DE102018113900A1

DE102018113900A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße und Sensorsystem

Info

Publication number: DE102018113900A1
Application number: DE102018113900.4A
Authority: DE
Inventors: Heiko MIKAT; Nikhil Reddy PODDUTURI; Juan Carlos CABREJAS
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2019-12-12
Also published as: CN110579223A; US20190376407A1; US11225882B2

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße umfasst die folgenden Schritte: a) Bereitstellen (S1) eines Datensatzes, der Werte mehrerer Eingangsgrößen und Werte der Messgröße umfasst; b) Ermitteln (S2) von Korrelationen zwischen den Werten der Eingangsgrößen und den Werten der Messgröße; c) Erstellen (S3) eines Sensormodells anhand der ermittelten Korrelationen; d) Erfassen (S5) von zumindest einem weiteren Wert zumindest einer der Eingangsgrößen; und e) Bestimmen (S6) eines Werts der Messgröße basierend auf dem zumindest einen weiteren Wert zumindest einer der Eingangsgrößen und dem Sensormodell. Ferner wird ein Sensorsystem und ein Gasturbinentriebwerk bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße gemäß Anspruch 1, auf ein Sensorsystem gemäß Anspruch 11 und auf ein Gasturbinentriebwerk.
In vielen Situationen, insbesondere beim Betrieb von Maschinen, ist die Kenntnis einer Messgröße oder mehrerer Messgrößen nötig, doch ein Sensor zur Erfassung dieser Messgröße ist defekt oder gar nicht verfügbar. In anderen Situationen ist eine redundante Bestimmung der Messgröße notwendig, aber nur ein einziger Sensor der Messgröße verfügbar. In derartigen Fällen kann ein ausgefallener Sensor repariert, ersetzt oder hinzugefügt werden. Hierzu ist es beim Betrieb von Maschinen unter Umständen notwendig, den Betrieb zu unterbrechen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Bestimmung einer Messgröße zu verbessern.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße, insbesondere einer Messgröße in einem Gasturbinentriebwerk, bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: In einem Schritt (a) wird ein Datensatz bereitgestellt, der Werte mehrerer Eingangsgrößen und Werte der zu bestimmenden Messgröße umfasst. In einem nach dem Schritt a folgenden Schritt (b) werden Korrelationen (insbesondere sämtliche Korrelationen) zwischen den bereitgestellten Werten der Eingangsgrößen und den Werten der Messgröße ermittelt. In einem nach dem Schritt b folgenden Schritt (c) wird ein Sensormodell anhand der ermittelten Korrelationen erstellt. In einem weiteren Schritt (d), der optional nach dem Schritt c durchgeführt wird, wird zumindest ein weiterer Wert von zumindest einer der Eingangsgrößen erfasst. In einem nach dem Schritt c und nach dem Schritt d folgenden Schritt (e) wird zumindest ein Wert der Messgröße basierend auf dem zumindest einen weiteren Wert der zumindest einen der Eingangsgrößen und dem Sensormodell bestimmt, z.B. werden die mehreren Eingangsgrößen an das Sensormodell bereitgestellt, welches dann die Messgröße ausgibt.
Auf diese Weise wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße bereitgestellt, das insbesondere dahingehend verbessert ist, dass ab dem Schritt d ein Sensor zur direkten Erfassung der Messgröße (z.B. ein an einer Stelle angeordneter Temperaturfühler zur Erfassung der Temperatur an dieser Stelle) nicht mehr notwendig ist. Der Wert der Messgröße kann anhand des Sensormodells und des weiteren Werts oder der weiteren Werte der einen Eingangsgröße (oder der mehreren Eingangsgrößen) ermittelt werden. Hierdurch ist es möglich, den Ausfall eines Sensors zu kompensieren. Alternativ ist es möglich, auf einen oder mehrere Sensoren zu verzichten und weiter die Messgröße zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Aufbau einer in den Schritten d und e eingesetzten Sensoranordnung, die den zumindest einen weiteren Wert der zumindest einen Eingangsgröße bereitstellt, vereinfacht werden. Ferner kann ein die Messgröße erfassender Sensor überwacht werden.
Die Ermittlung der Korrelationen in Schritt b ermöglicht es, völlig ohne Kenntnis der zugrundeliegenden physikalischen Zusammenhänge in einfacher Weise ein präzises Sensormodell aufzustellen. Beispielsweise werden in Schritt a als Eingangsgrößen die an sämtlichen verfügbaren Messstellen gemessenen Größen einbezogen, z.B. Messwerte sämtlicher Sensoren eines Gasturbinentriebwerks. Durch die Korrelationsanalyse können diejenigen Eingangsgrößen ausgewählt werden, die eine signifikante Korrelation mit der Messgröße aufweisen. Auf diese Weise kann in besonders kurzer Zeit auf den Ausfall eines beliebigen Sensors reagiert werden. Das Verfahren kann insbesondere bei Maschinen angewandt werden, bei denen sämtliche zu messenden und zu bestimmenden Größen miteinander korreliert sind. Beispielsweise können bei einem Gasturbinentriebwerk sämtliche mittels Sensoren gemessenen Größen miteinander korreliert sein, insbesondere sämtliche thermodynamischen Größen im Inneren des Gasturbinentriebwerks.
