用於利用熱成像預測旋轉機器的零件上的故障的方法和系統的製作方法
2023-04-28 08:43:11
專利名稱：用於利用熱成像預測旋轉機器的零件上的故障的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種方法和系統，其藉助熱成像用於識別錯定向和預測旋轉機器和其零件上的故障。
背景技術：
已知不同的方法用於預測旋轉機器和其零件(例如軸承)和電機的定向的故障。最簡單的是可視檢查，其中查找明顯的損傷。這種損傷是燃油或潤滑油洩漏或可見的裂縫。在可視檢查中還控制存儲油箱的液位，以及過濾器中材料的聚集。
由部分利用聽筒實施的聲學檢查進行振動分析。在此利用麥克風或加速計接收振動信號。多數情況下壓電傳感器用作加速計，所述壓電傳感器今天也實施為MEMS組件。由加速計的加速度信號可以通過單倍或雙倍的集成獲取振動速度或移動的信號。因此聲學檢查的原始頻率範圍由可聽到的部分擴展到超聲波。此外可以通過電子再處理在分析振動測量的數據時使用數學和數字方法，例如傅立葉分析。
另一方法是燃油分析。由於一方面需要取出油樣，另一方面必須向實驗室發送該油樣，而這意味著需要消耗更多時間，因此儘管該方法期相對有效，但其消耗較高。
實踐中越來越多使用的另一方法是熱成像。在此利用紅外攝像機拍攝感興趣的機器零件的圖像。通常這些圖像還與可視光譜區域中拍攝的影像重疊，所述影像由類似或相同的透視角度攝取，其中例如紅外攝像機和用於可視光譜區域的攝像機集成在外殼內。相應的在US2009/0010635中描述了這樣一種攝像機，其利用了重疊來自可視和紅外光譜區域的圖像的技術。為觀察者保留所述拍攝的分析，該觀察者經常被限制於找到紅外圖像中特別突出的溫度值。這種方法有助於例如快速定位熱運行的軸承或由於錯定向而變熱的離合器並採取措施。但是這種變熱零件的定位只有在人類觀察者將變熱的零件正確地分配至紅外圖像中時才有可能。因此US7，706，596在第5欄第54-60行提到對於紅外圖像的分析觀察者必須具備某種技能(「 ski 11」)，這是必須的。
在專利US7，528，372中描述了機械分析紅外圖像的替代方案。其中也提到了將紅外圖像和可視光譜區域中的影像進行重疊。利用計算機實施熱成像拍攝的比較在通常概念中被稱為「熱性能算法(thermal performancealgorithm)」。這種算法的具體實施形式不再贅述。
這種算法可以用於以較大時間間隔拍攝的熱成像拍攝，例如新機器的圖像和同一臺新機器在較長運行之後的圖像。實施這種算法時的問題在於機器中的環境條件，例如車間的溫度會發生變化。其它問題在於運行條件的變化，其因機器的不同運行狀態而產生，或者例如在由電機驅動的泵送中因待傳輸的介質的溫度發生變化而產生。
當系統進行初始啟動或維護時，人為造成待評價機器系統的全負荷，然後拍攝熱成像圖像，這通常也是有利的。為了在稍後時刻檢查機器，再次人為產生全負荷並拍攝熱成像圖像。然後由有經驗的檢查者比較這兩個熱成像圖像。這種方法由於人為導致了全負荷並且觀察者不是不受限地可使用的而費用較高且可信度較低。是否和在多大長程度上正確地考慮參數，例如環境參數或傳輸的介質的量和/或溫度取決於觀察者的經驗和能力。發明內容
本發明的目的在於提供一種方法和系統，其可以比較旋轉機器的零件的紅外圖像，所述機器在不同時刻被拍攝並且提供用於實施的具體算法。
該目的通過根據權利要求1的方法和根據權利要求14的系統得以實現。從屬權利要求的內容是各種有利的設計方案。特別是該目的可以這樣實現，即利用紅外攝像機在圖像中獲取參考狀態並且另一方面比較特定運行持續時間之後拍攝的圖像與該參考圖像。在此這種比較並非由觀察者進行而是由計算機系統進行。
