CN1173159C - 用于检测触摸不到的或移动的部件内温度的装置和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测触摸不到的运动机械部件内的温度的装置。该装置包括一个可以装在移动部件内的感温元件，使感温元件发射出包括该元件温度信息的信号，以便由一个控制单元接收该信号。感温元件是一个SAW芯片，将其装在机器的需要对温度进行测量的部件的孔的下端，并将其与所述机器部件的孔外的第一天线连接。

Description

用于检测触摸不到的或移动的 部件内温度的装置和系统
技术领域
本发明涉及一种用于检测触摸不到的部件和/或移动的部件内的温度的装置和系统。
背景技术
在大中型机械和发动机中，例如在狄赛尔发动机中，有许多可能会在运行过程中出现故障的轴承。如今，为了防止出现故障，通过连续对温度或振动进行测量，也可以通过周期测量这些参数，用标准程序来检测这些轴承。在大型狄赛尔发动机中，各类公司根据检测的主轴承温度制定了一些规格。然而制定的这些规格与曲轴轴承无关，其原因在于没有适合于对该温度进行测量的仪器。
对于四冲程装置和高速狄赛尔发动机来讲，如果能在前级测量到曲轴轴承的损伤情况，则好处就很大。在这些发动机中，损伤会快速扩展，曲轴轴承断裂的后果通常非常惊人。
当刚开始的损伤(初始损伤)造成发动机断裂时，通常会使该发动机出现严重损坏。这种当刚开始的损伤例如是由于活塞顶上形成碳，或由于汽缸中没有燃料而使活塞在汽缸中润滑能力降低引起的。这样使得活塞运动缓慢，从而在曲轴轴承上产生比较大的负载/表面压力。这种造成发动机严重损坏的初始损伤的另一个例子在于，因为油泵没有供油或曲轴中的油路堵塞而使曲轴轴承缺少润滑油。这种造成发动机严重损坏的初始损伤的最后一个例子是曲轴杆松开或断裂。
上述所有情况都会使发动机造成巨大的损伤，特别是对曲轴，活塞杆(连杆)和发动机组造成损伤。在许多情况下，活塞杆离开其与活塞的连接部位(断开)，在最坏的情况下，一些转动部件会脱离发动机。如果这种状况的扩展出现在发动机附近，则会对发动机室的人员产生很大的危险。如果将发动机用于船舶动力设备，则在很长一段时间内船会降低其牵引动力和其机动能力，这样就可能引起触礁和污染问题。
用一个足够快的温度传感器就可以使发动机提前熄火，从而可以防止严重的损伤问题，在最坏的情况下，只要求更换早期损伤时的部件或对其进行修理，早期损伤会引起温度升高。
至于与发动机部件以及大中型狄塞尔发动机中的曲轴轴承有关的问题已经进行了描述。但是，也存在一些与转动部件有关的相似问题，例如与电动机，轮轴齿轮，制动盘等有关的问题。
在SE-B-391031中描述了一种用于测量运动部件中温度的装置。该公开文献介绍的是该装置如何能够用于检测狄塞尔发动机中的十字曲轴中的温度。在该装置中，传感器是感温电阻，用电容传送试验信号。在类似的解决方案中，通过滑动接触或电感方式传送信号。在所有这些不同的解决方案中，因为电路的电特性会变化，所以有一种用于测量的不确定元件，这与距离很短的情况不同，如果没有电接触，则它们就不能进行数据传送。
WO 07/09596描述了一种用于测量电动机中、包括温度在内的状态数据的传感器。该传感器由一个表面波声元件或SAW芯片构成。SAW芯片的特性随着必须进行测量的物理条件的变化而变化，这样就使得传送功能发生改变。由一个轮询设备传送一个无线电形式的具有特定性能的轮询信号，该信号再由SAW芯片接收。信号转变成电信号后又变成声信号，声信号沿元件的表面传送，反射后首先变回电信号，然后变成无线电信号，该无线电信号再回到轮询设备。根据轮询信号的变化推算出物理状态数据，所述轮询信号是SAW芯片传送功能变化的结果，该公开文献介绍的是如何能够将传感器安装在线圈内，如何使该传感器与其外部的天线接触。但是，并没有介绍如何进行设计这种传感器，以便能够用合适的方法进行安装，并足以牢固地用在特定的恶劣环境中。
WO 93/13495中描述了一种相类似的传感器，该传感器用于火车上的轮轴轴承和制动盘。
然而，SAW芯片在恶劣环境中并不很坚固，在先前公知的应用中，只是建议可以将它们安装在待检测的构件的表面上。其主要原因在于方便，不需要改变现有的构件，其次是因为将该待检测的构件用作一个隔板，所以如果将SAW芯片安装在构件里面，则很难传送轮询信号。因而这种公知传感器不适宜进行广泛应用，特别是不能与发动机结合使用，尤其是不能测量深入构件表面内的温度。
