DE3937912A1 - Distance measurement device esp. for turbine bucket tip - has electrode in housing wall supplied with variable voltage and operates on radio discharge principle - Google Patents
Distance measurement device esp. for turbine bucket tip - has electrode in housing wall supplied with variable voltage and operates on radio discharge principleInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device according to the Oberbe handle of claim 1.
Es ist bekannt (DE-PS 34 33 351), den Abstand zwischen zwei relativ zueinander bewegten Teilen mit einem kapazi tiven Meßsystem auf der Basis einer Ladungsmessung zu er fassen.It is known (DE-PS 34 33 351), the distance between two parts moved relative to each other with a capacitance tive measuring system based on a charge measurement grasp.
Bei schnellaufenden Maschinen aller Art, beispielsweise bei Verdichtern oder Turbinen, ist eine hohe zeitliche Auflösung (z. B. eine Mikrosekunde) von solch einem System nicht gewährleistet.For all types of high-speed machines, for example with compressors or turbines, is a high temporal Resolution (e.g. one microsecond) from such a system not guaranteed.
Eine weitere Einsatzbeschränkung stellt die Temperatur der Sonde dar, die ungekühlt maximal 600°C betragen darf.The temperature of the Probe, which must not exceed a maximum of 600 ° C.
Weiterhin nachteilig wirkt sich aus, daß bei der genannten Vorrichtung eine Kalibrierung, z. B. durch Verfahren einer Sonde gegen eine stehende Schaufel eines Rotorkranzes und weitere Auswertung, erforderlich ist.Another disadvantage is that in the aforementioned Device a calibration, e.g. B. by a method Probe against a standing blade of a rotor ring and further evaluation, is required.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zuvor ge schilderten Nachteile zu beheben und ein Meßsystem bereit zustellen, mit dem eine extrem schnelle Abstandsmessung durchführbar ist.The invention has for its object the ge previously outlined disadvantages and a measuring system ready deliver with an extremely fast distance measurement is feasible.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object of the invention is achieved by the characterizing Features of claim 1 solved.
Zur Erfassung des Abstandes zwischen zwei elektrisch lei tenden Teilen ist ein Meßsystem, das nach dem Prinzip der Funkenentladung arbeitet, einsetzbar.To detect the distance between two electrically lei tendency parts is a measuring system that works on the principle of Spark discharge works, can be used.
Die wesentlichsten Vorteile der Erfindung sind:The main advantages of the invention are:
Es ist eine hohe zeitliche Auflösung realisierbar.A high temporal resolution can be achieved.
Ein Temperatureinfluß ist reproduzierbar und läßt sich durch eine parallele Erfassung eliminieren, so daß Mes sungen bei einer Umgebungstemperatur bis mindestens 800°C ohne Kühlung durchführbar sind.A temperature influence is reproducible and can be eliminate by parallel detection, so that Mes solutions at an ambient temperature of at least 800 ° C can be carried out without cooling.
Eine Nach-Kalibrierung der Abstandsmeßeinrichtung ist nicht notwendig.A post-calibration of the distance measuring device is unnecessary.
Das Meßsystem enthält keine beweglichen Teile, so daß das gesamte System schwingungsunempfindlich ist.The measuring system contains no moving parts, so that entire system is insensitive to vibration.
Aufgrund ihrer Bauweise ist die Elektrode klein und damit sowohl flexibel als auch in kleinen Gehäusewandöffnungen einsetzbar. Due to its design, the electrode is small and therefore both flexible and in small housing wall openings applicable.
Bei der Entladung entsteht aufgrund der geringen Entla dungsenergie kein sichtbarer Funke, außerdem werden keine Materialveränderungen hervorgerufen.When unloading occurs due to the low discharge energy is not a visible spark, moreover, none Material changes caused.
