DE3937912A1 - Abstandsmesseinrichtung - Google Patents

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 U_D, 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 U_D 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 U_D erreicht, die zu einer Entladung führt. Die gemessene Durchschlagspannung U_D 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 U_D, 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.