WO2012076145A1 - System und verfahren zur überwachung von mechanisch gekoppelten strukturen - Google Patents

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WO2012076145A1
WO2012076145A1 PCT/EP2011/006086 EP2011006086W WO2012076145A1 WO 2012076145 A1 WO2012076145 A1 WO 2012076145A1 EP 2011006086 W EP2011006086 W EP 2011006086W WO 2012076145 A1 WO2012076145 A1 WO 2012076145A1
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mechanically coupled
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central unit
measurement results
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PCT/EP2011/006086
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Georg Dorner
Andreas Rasch
Heiner Igel
Ulrich Schreiber
Joachim Wassermann
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Northrop Grumman Litef Gmbh
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    • G01C19/34—Rotary gyroscopes for indicating a direction in the horizontal plane, e.g. directional gyroscopes
    • G01C19/38—Rotary gyroscopes for indicating a direction in the horizontal plane, e.g. directional gyroscopes with north-seeking action by other than magnetic means, e.g. gyrocompasses using earth's rotation
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M5/0041—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining deflection or stress
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    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0066—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by exciting or detecting vibration or acceleration

Definitions

  • the invention relates to a system for monitoring a mechanically coupled structure and to such a method.
  • the invention provides a system having the features of claim 1 and a method having the features of claim 6.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a system when monitoring a mechanically coupled structure according to a
  • Embodiment a schematic representation for determining the orientation of the sensor to Erdrotationsachse; a schematic representation of a flowchart of a method according to another embodiment; 4 shows a system for monitoring according to a further embodiment;
  • FIG. 5 shows the schematic structure of a system according to a further embodiment
  • Fig. 6 shows the schematic structure of a system according to a
  • FIG. 8 shows a schematic flow diagram of a method according to a further exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a system 100 for monitoring a mechanically coupled structure 101 with a first sensor 102, which is designed to determine its orientation relative to the axis of rotation at predetermined times as a first measurement result, the first sensor 102 having a first sensor 102 Part of the mechanically coupled structure is connectable.
  • at least one second sensor 104 is provided which, when the system 100 is put into operation, is in a known first orientation relative to the first sensor 102 and is designed to determine a yaw rate and / or an acceleration as a second measurement result.
  • the at least one second sensor 104 can be connected to a second part of the mechanically coupled structure.
  • a central unit 106 is provided as well as a communication network 108, via which the central unit 106 is connected to the first sensor 102 and the second sensor 104.
  • the first sensor 102 is designed such that the first measurement results are transmitted to the central unit 106
  • the second sensor 104 is designed so that the second measurement results are transmitted to the central unit 106.
  • the central unit 106 is designed to monitor the mechanically coupled structure 101 with the aid of the first and second measurement results.
  • the first sensor 102 can be designed, for example, as a Sagnac sensor or as a Coriolis sensor. Both sensor types are able to determine their orientation relative to the axis of rotation via the Sagnac effect or the Coriolis effect.
  • the communication network 108 may be wireless or wired. Optical communication via fiber optic cables or via free space propagation is just as possible as electrical or electromagnetic communication. In this case, any desired communication paths between the sensors 102, 104 and the central unit 106 can be conceivable. For example, only one direct unidirectional communication between the individual sensors 102, 104 and the central unit 106 could be possible as a communication path that is particularly easy to implement. However, more complex communication paths such as a bidirectional communication between the individual sensors 102, 104 and between the sensors 102, 104 and the central unit 106 are also possible.
  • the system can be further enhanced by providing unillustrated Global Navigation Satellite System (GNSS) sensors, such as Global Positioning System (GPS), Galileo or Glonass, in the sensors 102, 104, thereby providing absolute position measurement the sensors 102, 104 is enabled.
  • GNSS Global Navigation Satellite System
  • GPS Global Positioning System
  • Glonass Glonass
  • FIG. 2 shows schematically how the first sensor 102 is located on the earth's surface 200 at a certain angle ⁇ to the earth rotation axis 202.
  • the second sensor 104 can be designed as a rotation sensor, which has a lower accuracy relative to the first sensor 102 for determining the orientation to the axis of rotation, whereby the system can be designed inexpensively.
  • the first sensor 102 may have an accuracy of 0.01 "/ hour or better, while the second sensor may provide only an accuracy of 1 ° / hour, for example.
  • a mechanically coupled structure 101 which is monitored by the system according to the invention or the method according to the invention, can be a structure in which it is important to find out whether the orientation of individual parts to one another changes, for example a building, a bridge, a ship , an airplane or a machine. While it is important for the structures mentioned to reliably detect any movement relative to one another in order to detect damage, for example after earthquakes, mechanically coupled structures are also known in which parts may move in certain permitted directions relative to one another. For example, in a wind turbine, the rotor may rotate in relation to the stator. However, an imbalance of the rotor, which has an effect in an additional linear component of movement of the rotor, should be detected, so that the wind turbine can be repaired if necessary. Even parts of the earth's surface (eg mountain slopes, but also contiguous parts of the earth's crust) can be considered as a mechanically coupled structure.
  • the earth's surface eg mountain slopes, but also contiguous parts of the earth's crust
  • Fig. 3 the flow of a method according to the invention is schematically outlined.
  • a first step S300 the orientation of the first sensor 102 relative to the axis of rotation 202 of the earth is determined.
  • the orientation is transmitted to the CPU 106 in a step S302.
  • the rate of rotation or acceleration of the second sensor 104 is determined in a step S304, wherein at least one second sensor 104 is in a known first orientation to the first sensor 102 when the system 100 is started up.
  • the measured rate of rotation or acceleration of the at least one second sensor 104 is transmitted to the central unit 106.