Die Elektrode ist erfindungsgemäß feststehend in der Ge häusewand untergebracht. Durch die Aufteilung der Elektro denspannungsquelle in ein Netzteil mit konstanter Spannung und ein Netzteil mit veränderbarer Spannung ist eine ex trem schnelle Spannungsregelung erreichbar. Für den not wendigen dynamischen Meßbereich wird somit die veränderba re Spannung herangezogen.According to the invention, the electrode is fixed in the Ge housed wall. By dividing the electro voltage source in a power supply with constant voltage and a variable voltage power supply is an ex Extremely fast voltage regulation achievable. For the emergency agile dynamic measuring range is thus the changeable tension.
Die Spannung an der feststehenden Elektrode ist derart veränderbar, daß es ab einer bestimmten Feldstärke, die wiederum eine Funktion der Spannung zwischen den Elektro den, dem Abstand und der Elektrodengeometrie ist, zu einer Entladung zwischen Schaufelspitze und Elektrode kommt.The voltage on the fixed electrode is such changeable that there is a certain field strength, the again a function of the voltage between the electro , the distance and the electrode geometry is one Discharge occurs between the tip of the blade and the electrode.
In Weiterbildung der Erfindung stehen die Schaufeln mit einem Sensor, beispielsweise einem optischen Sensor, in Wirkverbindung und sind daher registrierbar, so daß dieser Sensor an einen Zähler ein Signal abgibt. Möglich ist auch die Kombination von Sensor und Elektrode, so daß die Elek trode gleichzeitig mit Hilfe einer geeigneten Auswertung als Sensor eingesetzt werden kann. Dieser Zähler wird über ein Referenzsignal, das von einer Bezugsmarke auf der Tur binenwelle bzw. Turbinenrotor oder einer besonders identi fizierbaren Schaufelspitze erzeugt werden kann, nach jedem Umlauf zurückgesetzt. In a further development of the invention, the blades are provided a sensor, for example an optical sensor, in Active connection and are therefore registrable, so that this Sensor sends a signal to a counter. It is also possible the combination of sensor and electrode, so that the elec trode simultaneously with the help of a suitable evaluation can be used as a sensor. This counter is about a reference signal from a reference mark on the door line shaft or turbine rotor or a particularly identi fizeable blade tip can be generated after each Circulation reset.
In Weiterbildung der Erfindung kann durch eine externe Schaufelwahleinrichtung, beispielsweise eine alphanumeri sche Tastatur, bestimmt werden, zu welcher Schaufel der Abstand ermittelt werden soll. Auch ist es durch eine Zu satzeinrichtung (beispielsweise ein weiterer Zähler) mög lich, den Abstand nacheinander zu jeder Schaufel zu be stimmen und diesen zu speichern, bzw. weiterzuverarbeiten.In a further development of the invention, an external Bucket selection device, for example an alphanumeri cal keyboard, to which blade the Distance to be determined. It is also through a too set device (for example, another counter) possible Lich, the distance to each shovel be successively agree and save it or process it further.
Möglich ist auch die automatische Bestimmung des Abstandes jeder 2. Schaufel oder die automatische Bestimmung einer frei wählbaren Schaufelkombination, die in einem Speicher abgelagert ist. Nach Passieren des Sensors werden die ein zelnen Schaufeln gezählt. Ein Komparator vergleicht den Zählerinhalt mit der vorgewählten Schaufelnummer. Stellt er Gleichheit fest, wird ein Triggersignal abgegeben, das durch ein Zeitglied mit einer definierten Zeitverzögerung, die durch die bauliche Entfernung von Elektrode und Sensor erforderlich ist, von einem weiteren Zähler registriert wird. Bilden die Elektrode und der Sensor eine Einheit, ist keine Zeitverzögerung erforderlich. Solange es nach den einzelnen Umläufen nicht zu einer Entladung der vorge wählten Schaufeln gekommen ist, wird die Elektrodenspan nung durch das Triggersignal stufenweise erhöht. Dies kann entweder nach einem kompletten Umlauf geschehen oder di rekt nach dem Passieren der vorgewählten Schaufel. Vor teilhafterweise erfolgt die Erhöhung der Spannung zwischen dem Durchlauf der zu messenden Schaufel und dem Durchlauf der vorhergehenden Schaufel.The automatic determination of the distance is also possible every second bucket or the automatic determination of one freely selectable shovel combination in one store is deposited. After passing the sensor, the individual blades counted. A comparator compares that Contents of the counter with the preselected bucket number. Poses he equality, a trigger signal is given that by a timer with a defined time delay, due to the structural removal of the electrode and sensor is required, registered by another counter becomes. Form the electrode and the sensor, no time delay is required. As long as it is after the individual rounds did not lead to a discharge of the pre chosen blades has come, the electrode chip voltage gradually increased by the trigger signal. This can either happen after a complete circulation or di right after passing the selected shovel. Before some of the tension increases between the passage of the blade to be measured and the passage the previous shovel.
