Brevet FR2539872A1 — publié le 19840727

Dispositif de pyrométrie à radiations. La présente invention concerne un dispositif de pyrométrie à radiations comprenant un pyromètre à radiations et un circuit de détection pour four- nir une indication de température. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de pyrométrie dans lequel l'effet de bruit est réduit. Les pyromètres à radiations utilisés dans les moteurs à turbine à gaz pour fournir une indication de la température des aubes de la turbine, sont affectés par du bruit causé par-le passage de particules surchauffées, telles que des particules de carbone, et de flammes dans le champ du pyro- mètre Faute de mesures adéquates pour compenser ou pour réduire l'effet de ces anomalies, l'appareil peut délivrer une mesure imprécise de la température Les phénomènes de bruit aux hautes températures sont en gé- néral de nature transitoire et par conséquent leur effet peut être réduit en diminuant la rapidité de réponse du dispositif de pyrométrie Cette technique peut être utile pour réduire le bruit, mais elle présente le désavantage de rendre le dispositif inapte à répondre aux autres phéno- mènes transitoires, tel que le passage d'une aube surchauffée devant le pyromètre Un autre désavantage des pyromètres à réponse lente réside dans le fait que des signaux transitoires qui sont unipolaires par nature,au- ront pour effet d'entretenir un bruit de fond qui produit des erreurs dans l'estimation de la température moyenne Dans l'optique d'une annon- ce des pannes du moteur grâce à la détection de la température d'aubes isolées, un pyromètre à réponse lente présente donc des désavantages é- vidents. Par conséquent, l'objet de la présente invention consiste à fournir un dispositif de pyrométrie dans lequel l'effet de bruit peut être réduit tout en évitant les inconvénients mentionnés ci-dessus. Dans ce but, la présente invention concerne un dispositif de pyrométrie du type spécifié ci-dessus, caractérisé en ce que le circuit de détection produit un premier signal représentant sensiblement la valeur minimale de la sortie du pyromètre, et un second signal, à des moments prédéter- minés, représentant la valeur instantanée de la sortie du pyromètre. 2 - Selon une forme de réalisation avantageuse, le circuit de détection peut comporter un condensateur qui est déchargé progressivement à travers une résistance, et un inverseur qui inverse la sortie du pyromètre et qui dé- livre le signal inversé au condensateur pour le charger, pour que la char- ge du condensateur constitue le premier signal Le circuit de détection peut comporter une diode intercalée entre l'inverseur et le condensateur, cette diode étant connectée de manière à permettre le passage des signaux positifs en direction du condensateur Le circuit de détection peut com- porter un organe de commutation qui est connecté en parallèle avec la diode et qui est fermé à des moments prédéterminés, de façon à court- circuito Ela diode pour délivrer le second signal Le circuit de détec- tion peut comporter un oscillateur pour commander le fonctionnement de l'organe de commutation Le second signal peut être délivré à un organe de stockage agencé pour se décharger progressivment selon une période de temps plus longue que les intervalles séparant lesdits moments prédéter- minés, de telle manière que la sortie de l'organe de stockage soit re- présentative d'une température de crête Le dispositif peut être utilisé pour le contrôle des aubes d'une turbine à gaz, et dans une tçlle appli- cation, la période de décharge du condensateur est sensiblement plus lon- gue que l'intervalle de temps séparant les passages de deux aubes adja- centes dans le champ du pyromètre Les moments prédéterminés de produc- tion du second signal ont alors une fréquence approximativement égale à la fréquence de rotation de la turbine La diode peut être courteir- cuitée pendant des périodes qui sont sensiblement égales à la durée du passage d'une aube dans le champ du pyromètre. La présente invention est illustrée par la description donnée ci-dessous à titre d'exemple, d'un dispositif de pyrométrie selon l'invention des- tiné à une turbine à gaz, en référence aux dessins annexés dans les- quels la figure i représente schématiquement un signal de sortie typique d'un pyromètre, la figure 2 représente le signal de sortie après inversion par le dis- positif, 38 la figure 3 représente le signal inversé de la figure 2 à une échelle -3- agrandie, la