Das Verfahren stellt einen virtuellen Sensor bereit, bei dem die Messgröße über die (die Messgröße nicht direkt angebenden) Eingangsgrößen ermittelt wird.
Optional werden die in Schritt a bereitgestellten Werte der Messgröße von einem die Messgröße (direkt) messenden (körperlichen) Sensor bereitgestellt oder sind von einem solchen Sensor bereitgestellt worden. Der Sensor ist ausgebildet und angeordnet, auf die Messgröße (unmittelbar) anzusprechen.
In Schritt c kann eine Untergruppe von Eingangsgrößen der mehreren Eingangsgrößen ausgewählt werden. Die Untergruppe umfasst einen Teil der Eingangsgrößen. Ferner kann vorgesehen sein, dass bei der Erstellung des Sensormodells nur die Untergruppe von Eingangsgrößen verwendet wird, nicht aber die übrigen Eingangsgrößen. Die Auswahl der Untergruppe erfolgt z.B. auf Basis der ermittelten Korrelationen. So kann vorgesehen sein, dass sämtliche Eingangsgrößen der Untergruppe mit der Messgröße korreliert sind, insbesondere in zumindest einem vorbestimmten Maß korreliert sind.
Das Sensormodell wird z.B. mittels eines selbstlernenden Algorithmus ermittelt. So ist es möglich, ohne Kenntnis der zugrundeliegenden physikalischen Zusammenhänge präzise Werte der Messgröße zu bestimmen. Insbesondere wird das Sensormodell ohne Anwendung (optional sogar ohne Kenntnis) eines physikalischen Modells, das die Werte der Eingangsgröße(n) mit den Werten der Messgröße verknüpft, ermittelt. Die Ermittlung eines tatsächlichen physikalischen Modells des Sensormodells ist typischerweise besonders zeitaufwändig. Die Anwendung eines selbstlernenden Algorithmus kann im Vergleich dazu besonders schnell erfolgen. Der selbstlernende Algorithmus umfasst z.B. ein künstliches neurales Netz. Das künstliche neurale Netz kann z.B. mit einem überwachten Lernverfahren trainiert werden. Alternativ oder zusätzlich wird zur Ermittlung des Sensormodells ein evolutionärer Algorithmus verwendet, insbesondere eine genetische Programmierung. Dabei hat sich gezeigt, dass besonders präzise Ergebnisse erhältlich sind, wenn mehr Operatoren als Eingangsgrößen eingesetzt werden, z.B. zwei oder drei Operatoren mehr als Eingangsgrößen. Optional wird dabei die Anzahl an Iterationen als Abbruchkriterium vorgegeben, z.B. für eine schnelle Ermittlung des Sensormodells. Insbesondere bei einer besonders präzise zu bestimmenden Messgröße kann die Qualität des mittels des Sensormodells bestimmten Werts der Messgröße als Abbruchkriterium herangezogen werden. Beispielsweise kann ein Kriterium sein, dass die Abweichung des bestimmten Werts der Messgröße von einem Referenzwert (z.B. einem mittels eines körperlichen Sensors gemessenen Wert) eine vorbestimmte Schwelle unterschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann das Sensormodell unter Verwendung eines genetischen Algorithmus ermittelt werden. Ferner ist es möglich, zur Ermittlung des Sensormodells zumindest eine Regressionsanalyse durchzuführen. Optional (insbesondere im Zusammenhang mit einer der vorgenannten Methoden) wird bei der Ermittlung des Sensormodells ein gleitender Mittelwert gebildet (moving average), z.B. von einer oder mehreren Eingangsgrößen und/oder von der Messgröße.
Das Sensormodell kann eine Korrelationsmatrix umfassen. Alternativ oder zusätzlich wird das Sensormodell mittels einer Korrelationsmatrix ermittelt. Beispielsweise werden mittels der Korrelationsmatrix die stärksten Korrelationen ermittelt und das Sensormodell auf diese Korrelationen basiert.
Optional sind die zumindest eine Eingangsgröße und die Messgröße Größen eines Gasturbinentriebwerks und/oder thermodynamische Größen. Beispielsweise kann ein die Messgröße erfassender Sensor des Gasturbinentriebwerks kontrolliert werden. Auch ist es möglich, die Messgröße weiter zu bestimmen, sofern der Sensor der Messgröße ausfällt. Fällt z.B. während eines Flugs eines Flugzeugs mit einem solchen Gasturbinentriebwerk der Sensor der Messgröße aus, können weiterhin Werte der Messgröße bestimmt werden. Ferner können Messgrößen bestimmt werden, zu denen im Betrieb des Gasturbinentriebwerks (z.B. während eines Fluges) kein Sensor einsetzbar ist, z.B. aus baulichen Gründen.
