(57)【要約】【課題】本発明は、タービンの動翼の動作状態を、通過する動翼の翼端に面する位置から監視するためのデバイス及び方法に関する。【解決手段】過酷なタービン環境内で特に改善された測定精度により、動翼の信頼性の高い監視を実行できるようにするため、本発明では、導波路が、共振器内に含まれ、共振器は、導波路上の電磁波の少なくとも１つの離散共振周波数を定め、その前端に開口を備えており、開口を通って、電磁波の一部分のエネルギーが翼端の方へ放射されることが可能になっており、デバイスが、瞬間的動作条件において電磁波の周波数を共振器の共振周波数に設定するように構成されている周波数調整ユニットと、翼端に向かって放射された電磁波の少なくとも１つの測定パラメータを翼端から反射された電磁波の対応する測定パラメータと比較するように構成されている測定ユニットとをさらに含むことを提案する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン（１）の動翼（３）の動作状態を、通過する動翼（３）の翼端（６）に面する位置から監視するためのデバイスであって、前記デバイスは、電磁波を発生させるための波源（１５）と、前記電磁波を前記翼端（６）の方に向けるための導波路（１１、３２、４１）とを含む、デバイスにおいて、
前記導波路（１１、３２、４１）が、共振器（１０、２５、３０、４０）内に含まれ、前記共振器（１０、２５、３０、４０）は、前記導波路（１１、３２、４１）上の前記電磁波の少なくとも１つの離散共振周波数を定め、その前端（８）に開口を備えており、前記開口を通って、前記電磁波の一部分のエネルギーが前記翼端（６）の方へ放射されることが可能になっており、
前記デバイスが、瞬間的動作条件において前記電磁波の周波数を前記共振器（１０、２５、３０、４０）の前記共振周波数に設定するように構成されている周波数調整ユニット（１８）と、前記翼端（６）に向かって放射された前記電磁波の少なくとも１つの測定パラメータを前記翼端（６）から反射された前記電磁波の対応する測定パラメータと比較するように構成されている測定ユニット（１９）とをさらに含む、ことを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記周波数調整ユニット（１８）は、少なくとも１つの所定の周波数範囲内で電磁波の周波数を変化させ、前記周波数変動に基づき前記共振周波数を決定するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記共振器（１０、２５、３０、４０）は、意図された動作温度範囲内のすべての温度について前記周波数範囲の少なくとも１つの周波数で共振するように構成されることを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記動作温度範囲は、少なくとも６００Ｋ、より好ましくは少なくとも９００Ｋ、最も好ましくは少なくとも１３００Ｋの温度値を含むことを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記共振器（１０、２５、３０、４０）は、少なくとも９００Ｋ、より好ましくは少なくとも１３００Ｋの温度に耐えられる材料からなることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記測定ユニット（１９）は、測定パラメータの前記比較を、前記共振器（１０、２５、３０、４５）と前記翼端（６）との間の半径方向間隙（Ｒ）にロジックで関係付けるように構成されることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記測定ユニット（１９）は、測定パラメータの前記比較を、１つの動翼（３）又は２つの異なる動翼（３）のその後の通過が生じたときの時間差（Ｔ）にロジックで関係付けるように構成されることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記共振器（１０、２５、３０、４０）の側壁は、前記導波路を構成する中空管（１１、３２）によって形成されることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記導波路は、前記共振器（１０、２５、３０、４０）を同軸に貫通する中心導体（４１）によって構成されることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記測定パラメータは、前記電磁波の位相を含むことを特徴とする請求項１から９までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記測定パラメータは、前記電磁波の振幅を