EP2510380A1 - Überwachungssystem für einen innenraum einer maschine - Google Patents

Überwachungssystem für einen innenraum einer maschine

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EP2510380A1
EP2510380A1 EP10798749A EP10798749A EP2510380A1 EP 2510380 A1 EP2510380 A1 EP 2510380A1 EP 10798749 A EP10798749 A EP 10798749A EP 10798749 A EP10798749 A EP 10798749A EP 2510380 A1 EP2510380 A1 EP 2510380A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radar
signature
machine
interior
monitoring system
Prior art date
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Ceased
Application number
EP10798749A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Paul Kluczewski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Areva GmbH
Original Assignee
Areva NP GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Areva NP GmbH filed Critical Areva NP GmbH
Publication of EP2510380A1 publication Critical patent/EP2510380A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • G01S7/411—Identification of targets based on measurements of radar reflectivity
    • G01S7/412—Identification of targets based on measurements of radar reflectivity based on a comparison between measured values and known or stored values
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/04—Systems determining presence of a target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/80—Diagnostics

Definitions

  • a machine in question is e.g. a gas turbine whose interior is a combustion chamber containing a turbine wheel. It is addressed e.g. also, a pump whose flowed through during operation of the medium to be pumped interior is a pumping chamber with a paddle wheel.
  • the interior is lined, for example, with heat protection elements which protect the metal jacket of the machine from the gas burning off in the combustion chamber. Such elements can be completely or partially released and fall into the interior of the machine. Also, parts of the turbine blades may detach from the turbine wheel or blades from the paddle wheel and interfere with the operation of the respective engine. Also, cracks or breaks on the machine or its wall or housing may occur or other foreign body penetrate into the interior.
  • a radar receiver receives the radar radiation reflected in the interior and outputs a received signal in accordance with the received radar radiation.
  • the monitoring system also includes a control and evaluation unit. This ermit ⁇ telt now - also in departure from the conventional radar technology - from the received signal an actual signature, eg by digital signal processing. This is not primarily intended for imaging, but merely to determine characteristics of the received signal, which are correlated with the geometry of the interior such that deviations in the interior that are to be observed (eg a missing heat protection element , a missing part of a turbine blade, a crack or break in a machine part or other foreign element in the interior) lead to a change in the actual signature.
  • the actual signature is the result of a time ⁇ or frequency signal analysis of the received signal.
  • an altered spectral distribution of the UWB radar pulse would suggest changes in the interior.
  • the control and evaluation also has a target signature, which corresponds in character to the actual signature, but a known error-free machine based defines or represents.
  • the target signature is one which, when the machine is known to be faultless, is determined from the received signal as the actual signature.
  • the monitoring system further comprises an output unit.
  • the target signature can be determined, for example, by a so-called channel sounding technique.
  • the monitoring system does not generate an actual real image, for example comparable to a conventional radar image, from the interior of the machine, but rather an abstract actual signature which contains geometrical information or material characteristics of the interior in sufficient spatial resolution as information.
  • a deviation of the repeatedly measured during operation of the engine actual signature from the corresponding one of the error-free machine target signature is then observed by the monitoring ⁇ system.
  • Received signal e.g. due to density fluctuations and turbulence of a medium located in the interior of the machine are to be considered here.
  • Significant changes occur in the signature, e.g. a loose element and a defect in the surface structure of the interior or the
  • Outer shell causes the machine or the like, this leads to a deviation of the actual signature of the target signature, which go beyond the above media fluctuations etc. As a result, an error case of the machines is detected and issued according to an error signal.
  • the monitoring system implements a new radar method, which not only receives isolated echoes of individual points, eg from aircraft in the airspace, but a radar echo thrown back from the entire space.
  • This radar return in the form of the received signal also is not imaged, analyzed son ⁇ countries abstract.
  • An actual imaging in the form of a lifelike or pictorial, ie evaluable by a viewer, image of the interior of the interior by the method is desirable, but not necessary, since only an error in the interior to be detected by the system.
  • the output of a digital yes / no signal as error ⁇ signal according to "error-free" or "machine error” is sufficient.
  • the radar radiation is a narrow band (eg in the microwave range) or ultra wide band (UWB) radar radiation.
  • the radar technology for this frequency range is mature and has proven itself many times for radar applications.
  • the radar source emits radar radiation, for example in the form of a narrowband or sinusoidal signal, which is reflected in the interior of the machine and received by antennas or the radar receiver again.
  • the narrowband radar is realized, for example, as an FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) radar.
  • the FMCW radar offers the advantage of a refinement of the detectability of bewegli ⁇ Chen parts.
  • the monitoring system comprises a control and evaluation unit for determining a difference signature from the target and actual signature.