Die Werte zumindest einer Eingangsgröße in den Schritten a und/oder e können ihrerseits entsprechend den Schritten a bis e bestimmt werden und/oder erfasst worden sein (und dann eine Messgröße darstellen). Auf diese Weise kann eine besonders große Anzahl von Messgrößen mit einer begrenzten Anzahl von Sensoren bestimmt werden.
Beispielsweise gibt die zumindest eine Eingangsgröße einen Druck, eine Temperatur und/oder einen Volumenstrom an.
Die Messgröße kann einen Druck, eine Temperatur, einen Volumenstrom oder eine Stellgröße einer einstellbaren Komponente, insbesondere eines Ventils, angeben.
Die in Schritt a bereitgestellten Werte der Eingangsgrößen können mittels zumindest einem Sensor gemessene Werte und/oder simulierte Werte umfassen. Beispielsweise werden diese Werte der Eingangsgrößen in einer oder mehreren Referenzmessungen ermittelt, insbesondere gemeinsam mit Werten der Messgröße.
Gemäß einem Aspekt wird ein Sensorsystem zur Bestimmung einer Messgröße bereitgestellt, das zur Durchführung des Verfahrens nach einer beliebigen hierin beschriebenen Ausgestaltung ausgebildet und eingerichtet ist.
Gemäß einem Aspekt wird ein Sensorsystem zur Bestimmung einer Messgröße bereitgestellt. Das Sensorsystem umfasst ein Korrelationsmodul, das dazu ausgebildet ist, einen Datensatz zu erhalten, der Werte mehrerer Eingangsgrößen und Werte der Messgröße umfasst, Korrelationen zwischen den Werten der Eingangsgrößen und den Werten der Messgröße zu ermitteln und anhand der ermittelten Korrelationen ein Sensormodell zu ermitteln; und ein Analysemodul, das eingerichtet ist, das Sensormodell von dem Korrelationsmodul zu erhalten, wobei das Analysemodul zumindest einen Eingang und einen Ausgang aufweist und dazu ausgebildet ist, bei Bereitstellen von zumindest einem weiteren Wert zumindest einer der Eingangsgrößen an den zumindest einen Eingang einen Wert der Messgröße basierend auf dem zumindest einem weiteren Wert zumindest einer der Eingangsgrößen und dem Sensormodell zu bestimmen und am Ausgang auszugeben. Das Sensorsystem kann zur Durchführung des Verfahrens nach einer beliebigen hierin beschriebenen Ausgestaltung ausgebildet und eingerichtet sein.
Auf diese Weise wird ein Sensorsystem zur Bestimmung einer Messgröße bereitgestellt, das insbesondere dahingehend verbessert ist, dass zur Erfassung der Messgröße ein Sensor nicht zwingend notwendig ist. Das Sensorsystem, konkret das Analysemodul, stellt einen virtuellen Sensor bereit.
Optional umfasst das Korrelationsmodul eine Speichereinrichtung, auf welcher der Datensatz gespeichert ist.
Das Sensorsystem kann ferner zumindest einen Sensor umfassen, der ausgebildet und eingerichtet ist, Werte einer Eingangsgröße zu messen und an den zumindest einen Eingang des Analysemoduls bereitzustellen.
Der Sensor ist z.B. ein Drucksensor, ein Temperaturfühler oder ein Volumenstrommesser.
Gemäß einem Aspekt wird ein Gasturbinentriebwerk bereitgestellt, insbesondere ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug. Das Gasturbinentriebwerk umfasst zumindest einen virtuellen Sensor. Optional umfasst das Gasturbinentriebwerk ein Sensorsystem nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung, das insbesondere einen virtuellen Sensor bereitstellen kann. Der virtuelle Sensor kann mehrere verschiedene Eingangsgrößen verarbeiten und eine Messgröße bestimmen.
Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal oder Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal oder ein beliebiger Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden und/oder mit einem beliebigen anderen Merkmal oder Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:

1 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine Seitenschnittgroßansicht eines Abschnitts des Gasturbinentriebwerks mit einem Sensorsystem;
3 eine schematische Ansicht des Sensorsystems des Gastu rb i nentriebwerks;
4 eine schematische Ansicht eines Sensorsystems für das Gasturbinentriebwerk; und
5 ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße.

1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Fan 23, der zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Das Kerntriebwerk 11 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Der Fan 23 ist über eine Welle 26 und ein epizyklisches Planetengetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
Im Betrieb wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo eine weitere Verdichtung erfolgt. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie zur Bereitstellung einer gewissen Schubkraft durch die Düse 20 ausgestoßen werden. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 durch eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Der Fan 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Optional kann das Getriebe Neben- und/oder alternative Komponenten (z. B. den Mitteldruckverdichter und/oder einen Nachverdichter) antreiben.
Andere Gasturbinentriebwerke, bei denen die vorliegende Offenbarung Anwendung finden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein weiteres Beispiel weist das in 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine Teilungsstromdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal 22 seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse 20 separat und davon radial außen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal 22 und der Strom durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbofantriebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Fanstufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon wird bzw. werden durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in 1) umfasst. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung verlaufen senkrecht zueinander.