US-A-5438322介绍的温度传感器是螺杆。然而，它含有一个无线电发送器，如果温度超过某一极限值，则将该发送器压向棒的表面，使其激活，因而产生一个待传送的报警信号。所以传感器不能传送实际温度的信息，只是在超过极限值时用来发出报警信号。
发明内容
与先前公知的解决方案相反，本发明提供的传感器对于恶劣环境来讲是很坚固的，而且还可用于测量需要检测的构件内较深处的温度。另外，本发明可以将传感器的温度数据传送到一个接收器，即使将传感器安装在某一个相对于该接收器移动的部件上，而且离该接收器有一定的距离也是如此。
为了实现本发明目的，根据本发明一个方面，提供了一种用于检测不能接近的运动机械部件内部温度的装置，该装置包括一个带有具有随温度变化的转换函数的SAW芯片的感温元件，其中SAW芯片有一个与天线连接的转换器，该天线装在所述部件外，感温元件设置在一个封装件中，封装件用来设置并保持在靠近所述运动部件的安装孔底部的位置处并从而测量所述部件内的温度，所述装置包括用以将所述天线连接于所述感温元件的同轴传送线，所述装置从而适于在所述不能接近的机械部件运动时测量该机械部件内部深处的温度。
根据本发明另一方面，提供了一种用于检测一个或多个不能接近的运动机械部件内的温度的系统，其中在需要进行监测的各部件内装有至少一个传感器，该传感器包括一个带有具有随温度变化的转换函数的SAW芯片的感温元件，其中每一个SAW芯片有一个与各自的第一天线连接的转换器，该天线装在相应部件外面，
所述感温元件设置在一个封装件中，封装件设置并保持在靠近相应机械部件的安装孔并底部的位置处以测量该部件内的温度；感温元件通过一传送线与第一天线连接；
对应于每一个传感器设置有一个第二天线，该第二天线设置成能够在所述部件运动时通过所述第一天线将信号传送到第一传感器以及从该传感器接收信号，所述第二天线通过信号电缆与一个控制单元相连，如果系统装有一个以上传感器，则该控制单元包括一个多路调制器；和
该控制单元设置成能够在所述部件运动时通过一个相关的信号电缆和相关的第二天线将轮询信号传送到任一传感器并从该传感器接收变换了的轮询信号，控制单元还设置成用以处理所接收的变换了的轮询信号，并根据该变换了的轮询信号的特性产生表示传感器温度的数据信号。
本发明的上述特征利用体现发明特征的器件实现。一种用于检测触摸不到的运动机械部件内的温度的装置，该装置包括一个带有随温度变化的SAW芯片的感温元件，其中SAW芯片有一个与天线连接的转换器，该天线装在所述部件外，其特征在于将感温元件设置在一个封装件中，封装件可以装在所述运动部件的安装孔中，并在该孔中加以定位，因而对所述部件内的温度进行测量，该装置包括一个用于将天线与感温元件连接的同心传送线，因而在所述机器部件运动时，该装置适于测量触摸不到的机械部件内深处的温度。
除了上述特征以外，本发明提供的系统可以方便地安装在已有设备中。例如可以由厂商的装配工作进行安装，因而不需要发动机和其它机器的供应商来设计这些系统，这样就可以方便地与本发明一起使用。
附图说明
现在结合附图以实施例的形式更加详细地描述本发明，其中：
图1是一种应用原理图，其中将本发明用于测量曲轴轴承中的温度；
图2示出的是一种SAW芯片，该芯片可以用作本发明的传感器元件；
图3是根据本发明进行温度检测的传感器的结构图；
图4是根据本发明进行温度检测的传感器的另一种结构图；
图5是根据本发明进行温度检测的传感器的又一种结构图；
图6表示本发明在检测船舶发动机设备时的应用。
具体实施方式
图1表示本发明如何用于测量曲轴轴承内的温度的系统，特别是大中型塞狄尔发动机。该系统包括四个主要构件，即传感器1(最好每个汽缸1个)，天线2(最好每个传感器1个)，控制单元3和记录单元4。此处将传感器1自由地安装在曲轴轴承箱内。将天线2装在发动机内，并与控制单元3连接，该控制单元最好包括一个多路调制器，调制器能够使一个以上的天线/传感器接收试验数据。最好将控制单元3装在发动机附近，通过信号电缆5将该控制单元与天线2连接。记录单元4最好是一个计算机，计算机的软件存储历史数据，显示图形和字母数字形式的试验数据，形成报警极限，报警极限可以连到一个报警中心，打印报告等。最好将该显示单元设置在需要测量的机器或发动机的控制室中，通过标准的数据传输连接线将该单元连接到控制单元，例如通过数据母线(data bus solution)6进行连接。大多数情况下，计算机可以是已经安装在该控制室中的计算机，该计算机使其它与需要进行检测的机器的运行有联系的软件同时运转。
