EP2414772A1 - Netzwerkanalysator mit einem zumindest zwei tore aufweisenden mehrtor zur messung der wellenparameter eines messobjekts - Google Patents

Netzwerkanalysator mit einem zumindest zwei tore aufweisenden mehrtor zur messung der wellenparameter eines messobjekts

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Publication number
EP2414772A1
EP2414772A1 EP10706986A EP10706986A EP2414772A1 EP 2414772 A1 EP2414772 A1 EP 2414772A1 EP 10706986 A EP10706986 A EP 10706986A EP 10706986 A EP10706986 A EP 10706986A EP 2414772 A1 EP2414772 A1 EP 2414772A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
network analyzer
port
gate
parameters
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10706986A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Poprawa
Andreas Schicht
Claus Seisenberger
Andreas Dr. Ziroff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2414772A1 publication Critical patent/EP2414772A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/28—Measuring attenuation, gain, phase shift or derived characteristics of electric four pole networks, i.e. two-port networks; Measuring transient response

Definitions

  • Network analyzer with a multi-port having at least two ports for measuring the wave parameters of a DUT
  • the invention relates to a network analyzer with a multi-port having at least two ports for measuring the wave parameters of a measurement object and a corresponding method for measuring parameters of a measurement object with such a network analyzer.
  • Multi-port network analyzers are used to measure and thus characterize DUTs via their shaft parameters. These wave parameters, which are also referred to as S parameters or scatter parameters, specify for a respective gate of a multi-port how much of the power fed into the respective port is reflected on the measurement object or transmitted to another port.
  • conventional network analyzers are fed with a high-frequency signal, wherein the reflection and transmission is measured sequentially at each gate of the multi-port. That is, in each measurement, only one of the gates is powered by a high frequency signal, wherein at the gate at which the high frequency signal is applied, the reflected portion and at least one other port of the transmitted portion is measured.
  • a simultaneous measurement of the reflection and transmission for all gates is not possible because it comes to a superposition of the corresponding frequency spectra of reflection and transmission. Accordingly, conventional network analyzers can not be used for dynamic, rapidly changing objects of measurement, since the measured scattering parameters change very rapidly due to the dynamics of the measurement object and thus a simultaneous measurement of all scattering parameters is required.
  • the object of the invention is therefore to provide a network analyzer and a corresponding measuring method, with which The scattering parameters of a dynamic measurement object can be measured.
  • the network analyzer comprises a multi-port with at least two ports, each port having an input for a high-frequency signal from a signal source and as a wave parameter for a respective port of the signal reflected on the measurement object signal component of the fed into the respective gate high-frequency signal and the measured object through to the respective Tor transmitted signal component of one or more in at least one other gate fed high-frequency signals are measurable.
  • high-frequency signal is understood in particular to mean a signal with a frequency from 100 kHz upwards to the range of a few hundred GHz.
  • the network analyzer according to the invention is distinguished by the fact that the at least two ports of the multi-port are fed with different high-frequency signals during operation of the network analyzer whose frequencies or frequency bands are offset by a frequency offset from each other, wherein the reflected and transmitted signal components of the high-frequency signals at the at least two Gates are measured simultaneously.
  • the invention is based on the finding that a suitable separation of the spectra of the reflected and transmitted signal components can be achieved by a corresponding frequency offset, so that at the same time all scattering parameters of several ports can be measured. In this way dynamically rapidly changing DUTs can be detected. In this case, the time-varying scattering parameters of the test object can be measured continuously. Such a measurement of dynamic measurement Objects are not possible due to the sequential measurement of the scattering parameters with conventional network analyzers.
  • the frequency offset between the high-frequency signals is not to be selected too large in a preferred embodiment.
  • the frequency offset is therefore smaller than the smallest and / or largest frequency or center frequency of the frequency band of the different high-frequency signals.
  • the frequency offset may be less than or equal to 50%, preferably less than or equal to 25% and most preferably less than or equal to 10% of the smallest and / or largest frequency or center frequency of the frequency band of the different high frequency signals.
  • each gate of the multi-port comprises a waveguide fed via a separate radar, wherein the operating frequencies of the radars differ from each other by the frequency offset.
  • the operation of one of the radars at a frequency of 80 GHz and another of the radars at 80.01 GHz, i. with a frequency offset of 10 MHz, has proved to be useful.
  • the invention further relates to a measuring device comprising such a network analyzer.
  • the measuring device includes an evaluation unit for determining one or more further parameters of the measurement object from the wave parameters measured by the network analyzer.
  • the evaluation unit can determine the distance of the measurement object from the multi-port and / or the relative velocity of the measurement object with respect to the multi-port from the wave parameters as further parameters.
  • Corresponding methods for determining physical quantities, such as distance and speed, from the wave parameters of an object are sufficiently known from the prior art.
  • the measuring device can be used, for example, in the abovementioned application for measuring the scattering parameters of turbine blades of a gas turbine. In this case, in particular, the radial was the turbine blades of the inner wall of the turbine housing or the relative speed of the turbine blades with respect to the inner wall determined.
  • the invention further relates to a method for measuring parameters of a test object with the network analyzer according to the invention.
