DE3312740C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Auswerteschaltung für elektrische Pyrometersignale nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Einsatz von Pyrometern in Gasturbinentriebwerken zur Messung der Turbinentemperaturen werden die Pyrometer­ ausgangssignale häufig durch zufälliges Auftreten unver­ brannter Kohlenstoffpartikel aus der Brennkammer beeinträchtigt, die am Pyrometerfühler vorbeipassieren und fälschlich hohe Temperaturwerte vortäuschen, was zu einem unstetigen Lauf des Triebwerks führen kann.

Es ist bereits bekannt, zwei auf unterschiedliche Strahlungswellenlängen ansprechende Fühler zu verwenden, um das Auftreten von Kohlenstoffpartikeln, deren Strahlungs­ emission eine andere Wellenlängenverteilung als diejenige der Turbine hat, feststellen und das Pyrometerausgangs­ signal entsprechend korrigieren können. Diese bekannte Möglichkeit ist jedoch ziemlich kompliziert und demzufolge teuer, denn sie erfordert zusätzlich zum Einsatz von zwei Fühlern eine tabellenartige Vorprogrammierung der Emissions­ verteilungen von Kohlenstoffpartikeln bei verschiedenen Temperaturen und eine Analog-Digitalschaltung zur Verkörperung dieser vorprogrammierten Tabelle.

Eine Auswerteschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit nur einem einzigen Pyrometer­ fühler ist aus der DE-OS 24 53 013 bekannt, allerdings zu einem anderen Zweck, nämlich zur Temperaturüberwachung von Turbinenschaufeln. Die bekannte Auswerteschaltung weist eine Abfrage- und Halteschaltung auf, deren Steuerung durch eine zugeordnete Triggerschaltung erfolgt, und die Halte­ schaltung weist eine Anzahl von jeweils einer einzelnen Turbinenschaufel zugeordneten Speicherkondensatoren auf und ist Bestandteil einer Multiplexer-Einrichtung zur gesonderten Erfassung der Turbinenschaufeltemperatur jeder einzelnen Turbinenschaufel eines Schaufelkranzes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Auswerteschaltung für Pyrometer-Ausgangssignale zu schaffen, die unter zumindest weitgehender Vermeidung des Problems der Meßwertverfälschung durch zufällige Störeinflüsse eine zutreffende Meßwerterfassung unter Verwendung nur eines einzigen Pyrometerfühlers gestattet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Auswerteschaltung gelöst. Vor­ teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.

Beim Gegenstand der obenerwähnten DE-OS 20 18 663 findet zwar auch eine Unterdrückung zufälliger Signalspitzen statt, allerdings lediglich durch Signalglättung mittels eines Kondensators, also praktisch durch eine starke Abflachung der Signalspitzen im Wege einer weitgehenden Ausmittlung des durch die Signalspitzen verfälschten Signals. Bei der erfin­ dungsgemäßen Auswerteschaltung erfolgt dagegen die Unter­ drückung der zufälligen Signalspitzen nicht durch Ausmitte­ lung des Signals, sondern durch Aussparen dieser Signal­ spitzen bei der Meßwerterfassung und Ersatz des durch eine Signalspitze verfälschten Signalswerts durch den vor dem Auftreten der Spitze herrschenden Signalwert während der Dauer der Signalspitze. Diesem Zweck dient die Abfrage- und Halteschaltung der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung, um durch den jeweils gespeicherten vorhergehenden Momentan­ wert des Signals den durch die Spitze stark verfälschten Augenblickswert ersetzen zu können.

