DE69021130T2

DE69021130T2 - Vorrichtung zur Messung der elektromagnetischen Charakteristiken eines Materials mit sehr hoher Temperatur.

Info

Publication number: DE69021130T2
Application number: DE69021130T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Astier
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1989-05-22
Filing date: 1990-05-15
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2010-05-16
Also published as: EP0399871A3; US5039948A; FR2647223B1; JP3039790B2; CA2017262C; EP0399871A2; JPH0318745A; FR2647223A1; EP0399871B1; CA2017262A1; DE69021130D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Messung der elektromagnetischen Charakteristika eines Materials, insbesondere der komplexen Permeabilität.
Es sind verschiedene Verfahren zur Messung der komplexen Permeabilität eines dielektrischen Materials bekannt. Bestimmte Verfahren verwenden einen Wellenleiter, ein Koaxialkabel oder einen Resonanzhohlraum, die mit dem zu prüfenden Material beladen werden. Ein weiteres bekanntes Verfahren verwendet einen in das zu prüfende Material abstrahlenden Wellenleiter.
In bestimmten Fällen ist es erforderlich, Messungen der elektromagnetischen Charakteristik an Materialien durchzuführen, die auf eine sehr hohe Temperatur gebracht werden, d.h. auf mehr als 1.000º C. Dies gilt insbesondere für dilektrische Materialien, die während ihrer Verwendung einer erheblichen Aufheizung unterworfen sind, wie Materialien, die in den äußeren Teilen von Luftfahrzeugen oder anderen Luft- oder Raumfahrtflugkörpern verwendet werden.
Die bekannten Verfahren sind ungeeignet, da die Messung an einem Material durchgeführt werden muß, das auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird. Dies gilt insbesondere für den Falle eines Wellenleiters, der mit einem zu prüfenden Material in Kontakt steht, wegen der thermischen Verformungen. Außerdem behindern die thermischen Verluste durch Kontakt mit dem Wellenleiter das Erreichen einer homogenen Temperatur innerhalb des Materials. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die insbesondere zur Messung der elektromagnetischen Charakteristik eines auf einer sehr hohen Temperatur befindlichen Materials zu schaffen.
Gelöst wird diese Aufgabe gern. der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Es ist festzustellen, daß eine Meßvorrichtung, die alle Merkmale hat, die im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorhanden sind, bereits aus dem Dokument GB-A-1 115 129 bekannt sind.
Vorzugsweise besteht der Endabschnitt des Wellenleiters aus einem Verbundstoff, der aus Kohlenstoff/Kohlenstoff und Kohlenstoff/Keramik ausgewählt ist, d.h. einem Verbundstoff, der aus einer faserigen Verstärkung aus Kohlenstoff besteht, verdichtet durch eine Matrix aus Kohlenstoff oder einem Keramikmaterial wie Siliciumcarbid.
Die Verwendung eines Endteils aus einem feuerfesten Verbundstoff ermöglicht es, wegen der thermischen Stabilität des Verbundstoffes die Bezugseichebene beizubehalten. Außerdem bewirkt die thermisch isolierende Eigenschaft des Verbundstoffes, daß keine thermische Brücke zwischen dem Material und dem Wellenleiter geschaffen wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen:
- Fig. 1 ein Schaltbild der Gesamtanordnung einer Meßvorrichtung gem. der Erfindung ist; und die
- Fig. 2 und 3 detailliertere Darstellungen im Schnitt bzw. in Vorderansicht des Endteils des Wellenleiters, auf den eine Probe des geprüften Materials aufgelegt ist.
Wie Fig. 1 zeigt, hat die Meßvorrichtung einen Ultrahochfrequenzgenerator, der an einen Wellenleiter 14 angekoppelt ist, in dessen Innerem sich die Wellen bis zum Ende des Leiters ausbreiten, wo sie in eine Probe 13 des zu prüfenden Materials abgestrahlt werden.
Ein Netzwerkanalysator 12, z.B. ein Gerät, das unter der Bezeichnung 8510 von dem U.S.-Unternehmen Hewlett-Packard vertrieben wird, ist zwischen dem Generator 10 und dem Wellenleiter 14 eingebaut, um von dem zu prüfenden Material reflektierte Wellen zu detektieren und den Phasen- und Amplituden-Reflexionsfaktor zu bestimmen, was es ermöglicht, daraus die komplexe Permeabilität des geprüften Materials abzuleiten. Eine derartige Meßvorrichtung ist prinzipiell bekannt, weshalb eine detailliertere Beschreibung nicht erforderlich ist.
