WO2012172036A1 - Abstandssensor - Google Patents

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WO2012172036A1
WO2012172036A1 PCT/EP2012/061403 EP2012061403W WO2012172036A1 WO 2012172036 A1 WO2012172036 A1 WO 2012172036A1 EP 2012061403 W EP2012061403 W EP 2012061403W WO 2012172036 A1 WO2012172036 A1 WO 2012172036A1
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distance
distance sensor
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optical waveguide
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Thomas Bosselmann
Moritz GIESEN
Michael Villnow
Michael Willsch
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/14—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
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    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/0011—Arrangements for eliminating or compensation of measuring errors due to temperature or weight
    • G01B5/0014—Arrangements for eliminating or compensation of measuring errors due to temperature or weight due to temperature

Definitions

  • the invention relates to a distance sensor, which is suitable for rotating electrical machines and turbines such as Gastur ⁇ turbines.
  • the narrow gap serves to efficiently couple the rotor field to the winding.
  • the difficulty here is that extreme magnetic field strengths occur in the area of the air gap. This makes the use of electrical sensors for distance measurement difficult.
  • the use of metallic components is problematic in the vicinity of the air gap.
  • thermodynamic machines such as gas and steam turbines and compressors must also be very close
  • Gaps between the blades and the housing wall are maintained. This limits the lateral pressure drop, which increases the efficiency of the machine.
  • One problem with turbines is the sometimes very high temperatures as well as the aggressive environmental conditions in the gas flow of such machines. It is an object of the present invention to provide a distance sensor which is equally suitable for electrical machines such as generators and drive motors as well as for gas and steam turbines or compressors. This object is achieved by a distance sensor having the features of claim 1.
  • the dependent claims relate to advantageous embodiments of the invention.
  • the distance sensor according to the invention for rotating electrical machines and turbines has at least one first optical waveguide for guiding an optical transmission signal and at least one second optical waveguide for guiding an optical return signal. Furthermore, the distance sensor has a light source for generating the optical transmission signal. Finally, the distance sensor has a photodetector for receiving the optical return signal. The optical return signal originates from the optical transmission signal in that the optical transmission signal is scattered on a measurement object. Furthermore, the distance sensor comprises an evaluation unit.
  • the elements of the distance sensor are arranged such that the optical Hinsignal is passed through the first optical waveguide in the range of the distance to be measured, is passed there after passing through the distance distance and reflection as an optical return signal through the second optical waveguide to the photodetector.
  • the evaluation unit is further designed from ⁇ , from the propagation time of the optical signals into consideration the length of the optical waveguide into account the traveled distance outside of the optical waveguide to be determined.
  • the distance sensor according to the invention advantageously has no electronics in the immediate vicinity of the distance to be measured. Rather, the optical signal is transported over the optical waveguide in the range of the distance and transported away ⁇ from there. As a result, a distance sensor is provided which is equally suitable for rotating electrical machines as well as for gas turbines or other turbines.
  • the measuring method of the term of an optical Sig ⁇ Nals allows a more accurate measurement because the capacitive ex Stand sensors a comparatively large spot to consider and thus mittein very strong example of a finely textured blade profile of a gas turbine. Also, the optical measurement technology is relatively insensitive to contamination with dielectric media and material changes on the sensor or on the blades.
  • the length of the optical waveguides is preferably at least 1 m, in particular at least 2 and in a particular embodiment at least 5 m. With appropriate length of
  • Optical waveguide is given a sufficient distance of the measuring electronics of the environment of the distance to be measured, so that the electronics can be constructed without problems.
  • a laser diode is preferably used as the light source. Be ⁇ Sonders preferably, the laser diode to a power of 10 mW we ⁇ iquess.
  • a singlemode fiber is preferably used as the first optical waveguide which conducts the optical transmission signal.
  • the first optical fiber is preferably completed with ei ⁇ nem Linsenkollimator for distance route back.
  • the lens collimator is designed so that a paral ⁇ leler light beam, for example, 1 mm diameter is generated.
  • the second optical waveguide is preferably an optical fiber with a comparatively large cross-section or a light ⁇ waveguide bundle.
  • one or more measuring devices are provided for measuring the temperature of the optical waveguides, wherein the evaluation unit is designed to take into account the thermal expansion of the optical waveguides on the basis of the measured temperatures when determining the distance.
  • the measuring devices may, for example, be thermocouples arranged along the optical waveguide.
  • a reference optical waveguide is arranged parallel to the first and second optical waveguides. The reference optical waveguide is expediently terminated with a mirror.
  • the evaluation unit is further configured to take into account the propagation time of light in the reference light waveguide when determining the distance.
  • Figure 1 shows a detail of a turbine
  • Figure 2 shows two arrangement schemes for optical fibers.
  • Figure 1 shows a section of a gas turbine 10 stell ⁇ representative of all possible rotating machinery.
  • the gas turbine has a turbine wall 11 and a rotating run ⁇ scoop 12. To monitor is the distance of the uppermost tip of the rotor blade 12 of the turbine wall 11.
  • the turbine wall 11 is provided with a bore through which ei ⁇ ne sleeve 13 is guided.
  • the size of the elements in Figure 1 is generally not to scale.
  • the sleeve 13 serves as a guide for a first optical waveguide 14 and a second optical waveguide 15.
  • Optical fiber 14 is a single-mode fiber and is connected outside of the gas turbine 10 to a laser diode of 15 mW power.
  • the laser diode 16 feeds light signals into the first optical waveguide 14 a. These exit at the other end of the first optical waveguide and are focused by the lens 18 in the direction of the rotor blade 12.
  • a scattering of the light signals occurs, wherein a part of the light signals is reflected back in the direction of the lens 18.
  • part of the backscattered light falls into a second optical waveguide 15.
  • the second optical waveguide 15 may in concrete terms be an optical waveguide with a large cross section or a bundle of optical waveguides.
  • FIG. 1 Examples of the arrangement of the optical waveguides 14, 15 are shown in FIG.
  • One possible arrangement, which corresponds to the arrangement in FIG. 1, is the juxtaposition of the first and second optical waveguides 14, 15.
  • the second optical waveguide 15 has a substantially larger cross section than the first optical waveguide 14.
  • a second alternative is that the second light ⁇ waveguide 15 consists of a plurality of individual fibers, which are laid, for example symmetrically around the first optical waveguide 14 around. The more surface of the second Lichtwellenlei ⁇ ter 15 thereby covering, the more optical power can be transported back increases and the more accurate the measurement.
  • the backscattered light passes through the second Lichtwel ⁇ lenleiter 15 to a photodetector 17. There, the light is recorded and converted into electrical signals.
  • An evaluation device not shown in Fi gur 1 evaluates the zeitli ⁇ chen distance between emission of the optical signal by the laser diode 16 and the arrival of the backscattered optical signal.
  • the laser diode 16 loaded adjacent to the first Lichtwellenlei ⁇ ter 14 and a reference optical fiber 19.
  • the reference light waveguide 19 is parallel to the first and second optical waveguides 14, published 15th Therefore, the reference Optical waveguide 19 practically the same thermal influences as the first two optical waveguides 14, 15th
  • the reference optical waveguide 19 has at its end, which is at the same height as the ends of the first and second optical waveguides 14, 15, a mirror coating. As a result, the incident light is reflected back directly and thus determines the transit time over the length of the optical waveguide directly by measurement.
  • the propagation time of the optical signal through the reference optical waveguide can be subtracted from the total elapsed running time of the optical signal. What remains is then the double transit time over the distance to be measured as well as the distance between the end of the optical waveguides 14, 15 and the lens 18.

