CN101111754A - 用于在旋转机械的旋转部分上测量的数据的无线数据传输的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于在旋转机械的旋转部分(11)上进行测量的设备和方法，包括：测量装置(1)，其安装在所述旋转部分(11)上，用于测量所述旋转部分(11)的至少一个参数；发送装置(2)，用于接收来自所述测量装置(1)的测量数据，并包括至少一个射频模块(22)，具体为蓝牙模块，用于基于接收的所述测量数据的数据的无线传输(8)；接收装置(5)，包括射频模块，具体为蓝牙模块，用于接收从所述发送装置(2)传输的所述数据；以及，处理单元(4)，与所述接收装置(5)相连，用于处理包含在从所述接收装置(5)接收的所述数据中的测量数据。该设备可被具体用于像蒸汽涡轮机、燃气涡轮机或发生器等旋转机械的长期在线监测。
Description
技术领域
本发明涉及用于根据权利要求1在旋转机械的旋转部分上进行测量的设备和根据权利要求16的相应方法，以及用于根据权利要求11在旋转机械的旋转部分上进行测量的测量和发送单元。
背景技术
像蒸汽或燃气涡轮机或发生器等旋转机械的状态监测通常在低旋转速度的机械检查期间进行。为了进行监测，采用通过线缆与外部处理单元相连的测量系统，其用以处理测量数据。该方法耗时，且也不能用于旋转机械的在线状态检测。然而，对旋转系统的长时间可靠性来说，重要的是持续地在线监测机械的状态，用以检测会减小机械寿命的不希望出现的力。
持续监测在诸如下述的应用中是重要的。在发电厂中，可将几个旋转机械连在一起，以形成具有相当长度的轴来传送这些机械的力。机械的轴部通过联轴器对准并相连。可将轴承配置在联轴器间和轴的末端，用以转动轴。轴部未对准会产生不受欢迎的力，其可能导致振动、轴弯曲、轴承和联轴器的寿命降低以及发电厂的效率降低等。
WO 92/08962公开了用于在包括几部分的转轴上对准轴部的方法和设备。轴部通过联轴器连接，轴在联轴器的每侧都采用滑动轴承引导。应变计被固定在联轴器的每侧。它们的测量值指示每个联轴器上的应力。联轴器中的弯曲力矩由处理单元估算，然后在力矩最小化单元中使用。此外，第三单元可以利用每个联轴器的许可角度偏差的指示，用以最小化轴承运动，这是使联轴器中的总剩余力矩最小所必需的。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供用于在旋转机械的旋转部分上进行测量的设备、方法以及测量和发送单元，其允许进行特别长期的在线监测。
通过如权利要求1所述的用于在旋转机械的旋转部分上进行测量的设备和如权利要求16所述的相应方法，以及如权利要求11所述的用于在旋转机械的旋转部分上进行测量的测量和发送单元，可以实现该目的。本发明的优选实施例在所附的权利要求中给出。
根据本发明的重要方面，通过无线通讯连接传输来自旋转机械的旋转部分的测量数据。因为对测量来说不需要线缆，所以可以对旋转机械长期在线测量。根据本发明的设备可测量旋转部分的一个或多个参数，并通过无线通讯连接将测量数据发送给处理单元，以进一步处理。该设备适用于像蒸汽涡轮机、燃气涡轮机或发生器等旋转机械中，其中恶劣的环境中具有高旋转力、高温以及电磁辐射等。它也既能用于高速也能用于低速机械上的在线短期以及在线长期测量。
根据本发明的实施例，提供了用于在旋转机械的旋转部分上进行测量的设备，其包括：
测量装置，其被安装在旋转部分上，用于测量旋转部分的至少一个参数；
发送装置，用于接收来自测量装置的测量数据，并包括至少一个射频模块，具体为蓝牙模块，用于基于接收的测量数据的数据的无线传输；
接收装置，包括射频模块，具体为蓝牙模块，用于接收从发送装置传输的数据；以及
处理单元，与接收装置相连，用于处理包含在从接收装置接收的数据中的测量数据。
优选地，也可将发送装置安装在旋转部分。射频模块是能通过无线传输进行通讯的模块。具体地，用于射频模块的蓝牙技术是用于替代有线的现代、低成本和低功耗的无线电技术，其可以使低成本地实现该设备。然而，根据本发明，其它的无线技术也是适用的，诸如IEEE802.11 WLAN标准运行或HIPERLAN。然而，蓝牙技术的主要优势是可以双向通讯以及强劲的无线通讯，这是由以下特性保证的：重发丢失的数据包；采用在2.5GHz频带中79个数据率约为1Mbit/s的信道间的连续跳频，以避免来自其它无线电源的干扰，且不需要复杂的天线安装配置。
