JP2012501444A - 受動渦電流センサ用高温エレクトロニクス - Google Patents

Abstract

１または複数の対象物たとえばガス・タービンの回転ブレードの周期的接近を検知するためのシステムおよび方法。システムは、受動渦電流検知ユニットであって、第１および第２の磁界を生成および検出するために結合された第１および第２の磁石と第１および第２のコイル巻コアとを有する受動渦電流検知ユニットを備える。検知ユニットは対象物に対して、第１および第２のコイル巻コアが、第１および第２の磁界を周期的に通過する対象物に応答してそれぞれ出力を生成するように、位置する。回路構成が、第１および第２のコイル巻コアの出力を電子的に組み合わせて、対象物が第１および第２の磁界を周期的に通過するときの接近およびタイミングに対応する出力信号を生成する。第１および第２のコイル巻コアの出力中に存在する電磁妨害ノイズが、回路構成の出力信号から取り除かれる。

Description

本発明は一般的に、電子機器に関し、より詳細には、受動渦電流速度／回転センサを用いて回転機器たとえばガス・タービンのブレードを検知するシステムに関する。

回転機器たとえばガス・タービンのブレード（バケット）の接近および速度を検知するために、幅広い用途において、受動渦電流センサ（可変リラクタンス・センサとしても知られている）が用いられている。タービン・ブレード先端とそれらを囲む側板との間の隙間は、ブレードおよび側板の温度に応じて変化し、始動時にまたは他の場合にはエンジンの温度が低いほど、より大きな隙間が生じる。ガス・タービン・エンジンの制御は、側板とブレード先端との間の隙間とともにブレードの回転速度をモニタリングすることによって向上させることができる。ブレード回転およびブレード側板隙間を検知するために配置された受動渦電流センサ（または他の好適な接近センサ）の出力を用いて、エンジン動作を変更し、および／または、装備している場合には、側板を制御して所望のブレード側板隙間を維持することができる。

受動渦電流センサは通常、１または複数の永久磁石と、それに隣接して１または複数の強磁性コア（ワイヤ・コイルが巻かれている）とを備えている。永久磁石は通常、高磁気エネルギー生産材料、たとえば鉄希土類金属合金（たとえば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）およびサマリウム合金（たとえば、Ｓｍ−Ｃｏ）から形成される。コアは通常、磁性材料たとえば磁性鋼から形成されるが、他の好適な磁性材料たとえば低炭素鋼を、動作条件に応じて用いても良い。側板とブレード先端との間の隙間をモニタリングするために用いる場合、受動渦電流センサは、各ブレードがセンサに接近して通るときに発生する電気信号が最大になるように取り付ける。特に、センサの配向は、ブレードがない状態で、磁束が磁石の一端を通ってタービン・ロータおよびそのブレードの方に向かって、それから空間を通って弧を描いて強磁性コアに戻るように行なう。ブレードが磁界を通過すると、渦電流がブレード材料中に形成され、局所磁界がシフトして、コイルのリード両端に電圧が発生する。エンジン・ケーシングは通常、主として、チタン、ニッケル、および他の、低磁気抵抗を示す非鉄材料から形成されているため、磁石およびコアの端部を、完全にエンジン・ケーシングを通り抜けて挿入する必要はない。しかしその代わりに、壁内の外部凹部内に取り付けて、壁の一部がセンサをエンジンの高温ガス経路に対して隔離するようにすることができる。

最新のガス・タービン・エンジンでは、ブレード回転および／またはブレード側板間隙間をモニタリングするために用いる受動渦電流センサの出力が、エンジンのＦＡＤＥＣ（全般デジタル・エンジン制御）に、適切なコネクタおよび配線を通して送出される。ある程度は、受動渦電流センサおよびそれに付随する任意のエレクトロニクス（たとえば、信号処理回路構成）は、ガス・タービンの過酷な環境（たとえば、高温および電磁放射）にさらされる。エレクトロニクスは通常、約１２５°Ｃに制限されるため、受動渦電流センサに近接して配置される場合には冷却しなければならない。米国特許第１，１７０，２８４号明細書（ローズラー（Ｒｏｅｓｅｌｅｒ）ら）が一例である。加えて、受動渦電流センサは、それらのコアの構造において通常、巻数の多いワイヤが存在し必要とされるために、電磁妨害（ＥＭＩ）ノイズの影響を受けやすい。コイル間を単純にワイヤ接続して複数のコイルを用いる受動渦電流センサの試験が示すところによれば、ワイヤおよびコイルの抵抗およびインダクタンスを合わせたものは大きすぎて、センサの帯域幅が、所望の検知作業を正確に行なうには十分ではない。

