反射。但當(dāng)它碰到僅部分反射的材料時，例如非金屬的表面涂層，接著再碰到金屬，它首先會在相位上被推移并再被反射。此處例如會產(chǎn)生類型為失真的超寬帶雷達脈沖變化。 所述相位變位可以被計算并顯著影響監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)于通過比較實際和額定標(biāo)記的故障識別的結(jié)論確定性。換言之，分析相位明顯改善了監(jiān)控系統(tǒng)。在另一個優(yōu)選的實施形式中監(jiān)控系統(tǒng)包括多個與雷達源和/或者控制和分析單元相連的天線用于相應(yīng)地發(fā)射和/或接收雷達射線。通過使用多個天線實現(xiàn)了所謂的天線陣列。通過關(guān)聯(lián)多個天線的發(fā)射和接收信號可以達到高等級的額外信息。通過由多個天線發(fā)送射至機器內(nèi)部空間不同位置的雷達信號和通過分析不同天線的接收信號能夠顧及在實際標(biāo)記中內(nèi)部空間的方向相關(guān)的反射。例如可以實現(xiàn)的是有針對性地監(jiān)控燃氣渦輪機內(nèi)部空間中各個熱保護元件存在或者缺失。換言之，通過使用天線陣列被雷達射線輻照的某個空間區(qū)域有更好的位置分辨率。另外考慮到所述的內(nèi)部空間中的大量雷達射線反射，通過天線陣列可以期待實際標(biāo)記中的更精準(zhǔn)的信肩、ο通過實際標(biāo)記和額定標(biāo)記間的差值-例如振幅-的大小可以得出故障的大小或者規(guī)模。通過所設(shè)的天線陣列額外可以得出內(nèi)部空間中故障的位置。如果例如根據(jù)實際和額定標(biāo)記的差值振幅在燃氣渦輪機中僅有唯一一個熱保護元件或碎片脫落并且根據(jù)實際標(biāo)記中的天線陣列信息它位于內(nèi)部空間中的非關(guān)鍵區(qū)域，那么可以根據(jù)故障信號分析決定在機器下次維護間隔才更換該熱保護元件以及不緊急停止機器。在本發(fā)明一個優(yōu)選的實施形式中用于發(fā)送和/或接收雷達射線的天線被置于內(nèi)部空間中。為了達到內(nèi)部空間最大的雷達射線照射，即雷達射線到達內(nèi)部空間表面的每個點，在內(nèi)部空間放置多個天線，例如均勻分布是有益的。為此天線不是被放在由可通過電磁波材料制成的中間層之后就是被直接放在機器的內(nèi)部空間中。使用中間層使雷達射線進入機器的內(nèi)部空間而天線自身受到防高溫等保護成為可能。在另一個實施形式中天線被置于機器的外部空間并且在從天線至內(nèi)部空間的輻射路徑內(nèi)在機器壁中設(shè)置了用于雷達射線的通過區(qū)域。該類通過區(qū)域例如可以為嵌入機器壁的石英窗。因為雷達射線的自身特性不會出現(xiàn)由天線、中間層或通過區(qū)域的內(nèi)表面被污染-例如通過氧化層或有機污染-而導(dǎo)致的監(jiān)控系統(tǒng)功能的干擾。在定位天線時始終要注意屬于天線的電子件要防熱、防輻射及防化學(xué)影響。這可以在一個實施形式中實現(xiàn)，即天線的電子組件被與天線分離而獨自設(shè)置。在另一個優(yōu)選的實施形式中，監(jiān)控系統(tǒng)包括用于計算額定和實際標(biāo)記間的差值標(biāo)記的控制和分析單元。在監(jiān)控系統(tǒng)中還保存了多個存儲的特征差值樣本對應(yīng)機器的相應(yīng)的特征故障情況。例如在熱保護元件已知的缺失或者燃氣渦輪機中渦輪槳葉受損時，計算額定和實際標(biāo)記間的差值標(biāo)記并且作為對應(yīng)“熱保護元件缺失”或者“渦輪槳葉受損”的故障情況的特征差值樣本被儲存。然后輸出單元在每次機器運行時檢驗，實際計算出的差值標(biāo)記是否在公差范圍內(nèi)對應(yīng)于相應(yīng)的差值樣本并且輸出屬于相應(yīng)的差值樣本的故障信號。在該實施形式中監(jiān)控系統(tǒng)不僅是給出是/否-故障信號，而且(換言之)給出例如用于“熱保護元件缺失”、“渦輪槳葉受損”等的故障碼。例如通過實驗或者通過分析或者持續(xù)學(xué)習(xí)具體出現(xiàn)的差值樣本來計算相應(yīng)的差值樣本當(dāng)已知一個實際標(biāo)記代表的故障時，可從相對應(yīng)的差值標(biāo)記計算出特征差值樣本。


