DE4022431A1 - Sensorsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem nach dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Es ist allgemeine Praxis bei der elektronischen Steue­ rung von Düsenmotoren bestimmte Motorparameter zu mes­ sen, wie beispielsweise die Turbinendrehzahl, die Gas­ temperatur und den Gasdruck, um so die Betriebsbedingun­ gen zu bestimmen für die Steuerung der Kraftstoffzufuhr in Abhängigkeit der gewünschten Leistung. Wo bestimmte Parameter notwendig sind, diese jedoch nicht für das mathematische Gasmodell selbst zur Verfügung stehen, können diese Werte durch Interferenz von anderen Parame­ tern erhalten werden.

Die Messung des Gasdrucks und der Gastemperatur werden durchgeführt durch verschiedene Sensoren, wie beispiels­ weise durch Staudruckmesser und durch Thermoelemente. Infolge der Gasströmungsverhältnisse bei einem Düsenmo­ tor können Druck und Temperatur an nahe beieinander liegenden Stellen stark differieren. Die Nützlichkeit der Druck- und Temperaturmessung ist daher reduziert, da sie sich auf Werte an verschiedenen Stellen des Gas­ stroms beziehen. Die Verwendung von zwei Sensoren kann auch den Nachteil haben, daß, wenn sie eng benachbart zueinander angeordnet sind, um Temperatur- und Druckmes­ sung an möglichst der gleichen Stelle durchführen zu können, der eine Sensor den Meßwert des anderen Sensors beeinflussen kann. So kann beispielsweise der Drucksen­ sor wie eine Wärmesenke wirken, wodurch die vom Tempera­ tursensor gemessene Temperatur beeinflußt wird. Anderer­ seits kann der Temperatursensor den Gasstrom über den Drucksensor beeinflussen und damit die Druckmessung. Die Verwendung von zwei getrennten Sensoren und die ihnen zugeordnete Verkabelung führt auch dazu, daß das Gesamt­ gewicht und die Größe des Sensorsystems anwächst. Bei der Anwendung in Flugzeugen ist es vorteilhaft, am Düsen- oder Turbinengehäuse möglichst wenig Öffnungen vorzusehen, um die Sicherheit des Motors zu erhöhen. Die Befestigung zweier separater Sensoren stellt aus diesem Grund einen zusätzlichen Nachteil dar.

Es besteht die Aufgabe, das Sensorsystem so auszubilden, daß Druck- und Temperaturmessung von nur einem Sensor durchgeführt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Systems und

Fig. 2 eine Kurvendarstellung der Ausgangssignale des Systems.

Das Sensorsystem nach Fig. 1 weist eine Strahlungsquel­ le 1 auf, die eine breitbandige, optische Strahlung erzeugt, die über ein faseroptisches Kabel einem Sensor­ element 3 zugeführt wird. Das Sensorelement 3 ist an einem Ende eines metallischen Meßfühlers 4 angeordnet, der in den Gasstrom ragt, der längs des Strömungswegs 5 einer Turbine 6 fließt. Der Meßfühler 4 weist ein Ein­ gangsloch 7 und ein Ausgangsloch 8 im Bereich des Sensor­ elements 3 auf. Das Einlaßloch 7 weist einen relativ großen Durchmesser auf und ist stromaufwärts gerichtet. Das Auslaßloch 8 ist stromabwärts gerichtet und weist einen kleineren Durchmesser auf. Der Meßfühler 4 weist eine Trennwand 70 auf, die das vordere Ende des Meßfüh­ lers vom rückseitigen Ende abtrennt. An diesem vorderen Ende sind die Einlaß- und Auslaßlöcher 7, 8 angeordnet. Das Sensorelement 3 ist an der Trennwand 70 befestigt, so daß ein Teil dieses Elements dem Druck ausgesetzt ist, der im vorderen Ende des Meßfühlers 4 herrscht, während der andere Teil des Elements dem Druck ausge­ setzt ist, der im rückwärtigen Ende des Meßfühlers an der gegenüberliegenden Seite der Trennwand herrscht. Im Betrieb kommt das in das vordere Ende des Meßfühlers einströmende Gas nahezu zum Stillstand und gibt hierbei seine Energie bei einem Druck auf, der geringfügig höher ist als der Umgebungsdruck. Das Gas kann über das Aus­ gangsloch 8 abströmen, so daß die unmittelbare Umgebung des Sensorelements 3 erneuert wird durch das die Meß­ fühlerspitze umgebende Gas.