米国特許第６，２０８，１３５号明細書

本発明によって、対象物たとえば１または複数の移動対象物たとえばガス・タービンの回転ブレードの周期的接近を検知するのに適したシステムおよび方法が提供される。

本発明の第１の態様によれば、本システムは、受動渦電流検知ユニットであって、第１の磁界を生成および検出するために結合された第１の磁石および第１のコイル巻コアと、第２の磁界を生成および検出するために結合された第２の磁石および第２のコイル巻コアとを備える受動渦電流検知ユニットを備える。検知ユニットは対象物に対して、対象物が第１および第２の磁界を周期的に通過し、第１および第２のコイル巻コアが、第１および第２の磁界を周期的に通過する対象物に応答して出力を生成するように、位置する。回路構成が、検知ユニットに結合され、第１および第２のコイル巻コアの出力を電子的に組み合わせて、対象物が第１および第２の磁界を周期的に通過するときの接近およびタイミングに対応する出力信号を生成する。回路構成は、第１および第２のコイル巻コアの出力を組み合わせて、同相信号が互いに差し引き合い、回路構成の出力信号から、第１および第２のコイル巻コアの出力中に存在する任意の電磁妨害ノイズが取り除かれるようにする。

本発明の第２の態様によれば、本方法は、受動渦電流検知ユニットを対象物に近接して配置して、対象物が第１および第２の磁界を周期的に通過し、第１および第２のコイル巻コアが、第１および第２の磁界を周期的に通過する対象物に応答して出力を生成するようにすることを含む。第１および第２のコイル巻コアの出力を次に、回路構成を用いて電子的に組み合わせて、対象物が第１および第２の磁界を周期的に通過するときの接近およびタイミングに対応する出力信号を生成する。回路構成は、第１および第２のコイル巻コアの出力を組み合わせて、同相信号が互いに差し引き合い、回路構成の出力信号から、第１および第２のコイル巻コアの出力中に存在する任意の電磁妨害ノイズが取り除かれるようにする。

本発明の好ましい態様によれば、対象物はガス・タービンの複数の回転ブレードを含んでいても良く、システムはガス・タービン上に設置されたブレード接近センサ・システムであり、検知ユニットは回転ブレードに近接して配置される。この役割において、回路構成によってガス・タービンの動作環境内に存在するＥＭＩの影響が十分に取り除かれるために、センサ・ユニットは回転ブレードの接近を検知する作業を正確に行なうことができる。本発明の他の好ましい態様によれば、回路構成は１２５°Ｃを超える温度において動作および存続することができ、検知ユニットおよびその回路構成はガス・タービンの動作環境内で高温にさらされるが、回路構成の能動冷却は必要ではない。

本発明の他の目的および優位性は、以下の詳細な説明からより良好に理解される。

２つの受動渦電流センサと、それらが結合される回路構成であって、センサの出力を電子的に組み合わせて電磁妨害ノイズを減らすかまたは取り除く回路構成とを示す電気回路図である。 図１の回路構成により構成されるプロトタイプ回路の走査画像である。 図２の回路構成に接続された２つの受動渦電流センサの出力を示すグラフである。

図１は検知システム１０の電気回路図である。検知システム１０は、２つの受動渦電流センサ１２（「センサＡ」および「センサＢ」）と、それらが結合される回路構成１４であって、センサ１２の出力を電子的に組み合わせてセンサ１２の出力からＥＭＩノイズを消去する回路構成１４とを備えている。システム１０およびセンサ１２を、回転機器たとえばガス・タービンのブレード（バケット）の接近および速度を検知することに特に適していると説明するが、他の応用例も予測できる。回路構成１４によって調整された後、回路構成１４によって処理されたセンサ１２の一方から発生した出力信号１６が、ガス・タービン・エンジンのＦＡＤＥＣまたは他の制御システム（図示せず）に送出されてエンジンの動作を向上させることが、タービン・ブレード先端とそれらを囲む側板との間の隙間とともにブレードの回転速度をモニタリングすることによって可能になる。

各センサ１２は、１または複数の永久磁石と、それに隣接して１または複数の強磁性コア（ワイヤ・コイルが巻かれている）とを備えていても良い（図示せず）。センサの永久磁石は好ましくは高磁気エネルギー生産材料、たとえば鉄希土類金属合金（たとえば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）またはサマリウム合金（たとえば、Ｓｍ−Ｃｏ）から形成され、コアは好ましくは磁性材料たとえば磁性鋼から形成されるが、他の材料を用いることも本発明の範囲内である。当該技術分野で知られているように、センサ１２は、エンジン・ケーシングに取り付けることで、磁束が磁石の一端を通ってタービン・ロータおよびそのブレードの方に向かった後にコアに戻るように、構成されている。こうして、ブレードが磁界を通過することで局所磁界のシフトが生じ、各コイルのリード両端に電圧が発生するようになっている。センサ１２の他の態様（たとえばそれらの構造および設置）は当該技術分野で知られており、これ以上は説明しない。

