WO2010094572A1 - Detektion von druckschwankungen in einem heissen medium auf basis von millimeterwellen - Google Patents

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WO2010094572A1
WO2010094572A1 PCT/EP2010/051346 EP2010051346W WO2010094572A1 WO 2010094572 A1 WO2010094572 A1 WO 2010094572A1 EP 2010051346 W EP2010051346 W EP 2010051346W WO 2010094572 A1 WO2010094572 A1 WO 2010094572A1
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flexible element
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phase
reflected
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PCT/EP2010/051346
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Michael Willsch
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
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    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S13/36—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal
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    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications

Definitions

  • the invention relates to the detection of pressure fluctuations in a hot medium.
  • Essential prerequisite for a high efficiency of a gas turbine are as equally as possible running, stable combustion processes in the turbine combustor. For example. However, due to very high temperatures, which can reach up to 1400 0 C, and / or contamination in the combustion chamber, it comes again and again to instabilities and irregularities in the combustion. These manifest themselves in the form of dynamic pressure fluctuations in the medium located in the combustion chamber.
  • OXSENSIS sensor elements made of sapphire glass are known, covering a temperature range of up to 1000 0 C.
  • These include a Fabry-Perot interferometer, which is spectrally evaluated by means of optical fibers.
  • the temperature resistance of the known sensors is not sufficient for use directly in or on the combustion chamber.
  • the present invention therefore has for its object to provide a method and a device for detecting pressure fluctuations in a hot medium in a chamber.
  • the basic idea of the solution according to the invention is the use of millimeter waves for the detection of deflections of a flexible element, for example a thin membrane, caused by dynamic pressure fluctuations in a hot medium.
  • a flexible element for example a thin membrane
  • comparatively compact hollow waveguides of only a few mm in diameter can be used to guide millimeter waves.
  • the generated millimeter waves can be conducted from a cooler area to the hot area in the immediate vicinity of the hot medium, i. For example, up to a wall of the chamber in which the hot medium is located, in particular up to the combustion chamber wall of a turbine.
  • Pressure fluctuations of a hot medium in a chamber is now deflected a flexible element in pressure fluctuations of the medium from a rest position.
  • the flexible element comes with a millimeter wave electromagnetic signal emitted from a transmitter and reflects the electromagnetic signal.
  • a phase angle of the emitted signal is now compared with a phase angle of the reflected signal.
  • a deflection of the flexible element can be determined from the result of the comparison of the phase positions.
  • the deflection or deflection of the flexible element caused by the pressure fluctuations in the medium is directly related to the difference in the phase positions between the emitted and the reflected signal.
  • the difference of the phases is formed.
  • the emitted signal and the reflected signal are guided in a common hollow waveguide to the flexible element and back again.
  • the emitted signal is guided in a separate hollow waveguide transmitter to the flexible element and the signal reflected at the flexible element is guided in a separate receiving hollow waveguide.
  • the device according to the invention for detecting pressure fluctuations of a hot medium in a chamber has a sensor element with a flexible element which is in contact with the medium and which can be deflected by pressure fluctuations of the medium from a rest position,
  • a millimeter wave transmitter for emitting a millimeter wave electromagnetic signal to the flexible element
  • a receiver for receiving a signal reflected on the flexible element
  • An evaluation device for comparing a phase position of the emitting signal with a phase angle of the reflected signal and for determining the deflection from the rest position from the result of the comparison of the phase angles.
  • the flexible element is mounted on one side of the sensor element, while on the other, the flexible element opposite side of the sensor element is provided for the emitted and the reflected signal transparent seal.
  • the flexible element and the seal defined pressure conditions prevail, in particular a vacuum.
  • the flexible element is preferably a deflectable, temperature-resistant membrane.
  • a separate transmitting hollow waveguide for guiding the emitted signal from the transmitter to the sensor element and a separate receiving
  • Hollow waveguide for guiding the reflected signal from the sensor element provided to the receiver The evaluation device is then connected to the transmitter and to the receiving hollow waveguide, wherein the evaluation device, the emitted signal and the reflected signal are supplied.
  • a common hollow waveguide in which the emitted signal from the transmitter to the sensor element and the reflected signal from the sensor element to the receiver are performed.
  • the evaluation device in this case has a first and a second mixer, a phase shifter and an evaluation circuit for determining the deflection, wherein - the first mixer, the emitted and the reflected
  • the sensor element is advantageously accommodated in a wall of the chamber.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a second embodiment of the invention
  • Figure 3 types of sensor element.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the device for detecting pressure fluctuations in a combustion chamber 110 of a gas turbine 100.
  • the gas turbine 100 is only symbolically symbolized by the wall 120 of the combustion chamber 110.
  • a hot medium 130 for example.