通常可以在構造機器時識別出在隨後的運行中承受特別的負荷並且因此必須進行細心監視的位置或零件。此外在運行機器時經常在特定零件中一再出現問題，這表明該單個零件需要進行特別的監視。這些零件的實例是離合器或滾動軸承，例如用於軸的滾動軸承。
離合器通常用於電機和由該電機驅動的機器零件(例如風扇或用於傳輸流體介質的泵)之間。在此電機相對於泵或風扇的幾何定向對離合器和與離合器連接的軸的軸承的負荷而言具有重要作用。當電機相對於泵或風扇的相對定向未能正確實施或在運行時間內出現兩個零件的移動時，這可能在長時間內不會被注意到並且導致災難性損傷。以規定的時間間隔在機器上設置定向設備相對成本較高，因為這在正常情況下只能在設備靜止狀態下實現。對旋轉的離合器的幾何定向狀態的持續監控由於設置了定向設備而變得困難，因為這種設置僅能在不活動的機器零件中實現。為了避免為檢查定向狀態所需要的機器靜止狀態的高成本，根據本發明實施熱成像拍攝。錯定向顯示為熱成像圖像中離合器區域變熱。
本發明的主題在於使用機器，即使用計算機分析單個零件的不同變熱，其中考慮在相應零件的溫度下具有不同運行參數或不同環境條件的多種影響。為了實現這一點，在啟動新機器之後或成功維護之後拍攝至少一個熱成像圖像，該熱成像圖像用作參考。在選擇視圖時需要注意，承受特別的負荷的零件是可視的，例如上述離合器或軸承。基於機器的構造或基於以前維護該機器或相同類型的其它機器的經驗而確定該視圖。在確定該視圖時，該機器或其零件的製造者提供熱模擬的數據以供使用是有利的，該熱模擬尤其是經常在系列產品中實施。可以有必要在頂蓋或外殼中設置鑽孔，從而可以在機器上設置可以與用於可視光譜區域的攝像機一起設置在外殼中的熱成像攝像機的一個或多個鏡頭，進而可以拍攝選擇的視圖。如果其可以不妨礙運行，則在確定視圖後在為該視圖選擇的攝像機的位置上設置用於攝像機的固定裝置也是具有優點的。由此可以確保一直為拍攝選擇相同的位置。
選擇視圖之後，在參考圖像中識別熱源和熱沉。熱沉例如是基座或在各個視圖中可視的物體，其與環境溫度具有緊密的關係。在通風裝置中其例如也可以是傳輸的流體介質。也可以在對攝像機可視的區域內設置標記或標識牌，其在圖像內可顯示為例如與環境溫度相關的物體。與環境溫度密切相關且可以用作參考的物體的可視的圖像區域被稱為冷位置。
對於熱源，區分這樣兩種熱源，一種是在出現問題時特別的變熱應該得到監控的熱源，另一種是在正常運行中具有升高溫度的熱源。在出現問題的情況下受到監控的熱源被稱為第一熱位置。這種變熱的實例是電機損耗、離合器上的摩擦和軸承摩擦。在正常運行中出現的熱源與冷位置一樣可以用作參考，被稱為第二熱位置。當對通風裝置或泵成像時，傳輸的流體介質既可以是熱源也可以是熱沉。第一熱位置的實例因此是軸承、離合器和電機。
在確定熱源和熱沉時因此需要考慮在圖像中出現的熱源和熱沉之間的熱流。由此，冷位置、第一和第二熱位置隨後藉助其所分配的機器零件而被識別。如上所述與視圖的確定有關，在確定冷位置、第一和第二熱位置時熱模擬是有幫助的。隨後，在參考圖像中和在隨後時刻拍攝的熱成像圖像中識別這些位置所分配的像素，這些像素通常會成為像素組。
根據本發明，現在通過建立在參考圖像中和在稍後的時刻拍攝的熱成像圖像中相互對應的冷位置的溫度之間的數學組合來在正常化意義上協商這兩個圖像之間的關係。由於沒有實施這種正常化，因此直到現在仍需要人類觀察者進行分析。當例如在隨後時刻在更高環境溫度下拍攝的熱成像圖像的所有像素的溫度減少了這樣一個差額時，這種正常化以其最簡單的形式實現，其中所述差額為在參考圖像中的冷位置和在隨後時刻拍攝的圖像中的相同冷位置的溫度之間的差額。這種正常化的精確度可以由此提高，即考慮多個冷位置的溫度，即在所述數學組合中採用。此外也可以在數學組合中考慮無論是參考圖像中還是在隨後時刻拍攝的熱成像圖像中的第二熱位置的溫度。第二熱位置的溫度可以取決於運行參數，如下藉助圖1明確所示。