  • a step S308 below is a monitoring value from the transmitted orientation of the first sensor 102 and the rate of rotation or acceleration of generates at least one second sensor 104 which is used to monitor the mechanically coupled structure 101.
  • two or more yaw rate sensors 102, 402 based on the Sagnac effect, the Coriolis effect, and the inertial effect with different resolving powers and their relative relationship to each other may change states (e.g. Deformations) of a total mechanical structure 403 or portions of the mechanically coupled structure relative to one another.
  • the high-resolution first sensor 102 also called the central sensor or master, establishes the external reference to the earth rotation vector 202 of the earth 200 as a fixed reference, while simpler (low-precision) sensors 402 or slaves only detect the local reference to the master 102 as a function of time , The sufficient sensitivity of the slaves is used for rotational measurements.
  • the poorer sensitivity for the orientation of the slaves relative to the position of the axis of rotation axis 202 then no longer plays a role. This makes it possible to transfer the different properties of the individual sensors (eg the absolute reference of the Sagnac effect to the Coriolis effect sensor or inertia effect sensor).
  • the central unit 106 is not shown, it could be connected to the sensors 102, 402 shown for transmitting the measurement results, or for example also be accommodated with the first sensor 102 (or one of the second sensors 402) in a common housing.
  • building loads or building damage can be determined by means of deformations caused, for example, by earthquakes.
  • Deformation of the structure provides a primary measurement signal, precedes damage, and may be used for the quantitative ad hoc assessment of the damage potential of a load.
  • the first sensor 102 and the plurality of second sensors 402 are fixedly connected to the building fabric 403. Since the first sensor 102 can detect rotations absolutely on the basis of the Sagnac effect, the orientation of the building relative to the axis of rotation 202 of the earth 200 is automatically determined before, during and after an earthquake in real time. This allows the determination of the orientation change of a building, without relying on local references, which could have changed by the action of a force, such as an earthquake or the like.
  • another hybrid sensor system 500 can be constructed, which consists of two or more yaw rate sensors 102, 402, 504 on the basis of the Sagnac effect, the Coriolis effect and the inertial effect with different resolving power and their relative relation to each other is constructed.
  • changes in the arrangement of parts of a completely or partially movable mechanical structure or of parts 502, 506 of a completely or partially movable mechanically coupled structure relative to one another are detected.
  • the high resolution central sensor 102 master establishes the external reference to earth rotation axis 202 of the earth 200 as a fixed reference, while the simpler sensors 402, 504 dynamically sense the local reference to the master 102 as a function of time.
  • the measuring method can be used as an inert measurement method for the relative movement of different mechanically coupled structures 502, 506 (eg machine parts) with movable components relative to one another, even if no optical, electrical or rigid mechanical connection can be established between these parts ,
  • the different properties of the individual sensors 102, 402, 504 can be transferred to one another (eg absolute reference of the Sagnac effect on Coriolis effect sensor and inertia effect sensor).
  • the system is applicable to the investigation of unauthorized movements in a system in which parts of a mechanical structure may move in relation to each other in a predetermined frame to each other (allowed movement).
  • another hybrid sensor system 600 may be provided, which has at least one yaw rate sensor 102 on the basis of the Sagnac effect, the Coriolis effect and the inertia effect and at least one accelerometer 604 (in FIG. 6 three such accelerometer 604 are shown). wherein the sensors 102, 604 are fastened together to a mechanically coupled structure or on the earth surface 602 and thus soil or structural properties (tomography, exploration) can be determined.
  • the relationship is exploited in that the measured rate of rotation ⁇ and the transverse acceleration a of an excitation signal (eg an earthquake wave) are in phase in a homogeneous medium and the proportionality of these independently detected signals corresponds to the phase velocity c as in equation (1) shown:
  • the phase velocity c (an apparent phase velocity in a heterogeneous medium as the ratio of the rate of rotation ⁇ and acceleration a) changes significantly with the nature of the soil (for example, granite has a specific phase velocity) Exploration can take place. Thus it can be searched for deposits with a portable device or can be done by a permanently installed network of sensors an evaluation of the time dependence.
  • the first sensor or master sensor 102 and the second or secondary sensors 104 are connected and communicate bidirectionally on the basis of a self-organized network. This reduces the required transmit power per sensor and facilitates the enlargement / reduction of the network, since no user intervention is necessary.
  • the first sensor 102 is connected to the central unit 106.
  • the first method can be used for all types of rotation sensors, including those that are not able to resolve the Erdmosrate as a reference measured value signal because of their limited accuracy.
  • the second method in this case significantly increases the integrity of the self-calibration method, as a plausibility check is in line with the actual circumstances in the spatial proximity of the single slave sensor via current measurement data of the master sensor is carried out.
  • the central unit 106 with the first sensor 102 or one of the second sensors 104 is housed together in a housing.
  • a time reference can be produced by using a clock as a time measuring device 702, 704 at the individual sensor 102, 104 or by a via the radio connection with a guaranteed low latency (specification of the transmission protocol), the time assignment (per clock) to the central unit 106 can be made for each individual sensor 102, 104.
  • the time reference is used, for example, to obtain a chronological sequence of events and to correlate the measurement results determined at different points in time. This will help identify the spread of damage over time and provide additional information about the integrity of the system. For example, in the case of a progressive propagation of a displacement of the parts of a mechanically coupled structure 101, it can be assumed that all the sensors 102, 104 connected to the mechanically coupled structure 101 are orientated. experience changes in an expected timing, which depends on the respective position of the sensors 102, 104. If individual sensors 102, 104 deviate from the time dependence of the orientation or acceleration deviating therefrom, this can be assumed to be a faulty measurement.
  • a process is illustrated in a flowchart in which, in a step 800, a structural change of the mechanically coupled structure 101, for example, is effected. B. is done by an earthquake.