figure 4 représente un signal produit par le dispositif, la figure 5 représente schématiquement le dispositif de pyrométrie, et les figures 6 A à 6 E représetent un série de signaux produits dans le dispositif de pyrométrie. La figure 1 représente schématiquement sa > sortie typique d'un pyromètre dirigé sur les aubes d'un moteur à turbine à gaz Chaque fois que la partie la plus chaude d'une aube passe devant le pyromètre, il apparaît un accroissement de l'intensité de radiation, donc de la température captée par le pyromètre Ceci produit une sortie pulsée du pyromètre, à une fréquence d'environ 20 à 25 k Hz, en fonction du nombre des aubes et du régime du moteur Ainsi, les impulsions B s'élèvent jusqu'à la température maximale, correspondant à la partie la plus chaude de l'au- betet s'abaissentjusqu'à la température minimale, correspondant à la partie la plus froide de l'aube L'écart entre ces deux températures est en général d'environ 1000 C, la température des aubes étant voisine de 9000 C En général, le pyromètre n'a dans son champ qu'une certaine partie des aubes de turbine, de sorte que sa sortie ne dépend que de la température de cette zone limitée qui se trouve dans wn champ. Le passage d'une particule incandescente de carbone produit une impulsion C de grande amplitude quegtélever jusqu'à environ 12000 C et durer entre l Oys et 10 ms La fréquence de ces impulsions est beaucoup plus basse que celle des impulsions produites par les aubes elles-mêmes, si bien qu'elles peuvent être éliminées en moyennant la sortie du pyromètre, par exemple en utilisant un pyromètre à réponse lente Cependant, il y a lieu de remarquer qu'une telle technique ne permettrait pas la détection d'une température excessive d'une aube isolée. Des interférences ou du bruit peuvent également être provoqués, spé- cialement au cours du démarrage du moteur, par le passage de flammes de- vant le pyromètre; ceci produit des impulsions de haute température dont la durée est plus grande. 39 Conformément à la présente invention, la sortie du pyromètre est tout d'a- -4 - bord inversée par le dispositif, comme le montre la figure 2, si bien que les impulsions C de haute température ont une valeur plus faible que les impulsions normales B des aubes Une partie du graphique de la figure 2 est représentée à une échelle agrandie sur la figure 3. Le principe de la présente invention consiste à permettre aux impulsions qui correspondent aux basses températures, et qui ont maintenant un ni- veau élevé, de charger un condensateur dont on permet la décharge progres- sive selon un taux présélectionné La sortie du condensateur est repré- sentde en traits continus sur la figure 4, en superposition avec la sortie inversée On peut constater que les parties d'amplitude élevée d'une impul- sion chargent complètement le condensateur, et que quand l'impulsion re- vient à une amplitude plus faible, le condensateur suit cette décroissance selon un taux tel que la diminution d'amplitude n'est pas significative avant l'apparition de la crête de la prochaine impulsion positive Par conséquent, la tension dans le condensateur est sensiblement constante et égale aux parties d'amplitude élevée du signal inversé En cas d'ap- parition d'une impulsion C de basse amplitude, correspondant à une haute température, par exemple une impulsion causée par des particules incan- descentes de carbone, le condensateur fonctionne de même et sa valeur stockée ne diminue pas de manière significative avant l'apparition de la prochaine impulsion positive. La figure 5 représente le dispositif de pyromètrie effectuant ces opéra- tions Le dispositif est installé dans un moteur à turbine à gaz, indi- qué globalement par 1, et il comprend un pyromètre à radiations 10 clas- sique à haute résolution,qui est monté de telle façon que les aubes 2 de la turbine passent dans le champ du pyromètre La sortie du pyro- mètre 10 présente la forme illustrée sur la figure 1 et est transmise par un câble 11 à un circuit de détection 20 Le câble 11 peut être cons- titué par un câble électrique ou par un câble à fibre optique -Un inver- seur-amplificateur 21 monté dans le circuit de détection 20 reçoit les signaux du pyromètre,quoique si ces signaux sont sous forme optique, ils doivent d'abord être convertis en signaux électriques analogiques L'in- verseur 21 délivre sur le conducteur 22 des signaux de sortie qui sont du type représenté sur les figures 2 et 3, et qui sont transmis à l'ano- de d'une diode 