  • a gaseous mixture of combustion gas and air As already mentioned, dynamic pressure fluctuations can occur in the hot medium 130 occur, which are to be detected by means of the device according to the invention.
  • the wall 120 of the combustion chamber 110 has an opening 140 in which a sensor element 200 is housed.
  • the sensor element 200 has a flexible membrane 210, which is in direct contact with the hot medium 130. Ideally, the sensor element 200 is inserted into the combustion chamber wall 120 such that the membrane 210 is flush with the combustion chamber inner wall 120 or terminates flush. If in the
  • Combustion chamber 110 the normal operating state prevails, in which there are no unusual pressure fluctuations .DELTA.p and in which a chamber internal pressure p 0 prevails, the membrane is in a rest position. However, if, for example, there is a pressure increase in the chamber 110, ie ⁇ p> 0, then the
  • a high-frequency generator 410 of a transmitter 400 of a transceiver 300 generates an electromagnetic signal S in the millimeter-wave range, for example with a frequency of 100 GHz.
  • This signal S is fed via an antenna 420 into a transmitting hollow waveguide 610 and guided via the transmitting hollow waveguide 610 to the sensor element 200.
  • the transmitted signal S is reflected.
  • the reflected signal R is passed via a receiving hollow waveguide 620 to a receiver 500 of the transceiver 300 and received there at a An ⁇ antenna 520 of the receiver 500.
  • the reflected and received signal R, as well as the transmitted signal S, are fed to an evaluation device 310.
  • the evaluation device 310 is known per se in ter the phase position ⁇ s of the transmitted signal S with the phase position ⁇ R of the reflected and received in the receiving part 300 signal R compared.
  • the difference ⁇ of the phase positions ⁇ s , ⁇ R is formed during the comparison.
  • the phase difference ⁇ 0 in the normal state is known, which is measured when the diaphragm 210 is not deflected, ie when in the Combustion chamber 110 of the normal operating condition prevails, in which there are no unusual pressure fluctuations .DELTA.p.
  • the diaphragm 210 is deflected outwardly from the interior of the chamber. This reduces the path length between the transceiver 300 and the diaphragm 210, so that inevitably the phase difference ⁇ between the transmitted S and the received signal R becomes smaller, ie ⁇ ⁇ 0 .
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment in which, instead of the separate hollow waveguides 610, 620, a common hollow waveguide 600 is used for the transmitting and receiving branch of the millimeter-wave signal, which in the exemplary embodiment of FIG. 2 is used as the common conductor for the transmitted signal S and the reflected signal on the membrane R serves.
  • the sensor element 200 is fastened in the opening 140 of the combustion chamber wall 120.
  • the membrane 210 is therefore again exposed to the pressure conditions in the hot medium 130 in the combustion chamber, so that it bends accordingly in the event of pressure fluctuations in the medium.
  • the evaluation of the signals S and R takes place in the exemplary embodiment of FIG. 2 in an evaluation device 780 which operates on the principle of an I / Q mixer. This method of signal evaluation with the aim of a phase difference between The determination of the signals S and R is known per se and will therefore not be described in detail in the following.
  • a high-frequency generator 710 of a transceiver 700 also generates an electromagnetic signal S im here
  • the signal S passes via a circulator (or directional coupler) 720 to an antenna 730, which feeds the signal S into the common hollow waveguide 600.
  • the sensor element 200 is provided with the membrane 210, on which the signal S is reflected.
  • the reflected signal R is passed back to the antenna 730 and the circulator 720 via the common hollow waveguide 600.
  • the latter separates the reflected signal R from the signal S which is furthermore generated in the high-frequency generator and feeds the reflected signal R to a first mixer 740.
  • the first mixer 740 is also supplied with the signal S from the high-frequency generator 710.
  • the first mixer 740 is then to take a signal which corresponds to the so-called "quadrature" signal Q.
  • the signal R also passes from the circulator 720 to a second mixer 760.
  • the signal S generated in the high frequency generator 710 is also supplied to a 90 ° phase shifter 750.
  • the output signal S sh i ft of the phase shifter 750 whose phase is shifted from the input signal S of the phase shifter 750 by 90 °, also passes to the mixer 760, where it is mixed with the reflected signal R.
  • the signal which can be taken from the second mixer 760 then corresponds to the so-called "in-phase" signal I.
  • phase difference ⁇ between the original signals S and R can now be determined in an evaluation circuit 770 from the signals I and Q and, as explained above, a possible pressure fluctuation in the hot medium 130.
  • the evaluation device 780 in this embodiment comprises the first 740 and second mixer 760, the phase Slider 750 and the evaluation circuit 770.
  • the measures described in Rec.g with Figures 1 and 2 are merely exemplary understood.
  • FIGS 3A and 3B show detailed views of possible embodiments of the sensor element 200.