  • the at least two ports of the multi-port of the network analyzer are fed with different high-frequency signals whose frequencies or frequency bands are offset from one another by a frequency offset, and the reflected and transmitted signal components of the high-frequency signals are measured simultaneously at the at least two ports.
  • the wave parameters are evaluated with an evaluation unit in order to determine further parameters of the measurement object.
  • the distance of the measuring object from the multi-port and / or the relative speed of the measuring object with respect to the multi-port from the shaft parameters can be determined as further parameters.
  • the multi-port is preferably provided on the inner wall of the turbine housing in the plane of rotation of the blades, wherein the radial distance between inner wall and blades is determined from the wave parameters measured by the network analyzer.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a network analyzer according to an embodiment of the invention
  • Figures 4A and 4B are frequency spectra of the radio frequency sources used in the network analyzer of Figure 3 and the reflected and transmitted signal portions received in the network analyzer, respectively;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an embodiment of a measuring device according to the invention for determining the distance of the turbine blades of a gas turbine to the inner wall of the turbine housing.
  • These wave parameters which are also referred to as S-parameters or scattering parameters, indicate how much of the power fed in at a port is reflected or transferred from one gate to the other gate and thus transposed. is being mediated.
  • the reflection at the gates T1 or T2 is represented by arrows R, whereas the transmission from the one gate to the other gate is indicated by a semicircular double arrow T.
  • an I / Q mixer MIl or MI2 which mixes the signal received from the respective gate with the original high-frequency signal to thereby determine the signal components modulated onto the high-frequency signal.
  • the carrier frequency is the same for both mixers because of the injection by the same high frequency source S, i. f TX1 of the mixer MI1 is identical to f_TX2 of the mixer MI2 and corresponds to the frequency f TX of the high-frequency source S.
  • the corresponding I or Q signals of reflection or transmission are then obtained via the mixers, from which then the frequency spectrum of the signal components can be determined.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an embodiment of the network analyzer according to the invention.
  • this analyzer again comprises two ports T 1 and T 2, to which corresponding mixers MI 1 and MI 2 are assigned for determining the I / Q parameters of the signal components reflected or transmitted by the measurement object.
  • the measurement object is analogous to Fig. 1 as a rectangle M indicated.
  • the corresponding reflections or transmissions are represented by the same arrows R and T, respectively.
  • the analyzer according to FIG. 3 now comprises two high-frequency sources S1 and S2.
  • the high frequency source Sl feeds the gate Tl and the high frequency source S2 the gate T2.
  • the high-frequency source Sl operates at the operating frequency f_TXl
  • the high-frequency source S2 operates at a different operating frequency f_TX2, which is offset from the operating frequency f TXl of the source Sl.
  • the supply of the gates with different frequencies is shown in Fig. 4A.
  • This diagram in which the signal amplitude A is plotted against the frequency f, shows the frequency spectrum Pl of the radio frequency source S1 and the frequency spectrum P2 of the radio frequency source S2.
  • the mixer MI1 determines with respect to the baseband of the frequency f TXl the reflected portion of the radio frequency signal emitted by the gate Tl and the transmitted portion of the radio frequency signal emitted by the gate T2.
  • the mixer MI2 determines, in relation to the baseband frequency f TX2, the reflected portion of the high-frequency signal emitted by the port T2 and the transmitted portion of the high-frequency signal emitted by the gate T1. Due to the frequency offset, the spectra of the reflected and transmitted components are now different, as exemplified by the frequency spectrum for one of the gates in FIG. 4B.
  • By suitable choice of the offset is achieved that the frequency spectrum of the reflected signal component RS is not overlapped with the frequency spectrum of the transmitted signal component TS, since both spectra are offset by f diff from each other.
  • FIG. 5 shows an example of a use of a network analyzer according to the invention in a measuring system for determining the radial gap of turbine blades of a gas turbine to the inner wall of the corresponding turbine housing.
  • a section of a turbine blade is designated as a measuring object M, with this blade moving in the direction of the arrow P in the plane of the page. It is shown a portion of the turbine blade, which is adjacent to the inner wall of the turbine housing in which the blade moves. Sections of this wall are designated in FIG. 5 by the reference symbol W.
  • the aim now is to use a network analyzer to measure the radial gap d between the rapidly moving turbine blades and the wall W to detect any imbalances that may occur and to prevent damage to the turbine due to contact of the turbine blades with the wall.
  • a network analyzer with two ports Tl and T2 is again used, the ports being formed by corresponding waveguides ending in funnel-shaped openings Ol and O2 in the turbine wall W.
  • the reflections or transmissions of the signals emitted via the waveguides are indicated by corresponding arrows R and T, respectively.
  • Each waveguide is a radar assigned to RAl or RA2.
  • the radar sensor RA1 contains a corresponding high-frequency source S1 and a mixer MI1.
  • the radar sensor RA2 contains a corresponding high-frequency source S2 and a corresponding mixer MI2. The high-frequency sources and the mixers are not reproduced again in FIG. 5.
