CH705363B1 - Sensoranordnung für drehende Einrichtungen und System zum Überwachen eines Betriebs einer solchen Einrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (40) und ein System zum Überwachen eines Betriebs einer Einrichtung, welche die Sensoranordnung (40) verwendet. Die Sensoranordnung (40) weist ein Gehäuse (56), das eine Innenfläche (72) beinhaltet, die einen Hohlraum (74) innerhalb des Gehäuses definiert, und einen Näherungssensor auf, der in dem Hohlraum (74) angeordnet ist. Der Näherungssensor weist einen ersten Anschluss (80), einen zweiten Anschluss (82) und eine im Wesentlichen ebene Erfassungsspule (84) auf, die sich zwischen dem ersten Anschluss (80) und dem zweiten Anschluss (82) erstreckt. Die Erfassungsspule (84) erstreckt sich von dem ersten Anschluss (80) derart nach aussen, dass der zweite Anschluss (82) bezüglich der Ausdehnung der ebenen Erfassungsspule (84) radial ausserhalb von dem ersten Anschluss (80) liegt. Die Erfassungsspule (84) umfasst ein temperaturbeständiges Substratmaterial (104) aus Titan und/oder einer Superlegierung. Das System beinhaltet eine Sensoranordnung wie oben beschrieben und eine Recheneinrichtung.

Description

Beschreibung Hintergrund der Erfindung [0001 ] Der hierin offenbarte Gegenstand bezieht sich allgemein auf Überwachungssysteme und genauer gesagt auf Sensoranordnungen zur Verwendung beim Überwachen des Betriebs einer Einrichtung.

[0002] Zumindest einige bekannte Turbinenantriebsysteme umfassen einen Verdichter, eine Brennkammer, die stromabwärts von dem Verdichter angeordnet ist, eine Turbine und eine Rotoranordnung, die drehbar zwischen dem Verdichter und der Turbine verbunden ist. Bekannte Turbinenantriebsysteme können Schwingungen oder ein anderes Verhalten während des Betriebs zeigen. Zumindest einige bekannte Turbinenantriebsysteme weisen Überwachungssysteme auf, die einen oder mehrere Sensoren umfassen, die ein solches Verhalten messen und die zum Beispiel das Ausmass der in einer Rotoranordnung auftretenden Schwingung, eine Drehzahl der Rotoranordnung und/oder irgendeine andere geeignete Betriebseigenschaft des Turbinenantriebsystems bestimmen. Zumindest einige bekannte Überwachungssysteme nutzen Wirbelstrom-(EC)-Sensoren, um Abnormalitäten und/oder Fehler in einem drehenden Maschinenbauteil zu erfassen, wie beispielsweise einer Rotoranordnung. Andere bekannte EC-Prüfeinrichtungen werden zum Erfassen von Rissen, Anschlägen, Dellen, erhabenem Material und/oder anderen Oberflächenmängeln, Unebenheiten auf einer Oberfläche des Bauteils und/oder zum Bewerten von Materialeigenschaften des Bauteils genutzt, wie z.B. der Leitfähigkeit und/oder der Dichte des Bauteils.

[0003] Bekannte Turbinenantriebsysteme arbeiten typischenweise bei relativ hohen Temperaturen. Zumindest einige bekannte Antriebsbauteile arbeiten bei hohen Temperaturen, die bekannte EC-Sensoren beschädigen können und die eine Signalverschlechterung, eine reduzierte Signalstärke und/oder eine reduzierte Signalzuverlässigkeit verursachen können. Daher kann es sein, dass die Nutzung von EC-Sensoren zum Überwachen von Antriebsbauteilen, die bei relativ hohen Temperaturen arbeiten, eingeschränkt oder nicht möglich ist.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine Sensoranordnung und ein System zur Überwachung des Betriebs einer Einrichtung anzugeben, mittels derer ein Bauteil einer Einrichtung überwacht werden kann, die in einer Umgebung hoher Temperatur und/oder einer Umgebung niedriger Temperatur arbeitet.

Kurze Beschreibung der Erfindung [0004] Ein Aspekt der Erfindung ist die Schaffung einer Sensoranordnung. Die Sensoranordnung umfasst ein Gehäuse, das eine Innenfläche aufweist, die einen Hohlraum innerhalb des Gehäuses definiert, und einen Näherungssensor, der in dem Hohlraum angeordnet ist. Der Näherungssensor weist einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und eine im Wesentlichen ebene Erfassungsspule auf, die sich zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss erstreckt. Die Erfassungsspule erstreckt sich von dem ersten Anschluss derart nach aussen, dass der zweite Anschluss bezüglich der Ausdehnung der ebenen Erfassungsspule radial ausserhalb von dem ersten Anschluss ist. Die Erfassungsspule umfasst ferner ein temperaturbeständiges Substratmaterial aus Titan und/oder einer Superlegierung.