含むことを特徴とする請求項１から１０までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記開口は、保護キャップ（１２）によって覆われることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記導波路（１５）は、前記共振器（１０、２５、３０、４０）の前記空洞（１３）内に延在する励起プローブ（１４、２８、３１、４３、３６〜３９、４６〜５１）と接続されることを特徴とする請求項１から１２までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記共振器（１０、２５、３０、４０）の前記空洞（１３）は、誘電体材料（２７）で充填されることを特徴とする請求項１から１３までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１５】
請求項１から１４までのいずれか一項に記載の監視デバイスを備えることを特徴とするタービン。
【請求項１６】
前記共振器（１０、２５、３０、４０）は、前記前端（８）と前記通過する翼端（６）との間にある前記半径方向間隙（Ｒ）が、意図された動作温度範囲内のすべての温度に対する前記電磁波の周波数に対応する前記波長の、最大で３／４、より好ましくは最大で１／２となるように配設されることを特徴とする請求項１５に記載のタービン。
【請求項１７】
タービン（１）の動翼の動作状態を、通過する動翼（３）の翼端（６）に面する位置から監視するための方法であって、電磁波は、波源（１５）によって生成され、前記翼端（６）の方へ向けられる、方法において、
前記電磁波は、前記電磁波の少なくとも１つの離散共振周波数を定める共振器（１０、２５、３０、４０）内に発生させ、前記電磁波の周波数を、瞬間的動作条件において前記共振器（１０、２５、３０、４０）の前記共振周波数に設定し、前記電磁波の一部分のエネルギーを前記共振器から前記翼端（６）の方へ放射し、前記翼端（６）に向けられた前記電磁波の少なくとも１つの測定パラメータを、前記翼端（６）から反射された前記電磁波の対応する測定パラメータと比較する、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通過する動翼の翼端に面する位置からタービンの動翼の動作状態を監視するためのデバイスに関するものであり、このデバイスは電磁波を発生させるための波源及び電磁波を翼端に向けるための導波路を備える。さらに、本発明は、そのような監視デバイスを備えるタービン及び一般的な種類の監視方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料効率の改善、望ましくない排出物の低減、及び騒音の低減に対する要求が高まる一方であることから、将来の航空エンジン及び陸上設置のタービンは、タービンの状態を監視し、受信データを解析し、動作パラメータを修正して動作を最適化し、それにより改善された性能を達成するための新しいシステムを組み込まなければならなくなるであろう。感知技術は、そのようなシステムがベースとする基盤である。タービン内に存在する過酷な環境の下で動作することができる新しいセンサを開発し、タービンの全体的健全性を監視するうえで不可欠であるが従来は測定できなかったパラメータを測定できるようにしなければならない。これらのシステムから得られる潜在的利点は重要であり、タービン効率とタービン保守という２つの主要な領域に分類されうる。両方の目的に関して、タービンの動翼の動作状態の監視は、特にタービンの機能及び健全性を詳細に理解するために、必須の要件である。
【０００３】
動翼の動作状態の正確な測定を実行するために、マイクロ波センサを、典型的には孔を通して装着するか、又はエンジン・ケースの内側に取り付け、マイクロ波センサがそのビームを動翼上に投射することを可能にする。動翼は、エンジンの運転中に回転し、続いてセンサを通り過ぎる。しかし、タービン・エンジン内に生じる環境は過酷であり、高圧タービン内ではガス流路温度が１３００Ｋを超え、航空機エンジンの高圧圧縮機の後段では温度が約９００Ｋとなり、ほとんどの場合、高い温度勾配もある。これはオイル、燃焼副産物、及び他の汚染物質により汚れた環境である。したがって、このような極端な温度下で、またそのような過酷な環境において確実に動作できるセンサは、重要なコンポーネントである。
【０００４】
この問題を解決するためのセンサが、米国特許出願第２０１０／００６６３８７Ａ１号において取り扱われており、そこには、動翼と動翼を囲むガス・タービンの壁との間の距離を決定するためのデバイスが開示されている。デバイスは、少なくとも２つの周波数の電磁波を導く導波路を備える。これらの周波数のうちの１つの周波数を有する電磁波は、センサから放射され、動翼によって反射されて戻り、他の周波数を有する電磁波は、導波路の端部のところの封止要素によって反射される。次いで、動翼に関するデバイスの距離が、電磁波の位相を比較することによって決定される。