23 ou d'une autre organe à courant unidirectionnel Les signaux traversant la diode 23 sont appliqués à une électrode d'un con- densateur 24, dont l'autre électrode est reliée à la terre Une résistance 25398 f 2 - est reliée à la terre en parallèle avec le condensateur La borne commune du condensateur 24 et de la résistance 25 est connectée, à tra- vers un bloc de traitement 26, avec un organe d'affichage 27 qui affi- che la température des aubes sous forme d'une valeur moyenne ou d'une va- leur de crête Il y a lieu de remarquer que la sortie pourrait être délivrée à d'autres organes fonctionnels, pour la commande du moteur, l'enregistrement de données ou dans d'autres buts. Un organe de commutation 30 du type CMOS est connecté en parallèle avec la diode 23 et, lorsqu'il est actionné, a pour effet de courteircuiter la diode On provoque la commutation de l'organe de commutation 30 à une fréquence d'environ 220 Hz (c a d approximativement égale à la fréquence de rotation de la turbine) soit par un oscillateur 31, soit par des si- gnaux délivrés sur le conducteur 32 par un capteur adéquat (non représen- té) en synchronisme avec la rotation de la turbine L'organe de commu- tation 30 se trouve normalement hors service, pendant que le dispositif fournit un signal de température moyenne, et se trouve en service sous l'effet d'un sélecteur 33 lorsqu'on désire un signal de température de crête. Dans le mode normal, correspondant à une température moyenne, les signaux inversés du conducteur 22 chargent le condensateur 24 durant la phase d'amplitude élevée de chaque impulsion, comme le représente la figure 4. Durant la phase d'amplitude basse ou négative de chaque impulsion, le condensateur 24 se décharge progressivement à travers la résistance 25; en effet, la diode 23 isole le condensateur 24 de l'inverseur 21 et em- pêche ainsi que la charge du condensateur revienne immédiatement à la valeur de basse amplitude La valeur de la résistance 25 est choisie de telle façon que la constante de temps soit assez longue pour empêcher que le condensateur se décharge de manière significative durant la phase de basse amplitude des impulsions B des aubes, ainsi que durant les im- pulsions parasites C Il en résulte un signal relativement constant qui est ensuite lissé et réinversé par le bloc de traitement 26, avant d' être délivré à l'organe d'affichage 27 pour indiquer-une température mo- yenne des aubes, qui est approximativement égale à la température minimale des aubes On remarquera que cet organe peut être gradué selon les besoins pour donner la valeur moyenne désirée. 6 - Lorsqu'on désire une indication de la température maximale d'une aube quelconque, on actionne le sélecteur 33 pour mettre en service l'organe de commutation 30 Celui-ci courtcircuite la diode 23 pendant des périodes d'environ 50 >Us à une fréquence de 220 Hz, comme le représentent les impulsiorsde la figure 6 A Pendant les périodes au cours desquelles la diode 23 est courtcircuitée, le condensateur 24 peut suivre le signal transmis sur le conducteur 22 (représente sur la figure 68) et ainsi sa charge peut se trouver réduite par exemple, b la valeur d'une portion de basse amplitude du signal, correspondant à une température maximale, si la commutation se produit à ce moment-là Dès que l'organe de commutation est de nouveau ouvert de manière à mettre en circuit la diode 23, la charge du condensateur revient à sa valeur habituelle suivant la portion d'amplitude élevée du signal inversé La sortie transmise au bloc de traitement 26 consiste alors, comme le représente la figure 6 C, en un signal d'amplitude élevée interrompu périodiquement par des pics néga- tifs S correspondant à une température élevée, à une fréquence de 220 Hz qui est approximativement égale au régime de rotation de la turbine La durée pendant laquelle la diode 23 se trouve ccurtcircuitée est approxi- mativement égale à la durée du passage d'une seule aube de la turbine. Comme la fréquence n'est pas exactement égale au régime de rotation de la turbine, l'écharlillonnage se produit progressivement sur des aubes différentes à chaque tour Les pics S ont toujours la même valeur du fait que l'échantillonnage est opéré sur différentes phases du signal inversé Le signal comportant les pics est transmis au bloc de traite- ment 26 o il est inversé (selon la figure 6 D) et transmis à un disposi- tif de stockage 28 tel qu'un ensemble condensateur résistance Le dis- positif de stockage 28 est chargé