為了圖解，在機器上分離離合器區域上的頂蓋並且拍攝兩個具有較好和較差定向的熱成像圖像。在此原始圖像的色標被轉換為灰度值，其中白色對應於最高測量溫度，黑色對應於最低測量溫度。
圖1包括具有較好定向的熱成像圖像，並用作參考。左邊可以識別出電機，右邊是被驅動的泵12或被驅動的風扇。在該拍攝中，離合器3不能清除識別。在包括具有較差定向的熱成像圖像的圖2中，可以清楚地看到所有相關的零件。電機的軸安置在軸承I與離合器相對的一側，在軸承2中設置被驅動單元的軸。連接兩個軸的離合器以附圖標記3表/Jn ο具體實施方式
在承受相對較小的熱負荷的底板上標有以附圖標記4表示的多個像素。這組像素表示其中存在這樣的溫度的區域，該溫度略小於環境溫度或甚至等於環境空氣的溫度。因此這個區域也表示冷位置。圖像背景中的另一冷位置以附圖標記13標記。在此其例如是空間的壁，在該空間中進行測量。在以6和7標記的離合器3的區域內確定多個像素作為其中在增大的機械負荷下出現溫度增高的區域。這些區域表示第一熱位置。在軸承I中另一第一熱位置以數字8標記，在軸承2中每個第一熱位置以數字5和9標記。此外在圖1和圖2中的電機11上以同樣程度可識別的另一第二熱位置以附圖標記15標記。在這個第二熱位置15上,確定若干像素14作為熱參考位置。這個熱位置15是電機11的開口，在這裡出現溫度升高。熱位置15的這個溫度也是電機11的負荷狀態和功率消耗的尺度。因此其可以直接與機器的運行參數相關。
在熱成像攝像機的鏡頭中設置十字準線，該十字準線在拍攝中可見並且以附圖標記10標記。利用該十字準線測定兩個軸的連接線。該十字準線的垂直線通過紅外攝像機的取景器在離合器的中間線上定向。也可以根據攝像機的實施設置成不採用十字準線而在攝像機的取景器和影像中看見另一瞄準標記。
因此可以例如在攝像機外殼內設置雷射器，其發射方向對應於攝像機的鏡頭的視向。利用該雷射器可以為用戶預先給定以雷射束瞄準機器上的特定標記點。通過這種瞄準標記一方面可以快速地目視檢查是否找到了用於拍攝的正確位置，並且另一方面當瞄準標記在對象上處於正確位置上時可以在重疊時簡化單個圖像的分配，在進行分析時既可用於人類觀察者也可用於計算機系統，特別是考慮到所需的存儲空間和所需的計算成本。
圖1和圖2的比較示出由於錯定向使得離合器3和其與兩個軸的連接變熱。此外還可以清楚地看到泵12以及兩個軸承I和2變熱。現在為了可以數字分析這兩個圖像，確定不同的興趣區域，所述圖像有利地以數字影像提供。在此首先在兩個圖像中識別的冷位置4用作參考。在計算機系統中確定圖2的被稱為為第一熱成像圖像的熱成像圖像中的冷位置4的溫度。當其未在之前的時刻實施時，同樣確定用作參考的圖1的熱成像圖像中的冷位置4的溫度。現在藉助於這兩個溫度的數學組合可以相對於圖1進行圖2的正常化。因此圖2的所有像素的溫度可以減去圖1中的冷位置4和圖2中的冷位置4之間的溫差而變化。這個溫差因此實現了圖1和圖2的溫度的均衡。作為這種正常化的結果，當其處於可對比狀態並且不承受特別的負荷時，圖2中可見的機器零件與圖1中相同的機器零件具有相同的溫度。
當確定至少一個其他冷位置13時，可以在數學組合中算出多個冷位置上的溫差的平均數。此外有意義的是，還設置一個或多個第二熱位置15作為參考。由這個或這些參考出發，現在藉助一種數學方法實施在隨後時刻拍攝的圖2的熱成像圖像和圖1的參考圖像之間的比較。
