DE3937912A1 - Abstandsmesseinrichtung - Google Patents
AbstandsmesseinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1.
Es ist bekannt (DE-PS 34 33 351), den Abstand zwischen
zwei relativ zueinander bewegten Teilen mit einem kapazi
tiven Meßsystem auf der Basis einer Ladungsmessung zu er
fassen.
Bei schnellaufenden Maschinen aller Art, beispielsweise
bei Verdichtern oder Turbinen, ist eine hohe zeitliche
Auflösung (z. B. eine Mikrosekunde) von solch einem System
nicht gewährleistet.
Eine weitere Einsatzbeschränkung stellt die Temperatur der
Sonde dar, die ungekühlt maximal 600°C betragen darf.
Weiterhin nachteilig wirkt sich aus, daß bei der genannten
Vorrichtung eine Kalibrierung, z. B. durch Verfahren einer
Sonde gegen eine stehende Schaufel eines Rotorkranzes und
weitere Auswertung, erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zuvor ge
schilderten Nachteile zu beheben und ein Meßsystem bereit
zustellen, mit dem eine extrem schnelle Abstandsmessung
durchführbar ist.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Zur Erfassung des Abstandes zwischen zwei elektrisch lei
tenden Teilen ist ein Meßsystem, das nach dem Prinzip der
Funkenentladung arbeitet, einsetzbar.
Die wesentlichsten Vorteile der Erfindung sind:
Es ist eine hohe zeitliche Auflösung realisierbar.
Ein Temperatureinfluß ist reproduzierbar und läßt sich
durch eine parallele Erfassung eliminieren, so daß Mes
sungen bei einer Umgebungstemperatur bis mindestens 800°C
ohne Kühlung durchführbar sind.
Eine Nach-Kalibrierung der Abstandsmeßeinrichtung ist
nicht notwendig.
Das Meßsystem enthält keine beweglichen Teile, so daß das
gesamte System schwingungsunempfindlich ist.
Aufgrund ihrer Bauweise ist die Elektrode klein und damit
sowohl flexibel als auch in kleinen Gehäusewandöffnungen
einsetzbar.
Bei der Entladung entsteht aufgrund der geringen Entla
dungsenergie kein sichtbarer Funke, außerdem werden keine
Materialveränderungen hervorgerufen.
Die Elektrode ist erfindungsgemäß feststehend in der Ge
häusewand untergebracht. Durch die Aufteilung der Elektro
denspannungsquelle in ein Netzteil mit konstanter Spannung
und ein Netzteil mit veränderbarer Spannung ist eine ex
trem schnelle Spannungsregelung erreichbar. Für den not
wendigen dynamischen Meßbereich wird somit die veränderba
re Spannung herangezogen.
Die Spannung an der feststehenden Elektrode ist derart
veränderbar, daß es ab einer bestimmten Feldstärke, die
wiederum eine Funktion der Spannung zwischen den Elektro
den, dem Abstand und der Elektrodengeometrie ist, zu einer
Entladung zwischen Schaufelspitze und Elektrode kommt.
In Weiterbildung der Erfindung stehen die Schaufeln mit
einem Sensor, beispielsweise einem optischen Sensor, in
Wirkverbindung und sind daher registrierbar, so daß dieser
Sensor an einen Zähler ein Signal abgibt. Möglich ist auch
die Kombination von Sensor und Elektrode, so daß die Elek
trode gleichzeitig mit Hilfe einer geeigneten Auswertung
als Sensor eingesetzt werden kann. Dieser Zähler wird über
ein Referenzsignal, das von einer Bezugsmarke auf der Tur
binenwelle bzw. Turbinenrotor oder einer besonders identi
fizierbaren Schaufelspitze erzeugt werden kann, nach jedem
Umlauf zurückgesetzt.
In Weiterbildung der Erfindung kann durch eine externe
Schaufelwahleinrichtung, beispielsweise eine alphanumeri
sche Tastatur, bestimmt werden, zu welcher Schaufel der
Abstand ermittelt werden soll. Auch ist es durch eine Zu
satzeinrichtung (beispielsweise ein weiterer Zähler) mög
lich, den Abstand nacheinander zu jeder Schaufel zu be
stimmen und diesen zu speichern, bzw. weiterzuverarbeiten.
Möglich ist auch die automatische Bestimmung des Abstandes
jeder 2. Schaufel oder die automatische Bestimmung einer
frei wählbaren Schaufelkombination, die in einem Speicher
abgelagert ist. Nach Passieren des Sensors werden die ein
zelnen Schaufeln gezählt. Ein Komparator vergleicht den
Zählerinhalt mit der vorgewählten Schaufelnummer. Stellt
er Gleichheit fest, wird ein Triggersignal abgegeben, das
durch ein Zeitglied mit einer definierten Zeitverzögerung,
die durch die bauliche Entfernung von Elektrode und Sensor
erforderlich ist, von einem weiteren Zähler registriert
wird. Bilden die Elektrode und der Sensor eine Einheit,
ist keine Zeitverzögerung erforderlich. Solange es nach
den einzelnen Umläufen nicht zu einer Entladung der vorge
wählten Schaufeln gekommen ist, wird die Elektrodenspan
nung durch das Triggersignal stufenweise erhöht. Dies kann
entweder nach einem kompletten Umlauf geschehen oder di
rekt nach dem Passieren der vorgewählten Schaufel. Vor
teilhafterweise erfolgt die Erhöhung der Spannung zwischen
dem Durchlauf der zu messenden Schaufel und dem Durchlauf
der vorhergehenden Schaufel.
