專利名稱：檢測緊急傳感器失效的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明總的涉及燃氣渦輪發(fā)動機，更具體的是，涉及檢測緊急傳感器失效的方法和裝置。
背景技術(shù)：
至少一些公知的燃氣渦輪發(fā)動機包括壓縮機，燃燒室和至少一個渦輪機。壓縮機壓縮空氣，該空氣然后通入到燃燒室。被壓縮的空氣和燃料混合并且在燃燒室內(nèi)被點燃以便產(chǎn)生通入到渦輪機的燃燒氣體。渦輪機從燃燒氣體提取能量以便給壓縮機提供功率，以及產(chǎn)生有用功以便推動航空器飛行或者給諸如發(fā)電機的負載提供功率。
至少一些公知的發(fā)動機還包括用于監(jiān)控與發(fā)動機有關的工作條件的多個傳感器。例如，發(fā)動機可以包括監(jiān)控溫度、壓力、速度、流量、位移和應變的傳感器。在工作期間，傳感器可以暴露于不利的環(huán)境和工作條件，例如溫度極值，振動和燃燒氣體。隨著時間而持續(xù)的暴露在這樣的條件可以引起一些傳感器的過早損壞，這對發(fā)動機和機體的工作產(chǎn)生不利影響。為了促使減少發(fā)動機傳感器的失效率，至少一些公知的燃氣渦輪發(fā)動機包括在特殊應用中的冗余傳感器，和/或用來監(jiān)控傳感器輸出信號的監(jiān)控系統(tǒng)。更具體的，至少一些公知的燃氣渦輪發(fā)動機和傳感器一起工作，這些傳感器在失效之后或根據(jù)預定傳感器值被替換，或者包括這樣的傳感器，這些傳感器根據(jù)固定時間表被替換而與這些安裝的傳感器的工作能力無關。然而，這樣的方法不能提供期望結(jié)果，并且等待傳感器失效而去替換它、或者根據(jù)時間或工作小時時間表來替換工作的傳感器是昂貴的和費時的。

發(fā)明內(nèi)容
一個方面，提供一種檢測處理傳感器的緊急失效的方法。該方法包括確定傳感器輸出噪聲分量，并且根據(jù)傳感器的量程范圍和處理工作條件的至少其中之一來比較輸出噪聲分量和歷史傳感器輸出噪聲特征。
另一個方面，提供一種檢測燃氣渦輪發(fā)動機傳感器的緊急失效的方法。該方法包括對于預定時間周期，采樣傳感器的輸出以得到輸出信號的代表性樣值，確定當前傳感器輸出信號，確定傳感器的量程范圍，確定傳感器輸出噪聲分量，和根據(jù)傳感器的量程范圍和發(fā)動機工作條件的至少其中之一來比較輸出噪聲分量和歷史傳感器輸出噪聲特征。
另一個方面，提供一種包括計算器件的燃氣渦輪發(fā)動機的設備。計算器件包括處理器和與所述處理器通信耦合的存儲器，其中處理器被編程以便執(zhí)行軟件產(chǎn)品代碼段，該軟件產(chǎn)品代碼段包括比較器、數(shù)據(jù)歷史紀錄(data historian)，隔離器模塊和限制模塊，其中計算器件被編程以便利用傳感器的輸出信號噪聲分量來檢測傳感器的緊急失效，以及傳感器檢測與計算器件相關的處理參數(shù)。


圖1是實例性燃氣渦輪發(fā)動機的示意性簡圖；圖2是和圖1中所示的發(fā)動機一起使用的實例性發(fā)動機控制單元(ECU)的方框圖；圖3是可以被圖2所示ECU監(jiān)控的實例性傳感器輸出信號的曲線圖；和圖4是檢測緊急傳感器失效的實例性處理400的流程圖。
具體實施例方式
正如這里所使用的，術(shù)語“傳感器噪聲”被定義為被檢測值與期望值的偏離，其中由于正常信號處理變量或發(fā)動機工作瞬態(tài)，不會引起這樣的偏離，但是實際上因為這樣的因素，造成了包括但不限于傳感器材料的退化、電連接的失效、和/或壓縮空氣管路或檢測線的污染。如這里定義的，傳感器可以包括任何分量，該分量被配置成發(fā)送一個與監(jiān)控參數(shù)成比例的信號給控制和/或顯示分量。而且，盡管這里結(jié)合燃氣渦輪發(fā)動機來描述本發(fā)明，但是應該理解，本發(fā)明可以應用在其它發(fā)動機傳感器和在任何應用中的傳感器。這樣，本發(fā)明的實踐不限于燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)動機傳感器。此外，盡管這里結(jié)合電氣和電子傳感器來描述本發(fā)明，應該理解，本發(fā)明可以應用在氣壓、液壓和任何傳感器。因此，本發(fā)明的實踐不限制于電氣或電子傳感器。
