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Die
Erfindung betrifft die Detektion von Druckschwankungen in einem
heißen Medium.
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Wesentliche
Voraussetzung für einen hohen Wirkungsgrad einer Gasturbine
sind möglichst gleich ablaufende, stabile Verbrennungsprozesse
in der Turbinenbrennkammer. Bspw. aufgrund sehr hoher Temperaturen,
die bis zu 1400°C erreichen können, und/oder Verschmutzungen
in der Brennkammer kommt es jedoch immer wieder zu Instabilitäten
und Unregelmäßigkeiten bei der Verbrennung. Diese äußern
sich in Form von dynamischen Druckschwankungen in dem in der Brennkammer
befindlichen Medium.
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Ähnliche
Probleme treten auch im technischen Umfeld von Turboverdichtern
oder speziell bei Axialkompressoren auf. Hier spricht man bspw.
von den Phänomenen des „Rotating stall” (rotierende
Abrissströmung) und des „Surge” (Pumpen),
die sich zum Einen auf den Wirkungsgrad und zum Anderen auf die
Lebensdauer des Kompressors auswirken. Beide Phänomene
lassen sich über eine Überwachung der Druckverhältnisse
in der Kompressorkammer detektieren.
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Zur Überwachung
des Kammerdrucks in Turbinen oder Kompressoren werden in der Regel
konventionelle Drucksensoren verwendet, die speziell hinsichtlich
der in den Kammern herrschenden höheren Temperaturen modifiziert
sind. Dabei kommen piezoresistive Sensoren zum Einsatz, die auf
Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen basieren. Bspw. die Firma KULITE
bietet Drucksensoren an, die mit einer sog. „Silicon-on-Insulator”-Technologie
hergestellt werden (siehe z. B.
US 7 451 655 B2 ), die jedoch nur für
vergleichsweise niedrige Temperaturen einsetzbar sind.
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Für
höhere Temperaturbereiche von bis zu etwa 800°C
sind von der Firma VIBRO-METER piezoelektrische Sensoren auf der
Basis von Turmalin bzw. Gallium-Phosphat-Kristallen bekannt.
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Weiterhin
sind von der Firma OXSENSIS Sensorelemente aus Saphirglas bekannt,
die einen Temperaturbereich von bis zu 1000°C abdecken.
Bei diesen kommt ein Fabry-Perot-Interferometer zum Einsatz, das
mit Hilfe optischer Lichtwellenleiter spektral ausgewertet wird.
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Die
Temperaturbeständigkeit der bekannten Sensoren reicht für
einen Einsatz direkt in oder an der Brennkammer nicht aus.
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Die
vorliegende Erfindung setzt sich daher zum Ziel, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Detektion von Druckschwankungen in einem heißen Medium
in einer Kammer anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen
angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die
Grundidee der erfindungsgemäßen Lösung
der Aufgabe liegt in der Nutzung von Millimeterwellen für
die Detektion von durch dynamische Druckschwankungen in einem heißen
Medium hervorgerufene Durchbiegungen eines flexiblen Elements, bspw.
einer dünnen Membran. Vorteilhafterweise können
zum Leiten von Millimeterwellen vergleichsweise kompakte Hohlwellenleiter
von nur einigen mm Durchmesser eingesetzt werden. Mit diesen können
die erzeugten Millimeterwellen von einem kühleren Bereich
bis in den heißen Bereich in unmittelbarer Umgebung des
heißen Mediums geleitet werden, d. h. bspw. bis zu einer
Wand der Kammer, in dem sich das heiße Medium befindet,
insbesondere bis zur Brennkammerwand einer Turbine.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion von
Druckschwankungen eines heißen Mediums in einer Kammer
wird nun ein flexibles Element bei Druckschwankungen des Mediums
aus einer Ruhelage ausgelenkt. Das flexible Element wird mit einem
von einem Sender ausgesendeten elektromagnetischen Millimeterwellen-Signal
bestrahlt und reflektiert das elektromagnetische Signal. Eine Phasenlage
des ausgesendenten Signals wird nun mit einer Phasenlage des reflektierten
Signals verglichen. Aus dem Ergebnis des Vergleichs der Phasenlagen lässt
sich schließlich eine Auslenkung des flexiblen Elements
ermitteln.
