CN1636133A - 用于检测设备部件上脉冲机械作用的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测设备部件(2)上脉冲机械作用的方法和装置，其中用设置在设备部件(2)上的传感器(4)连续地获取设备部件(2)中存在的运行噪声，并将其转换为测量信号(M)。根据本发明，对测量信号(M)进行傅立叶变换。由大量以这种方式确定的幅值频谱推导出评估函数(K)，所述评估函数表示在设备部件(2)上出现脉冲机械作用。

Description

用于检测设备部件上脉冲机械作用的方法和装置

本发明涉及用于检测设备部件上脉冲机械作用的方法和装置。

为了及时识别干扰并避免严重的损失后果，在很多应用场合下都需要连续监控设备部件，例如化学生产工艺技术中的输送管或涡轮机的有序运行。在现有技术中已知多种方法用于这种监控。

例如在EP 0 765 466 B1中建议借助于对准涡轮机叶片的微波监控涡轮机叶片的振动。根据对涡轮机叶片上反射的微波的调制能够推断出涡轮机的振动状态。

在DE 198 57 552 A1所公开的方法中，通过测量轴末端的转速获知涡轮机轴的断口。

在DE 198 43 615 C2中建议借助于分析通过设置在进气或排气区域内的声波记录器所记录的测量信号的频谱识别热机传动的状态。

在DE 197 27 114 C2中，为了对机器进行监控，获取出现的固体声波信号，而不是通过空气传播的声波。在这种已知方法中，也对由固体声波记录器采集的测量信号的频谱分别进行分析。

在DE 195 45 008 C2公开的方法中，在机器运行期间，也对由监控传感器，例如加速度传感器所获取的测量信号的频谱进行分析，并与参考频谱比较。

在US 4,888,948中，为了能够确定燃气轮机中的杂质部分(Fremdteil)，在燃气轮机的进气口处设置了一个传感器，采集由杂质感生的电荷。

一个特别的问题在于，由流动带来、并在设备部件上出现松动部分，所述松动部分只引起脉冲、短时间的作用，因此对该作用进行可靠的检测是很困难的。

这种问题例如可能在为避免过热在燃烧室中衬有陶瓷瓷砖的燃气轮机中出现。这些陶瓷瓷砖由于在燃烧室中出现的压力转换波动动态地承受高负荷。其中可能发生下列情况：所述瓷砖的部分在各自支架上断裂，夹杂在废气的流动中，并且撞击燃气轮机的第一导叶级。这可能导致导叶涂层的损坏以及对后面设置的导叶级的干扰。另外存在这样的危险，即由于部分断裂已经损坏的瓷砖完全脱离支架，并因此可能导致燃气轮机的相当大的损坏。在这种情况下，出现小的松动部分或单个瓷砖的松动表明需要完全拆除一块或多块瓷砖，及时断开燃气轮机并及时更换受损瓷砖，以避免更大的损失。

为了监控在设备部件上的这种撞击，WO 01/75272 A2在原理上公开了借助于适当的传感器通过其中产生的固体声波来检测撞击。但是这里尤其在燃气轮机中出现了问题，即正常的运行噪声太高，使得由整块瓷砖撞击燃气轮机的导叶在传感器上产生的信号分量小于由正常运行噪声产生的背景信号，这样尤其是较小部分出现松动的情况不能单独通过监控固体声波信号的振幅来检测。因此为了改善信噪比，在这篇文献中建议对测量值传感器检测到的测量信号进行带通或高通滤波，以这种方式消除在涡轮机正常运行中产生的固体声波信号。

因此本发明的目的在于，提供比现有技术中已知方法更好的检测设备部件上脉冲机械作用的方法。另外，本发明的另一个目的是提供一种实现这种方法的装置。

根据本发明，用具有权利要求1所述特征的方法实现第一个目的。在所述检测设备部件上脉冲机械作用的方法中，用设置在设备部件上的传感器连续获取在设备部件中存在的运行噪声，并将其转换为测量信号。根据本发明，提供了下列方法步骤：

a)在时间上前后连续、最好相互重叠的时间间隔内，在预定的频率下测定测量信号的频谱的幅值，

b)对于每个时间间隔和每个预定频率确定所述幅值相对于平均幅值的偏差，

c)根据为每个预定频率确定的偏差，为每个时间间隔推导出评估函数，

d)将所述评估函数与一个门限值进行比较，并且将超过门限值作为存在表示机械作用的脉冲信号分量的标注。

本发明是基于这样的考虑，即在由传感器直接获得的测量信号的频谱中出现的瞬时现象(通过碰撞产生的脉冲固体声波)比在原来的测量信号中更容易识别。此外，由于在多个频率中将当前频谱与平均频谱进行比较，所以统计偏差被进一步抑制，因此相应提高了该方法的灵敏度。