In Weiterbildung der Erfindung wird nach Erreichen der für
eine Entladung notwendigen Spannung, der Durchschlagspan
nung UD, ein Entladesignal der Auswerteeinheit zu ge
führt, mit dem die Spannung, bei der die Entladung statt
gefunden hat, gespeichert wird.
Durch eine nachgeschaltete Recheneinrichtung kann dann aus
dieser Spannung und der Elektrodengeometrie der Abstand
zwischen Schaufelspitze und Gehäusewand berechnet und nu
merisch ausgegeben werden.
In Weiterbildung der Erfindung kann der Spannungswert, bei
dem Entladung stattgefunden hat, zu Regelungszwecken her
angezogen werden. Gemäß der aus der Spannung berechneten
Größe des Abstandes kann Kühlluft oder eine Kühlflüssig
keit über oder durch das Gehäuse geleitet werden, so daß
der Abstand während des Betriebes verändert werden kann,
um den Wirkungsgrad der Turbine zu verbessern.
Die nachfolgende Zeichnungsbeschreibung beinhaltet weitere
erfindungsgemäße Ausgestaltungen der Erfindung, die in den
Figuren dargestellt sind.
Es zeigt
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Meßanordnung;
Fig. 2 eine Elektrodenspannungsquelle;
Fig. 3 die schematische Funktionsweise des Meß
systems, wobei die Elektrodenspannung nach
jedem Umlauf erhöht wird;
Fig. 4 die schematische Funktionsweise des Meß
systems, wobei die Elektrodenspannung nach
dem Passieren der vorgewählten Schaufel
erhöht wird;
Fig. 5 ein Blockschaltbild der Auswerteinheit.
In einer Gehäusewand 1 sitzt gemäß Fig. 1 eine Elektrode
2, die mit einer Isolation 3 gegenüber der Gehäusewand 1
versehen ist.
Zwischen dem unteren Teil der Elektrode 2 und dem oberen
Ende einer Turbinenschaufel 4 befindet sich die Entla
dungsstrecke 5. Der mit 4′ bezeichnete Pfeil gibt die
Drehrichtung des Turbinenrades an.
Fig. 2 zeigt eine Elektrodenspannungsquelle 6, bestehend
aus einem Netzteil 7 mit konstanter Spannung und einem
Netzteil 8 mit veränderbarer Spannung. Die Gesamtspannung
setzt sich also zusammen aus der Spannung des Netzteils 7
und der Spannung des Netzteils 8.
In Fig. 3 ist die schematische Funktionsweise des Meß
systems am Beispiel von fünf numerierten Schaufeln zur Er
läuterung des zeitlichen Verlaufes der Durchschlagspannung
UD gezeigt. Durch eine Schaufelvorwahl ist die Schaufel
4 ausgewählt worden. Zu Beginn eines Umlaufs wird ein
Zähler durch ein Referenzsignal auf Null gesetzt. Kommt es
während des ersten Umlaufs zu keiner Entladung an der
Schaufel 4 nach einer definierten Zeit, wird ein Trig
gersignal abgegeben und die Spannung nach Passieren der
letzten Schaufel 5 um eine Stufe erhöht. Da nach dem
zweiten Umlauf keine Entladung stattfindet, wird die
Spannung wiederum erhöht. In Fig. 3 wird nach dem dritten
Umlauf die Durchschlagspannung UD erreicht, die zu einer
Entladung führt. Die gemessene Durchschlagspannung UD
wird erfaßt und gespeichert und kann für weitere Zwecke
verarbeitet werden.
Fig. 4 zeigt ebenfalls die schematische Funktionsweise des
Meßsystems, mit dem Unterschied zu Fig. 3, daß die Spannung
nach dem Passieren der vorgewählten Schaufel 4 erhöht
wird und das Triggersignal direkt abgegeben wird, da ein
für die Zählimpulse erforderlicher Sensor und die Elektro
de 2 eine bauliche Einheit bilden.
Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild der Auswerteinheit 9. Ein
Zähler 10 ist mit einem Sensor 11 verbunden, der die ein
zelnen Schaufeln erfaßt. An den Zähler 10 sind ein Kompa
rator 12 sowie eine externe Schaufelwahleinrichtung 13 an
geschlossen. Der Ausgang des Komparators 12 ist mit dem
Eingang eines UND-Gatters 14 verbunden, an dessen zweitem
Eingang der invertierende Ausgang Q eines Flip-Flops 15
angeschlossen ist.
