(57)【要約】【課題】  プロセスセンサの切迫故障を検出するための方法４００が提供される。【解決手段】  この方法は、センサ出力ノイズ成分を確定する段階４０６と、センサのスパン範囲及びプロセス作動条件のうちの少なくとも１つに基づいて、該出力ノイズ成分を履歴センサ出力ノイズシグネチャと比較する段階４０８とを含む。さらに、現在センサ出力信号を測定する段階４０２と、センサのスパン範囲を確定する段階４０４とを含む。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスシステム内のプロセスパラメータを検知するために用いられるプロセスセンサ（２８）の切迫故障を検出するための方法（４００）であって、
センサ出力ノイズ成分を確定する段階（４０６）と、
前記センサのスパン範囲及び前記プロセスの作動条件のうちの少なくとも１つに基づいて、前記出力ノイズ成分を履歴センサ出力ノイズシグネチャと比較する段階（４０８）と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
現在センサ出力信号を測定する段階（４０２）を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
現在センサ出力信号を測定する前記段階が、前記センサのスパン範囲を確定する段階（４０４）を含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記確定したセンサノイズ成分を履歴センサノイズシグネチャ・データベースに追加して、各シグネチャが、該シグネチャのサンプリング時における前記センサのスパン範囲及び該シグネチャのサンプリング時における前記システムの作動条件のうちの少なくとも１つと関連するようにする段階（４１０）を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記センサ出力ノイズ成分が、前記センサの履歴出力ノイズシグネチャに対して所定の限界値を超えているかどうかを判定する段階（４１２）を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記現在センサ出力ノイズ成分が所定の限界値を超えているかどうかを判定する前記段階が、統計的アルゴリズムを用いて該センサ出力ノイズ成分が前記所定の限界値を超えるかどうかを判定する段階を含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記所定の限界値を超えた各ノイズ成分について、少なくとも１つの関連するセンサ故障モードのタイプを決定する段階（４１２）を更に含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
保守スケジュールに組み入れるために、前記決定した少なくとも１つの故障モードのタイプを出力に送信する段階（４１４）を更に含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
少なくとも１つの関連するセンサ故障モードのタイプを決定する前記段階が、センサエレメント故障、センサ送信機故障、トランスデューサ故障、プロセス接続故障、誘導ノイズ故障、及びセンサ環境故障のうちの少なくとも１つに基づいて、少なくとも１つの関連するセンサ故障モードのタイプを決定する段階を含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
履歴ノイズ成分を未来時間に補外する段階と、
前記履歴ノイズ成分に基づいて予測ノイズ成分を確定する段階と、
前記予測ノイズ成分を履歴センサ出力ノイズシグネチャと比較して、故障までの推定時間を予測するのを可能にする段階と、
を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、切迫センサ故障を検出するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器、及び少なくとも１つのタービンを含む。圧縮機は空気を加圧し、その空気は次ぎに燃焼器に導かれる。加圧空気は、燃焼器内で燃料と混合され点火されて、燃焼ガスを発生し、その燃焼ガスはタービンに導かれる。タービンは、燃焼ガスからエネルギーを取り出して、圧縮機に動力を供給し、同時に飛行中の航空機を推進するか又は発電機などの負荷に動力を供給するような有用な仕事を行う。
【０００３】