圖1是實例性燃氣渦輪發(fā)動機10的示意性簡圖，該燃氣渦輪發(fā)動機10包括低壓壓縮機12，高壓壓縮機14和燃燒室16。發(fā)動機10還包括高壓渦輪機18，和低壓渦輪機20。壓縮機12和渦輪機20通過第一轉(zhuǎn)子軸24耦合在一起，壓縮機14和渦輪機18通過第二轉(zhuǎn)子軸26耦合在一起。發(fā)動機10包括用于監(jiān)控發(fā)動機10內(nèi)部參數(shù)的多個傳感器28。更具體而言，例如，傳感器28可以被包括在發(fā)動機10內(nèi)，該傳感器28監(jiān)控氣體溫度、氣體壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、燃料流量和定子葉片位置。傳感器類型的例子可以通過僅僅是以例子而不是限制的用在燃氣渦輪發(fā)動機10的傳感器類型給出。在一個實施方案中，發(fā)動機10是可以從General Electric Aircraft Engine，Cincinnati，Ohio買到的GE90發(fā)動機。
在工作中，空氣流過低壓壓縮機12，將被壓縮的空氣從低壓壓縮機12提供給高壓壓縮機14。然后將被壓縮的空氣傳送給燃燒室16，來自燃燒室16的空氣流驅(qū)動渦輪機18和20。傳感器28提供表示所監(jiān)控參數(shù)的信號，該信號被發(fā)送給電子控制(未示出)。
圖2是可以和圖1所示的發(fā)動機10一起使用的實例性發(fā)動機控制單元(ECU)200的數(shù)據(jù)流程圖。ECU200可以是任何適合的計算器件或邏輯器件，包括但不限于通用計算機和/或?qū)Ｓ脝我荒康牡挠嬎闫骷梢园ɑ谄骷膯伟逦⑻幚砥?。ECU200包括監(jiān)控邏輯202和濾波器204。在一個實施方案中，監(jiān)控邏輯202和濾波器204被包含在存儲于ECU200的非易失存儲器內(nèi)的軟件中。ECU200與至少一個傳感器28通信耦合并且遠離于發(fā)動機10被安裝，其中每一個傳感器28與ECU200通信耦合。監(jiān)控邏輯202接收來自安裝在發(fā)動機10上或靠近發(fā)動機10的至少一個傳感器28的輸入信號，該信號表示各種發(fā)動機工作參數(shù)。監(jiān)控邏輯202還接收來自安裝在機體的傳感器28的輸入信號，例如但不限于發(fā)動機功率命令，并且發(fā)送每一個信號的至少一部分給濾波器204。監(jiān)控邏輯202收集傳感器數(shù)據(jù)并且根據(jù)內(nèi)部算法和來自傳感器28的輸出格式化傳感器數(shù)據(jù)使其成為能夠被濾波器204和特征提取器206使用的格式。濾波器204利用從監(jiān)控邏輯202收集的傳感器數(shù)據(jù)提供處理工作條件給數(shù)據(jù)歷史記錄208和限制模塊210。
其中傳感器輸出高于超出量程或者低于超出量程的傳感器失效稱為超出量程失效并且相對容易檢測。量程之內(nèi)失效是這樣的傳感器失效，其中傳感器的輸出保留在正常范圍內(nèi)，但是傳感器的測量是不準確的。量程之內(nèi)失效趨向于跟發(fā)射器本身無關，而是和測量系統(tǒng)的其它部分有關。一些公知的傳感器會經(jīng)歷諸如“軟失效”的失效模式，這在特殊的工作模式期間是傳感器失效，該失效在工作應力減小至較小的應力水平時被回復至正確工作。量程之內(nèi)和軟失效在傳感器輸出信號上顯示了特征化的噪聲特征，其可以在傳感器超出量程失效之前被檢測。ECU200被編程以分析由傳感器28提供的傳感器輸出信號，確定該信號的噪聲分量，給出噪聲分量的歷史趨勢，并保存噪聲分量的可接受偏差范圍。確定的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)通信線或信道211輸出。
特征提取器206訪問監(jiān)控邏輯202的輸出并且確定關于該數(shù)據(jù)的噪聲分量的量度。特征提取器206還產(chǎn)生預知的和觀察的傳感器輸出和噪聲特征的統(tǒng)計分析。