优选地，接收装置通过向发送装置发送控制数据来控制测量。发送装置可以处理接收的控制数据并控制测量过程，如通过根据接收的控制数据对测量装置编程。同时，发送者可以将控制数据传递给发送装置，用以对测量数据的处理编程。当蓝牙模块用作射频模块时，在蓝牙模块间建立一方面传递测量数据一方面传递控制数据的双向通信可以使设备执行标准化且是用户友好的，因此该设备可被用于广泛的用途。具体地，对于将该设备用于不同环境中的应用来说，可能只需要配置软件。这种情况下不需要对硬件进行改变。例如，可以通过在线通讯对发送装置的采样频率、增益或滤波器设置编程。此外，可以在不同的测量装置间在线切换，如在应力片或温度传感器间。
此外，设备可以包括用于向发送装置提供能量的装置。例如，可由两个线圈间的感应电源提供能量，如气隙变压器。
因此，在优选实施例中，用于向发送装置提供能量的装置包括旋转部分外侧的感应电源单元、安装在旋转部分周围的感应线圈和安装在旋转部分上的相应能量收集线圈。在发送装置和/或测量装置中，可以实现低能或节能模式，这可以在运行期间通过向发送装置发送相应的控制命令来启动。例如，如果发送单元超过它的设计温度时，或采用电池供电时，则可以采用该节能模式。
在另一个优选实施例中，用于向发送装置提供能量的装置包括电池，其在发送装置中实现。因此，可以使该设备能用于短期使用。此外，因为现在的电池研发使电池能用更长的时间，所以相对感应电源，替代地采用电池提供能量可能是节约成本的。
为了保证设备在如高速长期旋转的燃气或蒸汽涡轮机等的恶劣环境中工作，发送装置可以工作在旋转机械具有高达10,000g的恶劣环境中。此外，发送装置也可以工作在高达约125℃的高温中。例如，为了承受旋转机械的苛刻环境中的高温、压力以及电磁干扰，发送装置可以按照在固定壳体中，如由诸如金属等弹性材料形成的壳体。
在优选实施例中，发送装置安装在旋转部分上，并由多芯片模块(MCM-D)技术形成。MCM-D技术集成电子电路的裸模片，因此，与形成于印刷电路板上相比，发送装置变得更小。由于多芯片模块的紧凑设计和低重量，发送装置可以抵挡高离心力。MCM-D技术对热应力也是不敏感的，因为整体设计是硅基的；此外，多芯片模块的整体设计是密封芯片，其对燃油、蒸汽和水是不敏感的。
根据本发明的一个实施例，发送装置包括：
前端单元，用于预处理从测量装置接收的测量数据；
A/D转换器，用于将预处理测量数据数字化；
数字信号处理器，用于处理数字化且预处理的测量数据；
射频模块，具体为蓝牙模块，与数字信号处理器相连，用于传送从数字信号处理器接收的数据；以及
供能单元，与用于向发送装置提供能量的装置相连。
为了消除或至少减小由旋转机械导致的对测量的磁场干扰，前端单元可以包括切换的计激发(switched gauge excitation)功能，用以最小化测量数据中的干扰。切换的计激发可以最小化或甚至于消除电磁场干扰。切换的计激发是指用于衡量的电源电压的极性与输入的测量的极性同时切换。因此有用的信号信息将保持不变，而感应的电磁场干扰独立于电源电压的极性，其会由于高的开关频率在高频被抑制，然后能简单地通过低通滤波器将其去除。
根据本发明的另一方面，提供了用于在旋转机械的旋转部分上进行测量的测量和发送单元，其包括：
测量装置，被配置为安装在旋转部分上，用于测量旋转部分的至少一个参数；以及
发送装置，被配置为安装在旋转部分上，用于接收来自测量装置的测量数据，并包括至少一个射频模块，具体为蓝牙模块，用于基于接收的测量数据的数据的无线传输。
该单元可以包含包括测量装置和发送装置的多芯片模块(MCM-D)。该实施例具有高可靠性，能抵挡发生在旋转机械的苛刻环境中的各种干扰。
测量装置可以包括切换的计激发功能，用以最小化测量数据中的干扰。
此外，单元可由电动静态线圈提供能量。
根据另一方面，本发明涉及无线应变计轴对准(WSSA)设备，其包括至少两个轴部，其中，两个轴部通过联轴器相连，且其中每个轴部都通过轴承连接。WSSA设备包括：
至少一个应变计，被配置在联轴器两侧的每一侧，用于测量轴表面上的应力；
处理单元，用于处理从应变计上接收的测量数据，并计算联轴器的弯曲力和及用于使联轴器中间的剩余力矩最小所需的弯曲运动；以及