  • the sensor element 200 is a preferably round pressure cell, on one side of the membrane 210 is applied and on the other side, as will be described below, the hollow waveguide connects (in the Figures 3A, 3B not shown).
  • the diameter d and the thickness D of the diaphragm 210 must be designed.
  • the diameter d is between 1 mm and 20 mm
  • the thickness D of the membrane 210 is selected between 5 ⁇ m and 250 ⁇ m.
  • the sensor element 200 further has a bore 230, to which the common hollow waveguide 600 is coupled and which itself assumes the function of a hollow waveguide.
  • the emitted signal S thus passes through the bore 230 to the diaphragm 210 and is reflected at this.
  • the reflected signal R is in turn transported via the bore 230 back to the hollow waveguide.
  • a thread 220 On the outside of the sensor element 200 is a thread 220.
  • An internal thread corresponding to the thread 220 is provided in the opening 140 of the combustion chamber wall 120 (not shown), so that the sensor element 200 can be screwed into the combustion chamber wall 120.
  • the above-mentioned case is shown, in which in the combustion chamber 110, a pressure fluctuation .DELTA.p> 0 is present.
  • the membrane 210 is then deformed by a deflection ⁇ x to the outside (from the viewpoint of the combustion chamber interior).
  • the membrane 210 is in the simplest case, as shown in Figure 3A, applied directly to the bore 230 and thus quasi directly to the hollow waveguide.
  • the pressure cell could be closed with a seal 240 which is transparent to the millimeter waves used, for example of a ceramic or a vitreous material, preferably with low attenuation in the working range with millimeter waves.
  • a vacuum can be generated.
  • the membrane 210 and at least parts of the sensor element 200 are in a very hot environment, these components must be designed from materials with very high temperature resistance.
  • High-temperature alloys such as Inconell or Hastelloy as well as precious metals such as platinum or iridium are suitable for this purpose. It is also possible to use materials with high temperature resistance, which are provided with a conductive coating, so that the signals S and R can be conducted or reflected.
  • the common hollow waveguide 600 or the transmitting and the receiving hollow waveguide 610, 620 should ideally be made very solid in order to avoid influences on the measurement of the phase difference due to possible vibrations.
  • metallic and highly conductive materials or conductive or conductive coated ceramics come into question.
  • the invention is suitable for detecting the presence of a pressure fluctuation ⁇ p.
  • an alarm could be triggered in the evaluation device, for example, when a certain threshold value of the phase difference ⁇ is exceeded, which alerts a user to the presence of the pressure fluctuation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Detektion von Druckschwankungen in einem heißen Medium (130), bspw. in einer Brennkammer einer Gasturbine. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein flexibles Element (210) eingesetzt, das bei Druckschwankungen des Mediums aus einer Ruhelage ausgelenkt wird. Das flexible Element wird mit einem von einem Sender (400, 700) ausgesendeten elektromagnetischen Millimeterwellen-Signal bestrahlt und reflektiert das elektromagnetische Signal. Eine Phasenlage des ausgesendenten Signals wird nun mit einer Phasenlage des reflektierten Signals verglichen. Aus dem Ergebnis des Vergleichs der Phasenlagen lässt sich schließlich eine Auslenkung des flexiblen Elements und daraus die zu ermittelnde Druckschwankung detektieren.

Description

Beschreibung
Detektion von Druckschwankungen in einem heißen Medium auf Basis von Millimeterwellen
Die Erfindung betrifft die Detektion von Druckschwankungen in einem heißen Medium.
Wesentliche Voraussetzung für einen hohen Wirkungsgrad einer Gasturbine sind möglichst gleich ablaufende, stabile Verbrennungsprozesse in der Turbinenbrennkammer. Bspw. aufgrund sehr hoher Temperaturen, die bis zu 14000C erreichen können, und/oder Verschmutzungen in der Brennkammer kommt es jedoch immer wieder zu Instabilitäten und Unregelmäßigkeiten bei der Verbrennung. Diese äußern sich in Form von dynamischen Druckschwankungen in dem in der Brennkammer befindlichen Medium.
Ähnliche Probleme treten auch im technischen Umfeld von Turboverdichtern oder speziell bei Axialkompressoren auf. Hier spricht man bspw. von den Phänomenen des „Rotating stall" (rotierende Abrissströmung) und des „Surge" (Pumpen), die sich zum Einen auf den Wirkungsgrad und zum Anderen auf die Lebensdauer des Kompressors auswirken. Beide Phänomene lassen sich über eine Überwachung der Druckverhältnisse in der Kom- pressorkammer detektieren.
