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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
1.
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Ein
derartiges Verfahren ist aus der Europäischen Patentanmeldung
EP 0 345 949 A1 bekannt. Bei
diesem Verfahren wird die Qualität
eines Turbinenbauteils gemessen, indem mit einer elektromagnetischen
Strahlungsquelle ein Photonenstrahl erzeugt und auf das Turbinenbauteil
gerichtet wird und die von dem Photonenstrahl durch Ramanstreuung erzeugte
Ramanstrahlung gemessen und unter Bestimmung der Qualität des Turbinenbauteils
ausgewertet wird.
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Aus
den deutschen Patentschriften
DE 10 2004 015 946 B3 und
DE 690 33 445 T2 sowie
den britischen Patentanmeldungen
GB 2 140 554 A und
GB 2 434 641 A ist außerdem der
Einsatz der Ramanstrahlung zum Messen der Temperatur bekannt.
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Im Übrigen wird
eine Temperaturmesseinrichtung für
Turbinen von der Firma LAND Instruments unter dem Produktnamen „Turbine
SENTRY" vertrieben.
Diese Temperaturmesseinrichtung benutzt ein Pyrometer, auch Strahlungsthermometer genannt,
mit dem sich die Temperatur eines Gegenstandes berührungslos
messen lässt.
Pyrometrische Messverfahren nutzen den physikalischen Effekt aus, dass
jeder Gegenstand Infrarotstrahlung emittiert, deren Intensitätsprofil
von der Temperatur des Gegenstandes abhängt. Diese Strahlung wird mit
dem Pyrometer erfasst und ausgewertet. Zur Bestimmung eines Temperaturmesswertes
muss bei der Einfarben-Pyrometrie jedoch der Emissionsgrad des Gegenstandes,
also dessen Wärmeabstrahlfähigkeit, bekannt
sein, um eine fehlerarme Messung zu ermöglichen.
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Pyrometrische
Messverfahren sind zur Bestimmung der Temperatur eines Turbinenbauteils zwar
grundsätzlich
geeignet, jedoch kann es zu Messfehlern kommen, insbesondere dann,
wenn die Temperatur von Turbinenbauteilen gemessen wird, die mit
dem Heißgas
der Turbine unmittelbar in Kontakt stehen und somit maximalen Temperaturbelastungen
ausgesetzt sind. Dazu gehören
beispielsweise die Turbinenschaufeln der ersten Turbinenreihe einer
Turbine.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen
des Zustands eines Turbinenbauteils anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs angegebenen
Art erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in Unteransprüchen
angegeben.
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Danach
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
während
des Betriebs der Turbine der Betriebszustand einer Hitzeschutzschicht
des Turbinenbauteils bestimmt wird, indem die gemessene Ramanstrahlung
sowohl hinsichtlich der Temperatur der Hitzeschutzschicht als auch
hinsichtlich der Kristallstruktur der Hitzeschutzschicht ausgewertet
wird und ein die Temperatur der Hitzeschutzschicht angebender Temperaturmesswert
erzeugt und ausgegeben wird sowie neben dem Temperaturmesswert zusätzlich auch
ein Warnsignal erzeugt und ausgegeben wird, wenn die gemessene Ramanstrahlung
eine Umwandlung der Kristallstruktur der Hitzeschutzschicht anzeigt.
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Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu
sehen, dass dieses – im
Unterschied zu dem eingangs beschriebenen vorbekannten Verfahren
der Firma LAND Instruments – nicht
auf einem pyrometrischen Messprinzip basiert, sondern auf dem Prinzip
der Raman-Spektroskopie. Es wird somit nicht die von dem Turbinenbauteil
emittierte Wärmestrahlung
gemessen und ausgewertet, sondern die durch Raman-Streuung erzeugte
Raman-Strahlung des Turbinenbauteils; die Raman-Strahlung wird durch
den Photonenstrahl ausgelöst,
der auf das Turbinenbauteil gerichtet wird. Durch die Auswertung
der Raman-Strahlung lässt sich
sicherstellen, dass tatsächlich
die Temperatur des Turbinenbauteils und nicht beispielsweise die Temperatur
des Heißgases,
das auf das Turbinenbauteil einwirkt, gemessen wird; denn das Spektrum der
Raman-Strahlung
ist abhängig
von der Phononenbandstruktur des jeweiligen Materials und daher sehr
charakteristisch für
das Material, das die Raman-Strahlung erzeugt. Es ist daher ohne
Weiteres möglich,
ausschließlich
die Raman-Strahlung des zu messenden Turbinenbauteils auszuwerten
und Messsignale, die auf das das Turbinenbauteil umgebende Heißgas zurückgehen,
zu unterdrücken. Messfehler
durch heiße
Gase, die während
des Betriebes der Turbine erzeugt werden, führen somit im Unterschied zu
pyrometrischen Messverfahren zu keinen Messfehlern.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu
sehen, dass sich mit diesem auch die Temperatur von Turbinenbauteilen,
die mit einer Hitzeschutzschicht, beispielsweise einer Zirkonoxid-Keramikschicht
mit säulenförmiger Struktur
oder einer Schicht aus MCrAlY-Material beschichtet sind, zuverlässig und
sehr genau messen lässt.