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Die
durch die Druckschwankungen im Medium hervorgerufene Durchbiegung
bzw. Auslenkung des flexiblen Elements hängt direkt mit
der Differenz der Phasenlagen zwischen ausgesendetem und reflektiertem
Signal zusammen.
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Vorteilhafterweise
wird beim Vergleichen der Phasenlagen die Differenz der Phasen gebildet.
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In
einer Ausführungsform werden das ausgesendete Signal und
das reflektierte Signal in einem gemeinsamen Hohlwellenleiter zum
flexiblen Element und wieder zurück geführt.
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In
einer alternativen Ausführung wird das ausgesendete Signal
in einem separaten Sende-Hohlwellenleiter zum flexiblen Element
geführt und das am flexiblen Element reflektierte Signal
wird in einem separaten Empfangs-Hohlwellenleiter geführt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von
Druckschwankungen eines heißen Mediums in einer Kammer
weist auf
- – ein Sensorelement mit
einem flexiblen Element, das mit dem Medium in Kontakt steht und
das durch Druckschwankungen des Mediums aus einer Ruhelage ausgelenkbar
ist,
- – einen Millimeterwellen-Sender zum Aussenden eines
elektromagnetischen Millimeterwellen-Signals auf das flexible Element,
- – einen Empfänger zum Empfangen eines am flexiblen
Element reflektierten Signals,
- – eine Auswerteeinrichtung zum Vergleichen einer Phasenlage
des ausgesendenten Signals mit einer Phasenlage des reflektierten
Signals und zum Bestimmen der Auslenkung aus der Ruhelage aus dem
Ergebnis des Vergleichs der Phasenlagen.
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Vorteilhafterweise
ist das flexible Element auf der einen Seite des Sensorelements
angebracht, während auf der anderen, dem flexiblen Element
gegenüberliegenden Seite des Sensorelements eine für das
ausgesendete und für das reflektierte Signal transparente
Dichtung vorgesehen ist. Im Bereich zwischen dem flexiblen Element
und der Dichtung herrschen definierte Druckverhältnisse,
insbesondere ein Vakuum.
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Das
flexible Element ist vorzugsweise eine durchbiegbare, temperaturbeständige
Membran.
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In
einer Ausführungsform sind ein separater Sende-Hohlwellenleiter
zum Führen des ausgesendeten Signals vom Sender zum Sensorelement
und ein separater Empfangs-Hohlwellenleiter zum Führen
des reflektierten Signals vom Sensorelement zum Empfänger
vorgesehen. Die Auswerteeinrichtung ist dann mit dem Sender und
mit dem Empfangs-Hohlwellenleiter verbunden ist, wobei der Auswerteeinrichtung
das ausgesendete Signal und das reflektierte Signal zugeführt
sind.
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In
einer alternativen Ausführungsform ist ein gemeinsamer
Hohlwellenleiter vorgesehen, in dem das ausgesendete Signal vom
Sender zum Sensorelement und das reflektierte Signal vom Sensorelement
zum Empfänger geführt werden. Die Auswerteeinrichtung
weist in diesem Fall einen ersten und einen zweiten Mischer, einen
Phasenschieber und eine Auswerteschaltung zum Bestimmen der Auslenkung auf,
wobei
- – dem ersten Mischer das ausgesendete
und das reflektierte Signal zugeführt sind,
- – dem Phasenschieber das ausgesendete Signal zugeführt
ist,
- – dem zweiten Mischer ein Ausgangssignal des Phasenschiebers
und das reflektierte Signal zugeführt sind,
- – Ausgangssignale des ersten und des zweiten Mischers
der Auswerteschaltung zugeführt sind.
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Das
Sensorelement ist vorteilhafterweise in einer Wand der Kammer untergebracht.
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Vorteile,
Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im
Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand
der Zeichnungen.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit separaten Hohlwellenleitern für ein gesendetes
und ein reflektiertes Signal,
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2 eine
zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit einem gemeinsamen Hohlwellenleiter für
das gesendete und das reflektierte Signal,
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3 Bauformen des Sensorelementes.
