DE102007058102B4 - Condition monitoring system for an aircraft - Google Patents
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Abstract
Zustandsüberwachungssystem zur Überwachung von Strukturparametern an einem Luftfahrzeug, mit einem Sensornetzwerk, das eine Vielzahl von Sensoreinrichtungen (12) aufweist, die zur Anbringung an einer Struktur des Luftfahrzeugs ausgebildet sind und denen Kennungen zugeordnet sind, wobei die Sensoreinrichtungen (12) Temperatursensoreinheiten (18) und Beschleunigungssensoreinheiten (20) aufweisen, wobei die Sensoreinheiten (18, 20) Signalverarbeitungseinheiten (16) zur Vorverarbeitung von Signalen (18a, 20a) der Sensoreinheiten (18, 20) aufweisen, wobei die Signalverarbeitungseinheiten (16) zur Korrelation der Signale (18a, 20a) der Sensoreinheiten (18, 20) ausgebildet sind, und mit einem Zentralrechner, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennungen den Sensoreinrichtungen (12) zur Lokalisation der Sensoreinrichtungen (12) zugeordnet sind, und dass der Zentralrechner eine Zuordnungseinheit aufweist, welche die Kennungen einem Ort an der Struktur zuordnet, dass der Zentralrechner zur Berechnung einer örtlichen Lastverteilung aus den Werten der Beschleunigungseinheiten (20) unter Verwendung der Ortsinformation ausgebildet ist, dass mit den Beschleunigungssensoreinheiten (20) eine Beschleunigung in allen drei Raumrichtungen messbar ist und dass die Signalverarbeitungseinheiten (16) Tabellen zur Speicherung von Materialdaten aufweisen, mittels derer die Signale (18a, 20a) der Sensoreinheiten (18, 20) korrelierbar sind.A condition monitoring system for monitoring structural parameters on an aircraft, comprising a sensor network comprising a plurality of sensor devices (12) adapted for attachment to a structure of the aircraft and associated with identifiers, the sensor devices (12) including temperature sensor units (18) and Acceleration sensor units (20), wherein the sensor units (18, 20) signal processing units (16) for preprocessing signals (18a, 20a) of the sensor units (18, 20), wherein the signal processing units (16) for correlating the signals (18a, 20a ) of the sensor units (18, 20) are formed, and with a central computer, characterized in that the identifiers are associated with the sensor means (12) for localization of the sensor means (12), and in that the central computer has an allocation unit which assigns the identifiers to a location at the structure assigns that the central computer to the compute a local load distribution from the values of the acceleration units (20) is formed using the location information that with the acceleration sensor units (20) acceleration in all three spatial directions is measurable and that the signal processing units (16) have tables for storing material data, by means of which the signals (18a, 20a) of the sensor units (18, 20) are correlatable.
Description
Die Erfindung betrifft ein Zustandsüberwachungssystem zur Überwachung von Strukturparametern an einem Luftfahrzeug. Das Zustandsüberwachungssystem weist ein Sensornetzwerk auf, das eine Vielzahl von Sensoreinrichtungen aufweist, die zur Anbringung an einer Struktur des Luftfahrzeugs ausgebildet sind. Den Sensoreinrichtungen sind Kennungen zugeordnet. Des Weiteren weisen die Sensoreinrichtungen Beschleunigungssensoreinheiten auf. Das Zustandsüberwachungssystem weist einen Zentralrechner auf.The invention relates to a condition monitoring system for monitoring structural parameters on an aircraft. The condition monitoring system includes a sensor network having a plurality of sensor devices configured for attachment to a structure of the aircraft. The sensor devices are assigned identifiers. Furthermore, the sensor devices have acceleration sensor units. The condition monitoring system has a central computer.
Die Struktur eines Luftfahrzeugs ist verschiedenen Kräften ausgesetzt, die zur Dehnung, Rissbildung oder weiteren Schäden führen können. Bei regelmäßigen Wartungsterminen wird daher zur Sicherung des Luftverkehrs die Struktur von Luftfahrzeugen mit veschiedenen nondestruktiven Methoden untersucht. Zu diesen Methoden gehören insbesondere die Sichtkontrolle, aber auch Ultraschall- oder, soweit möglich, Durchstrahlungsmessungen.The structure of an aircraft is subject to various forces that can cause stretching, cracking or other damage. For regular maintenance, the structure of aircraft is therefore examined using various non-destructive methods to safeguard aviation. These methods include in particular the visual inspection, but also ultrasound or, if possible, radiographic measurements.