【０００５】
このセンサの欠点は、デバイスが装着されるタービン壁の熱依存膨張が導波路の対応する膨張も引き起こし、所望の距離決定が不正確なものとなるということである。この問題は、２つの周波数の電磁波の位相比較値同士を引き算し、この値を、例えば、値表に基づいて、それらの温度条件の下にある距離に対するすでに測定された値に割り当てることによって回避できる。しかしながら、一般的に温度勾配にのみ依存するとは限らないタービンの瞬間的動作条件が確実に満たされるようにするために、温度変化を考慮するより直接的な方法があることが非常に望ましい。測定の信頼性とは別に、検出性能を改善すること、特に測定分解能を高めること、そして、翼端とセンサとの間における距離測定の単一パラメータの検出を超えて動翼の監視を拡大することも望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願第２０１０／００６６３８７Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、上述の欠点の少なくとも１つを回避し、タービン環境内の過酷な動作条件を考慮した、改善された監視デバイス及び方法を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、請求項１又は１７の特徴を備えるデバイス又は方法、並びに請求項１５に記載のタービンにより達成される。本発明の有利な実施例は、従属請求項において定義される。
【０００９】
監視デバイスに関して、本発明では、導波路が共振器内に含まれ、共振器は、導波路上の電磁波の少なくとも１つの離散共振周波数を定め、その前端に開口を備えており、その開口を通って、電磁波の一部分のエネルギーが翼端の方へ放射されることが可能となっているということを提案する。そのため、共振器は、導波路上の電磁波の少なくとも１つの離散共振周波数をサポートするような形で構成される。このようにして、共振器を使用して、共振周波数の電磁波の電磁エネルギーを内部に貯蔵することができる。前端部に開口があるため、共振器の内側に貯蔵される電磁エネルギーの一部は、共振器から放射されて、動翼と相互作用することができる。好ましくは、共振器の後端は、短絡される（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔｅｄ）。
【００１０】
電磁波の共振周波数は、タービンの瞬間的動作条件に依存する可能性があり、共振器は、好ましくは、変化する動作条件の一定範囲内でシフトする共振周波数をサポートするように構成される。デバイスは、瞬間的動作条件の下で電磁波の周波数を共振器の共振周波数に設定するように構成された周波数調整ユニットをさらに備える。したがって、監視デバイスは、共振器の共振周波数の発生する変化に関する電磁波の周波数の調整によって、タービン環境内の動作条件の瞬間的変化にマッチさせることができる。共振器の共振周波数に影響を及ぼすタービン環境のこれらの動作条件は、電磁波の伝搬媒体の温度勾配を含むことが可能である。
【００１１】
出て行く電磁波と反射された電磁波との間の少なくとも１つの測定パラメータの比較をさらに行うことによって、動翼の動作状態に関する信頼できる情報を、タービン環境内の瞬間的動作条件に関係なく推論することができる。したがって、デバイスは、翼端に向けて放射された電磁波の少なくとも１つの測定パラメータを翼端から反射された電磁波の対応する測定パラメータと比較するように構成された測定ユニットも備える。このようにして、共振器の共振周波数が、温度とともに、又は他の外乱効果によりシフトする場合であっても、動翼の動作状態の正確な測定結果が得られる。好ましくは、測定パラメータは、放射された電磁波及び反射された電磁波の位相並びに振幅のうちの少なくとも一方を含む。より好ましくは、これらの測定パラメータの両方に関して、放射された電磁波及び反射された電磁波が互いに比較される。
【００１２】
本発明によれば、電磁波の少なくとも１つの離散共振周波数を定める共振器の内部で電磁波を発生させる方法においても、これらの利点が得られる。この方法は、瞬間的動作条件の下で電磁波の周波数を共振器の共振周波数に設定し、電磁波の一部分のエネルギーを共振器から翼端に向けて放射するステップを含む。この方法は、翼端に向けて放射された電磁波の少なくとも１つの測定パラメータを翼端から反射された電磁波の対応する測定パラメータと比較するステップをさらに含む。したがって、測定パラメータの比較は、温度勾配などの、タービン環境内の瞬間的動作条件に関係なく動翼の動作状態に有利に関係しうる。
