DE102015120317A1

DE102015120317A1 - Zustandsspeichernde und autonome industrielle Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102015120317A1
Application number: DE102015120317.0A
Authority: DE
Inventors: Ertugrul Berkcan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2015-11-24
Publication date: 2016-05-25
Also published as: CN105716653A; CN105716653B; JP2016098822A; JP6708395B2; US20160146705A1

Abstract

Ein passiver Sensor ist dazu eingerichtet, einen oder mehrere Betriebsparameter einer Gasturbine zu detektieren. Der passive Sensor ist mit der Gasturbine verbunden. Der passive Sensor ist außerdem dazu eingerichtet, einen Teil der Energie dem einen oder den mehreren Betriebsparametern zur Nutzung für einen Betrieb zu entziehen, eine Kennzeichnung eines Wertes des einen oder der mehreren Betriebsparameter zu speichern, entsprechen dem Wert des einen oder der mehreren Betriebsparameter von einem ersten mechanischen Zustand zu einem zweiten mechanischen Zustand zu wechseln und in Reaktion auf den Empfang eines Abfragesignals ein Signal bereitzustellen. Das Signal weist die Kennzeichnung des Wertes des einen oder der mehreren Betriebsparameter auf.

Description

HINTERGRUND
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Sensorvorrichtungen und spezieller Systeme und Verfahren zur Bereitstellung zustandsspeichernder und autonomer Sensorvorrichtungen.
Bestimmte rotierende oder feststehende Maschinen, wie beispielsweise Generatoren, Turbinen, Elektromotoren und dergleichen, können allgemein eine Anzahl von Sensoren enthalten, um unterschiedliche Parameter der Maschinen während des Betriebs zu messen. Die Sensoren, die die Betriebszustände derartiger Maschinen messen, können rauen Bedingungen (z.B. hohen Temperaturen, hohen Drücken und dergleichen) unterworfen sein und können für den optimalen Betrieb solcher Maschinen von Vorteil sein. Die Sensoren erfordern daher möglicherweise eine dauerhafte Energie und rechtfertigen häufige Wartung und Nachrüstung. Während einige Betriebsparameter, die den routinemäßigen oder normalen Betriebsbedingungen dieser Maschinen entsprechen, außerdem einer fortlaufenden Überwachung unterworfen sein können, erfordern bestimmte andere Parameter möglicherweise eine seltenere oder nur sporadische Überwachung. Es kann daher nützlich sein, Sensoren bereitzustellen, die mit Blick auf eine längeren Einsatz ausgerüstet sind.
KURZDARSTELLUNG
Im Folgenden sind spezielle Ausführungsformen gemäß dem Gegenstand der ursprünglich beanspruchten Erfindung zusammenfassend beschrieben. Diese Ausführungsformen sollen den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht beschränken, vielmehr sollen diese Ausführungsformen lediglich eine Kurzbeschreibung möglicher Formen der Erfindung geben. In der Tat kann die Erfindung vielfältige Formen umfassen, die den nachstehend dargelegten Ausführungsformen ähneln oder sich von diesen unterscheiden können.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein passiver Sensor dazu eingerichtet, einen oder mehrere Betriebsparameter einer Gasturbine zu detektieren. Der passive Sensor ist mit der Gasturbine verbunden. Der passive Sensor ist außerdem dazu eingerichtet, einen Teil der Energie von dem einen oder den mehreren Betriebsparametern zur Nutzung für den Betrieb abzuziehen, eine Kennzeichnung eines Werts des einen oder der mehreren Betriebsparameter zu speichern, entsprechen dem Wert des einen oder der mehreren Betriebsparameter von einem ersten mechanischen Zustand zu einem zweiten mechanischen Zustand zu wechseln und in Reaktion auf einen Empfang eines Abfragesignals ein Signal bereitzustellen. Das Signal beinhaltet die Kennzeichnung des Wertes des einen oder der mehreren Betriebsparameter.
Der zuvor erwähnte passive Sensor kann einen passiven Sensor beinhalten, der dazu eingerichtet ist, den einen oder die mehreren Betriebsparameter über eine bestimmte zu erfassen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann der passive Sensor dazu eingerichtet sein, das Signal in Reaktion auf das Abfragesignal drahtlos bereitzustellen.
In einer Ausführungsform kann der passive Sensor eine Verriegelungsvorrichtung aufweisen, die ein mikroelektromechanisches System (MEMS) oder ein nanoelektromechanisches System (NEMS) enthält, das dazu eingerichtet ist, die Kennzeichnung des Wertes des einen oder der mehreren Betriebsparameter durch einen Übergang zwischen mehreren mechanischen Zuständen zu speichern.
In der zuletzt erwähnten Ausführungsform kann die Verriegelungsvorrichtung dazu eingerichtet sein, den ersten mechanischen Zustand oder den zweiten mechanischen Zustand mittels einer oder mehrerer passiver multistabiler Strukturen aufrechtzuerhalten.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Verriegelungsvorrichtung ein Masse-Feder-System und eine oder mehrere multistabile Strukturen enthalten, wobei das Speichern der Kennzeichnung des Werts des einen oder der mehreren Betriebsparameter ein Verriegeln einer Masse des Masse-Feder-Systems in einen mechanischen Zustand der einen oder der mehreren multistabilen Strukturen beinhalten kann.
Weiter zusätzlich oder als eine weitere Alternative kann die Verriegelungsvorrichtung ein Zahnrad- und Kopplungssystem aufweisen, wobei das Zahnrad dazu eingerichtet ist, sich zu drehen, um die Kennzeichnung des Wertes des einen oder der mehreren Betriebsparameter in Reaktion auf eine Energie zu speichern, die durch das Zahnrad- und Kopplungssystem von dem einen oder den mehreren Betriebsparametern empfangen wird.
In einer Ausführungsform kann der passive Sensor eine Schaltung zur Detektion elektromagnetischer Energie aufweisen, die dazu eingerichtet ist, als die Kennzeichnung des Werts des einen oder der mehreren detektierten Betriebsparameter eine Impedanz zu ändern.
Der passive Sensor irgendeiner oben erwähnten Bauart kann dazu eingerichtet sein, einen oder mehrere Betriebsparameter einer rotierenden Maschine, einer Synchronmaschine, einer Asynchronmaschine, einer Dampfturbine, einer hydraulischen Turbine, eines Flugzeugtriebwerks, einer Windkraftanlage, eines Verdichters, einer Brennkammer, eines Übergangsstücks, eines Abschnitts einer Turbine, einer rotierenden Komponente, einer stationären Komponente oder einer beliebigen Kombination von diesen zu detektieren.
Insbesondere können der eine oder die mehreren Betriebsparameter eine Temperatur, einen Druck, eine Strömungsrate, einen Fluidstand, eine Verschiebung, eine Beschleunigung, eine Drehzahl, ein Drehmoment, einen Abstand, eine Belastung, eine Dehnung, eine Schwingung, eine elektrische Spannung, einen Strom, eine Luftfeuchtigkeit, eine elektromagnetische Strahlung, eine Masse, einen magnetischen Fluss, ein Kriechen, einen Riss, eine heiße Stelle, einen Ausrüstungszustand, eine Metalltemperatur, eine Funktionsfähigkeit des externen Systems oder eine beliebige Kombination von diesen aufweisen.