Mechanische Belastungen durch Stöße, Luftwiderstand und Schwerkraft stellen die häufigsten Belastungen der Struktur eines Luftfahrzeugs dar. Durch diese Belastungen verformt sich die Struktur zunächst plastisch. Wenn die Belastungen einen Grenzwert überschreiten, treten dauerhafte Schäden und Schwächungen des Materials auf. Solche Überlastungen können nicht immer vermieden werden.Mechanical loads due to impact, air resistance and gravity are the most frequent strains on the structure of an aircraft. These structures cause the structure to deform plastically. If the loads exceed a threshold, permanent damage and weakening of the material will occur. Such overloads can not always be avoided.
Es ist bekannt, dass die Belastungs-Überlastungs-Charakteristik eines Materials von der Temperatur abhängig ist. Mit anderen Worten kann eine Belastung, die einer Struktur bei Raumtemperatur nicht schadet, bei Temperaturen unter 0°C die Struktur beschädigen.It is known that the stress-overload characteristic of a material is temperature-dependent. In other words, a stress that does not harm a structure at room temperature can damage the structure at temperatures below 0 ° C.
Bisher werden an der Struktur auftretende Kräfte allenfalls zentral gemessen. Eine genaue Zuordnung oder Lokalisierung gemessener Werte ist nicht möglich.So far, forces occurring at the structure are at best measured centrally. An exact assignment or localization of measured values is not possible.
Aus
Aus der
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit deren Hilfe auf einfache Art zuverlässig eine Verteilung mechanischer Lasten auf eine Struktur ermittelbar ist.Against this background, the object is to provide a device and a method by means of which a distribution of mechanical loads on a structure can be reliably determined in a simple manner.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Zustandsüberwachungssystem gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen.To solve this problem, a condition monitoring system according to claim 1 is proposed.
Ein mit einem solchen Zustandsüberwachungssystem versehenes Luftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Struktur eines Luftfahrzeugs sind Gegenstand der Nebenansprüche.An aircraft provided with such a condition monitoring system and a method for monitoring the condition of a structure of an aircraft are the subject matter of the subsidiary claims.
Vorteilhafte Augestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous Augestaltungen of the invention are the subject of the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Zustandsüberwachungssystem hat den Vorteil, dass es eine unmittelbare Messung von Parametern, wie beispielsweise Beschleunigung, an verschiedenen Punkten der Struktur des Luftfahrzeugs punktgenau ermöglicht. Des Weiteren sind die gemessenen Parameter durch die eindeutige Kennung der Sensoreinrichtungen genauen Positionen an der Struktur zuordenbar. Die Messung der Beschleunigungswerte erlaubt es, Auslenkungen der Struktur zu berechnen. Durch die Messung der Beschleunigung in drei Raumrichtungen kann nicht nur der Betrag der Beschleunigung, sondern auch deren Richtung erfasst werden.The condition monitoring system according to the invention has the advantage that it enables immediate measurement of parameters, such as acceleration, at different points of the structure of the aircraft with pinpoint accuracy. Furthermore, the measured parameters can be assigned to exact positions on the structure by the unique identifier of the sensor devices. The measurement of the acceleration values allows to calculate deflections of the structure. By measuring the acceleration in three spatial directions, not only the amount of acceleration but also its direction can be detected.
In vorteilhafter Ausgestaltung weisen die Sensoreinrichtungen Kommunikationseinrichtungen auf, mit denen die gemessenen Parameter auslesbar sind. Weiter sind diese Kommunikationseinrichtungen vorteilhaft zur drahtlosen Informationsübertragung ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Sensoreinrichtungen auch an Orten angeordnet werden können, an denen eine Kabelführung nur erschwert realisierbar wäre.In an advantageous embodiment, the sensor devices have communication devices with which the measured parameters can be read out. Furthermore, these communication devices are advantageously designed for wireless information transmission. This has the advantage that the sensor devices can also be arranged at locations where a cable routing would be difficult to realize.
Die Kommunikationseinrichtungen können zur Übertragung der Kennung zusammen mit den gemessenen Umgebungsparametern ausgebildet sein. Somit ist bei einer Übertragung der gemessenen Parameter unmittelbar eine Zuordnung der empfangenen Parameter zu einer Sensoreinrichtung und somit zu einem Ort an der Struktur möglich.The communication devices can be designed to transmit the identifier together with the measured environmental parameters. Thus, with a transmission of the measured parameters, an assignment of the received parameters to a sensor device and thus to a location on the structure is possible directly.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Sensoreinrichtungen Temperatursensoreinheiten auf. Somit ist es möglich, eine Temperaturverteilung in der Stuktur zu ermitteln. Des Weiteren ist diese Information nützlich, um die Maximalbelastung der Struktur abhängig von der Temperatur evaluieren zu können.In an advantageous embodiment, the sensor devices have temperature sensor units. Thus, it is possible to determine a temperature distribution in the structure. Furthermore, this information is useful to evaluate the maximum stress of the structure depending on the temperature.