以这种方式，对较小的断裂部件也可进行可靠的检测，这样例如在监控燃气轮机的情况下，识别由较小断裂部件开始断裂所预示的瓷砖完全松动的开始，并能够在瓷砖完全断裂并导致燃气轮机严重的损坏之前更换受损的瓷砖，由此能够避免更大的损坏。

在本发明的另一个有利实施方式中，通过求在不同时间间隔内所测定的幅值的时间滑动的平均值为每一个预定频率确定平均幅值。这样，实现了为比较而引入的平均频谱与随时间缓慢变化的工作条件的匹配，例如在出现燃气轮机的蜂鸣的情况下。

在本发明的另一个优选实施方式中，对于每个预定频率，为多个前后连续的时间间隔测定所述幅值相对于平均幅值的标准差，并以此确定所述幅值相对于平均幅值的归一化的偏差。然后通过在每个预定频率上对每个归一化偏差求平方和，从这个偏差中对于每个时间间隔求得作为评估函数的当前参数值。

特别地，在多个时间间隔上推导出滑动平均参数值，并且根据平均参数值和当前参数值之间的差来确定评估函数。由此进一步显著地提高了方法的灵敏度，即有用信号和背景信号之间的间隔。

根据本发明，用具有权利要求6所述特征的装置实现第二个目的，其优点以及在其从属权利要求中提供的实施方式的优点由各自相应的方法权利要求的优点给出。

为了进一步说明本发明来参考附图。如图所示：

图1是根据本发明的装置的实施例的简略原理图，

图2是描述在没有外部作用下传感器获取的运行噪声随时间变化的曲线图，

图3是描述通过在静止涡轮机中出现的脉冲机械作用，由传感器获取的测量信号随时间变化的曲线图，

图4是描述图3的测量信号和图2的归一化运行噪声的重叠随时间变化的曲线，

图5是燃气轮机中正常运行噪声的频谱，

图6是在瀑布曲线图中频谱随时间的变化，

图7是以更高的时间解析度来描述测量信号随时间变化的简化曲线图，

图8是描述在预定频率中由测量信号通过快速傅立叶变换得到的频谱值随时间变化的曲线图，

图9是描述在预定频率中频谱值的滑动时间平均值随时间变化的曲线图，

图10是根据本发明通过信号分析推导出的评估函数随时间变化的曲线图。

根据图1，在设备部件2，例如燃气轮机上设置多个传感器4，尤其是压电加速度传感器，所述传感器连续地获取在设备部件2中存在的、并以固体声波的形式传播的运行噪声。所述传感器4把固体声波信号转换为电测量信号，所述电测量信号在前置放大器6中被放大并被传送到多路模/数转换器8，所述多路模/数转换器连接到数字存储器10。分别被放大的测量信号M被数字化，被暂存，并传送到计算装置12做进一步处理，在所述计算装置中执行根据本发明的评估算法。

对于每个信道，计算装置12都包括一个处理器，用于对由模/数转换器8传送的数据进行快速傅立叶变换FFT，还包括一个循环存储器(Ringspeicher)，用于存储N个通过傅立叶变换得到的频谱。由在计算装置12中获得的所谓离散傅立叶变换，根据在计算装置12中执行并将在下面详细说明的算法，为每个信道确定一个与时间t相关的评估函数K(t)，所述评估函数在一个比较装置14中与预定的门限值K₀进行比较。超过门限值K₀作为存在由瞬时机械作用引起的脉冲信号分量的标注，并产生相应的触发信号S。所述触发信号S被传送给一个瞬态记录器16，在所述瞬态记录器中记录在计算装置12中对于一个时间窗口所确定的数据，并传送给评估计算机18，以便能够利用该数据进行事后分析。

图2表示由一个传感器4在约6.5s的时间内获取的放大后的测量信号(背景信号M₀)。从这个图可以推断，正常运行噪声的信号振幅达到20到100g之间。

在图3中，在一个曲线图中描述了静止转子的状态下瓷砖碰撞燃气轮机导叶所产生的测量信号、即在没有通常存在的运行噪声的情况下产生的测量信号(有用信号M₁)随时间的变化。从这个曲线图可以推断出，这个有用信号M₁的振幅明显小于图2的背景信号M₀的振幅。

