DE4116450A1 - Kapazitaets-abstandsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen elektrischen Kapazitäts-Abstandsmesser und insbesondere auf ein elektri­ sches Kapazitäts-Meßsystem, das insbesondere zum Messen eines Spalts bzw. Spielraums zwischen benachbarten festste­ henden und bewegbaren Teilen in einer Maschine als eine Funktion von Änderungen der elektrischen Kapazität zwischen den Teilen geeignet ist.

In verschiedenen umlaufenden Maschinen ist ein Rotor oder ein umlaufendes Teil eng in einem Gehäuse eingeschlossen, und es ist wichtig, daß der Spalt oder Abstand zwischen dem Gehäuse und dem umlaufenden Teil, der als ein Arbeitsspiel bezeichnet wird, innerhalb vorbestimmter Grenzen gehalten wird für einen sicheren und effektiven Betrieb der Maschine. Ein Beispiel einer derartigen Maschine und auf die die Erfindung besonders anwendbar ist, ist ein Heißgas- Turbinenmotor, wie beispielsweise ein Flugzeug-Gasturbinen­ triebwerk. In einem derartigen Triebwerk ist ein Turbinen­ rad oder Rotor mit einer Umfangsreihe von im Abstand ange­ ordneten Schaufeln, die von dem Rad oder Motor ausgehen, mit geringem Abstand in einem umgebenden Gehäuse oder Man­ tel eingeschlossen, um eine Strömungsbahn für heiße Gase quer zu der Schaufelreihe zu bilden. Die Reaktion der Schaufeln auf die Heißgasströmung bewirkt eine Rotation des Turbinenrades und eine entsprechende Erzeugung von Kraft.

In derartigen Gasturbinentriebwerken stellt der Verlust von Turbinenschaufelreaktion aus einem Leck oder Bypass heißer Gase durch den Betriebsspielraum anstelle durch die Turbi­ nenschaufeln einen möglichen Energieverlust dar. Jedoch ist die Einhaltung eines minimalen Spalts während des Betriebs des Triebwerkes eine notwendige vorsorgliche Maßnahme, um einen signifikanten Drehkontakt der Schaufeln mit dem umge­ benden Gehäuse zu vermeiden, was zu einem Versagen von Triebwerkskomponenten und auch des Triebwerks bzw. Motors als eine effektive Kraftanlage führen kann. Aus diesen Gründen ist es üblich geworden, den Betriebsspalt eines Turbinenrades während seines Betriebes zu messen und ein kontinuierliches Meß- oder Überwachungssystem für den Betriebsspielraum während gewisser vorbestimmter Operatio­ nen der Turbine zur Verfügung zu haben. Verschiedene Betriebscharakteristiken eines Gasturbinentriebwerks sorgen für signifikante Schwierigkeiten bei der Verwendung von vielen bekannten Spalt- und Abstands-Meßvorrichtungen, insbesondere denjenigen, die einen tatsächlichen Kontakt mit einem sich bewegenden Teil erfordern. Beispielsweise ist die Umgebung an den mit hoher Drehzahl bzw. Geschwin­ digkeit umlaufenden Turbinenschaufeln unverträglich bzw. feindlich für Meßvorrichtungen, die extreme Temperaturen in dem Bereich von 650 bis 1000°C (1200 bis 1800°F) in der Gegenwart einer korrosiven Gasströmung erreichen. Dieser extreme Temperaturbereich bewirkt eine signifikante unter­ schiedliche Expansion von verschiedenen Komponententeilen, die nicht nur irgendwelche zugeordneten Meßmittel beein­ flussen, sondern auch den Arbeitsspalt oder -abstand, der gemessen werden soll. Demzufolge sind Meßvorrichtungen oder -systeme, die einen Kontakt mit dem Rotor oder den Schau­ feln erfordern, vermieden worden. In bezug auf berührungs­ freie Meßmittel sind verschiedene elektrische Kapazitätssy­ steme entwickelt worden, um den umlaufenden Arbeitsspalt von Gasturbinenrädern und Verdichterrotoren zu messen.

