用于诊断设备健康的方法 |
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| 申请号 | CN201210481328.0 | 申请日 | 2012-11-23 | 公开(公告)号 | CN103134552A | 公开(公告)日 | 2013-06-05 |
| 申请人 | 通用电气航空系统有限责任公司; | 发明人 | J.P.威尔逊; | ||||
| 摘要 | 本 发明 的名称为用于诊断设备的健康的方法。一种基于由设备发射的 辐射 诊断电气、机械或机电设备的健康的方法，该方法包括建立设备的基线分布图和建立设备的检查分布图，以及将检查分布图与基线分布图进行比较来确定指示设备的健康的差异。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种方法，基于由设备发射的辐射来诊断电气、机械或机电设备的健康，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 用于诊断设备健康的方法背景技术[0001] 电气、机械或机电设备可用于各种产品，包括车辆、用具等。在此类设备上的现有仪器的问题在于：对于可物理地安装和装备以用于监视或分析设备健康的传感器的数量有限制。诸如重量、布线、连接器、安装硬件等的额外复杂性可能限制可收集关于设备的数据的传感器的数量。另外，可能难以处理来自这许多传感器的数据的相关性。发明内容 [0002] 在一个实施例中，一种基于由设备发射的辐射来诊断在电气、机械或机电设备中的健康的方法，包括：至少部分地将设备包围在天线组件中；通过在第一时间检测从天线组件接收的辐射来建立设备的基线分布图并且记录基线分布图；通过在继第一时间之后的第二时间检测从天线组件接收的辐射来建立检查分布图；以及将检查分布图与基线分布图进行比较来确定指示设备的健康的差异。附图说明 [0003] 在附图中：图1为具有包括喷气式发动机的多种设备的飞行器的示意图； 图2为根据包括图1的喷气式发动机的发明的实施例的诊断系统的示意图； 图3为根据发明的实施例的分层诊断工具的示意图； 图4为根据发明的另一个实施例的分层诊断工具的示意图； 图5为图2的诊断系统的一部分和有助于诊断信息的分析的示范性数据库的示意图。 [0004] 部件列表10飞行器 50发射信号 12喷气式发动机 60层压层 14机身 61聚酯膜层 16座舱 62天线层 18机翼组件 63天线层 20系统 64屏蔽层 22通信网络 65屏蔽层 24飞行控制计算机 66第一保护层 30诊断系统 67绝缘体层 32诊断工具 68第二保护层 34信号模块 70分布图数据库 36处理器 72维护数据库 38显示器 74数据库服务器 40包装材料 76处理器 42天线组件 78显示器 44中心线 具体实施方式[0005] 将提供有用的、对在特定设定中的特定设备的简要总结。图1示意性地示出为本公开的实施例提供环境的飞行器10的一部分。在飞行器10中可包括：与机身14耦合的一个或者多个推进或喷气式发动机12，安置在机身14内的座舱16，以及从机身14向外延伸的机翼组件18。另外，使飞行器10能够适当操作的多个系统20可被包括并且可与飞行控制计算机24通过通信网络22可操作地耦合。在诸如喷气式发动机12的设备的生命周期期间，可能期望确定关于喷气式发动机12的信息，包括（以非限制性示例的方式）喷气式发动机12的健康。 [0006] 图2示出适合于确定（诊断和预测）任何设备的健康的诊断系统30，该设备包括（以非限制性示例的方式）可具有一个或者多个辐射源的喷气式发动机12。喷气式发动机12可为全谱辐射的一些部分的源，尤其是来自通过设备中的旋转或往复部件生成的机电干扰的源，该干扰可引起电磁辐射等等。