DE3328536A1

DE3328536A1 - Druckmessverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE3328536A1
Application number: DE3328536A
Authority: DE
Inventors: Eugene Frank 45240 Cincinnati Ohio Adiutori
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-08-19
Filing date: 1983-08-06
Publication date: 1984-02-23
Also published as: GB2125556A; IT8322457A1; IT1167569B; GB8317260D0; FR2532048A1; IT8322457A0; JPS5963540A

Description

Druckmeßverfahren und -vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Druckfühler und betrifft insbesondere Fühler, die den Druck durch Messen der Wärmeableitgeschwindigkeit einer Meßsonde bestimmen.

Bei der automatisierten Inspektion von Gegenständen, die Hohlräume oder Zellen haben, ist es häufig erwünscht, den Druck eines in den Zellen enthaltenen Fluids oder Gases zu messen. Zum Beispiel wird der Druck eines Gases, das in einer Zelle enthalten ist und durch Löcher in einer durchlöcherten Gasturbinentriebwerksschaufel entweicht, gemessen, um das Vorhandensein von Blockierungen in den Löchern festzustellen. Die Verwendung von Druckmeßsonden, die in einem solchen Fall in die Zellen eingeführt werden, ist sowohl teuer als auch zeitraubend.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen und verbesserten Druckfühler zu schaffen.

Weiter soll ein neuer und verbesserter Druckfühler geschaffen werden, der den Druck eines in einer Zelle enthaltenen Fluids mißt, ohne selbst in die Zelle einzudringen oder diese zu berühren.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Druck eines in einer Zelle enthaltenen Fluids gemessen, indem ein Teil des Fluids durch Löcher in der Zellwand abgelassen, eine Meßsonde in dem Fluidweg angeordnet wird und die Wärmeableiteigenschaften der Meßsonde gemessen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 ein Diagramm einer Form eines Eichnor

mals, das bei der Erfindung verwendet wird.

Gemäß Fig. 1 enthält eine Gasturbinentriebwerksschaufel 3 eine Zelle 6, die mit einem unter Druck stehenden Fluid, wie beispielsweise einem Druckgas oder Druckluft, gefüllt ist, das durch eine nicht dargestellte Quelle geliefert wird. Die Zelle 6 steht mit einer weiteren Zelle 9 über einen Kanal 12 in Verbindung. Das Gas entweicht aus der Zelle 6 über öffnungen oder Löcher 15 und trifft auf eine Meßsonde 18 auf. Das entweichende Gas ist durch Pfeile 20 dargestellt. In einer Ausführungsform wird die Meßsonde 18 erhitzt, indem ein elektrischer Strom über Leitungen 21 und 23, welche mit einer Quelle 25 konstanter elektrischer Leistung verbunden sind, durch sie hindurchgeleitet wird. Ein Meßinstrument 28, das in der Leitung 21 liegt, liefert ein Maß für die Menge an elektrischer Leistung, die der Meßson-

• r ·

de 18 zugeführt worden ist.

Das entweichende Gas 20, das auf die Meßsonde 18 auftrifft, wird entweder Wärme an die Meßsonde 18 abgeben oder Wärme aus der Meßsonde 18 aufnehmen, was teilweise von der Temperatur des entweichenden Gases 20 im Vergleich zu der Temperatur der Meßsonde 18 sowie von dem Druck des in der Zelle 6 enthaltenen Gases abhängig ist. Es wird jedoch bevorzugt, daß das entweichende Gas 20 kühler ist als die Meßsonde 18. Ein Grund dafür ist, daß man dann beobachten kann, daß die durch das entweichende Gas 20 absorbierte Wärme gleich der durch die Stromquelle 25 im Beharrungszustand zugeführten Leistung ist. Ungeachtet dessen, ob Wärme durch die Meßsonde 18 abgegeben oder aufgenommen wird, wird in der Meßsonde 18 eine stationäre Temperatur erreicht, die dem besonderen Gasdruck in der Zelle 6 entspricht. Diese Prinzipien werden benutzt, um den Druck innerhalb einer Zelle 6 in einer Testschaufel 3 folgendermaßen zu bestimmen.

