CN102538724A - 使用微波发射器来监测部件的方法和系统 - Google Patents

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CN102538724A
CN102538724A CN2011103936024A CN201110393602A CN102538724A CN 102538724 A CN102538724 A CN 102538724A CN 2011103936024 A CN2011103936024 A CN 2011103936024A CN 201110393602 A CN201110393602 A CN 201110393602A CN 102538724 A CN102538724 A CN 102538724A
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B·L·谢克曼
D·A·富尔登
S·T·W·弗兰西斯
S·Y·高
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Abstract

本发明名称为“使用微波发射器来监测部件的方法和系统”。提供一种用于部件(104)的监测系统(109)。该系统包括：传感器组件(110)，传感器组件(110)包括至少一个探头(202)，探头(202)包括从至少一个微波信号生成至少一个电磁场(209)的微波发射器(206)，其中当部件与至少一个电磁场进行交互时负载被感应到微波发射器；耦合到微波发射器的数据管道(113、115)，其中在来自微波发射器的数据管道内反射表示负载的至少一个负载信号；以及至少一个信号处理装置(200)，配置成接收至少一个负载信号，并且生成电输出供测量部件中使用。

Description

使用微波发射器来监测部件的方法和系统
技术领域
一般来说，本发明的领域涉及监测系统，且更具体来说，涉及用于测量部件相对于微波发射器的接近度的方法和系统。
背景技术
至少一些已知机器(例如，发电系统)包括可随时间而被损坏或磨损的一个或多个部件。例如，已知涡轮机包括诸如随时间而磨损的轴承、齿轮和/或转子叶片的部件。通过已磨损部件进行持续操作可能对其它部件引起附加损坏，或者可能导致部件或系统的过早失效。
为了检测机器内的部件损坏，采用监测系统来维护至少一些已知机器的操作。至少一些已知监测系统使用传感器来执行系统的至少一些部件的接近度测量。能够使用涡电流传感器、磁拾取传感器或电容传感器来执行接近度测量。但是，由于这类拾取传感器的测量范围受到限制，所以可使用这类拾取传感器的位置会受到限制。此外，由于这类拾取传感器的频率响应一般较低，所以这类传感器的精度会受到限制。
发明内容
在一个实施例中，提供一种用于测量部件相对于微波发射器的接近度的方法。该方法包括向微波发射器传送至少一个微波信号。由微波发射器从微波信号生成至少一个电磁场。此外，该方法包括通过部件与电磁场之间的交互来将负载感应到微波发射器，其中在来自微波发射器的数据管道内反射表示负载的至少一个失谐负载信号。失谐负载信号由至少一个信号处理装置来接收。然后，信号处理装置基于该负载信号来测量部件相对于微波发射器的接近度。由信号处理装置生成电输出。
在另一个实施例中，提供一种用于部件的监测系统。监测系统包括传感器组件。传感器组件包括含微波发射器的至少一个探头。微波发射器从至少一个微波信号生成至少一个电磁场，其中当部件与电磁场进行交互时负载被感应到微波发射器。此外，传感器组件包括耦合到微波发射器的数据管道，其中在来自微波发射器的数据管道内反射表示负载的至少一个失谐负载信号。传感器组件还包括至少一个信号处理装置，信号处理装置配置成接收失谐负载信号，并且生成电输出供监测部件中使用。
在另一个实施例中，提供一种用于部件的监测系统。监测系统包括传感器组件以及耦合到传感器组件的诊断系统。传感器组件包括含微波发射器的至少一个探头。微波发射器从至少一个微波信号生成至少一个电磁场，其中当部件与电磁场进行交互时负载被感应到微波发射器。此外，传感器组件包括耦合到微波发射器的数据管道，其中在来自微波发射器的数据管道内反射表示负载的至少一个失谐负载信号。传感器组件还包括至少一个信号处理装置，信号处理装置配置成接收失谐负载信号，并且生成电输出供监测部件中使用。
附图说明
图1是示范电力系统的框图；
图2是可与图1所示的电力系统配合使用的示范传感器组件的框图；
图3是可与图1所示的电力系统配合使用的示范诊断系统的框图；
图4是可与图1所示的电力系统配合使用的示范显示装置的框图；以及