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Abstract

Es wird ein Abstandssensor für drehende elektrische Maschinen und Turbinen mit wenigstens zwei Lichtwellenleitern zur Führung eines optischen Hinsignals und eines optischen Rücksignals, einer Lichtquelle zur Erzeugung des optischen Hinsignals, einem Fotodetektor zur Aufnahme des optischen Rücksignals, das aus dem optischen Hinsignal durch Streuung an einem Messobjekt hervorgeht und einer Auswerteeinheit angegeben. Die Elemente sind so angeordnet, dass das optische Hinsignal durch einen ersten der zwei Lichtwellenleiter in den Bereich des zu vermessenden Abstands geleitet wird, dort nach Durchlaufen des Abstands und Reflexion als optisches Rücksignal durch einen zweiten der zwei Lichtwellenleiter zum Fotodetektor geleitet wird, wobei die Auswerteeinheit ausgestaltet ist, aus der Laufzeit der optischen Signale unter Berücksichtigung der Länge der Lichtwellenleiter die Länge des Abstands zu ermitteln.

Description

Beschreibung Abstandssensor Die Erfindung betrifft einen Abstandssensor, der für drehende elektrische Maschinen und Turbinen wie beispielsweise Gastur¬ binen gleichermaßen geeignet ist.
An drehenden Maschinen müssen häufig enge Spaltmaße zwischen dem Stator und dem rotierenden Läufer eingehalten werden. Um diese zu überwachen bzw. um ein Aufgehen des Läufers zu erkennen, müssen die Spaltmaße möglichst genau gemessen werden. Typische Messbereiche sind wenige Millimeter bis 50 Millime¬ ter bei großen Maschinen.
Bei elektrischen Maschinen wie Generatoren und Antriebsmotoren dient der enge Spalt einer effizienten Kopplung des Läuferfeldes auf die Wicklung. Die Schwierigkeit ist hier, dass extreme magnetische Feldstärken im Bereich des Luftspaltes auftreten. Das macht die Verwendung elektrischer Sensoren zur Abstandsmessung schwierig. Auch der Einsatz metallischer Komponenten ist in der Nähe des Luftspaltes problematisch.
An thermodynamischen Maschinen wie beispielsweise Gas- und Dampfturbinen und Kompressoren müssen ebenfalls sehr enge
Spaltmaße zwischen den Laufschaufeln und der Gehäusewand eingehalten werden. Dadurch kann der seitliche Druckabfall begrenzt, was die Effizienz der Maschine erhöht. Auch hier ist eine Erfassung der Spaltmaße zur Kontrolle und auch für die aktive Beeinflussung der Spaltmaße notwendig. Ein Problem sind bei Turbinen die teilweise sehr hohen Temperaturen sowie auch die aggressiven Umgebungsbedingungen im Gasstrom solcher Maschinen . Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abstandssensor anzugeben, der gleichermaßen für elektrische Maschinen wie Generatoren und Antriebsmotoren als auch für Gas- und Dampfturbinen oder Kompressoren geeignet ist. Diese Aufgabe wird durch einen Abstandssensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Abstandssensor für drehende elektrische Maschinen und Turbinen weist wenigstens einen ersten Lichtwellenleiter zur Führung eines optischen Hinsignals und wenigstens einen zweiten Lichtwellenleiter zur Führung eines optischen Rücksignais auf. Weiterhin weist der Abstandssensor eine Lichtquelle zur Erzeugung des optischen Hinsignals auf. Schließlich weist der Abstandssensor einen Photodetektor zur Aufnahme des optischen Rücksignais auf. Das optische Rücksig- nal geht dabei aus dem optischen Hinsignal hervor, indem das optische Hinsignal an einem Messobjekt gestreut wird. Des Weiteren umfasst der Abstandssensor eine Auswerteeinheit.
