CN101002085B - 组件和组件检查器的装置、用于制造该装置的方法和该装置的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于组件(2)和至少一个检测组件老化(4、40)的检查器(3)的装置(1)，其中，检查器具有至少一个振荡电路(31)，组件与振荡电路这样相互连接，使组件的老化引起振荡电路的老化(41)并因此引起振荡电路的可测谐振信号变化。该装置的特征在于，检查器具有至少另一个振荡电路(32)，其具有另一个可测谐振信号，振荡电路与所述另一个振荡电路导电连接成一个总振荡电路(30)，其具有不同于所述谐振信号和所述另一个谐振信号的可测总谐振信号。组件例如为燃气轮机燃烧室的挡热板(20)。振荡电路并联。在振荡电路完好无损的情况下，接收不同于振荡电路老化情况下的高频测量信号。振荡电路由脆陶瓷导电材料组成。挡热板的断裂(老化)作为振荡电路的断裂延续。根据所接收的测量信号可靠得出组件老化的结论。

Description

组件和组件检查器的装置、用于制造该装置的方法和该装置的应用
技术领域
本发明涉及一种用于组件和至少一个用于检测组件老化的检查器的装置，其中，检查器具有至少一个振荡电路和组件与振荡电路这样相互连接，使组件的老化引起振荡电路的老化并因此使振荡电路的可测谐振信号得到改变。本发明还涉及一种用于制造该装置的方法和一种用于在使用该装置的情况下检验组件可靠性性能的方法。
背景技术
例如DE 102 23 985 A1公开了一种所述类型的装置。该组件为燃气轮机燃烧室内使用的陶瓷挡热板。燃气轮机的燃烧室具有内腔和环绕内腔的外壳。燃烧室的内腔内燃烧矿物燃料。燃烧时温度最高达到1500℃。与此同时会产生侵蚀燃烧室外壳的侵蚀性气体。为使外壳防高温和侵蚀性气体的侵蚀，燃烧室加衬大量的陶瓷挡热板。
挡热板是一种由具有非常好的耐高温性和耐侵蚀性的组件材料组成的组件。组件材料是一种陶瓷材料例如莫来石。莫来石由于其具有大量微观裂纹的多孔结构显示出一种非常好的温度突变性。例如在燃气轮机燃烧室内燃烧过程中断时产生的非常强的温度变化得到补偿，而不会破坏挡热板。但在挡热板机械过载时会导致挡热板老化。老化会在挡热板内形成裂纹(宏观裂纹)。这种裂纹在此方面特别是在挡热板的边缘上形成。运行时会导致裂纹向挡热板的中心方向上扩散。裂纹在达到确定的长度之前对挡热板的可靠性性能不会产生不利影响并因此可以被容忍。但如果裂纹超出确定长度，那么挡热板的可靠性性能则不再保证。为避免燃气轮机运行期间由于裂纹造成挡热板断裂而需要更换挡热板。因此也就无条件地需要识别存在的裂纹并确定裂纹的长度。
为检测在挡热板的中心方向上超出允许长度延续的裂纹，公开装置的检查器具有作为振荡电路构成的导体结构。振荡电路起到电磁高频信号的接收机和发射机的作用。如果振荡电路功能正常，高频信号可与振荡电路的谐振频率输入耦合和输出耦合。而如果振荡电路损坏，高频信号就不能与振荡电路的谐振频率输入和输出耦合。
振荡电路和挡热板这样彼此设置，使存在的裂纹从边缘向挡热板的中心方向上扩散导致振荡电路的老化。因此收不到谐振信号。谐振信号的缺失解释为振荡电路的中断。更换挡热板。
但振荡电路谐振信号的缺失也可以是除振荡电路老化之外的其它原因。可能是检查器用于检测谐振信号的天线失灵。同样可能是天线和振荡电路的彼此设置不当，从而仅探测到很弱的信号或者根本探测不到信号。
发明内容
本发明的目的因此在于，提供一种可能性，利用其与现有技术相比可以可靠地证明组件的可靠性性能。
为实现该目的提供一种用于组件和至少一个用于检测组件老化的检查器的装置，其中，检查器具有至少一个振荡电路，组件与振荡电路这样相互连接，使组件的老化引起振荡电路的老化并因此使振荡电路的可测谐振信号得到改变。该装置的特征在于，检查器具有至少另一个振荡电路，其具有另一个可测谐振信号，该振荡电路与该另一个振荡电路导电连接成一个总振荡电路，其具有不同于该谐振信号和该另一个谐振信号的可测总谐振信号，其中振荡电路和另一个振荡电路通过并联错接连接成总振荡电路。