In Weiterbildung der Erfindung wird nach Erreichen der für eine Entladung notwendigen Spannung, der Durchschlagspan nung UD, ein Entladesignal der Auswerteeinheit zu ge führt, mit dem die Spannung, bei der die Entladung statt gefunden hat, gespeichert wird.In a further development of the invention, after reaching the voltage required for a discharge, the breakdown voltage U D , a discharge signal from the evaluation unit leads to the voltage at which the discharge took place is stored.
Durch eine nachgeschaltete Recheneinrichtung kann dann aus dieser Spannung und der Elektrodengeometrie der Abstand zwischen Schaufelspitze und Gehäusewand berechnet und nu merisch ausgegeben werden.A downstream computing device can then be used this voltage and the electrode geometry the distance calculated between blade tip and housing wall and nu be issued merically.
In Weiterbildung der Erfindung kann der Spannungswert, bei dem Entladung stattgefunden hat, zu Regelungszwecken her angezogen werden. Gemäß der aus der Spannung berechneten Größe des Abstandes kann Kühlluft oder eine Kühlflüssig keit über oder durch das Gehäuse geleitet werden, so daß der Abstand während des Betriebes verändert werden kann, um den Wirkungsgrad der Turbine zu verbessern.In a further development of the invention, the voltage value at discharge has taken place for regulatory purposes be attracted. According to the one calculated from the voltage The size of the distance can be cooling air or a cooling liquid speed can be passed over or through the housing so that the distance can be changed during operation, to improve the efficiency of the turbine.
Die nachfolgende Zeichnungsbeschreibung beinhaltet weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind. Es zeigtThe following description of the drawing contains more Embodiments of the invention according to the invention, in the Figures are shown. It shows
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Meßanordnung; Fig. 1 shows the basic structure of the measuring arrangement;
Fig. 2 eine Elektrodenspannungsquelle; FIG. 2 shows an electrode voltage source;
Fig. 3 die schematische Funktionsweise des Meß systems, wobei die Elektrodenspannung nach jedem Umlauf erhöht wird; Figure 3 shows the schematic operation of the measuring system, the electrode voltage being increased after each revolution.
Fig. 4 die schematische Funktionsweise des Meß systems, wobei die Elektrodenspannung nach dem Passieren der vorgewählten Schaufel erhöht wird; Figure 4 shows the schematic operation of the measuring system, the electrode voltage being increased after passing the preselected blade.
Fig. 5 ein Blockschaltbild der Auswerteinheit. Fig. 5 is a block diagram of the evaluation unit.
In einer Gehäusewand 1 sitzt gemäß Fig. 1 eine Elektrode 2, die mit einer Isolation 3 gegenüber der Gehäusewand 1 versehen ist.According to FIG. 1, an electrode 2 is seated in a housing wall 1 and is provided with insulation 3 with respect to the housing wall 1 .
Zwischen dem unteren Teil der Elektrode 2 und dem oberen Ende einer Turbinenschaufel 4 befindet sich die Entla dungsstrecke 5. Der mit 4′ bezeichnete Pfeil gibt die Drehrichtung des Turbinenrades an.The discharge path 5 is located between the lower part of the electrode 2 and the upper end of a turbine blade 4 . The arrow labeled 4 ' indicates the direction of rotation of the turbine wheel.