Derartige Hitzeschutzschichten weisen im Allgemeinen einen sehr
schlechten Emissionsgrad sowie eine hohe Reflektivität und Semitransparenz
auf, so dass sie einer pyrometrischen Temperaturmessung, wie sie
eingangs beschrieben wurde, nur eingeschränkt zugänglich sind. Eine Raman-Temperaturmessung,
wie sie hier erfindungsgemäß vorgeschlagen
wird, ist jedoch auch bei solchen Hitzschutzschichten mit sehr hoher
Messgenauigkeit und Messzuverlässigkeit
möglich.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der
Photonenstrahl mit einer vorgegebenen optischen Anregungsfrequenz
erzeugt wird, zur Temperaturbestimmung ein Stokes-Signalpaar herangezogen
wird, das aus einem Stokes-Signal und einem zugehörigen Anti-Stokes-Signal
besteht, wobei die optische Frequenz des Stokes-Signals um eine
Raman-Frequenzverschiebung des Stokes-Signals kleiner als die Anregungsfrequenz
und die optische Frequenz des Anti-Stokes-Signals um eine Raman-Frequenzverschiebung
des Anti-Stokes-Signals
größer als
die Anregungsfrequenz ist, und wobei die Raman-Frequenzverschiebung
des Stokes-Signals zumindest annä hernd
genauso groß ist
wie die Raman-Frequenzverschiebung des Anti-Stokes-Signals. Durch das
Auswerten eines Stokes-Signalspaares lässt sich in sehr einfacher
Art und mit sehr hoher Messgenauigkeit die Temperatur des Turbinenbauteils
bestimmen, ohne dass das gesamte Spektrum der erzeugten Raman-Streuung
ausgewertet wird.
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Eine
Temperaturbestimmung lässt
sich beispielsweise durchführen,
indem zumindest zwei Intensitätswerte
bestimmt werden, und zwar ein Stokes-Intensitätswert eines Stokes-Signals
der Ramanstrahlung und ein Anti-Stokes-Intensitätswert eines Anti-Stokes-Signals
der Ramanstrahlung und mit den zumindest zwei Intensitätswerten
der Temperaturmesswert bestimmt wird.
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Vorzugsweise
wird die Temperatur des Turbinenbauteils bestimmt gemäß
wobei υ0 die optische Anregungsfrequenz
des erzeugten Photonenstrahls, υp
den Frequenzbetrag der Raman-Frequenzverschiebung für das Stokes-Signal
und das Anti-Stokes-Signal, h das plancksche Wirkungsquantum, k
die Boltzmannkonstante, Is den Stokes-Intensitätswert des Stokes-Signals und
Ia den Anti-Stokes-Intensitätswert des
Anti-Stokes-Signals bezeichnen.
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Liegen
das Stokes-Signal und das Anti-Stokes-Signal des Stokes-Signalspaares
sehr dicht nebeneinander bzw. rutschen sie ineinander, so wird es
als vorteilhaft angesehen, wenn eine Linienformanalyse des Spektrums
der Ramanstrahlung durchgeführt
wird, bevor der Stokes-Intensitätswert
und der Anti- Stokes-Intensitätswert bestimmt
werden. Eine solche Linienformanalyse ermöglicht es nämlich, die tatsächlich vorliegenden
Einzelintensitätswerte
zu bestimmen, die sich je nach der Nähe der zwei Einzelsignale des
Stokes-Signalspaares mitunter deutlich von denen unterscheiden können, die
ohne eine solche Linienformanalyse gemessen werden würden. Eine
Linienformanalyse lässt
sich beispielsweise durchführen,
indem die in dem Material des Turbinenbauteils aufgrund der Raman-Streuung
hervorgerufene Phononenanregung computergestützt simuliert und die jeweils
auftretenden Frequenzspektren des Stokes-Signals und des Anti-Stokes-Signals
errechnet werden.