図１に示す回路構成１４は、センサ１２の２つのコイルの出力を電子的に組み合わせて、両コイルにおける同相信号が互いに差し引き合いＥＭＩノイズが取り除かれるようにする。図１では、センサＡの負側リード線からの信号とセンサＢの正側リード線からの信号とが組み合わさり、またセンサＡの正側リード線からの信号とセンサＢの負側リード線からの信号とが組み合わさって、増幅器に対する入力となっている。その結果、センサ・コイルの１つのみから発生する信号（ブレードがその磁界を通過したことに起因する）が、回路構成１４によって増幅されてＦＡＤＥＣに送られる。

図１に示した４つの増幅器は好ましくは、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板および処理技術を用いて設けて、動作温度として最大約２６０°Ｃ（約５００°Ｆ）を可能にする。当該技術分野で知られているように、ＳＯＩ基板は通常、絶縁体上に薄いエピタキシャル層を備えている。基板は通常、一対の半導体（たとえば、シリコン）ウェハの一方または両方の接合面を、ウェハを接合する前に酸化させることによって形成する。最も典型的には、シリコン・ウェハ上に形成したエピタキシャル層上に単一の二酸化ケイ素層を成長させる。ウェハを接合した後で、絶縁体およびエピタキシャル層（および任意的に第２のウェハのシリコン層）以外のすべてをエッチング除去して、二酸化ケイ素層が、エピタキシャル層を電気絶縁する絶縁体を形成するようにする。ＳＯＩ処理技術を用いてＳＯＩ基板上に設けるソリッド・ステート増幅器の市販の例は、ハネウェル（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ）から市販されるＨＴ１１０４モノリシック・クワッド演算増幅器である。このような高温性能であれば、回路構成１４を、受動渦電流センサ１２の１つまたはセンサ１２を含むハウジング（図示せず）内に組み込むことが、好ましくは、回路構成１４の温度を従来のエレクトロニクスに求められる１２５°Ｃ未満に維持する専用の能動冷却システムを用いる必要なく可能である。用語「能動冷却」を本明細書で用いる場合の意味は、センサ１２、回路構成１４、およびそれらのハウジングに加わる冷却システムであって、回路構成１４からの熱を伝導、対流、および／または放射によって伝達するように具体的にデザインされたシステムである。

本発明に至る検討において、図２に示すプロトタイプ回路を、ハネウェルＨＴ１１０４増幅器を用いて構成した。動作的には、プロトタイプ回路は、図１に概略的に示す回路構成１４と本質的に同一であった。２つの同一の受動渦電流センサを、前記回路に接続して、ＥＭＩ源の隣に配置した。次に、負荷を駆動してＦＡＤＥＣに対する接続をシミュレートしながら、前記回路の出力をモニタした。図３に前記回路の出力を示す。同相磁気ＥＭＩノイズが前記回路によって消去されたことが証明されている。

本発明を好ましい実施形態に関して説明したが、当業者であれば他の形態も採用できることが明らかである。たとえば、図１に示す構成部品の電気的値は、単に参照を目的としたものであって、本発明の範囲を限定するものと解釈してはならず、センサ１２および回路構成１４の物理的な構成は、図示したものと異なることができ、説明したもの以外の材料および処理を用いることができる。したがって、本発明の範囲は以下の請求項によってのみ限定されなければならない。

Claims (20)