少なくとも一部の公知のエンジンはまた、エンジンに関する作動条件をモニタするための複数のセンサを含む。例えば、エンジンは、温度、圧力、速度、流量、変位、及び歪みをモニタするセンサを含むことができる。運転中、センサは、極限温度、振動、及び燃焼ガスのような悪い環境条件及び作動条件にされされる可能性がある。時が経過するにつれて、このような条件に継続して曝されることにより、一部のセンサは早期故障を生じる可能性があり、その故障がエンジンの運転及び機体に悪影響を及ぼすおそれがある。エンジンセンサの故障率を低下させるのを促進するために、少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、重要適用部位における冗長センサ、及び／又はセンサ出力信号をモニタするモニタリングシステムを含む。より具体的には、少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、故障の後に又は所定のセンサ値に基づいて交換されたセンサ、或いは取付けられているセンサの動作性能と関係なく定期スケジュールにより交換されたセンサを用いて運転される。しかしながら、このような方法では、所望の結果が得られない可能性があり、またセンサが故障してそれを交換するのを待つか、或いは動作可能なセンサを一定時間又は運転時間スケジュールに基づいて交換するのは、費用も掛かるし時間も掛かることになる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの態様では、プロセスセンサの切迫故障を検出するための方法が提供される。この方法は、センサ出力ノイズ成分を確定する段階と、センサのスパン範囲及びプロセスの作動条件のうちの少なくとも１つに基づいて、出力ノイズ成分を履歴センサ出力ノイズシグネチャと比較する段階とを含む。
【０００５】
別の態様では、ガスタービンエンジンセンサの切迫故障を検出するための方法が提供される。この方法は、所定の期間にわたりセンサ出力をサンプリングして出力信号の代表的なサンプルを取得する段階と、現在センサ出力信号を測定する段階と、センサのスパン範囲を確定する段階と、センサ出力ノイズ成分を確定する段階と、センサのスパン範囲及びプロセスの作動条件のうちの少なくとも１つに基づいて、出力ノイズ成分を履歴センサ出力ノイズシグネチャと比較する段階とを含む。
【０００６】
更に別の態様では、演算装置を含むガスタービンエンジン用の装置が、提供される。この演算装置は、プロセッサと、該プロセッサと通信するように結合されたメモリとを含み、プロセッサは、コンパレータ、データヒストリアン、アイソレータモジュール、及び限界値モジュールを含むソフトウェアプロダクト・コードセグメントを実行するようにプログラムされており、また演算装置は、センサの出力信号ノイズ成分を用いてセンサの切迫故障を検出するようにプログラムされており、またセンサは、演算装置と関連するプロセスのパラメータを検知する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本明細書で用いる場合、「センサノイズ」という用語は、感知した値の期待値からの偏倚量（エクスカーション）として定義され、このような偏倚量は、正常な信号処理変動又はエンジン運転の過渡事象によって生じるのではなく、実際には、それに限定するのではないが、劣化したセンサ材料、電気接続不良、及び／又は汚れた空気圧ライン或いは検知ラインを含むような要因による可能性がある。本明細書で定義する場合、センサは、制御及び／又はディスプレイ構成部品に対するモニタされたパラメータに比例する信号を送信するように構成された任意の構成要素を含むことができる。更に、ここでは、本発明をガスタービンエンジンに関連させて説明するが、本発明は、他のエンジンセンサ及びあらゆる用途におけるセンサに適用可能であることを理解されたい。従って、本発明の実施は、ガスタービンエンジン用のエンジンセンサに限定されるものではない。加えて、ここでは、本発明を電気的及び電子的センサに関連させて説明するが、本発明は、空気圧、油圧、及び任意のセンサに適用可能であることを理解されたい。従って、本発明の実施は、電気的又は電子的センサに限定されるものではない。
【０００８】
図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、及び燃焼器１６を含む例示的なガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８、及び低圧タービン２０を含む。圧縮機１２とタービン２０とは、第１のロータシャフト２４により連結され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のロータシャフト２６により連結される。エンジン１０は、該エンジン１０内部のパラメータをモニタするための複数のセンサ２８を含む。より具体的には、例えば、ガス温度、ガス圧力、エンジン回転速度、燃料流量、及び静翼位置をモニタするセンサ２８をエンジン１０内に含むことができる。センサの種類の例は、単なる実例としてのみ示しており、それらは、ガスタービンエンジン１０内で用いることができるセンサの種類について限定するものではない。１つの実施形態では、エンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のGeneral Electric Aircraft Enginesから入手可能なＧＥ９０型エンジンである。
【０００９】
運転中、空気は、低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧された空気が、該低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。加圧空気は、次ぎに燃焼器１６に送られて、該圧縮機１６からの空気流が、タービン１８及び２０を駆動する。センサ２８は、モニタされたパラメータを表す信号を発生し、そのような信号は、電子制御装置（図示せず）に送信される。