Die Ausgangssignale des Sensorelements 3 werden über ein optisches Kabel 9, das sich längs des Meßfühlers 4 erstreckt, drei parallelen Fotodioden 11, 12 und 13 zugeführt, wobei jeder der Fotodioden eine Probe der Ausgangsstrahlung vom Sensorelement empfängt. Die Foto­ dioden 11 bis 13 sprechen auf unterschiedliche Wellen­ längen an und ihre Ausgänge in Bezug auf drei verschie­ dene Wellenlängen Lambda 1, Lambda 2 und Lambda 3 werden einer Prozeßeinheit 20 zugeführt. Die Prozeßeinheit 20 erzeugt zwei Ausgangssignale in den Leitungen 21 und 22 in Bezug auf die Temperatur und den Druck beim Sensor­ element 3. Die Leitungen 21 und 22 sind mit Anzeigeein­ richtungen oder anderen Steuermitteln 23 und 24 verbun­ den.

Das Sensorelement 3 kann verschiedene Formen aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel besteht das Element 3 aus einem optisch transparenten Material und ist so geformt, daß es durch eine Druckdifferenz zwischen der Trennwand 70 auf Spannung beansprucht wird. Diese Spannung bewirkt eine Änderung in den optischen Eigenschaften des Ele­ ments 3. Eine Temperaturänderung führt ebenfalls zu einer Wirkung auf die optischen Eigenschaften des Ele­ ments, jedoch in einer unterschiedlichen Weise als wie dies bei der Druckdifferenz der Fall ist. Irgendwelche Änderungen im Druck oder bei der Temperatur bewirken also unterschiedliche Änderungen bei der Übertragungs­ charakteristika des Elements 3. Die Fig. 2 zeigt die Übertragungseigenschaften beim Druck P1 und bei der Temperatur T1, gekennzeichnet durch die Kurve P1 T1. Ein Anwachsen der Temperatur auf den Wert T2 ohne Druck­ änderung führt zu einer Verschiebung der Kurve in Rich­ tung größerer Wellenlänge, dargestellt durch die Kurve P1 T2. Eine Veränderung der Kurve infolge einer Druck­ änderung ist unterschiedlich zu der Änderung infolge einer Temperaturänderung und führt beispielsweise zu einer Kurve P2 T1, die im gleichen Spektralbereich wie die Kurve P1 T1 liegt, jedoch eine geringere Amplitude aufweist. Da der Druck und die Temperatur die Form der Kurve unterschiedlich beeinflußt, ist es möglich, die Anteile der durch beide Faktoren bewirkten Kurvenverän­ derung zu identifizieren. Dies wird erreicht durch Erfassen der Strahlungsstärke bei verschiedenen Wellen­ längen, wie beispielsweise bei den verschiedenen Wellen­ längen Lambda 1, Lambda 2 und Lambda 3, wie sie von den drei Fotodioden 11 bis 13 erfaßt werden. Je größer die Anzahl der verschiedenen erfaßten Wellenlängen ist, um so genauer kann die Form der Kurve bestimmt werden. Einzelheiten der Sensorelemente, die auf Druck und Temperatur unterschiedlich ansprechen, sind beschrieben in "Optical fibre based sensing using chromatic modula­ tion" von G.R. Jones, Optics and Laser Technology, 19, 6, 297 (1987).