[0005] Ein anderer Aspekt der Erfindung ist die Schaffung eines Systems zur Überwachung des Betriebs einer Einrichtung. Das System beinhaltet eine Recheneinrichtung zum Überwachen eines Zustands der Einrichtung und eine Sensoranordnung, die mit der Recheneinrichtung verbunden ist. Die Sensoranordnung ist zum Erfassen einer Position eines Bauteils der Einrichtung und zum Erzeugen eines Signals eingerichtet, das die erfasste Position angibt. Die Sensoranordnung weist ein Gehäuse mit einer Innenfläche, die einen Hohlraum innerhalb des Gehäuses definiert, und einen Näherungssensor auf, der in dem Hohlraum angeordnet ist. Der Näherungssensor beinhaltet einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und eine im Wesentlichen ebene Erfassungsspule, die sich zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss erstreckt. Die Erfassungsspule weist eine im Wesentlichen spiralförmige Form auf, die sich von dem ersten Anschluss derart nach aussen erstreckt, dass der zweite Anschluss bezüglich der Ausdehnung der ebenen Erfassungsspule radial ausserhalb von dem ersten Anschluss angeordnet ist. Die Erfassungsspule umfasst ferner ein temperaturbeständiges Substratmaterial aus Titan und/oder einer Superlegierung.

[0006] Zudem wird ein nicht beanspruchtes Verfahren zum Herstellen einer Sensoranordnung zur Verwendung bei der Überwachung eines Bauteils einer Einrichtung angegeben. Das Verfahren beinhaltet das Abscheiden eines Fotolackmaterials auf einer Aussenfläche eines Erfassungsspulensubstratmaterials. Ein Fotolackmuster wird auf dem Erfassungsspulensubstratmaterial mit einer Form entwickelt, die im Wesentlichen einem Näherungssensor ähnlich ist, der einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und eine im Wesentlichen ebene Erfassungsspule aufweist, die sich zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss erstreckt. Das Sensorsubstratmaterial wird zum Ausbilden eines Näherungssensors geätzt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0007]

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Einrichtung.

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Sensoranordnung, die mit der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung verwendet werden kann.

Fig. 3 ist eine teilweise Querschnittsansicht der in Fig. 2 gezeigten und entlang der Linie 3-3 geschnittenen Sensoranordnung.

Fig. 4 ist eine andere teilweise Querschnittsansicht der in Fig. 2 gezeigten und entlang der Linie 4-4 geschnittenen Sensoranordnung.

Fig. 5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens, das zum Herstellen der in Fig. 2 gezeigten Sensoranordnung verwendet wenden kann.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung [0008] Die hierin beschriebenen beispielhaften Sensoranordnungen und Systeme überwinden zumindest einige Nachteile von bekannten Überwachungssystemen durch Vorsehen eines Näherungssensors, der ein Bauteil einer Einrichtung überwacht, die in einer Umgebung hoher Temperatur und/oder einer Umgebung niedriger Temperatur arbeitet. Ausserdem weist der hier beschriebene Näherungssensor eine ebene Erfassungsspule mit im Wesentlichen spiralförmiger Form auf, zu der ein Substratmaterial gehört, das ein temperaturbeständiges Material aus Titanmaterial und/oder einer Superlegierung beinhaltet. Darüber hinaus kann durch Vorsehen eines Näherungssensors, der eine ebene Erfassungsspule aufweist, die Erfassungsspule unter Nutzung von Fotoätzverfahren oder Laserschneidverfahren hergestellt werden. Durch Vorsehen eines Näherungssensors, der Hochtemperaturbauteile und Niedrigtemperaturbauteile überwacht, erleichtert das hier beschriebene Überwachungssystem die Vergrösserung der Anzahl von Antriebsbauteilen, die überwacht werden können. Darüber hinaus kann durch Vorsehen einer planaren Erfassungsspule, die unter Verwendung von Fotoätzverfahren und/ oder Laserschneidverfahren hergestellt werden kann, die Geometrie der Erfassungsspule optimiert werden, um die elektrischen Eigenschaften der Spulen derart zu verbessern, dass ein minimaler elektrischer Widerstand sowie eine niedrige Zwischenwicklungskapazität aufrechterhalten werden. Daher wird der lineare Bereich und die Näherungsleistung der Erfassungsspule verbessert.

[0009] Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften Einrichtung 10. Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Überwachungssystems 12, das mit der Einrichtung 10 verwendet werden kann. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die Einrichtung 10 ein Turbinenantrieb, der typischerweise bei relativ hohen Betriebstemperaturen arbeitet. Jedoch sollten Fachleute und von den Lehren hier angeleitete Personen erkennen, dass die hier beschriebene vorliegende Erfindung auch in jeder geeigneten Einrichtung ausgeführt werden kann und nicht nur in Turbinenantrieben ausgeführt werden kann. Zum Beispiel kann die Einrichtung 10 ein Kühlsystem sein, wie beispielsweise ein Tieftemperatursystem, das bei relativ niedrigen Betriebstemperaturen arbeitet. Daher dient der Turbinenantrieb 10, so wie er hier beschrieben und dargestellt ist, lediglich zu Darstellungszwecken. Bei einer Ausführungsform kann der Turbinenantrieb 10 eine 9FA-Turbine oder eine ähnliche Einrichtung sein, die von der General Electric Company in Schenectady, NY, angeboten wird.