Vorteilhaft weisen die Sensoreinrichtungen Signalverarbeitungseinheiten zur Vorverarbeitung von Signalen der Sensoreinheiten auf. Dadurch kann die Menge der zu übertragenden Daten wesentlich verringert werden. Die Signalverarbeitungseinheiten können zur Korrelation der Signale der Sensoreinheiten ausgebildet sein.The sensor devices advantageously have signal processing units for preprocessing signals from the sensor units. This can significantly reduce the amount of data to be transmitted. The signal processing units can be designed to correlate the signals of the sensor units.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Signalverarbeitungseinheiten Tabellen zur Speicherung von Materialdaten auf, mittels derer die Signale der Sensoreinheiten korrelierbar sind.In an advantageous embodiment, the signal processing units have tables for storing material data, by means of which the signals of the sensor units can be correlated.
Die Sensoreinrichtungen können zur Messung der Distanz voneinander ausgebildet sein. Dies erlaubt die Erkennung von Dehnungen oder Stauchungen der Struktur.The sensor devices can be designed to measure the distance from each other. This allows the detection of strains or compressions of the structure.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren weist insbesondere die folgenden Schritte auf:
Verwenden eines Zustandsüberwachungssystems;
Auslesen der von den Sensoreinrichtungen gemessenen Werte sowie der Kennungen;
Lokalisieren der jeweiligen Sensoreinrichtung anhand der Kennung, um so zu dem ausgelesenen Parameterwert eine Ortsbestimmung zu erhalten;
Errechnen der Auslenkung der Sensoreinrichtung aus den gemessenen Beschleunigungswerten;
Ermitteln einer Lastverteilung über das Sensornetzwerk.A method according to the invention has the following steps in particular:
Using a condition monitoring system;
Reading the values measured by the sensor devices as well as the identifiers;
Locating the respective sensor device on the basis of the identifier so as to obtain a location determination for the read-out parameter value;
Calculating the deflection of the sensor device from the measured acceleration values;
Determining a load distribution over the sensor network.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass Parameter der Struktur mit geringem Verdrahtungsaufwand lokalisiert gemessen werden können. Geringer Verdrahtungsaufwand hat ein geringeres Gewicht des Sensorsystems zur Folge. Des Weiteren ist es durch die Verwendung von Beschleunigungssensoren in den Sensoreinrichtungen möglich, einen der wichtigsten Parameter der Strukturbelastung zu messen.The method according to the invention has the advantage that parameters of the structure can be measured locally with little wiring effort. Low wiring costs result in a lower weight of the sensor system. Furthermore, by using acceleration sensors in the sensor devices, it is possible to measure one of the most important parameters of the structural load.
Wird nämlich die Auslenkung der Sensoreinrichtungen aus den gemessenen Beschleunigungswerten berechnet, so kann daraus die Dehnbelastung der Struktur abgeleitet werden.If, in fact, the deflection of the sensor devices is calculated from the measured acceleration values, then the strain of the structure can be deduced therefrom.
Die Korrelation von gemessenen Temperatur- und Auslenkungsmesswerten erlaubt eine Anpassung der Maximalwerte für die Belastung an temperaturabhängige Materialeigenschaften.The correlation of measured temperature and deflection measured values allows adaptation of the maximum values for the load to temperature-dependent material properties.
Eine Entscheidung, ob aufgrund der korrelierten Temperatur- und Beschleunigungsmesswerte eine Beschädigung der Struktur wahrscheinlich ist, ermöglicht eine gezielte Beeinflussung der Länge des Wartungsintervalls und kann helfen, Beschädigungen gezielt zu erkennen. Durch die Messung des Abstandes zwischen den mittels Kennung lokalisierten Sensoreinrichtungen, und einen Vergleich des gemessenen Abstandes mit einem gespeicherten Referenzwert für diese Sensoreinrichtungen sind Materialverformungen in der Struktur detektierbar.Deciding whether damage to the structure is likely due to the correlated temperature and acceleration measurements allows for a targeted impact on the length of the maintenance interval and can help pinpoint damage. By measuring the distance between the sensor means located by means of identification, and a comparison of the measured distance with a stored reference value for these sensor devices, material deformations in the structure can be detected.