图4表示当背景信号M₀和有用信号M₁相互重叠时的测量信号M。根据这个图可以发现，测量信号M的振幅监控不足以能够可靠地检测出碰撞的出现。

图5中表示在燃气轮机中出现的运行噪声的典型频谱A(f)。在这个图中可以发现，在频谱A(f)中除了背景噪声还出现了显著的线条(TLA1-f1，…)，这些线条对应于与转速相关的导叶的基频f₁以及其多次谐波f_2，3。

从图6的瀑布曲线图可以推断出，频谱A(f)受到波动影响，并且是随时间变化的。换言之，不仅燃气轮机的运行噪声的振幅，而且其具体成分也受到时间上的波动，所述波动使检测源于有用信号的频率分量变得困难。

在图7中，借助于原理图说明了在计算单元12(图1)中执行的方法的第一个步骤。以高采样率数字化的测量信号M(图中为了清楚近似地表示)在时间间隔Δt内被存储，对以这种方式存储的片段进行快速离散傅立叶变换。在时间间隔δt以后，所述片段被更新，并且在相同长度的重叠时间间隔Δt内重新进行傅立叶变换，其典型方式是Δt＝50ms并且δt＝6ms。

图8中表示在预定频率f_i下幅值A随时间变化的情况。从这个图可以推断出，在这个预定频率f_i下幅值A(f_i)是随时间变化的。在这个图中标绘的时间间距δt是其中快速傅立叶变换被更新的时间间隔。根据本发明，对于N个预定频率f_i或频率范围，在时间上前后连续的时间间距δt内，为时间上相互重叠的时间间隔Δt根据t＝t₀+kδt来确定相应的幅值A(t，f_i)，其中k是自然数。

根据图9，从对于这个频率f_i所形成的平均幅值 A(f_i)中减去以这种方式获得的当前幅值A(t，f_i)。平均幅值 A(f_i)可以是在时间上恒定的、预先确定的平均值，如曲线图中以点划线所表示的。然而将在时间上滑动的平均值作为平均值是尤其有利的，所述在时间上滑动的平均值由n个先前分别给出的幅值计算得到。这样能够补偿燃气轮机的运行噪声，例如引入的蜂鸣，的缓慢变化。

以这种方式计算出的差值

D(t，f_i)＝ A(f_i)-A(t，f_i)

被标准差

$s\left(f_i\right)=\sqrt{\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(D(t_j,f_i)\right)}^2}{(n-1)}}$

来除，

D(t，f_i)＝D(t，f_i)/s(f_i)

D(t，f_i)是幅值A相对于平均值 A的归一化偏差。

为了确定标准差s(f_i)，分析n个先前给出的频谱的幅值A。换言之：借助于n个先前给出的测量连续地更新标准差s(f_i)。作为替代，可以在“定标(Kalibrierung)”时为每个频率f_i确定一次标准差s(f_i)，并将其作为对应于特定频率的常数来存储。

在一个优选实施方式中，还在围绕着频率f_i、由2L+1个频率组成的频率范围f_i-L，f_i-L+1，…f_i+L中附带地对归一化偏差 D(t，f_i)求平均，并且由公式

$\underset{\‾}{\overset{\‾}{D}}(t,f_i)=\frac{1}{1+2L}\underset{k+-L}{\overset{k=+L}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{D}(t,f_{i+k})$

确定平均归一化偏差 D (t，f_i)。这个附加的计算步骤导致在只存在背景信号的范围内归一化偏差的高度和波动宽度的减小。通过在频率范围内求平均，有用信号分量不会被显著改变，这是因为它们总是集中出现在相邻频率线周围。通过这个措施，再次使信号-背景之比进一步改善了10到15dB。

以这种方式确定的归一化偏差 D(t，f_i)或 D (t，f_i)被求平方，并在所有离散频率f_i上相加：

$S\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{D}{(t,f_i)}^2/N---\left(a\right)$

或者

$S\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\‾}{\overset{\‾}{D}}{(t,f_i)}^2/N---\left(b\right)$

由这个和值S(t)，通过求根推导出参数值K(t)：

$K\left(t\right)=\sqrt{S\left(t\right)}$

该参数值作为出现碰撞的评估函数。作为替代，参数值K(t)与参数值K(t)的滑动时间平均值 K(t)之间的差

B(t)＝K(t)- K(t)