根据发明的实施例，系统30具有诊断工具32、信号模块34、处理器36和显示器38。以下的描述将集中在作为喷气式发动机12之一的特定设备上；然而，要理解的是，本发明性思想可应用于可用于任何相应的环境中的任何合适的电气、机械或机电设备。仅仅出于示范性目的而示出诊断系统30，并且诊断系统30可代表用于诸如喷气式发动机12之类的旋转设备的典型系统。要理解的是，可修改诊断系统30的配置以用于备选的设备。 [0007] 诊断工具32可包括诊断膜或包装材料（wrapper）40，该包装材料40可围绕喷气式发动机12并且具有用于感测喷气式发动机12的健康数据的一个或多个传感器。设想的是，包装材料40可包括薄片，该薄片可至少部分地包围设备并且传感器可包括天线组件42，该天线组件42可包括一个或者多个天线以从设备接收全谱辐射的用户选定的部分。包装材料40的薄片可以是柔性的、刚性的或柔性和刚性的组合。天线组件42可位于包装材料40上或包括在包装材料40中。包装材料40的形状可限定具有中心线44的圆筒，喷气式发动机12可沿着中心线44插入。在示出的实施例中，包装材料40成形为圆筒形，使得它可包围喷气式发动机12，从而允许周围地带（zone）具有相似的天线组件42来标识相似的或不相似的周围辐射区域。设想的是，包装材料40可备选地完全包围喷气式发动机12，并且包装材料40可配置成限定有内部的形状，该内部具有容纳喷气式发动机12的大小。虽然为了描述的便利将包装材料示出为圆筒，但是它可配置成多种不同的形状。包装材料可与喷气式发动机的轮廓一致并且全部或部分包装材料可置于与喷气式发动机接触。 [0008] 虽然已经示出天线组件42为圆筒配置，但是可理解的是，由于各种机械障碍，这个配置可能对一些应用是不能实行的。因此，设想的是，天线组件42可分解成可标识的地带并且此类地带可提供等同的结果。不管地带的数量如何，要理解的是，这些地带的每个离喷气式发动机12的中心线44的径向距离可以相同。在这个也不能实行的情况下，那么信号模块34和/或处理器36可纠正由于距离变化而产生的任何信号强度损失。 [0009] 天线组件42可配置成输出至少一个发射信号，其指示可由在操作期间的喷气式发动机12发射的全谱辐射的至少某一部分。出于清楚性目的，仅在包装材料40的一部分上示出天线组件42，并且可基于待接收的期望辐射的要求来采用任何几何形状。设想的是，天线组件42可设计并且调节至接收具有由喷气式发动机12发射的频率的信号。例如，天线组件42可设计和调节至与喷气式发动机12中的已知发射源相同的频率。 [0010] 同样可设想的是，天线组件42可配置成接收多个频率，并且天线组件42可设计成接收由喷气式发动机12发射的不同频率的多个信号，该多个信号能够通过使用信号模块34选择性地调节为期望的频率或频带宽度。设想的是，天线组件42可包括分形天线。此类分形天线组件42可能非常紧密并且可考虑多频带或宽带，使得它们可配置成接收在包括电磁辐射的全辐射谱的期望的部分中的多个频率。天线组件42可包括多个分形天线组件，该多个分形天线组件在包装材料40上的位置以及频率方面都与来自喷气式发动机12的已知发射源相匹配。 [0011] 不管天线组件42的类型如何，设想的是，天线组件42可包括多个天线组件42的天线阵列，其可按各种方法或方法的组合来配置。例如，天线的每个被配置成接收一个或者多个频率；它们可配置成接收相同的、相似的或不同的频率；天线可位于包装材料周围的不同位置，诸如邻近于全谱辐射源的用户选定的部分，该全谱辐射源以与天线被配置成接收的一个或者多个频率对应的频率进行发射。 [0012] 不管天线组件42的类型如何，天线可以可操作地耦合到信号模块34，并且可将至少一个发射信号输出至信号模块34，该至少一个发射信号指示由喷气式发动机12发射的全谱辐射的至少某一部分。