Procedimiento y dispositivo para la detección de un efecto mecánico a modo de impulso sobre una parte de una instalación.

Procedimiento para la detección de un efecto mecánico a modo de impulso sobre una parte de instalación (2),

en el que un ruido de funcionamiento existente en dicha parte de instalación (2) es registrado de forma continua mediante un sensor (4) dispuesto en la parte de instalación (2) y transformado por el mismo en una señal de medición (M), caracterizado por las siguientes etapas del procedimiento:

a) En ventanas de tiempo (Δt) que se suceden en el tiempo en pasos de tiempo (δt) se detecta la magnitud (A(fi, tj)) de la transformada de la señal de medición (M) con parámetros predeterminados (fi) de una norma de transformación matemática;

b) Para cada paso de tiempo (δt) y para cada uno de los parámetros predeterminados (fi) se determina la desviación de la magnitud (A(fi, tj)) con respecto al valor medio de magnitud (A(fi,t));

c) A partir de las desviaciones determinadas para cada uno de los parámetros predeterminados (fi) se deduce una función de evaluación (K(t)) para cada paso de tiempo (δt);

d) La función de evaluación (K(t)) es comparada con un valor umbral (Ko) y el sobrepasar el valor umbral (Ko) sirve de indicio para la presencia de una porción de señal a modo de impulso que indica un efecto mecánico;

caracterizado porque

e) Se determina el valor medio de magnitud (A(fi, tj)) como una función de tiempo t de forma flexible a partir de un juego de datos (A (fi, t)) con M magnitudes (A(fi, tm)) con la ayuda de la relación donde Qα y Q1-α es el cuantil α o (1-α) de las magnitudes (A(fi, tm)) determinadas en un periodo de tiempo (T), respectivamente, y donde tm = t+m&dleta;t, y m es un número entero

Procedimiento y dispositivo para la detección de un efecto mecánico a modo de impulso sobre una parte de una instalación La presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la detección de un efecto mecánico a modo de impulso sobre una parte de una instalación.

En múltiples casos de aplicación resulta necesario vigilar constantemente el correcto funcionamiento de una parte de una instalación, por ejemplo, una tubería o un recipiente para la ingeniería de procesos químicos o de una turbomáquina, a efectos de reconocer fallos a tiempo y poder evitar graves daños resultantes de ello. Para una vigilancia de este tipo se conocen múltiples procedimientos, según el estado de la técnica.

En el documento EP 0 765 466 B1 se ha propuesto, por ejemplo, vigilar las vibraciones de álabes de turbina con la ayuda de microondas que están dirigidas hacia las álabes de turbina. A partir de la modulación de las microondas reflejadas en los álabes se puede deducir el estado vibracional de la turbina.

En el procedimiento conocido por el documento DE 198 57 552 A1 se detecta la rotura del eje de una turbina mediante la medición de las frecuencias de giro en los extremos del eje.

En el documento DE-198 43 615 C2 se propone realizar el diagnóstico del estado de un accionamiento de combustión con la ayuda de un análisis del espectro de frecuencias de las señales de medición que se han recogido con la ayuda de un sensor de sonido dispuesto en la zona de entrada de aire o de escape de gases.

Según el documento DE 197 27 114 C2, para vigilar una máquina se recogen, en lugar del sonido aéreo, las señales de sonido estructural que se producen en la misma. También en este procedimiento conocido se analizan los espectros de frecuencia detectados en cada caso a partir de las señales de medición recogidas por el sensor de sonido estructural.

Según el procedimiento que se ha dado a conocer por el documento DE 195 45 008 C2 también se analiza durante el funcionamiento de la máquina el espectro de frecuencias de una señal de medición recogida por un sensor de vigilancia, por ejemplo un acelerómetro, y se compara con un espectro de frecuencias de referencia.

Para poder detectar la penetración de elementos extraños en una turbina de gas, según el documento US 4.888.948 se ha colocado un sensor en la entrada de la turbina con el que se detecta una carga eléctrica inducida por los cuerpos extraños.

En el procedimiento conocido por el documento DE 224 934 A1 para la detección de un cambio de estado de una máquina con elementos rotatorios se recogen constantemente valores de medición de una señal que describe el estado de funcionamiento y se comparan con valores de umbral adaptativos. Para determinar estos valores de umbral se recogen de forma recursiva y adaptativa los valores cuantiles de la distribución de probabilidad de los valores de medición. A partir del número de veces que se ha sobrepasado el valor umbral y de su importancia se pueden detectar los parámetros para el estado de la máquina.

Constituyen un problema particular las piezas sueltas que son arrastradas por la corriente e impactan sobre la parte de la instalación, y que causan un breve efecto a modo de impulso cuya detección fiable resulta correspondientemente problemática.