2 zeigt weitere Details des Gasturbinentriebwerks 10. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst ein Sensorsystem 4. Das Sensorsystem 4 umfasst mehrere körperliche (Hardware-)Sensoren 42A-42J, die an mehreren Stellen des Gasturbinentriebwerks 10 angeordnet sind. Im gezeigten Beispiel sind am Hochdruckverdichter 15, an einer Kraftstoffleitung 161, an einer Brennkammer 163 der Verbrennungseinrichtung 16, an der Hochdruckturbine 17 und an der Niederdruckturbine 19 jeweils Sensoren 42A-42J montiert. Diese Sensoren 42A-42J sind über Signalleitungen mit einem Analysemodul 41 verbunden. An das Analysemodul 41 können weitere Sensoren angeschlossen sein, die in 2 nicht gezeigt sind.
Am Hochdruckverdichter 15 sind ein Sensor 42A zur Messung des Volumenstroms der durchströmenden Luft, ein Sensor 42B zur Messung der Temperatur der durchströmenden Luft und ein Sensor 42C zur Messung des Drucks der durchströmenden Luft angeordnet.
Die Verbrennungseinrichtung 16 umfasst eine Kraftstoffeinspritzung 160, mittels der über die Kraftstoffleitung 161 bereitgestellter Kraftstoff in die Brennkammer 163 eingespritzt wird. Die eingespritzte Kraftstoffmenge ist mittels eines einstellbaren Ventils regulierbar. An der Kraftstoffleitung 161 ist ein Sensor 42D zur Messung des Volumenstroms des durchströmenden Kraftstoffs angeordnet. An der Brennkammer 163 sind ein Sensor 42E zur Messung der Temperatur und ein Sensor 42F zur Messung des Drucks in der Brennkammer 163 angeordnet.
An der Hochdruckturbine 17 und der Niederdruckturbine 19 sind jeweils ein Sensor 42G, 421 zur Messung der Temperatur der durchströmenden Luft und ein Sensor 42H, 42J zur Messung des Drucks der durchströmenden Luft angeordnet.
Es ist darauf hinzuweisen, dass das Gasturbinentriebwerk 10 nicht zwingend sämtliche der genannten Sensoren 42A-42J umfassen muss.
Das Analysemodul 41 ist dazu ausgebildet, Signale von den Sensoren 42A-42J zu erhalten.
Das Sensorsystem 4 stellt einen oder mehrere virtuelle Sensoren bereit. Optional stellt das Sensorsystem 4 für jeden Sensor 42A-42J einen entsprechenden virtuellen Sensor bereit. Fällt im Betrieb des Gasturbinentriebwerks 10 einer der Sensoren 42A-42J aus, z.B. der Sensor 42G zur Messung der Temperatur in der Hochdruckturbine 17, so können die Messwerte dieses Sensors durch Werte für dieselbe Messgröße ersetzt werden, die mit Hilfe des virtuellen Sensors bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich können stets Werte der Messgröße (z.B. der Temperatur im Hochdruckverdichter) ermittelt werden, die dann zur Validierung der Messwerte des Sensors 42G derselben Messgröße mit diesen Messwerten verglichen werden können. Bei einer Abweichung zwischen den vom Sensorsystem 4 (virtuell) ermittelten Werten der Messgröße und den mittels des (körperlichen) Sensors 42G ermittelten Werten der Messgröße kann so auf einen Defekt des Sensors 42G geschlossen werden.
Optional wird in Reaktion auf die Erkennung eines Defekts eines Sensors automatisch ein virtueller Sensor für dessen Messgröße erstellt.
3 zeigt das Sensorsystem 4 des Gasturbinentriebwerks 10, wobei der Einfachheit halber nicht sämtliche Sensoren 42A-42J dargestellt sind.
Das Analysemodul 41 ist z.B. als Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet oder umfasst eine solche Datenverarbeitungseinrichtung. Das Analysemodul 41 umfasst eine Speichereinrichtung 410 zum Speichern von computerlesbaren Daten. Auf der Speichereinrichtung 410 ist das Sensormodell gespeichert. Das Analysemodul 41 umfasst mehrere Eingänge 411, wobei an jedem Eingang 411 ein Sensor 42A-42J angeschlossen ist. Die Sensoren 42A-42J stellen an den jeweils angeschlossenen Eingängen 411 Werte von Eingangsgrößen bereit, die indikativ sind für die vom jeweiligen Sensor 42A-42J zu messende Größe. Das Analysemodul 41 berechnet mittels des Sensormodells und anhand der Werte der Eingangsgrößen einen Wert der Messgröße. Diesen Wert der Messgröße gibt das Analysemodul 41 an einem Ausgang 412 aus. An den Ausgang 412 ist z.B. eine Anzeigeeinrichtung 5 angeschlossen, die den Wert der Messgröße anzeigt.
Das Sensormodell basiert auf Werten der Eingangsgrößen und der Messgröße, wobei diese Werte der Messgröße mittels eines körperlichen Sensors erfasst worden sind. Zur Erstellung des Sensormodells umfasst das Sensorsystem 4 ein Korrelationsmodul 40.
