专利名称：用于机器内部空间的监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于机器内部空间的监控系统。
背景技术：
所述的机器例如为燃气涡轮机，其内部空间为具有涡轮的燃烧室。所述的也例如为泵，其在运行中由待泵吸介质流经的内部空间为具有桨轮的泵室。在所述的燃气涡轮机中内部空间例如由热保护元件包裹，其在燃烧室内燃烧的燃气中保护机器的金属外罩。该类元件可能会全部或部分脱落并且落入机器的内部空间中。 桨轮的桨叶或者涡轮的涡轮桨叶的部分也可能会脱落并且干扰相应机器的运行。机器及其外壁或者外壳上也可能出现裂纹或断裂或者其它异物可能进入内部空间。US 4，507，658公开了用于涡轮机的监控系统，通过其可以观察涡轮机桨叶的振动。为此涡轮机桨叶通过毫米波雷达系统被辐照并且分析反射信号以识别非正常振动。已知的监控系统不能告知内部空间内掉落的热保护元件或者其它异物的存在。
发明内容
本发明的任务在于提供用于机器内部空间的改进的监控系统。本发明基于的想法是实现非接触式的、还能检测上面所述的机器内部空间中松动部分或异物元件的监控系统。监控系统采用的技术在这里必须具有良好的位置分辨率，从而能够例如检测燃气涡轮机中各个热保护元件或其部件的缺失。同时监控系统必须能够穿过不同浓度的介质，例如燃气、蒸汽或者液体，从而能够获取机器内部空间的信息。该任务通过按照权利要求1的用于机器内部空间的监控系统得以解决。它包括将雷达射线射入内部空间的雷达源。这里不仅是涡轮桨叶，而是机器的整个内部空间被辐照。 此处的问题是，内部空间通常完全由金属外壳包围。整个内部空间反射雷达射线。到目前为止公开的雷达技术的出发点均为在被辐照的空间区域内仅发现单独的反射元件(例如一架处于除飞机外空的大气层中的飞机)。其反射波被用于雷达成像。采用雷达技术整体辐照内部空间意味着与熟知方法的背离。雷达接收器接收在内部空间中反射的雷达射线并且给出与接收的雷达射线相应的接收信号。监控系统还包括控制和分析单元。该控制和分析单元此时从接收信号中计算出-同样背离于传统的雷达技术-实际标记(Signatur)，例如通过数字信号处理。它并不首先用于成像，而是应当只算出接收信号的特征曲线，其与内部空间的几何形状相关，使得内部空间中应被观察的偏差(例如缺失的热保护元件、涡轮桨叶的缺失部件、机器部件的裂纹或断裂或者内部空间中的其它异物)导致实际标记的变动。实际标记例如为接收信号的时域或频域信号分析的结果。这里可以想到的是分析接收信号的振幅和/或相位或者寻找频谱中的频移或者进行多普勒分析。在时间范围内可以例如通过从发射到接收超宽带雷达脉冲的运行时间测量来采集内部空间几何形状的改变。另一方面超宽带雷达脉冲的频谱分布的改变也表明了内部空间的改变。
此外控制和分析单元还具有额定标记，其对应实际标记的特征，但基于或代表已知的无故障的机器。换言之，额定标记为在已知的无故障的机器上从接收信号计算出的实际标记。监控系统还包括输出单元。当实际标记和额定标记的差值越过极限尺寸时，该输出单元输出故障信号。额定标记可以例如通过所谓的通道探测技术 (Channel-Sounding-Technik)计算出。换言之，即通过监控系统不会产生实际的真实的例如类似传统雷达图像的机器内部空间的图像，而是产生抽象的实际标记，其包括了具有足够位置分辨率的内部空间的几何说明或者材料特征曲线作为信息。通过监控系统，在机器运行中反复测量的实际标记和对应无故障的机器的额定标记间的差值被观测。通过该方法实现了将不适用于整体空间监控的雷达技术也应用于机器的金属内部空间。为了确认接收信号中的改变需要为正常的、即已知的无故障的运行定义额定标记。这里需要考虑到接收信号例如通过位于机器内部空间的介质的密度波动或者湍流引起的变化。当在标记出现显著的变化时-其例如引起松动元件及机器内部空间或外壳表面结构损坏或诸如此类，会产生实际标记相对于额定标记的差值，其由上述介质波动等得出。以此可以识别机器的故障情况并且输出相应的故障信号。