根據本發明，在不同時間不同環境條件和運行條件下拍攝的熱成像圖像的這種正常化在計算機系統中實施。一方面可以將熱成像圖像和必要時來自可視光譜區域的圖像由攝像機傳輸到計算機中，該計算機也可以是膝上型電腦，筆記本電腦，手持設備或行動電話。另一方面該計算機也可以集成在相應的攝像機系統中。在此該攝像機系統僅可以包括紅外攝像機。但是也有可能該攝像機系統既包括紅外攝像機也包括用於可視光譜區域的攝像機。
根據本發明這個計算機系統配置有其中存儲熱成像圖像的資料庫。在這個資料庫中也接收其它數據。來自可視光譜區域的圖像、機器和其零件的運行參數、環境溫度和機器和其零件的代碼屬於這些數據。與這些數據和圖像一起，也存儲獲得這些數據的時刻。
單個熱成像圖像的藉助相應的參考的正常化根據本發明通過這些位置的溫度的數學組合進行協商。在最簡單的情況下，該數學組合是減法，其中減去圖1和圖2中的冷位置4的溫差。
當在參考圖像中還確定第二熱位置作為參考時，得到包括分別在圖1和圖2中的第二熱位置的溫差和分別在圖1和圖2中的冷位置的溫差的有意義的數學組合。這些溫差的商現在可以被正常化到圖2中的冷位置，即參考的溫度。
同樣可以在圖1和圖2的每個圖像中為每個圖像各自確定第二熱位置和冷位置之間的溫差並形成溫差的商。可以再次對圖2中的冷位置的溫度進行正常化。
在本發明的一種設計方案中，圖1中在隨後時刻拍攝的圖像通過數學組合在每個單個像素中被正常化到參考圖像上。
在本發明的一種特別有利的設計方案中，僅針對例如在確定視圖時一起選擇的已選區域進行這種正常化。
通過形成各個溫度之間的差和商，數學組合中的其它關係也是有意義的。在此環境溫度和這個或這些冷位置之間的函數相關性是具有優點的。當在數學組合中採用第二熱位置的溫度與機器的一個或多個運行參數之間的函數相關性時也是有利的。這種函數相關性例如存在於熱位置15的溫度和電機11的功率消耗之間。其它函數相關性例如涉及電機11或泵2的轉數以及由泵2傳輸的介質的溫度和/或量。同樣地，成像表面的發射率自然可以影響觀察到的溫度並且在數學組合中得到考慮。這種發射率例如會因被觀察零件上的沉積物而發生變化。
前述文本中提到了關於運行參數的實例，例如電機的功率消耗。不言自明的是，這種功率消耗僅是多個可能的運行參數的一個實例，例如也可以是上述傳輸介質的溫度。對於導電元件，例如保險裝置，這種參數可以是電流消耗。在活動的機器元件中，潤滑油的現有量是另一參數。同樣上述離合器和軸承僅為機器零件的示例。
現在有意義的是，對具有多個存儲的熱成像圖像和從屬的運行參數的資料庫進行分析，從而可以根據經驗找到運行參數與存儲的冷/或熱位置的溫度之間的相互關係。此外還可以在存在缺陷或錯定向時，在去除該缺陷或錯定向之前和之後各拍攝一個熱成像圖像，存儲在資料庫中並且隨後與從屬的運行參數相關聯。該分析的結果現在存儲在資料庫中。因此在運行時間出現大量資料庫，其可以在存在新拍攝的熱成像圖像時說明是否存在損傷，如果是，該損傷屬於什麼類型，或者是否會導致新的損傷和/或新的錯定向。由此可以將本發明結合到預測性維護計劃中。此外可以簡化該維護計劃中的診斷措施，因為熱成像拍攝可以很快並很簡單地創建，而振動測量和其分析或機器零件的新定向於是僅在熱成像圖像中出現異常時才必須實施。
當在計算機系統中的資料庫中存儲圖像時，這樣處理圖像數據是有意義的，即針對多個圖像確定觀察者的共同位置。因此這樣校正各個圖像，使得一直存在在相同的位置上出現相同物體的圖像。因此可以在各個圖像中在相同位置上定位為冷位置和熱位置而存儲的像素或像素組。因此可以更容易地進行數學分析。由此也減少了對資料庫存儲空間的需求。