Fig. 2 zeigt eine Elektrodenspannungsquelle 6, bestehend aus einem Netzteil 7 mit konstanter Spannung und einem Netzteil 8 mit veränderbarer Spannung. Die Gesamtspannung setzt sich also zusammen aus der Spannung des Netzteils 7 und der Spannung des Netzteils 8. Fig. 2 shows an electrode voltage source 6 , consisting of a power supply 7 with constant voltage and a power supply 8 with variable voltage. The total voltage is therefore composed of the voltage of the power supply 7 and the voltage of the power supply 8 .
In Fig. 3 ist die schematische Funktionsweise des Meß systems am Beispiel von fünf numerierten Schaufeln zur Er läuterung des zeitlichen Verlaufes der Durchschlagspannung UD gezeigt. Durch eine Schaufelvorwahl ist die Schaufel 4 ausgewählt worden. Zu Beginn eines Umlaufs wird ein Zähler durch ein Referenzsignal auf Null gesetzt. Kommt es während des ersten Umlaufs zu keiner Entladung an der Schaufel 4 nach einer definierten Zeit, wird ein Trig gersignal abgegeben und die Spannung nach Passieren der letzten Schaufel 5 um eine Stufe erhöht. Da nach dem zweiten Umlauf keine Entladung stattfindet, wird die Spannung wiederum erhöht. In Fig. 3 wird nach dem dritten Umlauf die Durchschlagspannung UD erreicht, die zu einer Entladung führt. Die gemessene Durchschlagspannung UD wird erfaßt und gespeichert und kann für weitere Zwecke verarbeitet werden. In Fig. 3 the schematic operation of the measuring system is shown using the example of five numbered blades to explain the time course of the breakdown voltage U D He . The bucket 4 has been selected by a bucket preselection. At the beginning of a cycle, a counter is set to zero by a reference signal. If there is no discharge on the blade 4 after a defined time during the first revolution, a trigger signal is emitted and the voltage after passing the last blade 5 is increased by one step. Since no discharge takes place after the second round, the voltage is increased again. In Fig. 3, the breakdown voltage U D is reached after the third round, which leads to a discharge. The measured breakdown voltage U D is recorded and stored and can be processed for further purposes.
Fig. 4 zeigt ebenfalls die schematische Funktionsweise des Meßsystems, mit dem Unterschied zu Fig. 3, daß die Spannung nach dem Passieren der vorgewählten Schaufel 4 erhöht wird und das Triggersignal direkt abgegeben wird, da ein für die Zählimpulse erforderlicher Sensor und die Elektro de 2 eine bauliche Einheit bilden. Fig. 4 also shows the schematic operation of the measuring system, with the difference from Fig. 3 that the voltage is increased after passing the preselected blade 4 and the trigger signal is emitted directly because a sensor required for the counting pulses and the electrical de 2nd form a structural unit.
Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild der Auswerteinheit 9. Ein Zähler 10 ist mit einem Sensor 11 verbunden, der die ein zelnen Schaufeln erfaßt. An den Zähler 10 sind ein Kompa rator 12 sowie eine externe Schaufelwahleinrichtung 13 an geschlossen. Der Ausgang des Komparators 12 ist mit dem Eingang eines UND-Gatters 14 verbunden, an dessen zweitem Eingang der invertierende Ausgang Q eines Flip-Flops 15 angeschlossen ist. Fig. 5 shows the block diagram of the interpreting unit 9. A counter 10 is connected to a sensor 11 which detects the individual blades. At the counter 10 , a comparator 12 and an external blade selection device 13 are closed. The output of the comparator 12 is connected to the input of an AND gate 14 , to the second input of which the inverting output Q of a flip-flop 15 is connected.