  • the measuring device according to the invention is not limited to the measurement of the physical quantities shown in FIG. 5, but other variables can also be measured whose change results in a change of the corresponding ones
  • the essential advantage of the invention over known network analyzers is that now even rapidly changing physical quantities of dynamic systems can be suitably measured, since a simultaneous and continuous measurement of the scattering parameters is made possible.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Netzwerkanalysator mit einem zumindest zwei Tore (T1, T2) aufweisenden Mehrtor zur Messung der Wellenparameter eines Messobjekts (M), wobei jedes Tor (T1, T2) eine Einspeisung für ein Hochfrequenzsignal aus einer Signalquelle (S1, S2) aufweist und als Wellenparameter für ein jeweiliges Tor der am Messobjekt (M) reflektierte Signalanteil des in das jeweilige Tor (T1, T2) eingespeisten Hochfrequenzsignals und der durch das Messobjekt hin zum jeweiligen Tor (T1, T2) transmittierte Signalanteil von einem oder mehreren in zumindest ein anderes Tor (T1, T2) eingespeister Hochfrequenzsignale messbar sind. Die zumindest zwei Tore (T1, T2) des Mehrtors werden im Betrieb des Netzwerkanalysators mit unterschiedlichen Hochfrequenzsignalen gespeist, deren Frequenzen (f_TX1, f_TX2) oder Frequenzbänder um einen Frequenzversatz (f_diff) zueinander versetzt sind, und die reflektierten und transmittierten Signalanteile der Hochfrequenzsignale werden an den zumindest zwei Toren (T1, T2) gleichzeitig gemessen. Der erfindungsgemäße Netzwerkanalysator weist den Vorteil auf, dass er im Gegensatz zu herkömmlichen Netzwerkanalysatoren zur Messung der Wellenparameter von sich zeitlich schnell ändernden dynamischen Messobjekten verwendet werden kann.

Description

Beschreibung
Netzwerkanalysator mit einem zumindest zwei Tore aufweisenden Mehrtor zur Messung der Wellenparameter eines Messobjekts
Die Erfindung betrifft einen Netzwerkanalysator mit einem zumindest zwei Tore aufweisenden Mehrtor zur Messung der Wellenparameter eines Messobjekts sowie ein entsprechendes Verfahren zur Messung von Parametern eines Messobjekts mit einem solchen Netzwerkanalysator.
Netzwerkanalysatoren mit Mehrtoren dienen zur Messung und damit Charakterisierung von Messobjekten über deren Wellenparameter. Diese Wellenparameter, welche auch als S-Parameter bzw. Streuparameter bezeichnet werden, spezifizieren dabei für ein jeweiliges Tor eines Mehrtors, wie viel der von in das jeweilige Tor eingespeisten Leistung am Messobjekt reflektiert wird bzw. zu einem anderen Tor übertragen wird. Hierzu werden herkömmliche Netzwerkanalysatoren mit einem Hochfrequenzsignal gespeist, wobei die Reflexion und Transmission an jedem Tor des Mehrtors sequentiell gemessen wird. Das heißt, bei jeder Messung wird nur eines der Tore durch ein Hochfrequenzsignal gespeist, wobei an dem Tor, an dem das Hochfrequenzsignal anliegt, der reflektierte Anteil und an zumindest einem anderen Tor der transmittierte Anteil gemessen wird. Eine gleichzeitige Messung der Reflexion und Transmission für alle Tore ist dabei nicht möglich, da es zu einer Überlagerung der entsprechenden Frequenzspektren der Reflexion und der Transmission kommt. Für dynamische, sich zeitlich schnell verändernde Messobjekte können demzufolge herkömmliche Netzwerkanalysatoren nicht eingesetzt werden, da sich die gemessenen Streuparameter aufgrund der Dynamik des Messobjekts sehr schnell verändern und somit eine gleichzeitige Messung aller Streuparameter erforderlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Netzwerkanalysator und ein entsprechendes Messverfahren zu schaffen, mit de- nen die Streuparameter eines dynamischen Messobjekts gemessen werden können.
Diese Aufgabe wird durch den Netzwerkanalysator gemäß Patent- anspruch 1 sowie das Messverfahren gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Der erfindungsgemäße Netzwerkanalysator umfasst ein Mehrtor mit zumindest zwei Toren, wobei jedes Tor eine Einspeisung für ein Hochfrequenzsignal aus einer Signalquelle aufweist und als Wellenparameter für ein jeweiliges Tor der am Messobjekt reflektierte Signalanteil des in das jeweilige Tor eingespeisten Hochfrequenzsignals und der durch das Messobjekt hin zum jeweiligen Tor transmittierte Signalanteil von einem oder mehreren in zumindest ein anderes Tor eingespeister Hochfrequenzsignale messbar sind. Unter Hochfrequenzsignal wir dabei insbesondere ein Signal mit einer Frequenz ab 100 KHz aufwärts bis in den Bereich von einigen hundert GHz ver- standen.