當不同解析度的圖像相互組合時，這種存儲類型特別具有優點。不同解析度的圖像可能出現在這樣的情況下:使用不同攝相機類型用於熱成像圖像時，或者當熱成像攝像機與用於可視光譜區域的攝像機一起使用時。
沒有必要將用於熱成像圖像的資料庫安放在攝像機本身和特定的計算機系統中，儘管這顯然是本發明的一種實施方式。也有可能擴展在機器的控制或多個機器的控制臺上現有的資料庫，從而利用本發明額外獲得的數據可以在此處存儲。本發明的這種設計方案特別具有優點，因為在現有資料庫中已經存儲了運行數據例如各個運行參數。所述各個運行參數例如可以是電機的電流消耗或泵的轉數。
特別具有優點的是，除了紅外圖像外也可以包括可視光譜區域的這種重疊的圖像，在進行正常化之後在計算機系統的顯示器上以錯誤顏色顯示得以再現。藉助數學組合產生一個新的整體圖像。因此顯現需要特別注意，特別是強調的零件。此外可以使特定零件的溫度偏差與一個特定類型的缺陷相關聯。變熱的離合器結合變熱的軸承如圖所示明確指出錯定向，從而在存在變熱的離合器和變熱的軸承時，例如可以以文本形式或作為語音輸出進行另外的顯示，其指出現在電機相對於泵或相對於電扇的定向應該被檢查並且在需要時被校正。相應地，當離合器未變熱時，在軸承變熱的情況下指出突出的軸承損傷的另一顯示或語音輸出也是有意義的。該顯示或語音輸出包括校正指示，其例如可以是潤滑油儲備的檢查或要進行的振動測量。在第三種情況下，當僅有離合器變熱但軸承未變熱時，非常可能僅在離合器上存在損傷。然後相應的顯示或語音輸出推薦在下次機器停駛時更換離合器。
本發明的一種特別的優點在於，熱成像圖像和其中以所述方式特別突出故障零件的可視光譜區域中的圖像的重疊顯示可以實現機器狀態的特別直觀的再現。
基於構造數據和模擬數據，與在構造機器時風扇或泵的製造者在其CAD系統中對其進行確定一樣，也可以在用於拍攝的上述另一視圖確定之後，在預期的熱成像圖像中確定第一熱位置，並將其連同附屬的機器零件的代碼一起存儲資料庫中。
在本發明的一種有利設計方案中，當確定視圖時識別所有可見的機器零件並在資料庫中存儲附屬的數據。因此在分析資料庫和新拍攝的熱成像圖像時，計算機或用於分析的軟體可以藉助存儲的機器零件數據當新的第一熱位置在熱成像圖像中變得可見時識別所涉及的零件，而無需人類觀察者的介入。
本發明的一種具有優點的應用在於熱增長。正確地定向例如由電機和泵構成的單元一般被視為困難之事，因為這種定向通常在冷狀態下完成。當機器以升高的電機和泵的溫度達到其正常運行狀態時，電機相對於泵的相對定位會發生變化，因為電機和泵在正常狀態下承受不同的熱膨脹。現在有利定向狀態的確定由此簡化地實現，即在熱成像圖像中離合器和軸承上升高的溫度變得簡單可見並且可以進行計算機分析。因此可以例如在測試運行中由電機和泵的這種組合的製造者在冷機器中調整不同的定向狀態。在每種定向狀態下機器都處於運行之中並且進行熱成像拍攝。利用本發明現在可以計算機支持地藉助熱成像圖像確定提到的定向狀態，其中離合器和軸承的變熱最小。根據本發明，在機器的最終位置上可以藉助熱成像拍攝為特定的運行狀態確定一種定向狀態，其中離合器和軸承的變熱最小。這種特定運行狀態例如可以是最頻繁出現的狀態。本發明也實現了簡單地控制實施定向措施或者在不同運行狀態下比較所述定向狀態。
在本發明的另一有意義的設計方案中，可以以常規的時間間隔例如每小時一次拍攝各自一個熱成像圖像。為此熱成像攝像機可以在拍攝時刻之間保持在上述固定裝置上。由這樣收集熱成像圖像，現在可以在藉助一同存儲的運行參數和拍攝時刻計算機支持地確定臨界狀態或將出現的故障。
權利要求