通过根据本发明的监控系统不仅可以检查上述机器的所述内部空间，而是技术设备的普遍意义上的内部空间，例如矿山隧道的不寻常变动，因为只需要构造相应的雷达源以实现用于内部空间待观察的非正常变动的相应的位置分辨率。当在可能的情况下流经机器内部空间的介质被雷达射线穿过并且在故障情况下-例如介质不足或者异物的连带输送-改变了实际标记时，通过该方法也可以在内部空间中监控介质。监控系统实现了一种新的雷达方法，其中不仅是例如空中的飞机的单个点的孤立反射波，而是来自整个空间被反射回的雷达反射波被接收。此外所述形式为接收信号的雷达反射波不以图像方式，而是以抽象方式被分析。通过所述方法的形式为逼真的或者图像式的(这意味着能够被观察者分析)内部空间影像的实际成像是所希望的，但不是必须的， 因为仅需要通过该系统辨别内部空间的故障。数字的是/否信号的输出作为相应的“无故障”或“机器故障”的故障信号足够满足。当然接收信号的复杂处理也是可以考虑的，其中实际标记确实给出内部空间的具体图像，但这并不是强制必须的。在本发明的一个优选实施形式中雷达射线为窄带(例如位于微波区域)或超宽带(UWB)雷达射线。用于该频率区域的雷达技术是成熟的并且在雷达应用中多次被验证。 雷达源发射出例如形为窄带或者正弦信号的雷达射线，其在机器的内部空间中被反射并被天线或者雷达接收器再次接收。此处一般进行频率范围内的分析。窄带雷达例如实现为 FMCW(调频连续波)雷达。FMCW雷达提供了提升运动部件检测能力的优点。在超宽带雷达中每次会发射出短暂的雷达脉冲，其具有例如带宽约为IGHz的宽频谱。信号在时间范围就由尽可能短暂的脉冲组成。此处在内部空间中被反射的雷达信号也被接收和处理并且相应地由接收信号产生实际标记。防热元件的排布和几何形状导致接收信号在时间范围中脉冲形式的改变。此处在实践中厘米级的分辨率是可以实现的。分析的实现例如根据脉冲形式，采用匹配滤波器方法。超宽带雷达也适用于粗糙环境。不同的射线在这里适用于不同的应用或者机器内部空间中可以找到的介质。窄带雷达例如适用于燃气填充或者蒸汽填充。与此相对的超宽带雷达适用于几乎所有介质，即也可以用于液体或固体。在另一个优选的实施形式中监控系统包括控制和分析单元，其根据入射的和反射的雷达射线在时间或频率范围的分析计算实际标记。换言之，即通过入射的和反射的雷达射线的相位和/或运行时间和/或者频谱信号分布计算实际标记。相对于纯运行时间测量， 通过分析相位获得关于内部空间的额外信息并且可以用于实际标记。雷达射线碰到金属时会被反射。但当它碰到仅部分反射的材料时，例如非金属的表面涂层，接着再碰到金属，它首先会在相位上被推移并再被反射。此处例如会产生类型为失真的超宽带雷达脉冲变化。 所述相位变位可以被计算并显著影响监控系统关于通过比较实际和额定标记的故障识别的结论确定性。换言之，分析相位明显改善了监控系统。在另一个优选的实施形式中监控系统包括多个与雷达源和/或者控制和分析单元相连的天线用于相应地发射和/或接收雷达射线。通过使用多个天线实现了所谓的天线阵列。通过关联多个天线的发射和接收信号可以达到高等级的额外信息。通过由多个天线发送射至机器内部空间不同位置的雷达信号和通过分析不同天线的接收信号能够顾及在实际标记中内部空间的方向相关的反射。例如可以实现的是有针对性地监控燃气涡轮机内部空间中各个热保护元件存在或者缺失。换言之，通过使用天线阵列被雷达射线辐照的某个空间区域有更好的位置分辨率。另外考虑到所述的内部空间中的大量雷达射线反射，通过天线阵列可以期待实际标记中的更精准的信肩、ο通过实际标记和额定标记间的差值-例如振幅-的大小可以得出故障的大小或者规模。通过所设的天线阵列额外可以得出内部空间中故障的位置。如果例如根据实际和额定标记的差值振幅在燃气涡轮机中仅有唯一一个热保护元件或碎片脱落并且根据实际标记中的天线阵列信息它位于内部空间中的非关键区域，那么可以根据故障信号分析决定在机器下次维护间隔才更换该热保护元件以及不紧急停止机器。在本发明一个优选的实施形式中用于发送和/或接收雷达射线的天线被置于内部空间中。为了达到内部空间最大的雷达射线照射，即雷达射线到达内部空间表面的每个点，在内部空间放置多个天线，例如均勻分布是有益的。