为实现该目的还提供一种用于制造该装置的方法，具有以下方法步骤：a)彼此设置组件和导体材料和/或导体材料的初级材料，以及b)组件和导体材料和/或导体材料的初级材料这样固定连接，使构成总振荡电路的导体结构在组件上形成。
此外，为实现该目的还提供一种用于在使用所述的装置的情况下检验组件可靠性性能的方法，具有以下方法步骤：a′)检测检查器的测量信号，以及b′)使测量信号与振荡电路的谐振信号和/或与另一个振荡电路的另一个谐振信号和/或与总振荡电路的总谐振信号相配合，其中，根据配合得出组件可靠性性能的结论。
振荡电路、另一个振荡电路和总振荡电路由电阻、电容和电感的任意导体结构组成。导体结构的尺寸、形状和导体材料以及导体结构与组件相互的固定连接这样选择，使组件的老化在导体结构的老化上并因此在振荡电路的老化上延续。导体结构的振荡电路的老化导致导体结构的可测的测量信号的改变。这种改变通过导体结构测量信号的实际值与(预计的)额定值的比较测定。根据比较得出组件可靠性性能的结论。与现有技术相反，本发明中所关心的是在任何情况下只要检查器功能正常就接收到测量信号。如果没有检测到测量信号，那么它无疑说明检查器失灵。例如检查器的天线失灵。也可以设想由振荡电路组成的总振荡电路损坏。
本发明中重要的是振荡电路与另一个振荡电路连接成一个总振荡电路。在一种特殊的构成中，振荡电路和另一个振荡电路通过并联错接连接成总振荡电路。并联错接例如通过两个振荡电路的电容并联错接实现。
在另一种构成中，检查器具有至少一个装置，用于向振荡电路和/或另一个振荡电路和/或总振荡电路供给激励信号。此外，检查器具有至少一个探测器，用于检测谐振信号和/或另一个谐振信号和/或总谐振信号。最好用于检测谐振信号之一的探测器和/或用于供给激励信号之一的装置具有至少一个天线。因此可以将电能以电磁波的形式向振荡电路无线输入和输出。
组件老化的检测通过谐振检测进行。振荡电路、另一个振荡电路和总振荡电路各自起到高频信号谐振器的作用。利用检查器的天线可以将高频信号输入耦合到这些或这个振荡电路内。高频信号再由这个或这些振荡电路发射并可以由同一个或者另一个天线检测。振荡电路之一的损坏导致与高频信号的频率和/或振幅和/或相位相关的谐振特性的改变。
通过谐振测量无接触式检测组件的老化。由此特别是可以检测组件的不可接近或者难于接近的表面段的老化。例如总振荡电路安装在燃烧室的挡热板的在装入状态下不可接近的背面上。在燃气轮机的停运阶段，通过将天线简单套装在燃烧室内腔内的挡热板上对裂纹进行检测。按照这种方式，可以在最短的时间内检验大量挡热板的可靠性性能。老化的检测在此方面不受挡热板厚度的限制。
为检验组件的可靠性性能，振荡电路安装在组件的一个临界位置上。组件在该临界位置上产生老化使组件的可靠性性能只能有限或者根本不再有所保证。该组件例如是开头所述的挡热板。挡热板可靠性性能只有在下述情况下才能得到保证，即从挡热板的边缘向挡热板中心的方向上扩散的裂纹不超过确定的临界长度。挡热板的临界位置在该实施例中通过从挡热板的边缘到挡热板的中心方向上的确定距离确定。振荡电路在这种确定的临界距离内例如环形环绕挡热板的中心安装在挡热板的表面上。
老化是指对组件的功能产生不利影响的固定损害。组件的老化和/或振荡电路的老化可以从变形和/或材料剥落和/或裂纹形成和/或裂纹扩散的组中选择。例如，在组件上作为变形出现弯曲。如果与组件连接的、构成振荡电路的导体材料由脆电导体材料组成，组件的弯曲会导致导体结构的裂纹或者断裂。振荡电路受到破坏。