1.一種通過分析熱成像圖像確定機器零件狀態的方法， 其中比較至少一個第一熱成像圖像與至少一個用作參考的另一熱成像圖像， 其中在所述至少一個第一熱成像圖像和所述至少一個用作參考的另一熱成像圖像中為每個至少一個第一像素或每個至少一個第一組像素分配至少一個冷位置， 其中利用所述所述第一熱成像圖像和所述至少一個用作參考的另一熱成像圖像中的所述至少一個冷位置的溫度的數學組合的結果來實施所述至少一個第一熱成像圖像的正常化， 其中在所述至少一個第一熱成像圖像正常化之後，通過與至少一個用作參考的另一熱成像圖像進行比較將至少一個第二像素或至少一個第二組像素識別為至少一個第一熱位置，該第一熱位置被分配給特定的機器零件。
2.根據權利要求1的方法，其中針對為第一熱位置分配的所述至少一個機器零件，產生關於所述機器零件的狀態的說明。
3.根據權利要求1或2的方法，其中在所述至少一個第一熱成像圖像和至少一個用作參考的另一熱成像圖像中為每個至少一個第三像素或每個至少一個第三組像素分配至少一個第二熱位置，該第二熱位置的溫度實現關於機器的運行參數的說明，並且其中在所述第一熱成像圖像和所述至少一個用作參考的另一熱成像圖像中的所述至少一個冷位置的溫度的數學組合中考慮所述至少一個第二熱位置的溫度。
4.根據前述權利要求之一的方法，其中在所述第一熱成像圖像和所述至少一個用作參考的另一熱成像圖像中的所述至少一個冷位置的溫度的數學組合中考慮環境溫度。
5.根據前述權利要求之一的方法，其中在所述數學組合中採用所述機器的運行參數。
6.根據前述權利要求之一的方法，其中在將像素或像素組分配至冷位置或熱位置之前，重疊所述第一熱成像圖像和所述至少一個用作參考的另一熱成像圖像，使得冷位置和熱位置覆蓋在這些圖像上。
7.根據權利要求6的方法，其中在重疊所述第一熱成像圖像和所述至少一個用作參考的另一熱成像圖像時額外重疊來自可視光譜區域的圖像。
8.根據權利要求6或7的方法，其中在重疊所述第一熱成像圖像和所述至少一個用作參考的另一熱成像圖像時考慮瞄準標記。
9.根據權利要求8的方法，其中 利用雷射束產生所述瞄準標記。
10.根據權利要求8的方法，其中由十字準線產生所述瞄準標記。
11.根據前述權利要求之一的方法，其中使用使兩個軸相互連接的離合器和/或滾動軸承作為機器零件。
12.根據前述權利要求之一的方法，其中在資料庫中存儲用於冷位置和熱位置的參考值、運行參數、環境溫度和/或每個機器零件的狀態參數和/或每個機器零件的表面的發射率。
13.根據權利要求12的方法，其中在資料庫中存儲其它熱成像圖像和來自可視光譜區域的圖像。
14.根據權利要求13的方法，其中重疊所述數學組合的結果和在所述資料庫中存儲的圖像並且為用戶顯示該重疊的結果作為結果圖像。
15.用於實施根據權利要求1-14之一所述的方法的系統，包括熱成像攝像機、計算機系統、存儲所述熱成像攝像機的圖像的資料庫、在所述計算機系統上執行的用於實施所述數學組合的軟體和用於所述數學組合的結果的顯示器。
16.根據權利要求15的系統，包括用於可視光譜區域的攝像機。
17.根據權利要求15或16的系統，其中所述軟體以重疊多個熱成像圖像的形式顯示所述數學組合的結果，和/或 在引用權利要求16時，與來自可視光譜區域的圖像重疊。
全文摘要
本發明涉及藉助熱成像圖像的選擇區域的溫度的數學組合計算機支持地識別機器零件上的損傷，例如錯定向和對軸承和離合器的機械損傷。進行計算機支持的識別時可以參考來自可視光譜區域的圖像。
文檔編號G01N25/72GK103140754SQ201180034525
公開日2013年6月5日 申請日期2011年7月12日 優先權日2010年7月13日
發明者R·霍澤爾 申請人:普樂福尼克·迪特·布希股份公司