DE3743271A1

DE3743271A1 - Aktive spaltsteuerung

Info

Publication number: DE3743271A1
Application number: DE19873743271
Authority: DE
Inventors: William Randolph Stowell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1986-12-24
Filing date: 1987-12-19
Publication date: 1988-07-07
Also published as: US4842477A; FR2609167A1; IT8723197A0; GB2199664A; IT1224654B; FR2609167B1; GB2199664B; JPS63167032A; GB8729216D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung von Abständen bzw. Strecken unter Verwendung von Mikrowellenstrahlung und insbe sondere auf die Messung von Spaltstrecken in Gasturbinentrieb werken.

Es gibt eine Vielzahl von Techniken zur berührungslosen Messung von kleinen Strecken in der Größenordnung von 2,5 cm oder klei nen Bruchteilen davon. Diese Techniken können kapazitive, mag netische, optische oder akkustische Effekte ausnutzen, wobei jede Technik in einer gegebenen Situation bestimmte Vorteile hat. Die Auswahl der jeweiligen Technik hängt häufig von der erforderlichen Genauigkeit, dem Arbeitsmedium und den Ein schränkungen durch die Umgebung ab.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen neuen und verbesserten Entfernungssensor zu schaffen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zwei si nusförmige elektromagnetische Signale entlang getrennter Übertragungsleitungen übertragen. Wenn ein Gegenstand nahe einer der Leitungen ist, wird die Wanderungsgeschwindigkeit des Signals auf dieser Leitung verändert. Die Größe der Ände rung ist eine Funktion (im allgemeinen nicht-linear) des Ab standes bzw. der Strecke zwischen dem Gegenstand und der Über tragungsleitung. Eine Messung der Änderung gestattet, daß man Schlußfolgerungen auf die Entfernung ziehen kann. Die Änderung der Wanderungsgeschwindigkeit wird durch eine Phasen verschiebung des sinusförmigen elektromagnetischen Signals ermittelt. Weiterhin können Phasenänderungen auch dazu verwen det werden, auf Änderungen in der Geometrie des Gegenstandes oder in dem umgebenden Medium zu schließen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispie len näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist eine auseinandergezogene Darstellung des Sensors 25 in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht von einem Ausführungs beispiel der Übertragungsleitung, die allgemein als eine Streifenleitung bezeichnet wird. Es sind zwei parallele Streifenleitungen gezeigt.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des in Fig. 2 gezeigten Sensors.

Fig. 5 zeigt den Aufbau eines Sensors, in dem die hybriden Schaltungsanordnungen 15 und 42 in Fig. 1 zu dem Auf bau des Sensors gemäß Fig. 2 integriert sind.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der Mikrowellen schaltung gemäß den Fig. 1 oder 5.

Fig. 7 ist eine typische Kalibrations- bzw. Eichkurve.

Fig. 8 gibt die geometrischen Bewegungen für die Kalibrations kuven an.

Fig. 9 ist typisch für einen Satz von Kalibrationskurven, wenn eine seitliche Bewegung erlaubt ist.

Fig. 10 gibt die Leistungsfähigkeit an, wenn ein typischer komplexer Gegenstand gemessen wird.

Im folgenden werden die Fig. 1 und 6 gemeinsam betrachtet. Eine Liste von typischen relevanten Komponenten ist in der folgenden Tabelle zusammen mit Lieferanten für die Komponen ten zusammengestellt. Die elektromagnetische Quelle 3 ist ein Gunn-Dioden-Oszillator, der bei einer Frequenz von 10,5 Gigahertz (GHz) arbeitet und der ein Eingangssignal auf der Leitung 6 liefert. Alle Verbindungen in Fig. 1 sind koaxiale Leitungen, die für die verwendeten Frequenzen geeignet sind. Der Signalteiler(-splitter) 15 ist eine hybride Mikrowellen schaltung, die das Eingangssignal in zwei Signale teilt, die auf Leitungen 18 und 21 geführt werden und die 90 Grad pha senverschoben sind und die etwa gleiche Amplituden in dieser Implementation aufweisen. Ein Abschluß 47 absorbiert auftref fende, ungewollte, reflektierte Signale.