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Im
Hinblick auf eine besonders hohe Messgenauigkeit wird es als vorteilhaft
angesehen, wenn zur Temperaturbestimmung ein Stokes-Signalpaar herangezogen
wird, bei dem die Raman-Frequenzverschiebung υp des Stokes-Signals und die
des zugehörigen
Anti-Stokes-Signals jeweils mindestens 30 THz beträgt; dies
entspricht einer Wellenzahl υ' von zumindest 100
cm–1.
Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird ausgenutzt, dass der
Unterschied zwischen dem Stokes-Intensitätswert und dem Anti-Stokes-Intensitätswert eines
Stokes-Signalspaares umso größer und
die Messgenauigkeit damit umso besser wird, je größer die
Raman-Frequenzverschiebung υp
bei dem jeweiligen Stokes-Signalpaar ist. Besonders bevorzugt werden
daher Stokes-Signalpaare verwendet, bei denen die Raman-Frequenzverschiebung
einer Wellenzahl von mindestens 500 bis 1000 cm–1 entspricht.
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Die
Beziehung zwischen der Frequenz υ und der
Wellenzahl υ' lautet bekanntermaßen wie
folgt: υ = υ'/c wobei c die
Lichtgeschwindigkeit bezeichnet.
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Wie
erfinderseitig festgestellt wurde, wird die durch Raman-Streuung erzeugte
Ramanstrahlung amplitudenmäßig bzw.
leistungsmäßig meist
deutlich geringer sein als die Amplitude bzw. Leistung des in die
Messanordnung rückkoppelnden
Photonenstrahls. Um dennoch eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen,
wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die von dem Turbinenbauteil
kommende Ramanstrahlung mit einer Bandsperre, insbesondere einem
Kerbfilter, gefiltert wird, die bzw. das für die optische Anregungsfrequenz
des erzeugten Photonenstrahls eine hohe Dämpfung und für die Ramanstrahlung
eine demgegenüber
geringere Dämpfung
aufweist. Bei dieser Ausgestaltung wird somit bei der Auswertung
der Raman-Streuung der Strahlungsanteil des Photonenstrahls gezielt
unterdrückt,
damit dieser keine Fehlinterpretation der Messwerte bzw. keine falsche
Berechnung des Temperaturmesswertes auslösen kann.
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Wird
mit dem Verfahren die Temperatur eines rotierenden Turbinenbauteils,
beispielsweise die Temperatur einer Turbinenschaufel der Turbine,
gemessen, so wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Temperaturmessung
mit der Rotationsfrequenz des Turbinenbauteils zeitlich synchronisiert
bzw. stroboskopartig durchgeführt
wird. Durch eine zeitliche Synchronisierung lässt sich beispielsweise erreichen,
dass jede Turbinenschaufel individuell gemessen wird. Damit kann
festgestellt werden, wenn einzelne Turbinenschaufeln niedrigere
Temperaturen aufweisen, weil beispielsweise deren Hitzeschutzschicht
stärker
abgenutzt ist als bei anderen Turbinenschaufeln.
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Um
kontinuierlich Temperaturmesswerte zu erzeugen, wird es als vorteilhaft
angesehen, wenn mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle der Photonenstrahl
in Form von Strahlungs pulsen erzeugt wird. Die Pulsdauer solcher
Strahlungspulse beträgt
vorzugsweise maximal 10 Pikosekunden, besonders bevorzugt maximal
1 Pikosekunde.
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Um
zu vermeiden, dass bei der Messung der Ramanstrahlung auch Strahlungsanteile
gemessen werden, die nicht auf dem Raman-Effekt, sondern auf Lumineszenzeffekten
basieren, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Messung der
Ramanstrahlung innerhalb eines Zeitfensters von hundert Pikosekunden,
vorzugsweise innerhalb eines Zeitfensters von zehn Pikosekunden,
jeweils nach dem Ende eines jeden Strahlungspulses durchgeführt wird;
denn Lumineszenzstrahlung tritt zeitlich deutlich später als
Ramanstrahlung auf.