用于联轴器应力和轴承负载测量的根据本发明实施例的设备，但是测量装置包括至少一个应力片，且接收装置被用于将测量数据发送给处理单元。
根据另一方面，本发明涉及用于在旋转机械的旋转部分上进行测量的方法，其中
测量装置，被安装在旋转部分上，其测量旋转部分的至少一个参数；
发送装置，其包括至少一个射频模块，具体为蓝牙模块，用于基于接收的测量数据的数据的无线传输，接收来自测量装置的测量数据并通过至少一个射频模块传输基于接收的测量数据的数据；
接收装置，其包括射频模块，具体为蓝牙模块，用于接收从发送装置传输的数据；以及
处理单元，其与接收装置相连，处理包含在从接收装置接收的数据中的测量数据。
通过以下的说明，并参考附图，本发明的其它优点、目的和特征将是显而易见的。
附图说明
现在将通过实例的方式并参考附图对本发明进行说明，其中：
图1A示出根据本发明的设备的第一实施例的方框图；
图1B示出传统的SSA系统；
图2示出基于无线SSA系统的蓝牙，其用于旋转机械的轴部的一个联轴器，该旋转机械在旋转侧上有两个收发单元而且在非旋转侧上有其它设备；
图3示出无线SSA系统安装配置的电路布局；
图4示出图3的SSA系统的安装配置，其中更详细地示出SSA系统的无线部分，并显示用于处理测量数据的处理单元；
图5示出旋转侧的无线蓝牙收发单元的方框图；以及
图6示出包括切换的计激发的测量前端。
具体实施方式
图1A示出用于对诸如燃气涡轮机等旋转机械的轴应力进行测量的设备的方框图。设备的测量装置1安装在旋转机械的轴上，并包括一个或多个应力片，用于测量轴表面上的应力。测量装置1进一步包括温度传感器，用于测量轴上的温度。设备的发送装置2也安装在轴上，并包括至少一个蓝牙模块，该发送装置2通过数据连接6与测量装置1相连。测量装置1通过连接6向发送装置2传递测量数据，该发送装置2通过用于数据8传输的无线连接向也包括蓝牙模块的接收装置5发送基于测量数据的数据。接收装置5通过数据连接10与处理单元4相连，用于将接收的测量数据发送给它。处理单元4处理接收的数据，并显示轴上的实际温度以及轴表面上的应力。
通过另一个无线连接9，接收装置5向发送装置2发送控制数据，用以控制测量。具体地，通过控制数据改变发送装置的采样频率、增益或滤波器设置，用以影响测量结果。通过控制数据，设备可以在包括在测量装置1中的应变计与传感器间进行切换。
此外，采用通过感应电源从静态线圈3.1向旋转线圈3.2提供能量的装置。这通过向静态线圈3.1提供高频交流电流进行。向静态线圈3.1提供的能量由旋转线圈3.2收集。由旋转线圈3.2收集的能量7被提供给发送单元28。通过感应电源提供能量使该装置能被用于长期使用。或者，在发送装置2中采用电池提供能量使该装置能被用于短期使用。
测量装置1和发送装置2形成测量和发送单元28。可以利用MCM-D技术将发送单元28形成为一个模块，从而可以抵挡旋转机械的恶劣环境中产生的各种干扰。
图1B示出传统的SSA系统，其中，数据记录器通过线缆与安装在旋转机械轴(这里，四个涡轮机15和一个发生器16)上的测量装置相连，其用于进行测量。如背景技术中所述，采用这种数据记录器的测量只能在低旋转速度的旋转机械检查过程期间进行。
图2示出根据本发明实施例的设备的实现。在轴对准系统中，这里至少两个轴部11被对准，每个轴部11通过联轴器与下一个轴部11相连，根据本发明实施例的设备实现为测量联轴器应力和轴承负载的设备。图2示出一个具有联接法兰12的轴部11，用于与另一个轴部11连接。发送装置2被安装在联接法兰12上。
在该情形中，用于提供能量的装置3包括：感应线圈3.1，安装在轴部11附近，其产生用于向发送装置2提供感应能量的必需电磁场；以及，收集线圈3.2，安装在发送装置2旁边的联接法兰12上。感应电源单元14向感应线圈3.1提供必需的能量。
从应变计或传感器(未在图2中示出)接收测量数据的发送装置2通过发送装置2和接收装置5中由蓝牙技术提供的无线连接向接收装置5发送测量数据。接收装置5通过数据连接10向处理单元4发送该测量数据。具体地，对发送装置2来说，建议采用两个蓝牙模块，然而一个作为备用，当另一个无法工作时，它开始工作。