为此天线不是被放在由可通过电磁波材料制成的中间层之后就是被直接放在机器的内部空间中。使用中间层使雷达射线进入机器的内部空间而天线自身受到防高温等保护成为可能。在另一个实施形式中天线被置于机器的外部空间并且在从天线至内部空间的辐射路径内在机器壁中设置了用于雷达射线的通过区域。该类通过区域例如可以为嵌入机器壁的石英窗。因为雷达射线的自身特性不会出现由天线、中间层或通过区域的内表面被污染-例如通过氧化层或有机污染-而导致的监控系统功能的干扰。在定位天线时始终要注意属于天线的电子件要防热、防辐射及防化学影响。这可以在一个实施形式中实现，即天线的电子组件被与天线分离而独自设置。在另一个优选的实施形式中，监控系统包括用于计算额定和实际标记间的差值标记的控制和分析单元。在监控系统中还保存了多个存储的特征差值样本对应机器的相应的特征故障情况。例如在热保护元件已知的缺失或者燃气涡轮机中涡轮桨叶受损时，计算额定和实际标记间的差值标记并且作为对应“热保护元件缺失”或者“涡轮桨叶受损”的故障情况的特征差值样本被储存。然后输出单元在每次机器运行时检验，实际计算出的差值标记是否在公差范围内对应于相应的差值样本并且输出属于相应的差值样本的故障信号。在该实施形式中监控系统不仅是给出是/否-故障信号，而且(换言之)给出例如用于“热保护元件缺失”、“涡轮桨叶受损”等的故障码。例如通过实验或者通过分析或者持续学习具体出现的差值样本来计算相应的差值样本当已知一个实际标记代表的故障时，可从相对应的差值标记计算出特征差值样本。
下面将结合附图中的实施例进一步描述本发明。其中，以示意性的原理图的方式图1示出了具有根据本发明的监控系统的机器。
具体实施例方式图1示出了机器2，举例为具有围绕内部空间6的金属机器壁4的涡轮机。内部空间6包括具有涡轮桨叶lOa-d的桨轮8。机器壁4朝内部空间6的方向装有热保护元件 12a-d(各自都只举例示出了少量元件)。机器2由外部空间14包裹。机器2配置有监控系统20。它包括中央单元22以及多个天线，其中只举例示出了天线Ma、b。天线2 此处被置于外部空间14中，天线24b位于内部空间6中。中央单元22包括雷达源沈，其通过未进一步画出的连接导线控制天线Ma、b，使得天线发射雷达射线28。因为机器壁4由雷达射线28不能穿透的金属构成，所以在天线2 和内部空间6 之间在图1中的通过虚线说明的雷达射线观的辐射路径27中，将形式为石英窗的通过区域30嵌入机器壁4中。雷达射线观充满了整个内部空间6，这意味着它到达了整个内部，即机器壁4或者热保护元件lh-d及涡轮桨叶8的面向内部空间6的表面。雷达射线观被反应的元件反射。反射的雷达射线32 (通过箭头表示)被天线Ma、b再次捕捉并且通过未示出的控制导线导引至中央单元22的雷达接收器34。雷达接收器34从反射的雷达射线32中生成接收信号36，其被传输至中央单元22的控制和分析单元38。该控制和分析单元从接收信号36中生成实际标记40a。此外在控制和分析单元38 中存有额定标记40b，当机器4处于无故障状态时其对应实际标记40a。一个属于中央单元 22的输出单元42检验实际标记40a在公差范围44的框架中是否对应于额定标记40b的允许的差值。在对应的情况下它给出值为“无故障运行”的故障信号46。在例子中故障信号可以具有两个值，即“无故障运行”或者“故障”。具有“故障”值的故障信号46例如在下述情况中被生成涡轮桨叶IOa在机器4的运行过程中部分损坏或者从涡轮8中部分脱落。此后， 射入内部空间6的雷达射线28被缺失的涡轮桨叶IOa以不同于涡轮桨叶IOa完整的情况的方式反射。这样被反射的雷达射线32相对于无故障的情况产生了变化，接收信号36因此也有变化。基于此实际标记40a也有变化并且自故障情况起不再与之前测量所得的实际标记40a—致。尤其是实际标记40a与额定标记40b之间的误差超过公差范围44。输出单元42侦测到该差值并且给出故障信号46为“故障”。