ECU200包括比較器212，數(shù)據(jù)歷史記錄208和隔離器模塊214。歷史記錄208的結(jié)果通過數(shù)據(jù)通信線或信道215與限制模塊210耦合。限制模塊210通過數(shù)據(jù)線或信道217和比較器212進行通信耦合。歷史記錄208的結(jié)果可以用來更新由限制模塊210提供給比較器212的限制。
數(shù)據(jù)歷史記錄208可以存儲用于傳感器28隨時間輸出的噪聲分量特征和特征趨向數(shù)據(jù)，其中可以改變采樣間隔使其適合于每個被監(jiān)控的傳感器的時間常數(shù)或周期。在一個實施方案中，歷史噪聲特征數(shù)據(jù)在用新數(shù)據(jù)改寫之前可以保存在循環(huán)文件(circular file)中持續(xù)一個固定時間周期。歷史數(shù)據(jù)也可以在保存之前被過濾并且可以壓縮。
歷史記錄208包括外推函數(shù)，其將當前特征和歷史數(shù)據(jù)用于預測未來。使用來自限制模塊210的合適的限制以及由歷史記錄208的外推函數(shù)提供給比較器212的預測，比較器212確定任意預測的噪聲特征在未來是否處于可接受限制之外。如果預測的數(shù)據(jù)落入可接受限制之外，則比較器212通過輸出線211輸出報警信號和/或維修信息。
由歷史記錄208產(chǎn)生的預測包括基于傳感器28的當前工作范圍、其它有關傳感器的操作范圍和發(fā)動機工作條件的復雜的信號外推方法。限制模塊210根據(jù)從濾波器204提供的處理工作條件，給比較器212提供噪聲量度的可接受的限制。這些限制可以根據(jù)從歷史記錄208可獲得的歷史趨勢來隨時間更新。
比較器212訪問從特征提取器206提供的實際噪聲量度而不是從限制模塊210提供的噪聲量度限制。比較器212對于存在的超過數(shù)向傳感器輸出緊急失效報警。
根據(jù)由比較器212產(chǎn)生的報警，隔離器214識別說明該超過數(shù)的具體失效類型。在一個實施方案中，該功能是由神經(jīng)網(wǎng)絡執(zhí)行。
神經(jīng)網(wǎng)絡是程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其便于執(zhí)行任務，例如模式識別，數(shù)據(jù)提煉，分類和處理建模。在該實例性實施方案中，神經(jīng)網(wǎng)絡(隔離器)214是在軟件中執(zhí)行而不是通過多個平行的處理器。神經(jīng)網(wǎng)絡(隔離器)214可以用于分離失效至具體類型。
圖3是可以由圖2所示的ECU200監(jiān)控的實例性傳感器輸出信號302的曲線圖300。曲線圖300包括Y軸304，其可以表示由監(jiān)控邏輯302接收的監(jiān)控參數(shù)的幅度。X軸306可以表示獨立時間參數(shù)，在該時間參數(shù)上可以監(jiān)控信號302。信號302包括與由傳感器28所監(jiān)控的處理參數(shù)成比例的信號部分308，該傳感器28包括偏移誤差、漂移誤差、線性誤差和磁滯誤差。信號302還包括噪聲部分310，其由于例如電磁干擾(EMI)拾取、傳感器電子軟失效、傳感器元件退化、和/或?qū)鞲衅?8與被監(jiān)控參數(shù)耦合的失效或間歇耦合而調(diào)制信號部分308。例如，溫度傳感器上的不良耦合可以在被監(jiān)控溫度和在檢測元件處的溫度之間出現(xiàn)局部差。由于傳感器的振動或傳感器或處理元件的溫度膨脹，這樣的不良耦合可以引起在檢測元件處的溫度和被監(jiān)控溫度之間的間歇偏差。