1. 対象物の周期的接近を検知するためのシステムであって、
   第１の磁界を生成および検出するために結合された第１の磁石および第１のコイル巻コアと、第２の磁界を生成および検出するために結合された第２の磁石および第２のコイル巻コアとを備える受動渦電流検知手段であって、前記検知手段は前記対象物に対して、前記対象物が前記第１および第２の磁界を周期的に通過するように位置し、前記第１および第２のコイル巻コアは、前記第１および第２の磁界を周期的に通過する前記対象物に応答して出力を生成する、受動渦電流検知手段と、
   前記検知手段に結合された回路構成であって、前記第１および第２のコイル巻コアの出力を電子的に組み合わせて、前記対象物が前記第１および第２の磁界を周期的に通過するときの接近およびタイミングに対応する出力信号を生成し、前記第１および第２のコイル巻コアの出力を組み合わせて、その同相信号が互いに差し引き合い、前記出力信号から、前記第１および第２のコイル巻コアの出力中に存在する任意の電磁妨害ノイズが取り除かれるようにする回路構成と、を備えるシステム。
2. 前記回路構成は、シリコン・オン・インシュレータ基板上に設けられた増幅器を備える請求項１に記載のシステム。
3. 前記増幅器の最大動作温度は１２５°Ｃよりも大きい請求項１に記載のシステム。
4. 前記増幅器の最大動作温度は少なくとも約２６０°Ｃである請求項１に記載のシステム。
5. 前記対象物はガス・タービンの複数の回転ブレードを含み、前記システムは前記ガス・タービン上に設置されたブレード接近センサ・システムであり、前記検知手段は前記回転ブレードに近接して配置される請求項１に記載のシステム。
6. 前記システムには前記回路構成を冷却するための能動冷却手段がない請求項５に記載のシステム。
7. 前記回路構成および前記検知手段は共にハウジング内に収容される請求項１に記載のシステム。
8. 前記システムには前記回路構成を冷却するための能動冷却手段がない請求項７に記載のシステム。
9. 前記回路構成はさらにロー・パス・フィルタリング手段を備える請求項１に記載のシステム。
10. 前記回路構成はさらに差動ライン駆動手段を備える請求項１に記載のシステム。
11. ガス・タービンの回転ブレードの周期的接近を検知するためのシステムであって、
    第１および第２の受動渦電流センサを備える検知ユニットであって、前記第１の受動渦電流センサは、第１の磁界を生成および検出するために結合された第１の磁石および第１のコイル巻コアを備え、前記第２の受動渦電流センサは、第２の磁界を生成および検出するために結合された第２の磁石および第２のコイル巻コアを備え、前記第１および第２の受動渦電流センサの前記ガス・タービン上の位置は、前記回転ブレードが前記第１および第２の磁界を周期的に通過し、前記第１および第２のコイル巻コアが、前記第１および第２の磁界を通過する前記回転ブレードに応答して出力を生成するように定められている、検知ユニットと、
    前記検知ユニットに結合された回路構成であって、前記第１および第２のコイル巻コアの出力を電子的に組み合わせて、前記回転ブレードが前記第１および第２の磁界を通過するときの接近およびタイミングに対応する出力信号を生成し、前記第１および第２のコイル巻コアの出力を組み合わせて、その同相信号が互いに差し引き合い、前記出力信号から、前記第１および第２のコイル巻コアの出力中に存在する任意の電磁妨害ノイズが取り除かれるようにする回路構成と、を備えるシステム。
12. 前記回路構成は、シリコン・オン・インシュレータ基板上に設けられた増幅器を備える請求項１１に記載のシステム。
13. 前記増幅器の最大動作温度は１２５°Ｃよりも大きい請求項１１に記載のシステム。
14. 前記増幅器の最大動作温度は少なくとも約２６０°Ｃである請求項１１に記載のシステム。
15. 前記システムには前記回路構成を冷却するための能動冷却手段がない請求項１１に記載のシステム。
16. 前記回路構成および前記検知手段は共にハウジング内に収容される請求項１１に記載のシステム。
17. 前記回路構成はさらにロー・パス・フィルタリング手段を備える請求項１１に記載のシステム。
18. 前記回路構成はさらに差動ライン駆動手段を備える請求項１１に記載のシステム。
19. 対象物の周期的接近を検知する方法であって、
    受動渦電流検知手段を前記対象物に近接して配置することであって、前記受動渦電流検知手段は、第１の磁界を生成および検出するために結合された第１の磁石および第１のコイル巻コアと、第２の磁界を生成および検出するために結合された第２の磁石および第２のコイル巻コアとを備え、前記検知手段は前記対象物に対して、前記対象物が前記第１および第２の磁界を周期的に通過するように位置し、前記第１および第２のコイル巻コアは、前記第１および第２の磁界を周期的に通過する前記対象物に応答して出力を生成する、配置することと、
    前記検知手段に結合された回路構成を用いて前記第１および第２のコイル巻コアの出力を電子的に組み合わせて、前記対象物が前記第１および第２の磁界を周期的に通過するときの接近およびタイミングに対応する出力信号を生成することであって、前記回路構成は、前記第１および第２のコイル巻コアの出力を組み合わせて、その同相信号が互いに差し引き合い、前記出力信号から、前記第１および第２のコイル巻コアの出力中に存在する任意の電磁妨害ノイズが取り除かれるようにする、生成することと、を含む方法。
20. 前記対象物はガス・タービンの複数の回転ブレードを含み、前記システムは前記ガス・タービン上に設置されたブレード接近センサ・システムであり、前記検知手段は前記ブレードに近接して配置される請求項１９に記載の方法。

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