Das Korrelationsmodul 40 umfasst eine Speichereinrichtung 400, auf der ein Datensatz gespeichert ist, der Werte der Eingangsgrößen (z.B. Werte von einigen oder sämtlichen der Sensoren 42A-42J des Gasturbinentriebwerks 10) umfasst. Der Datensatz umfasst ferner Werte der Messgröße, die mittels eines körperlichen Sensors erfasst worden sind, z.B. mittels des Sensors 42G zur Messung der Temperatur in der Hochdruckturbine 17. Das Korrelationsmodul 40 ist dazu ausgebildet, anhand des gespeicherten Datensatzes Korrelationen zwischen den Werten der Eingangsgrößen und den Werten der Messgröße zu ermitteln. Anhand der ermittelten Korrelationen wird eine Untergruppe der Eingangsgrößen ausgewählt, die besonders stark mit der Messgröße korreliert sind. So werden die schwach korrelierten Eingangsgrößen aussortiert, was die Qualität des zu erstellenden Sensormodells verbessern kann. Anhand der ermittelten Korrelationen wird Sensormodell erstellt. Hierbei wendet das Korrelationsmodul 40 maschinelles Lernen an. Im gezeigten Beispiel umfasst das Korrelationsmodul 40 eine genetische Programmierung. Hierbei wird das Sensormodell in mehreren Iterationen nach einem evolutionären Ansatz optimiert.
Das Korrelationsmodul 40 stellt das Sensormodell an das Analysemodul 41 bereit. Hierzu umfasst das Analysemodul 41 einen Eingang 413, über den das Korrelationsmodul 40 mit dem Analysemodul 41 verbunden oder verbindbar ist.
Das Korrelationsmodul 40 ist z.B. als Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet oder umfasst eine solche Datenverarbeitungseinrichtung. Im Beispiel gemäß 3 sind das Korrelationsmodul 40 und das Analysemodul 41 räumlich voneinander getrennt. Das Analysemodul 41 ist am Gasturbinentriebwerk 10 (oder alternativ an einem Flugzeug mit dem Gasturbinentriebwerk 10) angeordnet. Das Korrelationsmodul 40 ist optional, aber nicht zwingend am Gasturbinentriebwerk 10 (oder Flugzeug) angeordnet.
Ist das Korrelationsmodul 40 am Gasturbinentriebwerk 10 angeordnet, kann es kontinuierlich Messwerte von einem, mehreren oder allen der Sensoren 42A-42J erhalten (z.B. über nicht dargestellte Verbindungen mit den Sensoren 42A-42J oder über das Analysemodul 41. Mit diesen Messwerten (welche die Eingangsgrößen und/oder die Messgröße angeben können) kann das Korrelationsmodul 40 kontinuierlich oder in diskreten zeitlichen Schritten das Sensormodell neu erstellen und/oder optimieren und an das Analysemodul 41 bereitstellen. So kann z.B. eine Sensordrift kompensiert werden.
Alternativ ist es möglich, dass das Korrelationsmodul 40 nach Erhalten des Datensatzes, Erstellen des Sensormodells und Bereitstellen des Sensormodells an das Analysemodul 41 (über die in 3 gezeigte Verbindung, alternativ dazu drahtlos, über ein Datennetzwerk oder einen Datenträger) vom Korrelationsmodul 41 beabstandet (und/oder kommunikativ getrennt) ist.
So ist es möglich, dass z.B. Testmessungen am Gasturbinentriebwerk 10 (oder einem baugleichen oder vergleichbaren Gasturbinentriebwerk) durchgeführt werden, bei denen ein körperlicher Sensor für die Messgröße vorgesehen ist. Diese Testmessungen liefern den Datensatz zur Erstellung (und optional für eine Validierung) des Sensormodells. Beim Betrieb des Gasturbinentriebwerks 10 kann die Messgröße dann mittels des (einen virtuellen Sensor bereitstellenden) Analysemoduls 41 bestimmt werden, ohne dass der körperliche Sensor notwendig ist. Hierdurch kann im Betrieb des Gasturbinentriebwerks 10 auf einen oder mehrere Sensoren verzichtet werden, was das Gewicht reduzieren und die Ausfallsicherheit verbessern kann. Zudem ist es möglich, Testmessungen des Gasturbinentriebwerks 10 trotz des Ausfalls eines oder mehrerer Sensoren fortzusetzen. Die an Testständen (z.B. an Höhenprüfständen) für Gasturbinentriebwerke verfügbare Zeit ist regelmäßig begrenzt und die effiziente Auslastung eines Teststandes kann mittels des Sensorsystems 4 verbessert werden, da es z.B. nicht zwingend nötig ist, einen ausgefallenen Sensor auszutauschen.
Die Messgröße stellt in einem Beispiel die Temperatur in der Hochdruckturbine 17 dar. Als Eingangsgrößen kommen hier insbesondere ein Volumenstrom (z.B. einer Luftströmung oder eines Treibstoffflusses), ein Luftdruck stromauf der Brennkammer 163, ein Luftdruck in der Brennkammer 163 und eine Lufttemperatur stromab der Brennkammer 163 in Betracht.
