DE10332248A1

DE10332248A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung eines Lichtleiteraufnehmers

Info

Publication number: DE10332248A1
Application number: DE10332248A
Authority: DE
Inventors: Matthias Diezemann; Sebastian Gast; Thorsten Seglitz; Christoph Dierks
Original assignee: Volkswagen AG; IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: Volkswagen AG; IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-12
Also published as: DE10332248B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung zur Kalibrierung eines Lichtleiteraufnehmers, der zur Temperaturmessung an sich drehenden Bauteilen, vorzugsweise an den Schaufelrädern von Abgasturbinen, eingesetzt wird. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zur Kalibrierung eines Lichtleiteraufnehmers zur Temperaturmessung an sich drehenden Bauteilen zu schaffen, bei dem am Messobjekt mit einfachen Mitteln eine Referenztemperatur zur Kalibrierung des Lichtleiteraufnehmers ermittelt werden kann und Fehlerfaktoren bei der Kalibrierung weitestgehend ausgeschlossen werden können. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird bei eingestellten statischen Betriebsbedingungen mittels der Thermografie einerseits die Wärmestrahlung einer in der unmittelbaren Nähe des drehenden Bauteils befindlichen ortsfesten Kalibrierfläche und andererseits mittels eines Thermoelements die Temperatur der Kalibrierfläche als Referenztemperatur erfasst und einer Auswertungseinheit zugeführt. In einer Auswerteeinrichtung wird durch Abgleich des über die Thermografie aufgenommenen Intensitätsprofils mit der Referenztemperatur die Kalibrierkurve erstellt. Die Kalibrierfläche zur Ermittlung der Referenztemperatur besteht dabei aus demselben Material und den gleichen Oberflächenbeschaffenheiten wie die Schaufelräder der Abgasturbine, an dem eine Temperaturmessung vorgenommen werden soll.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Lichtleiteraufnehmers mit den im Oberbegriff des Patenanspruches 1 genannten Merkmalen sowie eine dazugehörige Vorrichtung mit den im Oberbegriff des Patenanspruches 7 genannten Merkmalen.
Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, mit optischen Strahlungssensorgeräten, Pyrometern, Lichtleiteraufnehmer oder dergleichen die Rotorschaufeltemperatur von Turbinen zu messen. Aus der DE 37 40 693 C2 ist ein optisches Strahlungssensorgerät zur Messung von hohen Temperaturen in Gasturbinen vorbekannt. Das Pyrometer zur Temperaturmessung weist einen Wärmestrahlung empfangenden Pyrometerkopf auf, der auf die Schaufeln der Gasturbine gerichtet ist. Eine Linse des Pyrometers fokussiert die von den Schaufeln ausgehende Strahlung und leitet sie über ein optisches Kabel einem Detektor zu, der mit einer Prozesseinheit verbunden ist. Dort wird die Schaufelradtemperatur ermittelt, anhand der die Turbinenfunktion über eine Turbinensteuereinheit geregelt wird.
Das Problem bei der Temperaturmessung an sich drehenden Rotorschaufeln mittels optischen Strahlungssensorgeräten besteht in der Kalibrierung des Sensorgerätes zur Strahlungsaufnahme. Für die Kalibrierung ist es notwendig, eine Referenztemperatur zu ermitteln bzw. zu messen, bei der die Kalibrierung stattfindet. Bei sich drehenden Bauteilen, wie zum Beispiel Rotorschaufeln, ist dieses sehr schwierig, da ein entsprechendes Thermoelement zur Ermittlung der Referenztemperatur nicht an Rotorschaufeln befestigt werden kann.
Aus der DE 196 21 852 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Hochtemperaturmessfühlers zur Messung der Schaufelradtemperatur von Gasturbinen vorbekannt. Zur Kalibrierung des Hochtemperaturmessfühlers, der vorzugsweise ein Lichtleitermessaufnehmer ist, wird dieser mehreren Temperaturwechseln hintereinander ausgesetzt, wobei mindestens eine bekannte, den Temperaturwechsel verursachende Temperatur zu einem genau definierbaren und bekannten Zeitpunkt am Hochtemperaturmessfühler registrierbar anliegt. Die Kalibrierung erfolgt durch den Vergleich der gemessenen Temperatur mit der bekannten anliegenden Temperatur beziehungsweise mit den entsprechenden Temperaturverläufen.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die Kalibrierung des Hochtemperaturmessfühlers in einer separaten Anlage unter entsprechenden Versuchsbedingungen erfolgt. Das Verfahren ist verhältnismäßig aufwendig, wobei die Kalibrierung nicht an dem eigentlichen Messobjekt durchgeführt wird.
