专利名称：间隙测量系统及其操作方法
技术领域：
本发明大体上涉及探头(probe )和传感器系统，更具体地涉及用于 测量两物体之间的间隙的探头。
背景技术：
各种类型的探头和传感器系统已被用于测量两物体之间的距离。另 外，探头系统已被用于各种应用中。例如，涡轮机具有多个布置在护罩 (shroud)附近的涡轮叶片。涡轮叶片和护罩之间的间隙随涡轮叶片的 温度而变化。例如，护罩和涡轮叶片之间的间隙在涡轮机很冷时最大， 并随着涡轮机的加热而逐渐减小。所希望的是，为了涡轮机安全有效的 运转应维持涡轮叶片和护罩之间的空隙或间隙。可在涡轮机内放置传感 器以测量涡轮叶片和护罩之间的距离。该距离可用于引导护罩移动以维 持护罩和涡轮叶片之间所希望的位移。
诸如涡轮机和压缩机之类的旋转部件的效率还受到旋转叶片和部件 外壳之间的空隙或间隙的强烈影响。通常，最小化空隙会使这些部件的 效率最大化。然而，为了防止旋转叶片碰到部件外壳，小量的间隙是理 想的。在某些应用中，电容探头被用于测量两物体之间的距离。该探头 被安置在其中一个物体上并测量相对于另一物体的电容，从而估计两物 体之间的间隙。然而，对于高温应用，例如燃气涡轮，由于使设备在恶 劣工作环境中工作所必需的要求很严格，所以现有的设备价格昂贵并且 制造困难。
因此，存在对解决上述问题的改进的传感器系统的需求。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种间隙感测系统。该系统包括 与测试物体以可变距离d间隔开的探头。该系统还包括用于提供电流通 过探头的交流(AC)电源，其中AC电源和探头被配置成在探头的尖端 和测试物体之间产生受控的等离子体通道。该系统进一步包括处理单 元，被配置成根据所述探头的尖端和测试物体之间的电压差来确定所述 可变距离d
根据本发明的另 一个实施例，公开了 一种测量到导电旋转物体的距
离的方法。该方法包括将探头放置在距离导电旋转物体具有可变距离d 之处。该方法进一步包括启动并稳定探头的尖端和导电旋转物体之间的 等离子体放电。该方法进一步包括测量电压降、流过在探头的尖端和导 电旋转物体之间形成的等离子体的电流以及该探头的阻抗中的至少一 项。另外，该方法包括根据电压降、电流和阻抗中的至少一项来确定到 导电旋转物体的距离。
当参照附图阅读以下详细说明，本发明的这些及其它特征、方面和 优势将被更好地理解，在附图中，相似的符号表示相似的部分，其中图1是根据本发明实施例的用于以射频启动并稳定等离子体的探 头系统的图解说明； '图2是表示图1中的探头系统的等效电路；图3是根据本发明实施例的用于以射频启动并稳定等离子体的屏 蔽式探头系统的示意性图示；图4是表示图3中的屏蔽式探头系统的等效电路；图5是根据本发明实施例的间隙感测系统的框图表示；图6是图5中的间隙感测系统的特定示例的框图表示；图7是说明测量旋转物体的间隙的方法的示范性步骤的流程图；图8是试验台的一部分的示意性图示；以及图9是在图l和图3的探头系统的尖端和图8中的突起之间所测量 的电压降的图形图示。 部件列表 IO.等离子体探头 12.内部导体 14. AC电压源 16.外部导体 18.线圏 20.第一电极 22.第二电极 24.空隙26.等离子体放电 28.地 30.等效电路 32.电感器 34.电容器 36.电阻器 38.传输线 40.寄生电容 42泄露电阻 44.传输线的一端 46.负载60.屏蔽式探头系统 62.中央导体 64. AC电压源 66.第一电极 68.外部导体 70.线圏 72.第二电极 74.空隙76.热等离子体放电 78.屏蔽 90.等效电路 92.电感器 94.电容器 96.电阻器 98.泄露电阻器 100.电容器 102.传输线的一端 104.负载110.间隙感测系统 112.探头 114.测试物体 116.可变距离d 118. AC电源
120.受控的等离子体通道
124.处理单元
134.RF载波源
136.RF放大器