  • the monitoring system also stores a plurality of stored characteristic difference patterns for a respective characteristic failure of the machine. For example, the known lack of heat protection element of or damage to a turbine blade in a gas turbine will ever ⁇ wells determines a difference signature from the set and actual signature, and as a characteristic difference pattern for the event of an error "missing heat protection element" or "damaged Tur ⁇ binenschaufel" saved.
  • the output unit then checks in each case during operation of the machine whether a currently determined differential signature within a tolerance range corresponds to a respective difference pattern and outputs an error signal associated with the respective difference pattern.
  • the monitoring system therefore not only provides a yes / no-error signal but in other words, an error code eg "missing heat protection element", "beAU ⁇ interred turbine blade,” etc.
  • FIG. 1 shows a machine 2, in the example a gas turbine with a metallic machine wall 4, which surrounds an interior 6.
  • the internal space 6 includes a turbine wheel 8 with Turbi ⁇ nenschaufeln lOa-d.
  • the machine wall 4 to the inner space 6 out lined with heat protection elements 12a-d (there are sorted ⁇ wells by way of example only a few elements shown).
  • the Ma ⁇ machine 2 is surrounded by an outer space fourteenth
  • the machine 2 is assigned a monitoring system 20.
  • This comprises a central unit 22 and a plurality of antennas, of which only the antennas 24a, b are shown by way of example.
  • the antenna 24a is arranged in the outer space 14, the antenna 24b in the inner space 6.
  • the central unit 22 contains a radar source 26, which activates the antennas 24a, b via unspecified connecting lines, so that they emit radar radiation 28. Since the machine wall 4 is made of metal, which can not be penetrated by ⁇ of the radar beam 28 is between the antenna 24a and the inner chamber 6 in the in Fig. 1 by the dotted line angedeu- ended beam path 27 of the radar beam 28 in the machine wall 4 a passband 30 in the form of a quartz window is introduced ⁇ .
  • the radar beam 28 fills the entire internal space 6, that it reaches the entire interior, thus the inner chamber 6 supplied ⁇ turned surface of the machine wall 4 or the Hitzetikele ⁇ elements 12a-d and the turbine wheel 8.
  • the radar beam 28 is reflected by the addressed elements.
  • the reflected radar radiation 32 (symbolized by arrows) is picked up again by the antennas 24a, b and guided via an unspecified control line to a radar receiver 34 of the central unit 22.
  • the radar receiver 34 generates from the reflected radar radiation 32 a received signal 36, which it transmits to a control and evaluation unit 38 of the central unit 22. This generates from the received signal 36 an actual signature 40a.
  • a difference signature 48a, b is now always generated from the actual signature 40a and the desired signature 40b, for example by subtraction.
  • characteristic difference patterns 50a, b are stored in the output unit 42.
  • the output unit 42 compares the respective difference signature 48a, b with a characteristic difference pattern 50a, b. The latter are each associated with characteristic error cases of the machine 2.
  • the difference pattern 50a corresponds to a typical difference signature for the lack of a turbine blade lOa-d and the difference pattern 50b of the charac teristic ⁇ difference signature of a missing Hitzetikele- mentes 12a-d.
  • the currently determined Diffe ⁇ ence signature 48a, b a corresponding difference patterns 50a, b corresponds within a tolerance dimension 54
  • a specially ⁇ les error signal 52a, b is output as an alternative or in addition to the error signal 46th
  • This not only provides information that the machine 2 has an error, but also wel ⁇ cher nature of this error, in the case of the error signal 52a is called this "missing heat protection element", in the case of the error signal 52b "damaged turbine blade".

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Abstract

Ein Überwachungssystem (20) für einen Innenraum einer Maschine (2) enthält eine Radarstrahlung (28) in den Innenraum (6) einstrahlende Radarquelle (26), einen im Innenraum (6) reflektierte Radarstrahlung (32) empfangenden und diese als Empfangssignal (36) abgebenden Radarempfänger (34), eine Steuerund Auswerteeinheit (38) zur Ermittlung einer Ist-Signatur (40a) aus dem Empfangssignal (36) und zu deren Vergleich mit einer gespeicherten, eine fehlerfreie Maschine (2) repräsentierenden Soll-Signatur(40b), und eine Ausgabeeinheit (42) zur Ausgabe eines Fehlersignals (46, 52a, b) bei einer ein Toleranzmaß (44) übersteigenden Abweichung der Ist-Signatur (40a) von der Soll-Signatur (40b).

Description

Beschreibung
Überwachungssystem für einen Innenraum einer Maschine
Die Erfindung betrifft ein Überwachungssystem für einen Innenraum einer Maschine.