为了检验挡热板在燃烧室内的存在，具有优点的是也可以使用由挡热板和检查器组成的所述装置。如果可检测到测量信号，那么挡热板存在。挡热板的可靠性性能得到保证。而如果不能检测到测量信号，那么或者挡热板的老化一定程度上继续使检查器受到破坏，或者挡热板及检查器不复存在。在两种情况下挡热板的可靠性性能不再有所保证。通过在挡热板或带有挡热板的燃烧室的运行阶段期间连续检验，可以非常迅速地识别挡热板的老化和缺失并采取相应的措施。与挡热板的老化或者缺失相关的后续损害由此可以得到明显限制。
导体结构具有至少一种从陶瓷导体和/或金属导体组中选择的可导电的导体材料。例如可以设想导体材料由所谓的金属陶瓷组成。在金属陶瓷内，金属导体的颗粒这样分布在陶瓷内，使得产生确定的导电性。作为对此的选择方案，导体结构由可导电的陶瓷材料组成。在两种情况下存在一种脆导体材料。组件内的裂纹可以作为导体材料上的裂纹延续。
组件的组件材料和导体结构的导体材料可以由完全不同的材料或具有不同机械特性的材料类别组成。例如组件由金属组成。根据该金属的延展性可以产生弯曲形式的组件老化。为了能够利用导体结构确定弯曲，例如将导体结构电绝缘涂覆在组件的表面段上。例如使用陶瓷作为电绝缘子。如果现在导体结构由脆导体材料组成，那么组件的弯曲导致导体结构上的裂纹。由导体结构形成的振荡电路受到破坏。可以证明组件弯曲。
在一种特殊的构成中，组件的组件材料和导体结构的导体材料具有基本上相同的机械特性。这种机械特性特别是从热膨胀性和断裂韧性组中选择。在挡热板形式的组件情况下，燃气轮机的运行阶段与停运阶段期间出现非常大的温差。运行时例如燃烧室内腔内的温度最高达到1500℃。通过基本上相同的热膨胀性，保证导体结构与组件之间的接触在运行阶段与停运阶段的交替期间也保持存在。特别具有优点的是，组件材料的断裂韧性和导体材料的断裂韧性基本上相同。由此达到组件上的断裂或者裂纹可以延续到导体结构内。
除了基本上相同的机械特性外，具有优点的是组件材料和导体材料的特征在于对外界影响的至少相似的稳定性。外界影响例如为组件和/或导体结构在运行期间所承受的大气或者温度。例如，挡热板远离内腔的表面段上在燃烧室运行时产生最高800℃的表面温度。如果将导体结构涂覆在该表面段上，那么导体结构的导体材料最高应能承受800℃。
最好振荡电路和/或另一个振荡电路和/或天线由设置在组件表面段上和/或与组件体积一体化的电导体结构构成。依据一种特殊的构成，为制造该装置作为组件的组件材料使用陶瓷和作为导体材料使用金属导体或者陶瓷导体。在此方面，为固定连接对陶瓷与导体材料和/或导体材料的初级材料进行共同烧结。例如在一个已经加工好的陶瓷组件的表面段上涂覆一种陶瓷导体材料的膏剂。该膏剂可以作为陶瓷导体材料的初级材料构成。表面段在此方面可以由处于组件内具有所要制造的导体结构形状的槽构成。涂覆膏剂例如适用丝网印刷法或者掩模法。导体材料在此方面根据要求作为回线、螺旋线或者曲线涂覆。在这里关键是所要检测的老化的种类、形式和公差极限。通过在膏剂烧结温度下的共同烧结，从膏剂中产生具有陶瓷导体材料的导体结构。也可以设想，组件以陶瓷湿体的方式存在并将陶瓷导体材料的膏剂涂覆在陶瓷湿体的表面段上。通过既进行组件的陶瓷组件材料致密也进行导体结构的陶瓷导体材料致密的共同烧结制造该装置。
导体结构与组件体积的一体化例如在组件由多个陶瓷层组成的情况下实现。组件是一种陶瓷多层体。这些层与导体结构共同例如通过共同烧结结合。这样产生一种导体结构与其体积一体化的多层体。
但导体结构也可以与不是所要检查的组件的陶瓷多层体一体化。陶瓷多层体为检查器的组成部分。多层体的特征可以在于高度一体化密度下的小尺寸。这样可以使检查器的全部导体结构与陶瓷多层体一体化。同样可以使所述检查器的多个与一个多层体一体化。因此在一种特殊的构成中，导体结构至少部分与陶瓷多层体一体化。例如，在挡热板的中心涂覆一个陶瓷多层体，它作为包括另一个振荡电路和检查器的天线的模块构成。该陶瓷多层体例如为HTCC(高温共火陶瓷)或者LTCC(低温共火陶瓷)衬底。模块的涂覆例如通过烧结已经预加工的陶瓷多层衬底和挡热板实现。