  • a step 802 a rotation rate change, a rotation angle change (deflection), an acceleration change or an orientation change, which is read out via the first sensor 102 in a step S804.
  • the comparison of the measured value with a setpoint value takes place from a configuration file.
  • a readout of the second sensors 104 which are arranged, for example, in a sensor array, takes place.
  • a determination of time-dependent frequency spectra can also be made from the time sequence of the transmitted first and second measurement results. Since it is possible to obtain time-accurate measurement series of all first and second sensors 102, 104, these time-dependent frequency spectra can be generated, which characterize the mechanically coupled structure, and changes in these frequency spectra can be deduced from changes or damage in the mechanically coupled structures. Such functionality can serve as an early warning function.
  • a change in the rotation rate and optionally an acceleration are then determined.
  • the changes between the first sensor 102 and the second sensor 104 are calculated, whereby, for example, deformations can be detected.
  • the integrity of the data is checked to avoid erroneous measurements. For safety-relevant states, an alarm function is initiated.
  • a log file is subsequently created and data can also be transmitted to a control point or an early warning function can be triggered.
  • the master sensor 102 is read out again in step S804 and the monitoring of the mechanically coupled structure 101 takes place again.

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Abstract

Es wird ein System und ein Verfahren zur Überwachung einer mechanisch gekoppelten Struktur (101, 403, 502, 506, 602) vorgestellt mit einem ersten Sensor (102), der ausgebildet ist, um seine Orientierung relativ zur Erdrotationsachse (202) zu vorgegebenen Zeitpunkten als erstes Messergebnis zu bestimmen, wobei der erste Sensor (102) mit einem ersten Teil der mechanisch gekoppelten Struktur (101, 403, 502, 506, 602) verbindbar ist, mit mindestens einem zweiten Sensor (104, 402, 504, 604), der bei Inbetriebnahme des Systems in einer bekannten ersten Orientierung zum ersten Sensor (102) steht und dazu ausgebildet ist eine Drehrate oder eine Beschleunigung als zweites Messergebnis zu ermitteln, wobei der mindestens eine zweite Sensor (104, 402, 504, 604) mit einem zweiten Teil der mechanische gekoppelten Struktur (101, 403, 502, 506, 602) verbindbar ist, mit einer Zentraleinheit ( 106), und mit einem Kommunikationsnetzwerk (108), über das die Zentraleinheit (106) mit dem ersten Sensor (102) und dem zweiten Sensor (104, 402, 504, 604) verbunden ist, wobei der erste Sensor (102) dazu ausgebildet ist, die ersten Messergebnisse an die Zentraleinheit (106) zu übertragen, der zweite Sensor (104, 402, 504, 604) dazu ausgebildet ist die zweiten Messergebnisse an die Zentraleinheit (106) zu übertragen und die Zentraleinheit (106) dazu ausgebildet ist, mithilfe der ersten und zweiten Messergebnisse die mechanisch gekoppelte Struktur (101, 403, 502, 506, 602) zu überwachen.

Description

Beschreibung
SYSTEM UND VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG VON MECHANISCH GEKOPPELTEN STRUKTUREN
Die Erfindung betrifft ein System zur Überwachung einer mechanisch gekoppelten Struktur sowie ein derartiges Verfahren.
Es sind Sensoren - beispielsweise auf der Basis des Sagnac-Effekts - bekannt, die Rotationen absolut bestimmen und sich somit für die Registrierung des dynamischen Verhaltens von ausgedehnten mechanisch gekoppelten Strukturen unter dem Einfluss externer Kräfte unabhängig von lokalen Bezugssystemen eignen. Aufgrund der unvermeidlichen Drift in diesen Sensoren ist der Frequenzbereich allerdings nach unten hin begrenzt.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein System und ein Verfahren zur Überwa- chung von mechanisch gekoppelten Strukturen anzugeben, mit denen die Beobachtungen von zeitlichen Abläufen des Verhaltens von mechanisch gekoppelten Strukturen möglich sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 zur Verfügung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Systems bzw. des Verfahrens sind in den Unteransprüchen geschildert.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems bei Überwa- chung einer mechanisch gekoppelten Struktur gemäß einem
Ausführungsbeispiel; eine schematische Darstellung zur Bestimmung der Orientierung des Sensors zur Erdrotationsachse; eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels; Fig. 4 ein System zur Überwachung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
Fig. 5 den schematischen Aufbau eines System gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
Fig. 6 den schematischen Aufbau eines Systems gemäß eine
ren Ausführungsbeispiels;
Fig. 7 den schematischen Aufbau eines Systems gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels; und
Fig. 8 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
In den Figuren sind einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilgruppen mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. In Fig. 1 ist ein System 100 zur Überwachung einer mechanisch gekoppelten Struktur 101 dargestellt mit einem ersten Sensor 102, der ausgebildet ist, um seine Orientierung relativ zur Erdrotationsachse zu vorgegebenen Zeitpunkten als ein erstes Messergebnis zu bestimmen, wobei der erste Sensor 102 mit einem ersten Teil der mechanisch gekoppelten Struktur verbindbar ist. Darüber hinaus ist mindestens ein zweiter Sensor 104 vorgesehen, der bei Inbetriebnahme des Systems 100 in einer bekannten ersten Orientierung zum ersten Sensor 102 steht und dazu ausgebildet ist, eine Drehrate und / oder eine Beschleunigung als zweites Messergebnis zu ermitteln . Dabei ist der mindestens eine zweite Sensor 104 mit einem zweiten Teil der mechanisch gekoppelten Struktur verbindbar. Darüber hinaus ist eine Zentraleinheit 106 vorgesehen sowie ein Kommunikationsnetzwerk 108, über das die Zentraleinheit 106 mit dem ersten Sensor 102 und dem zweiten Sensor 104 verbunden ist. Der erste Sensor 102 ist dabei so ausgebildet, dass die ersten Messergebnisse an die Zentraleinheit 106 übertragen werden und der zweite Sensor 104 ist so ausgebildet, dass die zweiten Messergebnisse an die Zentral - einheit 106 übertragen werden. Die Zentraleinheit 106 ist dazu ausgebildet, mit Hilfe der ersten und zweiten Messergebnisse die mechanisch gekoppelte Struktur 101 zu überwachen. Der erste Sensor 102 kann dabei beispielsweise als Sagnac-Sensor oder als Corio- lis-Sensor ausgebildet sein. Beide Sensortypen sind in der Lage, über den Sagnac- Effekt bzw. den Coriolis-Effekt ihre Orientierung relativ zur Erdrotationsachse zu bestimmen.