In einem zweiten Aspekt enthält ein System ein Turbinensystem und einen oder mehrere zustandsspeichernde Sensoren, die mit dem Turbinensystem verbunden und dazu eingerichtet sind, eine Schwingung, eine Belastung, eine Temperatur oder einen Druck des Turbinensystems zu erfassen. Der eine oder die mehreren zustandsspeichernden Sensoren weisen einen Speichermechanismus auf, der eine Verriegelungsvorrichtung enthält, die dazu eingerichtet ist, einen mechanischen Zustand in Reaktion auf eine Energie, die von der erfassten Schwingung, Belastung, Temperatur oder dem erfassten Druck abgeleitet wird, zu halten oder zu verändern. Der mechanische Zustand des Speichermechanismus beinhaltet eine Kennzeichnung eines Werts der erfassten Schwingung, Belastung, Temperatur oder des erfassten Drucks. Der eine oder die mehreren zustandsspeichernden Sensoren enthalten ferner einen Kommunikationsschaltkreis, der dazu eingerichtet ist, die Kennzeichnung des Werts der erfassten Schwingung, Belastung, Temperatur oder des erfassten Drucks bei Empfang eines oder mehrerer Abfragesignale drahtlos bereitzustellen.
In dem zuvor erwähnten System kann der Kommunikationsschaltkreis einen elektrisch passiven Kommunikationsschaltkreis beinhalten.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Verriegelungsvorrichtung dazu eingerichtet sein, den mechanischen Zustand in Reaktion auf das Abfragesignal zurückzusetzen.
In einer Ausführungsform kann der Speichermechanismus dazu eingerichtet sein, auf der Grundlage der erfassten Schwingung, Belastung, Temperatur oder des erfassten Drucks einen von mehreren mechanischen Zuständen zu halten oder zu einem solchen zu wechseln, wobei jeder der mehreren mechanische Zustände einem unterschiedlichen Wert der erfassten Schwingung, Belastung, Temperatur oder des erfassten Drucks entsprechen kann.
In dem System jeder beliebigen oben erwähnten Art können der eine oder die mehreren zustandsspeichernden Sensoren dazu eingerichtet sein, eine Manipulation zu erkennen.
Insbesondere kann die Manipulation eine magnetische Störung beinhalten.
Gemäß einem dritten Aspekt enthält eine Vorrichtung eine zustandsspeichernde Sensorvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen oder mehrere physikalische Parameter eines externen Systems zu erfassen, einen Teil der Energie von dem einen oder den mehreren physikalischen Parametern zur Verwendung für einen Betrieb der zustandsspeichernden Sensorvorrichtung abzuziehen, eine nicht-flüchtige Kennzeichnung eines Wertes des einen oder der mehreren physikalischen Parameter zu speichern und entsprechen dem Wert des einen oder der mehreren physikalischen Parameter von einem ersten mechanischen Zustand zu einem zweiten mechanischen Zustand zu wechseln. Bei einer Detektion eines Abfragesignals, und falls sich ein Schalter der zustandsspeichernden Vorrichtung in einem ersten Zustand befindet, ist die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung dazu eingerichtet, eine erste Energiemenge des Abfragesignals aufzunehmen und die erste Energiemenge des Abfragesignals zu reflektieren. Falls sich der Schalter der zustandsspeichernden Vorrichtung in einem zweiten Zustand befindet, ist die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung dazu eingerichtet, eine zweite Energiemenge des Abfragesignals aufzunehmen und die zweite Energiemenge des Abfragesignals zu reflektieren. Die Reflexion der zweiten Energiemenge des Abfragesignals beinhaltet ein Bereitstellen der Kennzeichnung des Werts des einen oder der mehreren physikalischen Parameter für eine externe Vorrichtung. Die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung ist außerdem dazu eingerichtet, die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung zumindest teilweise auf der Grundlage des Abfragesignals in den ersten mechanischen Zustand zurückzusetzen.
In der zuvor erwähnten Vorrichtung kann die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung dazu eingerichtet sein, die Kennzeichnung des Werts des einen oder der mehreren physikalischen Parameter in Reaktion auf das Abfragesignal oder ohne Anlass drahtlos bereitzustellen.
Darüber hinaus kann die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung dazu eingerichtet sein, die Kennzeichnung des Wertes des einen oder der mehreren physikalischen Parameter auf passive Weisen drahtlos bereitzustellen.
In jeder beliebigen oben erwähnten Vorrichtung kann die zweite Energiemenge größer sein als die erste Energiemenge.
ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher, in denen übereinstimmende Teile durchgängig mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, worin:
1 in einem Blockschaltbild eine Ausführungsform eines industriellen Systems zeigt, das eine oder mehrere zustandsspeichernde Sensorvorrichtungen enthält, gemäß den vorliegenden Ausführungsformen;
2 in einem Blockschaltbild eine Ausführungsform der einen oder mehreren zustandsspeichernden Sensorvorrichtungen zeigt, die in dem System von 1 enthalten sind, gemäß den vorliegenden Ausführungsformen;
3 ein Diagramm einer Ausführungsform eines Messwertdetektions- und Kommunikationssystems zeigt, das in der einen oder in den mehreren zustandsspeichernden Sensorvorrichtungen enthalten ist, gemäß den vorliegenden Ausführungsformen; und
4 in einem Flussdiagramm eine Ausführungsform eines Verfahrens veranschaulicht, das zur passiven Detektion und Speicherung von Betriebs- und/oder Umgebungsparametern mittels der einen oder mehreren zustandsspeichernden Sensorvorrichtungen nützlich ist, gemäß den vorliegenden Ausführungsformen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachfolgend werden ein oder mehrere spezielle Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. In dem Bemühen, eine kurzgefasste Beschreibung dieser Ausführungsformen vorzulegen, sind möglicherweise nicht sämtliche Merkmale einer tatsächlichen Verwirklichung in der Beschreibung erörtert. Es sollte erkannt werden, dass bei der Entwicklung einer jeden solchen Verwirklichung, wie in jedem technischen oder konstruktiven Projekt, zahlreiche anwendungsspezifische Entscheidungen zu treffen sind, um spezielle Ziele der Entwickler zu erreichen, z.B. Konformität mit systembezogenen und wirtschaftlichen Beschränkungen, die von einer Verwirklichung zur anderen unterschiedlich sein können. Darüber hinaus sollte es verständlich sein, dass ein solcher Entwicklungsaufwand zwar komplex und zeitraubend sein könnte, jedoch nichtsdestoweniger für die Fachleute, die über den Vorteil dieser Beschreibung verfügen, eine Routinemaßnahme bei der Entwicklung, Fertigung und Herstellung sein würde.
Wenn Elemente vielfältiger Ausführungsformen der Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel "ein", "eine", "der", "die" und "das" bedeuten, dass ein oder mehrere der Elements vorhanden sind. Die Begriffe "umfassen", "enthalten" und "aufweisen" sind als einschließend zu verstehen und bedeuten, dass möglicherweise zusätzliche Elemente vorhanden sind, die sich von den aufgeführten Elementen unterscheiden.