Die Elemente des Abstandssensors sind derart angeordnet, dass das optische Hinsignal durch den ersten Lichtwellenleiter in den Bereich des zu vermessenden Abstand geleitet wird, dort nach Durchlaufen der Abstandsstrecke und Reflexion als optisches Rücksignal durch den zweiten Lichtwellenleiter zum Photodetektor geleitet wird. Die Auswerteeinheit ist ferner aus¬ gestaltet, aus der Laufzeit der optischen Signale unter Be- rücksichtigung der Länge der Lichtwellenleiter den durchlaufenen Abstand außerhalb der Lichtwellenleiter zu ermitteln.
Der erfindungsgemäße Abstandssensor weist vorteilhaft keine Elektronik im direkten Umfeld des zu vermessenden Abstands auf. Vielmehr wird das Lichtsignal über die Lichtwellenleiter in den Bereich des Abstands transportiert und von dort weg¬ transportiert. Hierdurch wird ein Abstandssensor geschaffen, der gleichermaßen für drehende elektrische Maschinen wie auch für Gasturbinen oder andere Turbinen geeignet ist.
Ein Vorteil gegenüber bekannten kapazitiven Abstandssensoren ist, dass die Messmethode der Laufzeit eines optischen Sig¬ nals eine genauere Messung erlaubt, da die kapazitiven Ab- Standssensoren einen vergleichsweise großen Messfleck betrachten und somit über beispielsweise ein feinstrukturiertes Schaufelprofil einer Gasturbine sehr stark mittein. Auch ist die optische Messtechnik vergleichsweise unempfindlich gegen Verschmutzung mit dielektrischen Medien und Materialveränderungen am Sensor oder an den Schaufeln.
Die Länge der Lichtwellenleiter beträgt bevorzugt wenigstens 1 m, insbesondere wenigstens 2 und in einer besonderen Aus- gestaltung wenigstens 5 m. Bei entsprechender Länge der
Lichtwellenleiter ist ein ausreichender Abstand der Messelektronik von der Umgebung des zu vermessenden Abstands gegeben, so dass die Elektronik unproblematisch aufgebaut werden kann.
Als Lichtquelle wird bevorzugt eine Laserdiode verwendet. Be¬ sonders bevorzugt weist die Laserdiode eine Leistung von we¬ nigstens 10 mW auf. Als ersten Lichtwellenleiter, der das optische Hinsignal leitet, wird bevorzugt eine Singlemode-Faser verwendet. Der erste Lichtwellenleiter wird bevorzugt mit ei¬ nem Linsenkollimator zur Abstandsstrecke hin abgeschlossen. Der Linsenkollimator ist dabei so gestaltet, dass ein paral¬ leler Lichtstrahl von beispielsweise 1 mm Durchmesser erzeugt wird .
Der zweite Lichtwellenleiter ist bevorzugt ein Lichtwellenleiter mit vergleichsweise großem Querschnitt oder ein Licht¬ wellenleiter-Bündel. Hierdurch wird eine große Aufnahmefläche für das reflektierte optische Rücksignal ermöglicht. Dadurch wiederum werden Verluste optischer Leistung minimiert und somit eine möglichst genaue Messung ermöglicht.
Es ist sehr vorteilhaft, wenn bei dem Abstandssensor eine Möglichkeit vorgesehen ist, die thermische Ausdehnung der Lichtwellenleiter bei der Ermittlung des Abstands zu berücksichtigen . In einer ersten Alternative hierzu sind eine oder mehrere Messeinrichtungen zur Messung der Temperatur der Lichtwellenleiter vorgesehen, wobei die Auswerteeinheit ausgestaltet ist, die thermische Ausdehnung der Lichtwellenleiter anhand der gemessenen Temperaturen bei der Ermittlung des Abstands zu berücksichtigen. Bei den Messeinrichtungen kann es sich beispielsweise um entlang der Lichtwellenleiter angeordnete Thermoelemente handeln. In einer zweiten Alternative ist parallel zum ersten und zweiten Lichtwellenleiter ein Referenzlichtwellenleiter angeordnet. Der Referenzlichtwellenleiter ist zweckmäßig mit einem Spiegel abgeschlossen. Die Auswerteeinheit ist ferner ausgestaltet, die Laufzeit von Licht im Referenzlichtwellen- leiter bei der Ermittlung des Abstands zu berücksichtigen.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbei¬ spiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale sche- matisiert dargestellt. Es zeigen