Die von der Meßsonde 18 aufgenommene Leistung, welche durch das Meßinstrument 28 angezeigt wird, wird konstant gehalten. Es wird ein Eichnormal erzeugt, in welchem die Meßsondentemperaturen im Beharrungszustand für unterschiedliche Zellendrücke aufgezeichnet werden. Das ergibt eine Reihe von Meßsondentemperatur-Zellendruck-Datenpaaren. Im Anschluß daran wird Gas mit unbekanntem Druck in einer Zelle 6 in einer Testschaufel 3 über die Löcher 15 zu der Meßsonde 18 wie zuvor abgelassen, bis der Beharrungszustand erreicht ist. Die Temperatur der Meßsonde 18 wird wieder gemessen. Die Eichnormaldatenpaare werden dann untersucht, um das Paar zu finden, das eine Meßsondentemperatur hat, die der für die Testzelle 6 gemessenen am nächsten kommt. Der Druck, der der am nächsten kommenden Temperatur zugeordnet ist, kann als der Druck der Testzelle 6 angenommen werden. Statt dessen kann eine Interpolation zwischen den beiden Drücken durchgeführt werden, die den beiden Temperaturen zugeordnet sind, zwischen denen die am nächsten

ό ·

kommende Temperatur liegt.

In einer anderen Ausführungsform wird die Meßsonde 18 auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht, und zwar entweder durch Erhitzen wie oben oder auf andere Weise. Die Meßsonde 18 wird in den Weg des entweichenden Gases 20 gebracht, und die Zeit-Temperatur-Übergangskurve der Meßsonde 18 wird aufgezeichnet. Dieses Aufzeichnen wird für verschiedene Gasdrücke wiederholt, um ein weiteres Eichnormal zu erzeugen. Wenn ein unbekannter Druck in einer Testzelle zu messen ist, wird auf gleiche Weise eine Temperatur-Zeit-Übergangskurve für die Testzelle aufgezeichnet. Der Vergleich der letztgenannten Testubergangskurve mit denjenigen in dem Eichnormal wird die Schlußfolgerung gestatten, daß der unbekannte Gasdruck in der Testzelle derjenige ist, der dem in dem Eichnormal mit der übergangskurve gleichkommt, die der Testubergangskurve am stärksten gleicht.

Es sei angemerkt, daß eines der Arbeitsprxnzipien bei der Erfindung die Änderung in der Wärmeableitung in der Meßsonde 18 ist, wenn diese dem aus der Zelle 6 austretenden Gas ausgesetzt wird. Die Änderung kann als eine Temperaturänderung der Meßsonde 18 aufgefaßt und als solche gemessen werden. Statt dessen kann sie indirekt gemessen werden, indem beispielsweise die Leistung, die durch die Stromquelle 25 der Meßsonde 18 zugeführt wird, vergrößert wird, bis eine vorbestimmte Temperatur erreicht ist. In diesem Fall wird die abgeleitete Wärme durch die zusätzliche Energie angezeigt, die der Meßsonde 18 zugeführt wird.

Es sei weiter angemerkt, daß ein umfangreiches Eichnormal für einige Zwecke nicht notwendig zu sein braucht. Es kann erwünscht sein, lediglich festzustellen, ob der Zellendruck über oder unter einem Schwellenwert liegt, in welchem Fall

die Wärmeableitung der Meßsonde überprüft wird, um festzustellen, ob sie über oder unter einem entsprechenden Ableitwert liegt.

Es sei ferner angemerkt, daß unterschiedliche Drücke in den Zellen 6 und 9 sowie in den Löchern 15 an unterschiedlichen Punkten wie den Punkten 29, 30, 31 und 32 darin vorhanden sein werden. Die Ursache dafür ist teilweise darin zu suchen, daß die Drücke innerhalb eines strömenden Fluids einem Gradientenprofil entsprechen. Infolgedessen sollte strenggenommen der Druck, der beim Erzeugen des Eichnormals tatsächlich gemessen wird, derjenige an einem festen Punkt wie dem Punkt 30 sein. Der Druck, von dem dann angenommen wird, daß er in der Testzelle vorhanden ist, wird dann der Druck auch an diesem Punkt sein. Selbstverständlich können die Druckgradienten ausreichend klein sein, so daß der Druck in der gesamten Zelle sowie innerhalb der Löcher (wie beispielsweise an der Stelle 31) als konstant und gleichförmig aufgefaßt werden kann. Demgemäß wird der Begriff "Druck" hier in einem verallgemeinerten Sinn benutzt und bezieht sich auf den Druck in dem ausgewählten festen Punkt oder auf einen ungefähren Zellendruck, der insgesamt einen Mittelwert darstellt.