Eine in Rede stehend Maschine ist z.B. eine Gasturbine, deren Innenraum eine ein Turbinenrad enthaltende Brennkammer ist. Angesprochen ist z.B. auch eine Pumpe, deren im Betrieb vom zu pumpenden Medium durchströmter Innenraum eine Pumpkammer mit einem Schaufelrad ist. Bei der genannten Gasturbine ist der Innenraum beispielsweise mit Hitzeschutzelementen ausgekleidet, welche den Metallmantel der Maschine vor dem in der Brennkammer abbrennenden Gas schützen. Derartige Elemente können sich ganz oder teilweise lösen und in den Innenraum der Maschine fallen. Auch können sich Teile der Turbinenschaufeln vom Turbinenrad oder Schaufeln vom Schaufelrad lösen und den Betrieb der jeweiligen Maschine stören. Auch können Risse oder Brüche an der Maschine bzw. deren Wand oder Gehäuse auftreten oder sonstige Fremdkörper in den Innenraum eindringen.
Aus der US 4,507,658 ist ein Überwachungssystem für eine Turbine bekannt, mit welcher die Vibration der Turbinenschaufeln beobachtet werden kann. Hierzu werden die Turbinenschaufeln mit einem Millimeterwellenradarsystem bestrahlt und das re- flektierte Signal analysiert, um abnormale Vibrationen zu erkennen. Abfallende Hitzeschutzelemente oder das Vorhanden- sein von sonstigen Fremdkörpern im Innenraum kann das bekannte Überwachungssystem nicht melden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Überwachungssystem für einen Innenraum einer Maschine anzugeben .
Die Erfindung beruht auf der Idee, ein berührungsloses Überwa¬ chungssystem zu schaffen, welches auch die oben genannten losen Teile bzw. Fremdelemente in Maschineninnenräumen detek- tieren kann. Die verwendete Technologie des Überwachungssys¬ tems muss hierbei ein gute Ortsauflösung aufweisen, um z.B. das Fehlen einzelner Hitzeschutzelemente oder Teilen derer in einer Gasturbine detektieren zu können. Gleichzeitig muss das Überwachungssystem Medien verschiedener Konsistenz, wie z.B. Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten gut durchdringen können, um Informationen aus dem Innenraum der Maschine gewinnen zu können .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Überwachungssystem für den Innenraum einer Maschine gemäß Patentanspruch 1. Dieses um- fasst eine Radarquelle, welche Radarstrahlung in den Innenraum einstrahlt. Hierbei wird also nicht nur eine Turbinenschaufel, sondern der gesamte Innenraum der Maschine bestrahlt. Proble¬ matisch hierbei ist, dass der Innenraum in der Regel vollständig von einem metallischen Gehäuse umgeben ist. Der gesamte Innenraum reflektiert die Radarstrahlung. Die bisher bekannte Radartechnik geht stets davon aus, in einem bestrahlten Raumbereich nur einzelne reflektierende Element (z.B. ein Flugzeug im ansonsten leeren Luftraum) vorzufinden. Deren Echo wird dann zur Radarbildgebung benutzt. Der Einsatz der Radartechnik mit einer Gesamtbestrahlung des Innenraums bedeutet damit eine Abkehr von der bekannten Vorgehensweise.
Ein Radarempfänger empfängt die im Innenraum reflektierte Radarstrahlung und gibt entsprechend der empfangenen Radarstrahlung ein Empfangssignal ab. Das Überwachungssystem um- fasst weiterhin eine Steuer- und Auswerteeinheit. Diese ermit¬ telt nun - ebenfalls in Abkehr von der herkömmlichen Radartechnik - aus dem Empfangssignal eine Ist-Signatur, z.B. durch digitale Signalverarbeitung. Diese dient nicht vorrangig der Bildgebung, sondern soll lediglich Charakteristika des Empfangssignals ermitteln, die mit der Geometrie des Innenraums derart korreliert sind, dass Abweichungen im Innenraum, die beobachtet werden sollen (z.B. ein fehlendes Hitzeschutzele¬ ment, ein fehlender Teil einer Turbinenschaufel, ein Riss oder Bruch in einem Maschinenteil oder ein sonstiges Fremdelement im Innenraum) zu einer Änderung in der Ist-Signatur führen.
Beispielsweise ist die Ist-Signatur das Ergebnis einer Zeit¬ oder Frequenzsignalanalyse des Empfangssignals. Hier ist es denkbar, die Amplitude und/oder Phase des Empfangssignals auszuwerten oder nach Frequenzverschiebungen im Spektrum zu suchen bzw. eine Doppler-Auswertung durchzuführen. Im Zeitbereich lässt sich beispielsweise durch LaufZeitmessung von Aussendung bis Empfang eines UWB-Radar-Pulses eine Änderung der Innenraumgeometrie erfassen. Andererseits ließe sich durch eine geänderte Spektralverteilung des UWB-Radar-Pulses auf Änderungen im Innenraum schließen.