Zur Überwachung des Kammerdrucks in Turbinen oder Kompressoren werden in der Regel konventionelle Drucksensoren verwendet, die speziell hinsichtlich der in den Kammern herrschen- den höheren Temperaturen modifiziert sind. Dabei kommen pie- zoresistive Sensoren zum Einsatz, die auf Hochtemperatur- Dehnungsmessstreifen basieren. Bspw. die Firma KULITE bietet Drucksensoren an, die mit einer sog. „Silicon-on-Insulator"- Technologie hergestellt werden (siehe z.B. US 7 451 655 B2) , die jedoch nur für vergleichsweise niedrige Temperaturen einsetzbar sind. Für höhere Temperaturbereiche von bis zu etwa 8000C sind von der Firma VIBRO-METER piezoelektrische Sensoren auf der Basis von Turmalin bzw. Gallium-Phosphat-Kristallen bekannt.
Weiterhin sind von der Firma OXSENSIS Sensorelemente aus Saphirglas bekannt, die einen Temperaturbereich von bis zu 10000C abdecken. Bei diesen kommt ein Fabry-Perot- Interferometer zum Einsatz, das mit Hilfe optischer Lichtwellenleiter spektral ausgewertet wird.
Die Temperaturbeständigkeit der bekannten Sensoren reicht für einen Einsatz direkt in oder an der Brennkammer nicht aus.
Die vorliegende Erfindung setzt sich daher zum Ziel, ein Ver- fahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Druckschwankungen in einem heißen Medium in einer Kammer anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Grundidee der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe liegt in der Nutzung von Millimeterwellen für die Detektion von durch dynamische Druckschwankungen in einem heißen Medium hervorgerufene Durchbiegungen eines flexiblen Elements, bspw. einer dünnen Membran. Vorteilhafterweise können zum Leiten von Millimeterwellen vergleichsweise kompakte Hohlwellenleiter von nur einigen mm Durchmesser eingesetzt werden. Mit diesen können die erzeugten Millimeterwellen von einem kühle- ren Bereich bis in den heißen Bereich in unmittelbarer Umgebung des heißen Mediums geleitet werden, d.h. bspw. bis zu einer Wand der Kammer, in dem sich das heiße Medium befindet, insbesondere bis zur Brennkämmerwand einer Turbine.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion von
Druckschwankungen eines heißen Mediums in einer Kammer wird nun ein flexibles Element bei Druckschwankungen des Mediums aus einer Ruhelage ausgelenkt. Das flexible Element wird mit einem von einem Sender ausgesendeten elektromagnetischen Millimeterwellen-Signal bestrahlt und reflektiert das elektromagnetische Signal. Eine Phasenlage des ausgesendenten Signals wird nun mit einer Phasenlage des reflektierten Signals verglichen. Aus dem Ergebnis des Vergleichs der Phasenlagen lässt sich schließlich eine Auslenkung des flexiblen Elements ermitteln.
Die durch die Druckschwankungen im Medium hervorgerufene Durchbiegung bzw. Auslenkung des flexiblen Elements hängt direkt mit der Differenz der Phasenlagen zwischen ausgesendetem und reflektiertem Signal zusammen.
Vorteilhafterweise wird beim Vergleichen der Phasenlagen die Differenz der Phasen gebildet.
In einer Ausführungsform werden das ausgesendete Signal und das reflektierte Signal in einem gemeinsamen Hohlwellenleiter zum flexiblen Element und wieder zurück geführt.
In einer alternativen Ausführung wird das ausgesendete Signal in einem separaten Sende-Hohlwellenleiter zum flexiblen Element geführt und das am flexiblen Element reflektierte Signal wird in einem separaten Empfangs-Hohlwellenleiter geführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Druckschwankungen eines heißen Mediums in einer Kammer weist auf - ein Sensorelement mit einem flexiblen Element, das mit dem Medium in Kontakt steht und das durch Druckschwankungen des Mediums aus einer Ruhelage ausgelenkbar ist,
- einen Millimeterwellen-Sender zum Aussenden eines elektromagnetischen Millimeterwellen-Signals auf das flexible Element,
- einen Empfänger zum Empfangen eines am flexiblen Element reflektierten Signals, - eine Auswerteeinrichtung zum Vergleichen einer Phasenlage des ausgesendenten Signals mit einer Phasenlage des reflektierten Signals und zum Bestimmen der Auslenkung aus der Ruhelage aus dem Ergebnis des Vergleichs der Phasenlagen.
Vorteilhafterweise ist das flexible Element auf der einen Seite des Sensorelements angebracht, während auf der anderen, dem flexiblen Element gegenüberliegenden Seite des Sensor- elements eine für das ausgesendete und für das reflektierte Signal transparente Dichtung vorgesehen ist. Im Bereich zwischen dem flexiblen Element und der Dichtung herrschen definierte Druckverhältnisse, insbesondere ein Vakuum.
Das flexible Element ist vorzugsweise eine durchbiegbare, temperaturbeständige Membran.