Das Prinzip des Ausblendens unerwünschter Signalspitzen ist an sich auch schon aus der US-PS 43 11 963 bekannt, nämlich im Zusammenhang mit einer Schaltung zur Beseitigung von Rauschspitzen. Dabei wird das Eingangssignal in einer Verzögerungsschaltung grundsätzlich verzögert und die Rauschspitzen werden dadurch beseitigt, daß eine Detektor­ schaltung die Rauschspitzen erfaßt und während der ent­ sprechenden Weiterübertragungsperioden des verzögerten Eingangssignals die Leitung jeweils mittels eines von der Detektorschaltung gesteuerten Schaltorgans unterbrochen wird. Demgegenüber weist die erfindungsgemäße Auswerte­ schaltung den Nachteil einer notwendigen Signalverzögerung nicht auf, hat also den Vorteil, daß sie unmittelbar auf Temperaturänderungen des temperaturüberwachten Mediums ohne Verzögerung anspricht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Auswerte­ schaltung nach der Erfindung, und

Fig. 2 die an den Schaltungspunkten A, B, C und D der Blockschaltung nach Fig. 1 auftretenden typischen Signalformen.

Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen.

Ein Pyrometer 2 ist in an sich bekannter Weise zur Temperaturmessung in einer nicht dargestellten Turbine eines ebenfalls nicht dargestellten Gasturbinentriebwerks ange­ ordnet, um Temperaturdaten zur Triebwerksregelung zu liefern. Das Pyrometer 2 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, dessen typische Kurvenform in Fig. 2a dargestellt ist. Dieses Pyrometerausgangssignal wird dem Eingang einer Auswerte­ schaltung 4 zugeführt. Der jeweilige Spannungswert V _T des Pyrometerausgangssignals stellt die tatsächliche Turbinen­ temperatur dar, jedoch ist der wahren Meßwertkurve typischer­ weise eine Anzahl zufälliger Spitzen 6 infolge zufällig auf­ tretender, heißer, Licht aussendender Teilchen unverbrannten Kohlenstoffes überlagert, die von der nicht dargestellen Brennkammer des Triebwerks kommen. Wird das Pyrometeraus­ gangssignal mit diesen zufälligen Spitzen unmittelbar zur Regelung des Triebwerks verwendet, können die Störeinflüsse durch die zufälligen Spitzen 6 zu einem unstetigen Lauf des Triebwerks führen. Die Auswerteschaltung 4 dient der nach­ stehend noch im einzelnen erläuterten Weise zur Reduzierung der Störwirkungen der zufälligen Spitzen 6 im Pyrometeraus­ gangssignal, um ein korrigiertes, eine stabile Regelung des Triebwerkslaufs ermöglichendes Signal zu erhalten.

Die Auswerteschaltung 4 weist einen ersten Operations­ verstärker 8 auf, dessen Eingang über einen Strombegrenzungs­ widerstand 10 mit dem Schaltungseingang verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 8 ist über weitere Strom­ begrenzungswiderstände 14 und 16 mit dem Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 12 verbunden. Der Ausgang dieses zweiten Operationsverstärkes 12 ist über einen strombegrenzenden Widerstand 18 zum Eingang des ersteren Operationsverstär­ kers 8 zugeführt. Außerdem ist der Ausgang des Operations­ verstärkers 12 über einen Kondensator 20 an seinen eigenen Eingang und über eine Diode 22 an die Verbindungsstelle zwischen den beiden Widerständen 14 und 16 zurückgeführt. Eine Zenerdiode 24 ist zwischen Masse und den Verbindungs­ punkt zwischen den Widerständen 14 und 16 geschaltet.

Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 14 und 16 ist außerdem an den Triggereingang einer durch eine positive Flanke getriggerten monostabilen Kippschaltung 28 an­ geschlossen. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 12 ist an den Signaleingang einer Abfrage- und Halteschal­ tung 30 geführt. Der Triggereingang dieser Abfrage- und Halteschaltung 30 ist mit dem Ausgang der monostabilen Kippschaltung 28 verbunden. Der Ausgang der Abfrage- und Halteschaltung ist mit dem Schaltungsausgang der Auswerte­ schaltung 4 verbunden.