【００１３】
好ましくは、放射された電磁波と反射された電磁波の測定パラメータの比較結果は、１つ又は複数の動翼の相対位置及び／又は相対運動に関する情報を得るために使用される。この方法の第１の好ましい実施では、共振器と翼端との間の半径方向間隙は、この比較結果から推定される。したがって、監視デバイスの測定ユニットは、好ましくは、測定パラメータの比較結果を共振器と翼端との間の半径方向間隙にロジックで関係付けるように構成される。このようにして、動翼の先端部とタービンの静止ケースとの間のクリアランスの測定を実施することができる。好ましくは、放射された電磁波と反射された電磁波の位相は、共振器と翼端との間の半径方向間隙を決定するための測定パラメータとして使用される。
【００１４】
特に、動翼の先端部と静止しているエンジン・ケースとの間のクリアランスは、タービンの効率に関する重要パラメータとして使用することができる。そのため、先端部クリアランスの測定は、主に、漏れの低減を通じてタービン効率を改善することに重点を置くことが可能であり、漏れの低減は、クリアランスの低減によって達成されることが可能である。より具体的には、タービンの所定の動作状態について、先端部クリアランスは、好ましくは、動翼の擦れを回避しつつ可能な限り低減されるべきである。
【００１５】
正確な先端部クリアランスの測定から、以下の３つの主要な利点が得られる。
−それは、タービン上の閉ループ・アクティブ・クリアランス制御を可能にするために使用することができ、これにより、翼端とケースとの間のクリアランスを可能な限り低減することができる。その結果、タービン効率は改善され、燃料消費率は低減され、ＮＯｘ及びＣＯ２などの望ましくない排出物は最小値にまで制限されうる。
−それは、ケースの歪み、回転子の動的運動／シャフトの曲がり、又は環境要因から結果として生じうる擦れが動翼に生じるのを防ぐことによって、動翼サイクル損傷を防ぐことによって、またＥＧＴ（排ガス温度）を下げることで高温ガス経路のコンポーネントの寿命を延ばすことによって、タービンのライフ・サイクルを延長するのを助けるために使用できる。
−それは、タービンの高温部内の予測診断及び最適化条件ベースの保守を可能にする、それぞれの動翼からの寸法測定を行えるようにするために使用できる。
【００１６】
さらに、軸線方向圧縮機では、先端部クリアランスの測定は、圧縮機の安定性及び失速マージンに対する基準として利用されうる。
【００１７】
翼端クリアランスの測定が適用されることが好ましい、タービンの位置には、高圧タービン及び／又は高圧圧縮機が含まれ、これは最大の利点をもたらすと予想される。
【００１８】
本方法の第２の好ましい実施では、放射された電磁波と反射された電磁波の測定パラメータの比較を使用して時間差を決定する。その時間差の間に、１つの動翼又は２つの異なる動翼が続いて通過する。したがって、監視デバイスの測定ユニットは、好ましくは、測定したパラメータの比較結果を時間差にロジックで関係付けるように構成される。その時間差の間に、１つの動翼の、特に１回又は複数回の回転後の次の通過が生じ、又は２つの異なる動翼、特に２つの隣接する、若しくは２つの対向する動翼の通過が生じる。この方法で、動翼の到達時刻の測定を実施することができる。好ましくは、放射された電磁波と反射された電磁波の振幅は、１つの動翼又は２つの異なる動翼の次の通過が生じる時間差を決定するための測定パラメータとして使用される。
【００１９】
このような到達時刻（先端部タイミングとも言う）の測定は、動翼の振動の尺度を提供することによって、主に、回転している動翼の機械的完全性に重点を置くことが可能である。この測定は、好ましくは、回転している翼端上の１つの点が１つの静止点を通過する時刻（したがって、「到達時刻」という）を検出することからなる。動翼の構造振動がない場合、到達時刻は、通常、動翼の回転速度にのみ依存する。しかし、動翼の構造振動が発生する場合、到達時刻は、振動の振幅、周波数、及び位相にも依存する。
【００２０】
正確な到達時刻の測定から、以下の利点が得られる。
−動翼の到達時刻を測定することによって、前進した動翼又はディスク故障を予測する異常信号を検出することができ、速やかな対応で損傷を回避することができる。したがって、到達時刻は、コンポーネントの寿命を予測するための基準となる測定として使用することができ、これにより条件ベースの保守が可能になる。
−それは、新しいタービン・エンジン設計の初期テストにおいて安全性監視を可能にするために使用することができ、開発エンジン・テスト中にこれらの新しい設計の検証を行うのに役立ちうる。