Dargelegte Ausführungsformen betreffen eine zustandsspeichernde und autonome Sensorvorrichtung, die genutzt werden kann, um passiv Betriebs- und/oder Umgebungsparameter zu detektieren und zu speichern, die beispielsweise industriellen Maschinen, industriellen Prozessen oder unterschiedlichen sonstigen Anwendungen zugeordnet sind, die eine langfristige und/oder unregelmäßige Überwachung erfordern. In manchen Ausführungsformen kann die Sensorvorrichtung ein Detektions- und Kommunikationssystem und eine Leistungsentnahmequelle enthalten. Die Leistungsentnahmequelle kann genutzt werden, um einer erfassten Messgröße Energie zu entziehen und die entzogene Energie in ein elektrisches Signal umzuwandeln, um die Sensorvorrichtung mit Energie zu versorgen. Das Detektions- und Kommunikationssystem kann eine elektromagnetische Schaltung (z.B. eine Antenne und ein Impedanzanpassungsnetzwerk) und eine oder mehrere Vorrichtungen mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) oder nanoelektromechanischer Systeme (NEMS) enthalten, die genutzt werden können, um nicht-flüchtige Werte von erfassten Betriebs- und/oder Umgebungsparametern in passiver Weise zu detektieren und zu speichern. In einer Ausführungsform können die Werte der Parameter, die durch die Sensorvorrichtung erhalten werden, durch die Erzeugung eines Hochfrequenz(HF)-Signals und Detektion einer von der Sensorvorrichtung reflektierten (z.B. passiv reflektierten) Energiemenge gelesen werden. Da die Sensorvorrichtung sowohl passiv als auch autonom (z.B. selbstoperativ) sein kann, kann die Sensorvorrichtung ferner eine langfristige (z.B. über Zeiträume von Tagen, Monaten, Jahren und dgl. gehende) Überwachung bestimmter Betriebs- und/oder Umgebungsparameter in rauen Umgebungen ermöglichen, ohne auf eine externe Energie oder häufige Wartung, eine Reparatur oder Nachrüstung zu erfordern.
Obwohl die vorliegenden Ausführungsformen hauptsächlich mit Bezug auf zustandsspeichernde und autonome Sensoren für Turbinensysteme und/oder andere industrielle Maschinen erörtert sein können, versteht sich in der Tat, dass die hier beschriebenen Techniken auch auf Sensoren erweitert werden können, die in beliebigen unterschiedlichen Anwendungen nützlich sind, beispielsweise Sensoren für medizinische Anwendungen (z.B. nichtinvasive Erfassung, Herzüberwachung), sicherheitsbezogene Sensoren (z.B. Sicherheitsüberwachung, Bewegungserfassung), Sensoren für Herstellungs- und Verteilungsanwendungen (z.B. Produktherstellungs- und Produktverfolgungssysteme), Sensorvorrichtungen im Zusammenhang mit Ölund Gasförderung (z.B. Sensoren, die in Bohrloch- und Unterwasserumgebungen nützlich sind), Sensoren für Energiegewinnungsanwendungen (z.B. Kohlenbergwerke, Tunnel und dgl.), Sensoren für Luft- und Raumfahrtanwendungen und dergleichen. In dem hier verwendeten Sinne kann sich der Bergriff "passiv" auf eine Bedingung beziehen, in der eine Vorrichtung autonom oder mittels einer oder mehrerer Umgebungsbedingungen betreibbar werden kann, so dass die Vorrichtung selbstversorgt und/oder selbstaktiviert ist. Ebenso kann sich "passiv" auf eine elektronische Schaltung oder Vorrichtung beziehen, in der keine Energiequelle enthalten ist oder die eine oder mehrere Komponenten (z.B. Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten und dgl.) aufweist, die in der elektronischen Schaltung Energie (z.B. Strom) verbrauchen, jedoch nicht erzeugen, wie es anderweitig bei aktiven Vorrichtungen, wie beispielsweise Transistoren, der Fall sein würde. In ähnlicher Weise kann sich "passiv" auf eine Komponente oder auf ein System beziehen, die bzw. das in der Lage ist, ohne eine externe Energiequelle zu arbeiten. Weiter kann sich "passiv" auf ein Bauteil oder auf ein System beziehen, das in der Lage ist, ohne dien Einsatz irgendwelcher Elektronik, die eine externe Spannungsquelle erfordert, zu arbeiten. In dem hier verwendeten Sinne kann sich ein "mechanischer Zustand" auf einen physikalischen Zustand beziehen, bei dem eine davon ausgehende oder daran vorgenommene Änderung die physikalische Bewegung eines oder mehrerer Teile einzelner oder mehrerer Mechanismen einer Vorrichtung oder Maschine von einem stationären Zustand zu einem anderen einschließt. Außerdem kann der Begriff "mechanischer Zustand" einen Ruhezustand oder einen Übergangszustand eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), nanoelektromechanischen Systems (NEMS) oder eines sonstigen Systems umfassen, das ein oder mehrere bewegliche Teile enthalten kann, die sich in Reaktion auf eine mechanische, elektrische, chemische, magnetische oder andere physikalische Störung bewegen oder verlagert werden.
Unter Beachtung des Vorhergehenden kann es nützlich sein, eine Ausführungsform eines industriellen Systems, beispielsweise ein in 1 veranschaulichtes exemplarisches System 10, zu beschreiben. Während die dargelegten Ausführungsformen mit Bezug auf eine Darstellung eines (wie beispielsweise in 1 veranschaulichten) Gasturbinensystems erörtert sein können, versteht sich in der Tat, dass das industrielle System 10 in einigen Ausführungsformen andere Arten von rotierenden Maschinen enthalten kann, wie beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen: ein Dampfturbinensystem, ein hydraulisches Turbinensystem, ein oder mehrere Verdichtersysteme (z.B. von der Luftfahrt abgeleitete Verdichter, Hubkolbenverdichter, Zentrifugalverdichter, Axialverdichter, Schraubenverdichter und dgl.), ein oder mehrere Elektromotorsysteme, industrielle Systeme, wie beispielsweise Lüfter, Strangpressen, Gebläse, Zentrifugalpumpen, Flugzeugtriebwerke, Windkraftanlagen, Brennkammern, Übergangsstücke, Abschnitte oder Komponenten industrieller Maschinen (z.B. rotierende Komponenten, stationäre Komponenten), oder beliebige unterschiedliche andere industrielle Maschinen, die in einer Industrieanlage oder anderen industriellen Einrichtung enthalten sein können. Insoweit derartige Maschinen Komponenten enthalten, die in Bezug auf eine stationäre Struktur rotieren, eignen sich derartige, eine Rotation betreffende Zusammenhänge im Allgemeinen selbstverständlich nicht für festverdrahtete Verbindungen zwischen den rotierenden und stationären Komponenten. In dem hier beschriebenen Sinne können geeignete Maschinen oder Systeme darüber hinaus in Umgebungen angeordnet sein oder Umgebungen enthalten, die rau und daher für ein Platzieren von elektronischer Einrichtung ungeeignet sind. Beispielsweise können Maschinen oder Systeme in dem hier beschriebenen Sinne Räume oder Pfade enthalten oder definieren, die raue Umgebungen bilden(z.B. eine innere, äußere oder maschineninterne Umgebung, in der Temperaturen größer oder gleich 300°C, 500°C, 1200°C oder darüber, Druckwerte zwischen ungefähr 1000 Pfund pro Quadratzoll (psi) und 18.000 psi, Schwingungen zwischen ungefähr 5 Millizoll und 20 Millizoll, Drehzahlen zwischen ungefähr 5.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) und 17.500 U/min und dgl.) auftreten. Die hier erörterten Techniken können, wie oben erwähnt, außer in industriellen Anwendungen zusätzlich in beliebigen unterschiedlichen Anwendungen genutzt werden.