Estos problemas pueden presentarse por ejemplo en turbinas de gas cuya cámara de combustión está revestida con baldosas de cerámica para protegerla contra sobrecalentamiento. Estas baldosas de cerámica son sometidas a una alta carga dinámica por las fluctuaciones de cambios de presión que se producen en la cámara de combustión. Puede ocurrir que partes de las baldosas se rompan en los soportes respectivos, desprendiéndose trocitos que son arrastrados por el flujo del gas de escape e impactan sobre la primera hilera de álabes de guía de la turbina de gas. Esto puede provocar daños en el recubrimiento de los álabes de guía y destruir los álabes dispuestos detrás. Además existe el peligro de que una baldosa ya dañada por el desconchado se suelte completamente de los soportes, provocando el correspondiente daño masivo en la turbina de gas. En este caso, el impacto de pequeños trocitos sueltos o de una baldosa individual indicará el inminente desprendimiento total de una o varias baldosas, de manera que desconectar a tiempo la turbina de gas y cambiar a tiempo las baldosas dañadas evitará un daño mayor.

Para vigilar estos impactos sobre una parte de la instalación se conoce por el documento WO 01/75272 A2, en principio, la detección del impacto por el sonido estructural generado por el mismo con la ayuda de sensores adecuados. Especialmente en turbinas de gas se presenta, sin embargo, el problema de que el ruido de funcionamiento normal es tan alto que incluso la porción de señal generada en el sensor por el impacto de una baldosa entera sobre el álabe de guía de la turbina de gas es inferior al ruido de fondo generado por el ruido de funcionamiento normal, de manera que especialmente el impacto de piezas más pequeñas no puede ser detectado solamente por la vigilancia de las amplitudes de las señales de sonido estructural. Para mejorar la relación señal ruido se propone, por lo tanto, en el presente documento someter la señal de medición recogida por un sensor de valores de medición a un filtrado por bandas o a un filtrado de paso alto para eliminar de este modo las señales de ruido estructural que se generan durante el funcionamiento normal de la turbina. Estas medidas no son suficientes, sin embargo, para identificar de forma fiable un suceso a modo de impulso con ruidos de fondo elevados o variables en el tiempo.

Por el documento WO 03/071243 A1 se conoce un procedimiento para la detección de un efecto mecánico a modo de impulso sobre una parte de una instalación en el que la señal de sonido estructural detectada es sometida a una transformación de Fourier ventaneada. A partir de múltiples espectros de Fourier detectados de esta manera se deduce, con los algoritmos explicados allí con más detalle, una función de evaluación K que indica la aparición de un efecto mecánico a modo de impulso sobre la parte de la instalación. El algoritmo indicado en este documento para la deducción de la función de evaluación K hace posible el reconocimiento preciso de una porción de señal que se debe a un efecto a modo de impulso y está superpuesta a la señal de medición ruidosa.

El paso esencial en este algoritmo de evaluación propuesto consiste en que se determina para cada ventana de tiempo y para cada una de las frecuencias predeterminadas la desviación de la magnitud A de las transformadas de Fourier con respecto a un valor medio de magnitud A. Para ello, la formación del valor medio de magnitud A tiene una importancia vital ya que en partes de instalación, especialmente en una turbina, pueden producirse cambios de estado aleatorios en los que la parte de instalación cambia de un estado de servicio a otro y el ruido de funcionamiento o el ruido de fondo puede subir muy rápidamente a un nivel notablemente más alto. Un cambio deestado de este tipo puede ser en una turbina, por ejemplo, el inicio de lo que se denomina un zumbido. Éste es provocado por la disposición de las llamas en un espacio anular que puede conducir a que la cámara de combustión entera es incitada a vibrar en resonancia, siendo muy preferentes los modos de vibración en el sentido circunferencial. Estos fenómenos de resonancia pueden cesar en parte de forma brusca y volver a producirse asimismo de forma brusca. Cuando el procedimiento que se ha dado a conocer por el documento WO 03/071243, siendo el contenido de dicho documento WO 03/071243 explícitamente parte integrante de la presente solicitud de patente, está basado en un valor medio de magnitud flexible que está formado por una simple formación de valor medio en forma de una media aritmética a partir de un número de magnitudes precedentes, se ha mostrado que estas oscilaciones de ruido pueden provocar disparos falsos. Para evitar estos disparos falsos en la práctica se ha suprimido, por este motivo, la vigilancia de efectos mecánicos a modo de impulso durante el zumbido de la turbina que se reconoce por medio de un análisis de la característica de la señal.

También en otras partes de instalación, por ejemplo en una vasija del reactor a presión de una central nuclear, a los constantes ruidos de fondo se sobreponen breves ruidos de funcionamiento debido al mismo funcionamiento, tales como los que son provocados, por ejemplo, por modificaciones admisibles de las condiciones de... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la detección de un efecto mecánico a modo de impulso sobre una parte de instalación (2) , en el que un ruido de funcionamiento existente en dicha parte de instalación (2) es registrado de forma continua mediante un sensor (4) dispuesto en la parte de instalación (2) y transformado por el mismo en una señal de medición (M) , caracterizado por las siguientes etapas del procedimiento:

a) En ventanas de tiempo (Lt) que se suceden en el tiempo en pasos de tiempo (ot) se detecta la magnitud (A (fi, tj) ) de la transformada de la señal de medición (M) con parámetros predeterminados (fi) de una norma 10 de transformación matemática; b) Para cada paso de tiempo (ot) y para cada uno de los parámetros predeterminados (fi) se determina la desviación de la magnitud (A (fi, tj) ) con respecto al valor medio de magnitud (A (fi, t) ) ; c) A partir de las desviaciones determinadas para cada uno de los parámetros predeterminados (fi) se deduce una función de evaluación (K (t) ) para cada paso de tiempo (ot) ;

d) La función de evaluación (K (t) ) es comparada con un valor umbral (Ko) y el sobrepasar el valor umbral (Ko) sirve de indicio para la presencia de una porción de señal a modo de impulso que indica un efecto mecánico; caracterizado porque e) Se determina el valor medio de magnitud (A (fi, tj) ) como una función de tiempo t de forma flexible a partir de 20 un juego de datos (A (fi, t) ) con M magnitudes (A (fi, tm) ) con la ayuda de la relación

donde Qa y Q1-a es el cuantil a o (1-a) de las magnitudes (A (fi, tm) ) determinadas en un periodo de tiempo (T) , 25 respectivamente, y donde tm = t+mot, y m es un número entero.

2. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que el periodo de tiempo (T) está dispuesto simétricamente con respecto al momento t.

3. Procedimiento, según la reivindicación 1 ó 2, en el que se calcula un valor medio de magnitud mejorado (Aopt (fi, t) a partir del valor medio de magnitud (A (fi, t) ) , eliminando para la determinación de los cuantiles aquellas magnitudes (A (fi, t) ) del juego de datos que sobrepasan el valor medio de magnitud (A) en un valor de diferencia predeterminado.

4. Procedimiento, según la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que se determina para cada uno de los parámetros predeterminados (fi) para múltiples ventanas de tiempo (Lt) sucesivas una desviación media (s (fi, t) ) de las magnitudes (A (fi, tj) ) respecto al valor medio de magnitud (A (fi, t) ) con la ayuda de la relación donde q1-a es el cuantil (1-a) de la distribución normal normalizada y con la misma se determina la desviación normalizada de las magnitudes con respecto al valor medio de magnitud (A (fi, t) ) y se utiliza para calcular la función de evaluación (K (t) ) .

5. Procedimiento, según la reivindicación 4 en combinación con la reivindicación 3, en el que el valor de diferencia 45 predeterminado corresponde al triple de la desviación media (s) .

6. Procedimiento, según una de las reivindicaciones 4 ó 5, en el que se obtiene para cada ventana de tiempo (Lt) la suma de los valores cuadrados de cada desviación normalizada a través de cada uno de los parámetros predeterminados, a partir de la cual se deduce la función de evaluación (K) .

7. Procedimiento, según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la norma de transformación matemática es una transformación ventaneada de Fourier y los parámetros son frecuencias (fi) del espectro de frecuencias de la señal de medición (M) .

55 8. Dispositivo para la detección de un efecto mecánico a modo de impulso sobre una parte de instalación (2) que comprende, como mínimo, un sensor (4) dispuesto en una parte de instalación (2) para la detección y medición continuas de un ruido de funcionamiento existente en esta parte de instalación (2) , comprendiendo el dispositivo además un dispositivo de cálculo, así como un convertidor A/D (10) , dispuestos detrás del sensor (4) para digitalizar las señales de medición (M) detectadas por el sensor (4) y para transmitir las señales de medición digitalizadas al 60 dispositivo de cálculo (12) , que está diseñado para llevar a cabo las siguientes etapas de cálculo: 15

donde Qa y Q1-a es el cuantil a o (1-a) de las magnitudes (A (fi, tm) ) determinadas en un periodo de tiempo (T) , respectivamente, y donde tm = t+mot, y m es un número entero.

9. Dispositivo, según la reivindicación 8, en el que el periodo de tiempo (T) está dispuesto simétricamente con respecto al momento (t) .

10. Dispositivo, según la reivindicación 8 ó 9, con un algoritmo implementado en el dispositivo de cálculo (12) para calcular un valor medio de magnitud mejorado (Aopt (fi, t) ) a partir del valor medio de magnitud (A (fi, t) ) , eliminando para la determinación de los cuantiles aquellas magnitudes (A (fi, tm) ) del juego de datos (A (t) ) que sobrepasan el valor medio de magnitud (A (fi, t) ) en un valor de diferencia predeterminado.

11. Dispositivo, según una de las reivindicaciones 8 a 10, en el que se determina en el dispositivo de cálculo (12)

para cada uno de los parámetros predeterminados (fi) para múltiples ventanas de tiempo (Lt) sucesivas la desviación 30 media (s (fi, t) ) de las magnitudes (A (fi, tj) ) respecto al valor medio de magnitud (A (fi, t) ) con la ayuda de la relación donde q1-a es el cuantil (1-a) de la distribución normal normalizada, y con la misma se determina la desviación 35 normalizada de las magnitudes con respecto al valor medio de magnitud (A (fi, t) ) y se utiliza para calcular la función de evaluación (K (t) ) .

12. Dispositivo, según la reivindicación 11 en combinación con la reivindicación 10, en el que el valor de diferencia predeterminado corresponde al triple de la desviación media (s) . 40