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Wenn
die Temperatur von rotierenden Turbinenschaufeln gemessen werden
soll, wird es außerdem
als vorteilhaft angesehen, wenn die Strahlungspulse eine Pulswiederholrate
im Nanosekundenbereich aufweisen. Bei einer solchen Pulswiederholrate lässt sich
nämlich
erreichen, dass ein und dieselbe Messstelle mehrfach bzw. redundant
gemessen werden kann, obwohl sich die Turbinenschaufel dreht; denn
die Drehgeschwindigkeit einer Turbinenschaufel liegt üblicherweise
lediglich im Hz-Bereich,
so dass ein ausreichender Frequenzabstand zwischen Messfrequenz
und Rotationsfrequenz gewährleistet bleibt.
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Besonders
bevorzugt wird mit dem beschriebenen Verfahren die Temperatur einer
Schutzschicht des Turbinenbauteils, vorzugsweise einer Hitzschutzschicht,
insbesondere einer Zirkonoxid-Keramikschicht
mit säulenförmiger Struktur
oder einer Schicht aus MCrAlY-Material, bestimmt. Wie eingangs erläutert, sind
gerade die Schutzschichten von Turbinenbauteilen einer pyrometrischen
Temperaturmessung wenig zugänglich,
so dass gerade bei der Temperaturmessung solcher Schutzschichten
das be schriebene Raman-Messverfahren besonders gute Messergebnisse
bringt.
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Wie
bereits erwähnt,
ist vorgesehen, dass bei der Auswertung der Raman-Strahlung nicht
nur die Temperatur des Turbinenbauteils gemessen wird, sondern darüber hinaus
auch die jeweilige Materialstruktur erfasst wird; dies lässt sich
in vorteilhafter Weise erreichen, wenn das Ramanspektrum des Turbinenbauteils
spektral gemessen wird und unter Heranziehung abgespeicherter Ramanspektren,
die für zumindest
zwei unterschiedliche Kristallstrukturen des Turbinenbauteils aufgenommen
worden sind, bestimmt wird, welche Kristallstruktur das Turbinenbauteil
aufweist. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens kann beispielsweise
festgestellt werden, wenn aufgrund einer zu hohen Betriebstemperatur
der Turbine eine dauerhafte Materialveränderung eingetreten ist, die
für den
weiteren Betrieb der Turbine unerwünscht oder gar unzulässig ist.
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Vorzugsweise
wird das Ramanspektrum der Schutzschicht des Turbinenbauteils spektral
gemessen, und es wird unter Heranziehung abgespeicherter Ramanspektren,
die für
zumindest zwei unterschiedliche Kristallstrukturen der Schutzschicht
aufgenommen worden sind, bestimmt, welche Kristallstruktur die Schutzschicht
aufweist.
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Vorzugsweise
wird die Kristallstruktur einer Hitzeschutzschicht bestimmt, insbesondere
einer Zirkonoxid-Keramikschicht mit säulenförmiger Struktur oder einer
Schicht aus MCrAlY-Material. Eine Bestimmung der Kristallstruktur
einer Zirkonoxid-Keramikschicht offenbart beispielsweise, ob die
Zirkonoxid-Keramikschicht die für
eine optimale Hitzeschutzwirkung optimale monokline Struktur aufweist oder
aufgrund einer Überhitzung
bereits eine unerwünschte
tetragonale Kristallstruktur angenommen hat.
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Die
Erfindung bezieht sich darüber
hinaus auf eine Turbine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
17. Erfindungsgemäß ist diesbezüglich vorgesehen,
dass die Einrichtung geeignet ist, während des Betriebs der Turbine
den Betriebszustand einer Hitzeschutzschicht eines Turbinenbauteils
zu bestimmen, wobei die Auswerteinrichtung geeignet ist, die gemessene
Ramanstrahlung sowohl hinsichtlich der Temperatur der Hitzeschutzschicht
als auch hinsichtlich der Kristallstruktur der Hitzeschutzschicht
auszuwerten und einen die Temperatur der Hitzeschutzschicht angebenden
Temperaturmesswert zu erzeugen und auszugeben sowie neben dem Temperaturmesswert
zusätzlich
auch ein Warnsignal zu erzeugen und auszugeben, wenn die gemessene
Ramanstrahlung eine Umwandlung der Kristallstruktur der Hitzeschutzschicht
anzeigt.