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In
den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche,
Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Die 1 zeigt
eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur Detektion
von Druckschwankungen in einer Brennkammer 110 einer Gasturbine 100. Die
Gasturbine 100 ist nur andeutungsweise durch die Wand 120 der
Brennkammer 110 symbolisiert. Weitere Bauteile der Turbine 100 sind
hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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In
der Brennkammer 110 befindet sich im Betrieb der Turbine 100 ein
heißes Medium 130, bspw. eine gasförmige
Mischung aus Verbrennungsgas und Luft. Wie einleitend bereits erwähnt
können in dem heißen Medium 130 dynamische
Druckschwankungen auftreten, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zu detektieren sind.
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Die
Wand 120 der Brennkammer 110 weist eine Öffnung 140 auf,
in der ein Sensorelement 200 untergebracht ist. Das Sensorelement 200 weist
eine flexible Membran 210 auf, die in direktem Kontakt
mir dem heißen Medium 130 steht. Idealerweise
ist das Sensorelement 200 derart in die Brennkammerwand 120 eingelassen,
dass die Membran 210 mit der Brennkammerinnenwand 120 fluchtet
bzw. bündig abschließt. Wenn in der Brennkammer 110 der
normale Betriebszustand herrscht, bei dem keine ungewöhnlichen
Druckschwankungen Δp vorliegen und bei dem ein Kammerinnendruck
p0 herrscht, befindet sich die Membran in
einer Ruhelage. Liegt jedoch bspw. eine Druckerhöhung in
der Kammer 110 vor, d. h. Δp > 0, so wird die Membran 210 vom
Kammerinnenraum aus gesehen um eine Auslenkung Δx nach außen
durchgebogen. Ein derartiger Zustand ist in der 3B dargestellt. Über
eine Messung der Auslenkung Δx der Membran 210 können
demnach Rückschlüsse auf Druckschwankungen Δp
in der Brennkammer 110 gezogen werden.
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Um
die Auslenkung der Membran 210 zu detektieren wird diese
mit einem elektromagnetischen Millimeterwellensignal S bestrahlt.
Ein Hochfrequenzgenerator 410 eines Senders 400 einer
Sende-Empfangseinrichtung 300 erzeugt ein elektromagnetisches
Signal S im Millimeterwellenbereich, bspw. mit einer Frequenz von
100 GHz. Dieses Signal S wird über eine Antenne 420 in
einen Sende-Hohlwellenleiter 610 eingespeist und über
den Sende-Hohlwellenleiter 610 zum Sensorelement 200 geführt.
An der Membran 210 des Sensorelements 200 wird
das gesendete Signal S reflektiert. Das reflektierte Signal R wird über
einen Empfangs-Hohlwellenleiter 620 zu einem Empfänger 500 der
Sende-Empfangseinrichtung 300 geleitet und dort an einer
Antenne 520 des Empfängers 500 empfangen.
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Das
reflektierte und empfangene Signal R wird ebenso wie das ausgesendete
Signal S einer Auswerteeinrichtung 310 zugeführt.
In der Auswerteeinrichtung 310 wird in an sich bekann ter
Weise die Phasenlage φS des ausgesendeten
Signals S mit der Phasenlage φR des
reflektierten und im Empfangsteil 300 empfangenen Signals
R verglichen. Insbesondere wird beim Vergleich die Differenz Δφ der
Phasenlagen φS, φR gebildet.
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Da
die Geometrie der Anordnung, d. h. insbesondere die Weglänge
zwischen der Sende-Empfangseinrichtung 300 und der Membran 210,
bekannt ist, ist auch die Phasendifferenz Δφ0 im Normalzustand bekannt, die gemessen
wird, wenn die Membran 210 nicht ausgelenkt ist, d. h.
wenn in der Brennkammer 110 der normale Betriebszustand
herrscht, bei dem keine ungewöhnlichen Druckschwankungen Δp
vorliegen. Liegt jedoch bspw. eine Druckerhöhung in der
Kammer 110 vor, d. h. Δp > 0, so wird die Membran 210 vom
Kammerinnenraum aus gesehen nach außen ausgelenkt. Damit
verringert sich die Weglänge zwischen der Sende-Empfangseinrichtung 300 und
der Membran 210, so dass zwangsläufig auch die
Phasendifferenz Δφ zwischen dem ausgesendeten
S und dem empfangenen Signal R geringer wird, d. h. Δφ < Δφ0.