[0010] Bei der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Turbinenantrieb 10 einen Einlassabschnitt 14, einen Verdichterabschnitt 16, der stromabwärts zu dem Einlassabschnitt 14 angeordnet ist, einen Brennkammerabschnitt 18, der stromabwärts mit dem Verdichterabschnitt 16 verbunden ist, einen Turbinenabschnitt 20, der stromabwärts mit dem Brennkammerabschnitt 18 verbunden ist, und einen Auslassabschnitt 22. Mit dem Turbinenabschnitt 20 und dem Verdichterabschnitt 16 ist eine Rotoranordnung 24 verbunden und umfasst eine Antriebswelle 26, die sich entlang einer Mittelachse 28 zwischen dem Turbinenabschnitt 20 und dem Verdichterabschnitt 16 erstreckt. Darüber hinaus umfasst die Rotoranordnung 24 auch mindestens ein Lagerelement, wie beispielsweise mindestens ein Lager 30, zum Lagern der Antriebswelle 26. Der Brennkammerabschnitt 18 umfasst mehrere Brennkammern 32. Der Brennkammerabschnitt 18 ist mit dem Verdichterabschnitt 16 derart verbunden, dass jede Brennkammer 32 mit dem Verdichterabschnitt 16 in Strömungsverbindung steht.

[0011] Mit jeder Brennkammer 32 ist eine Brennstoffanordnung 34 verbunden, um einen Brennstoffstrom zu der Brennkammer 32 vorzusehen. Der Turbinenabschnitt 20 ist drehbar mit dem Verdichterabschnitt 16 und mit einem elektrischen Generator 36 mit der Antriebswelle 26 verbunden, um elektrische Energie während des Betriebs des Turbinenantriebs 10 zu liefern. Der Generator 36 ist mit einer Energiequelle verbunden, wie zum Beispiel einem elektrischen Versorgungsnetz (nicht gezeigt) zum Verteilen von elektrischer Energie auf das Versorgungsnetz.

[0012] Bei der beispielhaften Ausführungsform umfasst das Überwachungssystem 12 eine Recheneinrichtung 38, die mit mehreren Sensoranordnungen 40 verbunden ist. Jede Sensoranordnung 40 erfasst verschiedene Betriebsparameter in Bezug auf den Betrieb und die Umgebungsbedingungen des Turbinenantriebs 10. Die Sensoranordnungen 40 können Schwingungssensoren, Positionssensoren, Temperatursensoren, Beschleunigungssensoren, Fluiddrucksensoren, Leistungslastsensoren und/oder beliebige andere Sensoren beinhalten, die verschiedene Parameter in Bezug auf den Betrieb des Turbinenantriebs 10 erfassen, jedoch nicht ausschliesslich solche Sensoren aufweisen. Sowie hier verwendet, bezieht sich der Begriff «Parameter» auf physikalische Eigenschaften, deren Werte verwendet werden können, um die Betriebsund Umgebungszustände des Turbinenantriebs 10 zu definieren, wie beispielsweise eine Relativposition eines Bauteils, Schwingungen, Temperaturen, Fluiddrücke, Elektrizitätslast, Drehzahl und Fluidströme an definierten Stellen.

[0013] Bei der beispielhaften Ausführungsform enthält das Überwachungssystem 12 mindestens eine Sensoranordnung 40 in Form eines Näherungssensors 42. Der Näherungssensor 42 ist zu einem Bauteil 44 des Turbinenantriebs 10, wie beispielsweise dem Verdichterabschnitt 16, dem Turbinenabschnitt 20, der Antriebswelle 26 und/oder dem Lager 30 be nachbart angeordnet, um eine Schwingung und/oder eine Relativposition des Bauteils 44 zu erfassen, wenn das Bauteil rotiert. Der Näherungssensor 42 ist mit der Recheneinrichtung 38 verbunden und dazu eingerichtet, eine Position des Bauteils 44 bezüglich des Näherungssensors 42 zu erfassen, sowie weiter dazu eingerichtet, die erfasste Position an die Recheneinrichtung 38 zu übertragen.

[0014] Die Recheneinrichtung 38 weist einen Prozessor 46 und eine Datenspeichereinrichtung 48 auf. Der Prozessor 46 ist mit dem Näherungssensor 42 kommunizierend verbunden und umfasst irgendeine geeignete programmierbare Schaltung, die ein oder mehrere Systeme und Mikrocontroller, Mikroprozessoren, Schaltungen mit reduziertem Befehlssatz (RISC), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), programmierbare Logik-Schaltungen (PLC), im (Anwen-dungs-)Feld programmierbare (Logik-)Gatter-Anordnung (FPGA) und jede andere Schaltung umfassen kann, die in der Lage ist, die hier beschriebenen Funktionen auszuführen. Die hier beschriebenen Verfahren können als ausführbare Befehle kodiert sein, die in einem nichtflüchtigen computerlesbaren Medium ausgeführt sind, wie einer Speichereinrichtung und/oder eine Datenspeichereinrichtung. Solche Befehle bewirken, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, dass der Prozessor wenigstens einen Teil der hier beschriebenen Verfahren durchführt. Bei der beispielhaften Ausführungsform besteht die Datenspeichereinrichtung 48 aus einer oder mehreren Einrichtungen, die ermöglichen, dass Informationen, wie beispielsweise ausführbare Befehle und/oder andere Daten, selektiv gespeichert und abgerufen werden. Die Datenspeichereinrichtung 48 kann ein oder mehrere computerlesbare Medien umfassen, wie dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAM), statische Direktzugriffsspeicher (SRAM), einen Festkörperplattenspeicher und/oder eine Festplatte. Die Datenspeichereinrichtung 48 kann dazu eingerichtet sein, ausführbare Befehle und/oder jede andere Art von Daten zu speichern, die zur Verwendung mit den hier beschriebenen Verfahren geeignet sind.