Der erfindungsgemäße Netzwerkanalysator zeichnet sich dadurch aus, dass die zumindest zwei Tore des Mehrtors im Betrieb des Netzwerkanalysators mit unterschiedlichen Hochfrequenzsigna- len gespeist werden, deren Frequenzen oder Frequenzbänder um einen Frequenzversatz zueinander versetzt sind, wobei die reflektierten und transmittierten Signalanteile der Hochfrequenzsignale an den zumindest zwei Toren gleichzeitig gemessen werden. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass durch einen entsprechenden Frequenzversatz eine geeignete Trennung der Spektren der reflektierten und transmittierten Signalanteile erreicht werden kann, so dass gleichzeitig alle Streuparameter von mehreren Toren gemessen werden können. Auf diese Weise können sich dynamisch schnell verändern- de Messobjekte erfasst werden. Dabei können die sich zeitlich verändernden Streuparameter des Messobjekts kontinuierlich gemessen werden. Eine derartige Messung von dynamischen Mess- Objekten ist aufgrund der sequentiellen Messung der Streuparameter mit herkömmlichen Netzwerkanalysatoren nicht möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Netzwerkanalysators ist der Frequenzversatz zwischen den Hochfrequenzsignalen dabei derart groß, dass für jedes Tor die sich für die reflektierten und transmittierten Signalanteile gemessenen Frequenzspektren nicht überlappen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Unterschied zwischen den Frequenzen mindestens so groß ist wie die Summe aus der maximalen Frequenzabweichung des Reflexionsspektrums von der entsprechenden Trägerfrequenz und der maximalen Frequenzabweichung des Transmissionsspektrums von der entsprechenden, um den Frequenzversatz versetzten Trägerfrequenz. Auf diese Wei- se wird eine klare Trennung zwischen beiden Frequenzspektren sichergestellt. Nichtsdestotrotz kann gegebenenfalls auch eine Überlappung der Frequenzspektren zugelassen werden, insbesondere wenn nur bestimmte Anteile der Frequenzspektren bei der durchgeführten Messung interessieren.
Um eine Verfälschung der Messung bei einer Frequenzabhängigkeit der Streuparameter möglichst zu vermeiden, wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Frequenzversatz zwischen den Hochfrequenzsignalen nicht zu groß gewählt werden. In einer Variante ist der Frequenzversatz deshalb kleiner als die kleinste und/oder größte Frequenz bzw. Mittenfrequenz des Frequenzbands der unterschiedlichen Hochfrequenzsignale. Beispielsweise kann der Frequenzversatz kleiner oder gleich 50%, vorzugsweise kleiner oder gleich 25% und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 10%, der kleinsten und/oder größten Frequenz bzw. Mittenfrequenz des Frequenzbands der unterschiedlichen Hochfrequenzsignale sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Spei- sung der Tore mit unterschiedlichen Hochfrequenzsignalen dadurch erreicht, dass für jedes Tor der zumindest zwei Tore eine separate Signalquelle zur Speisung des Tors vorgesehen ist . In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist für jedes Tor des Mehrtors ein Mischer zum Mischen des in das jeweilige Tor eingespeisten Hochfrequenzsignals mit dem reflektierten und transmittierten Signalanteil vorgesehen. Auf diese Weise können die entsprechenden Informationen aus dem reflektierten und transmittierten Signalanteil extrahiert werden, insbesondere in der Form entsprechender I- und Q-Parameter, aus denen sich die Amplitude und Phase der Signale ergibt.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Netzwerkanalysators umfasst jedes Tor des Mehrtors einen über ein separates Radar gespeisten Wellenleiter, wobei sich die Betriebsfrequenzen der Radare um den Frequenz- versatz voneinander unterscheiden. Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise für die Messung der Streuparameter von sich drehenden Schaufeln einer Gasturbine, hat sich der Betrieb eines der Radare bei einer Frequenz von 80 GHz und eines anderen der Radare bei 80,01 GHz, d.h. mit einem Frequenzver- satz von 10 MHz, für sinnvoll erwiesen.
Neben dem oben beschriebenen Netzwerkanalysator betrifft die Erfindung ferner eine Messvorrichtung, welche einen solchen Netzwerkanalysator umfasst. Die Messvorrichtung beinhaltet dabei neben dem Netzwerkanalysator eine Auswerteeinheit zur Bestimmung von einem oder mehreren weiteren Parametern des Messobjekts aus den durch den Netzwerkanalysator gemessenen Wellenparametern. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit im Betrieb als weitere Parameter den Abstand des Messobjekts von dem Mehrtor und/oder die Relativgeschwindigkeit des Messobjekts in Bezug auf das Mehrtor aus den Wellenparametern bestimmen. Entsprechende Verfahren zur Ermittlung von physikalischen Größen, wie Abstand und Geschwindigkeit, aus den Wellenparametern eines Objekts sind dabei hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt. Die Messvorrichtung kann beispielsweise in der oben erwähnten Anwendung zur Messung der Streuparameter von Turbinenschaufeln einer Gasturbine eingesetzt werden. In diesem Fall wird insbesondere der Radialab- stand der Turbinenschaufeln von der Innenwand des Turbinengehäuses bzw. die Relativgeschwindigkeit der Turbinenschaufeln in Bezug auf die Innenwand bestimmt.