Tabelle 1

3 - ESC Model 206 dielektrischer Resonator/stabilisierter Oszillator oder M/A-COM Gunn MA86651A
15 und 42 - OmniSpectra 2032-6348-00 hybrider Koppler
39 - OmniSpectra 2054-60002-00 Leitungsdehner
51 - OmniSpectra 2085-6017-00 Detektor
62 - Line Tool Co. Model I-1 Micropositioner
47 und 49 - Midisco MDC 1075 Präzisions-Abschlüsse
Mikrowellen-Verbindungsstütze sind OSM- oder SMA- Typen.

Die zwei Signale werden dem Sensor 25 zugeführt, der Elemente 27 und 28 enthält, die Abtastleitungen genannt werden. Im Mo ment ist es ausreichend anzugeben, daß, wenn sich ein Gegen stand, wie beispielsweise eine Gebläseschaufel in Fig. 1, nahe einer der Abtastleitungen, beispielsweise der Leitung 27, befindet, die Ausbreitung des Signals entlang der Abtastlei tung verändert wird.

Nachdem die zwei Signale sich entlang den Abtastleitungen aus gebreitet haben, verlassen sie den Sensor 25 auf Leitungen 33 und 36, die in beiden Figuren gezeigt sind. Die Signale werden wieder zusammengefaßt (rekombiniert) in einem Signalteiler (-splitter) 42, der den gleichen Aufbau wie der Splitter 15 besitzt. Der Phasenschieber 39 wird so eingestellt, daß die Phasenaddition der zwei Signale eine Addition am Port G und eine Aufhebung oder eine Null am Port F zur Folge hat. Dies kompensiert ungleiche Pfadlängen in den Elementen 18, 21, 25, 33, 36 und auch gewisse Mängel in den Splittern und anders wo. Die ungewünschte Energie am Port G wird im Abschluß 49 ab sorbiert oder dazu verwendet, den Betrieb der Quelle 3 zu über wachen. Das Nullsignal am Port F ist das brauchbare Ausgangs signal. In dieser Implementation wird es durch einen Videode tektor 51 gleichgerichtet, durch einen Verstärker 57 verstärkt und durch ein Meßgerät oder Oszilloskop 12 angezeigt. Es wird nun die Entfernungsmessung unter Verwendung des Ports F be schrieben.

Bei Fehlen irgendeines Gegenstandes nahe den Abtastleitungen wird der Phasenschieber 39 zunächst so eingestellt, daß kein, vorzugsweise ein Null-Signal am Port F ansteht. Dann ruft irgendein Gegenstand, der sich einer der Abtastleitungen nähert, eine Phasenänderung im Sig nal auf dieser Leitung hervor, so daß sich der Signalpegel am Port F ändert. Dieses entstehende Signal kann in Maßeinhei ten hinsichtlich der Strecke für einen gegebenen Gegenstand geeicht werden.

Es wurde ein Experiment unter Verwendung der in Fig. 1 ge zeigten Einrichtung durchgeführt, wobei die in den Fig. 7 und 9 gezeigten Daten erhalten wurden. Dabei wurde ein statio närer Gegenstand, der eine Gebläseschaufel 30 sein kann, wenn sich das Gebläse nicht dreht, durch einen Kreuzschlittentisch 62 in Richtung auf den Sensor 25 und von diesem weg bewegt. Die Strecke ist durch die horizontale Achse in Fig. 7 dar gestellt. Dabei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die vertikale Achse im logarithmischen Maßstab eingeteilt ist. Beispielsweise stellt der Punkt 137 eine Spannung dar, die hundertmal größer als diejenige am Punkt 136 ist. Es wurde ge funden, daß die in Fig. 1 gezeigte Einrichtung brauchbar ist zur Messung von Abständen, wie beispielsweise dem Abstand 64.