[0015] Die Recheneinrichtung 38 umfasst auch eine Anzeige 50, um einem Benutzer eine graphische Darstellung und/ oder Mitteilung anzuzeigen. Die Anzeige 50 ist mit dem Prozessor 46 verbunden und kann eine Vakuumfluoreszenzanzeige (VFD) und/oder eine oder mehrere Leuchtdioden (LED) umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann die Anzeige 50 eine Flüssigkristallanzeige (LCD), eine Kathodenstrahlröhrenanzeige (CRT), eine Plasmaanzeige und/oder jede geeignete optische Ausgabeeinrichtung umfassen, die in der Lage ist, dem Benutzer graphische Daten und/oder Text anzuzeigen. Bei der beispielhaften Ausführungsform kann dem Benutzer auf der Anzeige 50 eine Schwingung des Bauteils 44, eine Position des Bauteils 44 und/oder jede andere Information angezeigt werden. Darüber hinaus kann dem Benutzer auf der Anzeige 50 eine graphische Darstellung der Position und/oder einer Schwingung des Bauteils 44 angezeigt werden.

[0016] Während des Betriebs kanalisiert der Einlassabschnitt 14 Luft in Richtung zu dem Verdichterabschnitt 16. Der Verdichterabschnitt 16 verdichtet die Einlassluft auf einen höheren Druck und Temperaturen und gibt die verdichtete Luft in Richtung zu dem Brennkammerabschnitt 18 ab. Brennstoff wird von der Brennstoffanordnung 34 zu jeder Brennkammer 32 kanalisiert, wobei er in dem Brennkammerabschnitt 18 mit der verdichteten Luft vermischt und gezündet wird. Der Brennkammerabschnitt 18 kanalisiert Verbrennungsgase zu dem Turbinenabschnitt 20, wobei die thermische Energie des Gasstroms in mechanische Drehenergie umgewandelt wird, um den Verdichterabschnitt 16 und/oder Generator 36 anzutreiben. Die Abgase verlassen den Turbinenabschnitt 20 und strömen durch den Auslassabschnitt 22 in die Umgebungsatmosphäre oder einer Nutzstelle, wie beispielsweise einem Wärmerückgewinnungssystem. Bei der beispielhaften Ausführungsform erzeugt der Näherungssensor 42 Wirbelströme, um ein Signal zu erzeugen, das eine Position und/oder Schwingung des Bauteils 44 angibt. Genauer gesagt erzeugt der Näherungssensor 42 Wirbelströme, um ein Signal zu erzeugen, das einen Spalt 52 oder einen Zwischenraum zwischen den rotierenden Maschinenbauteilen 44 angibt, wie beispielsweise einen Spalt oder Zwischenraum zwischen der Antriebswelle 26 und dem Näherungssensor 42. Der Näherungssensor 42 kann ein Signal kontinuierlich, periodisch oder nur einmalig und/oder gemäss irgendeines anderen Zeitschemas übertragen, das es der Recheneinrichtung 38 ermöglicht, den Zustand des Bauteils 44 zu überwachen. Darüber hinaus kann der Näherungssensor 42 ein Signal entweder in einer analogen Form oder in einer digitalen Form übertragen. Die Recheneinrichtung 38 empfängt das erzeugte Signal von dem Näherungssensor 42 und berechnet eine Position und/oder eine Schwingung des Bauteils 44 zumindest teilweise basierend auf dem empfangenen Signal. Darüber hinaus zeigt die Recheneinrichtung 38 auf der Anzeige 50 eine graphische Darstellung der berechneten Position und/oder der berechneten Schwingung des Bauteils 44 an. Darüber hinaus kann die Recheneinrichtung 38 ein akustisches oder visuelles Alarmsignal erzeugen, falls der Zustand des Bauteils 44 ausserhalb vorbestimmter Schwellwerte liegt.

[0017] Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Sensoranordnung 40. Fig. 3 ist eine teilweise Querschnittsansicht der Sensoranordnung 40, geschnitten ungefähr entlang der Linie 3-3. Fig. 4 ist eine teilweise Querschnittsansicht der Sensoranordnung 40, geschnitten ungefähr entlang der Linie 4-4. Bei der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Sensoranordnung 40 ein Sondengehäuse 54, ein Sensorgehäuse 56, das mit dem Sondengehäuse 54 verbunden ist, und einen Näherungssensor 42, der innerhalb des Sensorgehäuses 56 angeordnet ist. Das Sensorgehäuse 56 weist eine Seitenwand 58 auf, die sich zwischen einer vorderen Stirnwand 60 und einer gegenüberliegenden hinteren Stirnwand 62 erstreckt. Die hintere Stirnwand 62 liegt näher an dem Sondengehäuse 54 als die vordere Stirnwand 60 und ist derart angeordnet, dass das Sensorgehäuse 56 von dem Sondengehäuse 54 getragen wird.