Weiterhin ist aus der DE 44 04 577 C2 ein Verfahren zur Kalibrierung eines in eine Gasturbine eingebauten Pyrometers zur Messung der Turbinenschaufelradtemperatur vorbekannt. Dabei werden in einem stationären Betriebszustand der Gasturbine die Betriebsgrößen der Gasturbine gemessen, aus denen die vom Pyrometer zu messende Betriebstemperatur als Vergleichswert errechnet werden kann. Aus dem vom Pyrometer angezeigten Temperaturwert der zu messenden Betriebstemperatur und dem errechneten Vergleichswert wird ein Korrekturfaktor ermittelt, der als Kalibrierwert dem Pyrometer eingegeben wird.
Bei diesem Kalibrierungsverfahren erfolgt die Kalibrierung des optischen Strahlungsmessaufnehmers zwar direkt am Messobjekt, aber die Kalibrierung erfolgt anhand von errechneten Vergleichswerten. Die rechnerisch ermittelten Vergleichswerte weisen Ungenauigkeiten auf, die die Kalibrierung negativ beeinflussen, so dass das mit dem optischen Strahlungsmessaufnehmer erzielte Messergebnis verfälscht werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zur Kalibrierung eines Lichtleiteraufnehmers zur Temperaturmessung an sich drehenden Bauteilen zu schaffen, bei dem am Messobjekt mit einfachen Mitteln eine Referenztemperatur zur Kalibrierung des Lichtleiteraufnehmers ermittelt werden kann und Fehlerfaktoren bei der Kalibrierung weitestgehend ausgeschlossen werden können.
Diese Aufgabe wird entsprechend dem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und entspre chend der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 7 gelöst.
Dadurch, dass bei eingestellten statischen Betriebsbedingungen mittels der Thermografie einerseits die Wärmestrahlung einer in der unmittelbaren Nähe des drehenden Bauteils befindlichen ortsfesten Kalibrierfläche und andererseits mittels eines Thermoelements die Temperatur der Kalibrierfläche als Referenztemperatur erfasst und einer Auswertungseinheit zugeführt wird, kann in einer Auswerteeinrichtung durch Abgleich des über die Thermografie aufgenommenen Intensitätsprofils mit der Referenztemperatur die Kalibrierkurve erstellt werden. Die Kalibrierfläche zur Ermittlung der Referenztemperatur besteht dabei aus dem selben Material und der gleichen Oberflächenbeschaffenheiten wie die Schaufelräder der Abgasturbine, an denen eine Temperaturmessung vorgenommen werden soll.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass eine Kalibrierung des optischen Lichtleiteraufnehmers zur Temperaturermittlung im Messaufbau mit einfachen Mitteln bei statischen Betriebsbedingungen erfolgt. Eine Kalibrierung des Gerätes in einer separaten Messkammer ist nicht erforderlich. Außerdem erfolgt durch die ermittelte Referenztemperatur eine genauere Kalibrierung des Thermografiemessgerätes. Dadurch, dass die Kalibrierung bei statischen Motorbetriebspunkten erfolgt, werden alle einfließenden Fehlerfaktoren, wie Emission in Abhängigkeit von Transmission, Winkeleinfluss, Temperatureinfluss und Einfluss des optischen Fensters, nahezu vollständig herauskalibriert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
Anhand einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung zur Kalibrierung eines Lichtleiteraufnehmers, der zur Temperaturmessung an sich drehenden Bauteilen eingesetzt wird,
2: eine Einzelheit nach 1 im Schnitt und
3: eine Einzelheit gemäß 2.
Die erfindungsgemäße Lösung wird erläutert am Beispiel der Kalibrierung einer Thermografiekamera 3, die zur Temperaturmessung an den Schaufelrädern einer Abgasturbine 1 eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird. Die Erfindung beschränkt sich dabei nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel. Die Lösung kann für alle optischen Sensorgeräte zur Temperaturermittlung an sich drehenden, thermisch belasteten Bauteilen eingesetzt werden, bei der die Aufnahmegeräte einer entsprechenden Kalibrierung unterzogen werden. So kann die erfindungsgemäße Lösung auch zur Kalibrierung eines in einer Gasturbine eingebauten Pyrometers verwendet werden.