Es wird nun der Sensor 25 näher erläutert. Fig. 3 stellt im Querschnitt eine typische Streifenleitung (Stripline) dar, ob wohl auch andere Formen von Übertragungsleitungen, wie bei spielsweise diejenigen, die als Mikrostrip- oder Schlitzleitun gen bekannt sind, brauchbar sein sollten. Die unabhängigen Streifenleitungen 70 sind sandwichartig zwischen leitenden Masseebenen 73 und 74 angeordnet und von den Masseebenen durch ein dielektrisches Material getrennt. Die dielektrischen Mas seebenen können Luft oder irgendein geeigneter Isolator be kannter Art sein. Eine typische Trennstrecke der Masseebenen kann 1,25 mm (0,050 Zoll) betragen, und die Breite der Streifen leitung kann etwa ein Zehntel dieses Abstandes betragen, ob wohl gelegentlich größere Abweichungen verwendet werden.

Fig. 4 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung einer Strei fenleitung der in Fig. 3 gezeigten Art. Ein Abschnitt 80 von einer der Masseebenen 74 wurde eliminiert. Die freiliegenden Streifenleitungen 70 A und 70 B entsprechen den in Fig. 6 ge zeigten Abtastleitungen 27 und 28. Wenn also ein Gegenstand 30 nahe einer der Streifenleitungen ist, wird die Geschwindig keit der Ausbreitung des Signals in dieser verändert, wie es bereits ausgeführt wurde.

Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel. Im weiteren Sinne ist die Streifenleitung gemäß Fig. 4 entlang gestri chelten Linien 83 gefaltet, die den Rändern 83 A in Fig. 2 entsprechen. Streifenleitungsabschnitte 70 A und 70 B entspre chen den Abtastleitungen 27 und 28, die in Fig. 6 gezeigt sind. Die gefaltete Masseebene 73 A entspricht der ebenen kon tinuierlichen Masseebene 73 in Fig. 4, während die zwei Mas seebenen 74 A in Fig. 2 der diskontinuierlichen Masseebene 74 in Fig. 4 entsprechen. Wiederum gilt, daß, wenn ein Gegen stand 30 nahe dem Streifenleitungsabschnitt 70 A ist, die Ausbreitung in der Streifenleitung verändert wird. Es sei je doch darauf hingewiesen, daß die Fig. 2 und 4 nur die leit fähigen Elemente des Sensors 25 zeigen, wobei das Dielektri kum nicht gezeigt ist. Weiterhin sind kleine Änderungen in der Geometrie, die zur Beeinflussung der Impedanz bekannt sind, um die Biegung und Masseebenenänderungen zu kompensieren, nicht gezeigt.

Eine detaillierte Darstellung von einem anderen Ausführungsbei spiel des Sensors 25 ist in Fig. 5 gezeigt. Der Sensor 25 ge mäß Fig. 5 ist ähnlich demjenigen gemäß Fig. 3, aber ein zu sätzliches Merkmal besteht darin, daß die Funktion der Signal splitter 15 und 42 in den Fig. 1 und 6 durch Abschnitte 15 A und 42 A der Streifenleitungen 70 übernommen wird. Die in Fig. 5 skizzierte Konfiguration wird im allgemeinen als ein Zweig leitungskoppler bezeichnet. In dieser auseinandergezogenen Dar stellung sind dielektrische Bereiche 90, 92 und 110 gezeigt. Die Länge 103 in Fig. 5 ist stark vergrößert gezeigt. In der Praxis ist der Abschnitt 70 A von der Ebene 73 C durch eine Strecke getrennt, die derjenigen zwischen der Streifenleitung 70 und dem Bereich 73 B vergleichbar ist.