In einer Ausführungsform sind ein separater Sende- Hohlwellenleiter zum Führen des ausgesendeten Signals vom Sender zum Sensorelement und ein separater Empfangs-
Hohlwellenleiter zum Führen des reflektierten Signals vom Sensorelement zum Empfänger vorgesehen. Die Auswerteeinrichtung ist dann mit dem Sender und mit dem Empfangs- Hohlwellenleiter verbunden ist, wobei der Auswerteeinrichtung das ausgesendete Signal und das reflektierte Signal zugeführt sind.
In einer alternativen Ausführungsform ist ein gemeinsamer Hohlwellenleiter vorgesehen, in dem das ausgesendete Signal vom Sender zum Sensorelement und das reflektierte Signal vom Sensorelement zum Empfänger geführt werden. Die Auswerteeinrichtung weist in diesem Fall einen ersten und einen zweiten Mischer, einen Phasenschieber und eine Auswerteschaltung zum Bestimmen der Auslenkung auf, wobei - dem ersten Mischer das ausgesendete und das reflektierte
Signal zugeführt sind, - dem Phasenschieber das ausgesendete Signal zugeführt ist, - dem zweiten Mischer ein Ausgangssignal des Phasenschiebers und das reflektierte Signal zugeführt sind,
- Ausgangssignale des ersten und des zweiten Mischers der Auswerteschaltung zugeführt sind.
Das Sensorelement ist vorteilhafterweise in einer Wand der Kammer untergebracht.
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt:
Figur 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit separaten Hohlwellenleitern für ein gesendetes und ein reflektiertes Signal, Figur 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit einem gemeinsamen Hohlwellenleiter für das gesendete und das reflektierte Signal,
Figur 3 Bauformen des Sensorelementes.
In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
Die Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur Detektion von Druckschwankungen in einer Brennkammer 110 einer Gasturbine 100. Die Gasturbine 100 ist nur andeutungs- weise durch die Wand 120 der Brennkammer 110 symbolisiert.
Weitere Bauteile der Turbine 100 sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
In der Brennkammer 110 befindet sich im Betrieb der Turbine 100 ein heißes Medium 130, bspw. eine gasförmige Mischung aus Verbrennungsgas und Luft. Wie einleitend bereits erwähnt können in dem heißen Medium 130 dynamische Druckschwankungen auftreten, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu detektieren sind.
Die Wand 120 der Brennkammer 110 weist eine Öffnung 140 auf, in der ein Sensorelement 200 untergebracht ist. Das Sensorelement 200 weist eine flexible Membran 210 auf, die in direktem Kontakt mir dem heißen Medium 130 steht. Idealerweise ist das Sensorelement 200 derart in die Brennkammerwand 120 eingelassen, dass die Membran 210 mit der Brennkammerinnen- wand 120 fluchtet bzw. bündig abschließt. Wenn in der
Brennkammer 110 der normale Betriebszustand herrscht, bei dem keine ungewöhnlichen Druckschwankungen Δp vorliegen und bei dem ein Kammerinnendruck p0 herrscht, befindet sich die Membran in einer Ruhelage. Liegt jedoch bspw. eine Druck- erhöhung in der Kammer 110 vor, d.h. Δp>0, so wird die
Membran 210 vom Kammerinnenraum aus gesehen um eine Auslenkung Δx nach außen durchgebogen. Ein derartiger Zustand ist in der Figur 3B dargestellt. Über eine Messung der Auslenkung Δx der Membran 210 können demnach Rückschlüsse auf Druckschwankungen Δp in der Brennkammer 110 gezogen werden.
Um die Auslenkung der Membran 210 zu detektieren wird diese mit einem elektromagnetischen Millimeterwellensignal S bestrahlt. Ein Hochfrequenzgenerator 410 eines Senders 400 ei- ner Sende-Empfangseinrichtung 300 erzeugt ein elektromagnetisches Signal S im Millimeterwellenbereich, bspw. mit einer Frequenz von 100GHz. Dieses Signal S wird über eine Antenne 420 in einen Sende-Hohlwellenleiter 610 eingespeist und über den Sende-Hohlwellenleiter 610 zum Sensorelement 200 geführt. An der Membran 210 des Sensorelements 200 wird das gesendete Signal S reflektiert. Das reflektierte Signal R wird über einen Empfangs-Hohlwellenleiter 620 zu einem Empfänger 500 der Sende-Empfangseinrichtung 300 geleitet und dort an einer An¬ tenne 520 des Empfängers 500 empfangen.
Das reflektierte und empfangene Signal R wird ebenso wie das ausgesendete Signal S einer Auswerteeinrichtung 310 zugeführt. In der Auswerteeinrichtung 310 wird in an sich bekann- ter Weise die Phasenlage φs des ausgesendeten Signals S mit der Phasenlage φR des reflektierten und im Empfangsteil 300 empfangenen Signals R verglichen. Insbesondere wird beim Vergleich die Differenz Δφ der Phasenlagen φs, φR gebildet.