Wie in 1 veranschaulicht, kann das industrielle System 10 ein Gasturbinensystem 12, ein Überwachungssystem 14 und ein Brennstoffzufuhrsystem 16 beinhalten. Das Gasturbinensystem 12 kann einen Verdichter 20, Verbrennungssysteme 22, Brennstoffdüsen 24, eine Turbine 26 und einen Auslassabschnitt 28 enthalten. Im Betrieb kann das Gasturbinensystem 12 Luft 30 in den Verdichter 20 saugen, der die Luft 30 anschließend verdichten und die Luft 30 zu dem Verbrennungssystem 22 bewegen kann (das beispielsweise eine Anzahl von Brennkammern enthalten kann). In dem Verbrennungssystem 22 kann die Brennstoffdüse 24 (oder eine Anzahl von Brennstoffdüsen 24) Brennstoff injizieren, der sich mit der verdichteten Luft 30 vermischt, um beispielsweise ein Luft/Brennstoff-Gemisch zu erzeugen.
Das Luft/Brennstoff-Gemisch kann in dem Verbrennungssystem 22 verbrennen, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen, die stromabwärts in die Turbine 26 strömen, um eine oder mehrere Stufen der Turbine 26 anzutreiben. Beispielsweise bewegen sich die Verbrennungsgase durch die Turbine 26, um eine oder mehrere Stufen von Laufschaufeln der Turbine 26 anzutreiben, die ihrerseits eine Welle 32 in Drehung versetzen können. Die Welle 32 kann mit einer Last 34, beispielsweise einem Generator, verbunden sein, der das Drehmoment der Welle 32 nutzt, um Elektrizität zu erzeugen. Nachdem die heißen Verbrennungsgase die Turbine 26 durchströmt haben, können sie über den Auslassabschnitt 28 als Abgase 36 in die Umgebung austreten. Das Abgas 36 kann Gase, wie beispielsweise Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO_x) und dgl., enthalten.
In bestimmten Ausführungsformen kann das System 10 ferner eine Anzahl von zustandsspeichernden Sensorvorrichtungen 40 (z.B. Sensoren) und eine Abfrage- oder Lesevorrichtung 42 enthalten. Die Abfrage- oder Lesevorrichtung 42 kann über eine Antenne 43 oder eine andere Sende/Empfangsvorrichtung Daten von den zustandsspeichernden Sensorvorrichtungen 40 aufnehmen. In manchen Ausführungsformen können die zustandsspeichernden Sensorvorrichtungen 40 beliebige unterschiedliche Sensoren sein, die für die Bereitstellung unterschiedlicher Betriebsdaten für die Abfrage- oder Lesevorrichtung 42 nützlich sind, beispielsweise Druck und Temperatur des Verdichters 20, Drehzahl und Temperatur der Turbine 26, Schwingung des Verdichters 20 und der Turbine 26, CO₂-Anteile in dem Abgas 36, Kohlenstoffgehalt in dem Brennstoff 31, Temperatur des Brennstoffs 31, Temperatur, Druck, Spalt des Verdichters 20 und der Turbine 26 (z.B. Abstand zwischen dem Verdichter 20 und der Turbine 26 und/oder zwischen anderen stationären und/oder rotierenden Komponenten, die in dem industriellen System 10 enthalten sein können), Flammentemperatur oder -intensität, Schwingungen, Verbrennungsdynamik (z.B. Druckschwankungen, Flammenintensität und dgl.), von der Last 34 stammende Lastdaten und dergleichen. Zu beachten ist, dass die oben erwähnten Parameter lediglich als Beispiele aufgeführt sind. In weiteren Ausführungsformen kann die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 zum Messen beliebiger unterschiedlicher Messgrößen nützlich sein, zu denen, jedoch ohne es darauf beschränken zu wollen, gehören: Temperatur, Druck, Strömungsrate, Fluidstand, Verschiebung, Beschleunigung, Drehzahl, Drehmoment, Abstand, Dehnung, Belastung, Schwingung, Spannung, Strom, Feuchtigkeit, elektromagnetische Strahlung, Masse, magnetischer Fluss, Kriechen, Riss, heiße Stellen (z.B. Hot-Spots), Ausrüstungszustand, Metalltemperatur, Systemfunktionsfähigkeit und dergleichen. Außerdem können die zustandsspeichernden Sensorvorrichtungen 40 für die Beständigkeit und den Betrieb in einer oder mehreren rauen Umgebungen (z.B. in einer Innenumgebung, Außenumgebung oder maschineninternen Umgebung, die Temperaturen größer oder gleich 300°C, 500°C, 1200°C oder darüber, Druckwerte im Bereich zwischen ungefähr 1000 Pfund pro Quadratzoll (psi) und 18.000 psi, Schwingungen im Bereich zwischen ungefähr 5 Millizoll und 20 Millizoll, Drehzahlen im Bereich zwischen ungefähr 5.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) und 17.500 U/min und dgl. aufweist) von Vorteil sein, in denen aktive elektronische Vorrichtungen allgemein versagen oder funktionsunfähig werden können.
In manchen Ausführungsformen kann die Lesevorrichtung 42 genutzt werden, um periodisch (z.B. täglich, monatlich, jährlich, alle zwei Jahre und dgl.) oder fortlaufend (z.B. über Minutenintervalle, stündlich) Daten von den zustandsspeichernden Sensorvorrichtungen 40 als eine Kennzeichnung der Betriebsbedingung einer oder mehrerer Komponenten (z.B. des Verdichters 20, der Turbine 26, der Brennkammern 22, der Last 34 und dgl.) des industriellen Systems 10 und/oder anderer umgebungsbedingter Charakteristika zu erhalten. Die Lesevorrichtung 42 kann auch verwendet werden, um die zustandsspeichernden Sensorvorrichtungen 40 zurückzusetzen. Ähnlich wie die Lesevorrichtung 42, können die zustandsspeichernden Sensorvorrichtungen 40 ebenfalls eine Antenne 46 oder eine andere Sende/Empfangsvorrichtung für einen Kommunikation mit der Lesevorrichtung 42 enthalten. Wie außerdem klar wird, können die zustandsspeichernden Sensorvorrichtungen 40 eine passive (z.B. selbstversorgte und nicht-aktive elektronische Vorrichtungen aufweisende) Vorrichtung enthalten, die bei einer passiven Detektion und Speicherung von Betriebs- und/oder Umgebungsparametern nützlich sein kann, die Komponenten des industriellen Systems 10 oder sonstiger ähnlicher Systeme oder Umgebungen zugeordnet sind.
In manchen Ausführungsformen können die zustandsspeichernden Sensorvorrichtungen 40, wie in 2 veranschaulicht, ein Messwertdetektions- und Kommunikationssystem 48 und eine Leistungsentnahmequelle 50 enthalten. Wie zuvor erörtert, kann die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 eine oder mehrere passive (z.B. autonom betreibbare oder quasi autonom betreibbare) Vorrichtungen enthalten, so dass die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 Betriebsparameter ohne den Einsatz einer externen Energiequelle erfassen und speichern kann. Während die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 bestimmte Betriebs- und/oder Umgebungsparameter in passiver Weise überwachen kann, kann die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 zusätzlich für die Überwachung und Speicherung dieser Parameter über lange Zeiträume (z.B. Tage, Monate, Jahre und dgl.) ohne die Erfordernis einer externen Energiequelle oder eines aufwändigen menschlichen Eingreifens durch Wartung, Reparatur oder nachträgliche Ausrüstung nützlich sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann eine solche Überwachung durchgeführt werden, ohne auf eine herkömmliche Leistungsspeicher- oder Energiespeichervorrichtung angewiesen zu sein.