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Bezüglich der
Vorteile der erfindungsgemäßen Turbine
und bezüglich
der Vorteile vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Turbine wird
auf die obigen Ausführungen
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen, da
sich die Vorteile im Wesentlichen entsprechen.
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Vorzugsweise
weist die Temperaturmesseinrichtung eine Bandsperre, insbesondere
ein Kerbfilter, auf, die bzw. das optisch zwischen der Strahlungsmesseinrichtung
und dem Turbinenbauteil angeordnet ist und die Strahlung für die optische
Anregungsfrequenz des erzeugten Photonenstrahls dämpft und
die Strahlung für
die Raman-Strahlung ungedämpft
lässt,
zumindest demgegenüber
weniger dämpft.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei
zeigen beispielhaft
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1 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Turbine mit einer Temperaturmesseinrichtung,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
für die
Temperaturmesseinrichtung der Turbine gemäß 1,
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3 beispielhaft
das Spektrum der von einem Turbinenbauelement rückgekoppelten Strahlung,
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4 beispielhaft
die Abhängigkeit
des Intensitätsverhältnisses
zwischen Stokes- und Anti-Stokes-Signal von der Temperatur,
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5 beispielhaft
den zeitlichen Verlauf von Photonenpulsen zur Anregung der Ramanstrahlung, und
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6 beispielhaft
die Bestimmung der Kristallstruktur einer Hitzeschutzschicht einer
Turbinenschaufel anhand des Ramanspektrums.
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In
den Figuren werden der Übersicht
halber für
identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen
verwendet.
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In
der 1 erkennt man schematisch ein Ausführungsbeispiel
für eine
Turbine 10, von der Turbinenschaufeln 20, 30 und 40,
eine Temperaturmesseinrichtung 50 sowie eine Koppeloptik 60 dargestellt sind.
Die Koppeloptik 60 umfasst ein messseitiges Koppelelement 70 zum
Anschluss an die Temperaturmesseinrichtung 50 sowie ein
turbinenseitiges Koppelelement 80 zur optischen Kopplung
der Temperaturmesseinrichtung 50 an eines der Turbinenschaufeln,
beispielsweise die Turbinenschaufel 40.
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Mit
der Temperaturmesseinrichtung 50 lässt sich die Temperatur einer
auf der Turbinenschaufel 40 befindlichen Schutzschicht 41 messen,
indem ein Photonenstrahl Ph erzeugt und über die Koppeloptik 60 auf
die Turbinenschaufel 40 gerichtet wird. Aufgrund des Raman-Effekts
wird die Schutzschicht 41 Raman-Strahlung erzeugen, die über die
Koppeloptik 60 zurück
zur Temperaturmesseinrichtung 50 gelangen wird. Die Temperaturmesseinrichtung 50 wird das
Spektrum und/oder die Amplitudenverteilung der Raman-Strahlung auswerten
und in dieser Weise die Temperatur der Schutzschicht 41 der
Turbinenschaufel 40 messen. Die Temperaturmesseinrichtung 50 erzeugt
ausgangsseitig ein entsprechendes Messsignal M.
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In
der 2 ist ein Ausführungsbeispiel
für die
Temperaturmesseinrichtung 50 gemäß 1 näher dargestellt.
Zusätzlich
erkennt man die Einkoppeloptik 60 sowie die Turbinenschaufel 40 mit
der Schutzschicht 41 gemäß der 1. Die Temperaturmesseinrichtung 50 umfasst
eine Strahlungsquelle 100, die ausgangsseitig den Photonenstrahl
Ph mit einer optischen Anregungsfrequenz ν0 erzeugt. Der Photonen strahl
Ph gelangt über
einen einseitig durchsichtigen Spiegel 110 zu dem messseitigen Koppelelement 70 der
Koppeloptik 60 und damit zu der Turbinenschaufel 40 mit
der Schutzschicht 41.
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Die
Temperaturmesseinrichtung 50 weist darüber hinaus ein Kerbfilter 120 auf,
das englischsprachig auch als Notch-Filter bezeichnet wird. Das Kerbfilter 120 ist
derart ausgerichtet, dass von der Turbinenschaufel 40 in
die Koppeloptik 60 zurückgekoppelte
und von dem einseitig durchsichtigen Spiegel 110 umgelenkte
Strahlung durch dieses gefiltert wird und nur gefilterte Strahlung
von einer nachgeordneten Strahlungsmesseinrichtung 130 erfasst wird.