Das Kommunikationsnetzwerk 108 kann dabei drahtlos oder drahtgebunden ausgebildet sein. Optische Kommunikation über Lichtleitkabel oder über Freiraumausbreitung ist dabei ebenso möglich wie elektrische oder elektromagnetische Kommunikation. Dabei können beliebige Kommunikationswege zwischen den Sensoren 102 , 104 und der Zentraleinheit 106 vorstellbar sein. Beispielsweise könnte als ein besonders einfach zu implementierender Kommunikationsweg nur jeweils eine direkte unidirektionale Kommunikation zwischen den einzelnen Sensoren 102, 104 und der Zentraleinheit 106 möglich sein. Aber auch komplexere Kommunikationswege wie eine bidirektionale Kommunikation zwischen den ein- zelnen Sensoren 102 , 104 sowie jeweils zwischen den Sensoren 102 , 104 und der Zentraleinheit 106 sind möglich.
Gegebenenfalls kann das System durch das Vorsehen von nicht dargestellter GNSS (Global Navigation Satellite System)-Sensorik wie beispielsweise GPS (Glo- bal Positioning System), Galileo oder Glonass in den Sensoren 102, 104 weiter verbessert werden, da dadurch eine Messung der absoluten Position der Sensoren 102, 104 ermöglicht wird. Außerdem lassen sich bei fester Verbindung von Antennen des GNSS zu den Sensoren 102 , 104 durch die Messergebnisse der Sensoren 102, 104 Rückschlüsse auf Rotationen der Antennen (Neigung oder Torsion) des GNSS ziehen, was durch die Satellitennavigation alleine nicht ohne Weiteres möglich wäre . Die Antennen des GNSS können auch zur Bestimmung von Translationen herangezogen werden.
In Fig. 2 ist schematisch dargestellt, wie sich der erste Sensor 102 auf der Erd- Oberfläche 200 in einem bestimmten Winkel θ zur Erdrotationsachse 202 befindet.
Durch das erfindungsgemäße System sind Langzeitbeobachtungen an mechanisch gekoppelten Strukturen möglich durch Vergleich der Messergebnisse mit dem Betrag der Projektion der bekannten und konstanten Erddrehrate auf die empfindli- che Sensorachse eines Sensors 102, 104. Der Bezug zur Erddrehachse 202 liefert gleichzeitig ein Kriterium für die Vermeidung einer Fehlmessung (Fehlalarm), da das Messergebnis immer zur Erddrehrate korreliert ist. Ist das nicht der Fall, liegt in der Regel eine Fehimessung vor. Durch die feste Referenz zur Erdrotationsachse 202 der ersten Sensors 102 lässt sich eine Langzeitdrift herausfiltern, womit auch Langzeitmessungen möglich sind, wie beispielsweise zur Detektion von Hangrutschungen, Bausetzungen usw.
Der zweite Sensor 104 kann dabei als Rotationssensor ausgebildet sein, der eine gegenüber dem ersten Sensor 102 geringere Genauigkeit für die Bestimmung der Orientierung zur Erdrotationsachse aufweist, wodurch das System preisgünstig ausgestaltet sein kann. Der erste Sensor 102 kann beispielsweise eine Genauigkeit von 0,01 "/ Stunde oder besser aufweisen , während der zweite Sensor beispielsweise nur eine Genauigkeit von 1 °/ Stunde gewährleistet.
Eine mechanisch gekoppelte Struktur 101 , die mit dem erfindungsgemäßen System beziehungsweise dem erfindungsgemäßen Verfahren überwacht wird, kann dabei eine Struktur sein, bei der es wichtig ist herauszufinden, ob sich die Orientierung von einzelnen Teilen zueinander ändert, beispielsweise ein Gebäude, eine Brücke, ein Schiff, ein Flugzeug oder eine Maschine . Während es bei den genannten Strukturen darauf ankommt, jegliche Bewegung zueinander verlässlich zu de- tektieren, um Schäden - beispielsweise nach Erdbeben - zu ermitteln, sind auch mechanisch gekoppelte Strukturen bekannt, bei denen sich Teile in bestimmten erlaubten Richtungen zueinander bewegen dürfen. Beispielsweise darf sich bei einer Windkraftanlage der Rotor in Beziehung zum Stator eine Rotationsbewegung ausführen. Eine Unwucht des Rotors, die sich in einer zusätzlichen linearen Bewegungskomponente des Rotors auswirkt, sollte allerdings detektiert werden, damit die Windkraftanlage ggf. repariert werden kann. Auch Teile der Erdoberfläche (beispielsweise Berghänge, aber auch zusammenhängende Teile der Erdkruste) können als mechanisch gekoppelte Struktur aufgefasst werden.
In Fig. 3 ist schematisch der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens skizziert. Dabei wird in einem ersten Schritt S300 die Orientierung des ersten Sensors 102 relativ zur Erdrotationsachse 202 bestimmt.