图5是可与图1所示的电力系统配合使用的、用于测量部件相对于微波发射器的接近度的示范方法的流程图。
具体实施方式
本文所述的示范方法、设备和系统克服了与用于部件的已知监测系统关联的至少一些缺点。具体来说，本文所述的实施例提供一种使用微波发射器来执行接近度测量的监测系统。与随已知监测系统配合使用的已知涡电流传感器、磁拾取传感器或电容传感器相比，微波发射器提供更大的测量范围和更高的频率响应。
图1示出包括机器102的示范电力系统100，机器102非限制性地包括例如风力涡轮机、水电涡轮机、燃气涡轮机和/或压缩机。在示范实施例中，机器102使与诸如发电机之类的载荷106耦合的驱动轴104旋转。应当注意，本文所使用的术语“耦合”并不局限于部件之间的直接机械连接和/或电连接，而是还可包括多个部件之间的间接机械连接和/或电连接。
在示范实施例中，驱动轴104至少部分由机器102中和/或载荷106中容置的一个或多个轴承(未示出)来支承。作为替代或补充，轴承可容置在分离的支承结构108(例如，齿轮箱)或者使电力系统100能够如本文所述那样起作用的任何其它结构之内。
在示范实施例中，电力系统100包括含至少一个传感器组件110的监测系统109，传感器组件110测量和/或监测机器102、驱动轴104、载荷106和/或使系统100能够如本文所述那样起作用的任何其它部件的至少一个操作条件。更具体来说，在示范实施例中，传感器组件110是接近度传感器组件110，它定位成靠近驱动轴104，供测量和/或监测驱动轴104与传感器组件110之间的距离(图1中未示出)中使用。此外，在示范实施例中，传感器组件110使用一个或多个微波信号来测量电力系统100的部件相对于传感器组件110的接近度，例如静态接近度和/或振动接近度。本文所使用的术语“微波”是指接收和/或传送具有约300兆赫(MHz)到约300千兆赫(GHz)之间的频率的信号的部件或信号。备选地，传感器组件110可用于测量和/或监测电力系统100的任何其它部件，和/或可以是使监测系统109能够如本文所述那样起作用的任何其它传感器组件或换能器组件。
在示范实施例中，各传感器组件110定位在电力系统100之内的任何相对位置中。此外，在示范实施例中，监测系统109包括与一个或多个传感器组件110耦合的诊断系统112。诊断系统112处理和/或分析传感器组件110生成的一个或多个信号。本文所使用的术语“处理”指的是对信号的至少一个特性执行操作、进行调整、滤波、缓冲和/或改变。更具体来说，在示范实施例中，传感器组件110经由数据管道113或数据管道115耦合到诊断系统112。备选地，传感器组件110可无线地耦合到诊断系统112。
在诊断系统112处理和/或分析从传感器组件110生成的一个或多个信号之后，诊断系统112则向也包含在监测系统109中的显示装置116传送经处理的信号。显示装置116经由数据管道118耦合到诊断系统112。更具体来说，在示范实施例中，信号经由数据管道118传送给显示装置116，供向用户显示或输出。备选地，显示装置116可无线地耦合到诊断系统112。
在操作期间，在示范实施例中，例如，由于磨损、损坏或振动，电力系统100的一个或多个部件(例如，驱动轴104)可能相对于一个或多个传感器组件110而改变位置。例如，振动可被感应到部件，和/或部件可随电力系统100中的操作温度发生变化而膨胀或收缩。在示范实施例中，传感器组件110测量和/或监测部件相对于传感器组件110的诸如静态接近度和/或振动接近度的接近度和/或相对位置，并且向诊断系统112传送表示部件的测量的接近度和/或相对位置的信号(以下称作“接近度测量信号”)，供处理和/或分析。
在诊断系统112处理和/或分析接近度测量信号之后，接近度测量信号则被传送给显示装置116，供向用户显示或输出。在示范实施例中，显示装置116提供接近度测量的图形表示或文本表示。显示装置116可提供多种形式的信号表示，例如波形、告警、警告、停机、图表和/或曲线图。
图2是可与电力系统100(图1所示)配合使用的传感器组件110的示意图。在示范实施例中，传感器组件110包括信号处理装置200以及经由数据管道204与信号处理装置200耦合的探头202。备选地，探头202可无线地耦合到信号处理装置200。