信号模块34可配置成提供从天线组件42发送的发射信号的特定过滤。信号模块34可配置成对天线组件42的站点特定或系统地带特定的输入信号提供特定过滤。信号模块34可包括用于提供所找到频率的定制精度以及过滤的任何合适的模块。设想的是，这种信号模块34可具有对滤波器中断或陷波频率编程的能力。信号模块34也可包括存储器装置（未示出）用于存储过滤的和未过滤的发射信号。处理器36可从这样的存储器装置接收发射信号。处理器36可配置成接收发射信号并且将发射信号转换为人可读的形式。处理器36可以可操作地与显示器38耦合，显示器38可配置成用于显示人可读的形式。虽然处理器36和显示器38已经示出为包括在膝上型电脑中，但是可使用任何合适的处理器36和显示器38，并且处理器36和显示器38可以是物理上分离的设备。设想的是，显示器38可配置成显示发射信号的人可读形式。发射信号50的这样的人可读形式在图2中示意性地示出并且其可采取任何合适的形式。显示器38可具有实时显示和数据存储的能力，虽然这个可能不是系统操作所要求的，但这样的实时数据处理有助于通过数据的图形表示来对操作者进行异常通知。在喷气式发动机12的开发阶段期间这个可能是特别重要的。 [0013] 如图3所示，包装材料40可由多个层形成。例如，包装材料40可包括诸如聚酯膜之类的层压层60。可用柔性印刷过程将天线组件42印刷在这样的层压层60上。以这种方式，包装材料40可包括多层薄片，其中天线组件42设置在一层上以限定天线层62。基于预期设备的物理尺寸和期望的带宽，在天线层62上的天线设计可容易地更新或改变。取决于应用，任何天线或天线组件42的组合可容易地适于包装材料40的层压层60，进行测试并且应用。附加的层压片可增加至包装材料40来创建与不需要的外部信号的屏蔽、隔离极端的温度以及创建可听频率音障。以非限制性示例的方式，可邻近于天线层62包括电屏蔽层64。以附加的非限制性示例的方式，可邻近于天线层62和电屏蔽层64的一个包括第一保护层66。另外，可邻近于天线层62和电屏蔽层64的另一个包括第二保护层68。设想的是，第一和第二保护层66和68可包括聚酯膜，并且电屏蔽层64可包括导电膜或铝片。 [0014] 图4示出用于创建备选诊断工具的备选包装材料40。示出的备选包装材料40包括波状构造以及备选的天线组件42。更具体地，不仅包括聚酯膜层61、电屏蔽层65以及绝缘体层67来制作多层包装材料40，而且天线组件42也包括多个层。更具体地，天线组件42示出为由被聚酯膜层61互相隔开的多个天线层63所形成。可把这样的天线组件42看作压电式天线组件，其在设计上可以是电容性的并且可以以来自上述电感设计的较低频率检测辐射。为了此描述起见，天线组件42可为电感性的或电容性的，并且不限于任何几何形状，使得它们可从传统的天线改变成分形设计。 [0015] 不管天线组件42是电感性的还是电容性的设计；一般地，在操作期间，诊断系统30的诊断工具32可接收来自喷气式发动机12的机电发射。可通过信号模块34过滤或者另外调节此类发射，并且可记录或显示。例如，可以以人可读的形式显示位置相关的频率信息，该形式包括样本数据的标准差以及统计平均值、最小值、最大值。对于在喷气式发动机的寿命中的一个点处或贯穿喷气式发动机12的寿命，可发送发射信号至处理器36用于评估和比较。设想的是，可在处理器36上或在另一个处理器上完成数据的统计处理。这样的处理可允许应用发动机到发动机（engine-to-engine）、机群到机群（fleet-to-fleet）以及车间到车间（shop-to-shop）的趋势分析、诊断和预测应用。设想的是，这样的后处理软件和发射信号到人可读形式的转换以及人可读形式的显示可利用学习来扩展。 [0016] 例如，可使用诊断系统的时候的示例包括例如在生产期间对每个喷气式发动机12的全谱辐射分布图的至少一部分建立基线或设计图时。在喷气式发动机12的寿命周期期间的一个或者多个稍后的时间，诊断系统30也可用来建立检查辐射分布图。为了各种诊断和预测益处，可以以各种方式互相比较基线和检查分布图。 [0017] 同样可设想的是，诊断系统30的一些部分可集成至喷气式发动机12并且可通过诊断系统30的其余部分被插入以用于定期的检查。另外，可提供诊断系统30的服务中版本，并且这样的服务中版本可比较实时分布图并且通过无线系统（未示出）传送故障报告，从而可将在喷气式发动机12的损害恶化之前的改变趋势通知给飞行器10的维护者。 [0018] 因此，根据本发明的一个实施例，上述的诊断系统30可用来实现诊断在这样的喷气式发动机12中的制造偏差的方法。这样的方法可包括采用天线阵列的形式的天线组件42。这样的方法的实施例可包括：a）在制造之后且在喷气式发动机12交付使用之前至少部分地将喷气式发动机12包围在天线组件42中；b）通过在喷气式发动机12操作的同时检测从天线组件42接收的辐射来建立喷气式发动机12的基线分布图；c）保存喷气式发动机12的基线分布图；d）对多个喷气式发动机12重复a-c来形成多个喷气式发动机12的基线分布图的集合；以及e）比较基线分布图的集合来确定指示喷气式发动机12制造中的偏差的差异。技术效果是可基于差异确定在喷气式发动机12中的异常或差异。 [0019] 设想的是，操作喷气式发动机12可包括根据测试协议操作喷气式发动机12。设想的是，多个喷气式发动机12可共享至少一个公共部件。多个喷气式发动机12甚至可为相同类型的喷气式发动机。比较基线分布图的集合可包括比较基线分布图的至少一个子集。设想的是，比较基线分布图的集合可包括比较所有的基线分布图。至少一个标识的差异可与指示制造偏差的参考值相比。设想的是，这样的制造偏差可指示制造过程中的变化或制造缺陷。 [0020] 以这种方式，诊断系统30可基于遍及多个喷气式发动机12的基线分布图的比较来解决制造偏差。在比较的基线分布图中的变化或趋势可用于在测试期间发现影响喷气式发动机的产品异常。导致被测试的系统不合格的趋势可指示产品问题。导致被测试的系统不合格的比较数据可分离出变化的根本原因。 [0021] 上述的诊断系统30也可用来实现诊断喷气式发动机12的健康的方法。这样的方法可包括采用天线阵列的形式的天线组件42。这样的方法的实施例可包括至少部分地将喷气式发动机12包围在天线组件42中，通过在第一时间检测从天线组件42接收的辐射建立基线分布图并且记录基线分布图，通过在第二时间（继第一时间之后）检测从天线组件接收的辐射建立检查分布图，并且将检查分布图与基线分布图进行比较来确定指示喷气式发动机12的健康的差异。可在喷气式发动机12的已知的健康状态期间建立基线分布图。以非限制性示例的方式，已知的健康状态可包括喷气式发动机12的制造的完成。 [0022] 设想的是，可在一段时间后建立检查分布图。以非限制性示例的方式，这可包括在喷气式发动机12的操作的一个非健康状态时、按规则的时间间隔以及作为规则的维护计划的一部分。检查分布图与基线分布图的比较可包括标识检查分布图和基线分布图之间的辐射中的差异。设想的是，标识的差异可与指示喷气式发动机12的故障的参考值相比。 [0023] 以非限制性示例的方式，可假定的是，喷气式发动机12在7000次循环使用之后已被送至机修车间。标准的车间程序规定将发动机拆卸、检查磨损或损坏部件并替换那些部件，并重新组装发动机。作为最终的质量检查的一部分且在发动机返回使用前，可通过与在发动机生产运行期间的初始运行相同的测试程序来运行使发动机轮转的测试例程。理想地，与发动机的检查分布图比较的发动机的初始基线分布图的比较将是相等的。