作为组件可以设想各种任意的组件。特别是该组件为燃烧室的挡热板。在这里出现会导致宏观裂纹的非常强的温度变化。如前面已经介绍的那样，这种宏观裂纹在超过临界长度的情况下是不能容忍的。为检查挡热板的可靠性性能，振荡电路和/或另一个振荡电路和/或总振荡电路最好设置在挡热板远离燃烧室内腔的一个共用表面段上。
概括地说，利用本发明产生以下特别的优点：
-可以简单、无接触式和可靠检测一个组件的老化。
-该组件本身可以具有极端的异质结构。该组件同样可以具有相当大的组件厚度。老化也可以在这些条件下得到简单和可靠地验证。
-还可以确定组件的一个难于接近的表面段上的老化。
-组件的可靠性性能既可以在停运阶段也可以在运行阶段进行检测。
附图说明
下面借助多个实施例和所属附图对本发明进行详细说明。附图为示意图并未按比例示出。其中：
图1以透视图示出由组件和检查器组成的装置。
图2以透视图示出由组件和检查器组成的装置的另一实施例。
图3示出作为振荡电路老化延续的组件老化。
图4示出图1和2中检查器总振荡电路的等效电路图。
具体实施方式
装置1由挡热板20方式的组件2和用于检测组件2老化4的检查器3组成(图1和2)。检查器3具有涂覆在挡热板20表面段23上的电导体结构33。表面段23远离燃气轮机燃烧室的内腔5。电导体结构33处于挡热板20的外侧上。
检查器3具有振荡电路31和振荡电路32。振荡电路31和另一个振荡电路32连接成一个总振荡电路30。为此振荡电路31的电容器311和另一个振荡电路32的另一个电容器321并联(图4)。它产生一个具有可测总谐振信号的总振荡电路30，其总谐振频率f0如下取决于两个电容器311和321的电容：
f 0 = 1 2 π LC = 1 2 π L ( C 1 + C 2 ) - - - ( 1 )
在振荡电路31中断的情况下，仅可检测到另一个振荡电路32的另一个谐振信号，对其适用下列关系的谐振频率f2：
f 2 = 1 2 π LC = 1 2 π LC 2 - - - ( 2 )
如果电容器311的电容C1约为47pF，另一个电容器321的电容C2约为10pF，和例如由线圈301形成的共同电感L约为3μH，那么依据公式(1)为总谐振频率f0得出12MHz的数值，并依据公式(2)为另一个谐振频率f2得出29MHz的数值。
除了振荡电路31和32外，检查器3还具有天线34。天线34作为向振荡电路31、另一个振荡电路32和最后向总振荡电路30内输入激励信号的装置使用。天线34也作为用于检测谐振信号和/或另一个谐振信号和/或总谐振信号的探测器使用。利用天线34将高频信号方式的能量输入耦合到振荡电路30、31和32内。如果振荡电路31和32完好无损，也就是没有老化，那么接收总谐振信号，该信号在其谐振频率及其振幅方面与预先规定的额定值相应。而如果接收到与预先规定的总谐振信号不相应的测量信号，那么可以得出振荡电路31或者还有另一个振荡电路32老化的结论。
挡热板20作为组件材料具有陶瓷。该陶瓷为莫来石。电导体结构33的导体材料为一种最多可耐800℃高温的可导电陶瓷导体。导体材料和组件材料很脆。它们表现出一种基本上相同的断裂韧性。
电导体结构33这样涂覆在挡热板20的表面段23上，使挡热板20内从挡热板20的边缘21向挡热板20的中心22方向上扩散并超过确定长度的每个裂纹40在电导体结构33上延续。只要裂纹40的长度超过临界长度，裂纹40的继续扩散就导致电导体结构33上的老化41(裂纹形成或裂纹扩散)。它造成振荡电路31老化。
依据第一实施例，总振荡电路30的另一个振荡电路32与陶瓷多层体35一体化。陶瓷多层体35为LTCC衬底。银构成的导电结构形成另一个振荡电路32。