[0018] Bei der beispielhaften Ausführungsform weist das Sensorgehäuse 56 auch eine Aussenfläche 64 auf, die eine im Wesentlichen scheibenförmige Form aufweist. Die vordere und die hintere Stirnwand 60 und 62 weisen jeweils einen scheibenförmigen Körper 66 auf, der sich zwischen einer Innenfläche 68 und einer Aussenfläche 70 erstreckt. Die Seitenwand 58 weist eine radial innere im Wesentlichen zylindrische Oberfläche 72 auf, die einen Hohlraum 74 definiert. Der Hohlraum 74 erstreckt sich zwischen der vorderen und der hinteren Stirnwand 60 und 62. Die innere Oberfläche 72 erstreckt sich axial entlang einer Mittelachse 76 zwischen den Stirnwänden 60 und 62. Der Hohlraum 74 ist bemessen und geformt, um den Näherungssensor 42 in sich aufzunehmen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Gehäuse 56 dreieckig, quadratisch, rechteckig, polygonal oder von irgendeiner geeignete Form sein, die der Sensoranordnung 40 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu funktionieren.

[0019] Bezugnehmend auf Fig. 3 und 4 erstrecken sich bei der beispielhaften Ausführungsform drei senkrechte Achsen X, Y und Z durch den Näherungssensor 42, um in Bezug auf den Näherungssensor 42 ein dreidimensionales kartesisches Koordinatensystem zu definieren. Genauer gesagt ist bei der beispielhaften Ausführungsform die Z-Achse im Wesentlichen koaxial zu einem Mittelpunkt 78 des Näherungssensors 42 und derart angeordnet, dass sich die X-Achse und die Y-Achse schneiden, um eine X-Y-Bezugsebene zu bilden. Bei der beispielhaften Ausführungsform weist der Näherungssensor 42 einen ersten Anschluss 80, einen zweiten Anschluss 82 und eine Erfassungsspule 84 auf, die sich zwischen dem ersten Anschluss 80 und dem zweiten Anschluss 82 erstreckt.

[0020] Die Erfassungsspule 84 ist im Wesentlichen eben und weist eine im Wesentlichen spiralförmige Form 86 auf, die im Wesentlichen in der X-Y-Bezugsebene enthalten ist. Die Erfassungsspule 84 hat mehrere Windungen 88, die sich von dem ersten Anschluss 80 derart nach aussen erstrecken, dass der zweite Anschluss 82 radial ausserhalb des ersten Anschlusses 80 angeordnet ist. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Erfassungsspule 84 eine dreieckige, eine quadratische, eine rechteckige, eine polygonale oder jede geeignete Form aufweisen, um dem Näherungssensor zu ermöglichen, wie hierin beschrieben zu funktionieren.

[0021] Bei der beispielhaften Ausführungsform ist der erste Anschluss 80 auf den Mittelpunkt 78 ausgerichtet und die Erfassungsspule 84 erstreckt sich von dem ersten Anschluss 80 derart nach aussen, dass der zweite Anschluss 82 in einem ersten Abstand D1 von dem ersten Anschluss 80 entlang der X-Achse angeordnet und in einem zweiten Abstand D2 von dem ersten Anschluss 80 entlang der Y-Achse angeordnet ist. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist der zweite Anschluss 82 im Wesentlichen parallel zu der Y-Achse ausgerichtet und der erste Anschluss 80 ist im Wesentlichen parallel zu der X-Achse ausgerichtet, so dass der zweite Anschluss 82 innerhalb der X-Y-Bezugsebene im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Anschluss 80 ausgerichtet ist. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der zweite Anschluss 82 schräg zu dem ersten Anschluss 80 ausgerichtet sein oder es kann der zweite Anschluss 82 im Wesentlichen parallel zu dem ersten Anschluss 80 ausgerichtet sein. Bei einer Ausführungsform ist die Erfassungsspule 84 innerhalb des Gehäusehohlraums 74 derart angeordnet, dass der erste Anschluss 80 zu der Mittelachse 76 ausgerichtet ist. Alternativ kann die Erfassungsspule 84 innerhalb des Gehäuses 56 derart angeordnet sein, dass der erste Anschluss 80 einen Abstand von der Mittelachse 76 versetzt ist.

[0022] Die Erfassungsspule 84 hat die Gestalt eines im Wesentlichen flachen, gewundenen Stabs 90, der eine rechteckige Querschnittsform und eine radiale Breite W (in Fig. 2 gezeigt), die entlang der X-Y-Bezugsebene gemessen wird, sowie eine Dicke T hat, die entlang der Z-Achse gemessen wird. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Erfassungsspule 84 jede geeignete Querschnittsform aufweisen, um der Sensoranordnung 40 zu ermöglichen, wie hierin beschrieben zu funktionieren. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die radiale Breite W grösser als die Dicke T. Alternativ kann die radiale Breite W weniger als oder gleich der Dicke T sein.