Die Steuer- und Auswerteeinheit verfügt außerdem über eine Soll-Signatur, welche ihrem Charakter nach der Ist-Signatur entspricht, jedoch eine bekannt fehlerfreie Maschine zu Grunde legt bzw. repräsentiert. Mit anderen Worten ist die Soll- Signatur eine solche, die bei bekannt fehlerfreier Maschine aus dem Empfangssignal als Ist-Signatur ermittelt wird. Das Überwachungssystem umfasst weiterhin eine Ausgabeeinheit.
Diese gibt ein Fehlersignal aus, wenn eine Abweichung zwischen Ist-Signatur und Soll-Signatur ein Toleranzmaß übersteigt. Die Soll-Signatur kann z.B. durch eine sogenannte Channel- Sounding-Technik ermittelt werden. Mit anderen Worten wird durch das Überwachungssystem kein tatsächliches reales Bild, z.B. vergleichbar einem herkömmlichen Radarbild, vom Innenraum der Maschine erzeugt, sondern eine abstrakte Ist-Signatur, welche geometrische Angaben oder Materialcharakteristika des Innenraums in ausreichender Orts- auflösung als Information beinhaltet. Durch das Überwachungs¬ system wird dann eine Abweichung der im Betrieb der Maschine wiederholt gemessenen Ist-Signatur von der der fehlerfreien Maschine entsprechenden Soll-Signatur beobachtet. Durch diese Maßnahme gelingt es, die an sich für eine komplette Raumüber- wachung ungeeignete Radartechnik auch im metallischen Innenraum einer Maschine einzusetzen.
Um eine Veränderung im Empfangssignal festzustellen, ist es also notwendig eine Soll-Signatur für einen normalen, d.h. bekannt fehlerfreien Betrieb zu definieren. Änderungen des
Empfangssignals z.B. durch Dichteschwankungen und Turbulenzen eines im Innenraum der Maschine befindlichen Mediums sind hierbei zu berücksichtigen. Treten signifikante Veränderungen in der Signatur auf, welche z.B. ein loses Element sowie ein Defekt in der Oberflächenstruktur des Innenraums bzw. der
Außenhülle der Maschine oder ähnliches verursacht, führt dies zu einer Abweichung der Ist-Signatur von der Soll-Signatur, welche über die oben genannten Medienschwankungen etc. hinaus gehen. Hierdurch wird ein Fehlerfall der Maschinen erkannt und entsprechend ein Fehlersignal ausgegeben.
Mit dem erfindungsgemäßen Überwachungssystem lassen sich nicht nur die angesprochenen Innenräume von oben angesprochenen Maschinen, sondern generell Innenräume von technischen Anlagen, z.B. auch ein Stollen eines Bergwerkes, auf außergewöhnliche Veränderungen hin untersuchen, da lediglich die Radarquelle entsprechend ausgebildet sein muss, um eine entspre¬ chende Ortsauflösung für zu beobachtende abnormale Veränderun¬ gen des Innenraumes zu ermöglichen.
Durch das Verfahren ist auch das ggf. den Innenraum der Maschine durchströmende Medium im Innenraum überwachbar, wenn dieses von der Radarstrahlung durchsetzt wird und sich im Fehlerfall, z.B. bei einem Medienmangel oder einen mittrans¬ portierten Fremdkörper, die Ist-Signatur verändert.
Das Überwachungssystem implementiert ein neues Radarverfahren, bei welchem nicht nur isolierte Echos einzelner Punkte, z.B. von Flugzeugen im Luftraum, empfangen werden, sondern ein vom gesamtem Raum rückgeworfenes Radarecho. Dieses Radarecho in Form des Empfangssignals wird außerdem nicht bildgebend, son¬ dern abstrakt ausgewertet. Eine tatsächliche Bildgebung in Form eines naturgetreuen bzw. bildlich, d.h. durch einen Betrachter auswertbaren, Abbildes des Innenraumes durch das Verfahren ist wünschenswert, aber nicht notwendig, da durch das System lediglich ein Fehler im Innenraum erkannt werden soll. Die Ausgabe eines digitalen Ja/Nein-Signales als Fehler¬ signal entsprechend „Fehlerfrei" oder „Maschinenfehler" reicht aus. Natürlich ist auch eine aufwändige Verarbeitung des Emp- fangssignals denkbar, bei der die Ist-Signatur tatsächlich ein konkretes Bild des Innenraums liefert, dies ist jedoch nicht zwingend nötig. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Radarstrahlung eine Schmalband- (z.B. im Mikrowellenbereich) oder Ultraweitband (UWB) -Radarstrahlung . Die Radartechnik für diesen Frequenzbereich ist ausgereift und hat sich für Radaranwendungen vielfach bewährt. Die Radarquelle sendet Radar- Strahlung, z.B. in Form eines schmalbandigen bzw. Sinussignals aus, welches im Innenraum der Maschine reflektiert und von Antennen bzw. dem Radarempfänger wieder empfangen wird. Hier findet in der Regel eine Auswertung im Frequenzbereich statt. Das Schmalbandradar ist z.B. als FMCW- (Frequency Modulated Continous Wave) Radar realisiert. Das FMCW-Radar bietet den Vorteil einer Verfeinerung der Detektierbarkeit von bewegli¬ chen Teilen.