Ein Vergleich von zwei unter den gleichen Bedingungen zeitlich versetzt aufgenommenen Lastverteilungen und eine Abschätzung der Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Struktur aufgrund der Unterschiede in den Lastverteilungen bewirkt vorteilhaft eine Frühwarnung vor Beschädigungen. Somit ist es bereits im Flug möglich, abzuschätzen, ob Beschädigungen an der Struktur zu erwarten sind. Entsprechend der bei dieser Abschätzung gesammelten Daten können Wartungsintervalle verkürzt oder verlängert werden.A comparison of two load distributions recorded at the same time offset under the same conditions and an estimation of the probability of damage to the structure due to the differences in the load distributions advantageously brings about early warning of damage. Thus it is already possible in flight to estimate whether damage to the structure is to be expected. According to the data collected in this estimation, maintenance intervals can be shortened or extended.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels, das in den beigefügten Zeichnungen schematisch dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:The invention will be described below with reference to an embodiment shown in the attached Drawings is shown schematically, explained in more detail. Show it:
In
Die Beschleunigungssensoreinheiten
Last- und Stressprofile können während des Fluges oder bei Wartungsintervallen genutzt werden. Dies führt zu einem bordgestützten, echtzeitfähigen Zustandsüberwachungssystem, das die Wartungskosten reduziert und die gewöhnlichen Wartungsintervalle vergrößert.Load and stress profiles can be used during the flight or at maintenance intervals. This results in an on-board, real-time condition monitoring system that reduces maintenance costs and increases the usual maintenance intervals.
Die Sensoreinheiten
In dem hier vorgeschlagenen System werden Sensoren einem Netzwerkknoten hinzugefügt, um so eine Sensoreinrichtung
Ein drahtloses Sensornetzwerk, das mit Sensoreinrichtungen
Durch Analyse der von den Sensoreinrichtungen
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass Daten, die in einer Sensoreinrichtung
Durch zweifache Integration der Beschleunigungsdifferenz zwischen den beiden Punkten kann die Flügelverschiebung und damit aufgrund der Dehnung oder Stauchung des Flügels die mechanische Belastung des Flügels berechnet werden. Wenn die Verschiebung bestimmte Referenzwerte überschreitet, erhält man einen Hinweis auf eine Schwächung der Struktur oder sogar einen Defekt.By double integration of the acceleration difference between the two points, the wing displacement and thus due to the expansion or compression of the wing, the mechanical load of the wing can be calculated. If the displacement exceeds certain reference values, an indication of weakening of the structure or even a defect is obtained.
Die Sensoreinrichtungen
Die Versorgungseinrichtung versorgt die Sensoreinrichtung
Als Sensoren kommen beispielsweise Beschleunigungs- oder Temperatursensoreinrichtungen
Die Kommunikation kann mittels verschiedener Netzwerktopologien realisiert werden. Für den Bodenbetrieb des Systems spielt das Netzwerk an sich keine wichtige Rolle. Selbst Punkt-zu-Punkt-Verbindungen könnten möglich sein. Um das System im Flug zu benutzen, wird jedoch eine verbrauchsarme, sichere und fehlertolerante Architektur verwendet.The communication can be realized by means of different network topologies. For the ground operation of the system, the network does not play an important role. Even point-to-point connections could be possible. However, in order to use the system in flight, a low-consumption, secure and fault-tolerant architecture is used.
Die Kommunikationseinrichtung
Damit die Sensoreinrichtungen
Ein Zentralrechner, der die Informationen der Sensoreinrichtungen
Um die Verknüpfung der Kennung mit den Sensordaten zu erleichtern, ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass die Kommunikationseinrichtung
Ein weiterer interessanter Faktor des her vorgeschlagenen Systems ist, dass das Netzwerk die Messung eines Last- und Stressprofils über die Flugzeugstruktur mit Hilfe direkter Signal- und Datenverarbeitung im Flug erlaubt.Another interesting factor of the proposed system is that the network allows the measurement of a load and stress profile across the aircraft structure using direct signal and data processing in flight.
Die Menge an Berechnungen, die in der Signalverarbeitungseinheit
Zusätzlich können die Daten mit weiteren Informationen, beispielsweise einer exakten Distanzmessung zwischen den Knoten, verknüpft werden. Damit ist eine Messung der Positionsveränderung beziehungsweise der Abweichung der Struktur möglich. Dies könnte den Wert von Aufzeichnungen, die Überlastungssituationen in Teilen des Aufbaus betreffen, erhöhen.In addition, the data can be linked to other information, such as an exact distance measurement between the nodes. This makes it possible to measure the change in position or the deviation of the structure. This could increase the value of records relating to congestion situations in parts of the structure.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Flugzeugplane
- 1212
- Sensoreinrichtungsensor device
- 1414
- Kommunikationseinrichtungcommunicator
- 1616
- SignalverarbeitungseinheitSignal processing unit
- 1818
- BeschleunigungssensoreinheitAcceleration sensor unit
- 18a18a
- Signalsignal
- 2020
- TemperatursensoreinheitTemperature sensor unit
- 20a20a
- Signalsignal
- 2222
- Wertvalue
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Legal Events
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