−それは、翼フラッタの非同期振動、旋回失速、及び圧縮機サージの検出を可能にするために使用されうる。
【００２１】
到達時刻の測定が好ましくは適用される、タービンの位置には、低圧圧縮機の前段から高圧圧縮機の後段までが含まれ、これは最大の利点をもたらすと予想される。
【００２２】
一般に、地上ベースのタービン、航空転用ガス・タービン、航空地上試験、及び航空エンジン（これらがすべてではない）は、正確な先端部クリアランス及び到達時刻測定から大きな利益を得ることができる。したがって、本方法の第３の好ましい実施によれば、共振器と翼端との間の半径方向間隙及び次の動翼の通過との間の時間差は、測定パラメータの比較から推定される。したがって、監視デバイスの測定ユニットは、好ましくは、放射された電磁波及び反射された電磁波の少なくとも１つの測定パラメータの比較結果を、共振器と翼端との間の半径方向間隙及び次の動翼の通過との間の時間差にロジックで関係付けるように構成される。好ましくは、少なくとも２つの測定パラメータ、特に放射された電磁波及び反射された電磁波の位相と振幅は、互いに独立して監視されている動翼の先端部クリアランスと到達時刻の両方を決定するための測定パラメータとして使用される。
【００２３】
本発明の以下の好ましい態様は、監視方法及び／又は監視デバイスにおいて有利に実施されうる。
【００２４】
好ましくは、開口を通して放射される電磁波は、以下の少なくとも２つの場の成分によって特徴付けられる。１つは、無効近接場（ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｎｅａｒ  ｆｉｅｌｄ）であり、これは放射された電磁波によって形成されうるものであり、そこでは、受信対象が存在しない場合に電磁エネルギーが蓄積され、受信対象が存在する場合にエネルギーを伝達する。好ましくは、近接場成分は、放射波長より小さい開口からの距離の範囲内、より好ましくは放射波長の最大で３／４の距離、及び最も好ましくは放射波長の最大で１／２の距離の範囲内で測定される。第２に、特に受信対象の存在に関係なく共振器から離れる方向にエネルギーを放射している放射波長と比較して、開口からの距離が著しく大きいところで放射された電磁波によって、伝搬場（ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ）が構成されうる。
【００２５】
好ましくは、共振器は、多数の離散共振周波数に対して共振するだけである。そのため、連続した共振周波数は共振器によってサポートされない。好ましくは、共振器の設計及び幾何学的形状は、好ましくは１から１００ＧＨｚまでの周波数範囲の電磁波の所望の動作周波数で共振が得られるように選択される。さらに、共振器は、好ましくはＴＥ１１モード又はＴＥＭモードなどの電磁波の基本モードに対する共振が得られるように構成される。
【００２６】
好ましくは、測定パラメータは、放射された電磁波及び反射された電磁波の位相を含む。そこで、共振器が共振しているときに測定ユニットによって得られる位相比較結果を使用して、各動翼の動作状態を判定することができる。より好ましくは、位相比較は、共振器の反射率の位相、つまり、反射された電磁波と透過された電磁波との間の比の位相成分を決定することによって実行される。そのため、反射率の測定された修正は、動翼の存在を示すことができ、これをさらに使用してその動作状態を判定することができる。特に、Ｑ値及び／又は放射された電磁波と反射された電磁波の入力整合を位相比較結果から抽出することができる。
【００２７】
代替として、又は追加として、測定パラメータは、好ましくは、送出される電磁波及び反射された電磁波の振幅を含む。そこで、共振器が共振しているときに測定ユニットによって得られる振幅の比較結果を使用して、各動翼の動作状態を判定することができる。例えば、電磁波の振幅は、電磁波の電力分布、特にガウス分布として測定することができ、電力分布の最大ピーク及び／又は積分及び／又は幅を使用して、放射された電磁波及び反射された電磁波の電力分布を比較することができる。
【００２８】
第１の好ましい実施によれば、放射された電磁波及び反射された電磁波の測定パラメータの比較は、動翼と相互作用している共振器の無効近接場に少なくとも依存する。この方法で、監視される対象の大きな横方向分解能が得られる。第２の好ましい実施によれば、放射された電磁波及び反射された電磁波の測定パラメータの比較は、距離感知のため大きな長手方向範囲をもたらす、動翼と相互作用している共振器の伝搬場に少なくとも依存する。最も好ましい実施によれば、放射された電磁波及び反射された電磁波の測定パラメータの比較は、両方の利点を併せ持つために、場成分と動翼との相互作用に依存する。
【００２９】