[0023] Bei der beispielhaften Ausführungsform beinhaltet die Sensoranordnung 40 ein oder mehrere Verbindungskabel 92, die sich zwischen der Erfassungsspule 84 und der Recheneinrichtung 38 erstrecken, um die Erfassungsspule 84 elektrisch mit der Recheneinrichtung 38 zu verbinden (gezeigt in Fig. 1). Jedes Verbindungskabel 92 kann eine oder mehrere elektrische Leitungen enthalten (nicht gezeigt). Das Sondengehäuse 54 weist eine Innenfläche 93 auf, die einen Hohlraum 94 definiert, der zum Aufnehmen der Anschlusskabel 92 darin bemessen ist, so dass sich die Kabel 92 von der Recheneinrichtung 38 zu der Erfassungsspule 84 durch das Sondengehäuse 54 erstrecken. Das Gehäuse 56 weist eine oder mehrere darin definierte Öffnungen 95 auf, die jeweils so bemessen und geformt sind, dass sie ein oder mehrere Verbindungskabel 92 hindurchgehen lassen, um die Erfassungsspule 84 mit der Recheneinrichtung 38 zu verbinden. Bei der beispielhaften Ausführungsform weist die hintere Stirnwand 62 eine erste Öffnung 96, die bezüglich des ersten Anschlusses 80 ausgerichtet ist, und eine zweite Öffnung 98 auf, die bezüglich der zweiten Öffnung 98 ausgerichtet ist. Ein erstes Verbindungskabel 100 erstreckt sich durch die erste Öffnung 96 und ist mit dem ersten Anschluss 80 verbunden. Ein zweites Verbindungskabel 102 erstreckt sich durch die zweite Öffnung 98 und ist mit dem zweiten Anschluss 82 verbunden.

[0024] Bei der beispielhaften Ausführungsform kann die Sensoranordnung 40 in Umgebungen arbeiten, die Betriebstemperaturen in einem Temperaturbereich zwischen ungefähr-200 °C bis ungefähr 1000 °C haben. Bei der beispielhaften Ausführungsform sind das Gehäuse 56 und das Sondengehäuse 54 jeweils zumindest teilweise aus einem keramischen Material hergestellt. Bei einer Ausführungsform sind das Gehäuse 56 und das Sondengehäuse 54 jeweils aus Materialien hergestellt, die mindestens eines von: Aluminiumoxid (zum Beispiel 92% Aluminiumoxid), Aluminiumnitrid, Borosilikatglas, Quarz, Sialon, bei niedriger Temperatur gemeinsam gebrannte Keramik, Siliziumnitrid, Aluminium, Siliziumcarbid, Saphir, Zirkonium oder jedes andere geeignete technische Keramikmaterial umfassen. Bei der beispielhaften Ausführungsform weist die Erfassungsspule 84 ein Substratmaterial 104 auf, das ein Titanmaterial enthält. Bei einer alternativen Ausführungsform ist oder enthält das Substratmaterial 104 eine Superlegierung, wie zum Beispiel Inconel® oder Incoloy®. Alternativ ist oder enthält das Substratmaterial 104 einen rostfreien Stahl oder eine Nickellegierung, wie beispielsweise Nickel-Kobalt. Bei der beispielhaften Ausführungsform wird die Erfassungsspule 84 aus einer im Wesentlichen flachen Platte unter Verwendung von Fotoätzen oder Laserschneiden hergestellt.

[0025] Fig. 5 ist ein Flussdiagramm eines nicht beanspruchten Verfahrens 200, das bei der Herstellung der Sensoranordnung 40 implementiert werden kann. Bei der beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das Verfahren 200 das Abscheiden 202 eines Fotolackmaterials auf einer Aussenfläche des Erfassungsspulensubstratmaterials 104. Ein entwickeltes 204 Fotolackmuster auf dem Erfassungsspulensubstratmaterial 104 weist eine Form auf, die im Wesentlichen einem Näherungssensor 42 ähnlich ist, der den ersten Anschluss 80, den zweiten Anschluss 82 und die Erfassungsspule 84 umfasst, wobei die Erfassungsspule 84 im Wesentlichen spiralförmig ist. Das Erfassungsspulensubstratmaterial 104 wird dann geätzt 206, um den Näherungssensor 42 zu bilden. Bei der beispielhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren 200 auch das Bilden 208 des Erfassungsspulensubstratmaterials aus Materialien, die mindestens eines aus einem Titanmaterial und einem Superlegierungsmaterial 104 umfassen. Darüber hinaus umfasst das Verfahren 200 auch das Bilden 210 des Gehäuses 56, einschliesslich des Hohlraums 74, und Einsetzen 212 der Erfassungsspule 84 in den Hohlraum 74, um den Näherungssensor 42 zu bilden. Darüber hinaus kann das Verfahren 200 das Bilden 214 des Gehäuses 56 aus mindestens einem keramischen Material umfassen. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren 200 das Bilden 214 des Gehäuses 56 und/oder des Sondengehäuses 54 aus Materialien, die mindestens eines aus: Aluminiumoxid (zum Beispiel 92% Aluminiumoxid), Aluminiumnitrid, Borosilikatglas, Quarz, Sialon, bei niedriger Temperatur gemeinsam gebrannte Keramik, Siliziumnitrid, Aluminium, Siliziumcarbid, Saphir, Zirkonium umfassen.