Ein wesentlicher Vorteil des in Fig. 5 gezeigten Sensors ist die Integration der Abtastleitungen und Signalsplitter 15 und 42 in ein Modul. Im Gegensatz dazu sind die Splitter in Fig. 1 außerhalb des Sensors 25. Wenn also das Eingangssignal durch den Pfeil 115 in Fig. 5 dargestellt ist, sind die Signale, die die Punkte B und C erreichen, gleich und um 90 Grad in der Phase verschoben. Wenn keine Änderung auftritt in dem Be reich 70 A, dann rekombiniert der Abschnitt 42 A die Signale so, daß sie gleichphasig sind und sich bei G addieren und ein Nullsignal bei F ansteht. Wenn der Sensor mit präzisen Tole ranzen ausgelegt und gefertigt ist, wird das Erfordernis für den externen Phasenschieber in den Fig. 1 und 6 eliminiert oder seine Funktionen können durch Trimm- (d. h. Modifizierung der Geometrie) Einstellungen übernommen werden. Weiterhin ver meidet die natürliche Symmetrie des Aufbaues viele Umgebungs effekte auf die Leistungsfähigkeit.

Es wurde gefunden, daß es nicht im allgemeinen die tatsächli che Phasendifferenz ist, die gemessen oder auch nur gesucht wird. Es ist die Differenz in der Spannung am Punkt F bei Vor handensein eines Gegenstandes im Vergleich zu der Spannung an dem gleichen Punkt beim Fehlen des Gegenstandes, die im all gemeinen als ein Endergebnis des vorstehenden Arguments brauchbar ist. Wie Fig. 7 zeigt, ist diese Spannung eine Funktion des Abstandes 64 in Fig. 1 zwischen dem Gegenstand 30 und dem Fühler 25. Weiterhin ist diese Spannung etwa eine logarithmische Funktion der Strecke für Sensoren und ge testete Gegenstände.

Der Begriff Strecke wurde in der vorstehenden Beschreibung unbestimmt bzw. frei verwendet. Fig. 8 stellt einen Quer schnitt des Sensors gemäß Fig. 2 in einem Schnitt entlang den Linien 8-8 dar. Wenn ein Gegenstand 30 in aufeinanderfol gende Positionen bewegt wird, die durch die gestrichelten Blöcke 30 A-C bezeichnet sind, wird eine Spannungs-Strecken- Kurve erhalten, die derjenigen von Fig. 7 ähnlich ist. Wenn jedoch der Gegenstand entlang einer unterschiedlichen Bahn be wegt wird, wie sie beispielsweise durch die gestrichelten Gegenstände 30 D-F angegeben ist, kann eine unterschiedliche Kurve, beispielsweise die gemäß Fig. 9, für verschiedene Strecken nächster Annäherung erhalten werden. Der Sensor wird für einen gegebenen Gegenstand, Formen und eine bekannte Bahn kalibriert bzw. geeicht.

Die relative Geometrie ist auf einfache Weise anpaßbar an viele Messungen. Beispielsweise kann eine in Fig. 10 gezeig te Schaufel 120 eines Gasturbinentriebwerks an dem Bereich nahe dem Sensor 25 vorbeibewegt werden, wie es durch den Pfeil 125 gezeigt ist. Es wird ein Signal 127 auf dem Oszilloskop 12 erhalten, das die gezeigte Form aufweisen kann. Das Oszil loskopsignal gibt ein Kennsignal für die Geometrie der Schau fel. Beispielsweise entsprechen die Spitzen 130 dem, was in der Technik als Pfeifspitzen 133 auf der Schaufel 120 bezeich net werden kann, und das Tal 136 würde dem Bereich 139 auf der Schaufel 120 entsprechen. Somit kann in dem Gasturbinentrieb werk die Erfindung dazu verwendet werden, den Spalt zwischen Turbinenschaufeln und einem Turbinenmantel zu messen oder um das Kennungssignal (Signatur) der Schaufelspitze zu erhalten. Im letztgenannten Fall kann eine Abweichung im Kennungssignal durch eine andere Schaufel eine Abweichung in der Schaufelgeo metrie anzeigen, was beim Prüfen äußerst nützlich ist. Die Abweichung kann eine Beschädigung der Schaufel anzeigen. Im ersten Fall kann die Messung des Spaltes (d. h. ein Abstand ähnlich dem Abstand 64 in Fig. 1) nützlich sein bei der Steu erung bzw. Regelung des Turbinenspalts in Gasturbinentrieb werken. Beispielsweise ist in der US-PS 42 30 436 eine Ein richtung zum Regeln des Turbinenspalts beschrieben. Die vor liegende Erfindung kann in Echtzeit eine unmittelbare Informa tion über den Istwert des Turbinenspalts als ein Eingangssig nal in die Regeleinrichtung liefern.