Bei diesen bekannten elektrischen Kapazitäts-Systemen wird ein Sondenteil mit einem Sensorende darauf in einer geeigneten Öffnung, beispielsweise in einem Rotorgehäuse installiert, so daß das Sensorende der Sonde den Spitzen der Turbinenschaufeln ausgesetzt ist. Das Sensorende der Sonde neben den sich bewegenden Schaufeln paßt mit einer elektrischen Kapazitätselektrode zusammen, die eng neben oder an der inneren Oberfläche des eng einschließenden Gehäuses oder des Mantels um das Turbinenrad herum angeord­ net ist. In dieser Position stellt die Sondenelektrode die eine Seite des umlaufenden Arbeitsspaltes dar, und die Spitzenoberfläche jeder daran vorbeilaufenden Turbinen­ schaufel, die sich auf einem elektrischen Erd- bzw. Massepotential befindet, wird gewinnbringend als eine gegenüberliegende Kapazitäts-Elektrode und auf der anderen Seite des Arbeitsspalts verwendet. Eine Änderung in dem Arbeitsspalt ist eine Änderung in dem Abstand zwischen den Kondensatorelektroden und eine Änderung in der elektrischen Kapazität dazwischen. Kapazitätsänderungen zwischen der Sondenelektrode und den daran vorbeilaufenden Schaufelspit­ zen werden verwendet, um ein elektrisches Oszillator-Signal zu modulieren, und das modulierte Signal wird verarbeitet, um ein weiteres elektrisches Signal zu liefern, das ein Maß für den umlaufenden Arbeitsspalt ist. In einigen Gasturbi­ nenrädern haben die Turbinenschaufeln in der Umfangsreihe auf dem Rad in entgegengesetzte Richtungen vorstehende Bund- oder Sims-ähnliche Segmente an ihren freien Enden, die mit ähnlichen Segmenten auf einer benachbarten Schaufel in der Reihe zusammenpassen, um eine durchgehende Rand- oder Bandfläche in Umfangsrichtung zu bilden, die die Schaufeln umschließt und mit diesen rotiert. Ein derartiges Turbinenrad mit einem integralen bzw. einteiligen Band oder einem getrennt angepaßten Band wird als eine Mantelring- Turbine bezeichnet, und der Mantel stellt eine kontinuier­ liche Oberfläche dar, die sich an der Sonde vorbei bewegt, im Gegensatz zu einem mantellosen Turbinenrad mit Schau­ feln, die aufrechte freie Enden haben, wodurch etwas gebil­ det wird, was als eine unterbrochene Fläche beschrieben werden kann, die an der Sondenelektrode vorbeiläuft. Ein besonders vorteilhafter Abstandsmesser wird die Fähigkeit haben, Änderungen in dem Arbeitsspalt zwischen der kontinu­ ierlichen Oberfläche eines Mantelringes und dem umgebenden Gehäuse abzutasten. Ein derartiger Abstandsmesser findet eine ausgedehnte Anwendbarkeit auf verschiedene andere Ro­ torteile mit kontinuierlichen Oberflächen, wie beispiels­ weise einer Seitenwand oder einem Rand von einem Radialkom­ pressor-Laufrad (Impeller).

Wie bereits beschrieben wurde, ist der Sondenteil und ins­ besondere der Sensorelektrodenteil davon in einer sehr feindlichen Umgebung von hohen Temperaturen in Gegenwart von verunreinigten heißen Verbrennungsgasen aus dem Ver­ brennungssystem des Triebwerks angeordnet, also Zuständen, die zu einer frühzeitigen Sondenverschlechterung beitragen, was beispielsweise eine Verminderung in Empfindlichkeit und Genauigkeit zur Folge hat. Als eine Konsequenz der oben genannten Faktoren sind fortgesetzte Anstrengungen gemacht worden, um mit elektrischer Kapazität arbeitende Sonden zu schaffen, die widerstandsfähiger gegenüber Temperaturex­ trema und Verunreinigung sind und die nicht nur eine erhöhte Empfindlichkeit, Genauigkeit und Stabilität haben, sondern auch eine breitere Anwendbarkeit einschließlich Empfindlichkeit für kontinuierliche Oberflächen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen gegenüber hohen Temperaturen und Verunreinigungen widerstandsfähigen elek­ trischen Kapazitäts-Abstandsmesser zu schaffen, der insbe­ sondere für eine Verwendung mit durchgehenden Oberflächen geeignet ist. Weiterhin sollen eine Kapazitäts-Sonde mit verbesserter hoher Empfindlichkeit und elektrischer Stabi­ lität und eine elektrische Schaltungsanordnung dafür ge­ schaffen werden, die für eine Verwendung in einem die elek­ trische Kapazität messenden Abstandsmeßsystem geeignet sind. Ferner soll eine verbesserte elektrische Kapazität- Abstandsmeßsonde, die eine gekapselte Sensoreinheit mit einer gasdichten Lötstelle verwendet, um den Austritt darin von Verunreinigungen zu verhindern, und eine Struktur geschaffen werden, die besonders zum Messen eines Arbeits­ spalts in bezug auf eine durchgehende Oberfläche von einem sich bewegenden Teil, das sich an der Sonde vorbei bewegt, geeignet ist.

