用于確定運動結構的移動和振蕩的系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于監視結構的移動的系統和方法。
【背景技術】
[0002]例如建筑物和大型機器的可動結構可能受環境影響或者由于可動結構自身的運行移動而引發動作或振蕩，這可能會使結構損壞或者使運行受阻。為了防止損壞、計劃維護或者估計剩余壽命，可以觀察并監視這些移動。
[0003]針對風力禍輪機(windturbine(WT))的監視，使用諸如采用壓電技術的單軸加速度傳感器、應變計、測光系統或激光測量系統等的已知傳感器。利用這些手段，可以執行針對經結構傳播的聲音的簡單的位置變化和頻率分析，這使得能夠檢測諸如軸承、齒輪部分或轉子葉片等的渦輪機的一部分的可能損壞。
[0004]這里，存在如下的缺點:測量值僅以單軸的方式或者僅針對所選擇的測量部位來檢測系統移動。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供使得能夠有效且安全地監視結構并且針對結構的一部分的維修措施、維護計劃和/或剩余壽命估計而提供基礎的、用于監視結構的移動的系統和方法。
[0006]該目的是由根據技術方案I的用于監視結構的移動的系統以及根據另一獨立權利要求的用于監視結構的移動的方法所解決的。在從屬權利要求中說明其它實施例。
[0007]—種用于監視結構的移動的系統，包括:至少一個慣性測量裝置，其安裝在所述結構以檢測在地球固定慣性系統中的轉動速率和加速度值。該系統還包括:中央單元，用于利用導航算法，基于所述轉動速率和加速度值來確定監視值；以及輸出單元，用于輸出所述監視值。
[0008]所述結構可以是受外部影響(環境影響)或內部影響(運行行為)而引發動作和/或振蕩的任意物體。例如，所述結構可以是諸如多層建筑物或輸電塔等的建筑物，或者可以是諸如施工機械或起重機等的機器。此外，所述結構還可以是諸如摩天輪、海上平臺或風力渦輪機等的如建筑物那樣建造且如機器那樣運行的結構。
[0009]—方面，這些結構可能受諸如風、海流、波浪沖擊或例如地震期間地球表面的移動等的環境影響而引發動作。另一方面，這些結構還可能受諸如結構的一部分的工作動作、驅動振蕩或齒輪振動等的結構自身的運行移動而引發動作。此外，環境影響和結構的內部移動之間可能存在相互作用，這可能引起復雜的動作行為。
[0010]這些移動和振蕩可能使結構損壞并且可能引起諸如疲勞裂紋或斷裂等的材料疲勞。此外，這些移動和振蕩可能影響結構的運行行為并且如此限制應用領域或運行效率。
[0011]此外，結構例如由于老化、磨損、結構損壞、機械損壞或者受環境影響而隨時間發生改變也是有可能的。例如，在諸如風力渦輪機等的復雜運動結構中，可能發生轉子葉片的結冰或積水。由于應力和材料疲勞，因而材料特性可能發生改變，結構的一部分可能變得更軟或者產生裂紋。這種結構的變化反映在結構的動作行為中。例如，振蕩或移動的頻率或振幅可能發生改變。可以基于慣性測量裝置所測量到的轉動速率和加速度值來檢測這些變化。這使得能夠識別出例如維護、保養或運行等的措施的必要性，并且在發生顯著損壞之前執行這些措施。
[0012]因此，由于運行安全以及運行效率的原因而需要進行結構移動的監視。
[0013]為了監視移動，可以將一個或多個慣性測量裝置安裝在結構或者結構的一部分上，這使得能夠相對于地球固定慣性系統來檢測安裝位置上發生的轉動速率和加速度值。為此，可以使用具有MEMS(微機電系統)型和/^gFOG頂U(光纖陀螺慣性測量單元)型的慣性傳感器(加速度和轉動速率傳感器)的系統。
[0014]例如可以經由單向或雙向通信所用的無線或有線網絡，將所檢測到的加速度值和轉動速率發送至中央單元。
[0015]在中央單元中，基于所測量到的轉動速率和加速度值，利用導航算法(例如，利用所測量到的轉動速率和加速度的連續積分或求和)，來確定慣性測量裝置在空間內的速度和角速度以及朝向和位置。
[0016]為此，可以使用例如從車輛、船舶和/或飛機導航領域得知的典型導航算法，例如，對所檢測到的轉動速率和加速度進行舒勒補償(Schuler compensat1n)。
[0017]基于所測量到的轉動速率和加速度值以及所計算出的(角)速度、朝向和/或位置，可以檢測并監視結構移動。特別地，可以確定存在于測量部位處的移動、振蕩和偏斜。
[0018]此外，基于此，可以確定監視值。監視值例如可以包括所測量到的轉動速率、所測量到的加速度值、所計算出的(角)速度、朝向和/或位置，或者從以上值所推導出的諸如移動的頻率和/或振幅、扭矩和/或偏斜等的其它值。