好ましくは、周波数調整ユニットは、少なくとも１つの所定の周波数範囲内で電磁波の周波数を変化させ、周波数の変化に基づき共振周波数を決定するように構成される。好ましくは、周波数の変化を実行し、タービンの瞬間的動作条件に従って、
−共振器の共振周波数、特にその中心周波数、
−共振器に接続されている給電伝送線、特に共振器を波源に接続する同軸ケーブル上の位相長
のうちの少なくとも１つのパラメータを決定し、及び／又は調整する。
【００３０】
このようにして、周波数は、正確な動翼の測定を行えるように、例えば、温度による誘電率の変化に起因する、共振器の中心周波数の位相シフトを考慮するように再調整することができる。最も好ましいのは、両方のパラメータを１つの周波数の変化の範囲内で決定することである。周波数調整ユニットによって実行される周波数設定は、較正手順としてみなすことができ、その較正手順は、測定ユニットの測定パラメータのその後の比較の範囲内において、動翼に対する正確な測定条件を確立することを可能にする。
【００３１】
好ましい実施により、共振器の共振周波数及び／又は周波数が変化するときに決定された給電伝送線の位相長の変化は、基準位相として使用される。好ましくは、基準位相は、翼端から反射された電磁波と比較すべき放射された電磁波の測定パラメータとして測定ユニットによってその後使用される。
【００３２】
好ましい構成によれば、周波数調整ユニットは、動翼の動作状態の実際の測定が実行される前及び／又は後に毎回共振器の共振周波数を設定するように構成される。例えば、測定パラメータの測定の前及び／又は後に少なくとも１回の周波数を変化させることを実行することができる。この方法により、信頼性の高い動翼監視を確実に実行できる。測定の精度をさらに高めるために、測定パラメータの測定の前に、周波数の変化を繰り返し適用することができる。これは、例えば、周波数の変化が行われる毎に決定された周波数の値を平均することによって、測定ノイズの低減にさらに寄与しうる。
【００３３】
別の好ましい構成によれば、周波数調整ユニットは、動翼の動作状態の測定を所定の回数行った後又は所定の時間間隔が経過した後に毎回共振器の共振周波数を設定するように構成される。後者の構成は、ごく小さな、又は例外的な温度勾配が予期されるタービン環境内で特に適用可能であるものとしてよい。
【００３４】
好ましくは、共振器は、マイクロ波共振器である。それに対応して、共振器の共振周波数が周波数調整ユニットによって設定される周波数範囲は、好ましくは、マイクロ波周波数範囲内にある。波源は、好ましくはマイクロ波源によって構成される。
【００３５】
好ましくは、導波路内の、及び／又は導波路から放射される、及び／又は動翼から反射される、電磁波の信号検出に対して適合された少なくとも１つの検出器は、周波数調整ユニット及び／又は測定ユニットと動作可能に接続される。好ましくは、検出器は、少なくとも２つの検出ユニット、特にミキサーを備える。検出ユニットは、周波数調整ユニットの較正手順及び／又は測定ユニットの少なくとも１つの測定パラメータの比較手順に対する位相測定を可能にするために、位相がオフセットされる。好ましくは、検出器は、翼端の方へ放射される電磁波の信号及び反射された電磁波の信号を検出するように構成される。周波数調整ユニットの較正プロセス内の、及び／又は測定ユニットの少なくとも１つの測定パラメータの比較の範囲内で検出された信号を評価するための好適なアルゴリズムが、当技術分野で知られている。
【００３６】
共振器に基づく本発明による監視デバイスは、従来のデバイスと比較して寸法がかなり小さいという利点を備えることができる。そこで、スペースが小さいタービン環境内でも監視デバイスを応用できるという点が大幅に改善されうる。共振器に基づく本発明のデバイスの寸法が小さいということには、スポット・サイズがより小さくなり、したがって測定分解能が大きくなるというさらなる利点がある。さらに、パッチ・アンテナの伝搬場ではなく共振器の無効近接場を利用することで、測定精度をさらに高めることができる。
【００３７】
周波数調整ユニット及び測定ユニットは、単一の論理コンポーネント、プログラムコード、若しくは同様のものとして、又は独立したユニットとして実現されうる。
【００３８】
第１の好ましい構成によれば、共振器の側壁は、前記導波路を構成する中空管によって形成される。中空管は、電磁波を誘導することを可能にする円形部分、矩形部分、又は他の部分を有することができる。これ以降、このような共振器は空洞共振器と称される。これは、現行の測定デバイスと比べて寸法を小さくすることができ、動翼に関する軸線方向位置に対してあまり敏感でないという利点を有する。誘電体充填材料を使用して、空洞共振器のサイズをさらに縮小することができる。したがって、空洞共振器の特に好ましい応用領域は、特に小さな取り付け孔及び／又はより小さな／薄い動翼寸法を受け入れる小型タービンの先端部クリアランスの測定にある。
