WO2010112278A1 - Device and method for determining a distance to a reflective object - Google Patents

Device and method for determining a distance to a reflective object Download PDF

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WO2010112278A1
WO2010112278A1 PCT/EP2010/052380 EP2010052380W WO2010112278A1 WO 2010112278 A1 WO2010112278 A1 WO 2010112278A1 EP 2010052380 W EP2010052380 W EP 2010052380W WO 2010112278 A1 WO2010112278 A1 WO 2010112278A1
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signal
distance
reflection
reflection object
antenna
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PCT/EP2010/052380
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Andreas Schicht
Thomas Wuchenauer
Andreas Ziroff
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/80—Diagnostics

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining a distance to a reflection object, in particular a turbine blade of a gas and steam turbine.
  • a safe and efficient operation of a rotating object in a housing depends largely on the fact that a safe distance between the rotating object and the housing is maintained at any time safely.
  • safe operation of a turbine depends on how large the distance between the radially outer edge of the turbine blade and an inner wall of the turbine housing. In doing so, a safety distance must not be fallen below in order to avoid damage to the turbine blades and / or the housing.
  • too large a distance between the turbine blades and the turbine housing has a negative effect on the efficiency of the turbine. Therefore, the radial gap between the turbine shells and the turbine housing is monitored. Since the radial gap to be monitored depends directly on dynamic state variables, such as temperature and rotational speed of the rotor or the turbine blades and these dynamic state variables can constantly change during operation, the radial gap is continuously monitored.
  • the output signal of a capacitive sensor provides only an integral or average measured value for the distance of a turbine blade to the sensor or to the housing wall without suitable lateral resolution, that is, resolution in the direction of rotation of the rotating object or the turbine blade.
  • Turbine blades have an irregular Structure with ventilation holes and sealing lips on the housing-side edge. For such rotating objects with irregular edge structures, for example due to ventilation holes, sealing lips and / or profilings on the housing-side edge, these edge structures can not be detected with the aid of an integral measured value, which is emitted for example by a capacitive sensor, for lack of sufficient lateral resolution.
  • DE 197 05 769 A1 has proposed a device for monitoring radial and axial gaps on turbines, in which radar waves having a wavelength in the millimeter range are used.
  • a transmitting and receiving unit for generating, for sending and for
  • the reflected signals are evaluated to determine a radial or axial gap between a paddle wheel and the surrounding housing.
  • a disadvantage of this conventional device for monitoring a distance between turbine blades and a housing is that the measurement result has a 2 ⁇ ambiguity.
  • the phase evaluation of the resolved reflection from the blade edge of a turbine blade is 2 ⁇ -ambiguous, which results in a limited uniqueness range of one-half wavelength.
  • the invention provides a method for determining a distance to a reflection object with the steps:
  • the determined distance is temporarily stored as a nutritional value.
  • At least one reflection point is selected from the signal reflected and filtered by the rotating reflection object.
  • the selected reflection point of the reflected signal is a local maximum of the signal amplitude curve of the reflected signal and has a signal amplitude which lies above an adjustable threshold value.
  • the selected reflection point is a global maximum of the signal amplitude curve of the reflected signal and has a signal amplitude which lies above an adjustable threshold value.
  • an ambiguous distance is calculated as a function of the ambiguous phase of the measured reflected signal and the wavelength of the radiated signal at the selected reflection point.
  • a clear distance is calculated from the ambiguous distance and the cached nutritional value.
  • the focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response of the filter in such a way that the phase of the filtered signal is at least approximately constant in a certain area, in regions.
  • the focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response of the filter such that the signal amplitude of the filtered signal is maximum.
  • the focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response of the filter such that a 3 decibel width of the filtered signal is minimal and ideally corresponds to an autocorrelation function of the point-to-target response of the filter.
  • the reflection object moves past the antenna at a constant speed.
  • the Refledgingsobj ect is attached to a rotating object which rotates within a housing to which the antenna is fixedly mounted.
  • the reflection object is formed by a blade of a turbine or an engine or by a rotor of a generator or electric motor.
  • the signal radiated by the antenna is represented by a sinusoidal signal. formed signal whose wavelength corresponds to a local extent of a present on the surface of the reflection object reflection structure.
  • the invention further provides a device for determining a distance to a reflection object with:
  • a matched filter with associated dot-target response for filtering the detected signal, wherein to maximize a local resolution of the detected signal, a focus distance as a parameter of the dot-target response is adjustable, and the adjusted focus distance forms the distance to be detected.
  • the transmitting and receiving unit has an antenna which emits a sinusoidal signal with an adjustable wavelength to the reflection object.
  • the antenna an aperture antenna, which radiates a monofrequent radar signal with a wavelength in the millimeter range on the reflection object.
  • the aperture antenna is mounted in a housing and the signal is guided by a waveguide to the reflection object.
  • the reflection object is a rotating component which rotates in the housing.
  • the wavelength of the emitted signal is set in accordance with the extent of a reflection structure present on the surface of the reflection object.
  • the invention further provides a turbine with a device for determining a distance to a reflection object, which is formed by a turbine blade, comprising: a transmitting and receiving unit which radiates a signal with a specific wavelength onto the reflection object (3) and a detects reflected signal from the reflection object; and with a matched filter with associated dot-target response for filtering the detected signal, wherein to maximize a local resolution of the detected signal, a focus distance as a parameter of the dot-target response is adjustable, and the adjusted focus distance forms the distance to be detected.
  • the invention further provides an electric motor with a
  • Apparatus for determining a distance to a reflection object that forms a component of a rotor comprising: a transmitting and receiving unit that radiates a signal having a specific wavelength onto the reflection object and detects a signal reflected by the reflection object; and with a matched filter with associated dot-target response for filtering the detected signal, wherein to maximize a local resolution of the detected signal, a focus distance as a parameter of the dot-target response is adjustable, and the adjusted focus distance forms the distance to be detected.
  • the invention further provides an electric generator with a device for determining a distance to a Reflekti- onssell, which is formed by a component of a rotor, with: a transmitting and receiving unit which radiates a signal having a specific wavelength onto the reflection object and detects a signal reflected by the reflection object; and with a matched filter with associated point target response for filtering the detected signal, wherein to maximize a local resolution of the detected signal, a focusing distance is adjustable as a parameter of the point target response, and the adjusted focusing distance forms the distance to be detected.
  • the invention further provides an engine with a device for determining a distance to a reflection object, which is formed by an engine blade, comprising: a transmitting and receiving unit which radiates a signal having a specific wavelength to the reflection object and a signal reflected by the reflection object detected; and with a matched filter with associated dot-target response for filtering the detected signal, wherein to maximize a local resolution of the detected signal, a focus distance as a parameter of the dot-target response is adjustable, and the adjusted focus distance forms the distance to be detected.
  • the invention further provides a computer program with program instructions for carrying out a method for determining a distance to a reflection object comprising the steps:
  • the invention further provides a data carrier which stores such a computer program.
  • FIG. 1 shows a diagram for illustrating a possible embodiment of the device according to the invention for determining a distance to a reflection object
  • FIG. 2 shows a flow chart for illustrating a possible embodiment of the method according to the invention for determining a distance to a reflection object
  • Figure 3 is a diagram for explaining the method according to the invention.
  • FIGS. 4A, 4B are diagrams for illustrating a signal reconstruction in a point reflector, as used in the method according to the invention.
  • FIG. 5 shows a diagram for illustrating a phase profile of reconstruction results of a reflection from a point reflector, as used in the method according to the invention
  • Figures 6A, 6B, 6C are diagrams for explaining a possible embodiment of the method according to the invention.
  • Figure 7 is a diagram illustrating a possible
  • Figure 8 is a diagram illustrating a possible
  • Figure 1 shows a diagram illustrating a possible embodiment of the device 1 according to the invention for determining a distance to a reflection object 2.
  • This reflection object 2 is, for example, a rotating object, which may have a plurality of components.
  • the rotating object is a turbine having a plurality of turbine blades 3. These turbine blades 3 rotate at a certain rotational speed within a housing 4, as shown in FIG.
  • the turbine blades 3 have a blade edge 5, which faces an inner housing wall 6.
  • the blade edge 5 may have an edge structure, that is, the surface of the edge 5 is usually not smooth.
  • the edge structure can either be irregular in terms of production or deliberately have a certain structure.
  • the turbine blade 3 has on its front side a sealing lip 7 which projects upwards and determines a minimum distance d from the inner wall 6 of the housing 4.
  • the transmitting and receiving unit 9 emits a signal with a specific wavelength ⁇ to the object 3 passing by.
  • the reflection object 3 is shown in FIG. Example case formed by a turbine blade 3 of a turbine.
  • the emitted signal is reflected, whereby a part of the reflected signal is received by the transceiver unit 9.
  • the transceiver unit 9 detects the reflected signal and outputs it to an evaluation unit 10.
  • the detected measurement signal can be delivered to the evaluation unit 10 by wire or wireless.
  • the evaluation unit 10 has a digital filter 11 with associated point-to-target response for filtering the detected signal.
  • the dot target response forms a transfer function or impulse response of the filter.
  • the filter 11 is a matched or matched filter (MF).
  • MF matched or matched filter
  • a focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response or of the filter, the set focusing distance forming the distance d to be determined.
  • the determined distance d is output by the evaluation unit 10 to an output unit 12.
  • the output unit 12 has, for example, a user interface.
  • the transmitting and receiving unit 9 has one or more antennas which emits a sinusoidal signal having an adjustable wavelength ⁇ onto the reflection objective 3.
  • an aperture antenna which, in one possible embodiment, emits a monofrequency radar signal having a wavelength in the millimeter range onto the reflection object 3 or the turbine blade 3.
  • the aperture antenna is mounted together with the transmitting and receiving unit 9 in the housing 4, wherein the radiated signal impinges through the opening 8 with a rectangular or round cross-section as a waveguide on the reflection object 3. There, the signal is reflected back and passes through the waveguide 8 to the transceiver unit 9 back.
  • FIG. 2 shows a flowchart for illustrating a possible embodiment of the method according to the invention for determining a distance to a reflection object 3.
  • a signal is radiated by an antenna, for example an aperture antenna having a specific wavelength ⁇ onto the reflection object 3.
  • the antenna of the transmitting and receiving unit 9 has a low directivity and a predetermined emission characteristic.
  • use is made of the fact that the turbine blades 3 of a turbine move as reflection objects in a predetermined path, so that the antenna of the transceiver unit 9 can be firmly positioned, wherein the transceiver unit 9 is preferably fixedly attached to the housing 4 is.
  • a further step S2 the amplitude and the phase of a signal reflected by the reflection object 3 are measured.
  • the measurement of a reflection factor by amount and phase takes place as long as the reflection object or the turbine blade 3 is located within the emission lobe of the antenna of the transmitting and receiving unit 9.
  • the measured signal is filtered by the matched filter 11 of the evaluation unit 10, which has an associated point-to-target response, to maximize a spatial resolution of the measured signal, a focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response and the determining the determining distance.
  • the measurement data are subjected to signal reconstruction by a synthetic aperture radar (SAR) technique, which results in focusing.