Erfindungsgemäß werden ein verbesserter Sondenteil des Kapazitätstyps und eine elektrische Schaltungsanordnung dafür geschaffen, die besonders geeignet ist, in das Gehäuse eines Flugzeug-Gasturbinentriebwerks eingesetzt zu werden, wobei ein Sensorende davon eng neben dem Arbeits­ spalt eines Turbinenrades angeordnet wird. Das Sensorende der Sonde enthält eine Metall- und Keramik-Verbundstruktur mit einer besonderen Kondensatorelektroden-Lötstelle, die mit der Keramik verbunden ist, und sie weist eine Lötstel­ len-gekapselte Kombination von Materialien auf, von denen gefunden wurde, daß sie überlegene Gasturbinenwärme- und Korrosionsbeständigkeits-Charakteristiken zusammen mit Tem­ peratur-Charakteristiken haben, die komplementär zueinander angepaßt sind. Es wird ein dreiachsiges (triaxiales) elek­ trisches Kabel mit geringer Kapazität und geringem Rau­ schen, das in die Sonde führt, verwendet, um die Sensor­ elektrode und eine die elektrische Kapazität messende Systemschaltung miteinander zu verbinden und die Sondenkompo­ nenten in die Schaltung elektrisch zu integrieren. Die Gesamtanordnung schafft ein höchst genaues und stabiles elektrisches Abtastelement und ein zugehöriges, die elek­ trische Kapazität messendes System, das besonders für eine Verwendung mit kontinuierlichen Oberflächen geeignet ist. Ein elektrischer Hochfrequenz-Oszillator ist mit der Sondensensorelektrode verbunden, und sein elektrisches Signal wird Amplituden-moduliert durch die Kapazitätsreak­ tanz zwischen der Sondenelektrode, die aus dem Oszillator und einer entsprechenden elektrischen Versorgung elektrisch gespeist ist, und einer gegenüberliegenden, im Abstand angeordneten Oberfläche eines Turbinenrades, wie beispiels­ weise einem Mantelring auf einem elektrischen Erd- bzw. Massepotential (Ground). Das modulierte Oszillator-Signal wird durch eine entsprechende elektrische Schaltungsanord­ nung geleitet, um eine Gleichspannung zu erhalten, die dem Abstand zwischen der Sondenelektrode und einer benachbarten Turbinenrad-Umfangsfläche oder Oberfläche proportional ist.

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

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung von einer Kapazi­ tätssonde, die in einem Turbinengehäuse angebracht ist.

Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung von einer verbes­ serten Sonde gemäß der Erfindung für eine Anwendung in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Endansicht von einer bevorzugten Sonden­ sensorspitze gemäß Fig. 2 aus der Sicht der Linie 3-3 in Fig. 2.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm von einer elektrischen Schal­ tungsanordnung für die Sonde gemäß Fig. 2.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung von einer Kapazitäts-Sondenmontage mit einer Sonde in ihrer Betriebs­ stellung gezeigt.

In Fig. 1 ist ein Gasturbinentriebwerk 10 gezeigt, das ein Gehäuse 11 aufweist, das ein mit Schaufeln versehenes Tur­ binenrad 12 eng umgibt, das für eine Rotation in dem Gehäuse 11 durch Reaktion mit der Strömung heißer Gase geeignet ist, die axial durch die Schaufelreihe 13 strömen. Es ist wichtig, daß der Arbeitsspalt zwischen den Schau­ felspitzen oder den freien Enden und der inneren Oberfläche des Gehäuses 11 in einem vorgeschriebenen Bereich gehalten wird. Wenn das Turbinenrad einen Mantelring verwendet, der allgemein bei 14 dargestellt ist und der zwischen die Schaufelenden paßt oder die Schaufeln an ihren freien Enden verbindet, um eine kontinuierliche Oberfläche zu bilden, ist es in gleicher Weise wichtig, daß der Arbeitsspalt zwischen dem Mantelring und dem Gehäuse in einem vorge­ schriebenen Bereich gehalten wird. Die Sonde gemäß der Erfindung ist eng neben dem Turbinenrad angeordnet und wird dazu verwendet, mit der daran vorbeilaufenden Oberfläche zusammenzuwirken mittels der dazwischen bestehenden elek­ trischen Kapazität, um ein elektrisches Oszillatorsignal zu modulieren, das in einer elektrischen Schaltungsanordnung verarbeitet wird, um ein endgültiges elektrisches Signal zu liefern, das dem Spielraum oder Spalt zwischen einem Ober­ flächenabschnitt eines Mantels und dem umgebenden Gehäuse proportional ist. In Fig. 1 ist die Sonde 15, die gestri­ chelt dargestellt ist, in das Gehäuse 11 durch ein mit einer geeigneten Öffnung versehenen Gehäusebefestigungs­ streifen oder Sockel 16 eingesetzt. Das innere Ende der Sonde 15 paßt mit einer elektrischen Kondensator-Sonden­ elektrode 17 an der inneren Oberfläche des Gehäuses 11 zusammen. Die Kombination von dem Mantelring 14 mit der Sondenelektrode 17 bildet zwei Kondensatorelektroden in einer planaren Abstandsrelation, die durch einen Luftspalt getrennt sind, der der Arbeitsspalt des Turbinenrades in bezug auf das Gehäuse 11 ist. Die Sonde gemäß der Erfindung verkörpert eine Struktur, die besonders geeignet ist, um als ein elektrischer Kapazitätssensor für den Arbeitsspalt mit einer kontinuierlichen bzw. durchgehenden Oberfläche zu dienen. Eine bevorzugte Anordnung für die Sonde 15 ist in Fig. 2 dargestellt.