下面將結(jié)合附圖中的實施例進一步描述本發(fā)明。其中，以示意性的原理圖的方式圖1示出了具有根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)控系統(tǒng)的機器。
具體實施例方式圖1示出了機器2，舉例為具有圍繞內(nèi)部空間6的金屬機器壁4的渦輪機。內(nèi)部空間6包括具有渦輪槳葉lOa-d的槳輪8。機器壁4朝內(nèi)部空間6的方向裝有熱保護元件 12a-d(各自都只舉例示出了少量元件)。機器2由外部空間14包裹。機器2配置有監(jiān)控系統(tǒng)20。它包括中央單元22以及多個天線，其中只舉例示出了天線Ma、b。天線2 此處被置于外部空間14中，天線24b位于內(nèi)部空間6中。中央單元22包括雷達源沈，其通過未進一步畫出的連接導(dǎo)線控制天線Ma、b，使得天線發(fā)射雷達射線28。因為機器壁4由雷達射線28不能穿透的金屬構(gòu)成，所以在天線2 和內(nèi)部空間6 之間在圖1中的通過虛線說明的雷達射線觀的輻射路徑27中，將形式為石英窗的通過區(qū)域30嵌入機器壁4中。雷達射線觀充滿了整個內(nèi)部空間6，這意味著它到達了整個內(nèi)部，即機器壁4或者熱保護元件lh-d及渦輪槳葉8的面向內(nèi)部空間6的表面。雷達射線觀被反應(yīng)的元件反射。反射的雷達射線32 (通過箭頭表示)被天線Ma、b再次捕捉并且通過未示出的控制導(dǎo)線導(dǎo)引至中央單元22的雷達接收器34。雷達接收器34從反射的雷達射線32中生成接收信號36，其被傳輸至中央單元22的控制和分析單元38。該控制和分析單元從接收信號36中生成實際標(biāo)記40a。此外在控制和分析單元38 中存有額定標(biāo)記40b，當(dāng)機器4處于無故障狀態(tài)時其對應(yīng)實際標(biāo)記40a。一個屬于中央單元 22的輸出單元42檢驗實際標(biāo)記40a在公差范圍44的框架中是否對應(yīng)于額定標(biāo)記40b的允許的差值。在對應(yīng)的情況下它給出值為“無故障運行”的故障信號46。在例子中故障信號可以具有兩個值，即“無故障運行”或者“故障”。具有“故障”值的故障信號46例如在下述情況中被生成渦輪槳葉IOa在機器4的運行過程中部分損壞或者從渦輪8中部分脫落。此后， 射入內(nèi)部空間6的雷達射線28被缺失的渦輪槳葉IOa以不同于渦輪槳葉IOa完整的情況的方式反射。這樣被反射的雷達射線32相對于無故障的情況產(chǎn)生了變化，接收信號36因此也有變化?；诖藢嶋H標(biāo)記40a也有變化并且自故障情況起不再與之前測量所得的實際標(biāo)記40a—致。尤其是實際標(biāo)記40a與額定標(biāo)記40b之間的誤差超過公差范圍44。輸出單元42偵測到該差值并且給出故障信號46為“故障”。
相對的在一種替代的故障情況中渦輪8完好無損，而熱保護元件12c脫落。未變化的射入雷達射線洲因此重新以其它方式被反射，因此結(jié)果為重新產(chǎn)生不同的實際標(biāo)記 40a。它和額定標(biāo)記40的差值也多于公差范圍44的限度并且會有故障信號36重新作為 “故障”被給出。在一個替換的實施形式中總是由實際標(biāo)記40a和額定標(biāo)記40b例如通過相減產(chǎn)生差值標(biāo)記48a、b。特征差值樣本50a、b也被存儲在輸出單元42中。在所述實施形式中在故障情況下，即上述實際和額定標(biāo)記有偏差40a、b時，輸出單元42將相應(yīng)的差值標(biāo)記48a、 b和特征差值樣本50a、b進行比較。后者在此處對應(yīng)機器2的各特征故障情況。這樣差值樣本50a對應(yīng)渦輪槳葉lOa-d故障的典型的差值標(biāo)記以及差值樣本50b對應(yīng)熱保護元件 lh-d缺失的典型差值標(biāo)記。對于實際計算出的差值標(biāo)記48a、b在公差范圍M框架中符合相應(yīng)的差值樣本 50a、b的相應(yīng)情況，會有對于故障信號46可替換或補充的特別的故障信號52a、b被給出。 它不僅告知機器2具有故障，而且也告知故障的性質(zhì)，故障信號52a的情況意味著“熱保護元件缺失”，故障信號52b的情況意味著“渦輪槳葉受損”。換言之，通過檢查實際的差值標(biāo)記48a、b是否對應(yīng)典型的差值樣本50a、b，不僅識別機器2中的故障，而且根據(jù)它的類型進行分類。