Somit verändert also ein Gegenstand nahe einer der zwei Über tragungsleitungen die Geschwindigkeit der Ausbreitung in der Leitung und verändert somit die Phase der Signale in den Leitun gen. Eine Messung der Phasenänderung, beispielsweise durch Phasenaddition der Signale, wenn der Gegenstand nicht vorhan den ist, und erneut, wenn sich der Gegenstand an bekannten Po sitionen befindet, und Vergleichen der zwei addierten Signale gestattet, daß eine Eich- bzw. Kalibrationskurve gebildet wer den kann, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. Spätere Messungen der Signale, wenn sich der Gegenstand in einem unbekannten Abstand befindet, wie beispielsweise am Punkt 185 in Fig. 7, zeigen an, daß der Abstand zum Gegenstand der Abstand 189 ist.

Wie in Verbindung mit den Fig. 7 und 8 ausgeführt wurde, sei darauf hingewiesen, daß die Verwendung von Fig. 7 nur eine Situation betrifft, die derjenigen ähnlich ist, unter der Fig. 7 entwickelt wurde. Es kann jedoch eine Sammlung derartiger Punkte, wenn sich der Gegenstand in bekannter Wei se bewegt, verwendet werden, um zusätzliche Informationen zu gewinnen.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiels möglich. Beispielsweise wurde der Begriff Teiler bzw. Splitter verwen det, um die Elemente 15 und 42 zu beschreiben. Jedoch kann irgendein Mikrowellen-Leistungsteiler, hybrid oder 3dB- Richtungskoppler verwendet werden, um ein äquivalentes Er gebnis zu erzielen, nämlich Signale identischer Frequenz mit bekannter Größe und Phase an Punkten 18 und 21 zu liefern und die Signale auf Leitungen 33 und 36 in bekannter Weise zusammenzufassen (kombinieren), um die Phasenverschiebung zu messen, die entlang den Sensoren 27 und 28 auftritt.

Weiterhin wurde zwar eine Diode 51 in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben. Jedoch können andere Formen von Demodulatoren oder Empfängern verwendet werden, um für die Gleichrichtung zu sorgen. Insbesondere können ein Mikrowellen-Mischer und Superheterodyn-Empfänger mit logarithmischen Verstärkern ver wendet werden, um ein verbessertes Ergebnis zu erreichen. Die letztgenannte Schaltung sorgt für ein lineares Ausgangssignal, was den dynamischen Bereich der Vorrichtung vergrößert.

Claims

1. Spaltsteuerung für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Spalt zwischen einer Schaufel und einem Mantel oder einem Spalt zwischen einer Schaufel und einem Gehäuse, gekennzeichnet durch einen Fühler (25), der bei Spaltänderungen eine relative Phasenverschiebung zwischen zwei elektrischen Signalen lie fert.

2. Spaltsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Ändern des Spalts auf der Basis der Phasenverschiebung vorgesehen ist.

3. Spaltsteuerung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch :

a) Mittel zur Lieferung von zwei Signalen, die auf zwei Leitungen in einen Bereich wandern, durch den die Schau fel hindurchtritt,
b) Mittel zum Messen einer relativen Phasenverschiebung in Signalen, die durch den Durchtritt der Schaufel her vorgerufen wird, und
c) Mittel zum Verändern des Spaltes bei der Phasenverschie bung.