Wie weiter veranschaulicht, kann das Detektionsund Kommunikationssystem 48 mit der Leistungsentnahmequelle 50 verbunden sein. Wenn beispielsweise während des Betriebs eine Messgröße (z.B. ein Betriebs- und/oder Umgebungsparameter) über das Detektions- und Kommunikationssystem 48 detektiert wird, kann die Leistungsentnahmequelle 50 Energie von dem gemessenen Betriebs- und/oder Umgebungsparameter entziehen und kann die entzogene Energie vorübergehend zur Nutzung beispielsweise durch das Detektions- und Kommunikationssystem 48 speichern. In einer Ausführungsform kann das Detektionsund Kommunikationssystem 48 gemeinsam mit der Leistungsentnahmequelle 50 die Messgröße (z.B. Temperatur, Druck, Strömungsrate, Fluidstand, Verschiebung, Beschleunigung, Drehzahl, Drehmoment, Abstand, Dehnung, mechanische Belastung, Schwingung, Spannung, Strom, Feuchtigkeit, elektromagnetische Strahlung, Masse, magnetischen Fluss, Kriechen, Riss, heiße Stellen, Ausrüstungsbedingung, Metalltemperatur, Systemfunktionsfähigkeit und dgl.) in ein elektrisches Signal für Leistung umwandeln. In einer Ausführungsform kann die Leistungsentnahmequelle 50 eine passive Energiespeichervorrichtung (z.B. fotovoltaische Vorrichtung, piezoelektrische Vorrichtung, einen thermoelektrischen Generator [TEG] oder eine andere ähnliche Energiespeichervorrichtung) enthalten, die zur Entnahme von Energie aus den Messgrößen und/oder einer oder mehreren Umgebungsquellen dienen kann. Wie außerdem klar wird, kann das Detektions- und Kommunikationssystem 48 eine elektromagnetische Schaltung (z.B. eine Antenne und ein Impedanzanpassungsnetzwerk) und eine oder mehrere Vorrichtungen mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) oder nanoelektromechanischer Systeme (NEMS) enthalten, die bei einer passiven Detektion und Speicherung von Messgrößen (z.B. Betriebs- und/ oder Umgebungsparametern) im Zusammenhang mit dem industriellen System 10 oder anderen ähnlichen Systemen oder Umgebungen nützlich sein können. Insbesondere können eine oder mehrere Komponenten des Detektions- und Kommunikationssystems 48 einen physikalischen Zustand ändern, der einen chemischen, elektrischen oder mechanischen physikalischen Zustand an den erfassten Messgrößen einschließen kann.
Beispielsweise kann das Detektions- und Kommunikationssystem 48, wie in 3 veranschaulicht, eine elektromagnetische Schaltung 51 (z.B. HF-Schaltung) enthalten. Wie dargestellt, kann die elektromagnetische Schaltung 51 die Antenne 46 und ein Impedanzanpassungsnetzwerk enthalten, das eine Quellenimpedanz 52 (z.B. Z_A), eine charakteristische Impedanz 54 (z.B. Z₀), eine Lastimpedanz 56 (z.B. Z_L) und eine Verriegelungsvorrichtung 58 enthalten kann. In manchen Ausführungsformen kann die Gesamtimpedanz der elektromagnetischen Schaltung 51 in Abhängigkeit davon, ob sich die Verriegelungsvorrichtung 58 in einer offenen Stellung oder in einer geschlossenen Stellung befindet, eine Änderung erfahren. Die Impedanzänderung kann einen Wert der erfassten und/oder detektierten Messgröße kennzeichnen. Insbesondere kann die charakteristische Impedanz 54 (z.B. Z₀) in manchen Ausführungsformen auf einen vorbestimmten Wert (z.B. etwa 50Ω) eingestellt sein. Desgleichen kann die Quellenimpedanz 52 (z.B. Z_A) ebenfalls auf einen vorbestimmten Wert (z.B. etwa 50Ω oder etwa 10–100Ω) eingestellt sein.
Wenn ein elektromagnetisches Signal (z.B. HF-Abfragesignal) an der Antenne 46 detektiert wird, und wenn sich die Verriegelungsvorrichtung in der geöffneten Stellung befindet, kann somit eine vollständige Durchlässigkeit der Energie des elektromagnetischen Signals auftreten. Allerdings lässt sich die Lastimpedanz 56 (z.B. Z_L) im Allgemeinen nicht an die Quellenimpedanz 52 (z.B. Z_A) und an die charakteristische Impedanz 54 (z.B. Z₀) anpassen. Wenn sich die Verriegelungsvorrichtung 58 in der geschlossenen Stellung befindet, kann die Lastimpedanz (z.B. Z_L) 56 daher in manchen Ausführungsformen in die elektromagnetische Schaltung 51 eingeführt werden. Dies kann daher in der elektromagnetischen Schaltung 51 eine Impedanzänderung hervorrufen. Wegen der Impedanz-Fehlanpassung beispielsweise zwischen der Quellenimpedanz 52 (z.B. Z_A) und der charakteristischen Impedanz 54 (z.B. Z₀) und der Lastimpedanz 56 (z.B. Z_L) (z.B. entsprechend einer Bedingung, in der Z_A ∥ Z₀ ≠ Z_L*), kann ferner ein hoher Reflexionsgrad der elektromagnetischen Energie, die an der Antenne 46 detektiert wird, auftreten. Ein derartig hoher Reflexionsgrad des elektromagnetischen Signals (z.B. HF-Abfragesignals) von der zustandsspeichernden Sensorvorrichtung 40 beispielsweise zurück zu der Lesevorrichtung 42 kann den Wert der erfassten Messgröße kennzeichnen. Außerdem kann das elektromagnetische Signal (z.B. HF-Abfragesignal), das durch die Lesevorrichtung 42 erzeugt ist, genutzt werden, um die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 zurückzusetzen (z.B. den physikalischen Zustand zurückzusetzen oder umzukehren), um eine Überwachung erneut zu beginnen oder eine Überwachung fortzusetzen, nachdem der Wert der erfassten Messgröße erhalten worden ist.
In manchen Ausführungsformen kann die Verriegelungsvorrichtung, wie weiter in 3 dargestellt, eine oder mehrere MEMS- oder NEMS-Bauelemente enthalten. Beispielsweise kann die Verriegelungsvorrichtung in einer Ausführungsform ein Masse-Feder-System 60 (z.B. 60A und 60B) enthalten. Insbesondere kann das Masse-Feder-System 60A das Masse-Feder-System 60 in Ruhestellung oder zu einer Zeit repräsentieren, in der eine erfasste Messgröße nicht gespeichert ist. Andererseits kann das Masse-Feder-System 60B das Masse-Feder-System 60 repräsentieren, wenn eine erfasste Messgröße detektiert und/oder gespeichert worden ist. Wie zu sehen, kann das Masse-Feder-System 60 eine Prüfmasse 62 (z.B. Prüfmassen 62A und 62B), eine Feder 64 (z.B. 64A und 64B) mit einer Federkonstante k und eine Anzahl multistabiler Strukturen 66 (z.B. 66A und 66B) enthalten. In einer Ausführungsform kann die Prüfmasse 62 ein beliebiges Material (z.B. hartes oder weiches Material) beinhalten, das sich für die Ausübung einer Kraft auf die Feder 64 eignen kann. In weiteren Ausführungsformen kann die Prüfmasse 62 ein weich- oder hartmagnetisches Material für eine Verwendung enthalten, bei der das Masse-Feder-System 60 beispielsweise als ein Magnetfeld- oder Stromsensor arbeitet.