In einem anderen Beispiel stellt die Messgröße die Stellposition (alternativ abgeleitet davon die Bewegung) eines Stellglieds dar, z.B. des Ventils 162. Hierbei kommen als Eingangsgrößen insbesondere der Volumenstrom von Treibstoff in der Treibstoffleitung 161, ein Druck (z.B. in der Brennkammer 163) und eine Temperatur (z.B. in der Brennkammer 163) in Frage.
4 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Sensorsystems 4' für das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 1. Im Unterschied zum Sensorsystem 4 gemäß 3 ist eine einzelne Datenverarbeitungseinrichtung 43 vorgesehen, die sowohl das Korrelationsmodul 40 als auch das Analysemodul 41 umfasst. Das Korrelationsmodul 40 und das Analysemodul 41 sind z.B. in Form von Softwaremodulen ausgebildet, die über eine Softwareschnittstelle miteinander verbunden oder verbindbar sind. Im Übrigen entspricht die Funktionsweise des Sensorsystems 4' der des Sensorsystems 4 gemäß 3.
Optional sind das Korrelationsmodul 40 und/oder das Analysemodul 41 in eine Triebwerkssteuerung (ECU) integriert.
5 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße, insbesondere des Gasturbinentriebwerks 10. Bei dem Verfahren kann insbesondere eines der zuvor beschriebenen Sensorsysteme 4, 4' eingesetzt werden.
In einem ersten Schritt S1 wird ein Datensatz bereitgestellt. Der Datensatz umfasst Werte von mehreren Eingangsgrößen und Werte der (später) zu bestimmenden Messgröße. Die Werte der Messgröße im Datensatz sind insbesondere von einem Hardwaresensor gemessene Werte, d.h. es kann vorgesehen sein, mittels eines Hardwaresensors die Messgröße zu messen und die so erhaltenen Werte im Datensatz zu hinterlegen. Bei einem Gasturbinentriebwerk kann der Datensatz z.B. im Rahmen von Triebwerkstests ermittelt werden, alternativ oder zusätzlich während eines laufenden Betriebs.
In einem zweiten Schritt S2 werden Korrelationen zwischen den Werten der der Eingangsgrößen und den Werten der Messgröße berechnet. Basierend auf den berechneten Korrelationen wird eine Untergruppe von Eingangsgrößen der mehreren Eingangsgrößen ausgewählt. Hierzu kann z.B. eine Korrelationsmatrix erstellt werden. Sämtliche Eingangsgrößen, die signifikant mit der Messgröße korreliert sind, können in die Untergruppe gewählt werden. Alternativ kann eine vorherbestimmte Anzahl (z.B. zwischen drei und zehn) oder ein vorherbestimmter Anteil von Eingangsgrößen mit der stärksten Korrelation als Untergruppe ausgewählt werden.
In einem dritten Schritt S3 wird ein Sensormodell erstellt. Das Sensormodell verknüpft die Eingangsgrößen der Untergruppe von Eingangsgrößen mit der Messgröße. Hierbei kann insbesondere ein selbstlernender Algorithmus verwendet werden. Der selbstlernende Algorithmus wird z.B. mit dem Datensatz trainiert.
In einem optionalen vierten Schritt S4 wird die Qualität des Sensormodells geprüft. Hierzu kann ein weiterer Datensatz bereitgestellt werden (optional wird ein Gesamtdatensatz bereitgestellt, der in den Datensatz und den weiteren Datensatz aufgeteilt wird), der Werte von mehreren Eingangsgrößen und Werte der (später) zu bestimmenden Messgröße umfasst. Dann können mittels des Sensormodells und anhand der Werte der Eingangsgrößen des weiteren Datensatzes die Werte der Messgröße bestimmt werden. Diese Werte können dann mit denen im weiteren Datensatz vorliegenden Messwerten der Messgröße verglichen werden. Sollte die Qualität nicht ausreichend sein (eine Abweichung z.B. einen vorherbestimmten Höchstwert übersteigen), kann zu einem der Schritte S1 bis S3 zurückgekehrt werden. Beispielsweise kann ein anderer, z.B. umfangreicherer Datensatz bereitgestellt werden. Hierzu ist es z.B. möglich, den Datensatz um simulierte Werte von Eingangsgrößen zu ergänzen, insbesondere um simulierte Werte, die Extremwerte repräsentieren. Wird das Verfahren beispielsweise bei dem Gasturbinentriebwerk 10 eingesetzt, kann ein Extremwert einen Überlastungsfall, z.B. eine Überhitzung des Gasturbinentriebwerks 10 darstellen. Ferner kann eine Anordnung der Eingangsgrößen im Datensatz verändert werden. Es können Mittelwerte, z.B. gleitende Mittelwerte gebildet werden, z.B. um Rauschsignale zu unterdrücken und so die Korrelationen präziser zu berechnen. Auch kann die Erstellung des Sensormodells verändert werden, z.B. die Anzahl an Iterationen und/oder an Operatoren variiert werden, wenn beispielsweise eine genetische Programmierung verwendet wird.