【００１０】
図２は、図１に示すエンジン１０に用いることができる例示的なエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）２００のデータ流れ図である。ＥＣＵ２００は、それに限定するのではないが、汎用コンピュータ及び／又はシングルボード・マイクロプロセッサベースの装置を含むことができる専用単能演算装置を含む任意の適当な演算装置又は論理回路とすることができる。ＥＣＵ２００は、モニタリング・ロジック２０２とフィルタ２０４とを含む。１つの実施形態では、モニタリング・ロジック２０２及びフィルタ２０４は、ＥＣＵ２００の不揮発性メモリ内に格納されたソフトウェアに具現化されている。ＥＣＵ２００は、少なくとも１つのセンサ２８と通信するよう結合されており、エンジン１０から遠く離れた場所に設置することが可能であり、各センサ２８が、ＥＣＵ２００と通信するように結合されるようになる。モニタリング・ロジック２０２は、エンジン１０上に或いは該エンジン１０に近接して取付けられた少なくとも１つのセンサ２８からの入力信号を受信し、これら入力信号が、様々なエンジン作動パラメータを表している。モニタリング・ロジック２０２はまた、それに限定するのではないが、機体に取付けられたセンサ２８からのエンジン出力要求のような入力信号を受信し、各信号の少なくとも一部分をフィルタ２０４に送信する。モニタリング・ロジック２０２は、センサ・データを収集し、内部アルゴリズム及びセンサ２８からの出力に基づいて、フィルタ２０４及び特徴エキストラクタ２０６が用いることができる形式に該センサ・データをフォーマット化する。フィルタ２０４は、モニタリング・ロジック２０２からの収集されたセンサ・データを用いて、プロセス作動条件をデータヒストリアン２０８及び限界値モジュール２１０に供給する。
【００１１】
センサ出力が基準を外れて高くなるか又は基準を外れて低くなるかのいずれかのセンサ故障は、オフスケール故障と呼ばれ、比較的検出し易い。オンスケール故障は、センサの出力が正常範囲内に留まっているが、センサ測定値が不正確であるようなセンサ故障である。オンスケール故障は、送信機自体とは関連しておらず、むしろ測定システムの残りの部分と関連している傾向がある。一部の公知のセンサは、動作応力がより低い応力レベルに低下すると正確な動作に戻るような特定の動作モード時のセンサ故障である、「ソフト故障」のような故障モードに直面する。オンスケール故障及びソフト故障は、センサ出力信号上に特性ノイズシグネチャを示す場合があり、この特性ノイズシグネチャは、センサオフスケール故障の前に検出することができる。ＥＣＵ２００は、センサ２８により供給されたセンサ出力信号を分析し、該信号のノイズ成分を確定し、履歴として該ノイズ成分の傾向をみて、該ノイズ成分に対する許容偏差範囲を格納するようにプログラムされている。確定されたデータは、データ通信回線又はチャネル２１１により出力されることができる。
【００１２】
特徴エキストラクタ２０６が、モニタリング・ロジック２０２の出力を評価して、データのノイズコンテントに関するメトリックス（ｍｅｔｒｉｃｓ）を判定する。特徴エキストラクタ２０６はまた、予測されかつ観測されたセンサ出力及びノイズシグネチャの統計的分析を進める。
【００１３】
ＥＣＵ２００は、コンパレータ２１２、データヒストリアン２０８、及びアイソレータモジュール２１４を含む。ヒストリアン２０８の結果は、データ通信回線又はチャネル２１５により限界値モジュール２１０に結合される。限界値モジュール２１０は、データ回線又はチャネル２１７によりコンパレータ２１２に通信するよう結合される。ヒストリアン２０８の結果は、限界値モジュール２１０によりコンパレータ２１２に供給される限界値を更新するのに用いることができる。
【００１４】
データヒストリアン２０８は、時間経過にわたるセンサ２８の出力におけるノイズ成分シグネチャ及びシグネチャ傾向データを格納することができるが、サンプリング間隔は、時定数又は各センサがモニタされる期間に合わせて変化させかつ適当になるようにすることができる。１つの実施形態では、履歴ノイズシグネチャ・データは、新しいデータで上書きされる前に、一定期間にわたり循環ファイル内に格納されることができる。履歴データはまた、格納される前にフィルタ処理されることができ、また圧縮されることも可能である。
【００１５】
ヒストリアン２０８は、現在シグネチャ及び履歴データを未来に投影する補外機能を含む。限界値モジュール２１０からの適当な限界値とヒストリアン２０８の補外機能によりコンパレータ２１２に供給された投影値とを用いて、コンパレータ２１２は、投影されたノイズシグネチャのいずれかが未来において許容限界値から外れるかどうかを判定する。投影データが許容限界値から外れている場合、コンパレータ２１２は、出力回路２１１により警報信号及び／又は保守メッセージを出力することができる。
【００１６】