Unter Bezugnahme auf das Masse-Feder-System 60B kann auf der Grundlage einer erfassten Messgröße (z.B. Temperatur, Druck, Strömungsrate, Fluidstand, Verschiebung, Beschleunigung, Drehzahl, Drehmoment, Abstand, Dehnung, Belastung, Schwingung, Spannung, Strom, Feuchtigkeit, elektromagnetischen Strahlung, Masse, magnetischer Fluss, Kriechen, Riss, heiße Stellen, Ausrüstungsbedingung, Metalltemperatur, Systemfunktionsfähigkeit und dgl.) eine passive Verschiebung der Prüfmasse 62B und der Feder 64B in Abhängigkeit von der Energie der Messgröße stattfinden. Dies kann dazu führen, dass sich die Prüfmasse 62B an den multistabilen Strukturen 66B (z.B. bistabilen Strukturen) verriegelt. In einer weiteren Ausführungsform kann das Masse-Feder-System 60 eine Masse (z.B. Prüfmasse 62), eine Feder (z.B. Feder 64) und ein zusätzliches Dämpfungselement enthalten und kann beispielsweise als ein Modell mit konzentrierten Elementen modelliert werden.
In manchen Ausführungsformen kann die Verschiebung der Prüfmasse 62B und, durch Erweiterung, die Verriegelung der Prüfmasse 62B durch die multistabilen Strukturen 66B (z.B. durch bistabile Strukturen) der Speicherung eines Werts einer erfassten Messgröße entsprechen. Wie weiter veranschaulicht, kann beispielsweise der Vorgang der Verriegelung der Prüfmasse 62B durch das erste Paar multistabiler Strukturen 66B die Speicherung eines ersten Wertes der Messgröße repräsentieren, während die Verriegelung der Prüfmasse 62B durch das zweite veranschaulichte Paar multistabiler Strukturen 66B die Speicherung eines zweiten Wertes einer erfassten Messgröße repräsentieren kann. In weiteren Ausführungsformen kann das Masse-Feder-System 60 (z.B. 60A und 60B) eine beliebige Anzahl von Paaren oder Sätzen (z.B. 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehr) der multistabilen Strukturen 66 (z.B. der bistabilen Strukturen 66A und 66B) enthalten, um eine beliebige Anzahl von Werten eines oder mehrerer erfasster Messgrößen zu speichern. Das Verriegeln der Prüfmasse 62B mit einem beliebigen der Sätze multistabiler Strukturen 66B kann auch einem Umschalten der Verriegelungsvorrichtung 58 von der Offenstellung in die Schließstellung entsprechen. Wie zuvor erörtert, kann die elektromagnetische Schaltung 51 dann einen geschlossenen Stromkreis bilden, und es kann somit eine Änderung der Gesamtimpedanz der elektromagnetischen Schaltung 51 betreten. Die Impedanzänderung kann den Wert der erfassten Messgröße kennzeichnen. Der Wert der erfassten Messgröße kann anschließend durch die Lesevorrichtung 42 erhalten werden, beispielsweise durch einen Reflexionsgrad eines elektromagnetischen Signals (z.B. HF-Abfragesignals), das durch die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 reflektiert wird. Somit kann die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 Messgrößen ohne den Einsatz einer externen Energiequelle oder eines aufwändigen menschlichen Eingreifens durch Wartung, Reparatur oder nachträgliches Ausrüsten passiv erfassen und speichern.
In weiteren Ausführungsformen kann die Verriegelungsvorrichtung 58, wie weiter in 3 dargestellt, ein Zahnrad- und Kopplungssystem 68 enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das Zahnrad- und Kopplungssystem 68 ein chemisches Kopplungssystem, ein elektrisches Kopplungssystem oder ein mechanisches Kopplungssystem enthalten. Wie zu sehen, kann das Zahnrad- und Kopplungssystem 68 eine Membran 69, ein Zahnrad 70 (z.B. ein Kammrad oder mechanisches Getrieberad) und eine Hebelvorrichtung 72 enthalten, die mit der Aufhängungsvorrichtung 69 verbunden ist. In einer Ausführungsform kann das Zahnrad- und Kopplungssystem 68 allgemein verwendet werden, um eine Druckmessgröße zu erfassen. Allerdings sollte es verständlich sein, dass das Zahnrad- und Kopplungssystem 68 auch zum Erfassen und Speichern beliebiger unterschiedlicher anderer Betriebsparameter, wie beispielsweise der Temperatur, Strömungsrate, des Fluidstands und dergleichen, genutzt werden kann.
Im Betrieb kann das Zahnrad 70 in Reaktion auf die Detektion und Speicherung (z.B. einer nicht flüchtigen Speicherung) einer erfassten Messgröße rotieren. Während eine Kraft (z.B. Druck) auf die Membran 69 ausgeübt wird, kann der Hebel 72 insbesondere bewirken, dass sich das Zahnrad 70 beispielsweise von dem Zahn 74A des Zahnrads 70 z.B. zu dem Zahn 74B des Zahnrads 70 dreht. Dieser Wechsel oder diese Zustandsänderung (z.B. eine Drehung des Zahnrads 70) des Zahnradund Kopplungssystems 68 (z.B. des Membransystems) kann der Speicherung (z.B. nicht flüchtigen Speicherung) einer erfassten Messgröße entsprechen. In einer Ausführungsform kann das Zahnrad 70 ferner einen verlängerten Zahn 76 aufweisen, der in einigen Ausführungsformen eine Elektrode aufweisen kann, um ein Spannungssignal zu übermitteln, um die Verriegelungsvorrichtung 58 zu schließen. Wie oben erwähnt, kann die elektromagnetische Schaltung 51 anschließend einen geschlossenen Stromkreis bilden, und es kann auf diese Weise eine Änderung der Gesamtimpedanz der elektromagnetischen Schaltung 51 eintreten. Diese Impedanzänderung kann den Wert der erfassten Messgröße kennzeichnen. Der Wert der erfassten Messgröße kann anschließend durch die Lesevorrichtung 42 beispielsweise mittels eines Reflexionsgrades eines elektromagnetischen Signals (z.B. HF-Abfragesignals) erhalten werden, das durch die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 reflektiert wird. In einer weiteren Ausführungsform können die Systeme der elektromagnetischen Schaltung 51 und, durch Erweiterung, der Verriegelungsvorrichtung 58 auch bei der Detektion oder Anzeige einer missbräuchlichen Manipulation der zustandsspeichernden Sensorvorrichtung 40 nützlich sein. Beispielsweise kann eine fremde magnetische Störung (z.B. eine Störung, die kein autorisiertes Lesesignal ist, das durch die Lesevorrichtung 42 bereitgestellt wird) dazu führen, dass die MEMS- oder NEMS-Systeme der Verriegelungsvorrichtung 58 ihre physikalische Zustände zumindest teilweise verändern. Diese fremde magnetische Störung kann festgestellt werden, wenn ein nachfolgendes Lesen der zustandsspeichernden Sensorvorrichtung 40 durchgeführt wird.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Verriegelungsvorrichtung 58, wie weiter in 3 dargestellt, ein System mit einer Kurzschlussbrücke und einem auf eine Messgröße ansprechenden Element enthalten. In manchen Ausführungsformen kann das System von Kurzschlussbrücke und ansprechendem Element ein chemisch ansprechendes System, ein elektrisch ansprechendes System oder ein mechanisch ansprechendes System enthalten. Wie zu sehen, kann das System von Kurzschlussbrücke und ansprechendem Element eine Kurzschlussbrücke 75, ein ansprechendes Element 76 (z.B. ein auf Temperatur ansprechendes Element), das mit der Kurzschlussbrücke 75 verbunden ist, und einen Anker 77 enthalten, der mit dem ansprechenden Element 76 verbunden ist. Im Betrieb kann das ansprechende Element 76, das ein oder mehrere Bimetalle enthalten kann, in Reaktion auf die Detektion und Speicherung (z.B. nicht flüchtige Speicherung) einer erfassten Messgröße ausfahren oder sich zurückziehen (z.B. die Länge ändern) und/oder sich ausdehnen oder zusammenziehen (z.B. die Form ändern). In einer Ausführungsform kann das System von Kurzschlussbrücke und ansprechendem Element allgemein verwendet werden, um eine Temperaturmessgröße zu erfassen. Allerdings sollte es verständlich sein, dass das System von Kurzschlussbrücke und ansprechendem Element auch genutzt werden kann, um beliebige unterschiedliche andere Betriebsparameter, beispielsweise Druck, Dehnung, Belastung, Schwingung und dgl., zu erfassen und zu speichern.