138.RF载波信号
140.衰减器
142.衰减的信号电平
144.解调器
146.包络信号
150.测量到导电旋转物体的距离的方法
152.将探头放置在距离导电旋转物体的可变距离d处
154.启动和稳定探头的尖端和导电旋转物体之间的等离子体放电
156.测量电压降、流过形成于探头的尖端和导电旋转物体之间的等 离子体的电流、以及探头的阻抗中的至少一个；
158.基于电压降、电流和阻抗中的至少一个来确定到导电旋转物体 的距离
160.试验台
162.突起
164.中央部分
166.边缘
168.中央台地
180.图形图示
182.表示经过的时间(以秒计)的X-轴 184.表示包络信号的电压的Y-轴 186.峰值
188.在中央台地测量的电压 190.在底部台地测量的电压
具体实施例方式
如在下文详细论述的，本发明的实施例包括间隙感测系统及其操作 方法。如在此所使用的，"等离子体放电(plasma discharge)"指的 是在大气压下并且在大于约lMHz频率的射频下产生的等离子体。
现在转到附图，图1是用于启动和稳定等离子体的系统10的示意
性图示。系统10还可以被称作等离子体探测器10。等离子体探测器IO 包括耦合到交流(AC)电压源14的内部导体12。在所示实施例中，包 括多个线圏18的外部导体16被环绕内部导体12排列。外部导体16的 一端被耦合到AC电压源14，并且在相反端形成第一电极20。第二电极 22与第一电极20间隔开一个空隙24,用于启动等离子体放电26。在特 定实施例中，内部导体12包括形状为圆柱的导体。在另一个实施例中， 内部导体12包括导线。在一个例子中，外部导体16是螺线管。在示范 性实施例中，内部导体12是接地的。在另一个实施例中，外部导体16 通过AC电压源14接地。在一个例子中，等离子体放电26启动大气压 下的射频等离子体，且频率在约6MHz到约7. 5MHz之间的范围中。在特 定实施例中，内部导体12和外部导体16被配置成升高由AC电压源14 供应的电压至少约20dB以启动等离子体26。图2是图1中的等离子体探头10的等效电路30。对于所示实施例， 图1中所提及的内部导体12和图1中所提及的外部导体16被配置成串 联LC电路，其中L是由电感器32表示的外部导体16的电感，而Cs是 由电容器34表示的内部导体12和外部导体16之间的电容。电感器32 可以具有由电阻器36表示的小的实数值电阻。在特定实施例中，电阻 36可以在约10到约IOO欧姆之间变化。图1中所提及的等离子体探头 10使用通过内部导体12和外部导体16的分布式传输线38，从而起四 分之一波长变换器的作用。外部导体16可包括如图1所提及的很多线 圏18以增加每单位长度的电感。线圈18可包括线图18每一个之间的 寄生电容40并且其远小于由。标示的电容34。因此，电容40可被忽略。 电路30还可包括电容34的泄漏电阻42并由G表示。泄露电阻"可以 很小，从而可被忽略。在等离子体被启动之前，因为不存在负栽，所以AC电压源"看到 的是开路传输线。等效电路30在四分之一波长处发生谐振。当电源的 频率在传输线38中产生驻波以使传输线38的物理长度是驻波波长的四 分之一时，四分之一波长谐振发生。因此，电源14在引起负栽46的传 输线38的一端44看到的是短路。这导致大量电流被驱入传输线38。所 产生的大电流通过电感器32和电容器34。此外，电感器32的阻抗，由 2丌fL给出，其中f是电源14的频率，因为L和f都很大，所以该阻抗 也很大。因此，在电感器32两端的电压降就很大，从而在传输线M的
端44导致高电压。该高电压在负栽46启动等离子体的产生。
等离子体的产生导致传输线38在负栽46短路。在这样的情形中， 被驱入传输线38的电流可具有两条路径。其中一条通过如上所述的电 感器32,且另一条通过负栽46而绕过电感器32。因此，电流被分成两 路，并且较少的电流量流过电感器32。这导致电感器32两端电压降较 低，其也是通过在负载46所产生的等离子体的电压。因此，进入等离 子体的电流被减小，从而增大了等离子体电阻。产生了非常快的负反馈 回路，从而稳定了在负载46所产生的等离子体。因此，等离子体探头 10在启动等离子体并随后将电压稳定到所需值从而不会使等离子体消 除并同时防止任何可能的烧坏中起着重要作用。