  • SAR synthetic aperture radar
  • the SAR method consists of an adapted filtering (matched filter), wherein a focusing distance is determined as a parameter of the point-target response on the basis of the movement path of the reflection object 3.
  • the underlying model can be used as an analytical expression, for example, for the phase of a hyperbolic function at constant amplitude or as a data set, which is ner numeric field simulation is generated present. Since a model of the hyperbolic phase curve can be insufficient, in particular in the vicinity of the antenna, it is preferable to use a data record which is generated by an accurate near-field simulation.
  • the filter can be determined for each focusing distance, the focusing distance being set as a parameter of the point-to-target response in such a way that the local resolution is maximal. Optimal filtering or signal reconstruction is achieved when the focusing distance corresponds to the actual measuring distance of the blade edge 5.
  • the matched filter or matched filter 11 can be present or set for any desired focusing distance within the measuring range.
  • a reflection factor measurement with an unknown measurement distance can be reconstructed with all these known matched filters 11, and an optimal reconstruction can be selected from the results.
  • the associated focusing distance forms the measuring distance d to be determined.
  • the accuracy of this distance estimate is increased by using the filter result for a more accurate phase-based distance measurement.
  • the phase of the signal component reflected by the sealing lips 7 of the turbine blade 3 is converted on the basis of the known frequency f or wavelength ⁇ into a distance which initially lies between oi due to a still existing phase ambiguity. Since a clear distance estimate already exists
  • the measured value determined is increased by multiples of half the wavelength ⁇ until the difference between the two results is minimal. As a result, the phase-based distance measurement becomes clear throughout the entire measuring range.
  • a decision criterion is used.
  • a reflection point RP is selected from the signal reflected at the reflection object 3. This selected reflection point RP forms a local or global maximum of the signal amplitude curve of the reflected signal, its signal amplitude being above an adjustable threshold value SW.
  • An optimum filter result is distinguished, for example, by a high signal amplitude and a high gradient at the selected reflection point RP.
  • the reflection from a sealing lip 7, which represents a point reflector RP is evaluated in isolation from the remaining signal component.
  • an ambiguous distance is calculated as a function of the ambiguous phase ⁇ of the measured reflected signal and the wavelength ⁇ of the radiated signal at the selected reflection point RP. Subsequently, a clear distance is calculated from the ambiguous distance and the cached nutritional value. The approximate value is obtained by filtering the measured signal through an adapted digital matched filter 11 with the associated point-to-target response, wherein a focusing distance is set as a parameter of the point-target response to maximize a local resolution of the measured signal.
  • the setting of the focusing distance as a parameter of the point-to-target response is carried out according to various criteria.
  • the focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response of the digital matched filter 11 such that the phase ⁇ of the filtered signal is approximately constant.
  • the focusing distance is used as parameter of the point-to-target response of the digital matched filter 11 in such a way. represents that the signal amplitude of the filtered signal is maximum.
  • the focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response of the digital matched filter 11 such that a 3-decibel width of the filtered signal is minimal and ideally corresponds to an autocorrelation function of the point-to-target response of the filter 11.
  • the different criteria can be used alternatively or cumulatively.
  • FIG. 3 shows a diagram to clarify the method according to the invention for determining a distance d from a reflection object 3.
  • the antenna of a transmitting and receiving unit 9 transmits a signal with a specific wavelength ⁇ , wherein in FIG. 3 lines are shown indicate the same phases of the emitted signal.
  • a point-shaped reflection target or a reflection point RP moves at a certain speed in the x-direction, as shown in FIG.
  • the reflection point RP may, for example, be a point reflector of a turbine blade. This turbine blade 3 passes through an antenna lobe of an antenna, which leads to a reflection or backscatter.
  • the backscattered or reflected signal is detected and measured according to amplitude A and phase ⁇ .
  • the measured signal is filtered by the matched filter 11 with associated point-to-target response, to maximize a local resolution of the measured signal, a focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response and forms the distance to be determined.
  • RP is a model point target
  • the reflected signal over x with the distance as parameter is the point target response (comparable to the impulse response in communications engineering). This signal is used for the adapted filtering of a blade reflection.
  • Figures 4A, 4B illustrate a signal reconstruction as used in the inventive method.
  • FIG. 4A shows an amplitude profile of a reflected signal in the direction of movement x of the reflection point shown in FIG.
  • the measured reflected signal is then filtered.
  • FIG. 4A shows an amplitude profile of a reflected signal in the direction of movement x of the reflection point shown in FIG.
  • the measured reflected signal is then filtered.
  • FIG. 4A shows an amplitude profile of a reflected signal in the direction of movement x of the
  • FIG. 4B shows a filtered signal, wherein a focusing distance as parameter of the point-to-target response of the matched filter 11 is set such that the local resolution is maximal.
  • the filtered signal has a narrow pulse of high amplitude A.
  • FIG. 5 shows a further diagram for explaining the method according to the invention.
  • the phase curve ⁇ (x) for a reflection point RP is represented for positions x of the reflection point RP in the direction of movement. Different phase traces for different point-to-target responses of the matched filter 11 are shown.
  • Figures 6A, 6B, 6C illustrate the procedure in the inventive method for determining a distance d to a reflection object.
  • FIG. 6A schematically shows a turbine blade 3 with a sealing lip 7, the turbine blade 3 and the sealing lip 7 forming the reflection object 3.
  • FIG. 6B shows the signal amplitude curve A MF (X) of the reflected signal filtered by the matched filter 11. From the reflected signal, at least one reference point RP is selected. As shown in FIG. 6B, the selected reflection point RP is a local maximum of the signal amplitude curve A MF (x) of the reflected signal with a signal amplitude which lies above an adjustable threshold value SW.
  • the transceiver unit 9 receives a reflection signal r (t) which is composed of a real part and an imaginary part:
  • the reflected signal is then filtered, with the reflection signal being convolved with the matched filter 11 (as determined from the point-to-target response):
  • the parameter d F o ⁇ is varied in a predetermined value range. Subsequently, the filtered reflection signal is selected from the filter results in such a way that the phase ⁇ is constant.
  • a reflection point RP is selected from the signal reflected by the reflection object 3, which forms a local or global maximum of the signal amplitude curve of the reflected signal and has a signal amplitude which lies above an adjustable threshold value SW.
  • the phase ⁇ EDGE is determined, as shown in Figure 6C.
  • an ambiguous or ambiguous distance can first be calculated as a function of the ambiguous phase of the measured reflected signal RP and the wavelength ⁇ of the emitted signal at the selected reflection point:
  • ⁇ _d mess ⁇ EDGE ⁇ ⁇ + k ⁇ - where ⁇ is the wavelength of the radiated A ⁇ 22 signal and k is a natural number.
  • k is chosen such that:
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of the device 1 according to the invention for determining a distance to a reflection object 3.
  • a transmission unit 9A is arranged separately from a reception unit 9B.
  • a signal with a specific wavelength ⁇ is radiated by an antenna of the transmitting unit 9A onto a moving reflection object 3 and reflected from there to a receiving antenna of a receiving unit 9B.
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of a device 1 according to the invention for determining a distance to a reflection object 3.
  • the determined distance between the reflection object 3, for example a turbine blade 3, and a housing 4 is determined, and serves as a control signal for the fine adjustment of the Distance by an adjusting unit 13, for example, the distance between an axis of a rotating object 3 and the housing 4 sets.
  • the distance between the rotating the object 3 and the housing 4 are set or regulated. The regulation takes place by means of a control signal CRTL, as shown in FIG.
  • the device 1 according to the invention and the method according to the invention for determining a distance to a reflection object 3 can be used in many ways.
  • the device 1 is provided in a gas or steam turbine, wherein the reflection object 3 is formed by a turbine blade.
  • the device 1 according to the invention is used in an electric motor, wherein the reflection object 3 is formed by a component of a rotor.
  • the device 1 according to the invention can also be used in an electric generator, the reflection object 3 being formed by a component of a rotor.
  • the device 1 according to the invention can also be provided in an engine, wherein the reflection object 3 is formed by an engine blade 3.
  • the automatic focus SAR synthetic aperture radar used according to the invention serves to estimate the distance between the reflection object 3 and the housing 4, so that a subsequent phase-based distance measurement can be made unequivocally in the entire measuring range.
  • a focus distance for the matched filter need not be known, but is determined in the method according to the invention. In this case, an iterative approach to the focal distance can be dispensed with, so that the method according to the invention is also distinguished by a high calculation speed when determining the distance to the reflection object 3.

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Abstract

The invention relates to a method and device (1) for determining a distance (d) to a reflective object (3), particularly to a turbine blade of a turbine. A signal having a defined wavelength (λ) is emitted from an antenna onto the reflective object (3). The signal reflected by the reflective object (3) is measured for amplitude (A) and phase (φ). The measured signal is measured by a matched filter (11) with an associated point target response. In order to maximize a local resolution of the measured signal, a focusing distance is set as the parameter for the point target response and constitutes the distance to be determined. The method and the device (1) according to the invention can be applied in various ways, particularly in turbines, electric motors, electric generators, or in power units. The distance is measured without 2 pi ambiguity, wherein for each reflective object (3), in particular for each turbine blade, a complete distance profile, not just an integral distance value, is provided by the method according to the invention.

Description

Beschreibungdescription
Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes zu einem ReflektionsobjektApparatus and method for determining a distance to a reflection object
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt, insbesondere einer Turbinenschaufel einer Gas- und Dampfturbine.The invention relates to a device and a method for determining a distance to a reflection object, in particular a turbine blade of a gas and steam turbine.
Ein sicherer und effizienter Betrieb eines in einem Gehäuse rotierenden Objektes hängt in hohem Maße davon ab, dass ein Sicherheitsabstand zwischen dem rotierenden Objekt und dem Gehäuse zu jedem Zeitpunkt sicher eingehalten wird. Beispielsweise hängt ein sicherer Betrieb einer Turbine davon ab, wie groß der Abstand zwischen der radialäußeren Kante der Turbinenschaufel und einer Innenwandung des Turbinengehäuses ist. Dabei darf ein Sicherheitsabstand nicht unterschritten werden, um Beschädigungen der Turbinenschaufeln und/oder des Gehäuses zu vermeiden. Darüber hinaus wirkt sich ein zu gro- ßer Abstand zwischen den Turbinenschaufeln und dem Turbinengehäuse negativ auf den Wirkungsgrad der Turbine aus. Es wird daher der Radialspalt zwischen den Turbinenschalen und dem Turbinengehäuse überwacht. Da der zu überwachende Radialspalt direkt von dynamischen Zustandsgrößen, wie beispielsweise Temperatur und Drehgeschwindigkeit des Rotors bzw. der Turbinenschaufeln abhängt und sich diese dynamischen Zustandsgrößen während des Betriebs ständig ändern können, wird der Radialspalt kontinuierlich überwacht.A safe and efficient operation of a rotating object in a housing depends largely on the fact that a safe distance between the rotating object and the housing is maintained at any time safely. For example, safe operation of a turbine depends on how large the distance between the radially outer edge of the turbine blade and an inner wall of the turbine housing. In doing so, a safety distance must not be fallen below in order to avoid damage to the turbine blades and / or the housing. In addition, too large a distance between the turbine blades and the turbine housing has a negative effect on the efficiency of the turbine. Therefore, the radial gap between the turbine shells and the turbine housing is monitored. Since the radial gap to be monitored depends directly on dynamic state variables, such as temperature and rotational speed of the rotor or the turbine blades and these dynamic state variables can constantly change during operation, the radial gap is continuously monitored.