Neben dem oben beschriebenen Netzwerkanalysator und einer darauf basierenden Messvorrichtung betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Messung von Parametern eines Messobjekts mit dem erfindungsgemäßen Netzwerkanalysator. Dabei werden die zumindest zwei Tore des Mehrtors des Netzwerkana- lysators mit unterschiedlichen Hochfrequenzsignalen gespeist, deren Frequenzen oder Frequenzbänder um einen Frequenzversatz zueinander versetzt sind, und die reflektierten und transmit- tierten Signalanteile der Hochfrequenzsignale werden an den zumindest zwei Toren gleichzeitig gemessen. In einer bevor- zugten Ausgestaltung werden dabei die Wellenparameter mit einer Auswerteeinheit ausgewertet, um weitere Parameter des Messobjekts zu bestimmen. In Analogie zur obigen Messvorrichtung können dabei als weitere Parameter der Abstand des Messobjekts von dem Mehrtor und/oder die Relativgeschwindigkeit des Messobjekts in Bezug auf das Mehrtor aus den Wellenparametern bestimmt werden. Wie bereits oben erwähnt, eignet sich ein solches Messverfahren zur Messung von Eigenschaften der sich drehenden Schaufeln einer Gasturbine. In diesem Fall ist das Mehrtor vorzugsweise an der Innenwand des Turbinengehäu- ses in der Rotationsebene der Schaufeln vorgesehen, wobei der Radialabstand zwischen Innenwand und Schaufeln aus den mit dem Netzwerkanalysator gemessenen Wellenparametern bestimmt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Netzwerk- analysators gemäß dem Stand der Technik; Fig. 2 eine beispielhafte Wiedergabe der Reflexionsund Transmissionsspektren, welche mit dem Analysator der Fig. 1 bei simultaner Messung beider Spektren erhalten werden;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Netzwerk- analysators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4A und 4B Frequenzspektren der in dem Netzwerkanalysator der Fig. 3 verwendeten Hochfrequenzquellen bzw. der im Netzwerkanalysator empfangenen reflektierten und transmittierten Signalanteile; und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Bestimmung des Abstands der Turbinenschaufeln einer Gasturbine zu der Innenwand des Turbinengehäuses.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Netzwerkana- lysators mit einer herkömmlichen Mehrtorschaltung. Der Analysator umfasst eine Hochfrequenz-Signalquelle S, welche ein Hochfrequenzsignal mit der Frequenz f_TX aussendet. Dieses Signal wird über einen Schalter SW jeweils einem von zwei Signalzweigen zugeführt, wobei jeder Signalzweig ein Tor Tl bzw. T2 darstellt, das durch den Übergang des jeweiligen Signalzweigs hin zu einem Messobjekt M gebildet wird. Das Mess- objekt M kann dabei als ein Objekt mit unbekannten Eigenschaften nach Art einer Blackbox angesehen werden und ist deshalb als Rechteck angedeutet. Ziel der mit dem Netzwerkanalysator durchgeführten Messung ist es nunmehr, die Wellenparameter des Messobjekts M über die Tore Tl bzw. T2 zu er- mittein. Diese Wellenparameter, welche auch als S-Parameter bzw. Streuparameter bezeichnet werden, geben an, wie viel von der an einem Tor eingespeisten Leistung reflektiert bzw. von dem einen Tor zu dem anderen Tor übertragen und damit trans- mittiert wird. Die Reflexion an den Toren Tl bzw. T2 ist dabei durch Pfeile R wiedergegeben, wohingegen die Transmission von dem einen Tor zu dem anderen Tor durch einen halbkreisförmigen Doppelpfeil T angedeutet ist.
In jedem Signalzweig der beiden Tore Tl und T2 ist ein I/Q- Mischer MIl bzw. MI2 vorgesehen, der das vom jeweiligen Tor empfangene Signal mit dem ursprünglichen Hochfrequenzsignal mischt, um hierdurch die auf das Hochfrequenzsignal aufmodu- lierten Signalanteile zu bestimmen. Die Trägerfrequenz ist aufgrund der Einspeisung durch die gleiche Hochfrequenzquelle S für beide Mischer die gleiche, d.h. f TXl des Mischers MIl ist identisch mit f_TX2 des Mischers MI2 und entspricht der Frequenz f TX der Hochfrequenzquelle S. Für jede Messung er- hält man dann über die Mischer die entsprechenden I- bzw. Q- Signale der Reflexion oder der Transmission, aus denen dann das Frequenzspektrum der Signalanteile bestimmt werden kann.
In dem Netzwerkanalysator gemäß Fig. 1 erfolgt die Messung der Streuparameter für jedes der Tore sequentiell. Hierzu wird die Hochfrequenzquelle S zunächst durch den Schalter SW mit dem Tor Tl verbunden, woraufhin die Reflexion an diesem Tor sowie die Transmission von dem Tor Tl zum Tor T2 ermittelt werden kann. Anschließend wird der Schalter SW umge- schaltet, so dass das Tor T2 mit der Hochfrequenzquelle S verbunden ist, woraufhin die Reflexion am Tor T2 und die Transmission des Signals vom Tor T2 zum Tor Tl gemessen wird. Bei der Messung eines dynamischen Objekts, dessen Zustand sich schnell ändert, ist es oftmals wünschenswert, dass die Streuparameter für jedes Tor gleichzeitig ermittelt werden, da eine aufeinander folgende Bestimmung der Streuparameter aufgrund der dynamischen Veränderung der Eigenschaften des Messobjekts zu falschen Messergebnissen führt.