在所示的本发明的另一个实施例中，图3描述了用于启动和稳定等 离子体产生的屏蔽式探头系统60。系统60包括一端耦合到AC电压源64 并在相反端形成第一电极66的中央导体62。系统60还包括外部导体 68,所述外部导体68包括环绕中央导体62排列的多个线圏70。对于所 示的实施例，外部导体68的一端被耦合到AC电压源64并在相反端形 成第二电极72。第一电极66和第二电极72由空隙74隔开以启动等离 子体放电76。与非屏蔽式探头热等离子体放电相比，屏蔽式探头系统60 可启动更高温度的等离子体放电。系统60进一步包括屏蔽78,其与中 央导体62同心放置以用于屏蔽电磁干扰。外部导体68产生的磁场被压 缩并存在于中央导体62和屏蔽78之间的空间中。中央导体62和外部 导体68可被配置成升高AC电压源64的电压大约30dB。绝缘材料80可 放置在中央导体62和屏蔽78之间。在特定实施例中，绝缘材料80可 包括陶瓷绝缘材料。在示例中，屏蔽78可包括同心并相互连接的内部 导电圆柱体和外部导电圆柱体，并且其中外部导体68可放置在内部和 外部导电圆柱体之间。
图4是图3中的屏蔽式探头系统60的等效电路90。对于所示的实 施例，图3中的中央导体62和图3中的外部导体68被配置成串联LC 电路。图3中所提及的屏蔽78的存在降低了电路90中的有效电感并增 加了有效电容。该有效电感等同于由电感器92表示的(L-M),其中L 是中央导体的电感而M是中央导体62和屏蔽78之间由于涡流损耗而造 成的互感。该有效电容等同于由电容器94表示的(C" + C")，其中C" 是中央导体62和外部导体68之间的电容，而C"是屏蔽78和外部导体
68之间的电容。电感器92可具有由电阻器96表示的小的实数值电阻， 其中该电阻包括由于涡流损耗而引起的电阻。电容器94可包括由泄露 电阻器98表示的可忽略的泄露电阻。电路90还可包括由图3所提及的 线圏70的每一个之间的电容器100表示的可忽略的寄生电容。因为该 有效电感较小，并且存在更多涡流形式的损耗，所以启动等离子体放电 所需的电压有所增加。等离子体放电的启动导致在具有负载104的一端 102短路。因此，与图1中所描述的等离子体探头相比，这可导致效率 更低的等离子体探头。
图5是间隙感测系统110的框图表示。系统110包括与测试物体114 以由'd，表示的可变距离116间隔开的探头112。在特定实施例中，测 试物体114是导电旋转测试物体114。在特定实施例中，探头112可包 括由选自鴒、铁、镍和铝这一组中的材料制成的导线。在另一个实施例 中，探头112可以是射频(RF)等离子体探头。例如，RF等离子体探头 的工作频率可在约6MHz到约7. 5MHz之间的范围。在特定实施例中，RF 等离子体探头是如图1所描述的非屏蔽式等离子体探头。在另一个实施 例中，RF等离子体探头是屏蔽式等离子体探头，如图3中所描述的。提 供交流(AC)电流源118，用于向探头112供应电流。对于特定实施例， AC电源118向探头112供应恒定幅度的电流。受控的等离子体通道120 可在探头112的尖端和测试物体114之间产生。等离子体通道的阻抗主 要是电阻性的并可依赖流过等离子体通道的电流、通道长度及通道中气 体性质(例如气体成分、压力和温度)而在约1千欧姆和500千欧姆的 范围中变化。在某些实施例中，等离子体是通过使用恒定电流、高频(至 少大约20kHz)电源118而被稳定的。电压和电流探头122可被用于测 量探头112的尖端和旋转测试物体114之间的电压差。系统110还包括 处理单元124,其被配置成根据在探头112的尖端和旋转测试物体114 之间所测量的电压差来确定可变距离'd， 116。该电压差对应于探头112 的阻抗的变化。探头112的阻抗的变化与距离'd， 116成比例。在特定 实施例中，处理单元124被配置成比较所测量的阻抗的变化与校准数据 以确定'd， 116。在示例中，旋转测试物体114可以是涡轮机或压缩机 的一部分，例如涡轮叶片。在另一个实施例中，可变距离'd， 116可以 在约1 iam到约20mm之间的范围中。