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Die
von der Turbinenschaufel 40 rückgekoppelte elektromagnetische
Strahlung wird sowohl die optische Anregungsfrequenz υ0 des Photonenstrahls Ph
sowie aufgrund des Raman-Effektes auch Raman-Strahlung umfassen,
die unter anderem ein Stokes-Signal
Ss mit der Frequenz υ0 – νp sowie ein Anti-Stokes-Signal
Sa mit der Frequenz υ0
+ νP aufweist
(vgl. 3). Elektromagentische Strahlung mit zumindest
diesen drei Frequenzen υ0, υ0 – νP, υ0 + νP gelangt
also über
die Einkoppeloptik 60 und den einseitig durchsichtigen
Spiegel 110 zu dem Kerbfilter 120. Das Kerbfilter 120 wird
die optische Anregungsfrequenz υ0
des Photonenstrahls Ph herausfiltern, so dass ausgangsseitig nur
die Raman-Strahlung, unter anderem also das Stokes-Signal Ss mit der
Frequenz υ0 – νP sowie das
Anti-Stokes-Signal Sa mit der Frequenz υ0 + νP, zur Strahlungsmesseinrichtung 130 gelangen
kann.
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Die
Strahlungsmesseinrichtung 130, bei der es sich beispielsweise
um ein Spektrometer handeln kann, wird den Stokes-Intensitätswert Is
des Stokes-Signals Ss sowie den Anti-Stokes- Intensitätswert Ia des Anti-Stokes-Signals
Sa messen (vgl. 3) und diese Werte an eine nachgeordnete
Auswerteeinrichtung 140 weiterleiten.
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Die
Auswerteeinrichtung
140 wird unter Berücksichtigung der Frequenzverschiebung νp die Temperatur
T der Schutzschicht
41 gemäß folgender Formel bestimmen:
wobei υ0 die optische Anregungsfrequenz
des erzeugten Photonenstrahls Ph, υp den Frequenzbetrag der Raman-Frequenzverschiebung
für das Stokes-Signal
Ss und für
das Anti-Stokes-Signal
Sa, h das plancksche Wirkungsquantum, k die Boltzmannkonstante,
Is den Stokes-Intensitätswert
des Stokes-Signals und Ia den Anti-Stokes-Intensitätswert des
Anti-Stokes-Signals bezeichnen.
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Die
Auswerteeinrichtung 140 gibt dann anschließend einen
entsprechenden Temperaturmesswert M als Ausgangssignal der Temperaturmesseinrichtung 50 ab.
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Die 3 zeigt
beispielhaft das Frequenzspektrum der von der Turbinenschaufel 40 in
die Einkoppeloptik 60 rückgekoppelten
Strahlung: Man erkennt die optische Anregungsfrequenz υ0 des Photonenstrahls
Ph sowie das Stokes-Signal Ss bei der Frequenz υ0 – νP und das Anti-Stokes-Signal
Sa bei der Frequenz υ0
+ νP.
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Wie
sich den obigen Ausführungen
entnehmen lässt,
kann die Temperatur der Turbinenschaufel 40 bzw. die der
Schutzschicht 41 allein anhand zweier Amplitudenwerte,
nämlich
der Amplitudenwerte des Stokes-Signals Ss und des Anti-Stokes-Signals Sa
bestimmt werden. Eine besonders große Messgenauigkeit lässt sich
dabei erreichen, wenn für
die Bestimmung des Temperaturmesswertes M ein Stokes-Signalpaar
verwendet wird, das eine möglichst
große
Raman-Frequenzverschiebung zwischen der Frequenz des Stokes-Signals
und der Frequenz des Anti-Stokes-Signals,
also einen besonders großen
Wert 2*νP
aufweist. Dies ist in der 4 beispielhaft
gezeigt.
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Der 4 lässt sich
entnehmen, wie sich das Verhältnis
zwischen dem Anti-Stokes-Intensitätswert Ia und dem Stokes-Intensitätswert Is
in Abhängigkeit
von der Temperatur ändert,
wobei als Parameter für
die entsprechende Abhängigkeit
der Frequenzabstand zwischen dem Stokes-Signal Ss und dem Anti-Stokes-Signal Sa
in Form einer Wellenzahl angegeben ist. Konkret gibt die oberste
Kurve 200 die Temperaturabhängigkeit des Quotienten Ia/Is
für eine
Wellenzahl von 100 cm–1, die mittlere Kurve 210 die
Abhängigkeit
des Quotienten Ia/Is für
eine Wellenzahl von 600 cm–1 und die Kurve 220 die
Abhängigkeit
des Quotienten Ia/Is für
eine Wellenzahl von 1000 cm–1 an. Als Anregungswellenlänge für den Photonenstrahl
Ph wurde für
alle drei Kurven eine optische Wellenlänge von 488 nm herangezogen.