Ein alternativ oder zusätzlich in Schritt S4 zu prüfender Qualitätsparameter ist eine Antwortzeit des Sensormodells. Ist diese zu lang, kann das Sensormodell vereinfacht werden. Weiter kann alternativ oder zusätzlich die Stabilität des Sensormodells geprüft werden, z.B. ob starke Ausreißer vorkommen.
Ist in Schritt S4 eine (generell oder für eine bestimmte Anwendung) ausreichende Qualität festgestellt worden, wird mit einem fünften Schritt S5 fortgefahren.
Im fünften Schritt S5 wird (jeweils) zumindest ein weiterer Wert zumindest einer der Eingangsgrößen, insbesondere mehrerer Eingangsgrößen, insbesondere von jeder aus der Untergruppe der Eingangsgrößen erfasst. Hierzu werden die jeweils zugeordneten Sensoren ausgelesen.
In einem sechsten Schritt S6 wird basierend auf dem zumindest einen weiteren Wert der zumindest einen der Eingangsgrößen (insbesondere der Werte der mehreren Eingangsgrößen) und dem Sensormodell zumindest ein Wert der Messgröße berechnet. Auf diese Weise können z.B. ein ausgefallener Sensor ersetzt werden und/oder Werte eines Sensors validiert werden.
Weiter ist es möglich, eine oder mehrere Eingangsgrößen nicht mittels eines Sensors zu messen, sondern ebenfalls gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren zu bestimmen, also mittels eines entsprechenden Sensormodells. So können kaskadenartig virtuelle Sensoren bereitgestellt werden.
Die Schritte S1 bis S4 können z.B. einmal vorab durchgeführt werden, sodass das Sensormodell erhalten wird. Beispielsweise wird hierfür ein erstes Gasturbinentriebwerk verwendet, welches zur Bereitstellung der Messwerte der Messgröße mit einem Sensor oder einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet ist, der/die in einer Serienausfertigung des Gasturbinentriebwerks nicht vorgesehen ist/sind. Die Schritte S5 und S6 können dann zu einem späteren Zeitpunkt, z.B. bei einem oder mehreren anderen (insbesondere baugleichen) Gasturbinentriebwerken durchgeführt werden, z.B. gemäß einer Serienausfertigung.
Mit dem beschriebenen Verfahren können durch Vergleich der bestimmten Messgröße mit Messwerten eines Sensors für die Messgröße optional auch die Eingangsgrößen überwacht werden. So kann auch bei den Sensoren der Eingangsgrößen ein Ausfall oder Defekt festgestellt werden. Im Allgemeinen kann das Verfahren verwendet werden, um eine redundante Bestimmung der Messgröße zu ermöglichen, um eine fehlerhafte Messstelle zu korrigieren und/oder um einen ausgefallenen Sensor zu ersetzen. Hierdurch können bei Tests (z.B. des Gasturbinentriebwerks 10) Unterbrechungen durch eine Reparatur ausgefallener Sensorik oder Wiederholungen durch eine fehlerhafte Sensorik vermieden werden. Ferner können Sensoren eingespart werden, was einen einfacheren Aufbau ermöglicht.
Optional werden eine oder mehrere der Eingangsgrößen nicht mittels eines Sensors gemessen, sondern simuliert oder modellbasiert berechnet.
Das Sensorsystem 4, 4' und das vorstehend beschriebene Verfahren eignen sich unter anderem insbesondere für folgende Anwendungsfälle bei Gasturbinentriebwerken.
Bei Entwicklungstests, die keine Echtzeitüberwachung erfordern, können beliebige Eingangsgrößen eingesetzt werden. Die Schritte S5 und S6 können hierbei online oder offline erfolgen. Hierbei können durch die Bestimmung der Messgröße mittels des Sensormodells die Qualität und Aussagekraft der Testmessungen verbessert werden. Für das Sensormodell kann z.B. eine genetische Programmierung und/oder ein künstliches neurales Netz eingesetzt werden. Ferner können insbesondere derartige Tests mit weniger Sensoren durchgeführt werden. Hierdurch kann das Laufverhalten des Gasturbinentriebwerks verbessert werden.
Bei Entwicklungstests, die eine Echtzeitüberwachung erfordern, werden die Schritte S5 und S6 online durchgeführt. Hierbei kann die Bestimmung der Messgröße mittels des Sensormodells insbesondere einen ausgefallenen Sensor ersetzen, um eine Unterbrechung oder Verzögerung der Tests zu verhindern.
Bei Anwendungsfällen, die eine Echtzeitüberwachung und eine Zertifizierung erfordern, werden die Schritte S5 und S6 online durchgeführt. Hierbei werden als Eingangsgrößen als sicherheitsrelevante Eingangsgrößen ausgewählt. Durch die Bestimmung der Messgröße mittels des Sensormodells kann die Betriebssicherheit des Gasturbinentriebwerks verbessert werden. Für das Sensormodell wird hierbei eine rigorose Modellierung verwendet, bei der der mathematische Zusammenhang zwischen den Eingangsgrößen und der Messgröße bekannt ist.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.