设计使控制单元3能够将轮询信号通过多路调制器和天线2传送到其中一个传感器上，所述天线与相应的传感器1连接。该轮询信号以变换形式(例如具有时间延时或相位变化的形式)从传感器1表面上的一点或多点反射，从传感器返回后被天线2接收，然后再通过多路调制器回到控制单元3。在控制单元中，可以估算出变换信号，在此推算出曲轴轴承中的温度。然后将推算出的温度传送给记录单元4进行记录，并作进一步处理。
图2示出的是如何能够对感温元件本身进行设计。该元件包括一个具有转换器12以及一个或多个反射器13的SAW芯片，该转换器通常叫做指状组合型转换器。当高频信号供给转换器12时，该信号就转变成声信号，声信号沿SAW芯片的表面传递，在各个反射器13上反射，以变换信号形式返回到转换器，该信号包括各个反射器反射的信号。转换器12将反射了的信号转换回到电信号，电信号又被转换器发射。然而，沿SAW芯片表面的信号路径的特征与该SAW芯片的温度有关。因此，SAW芯片用作信号处理元件，它具有随温度变化的转换函数。转换函数的变化可以从反射信号的特性推算出来，据此就可以推算出温度。这将在下面进行详细描述。
图3示出的是如何能够设计出传感器1的例子。通常将有效感温元件，即SAW芯片11封装在一个壳体中。下面将包括SAW芯片和封装体或壳体的构件称作传感器元件14。在该例子中，将传感器元件14装在一个杆15中，但是，也可以将传感器元件14自由地装在一个需要检测的部件中，这将在下面详细描述。例如将该元件装在一个支架或插座16中，插座也可以是一个小型电路板，例如通过传送线18再将该电路板与天线17连接，传送线例如是同轴电缆。天线17的设置应使其伸出待检测的部件。可以将天线17装在杆的上端，例如天线呈小型电路板形式。所以在该例子中，天线是形成传感器的杆1的组成部分。但是，天线也可以单独设置，通过所述传送线18的延长部分将该天线与传感器连接。
当天线17接收到一个轮询信号时，该信号就传送到传感器元件14，正如已经描述过的那样，在此所接收的信号变成供给SAW芯片的声信号。当转换器12接收到反射信号时，该信号从声信号变成供给天线17的电信号，在此作为已经变换了的轮询信号进行传送。天线2接收到该信号，并如上所述对该信号进一步处理。
杆15的实际结构可以根据传感器所处环境的情况进行改变。在一个优选实施例中，所设计的杆的外部有螺纹，因此能够将其拧到它应当安装的构件中。然而，也可以采用其它结构。例如杆15可以有光滑表面，也可以使表面上有一定的粗糙度，用力将杆装到一个窄孔中，在此利用张力或摩擦力对其进行固定。在杆15内最好充装能够使各构件定位的材料19，例如环氧树脂或耐热橡胶套。
图4示出了另一种结构，其中与图3所示的相同或对应的构件用相同的标号表示。在该实施例中，传感器元件14不装在一个杆内。在这种情况下，杆15只是用来关闭安装孔和固定各有效构件。而是将传感器元件14自由地装在需要进行检测的部件的孔底上。与图3所示的例子相同，可以将传感器元件装在一个支架16中并连到传送线18。传送线依次与需要检测的部件外的天线(未示出)连接。在该例子中，图中示出的是如何使杆15固定的弹簧10将传感器元件14压靠孔底。作为弹簧的变型，可以使用一个由合适材料制成的套，例如耐热橡胶套。孔中可以充装环氧树脂等材料，但在该例子中这并不是最理想的方案，原因在于不容易取出/更换传感器元件14和其它构件。
图5示出了另一个实施例，其中仍然使用与前面各图对应的标号。在该例子中，将传感器元件14和支架16装在一个封装件15a中，用一个具有孔的螺杆20盖住该封装件，传送线18通过所述孔，用环氧树脂19a对杆通道进行密封。再将该封装件压靠孔底，在该孔中它由弹簧19b或套定位，再用一个带有孔的杆15c使弹簧或套保持定位，杆15c的孔可以让传送线通过。在该图所示的例子中，该孔中有一个螺杆21，螺杆将密封圈或O型圈22压到杆15b的内表面23上，因此O型圈22牢牢地封住传送线18。并使传送线18与需要进行检测的部件外的天线(未示出)连接。