Die Prozeßeinheit 20 weist eine Speichertabelle 200 auf, in welcher in einem Lernbetrieb die Druck- und Tempera­ turwerte eingegeben werden, die vom Sensorelement 3 gemessen werden, wenn der Meßfühler bekannten Drücken und Temperaturen ausgesetzt wird. Hierbei werden die von den Fotodioden erfaßten Wellenlängen bezüglich ihrer Amplitude bei den verschiedenen Drücken und Temperaturen in der Tabelle 200 abgespeichert. Beim Normalbetrieb werden die Ausgänge der Fotodioden 11 bis 13 dazu ver­ wendet, den Speicher 200 der Prozeßeinheit zu adressie­ ren, um die zugehörigen Temperatur- und Druckwerte zu identifizieren, die den Ausgangsleitungen 21 und 22 zugeführt werden.

Auf diese Weise ist es möglich, durch ein einziges Sensorelement sowohl den Druck als auch die Temperatur zu bestimmen und damit den Druck und die Temperatur, die an der gleichen Stelle herrschen. Hierdurch wird die Notwendigkeit der Verwendung getrennter Sensorelemente vermieden und die Gesamtgröße und das Gewicht des Sen­ sorsystems wird auf ein Minimum gebracht, was insbeson­ dere in der Anwendung bei Flugzeugen von Vorteil ist.

Andere Formen des Sensorelements sind ebenfalls verwend­ bar. Beispielsweise ist ein Vibrationselement verwend­ bar, bei welchem der Druck die Resonanzfrequenz beein­ flußt, während die Temperatur den Q-Wert des Elements beeinflußt. Bei einem solchen Element wird die Resonanz­ frequenz und der Q-Wert erfaßt und führen zu einer Anzeige des Drucks und der Temperatur. Ein solches Vibrationselement kann beispielsweise optisch oder piezoelektrisch angeregt werden.

Das System ist auch zu gebrauchen bei anderen strömen­ den Medien, wie beispielsweise bei Flüssigkeiten.

Claims (10)

1. Sensorsystem zur Temperatur- und Druckmessung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensorele­ ment (3) vorgesehen ist, das sowohl temperatur- als auch druckempfindlich ist und das ein Ausgangssignal erzeugt, das sich bei einer Druckänderung in anderer Weise als bei einer Temperaturänderung verändert und eine Prozeßeinheit (20) vorgesehen ist, die das Ausgangssignal analysiert und eine getrennte Anzeige von Druck und Temperatur bewirkt.

2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sensorelement (3) in einem Meßfühler (4) angeordnet ist, das einen Einlaß (7) und einen Auslaß (8) aufweist, so daß ein Fluid durch den Meßfühler vom Einlaß zum Auslaß über das Sensorelement (3) strömt.

3. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Sensorelement (3) ein optisches Element ist, dessen optische Eigenschaften durch Temperaturänderungen in anderer Weise verän­ dert werden als durch Druckänderungen.

4. Sensorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das optische Element (3) optische Übertragungseigenschaften aufweist, die sich bei Temperaturänderungen in anderer Weise verändern als bei Druckänderungen.

5. Sensorsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine breitbandige, optische Strahlungsquelle (1) vorgesehen ist, deren Strahlung über ein optisches Kabel (2) dem optischen Element (3) zugeführt wird und ein optischer Strahlungsde­ tektor vorgesehen ist, der die Strahlungsamplitude vom optischen Element (3) bei verschiedenen Wellen­ längen mißt.

6. Sensorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere optische Strahlungsdetek­ toren (11 bis 13) vorgesehen sind, die auf Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen ansprechen.

7. Sensorsystem nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Prozeßeinheit (20) einen Speicher (200) aufweist, in welchem die bekannten Temperatur- und Druckwerte gespeichert sind, die verschiedenen Strahlungsamplituden bei verschiedenen Wellenlängen zugeordnet sind.

8. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Sensorelement (3) eine Vibrationsvorrichtung ist, deren Resonanzfrequenz vom Druck und deren Gütefaktor von der Temperatur abhängig ist.

9. Sensorsystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vibrationsvorrichtung optisch erregt wird.

10. Sensorsystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vibrationsvorrichtung auf piezoelektrische Weise in Schwingungen versetzt wird.