此外，在示范实施例中，探头202包括发射器206，发射器206耦合到探头壳体208和/或定位在探头壳体208中，并且生成电磁场209。发射器206经由数据管道204耦合到信号处理装置200。备选地，发射器206可无线地耦合到信号处理装置200。更具体来说，在示范实施例中，探头202是包括微波发射器206的微波探头202。在示范实施例中，数据管道204具有与发射器206的阻抗匹配的阻抗。备选地，管道204可具有使阻抗能够在整个电力系统100中始终大致恒定并且使传感器组件110和电力系统100能够如本文所述那样起作用的任何阻抗。
此外，在示范实施例中，信号处理装置200包括定向耦合装置210，定向耦合装置210耦合到传输功率检测器212、耦合到接收功率检测器214以及耦合到信号调节装置216。此外，在示范实施例中，信号调节装置216包括信号发生器218、减法器220和线性化电路222。
在操作期间，在示范实施例中，信号发生器218生成具有等于和/或近似等于发射器206的谐振频率的微波频率的至少一个电信号(以下称作“微波信号”)。信号发生器218将微波信号传送给定向耦合装置210。定向耦合装置210将微波信号传送给传输功率检测器212和发射器206。当微波信号通过发射器206传送时，电磁场209从发射器206发射并且离开探头壳体208。如果诸如驱动轴104或者机器102(图1所示)和/或电力系统100的另一个部件的对象进入电磁场209和/或改变电磁场209中的相对位置，则电磁耦合可在该对象和场209之间发生。更具体来说，由于电磁场209中的对象的存在和/或由于这种对象移动，对象中可使电磁场209的至少一部分作为电流和/或电荷而电感和/或电容地耦合到对象的感应效应和/或电容效应扰乱了电磁场209。在这种情况下，发射器206失谐(即，发射器206的谐振频率减小和/或改变等)，并且负载被感应到发射器206。被感应到发射器206的负载使微波信号的反射(以下称作“失谐负载信号”)通过数据管道204传送给定向耦合装置210。在示范实施例中，失谐负载信号具有比微波信号的功率幅度和/或相位更低的功率幅度和/或不同的相位。此外，在示范实施例中，失谐负载信号的功率幅度取决于对象对发射器206的接近度。定向耦合装置210将失谐负载信号传送给接收功率检测器214。
在示范实施例中，接收功率检测器214测量失真信号中包含的功率量，并且向信号调节装置216传送表示测量的失谐负载信号功率的信号。此外，传输功率检测器212检测微波信号中包含的功率量，并且向信号调节装置216传送表示测量的微波信号功率的信号。在示范实施例中，减法器220接收测量的微波信号功率和测量的失谐负载信号功率，并且计算微波信号功率与失谐负载信号功率之间的差。减法器220向线性化电路222传送表示计算的差的信号(以下称作“功率差信号”)。在示范实施例中，功率差信号的幅度与电磁场209中的诸如轴104的对象和探头202之间限定的距离230(即，对象接近度)大致成比例，例如成反比或指数比例。但是，取决于发射器206的几何形状或另一个特性，功率差信号的幅度相对于对象接近度可能至少部分呈现非线性关系。
在示范实施例中，线性化电路222将功率差信号变换为呈现对象接近度与接近度测量信号的幅度之间的大致线性关系的电输出，例如电压输出信号(即，“接近度测量信号”)。此外，在示范实施例中，线性化电路222向诊断系统112(图1所示)传送接近度测量信号，其中启用了比例因子供诊断系统112中的处理和/或分析。线性化电路222能够利用模拟信号处理技术或数字信号处理技术，以及使用这两者的杂化混合。例如，在示范实施例中，接近度测量信号具有每毫米数伏特的比例因子。备选地，接近度测量信号可具有使诊断系统112和/或电力系统100能够如本文所述那样起作用的任何其它比例因子。
图3是可与系统100(图1所示的)配合使用的诊断系统112的框图。在示范实施例中，诊断系统112包括系统底板302。此外，在示范实施例中，一个或多个传感器组件110(图1和图2所示)耦合到系统底板302，使得系统底板302经由数据管道113或数据管道115从一个或多个传感器组件110接收信号。
此外，在示范实施例中，诊断系统112从耦合到系统底板302的电源304接收功率。备选地，诊断系统112可从使系统112能够如本文所述那样起作用的任何适当电源接收功率。
在示范实施例中，系统底板302定位在壳体306中，并且包括其中包含多个导体(未示出)的诊断系统总线(未示出)。更具体来说，在示范实施例中，系统底板302定位成朝向或邻近壳体306的后部308，并且壳体306的前部310对外部环境开放。壳体306包括限定在其中、与前部310进行流通信的空腔312。