權(quán)利要求
1.一種用于機器O)內(nèi)部空間的監(jiān)控系統(tǒng)(20)，包括將雷達射線08)射入所述內(nèi)部空間(6)的雷達源06)和接收在所述內(nèi)部空間中(6)反射的雷達射線(32)并將其作為接收信號(36)發(fā)出的雷達接收器(34)，包括用于從接收信號(36)計算實際標(biāo)記(40a)并且將該實際標(biāo)記與存儲的、代表無故障機器O)的額定標(biāo)記GOb)比較的控制和分析單元 (38)，包括當(dāng)實際標(biāo)記(40a)和額定標(biāo)記GOb)的偏差超過公差范圍G4)時用于輸出故障信號(46,52a, b)的輸出單元(42)。
2.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)控系統(tǒng)(20)，其中雷達射線(觀、32)為窄帶雷達射線或超寬帶雷達射線。
3.如前述權(quán)利要求之一所述的監(jiān)控系統(tǒng)(20)，包括用于根據(jù)反射的射線(32)和入射的射線08)的相位和/或運行時間和/或頻譜信號分布來計算實際標(biāo)記GOa)的控制和分析單元(38)。
4.如前述權(quán)利要求之一所述的監(jiān)控系統(tǒng)(20)，包括多個與雷達源06)和/或控制和分析單元(38)相連的、用于相應(yīng)地發(fā)射和/或接收雷達射線Q^、b、28、32)的天線。
5.如前述權(quán)利要求之一所述的監(jiān)控系統(tǒng)(20)，包括置于機器內(nèi)部空間(6)中的天線 (24a、b)ο
6.如前述權(quán)利要求之一所述的監(jiān)控系統(tǒng)(20)，包括置于機器(2)外部空間(14)中的天線0^、b)，以及包括在從天線(Ma、b)到所述內(nèi)部空間(6)的輻射路徑07)內(nèi)設(shè)置于機器壁中的用于雷達射線08、32)的通過區(qū)域(30)。
7.如前述權(quán)利要求之一所述的監(jiān)控系統(tǒng)(20)，包括用于從額定標(biāo)記(40b)和實際標(biāo)記(40a)中計算差值標(biāo)記G8a、b)的控制和分析單元(38)，包括多個用于機器( 相應(yīng)的特征故障情況的、存儲的特征差值樣本(50a、b)，并且包括當(dāng)差值標(biāo)記(48a、b)在公差范圍 (54)的框架中對應(yīng)于相應(yīng)的差值樣本(50a、b)時用于輸出相應(yīng)的、屬于故障情況的故障信號(52a, b)的輸出單元(42)。
全文摘要
一種用于機器(2)內(nèi)部空間的監(jiān)控系統(tǒng)(20)，包括將雷達射線(28)射入所述內(nèi)部空間(6)的雷達源(26)，和接收在內(nèi)部空間中(6)反射的雷達射線(32)并將其作為接收信號(36)發(fā)出的雷達接收器(34)，包括用于從接收信號(36)計算實際標(biāo)記(40a)并且將該實際標(biāo)記與存儲的、代表無故障機器(2)的額定標(biāo)記(40b)比較的控制和分析單元(38)，包括當(dāng)實際標(biāo)記(40a)和額定標(biāo)記(40b)的偏差超過公差范圍(44)時用于輸出故障信號(46、52a、b)的輸出單元(42)。
文檔編號G01S13/04GK102576070SQ201080047642
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月9日
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