Mit Bezug auf 4 ist anhand eines Flussdiagramms eine Ausführungsform eines Verfahrens 80 veranschaulicht, das bei einer passiven Detektion und Speicherung von Betriebs- und/oder Umgebungsparametern beispielsweise durch Verwendung der in 2 dargestellten zustandsspeichernden Sensorvorrichtung 40 nützlich ist. Das Verfahren 80 kann mit einem Erfassen (Block 82) und Aufnehmen eines oder mehrerer Betriebsparameter durch die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 beginnen. Wie zuvor erörtert, kann die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 Temperatur, Druck, Strömungsrate, Fluidstand, Verschiebung, Beschleunigung, Drehzahl, Drehmoment, Abstand, Dehnung, Belastung, Schwingung, Spannung, Strom, Feuchtigkeit, elektromagnetische Strahlung, Masse, magnetischen Fluss, Kriechen, Riss, heiße Stellen, Ausrüstungsbedingung, Metalltemperatur, Systemfunktionsfähigkeit oder unterschiedliche andere Betriebs- und/oder Umgebungsparameter erfassen und/oder empfangen, die beispielsweise dem industriellen System 10 oder einem anderen ähnlichen System zugeordnet sind.
Das Verfahren 80 kann anschließend mit einem Gewinnen bzw. Entziehen (Block 84) eines Teil der Energie aus dem einen oder den mehreren Betriebsparametern durch die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 fortfahren. Beispielsweise kann die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 eine Leistungsentnahmequelle 50 enthalten, die nützlich sein kann, um Energie aus dem gemessenen Betriebs- und/oder Umgebungsparametern zu entziehen, und die die entzogene Energie zur Nutzung durch die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 vorübergehend speichern kann. Die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 kann anschließend eine Kennzeichnung entsprechender Werte der Betriebsparameter speichern (Block 86). Beispielsweise kann die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40, wie oben mit Bezug auf 2 und 3 erwähnt, eine elektromagnetische Schaltung 51 (z.B. eine Antenne und ein Impedanzanpassungsnetzwerk) und eine oder mehrere MEMS- oder NEMS-Vorrichtungen enthalten, die bei einer passiven Detektion und Speicherung von Betriebs- und/oder Umgebungsparametern nützlich sein können.
Das Verfahren 80 kann anschließend mit einer Änderung (Block 88) eines Zustands entsprechend den jeweiligen Werten der Betriebsparameter durch die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 schließen. Beispielsweise kann die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 einen physikalischen Zustand (z.B. chemisch, elektrisch oder mechanisch) ändern, um eine Kennzeichnung eines oder mehrerer Werte eines erfassten Betriebs- und/oder Umgebungsparameters mittels eines Reflexionsgrades elektromagnetischer Energie in Reaktion auf ein elektromagnetisches Lesesignal (z.B. HF-Abfragesignal), das zu der zustandsspeichernden Sensorvorrichtung 40 übertragen wird, bereitzustellen. Auf diese Weise kann die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung 40 Messgrößen ohne den Einsatz einer externen Energiequelle oder einer aufwändigen menschlichen Intervention durch Wartung, Reparatur oder Nachrüstung in passiver Weise erfassen und speichern.
Technische Effekte der vorliegenden Erfindung betreffen eine zustandsspeichernde und autonome Sensorvorrichtung, die genutzt werden kann, um Betriebs- und/oder Umgebungsparameter passiv zu detektieren und zu speichern, die beispielsweise industriellen Maschinen, industriellen Prozessen oder unterschiedlichen sonstigen Anwendungen zugeordnet sind, die eine langfristige und/oder unregelmäßige Überwachung erfordern. In manchen Ausführungsformen kann die Sensorvorrichtung ein Detektions- und Kommunikationssystem und eine Leistungsentnahmequelle enthalten. Die Leistungsentnahmequelle kann genutzt werden, um Energie aus einer erfassten Messgröße zu entziehen und die entzogene Energie in ein elektrisches Signal umzuwandeln, um die Sensorvorrichtung mit Energie zu versorgen. Das Detektions- und Kommunikationssystem kann eine elektromagnetische Schaltung (z.B. eine Antenne und ein Impedanzanpassungsnetzwerk) und eine oder mehrere Vorrichtungen mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) oder nanoelektromechanischer Systeme (NEMS) enthalten, die genutzt werden können, um nicht-flüchtige Werte von erfassten Betriebs- und/oder Umgebungsparametern passiv zu detektieren und zu speichern. In einer Ausführungsform können die Werte der Parameter, die durch die Sensorvorrichtung erhalten werden, durch Erzeugung eines Hochfrequenz(HF)-Signals und Detektion einer Menge von Energie gelesen werden, die von der Sensorvorrichtung reflektiert (z.B. passiv reflektiert) wird. Da die Sensorvorrichtung sowohl passiv als auch autonom (z.B. selbstoperativ) sein kann, kann die Sensorvorrichtung ferner eine langfristige (z.B. über Zeiträume von Tagen, Monaten, Jahren und dgl. erfolgende) Überwachung bestimmter Betriebsund/oder Umgebungsparameter in rauen Umgebungen ermöglichen, ohne eine externe Energie oder häufige Wartung, Reparatur oder Nachrüstung zu erfordern.
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, einschließlich beliebige Vorrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
Ein passiver Sensor ist dazu eingerichtet, einen oder mehrere Betriebsparameter einer Gasturbine zu detektieren. Der passive Sensor ist mit der Gasturbine verbunden. Der passive Sensor ist außerdem dazu eingerichtet, einen Teil der Energie dem einen oder den mehreren Betriebsparametern zur Nutzung für einen Betrieb zu entziehen, eine Kennzeichnung eines Wertes des einen oder der mehreren Betriebsparameter zu speichern, entsprechen dem Wert des einen oder der mehreren Betriebsparameter von einem ersten mechanischen Zustand zu einem zweiten mechanischen Zustand zu wechseln und in Reaktion auf den Empfang eines Abfragesignals ein Signal bereitzustellen. Das Signal weist die Kennzeichnung des Wertes des einen oder der mehreren Betriebsparameter auf.

Claims

Passiver Sensor, der eingerichtet ist, um: einen oder mehrere Betriebsparameter einer Gasturbine zu detektieren, wobei der elektrisch passive Sensor mit der Gasturbine gekoppelt ist; einen Teil einer Energie aus dem einen oder den mehreren Betriebsparametern zur Nutzung für einen Betrieb zu entziehen; eine Kennzeichnung eines Wertes des einen oder der mehreren Betriebsparameter zu speichern; entsprechen dem Wert des einen oder der mehreren Betriebsparameter von einem ersten mechanischen Zustand zu einem zweiten mechanischen Zustand zu wechseln; und ein Signal in Reaktion auf den Empfang eines Abfragesignals bereitzustellen, wobei das Signal die Kennzeichnung des Wertes des einen oder der mehreren Betriebsparameter aufweist.