Über den Ausgang des UND-Gatters 14 wird ein Zähler 16 an gesteuert, der mit dem Eingang eines D/A-Wandlers 17 ver bunden ist. Der D/A-Wandler 17 steht in Verbindung mit der Elektrodenspannungsquelle 6, die ihrerseits mit der Elek trode 2 verbunden ist. Ein Ausgang der Elektrodenspan nungsquelle 6 ist mit dem Eingang des Und-Gatters 18 ver bunden, während an dem zweiten Eingang ein Zeitglied 19 angeschlossen ist. Der Ausgang des UND-Gatters 18 steht in Verbindung mit dem Set-Eingang des Flip-Flops 15. An einen Resettaster 20 ist der Reset-Eingang des Flip-Flops 15 und des Zählers 16 angeschlossen.Via the output of the AND gate 14 , a counter 16 is controlled, which is connected to the input of a D / A converter 17 . The D / A converter 17 is connected to the electrode voltage source 6 , which in turn is connected to the electrode 2 . An output of the electrode voltage source 6 is connected to the input of the AND gate 18 , while a timing element 19 is connected to the second input. The output of the AND gate 18 is connected to the set input of the flip-flop 15 . The reset input of the flip-flop 15 and the counter 16 is connected to a reset button 20 .
Die Auswerteinheit 9 arbeitet wie folgt: The evaluation unit 9 works as follows:
Das Referenzsignal RE setzt den Zähler 10 auf Null. Der Zähler 10 bekommt pro Schaufel ein Signal, wenn diese den Sensor 11 passiert hat. Der Komparator 13 vergleicht den Inhalt von Zähler 10 mit der Nummer der externen Schaufel wahl 13. Das Flip-Flop 15 ist zunächst im Grundzustand und gibt damit über den invertierenden Ausgang Q das UND-Gatter 14 frei. Über dieses UND-Gatter 14 gelangt immer dann, wenn der Komparator 12 Gleichheit zwischen einer extern vorgewählten Schaufel und Inhalt von Zähler 10 feststellt, ein Triggersignal TR, welches vom Komparator 12 abgegeben wird, auf Zähler 16. Zähler 16 erhöht über den D/A-Wandler 17 pro Umlauf solange die Elektrodenspannung, bis die vor gewählte Schaufel ein Entladesignal EN abgibt. Dieses Si gnal gelangt über das UND-Gatter 18 zum Flip-Flop 15 und sperrt damit gleichzeitig das UND-Gatter 14. Das UND-Gat ter 18 geht am Ausgang mit einer Zeitverzögerung, die von dem Zeitglied 19 bestimmt wird, auf Logisch 1, da die Ent ladung aufgrund der räumlichen Trennung von Sensor 11 und Elektroden 2 erst nach einer definierten Zeit nach Abgabe des Triggersignals TR erfolgt. Der Zähler 16 kann nach Sperrung des UND-Gatters 14 nicht mehr erhöht werden und enthält somit die Informationen über die Durchschlagspan nung UD, die ein Maß für den Abstand zwischen Elektrode 2 und einer vorgewählten Schaufel ist. Mit dem Resettaster 20 wird das Flip-Flop 15 und der Zähler 16 zurückgesetzt und eine neue Messung kann beginnen.The reference signal RE sets the counter 10 to zero. The counter 10 receives a signal per blade when it has passed the sensor 11 . The comparator 13 compares the contents of counter 10 with the number of the external bucket selection 13 . The flip-flop 15 is initially in the basic state and thus releases the AND gate 14 via the inverting output Q. Via this AND gate 14 , whenever the comparator 12 determines that an externally preselected blade and the content of counter 10 are identical, a trigger signal TR, which is output by the comparator 12 , reaches counter 16 . Counter 16 increases the D / A converter 17 per revolution until the electrode voltage until the selected blade emits a discharge signal EN. This signal comes through the AND gate 18 to the flip-flop 15 and thus simultaneously blocks the AND gate 14th The AND gate ter 18 goes at the output with a time delay, which is determined by the timer 19 , to logic 1, since the discharge takes place due to the spatial separation of sensor 11 and electrodes 2 only after a defined time after the trigger signal TR has been emitted . The counter 16 can no longer be increased after blocking the AND gate 14 and thus contains the information about the breakdown voltage U D , which is a measure of the distance between the electrode 2 and a preselected blade. The flip-flop 15 and the counter 16 are reset with the reset button 20 and a new measurement can begin.
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