Bezugszeichenliste

4; 4': Sensorsystem
40: Korrelationsmodul
400: Speichereinrichtung
41: Analysemodul
410: Speichereinrichtung
411: Eingang
412: Ausgang
413: Eingang
42A-42J: Sensor
43: Datenverarbeitungseinrichtung
5: Anzeigeeinrichtung
9: Hauptdrehachse
10: Gasturbinentriebwerk
11: Kerntriebwerk
12: Lufteinlass
14: Niederdruckverdichter
15: Hochdruckverdichter
16: Verbrennungseinrichtung
160: Kraftstoffeinspritzung
161: Kraftstoffleitung
162: Ventil
163: Brennkammer
17: Hochdruckturbine
18: Bypassschubdüse
19: Niederdruckturbine
20: Kernschubdüse
21: Triebwerksgondel
22: Bypasskanal
23: Fan
26: Welle
27: Verbindungswelle
30: Getriebe
A: Kernluftstrom
B: Bypassluftstrom

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße, mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen (S1) eines Datensatzes, der Werte mehrerer Eingangsgrößen und Werte der Messgröße umfasst; b) Ermitteln (S2) von Korrelationen zwischen den Werten der Eingangsgrößen und den Werten der Messgröße; c) Erstellen (S3) eines Sensormodells anhand der ermittelten Korrelationen; d) Erfassen (S5) von zumindest einem weiteren Wert zumindest einer der Eingangsgrößen; und e) Bestimmen (S6) eines Werts der Messgröße basierend auf dem zumindest einen weiteren Wert zumindest einer der Eingangsgrößen und dem Sensormodell.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die in Schritt a) bereitgestellten Werte der Messgröße von einem die Messgröße messenden Sensor bereitgestellt werden oder worden sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in Schritt c) eine Untergruppe von Eingangsgrößen der mehreren Eingangsgrößen ausgewählt und zur Erstellung des Sensormodells verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensormodell mittels eines selbstlernenden Algorithmus ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensormodell eine Korrelationsmatrix umfasst und/oder mit Hilfe einer Korrelationsmatrix ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingangsgrößen und die Messgröße Größen eines Gasturbinentriebwerks (10) sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Werte der Eingangsgrößen in den Schritten a) und/oder e) ihrerseits entsprechend den Schritten a) bis e) bestimmt worden sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Eingangsgrößen einen Druck, eine Temperatur und/oder einen Volumenstrom angibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messgröße einen Druck, eine Temperatur, einen Volumenstrom oder eine Stellgröße einer einstellbaren Komponente, insbesondere eines Ventils (162), angibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in Schritt a) bereitgestellten Werte der Eingangsgrößen mittels zumindest einem Sensor (42A-42J) gemessene Werte und/oder simulierte Werte umfassen.
Sensorsystem (4; 4') zur Bestimmung einer Messgröße, insbesondere ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das Sensorsystem (4; 4') umfassend: - ein Korrelationsmodul (40), das dazu ausgebildet ist, einen Datensatz zu erhalten, der Werte mehrerer Eingangsgrößen und Werte der Messgröße umfasst, Korrelationen zwischen den Werten der Eingangsgrößen und den Werten der Messgröße zu ermitteln und anhand der ermittelten Korrelationen ein Sensormodell zu ermitteln; und - ein Analysemodul (41), das eingerichtet ist, das Sensormodell von dem Korrelationsmodul (40) zu erhalten, wobei das Analysemodul (41) zumindest einen Eingang (411) und einen Ausgang (412) aufweist und dazu ausgebildet ist, bei Bereitstellen von zumindest einem weiteren Wert zumindest einer der Eingangsgrößen an den zumindest einen Eingang (411) einen Wert der Messgröße basierend auf dem zumindest einen weiteren Wert zumindest einer der Eingangsgrößen und dem Sensormodell zu bestimmen und am Ausgang (412) auszugeben.
Sensorsystem (4; 4') nach Anspruch 11, wobei das Korrelationsmodul (40) eine Speichereinrichtung (400) umfasst, auf welcher der Datensatz gespeichert ist.
Sensorsystem (4; 4') nach Anspruch 11 oder 12, ferner umfassend zumindest einen Sensor (42A-42J), der ausgebildet und eingerichtet ist, Werte einer Eingangsgröße zu messen und an den zumindest einen Eingang (411) des Analysemoduls (41) bereitzustellen.
Sensorsystem (4; 4') nach Anspruch 13, wobei der Sensor (42A-42J) ein Drucksensor, ein Temperaturfühler oder ein Volumenstrommesser ist.
Gasturbinentriebwerk (10), insbesondere für ein Luftfahrzeug, umfassend einen virtuellen Sensor, insbesondere ein Sensorsystem (4; 4') nach einem der Ansprüche 11 bis 14.