[0026] Ein Fotolackmaterial wird auf einer ersten Seite des Substratmaterials 104 und auch auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Substratmaterials 104 abgeschieden. Es wird dann ein Bild der Erfassungsspule 84 auf mehrere Filmfolien gedruckt, wie zum Beispiel Mylar-Folien. Jede gedruckte Folie wird auf jeder Seite des Substratmaterials 104 angebracht und derart ausgerichtet, dass jede Seite des Substratmaterials 104 ein im Wesentlichen identisches Bild der Erfassungsspule 84 erhält. Die bedruckten Folien werden mit dem Fotolack beschichteten Substratmaterial 104 derart verbunden, dass der Teil des Fotolackmaterials freigelegt bleibt, der der Form der Erfassungsspule 84 entspricht. Jede Seite des Substratmaterials 104 wird dann für eine vorgegebene Zeitspanne mit UV-Licht belichtet, um das freigelegte Fotolackmaterial auszuhärten. Nicht ausgehärtetes Fotolackmaterial wird von dem Substratmaterial 104 entfernt, um das blanke Material freizulegen. Auf das Substratmaterial 104 wird dann eine Ätzlösung aufgetragen, um ein Ätzen und Entfernen des blanken Materials von dem Substratmaterial 104 zu bewirken. Das verbleibende Fotolackmaterial wird dann von dem Substratmaterial zum Bilden der Erfassungsspule 84 entfernt.

[0027] Die Grösse und die Form der Erfassungsspule 84 wird so gewählt, dass die Sensoranordnung 40 eine Position und/oder eine Schwingung eines Gasturbinenbauteils erfasst, das innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs zwischen ungefähr -200 °C bis ungefähr 1000 °C arbeitet. Darüber hinaus wird die Grösse und die Form der Erfassungsspule 84 so ausgewählt, dass die Erfassungsspule 84 unter Verwendung von Fotoätzverfahren und/oder Laserschneidverfahren hergestellt werden und ein Substratmaterial 104 umfassen kann, zu dem ein hochtemperaturbeständiges Material gehört, wie zum Beispiel Titan oder eine Superlegierung. Durch Vorsehen eines Näherungssensors, der Hochtemperaturbauteile und Niedertemperaturbauteile überwacht, ermöglicht das hier beschriebene Überwachungssystem die Erhöhung der Anzahl von Antriebsbauteilen, die überwacht werden können, im Vergleich zu den Antriebsbauteilen, die unter Verwendung bekannter Überwachungssysteme überwacht werden können. Darüber hinaus kann durch Vorsehen einer planaren Erfassungsspule, die unter Verwendung von Fotoätzverfahren und/oder Laserschneidverfahren hergestellt werden kann, die Geometrie der Erfassungsspule optimiert werden, um die elektrischen Eigenschaften der Spulen derart zu verbessern, dass ein minimaler elektrischer Widerstand sowie eine niedrige Zwischenwicklungskapazität erhalten wird. Daher werden der lineare Bereich und die Näherungserfassungsleistungsfähigkeit der Erfassungsspule verglichen mit bekannten Erfassungsspulen verbessert.

[0028] Die oben beschriebenen Sensoranordnungen und Systeme überwinden wenigstens einige Nachteile bekannter Überwachungssysteme durch Vorsehen eines Näherungssensors, der ein Einrichtungsbauteil überwachen kann, das in einer Umgebung hoher Temperatur und/oder in einer Umgebung niedriger Temperatur arbeitet. Darüber hinaus umfasst der hierin beschriebene Näherungssensor ein Substratmaterial, zu dem ein temperaturbeständiges Material gehört, wie zum Beispiel ein Titanmaterial oder ein Superlegierungsmaterial. Darüber hinaus umfasst die hierin beschriebene Sensoranordnung eine ebene Erfassungsspule mit einer im Wesentlichen spiralförmigen Form, die das Herstellen der Erfassungsspule unter Verwendung von Fotoätzverfahren oder Laserschneidverfahren erleichtert. Durch Vorsehen einer planaren Erfassungsspule, die unter Verwendung von Fotoätzverfahren und/oder Laserschneidverfahren hergestellt werden kann, werden die Kosten zum Herstellen eines Überwachungssystems gegenüber bekannten Überwachungssystemen reduziert.

[0029] Beispielhafte Ausführungsformen einer Sensoranordnung zur Verwendung bei der Überwachung eines Betriebs einer Einrichtung und ein Verfahren zum Herstellen der Sensoranordnung sind oben im Detail beschrieben. Vielmehr kann die beispielhafte Ausführungsform in Verbindung mit vielen anderen Überwachungssystemanwendungen implementiert und verwendet werden.

[0030] Obwohl bestimmte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in einigen Zeichnungen gezeigt sein können und in anderen nicht, ist dies nur der Einfachheit halber. In Übereinstimmung mit den Prinzipien der Erfindung kann jedes Merkmal einer Zeichnung auf jedes Merkmal einer beliebigen anderen Zeichnung bezogen werden.

[0031] Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschliesslich der besten Ausführungsform zu offenbaren und auch dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen, einschliesslich das Herstellen und Verwenden aller Einrichtungen oder Systeme.

[0032] Eine Sensoranordnung 40 wird hier beschrieben. Die Sensoranordnung umfasst ein Gehäuse 56, das eine Innenfläche 72 umfasst, die einen Hohlraum 74 innerhalb des Gehäuses definiert, und einen Näherungssensor 42, der in dem Hohlraum angeordnet ist. Der Näherungssensor umfasst einen ersten Anschluss 80, einen zweiten Anschluss 82 und eine im Wesentlichen ebene Erfassungsspule 84, die sich zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss erstreckt. Die Erfassungsspule erstreckt sich von dem ersten Anschluss derart nach aussen, dass der zweite Anschluss radial ausserhalb von dem ersten Anschluss ist. Die Erfassungsspule 84 umfasst ferner ein temperaturbeständiges Substratmaterial aus Titan und/oder einer Superlegierung.