Beim UWB-Radar wird jeweils ein kurzer Radarpuls ausgesandt, welcher ein breites Frequenzspektrum von z.B. einer Bandbreite von ca. 1GHz besitzt. Das Signal besteht also im Zeitbereich aus möglichst kurzen Impulsen. Auch hier wird das im Innenraum reflektierte Radarsignal empfangen und verarbeitet und ent¬ sprechend aus dem Empfangssignals eine Ist-Signatur erzeugt. Die geänderte Impulsform des Empfangssignals im Zeitbereich lässt auf die Anordnung und Geometrie der Wärmeschutzelemente schließen. In der Praxis erscheint hierbei eine Auflösung im Zentimeterbereich realistisch. Die Auswertung erfolgt hier z.B. anhand der Impulsform, etwa mit einem Matched-Filter- Verfahren. Ein UWB-Radar eignet sich auch für raue Umgebungen. Verschiedene Strahlungen eignen sich hier für verschiedene Anwendungen bzw. Medien, die in Maschineninnenräumen zu finden sind. Z.B. für Gasfüllungen oder Dampffüllungen eignet sich ein Schmalbandradar. UWB-Radar dagegen kann für nahezu alle Medien, also auch für Flüssigkeiten und Feststoffe benutzt werden .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Überwachungssystem eine Steuer- und Auswerteeinheit, welche die Ist-Signatur anhand einer Zeit- oder Frequenzbereichs- Auswertung von eingestrahlter und reflektierter Radarstrahlung ermittelt. Mit anderen Worten wird die Ist-Signatur anhand der Phasenlage und/oder der Laufzeit und/oder der spektralen Signalverteilung von eingestrahlter und reflektierter Radarstrah- lung ermittelt. Im Gegensatz zu reinen LaufZeitmessungen wird durch Auswertung der Phasenlage Zusatzinformation über den Innenraum gewonnen und kann für die Ist-Signatur genutzt werden. Trifft Radarstrahlung auf Metall, wird dies reflektiert. Trifft sie jedoch auf ein nur teilweise reflektierendes Mate- rial, beispielsweise eine nichtmetallische Oberflächenbe- schichtung, und im Anschluss dann auf Metall, wird sie zuerst in der Phase verschoben und dann reflektiert. Z.B. erfolgt hierbei eine Veränderung eines UWB-Radar-Pulses nach Art einer Verzerrung. Dieser Phasenversatz kann ermittelt werden und kann sich beträchtlich auf die Aussagesicherheit des Überwa¬ chungssystems hinsichtlich einer Fehlerkennung durch Vergleich von Ist- und Soll-Signatur auswirken. Mit anderen Worten ergibt also die Auswertung der Phasenlage eine deutliche Ver¬ besserung des Überwachungssystems.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Überwachungssystem mehrere mit der Radarquelle und/oder der Steuer- und Auswerteeinheit verbundene Antennen zum jeweiligen Senden und/oder Empfangen der Radarstrahlung.
Durch die Verwendung mehrere Antennen wird ein sogenanntes Antennen-Array realisiert. Durch eine Korrelation der Sende- und Empfangssignale mehrerer Antennen lässt sich ein hohes Maß an Zusatzinformation erlangen. Durch das Aussenden von Radarsignalen von mehreren Antennen, welche an verschiedenen Orten in den Innenraum der Maschine einstrahlen und durch die Aus- wertung von Empfangssignalen verschiedener Antennen können richtungsabhängige Reflexionen im Innenraum in der Ist- Signatur berücksichtigt werden. Beispielsweise wird es so möglich, im Innenraum einer Gasturbine einzelne Hitzeschutzelemente gezielt auf Vorhandensein bzw. Fehlen zu überwachen. Mit anderen Worten wird also durch die Nutzung eines Antennen- Arrays ein bestimmter Raumbereich, welcher von der Radarstrahlung bestrahlt wird, besser ortsaufgelöst. Auch hinsichtlich der angesprochenen Vielzahl der Reflexionen der Radarstrahlung im Innenraum sind durch ein Antennen-Array genauere Informati- onen in der Ist-Signatur zu erwarten.