Über den Ausgang des UND-Gatters 14 wird ein Zähler 16 an
gesteuert, der mit dem Eingang eines D/A-Wandlers 17 ver
bunden ist. Der D/A-Wandler 17 steht in Verbindung mit der
Elektrodenspannungsquelle 6, die ihrerseits mit der Elek
trode 2 verbunden ist. Ein Ausgang der Elektrodenspan
nungsquelle 6 ist mit dem Eingang des Und-Gatters 18 ver
bunden, während an dem zweiten Eingang ein Zeitglied 19
angeschlossen ist. Der Ausgang des UND-Gatters 18 steht in
Verbindung mit dem Set-Eingang des Flip-Flops 15. An einen
Resettaster 20 ist der Reset-Eingang des Flip-Flops 15 und
des Zählers 16 angeschlossen.
Die Auswerteinheit 9 arbeitet wie folgt:
Das Referenzsignal RE setzt den Zähler 10 auf Null. Der
Zähler 10 bekommt pro Schaufel ein Signal, wenn diese den
Sensor 11 passiert hat. Der Komparator 13 vergleicht den
Inhalt von Zähler 10 mit der Nummer der externen Schaufel
wahl 13. Das Flip-Flop 15 ist zunächst im Grundzustand und
gibt damit über den invertierenden Ausgang Q das UND-Gatter
14 frei. Über dieses UND-Gatter 14 gelangt immer dann,
wenn der Komparator 12 Gleichheit zwischen einer extern
vorgewählten Schaufel und Inhalt von Zähler 10 feststellt,
ein Triggersignal TR, welches vom Komparator 12 abgegeben
wird, auf Zähler 16. Zähler 16 erhöht über den D/A-Wandler
17 pro Umlauf solange die Elektrodenspannung, bis die vor
gewählte Schaufel ein Entladesignal EN abgibt. Dieses Si
gnal gelangt über das UND-Gatter 18 zum Flip-Flop 15 und
sperrt damit gleichzeitig das UND-Gatter 14. Das UND-Gat
ter 18 geht am Ausgang mit einer Zeitverzögerung, die von
dem Zeitglied 19 bestimmt wird, auf Logisch 1, da die Ent
ladung aufgrund der räumlichen Trennung von Sensor 11 und
Elektroden 2 erst nach einer definierten Zeit nach Abgabe
des Triggersignals TR erfolgt. Der Zähler 16 kann nach
Sperrung des UND-Gatters 14 nicht mehr erhöht werden und
enthält somit die Informationen über die Durchschlagspan
nung UD, die ein Maß für den Abstand zwischen Elektrode
2 und einer vorgewählten Schaufel ist. Mit dem Resettaster
20 wird das Flip-Flop 15 und der Zähler 16 zurückgesetzt
und eine neue Messung kann beginnen.
Claims (12)
1. Meßsystem zur Erfassung des Abstandes zwischen zwei
elektrisch leitenden Teilen, insbesondere zur Erfassung
des Abstandes von Turbinenschaufelspitzen zu deren Gehäu
se, mit einer Elektrode (2), einer Elektrodenspannungs
quelle (6) und einer Auswerteinheit (9), wobei die Elek
trode (2) in einer Gehäusewand (1) fixiert ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem nach dem Prinzip
der Funkenentladung arbeitet und daß die Spannung an der
Elektrode (2) veränderbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenspannungsquelle
(6) aus einem Netzteil (7) mit konstanter Spannung und
einem Netzteil (8) mit veränderbarer Spannung besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Netzteil (8) mit veränder
barer Spannung von der Auswerteinheit (9) steuerbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß jede Turbinenschaufel bzw.
Turbinenschaufelspitze durch einen Sensor (11) einzeln re
gistrierbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Bezugsmarke ein Re
ferenzsignal festlegbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß durch eine externe Schaufel
wahleinrichtung (13) eine beliebige Schaufel anwählbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt eines Zählers (10)
und die extern gewählte Schaufelnummer durch einen Kompa
rator (12) vergleichbar sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenspannung nach
jeder Umdrehung des Turbinenrades von der Auswerteinheit,
beispielsweise durch einen D/A-Wandler, veränderbar ist,
wenn bei dem vorhergehenden Umlauf keine Entladung, bzw.
keine Entladung an der extern gewählten Schaufel erfolgt
ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen einer Entladung
ein Entladesignal der Auswerteinheit (9) zuführbar ist und
der Spannungswert, bei dem die Entladung stattgefunden
hat, speicherbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Entladesignal EN für die
Speicherung des Spannungswertes verwendbar ist, der wie
derum als Maß für den Abstand zwischen Turbinenschaufel
(4) und Elektrode (2) nutzbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der gespeicherte Spannungswert
für eine anschließende Regelung, beispielsweise Kühlung
der Gehäusewand der Turbine, verwendbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Schalteinrichtung
die Auswerteinheit (9) rücksetzbar ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19893937912 DE3937912C2 (de) | 1989-11-15 | 1989-11-15 | Abstandsmeßeinrichtung |
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- 1989-11-15 DE DE19893937912 patent/DE3937912C2/de not_active Expired - Fee Related
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