Da die Geometrie der Anordnung, d.h. insbesondere die Weglänge zwischen der Sende-Empfangseinrichtung 300 und der Membran 210, bekannt ist, ist auch die Phasendifferenz Δφ0 im Normalzustand bekannt, die gemessen wird, wenn die Membran 210 nicht ausgelenkt ist, d.h. wenn in der Brennkammer 110 der normale Betriebszustand herrscht, bei dem keine ungewöhnlichen Druckschwankungen Δp vorliegen. Liegt jedoch bspw. eine Druckerhöhung in der Kammer 110 vor, d.h. Δp>0, so wird die Membran 210 vom Kammerinnenraum aus gesehen nach außen ausgelenkt. Damit verringert sich die Weglänge zwischen der Sende-Empfangseinrichtung 300 und der Membran 210, so dass zwangsläufig auch die Phasendifferenz Δφ zwischen dem ausgesendeten S und dem empfangenen Signal R geringer wird, d.h. Δφ < Δφ0.
Die Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der an Stelle der getrennten Hohlwellenleiter 610, 620 für den Sende- und für den Empfangszweig des Millimeterwellensignals ein gemeinsamer Hohlwellenleiter 600 verwendet wird, der im Ausführungsbeispiel der Figur 2 als gemeinsamer Leiter für das gesendete Signal S und das an der Membran reflektierte Signal R dient. Wie im Zusammenhang mit der Figur 1 erläutert wird das Sensorelement 200 in die Öffnung 140 der Brennkammerwand 120 befestigt. Die Membran 210 ist demzufolge wieder den Druckverhältnissen im heißen Medium 130 in der Brennkammer ausgesetzt, so dass sie sich bei Druckschwankungen im Medium entsprechend durchbiegt.
Die Auswertung der Signale S und R erfolgt im Ausführungsbei- spiel der Figur 2 in einer Auswerteeinrichtung 780, die nach dem Prinzip eines I/Q-Mischers arbeitet. Dieses Verfahren der Signalauswertung mit dem Ziel, eine Phasendifferenz zwischen den Signalen S und R zu ermitteln, ist an sich bekannt, wird daher im Folgenden nicht mehr im Detail beschrieben.
Ein Hochfrequenzgenerator 710 einer Sende-Empfangseinrichtung 700 erzeugt auch hier ein elektromagnetisches Signal S im
Millimeterwellenbereich. Das Signal S gelangt über einen Zir- kulator (oder Richtkoppler) 720 zu einer Antenne 730, die das Signal S in den gemeinsamen Hohlwellenleiter 600 einspeist. Am Ausgang des Hohlwellenleiters 600 befindet sich das Sen- sorelement 200 mit der Membran 210, an der das Signal S reflektiert wird. Das reflektierte Signal R wird über den gemeinsamen Hohlwellenleiter 600 zurück zur Antenne 730 und zum Zirkulator 720 geleitet. Dieser trennt in an sich bekannter Weise das reflektierte Signal R vom weiterhin im Hochfre- quenzgenerator erzeugten Signal S und führt das reflektierte Signal R zu einem ersten Mischer 740. Dem ersten Mischer 740 wird auch das Signal S vom Hochfrequenzgenerator 710 zugeführt. Dem ersten Mischer 740 ist dann ein Signal zu entnehmen, das dem sogenannten „Quadrature"-Signal Q entspricht.
Das Signal R gelangt vom Zirkulator 720 außerdem auch zu einem zweiten Mischer 760. Das im Hochfrequenzgenerator 710 erzeugte Signal S wird außerdem einem 90°-Phasenschieber 750 zugeführt. Das Ausgangssignal Sshift des Phasenschiebers 750, dessen Phase gegenüber dem Eingangssignal S des Phasenschiebers 750 um 90° verschoben ist, gelangt ebenfalls zum Mischer 760, wo es mit dem reflektierten Signal R gemischt wird. Das dem zweiten Mischer 760 entnehmbare Signal entspricht dann dem sogenannten „In-phase"-Signal I.
In bekannter Weise lässt sich nun in einer Auswerteschaltung 770 aus den Signalen I und Q die Phasendifferenz Δφ zwischen den Ursprungssignalen S und R und daraus wie oben erläutert eine eventuelle Druckschwankung im heißen Medium 130 ermit- teln.
Die Auswerteeinrichtung 780 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel den ersten 740 und zweiten Mischer 760, den Phasen- Schieber 750 und die Auswerteschaltung 770. Es sind hier natürlich auch andere an sich bekannte Maßnahmen zur Bestimmung der Phasendifferenz Δφ zwischen einem ersten Signal S und einem zweiten Signal R einsetzbar. Die im Zusammenhag mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen Maßnahmen sind lediglich beispielhaft zu verstehen.