Anschließend wird die Orientierung an die Zentraleinheit 106 in einem Schritt S302 übertragen. Mit Hilfe des zweiten Sensors 104 wird in einem Schritt S304 die Drehrate oder Beschleunigung des zweiten Sensors 104 ermittelt, wobei bei Inbetriebnahme des Systems 100 der mindestens eine zweite Sensor 104 in einer bekannten ersten Orientierung zum ersten Sensor 102 steht. Anschließend wird in einem Schritt S306 die gemessene Drehrate oder Beschleunigung vom mindesten s einen zweiten Sensor 104 an die Zentraleinheit 106 übermittelt. In einem Schritt S308 wird nachfolgend ein Überwachungswert aus der übermittelten Orientierung des ersten Sensors 102 sowie der Drehrate oder Beschleunigung des mindestens einen zweiten Sensors 104 generiert, der benutzt wird, um die mechanisch gekoppelte Struktur 101 zu überwachen.
In einem Hybridsensorsystem 400, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, können zwei oder mehrere Drehratensensoren 102 , 402 auf der Basis des Sagnac-Effekts, des Coriolis-Effekts und des Trägheitseffekts mit unterschiedlichem Auflösungsvermögen und deren relativen Bezug zueinander Zustandsänderungen (z. B. Deformationen) einer mechanischen Gesamtstruktur 403 oder von Teilen der mechanisch gekoppelten Struktur relativ zueinander erfassen. Dabei stellt der hoch auflösende erste Sensor 102, auch Zentralsensor oder Master genannt, den externen Bezug zum Erdrotationsvektor 202 der Erde 200 als feste Referenz her, während einfachere (niedergenaue) Sensoren 402 oder Slaves nur den lokalen Bezug zum Master 102 als Funktion der Zeit erfassen. Dabei wird die ausreichende Empfindlichkeit der Slaves für Rotationsmessungen ausgenutzt. Die schlechtere Empfindlichkeit für die Orientierung der Slaves relativ zur Lage der Erdrotationsachse 202 spielt dann keine Rolle mehr. Damit werden die unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Sensoren aufeinander übertragbar (z . B. die absolute Referenz des Sagnac-Effekts auf Coriolis-Effektsensor bzw. Trägheitseffektsensor). Die Zentraleinheit 106 ist nicht dargestellt, sie könnte mit den gezeigten Sensoren 102, 402 zur Übertragung der Messergebnisse verbunden sein, oder beispielsweise auch mit dem ersten Sensor 102 (oder einem der zweiten Sensoren 402) in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein.
Mit einem solchen System lassen sich beispielsweise Gebäudebelastungen oder Gebäudeschäden über Deformationen ermitteln, die beispielsweise von Erdbeben verursacht wurden. Eine Deformation der Struktur liefert ein primäres Messsignal, geht einer Schädigung voraus und kann zur quantitativen ad hoc Beurteilung des Schädigungspotentials einer Belastung herangezogen werden. In diesem Konzept werden der erste Sensor 102 und die mehreren zweiten Sensoren 402 mit der Bausubstanz 403 fest verbunden . Da der erste Sensor 102 auf der Basis des Sagnac-Effekts Rotationen absolut erfassen kann, wird die Orientierung des Gebäudes relativ zur Rotationsachse 202 der Erde 200 automatisch ermittelt, vor, während und nach einem Erdbeben in Echtzeit. Dies erlaubt die Bestimmung der Orientierungsänderung eines Gebäudes, ohne auf lokale Referenzen angewiesen zu sein, die sich durch Einwirkung einer Kraft, beispielsweise eines Erdbebens oder ähnliches verändert haben könnten.
Gernäß Fig. 5 iässt sich ein weiteres Hybridsensorsystem 500 aufbauen, welches aus zwei oder mehreren Drehratensensoren 102 , 402 , 504 auf der Basis des Sagnac-Effekts, des Coriolis-Effekts und des Trägheitseffekts mit unterschiedlichem Auflösungsvermögen u nd deren relativem Bezug zueinander aufgebaut ist. Dabei werden Veränderungen in der Anordnung von Teilen einer ganz oder teilweise beweglichen mechanischen Gesamtstruktur oder von Teilen 502 , 506 einer ganz oder teilweise beweglichen mechanisch gekoppelten Struktur relativ zueinander erfasst. Dabei stellt der hoch auflösende Zentralsensor 102 (Master) den externen Bezug zur Erdrotationsachse 202 der Erde 200 als feste Referenz her, während die einfacheren Sensoren 402 , 504 den lokalen Bezug zum Master 102 dynamisch als Funktion der Zeit erfassen. Damit ist das Messverfahren als Inerti - almessverfahren für die Relativbewegung von u nterschiedlichen mechanisch ge koppelten Strukturen 502, 506 (z . B . Maschinenteile) mit beweglichen Komponenten relativ zueinander anwendbar, auch wenn keine optische, elektrische oder starre mechanische Verbindung zwischen diesen Teilen herstellbar ist. Damit werden die unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Sensoren 1 02, 402 , 504 auf einander übertragbar (z.B . absolute Referenz des Sagnac-Effekts auf Coriolis- Effektsensor und Trägheitseffekt-Sensor). Damit ist das System anwendbar für die Untersuchung von nicht-erlaubten Bewegungen in einem System , bei dem sich Teile einer mechanischen Struktur zueinander in einem vorgegebenen Rahmen zueinander bewegen dürfen (erlaubte Bewegung).