也可以作为评估函数，并作为出现碰撞的特征量。

在图10中描述了以这种方式并借助于平均归一化偏差 D (公式(b))所获得的评估函数K(t)随时间t的变化。由于时间标度很大(δt＜＜1s)，所以在图中表现为连续变化。在这个图中可以发现，评估函数在t＝4.2s时具有明显的最大值，以此能够可靠地识别脉冲现象的出现。可以在接近噪声水平上设置相应的门限值K₀。在所示的例子中，由根据本发明的方法获得的有用信号与噪声之间的间隔为25-30dB。

附图标记列表

2  设备部件

4  传感器

6  前置放大器

8    多路复用器

10   模/数转换器

12   计算装置

14   比较装置

16   瞬态记录器

18   评估计算机

M    测量信号

M₀  背景信号

M₁  有用信号

K    参数值

t    时间

Δt  时间间隔

δt  时间间距

A    幅值

f_i  频率

A   平均幅值

Claims (10)

1.用于检测在设备部件(2)上的脉冲机械作用的方法，其中用设置在所述设备部件(2)上的传感器(4)连续获取设备部件(2)中存在的运行噪声，并将其转换为测量信号M，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a)在时间上前后连续的时间间隔(Δt)中，在预定频率(f_i)下测定测量信号频谱的幅值A，

b)对于每个时间间隔(Δt)并且对于每个预定频率(f_i)确定所述幅值A相对于平均幅值( A)的偏差，

c)根据为每个预定频率(f_i)所确定的偏差，为每个时间间隔推导出一个评估函数(K)，

d)将所述评估函数(K)与一个门限值(K₀)进行比较，并将超过所述门限值(K₀)作为表示机械作用的脉冲信号分量(有用信号M₁)存在的标注。

2.根据权利要求1的方法，其中所述前后连续的时间间隔(Δt)相互重叠。

3.根据权利要求1或2的方法，其中通过求在不同时间间隔(Δt)中确定的幅值(A)的在时间上滑动的平均值，对于每个预定频率确定平均幅值( A)。

4.根据权利要求1至3中任一项的方法，其中

e)对于每个预定频率(f_i)，为多个前后连续的时间间隔(Δt)确定所述幅值相对于平均幅值的标准差，并由这个标准差确定所述幅值相对于平均幅值的归一化偏差，以及

f)根据所述归一化偏差，通过在每个预定频率上对每个归一化偏差的平方值求和，对于每个时间间隔(Δt)求得当前参数值，

g)由所述参数值推导出评估函数(K)。

5.根据权利要求4的方法，其中在多个时间间隔上推导出滑动平均参数值，并由平均参数值和当前参数值的差求得评估函数。

6.用于检测设备部件(2)上脉冲机械作用的装置，具有至少一个设置在设备部件上、用于连续采集并测量在设备部件(2)中存在的运行噪声的传感器(4)，以及接在所述一个或多个传感器(4)的后面的模/数转换器(10)，用于将传感器所获取的测量信号进行数字化，并将经过数字化的测量信号传送到计算装置(12)，以执行以下计算步骤：

a)在时间上前后连续的时间间隔(Δt)中，在预定频率(f_i)下测定测量信号(M)的频谱的幅值(A)，

b)对于每个时间间隔(Δt)并且对于每个预定频率(f_i)确定所述幅值相对于平均幅值( A)的偏差，

c)根据为每个预定频率(f_i)所确定的偏差，为每个时间间隔(Δt)推导出一个评估函数(K)，

d)将所述评估函数(K)与一个门限值(K₀)进行比较，并在超过所述门限值(K₀)时发出警报信号(S)。

7.根据权利要求6的装置，其中设置有相互重叠的时间间隔(Δt)。

8.根据权利要求6或7的装置，其中通过求在不同时间间隔(Δt)中确定的幅值(A)的在时间上滑动的平均值，对于每个预定频率确定平均幅值( A)。

9.根据权利要求6至8中任一项的装置，使用在所述计算装置(12)中执行的算法来

e)对于每个预定频率(f_i)，为多个前后连续的时间间隔(Δt)确定所述幅值(A)相对于平均幅值( A)的标准差，并通过用偏差除以所述标准差确定所述幅值(A)相对于平均幅值( A)的归一化偏差，

f)通过在每个预定频率上对每个归一化偏差的平方值求和，对于每个时间间隔(Δt)推导出当前参数值，以及

g)由所述当前参数值产生评估函数(K)。

10.根据权利要求9的装置，其中利用在该装置中执行的算法求滑动平均参数值，并由所述平均参数值与所述当前参数值之间的差产生评估函数(K)。

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