Die Auswerteschaltung 4 arbeitet folgendermaßen:

Das Ausgangssignal des Verstärkers 12 mit mit Bezug auf das Eingangssignal des Verstärkers 8 invertiert, und die beiden Operationsverstärkers 8 und 12 wirken als Anstiegs­ geschwindigkeitsbegrenzer, wobei der Verstärker 8 jeweils das Ausgangssignal des Verstärkers 12 mit dem Pyrometerausgangs­ signal vergleicht.

Im folgenden wird auch auf Fig. 2 Bezug genommen.

Wenn das Pyrometerausgangssignal A (siehe Fig. 2a) größer als das Ausgangssignal C des Verstärkers 12 (siehe 2c) ist, schaltet der Verstärker 8 in den positiven Sättigungsbereich (siehe Signal B, Fig. 2b). Dies hat zur Folge, daß das Aus­ gangssignal des Verstärkers 12 mit einer durch die Durch­ bruchsspannung V der Zenerdiode 24 und die Werte C und R des Kondensators 20 und des Widerstands 26 bestimmten Geschwin­ digkeit ansteigt. Diese durch den Ausdruck V/CR bestimmte Anstiegsgeschwindigkeit ist so gewählt, daß sie gerade etwas größer als die maximale Änderungsgeschwindigkeit des Pyro­ meterausgangssignals A während normaler Triebwerksbetriebs­ zustände ist.

Wenn das Pyrometerausgangssignal kleiner als das Ausgangssignal des Verstärkers 12 ist, schaltet der Ver­ stärker 8 in den negativen Sättigungsbereich, was zur Folge hat, daß das Ausgangssignal des Verstärkers 12 mit einer durch die Werte der Durchbruchsspannung V der Zener­ diode 24 und der Kapazität C des Kondensators 20 bestimmten Geschwindigkeit abnimmt. In der Praxis bedeutet dies, daß die Abnahme des Ausgangssignals des Verstärkes 12 der Abnahme des Pyrometerausgangssignals dicht folgt.

Ist das Pyrometerausgangssignal ein stetiges Gleich­ stromsignal oder ein sich änderndes Signal, dessen Änderungs­ geschwindigkeit kleiner als die Begrenzungsgeschwindigkeit des Anstiegsgeschwindigkeitsbegrenzers ist, schaltet der Verstärker 8 in den positiven Sättigungsbereich und das Ausgangssignal des Verstärkers 12 steigt mit der Geschwin­ digkeit V/CR an, bis das Ausgangssignal des Verstärkers 12 geringfügig größer als das Pyrometerausgangssignal ist. Dies hat zur Folge, daß der Verstärker 8 nun in den negativen Sättigungsbereich schaltet und dann das Ausgangssignal des Verstärkers 12 ziemlich schnell (nämlich mit einer durch V und C bestimmten Geschwindigkeit) auf einen geringfügig unterhalb des Pyrometerausgangssignals liegenden Wert ab­ fällt, wonach der Verstärker 8 wieder in den positiven Sättigungsbereich schaltet. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig.

In der Praxis bildet das Ausgangssignal des Verstär­ kers 12 eine hinsichtlich seiner Anstiegsgeschwindigkeit begrenzte Darstellung des Pyrometerausgangssignals, welche dem tatsächlichen Pyrometerausgangssignal dicht folgt, solange die Anstiegsgeschwindigkeit des Pyrometerausgangs­ signals die Begrenzungsgeschwindigkeit des Anstiegsgeschwin­ digkeitsbegrenzers nicht übersteigt, so daß sich dann also nur ein sehr geringer Fehler ergibt.