Gemäß Fig. 2 weist die Sonde 15 einen zylindrischen Körper 18 mit einem konzentrischen Befestigungsscheibenflansch 19 an dem einen Ende und einer durch Löten gekapselten Sensor­ spitzenanordnung 20 an dem gegenüberliegenden Ende auf. Eine wichtige Komponente der Sensorspitze 20 ist ein dünnwandiges, kelchmundiges Sensorgehäuseteil 21, das einen im wesentlichen umgekehrten, am Ende offenen Konus oder eine Trichterform mit einer zentralen Bohrung 22 und eine Reihe von konzentrischen, sukkzessive größer werdenden, senkbohrungsförmigen Vertiefungen 23, 24 und 25 aufweist. Eine dicke Scheibe oder eine Unterlegscheibe 26 aus einem elektrisch isolierenden und temperaturbeständigem Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Al₂O₃, ist konzentrisch in das Mundende oder die Senkbohrungsvertiefung 25 des Gehäuseteils 21 eingepaßt, um an dem Rand 27 des Gehäuses 21 anzugreifen. Eine weitere dicke Ringscheibe 28 aus Aluminiumoxid, Al₂O₃, ist konzentrisch auf dem Kelchgehäuse 21 angeordnet, um die Senkbohrungsvertiefung 23 zu umgeben und auf der Schulter zwischen den Senkbohrungsvertiefungen 23 und 24 zu ruhen. Eine hohle, dünnwandige Übergangs- Metallhülse 29 aus einer Platinlegierung paßt konzentrisch um das Sensorgehäuse 21, wobei ihre innere Wandoberfläche an dem Umfang der Scheibe 28 anliegt. Die Scheibe 26, die in den Mund 25 des Sensorgehäuses 21 paßt und das freilie­ gende Ende der gekapselten Sensorspitzenanordnung 20 ein­ nimmt, ist in der Lage, eine Sensorband-Elektrodeneinheit 30 zu haltern. Die Einheit 30 gemäß Fig. 2 weist ein dün­ nes, schmales und im wesentliches rechteckiges und planares Elektrodenband 31 (deutlicher in Fig. 3 gezeigt) in einer eben anliegenden und konzentrischen Relation zur Scheibe 26 und einen einstückig damit ausgebildeten hohlen Stößelteil 32 auf, der durch die Scheibe 26 hindurch in die Senkboh­ rungsvertiefung 24 ragt.