Durch die Größe, z.B. Amplitude der Abweichung der Ist- Signatur von der Soll-Signatur ist es möglich, auf die Größe bzw. das Ausmaß eines Fehlers zu schließen. Durch das ange- sprochene Antennen-Array ist es zusätzlich möglich, auf den Ort des Fehlers im Innenraum zu schließen. Hat sich z.B. in einer Gasturbine gemäß Amplitude der Differenz zwischen Ist- und Sollsignatur nur ein einziges Hitzeschutzelement oder ein Bruchstück dessen gelöst und liegt diese gemäß der Antennen- Array-Information in der Ist-Signatur an einer unkritischen
Stelle im Innenraum, so kann aufgrund der Fehlersignalauswertung entschieden werden, das Hitzeschutzelement erst beim nächsten Wartungsintervall der Maschine auszutauschen und die Maschine nicht notabzuschalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Antenne zum Senden und/oder Empfangen von Radarstrahlung im Innenraum angeordnet. Um eine maximale Ausleuchtung des Innenraumes durch Radarstrahlung zu erreichen, d.h. jeder Punkt der Oberfläche des Innenraumes wird von Radarstrahlung erreicht, ist es vorteilhaft, mehrere Antennen, z.B. gleichmäßig ver¬ teilt, im Innenraum zu platzieren. Die Antennen werden dafür entweder hinter einer Zwischenschicht aus elektromagnetisch durchlässigen Materialien oder direkt im Innenraum einer Maschine angebracht. Der Einsatz einer Zwischenschicht ermög¬ licht es der Radarstrahlung, in den Innenraum einer Maschine einzudringen wobei die Antenne selbst vor hohen Temperaturen usw. geschützt ist.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Antennen im Außenraum der Maschine angeordnet und in einem Strahlweg von der Antenne zum Innenraum ist in der Maschinenwand ein Durchlass¬ bereich für die Radarstrahlung angeordnet. Ein solcher Durchlassbereich kann z.B. ein in die Maschinenwand eingelassenes Quarzfenster sein. Ein Einbruch der Leistungsfähigkeit des Überwachungssystems durch eine Verschmutzung der Antenne, der Zwischenschicht oder der Innenfläche des Durchlassbereiches, beispielsweise durch eine Oxidschicht oder organische Ver¬ schmutzungen, ist wegen der Natur der Radarstrahlung nicht zu erwarten .
Bei der Positionierung der Antennen ist stets darauf zu ach- ten, dass die den Antennen zugeordnete Elektronik vor Hitze, Strahlung und chemischen Einflüssen geschützt ist. Dies lässt sich in einer Ausführungsform realisieren, wenn eine elektronische Komponente der Antenne getrennt von der Antenne selbst platziert wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Überwachungssystem eine Steuer- und Auswerteeinheit zur Ermittlung einer Differenzsignatur aus Soll- und Ist-Signatur. Im Überwachungssystem sind außerdem mehrere gespeicherte charakteristische Differenzmuster für einen jeweiligen charakte- ristischen Fehlerfall der Maschine gespeichert. So wird z.B. beim bekannten Fehlen eines Hitzeschutzelementes oder der Beschädigung einer Turbinenschaufel in einer Gasturbine je¬ weils eine Differenzsignatur aus Soll- und Ist-Signatur ermittelt und als charakteristisches Differenzmuster für den Feh- lerfall „fehlendes Hitzeschutzelement" bzw. „beschädigte Tur¬ binenschaufel" gespeichert. Die Ausgabeeinheit prüft dann jeweils im Betrieb der Maschine, ob eine aktuell ermittelte Differenzsignatur im Rahmen eines Toleranzbereiches einem jeweiligen Differenzmuster entspricht und gibt ein dem jewei- ligen Differenzmuster zugeordnetes Fehlersignal aus. In dieser Ausführungsform liefert das Überwachungssystem also nicht nur ein Ja/Nein-Fehlersignal sondern mit anderen Worten einen Fehlercode z.B. für „fehlendes Hitzeschutzelement", „beschä¬ digte Turbinenschaufel" usw.
Entsprechende Differenzmuster werden z.B. durch Experimente oder durch die Auswertung bzw. das sukzessive Erlernen konkret aufgetretener Differenzmuster ermittelt: Wenn nämlich für einen Ist-Signatur bekannt ist, um welchen Fehler genau es sich handelt, kann aus der entsprechenden Differenzsignatur ein charakteristisches Differenzmuster ermittelt werden. Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigt, in einer schematischen Prinzipskizze:
Fig. 1 eine Maschine mit erfindungsgemäßen Überwachungssystem.