Die Temperatur der Meßsonde 18 wird, ob diese erhitzt wird, oder nicht, ansteigen oder abnehmen, was von der relativen Anfangstemperatur derselben im Vergleich zu der Temperatur des entweichenden Gases 20 abhängig ist. Demgemäß kann der hier verwendete Begriff "Ableitung" sowohl einen negativen als auch einen positiven Richtungssinn haben. Das heißt, eine positive Wärmeableitung bedeutet das Abgeben von Wärme, während eine negative Wärmeableitung die Absorption von Wärme bedeutet.

Der Vergleich der gemessenen Wärme, die in dem Fall der

Testzelle abgeleitet wird, mit dem Eichnormal kann durch eine Interpolationseinrichtung, wie beispielsweise einen Computer, erfolgen.

Die Meßsonde 18 muß im wesentlichen dieselbe Position bezüglich der Schaufel 3 während sämtlichen Messungen einnehmen, so daß im wesentlichen dieselbe Wärmeaustauschbeziehung während dieser Messungen vorliegt. Weiter sollten die Formen der Zellen und der Löcher darin gleichartig sein.

Als ein Ausführungsbeispiel ist die Erfindung folgendermaßen implementiert worden. Sämtliche folgenden numerischen Daten sind Näherungsdaten. Eine flache kupferne Sonde, die in Fig. 1 mit gestricheltem Umriß 18A dargestellt ist und 44,45 mm (1.75 inches) in der Länge, 6,35 mm (0.25 inches) in der Breite und 1,59 ram (1/16 inch) in der Dicke mißt, wurde in dem Weg des Gases angeordnet, das über die öffnungen (die in diesem Fall üblicherweise als "Luftaustrittslöcher¹¹ bezeichnet werden) , die als gestrichelte Kreise 15A dargestellt sind, austreten soll. Die öffnungen 15A waren in einer Schaufel enthalten, die dem Hochdruckläufer eines Gasturbinentriebwerks entnommen wurde. Die Meßsonde 18A wurde so angeordnet, daß zwischen der Meßsonde 18A und den öffnungen 15A ein Abstand von 1,78 mm (0.07 inches) vorhanden war.

Der Meßsonde 18A wurde eine elektrische Leistung von 45 W zugeführt. Die Zelle 6 wurde mit Gasdruck beaufschlagt, indem die Zelle 9 mit einer Kammer (nicht dargestellt) verbunden wurde, die einen kontrollierten Druck aufwies. Das hatte zur Folge, daß Gas, welches eine Temperatur von 21,67 ⁰C (71 ⁰F) hatte, in die Zelle 6 über Durchlässe, wie zum Beispiel den Kanal 12, eintrat, über die öffnungen 15A entwich und auf die Meßsonde 18A auftraf. Die Tempe-

■ΛΑ ·

ratur der Meßsonde 18A wurde gemessen, wenn ein Beharrungszustand erreicht war. Zu dieser Zeit wurde der Gasdruck an drei Stellen in der Zelle 6 gemessen, nämlich nahe dem unteren Ende ("Wurzel"), nahe der Mitte und nahe dem oberen Ende ("Spitze"). Der Druck wurde gemessen, indem die Meßsonde 18A entfernt wurde, um die öffnungen 15A zugänglich zu machen, und indem dann ein Druckfühler durch ausgewählte öffnungen 15A nahe diesen drei Stellen eingeführt wurde. Die Nadel einer subkutanen Spritze, die mit einem Druckmesser verbunden war, diente als Druckfühler. Diese Prozedur wurde für verschiedene Gasdrücke wiederholt, um eine Reihe von Daten für die Schaufel 3 zu erzielen. Drei weitere Reihen von Daten wurden für drei weitere Schaufeln mit drei verschiedenen Formen durch gleichartige Prozeduren erzielt, und einige der Daten sind in der Tabelle I aufgeführt.

• * « ♦

■JIZ

Tabelle I

Kammerdruck

in ran
Schaufel (inches)Hg

Stationäre Meßsondentemp. in ⁰C (⁰F)*

Wurzel

Zellendruck in mn (inches) Hg

Mitte Spitze

Nr. 1 312,4 (12.3) 215 (419) 132.1 ( 5.2) 114,3 ( 4.5) 124,5 ( 4.9)

424.2 (16.7) 192,8(379) 193,0 ( 7.6) 165,1 ( 6.5) 175,3 ( 6.9)

505.5 (19.9) 180 (356) 228,6 ( 9.0) 198,1 ( 7.8) 210,8 ( 8.3)

609.6 (24.0) 168,9(336) 284,5 (11.2) 248,9 ( 9.8) 261,6 (10.3)

716.3 (28.2) 159,4(319) 348 (13.7) 299,7 (11.8) 317,5 (12.5)