图3示出包括根据本发明实施例的设备的无线应变轴对准(WSSA)系统。四个涡轮机15和一个发生器16被对准。每个轴部11通过联轴器17连接，并在联轴器间和轴的末端以轴承18连接。至少一个应力片被安装在每个联轴器17的两侧，用以测量该联轴器17两侧轴表面上的应力。发送装置2也安装在每个联轴器17上，用于将应力片的测量数据发送给接收装置5，该接收装置5与处理单元4相连。在无需线缆的情况下，WSSA系统能测量所示的旋转机械全速时的轴承负载以及联轴器应力。
处理单元4处理应力片的测量数据并计算联轴器17的弯曲力矩，以及用以使联轴器17中间的剩余力矩最小所需的轴承运动。从接收装置5到处理单元4的数据连接10被设计为以太网连接或者RS485通讯连接。
感应电源单元14在靠近每个联轴器17处实现，用于向感应线圈提供必需的能量，这些感应线圈被安装在靠近联轴器17的每个轴部11附近，它们未在该图中示出。感应电源单元14与主电源(未在图中示出)相连。它们不仅设计为用于提供感应电源，同时也提供用于发送装置2中的数字信号处理器所必需的触发信号。因此，可以获得测量数据与轴旋转的同步。旋转编码器向感应电源单元14提供必需的触发信号。
通过在发送装置2和接收装置5中实现的蓝牙模块建立发送装置2和接收装置5间的无线连接。
图4示出图3的WSSA系统，其中更具体地示出测量和发送装置。图4也示出处理单元或分析系统的几个弯曲力矩的测量结果以及水平和垂直调整的显示。
图5示出发送装置2的方框图。发送装置2包括前端单元19，用于预处理传感器1的测量数据。或者，前端单元19可在测量装置1中实现，即与传感器1一起实现。来自传感器1的测量数据通过数据连接6传递到前端单元19中。前端单元19包括前端开关、可编程增益放大器(PGA)以及滤波器。预处理测量数据通过数据连接26从前端单元10传递到A/D转换器20。在A/D转换后，数字信号处理器21处理预处理的测量数据。数字信号处理器由收集线圈3.2提供的外部触发信号25触发。由收集线圈3.2的感应电源提供能量的供能单元23为发送装置2的部件提供必需的能量。收集线圈3.2收集向感应线圈3.1提供的能量。最后，蓝牙模块22向接收装置5的蓝牙模块22.1无线发送测量数据。
图6示出在发送装置的前端单元中实现的切换的计激发的示例电路。为了最小化甚至于消除电磁场干扰，将衡量的电源电压的极性和输入测量的极性同时切换。因此有用的信号信息将保持不变，而感应的电磁场干扰独立于电源电压的极性，其会由于高的开关频率在高频被限制，然后能通过低通滤波器将其去除。
附图标记
1 测量装置
2 发送装置
3 用于向发送装置提供能量的装置
3.1 感应线圈
3.2 收集线圈
4 处理单元
5 接收装置
6 到发送装置的数据连接
7 感应供能
8 用于测量数据传输的无线连接
9 用于控制数据传输的无线连接
10 到处理单元的数据连接
11 轴部
12 联接法兰
14 感应电源单元
15 涡轮机
16 发生器
17 联轴器
18 轴承
19 前端单元
20 A/D转换器
21 数字信号处理器
22 发送装置的蓝牙模块
22.1 接收装置的蓝牙模块
23 供能单元
-25 外部触发信号
26 从前端单元到A/D转换器的数据连接
27 从A/D转换器到数字信号处理器的数据连接
28 测量和发送单元
Claims (16)
1.用于在旋转机械的旋转部分(11)上进行测量的设备，包括：
测量装置(1)，其安装在所述旋转部分(11)上，用于测量所述旋转部分(11)的至少一个参数；
发送装置(2)，用于接收来自所述测量装置(1)的测量数据，并包括至少一个射频模块(22)，具体为蓝牙模块，用于基于所述接收的测量数据的数据的无线传输(8)；
接收装置(5)，包括射频模块，具体为蓝牙模块，用于接收从所述发送装置(2)传输的所述数据；以及
处理单元(4)，与所述接收装置(5)相连，用于处理包含在从所述接收装置(5)接收的所述数据中的测量数据。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述接收装置(5)用于通过向所述发送装置(2)发送控制数据来控制测量。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于：
其进一步包括用于向所述发送装置(2)提供能量的装置(3)。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于：