X軸306包括第一周期312，其中信號302表示為從傳感器28輸出的相對恒定的信號。信號302包括恒定幅度的信號部分308和以特征速率變化的噪聲部分310。噪聲部分308變化的特征速率表示特定傳感器在特定位置的唯一信號。X軸306的第二周期314表示由傳感器28監(jiān)控的被監(jiān)控參數(shù)的增加幅度。在該實例性實施方案中，噪聲部分310表示在點316處的振幅提高到振幅318。在替換實施方案中，噪聲部分310也可以提高速率和/或頻率。在點310處的噪聲部分310的振幅的改變可以歸因于在傳感器28的可操作的量程范圍內(nèi)的傳感器工作，其中顯示了在傳感器28中的檢測。當信號302的幅度在從點316處提高到局部最大值320時，噪聲部分310的振幅表示在振幅318處基本保持恒定。在局部最大值320處，信號302的實例性振幅表示在X軸306的第三周期324中降低至局部最小值322。在實例性實施方案中，在局部最小值322處的信號302的幅度表示大于在點316處的信號302的幅度。在X軸306的第四周期326期間，信號302增大至局部最大值328。在周期326期間，噪聲部分310表示振幅以恒定速率增大至振幅330。隨后，在X軸306的第五周期332期間，信號302的幅度降至點334，其中信號302的幅度恢復至基本等于在周期312期間的信號302的幅度。在周期332期間，噪聲部分310的幅度以恒定速率降低至基本等于在周期312期間的噪聲部分的幅度。
曲線圖300示出了傳感器28對變化的處理參數(shù)的實例性響應。噪聲部分310在振幅方面的變化是對傳感器28工作的變化范圍和條件的可能響應。
圖4是用于通過追蹤傳感器輸出信號噪聲來檢測緊急傳感器失效的實例性處理400的流程圖，其可以加入到在ECU200或其它計算機內(nèi)執(zhí)行的計算機程序中。該計算機程序可以是任何適合的編譯或解釋程序，其包括但不限于例如Basic、Java、C、C++或梯形邏輯的語言。在步驟402，可以更新每一個被監(jiān)控的參數(shù)信號以便得到402當前信號值。在預定時間期間從每一個傳感器28中采樣當前信號值，該期間足夠長以便使得信號的噪聲分量特征化。被監(jiān)控信號可以通過直接讀取模擬或離散傳感器來更新。離散或二進制傳感器可以被特征化用于噪聲和/或信號反射，例如可以由于振動和/或脈沖而在開關觸點瞬時閉合時出現(xiàn)。
確定404信號量程范圍以便使得傳感器信號噪聲分量特征化。傳感器28當在輸出量程的不同范圍內(nèi)工作時可以呈現(xiàn)不同噪聲特征。例如，在傳感器高量程范圍比在低量程范圍更大振幅的噪聲分量可以指示傳感器元件緊急失效。傳感器信號噪聲分量被確定406并且與從歷史數(shù)據(jù)庫中得到的歷史噪聲分量比較408。根據(jù)當前傳感器的量程范圍和發(fā)動機工作條件選擇歷史噪聲分量，使得將當前噪聲分量和代表當前工作條件的歷史噪聲特征之間進行比較408。發(fā)動機工作條件可以根據(jù)來自其它發(fā)動機和機體傳感器的輸入而確定。比較408當前噪聲分量與共享類似范圍和工作條件參數(shù)的歷史噪聲分量，這確保比較408有效，其中兩個比較408的信號公用相似潛在的噪聲產(chǎn)生條件。歷史噪聲分量可以推廣或外推到未來中，以便確定預知的噪聲分量，然后該噪聲分量與歷史噪聲分量比較408以便于預知失效的估計時間。然后將當前噪聲分量添加410到歷史數(shù)據(jù)庫中用于將來的比較。
如果比較408在當前噪聲分量和超出預定并可選擇的限制的歷史噪聲分量之間產(chǎn)生差異，則確定412可能的一個失效模式或多個模式。具有已知噪聲分量跡象的失效模式從存檔的失效模式數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫中選擇，該失效模式數(shù)據(jù)跟每一個跡象相關聯(lián)。確定的失效模式可以輸出414給顯示器、計算機、控制器件和/或ECU200的其它模式。
盡管結(jié)合發(fā)動機描述了本發(fā)明，但是在其它應用中也可以使用本發(fā)明?？梢灶A期，本發(fā)明可以應用于任何系統(tǒng)，包括傳感器測試設施，該設施包括遭受失效的傳感器，其中能夠收集和分析傳感器輸出信號。
上述的傳感器失效檢測系統(tǒng)對于確定傳感器的緊急失效是廉價且高可靠的。更具體而言，這里描述的方法和系統(tǒng)便于確定軟失效和可以表示傳感器的未來失效的跡象。此外，上述方法和系統(tǒng)便于在傳統(tǒng)的維修和測試裝置提供報警之前提供緊急傳感器失效的早期報警。結(jié)果是，這里描述的方法和系統(tǒng)有利于以廉價和可靠方式減少維修成本。