Für die Ermittlung des Abstandes zwischen dem rotierenden Gegenstand bzw. den Turbinenschaufeln und dem Gehäuse werden herkömmlicherweise zumeist kapazitive Sensoren eingesetzt. Das Ausgangssignal eines kapazitiven Sensors liefert jedoch lediglich einen integralen bzw. mittleren Messwert für den Abstand einer Turbinenschaufel zu dem Sensor bzw. zur Gehäusewand ohne geeignete laterale Auflösung, das heißt Auflösung in Drehrichtung des rotierenden Gegenstandes bzw. der Turbinenschaufel. Turbinenschaufeln weisen eine unregelmäßige Struktur mit Lüftungslöchern und Dichtungslippen an der ge- häuseseitigen Kante auf. Für derartige rotierende Gegenstände mit unregelmäßigen Kantenstrukturen, beispielsweise aufgrund von Lüftungslöchern, Dichtungslippen und/oder Profilierungen an der gehäuseseitigen Kante können diese Kantenstrukturen mit Hilfe eines integralen Messwertes, welcher beispielsweise von einem kapazitiven Sensor abgegeben wird, mangels ausreichendem lateralen Auflösungsvermögen nicht detektiert werden. Es ist daher bei derartigen herkömmlichen Anordnungen nicht möglich, individuelle Geometrien des rotierenden Gegenstandes zu berücksichtigen. Beispielsweise werden lokale Überhöhungen in der Kantenstruktur einer Turbinenschaufel nicht erkannt und können zu einer Beschädigung der Turbine führen. Darüber hinaus erlauben es derartige herkömmliche Messanordnungen nicht zwischen einer tatsächlichen Änderung eins Radialspalts und einer Geometrieänderung in der Turbine, beispielsweise durch eine axiale Verschiebung des Rotors zu unterscheiden. Dies spielt insbesondere dann eine Rolle, wenn das Turbinengehäuse beispielsweise konisch geformt ist. Aufgrund der be- stehenden Unsicherheiten wird daher ein vergleichsweise großer Sicherheitsabstand vorgesehen, wobei dies auf Kosten des Wirkungsgrades der Turbine erfolgt.For the determination of the distance between the rotating object or the turbine blades and the housing usually capacitive sensors are conventionally used. However, the output signal of a capacitive sensor provides only an integral or average measured value for the distance of a turbine blade to the sensor or to the housing wall without suitable lateral resolution, that is, resolution in the direction of rotation of the rotating object or the turbine blade. Turbine blades have an irregular Structure with ventilation holes and sealing lips on the housing-side edge. For such rotating objects with irregular edge structures, for example due to ventilation holes, sealing lips and / or profilings on the housing-side edge, these edge structures can not be detected with the aid of an integral measured value, which is emitted for example by a capacitive sensor, for lack of sufficient lateral resolution. It is therefore not possible with such conventional arrangements to consider individual geometries of the rotating object. For example, local elevations in the edge structure of a turbine blade are not recognized and may result in damage to the turbine. In addition, such conventional measuring arrangements do not allow to distinguish between an actual change of a radial gap and a geometry change in the turbine, for example by an axial displacement of the rotor. This plays a role, in particular, when the turbine housing is conically shaped, for example. Due to the existing uncertainties, therefore, a comparatively large safety distance is provided, whereby this takes place at the expense of the efficiency of the turbine.
Herkömmliche Messverfahren, die Mikrowellen einsetzen, das heißt elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen im Zentimeterbereich, liefern ebenso wie kapazitive Sensoren nur integrale Messwerte. In der US 6,856,281 B2 wird daher ein Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes vorgeschlagen, bei dem durch eine Antenne eine Vielzahl von Reflektionssignalen aus- gestrahlt und eine Vielzahl von Reflektionssignalen empfangen wird. Bei dem vorgeschlagenen Messverfahren ist es allerdings erforderlich, für jeden Schaufeltyp einer Turbinenschaufel aufwendige Referenzmessungen in einem Labor vorzunehmen. Zudem können nicht vorhersehbare Änderungen der axialen Positi- on der Turbinenschaufel, wie beispielsweise die Verschiebung des Rotors oder auch Veränderungen der Struktur der Schaufelkante, beispielsweise durch Erosion zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen. Optische Erfassungsverfahren liefern zwar ein hohes laterales Auflösungsvermögen, haben allerdings den Nachteil, dass notwendige Sichtfenster leicht verschmutzen. Darüber hinaus bie- ten optische Sensoren nur eine geringe thermische Belastbarkeit. Es wurde daher in der DE 197 05 769 Al eine Vorrichtung zur Überwachung von Radial- und Axialspalten an Turbinen vorgeschlagen, bei denen Radarwellen mit einer Wellenlänge im Millimeterbereich eingesetzt werden. Dabei ist eine Sende- und Empfangseinheit zur Erzeugung, zur Aussendung und zumConventional measuring methods that use microwaves, that is, electromagnetic waves with wavelengths in the centimeter range, as well as capacitive sensors provide only integral readings. In US Pat. No. 6,856,281 B2, therefore, a method for determining a distance is proposed in which a multiplicity of reflection signals are emitted by an antenna and a multiplicity of reflection signals are received. In the proposed measuring method, however, it is necessary to carry out complex reference measurements in a laboratory for each blade type of turbine blade. In addition, unpredictable changes in the axial position of the turbine blade, such as the displacement of the rotor or changes in the structure of the blade edge, for example by erosion lead to a falsification of the measurement results. Although optical detection methods provide a high lateral resolution, but have the disadvantage that necessary viewing windows easily pollute. In addition, optical sensors offer only a low thermal load capacity. Therefore, DE 197 05 769 A1 has proposed a device for monitoring radial and axial gaps on turbines, in which radar waves having a wavelength in the millimeter range are used. Here is a transmitting and receiving unit for generating, for sending and for
Empfang von Mikrowellen vorgesehen. Die reflektierten Signale werden ausgewertet, um einen Radial- bzw. Axialspalt zwischen einem Schaufelrad und dem umgebenden Gehäuse zu bestimmen.Reception of microwaves provided. The reflected signals are evaluated to determine a radial or axial gap between a paddle wheel and the surrounding housing.
Ein Nachteil dieser herkömmlichen Vorrichtung zur Überwachung eines Abstandes zwischen Turbinenschaufeln und einem Gehäuse besteht darin, dass das Messergebnis eine 2 π -Mehrdeutigkeit aufweist. Die Phasenauswertung der aufgelösten Reflektion von der Schaufelkante einer Turbinenschaufel ist 2 π -mehrdeutig, wodurch ein beschränkter Eindeutigkeitsbereich von einer halben Wellenlänge bedingt wird.A disadvantage of this conventional device for monitoring a distance between turbine blades and a housing is that the measurement result has a 2π ambiguity. The phase evaluation of the resolved reflection from the blade edge of a turbine blade is 2π-ambiguous, which results in a limited uniqueness range of one-half wavelength.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt zu schaffen, bei dem das Messsignal keine Mehrdeutigkeit aufweist.It is therefore an object of the present invention to provide an apparatus and a method for determining a distance to a reflection object in which the measurement signal has no ambiguity.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt mit den im Patentan- spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved by a method for determining a distance to a reflection object having the features specified in patent claim 1.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt mit den Schritten:The invention provides a method for determining a distance to a reflection object with the steps:
(a) Abstrahlen eines Signals durch eine Antenne mit einer bestimmten Wellenlänge auf das Reflektionsobjekt ; (b) Kontinuierliches Messen der Amplitude und Phase eines von dem Reflektionsobj ekt reflektierten Signals während einer Rotation des Reflektionsobjekts; und(A) emitting a signal through an antenna having a specific wavelength on the reflection object; (b) continuously measuring the amplitude and phase of a signal reflected from the reflection subject during rotation of the reflection object; and
(c) Filtern des gemessenen Signals durch ein angepasstes FiI- ter mit zugehöriger Punktzielantwort, wobei zur Maximierung einer örtlichen Auflösung des gemessenen Signals ein Fokussierabstand des Filters eingestellt wird und den zu ermittelnden Abstand bildet.(c) filtering the measured signal by a matched filter with associated dot-target response, to maximize a local resolution of the measured signal, adjusting a focusing distance of the filter and forming the distance to be determined.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der ermittelte Abstand als Nährungswert zwischengespeichert .In one embodiment of the method according to the invention, the determined distance is temporarily stored as a nutritional value.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Reflektionspunkt aus dem von dem rotierenden Reflektionsobj ekt reflektierten und gefilterten Signal selektiert .In one embodiment of the method according to the invention, at least one reflection point is selected from the signal reflected and filtered by the rotating reflection object.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der selektierte Reflektionspunkt des reflektierten Signals ein lokales Maximum des Signalamplitudenverlaufs des reflektierten Signals und weist eine Signalamplitude auf, die oberhalb eines einstellbaren Schwellenwertes liegt.In one embodiment of the method according to the invention, the selected reflection point of the reflected signal is a local maximum of the signal amplitude curve of the reflected signal and has a signal amplitude which lies above an adjustable threshold value.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der selektierte Reflektionspunkt ein globales Maximum des Signalamplitudenverlaufs des reflektierten Signals und weist eine Signalamplitude auf, die oberhalb eines einstellbaren Schwellenwertes liegt.In a further possible embodiment of the method according to the invention, the selected reflection point is a global maximum of the signal amplitude curve of the reflected signal and has a signal amplitude which lies above an adjustable threshold value.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein uneindeutiger Abstand in Abhängigkeit von der mehrdeutigen Phase des gemessenen reflektierten Signals sowie der Wellenlänge des abgestrahlten Signals an dem selektierten Re- flektionspunkt berechnet. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein eindeutiger Abstand aus dem uneindeutigen Abstand und dem zwischengespeicherten Nährungswert berechnet.In one embodiment of the method according to the invention, an ambiguous distance is calculated as a function of the ambiguous phase of the measured reflected signal and the wavelength of the radiated signal at the selected reflection point. In one embodiment of the method according to the invention, a clear distance is calculated from the ambiguous distance and the cached nutritional value.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Fokussierabstand als Parameter der Punkt-Zielantwort des Filters derart eingestellt, dass die Phase des gefilterten Signals zumindest in einem bestimmten Bereich, bereichsweise annähernd konstant verläuft.In one embodiment of the method according to the invention, the focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response of the filter in such a way that the phase of the filtered signal is at least approximately constant in a certain area, in regions.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Fokussierabstand als Parameter der Punkt- Zielantwort des Filters derart eingestellt, dass die Signalamplitude des gefilterten Signals maximal ist.In a further embodiment of the method according to the invention, the focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response of the filter such that the signal amplitude of the filtered signal is maximum.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Fokussierabstand als Parameter der Punkt- Zielantwort des Filters derart eingestellt, dass eine 3- Dezibel-Breite des gefilterten Signals minimal ist und ideal- erweise einer Autokorrelationsfunktion der Punkt-Zielantwort des Filters entspricht.In a further embodiment of the inventive method, the focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response of the filter such that a 3 decibel width of the filtered signal is minimal and ideally corresponds to an autocorrelation function of the point-to-target response of the filter.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bewegt sich das Reflektionsobjekt mit einer konstanten Ge- schwindigkeit an der Antenne vorbei.In one embodiment of the method according to the invention, the reflection object moves past the antenna at a constant speed.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Reflektionsobj ekt an einem rotierenden Gegenstand angebracht, der sich innerhalb eines Gehäuses dreht, an dem die Antenne ortsfest angebracht ist.In one embodiment of the method according to the invention the Reflektionsobj ect is attached to a rotating object which rotates within a housing to which the antenna is fixedly mounted.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Reflektionsobjekt durch eine Schaufel einer Turbine oder eines Triebwerkes oder durch einen Rotor eines Genera- tors oder Elektromotors gebildet.In one embodiment of the method according to the invention, the reflection object is formed by a blade of a turbine or an engine or by a rotor of a generator or electric motor.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das von der Antenne abgestrahlte Signal durch ein sinus- förmiges Signal gebildet, dessen Wellenlänge einer örtlichen Ausdehnung einer auf der Oberfläche des Reflektionsobjektes vorhandenen Reflektionsstruktur entspricht.In one embodiment of the method according to the invention, the signal radiated by the antenna is represented by a sinusoidal signal. formed signal whose wavelength corresponds to a local extent of a present on the surface of the reflection object reflection structure.
Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt mit:The invention further provides a device for determining a distance to a reflection object with:
(a) einer Sende- und Empfangseinheit, die ein Signal mit einer bestimmten Wellenlänge auf das Reflektionsobjekt ab- strahlt und ein von dem Reflektionsobjekt reflektiertes Signal erfasst; und mit(A) a transmitting and receiving unit which emits a signal having a specific wavelength on the reflection object and detects a signal reflected by the reflection object; and with
(b) einem angepassten Filter mit zugehöriger Punktzielantwort zum Filtern des erfassten Signals, wobei zur Maximierung einer örtlichen Auflösung des erfassten Signals ein Fokussierabstand als Parameter der Punktzielantwort einstellbar ist, und der eingestellte Fokussierabstand den zu ermittelnden Abstand bildet.(b) a matched filter with associated dot-target response for filtering the detected signal, wherein to maximize a local resolution of the detected signal, a focus distance as a parameter of the dot-target response is adjustable, and the adjusted focus distance forms the distance to be detected.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Sende- und Empfangseinheit eine Antenne auf, die ein sinusförmiges Signal mit einer einstellbaren Wellenlänge auf das Reflektionsobjekt abstrahlt.In one embodiment of the device according to the invention, the transmitting and receiving unit has an antenna which emits a sinusoidal signal with an adjustable wavelength to the reflection object.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßenIn a possible embodiment of the invention
Vorrichtung ist die Antenne eine Aperturantenne, die ein mo- nofrequentes Radarsignal mit einer Wellenlänge im Millimeterbereich auf das Reflektionsobjekt abstrahlt.Device is the antenna an aperture antenna, which radiates a monofrequent radar signal with a wavelength in the millimeter range on the reflection object.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei die Aperturantenne in einem Gehäuse angebracht und das Signal wird durch einen Hohlleiter geführt auf das Re- flektionsobjekt abgestrahlt.In one embodiment of the device according to the invention, the aperture antenna is mounted in a housing and the signal is guided by a waveguide to the reflection object.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Reflektionsobjekt ein rotierendes Bauelement, das sich in dem Gehäuse dreht. Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Wellenlänge des abgestrahlten Signals entsprechend der Ausdehnung einer auf der Oberfläche des Reflektionsobjek- tes vorhandenen Reflektionsstruktur eingestellt.In one embodiment of the device according to the invention, the reflection object is a rotating component which rotates in the housing. In one embodiment of the device according to the invention, the wavelength of the emitted signal is set in accordance with the extent of a reflection structure present on the surface of the reflection object.
Die Erfindung schafft ferner eine Turbine mit einer Vorrichtung zur Ermittlung eines Abstandes zu einem Reflektionsob- jekt, das durch eine Turbinenschaufel gebildet wird, mit: einer Sende- und Empfangseinheit, die ein Signal mit einer bestimmten Wellenlänge auf das Reflektionsobjekt (3) abstrahlt und ein von dem Reflektionsobjekt reflektiertes Signal erfasst; und mit einem angepassten Filter mit zugehöriger Punktzielantwort zum Filtern des erfassten Signals, wobei zur Maximierung einer örtlichen Auflösung des erfassten Signals ein Fokussierabstand als Parameter der Punktzielantwort einstellbar ist, und der eingestellte Fokussierabstand den zu ermittelnden Abstand bildet.The invention further provides a turbine with a device for determining a distance to a reflection object, which is formed by a turbine blade, comprising: a transmitting and receiving unit which radiates a signal with a specific wavelength onto the reflection object (3) and a detects reflected signal from the reflection object; and with a matched filter with associated dot-target response for filtering the detected signal, wherein to maximize a local resolution of the detected signal, a focus distance as a parameter of the dot-target response is adjustable, and the adjusted focus distance forms the distance to be detected.
Die Erfindung schafft ferner einen Elektromotor mit einerThe invention further provides an electric motor with a
Vorrichtung zur Ermittlung eines Abstandes zu einem Reflekti- onsobjekt, das ein Bauteil eines Rotors bildet, mit: einer Sende- und Empfangseinheit, die ein Signal mit einer bestimmten Wellenlänge auf das Reflektionsobjekt abstrahlt und ein von dem Reflektionsobjekt reflektiertes Signal erfasst; und mit einem angepassten Filter mit zugehöriger Punktzielantwort zum Filtern des erfassten Signals, wobei zur Maximierung einer örtlichen Auflösung des erfassten Signals ein Fokussierabstand als Parameter der Punktzielantwort einstellbar ist, und der eingestellte Fokussierabstand den zu ermittelnden Abstand bildet.Apparatus for determining a distance to a reflection object that forms a component of a rotor, comprising: a transmitting and receiving unit that radiates a signal having a specific wavelength onto the reflection object and detects a signal reflected by the reflection object; and with a matched filter with associated dot-target response for filtering the detected signal, wherein to maximize a local resolution of the detected signal, a focus distance as a parameter of the dot-target response is adjustable, and the adjusted focus distance forms the distance to be detected.
Die Erfindung schafft ferner einen Elektrogenerator mit einer Vorrichtung zur Ermittlung eines Abstandes zu einem Reflekti- onsobjekt, das durch ein Bauteil eines Rotors bebildet wird, mit : einer Sende- und Empfangseinheit, die ein Signal mit einer bestimmten Wellenlänge auf das Reflektionsobjekt abstrahlt und ein von dem Reflektionsobjekt reflektiertes Signal er- fasst; und mit einem angepassten Filter mit zugehöriger Punktzielantwort zum Filtern des erfassten Signals, wobei zur Maximierung einer örtlichen Auflösung des erfassten Signals ein Fokussierabstand als Parameter der Punktzielantwort einstellbar ist, und der eingestellte Fokussierabstand den zu ermittelnden Abstand bildet.The invention further provides an electric generator with a device for determining a distance to a Reflekti- onsobjekt, which is formed by a component of a rotor, with: a transmitting and receiving unit which radiates a signal having a specific wavelength onto the reflection object and detects a signal reflected by the reflection object; and with a matched filter with associated point target response for filtering the detected signal, wherein to maximize a local resolution of the detected signal, a focusing distance is adjustable as a parameter of the point target response, and the adjusted focusing distance forms the distance to be detected.
Die Erfindung schafft ferner ein Triebwerk mit einer Vorrichtung zur Ermittlung eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt, das durch eine Triebwerkschaufel gebildet wird, mit: einer Sende- und Empfangseinheit, die ein Signal mit einer bestimmten Wellenlänge auf das Reflektionsobjekt abstrahlt und ein von dem Reflektionsobjekt reflektiertes Signal er- fasst; und mit einem angepassten Filter mit zugehöriger Punktzielantwort zum Filtern des erfassten Signals, wobei zur Maximierung einer örtlichen Auflösung des erfassten Signals ein Fokussierabstand als Parameter der Punktzielantwort einstellbar ist, und der eingestellte Fokussierabstand den zu ermittelnden Abstand bildet.The invention further provides an engine with a device for determining a distance to a reflection object, which is formed by an engine blade, comprising: a transmitting and receiving unit which radiates a signal having a specific wavelength to the reflection object and a signal reflected by the reflection object detected; and with a matched filter with associated dot-target response for filtering the detected signal, wherein to maximize a local resolution of the detected signal, a focus distance as a parameter of the dot-target response is adjustable, and the adjusted focus distance forms the distance to be detected.
Die Erfindung schafft ferner ein Computerprogramm mit Programmbefehlen zur Durchführung eines Verfahrens zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt mit den Schritten:The invention further provides a computer program with program instructions for carrying out a method for determining a distance to a reflection object comprising the steps:
(a) Abstrahlen eines Signals durch eine Antenne mit einer be- stimmten Wellenlänge auf das Reflektionsobjekt ;(A) emitting a signal through an antenna with a specific wavelength on the reflection object;
(b) Messen der Amplitude und Phase eines von dem Reflektion- sobjekt reflektierten Signals während einer Rotation des Re- flektionsobjekts; und(b) measuring the amplitude and phase of a signal reflected by the reflection object during rotation of the reflection object; and
(c) Filtern des gemessenen Signals durch ein angepasstes FiI- ter mit zugehöriger Punktzielantwort, wobei zur Maximierung einer örtlichen Auflösung des gemessenen Signals ein Fokussierabstand als Parameter der Punktziel- antwort eingestellt wird und den zu ermittelnden Abstand bildet.(c) filtering the measured signal by an adapted filter with associated dot-target response, wherein to maximize a local resolution of the measured signal, a focusing distance as a parameter of the dot-target answer is set and forms the distance to be determined.
Die Erfindung schafft ferner einen Datenträger, der ein derartiges Computerprogramm speichert.The invention further provides a data carrier which stores such a computer program.