Nr. 2 317,5 (12.5) 202,2(396) 127 ( 5.0) 124,5 ( 4.9) 119,4 ( 4.7)

406.4 (16.0) 186,1(367) 167,6 ( 6.6) 162,6 ( 6.4) 154,9 ( 6.1) 508,0 (20.0) 171,1(340) 215,9 ( 8.5) 208,3 ( 8.2) 200,7 ( 7.9) 609,6 (24.0) 161,7(323) 266,7 (10.5) 261,6 (10.3) 246,4 ( 9.7)

Nr. 3 304,8 (12.0) 235,6(456) 121,9 ( 4.8) 106,7 ( 4.2) 111,8 ( 4.4)

406,4 (16.0) 213,3(416) 172,7 ( 6.8) 147,3 ( 5,8) 154,9 ( 6.1)

508,0 (20.0) 197,2(387) 213,4 ( 8.4) 193 ( 7.6) 203,2 ( 8.0)

609,6 (24.0) 184,4(364) 261,6 (10.3) 238,8 ( 9.4) 254 (10.0)

Nr. 4 304,8 (12.0) 211,1(412) 121,9 ( 4.8) 119,4 ( 4.7) 111,8 ( 4.4)

406,4 (16.0) 191,1(376) 170,2 ( 6.7) 167,6 ( 6.6) 149,9 ( 5.9)

508,0 (20.0) 177,2(351) 218,4 ( 8.6) 215,9 ( 8.5) 193 ( 7.6)

609,6 (24.0) 167,2(333) 279,4 (11.0) 269,2 (10.6) 236,2 ( 9.3)

* Die der Meßsonde zugeführte Leistung betrug in allen Fällen 45 Watt.

/IS-

Die stationäre Meßsondentemperatur in den Daten der Tabelle I ist in Fig. 2 als Funktion des Minimums der drei Zellendrücke (Wurzel, Mitte und Spitze), denen sie zugeordnet ist, aufgetragen. Das Symbol für die Schaufel Nr. 1 ist ein Kreis, für Nr. 2 ein Kreuz, für Nr. 3 ein Quadrat und für Nr. 4 ein Dreieck. Interpolationslinien 6OA, 6OB, 60C und 6OD sind gezogen worden, um einen Typ eines Eichnormals zu erzeugen.

Das Eichnormal kann beispielsweise in Verbindung mit einer Testschaufel 3, die hinsichtlich Form und Lage der öffnungen 15A mit der Schaufel Nr. 1 übereinstimmt, folgendermaßen benutzt werden:

Die Prozedur des Positionierens und Erhitzens der Meßsonde 18A, des Beaufschlagens der Zelle 3 mit Gasdruck und des Messens der stationären Meßsondentemperatur wird wie in dem Fall der Schaufel Nr. 1 wiederholt. Der Zellendruck wird jedoch anhand des Eichnormals bestimmt: Wenn angenommen wird, daß für die stationäre Meßsondentemperatür 198,9 ⁰C (390 "F) gemessen werden, so beträgt der Zellendruck, der dieser Temperatur zugeordnet ist und durch die Interpolationslinie 6OA bestimmt wird, 129,5 mm (5.1 inches) Hg für die Schaufel Nr. 1. Das ist durch die gestrichelten Linien 65A und 65B dargestellt. Die Abweichung dieses Druckes von einem vorbestimmten Druck kann das Nichtvorhandensein oder die Blockierung einiger der öffnungen 15A oder irgendeine andere Schaufelanomalie anzeigen.

Es ist ein Druckfühler beschrieben worden, der den Druck eines Fluids in einer Zelle indirekt mit Hilfe des Abfühlens der Wärmeableitung einer Meßsonde abfühlt, die in dem Weg von aus der Zelle entweichendem Fluid vorhanden ist. Die Wärmeableitung wird mit früheren Wärmeableitung-Zellendruck-Datenpaaren verglichen, die bei dem Ermitteln

' /Ιη ·

—.—10 "* —

eines Eichnormals erzielt wurden, bei dem Fluid mit unterschiedlichen Drücken auf dieselbe Weise auf die Meßsonde geleitet und die betreffende Wärmeableitung aufgezeichnet wurde. Es ist eine andere Ausführungsform beschrieben, bei der eine unbeheizte Meßsonde benutzt wird und Zeit-Temperatur-Übergang sJcurven sowohl bei der Ermittlung des Eichnormals als auch bei dem Messen eines unbekannten Druckes statt der stationären Temperatur der Meßsonde benutzt werden.