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Die 2 zeigt
eine alternative Ausführungsform, bei der an Stelle der
getrennten Hohlwellenleiter 610, 620 für
den Sende- und für den Empfangszweig des Millimeterwellensignals
ein gemeinsamer Hohlwellenleiter 600 verwendet wird, der
im Ausführungsbeispiel der 2 als gemeinsamer
Leiter für das gesendete Signal S und das an der Membran
reflektierte Signal R dient. Wie im Zusammenhang mit der 1 erläutert
wird das Sensorelement 200 in die Öffnung 140 der
Brennkammerwand 120 befestigt. Die Membran 210 ist
demzufolge wieder den Druckverhältnissen im heißen
Medium 130 in der Brennkammer ausgesetzt, so dass sie sich
bei Druckschwankungen im Medium entsprechend durchbiegt.
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Die
Auswertung der Signale S und R erfolgt im Ausführungsbeispiel
der 2 in einer Auswerteeinrichtung 780, die
nach dem Prinzip eines I/Q-Mischers arbeitet. Dieses Verfahren der
Signalauswertung mit dem Ziel, eine Phasendifferenz zwischen den
Signalen S und R zu ermitteln, ist an sich bekannt, wird daher im
Folgenden nicht mehr im Detail beschrieben.
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Ein
Hochfrequenzgenerator 710 einer Sende-Empfangseinrichtung 700 erzeugt
auch hier ein elektromagnetisches Signal S im Millimeterwellenbereich.
Das Signal S gelangt über einen Zirkulator (oder Richtkoppler) 720 zu
einer Antenne 730, die das Signal S in den gemeinsamen
Hohlwellenleiter 600 einspeist. Am Ausgang des Hohlwellenleiters 600 befindet
sich das Sensorelement 200 mit der Membran 210,
an der das Signal S reflektiert wird. Das reflektierte Signal R
wird über den gemeinsamen Hohlwellenleiter 600 zurück
zur Antenne 730 und zum Zirkulator 720 geleitet.
Dieser trennt in an sich bekannter Weise das reflektierte Signal
R vom weiterhin im Hochfrequenzgenerator erzeugten Signal S und
führt das reflektierte Signal R zu einem ersten Mischer 740.
Dem ersten Mischer 740 wird auch das Signal S vom Hochfrequenzgenerator 710 zugeführt. Dem
ersten Mischer 740 ist dann ein Signal zu entnehmen, das
dem sogenannten „Quadrature”-Signal Q entspricht.
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Das
Signal R gelangt vom Zirkulator 720 außerdem auch
zu einem zweiten Mischer 760. Das im Hochfrequenzgenerator 710 erzeugte
Signal S wird außerdem einem 90°-Phasenschieber 750 zugeführt. Das
Ausgangssignal Sshift des Phasenschiebers 750, dessen
Phase gegenüber dem Eingangssignal S des Phasenschiebers 750 um
90° verschoben ist, gelangt ebenfalls zum Mischer 760,
wo es mit dem reflektierten Signal R gemischt wird. Das dem zweiten Mischer 760 entnehmbare
Signal entspricht dann dem sogenannten „In-Phase”-Signal
I.
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In
bekannter Weise lässt sich nun in einer Auswerteschaltung 770 aus
den Signalen I und Q die Phasendifferenz Δφ zwischen
den Ursprungssignalen S und R und daraus wie oben erläutert
eine eventuelle Druckschwankung im heißen Medium 130 ermitteln.
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Die
Auswerteeinrichtung 780 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel
den ersten 740 und zweiten Mischer 760, den Phasen schieber 750 und
die Auswerteschaltung 770. Es sind hier natürlich
auch andere an sich bekannte Maßnahmen zur Bestimmung der
Phasendifferenz Δφ zwischen einem ersten Signal
S und einem zweiten Signal R einsetzbar. Die im Zusammenhag mit
den 1 und 2 beschriebenen Maßnahmen
sind lediglich beispielhaft zu verstehen.
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Die 3A und 3B zeigen
Detailansichten möglicher Ausführungsformen des
Sensorelements 200. Das Sensorelement 200 ist
eine vorzugsweise runde Druckdose, auf deren eine Seite die Membran 210 aufgebracht
ist und an deren andere Seite sich, wie im Folgenden beschrieben
wird, der Hohlwellenleiter anschließt (in den 3A, 3B nicht
dargestellt). Je nachdem, welcher Druckmessbereich Δp,
welche Empfindlichkeit des Sensorelements und welche Eigenfrequenz
der Membran gewünscht sind, müssen insbesondere
der Durchmesser d und die Dicke D der Membran 210 ausgelegt werden.