Im Weiteren werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.In the following, embodiments of the method according to the invention and of the device according to the invention for determining a distance to a reflection object will be described with reference to the attached figures.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 ein Diagramm zur Darstellung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung eines Abstandes zu einem Re- flektionsobjekt ;FIG. 1 shows a diagram for illustrating a possible embodiment of the device according to the invention for determining a distance to a reflection object;
Figur 2 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt ;FIG. 2 shows a flow chart for illustrating a possible embodiment of the method according to the invention for determining a distance to a reflection object;
Figur 3 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;Figure 3 is a diagram for explaining the method according to the invention;
Figuren 4A, 4B Diagramme zur Darstellung einer Signalrekonstruktion bei einem Punktreflektor, wie es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird;FIGS. 4A, 4B are diagrams for illustrating a signal reconstruction in a point reflector, as used in the method according to the invention;
Figur 5 ein Diagramm zur Darstellung eines Phasenverlaufs von Rekonstruktionsergebnissen einer Re- flektion von einem Punktreflektor, wie es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird;FIG. 5 shows a diagram for illustrating a phase profile of reconstruction results of a reflection from a point reflector, as used in the method according to the invention;
Figuren 6A, 6B, 6C Diagramme zur Erläuterung einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; Figur 7 ein Diagramm zur Darstellung einer möglichenFigures 6A, 6B, 6C are diagrams for explaining a possible embodiment of the method according to the invention; Figure 7 is a diagram illustrating a possible
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;Embodiment of the device according to the invention;
Figur 8 ein Diagramm zur Darstellung einer möglichenFigure 8 is a diagram illustrating a possible
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;Embodiment of the device according to the invention;
Figur 1 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Ermittlung eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt 2. Dieses Reflektionsobjekt 2 ist beispielsweise ein rotierender Gegenstand, der mehrere Bauteile aufweisen kann. Bei dem in Fi- gur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der rotierende Gegenstand eine Turbine mit mehreren Turbinenschaufeln 3. Diese Turbinenschaufeln 3 drehen sich mit einer bestimmten Drehgeschwindigkeit innerhalb eines Gehäuses 4, wie in Figur 1 dargestellt.Figure 1 shows a diagram illustrating a possible embodiment of the device 1 according to the invention for determining a distance to a reflection object 2. This reflection object 2 is, for example, a rotating object, which may have a plurality of components. In the embodiment shown in FIG. 1, the rotating object is a turbine having a plurality of turbine blades 3. These turbine blades 3 rotate at a certain rotational speed within a housing 4, as shown in FIG.
Die Turbinenschaufeln 3 weisen eine Schaufelkante 5 auf, die einer inneren Gehäusewandung 6 zugewandt ist. Die Schaufelkante 5 kann eine Kantenstruktur aufweisen, das heißt die Oberfläche der Kante 5 ist in der Regel nicht glatt. Die Kan- tenstruktur kann entweder produktionsbedingt unregelmäßig sein oder bewusst eine bestimmte Struktur aufweisen. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Turbinenschaufel 3 an ihrer Forderseite eine Dichtungslippe 7 auf, die nach oben ragt und einen minimalen Abstand d zu der In- nenwandung 6 des Gehäuses 4 bestimmt.The turbine blades 3 have a blade edge 5, which faces an inner housing wall 6. The blade edge 5 may have an edge structure, that is, the surface of the edge 5 is usually not smooth. The edge structure can either be irregular in terms of production or deliberately have a certain structure. In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 1, the turbine blade 3 has on its front side a sealing lip 7 which projects upwards and determines a minimum distance d from the inner wall 6 of the housing 4.
Wie in Figur 1 dargestellt, bewegt sich die Oberflächenstruktur 5 der Turbinenschaufel 3 einschließlich der Dichtungslippe 7 an einer in dem Gehäuse 4 vorgesehenen Öffnung vorbei, in der eine Sende- und Empfangseinheit 9 vorgesehen ist. Die Sende- und Empfangseinheit 9 strahlt ein Signal mit einer bestimmten Wellenlänge λ an das sich vorbeibewegende Reflekti- onsobjekt 3 ab. Das Reflektionsobjekt 3 wird in dem darge- stellten Beispielfall durch eine Turbinenschaufel 3 einer Turbine gebildet. An der Oberkante 5 der Turbinenschaufel 3 wird das ausgestrahlte Signal reflektiert, wobei ein Teil des reflektierten Signals von der Sende-Empfangseinheit 9 empfan- gen wird. Die Sende-Empfangseinheit 9 erfasst das reflektierte Signal und gibt dieses an eine Auswerteeinheit 10 ab. Das erfasste Messsignal kann drahtgebunden oder drahtlos an die Auswerteeinheit 10 abgegeben werden.As shown in FIG. 1, the surface structure 5 of the turbine blade 3, including the sealing lip 7, moves past an opening provided in the housing 4, in which a transmitting and receiving unit 9 is provided. The transmitting and receiving unit 9 emits a signal with a specific wavelength λ to the object 3 passing by. The reflection object 3 is shown in FIG. Example case formed by a turbine blade 3 of a turbine. At the upper edge 5 of the turbine blade 3, the emitted signal is reflected, whereby a part of the reflected signal is received by the transceiver unit 9. The transceiver unit 9 detects the reflected signal and outputs it to an evaluation unit 10. The detected measurement signal can be delivered to the evaluation unit 10 by wire or wireless.
Die Auswerteeinheit 10 weist ein digitales Filter 11 mit zugehöriger Punkt-Zielantwort zum Filtern des erfassten Signals auf. Die Punktzielantwort bildet eine Übertragungsfunktion bzw. Stoßantwort des Filters. Bei dem Filter 11 handelt es sich um ein angepasstes bzw. ein Matched Filter (MF) . Zur Ma- ximierung einer örtlichen Auflösung des erfassten Signals wird ein Fokussierabstand als Parameter der Punkt-Zielantwort bzw. des Filters eingestellt, wobei der eingestellte Fokussierabstand den zu ermittelnden Abstand d bildet. Der ermittelte Abstand d wird durch die Auswerteeinheit 10 an eine Ausgabeeinheit 12 abgegeben. Die Ausgabeeinheit 12 weist beispielsweise eine Nutzerschnittstelle auf.The evaluation unit 10 has a digital filter 11 with associated point-to-target response for filtering the detected signal. The dot target response forms a transfer function or impulse response of the filter. The filter 11 is a matched or matched filter (MF). In order to maximize a local resolution of the detected signal, a focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response or of the filter, the set focusing distance forming the distance d to be determined. The determined distance d is output by the evaluation unit 10 to an output unit 12. The output unit 12 has, for example, a user interface.
Bei einer möglichen Ausführungsform weist die Sende- und Empfangseinheit 9 eine oder mehrere Antennen auf, die ein sinus- förmiges Signal mit einer einstellbaren Wellenlänge λ auf das Reflektionsobj ekt 3 abstrahlt. Dabei kann eine Apperturanten- ne eingesetzt werden, die bei einer möglichen Ausführungsform ein monofrequentes Radarsignal mit einer Wellenlänge im Millimeterbereich auf das Reflektionsobjekt 3 bzw. die Turbinen- schaufei 3 abstrahlt. Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform wird die Aperturantenne zusammen mit der Sende- und Empfangseinheit 9 in dem Gehäuse 4 angebracht, wobei das abgestrahlte Signal durch die Öffnung 8 mit rechteckigem oder rundem Querschnitt als Hohlleiter auf das Reflektionsobjekt 3 trifft. Dort wird das Signal zurückgeworfen und gelangt durch den Hohlleiter 8 zu der Sende-Empfangseinheit 9 zurück. Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Darstellung einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt 3.In one possible embodiment, the transmitting and receiving unit 9 has one or more antennas which emits a sinusoidal signal having an adjustable wavelength λ onto the reflection objective 3. In this case, it is possible to use an aperture antenna which, in one possible embodiment, emits a monofrequency radar signal having a wavelength in the millimeter range onto the reflection object 3 or the turbine blade 3. In the embodiment shown in Figure 1, the aperture antenna is mounted together with the transmitting and receiving unit 9 in the housing 4, wherein the radiated signal impinges through the opening 8 with a rectangular or round cross-section as a waveguide on the reflection object 3. There, the signal is reflected back and passes through the waveguide 8 to the transceiver unit 9 back. FIG. 2 shows a flowchart for illustrating a possible embodiment of the method according to the invention for determining a distance to a reflection object 3.
In einem Schritt Sl wird ein Signal durch eine Antenne, beispielsweise eine Aperturantenne mit einer bestimmten Wellenlänge λ auf das Reflektionsobjekt 3 abgestrahlt. Die Antenne der Sende- und Empfangseinheit 9 weist einen geringen Richtfaktor und eine vorgegebene Ausstrahlcharakteristik auf. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ausgenutzt, dass sich die Turbinenschaufeln 3 einer Turbine als Reflektionsobjekte in einer vorgegebenen Bahn bewegen, so dass die Antenne der Sende-Empfangseinheit 9 fest positioniert werden kann, wobei die Sende- und Empfangseinheit 9 vorzugsweise an dem Gehäuse 4 fest angebracht ist.In a step Sl, a signal is radiated by an antenna, for example an aperture antenna having a specific wavelength λ onto the reflection object 3. The antenna of the transmitting and receiving unit 9 has a low directivity and a predetermined emission characteristic. In the method according to the invention, use is made of the fact that the turbine blades 3 of a turbine move as reflection objects in a predetermined path, so that the antenna of the transceiver unit 9 can be firmly positioned, wherein the transceiver unit 9 is preferably fixedly attached to the housing 4 is.
In einem weiteren Schritt S2 werden die Amplitude und die Phase eines von dem Reflektionsobjekt 3 reflektierten Signals gemessen. Die Messung eines Reflektionsfaktors nach Betrag und Phase erfolgt so lange, wie sich das Reflektionsobjekt bzw. die Turbinenschaufel 3 innerhalb der Ausstrahlkeule der Antenne der Sende- und Empfangseinheit 9 befindet.In a further step S2, the amplitude and the phase of a signal reflected by the reflection object 3 are measured. The measurement of a reflection factor by amount and phase takes place as long as the reflection object or the turbine blade 3 is located within the emission lobe of the antenna of the transmitting and receiving unit 9.