Passiver Sensor nach Anspruch 1, wobei der passive Sensor einen passiven Sensor aufweist, der dazu eingerichtet ist, den einen oder die mehreren Betriebsparameter über einen bestimmten Zeitraum zu detektieren; und/oder wobei der passive Sensor dazu eingerichtet ist, das Signal in Reaktion auf das Abfragesignal drahtlos bereitzustellen.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der passive Sensor eine Verriegelungsvorrichtung aufweist, die ein mikroelektromechanisches System (MEMS) oder ein nanoelektromechanisches System (NEMS) enthält, das dazu eingerichtet ist, die Kennzeichnung des Wertes des einen oder der mehreren Betriebsparameter durch einen Übergang zwischen mehreren mechanischen Zuständen zu speichern.
Passiver Sensor nach Anspruch 3, wobei die Verriegelungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, den ersten mechanischen Zustand oder den zweiten mechanischen Zustand unter Verwendung einer oder mehrerer passiver multistabiler Strukturen aufrechtzuerhalten; und/oder wobei die Verriegelungsvorrichtung ein Masse-Feder-System und eine oder mehrere multistabile Strukturen aufweist und wobei das Speichern der Kennzeichnung des Wertes des einen oder der mehreren Betriebsparameter eine Verriegelung einer Masse des Masse-Feder-Systems in einen mechanischen Zustand der einen oder mehreren multistabilen Strukturen aufweist.
Passiver Sensor nach Anspruch 3, wobei die Verriegelungsvorrichtung ein Zahnrad- und Kopplungssystem aufweist und wobei das Zahnrad dazu eingerichtet ist, sich zu drehen, um die Kennzeichnung des Wertes des einen oder der mehreren Betriebsparameter in Reaktion auf eine Energie zu speichern, die durch das Zahnrad- und Kopplungssystem von dem einen oder den mehreren Betriebsparametern empfangen wird.
Passiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Schaltung zur Detektion elektromagnetischer Energie aufweist, die dazu eingerichtet ist, als die Kennzeichnung des Wertes des einen oder der mehreren detektierten Betriebsparameter eine Impedanz zu ändern.
Passiver Sensor nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der passive Sensor dazu eingerichtet ist, einen oder mehrere Betriebsparameter einer rotierenden Maschine, einer Synchronmaschine, einer Asynchronmaschine, einer Dampfturbine, einer hydraulischen Turbine, eines Flugzeugtriebwerks, einer Windkraftanlage, eines Verdichters, einer Brennkammer, eines Übergangsstücks, eines Abschnitts einer Turbine, einer rotierenden Komponente, einer stationären Komponente oder einer beliebigen Kombination von diesen zu detektieren; und/oder wobei der eine oder die mehreren Betriebsparameter eine Temperatur, einen Druck, eine Strömungsrate, einen Fluidstand, eine Verschiebung, eine Beschleunigung, eine Drehzahl, ein Drehmoment, einen Abstand, eine Dehnung, eine Belastung, eine Schwingung, eine elektrische Spannung, einen Strom, eine Feuchtigkeit, eine elektromagnetische Strahlung, eine Masse, einen magnetischen Fluss, ein Kriechen, einen Riss, eine heiße Stelle, eine Ausrüstungsbedingung, eine Metalltemperatur, eine Funktionsfähigkeit des externen Systems oder eine beliebige Kombination von diesen aufweist bzw. aufweisen.
System, das aufweist: ein Turbinensystem; und eine oder mehrere zustandsspeichernde Sensoren, die mit dem Turbinensystem gekoppelt und eingerichtet sind, um eine Schwingung, eine Belastung, eine Temperatur oder einen Druck des Turbinensystems zu erfassen, aufweisend: einen Speichermechanismus, der eine Verriegelungsvorrichtung enthält, die dazu eingerichtet ist, einen mechanischen Zustand in Reaktion auf eine Energie, die aus der erfassten Schwingung, Belastung, Temperatur oder dem erfassten Druck entzogen wird, aufrechtzuerhalten oder zu ändern, wobei der mechanische Zustand des Speichermechanismus eine Kennzeichnung eines Wertes der erfassten Schwingung, Belastung, Temperatur oder des erfassten Drucks aufweist; und einen Kommunikationsschaltkreis, der dazu eingerichtet ist, die Kennzeichnung des Wertes der erfassten Schwingung, Belastung, Temperatur oder des erfassten Drucks bei Empfang einzelner oder mehrerer Abfragesignale drahtlos bereitzustellen.
System nach Anspruch 8, wobei der Kommunikationsschaltkreis einen elektrisch passiven Kommunikationsschaltkreis aufweist.
System nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Verriegelungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, den mechanischen Zustand in Reaktion auf das Abfragesignal zurückzusetzen.
System nach einem beliebigen der Ansprüche 8–10, wobei der Speichermechanismus dazu eingerichtet ist, auf der Grundlage der erfassten Schwingung, Belastung, Temperatur oder des erfassten Drucks einen von mehreren mechanischen Zuständen zu halten oder zu ändern und wobei jeder der mehreren mechanischen Zustände einem anderen Wert der erfassten Schwingung, Belastung, Temperatur oder des erfassten Drucks entspricht.
System nach einem beliebigen der Ansprüche 8–11, wobei der eine oder die mehreren zustandsspeichernden Sensoren dazu eingerichtet sind, eine Manipulation zu detektieren; wobei die Manipulation eine magnetische Störung aufweisen kann.
Vorrichtung, die aufweist: eine zustandsspeichernde Sensorvorrichtung, die eingerichtet ist, um: einen oder mehrere physikalische Parameter eines externen Systems zu erfassen; einen Teil der Energie aus dem einen oder den mehreren physikalischen Parametern zur Verwendung für einen Betrieb der zustandsspeichernden Sensorvorrichtung zu gewinnen; eine nicht-flüchtige Kennzeichnung eines Wertes des einen oder der mehreren physikalischen Parameter zu speichern; entsprechend dem Wert des einen oder der mehreren physikalischen Parameter von einem ersten mechanischen Zustand zu einem zweiten mechanischen Zustand zu wechseln; und bei einer Detektion eines Abfragesignals: falls sich ein Schalter der zustandsspeichernden Vorrichtung in einem ersten Zustand befindet: das Abfragesignal zu empfangen; und eine erste Energiemenge des Abfragesignals zu reflektieren; falls sich der Schalter der zustandsspeichernden Vorrichtung in einem zweiten Zustand befindet: das Abfragesignal zu empfangen; eine zweite Energiemenge des Abfragesignals zu reflektieren, wobei die zweite Menge sich von der ersten Menge unterscheidet und wobei die zweite Energiemenge eine Kennzeichnung des Wertes des einen oder der mehreren physikalischen Parameter für eine externe Vorrichtung bereitstellt; und zumindest teilweise auf der Grundlage des Abfragesignals die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung in den ersten mechanischen Zustand zurückzusetzen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Kennzeichnung des Wertes des einen oder der mehreren physikalischen Parameter in Reaktion auf das Abfragesignal oder ohne Anlass drahtlos bereitzustellen; und/oder wobei die zustandsspeichernde Sensorvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Kennzeichnung des Wertes des einen oder der mehreren physikalischen Parameter in passiver Weise drahtlos bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die zweite Energiemenge größer ist als die erste Energiemenge.