• 0-

Leerseite

Claims

Ansprüche

)1 s^Verfahren- zum Messen des Druckes eines Fluids in einer Zelle, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Ablassen eines Teils des Fluids über wenigstens eine Öffnung in der Zelle,

Hervorrufen einer Änderung in der Wärmeableitgeschwindigkeit einer Meßsonde mit dem abgelassenen Fluid und Messen der Wärmeableitgeschwindigkeit.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Vergleichens der gemessenen Geschwindigkeit mit einem Eichnormal.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde durch eine äußere Quelle erhitzt wird.
4. Verfahren zum Messen des Druckes eines Fluids, das in einer durchlöcherten Zelle bestimmter Form enthalten ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte

a) Ermitteln eines Eichnormals durch Ausführen wenigstens folgender Schritte:

i) Ablassen von in einer solchen Zelle enthaltenem Fluid, das einen bekannten Druck hat, über einige der Löcher,

ii) Hervorrufen einer Änderung in der Wärmeableitgeschwindigkeit einer Meßsonde mit dem abgelassenen Fluid,

iii) Messen der Wärmeableitgeschwindigkeit, iv) Wiederholen der obigen Schritte (i) , (ii) und (iii) für eine ausgewählte Anzahl von Wiederholungen unter Verwendung von unterschiedlichen bekannten Fluiddrücken in der Zelle;

b) Messen eines unbekannten Fluiddruckes in einer solchen Zelle durch Ausführen wenigstens folgender Schritte:

i) Ablassen von Fluid über einige der Löcher in der Zelle,

ii) Hervorrufen einer Änderung in der Wärmeableitgeschwindigkeit der Meßsonde mit dem abgelassenen Fluid,

iii) Messen der Wärmeableitgeschwindigkeit,

iv) Vergleichen der in (b) (iii) gemessenen Wärmeableitgeschwindigkeit mit den früher gemessenen Wärmeableitgeschwindigkeiten in dem Eichnormal.
5. Vorrichtung zum Messen des Druckes eines Fluids, das über Löcher in einer Zelle entweicht, gekennzeichnet durch: eine Meßsonde (18), die in einer vorbestimmten Position in dem Weg des entweichenden Fluids (20) angeordnet ist, um eine Wärmeaustauschbeziehung mit diesen zu ermitteln; eine Meßeinrichtung (28), die mit der Meßsonde (18) verbunden ist,zum Messen der durch die Meßsonde abgeleiteten Wärme; und

eine Interpolationseinrichtung, die mit der Meßeinrichtung verbunden ist, zum Ermitteln des Druckes aus der Messung

der abgeleiteten Wärme.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Interpolationseinrichtung Wärmeableitung-Druck-Datenpunkte benutzt werden, die aus früheren Zellentests stammen«
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Interpolationseinrichtung ein Signal erzeugt, wenn der ermittelte Zellendruck einen vorbestimmten Wert erreicht.
8. Verfahren zum Messen des Druckes eines Gases, das in einer durchlöcherten Zelle in einer Turbinentriebwerksverdichter schaufel enthalten ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Ermitteln eines Eichnormals durch Ausführen wenigstens folgender Schritte:

i) Ablassen von Gas, das mit bekanntem Druck in der Zelle einer Referenzschaufel enthalten ist, über einige der Löcher,

ii) Anordnen einer Meßsonde in einer vorbestimmten Position in dem Weg des abgelassenen Gases, um eine Wärmeaustauschbeziehung mit diesem zu ermitteln,

iii) Messen der durch die Meßsonde abgeleitete Wärme, iv) Wiederholen der obigen Schritte (i), (ii) und (iii) für eine ausgewählte Anzahl von Wiederholungen unter Verwendung von verschiedenen bekannten Gasdrücken in der Zelle;

b) Messen eines unbekannten Fluiddruckes in der durchlöcherten Zelle einer Schaufel, die mit der Referenzschaufel im wesentlichen übereinstimmt, durch Ausführen wenigstens folgender Schritte:

i) Ablassen von Gas über einige der Löcher,

ii) Ermitteln von im wesentlichen derselben Wärmeaustauschbeziehung des Schrittes (a) (ii) zwischen der Meßsonde und dem abgelassenen Gas,

iii) Messen der durch die Meßsonde abgeleiteten Wärme, iv) Vergleichen der gegenwärtig gemessenen ausgetauschten Wärme des Schrittes (b) (iii) mit den gemessenen Werten des Eichnormals.