上面詳細描述了傳感器失效檢測系統(tǒng)的實例性實施方案。該系統(tǒng)不限制于這里描述的具體實施方案，可以獨立且分離于這里描述的其它元件使用每一個系統(tǒng)的元件。每一個系統(tǒng)元件也可以和其它系統(tǒng)元件結(jié)合使用。
盡管根據(jù)多個具體實施方案已經(jīng)描述了本發(fā)明，但是本領域的技術(shù)人員理解，本發(fā)明也可以利用在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的修改來實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測處理傳感器28的緊急失效的方法400，該傳感器28用于檢測處理系統(tǒng)內(nèi)的處理參數(shù)，所述方法包括確定406傳感器輸出噪聲分量；和根據(jù)傳感器的量程范圍和處理工作條件中的至少一個，比較408輸出噪聲分量和歷史傳感器輸出噪聲特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括確定402當前傳感器輸出信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中確定當前傳感器輸出信號包括確定404傳感器的量程范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括將確定的傳感器噪聲分量添加410到歷史傳感器噪聲特征數(shù)據(jù)庫，其中每一個特征與在采樣特征時候的傳感器的量度和在采樣特征時候的系統(tǒng)工作條件的至少其中一個相關聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括確定412傳感器輸出噪聲分量是否超過與傳感器的歷史輸出噪聲特征有關的預定限制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中確定當前傳感器輸出噪聲分量是否超過預定限制包括使用統(tǒng)計算法來確定傳感器輸出噪聲分量是否超過預定限制。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，還包括確定412超過預定限制的每一個噪聲分量的至少一個相關的傳感器失效模式類型。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，還包括向輸出端發(fā)送414確定的至少一個失效模式類型以便加入到維修時間表中。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中確定至少一個相關傳感器失效模式類型包括根據(jù)傳感器元件失效、傳感器發(fā)射器失效、轉(zhuǎn)換器失效、處理連接失效、引發(fā)的噪聲失效和傳感器環(huán)境失效中的至少其中一個，確定至少一個相關傳感器失效模式類型。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括外推歷史噪聲分量到未來時間內(nèi)；根據(jù)歷史噪聲分量確定預知的噪聲分量；比較預知的噪聲分量和歷史傳感器輸出噪聲特征以便于預知失效的估計時間。
全文摘要
提供一種用于檢測處理傳感器的緊急失效的方法400。所述方法包括確定406傳感器輸出噪聲分量，根據(jù)傳感器的量程范圍和處理工作條件中的至少一個，比較408輸出噪聲分量和歷史傳感器輸出噪聲特征。
文檔編號F02C9/00GK1542424SQ20041000678
公開日2004年11月3日 申請日期2004年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月26日
發(fā)明者R·F·舒斯特, M·J·阿斯拜, M·W·懷斯曼, R F 舒斯特, 懷斯曼, 阿斯拜 申請人:通用電氣公司