诊断系统112包括处理从传感器组件110接收的至少一个信号的至少一个监测模块336。在示范实施例中，诊断系统112包括两个监测模块336。备选地，诊断系统112能够包括使系统112能够如本文所述那样起作用的任何数量的监测模块336。监测模块336耦合到壳体306的前部310，并且至少部分定位在壳体306中。因此，在示范实施例中，来自各传感器组件110的信号通过系统底板302传送到监测模块336。此外，至少一个信号可在不同监测模块336之间传送。
在示范实施例中，诊断系统112还包括至少一个系统监测模块338，模块338耦合到壳体前部310，使得模块338至少部分处于壳体306之内。在示范实施例中，系统监测模块338接收从监测模块336和/或诊断系统112的其它部件传送的数据和/或状态信号。系统监测模块338处理和/或分析数据和/或状态信号，并且将信号传送给显示装置116(图1所示)，供向用户显示或输出。
在操作期间，传感器组件110将信号传送给诊断系统112。更具体来说，线性化电路222(图2所示)向系统底板302传送接近度测量信号，其中启用了比例因子供诊断系统112中的处理和/或分析。在示范实施例中，信号通过系统底板302传送给监测模块336，供附加处理和/或分析。然后，监测模块336向系统监测模块338传送经处理的数据和/或信号，供进一步处理和/或分析。系统监测模块338经由数据管道118向显示装置116传送经处理的信号。
图4示出能够与电力系统100(图1所示)配合使用的显示装置116。显示装置116耦合到诊断系统112(图1和图3所示)。更具体来说，在示范实施例中，系统监测模块338(图3所示)经由数据管道118耦合到显示装置116。
在示范实施例中，显示装置116提供接近度测量的图形表示或文本表示。这类表示可采取波形、图表和/或曲线图的形式提供给用户。例如，显示装置116包括显示适配器402，例如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器和/或电子墨水显示器。显示装置116还可以是电容触摸屏显示器或者其它适当显示装置116。
此外，在示范实施例中，显示装置116包括按照常规方式操作的键盘406。用户能够通过接触键盘406来操作可用于电力系统100的预期功能。例如，用户能够通过接触键盘406来输入用户希望看到的预期输出表示。
图5是示出可与诸如系统100(图1所示)的电力系统配合使用的、用于测量部件相对于诸如发射器206(图2所示)的微波发射器的接近度的示范方法500的流程图。在示范实施例中，将至少一个微波信号传送502给微波发射器206。由微波发射器206从微波信号生成504至少一个电磁场209(图2所示)。然后，通过诸如驱动轴104(图1所示)的机器部件与电磁场209之间的交互来使负载被感应506到微波发射器206，其中在来自微波发射器206的数据管道204(图2所示)内反射表示负载的至少一个失谐负载信号。
在示范实施例中，失谐负载信号由至少一个信号处理装置200(图2所示)接收508。由信号处理装置200基于失谐负载信号来计算509机器部件104对微波发射器206的接近度。然后由信号处理装置200生成510电输出。将电输出传送512给诊断系统112(图1和图3所示)。然后，将电输出传送514给显示装置116(图1和图4所示)，供向用户显示或输出。
上述实施例提供一种供测量机器部件的接近度中使用的有效且节省成本的监测系统。具体来说，本文所述的实施例提供一种使用微波发射器来执行接近度测量的监测系统。与同已知监测系统配合使用的已知涡电流传感器、磁拾取传感器或电容传感器相比，基于微波发射器的系统提供更长的测量范围和更高的频率响应。因此，当使用微波发射器来测量机器的接近度时，测量范围极大地扩展，并且其中使用监测系统的位置大体上没有受到限制。此外，由于与已知涡电流传感器或磁拾取传感器相比，微波发射器的频率响应更高，所以使本文所述的监测系统能够提供更准确测量。
以上详细描述了用于测量机器相对于微波发射器的接近度的监测系统和方法的示范实施例。方法和监测系统并不局限于本文所述的特定实施例，而是可独立且分离于本文所述的其它部件和/或步骤来使用监测系统的部件和/或方法的步骤。例如，监测系统还可与其它测量系统和方法结合使用，而并不局限于仅采用本文所述的电力系统来实践。更确切地，示范实施例能够与许多其它测量和/或监测应用结合实现和使用。
虽然一些附图可能示出、而另一些未示出本发明的多种实施例的特定特征，但是这仅是出于方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可以与任何其他附图的任何特征组合来引用和/或要求专利保护。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，以及还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求确定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。