Die Abgasturbine 1 eines Turboladers wird in bekannter Weise mit dem heißen Abgasstrom 2 einer Verbrennungskraftmaschine 5 betrieben, wobei die aufgeladene Ladeluft 4 der Verbrennungskraftmaschine 5 als Verbrennungsluft zugeführt wird. Die Temperaturmessung der Schaufelräder der Abgasturbine 1 erfolgt mittels einer an sich bekannten Thermografiekamera 3, die die Wärmestrahlung der Schaufelräder aufnimmt aus dessen Messsequenz in einer Auswertungseinheit 6 ein Intensitätsprofil und daraus in einer weiteren Auswertungseinheit 10 das Temperaturprofil erstellt wird. Parallel dazu werden über ein Motorsteuergerät 7 die Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 5 erfasst und deren Daten gespeichert. Ebenso werden über das Motorsteuergerät 7 die Getriebedaten der Getriebesteuerung 12 und über eine Betriebsparametereingabe 13 können noch zusätzliche Betriebsparameter, wie zum Beispiel die Veränderung der Fahrpedalstellung, erfasst werden, so dass in der Auswertungseinheit 10 die Temperatur der Schaufelräder den jeweiligen Betriebsbedingungen zugeordnet werden kann. Auf weitere Details der Temperaturermittlung mittels Thermografiekamera 3 wird an dieser Stelle nicht eingegangen, da dieses Verfahren Stand der Technik und nicht Bestandteil der erfindungsgemäßen Lösung ist.
Die Kalibrierung der Thermografiekamera 3 erfolgt bei eingestellten statischen Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine 5. Die Einstellung der statischen Betriebsbedingungen, bei der die Kalibrierung vorgenommen wird, erfolgt in bekann ter Weise durch ein Motorsteuergerät 7, anhand der über das Motorsteuergerät 7, der Getriebesteuerung 12 und der über der zusätzlichen Betriebsparametereingabe 13 ermittelten Betriebsparameter. Zur Kalibrierung der Thermografiekamera 3 ist innerhalb der Abgasturbine 1 an dessen Gehäuse in unmittelbarer Nähe der Schaufelräder und im Sichtbereich der Thermografiekamera 3 eine ortsfeste Kalibrierfläche 8 angeordnet, die aus dem selben Material und gleicher Oberflächenbeschaffenheit wie die Schaufelräder besteht. Die Kalibrierfläche 8 steht mit einem Thermoelement 14 in Kontakt, das datentechnisch mit einer Kalibrierung 9 verbunden ist.
Durch die Thermografiekamera 3 wird beim Kalibriervorgang die Wärmestrahlung der ortsfesten Kalibrierfläche 8 und gegebenenfalls auch die Wärmestrahlung der Schaufelräder aufgenommen und der Auswertungseinheit 6 zugeführt, in der aus den aufgenommenen Daten der Messsequenz ein Intensitätsprofil erstellt wird. Gleichzeitig wird die Temperatur der Kalibrierfläche 8 durch das Thermoelement 14 erfasst und über die Auswertungseinheit 6 einer Kalibrierung 9 zugeführt. Aufgrund der statisch eingestellten Betriebsbedingungen stellt sich in der Abgasturbine und somit an den Schaufelrädern eine konstante Temperatur über einen bestimmten Zeitraum ein, die exakt durch das Thermoelement 14 ermittelt werden kann. In der Kalibrierung 9 wird zum Erstellen der Kalibrierkurve das mit der Thermografiekamera 3 aufgenommene Intensitätsprofil mit der über das Thermoelement 14 aufgenommenen Referenztemperatur verglichen. Die dabei entstandenen Daten der Kalibrierkurve werden für die eingestellten Betriebparameter in einem Datenspeicher 11 gespeichert, der Bestandteil des Motorsteuergerätes 7 sein kann.
Zur Kalibrierung der Thermografiekamera 3 werden nacheinander mehrere Stützstellentemperaturen durch ein Verstellen der Betriebsparameter mittels des Motorsteuergeräts 7 eingestellt. Dabei wird ebenfalls die Temperatur eine bestimmte Zeit konstant gehalten, damit über das Thermoelement 14 eine exakte Temperaturermittlung erfolgen kann. Die entsprechend zu den unterschiedlichen Betriebsparametern ermittelten Daten der Kalibrierkurven werden zusammen mit den jeweiligen Betriebsparametern in dem Datenspeicher 11 gespeichert.