Fig. 1 zeigt eine Maschine 2, im Beispiel eine Gasturbine mit einer metallischen Maschinenwand 4, die einen Innenraum 6 umgibt. Der Innenraum 6 enthält ein Turbinenrad 8 mit Turbi¬ nenschaufeln lOa-d. Die Maschinenwand 4 ist zum Innenraum 6 hin mit Hitzeschutzelementen 12a-d ausgekleidet (es sind je¬ weils beispielhaft nur wenige Elemente dargestellt) . Die Ma¬ schine 2 ist von einem Außenraum 14 umgeben.
Der Maschine 2 ist ein Überwachungssystem 20 zugeordnet. Die- ses umfasst eine Zentraleinheit 22 sowie eine Vielzahl von Antennen, von welchen beispielhaft nur die Antennen 24a, b dargestellt sind. Die Antenne 24a ist hierbei im Außenraum 14 angeordnet, die Antenne 24b im Innenraum 6. Die Zentraleinheit 22 enthält eine Radarquelle 26, welche über nicht näher be- zeichnete Anschlussleitungen die Antennen 24a, b ansteuert, so dass diese Radarstrahlung 28 aussenden. Da die Maschinenwand 4 aus Metall ist, welches von der Radarstrahlung 28 nicht durch¬ drungen werden kann, ist zwischen der Antenne 24a und dem Innenraum 6 im in Fig. 1 durch die gestrichelte Linie angedeu- teten Strahlweg 27 der Radarstrahlung 28 in die Maschinenwand 4 ein Durchlassbereich 30 in Form eines Quarzfensters einge¬ bracht .
Die Radarstrahlung 28 erfüllt den gesamten Innenraum 6, d.h. sie erreicht die gesamte innere, also dem Innenraum 6 zuge¬ wandte Oberfläche der Maschinenwand 4 bzw. der Hitzeschutzele¬ mente 12a-d und des Turbinenrades 8. Die Radarstrahlung 28 wird von den angesprochenen Elementen reflektiert. Die reflektierte Radarstrahlung 32 (symbolisiert durch Pfeile) wird von den Antennen 24a, b wieder aufgefangen und über eine nicht bezeichnete Steuerleitung an einen Radarempfänger 34 der Zent- raleinheit 22 geführt. Der Radarempfänger 34 erzeugt aus der reflektierten Radarstrahlung 32 ein Empfangssignal 36, das er an eine Steuer- und Auswerteeinheit 38 der Zentraleinheit 22 übermittelt . Diese erzeugt aus dem Empfangssignal 36 eine Ist-Signatur 40a. In der Steuer- und Auswerteeinheit 38 ist außerdem eine Soll¬ signatur 40b gespeichert, welche der Ist-Signatur 40a ent¬ spricht, wenn die Maschine 4 sich in fehlerfreiem Zustand befindet. Eine zur Zentraleinheit 22 gehörende Ausgabeeinheit 42 überprüft, ob die Ist-Signatur 40a im Rahmen eines Tole¬ ranzmaßes 44 für erlaubte Abweichungen der Soll-Signatur 40b entspricht oder nicht. Bei Entsprechung gibt sie ein Fehler¬ signal 46 des Wertes „fehlerfreier Betrieb" aus. Im Beispiel kann das Fehlersignal zwei Werte, nämlich „fehlerfreier Be- trieb" oder „Fehler" annehmen.
Ein Fehlersignal 46 mit Wert „Fehler" wird z.B. im folgenden Fall generiert: Die Turbinenschaufel 10a wird während des Betriebs der Maschi¬ ne 4 teilzerstört bzw. löst sich ein Teil derer vom Turbinenrad 8. Die in den Innenraum 6 eingestrahlte Radarstrahlung 28 wird durch die fehlende Turbinenschaufel 10a fortan in anderer Weise reflektiert, als bei intakter Turbinenschaufel 10a. Die reflektierte Radarstrahlung 32 ändert sich daher gegenüber dem fehlerfreien Fall, weshalb auch das Empfangssignal 36 sich ändert. Aufgrund dessen verändert sich auch die Ist-Signatur 40a und stimmt ab dem Fehlerfall nicht mehr mit der vorher gemessenen Ist-Signatur 40a überein. Insbesondere weicht die Ist-Signatur 40a daher auch über das Toleranzmaß 44 hinaus von der Soll-Signatur 40b ab. Die Ausgabeeinheit 42 detektiert diese Abweichung und gibt das Fehlersignal 46 als „Fehler" aus .
In einem alternativen Fehlerfall ist dagegen das Turbinenrad 8 intakt, löst sich jedoch das Hitzeschutzelement 12c. Die un- verändert eingestrahlte Radarstrahlung 28 wird daher in erneut anderer Weise reflektiert, weshalb schließlich eine erneut unterschiedliche Ist-Signatur 40a entsteht. Auch diese weicht mehr als durch das Toleranzmaß 44 toleriert, von der Soll- Signatur 40b ab und es wird erneut das Fehlersignal 36 als „Fehler" ausgegeben.