Diese hinsichtlich der Anstiegsgeschwindigkeit be­ grenzte Darstellung des Pyrometerausgangssignals, d. h. das Ausgangssignal C des Verstärkers 12, wird dem Signal­ eingang der Abfrage- und Halteschaltung 30 zugeführt. Diese Schaltung 30 befindet sich normalerweise im Halte­ zustand und wird von der durch positive Flanken getriggerten monostabilen Kippschaltung 28 aus dem Haltezustand in den Abfragezustand getriggert. Die Kippschaltung 28 wird ihrer­ seits vom Ausgangssignal des Verstärkers 8 getriggert. Die Zeitkonstante der monostabilen Kippschaltung 28 ist auf den Summenwert der Erfassungszeit (derjenigen Zeit, die das Ausgangssignal zum Erreichen seines Endwertes braucht) und der Öffnungszeit (derjenigen Zeit, die zum Umschalten vom Abfragezustand zum Haltezustand notwendig ist) der Abfrage- und Halteschaltung 30 eingestellt.

Infolgedessen wird die Abfrage- und Halteschaltung 30 jedesmal dann vom Haltezustand in den Abfragezustand getriggert, wenn der Operationsverstärker 8 in den positiven Sättigungsbereich schaltet, und die Schaltung 30 hält min­ destens den letzten abgefragten Signalwert der hinsichtlich der Anstiegsgeschwindigkeit begrenzten Darstellung des Pyro­ meterausgangssignals fest, bis der Verstärker 8 das nächste Mal in den positiven Sättigungsbereich schaltet. Auf diese Weise folgt das am Ausgang der Abfrage- und Halteschaltung 30 erscheinende Signal D (Fig. 2d) dem Pyrometerausgangssignal dicht, solange keine Spitze im Pyrometerausgangssignal auf­ tritt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 12 wird jedesmal neu abgefragt, wenn dieses stets um das Pyrometerausgangs­ signal schwankende Ausgangssignal des Verstärkers 12 unter das Pyrometerausgangssignal abfällt. Beim Auftreten einer Spitze im Pyrometerausgangssignal wird jedoch das Ausgangs­ signal der Abfrage- und Halteschaltung 30 während der Anstiegs­ flanke der Spitze (deren Anstiegsgeschwindigkeit viel größer als die Begrenzungsgeschwindigkeit des Anstiegsgeschwin­ digkeitsbegrenzers ist) auf dem zuvor abgefragten Signal­ wert gehalten, bis der Signalwert der Spitze wieder unter denjenigen Wert abfällt, auf welchen das anstiegsgeschwin­ digkeitsbegrenzte Ausgangssignal des Verstärkers 12 an­ gestiegen ist. Dies hat seinen Grund darin, daß, sobald die Anstiegsflanke der Spitze mit einer die Begrenzungs­ geschwindigkeit des Anstiegsgeschwindigkeitsbegrenzers übersteigenden Geschwindigkeit anzusteigen beginnt, der Verstärker 8 im positiven Sättigungsbereich verbleibt und folglich die durch positive Flanken getriggerte monostabile Kippschaltung 28 nicht mehr getriggert und daher auch die Abfrage- und Halteschaltung 30 am weiteren Abfragen ge­ hindert wird, bis der Wert des Pyrometerausgangssignals bis gerade unterhalb des Werte abgefallen ist, auf welchen das Ausgangssignal des Vertärkers 12 bis dann angestiegen ist. Der Verstärker 8 schaltet dann in den negativen Sätti­ gungsbereich und anschließend wieder in den positiven Sättigungsbereich, da dann das Ausgangssignal des Anstiegs­ geschwindigkeitsbegrenzers wieder dem Pyrometerausgangs­ signal folgt, so daß die monotabile Kippschaltung 28 wieder getriggert wird und so veranlaßt, daß die Abfrage- und Halte­ schaltung 30 das Ausgangssignal des Verstärkers 12 wieder abfragt. Dieser Abfragebetrieb läuft dann weiter, bis wieder eine Spitze auftritt.