Bezugszeichenliste [0033] 10 Einrichtung 12 Überwachungssystem 14 Einlassabschnitt 16 Verdichterabschnitt 18 Brennkammerabschnitt 20 Turbinenabschnitt 22 Auslassabschnitt 24 Rotoranordnung 26 Antriebswelle 28 Mittelachse 30 Lager 32 Brennkammer 34 Brennstoffanordnung 36 Generator 38 Recheneinrichtung 40 Sensoranordnung 42 Näherungssensor 44 Bauteil 46 Prozessor 48 Datenspeichereinrichtung 50 Anzeige 52 Spalt 54 Sondengehäuse 56 Sensorgehäuse 58 Seitenwand 60 Vordere Stirnwand 62 Hintere Stirnwand

Claims (7)

1. 64 Aussenfläche 66 Scheibenförmigen Körper 68 Innenfläche 70 Aussenfläche 72 Radial innere Oberfläche 74 Hohlraum 76 Mittelachse 78 Mittelpunkt 80 Erster Anschluss 82 Zweiter Anschluss 84 Erfassungsspule 86 Spiralform 88 Windungen 90 Flachstabförmige Erfassungsspule 92 Verbindungskabel 93 Innenfläche 94 Hohlraum 95 Öffnungen 96 Erste Öffnung 98 Zweite Öffnung 100 Erstes Verbindungskabel 102 Zweites Verbindungskabel 104 Substratmaterial 200 Verfahren 202 Abscheiden eines Fotolackmaterials 204 Entwickeln eines Fotolackmusters 206 Ätzen des Sensorspulensubstratmaterials 208 Bilden eines Sensorspulensubstratmaterials 210 Bilden eines Gehäuses 212 Einsetzen der Erfassungsspule 214 Bilden des Gehäuses Patentansprüche

   1. Sensoranordnung (40) umfassend: ein Gehäuse (56) mit einer Innenfläche (68, 72), die innerhalb des Gehäuses einen Hohlraum (74) definiert, und einen Näherungssensor (42), der in dem Hohlraum angeordnet ist, wobei der Näherungssensor einen ersten Anschluss (80), einen zweiten Anschluss (82) und eine im Wesentlichen ebene Erfassungsspule (84) umfasst, die sich zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss erstreckt, wobei sich die Erfassungsspule von dem ersten Anschluss derart nach aussen erstreckt, dass der zweite Anschluss bezüglich der Ausdehnung der ebenen Erfassungsspule (84) radial ausserhalb von dem ersten Anschluss ist und wobei die Erfassungsspule (84) ein temperaturbeständiges Substratmaterial (104) aus Titan und/oder einer Superlegierung umfasst.
2. 2. Sensoranordnung (40) nach Anspruch 1, wobei die Erfassungsspule (84) als ein im Wesentlichen flacher gewundener Stab (90) mit einer im Wesentlichen rechteckigen Querschnittsform ausgebildet ist.
3. 3. Sensoranordnung (40) nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (56) ein keramisches Material umfasst.
4. 4. Sensoranordnung (40) nach Anspruch 1, wobei die Erfassungsspule (84) eine im Wesentlichen spiralförmige Form aufweist, die sich von dem ersten Anschluss (80) nach aussen zu dem zweiten Anschluss (82) erstreckt.
5. 5. Sensoranordnung (40) nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (56) mindestens eine Öffnung (95) umfasst, die sich durch das Gehäuse erstreckt, wobei die mindestens eine Öffnung zum Aufnehmen eines Verbindungskabels (92) bemessen ist, um dem Näherungssensor (84) zu ermöglichen, mit einer Recheneinrichtung (38) elektrisch verbunden zu werden.
6. 6. System (12) zum Überwachen eines Betriebs einer Einrichtung (10), wobei das System umfasst: eine Recheneinrichtung (38) zum Überwachen eines Zustands der Einrichtung (10) mittels einer Sensoranordnung (40), die mit der Recheneinrichtung verbunden ist, wobei die Sensoranordnung zum Erfassen einer Position eines Bauteils der Einrichtung und zum Erzeugen eines Signals eingerichtet ist, das die erfasste Position angibt, wobei die Sensoranordnung umfasst: ein Gehäuse (56) mit einer Innenfläche (68, 72), die einen Hohlraum (74) innerhalb des Gehäuses definiert, und einen Näherungssensor (42), der in dem Hohlraum angeordnet ist, wobei der Näherungssensor einen ersten Anschluss (80), einen zweiten Anschluss (82) und eine im Wesentlichen ebene Erfassungsspule (84) umfasst, die sich zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss erstreckt, wobei sich die Erfassungsspule von dem ersten Anschluss derart nach aussen erstreckt, dass der zweite Anschluss bezüglich der Ausdehnung der ebenen Erfassungsspule (84) radial ausserhalb von dem ersten Anschluss ist und wobei die Erfassungsspule (84) ein temperaturbeständiges Substratmaterial (104) aus Titan und/oder einer Superlegierung umfasst.
7. 7. System (12) nach Anspruch 6, wobei die Erfassungsspule (84) als ein im Wesentlichen flacher gewundener Stab (90) mit einer im Wesentlichen rechteckigen Querschnittsform ausgebildet ist.