Figur 1 einen Ausschnitt aus einer Turbine und
Figur 2 zwei Anordnungsschemata für Lichtwellenleiter. Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Gasturbine 10 stell¬ vertretend für alle möglichen drehenden Maschinen. Die Gasturbine hat eine Turbinenwand 11 sowie eine rotierende Lauf¬ schaufel 12. Zu überwachen ist der Abstand der obersten Spitze der Laufschaufei 12 von der Turbinenwand 11. Hierzu ist die Turbinenwand 11 mit einer Bohrung versehen, durch die ei¬ ne Hülse 13 geführt ist. Die Größe der Elemente in Figur 1 ist generell nicht maßstabsgetreu.
Die Hülse 13 dient als Führung für einen ersten Lichtwellen- leiter 14 und einen zweiten Lichtwellenleiter 15. Der erste
Lichtwellenleiter 14 ist eine Singlemode-Faser und ist außerhalb der Gasturbine 10 mit einer Laserdiode einer Leistung von 15 mW verbunden. Die Laserdiode 16 speist Lichtsignale in den ersten Lichtwellenleiter 14 ein. Diese treten am anderen Ende des ersten Lichtwellenleiters aus diesem aus und werden durch die Linse 18 in Richtung der Laufschaufel 12 fokus- siert. An der Laufschaufei 12 tritt eine Streuung der Licht- signale ein, wobei ein Teil der Lichtsignale in Richtung der Linse 18 zurückreflektiert wird. Nach erneutem Durchtritt durch die Linse 18 fällt ein Teil des rückgestreuten Lichts in einen zweiten Lichtwellenleiter 15. Bei dem zweiten Lichtwellenleiter 15 kann es sich konkret um einen Lichtwellenlei- ter mit großem Querschnitt oder ein Bündel von Lichtwellenleitern handeln.
Beispiele für die Anordnung der Lichtwellenleiter 14, 15 sind in Figur 2 dargestellt. Eine mögliche Anordnung, die der An- Ordnung in Figur 1 entspricht, ist die Nebeneinanderverlegung des ersten und zweiten Lichtwellenleiters 14, 15. Dabei hat der zweite Lichtwellenleiter 15 einen wesentlich größeren Querschnitt als der erste Lichtwellenleiter 14. Eine zweite Alternative besteht darin, dass der zweite Licht¬ wellenleiter 15 aus mehreren einzelnen Fasern besteht, die beispielsweise symmetrisch um den ersten Lichtwellenleiter 14 herum verlegt sind. Je mehr Fläche der zweite Lichtwellenlei¬ ter 15 dabei abdeckt, desto mehr optische Leistung kann zu- rücktransportiert werden und desto genauer wird die Messung.
Das zurück gestreute Licht läuft durch den zweiten Lichtwel¬ lenleiter 15 zu einem Photodetektor 17. Dort wird das Licht aufgenommen und in elektrische Signale gewandelt. Eine in Fi- gur 1 nicht gezeigte Auswerteeinrichtung wertet den zeitli¬ chen Abstand zwischen Aussenden des optischen Signals durch die Laserdiode 16 und dem Eintreffen des zurück gestreuten optischen Signals aus. Die Laserdiode 16 beschickt neben dem ersten Lichtwellenlei¬ ter 14 auch einen Referenzlichtwellenleiter 19. Der Referenzlichtwellenleiter 19 ist parallel zum ersten und zweiten Lichtwellenleiter 14, 15 verlegt. Daher erfährt der Referenz- lichtwellenleiter 19 praktisch die gleichen thermischen Einflüsse wie die ersten beiden Lichtwellenleiter 14, 15.
Der Referenzlichtwellenleiter 19 weist an seinem Ende, das auf gleicher Höhe wie die Enden von erstem und zweitem Lichtwellenleiter 14, 15 liegt, eine Verspiegelung auf. Hierdurch wird das eingestrahlte Licht direkt rückreflektiert und somit die Laufzeit über die Länge der Lichtwellenleiter messtechnisch direkt ermittelt.
Beispielsweise kann bei Verwendung des Referenzlichtwellenleiters 19 von der gesamten verstrichenen Laufzeit des optischen Signals die Laufzeit des optischen Signals durch den Referenzlichtwellenleiter abgezogen werden. Übrig bleibt dann die doppelte Laufzeit über den zu vermessenden Abstand sowie die Distanz zwischen dem Ende der Lichtwellenleiter 14, 15 und der Linse 18.