[0019]可以利用無線或有線通信將監視值發送至輸出單元。在最簡單的情況下輸出單元可以包括用于輸出監視值及其演變的顯示器，但輸出單元還可以包括諸如用于對監視值依賴于時間的演變進行收集和文件記錄的數據存儲器等的其它組件。可替代地或附加地，輸出單元可以包括復雜的警告和報警系統。
[0020]另外，可以以控制回路系統的方式將輸出單元與結構的致動器相連接。在這種情況下，根據監視值，可以將諸如致動變量等的控制信息發送至致動器。在監視風力渦輪機的情況下，例如可以根據使得能夠確定轉子葉片的彎曲的監視值來控制轉子葉片的相對朝向以避免轉子葉片上的過荷載。
[0021 ]基于監視值以及其它監視信息，可以確定結構的移動和振蕩，因而例如可以確定可能的故障、疲勞或損壞。這使得能夠例如估計結構及其組件的剩余壽命并且剩余壽命可以用作維護計劃的基礎。這種估計對于監視難以接近的結構(例如，海上風力渦輪機)以及工作荷載高的機器(大型沖壓車間的壓力機)而言特別有用，對于這些結構和機器而言各次的維護與高成本相關聯。此外，由于定期對連續監視進行文件記錄以及立即指出維護的需要，因此有鑒于安全要求，這些特性值是重要的。
[0022]根據實施例，慣性測量裝置包括檢測軸分別互相線性獨立和/或互相正交的三個轉動速率傳感器、以及檢測方向分別互相線性獨立和/或互相正交的三個加速度傳感器。
[0023]例如，轉動速率傳感器可以包括互相正交并且與加速度傳感器的檢測方向相對應的三個檢測軸x、y和z。利用轉動速率傳感器(陀螺儀傳感器)，可以計算轉動移動，而利用加速度傳感器(平移傳感器)，可以計算平移移動。因而，可以確定根據六自由度的慣性測量裝置的任意移動。
[0024]根據實施例，中央單元被配置為基于所述結構所預定的邊界條件來確定和/或校正慣性測量裝置的測量誤差。
[0025]特別地，從預定慣性位置開始的經典慣性導航會經歷由慣性傳感器(轉動速率和加速度傳感器)的可能的誤差或測量不精確(例如，零點誤差)的積分或求和所引起的朝向或位置誤差的持續增加。該增加被稱為漂移。
[0026]為了對位置和朝向的漂移由此還有監視值的漂移進行限制或補償，在導航算法的應用期間可以考慮針對結構呈現穩定的要求和條件。這些條件例如可以以邊界條件的形式包含在導航中。因而，導航算法可以得到這些要求和條件的支持。可以基于此來對計算結果的誤差或監視值的誤差進行估計和/或補償。
[0027]在最簡單的情況下，考慮邊界條件可以包括將邊界條件(例如，結構的已知地理位置)與計算值(速度、角速度、位置和朝向)進行比較。以此為基礎，可以估計慣性測量裝置(轉動速率和加速度傳感器)的誤差(例如，零點誤差)并且持續改善測量的精度。例如，可以利用導航算法內的卡爾曼濾波器(Kalman filter)來實現考慮多個或復雜的邊界條件。
[0028]根據另一實施例，中央單元可以被配置為基于包括以下信息的組中的至少一個信息來確定所述邊界條件:所述結構的大致靜止的位置；以基于衛星的定位信號為基礎所確定出的所述結構的至少一部分的位置;所述結構的至少一部分的移動的自由度的約束;所述結構的至少一部分的傾斜角度；(例如預定的或者根據測量值或計算值可求出的)所述結構的至少一部分和/或所述慣性測量裝置的移動的平均值；以及作用在所述結構上的風速、風向、流速、流向和/或波浪沖擊方向。
[0029]因而，可以使用所述結構及其配置在環境中的實際條件以及與環境條件有關的任意類型的知識來支持導航算法，或者估計或校正位置或朝向的漂移。
[0030]在經典車輛導航中，這些邊界條件并非是已知的，這是由于對于車輛而言這些邊界條件原則上是不存在的。在經典車輛導航的背景下，這些邊界條件因而不用于誤差校正或者漂移的避免。然而，在例如可能被配置為靜止的運動結構的監視期間，這些條件可能存在并且可以用于進行誤差校正。
[0031]邊界條件所改善的誤差估計和誤差校正使得可以以更高的精度來表示或計算所確定的值，或者可替代地，使得可以使用不那么昂貴但容易漂移的慣性測量裝置，這是由于所出現的誤差可以被估計并校正。
[0032]特別地，諸如風力渦輪機或海上平臺等的建筑物和/或大型系統通常是靜止的，即，安裝在地球固定慣性系統中的固定位置。對于這些系統，利用邊界條件來支持導航算法是可以的。
[0033]對于位置不固定的結構，如果可以使用定位信號來確定結構的位置，則相應的支持也是可以的。例如，可以使用全球導航衛星系統(GNSS)的接收器(例如，GPS接收器、GL0NASS(格洛納斯)接收器、北斗接收器或Galileo(伽利略)接收器)來接收并評價基于衛星的信號以進行位置確定。可替代地，還可以使用不同的例如