相对的在一种替代的故障情况中涡轮8完好无损，而热保护元件12c脱落。未变化的射入雷达射线洲因此重新以其它方式被反射，因此结果为重新产生不同的实际标记 40a。它和额定标记40的差值也多于公差范围44的限度并且会有故障信号36重新作为 “故障”被给出。在一个替换的实施形式中总是由实际标记40a和额定标记40b例如通过相减产生差值标记48a、b。特征差值样本50a、b也被存储在输出单元42中。在所述实施形式中在故障情况下，即上述实际和额定标记有偏差40a、b时，输出单元42将相应的差值标记48a、 b和特征差值样本50a、b进行比较。后者在此处对应机器2的各特征故障情况。这样差值样本50a对应涡轮桨叶lOa-d故障的典型的差值标记以及差值样本50b对应热保护元件 lh-d缺失的典型差值标记。对于实际计算出的差值标记48a、b在公差范围M框架中符合相应的差值样本 50a、b的相应情况，会有对于故障信号46可替换或补充的特别的故障信号52a、b被给出。 它不仅告知机器2具有故障，而且也告知故障的性质，故障信号52a的情况意味着“热保护元件缺失”，故障信号52b的情况意味着“涡轮桨叶受损”。换言之，通过检查实际的差值标记48a、b是否对应典型的差值样本50a、b，不仅识别机器2中的故障，而且根据它的类型进行分类。
权利要求
1.一种用于机器O)内部空间的监控系统(20)，包括将雷达射线08)射入所述内部空间(6)的雷达源06)和接收在所述内部空间中(6)反射的雷达射线(32)并将其作为接收信号(36)发出的雷达接收器(34)，包括用于从接收信号(36)计算实际标记(40a)并且将该实际标记与存储的、代表无故障机器O)的额定标记GOb)比较的控制和分析单元 (38)，包括当实际标记(40a)和额定标记GOb)的偏差超过公差范围G4)时用于输出故障信号(46,52a, b)的输出单元(42)。
2.如权利要求1所述的监控系统(20)，其中雷达射线(观、32)为窄带雷达射线或超宽带雷达射线。
3.如前述权利要求之一所述的监控系统(20)，包括用于根据反射的射线(32)和入射的射线08)的相位和/或运行时间和/或频谱信号分布来计算实际标记GOa)的控制和分析单元(38)。
4.如前述权利要求之一所述的监控系统(20)，包括多个与雷达源06)和/或控制和分析单元(38)相连的、用于相应地发射和/或接收雷达射线Q^、b、28、32)的天线。
5.如前述权利要求之一所述的监控系统(20)，包括置于机器内部空间(6)中的天线 (24a、b)ο
6.如前述权利要求之一所述的监控系统(20)，包括置于机器(2)外部空间(14)中的天线0^、b)，以及包括在从天线(Ma、b)到所述内部空间(6)的辐射路径07)内设置于机器壁中的用于雷达射线08、32)的通过区域(30)。
7.如前述权利要求之一所述的监控系统(20)，包括用于从额定标记(40b)和实际标记(40a)中计算差值标记G8a、b)的控制和分析单元(38)，包括多个用于机器( 相应的特征故障情况的、存储的特征差值样本(50a、b)，并且包括当差值标记(48a、b)在公差范围 (54)的框架中对应于相应的差值样本(50a、b)时用于输出相应的、属于故障情况的故障信号(52a, b)的输出单元(42)。
全文摘要
一种用于机器(2)内部空间的监控系统(20)，包括将雷达射线(28)射入所述内部空间(6)的雷达源(26)，和接收在内部空间中(6)反射的雷达射线(32)并将其作为接收信号(36)发出的雷达接收器(34)，包括用于从接收信号(36)计算实际标记(40a)并且将该实际标记与存储的、代表无故障机器(2)的额定标记(40b)比较的控制和分析单元(38)，包括当实际标记(40a)和额定标记(40b)的偏差超过公差范围(44)时用于输出故障信号(46、52a、b)的输出单元(42)。
文档编号G01S13/04GK102576070SQ201080047642
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月9日 优先权日2009年12月9日
发明者P·克卢佐斯基 申请人:阿利发Np有限公司