In einem weiteren Schritt S3 wird das gemessene Signal durch das angepasste Filter 11 der Auswerteeinheit 10, welches eine zugehörige Punkt-Zielantwort aufweist, gefiltert, wobei zur Maximierung einer örtlichen Auflösung des gemessenen Signals ein Fokussierabstand als Parameter der Punkt-Zielantwort eingestellt wird und den zu ermittelnden Abstand bildet. Die Messdaten werden in einer Signalrekonstruktion durch ein SAR- Verfahren (Synthetic Aperture Radar) unterzogen, wodurch eine Fokussierung entsteht. Das SAR-Verfahren besteht dabei aus einer angepassten Filterung (Matched Filter) , wobei ein Fokussierabstand als Parameter der Punkt-Zielantwort anhand der Bewegungsbahn des Reflektionsobjekts 3 ermittelt wird. Das dabei zugrunde liegende Modell kann als analytischer Ausdruck, zum Beispiel für die Phase einer hyperbolischen Funktion bei konstanter Amplitude oder als Datensatz, der bei ei- ner numerischen Feldsimulation erzeugt wird, vorliegen. Da ein Modell des hyperbolischen Phasenverlaufs insbesondere im Nahbereich der Antenne unzureichend sein kann, wird vorzugsweise ein Datensatz zugrunde gelegt, der durch eine genaue Nahfeldsimulation erzeugt wird. Das Filter kann für jeden Fo- kussierabstand bestimmt werden, wobei der Fokussierabstand als Parameter der Punkt-Zielantwort derart eingestellt wird, dass die örtliche Auflösung maximal ist. Eine optimale Filterung bzw. Signalrekonstruktion wird dann erreicht, wenn der Fokussierabstand dem tatsächlichen Messabstand der Schaufelkante 5 entspricht. Es kann dabei ausgenutzt werden, dass das angepasste Filter bzw. Matched Filter 11 für jeden beliebigen Fokussierabstand innerhalb des Messbereichs vorliegt bzw. eingestellt werden kann. Es kann dabei eine Reflektionsfak- tormessung mit einem unbekannten Messabstand mit allen diesen bekannten Matched Filtern 11 rekonstruiert und aus den Ergebnissen eine optimale Rekonstruktion selektiert werden. In diesem Falle bildet der zugehörige Fokussierabstand den zu ermittelnden Messabstand d. Bei einer möglichen Ausführungs- form wird die Genauigkeit dieser Abstandsschätzung erhöht indem man das Filterergebnis für eine genauere phasenbasierte Abstandsmessung verwendet. Hierbei wird die Phase des von den Dichtungslippen 7 der Turbinenschaufel 3 reflektierten Signalanteils auf Basis der bekannten Frequenz f bzw. Wellenlän- ge λ in einen Abstand umgerechnet, der zunächst aufgrund einer noch bestehenden Phasenmehrdeutigkeit zwischen oi liegt. Da bereits eine eindeutige Abstandsschätzung vor-In a further step S3, the measured signal is filtered by the matched filter 11 of the evaluation unit 10, which has an associated point-to-target response, to maximize a spatial resolution of the measured signal, a focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response and the determining the determining distance. The measurement data are subjected to signal reconstruction by a synthetic aperture radar (SAR) technique, which results in focusing. The SAR method consists of an adapted filtering (matched filter), wherein a focusing distance is determined as a parameter of the point-target response on the basis of the movement path of the reflection object 3. The underlying model can be used as an analytical expression, for example, for the phase of a hyperbolic function at constant amplitude or as a data set, which is ner numeric field simulation is generated present. Since a model of the hyperbolic phase curve can be insufficient, in particular in the vicinity of the antenna, it is preferable to use a data record which is generated by an accurate near-field simulation. The filter can be determined for each focusing distance, the focusing distance being set as a parameter of the point-to-target response in such a way that the local resolution is maximal. Optimal filtering or signal reconstruction is achieved when the focusing distance corresponds to the actual measuring distance of the blade edge 5. It can thereby be utilized that the matched filter or matched filter 11 can be present or set for any desired focusing distance within the measuring range. A reflection factor measurement with an unknown measurement distance can be reconstructed with all these known matched filters 11, and an optimal reconstruction can be selected from the results. In this case, the associated focusing distance forms the measuring distance d to be determined. In one possible embodiment, the accuracy of this distance estimate is increased by using the filter result for a more accurate phase-based distance measurement. In this case, the phase of the signal component reflected by the sealing lips 7 of the turbine blade 3 is converted on the basis of the known frequency f or wavelength λ into a distance which initially lies between oi due to a still existing phase ambiguity. Since a clear distance estimate already exists
2_ liegt, wird der ermittelte Messwert so lange um Vielfache der halben Wellenlänge λ erhöht, bis der Unterschied beider Er- gebnisse minimal ist. Hierdurch wird die phasenbasierte Abstandsmessung eindeutig im gesamten Messbereich.2_, the measured value determined is increased by multiples of half the wavelength λ until the difference between the two results is minimal. As a result, the phase-based distance measurement becomes clear throughout the entire measuring range.
Um im Schritt S3 das angepasste Filter bzw. Matched Filter 11 zur Maximierung einer örtlichen Auflösung des gemessenen Sig- nals optimal einzustellen, wird ein Entscheidungskriterium eingesetzt . Bei einer möglichen Ausführungsform wird ein Reflektionspunkt RP aus dem an dem Reflektionsobjekt 3 reflektierten Signal selektiert. Dieser selektierte Reflektionspunkt RP bildet ein lokales oder globales Maximum des Signalamplitudenverlaufs des reflektierten Signals, wobei seine Signalamplitude oberhalb eines einstellbaren Schwellenwertes SW liegt. Ein optimales Filterergebnis zeichnet sich beispielsweise durch eine hohe Signalamplitude und einen hohen Gradienten an dem selektierten Reflektionspunkt RP aus. Zur Ermittlung des Fokus- sierabstandes wird beispielsweise die Reflektion von einer Dichtungslippe 7, welche einen Punktreflektor RP darstellt, isoliert von dem restlichen Signalanteil ausgewertet.In order to optimally set the matched filter or matched filter 11 in step S3 in order to maximize a local resolution of the measured signal, a decision criterion is used. In one possible embodiment, a reflection point RP is selected from the signal reflected at the reflection object 3. This selected reflection point RP forms a local or global maximum of the signal amplitude curve of the reflected signal, its signal amplitude being above an adjustable threshold value SW. An optimum filter result is distinguished, for example, by a high signal amplitude and a high gradient at the selected reflection point RP. To determine the focusing distance, for example, the reflection from a sealing lip 7, which represents a point reflector RP, is evaluated in isolation from the remaining signal component.
Bei einer möglichen Ausführungsform wird ein uneindeutiger Abstand in Abhängigkeit von der mehrdeutigen Phase φ des gemessenen reflektierten Signals sowie der Wellenlänge λ des abgestrahlten Signals an dem selektierten Reflektionspunkt RP berechnet. Anschließend wird ein eindeutiger Abstand aus dem uneindeutigen Abstand und dem zwischengespeicherten Nährungs- wert berechnet. Der Nährungswert ergibt sich dabei durch Filterung des gemessenen Signals durch ein angepasstes digitales Matched Filter 11 mit der zugehörigen Punkt-Zielantwort, wobei zur Maximierung einer örtlichen Auflösung des gemessenen Signals ein Fokussierabstand als Parameter der Punkt- Zielantwort eingestellt wird.In one possible embodiment, an ambiguous distance is calculated as a function of the ambiguous phase φ of the measured reflected signal and the wavelength λ of the radiated signal at the selected reflection point RP. Subsequently, a clear distance is calculated from the ambiguous distance and the cached nutritional value. The approximate value is obtained by filtering the measured signal through an adapted digital matched filter 11 with the associated point-to-target response, wherein a focusing distance is set as a parameter of the point-target response to maximize a local resolution of the measured signal.
Die Einstellung des Fokussierabstandes als Parameter der Punkt-Zielantwort erfolgt gemäß verschiedener Kriterien.The setting of the focusing distance as a parameter of the point-to-target response is carried out according to various criteria.
Bei einer möglichen Ausführungsform wird der Fokussierabstand als Parameter der Punkt-Zielantwort des digitalen Matched Filters 11 derart eingestellt, dass die Phase φ des gefilterten Signals annähernd konstant verläuft.In one possible embodiment, the focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response of the digital matched filter 11 such that the phase φ of the filtered signal is approximately constant.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Fokussierabstand als Parameter der Punkt- Zielantwort des digitalen Matched Filters 11 derart einge- stellt, dass die Signalamplitude des gefilterten Signals maximal ist.In a further embodiment of the method according to the invention, the focusing distance is used as parameter of the point-to-target response of the digital matched filter 11 in such a way. represents that the signal amplitude of the filtered signal is maximum.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver- fahrens wird der Fokussierabstand als Parameter der Punkt- Zielantwort des digitalen Matched Filters 11 derart eingestellt, dass eine 3-Dezibelbreite des gefilterten Signals minimal ist und idealerweise der einer Autokorrelationsfuktion der Punkt-Zielantwort des Filters 11 entspricht.In a further embodiment of the method according to the invention, the focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response of the digital matched filter 11 such that a 3-decibel width of the filtered signal is minimal and ideally corresponds to an autocorrelation function of the point-to-target response of the filter 11.
Die verschiedenen Kriterien können alternativ oder kumulativ herangezogen werden.The different criteria can be used alternatively or cumulatively.
Figur 3 zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung des erfindungs- gemäßen Verfahrens zur Ermittlung eines Abstandes d zu einem Reflektionsobj ekt 3. Die Antenne einer Sende- und Empfangseinheit 9 sendet ein Signal mit einer bestimmten Wellenlänge λ aus, wobei in Figur 3 Linien dargestellt sind, die die gleichen Phasen des ausgestrahlten Signals andeuten. Ein punktförmiges Reflektionsziel bzw. ein Reflektionspunkt RP bewegt sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in x- Richtung, wie in Figur 3 dargestellt. Bei dem Reflektionspunkt RP kann es sich beispielsweise um einen Punktreflektor einer Turbinenschaufel handeln. Diese Turbinenschaufel 3 durchläuft eine Antennenkeule einer Antenne, wobei es zu einer Reflektion bzw. Rückstreuung kommt. Das rückgestreute bzw. reflektierte Signal wird nach Amplitude A und Phase φ erfasst und gemessen. Das gemessene Signal wird durch das an- gepasste Filter 11 mit zugehöriger Punkt-Zielantwort gefil- tert, wobei zur Maximierung einer örtlichen Auflösung des gemessenen Signals ein Fokussierabstand als Parameter der Punkt-Zielantwort eingestellt wird und den zu ermittelnden Abstand bildet. Wenn RP ein modellhaftes Punktziel ist, dann ist das reflektierte Signal über x mit dem Abstand als Para- meter die Punktziel-Antwort (vergleichbar mit der Stoßantwort in der Nachrichtentechnik) . Dieses Signal wird für die ange- passte Filterung einer Schaufelreflexion verwendet. Figuren 4A, 4B verdeutlichen eine Signalrekonstruktion wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird. Figur 4A zeigt einen Amplitudenverlauf eines reflektierten Signals in Bewegungsrichtung x des in Figur 3 dargestellten Re- flektionspunktes . Das gemessene reflektierte Signal wird anschließend gefiltert. Figur 4B zeigt ein gefiltertes Signal, wobei ein Fokussierabstand als Parameter der Punkt- Zielantwort des Matched Filters 11 derart eingestellt ist, dass die örtliche Auflösung maximal ist. Wie man aus Figur 4B erkennen kann, weist das gefilterte Signal einen schmalen Impuls mit einer hohen Amplitude A auf.FIG. 3 shows a diagram to clarify the method according to the invention for determining a distance d from a reflection object 3. The antenna of a transmitting and receiving unit 9 transmits a signal with a specific wavelength λ, wherein in FIG. 3 lines are shown indicate the same phases of the emitted signal. A point-shaped reflection target or a reflection point RP moves at a certain speed in the x-direction, as shown in FIG. The reflection point RP may, for example, be a point reflector of a turbine blade. This turbine blade 3 passes through an antenna lobe of an antenna, which leads to a reflection or backscatter. The backscattered or reflected signal is detected and measured according to amplitude A and phase φ. The measured signal is filtered by the matched filter 11 with associated point-to-target response, to maximize a local resolution of the measured signal, a focusing distance is set as a parameter of the point-to-target response and forms the distance to be determined. If RP is a model point target, then the reflected signal over x with the distance as parameter is the point target response (comparable to the impulse response in communications engineering). This signal is used for the adapted filtering of a blade reflection. Figures 4A, 4B illustrate a signal reconstruction as used in the inventive method. FIG. 4A shows an amplitude profile of a reflected signal in the direction of movement x of the reflection point shown in FIG. The measured reflected signal is then filtered. FIG. 4B shows a filtered signal, wherein a focusing distance as parameter of the point-to-target response of the matched filter 11 is set such that the local resolution is maximal. As can be seen in Figure 4B, the filtered signal has a narrow pulse of high amplitude A.