In seinem Endabschnitt, der im einzelnen in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, ist der Wellenleiter 14 kreisförmig und besteht aus einem Teil, der an seinem Ende mit einem ringförmigen äußeren Bund 22 versehen ist, der einen Flansch bildet. Die ebene Vorderfläche 24 des Flansches 22 bildet eine Kallibrierebene P. Die Probe 30 aus zu prüfendem Material besteht aus einer scheibenförmigen Probe, deren ebene Fläche 32 am Flansch 22 anliegt und sich somit in der Kallibrierebene befindet.
Um eine Messung bei erhöhter Temperatur durchzuführen, wird die Probe 30 einem Wärmestrom 36 ausgesetzt, der gegen ihre Fläche 34 gerichtet ist, die der Fläche 32 entgegengesetzt ist. Der Wärmestrom wird von einer Wärmequelle, z.B. einem Solarofen (nicht gezeigt) erzeugt.
Die Probe 30 wird mittels Stiften 26, bei dem gezeigten Beispiel 4, gegen den Flansch 22 gehalten, die an der Fläche 34 der Probe 30 anliegt und am Flansch 22 durch Schrauben 28 befestigt sind.
Der Endabschnitt 20 des Wellenleiters besteht aus einem feuerfesten Verbundmaterial, vorzugsweise einem Material mit Faserverstärkung aus Kohlenstoff und einer Kohlenstoff- oder Keramikmatrix, z.B. aus Siliciumcarbid. Ein derartiges Material ist elektrisch leitend, hat eine große thermische Stabilität und behält seine mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen bei.
An seinem Ende gegenüber diesem, das von dem Abschnitt 20 gebildet wird, besteht der Wellenleiter 14 aus einem Endstück 16 mit rechteckigem Querschnitt, das mit dem Abschnitt 20 durch ein Normübergangsteil rechteckiger Wellenleiter - kreisförmiger Wellenleiter 18 verbunden ist. Die Verbindungen zwischen den verschiedenen Teilabschnitten des Wellenleiters 14 sind durch Flansche bewirkt.
Der Endabschnitt 20 wird z.B. wie folgt hergestellt: ein faseriger Vorformling des Abschnitts 20 wird durch Wickeln eines Gewebebandes auf einen Kern hergestellt, um den rohrförmigen Teil des Abschnitts 20 zu bilden, ergänzt durch eine Wicklung eines Bandes aus demselben Gewebe, um den Flansch 22 und den Flansch 21 zu bilden, der zur Verbindung mit dem Übergangsteil 18 dient. Die Gewebeschichten können untereinander durch Vernadeln verbunden werden. Der so gebildete Vorformling wird durch chemische Infiltration in der Dampfphase des Materials der Matrix, z.B. aus Siliciumcarbid verdichtet. Ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffes aus Kohlenstoff/Siliciumcarbid ist z.B. in dem Patent EP 0 172 082 beschrieben. Nach Verdichtung wird der Abschnitt 20 bearbeitet, insbesondere zur Oberflächenbearbeitung seiner zylindrischen Innenfläche, seiner vorderen Fläche 24 und seiner Endfläche des Flansches 21, und zur Bildung von Öffnungen 27 im Flansch 22 zur Befestigung der Schrauben 28 und von Öffnungen 23 in seinem Flansch 21 zur Verbindung mit dem Übergangsteil 18.
Die Stifte 26 zum Halten der Probe 30 werden vorteilhafterweise ebenfalls aus einem feuerfesten Verbundstoff hergestellt, z .B. einem Verbundstoff Kohlenstoff/Siliciumcarbid, der mit einem Antioxidationsschutz versehen ist, um die mechanischen Eigenschaften beizubehalten, die bei hohen Eigenschaften ausreichen, denen die Probe ausgesetzt ist. Wie Fig. 4 zeigt, liegen die Stifte 26 am Umfang der Probe 30 derart an, daß sie die elektromagnetischen Feldlinien im zu prüfenden Material nicht stören.
Um eine Messung durchzuführen, wird die Probe des zu prüfenden Materials am Ende des Wellenleiters 20 angeordnet und dem Wärmestrom 30 ausgesetzt, um die Probe 30 auf die beabsichtigte Temperatur z. B. über 1.000º C zu bringen.