Typischerweise liegt der Durchmesser d zwischen 1 mm und 20 mm,
während die Dicke D der Membran 210 zwischen 5 μm
und 250 μm gewählt wird.
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Das
Sensorelement 200 weist weiterhin eine Bohrung 230 auf,
an die der gemeinsame Hohlwellenleiter 600 angekoppelt
wird und die selbst die Funktion eines Hohlwellenleiters übernimmt.
Das ausgesendete Signal S gelangt so durch die Bohrung 230 zur
Membran 210 und wird an dieser reflektiert. Das reflektierte
Signal R wird wiederum über die Bohrung 230 zurück
zum Hohlwellenleiter transportiert.
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An
der Außenseite des Sensorelements 200 befindet
sich ein Gewinde 220. Ein dem Gewinde 220 entsprechendes
Innenengewinde ist in der Öffnung 140 der Brennkammerwand 120 vorgesehen
(nicht dargestellt), so dass das Sensorelement 200 in die Brennkammerwand 120 eingeschraubt
werden kann.
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Speziell
in der 3B ist der oben erwähnte Fall
dargestellt, bei dem in der Brennkammer 110 eine Druckschwankung Δp > 0 vorliegt. Die Membran 210 ist
dann um eine Auslenkung Δx nach außen (aus Sicht
des Brennkammerinnenraums) verformt.
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Die
Membran 210 ist im einfachsten Fall, wie er in der 3A dargestellt
ist, direkt auf die Bohrung 230 und damit quasi direkt
auf den Hohlwellenleiter aufgebracht. Alternativ könnte
die Druckdose wie in der 3B skizziert
mit einer für die verwendeten Millimeterwellen transparenten
Dichtung 240 verschlossen sein, bspw. aus einem keramik-
oder einem glasartigen Werkstoff, vorzugsweise mit geringer Dämpfung
im Arbeitsbereich mit Millimeterwellen. Im Bereich zwischen der
Membran 210 und der Dichtung 240 können
dann definierte Druckverhältnisse wie bspw. ein Vakuum
erzeugt werden.
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Da
sich die Membran 210 und zumindest Teile des Sensorelements 200 in
einer sehr heißen Umgebung befinden, müssen diese
Bauteile aus Materialien mit sehr hoher Temperaturbeständigkeit
ausgelegt werden. Hierzu eigenen sich bspw. Hochtemperaturlegierungen
wie Inconell oder Hastelloy sowie Edelmetalle wie Platin oder Iridium.
Ebenso können Materialien mit hoher Temperaturbeständigkeit
eingesetzt werden, die mit einer leitfähigen Beschichtung
versehen sind, damit die Signale S und R geleitet bzw. reflektiert
werden können.
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Der
gemeinsame Hohlwellenleiter 600 bzw. der Sende- und der
Empfangshohlwellenleiter 610, 620 sollten idealerweise
sehr massiv ausgeführt sein, um Einflüsse auf
die Messung der Phasendifferenz durch evtl. Vibrationen zu vermeiden.
Hierfür kommen metallische und gut leitende Werkstoffe oder
leitende bzw. leitend beschichtete Keramiken in Frage.
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In
der einfachsten Ausführung eignet sich die Erfindung dazu,
das Vorhandensein einer Druckschwankung Δp zu detektieren.
Hierbei könnte in der Auswerteeinrichtung bspw. beim Überschreiten
eines bestimmten Schwellwertes der Phasendifferenz Δφ ein
Alarm o. ä. ausgelöst werden, der einen Benutzer auf
das Vorliegen der Druckschwankung aufmerksam macht. Ebenso ist es
möglich, in einer aufwändigeren Ausführung
die Vorrichtung zunächst zu kalibrieren, so dass eine eindeutige Zuordnung
zwischen der gemessenen Phasendifferenz Δφ und
der vorliegenden Druckschwankung Δp möglich wird.
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Das
oben im Zusammenhang mit einer Brennkammer einer Gasturbine beschriebene
Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung lässt sich ohne
Weiteres auf die Kompressorkammer bspw. eines Axialkompressors übertragen.
Auch ist die Erfindung natürlich nicht unbedingt auf den
Einsatz in temperaturbelasteten Umgebungen beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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