Figur 5 zeigt ein weiteres Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Phasenverlauf φ (x) für einen Reflektionspunkt RP wird für Positionen x des Reflekti- onspunktes RP in Bewegungsrichtung dargestellt. Verschiedene Phasenverläufe für verschiedene Punkt-Zielantworten des Matched Filters 11 sind dargestellt.FIG. 5 shows a further diagram for explaining the method according to the invention. The phase curve φ (x) for a reflection point RP is represented for positions x of the reflection point RP in the direction of movement. Different phase traces for different point-to-target responses of the matched filter 11 are shown.
Figuren 6A, 6B, 6C verdeutlichen die Vorgehensweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes d zu einem Reflektionsobjekt 3.Figures 6A, 6B, 6C illustrate the procedure in the inventive method for determining a distance d to a reflection object. 3
Figur 6A zeigt schematisch eine Turbinenschaufel 3 mit einer Dichtungslippe 7, wobei die Turbinenschaufel 3 und die Dichtungslippe 7 das Reflektionsobjekt 3 bilden.FIG. 6A schematically shows a turbine blade 3 with a sealing lip 7, the turbine blade 3 and the sealing lip 7 forming the reflection object 3.
Figur 6B zeigt den Signalamplitudenverlauf AMF (X) des reflektierten und durch das Matched Filter 11 gefilterten Signals. Aus dem reflektierten Signal wird mindestens ein Reflekti- onspunkt RP selektiert. Wie in Figur 6B dargestellt, ist der selektierte Reflektionspunkt RP ein lokales Maximum des Signalamplitudenverlaufs AMF (x) des reflektierten Signals mit einer Signalamplitude, die oberhalb eines einstellbaren Schwellenwertes SW liegt.FIG. 6B shows the signal amplitude curve A MF (X) of the reflected signal filtered by the matched filter 11. From the reflected signal, at least one reference point RP is selected. As shown in FIG. 6B, the selected reflection point RP is a local maximum of the signal amplitude curve A MF (x) of the reflected signal with a signal amplitude which lies above an adjustable threshold value SW.
Für den selektierten Reflektionspunkt wird anschließend die Phase φ des Reflektionspunktes RP bzw. der Dichtungslippe 7 bestimmt. Die Sende-Empfangseinheit 9 erhält ein Reflektions- signal r(t) welches sich aus einem Realteil und einem Imaginärteil zusammensetzt:
Figure imgf000019_0001
For the selected reflection point then the phase φ of the reflection point RP and the sealing lip 7th certainly. The transceiver unit 9 receives a reflection signal r (t) which is composed of a real part and an imaginary part:
Figure imgf000019_0001
Das reflektierte Signal wird anschließend gefiltert, wobei das Reflektionssignal mit (dem aus der Punkt-Zielantwort ermittelten) dem Matched Filter 11 gefaltet wird:
Figure imgf000019_0002
The reflected signal is then filtered, with the reflection signal being convolved with the matched filter 11 (as determined from the point-to-target response):
Figure imgf000019_0002
Hierbei wird der Parameter dFoκ in einem vorgegebenen Wertebereich variiert. Anschließend wird aus den Filterergebnissen das gefilterte Reflektionssignal derart selektiert, dass die Phase φ konstant ist.In this case, the parameter d F oκ is varied in a predetermined value range. Subsequently, the filtered reflection signal is selected from the filter results in such a way that the phase φ is constant.
Daraus ergibt sich ein Nährungswert bzw. Schätzwert dSChatz für den zu ermittelnden Abstand d:This results in a nutritional value or estimated value d SC h at z for the distance d to be determined:
Selektiere rMF{t,dFOK) derart , dass φMF{x) = konst, dann gilt :Select r MF {t, d FOK ) such that φ MF {x) = const, then:
"■schätz = "FOK" ■ estimate = " FOK
In einem weiteren Schritt, wie in Figur 6B angedeutet, wird ein Reflektionspunkt RP aus dem von dem Reflektionsobjekt 3 reflektierten Signal selektiert, der ein lokales oder globales Maximum des Signalamplitudenverlaufs des reflektierten Signals bildet und eine Signalamplitude aufweist, die oberhalb eines einstellbaren Schwellenwertes SW liegt.In a further step, as indicated in FIG. 6B, a reflection point RP is selected from the signal reflected by the reflection object 3, which forms a local or global maximum of the signal amplitude curve of the reflected signal and has a signal amplitude which lies above an adjustable threshold value SW.
Selektiere rMF{t,dFOK) = RP , wobei ARP=AMAX)SW .Select r MF {t, d FOK ) = RP, where A RP = A MAX ) SW.
Für diesen selektierten Reflektionspunkt RP wird die Phase ΦEDGE ermittelt, wie in Figur 6C dargestellt.For this selected reflection point RP, the phase Φ EDGE is determined, as shown in Figure 6C.
Aus der ermittelten Phase ΦEDGE des selektierten Reflekti- onspunktes RP, beispielsweise der in der in Figur 6A darge- stellten Dichtungslippe 7, lässt sich zunächst ein uneindeutiger bzw. mehrdeutiger Abstand in Abhängigkeit von der mehrdeutigen Phase des gemessenen reflektierten Signals RP sowie der Wellenlänge λ des abgestrahlten Signals an dem selektier- ten Reflektionspunkt berechnen:From the determined phase Φ EDGE of the selected reflection point RP, for example the one shown in FIG. 6A. If the sealing lip 7 is set, an ambiguous or ambiguous distance can first be calculated as a function of the ambiguous phase of the measured reflected signal RP and the wavelength λ of the emitted signal at the selected reflection point:
λ_ dmess = ΨEDGE ■λ + k ■— wobei λ die Wellenlänge des abgestrahlten Aπ 22 Signals und k eine natürliche Zahl ist.λ_d mess = ΨEDGE ■ λ + k ■ - where λ is the wavelength of the radiated Aπ 22 signal and k is a natural number.
Anschließend wird ein eindeutiger Abstand aus dem uneindeutigen Abstand und dem zwischengespeicherten Nährungswert berechnet. Hierzu wird k derart gewählt, dass:Then, a unique distance is calculated from the ambiguous distance and the cached nutritional value. For this purpose, k is chosen such that:
| dmeSs -dschatz | "> min| d meS s -deschatz | "> min
Durch diese Vorgehensweise kann eine 2 π -Phasenmehrdeutigkeit beseitigt werden.By doing so, a 2π phase ambiguity can be eliminated.
Figur 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die erfin- dungsgemäße Vorrichtung 1 zur Ermittlung eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt 3. Bei dieser Ausführungsform wird eine Sendeeinheit 9A von einer Empfangseinheit 9B getrennt angeordnet. Ein Signal mit einer bestimmten Wellenlänge λ wird von einer Antenne der Sendeeinheit 9A auf ein sich bewe- gendes Reflektionsobjekt 3 abgestrahlt und von dort zu einer Empfangsantenne einer Empfangseinheit 9B reflektiert.FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of the device 1 according to the invention for determining a distance to a reflection object 3. In this embodiment, a transmission unit 9A is arranged separately from a reception unit 9B. A signal with a specific wavelength λ is radiated by an antenna of the transmitting unit 9A onto a moving reflection object 3 and reflected from there to a receiving antenna of a receiving unit 9B.
Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Ermittlung eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt 3. Bei dieser Ausführungsform wird der ermittelte Abstand zwischen dem Reflektionsobjekt 3, beispielsweise einer Turbinenschaufel 3, und einem Gehäuse 4 ermittelt, und dient als Steuersignal zur Feinjustierung des Abstandes durch eine Stelleinheit 13, die beispielsweise den Abstand zwischen einer Achse eines rotierenden Gegenstandes 3 und dem Gehäuse 4 einstellt. Bei der in Figur 8 dargestellten Ausführungsform kann somit der Abstand zwischen dem rotieren- den Gegenstand 3 und dem Gehäuse 4 eingestellt bzw. geregelt werden. Die Regelung erfolgt mittels eines Steuersignals CRTL, wie in Figur 8 dargestellt.FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of a device 1 according to the invention for determining a distance to a reflection object 3. In this embodiment, the determined distance between the reflection object 3, for example a turbine blade 3, and a housing 4 is determined, and serves as a control signal for the fine adjustment of the Distance by an adjusting unit 13, for example, the distance between an axis of a rotating object 3 and the housing 4 sets. In the embodiment shown in FIG. 8, the distance between the rotating the object 3 and the housing 4 are set or regulated. The regulation takes place by means of a control signal CRTL, as shown in FIG.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 und das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflektion- sobjekt 3 lassen sich vielseitig einsetzen. Bei einer möglichen Ausführungsform wird die Vorrichtung 1 in einer Gasoder Dampfturbine vorgesehen, wobei das Reflektionsobjekt 3 durch eine Turbinenschaufel gebildet wird.The device 1 according to the invention and the method according to the invention for determining a distance to a reflection object 3 can be used in many ways. In one possible embodiment, the device 1 is provided in a gas or steam turbine, wherein the reflection object 3 is formed by a turbine blade.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in einen Elektromotor eingesetzt, wobei das Reflektionsobjekt 3 durch ein Bauteil eines Rotors gebildet wird.In a further possible embodiment, the device 1 according to the invention is used in an electric motor, wherein the reflection object 3 is formed by a component of a rotor.
In gleicher Weise lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 auch in einen Elektrogenerator einsetzen, wobei das Reflek- tionsobjekt 3 durch ein Bauteil eines Rotors gebildet wird.In the same way, the device 1 according to the invention can also be used in an electric generator, the reflection object 3 being formed by a component of a rotor.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 auch in einem Triebwerk vorgesehen werden, wobei das Reflektionsobjekt 3 durch eine Triebwerkschaufel 3 gebildet ist.In a further example of application, the device 1 according to the invention can also be provided in an engine, wherein the reflection object 3 is formed by an engine blade 3.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich unterschiedliche Geometrien bzw. Strukturen von Reflektionsobjekten 3, insbesondere Turbinenschaufeln, örtlich mit hoher Auflösung darstellen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nicht nur ein integraler Abstandswert pro Reflektionsobjekt bzw. Turbinenschaufel 3 sondern auch ein vollständiges Abstandsprofil für jede Turbinenschaufel bzw. für jedes Reflektionsobjekt 3 bereit gestellt. Daher können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aufwendige und anfällige Fehlerkorrekturen, die bei den herkömmlichen integralen Verfahren zwingend erforderlich sind, entfallen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das Profil bzw. die Struktur des Reflektionsprofils, beispielsweise einer Turbinenschaufel 3, nicht vorher bekannt sein muss, so dass auch Referenzmessungen in einem Labor entfallen.With the method according to the invention, different geometries or structures of reflection objects 3, in particular turbine blades, can be displayed locally with high resolution. In the method according to the invention not only an integral distance value per reflection object or turbine blade 3 but also a complete distance profile for each turbine blade or for each reflection object 3 is provided. Therefore, in the method according to the invention complex and prone error corrections, which are imperative in the conventional integral methods, omitted. Another advantage of the method according to the invention is that the profile or the structure of the reflection profile, for example a turbine blade 3, does not need to be known beforehand, so that also reference measurements in a laboratory accounts.