虽然结合图3描述的结构适合于标准长度，也就是说适于总是将有效感温元件安装在离需要进行检测的部件内相同的距离处的情况，但图4和5所示的例子适于变化的长度，而各个安装孔的深度确定深入到需要进行检测的部件内有多远，并确定感温元件的安装。
当将传感器安装在需要进行检测的构件中时，最主要的是应当防止该传感器出现任何损伤，这种损伤不应伤害构件。如果传感器检测到的构件受到应力影响，例如在用曲轴轴承的情况下，则应当配备说明书，说明在何地怎样进行安装，并要求专业人员完成安装任务。
图6示出的是本发明如何用于检测具有两个主发动机31，32和两个辅助发动机33，34的船舶发动机设备。将多个与天线连接的传感器装在上述每一个发动机中，将它们连接到一个控制单元3上，在该例子中，控制单元包括一个多路调制器或其它形式的选择器，多路调制器控制发送到各个传感器的信号、和控制来自各个传感器的信号。最好将控制单元3设置在发动机旁的发动机室中。来自控制单元3的信号通过数据母线6传送到构成上述记录单元的计算机4中，该计算机设置在船舶控制室中。计算机与打印机35以及报警中心36连接。
计算机4接收控制单元3的数据信号，数据信号带有各个传感器测量的温度信息。所述信息最好包括温度数据和识别各个传感器的数据，但计算机4也可以控制所述控制单元3中的多路调制器，以便总是由传感器接收温度的数据，由计算机决定传感器发送轮询信号。将接收到的温度数据存储在计算机中，可以在计算机显示屏上显示出图形或数字字母形式的温度信息。也可以在相连的打印机上打印出温度图表和历史数据。
最好对计算机进行编程，以便能够对超过预定报警极限值的温度起反应。如果其中一个传感器表示温度超过预定的温度极限值，则发出报警信号，将该信号传送到报警中心36。也可以在计算机上显示出存在的警报情况。可以用不同的方法设计报警中心，以便用视觉信息或声音信息的形式显示所存在的警报情况。一旦出现预定的一个或多个警报情况，则报警中心36或计算机4也可以切断一个或多个发动机。也可以对各个传感器确定几个不同的报警范围，例如在第一范围给出视觉警报，而在第二范围给出声音警报，在第三温度范围，降低一个或几个发动机的传动速度或负载，或使发动机停止运行。
显然，对于本领域的普通技术人员来讲，在本发明范围内可以进行多种改变和变换。例如，为了与里面装有传感器的构件配合，杆15的物理形状可以改变。另外很明显的是，本发明的传感器适合于监测机器和车辆中的各种大型构件的温度，但并不限于上述这些构件。为了用各种不同方法推算出传感器的温度，也可以在控制单元中进行实际信号处理。
在一个优选实施例中，变化了的轮询信号包括从船舶表面不同点发射出的信号，用合适的仪器测量各个反射绝对相位(phases)。通过将这些不同的绝对相位结合起来，最好求出它们之间的某些差值，就可以独立清楚地确定通道的温度和相关的延时时间，记录传感器与控制单元之间的信号。另外，通过算出这些差值，可以得到与具有一个独立基准元件得到的结果相同的结果，所述基准元件是用来比较测量结果的。因此可以说在芯片上也有一个基准件。在一个优选实施例中，有效轮询信号具有一定的频率，该频率的振幅或脉冲可以调制，从而能够将调制的轮询信号与测量电路中的初始轮询信号区分开来。也可以进行其它改变，例如使用变频轮询信号(线性调频脉冲)。
对于本领域的普通技术人员，显然可以将对变化了的轮询信号的处理分配到控制单元3和记录单元4之间进行，信号的某些特性在控制单元中推算出来，将这些特性传送到记录单元进一步处理，例如与各传感器元件的标定值进行比较，所述标定值可以存储在控制单元中，也可以存储在记录单元的数据菜单上。

Claims (14)

1.一种用于检测不能接近的运动机械部件内部温度的装置，该装置包括一个带有具有随温度变化的转换函数的SAW芯片(11)的感温元件，其中SAW芯片有一个与天线(17)连接的转换器，该天线装在所述部件外，其特征在于感温元件设置在一个封装件(14；15；15a)中，封装件用来设置并保持在靠近所述运动部件的安装孔底部的位置处并从而测量所述部件内的温度，所述装置包括用以将所述天线(17)连接于所述感温元件的同轴传送线(18)，所述装置从而适于在所述不能接近的机械部件运动时测量该机械部件内部深处的温度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述封装件(14；15；15a)包括一个可以拧到所述安装孔内的中空杆(15)，将感温元件装在杆内，而在该杆从所述部件伸出的部位装有天线(17)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述杆(15)内充装有使感温元件保持定位的材料(19)。