Die Figuren 3A und 3B zeigen Detailansichten möglicher Ausführungsformen des Sensorelements 200. Das Sensorelement 200 ist eine vorzugsweise runde Druckdose, auf deren eine Seite die Membran 210 aufgebracht ist und an deren andere Seite sich, wie im Folgenden beschrieben wird, der Hohlwellenleiter anschließt (in den Figuren 3A, 3B nicht dargestellt) . Je nachdem, welcher Druckmessbereich Δp, welche Empfindlichkeit des Sensorelements und welche Eigenfrequenz der Membran gewünscht sind, müssen insbesondere der Durchmesser d und die Dicke D der Membran 210 ausgelegt werden. Typischerweise liegt der Durchmesser d zwischen lmm und 20mm, während die Dicke D der Membran 210 zwischen 5μm und 250μm gewählt wird.
Das Sensorelement 200 weist weiterhin eine Bohrung 230 auf, an die der gemeinsame Hohlwellenleiter 600 angekoppelt wird und die selbst die Funktion eines Hohlwellenleiters übernimmt. Das ausgesendete Signal S gelangt so durch die Bohrung 230 zur Membran 210 und wird an dieser reflektiert. Das reflektierte Signal R wird wiederum über die Bohrung 230 zurück zum Hohlwellenleiter transportiert.
An der Außenseite des Sensorelements 200 befindet sich ein Gewinde 220. Ein dem Gewinde 220 entsprechendes Innenengewin- de ist in der Öffnung 140 der Brennkammerwand 120 vorgesehen (nicht dargestellt) , so dass das Sensorelement 200 in die Brennkammerwand 120 eingeschraubt werden kann.
Speziell in der Figur 3B ist der oben erwähnte Fall dargestellt, bei dem in der Brennkammer 110 eine Druckschwankung Δp>0 vorliegt. Die Membran 210 ist dann um eine Auslenkung Δx nach außen (aus Sicht des Brennkammerinnenraums) verformt. Die Membran 210 ist im einfachsten Fall, wie er in der Figur 3A dargestellt ist, direkt auf die Bohrung 230 und damit quasi direkt auf den Hohlwellenleiter aufgebracht. Alternativ könnte die Druckdose wie in der Figur 3B skizziert mit einer für die verwendeten Millimeterwellen transparenten Dichtung 240 verschlossen sein, bspw. aus einem keramik- oder einem glasartigen Werkstoff, vorzugsweise mit geringer Dämpfung im Arbeitsbereich mit Millimeterwellen. Im Bereich zwischen der Membran 210 und der Dichtung 240 können dann definierte Druckverhältnisse wie bspw. ein Vakuum erzeugt werden.
Da sich die Membran 210 und zumindest Teile des Sensorelements 200 in einer sehr heißen Umgebung befinden, müssen die- se Bauteile aus Materialien mit sehr hoher Temperaturbeständigkeit ausgelegt werden. Hierzu eigenen sich bspw. Hochtemperaturlegierungen wie Inconell oder Hastelloy sowie Edelmetalle wie Platin oder Iridium. Ebenso können Materialien mit hoher Temperaturbeständigkeit eingesetzt werden, die mit ei- ner leitfähigen Beschichtung versehen sind, damit die Signale S und R geleitet bzw. reflektiert werden können.
Der gemeinsame Hohlwellenleiter 600 bzw. der Sende- und der Empfangshohlwellenleiter 610, 620 sollten idealerweise sehr massiv ausgeführt sein, um Einflüsse auf die Messung der Phasendifferenz durch evtl. Vibrationen zu vermeiden. Hierfür kommen metallische und gut leitende Werkstoffe oder leitende bzw. leitend beschichtete Keramiken in Frage.
In der einfachsten Ausführung eignet sich die Erfindung dazu, das Vorhandensein einer Druckschwankung Δp zu detektieren. Hierbei könnte in der Auswerteeinrichtung bspw. beim Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes der Phasendifferenz Δφ ein Alarm o.a. ausgelöst werden, der einen Benutzer auf das Vorliegen der Druckschwankung aufmerksam macht. Ebenso ist es möglich, in einer aufwändigeren Ausführung die Vorrichtung zunächst zu kalibrieren, so dass eine eindeutige Zuordnung zwischen der gemessenen Phasendifferenz Δφ und der vorliegenden Druckschwankung Δp möglich wird.