Gemäß Fig. 6 lässt sich ein weiteres Hybridsensorsystem 600 angeben , welches mindestens einen Drehratensensor 102 auf der Basis des Sagnac- Effekts, des Coriolis-Effekts und des Trägheitseffekts und mindestens einen Beschleunigungsmesser 604 (in Fig. 6 sind drei solche Beschleu nigungsmesser 604 dargestellt) umfasst, wobei die Sensoren 102, 604 gemeinsam an einer mechanisch gekoppelten Struktur oder auf der Erdoberfläche 602 befestigt sind und damit Boden- bzw. Struktureigenschaften (Tomographie, Exploration) ermittelt werden können . Dabei wird die Beziehung au sgenutzt , dass die gemessene Drehrate Ω u nd die transversale Beschleu nigung a eines Anregungssignals (z. B . einer Erdbebenwelle) in einem homogenen Medium gleichphasig ist und die Proportionalität dieser voneinander unabhängig erfassten Signale der Phasengeschwindigkeit c entspricht wie in Gleichung ( 1 ) gezeigt:
Q(x,t) ^ ( 1 )
Die Phasengeschwindigkeit c (eine scheinbare Phasengeschwindigkeit in einem heterogenen Mediu m als Verhältnis der Drehrate Ω und der Beschleu nigung a) ändert sich signifikant mit der Bodenbeschaffenheit (beispielsweise weist Granit eine spezifische Phasengeschwindigkeit auf) , so dass mithilfe dieses Systems eine Exploration erfolgen kann. Somit kann mit einer tragbaren Vorrichtung nach Lagerstätten gesucht werden bzw. kann durch ein fest installiertes Netz an Sensoren eine Auswertung der Zeitabhängigkeit erfolgen. Gemäß der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform des Systems 700 sind der erste Sensor oder Mastersensor 102 und die zweiten bzw. Sekundärsensoren 104 bidirektional auf der Basis eines selbst organisierten Netzes miteinander verbunden und kommunizieren darüber. Dies reduziert die erforderliche Sendeleistung pro Sensor und erleichtert die Vergrößerung/Verkleinerung des Netzes, da keine Nut- zerintervention notwendig ist. Der erste Sensor 102 ist dabei mit der Zentraleinheit 106 verbunden. Diese sorgt für die Datennutzung und Interpretation wichtigen Funktionen wie den Empfang der Sensordaten, eine Ermittlung der Zeit ("time stamping") (GPS, Funkuhr oder ähnliches), Steuerung der Sensoren (z. B. Ein- Ausschalten, Bereichsumschaltung), eine Auswertung (z. B . finite Differenzen, Phasenbeziehung, Richtungsbestimmung, Schwellwert-Detektion , Rauschbefreiung, Sensorintegritätsüberprüfung, Driftkorrektur) und gegebenenfalls eine Alarmierung bei Grenzwertüberschreitung in Frühwarnanwendungen. Bei einer von den Sensoren 102 , 104 gemessenen und in der Zentraleinheit 106 erkannten Deformation der mechanisch gekoppelten Struktur 101 kann durch eine finite Diffe- renzbildung die Integrität der Sensoren 102, 104 sichergestellt und der Grad der Deformation ermittelt werden.
Sofern sich die Slave-Sensoren tatsächlich nicht aus ihrer ursprünglichen Lage /Ausrichtung bewegt haben, lassen sich deren inertiale Messdaten, die mit der Zeit immer ungenauer werden, rekalibrieren.
Dies kann erfolgen einerseits durch exakte Einmessung der Lage/Ausrichtung und ggf. Position der Sensoren relativ zur Erddrehachse zu Beginn der Inbetriebnahme und Abspeicherung der gemittelten, dann aktuell angezeigten Einzelmesswerte zum Zeitpunkt t0, andererseits durch Abgleich der Messwerte nach einer fortgeschrittenen Zeit t, (beispielsweise nach einem vorgegebenen Zeitintervall nach Inbetriebnahme des Systems, gegebenenfalls nach bestimmten Zeitintervallen wiederholend) mit den Messwerten des Master-Sensors, der aufgrund seiner höheren Genauigkeit kleinere Messfehler über die Zeit erzeugt. Das erste Verfahren kann eingesetzt werden für alle Arten von Rotationssensoren, also auch solchen, die wegen ihrer begrenzten Genauigkeit nicht selbst in der Lage sind, die Erddrehrate als Referenzmesswertsignal aufzulösen. Das zweite Verfahren erhöht in diesem Fall die Integrität der Selbstkalibrierungsmethode erheblich, da ein Plausibilitätscheck mit den tatsächlichen Gegebenheiten in der räumlichen Nähe des Einzelslave-Sensors über aktuelle Messdaten des Master- Sensors erfolgt.
Es ist zu berücksichtigen, dass für eine erfolgreiche Selbstkalibration kein Ereignis eingetreten sein sollte, dass den Slave-Sensor aus seiner ursprünglichen Ausrichtung/ Lage verändert hat. Diese Information kann in realistischen Fällen (Erdbeben, schlagartige Veränderung der Lage) zumeist direkt aus den Daten des Slave-Sensors gewonnen werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Selbstkalibration der Slave-Sensoren, die selbst die Fähigkeit besitzen, die Erddrehrate als Referenzsignal in hinreichender Genauigkeit vermessen zu können. Dann kann der Slave-Sensor selbstständig bei Überschreiten einer Toleranzgrenze der Driftwerte über der Zeit eine Selbstkalibration gegen die ursprünglichen Werte der Erddrehratenmessung initiieren . So würde es auch der Master-Sensor nach einer längeren Zeitdauer durchführen müssen, um stabile Driftwerte über sehr lange Zeiträume aufrechtzuerhalten.
Hier kann der Vergleich zu den aktuellen Master-Messwerten wiederum die Integrität der Methode erheblich erhöhen.
Wie bereits geschildert, ist es auch möglich, dass die Zentraleinheit 106 mit dem ersten Sensor 102 oder auch einem der zweiten Sensoren 104 zusammen in einem Gehäuse untergebracht ist.