用于向所述发送装置(2)提供能量的所述装置(3)包括在所述旋转部分外侧的感应电源单元(14)、安装在所述旋转部分(11)周围的感应线圈(3.1)以及安装在旋转部分(11)上的相应能量收集(3.2)线圈。
5.如权利要求3所述的设备，其特征在于：
用于向所述发送装置(2)提供能量的所述装置(3)包括电池，所述电池被配置在所述发送装置(2)中。
6.如前述权利要求中任意一项所述的设备，其特征在于：
所述发送装置(2)适用于在旋转机械具有高达约10.000g的高旋转力的恶劣环境中工作。
7.如前述的权利要求中任意一项所述的设备，其特征在于：
所述发送装置(2)适用于在高达约125℃的高温中工作。
8.如前述的权利要求中任意一项所述的设备，其特征在于：
所述发送装置(2)安装在所述旋转部分(11)上，并采用多芯片模块(MCM-D)技术实现。
9.如前述的权利要求中任意一项所述的设备，其特征在于：
所述发送装置(2)包括：
前端单元(19)，用于预处理从所述测量装置(1)接收的所述测量数据；
A/D转换器(20)，用于将所述预处理的测量数据数字化；
数字信号处理器(21)，用于处理所述数字化且预处理的测量数据；
所述射频模块(22)，具体为蓝牙模块，与所述数字信号处理器(21)相连，用于传送从所述数字信号处理器(21)接收的数据；以及
供能单元(23)，与用于向所述发送装置(2)提供能量的装置(3)相连。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于：
所述前端单元(19)适用于包含切换的计激发功能，用于最小化所述测量数据中的干扰。
11.用于在旋转机械的旋转部分(11)上进行测量的测量和发送单元(28)，包括：
测量装置(1)，适用于安装在所述旋转部分(11)上，用于测量所述旋转部分(11)的至少一个参数；以及
发送装置(2)，适用于安装在所述旋转部分(11)上，用于接收来自所述测量装置(1)的测量数据，并包括至少一个射频模块(22)，具体为蓝牙模块，用于基于接收的所述测量数据的数据的无线传输(8)。
12.如权利要求11所述的测量和发送单元(28)，其特征在于：
其包含包括所述测量装置(1)和所述发送装置(2)的多芯片模块(MCM-D)。
13.如权利要求11或12所述的测量和发送单元(28)，其特征在于：
所述测量装置(1)适用于包含切换的计激发功能，用于最小化所述测量数据中的干扰。
14.如权利要求11、12或13所述的测量和发送单元(28)，其特征在于：
它适用于由被供电的静态线圈(3.1)提供能量。
15.用于在旋转机械上使用的无线应变计轴对准(WSSA)设备，其包括至少两个轴部(11.1，11.2，11.3，11.4，11.5)，其中，两个所述轴部(11.1，11.2)通过联轴器(17)相连，且其中每个所述轴部(11.1，11.2，11.3，11.4，11.5)都通过轴承(18)转动，其中WSSA设备包括：
至少一个应变计，被配置在所述联轴器(17)两侧的每一侧，用于测量所述轴表面上的应力；
处理单元(4)，用于处理从所述应变计接收的测量数据，并计算所述联轴器(17)的弯曲力矩和用于使所述联轴器(17)中间的剩余力矩最小所需的弯曲运动；以及
至少一个如权利要求1到10任一项所述的用于测量耦合应力和轴承负载的设备，其中，所述测量装置(1)包括所述至少一个应变计，所述接收装置(5)适用于将所述测量数据发送给所述处理单元(4)。
16.用于在旋转机械的旋转部分(11)上进行测量的方法，其中：
测量装置(1)，其安装在所述旋转部分(11)上，测量旋转部分(11)的至少一个参数；
发送装置(2)，其包括至少一个射频模块(22)，具体为蓝牙模块，用于基于接收的所述测量数据的数据的无线传输(8)，接收来自所述测量装置(1)的测量数据，并通过所述至少一个射频模块传输基于所述接收的测量数据的数据；
接收装置(5)，其包括射频模块，具体为蓝牙模块，接收从所述发送装置(2)传输的所述数据；以及
处理单元(4)，其与所述接收装置(5)相连，处理包含在从所述接收装置(5)接收的所述数据中的测量数据。
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