Das Kelchgehäuseteil 21 ist eine Hauptkomponente der Sen­ sorspitze 20 und umgibt die Scheibe 26, wobei es die Scheibe 28 darauf trägt. Die Scheibe 26 wird durch das Gehäuse 21 getragen, während sie die Scheibe 28 darauf trägt. Die Scheibe 26 wird durch das Gehäuse 21 getragen, so daß an der einen ihrer gegenüberliegenden ebenen Quer­ flächen die Streifenelektrode 31 daran angelötet ist in einer planaren anstoßenden Relation für eine großflächige Verbindung hoher Festigkeit, und um die Streifenelektrode 31 in einer planaren Abstandslage zu der gegenüberliegenden Kondensatorelektrode des sich bewegenden Teils oder Rotors zu positionieren. Das Sensorgehäuseteil 21 kann allgemein beschrieben werden als ein an gegenüberliegenden Enden offenes, konisches, kelch- oder glockenförmiges Gehäuse mit einem kleinen offenen Ende, in dem ein Gehäuse 35 eines elektrischen Kabels eingeschlossen ist, und einem großen, sich erweiternden und mit einem Rand versehenen offenen Ende 25, in dem ein elektrisch isolierender Ring oder eine Scheibe 26 auf dem Umfang in einer konzentrischen Relation gehaltert ist. Die Scheiben 26 und 28 sind aus Aluminiumoxid, Al₂O₃, hergestellt, das ein bei sehr hohen Temperaturen beständiges und für eine Metallisierung sehr geeignetes Bindemittel zu den benachbarten Übergangs- Metallflächen der Hülse 29 und des Gehäuses 21 ist. Das Sensorgehäuse 21 ist mit den Scheiben 26 und 28 gekapselt durch Metallisierungslöten und ist der Hauptträger für eine Sensorende-Strukturanordnung, die das Sensorgehäuse 21, die Scheiben 26 und 28, die Hülse 29 und die Kondensator-Elek­ trodeneinheit 30 umfaßt. Die Scheibe 26 in dem Mund des kelchförmigen Gehäuses 21 trägt das Kondensatorelektroden­ band 31 derart, daß es nächst benachbart zu und freiliegend gegenüber einem Turbinenradumfang ist. Ein elektrisches Signal wird in die Sonde 15 durch ein triaxiales Kabel 33 geleitet, das konzentrisch in den Sondenkörper 18 führt. Das Kabel 33 weist einen Mittelleiter 34 und im Abstand angeordnete, elektrisch leitfähige, innere und äußere Metallmäntel 35 und 36 auf. Das Kabel 33 führt konzentrisch durch den Sondenkörper 18 hindurch, wobei der äußere Mantel 36 elektrischen Kontakt mit dem Sondenkörper 18 macht, bis es die zentrale Vertiefung 37 an dem Ende des Körpers 18 erreicht, wo der äußere Mantel 36 endet. Der innere Mantel bzw. die Hülle 35 mit dem Mittelleiter 34 darin führt wei­ ter und erstreckt sich in die Bohrung 22 des Gehäuses 21, wobei die innere Hülle 35 elektrischen Kontakt mit der Boh­ rung 22 des Gehäuses 21 macht, und in die Vertiefung 23 hinein, an deren Ende die Hülle 35 endet. Der Mittelleiter 34 setzt sich fort und tritt in den hohlen Schaft bzw. Fuß 32 der Elektrodeneinheit 30 und ist darin angelötet für eine elektrische Verbindung mit der Sensorelektrode 31. Das Mantel- bzw. Hüllenmetall für die inneren und äußeren Hül­ len 35 und 36 und auch für den Sondenkörper 18 weist eine bei hohen Temperaturen beständige Legierung auf, die als Inconel-Legierung bezeichnet wird, eine Legierung, die vor­ wiegend Eisen, Nickel und Chrom enthält. Dazwischen auftre­ tende Räume in dem Kabel 31 sind mit einem elektrisch iso­ lierenden Mineralmaterial mit einer hohen Dielektrizitäts­ konstanten (DK), wie beispielsweise Siliziumoxid, SiO₂, gefüllt, wobei die Enden abgedichtet bzw. gekapselt sind, um den Eintritt von verunreinigenden Gasen zu verhindern. Die äußere Hülle 36 ist elektrisch mit dem Sondenkörper 18 verbunden, während die innere Hülle 35 elektrisch mit dem Sensorgehäuseteil 21 verbunden ist. Das Sensorgehäuse 21 ist elektrisch von der Hülse 29 und dem Sondenkörper 18 durch die Scheibe 28 aus Magnesiumoxid, MgO, isoliert. Die Sensorspitze 20 gemäß der Erfindung verwendet eine gas­ dichte Metallisierungs-Lötdichtung zwischen den Komponen­ tenteilen, um den Austritt von Brennstoff und heißen Gasen aus der Verbrennungsgasströmung, die an der Sonde vorbei­ strömt, in die Sonde zu verhindern. Diese Verunreinigungen können den elektrischen Isolationswiderstand zwischen den Leitern nachteilig beeinflussen und das System unwirksam machen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel waren die Isolatoren, wie beispielsweise die Scheiben 26 und 28 gemäß Fig. 2, aus Aluminiumoxid, Al₂O₃, und waren durch das bekannte Molybdän-Mangan-Verfahren metallisiert und dann mit Nickel platiert, um eine gute Lötfläche zu bilden. Anschließend wurde die Sensorspitze 20 gemäß Fig. 2 ein­ schließlich der Hülse 29, dem Sensorgehäuse 21, den Schei­ ben 26 und 28, der Elektrodeneinheit 30 und der Abschirmung 46 gemäß Fig. 3 zusammengebaut und unter Vakuum verlötet als eine Sensoreinheitbaugruppe, die eine gasdichte, metal­ lisierte und gelötete Kombination von Temperatur-angepaßten Komponenten wie beispielsweise einer Platinlegierung für das Gehäuse 21, die Hülse 29 und die Elektrodeneinheit 30 und Al₂O₃ für die Scheiben 26 und 28. Die Verwendung einer Lötabdichtung macht die Verwendung von mechanischen Verbin­ dungen überflüssig, die für den Durchtritt von Gas anfälli­ ger sind. Noch wichtiger ist jedoch, daß jedes Paar anein­ ander anliegender Oberflächen, die normalerweise eine Gasleckstelle werden können, durch eine Lötstelle verbunden sind, und demzufolge ist die Sensoreinheit eine gasdichte durch Löten gekapselte Einheit mit bezüglich der Temperatur angepaßten oder komplementären Komponenten. Weiterhin sind die Elektrodeneinheit 30 mit dem Elektrodenband 31 durch Löten mit der Scheibe 26 verbunden, und demzufolge sind mechanische Verbindungen für die Hauptkomponenten in der Spitze 20 vermieden.