应该注意到，本发明并不限于用于执行本发明的处理任务的任何特
定处理单元。术语"处理单元，，，正如在此所使用的，旨在表示任何能 够执行对于执行本发明的任务所必需的计算或者估算的机器。术语"处 理单元，，旨在表示任何能够接受结构化的输入并能够根据所规定的规则 来处理所述输入以产生输出的机器。还应该注意到，在此所使用的短语 "配置成，，指的是处理单元配备有硬件和软件组合，用以执行本发明任 务，如将被本领域技术人员所理解的那样。图6是特定的示范性间隙感测系统110的框图表示。在所示实施例 中，AC电流源包括RF栽波源134。来自RF载波源134的RF信号132 被馈入用于放大RF信号132的RF放大器136。在所示实例中，RF放大 器136将RF信号放大50dB。放大的RF栽波信号138被输入到如图5所 提及的RF等离子体探头112，以在如图5所提及的RF等离子体探头112 和旋转测试物体114之间的空隙116产生并维持等离子体。如上所述， 等离子体通道的阻抗主要是电阻性的并可依赖流过等离子体通道的电 流，通道长度以及通道中的气体性质而在约1千欧姆和500千欧姆的范 围中变化。 一旦等离子体被启动，负栽的阻抗就会增加。在示例中，阻 抗可从约50欧姆增加到约3千欧姆。来自RF放大器136的放大的栽波 信号138被馈入衰减器140,以将放大的RF载波信号138的电压降低到 衰减的信号电平142并在不改变所产生的等离子体的阻抗的情况下测量 电压。在所示实施例中，衰减器140是具有(例如，约10千欧姆到约 IOO千欧姆的)阻抗的高阻抗衰减器。衰减的信号142然后被输入到解 调器144，所述解调器144将包络信号146从衰减的信号142中分离出 来。在诸如约7MHz的载波频率上存在来自各种源的多个电磁干扰信号。 为避免干扰信号，将包络信号146分离出来。包络信号146进一步被馈 入如图5所提及的处理单元124以监视包括信号146的电压变化。图7是说明测量到导电旋转物体的距离的方法150的示范性步骤的 流程图。方法15Q包括在步骤152将探头放置在距离导电旋转物体的可 变距离d处。在步骤154启动并稳定探头的尖端和导电旋转物体之间的 等离子体放电。在特定实施例中，通过在探头中供应反馈而稳定等离子 体放电，以便降低流过等离子体的电流。在步骤156，测量通过探头的 尖端和旋转物体之间的等离子体的电压降。在另一个实施例中，'在步骤 156，测量流过等离子体的电流。在又一实施例中，在步骤1"根据所 测量的电压降和电流而进一步确定阻抗。通常，复数阻抗等于所测量的
电压降与恒定幅度的电流的比率。在又一个实施例中，测量等离子体探头的阻抗。在步骤158根据所测量的电压、电流以及复数阻抗的幅值中 的至少 一个来为旋转物体确定间隙。间隙的确定包括比较复数阻抗与校 准数据。 示例围有所限制。 、、、； 、，,、、'、图8是试验台160的一部分的示意说明。试验台160包括突起162 和中央部分164，其中，突起162例如可表示涡轮叶片。突起162和外 壳或护罩(未示出)之间的间隙的最佳距离将被确定。此外，每个突起 162包括边缘166和中央台地(plateau)168。底部台地170表示中央部 分164的边缘。图9是在图5所提及的RF等离子体探头112的尖端和图8中的旋 转试验台16 0的各个部件之间所测量的电压差作为时间函数的图形图示 180。试验台160的尖端的旋转速度被设置为大约0. 4m/s。 X-轴182表 示经过的时间(以秒计)，而Y-轴184表示当旋转试验台的各个部件通 过等离子体放电时如图6所提及的包络信号144的电压。