如果这些不匹配，则指示从最初的发动机至服务的发动机某些事物已改变。在此刻，可采取若干动作过程，包括：将检查分布图与先前的机群范围（fleet wide）的统计值进行比较，来观察喷气式发动机是否在统计限制之内，将检查分布图与具有相似特征的其它发动机进行比较，以及比较没有示出从基线分布图的显著变化的喷气式发动机的维护程序和/或结果。 [0024] 上述实施例也可用来实现预测在喷气式发动机12中的健康问题的方法。这样的方法可包括采用天线阵列的形式的天线组件42。这样的方法的实施例可包括：a）至少部分地将喷气式发动机12包围在天线组件42中，b）通过在喷气式发动机12操作的同时检测从天线组件接收的辐射来建立喷气式发动机12的分布图，c）保存喷气式发动机12的分布图；d）遍及多个喷气式发动机12多次重复a-c来形成多个喷气式发动机12的历史分布图的集合，以及e）在指示未来故障的历史分布图的集合中标识至少一个异常。设想的是，建立分布图可限制于建立全谱辐射的用户限定的部分。以非限制性示例的方式，可建立喷气式发动机12的电磁分布图。 [0025] 设想的是，多个喷气式发动机12共享至少一个公共部件。多个喷气式发动机12甚至可以是相同类型的喷气式发动机12。同样设想的是，可在喷气式发动机12中标识出故障并且故障可能与标识的异常有关。标识的故障可用来标识相关的异常。方法也可包括对其它喷气式发动机12的每个的历史分布图（基线分布图和检查分布图）进行异常分析。在历史分布图中检测到异常时，可发送出潜在故障的警报。分布图可包括在完成制造喷气式发动机12后以及在喷气式发动机12投入使用前记录的基线分布图。分布图包括在相应的基线分布图之后所记录的检查分布图。 [0026] 设想的是，分布图可存储在计算机可检索存储介质中，在这些介质中，出于健康诊断和预测目的，分布图是可访问的并且可以以各种方法进行分析。以非限制性示例的方式，图5示出分布图（基线分布图、检查分布图等）可存储在计算机可检索的分布图数据库70中。维护数据库72可以可操作地与分布图数据库70耦合并且可包括与喷气式发动机、它们的维护、它们的服务使用等有关的附加的数据或信息。在维护数据库72中的数据可链接到分布图数据库70中的分布图，使得有关分布图的信息可链接到与创建了分布图的喷气式发动机有关的信息。分布图数据库70与维护数据库72中的信息的链接可允许在喷气式发动机的修理、服务使用，与喷气式发动机有关的其它飞行信息，以及分布图中的变化之间导出推论。 [0027] 要理解的是，分布图数据库70和维护数据库72可以是任何合适类型的数据库，包括具有多组数据的单个数据库、链接在一起的多个离散的数据库或者甚至简单的数据表格。不管数据库的类型如何，分布图数据库70和维护数据库72可提供在计算机（未示出）上的存储介质上或可提供在诸如数据库服务器之类的计算机可读介质上。设想的是，分布图数据库70和维护数据库72可提供在同一计算机或数据库服务器（示意地示出为74）上。备选地，分布图数据库70和维护数据库72可位于独立的计算机或独立的数据库服务器上。 [0028] 出于健康诊断和预测目的，可以以各种方法分析在分布图数据库70和维护数据库72中的信息。在分布图数据库70和维护数据库72存储在计算机上的情况下，计算机上的处理器本身可用于这样的诊断和预测目的并且可经由显示器传递分析的结果或可传送结果至本地或远程用户。备选地，独立的计算机可访问分布图数据库70和维护数据库72。以非限制性示例的方式，处理器36示出为可操作地与分布图数据库70和维护数据库72耦合并且可分析其中的数据，并在显示器38上传递这样的分析的结果。另外，具有处理器76和显示器78的远程计算机可以可操作地与分布图数据库70和维护数据库72耦合并且可以分析其中的数据，并传递这样的分析的结果至远程用户。