Die Sondenspitze 20 ist auf geeignete Weise an dem Sonden­ körper 18 angebracht durch die Verwendung eines Adapter- Zylinders oder einer Hülse 38 aus einem ähnlichen Metall wie demjenigen des Sondenkörpers 18. Der Adapterzylinder 38 weist einen eingeschnürten oder einen verkleinerten Außen­ durchmesser aufweisenden Schnitt 39 auf, der konzentrisch in die Hülse 29 schiebbar ist, und der Körper 18 weist einen eingeschnürten oder einen verkleinerten Abschnitt 40 auf, der konzentrisch in den Adapterzylinder 38 schiebbar ist. Ein kegelförmiger Rand 41 auf der Hülse 38 liegt an einer Schulter auf dem Sondenkörper 18 an und bildet eine zweckmäßige Schweißrille, um die Spitze 20 mit dem Körper 18 zu verbinden.

Als eine Reserve-Sicherheitsmaßnahme ist die Hülse 29 zu­ sammen mit ihren internen Komponenten mechanisch mit der Adapterhülse 38 durch eine Stiftverriegelungseinrichtung verbunden, die zwei Öffnungen 42 und 43 aufweist, die durch die Überlappungsteile des Adapterzylinders 38 und der Hülse 29 über den offenen Raum zwischen dem Ende des Körpers 18 und der Scheibe 28 aus Aluminiumoxid und wieder durch die Überlappung des Zylinders 38 und der Hülse 29 führen.

Kleine Metallstäbe oder -stifte 44 und 45 führen durch die Öffnungen hindurch, wobei ihre Enden bündig mit der äußeren Oberfläche der Hülse 29 abschließen. Die Stifte 44 und 45 verhindern eine axiale Trennung der Sondenspitze 20 im Falle eines Fehlers an der Lötstelle.

Die Kombination der aneinander anliegenden Oberflächen aus Al₂O₃ und der Platinlegierung bildet exzellente Löt- und Temperaturanpassungs-Charakteristiken für die eingangs genannte, äußerst ungünstige Turbinenumgebung. Die Sensor­ spitze weist auch einen Schutzschild für die Sensorelek­ trode 31 auf, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.

Gemäß Fig. 3, die eine Endansicht der Spitze 20 gemäß Fig. 2 ist und die Elektrode 31 zeigt, wie sie sich einem Turbinenradumfang darstellt, enthält eine dünne Scheibe oder eine Abschirmung 46 vorzugsweise aus einer Platinle­ gierung einen Ausschnitt oder Schlitzabschnitt 47 mit der gleichen allgemeinen Form, wie das Elektrodenband 31, aber mit einem größeren Umfang. Die Abschirmung 46 ist auf dem ebenen Querende des Isolators 26 gemäß Fig. 3 angeordnet, wobei ihr Ausschnitt 47 das Elektrodenband 31 umgibt, aber im Abstand dazu angeordnet ist. Jedoch paßt der Umfang der Abschirmung 46 konzentrisch in den Rand 27 des Kelchgehäu­ ses 21, an dem sie sorgfältig durch Laserschweißung ange­ bracht ist.

Eine schmale, im wesentlichen rechteckige Streifen- oder Bandelektrode ist bevorzugt für den Sensor gemäß der Erfin­ dung, im Vergleich zu beispielsweise einer kreisförmigen Scheibenelektrode. Die Verwendung einer Band- bzw. Schei­ benelektrode, wie beschrieben, mit einer geeigneten Orien­ tierung in bezug auf eine vorbeilaufende Oberfläche gestat­ tet eine gewisse erwartete axiale Bewegung des Turbinenra­ des ohne eine nachteilige Beeinflussung der elektrischen Funktion der Sonde. Beispielsweise ist der Hauptzweck der Sonde ihre Funktion in bezug auf radiale Spaltänderungen des ummantelten Rades, und diese Funktion soll sie ausfül­ len, während sie unempfindlich ist gegenüber einer gewissen erwarteten kleinen axialen Bewegung des Rades.

Es können verschiedene elektrische Schaltungsanordnungen für die Sonde 15 gemäß der Erfindung vorgesehen sein. Im allgemeinen weist eine derartige Schaltungsanordnung eine Quelle für eine konstante Wechselspannung und einen Oszil­ lator auf. Wenn gemäß den Fig. 1 und 2 eine elektrische Spannung an die Elektrode 17 angelegt wird und der Mantel 14 auf einem elektrischen Massepotential ist, wird eine elektrische Kondensatorstruktur gebildet, wobei die Sonden­ elektrode 17 die eine Elektrodenfläche von zwei gegenüber­ liegenden Elektroden eines Kondensators ist, und der Mantel 14, der an der benachbarten Sondenelektrode 17 vorbei läuft, ist die gegenüberliegende und andere Elektrodenflä­ che des Kondensators.