Ein Zeitbezug kann dabei durch eine Verwendung einer Uhr als Zeitmesseinrichtung 702, 704 am einzelnen Sensor 102, 104 oder auch durch eine über die Funkverbindung mit einer garantiert geringen Latenzzeit hergestellt werden (Spezifikation des Übertragungsprotokolls), wobei die Zeitzuordnung (per Uhr) an der Zentraleinheit 106 für jeden Einzelsensor 102, 104 erfolgen kann.
Der Zeitbezug wird beispielsweise dafür benutzt einen zeitlichen Ablauf der Vorgänge zu erhalten und die zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelten Messergebnisse miteinander in Beziehung zu setzen. So lässt sich die Ausbreitung von Schäden über die Zeit ermitteln und darüber hinaus können weitere Aussagen über die Integrität des Systems getroffen werden. Beispielsweise kann im Fall einer fortschreitenden Ausbreitung einer Verschiebung der Teile einer mechanisch gekoppelten Struktur 101 davon ausgegangen werden, dass alle mit der mechanisch gekoppelten Struktur 101 verbundenen Sensoren 102, 104 die Orientie- rungs- bzw. Beschleunigungsänderungen in einem erwarteten Zeitablauf erfahren, der von der jeweiligen Position der Sensoren 102, 104 abhängt. Messen einzelne Sensoren 102, 104 eine davon abweichende Zeitabhängigkeit der Orientierung bzw. Beschleunigung, kann von einer Fehlmessung ausgegangen werden.
Gemäß Fig. 8 wird in einem Ablaufdiagramm ein Prozess dargestellt, bei dem in einem Schritt 800 eine Strukturveränderung der mechanisch gekoppelten Struktur 101 z . B. durch ein Erdbeben erfolgt. In einem Schritt 802 ergibt sich eine Drehratenänderung, eine Drehwinkeländerung (Auslenkung), eine Beschleuni- gungsänderung oder eine Orientierungsänderung, die in einem Schritt S804 über den ersten Sensor 102 ausgelesen wird. Anschließend erfolgt in einem Schritt S806 der Vergleich des gemessenen Wertes mit einem Sollwert aus einer Konfigurationsdatei. Gegebenenfalls wird in einem Schritt S808 eine Auslesung der zweiten Sensoren 104 erfolgen , die beispielsweise in einem Sensorarray angeordnet sind. In einem Schritt S810 wird anschließend eine Signalverarbeitung vorgenommen, beispielsweise eine Filterung oder Rauschminderung bzw. Driftreduktion. Im Rahmen der Signalverarbeitung kann auch eine Bestimmung von zeitabhängigen Frequenzspektren aus dem zeitlichen Ablauf der übertragenen ersten und zweiten Messergebnisse erfolgen. Da es möglich ist zeitgenaue Messreihen aller ersten und zweiten Sensoren 102, 104 zur erhalten, können diese zeitabhängigen Frequenzspektren erstellt werden, die die mechanisch gekoppelte Struktur charakterisieren und aus Veränderungen in diesen Frequenzspektren kann auf Veränderungen bzw. Schäden in den mechanisch gekoppelten Strukturen geschlossen werden. Eine solche Funktionalität kann als Frühwarnfunktion dienen.
In einem folgenden Schritt S812 werden dann eine Veränderung der Drehrate und gegebenenfalls eine Beschleunigung bestimmt. Durch einen Vergleich mit einem Mastersensor 102 in einem Schritt S8 14 werden die Veränderungen zwischen dem ersten Sensor 102 und dem zweiten Sensor 104 berechnet, wodurch beispielswei- se Deformationen erkannt werden können. Darüber hinaus wird die Integrität der Daten überprüft, um Fehlmessungen zu vermeiden. Bei sicherheitsrelevanten Zu ständen wird eine Alarmfunktion initiiert. In einem Schritt S816 wird anschließend eine Protokolldatei erstellt und es können auch an eine Kontrollstelle Daten übertragen werden bzw. eine Frühwarnfunktion ausgelöst werden. Anschließend wird erneut der Mastersensor 102 im Schritt S804 ausgelesen und die Überwachung der mechanisch gekoppelten Struktur 101 erfolgt erneut.

Claims

Patentansprüche
1 . System zur Überwachung einer mechanisch gekoppelten Struktur ( 101 , 403, 502 , 506, 602) mit
einem ersten Sensor ( 102), der ausgebildet ist, um seine Orientierung relativ zur Erdrotationsachse (202) zu vorgegebenen Zeitpunkten als erstes Messer- gebnis zu bestimmen, wobei der erste Sensor ( 102) mit einem ersten Teil der mechanisch gekoppelten Struktur ( 101 , 403, 502, 506, 602 ) verbindbar ist,
mindestens einem zweiten Sensor ( 104, 402, 504, 604), der bei Inbetriebnahme des Systems in einer bekannten ersten Orientierung zum ersten Sensor ( 102) steht und dazu ausgebildet ist eine Drehrate oder eine Beschleunigung als zweites Messergebnis zu ermitteln, wobei der mindestens eine zweite Sensor ( 104, 402, 504, 604) mit einem zweiten Teil der mechanische gekoppelten Struktur ( 101 , 403 , 502 , 506, 602) verbindbar ist,
einer Zentraleinheit ( 106), und
einem Kommunikationsnetzwerk ( 108), über das die Zentraleinheit ( 106) mit dem ersten Sensor ( 102) und dem zweiten Sensor ( 104, 402, 504, 604) verbunden ist,
wobei der erste Sensor ( 102) dazu ausgebildet ist, die ersten Messergebnisse an die Zentraleinheit ( 106) zu übertragen, der zweite Sensor ( 104, 402 , 504, 604) dazu ausgebildet ist die zweiten Messergebnisse an die Zentraleinheit ( 106) zu übertragen und die Zentraleinheit ( 106) dazu ausgebildet ist, mithilfe der ersten und zweiten Messergebnisse die mechanisch gekoppelte Struktur ( 101 , 403, 502, 506, 602) zu überwachen.