Misst man mit dem Netzwerkanalysator der Fig. 1 gleichzeitig die Streuparameter für beide Tore, d.h. verbindet man beide Tore Tl und T2 gleichzeitig mit der Signalquelle S, erhält man jedoch ein Signal, dessen Spektrum keinen Rückschluss auf die einzelnen Transmissions- bzw. Reflexionsparameter der Tore ermöglicht. Dies ist in Fig. 2 verdeutlicht, welche beispielhaft ein gemessenes Frequenzspektrum für eines der Tore bei gleichzeitiger Messung beider Tore zeigt. Auf der Abszis- se ist dabei die Frequenz f und auf der Ordinate die Amplitude A der Signale aufgetragen. Da bei gleichzeitiger Messung über beide Tore ein Signal mit der gleichen Frequenz ausgesendet wird, werden die empfangenen Signalanteile der Reflexion und der Transmission an einem Tor in das gleiche Fre- quenzband umgesetzt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ergibt sich somit für die Signalanteile eine Überlagerung des Reflexionsspektrums RS mit dem Transmissionsspektrum TS. Das heißt, das Ausgabespektrum ist die Summe der beiden Spektren RS und TS, aus der nicht mehr die Spektren RS bzw. TS rückge- rechnet werden können. Das am Ausgang des entsprechenden Mischers anliegende komplexe Signal ermöglicht es somit nicht, die Informationen über die Transmission von der Reflexion zu trennen .
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Netzwerkanalysators . In Analogie zu dem Netzwerkanalysator der Fig. 1 umfasst dieser Analysator wiederum zwei Tore Tl und T2, denen entsprechende Mischer MIl und MI2 zur Ermittlung der I/Q-Parameter der durch das Messobjekt reflektierten bzw. transmittierten Signalanteile zugeordnet sind. Das Messobjekt ist dabei analog zu Fig. 1 als Rechteck M angedeutet. Ebenso sind die entsprechenden Reflexionen bzw. Transmissionen durch die gleichen Pfeile R bzw. T wiedergegeben.
Im Unterschied zu dem Analysator der Fig. 1 umfasst der Analysator gemäß der Fig. 3 nunmehr zwei Hochfrequenzquellen Sl und S2. Die Hochfrequenzquelle Sl speist dabei das Tor Tl und die Hochfrequenzquelle S2 das Tor T2. Die Hochfrequenzquelle Sl arbeitet bei der Betriebsfrequenz f_TXl, wohingegen die Hochfrequenzquelle S2 bei einer unterschiedlichen Betriebsfrequenz f_TX2 arbeitet, welche gegenüber der Betriebsfrequenz f TXl der Quelle Sl versetzt ist. Die Speisung der Tore mit unterschiedlichen Frequenzen ist dabei in Fig. 4A wiedergegeben. Dieses Diagramm, in dem die Signalamplitude A über die Frequenz f aufgetragen ist, zeigt das Frequenzspektrum Pl der Hochfrequenzquelle Sl bzw. das Frequenzspektrum P2 der Hochfrequenzquelle S2. Man erkennt, dass jedes Spektrum aus einem entsprechenden Peak bei der Frequenz f_TXl bzw. f_TX2 besteht, wobei beide Frequenzspektren um den Versatz f diff auseinander liegen. Aufgrund des Frequenzversatzes kann nunmehr eine gleichzeitige Messung der reflektierten bzw. transmittierten Signalanteile an beiden Toren Tl und T2 erfolgen.
Bei einer solchen Messung ermittelt der Mischer MIl in Bezug auf das Basisband der Frequenz f TXl den reflektierten Anteil des von dem Tor Tl ausgesendeten Hochfrequenzsignals sowie den transmittierten Anteil des von dem Tor T2 ausgesendeten Hochfrequenzsignals. Analog ermittelt der Mischer MI2 in Bezug auf das Basisband der Frequenz f TX2 den reflektierten Anteil des von dem Tor T2 ausgesendeten Hochfrequenzsignals sowie den transmittierten Anteil des von dem Tor Tl ausgesendeten Hochfrequenzsignals. Aufgrund des Frequenzversatzes liegen die Spektren des reflektierten und transmittierten Anteils nunmehr auseinander, wie beispielhaft durch das Frequenzspektrum für eines der Tore in Fig. 4B verdeutlicht wird. Durch geeignete Wahl des Versatzes wird dabei erreicht, dass das Frequenzspektrum des reflektierten Signalanteils RS nicht mit dem Frequenzspektrum des transmittierten Signalanteils TS überlappt, da beide Spektren um f diff voneinander versetzt sind.