ヒストリアン２０８により行われる投影は、センサ２８の現在動作範囲、他の関連センサの動作範囲、及びエンジン作動条件に基づいた高性能信号補外法を含む。限界値モジュール２１０は、フィルタ２０４から供給されたプロセス作動条件に基づいて、ノイズメトリックスにおける許容限界値をコンパレータ２１２に供給する。これらの限界値は、ヒストリアン２０８から入手可能な履歴傾向に基づいて、時間経過にわたって更新されることができる。
【００１７】
コンパレータ２１２は、特徴エキストラクタ２０６から供給された実ノイズメトリックスを限界値モジュール２１０から供給されたノイズメトリックス限界値と対照して評価する。コンパレータ２１２は、超過があったセンサについては該センサの切迫故障の警報を出力する。
【００１８】
コンパレータ２１２により発せられた警報に基づいて、アイソレータ２１４は、その超過の原因となる可能性がある特定の故障のタイプを識別する。１つの実施形態では、この機能は、ニューラル・ネットワークにより実行される。
【００１９】
ニューラル・ネットワークは、パターン認識、データ採取、分類、及びプロセスモデル化のようなタスクを実行するのを可能にするプログラム及びデータ構造のシステムである。この例示的な実施形態では、ニューラル・ネットワーク（アイソレータ）２１４は、複数の並列プロセッサによってではなくソフトウェアで実行される。ニューラル・ネットワーク（アイソレータ）２１４を用いて、故障を特定のタイプに分離することができる。
【００２０】
図３は、図２に示すＥＣＵ２００によりモニタすることができる例示的なセンサ出力信号３０２のグラフ３００である。グラフ３００は、モニタリング・ロジック２０２により受信されたモニタパラメータの大きさを表すことができるｙ軸３０４を含む。ｘ軸３０６は、それにわたって信号３０２をモニタすることができる独立した時間パラメータを表すことができる。信号３０２は、オフセットエラー、ドリフトエラー、線形性エラー、及びヒステリシスエラーを含む、センサ２８によりモニタされたプロセスパラメータに比例する信号部分３０８を含む。信号３０２はまた、ノイズ部分３１０を含み、このノイズ部分３１０は、例えば電磁妨害雑音（ＥＭＩ）ピックアップ、センサ電子機器ソフト故障、センサエレメント劣化、及び／又はモニタパラメータへのセンサ２８の不良或いは断続的結合のために、信号部分３０８が変調された部分である。例えば、温度センサへの疎結合は、モニタ温度と感知エレメントにおける温度との間に局所的差異を生じさせる可能性がある。このような疎結合は、センサの振動或いはセンサ又はプロセス構成部品の熱膨張により、感知エレメントにおける温度とモニタ温度との間の間欠的偏差を生じさせる可能性がある。
【００２１】
ｘ軸３０６は、信号３０２がセンサ２８からの比較的一定の信号出力として表される第１の期間３１２を含む。信号３０２は、一定の大きさの信号部分３０８と、特性比率で変化するノイズ部分３１０とを含む。ノイズ部分３０８が変化するこの特性比率は、特定の位置における特定のセンサについての固有シグネチャを表す。ｘ軸３０６の第２の期間３１４は、センサ２８によりモニタされたモニタパラメータの大きさが増大するのを表している。この例示的な実施形態では、ノイズ部分３１０は、点３１６での振幅が振幅３１８まで増大するように示されている。別の実施形態では、ノイズ部分３１０はまた、比率及び／又は周波数が増加する可能性がある。ノイズ部分３１０の点３１０での振幅の変化は、センサ２８内の欠陥が明白であるセンサ２８の動作スパン範囲でのセンサ動作による可能性がある。信号３０２の振幅が点３１６から局部最大値３２０まで増大するとき、図示するように、ノイズ部分３１０の振幅は、振幅３１８でほぼ一定に留まっている。局部最大値３２０において、信号３０２の例示的な大きさが、ｘ軸３０６の第３の期間３２４における局部最小値３２２まで低下しているのが示されている。この例示的な実施形態では、図示されているように、局部最小値３２２における信号３０２の大きさは、点３１６での信号３０２の大きさよりも大きい。ｘ軸３０６の第４の期間３２６において、信号３０２は、局部最大値３２８まで増大している。期間３２６において、ノイズ部分３１０は、振幅が一定の比率で振幅３３０まで増大しているのが示されている。その後、ｘ軸３０６の第５の期間３３２において、信号３０２の大きさは点３３４まで低下し、この点３３４において、信号３０２は、期間３１２における信号３０２の大きさにほぼ等しい大きさに戻る。期間３３２において、ノイズ部分３１０は、一定比率で期間３１２におけるノイズ部分の大きさにほぼ等しい振幅まで低下する。
【００２２】
グラフ３００は、変化するプロセスパラメータに対するセンサ２８の例示的な応答を示す。ノイズ部分３１０の振幅の変化は、センサ２８の変化する動作範囲及び動作条件に対して起こり得る応答を例示するものである。
【００２３】