【００３９】
第２の好ましい構成によれば、導波路は、共振器を同軸に貫通する中心導体によって構成される。これ以降、このような共振器は同軸共振器と称される。これは、空洞共振器に関するさらなる小型化が可能であるという利点を有し、したがって、検出スポット・サイズをさらになおいっそう縮小することができる。さらに、立ち上がり時間がシャープな優れた波形を得ることができる。特に、よりシャープな波形には、時間分解能が改善されるという利点がある。誘電体充填材料を使用して、同軸共振器のサイズをさらに縮小することができる。そのため、同軸共振器の特に好ましい応用領域は、高い空間分解能を得るために非常に小さなスポット・サイズ及び波形のシャープな立ち上がり時間を必要とする到達時刻測定にある。
【００４０】
好ましくは、空洞共振器と同軸共振器の両方の構成において、動翼の監視は、動翼との無効近接場及び伝搬場の相互作用の組み合わせに基づく。特に、無効近接場の寄与分は、現行の監視デバイスと比較して測定の高い空間分解能を達成するために有利に利用されうる。
【００４１】
好ましくは、共振器の前端の開口は、保護キャップによって覆われる。好ましくは、共振器の空洞の汚染を防ぐために保護キャップが使用される。より好ましくは、保護キャップは、高温用途向けの誘電体材料からなる。好ましくは、電磁波は、保護キャップの反対側のところの共振器内で発生させる。
【００４２】
好ましくは、共振器の空洞は、誘電体材料を充填される。この方法で、共振器のサイズをさらに縮小することができる。好ましくは、共振器の長さは、共振器が励起周波数に対応する波長の最大で３／４、より好ましくはこの波長の最大で１／２、最も好ましくはこの波長の最大で１／４で共振するように選択される。
【００４３】
ある温度勾配を示すタービン内の監視デバイスの機能が確実に実行されるように、共振器は、好ましくは、意図された動作温度範囲内のすべての温度に対して可変周波数範囲の少なくとも１つの周波数について共振するように構成される。好ましくは、動作温度範囲は、少なくとも６００Ｋ、より好ましくは少なくとも９００Ｋ、最も好ましくは少なくとも１３００Ｋの温度値を含む。好ましくは、動作温度範囲は、２３０Ｋ未満の低い温度値も含む。この方法で、航空機エンジン又は高圧タービンの高圧圧縮機の後段などの、特定のタービン環境の要件を考慮することができる。
【００４４】
監視デバイスが特定のタービン環境の過酷な状況で動作することをさらに可能にするために、共振器は、好ましくは、少なくとも９００Ｋ、より好ましくは少なくとも１３００Ｋの温度に耐えられる材料からなる。好ましくは、共振器の材料は、少なくとも１つの高温に耐えられる金属若しくは合金を含む。
【００４５】
電磁波を直接導波路内で発生させるために、好ましくは波源を共振器の空洞内に入る励起プローブに接続する。励起プローブは、ピン、開ループ、又は閉ループの形状とすることができ、所望の周波数範囲に対する共振器の励起を可能にする他の形状も考えられる。多くの用途において、励起特性に優れているという点でループが有利であると思われる。
【００４６】
励起プローブを波源と接続するための好適な伝送線は、好ましくは、同軸ケーブルの内部導体によって構成される。より好ましくは、励起プローブは、同軸ケーブルから突き出ている内部導体の端部によって構成される。好ましくは、高温同軸ケーブルを使用する。より好ましくは、同軸ケーブルは、共振器の外面に結合され、突き出ている端部は、空洞内のスルーホールを介して延在している。同軸ケーブルと共振器との間にある接合部は、好ましくは、鑞付け、ティグ溶接、レーザー溶接、又は他の金属間接合技術を使用して実現される。
【００４７】
第１の好ましい構成によれば、励起プローブは、共振器の後端にある孔を通して波源と接続される。第２の好ましい構成によれば、励起プローブは、共振器の側壁にある、より好ましくは後端に近い側壁の端部のところにある孔を通して波源と接続される。両方の構成は、各応用領域に応じてタービン内の共振器の装着に関して有利であると思われる。
【００４８】
本発明は、上で説明されている監視デバイスが装着されるタービンにも関係する。好ましくは、監視デバイスは、動翼との無効近接場相互作用に基づく測定が実行できるように装着される。したがって、共振器は、好ましくは、前端と通過する翼端との間にある半径方向間隙が、意図された動作温度範囲内のすべての温度に対するタービン伝搬媒体内の電磁波の周波数に対応する波長の最大で３／４、より好ましくは最大で１／２となるように配設される。好ましくは、この温度範囲は、少なくとも６００Ｋ、より好ましくは少なくとも９００Ｋ、最も好ましくは少なくとも１３００Ｋの温度値を含む。好ましくは、この温度範囲は、２３０Ｋ未満の低い温度値も含む。好ましくは、監視デバイスは、タービンのハウジング内に装着される。