Um durch die unterschiedlichen Trägerfrequenzen verursachte Einflüsse auf die Spektren möglicht gering zu halten, liegen in einer bevorzugten Ausführungsform die beiden Spektren möglichst nahe aneinander, ohne dass sie jedoch überlappen. Der Frequenzversatz sollte somit zumindest so groß wie die Summe sein, welche sich zusammensetzt aus der maximalen Abweichung des Frequenzspektrums für die Trägerfrequenz f_TXl und der maximalen Abweichung des Frequenzspektrums für die Trägerfre- quenz f_TX2. Durch den Netzwerkanalysator der Fig. 3 wird aufgrund des Frequenzversatzes somit erreicht, dass die Umsetzung der Signalanteile der Reflexion und der Transmission in unterschiedliche Frequenzbänder des Ausgangsspektrums des jeweiligen Mischers erfolgt. Die Reflexion wird dabei in das entsprechende Basisband des Mischers abgebildet, wohingegen sich die Transmission bei der Trägerfrequenz befindet, welche die Differenzfrequenz zwischen den Sendesignalen der Hochfrequenzquellen Sl und S2 ist. Hierdurch entstehen zwei unter- schiedliche Frequenzspektren, welche für jedes Tor gleichzeitig und kontinuierlich gemessen werden können. Auf diese Weise können dynamische, sich zeitlich schnell verändernde Messobjekte vollständig erfasst werden.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Verwendung eines erfindungsgemäßen Netzwerkanalysators in einem Messsystem zur Ermittlung des Radialspalts von Turbinenschaufeln einer Gasturbine zu der Innenwand des entsprechenden Turbinengehäuses. In Fig. 5 ist dabei ein Abschnitt einer Turbinenschaufel als Messob- jekt M bezeichnet, wobei sich diese Schaufel in der Blattebene in Richtung des Pfeils P bewegt. Es ist dabei ein Abschnitt der Turbinenschaufel gezeigt, der benachbart zu der Innenwand des Turbinengehäuses liegt, in der sich die Schaufel bewegt. Abschnitte dieser Wand sind dabei in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen W bezeichnet. Ziel ist es nunmehr, einen Netzwerkanalysator dazu einzusetzen, um den Radialspalt d zwischen den sich schnell bewegenden Turbinenschaufeln und der Wand W zu messen, um gegebenenfalls auftretende Unwuchten zu erkennen und einer Beschädigung der Turbine aufgrund eines Kontakts der Turbinenschaufeln mit der Wand entgegenzuwirken.
Zur Messung wird wiederum ein Netzwerkanalysator mit zwei Toren Tl und T2 verwendet, wobei die Tore durch entsprechende Wellenleiter gebildet werden, die in trichterförmige Öffnun- gen Ol und 02 in der Turbinenwand W enden. Analog zu Fig. 3 sind die Reflexionen bzw. Transmissionen der über die Wellenleiter ausgesendeten Signale durch entsprechende Pfeile R bzw. T angedeutet. Jedem Wellenleiter ist dabei ein Radarsen- sor RAl bzw. RA2 zugeordnet. Der Radarsensor RAl enthält in Analogie zu Fig. 3 eine entsprechende Hochfrequenzquelle Sl und einen Mischer MIl. Ebenso enthält der Radarsensor RA2 einen entsprechende Hochfrequenzquelle S2 und eine entsprechen- den Mischer MI2. Die Hochfrequenzquellen und die Mischer sind dabei nicht nochmals in Fig. 5 wiedergegeben.
Die beiden Radarsensoren arbeiten bei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen, welche um einen vorbestimmten Frequenzver- satz auseinander liegen, was in Übereinstimmung mit Fig. 3 durch die unterschiedlichen Frequenzen der Hochfrequenzquellen Sl und S2 erreicht wird. Es wird dabei gleichzeitig die Transmission und Reflexion der über die Wellenleiter der Tore ausgesendeten Hochfrequenzsignale gemessen. Für die in Fig. 5 gezeigte Anwendung wird insbesondere ein CW-Radar (CW = Con- tinous Wave) verwendet, welches in dem Sensor RAl bei einer Betriebsfrequenz von 80 GHz und in dem Sensor RA2 bei einer Betriebsfrequenz von 80,01 GHz arbeitet. Das heißt, die beiden Betriebsfrequenzen sind um 10 MHz voneinander versetzt. Es ergeben sich somit in der Ausführungsform der Fig. 5 simultan entsprechende I/Q-Parameter sowohl für die Transmission als auch die Reflexion an jedem der beiden Tore. Diese Parameter werden in einem entsprechenden A/D-Wandler AD digitalisiert und einer digitalen Signalverarbeitung PR zugeführt.
In der Ausführungsform der Fig. 5 übernimmt die Signalverarbeitung PR die Ermittlung der Größe des Radialspalts d zwischen Turbinenschaufel und Wand. Es werden dabei hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannte Methoden zur Ermittlung dieses Abstands eingesetzt, insbesondere kann der Abstand aus dem Frequenzspektrum mit Hilfe des Doppler-Verfahrens bestimmt werden. Da entsprechende Verfahren zur Bestimmung des Abstands d aus den Streuparametern eines Netzwerkanalysators bekannt sind, wird auf eine weitergehende Beschreibung der Signalauswertung verzichtet.
Neben dem Radialspalt können gegebenenfalls auch andere Parameter gemessen werden, beispielsweise die Relativgeschwindig- keit der Turbinenschaufeln in Bezug auf die Wand. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist ferner nicht auf die Messung der in Fig. 5 dargestellten physikalischen Größen beschränkt, sondern es können auch andere Größen gemessen werden, deren Veränderung sich in einer Veränderung der entsprechenden
Streuparameter des Netzwerkanalysators äußern. Der wesentliche Vorteil der Erfindung gegenüber bekannten Netzwerkanaly- satoren besteht darin, dass nunmehr auch sich schnell verändernde physikalische Größen von dynamischen Systemen geeignet gemessen werden können, da eine gleichzeitige und kontinuierliche Messung der Streuparameter ermöglicht wird.