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述材料(19)是环氧树脂或耐热橡胶套。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述封装件(14；15a)分开装在所述安装孔的下端，该装置还包括一个用于封闭安装孔和材料(19；19a；19b)的杆(15b)，所述材料装在所述杆(15b)和封装件(14；15a)之间，因而在安装以后可以将封装件(14；15a)牢牢地定位。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述材料(19；19a；19b)是弹簧，当安装所述装置时，该弹簧将封装件(14；15a)向下压靠安装孔的下端。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述材料(19；19a；19b)是环氧树脂或耐热橡胶套。
8.一种用于检测一个或多个不能接近的运动机械部件内的温度的系统，其中在需要进行监测的各部件内装有至少一个传感器(1)，该传感器包括一个带有具有随温度变化的转换函数的SAW芯片(11)的感温元件，其中每一个SAW芯片有一个与各自的第一天线(17)连接的转换器，该天线装在相应部件外面，
其特征在于所述感温元件设置在一个封装件(14；15；15a)中，封装件设置并保持在靠近相应机械部件的安装孔并底部的位置处以测量该部件内的温度；感温元件通过一传送线(18)与第一天线连接；
对应于每一个传感器(1)设置有一个第二天线(2)，该第二天线设置成能够在所述部件运动时通过所述第一天线(17)将信号传送到第一传感器(1)以及从该传感器接收信号，所述第二天线通过信号电缆(5)与一个控制单元(3)相连，如果系统装有一个以上传感器(1)，则该控制单元包括一个多路调制器；和
该控制单元(3)设置成能够在所述部件运动时通过一个相关的信号电缆(5)和相关的第二天线(2)将轮询信号传送到任一传感器(1)并从该传感器接收变换了的轮询信号，控制单元(3)还设置成用以处理所接收的变换了的轮询信号，并根据该变换了的轮询信号的特性产生表示传感器(1)温度的数据信号。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于在所述SAW芯片上有多个反射器(13)，使控制设备(3)能够测量已经变化了轮询信号的各构件的绝对相位，这些构件与各自的反射器相连，控制设备利用这些绝对相位的差产生所述的数据信号。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于控制设备(3)还通过一个数据母线(6)与记录设备(4)相连，使该控制设备设置成能将代表传感器(1)温度的数据信号传送到记录设备(4)。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于记录设备(4)包括一个用于存储所接收的数据信号或由此推算出来的数值的存储器，以及用图表或字母数字形式显示这些存储值的信息的显示设备。
12.根据权利要求10或11所述的系统，其特征在于所述记录设备(4)的设置，应当能在它接收的数据信号表示某一个传感器(1)的温度高于预定极限值时，产生一个代表报警情况的信号。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于所述的代表报警情况的信号触发出视觉信号或声信号。
14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于所述的代表报警情况的信号使得机器、发动机或运行过程中的负载减少，驱动速度降低或使其停止工作，所述机器或发动机包括需要监测温度的部件。
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