Die ultrahochfrequente Welle, die vom Generator 10 erzeugt wird, breitet sich nach dem Haupttyp TE&sub1;&sub1; im Wellenleiter 14 aus, um in die Probe 30 abzustrahlen. Der Innendurchmesser des Endabschnitts 20 wird bestimmt, um die ultrafrequente Welle ausbreiten zu können, die z.B. eine Frequenz zwischen 2 und 40 GHz hat. Der Netzwerkanalysator 12 liefert den Wert des Reflexionsfaktors, der derjenige des Reflexionskoeffizienten für den Feldtyp TE&sub1;&sub1; ist, nach Phase und Amplitude, was es ermöglicht, die komplexe Permeabilität abzuleiten.
Das Messystem wird zuvor kallibriert, indem in Reihe Kurzschlüsse angeordnet werden, die um Längen λg/12, λg/4 und λg/12 (λg ist die Länge der geleiteten Welle) bzgl. der Ebene P am Ende des Wellenleiters 14 versetzt sind, und dadurch, daß die Einstellungen durchgeführt werden, die notwendig sind, um einen Reflexionskoeffizienten mit einer Dämpfung von 0 dB und einer Phasenverschiebung von 180º zu erhalten.
Die Verwendung des Endabschnitts 20 aus einem feuerfesten Verbundmaterial, das außer seinen Eigenschaften eines elektrischen Leiters und seinem mechanischen Verhalten bei erhöhter Temperatur eine sehr hohe Abmessungsstabilität bzgl. Temperaturänderungen hat und einen thermischen Isolator bildet, ergibt mehrere entscheidende Vorteile, die die Durchführung von Messungen von sehr hohen Temperaturen ermöglichen, die 1.000º C überschreiben, d.h. sogar 2.000º C.
Die Abmessungsstabilität ermöglicht es somit, die Position der Kallibrierebene zwischen dem Anfangseinstellungszeitpunkt und dem ungeändert beizubehalten, zu dem die Probe 30 mit ziemlich hoher Temperatur auf den Flansch 22 gelegt wird. Gleiches gilt wegen der Wärmedehnungen nicht für ein metallisches Endstück, z.B. aus Kupfer, was zu erheblichen Meßfehlern führen würde. Außerdem bewirken die thermischen Dehnungen Verformungen der Vorderseite des Flansches 22 mit einem daraus folgenden schlechten Kontakt zwischen diesem und der Probe.
Außerdem behindert die thermische Isoliereigenschaft den Übergang der Wärme in das Innere der Probe 30 und des Flansches 22, ein Übergang, der sich als Temperaturgradient innerhalb des Materials der Probe auswirkt. Die Vorrichtung gem. der Erfindung ermöglicht es daher, eine homogene Temperatur innerhalb des gesamten Materials beizubehalten, das durch die ultrafrequenten Wellen bestrahlt wird.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der elektromagnetischen Charakteristik eines Materials mit sehr hoher Temperatur, bestehend aus einem Wellenleiter (14), dessen eines Ende (20) einen äußeren Bund in Form eines Flansches (22) hat, der eine ebene Stirnfläche (94) aufweist, die eine Kallibrierebene bildet und die dazu bestimmt ist, gegen eine ebene Fläche einer Probe (30) eines zu prüfenden Materials angelegt zu werden, einem Generator (10), der an den Wellenleiter angeschlossen ist, um in diesen eine ultrahochfrequente elektromagnetische Welle zu injizieren, und Einrichtungen (12) zur Detektion der vom Material reflektierten Welle, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Endabschnitt (20) des Wellenleiters (14), der den Flansch (22) umfaßt, der dazu bestimmt ist, gegen das zu prüfende Material angelegt zu werden, das auf eine sehr hohe Temperatur gebracht wurde, aus einem hitzefesten, elektrisch leitenden Verbundstoff besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennziechnet, daß der Endabschnitt (20) des Wellenleiters (14) aus einem Verbundstoff besteht, der aus Kohlenstoff/Kohlenstoff und Kohlenstoff/Keramik ausgewählt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem Teile (26) aufweist, die mit dem Flansch (22) des Endabschnitts (20) des Wellenleiters (14) verbunden und dazu bestimmt sind, eine Probe (30) des zu prüfenden Materials gegen den Flansch (22) zu halten, wobei diese Halteteile (26) aus einem hitzefesten Verbundstoff bestehen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen aufweist, um eine Probe des zu prüfenden Materials einer Wärmeströmung auf der Seite auszusetzen, die der entgegengesetzt ist, die gegen den Flansch des Endabschnitts des Wellenleiters angelegt ist.