配件表
  100   电力系统
  102   机器
  104   驱动轴
  106   载荷
  108   支承结构
  109   监测系统
  110   传感器组件
  112   诊断系统
  113   数据管道
  115   数据管道
  116   显示装置
  118   数据管道
  200   信号处理装置
  202   探头
  204   数据管道
  206   发射器
  208   探头壳体
  209   电磁场
  210   定向耦合装置
  212   传输功率检测器
  214   接收功率检测器
  216   信号调节装置
  218   信号发生器
  220   减法器
  222   线性化电路
  230   距离
  302   系统底板
  304   电源
  306   壳体
  308   后部
  310   壳体前部
  312   空腔
  336   监测模块
  338   系统监测模块
  402   显示适配器
  406   接触键盘
  500   测量部件相对于微波发射器的接近度的过程
  502   向微波发射器传送微波信号
  504   由微波发射器从微波信号来生成电磁场
  506   将负载感应到微波发射器
  508   接收失谐负载信号
  509   计算机器部件对微波发射器的接近度
  510   由信号处理装置生成电输出
  512   向诊断系统传送电输出
  514   向显示装置传送电输出

Claims (10)

1.一种用于部件(104)的监测系统(109)，所述系统包括：
传感器组件(110)，包括：
包括微波发射器(206)的至少一个探头(202)，所述微波发射器(206)从至少一个微波信号生成至少一个电磁场(209)，其中当所述部件与所述至少一个电磁场进行交互时负载被感应到所述微波发射器；
耦合到所述微波发射器的数据管道(113、115)，其中在来自所述微波发射器的所述数据管道内反射表示所述负载的至少一个负载信号；以及
至少一个信号处理装置(200)，配置成接收所述至少一个负载信号，并且生成电输出供监测所述部件中使用。
2.如权利要求1所述的监测系统(109)，其中，所述至少一个信号处理装置(200)还配置成基于所述至少一个负载信号来测量所述部件(104)对所述微波发射器(206)的接近度。
3.如权利要求1所述的监测系统(109)，其中，所述电输出与所述部件(104)的接近度测量大致成比例。
4.如权利要求1所述的监测系统(109)，其中，所述至少一个微波信号大致等于所述微波发射器(206)的谐振频率。
5.如权利要求1所述的监测系统(109)，还包括耦合到所述传感器组件(110)的诊断系统(112)。
6.如权利要求5所述的监测系统(109)，其中，所述诊断系统(112)包括配置成从所述传感器组件(110)接收所述电输出的至少一个监测模块(336)。
7.如权利要求6所述的监测系统(109)，其中，所述诊断系统(112)包括配置成从所述至少一个监测模块(336)接收至少一个信号的至少一个系统监测模块(338)。
8.一种用于部件(104)的监测系统(109)，所述系统包括：
传感器组件(110)，包括：
包括微波发射器(206)的至少一个探头(202)，所述微波发射器(206)从至少一个微波信号生成至少一个电磁场(209)，其中当所述部件与所述至少一个电磁场进行交互时负载被感应到所述微波发射器；
耦合到所述微波发射器的数据管道(113、115)，其中在来自所述微波发射器的所述数据管道内反射表示所述负载的至少一个负载信号；
至少一个信号处理装置(200)，配置成接收所述至少一个负载信号，并且生成电输出供监测所述部件中使用；以及
耦合到所述传感器组件的诊断系统(112)。
9.如权利要求8所述的监测系统(109)，其中，所述至少一个信号处理装置(200)还配置成基于所述至少一个负载信号来测量所述部件(104)对所述微波发射器(206)的接近度。
10.如权利要求8所述的监测系统(109)，其中，所述电输出与所述部件(104)的接近度测量大致成比例。
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