要理解的是，计算机可经由将分布图数据库70和维护数据库72与分析计算机耦合的通信网络或计算机网络访问分布图数据库70和维护数据库72。以非限制性示例的方式，这样的计算机网络可以是本地局域网络或诸如因特网之类的更大网络。同样设想的是，可使这样的耦合为无线的或经由有线连接。 [0029] 在分布图数据库70和维护数据库72中的数据的分析期间，数据可以以任何合适的方式过滤，包括基于一个发动机接一个发动机（engine-by-engine）、基于一个机群接一个机群（fleet-by-fleet）等方式。可完成分析以进行比较来标识潜在的未来故障，该比较包括产品模型之间的比较，来自服务中的系统的数据与最初的产品数据之间的比较，以及服务中的系统之间的比较。以非限制性示例的方式，这样的比较可包括机群范围的比较、循环计数比较以及维护前和维护后比较。技术效果是，可以用各种方法比较与整个喷气式发动机的健康有关的、来自诊断系统的信息，并且可以与关于发动机的各种其它信息相关联，使得可发生多种分析。 [0030] 虽然关于包括天线阵列的天线组件描述了以上实施例，要理解的是，可使用单个或多个天线组件。同样要理解的是，天线组件可具有电感和/或电容属性。另外，检测全谱辐射的任意部分可包括从形成天线组件42的多频率天线接收全谱辐射的该部分。另外，以非限制性示例的方式，多频率天线可包括分形天线。设想的是，在上述所有方法中，喷气式发动机12可完全包围在天线组件42中。 [0031] 另外，天线组件42可设计并且调节至由喷气式发动机12发射的全谱频率的至少一些部分。设想的是，可针对喷气式发动机12的每个部分选择性地调节天线组件。天线组件可以以各种方式调节，包括可选择配置成接收已知频率的天线。调节天线组件也可包括将选择的天线定位成邻近发射已知频率的喷气式发动机12。 [0032] 虽然上述实施例集中于诊断系统30及其关于喷气式发动机12的使用，要理解的是，上述诊断系统30可配置成诊断任何电气、机械或机电设备。在这种情况下，包装材料的尺寸和形状可容易地适于被测试或监测的设备。例如，在更大的设备中，一些频率可趋向于更低并且相应的天线42可能更大。包装材料可容易地适应不规则的和/或不对称的系统。另外，对于诸如内燃机、涡轮机械等的移动流体的设备，除非在受压力和温度影响的系统的产品测试中可维持受控的环境条件，可理解的是，在可适用处可针对压力和温度来校正对该设备采集的数据。对于不受压力和温度变化影响的系统（诸如不移动流体的机械设备），可不应用针对压力和温度变化的数据校正。 [0033] 上述实施例提供各种益处，包括验证设备的健康所需的时间与工作的减少，这又可减少正进行的维护成本。可针对设备的已知的物理关系特别地定制诊断系统30，并且可代替否则是单个传感器的主导性的、麻烦的以及大型的集合。天线组件可以以典型传感器套件重量的小部分来结合传感器的幅度缩放（magnitude scaling）。另外，将从这样的多个传感器减少相关的线缆、减少线缆连接器以及减少相关的选路（routing）硬件。对包括航空应用的苛求重量的系统，这些减少可总计达到实质的操作节约。另外，以上提及的项目的减少也可导致诸如钻孔、开孔、托架以及扣件之类的必需的加工操作量的减少，这也可导致成本节约。由于传感器、线缆和线缆类型、复杂的线缆连接器、相关的选路硬件的减少而可最小化可靠性问题，因而上述实施例也可提供可靠性益处。另外，系统可使用单个调节模块，这可简化输入布线安排。上述实施例也可提供更加可靠的诊断，因为与可具有仅仅单个分离的离散位置的典型的传感器套件相反，它们可实现整个设备的表示。 |
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