Claims

Patentansprüche
1. Abstandssensor für drehende elektrische Maschinen und Turbinen (10) mit
- wenigstens zwei Lichtwellenleitern (14, 15) zur Führung eines optischen Hinsignals und eines optischen Rücksignals,
- einer Lichtquelle (16) zur Erzeugung des optischen Hinsignals,
- einem Fotodetektor (17) zur Aufnahme des optischen Rücksig- nals, das aus dem optischen Hinsignal durch Streuung an einem Messobjekt (12) hervorgeht,
- einer Auswerteeinheit,
derart angeordnet, dass das optische Hinsignal durch einen ersten der zwei Lichtwellenleiter (14) in den Bereich des zu vermessenden Abstands geleitet wird, dort nach Durchlaufen des Abstands und Reflexion als optisches Rücksignal durch ei¬ nen zweiten der zwei Lichtwellenleiter (15) zum Fotodetektor (17) geleitet wird,
wobei die Auswerteeinheit ausgestaltet ist, aus der Laufzeit der optischen Signale unter Berücksichtigung der Länge der Lichtwellenleiter (14, 15) die Länge des Abstands zu ermit¬ teln .
2. Abstandssensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Länge der Lichtwellenleiter (14, 15) wenigstens Im beträgt.
3. Abstandssensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Lichtquelle (16) eine Laserdiode (16), insbesondere eine Laserdio¬ de (16) mit wenigstens 10 mW Leistung, ist.
4. Abstandssensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste Lichtwellenleiter (14) eine Singlemode- Faser ist.
5. Abstandssensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste Lichtwellenleiter (14) mit einem Linsenkollimator (18) zum Abstand hin abgeschlossen ist.
6. Abstandssensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der zweite Lichtwellenleiter (15) ein Lichtwellenlei¬ ter-Bündel oder ein Lichtwellenleiter von großem Querschnitt ist .
7. Abstandssensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer oder mehreren Messeinrichtungen zur Messung der Temperatur der Lichtwellenleiter (14, 15), wobei die Auswerteeinheit ausgestaltet ist, die thermische Ausdehnung der Licht¬ wellenleiter (14, 15) bei der Messung des Abstands zu berücksichtigen .
8. Abstandssensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Referenz-Lichtwellenleiter (19), der parallel zu wenigstens einem der Lichtwellenleiter (14, 15) angeordnet und mit einem Spiegel abgeschlossen ist, wobei die Auswerteeinheit ausgestaltet ist, die Laufzeit von Licht im Referenz- Lichtwellenleiter (19) bei der Ermittlung des Abstands zu berücksichtigen .
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