Auf diese Weise folgt das Ausgangssignal D der Abfrage- und Halteschaltung 30 beim Fehlen einer Spitze dicht dem Pyrometerausgangssignal, und beim Auftreten einer Spitze verbleibt das Ausgangssignal D auf dem zuletzt abgefragten Wert, bis die Spitze abgeklungen ist, so daß die Störwir­ kungen der zufälligen Signalspitzen ausgeschaltet sind und das Signal eine stetige Regelung des Triebwerkslaufs er­ möglicht.

Die Schaltung nach Fig. 1 wurde mit einer Begrenzungs­ geschwindigkeit V/CR des Anstiegsgeschwindigkeitsbegrenzers von 120 V/S und einer Öffnungszeit der Abfrage- und Halte­ schaltung von 10 µs getestet und hat sich als sehr genau erwiesen.

Obwohl bei der oben beschriebenen Auswerteschaltung das von der Abfrage- und Halteschaltung abgefragte Signal eine anstiegsgeschwindigkeitsbegrenzte Darstellung des Pyrometerausgangssignals ist, ist dies nicht notwendig und statt dessen kann ein anderes Signal, nämlich entweder ein das Pyrometerausgangssignal darstellendes Signal oder das Pyrometerausgangssignal setzt, dem Signaleingang der Abfrage- und Halteschaltung zugeführt werden.

Claims (3)

1. Auswerteschaltung für elektrische Pyrometersignale mit einer Einrichtung zur Unterdrückung von durch Stör­ effekte erzeugten zufälligen Signalspitzen, weiter mit einer Abfrage- und Halteschaltung zum zyklischen Abfragen des Pyrometerausgangssignals und Speichern des jeweils abgefragten momentanen Signalwerts, und mit einer Trigger­ schaltung zum Triggern der Abfragefunktion der Abfrage- und Halteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ richtung zur Unterdrückung zufälliger Signalspitzen eine als Anstiegsgeschwindigkeitsbegrenzer ausgebildete, auf die Anstiegsgeschwindigkeit des Pyrometerausgangssignals (A) ansprechende Schaltung (8, 12, 16, 20, 24) aufweist, welche die Triggerschaltung (28) jeweils dann sperrt, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit des Pyrometer-Ausgangssignals einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, und daß die Abfrage- und Halteschaltung (30) der Anstiegsgeschwindigkeitsbegrenzer­ schaltung nachgeschaltet ist und jeweils eine an deren Ausgang erscheinende anstiegsgeschwindigkeitsbegrenzte Dar­ stellung des Pyrometerausgangssignals abfragt.

2. Auswerteschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Anstiegsgeschwindigkeitsbegrenzer einen ersten Verstärker (8) zur Verstärkung des Pyrometerausgangs­ signals (A), einen diesem nachgeschalteten zweiten Ver­ stärker (12), eine Rückführungsschaltung vom Ausgang (C) des zweiten Verstärkers (12) zum Eingang des ersten Ver­ stärkers (8) und zum Eingang des zweiten Verstärkers (12), und eine zwischen die Signalleitung vom Ausgang des ersten Verstärkers (8) zum Eingang des zweiten Verstärkers (12 ) und Masse geschaltete Zenerdiode (24) aufweist, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß das Eingangssignal zum ersten Verstärker (8) die algebraische Summe des Pyrometer­ ausgangssignals (A) und des rückgeführten Ausgangssignals (C) des zweiten Verstärkers (12) ist und das Ausgangssignal (B) des ersten Verstärkers (8) in Abhängigkeit vom Vorzeichen seines Eingangssignals zwischen einem positiven Wert und einem negativen Wert umschaltet und das Ausgangssignal (C) des zweiten Verstärkers (12) mit einer vorgegebenen Änderungs­ geschwindigkeit um das Pyrometerausgangssignal (A) pendelt.

3. Auswerteschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Triggerschaltung (28) eine monostabile Kippschaltung ist, deren Triggereingang an den Ausgang des ersten Verstärkers (8) und deren Ausgang an den Trigger­ eingang der Abfrage- und Halteschaltung (30) angeschlossen ist.