Das bei dem erfindungsgemäße vorgenommene Autofokus-SAR (Syn- thetic Aperture Radar) dient zu einer Schätzung des Abstandes zwischen dem Reflektionsobjekt 3 und dem Gehäuse 4, sodass eine anschließende phasenbasierte Abstandsmessung im gesamten Messbereich eindeutig vorgenommen werden kann.The automatic focus SAR (synthetic aperture radar) used according to the invention serves to estimate the distance between the reflection object 3 and the housing 4, so that a subsequent phase-based distance measurement can be made unequivocally in the entire measuring range.
Weitere Auslesealgorithmen zur Erhöhung der Eindeutigkeit sind nicht notwendig. Ein Fokus-Abstand für das angepasste Filter muss nicht bekannt sein, sondern wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt. Dabei kann ein iteratives Annähern an den Fokusabstand entfallen, so dass das erfin- dungsgemäße Verfahren sich auch durch eine hohe Berechnungsgeschwindigkeit bei der Ermittlung des Abstandes zu dem Re- flektionsobjekt 3 auszeichnet. Further readout algorithms to increase the uniqueness are not necessary. A focus distance for the matched filter need not be known, but is determined in the method according to the invention. In this case, an iterative approach to the focal distance can be dispensed with, so that the method according to the invention is also distinguished by a high calculation speed when determining the distance to the reflection object 3.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflekti- onsobjekt (3) mit den Schritten:1. A method for determining a distance to a Reflections onsobjekt (3) with the steps:
(a) Abstrahlen (Sl) eines Signals durch eine Antenne mit einer bestimmten Wellenlänge (λ) auf das Reflektionsobjekt (3) ;(A) emitting (Sl) a signal through an antenna having a specific wavelength (λ) on the reflection object (3);
(b) Kontinuierliches Messen (S2) der Amplitude und Phase ei- nes von dem Reflektionsobjekt (3) reflektierten Signals; und(b) continuously measuring (S2) the amplitude and phase of a signal reflected from the reflection object (3); and
(c) Filtern (S3) des gemessenen Signals durch ein angepasstes Filter (11) mit zugehöriger Punktzielantwort, wobei zur Maximierung einer örtlichen Auflösung des gemesse- nen Signals ein Fokussierabstand des Filters eingestellt wird und den zu ermittelnden Abstand bildet.(c) filtering (S3) the measured signal by a matched filter (11) with associated dot-target response, to maximize a local resolution of the measured signal, a focusing distance of the filter is set and forms the distance to be determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der ermittelte Abstand als Näherungswert zwischenge- speichert wird.2. The method of claim 1, wherein the determined distance is stored as an approximation value.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein Reflektionspunkt (RP) aus dem von dem Reflektionsobj ekt (3) reflektierten Signal selektiert wird.3. The method of claim 1 or 2, wherein at least one reflection point (RP) is selected from the eektkt of the Reflektionsobj (3) signal.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der selektierte Reflektionspunkt (RP) ein lokales oder globales Maximum des Signalamplitudenverlaufs des reflektierten Signals bildet und eine Signalamplitude aufweist, die oberhalb eines einstellbaren Schwellenwertes (SW) liegt.4. The method of claim 3, wherein the selected reflection point (RP) forms a local or global maximum of the signal amplitude curve of the reflected signal and has a signal amplitude which is above an adjustable threshold value (SW).
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, wobei ein uneindeutiger Abstand in Abhängigkeit von der mehrdeutigen Phase des gemessenen reflektierten Signals sowie der Wellenlänge (7) des abgestrahlten Signals an dem selektierten Reflektionspunkt (RP) berechnet wird.5. The method of claim 1 to 4, wherein an ambiguous distance in dependence on the ambiguous phase of the measured reflected signal and the wavelength (7) of the radiated signal at the selected reflection point (RP) is calculated.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein eindeutiger Abstand aus dem uneindeutigen Abstand und dem zwischengespeicherten Näherungswert berechnet wird.6. The method according to claim 5, where a unique distance is calculated from the ambiguous distance and the cached approximation.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, wobei der Fokussierabstand als Parameter der Punktzielantwort des Filters (11) derart eingestellt wird, dass die Phase (φ) des gefilterten Signals zumindest in einem bestimmten Bereich, bereichsweise annähernd konstant verläuft.7. The method of claim 1 to 6, wherein the focusing distance is set as a parameter of the point target response of the filter (11) such that the phase (φ) of the filtered signal at least in a certain area, partially approximately constant.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, wobei der Fokussierabstand als Parameter der Punktzielantwort des Filters (11) derart eingestellt wird, dass die Signalamplitude (A) des gefilterten Signals maximal ist.8. The method of claim 1 to 6, wherein the focusing distance is set as a parameter of the point target response of the filter (11) such that the signal amplitude (A) of the filtered signal is maximum.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, wobei der Fokussierabstand als Parameter der Punktzielantwort des Filters (11) derart eingestellt wird, dass die 3dB-Breite des gefilterten Signals minimal ist und einer Autokorrelationsfunktion der Punktzielantwort des Filters (11) entspricht.9. The method of claim 1 to 6, wherein the focusing distance is set as a parameter of the point target response of the filter (11) such that the 3dB width of the filtered signal is minimal and an autocorrelation function of the point target response of the filter (11).
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, wobei sich das Reflektionsobjekt (3) mit einer konstanten Geschwindigkeit an der Antenne vorbei bewegt.10. The method of claim 1 to 9, wherein the reflection object (3) moves past the antenna at a constant speed.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, wobei das Reflektionsobjekt (3) an einem rotierenden Gegenstand angebracht ist, der sich innerhalb eines Gehäuses (4) dreht, an dem die Antenne ortsfest angebracht ist.11. The method of claim 1 to 10, wherein the reflection object (3) is mounted on a rotating object which rotates within a housing (4) to which the antenna is fixedly mounted.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Reflektionsobjekt (3) durch eine Schaufel einer Turbine oder eines Triebwerkes oder durch einen Rotor eines Generators oder Elektromotors gebildet wird.12. The method of claim 11, wherein the reflection object (3) is formed by a blade of a turbine or an engine or by a rotor of a generator or electric motor.
13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, wobei das von der Antenne abgestrahlte Signal durch eine sinusförmiges Signal gebildet wird, dessen Wellenlänge einer örtlichen Ausdehnung einer auf der Oberfläche des Reflektion- sobjektes (3) vorhandenen Reflektionsstruktur entspricht.13. The method of claim 1 to 12, wherein the radiated from the antenna signal is formed by a sinusoidal signal whose wavelength corresponds to local expansion of a reflection structure present on the surface of the reflection object (3).
14. Vorrichtung zur Ermittlung eines Abstandes zu einem Re- flektionsobjekt mit:14. Device for determining a distance to a reflection object with:
(a) einer Sende- und Empfangseinheit (9), die ein Signal mit einer bestimmten Wellenlänge (λ) auf das Reflektionsobjekt(A) a transmitting and receiving unit (9) having a signal with a specific wavelength (λ) on the reflection object
(3) abstrahlt und ein von dem Reflektionsobjekt (3) reflek- tiertes Signal erfasst; und mit(3) radiates and detects a signal reflected by the reflection object (3); and with
(b) einem angepassten Filter (11) mit zugehöriger Punktzielantwort zum Filtern des erfassten Signals, wobei zur Maximierung einer örtlichen Auflösung des erfassten Signals ein Fokussierabstand des Filters einstellbar ist, und der eingestellte Fokussierabstand den zu ermittelnden Abstand bildet.(b) a matched filter (11) with associated point target response for filtering the detected signal, wherein to maximize a local resolution of the detected signal, a focusing distance of the filter is adjustable and the adjusted focusing distance forms the distance to be detected.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Sende- und Empfangseinheit (9) eine Antenne aufweist, die ein sinusförmiges Signal mit einer einstellbaren Wellenlänge auf das Reflektionsobjekt (3) abstrahlt.15. The apparatus of claim 14, wherein the transmitting and receiving unit (9) comprises an antenna which emits a sinusoidal signal having an adjustable wavelength to the reflection object (3).
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Antenne eine Aperturantenne ist, die ein monofre- quentes Radarsignal mit einer Wellenlänge (λ) im Millimeterbereich auf das Reflektionsobjekt (3) abstrahlt.16. The apparatus of claim 15, wherein the antenna is an aperture antenna which radiates a monofrequentes radar signal having a wavelength (λ) in the millimeter range on the reflection object (3).
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Aperturantenne in einem Gehäuse (4) angebracht ist und das Signal durch einen Hohlleiter (8) geführt auf das Re- flektionsobjekt (3) abstrahlt. 17. The apparatus of claim 16, wherein the aperture antenna in a housing (4) is mounted and the signal through a waveguide (8) guided on the reflection object (3) radiates.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Reflektionsobjekt (3) ein rotierendes Bauelement ist, das sich in dem Gehäuse dreht.18. The apparatus of claim 17, wherein the reflection object (3) is a rotating member that rotates in the housing.
19. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 18, wobei die Wellenlänge (λ) des abgestrahlten Signals entsprechend der Ausdehnung einer auf der Oberfläche des Reflektion- sobjekts (3) vorhandenen Reflektionsstruktur eingestellt ist19. Device according to claim 14, wherein the wavelength (λ) of the radiated signal is set in accordance with the extent of a reflection structure present on the surface of the reflection object (3)
20. Turbine mit einer Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 19, wobei das Reflektionsobjekt (3) eine Turbinenschaufel ist.20. Turbine with an apparatus according to claim 14 to 19, wherein the reflection object (3) is a turbine blade.
21. Elektromotor mit einer Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 19, wobei das Reflektionsobjekt (3) ein Bauteil eines Rotors ist21. Electric motor with a device according to claim 14 to 19, wherein the reflection object (3) is a component of a rotor
22. Elektrogenerator mit einer Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 19, wobei das Reflektionsobjekt (3) ein Bauteil eines Rotors ist22. Electric generator with a device according to claim 14 to 19, wherein the reflection object (3) is a component of a rotor
23. Triebwerk mit einer Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 19, wobei das Reflektionsobjekt (3) eine Triebwerkschaufel ist.23. An engine with an apparatus according to claim 14 to 19, wherein the reflection object (3) is an engine blade.
24. Computerprogramm mit Programmbefehlen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 13.24. Computer program with program instructions for carrying out the method according to claim 1 to 13.
25. Datenträger, der das Computerprogramm nach Anspruch 24 speichert . 25. A data carrier which stores the computer program according to claim 24.
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