In einer alternativen Ausführungsform wird nun stets aus der Ist-Signatur 40a und der Soll-Signatur 40b, z.B. durch Subtraktion, eine Differenzsignatur 48a, b erzeugt. Auch sind charakteristische Differenzmuster 50a, b in der Ausgabeeinheit 42 gespeichert. In dieser Ausführungsform vergleicht im Fehlerfall, also bei der o.g. Abweichung von Ist- und Sollsigna¬ tur 40a, b, die Ausgabeeinheit 42 die jeweilige Differenzsigna¬ tur 48a, b mit einem charakteristischen Differenzmuster 50a, b. Letztere sind hierbei jeweils charakteristischen Fehlerfällen der Maschine 2 zugeordnet. So entspricht das Differenzmuster 50a einer typischen Differenzsignatur für das Fehlen einer Turbinenschaufel lOa-d und das Differenzmuster 50b der charak¬ teristischen Differenzsignatur eines fehlenden Hitzeschutzele- mentes 12a-d. Für den jeweiligen Fall, dass die aktuell ermittelte Diffe¬ renzsignatur 48a, b einem entsprechenden Differenzmuster 50a, b im Rahmen eines Toleranzmaßes 54 entspricht, wird ein speziel¬ les Fehlersignal 52a, b alternativ oder zusätzlich zum Fehlersignal 46 ausgegeben. Dieses gibt nicht nur Auskunft darüber, dass die Maschine 2 einen Fehler aufweist, sondern auch wel¬ cher Natur dieser Fehler ist, im Fall des Fehlersignals 52a heißt dieses „fehlendes Hitzeschutzelement", im Falle des Fehlersignals 52b „beschädigte Turbinenschaufel".
Mit anderen Worten wird nicht nur ein Fehler in der Maschine 2 erkannt, sondern seiner Art nach klassifiziert, in dem untersucht wird, ob die aktuelle Differenzsignatur 48a, b einem typischen Differenzmuster 50a, b entspricht.

Claims

Ansprüche
1. Überwachungssystem (20) für einen Innenraum einer Maschine (2), mit einer Radarstrahlung (28) in den Innenraum (6) einstrahlenden Radarquelle (26), und einem im Innenraum (6) reflektierte Radarstrahlung (32) empfangenden und diese als Empfangssignal (36) abgebenden Radarempfänger (34), mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (38) zur Ermittlung einer Ist- Signatur (40a) aus dem Empfangssignal (36) und zu deren Ver¬ gleich mit einer gespeicherten, eine fehlerfreie Maschine (2) repräsentierenden Soll-Signatur (40b) , mit einer Ausgabeeinheit (42) zur Ausgabe eines Fehlersignals (46, 52a, b) bei einer ein Toleranzmaß (44) übersteigenden Abweichung der Ist- Signatur (40a) von der Soll-Signatur (40b) .
2. Überwachungssystem (20) nach Anspruch 1, bei dem die Radarstrahlung (28,32) eine Schmalband- oder UWB-Radarstrahlung ist .
3. Überwachungssystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (38) zur Er¬ mittlung der Ist-Signatur (40a) anhand der Phasenlage und/oder der Laufzeit und/oder der spektralen Signalverteilung von reflektierter (32) und eingestrahlter Strahlung (28).
4. Überwachungssystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mehreren, mit der Radarquelle (26) und/oder der Steuer- und Auswerteeinheit (38) verbundenen Antennen zum jeweiligen Senden und/oder Empfangen der Radarstrahlung
(24a, b, 28, 32) .
5. Überwachungssystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer im Innenraum (6) der Maschine angeordneten Antenne (24a, b) .
6. Überwachungssystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer im Außenraum (14) der Maschine (2) angeord¬ neten Antenne (24a, b), und mit einem im Strahlweg (27) von der Antenne (24a, b) zum Innenraum (6) in der Maschinenwand (4) angeordneten Durchlassbereich (30) für die Radarstrahlung (28, 32) .
7. Überwachungssystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (38) zur Er¬ mittlung einer Differenzsignatur (48a, b) aus Soll- (40b) und Ist-Signatur (40a) , mit mehreren gespeicherten charakteristischen Differenzmustern (50a, b) für einen jeweiligen charakteristischen Fehlerfall der Maschine (2), und mit einer Ausgabe¬ einheit (42) zur Ausgabe eines jeweiligen, einem Fehlerfall zugeordneten Fehlersignals (52a, b), wenn die Differenzsignatur (48a, b) im Rahmen eines Toleranzmaßes (54) dem jeweiligen Differenzmuster (50a, b) entspricht.
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