par les pics du signal et il se dé- charge selon une constante de temps d'environ 100 ms De ce fait, la charge du dispositif de stockage 28 ne change que si un pic dépasse cet- te charge, si bien que, en général, les signaux d'amplitude basse n' ont pas d'effet, tandis que les signaux d'amplitude élevée (correspon- dant aux températures maximales) accroissent la charge du dispositif de stockage, comme le montre la figure 6 E Le bloc de traitement 26 ef- fectue alors un lissage de la sortie du dispositif de stockage 28 et il utilise le signal résultant pour fournir à l'organe d'affichage 27 une sortie représentative d'une température de crête. -7 - Si l'on dispose d'un signal synchronisé avec la rotation de la turbine, on peut le transmttre par la ligne 32 à l'organe de commutation 30 de manière que la diode 23 ne soit courtcircuitée que quand le pyromètre est braqué sur une aube déterminée, une aube différente étant choisie pour chaque mesure afin d'assurer que toutes les aubes soient mesurées en un temps aussi bref que possible. Ainsi, le dispositif selon l'invention est capable de fournir des si- gnaux représentatifs d'une température moyenne des aubes de turbine et d'une température de crête, ce qui permet de détecter tout échauffe- ment anormal de certaines aubes. Au lieu d'un dispositif inverseur, comme décrit ci-dessus, on pourrait utiliser un dispositif non inverseur avec un détecteur de pics néga- tifs. -8- Revendications 1 Dispositif de pyrométrie à radiations comprenant un pyromètre à ra- diations et un circuit de détection pour fournir une indication de tem- pérature, caractérisé en ce que le circuit de détection ( 20) produit un premier signal représentant sensiblement la valeur minimale de la sortie du pyromètre ( 10 i, et un second signal, à des moments prédéterminés, re- répsentant la valeur instantanée de la sortie du pyromètre. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de détection ( 20) comporte un condensateur ( 24) qui est décharge progres sivement à travers une résistance ( 25), et un inverseur ( 21) qui inverse la sortie du pyromètre et qui délivre le signal inversé au condensateur pour le charger, pour que la charge du condensateur constitue le premier signal. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de détection ( 20) comporte une diode ( 23) intercalée entre l'inverseur ( 21) et le condensateur ( 24), cette diode étant connectée de manière à permettre le passage des signaux positifs en direction du condensateur. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit de détection ( 20) comporte un organe de commutation ( 30) qui est connecté en parallèle avec la diode ( 23) et qui est fermé à des moments prédéter- minés, de façon à courteircuiter la diode ( 23), pour délivrer le second signal. 5 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de détection ( 20) comporte un oscillateur ( 31) pour commander le fonction- nement de l'organe de commutation ( 30). 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second signal est délivré à un organe de sto- ckage ( 28) agencé pour se décharger progressivement selon une période de temps plus longue que les intervalles séparant lesdits moments prédéter- minés, de telle manière que la sortie de l'organe de stockage ( 28) soit 34 représentative d'une température de crête. 2539 ? 72 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, pour le contrôle des aubes d'une turbine à gaz, caractérisé en ce que la période de décharge du condensateur ( 24) est sensiblement plus longue que l'in- tervalle de temps séparant les passages de deux aubes ( 2) adjacentes dans le champ du pyromètre ( 10). 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour le contrôle des aubes d'un turbine à gaz, caractérisé en ce que les- dits moments prédéterminés de production du second signal ont une fré- quence approximativement égale à la fréquence de rotation de la turbine. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moments prédéterminés de production du second signal ont une fréquence légèrement différente de la fréquence de rotation de la turbine, de telle manière que les seconds signaux successifs correspondent à des aubes ( 2) différentes à chaque tour. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, pour le contrôle des aubes d'une turbine à gaz, caractérisé en ce que la diode ( 23) est courtcircuitée pendant des durées qui sont sensiblement égales à la durée du passage d'une aube dans le champ du pyromètre.