Das oben im Zusammenhang mit einer Brennkammer einer Gasturbine beschriebene Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung lässt sich ohne Weiteres auf die Kompressorkammer bspw. eines Axialkompressors übertragen. Auch ist die Erfindung natürlich nicht unbedingt auf den Einsatz in temperaturbelasteten Umgebungen beschränkt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Detektion von Druckschwankungen (Δp) eines heißen Mediums (130) in einer Kammer (110), insbesondere in einer Brennkammer einer Turbine oder in einer
Kompressorkammer eines Kompressors, bei dem ein flexibles Element (210) , insbesondere eine Membran, das mit dem Medium (130) in Kontakt steht, bei Druckschwankungen des Mediums (130) aus einer Ruhelage (xo) ausgelenkt wird, wobei - von einem Sender (400, 700) ein elektromagnetisches
Millimeterwellen-Signal (S) auf das flexible Element (210) ausgesendet wird,
- das elektromagnetische Signal (S) an dem flexiblen Element (210) reflektiert wird, - eine Phasenlage φs des ausgesendenten Signals (S) mit einer Phasenlage cpR des reflektierten Signals (R) verglichen wird und
- aus dem Ergebnis des Vergleichs der Phasenlagen φs, φR eine Auslenkung (Δx) des flexiblen Elements (210) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleich der Phasenlage φs des ausgesendenten Signals
(S) mit der Phasenlage φR des empfangenen Signals (R) die Differenz Δφ der Phasenlagen φs, φR bestimmt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesendete Signal (S) und das reflektierte Signal (R) in einem gemeinsamen Hohlwellenleiter (600) geführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesendete Signal (S) in einem Sende-Hohlwellenleiter (610) zum flexiblen Element (210) geführt wird und das am flexiblen Element (210) reflektierte Signal (R) in einem Empfangs-Hohlwellenleiter (620) geführt wird.
5. Vorrichtung zur Detektion von Druckschwankungen (Δp) eines heißen Mediums (130) in einer Kammer (110), insbesondere in einer Brennkammer einer Turbine oder in einer Kompressorkammer eines Kompressors, mit - einem Sensorelement (200) mit einem flexiblen Element
(210), insbesondere eine Membran, das mit dem Medium (130) in Kontakt steht und das durch Druckschwankungen des Mediums (130) aus einer Ruhelage (x0) ausgelenkbar ist,
- einem Millimeterwellen-Sender (400, 700) zum Aussenden eines elektromagnetischen Millimeterwellen-Signals (S) auf das flexible Element (210),
- einem Empfänger (500, 700) zum Empfangen eines am flexiblen Element (210) reflektierten Signals (R),
- einer Auswerteeinrichtung (310, 780) zum Vergleichen einer Phasenlage φs des ausgesendenten Signals (S) mit einer
Phasenlage φR des reflektierten Signals (R) und zum Bestimmen der Auslenkung (Δx) aus der Ruhelage (xo) aus dem Ergebnis des Vergleichs der Phasenlagen φs, ΦR.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Element (210) auf der einen Seite des Sensorelements (200) angebracht ist und dass auf der anderen, dem flexiblen Element gegenüberliegenden Seite des Sensorelements (200) eine für das ausgesendete (S) und für das reflektierte Signal (R) transparente Dichtung (240) vorgesehen ist, wobei im Bereich zwischen dem flexiblen Element (210) und der Dichtung (240) definierte Druckverhältnisse, insbesondere ein Vakuum, herrschen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Element (210) eine durchbiegbare, temperaturbeständige Membran ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sende-Hohlwellenleiter (610) zum Führen des ausgesendeten Signals (S) vom Sender (400) zum Sensorelement (200) und ein Empfangs-Hohlwellenleiter (620) zum Führen des reflektierten Signals (R) vom Sensorelement (200) zum Empfänger (500) vorhanden sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (310) mit dem Sender (400) und mit dem Empfangs-Hohlwellenleiter (620) verbunden ist, wobei der Auswerteeinrichtung (310) das ausgesendete Signal (S) und das reflektierte Signal (R) zugeführt sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Hohlwellenleiter (600) vorhanden ist, in dem das ausgesendete Signal (S) vom Sender (700) zum Sensorelement (200) und das reflektierte Signal (R) vom Sensorelement (200) zum Empfänger (700) geführt werden.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (780) einen ersten (740) und einen zweiten Mischer (760), einen Phasenschieber (750) und eine Auswerteschaltung (770) zum Bestimmen der Auslenkung (Δx) aufweist, wobei
- dem ersten Mischer (740) das ausgesendete (S) und das reflektierte Signal (R) zugeführt sind,
- dem Phasenschieber (750) das ausgesendete Signal (S) zugeführt ist, - dem zweiten Mischer (760) ein Ausgangssignal (SShift) des Phasenschiebers (750) und das reflektierte Signal (R) zugeführt sind,
- Ausgangssignale (I, Q) des ersten (740) und des zweiten Mischers (760) der Auswerteschaltung (770) zugeführt sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (200) in einer Wand (120) der Kammer (110) untergebracht ist.
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