Claims

Patentansprüche
1. Netzwerkanalysator mit einem zumindest zwei Tore (Tl, T2) aufweisenden Mehrtor zur Messung der Wellenparameter eines Messobjekts (M), wobei jedes Tor (Tl, T2) eine Einspeisung für ein Hochfrequenzsignal aus einer Signalquelle (Sl, S2) aufweist und als Wellenparameter für ein jeweiliges Tor (Tl, T2) der am Messobjekt reflektierte Signalanteil des in das jeweilige Tor (Tl, T2) eingespeisten Hochfrequenzsignals und der durch das Messobjekt (M) hin zum jeweiligen Tor (Tl, T2) transmittierte Signalanteil von einem oder mehreren in zumindest ein anderes Tor (Tl, T2) eingespeister Hochfrequenzsignale messbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des Netzwerkanalysators die zumindest zwei Tore (Tl, T2) des Mehrtors mit unterschiedlichen Hochfrequenzsignalen gespeist werden, deren Frequenzen (f TXl, f TX2) oder Frequenzbänder um einen Frequenzversatz (f_diff) zueinander versetzt sind, und die reflektierten und transmittierten Signalanteile der Hochfrequenzsignale an den zumindest zwei Toren (Tl, T2) gleichzeitig gemessen werden.
2. Netzwerkanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzversatz (f_diff) derart groß ist, dass für jedes Tor (Tl, T2) die sich für die reflektierten und transmittierten Signalanteile gemessenen Frequenzspektren (RS, TS) nicht überlappen.
3. Netzwerkanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzversatz (f_diff) kleiner als die kleinste und/oder die größte Frequenz der unterschiedlichen Hochfrequenzsignale ist.
4. Netzwerkanalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzversatz (f diff) kleiner oder gleich 50%, vorzugsweise kleiner oder gleich 25% und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 10%, der kleinsten und/oder größten Frequenz der unterschiedlichen Hochfrequenzsignale ist.
5. Netzwerkanalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Tor (Tl, T2) der zumindest zwei Tore (Tl, T2) eine separate Signalquelle
(Sl, S2) zur Speisung des Tors (Tl, T2) vorgesehen ist.
6. Netzwerkanalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Tor (Tl, T2) der zumindest zwei Tore (Tl, T2) ein Mischer (MIl, MI2) zum Mischen des in das jeweilige Tor (Tl, T2) eingespeisten Hoch- frequenzsignals mit dem reflektierten und transmittierten Signalanteil vorgesehen ist.
7. Netzwerkanalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Tor (Tl, T2) der zu- mindest zwei Tore (Tl, T2) einen über ein separates Radar (RAl, RA2 ) gespeisten Wellenleiter umfasst, wobei sich die Betriebsfrequenzen der Radare (RAl, RA2) um den Frequenzversatz (f diff) voneinander unterscheiden.
8. Netzwerkanalysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Radare (RAl) eine Betriebsfrequenz von 80 GHz und ein anderes der Radare (RA) eine Betriebsfrequenz von 80,01 GHz aufweist.
9. Messvorrichtung, umfassend einen Netzwerkanalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Auswerteeinheit (AD, PR) zur Bestimmung von einem oder mehreren weiteren Parametern (d) des Messobjekts (M) aus den durch den Netzwerkanalysator gemessenen Wellenparametern.
10. Messvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (AD, PR) im Betrieb als weitere Parameter den Abstand (d) des Messobjekts (M) von dem Mehrtor und/oder die Relativgeschwindigkeit des Messobjekts (M) in Bezug auf das Mehrtor aus den Wellenparametern bestimmt.
11. Verfahren zur Messung von Parametern eines Messobjekts (M) mit einem Netzwerkanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Tore (Tl, T2) des Mehrtors des Netzwerkanalysators mit unterschiedlichen Hochfrequenzsignalen gespeist werden, deren Frequenzen (f_TXl, f_TX2) oder Frequenzbänder um einen Frequenzversatz (f diff) zueinander versetzt sind, und die reflektierten und transmittierten Signalanteile der Hochfrequenzsignale an den zumindest zwei Toren (Tl, T2) gleichzeitig gemessen werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenparameter mit einer Auswerteeinheit (AD, PR) ausgewertet werden, um weitere Parameter des Messobjekts (M) zu bestimmen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Parameter der Abstand (d) des Messobjekts (M) von dem Mehrtor und/oder die Relativgeschwindigkeit des Messob- jekts (M) in Bezug auf das Mehrtor aus den Wellenparametern bestimmt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Messobjekt (M) die sich drehenden Schaufeln einer Gasturbine gemessen werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrtor an der Innenwand (W) des Gehäuses der Gasturbine in der Rotationsebene der Schaufeln vorgesehen ist und der Radialabstand (d) zwischen Innenwand und Schaufeln aus den mit dem Netzwerkanalysator gemessenen Wellenparametern bestimmt wird.
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