Die elektrische Kapazität der gebildeten Kondensatorstruk­ tur ist proportional zu dem Abstand zwischen den gegenüber­ liegenden Elektrodenflächen, beispielsweise dem beschriebe­ nen Arbeitsspalt. Die elektrische Kapazität wird ermittelt, indem die Sondenelektrode 31 in einem abgestimmten Kreis des Oszillators angeordnet wird. Da die Oberfläche des an der Sonde vorbeilaufenden Mantels im wesentlichen konstant ist und die Sondenelektrode eine feste Oberfläche hat, bleibt die dazwischen bestehende Kapazität nahezu konstant für einen gegebenen Arbeitsspalt. Jedoch ist während eines Turbinenbetriebs bei sehr hohen Temperaturen ein Turbinen­ rad signifikant unterschiedlichen thermischen Expansions- und Zentrifugalkräften ausgesetzt, die Arbeitsspaltänderun­ gen bewirken und auch bewirken, daß der Umfang des Turbi­ nenrades von einem wahren Kreis abweicht. Weiterhin kann eine Lagerabnutzung eine gewisse leichte Kreis- oder Um­ laufbewegung des Turbinenrades bewirken. Jeder beschriebene Zustand kann den Arbeitsspalt ändern, obgleich es nur ein­ mal für jede Umdrehung des Rades ist, ein Zustand, der als "einmal pro Umdrehung-Phänomen" bezeichnet wird. Jede Spal­ tänderung hat eine Kapazitätsänderung zwischen der Elek­ trode 31 und den Schaufelspitzen oder dem Mantelring zur Folge, und die Kapazitätsänderungen werden für eine Ampli­ tudenmodulation eines Oszillatorsignals verwendet, das dann gleichgerichtet und gefiltert wird, um ein Gleichspan­ nungssignal proportional zu dem Arbeitsspalt zu erzeugen. Ein derartiges Signal kann gewinnbringend als ein Auslese­ signal für einen Operator oder als ein Auslösungsmittel für ein Steuersystem verwendet werden, das zur Änderung des Ar­ beitsspaltes wirksam ist. Bei einem Frequenz-modulierten Kapazitäts-Spaltmeßsystem zum Messen des Arbeitsspaltes mit einer unterbrochenen Oberfläche, wie beispielsweise frei­ liegenden Schaufelspitzen auf dem Umfang eines Gasturbinen­ rotors, kann die Ansprechfrequenz des Systems in dem Be­ reich von 100 kHz bis 1 MHz sein. Da der Spielraum zwischen einem Mantelring im Vergleich zur Änderungsgeschwindigkeit mit einem freiliegenden Schaufelspitzenumfang, wird ein Meßsystem mit einer kleineren Frequenz zufriedenstellend verwendet. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hatte das System einen Ansprechfrequenzbereich von 0 bis 200 Hz und verwendete einen 1 MHz Oszillator, um eine 16 kHz Wechselspannung zu liefern, die durch einen Synchronen­ detektor geleitet wird, um eine Gleichspannung proportional zu dem Arbeitsspalt zu liefern.

Ein Beispiel für eine zufriedenstellende elektrische Schal­ tungsanordnung für die Erfindung ist als Blockdiagramm in Fig. 4 gezeigt.

Gemäß Fig. 4 ist eine elektrische Schaltungsanordnung 50 mit einer Sondenelektrode 17 gemäß Fig. 1 oder 31 gemäß den Fig. 2 und 3 verbunden. Die Elektrode 17 ist im Ab­ stand von einer Turbinenradfläche 14 angeordnet, wie bei­ spielsweise einem beschriebenen Mantelring 14 gemäß Fig. 1.

Ein digitaler 1,0 MHz Oszillator 51 und eine Stromquelle 52 liefern ein elektrisches 16 kHz Wechselspannungssignal durch einen Transformator zu einer Sondenelektrode 17, und die Kapazitätsänderungen modulieren, wie beschrieben, die Amplitude des Oszillatorausgangssignals. Dieses Signal wird mit dem Verstärker 53 verstärkt und zu einem Synchrondetek­ tor 54 geleitet, um das Signal gleichzurichten, bevor es durch einen Filter 55 geleitet wird, um ein Gleichspan­ nungssignal als eine Anzeige des Arbeitsspaltes zu erzeu­ gen. Das Signal aus dem Filter 55 kann zu einer entspre­ chenden Audio- oder Videosignaleinrichtung 56 geleitet und/oder dazu verwendet werden, ein den Arbeitsspalt korri­ gierendes System zu speisen.

Zusammenfassend wird also ein stark verbessertes Kapazi­ täts-Abstandsmeßsystem insbesondere für kontinuierliche oder durchgehende Oberflächen geschaffen, wobei die Vor­ teile von einem Kapazitäts-Sondensensor mit einer gasdich­ ten, durch Löten gedichteten bzw. gekapselten Kombination von an hohe Temperaturen angepaßten Komponenten kombiniert, die mit einem auf Kapazitätsänderungen ansprechenden, Am­ plituden-modulierten Oszillator in einer Arbeitsspalt-Meß­ schaltung integriert sind.