2. System nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mindestens eine zweite Sensor ( 104, 402, 504, 604) als Rotationssensor ausgebildet ist, der eine gegenüber dem ersten Sensor ( 102) geringere Genauigkeit für die Bestimmung der Orientierung zur Erdrotationsachse (202) aufweist.
3. System nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Sensor ( 102) und der zweite Sensor ( 104, 402, 504, 604) eine Zeitmesseinrichtung (702, 704) umfassen und die ersten und zweiten Messergebnisse zusammen mit den Zeitpunkten , zu denen die Messergebnisse aufgenommen wurden, an die Zentraleinheit ( 106) übertragen und
dass die Zentraleinheit ( 106) dazu ausgebildet ist, aus den übertragenen Messergebnissen und den übertragenen Zeitpunkten einen zeitlichen Verlauf der Orientierung des ersten Sensors ( 102) und des zweiten Sensors ( 104, 402 , 504, 604) zueinander zu ermitteln.
4. System nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mindestens eine zweite Sensor ( 104, 402, 504, 604) als Beschleunigungssensor ausgebildet ist.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Sensor ( 102) und der mindestens eine zweite Sensor ( 104, 402, 504, 604) an der zu überwachenden mechanisch gekoppelten Struktur ( 101 , 403, 502, 506, 602) an unterschiedlichen Positionen befestigt sind.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kommunikationsnetzwerk ( 108) zur bidirektionalen direkten Kommunikation zwischen den Sensoren ( 102 , 104, 402 , 504, 604) ausgebildet ist.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Sensor ( 104, 402 , 504, 604) dazu ausgebildet ist nach einem vorgegebenen Zeitintervall nach der Inbetriebnahme des Systems auf der Basis der Messergebnisse des ersten Sensors ( 102) rekalibriert zu werden.
8. Verfahren zur Überwachung von mechanisch gekoppelten Strukturen ( 101 , 403, 502 , 506, 602) mit folgenden Schritten:
Bestimmen der Orientierung eines ersten Sensors ( 102) relativ zur Erdrotationsachse (202) mithilfe des Sensors ( 102) zu vorgegebenen Zeitpunkten als ers- tes Messergebnis,
Übertragen des ersten Messergebnisses an eine Zentraleinheit ( 106), Ermitteln einer Drehrate oder Beschleunigung mindestens eines zweiten Sensors ( 104, 402, 504, 604), der bei Inbetriebnahme des Systems in einer bekannten ersten Orientierung zum ersten Sensor ( 102) steht als zweites Messer- gebnis,
Übertragen des zweiten Messergebnisses an die Zentraleinheit ( 106), Generieren eines Überwachungswertes aus dem ersten und dem zweiten Messergebnis.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Sensor ( 104, 402 , 504, 604) seine Orientierungsänderung unabhängig von der übertragenen Orientierung des ersten Sensors ( 102) misst und mittels der übertragenen Orientierung des ersten Sensors ( 102) eine Veränderu ng der Lage des zweiten Sensors ( 104, 402, 504, 604) zur Lage des ersten Sensors ( 102) ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Sensor ( 102) und der zweite Sensor ( 104, 402, 504, 604) jeweils an unterschiedlichen Teilen einer mechanisch gekoppelten Struktur ( 101 , 403, 602) befestigt werden, wobei die unterschiedlichen Teile zueinander unbeweglich mechanisch gekoppelt sind .
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Sensor ( 102) und der zweite Sensor (504) jeweils an unterschiedlichen Teilen (502, 506) einer mechanisch gekoppelten Struktur (502 , 506) befestigt werden, wobei die unterschiedlichen Teile (502, 506) zueinander beweglich mechanisch gekoppelt sind,
die jeweils unterschiedlichen Teile (502 , 506) durch die mechanische Kopplung zueinander erlaubte Bewegungen ausführen können und
die der von der Zentraleinheit ( 106) ermittelte Überwachungswert angibt, ob eine der erlaubten oder eine unerlaubte Bewegung zwischen den unterschiedlichen Teilen (502, 506) vorliegt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf die mechanisch gekoppelte Struktur ( 101 , 403, 502, 506, 602) von au ßen Schwingungsanregungen aufgeprägt werden ,
der zweite Sensor (604) als Translationssensor ausgebildet wird und aus der gemessenen Orientierung des ersten Sensors ( 102 ) und der gemessenen Beschleunigung des Translationssensors (604) die scheinbare Phasengeschwindig- keit der gemessenen Schwingungen in der mechanisch gekoppelten Struktur ( 101 , 403, 502 , 506, 602 ) ermittelt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zentraleinheit ( 106) eine Fehlmessung detektiert, falls im Messergebnis des ersten Sensors ( 102) nicht die Erddrehrate enthalten ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zentraleinheit ( 106) aus einem zeitlichen Ablauf der übertragenen ersten Messergebnisse und der übertragenen zweiten Messergebnisse zeitabhängige Frequenzspektren ermittelt und aus den Frequenzspektren einen weiteren Überwachungswert generiert.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Sensor ( 104, 402 , 504, 604) nach einem vorgegebenen Zeitintervall nach der Inbetriebnahme des Systems rekalibriert wird.
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JP2016534348A (ja) * 2013-09-02 2016-11-04 ノースロップ グルマン リテフ ゲーエムベーハーＮｏｒｔｈｒｏｐ Ｇｒｕｍｍａｎ ＬＩＴＥＦ ＧｍｂＨ 移動監視システム及び移動監視方法

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