峰值186表示 在如图7所提及的涡轮叶片162的边缘166测量的电压。类似地，点188 表示在如图8所提及的突起162的中央台地测量的电压，而点190表示 在如图8所提及的突起162之间的底部台地测量的电压。突起162的边 缘166和中央台地168之间的距离约为1. 3mm。类似地，边缘166和底 部台地170之间的距离约为5mm。如所示，在边缘166和中央台地1" 之间测量的电压差约为0. 04V，而在边缘166和底部台地170之间测量 的电压差约为0. 055V。虽然在此仅说明和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将 会想到许多的修改和改变。因此，将要理解的是，随附的权利要求旨在 涵盖所有这样的落入本发明真实精神内的修改和改变。
权利要求
1.一种间隙感测系统(110)，包括探头(112)，所述探头与测试物体(114)间隔开一个可变距离d(116)；交流(AC)电流源(118)，用于供应电流通过探头(112)，其中AC电源(118)和探头(112)被配置成在探头(112)的尖端和测试物体(114)之间产生受控的等离子体通道(120)；和处理单元(124)，被配置成根据探头(112)的尖端和测试物体(114)之间的电压差来确定所述可变距离d(116)。
2. 如权利要求1所述的间隙感测系统(110)，其中探头(112) 包括射频等离子体探头。
3. 如权利要求2所述的间隙感测系统(110)，其中所迷射频等离 子体探头具有大于约1MHz的工作频率。
4. 如斥又利要求2所述的间隙感测系统(110 )，进一步包括射频(RF ) 放大器(136 )，被配置成从AC电源(118 )接收RF信号(138 )并向 射频等离子体探头供应放大的RF信号。
5. 如权利要求l所述的间隙感测系统(llO),其中测试物体(114)包括旋转测试物体。
6. 如权利要求l所述的间隙感测系统(110),进一步包括电压和 电流探头(122 ),被配置成测量探头(112 )的尖端和旋转测量物体(114 ) 之间的电压差。
7. 如权利要求1所述的间隙感测系统(110),其中处理单元(124) 进一步被配置成确定受控等离子体通道(120)的阻抗并且将该阻抗与 多个校准数据相比较，以确定所述可变距离d (116)。
8. —种用于测量到导电旋转物体的距离的方法，所述方法包括 将探头放置(152)在距离导电旋转物体具有可变距离d之处； 启动并稳定(154)探头的尖端和导电旋转物体之间的等离子体放电；测量(156)电压降、流过形成于探头的尖端和导电旋转物体之间 的等离子体的电流、以及所述探头的阻抗中的至少一项；以及根据所述电压降、电流以及阻抗中的至少一项来确定(158)到导 电旋转物体的距离。
9. 如权利要求8所述的方法(150),进一步包括在探头中供应反 馈以稳定等离子体放电，其中所述启动并稳定(150包括维持通过所述探头的恒定幅度的电流。
10. 如权利要求8所述的方法(150)，其中确定(158)到导电旋转物体的距离包括将所述阻抗与多个校准数据进行比较。
全文摘要
公开了一种间隙感测系统(110)。该系统(110)包括与测试物体(114)以可变距离d(116)相互隔开的探头(112)。该系统(110)还包括用于供应通过探头(112)的电流的交流(AC)电流源(118)，其中AC电源(118)和探头(112)被配置成产生所述探头(112)的尖端和测试物体(114)之间的受控等离子体通道(120)。该系统(110)进一步包括处理单元(124)，被配置成根据所述探头(112)的尖端和测试物体(114)之间的电压差来确定所述可变距离d(116)。
文档编号G01B7/14GK101153791SQ20071015324
公开日2008年4月2日 申请日期2007年9月29日 优先权日2006年9月29日
发明者A·迈 申请人:通用电气公司