检查器3的天线34在第一实施例中与另一个振荡电路32共同与陶瓷多层体35一体化(图1)。依据另一实施例，天线34不与多层体35一体化。多层体35仅包括检查器3的另一个振荡电路32(图2)。
为检测振荡电路31的老化，在停运阶段将天线34在燃烧室内腔5内固定到挡热板20上。通过天线34将高频信号输入耦合到振荡电路30、31或者32内。根据振荡电路31、另一个振荡电路32和总振荡电路30的状态，造成高频信号的吸收和相应测量信号的发射。借助测量信号与谐振信号之一的配合得出组件老化的结论。

Claims (14)

1.一种用于组件(2)和至少一个检测组件(2)老化(4、40)的检查器(3)的装置(1)，其中，
检查器(3)具有至少一个振荡电路(31)，和
组件(2)与振荡电路(31)这样相互连接，使组件(2)的老化(4、40)引起振荡电路(31)的老化(41)并因此引起振荡电路(31)的可测谐振信号的变化，其特征在于，
检查器(3)具有至少另一个振荡电路(32)，其具有另一个可测谐振信号，和
振荡电路(31)与另一个振荡电路(32)导电连接成一个总振荡电路(30)，其具有不同于所述谐振信号和所述另一个谐振信号的可测总谐振信号，其中，振荡电路(31)和另一个振荡电路(32)通过并联错接连接成总振荡电路(30)。
2.按权利要求1所述的装置，其中，检查器(3)具有至少一个装置，用于向振荡电路(31)和/或另一个振荡电路(32)和/或总振荡电路(30)供给激励信号。
3.按权利要求1-2之一所述的装置，其中，检查器(3)具有至少一个探测器，用于检测谐振信号和/或另一个谐振信号和/或总谐振信号。
4.按权利要求3所述的装置，其中，用于检测谐振信号之一的探测器具有至少一个天线(34)。
5.按权利要求2所述的装置，其中，用于供给激励信号之一的装置具有至少一个天线(34)。
6.按权利要求1所述的装置，其中，振荡电路(31)和/或另一个振荡电路(32)和/或天线(34)由设置在组件(2)表面段(23)上和/或与组件(2)的体积一体化的电导体结构(33)构成。
7.按权利要求6所述的装置，其中，电导体结构(33)至少部分与陶瓷多层体(35)一体化。
8.按权利要求6或7所述的装置，其中，电导体结构(33)具有至少一种从陶瓷导体和/或金属导体组中选择的可导电的导体材料。
9.按权利要求8所述的装置，其中，组件(2)的组件材料和电导体结构(33)的导体材料具有相同的热膨胀性和/或断裂韧性。
10.按权利要求1所述的装置，其中，组件(2)为燃烧室的挡热板(20)。
11.按权利要求10所述的装置，其中，振荡电路(31)和/或另一个振荡电路(32)和/或天线(34)设置在挡热板(20)远离燃烧室内腔(5)的一个共用表面段(23)上。
12.用于制造按权利要求1-11之一所述的装置的方法，具有以下方法步骤：
a)彼此设置组件和导体材料和/或导体材料的初级材料，以及
b)组件和导体材料和/或导体材料的初级材料这样固定连接，使构成总振荡电路的导体结构在组件上形成。
13.按权利要求12所述的方法，其中，作为组件的组件材料使用陶瓷和作为导体材料使用金属导体和/或陶瓷导体，以及为固定连接对陶瓷与导体材料和/或导体材料的初级材料进行共同烧结。
14.用于在使用按权利要求1-11之一所述的装置的情况下检验组件可靠性性能的方法，具有以下方法步骤：
a′)检测检查器的测量信号，以及
b′)使测量信号与振荡电路的谐振信号和/或与另一个振荡电路的另一个谐振信号和/或与总振荡电路的总谐振信号相配合，其中，根据该配合得出组件可靠性性能的结论。
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