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Die
Umrechnung der Wellenzahl υ' in eine optische
Frequenz υ erfolgt
bekanntermaßen
gemäß
wobei c die Lichtgeschwindigkeit
im Vakuum bezeichnet.
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In
der 5 ist beispielhaft gezeigt, wie die Auswerteeinrichtung 140 die
Strahlungsquelle 100 mittels eines Steuersignals ST (vgl. 2)
ansteuert. Es lässt
sich erkennen, dass die Ansteuerung durch die Auswerteeinrichtung 140 derart erfolgt,
dass die Strahlungsquelle 100 den Photonenstrahl Ph in
Form von Strahlungspulsen 300 erzeugt. Die Pulsdauer Ti eines
jeden Strahlungspulses beträgt
vorzugsweise maximal 10 Pikosekunden, vorzugsweise maximal eine
Pikosekunde. Die Pulswiederholrate der Strahlungspulse 300 ist
vorzugsweise so gewählt,
dass der Abstand Tw zwischen aufeinander folgenden Strahlungspulsen 300 im
Nanosekundenbereich (1 ns bis 1000 ns) liegt.
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Um
zu vermeiden, dass bei der Auswertung der von der Turbinenschaufel 40 rückgekoppelten Strahlung
auch Lumineszenzstrahlung mitberücksichtigt
wird, die eine Bestimmung der Temperatur der Turbinenschaufel verfälschen könnte, wird
die Messung der Raman-Strahlung innerhalb eines begrenzten Zeitfensters
durchgeführt.
Die Länge
eines solchen Zeitfensters ist in der 5 mit dem
Bezugszeichen Tm bezeichnet; diese Länge beträgt vorzugsweise maximal 100
Pikosekunden, besonders bevorzugt weniger als 10 Pikosekunden.
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Mit
der Temperaturmesseinrichtung 50 gemäß 2 wird vorzugsweise
nicht nur ein Temperaturmesswert M gebildet, der die Temperatur
T der Turbinenschaufel 40 bzw. der Schutzschicht 41 angibt,
sondern darüber
hinaus auch festgestellt, welche kristalline Struktur die Schutzschicht 41 aufweist.
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Handelt
es sich bei der Schutzschicht 41 beispielsweise um eine
Hitzeschutzschicht auf der Basis von Zirkonoxid-Keramikmaterial
mit säulenförmiger Struktur,
so weist diese im Sollzustand eine monokline Kristallstruktur auf.
Die von der Turbinenschaufel 40 in die Einkoppeloptik 60 rückgekoppelte
elektromagnetische Strahlung wird dementsprechend ein Raman-Spektrum aufweisen,
das für
eine monokline Kristallstruktur typisch ist. Diese monokline Kristallstruktur
wird die Zirkonoxid-Keramikschicht so lange beibehalten, wie sie
nicht über
eine Temperatur von ca. 1400°C
erhitzt wird. Bei einer Temperatur ab ca. 1400°C wandelt sich die zunächst monokline
Kristallstruktur der Zirkonoxid-Keramikschicht in eine tetragonale
Kristallstruktur um, die ein anderes Raman-Spektrum aufweist. Dies
ist in der 6 beispielhaft durch ein Verschieben
des Stokes-Signals dargestellt. Wird also in der Auswerteeinrichtung 140 auch
die spektrale Lage des Stokes-Signals
und des Anti-Stokes-Signals ausgewertet, so lässt sich feststellen, ob die
Hitzeschutzschicht 41 noch die gewünschte monokline Kristallstruktur
aufweist oder aufgrund einer Überhitzung
der Turbinenschaufel 40 bereits in einen tetragonalen Zustand übergegangen ist.
Ein solcher Übergang
in den tetragonalen Zustand kann die Auswerteeinrichtung 140 beispielsweise
durch ein entsprechendes Warnsignal W anzeigen, das ebenfalls am
Ausgang der Temperaturmesseinrichtung 50 abgegeben wird.
