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Patent Searching and Data


Title:
DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING A DISTANCE TO A REFLECTIVE OBJECT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/112278
Kind Code:
A1
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.

Inventors:
SCHICHT ANDREAS (DE)
WUCHENAUER THOMAS (DE)
ZIROFF ANDREAS (DE)
Application Number:
PCT/EP2010/052380
Publication Date:
October 07, 2010
Filing Date:
February 25, 2010
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
SCHICHT ANDREAS (DE)
WUCHENAUER THOMAS (DE)
ZIROFF ANDREAS (DE)
International Classes:
G01B7/14; G01S13/32; G01S13/36
Domestic Patent References:
WO2008040601A12008-04-10
Foreign References:
EP2042830A12009-04-01
US6856281B22005-02-15
DE19705769A11998-08-20
US6856281B22005-02-15
DE19705769A11998-08-20
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflekti- onsobjekt (3) mit den Schritten:

(a) Abstrahlen (Sl) eines Signals durch eine Antenne mit einer bestimmten Wellenlänge (λ) auf das Reflektionsobjekt (3) ;

(b) Kontinuierliches Messen (S2) der Amplitude und Phase ei- nes von dem Reflektionsobjekt (3) reflektierten Signals; und

(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.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der ermittelte Abstand als Näherungswert zwischenge- speichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein Reflektionspunkt (RP) aus dem von dem Reflektionsobj ekt (3) reflektierten Signal selektiert wird.

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.

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.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein eindeutiger Abstand aus dem uneindeutigen Abstand und dem zwischengespeicherten Näherungswert berechnet wird.

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.

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.

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.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, wobei sich das Reflektionsobjekt (3) mit einer konstanten Geschwindigkeit an der Antenne vorbei bewegt.

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.

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.

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.

14. Vorrichtung zur Ermittlung eines Abstandes zu einem Re- flektionsobjekt mit:

(a) einer Sende- und Empfangseinheit (9), die ein Signal mit einer bestimmten Wellenlänge (λ) auf das Reflektionsobjekt

(3) abstrahlt und ein von dem Reflektionsobjekt (3) reflek- tiertes Signal erfasst; und mit

(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.

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.

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.

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.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Reflektionsobjekt (3) ein rotierendes Bauelement ist, das sich in dem Gehäuse dreht.

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 ist

20. Turbine mit einer Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 19, wobei das Reflektionsobjekt (3) eine Turbinenschaufel ist.

21. Elektromotor mit einer Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 19, wobei das Reflektionsobjekt (3) ein Bauteil eines Rotors ist

22. Elektrogenerator mit einer Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 19, wobei das Reflektionsobjekt (3) ein Bauteil eines Rotors ist

23. Triebwerk mit einer Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 19, wobei das Reflektionsobjekt (3) eine Triebwerkschaufel ist.

24. Computerprogramm mit Programmbefehlen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 13.

25. Datenträger, der das Computerprogramm nach Anspruch 24 speichert .

Description:
Beschreibung

Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt, insbesondere einer Turbinenschaufel einer Gas- und Dampfturbine.

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.

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.

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 zum

Empfang von Mikrowellen vorgesehen. Die reflektierten Signale werden ausgewertet, um einen Radial- bzw. Axialspalt zwischen einem Schaufelrad und dem umgebenden Gehäuse zu bestimmen.

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.

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.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt mit den im Patentan- spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt mit den Schritten:

(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

(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.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der ermittelte Abstand als Nährungswert zwischengespeichert .

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Reflektionspunkt aus dem von dem rotierenden Reflektionsobj ekt reflektierten und gefilterten Signal selektiert .

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bewegt sich das Reflektionsobjekt mit einer konstanten Ge- schwindigkeit an der Antenne vorbei.

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.

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.

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.

Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt mit:

(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

(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.

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.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Vorrichtung ist die Antenne eine Aperturantenne, die ein mo- nofrequentes Radarsignal mit einer Wellenlänge im Millimeterbereich auf das Reflektionsobjekt abstrahlt.

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.

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.

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.

Die Erfindung schafft ferner einen Elektromotor mit einer

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.