Claims (11)

1. Kapazitäts-Meßeinrichtung zum Messen des Spiels zwischen einem Gehäuse und einem sich bewegenden Teil innerhalb und eng neben dem Gehäuse, mit einer Kapazitäts­ sonde und einer elektrischen Schaltungsanordnung dafür, gekennzeichnet durch:

• a) einen schmalen zylindrischen Sondenkörper (18), der derart in das Gehäuse (11) einsetzbar ist, daß ein Ende davon neben dem sich bewegenden Teil angeordnet ist,
• b) eine Sensorspitzenanordnung (20), wobei das eine Ende der Sonde neben dem sich bewegenden Teil angeordnet ist und die Sensorspitze aufweist:
  • 1. ein am Ende offenes Gehäuseteil (21) in der Form eines sich erweiternden Mundes,
  • 2. ein elektrisch isolierendes Metalloxid- Scheibenteil (31), das konzentrisch in dem sich erweiternden Mund des Sensorgehäuseteils (21) angeordnet ist, wobei eine planare Querfläche derart angeordnet ist, daß sie dem sich bewegenden Teil in einer planaren Abstandsrelation zugewendet ist,
  • 3. eine planare, im wesentlichen rechteckige, elektrische Kondensatorelektroden-Streifenlötstelle, die mit der planaren Querfläche des Metalloxidteils in einer planaren Stoßanlage verbunden und elektrisch von dem Gehäuseteil isoliert ist, und
  • 4. ein elektrisches Kabel (33), das konzentrisch in die Sonde (15) ragt und elektrisch mit der Sonde und mit der Kondensatorelektrode verbunden ist, um die Kondensator­ elektrode mit einer elektrischen Kapazitäts-Meßschaltung (50) zu verbinden, die einen Amplituden-modulierten Oszil­ lator aufweist, wobei Änderungen in dem Abstand zwischen der Kondensatorstreifenelektrode und dem sich bewegenden Teil einer Amplitudenmodulation eines Ausgangssignals des Oszillators herbeiführen.

2. Kapazitäts-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei das elektrische Kabel (33) ein dreiachsiges Kabel ist, das einen Mittelleiter (34) und im Abstand angeordnete, innere, und äußere umgebende Metallhüllen (35, 36) aufweist, wobei der äußere Mantel (36) elektrisch mit dem Sondenkörper (18), der innere Mantel (35) elektrisch mit dem Sensorge­ häuseteil und der innere Leiter elektrisch mit dem Konden­ satorelektrodenstreifen verbunden ist und die Zwischenräume in dem dreiachsigen Kabel mit einer elektrischen Isolation aus Siliziumdioxid (SiO₂) gefüllt sind.

3. Kapazitäts-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Synchrondetektor (54) mit dem Oszillator (51) verbunden ist und das amplituden-modu­ lierte Signal aus dem Oszillator verarbeitet und ein elektrisches Signal erzeugt, das proportional zu dem Abstand zwischen der Kondensatorelektrode und dem sich bewegenden Teil ist.

4. Kapazitäts-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse und die durch Löten verbundene elektrische Kondensatorelektrode eine Pla­ tinlegierung enthält und das Metalloxidteil aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) hergestellt ist.

5. Kapazitäts-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Isolator aus Metalloxid das Gehäuse umgibt und durch Löten mit diesem verbunden ist.

6. Kapazitäts-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine planare Kondensatorelek­ trode ein schmales rechteckiges Band aufweist.

7. Kapazitäts-Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Übergangs-Metallzylinder den ringförmigen Isolator umgibt und mit diesem durch Löten verbunden ist, um den ringförmigen Isolator zusammen mit dem Sensorgehäuseteil und dem elektrisch isolierenden Metalloxid-Scheibenteil darin in einer kombinierten, zusam­ mengesetzten, gasdichten Relation als eine Sensorspitze für die Sonde zu haltern.

8. Kapazitäts-Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Adapterhülse (38) konzentrisch mit der schmalen zylindrischen Sonde (15) verbunden ist und der Übergangszylinder konzentrisch mit dem Adapterzylinder verbunden ist.

9. Kapazitäts-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde und die Adapterhülse eine Eisen-, Nickel- und Chromlegierung aufweisen und der Übergangszylinder eine Platinlegierung aufweist.

10. Kapazitäts-Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkörper in einer über­ lappenden Relation konzentrisch in die Adapterhülse paßt, und die Adapterhülse in einer überlappenden Relation konzentrisch in den Übergangszylinder paßt.

11. Kapazitäts-Meßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Stiftteile (44, 45) in Quer­ richtung durch die Überlappung der Adapterhülse und des Übergangszylinders eingesetzt sind und deren axiale Trennung verhindern.