Bei der Kalibrierung der Thermografiekamera 3 wird vor jeder Messung durch die thermografische Lichtmesstechnik eine Trübung des an der Abgasturbine 1 befindli chen optischen Fensters durch Messung an einem Referenzpunkt ermittelt und bei der Temperaturermittlung berücksichtigt.

1: Abgasturbine
2: Abgasstrom
3: Thermografiekamera
4: Ladeluft
5: Verbrennungskraftmaschine
6: Auswertungseinheit
7: Motorsteuergerät
8: Kalibrierfläche
9: Kalibrierung
10: Auswertungseinheit
11: Datenspeicher
12: Getriebesteuerung
13: Zusätzliche Betriebsparametereingabe
14: Thermoelement
t: Zeit

Claims

Verfahren zur Kalibrierung eines Lichtleiteraufnehmers, der zur Temperaturmessung an sich drehenden Bauteilen, vorzugsweise an den Schaufelrädern von Abgasturbinen, eingesetzt wird, wobei eine Temperaturkurve anhand einer Kalibrierkurve aus dem Intensitätsprofil der durch den Lichtleiteraufnehmer ermittelten Messsequenz erstellt wird, gekennzeichnet dadurch, dass – bei eingestellten statischen Betriebsbedingungen mittels Thermografie die Wärmestrahlung einer in der unmittelbaren Nähe des drehenden Bauteils befindlichen ortsfesten Kalibrierfläche und mittels eines Thermoelements deren Temperatur parallel erfasst wird und beide Messdaten einer Auswertungseinheit zugeführt werden, – die mittels des Thermoelementes erfasste Temperatur als Referenztemperatur dient, wobei in einer Auswertungseinheit aus den Daten der Referenztemperatur und den mittels Thermografie parallel aufgenommenen Messdaten eine Kalibrierkurve gebildet und deren Daten gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Kalibrierfläche eine identische Material- und Oberflächenbeschaffenheit aufweist, wie das drehende Bauteil, an dem die Temperaturmessung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass zusätzlich die Wärmestrahlung des zu messenden drehenden Bauteils mittels Thermografie aufgenommen und die Daten zur Erstellung der Kalibrierkurve berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass zur Kalibrierung nacheinander mehrere Stützstellentemperaturen durch Verstellen der Betriebsparameter eingestellt und die Temperatur zur Kalibrierung am jeweiligen Kalibrierpunkt eine bestimmte Zeit konstant gehalten wird und die Daten der Kalibrierkurve mit den dazugehörigen Betriebsparametern in einem Datenspeicher abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass bei der Kalibrierung vor jeder Messung durch die thermografische Lichtmesstechnik eine Trübung des an der Abgasturbine befindlichen optischen Fensters durch Messung an einem Referenzpunkt ermittelt und bei der Temperaturermittlung berücksichtig wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass ein Ändern der Stütztemperaturen durch ein Verstellen der für die Temperaturänderung maßgeblichen Betriebsparameter anhand der im Motorsteuergerät abgelegten Kennfelder erfolgt.
Vorrichtung zur Kalibrierung eines Lichtleiteraufnehmers, der zur Temperaturmessung an sich drehenden Bauteilen, vorzugsweise an den Schaufelrädern von Abgasturbinen, eingesetzt wird, gekennzeichnet dadurch, dass zur Ermittlung einer Referenztemperatur zur Kalibrierung einer Thermografiekamera (3) am Gehäuse innerhalb der Abgasturbine (1) im Sichtbereich der Thermografiekamera (3) und in unmittelbarer Nähe des Schaufelrads eine Kalibrierfläche (8) und ein mit der Kalibrierfläche (8) in Kontakt stehendes Thermoelement (14) angeordnet ist, wobei die Kalibrierfläche (8) aus einem dem Schaufelrad identischen Material mit gleicher Oberflächenbeschaffenheit besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass außerhalb der Abgasturbine (1) eine Thermografiekamera (3) zur Aufnahme einer Messsequenz einer Messfläche angeordnet ist, die datentechnisch mit einer Auswertungseinheit (6), einer Kalibrierung (9), einer weiteren Auswertungseinheit (10), einem Datenspeicher (11) sowie mit einem Motorsteuergerät (7), einer Ge triebesteuerung (12) und einer zusätzlichen Betriebsparametereingabe (13) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, gekennzeichnet dadurch, dass das Thermoelement (14) datentechnisch mit der Kalibrierung (9) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 9, gekennzeichnet dadurch, dass die Auswertungseinheit (10) und der Datenspeicher (11) Bestandteile des Motorsteuergerätes (7) sind.