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.

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.

Die Erfindung schafft ferner ein Computerprogramm mit Programmbefehlen zur Durchführung eines Verfahrens zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt mit den Schritten:

(a) Abstrahlen eines Signals durch eine Antenne mit einer be- stimmten Wellenlänge auf das Reflektionsobjekt ;

(b) Messen der Amplitude und Phase eines von dem Reflektion- sobjekt reflektierten Signals während einer Rotation des Re- flektionsobjekts; und

(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.

Die Erfindung schafft ferner einen Datenträger, der ein derartiges Computerprogramm speichert.

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.

Es zeigen:

Figur 1 ein Diagramm zur Darstellung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung eines Abstandes zu einem Re- flektionsobjekt ;

Figur 2 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln eines Abstandes zu einem Reflektionsobjekt ;

Figur 3 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figuren 4A, 4B Diagramme zur Darstellung einer Signalrekonstruktion bei einem Punktreflektor, wie es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird;

Figur 5 ein Diagramm zur Darstellung eines Phasenverlaufs von Rekonstruktionsergebnissen einer Re- flektion von einem Punktreflektor, wie es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird;

Figuren 6A, 6B, 6C Diagramme zur Erläuterung einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; Figur 7 ein Diagramm zur Darstellung einer möglichen

Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figur 8 ein Diagramm zur Darstellung einer möglichen

Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

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.

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.

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.

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.

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 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 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 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-

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.

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.

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.

Die Einstellung des Fokussierabstandes als Parameter der Punkt-Zielantwort erfolgt gemäß verschiedener Kriterien.

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.

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.

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.

Die verschiedenen Kriterien können alternativ oder kumulativ herangezogen werden.

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.

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.

Figuren 6A, 6B, 6C verdeutlichen die Vorgehensweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes d zu einem Reflektionsobjekt 3.

Figur 6A zeigt schematisch eine Turbinenschaufel 3 mit einer Dichtungslippe 7, wobei die Turbinenschaufel 3 und die Dichtungslippe 7 das Reflektionsobjekt 3 bilden.

Figur 6B zeigt den Signalamplitudenverlauf A MF (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 A MF (x) des reflektierten Signals mit einer Signalamplitude, die oberhalb eines einstellbaren Schwellenwertes SW liegt.

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:

Das reflektierte Signal wird anschließend gefiltert, wobei das Reflektionssignal mit (dem aus der Punkt-Zielantwort ermittelten) dem Matched Filter 11 gefaltet wird:

Hierbei wird der Parameter d F oκ in einem vorgegebenen Wertebereich variiert. Anschließend wird aus den Filterergebnissen das gefilterte Reflektionssignal derart selektiert, dass die Phase φ konstant ist.

Daraus ergibt sich ein Nährungswert bzw. Schätzwert d SC h at z für den zu ermittelnden Abstand d:

Selektiere r MF {t,d FOK ) derart , dass φ MF {x) = konst, dann gilt :

" schätz = "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.

Selektiere r MF {t,d FOK ) = RP , wobei A RP =A MAX )SW .

Für diesen selektierten Reflektionspunkt RP wird die Phase Φ EDGE ermittelt, wie in Figur 6C dargestellt.

Aus der ermittelten Phase Φ EDGE 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:

λ_ d mess = ΨEDGE ■λ + k ■— wobei λ die Wellenlänge des abgestrahlten Aπ 22 Signals und k eine natürliche Zahl ist.

Anschließend wird ein eindeutiger Abstand aus dem uneindeutigen Abstand und dem zwischengespeicherten Nährungswert berechnet. Hierzu wird k derart gewählt, dass:

| d meS s -dschatz | "> min

Durch diese Vorgehensweise kann eine 2 π -Phasenmehrdeutigkeit beseitigt werden.

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.

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.

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.

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 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 einem weiteren Anwendungsbeispiel kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 auch in einem Triebwerk vorgesehen werden, wobei das Reflektionsobjekt 3 durch eine Triebwerkschaufel 3 gebildet ist.

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.

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.

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.