図４は、センサ出力信号ノイズを追跡することにより切迫センサ故障を検出するための、ＥＣＵ２００又は他のコンピュータ内部で実行されるコンピュータプログラム内に組み込むことができる例示的な工程４００のフローチャートである。このコンピュータプログラムは、それに限定するのではないが、Ｂａｓｉｃ（登録商標）、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、又はラダー論理のような言語を含む任意の適当なコンパイラ型又はインタープリタ型プログラムとすることができる。ステップ４０２において、各モニタパラメータ信号は、更新されて、現在信号値を取得する４０２ことができる。現在信号値は、信号のノイズ成分を特徴付けるのに充分な長さの所定の期間にわたって各センサ２８からサンプリングされる。モニタ信号は、アナログ又はディスクリート・センサを直接読み取ることにより更新することができる。ディスクリート又はバイナリ・センサにより、スイッチ接点が振動及び／又は衝撃により瞬間的に閉じると起こる可能性があるようなノイズ及び／又は信号バウンスを特徴付けることができる。
【００２４】
センサ信号ノイズ成分を特徴付けるのを可能にするために、信号のスパン範囲が、確定される４０４。センサ２８は、その出力スパンの異なる範囲で動作するとき異なるノイズシグネチャを示すことができる。例えば、センサのより低いスパン範囲におけるよりもより高いスパン範囲におけるより大きい振幅ノイズ成分は、センサエレメントの切迫故障を表すことができる。センサ信号ノイズ成分が、確定され４０６、履歴データベースから検索された履歴ノイズ成分と比較される４０８。履歴ノイズ成分は、現在センサスパン範囲とエンジン作動条件とに基づいて選択されて、現在ノイズ成分と現在作動条件を表している履歴ノイズシグネチャとの間で比較４０８が行われるようになる。エンジン作動条件は、他のエンジンセンサ及び機体センサからの入力から確定することができる。現在ノイズ成分を類似の範囲及び作動条件のパラメータを共有する履歴ノイズ成分と比較する４０８ことで、類似の潜在的ノイズ発生条件が両方の比較された４０８信号に共通であるという点で、その比較４０８は有効であることが保証される。履歴ノイズ成分は、未来に投影されるか又は補外されて、予測ノイズ成分を確定することができ、次ぎに、この予測ノイズ成分は、履歴ノイズ成分と比較されて４０８、故障するまでの推定時間を予測することを可能にする。その後、現在ノイズ成分は、将来の比較に備えて履歴データベースに追加される４１０。
【００２５】
比較４０８が、所定のかつ選択可能な限界値を超えるような、現在ノイズ成分と履歴ノイズ成分との間の差異を生じる場合には、起こる可能性のある１つ又は複数の故障モードが決定される４１２。公知のノイズ成分症候を有する故障モードが、各症候に関連する保管故障モードデータのデータベースから選択される。決定された故障モードは、ＥＣＵ２００のディスプレイ、コンピュータ、制御装置、及び／又は他のモジュールに出力される４１４ことができる。
【００２６】
エンジンを参照して本発明を説明しているが、多数の他の用途が意図されている。本発明は、センサ出力信号を収集し分析することができる、故障し易いセンサを備えたセンサ試験機能を含む任意のシステムに適用可能であることを想定している。
【００２７】
上述のセンサ故障検出システムは、センサの切迫故障を判定するのに、費用効果がありかつ高い信頼性がある。より具体的には、本明細書に記載した方法及びシステムは、ソフト故障、及び将来のセンサ故障を示す可能性がある徴候を判定することを可能にする。その上、上述の方法及びシステムは、従来型の保守及び試験手段が警報を出すことができる前に、切迫センサ故障の早期警告を出すことを可能にする。その結果、本明細書に記載した方法及びシステムは、費用効果がありかつ信頼性がある方法で保守費用を削減することを可能にする。
【００２８】
センサ故障検出システムの例示的な実施形態を、上に詳細に説明している。このシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各システムの構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素から独立して別個に利用することができる。各システムの構成要素はまた、他のシステム構成要素と組み合わされて使用することもできる。
【００２９】
本発明を、様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施可能であることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】例示的なガスタービンエンジンの概略図。
【図２】図１に示すエンジンに用いることができる例示的なエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）のブロック図。
【図３】図２に示すＥＣＵによりモニタすることができる例示的なセンサ出力信号のグラフ。
【図４】切迫センサ故障を検出するための例示的な工程４００のフローチャート。
【符号の説明】
【００３１】
２８  センサ
２００  エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
２０２  モニタ
２０４  フィルタ
２０６  特徴エキストラクタ
２０８  データヒストリアン
２１０  限界値モジュール
２１２  コンパレータ
２１４  アイソレータ
【図１】
2004257388.tif 000003
【図２】
2004257388.tif 000004
【図３】
2004257388.tif 000005
【図４】
2004257388.tif 000006