【００４９】
本発明は、付属の図面を参照しつつ、好ましい例示的な実施例の以下の説明を用いてさらに詳しく説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】動翼の動作状態を監視するためのデバイスを備えるタービンの概略図である。
【図２】図１に示されている監視デバイスのより詳細な概略図である。
【図３】図２に示されている監視デバイス内に施すことができるエンド・ランチ型空洞共振器（ｅｎｄ  ｌａｕｎｃｈ  ｃａｖｉｔｙ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）の分解図である。
【図４】図３に示されている共振器の断面図である。
【図５】図２に示されている監視デバイス内に施すことができるサイド・ランチ型空洞共振器（ｓｉｄｅ  ｌａｕｎｃｈ  ｃａｖｉｔｙ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）の分解図である。
【図６】図５に示されている共振器の断面図である。
【図７】図２に示されている監視デバイス内に施すことができる同軸共振器の分解図である。
【図８ａ】図７に示されている共振器の断面図である。
【図８ｂ】図７に示されている共振器の断面図である。
【図９ａ】励起プローブの一実施例を使用する図３等に示されている共振器の概略図である。
【図９ｂ】励起プローブの一実施例を使用する図３等に示されている共振器の概略図である。
【図９ｃ】励起プローブの一実施例を使用する図５等に示されている共振器の概略図である。
【図９ｄ】励起プローブの一実施例を使用する図５等に示されている共振器の概略図である。
【図１０ａ】励起プローブの一実施例を使用する図３から図８に示されている共振器の後端の概略図である。
【図１０ｂ】励起プローブの一実施例を使用する図３から図８に示されている共振器の後端の概略図である。
【図１０ｃ】励起プローブの一実施例を使用する図３から図８に示されている共振器の後端の概略図である。
【図１０ｄ】励起プローブの一実施例を使用する図３から図８に示されている共振器の後端の概略図である。
【図１０ｅ】励起プローブの一実施例を使用する図３から図８に示されている共振器の後端の概略図である。
【図１０ｆ】励起プローブの一実施例を使用する図３から図８に示されている共振器の後端の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
図１に示されているタービン１は、動翼３が流路４内に固定されている回転子シャフト２を備える。それぞれの動翼３の各先端部６を囲むハウジング５によって、流路４は、円周方向に境界を作られている。動翼３の動作状態を監視するためのデバイス７の共振器が、ハウジング５内に装着されている。特定のタービン環境内での測定の信頼性を改善するために、共振器が、ハウジング５内に後退して設置され、その前端が、隣接するハウジング５の内壁と比較して、通過する動翼３の各先端部６からより大きな間隔Ｒを有するようになっていることが好ましい。他のタービン環境内では、共振器は、ハウジング５の内壁と比較して、通過する動翼３の先端部６から同じ間隔Ｒを有することもでき、又はハウジング内に延在することもできる。
【００５２】
タービン１の運転中に通過する動翼３の先端部６の距離Ｒを測定するために、すなわち、通過する先端部６のクリアランスを決定するために、デバイス７が使用される。標準値からの偏差は、タービン効率が準最適であり、漏れ流れが生じている可能性のあることを示している。デバイス７は、続いて通過する２つの動翼３の間の時間差Ｔ、及び／又は、１回転若しくは数回転後に続いて通過する１つの特定の動翼３の間の時間差Ｔを測定するためにさらに使用される。標準値からの偏差（特に回転子シャフト２の回転速度に関する標準値からの偏差）は、動翼３の振動が発生していることを示している。検出された振動が予測値より大きい場合、この動翼３の損傷を疑わなければならない。
【００５３】
図２は、監視デバイス７の組み立て及び機能の概略を例示している。デバイス７は、開回路（ｏｐｅｎ  ｃｉｒｃｕｉｔｅｄ）の前端８及び短絡されている後端壁９を備えた共振器１０を含む。共振器１０の側面は、導波路を形成する中空管１１によって構成される。導波路１１の長さは、共振器１０の所望の共振周波数に合わせて最適化されるように選択される。開放されている前端８の開口は、保護キャップ１２によって覆われる。
【００５４】
そのため、共振器１０は、基本伝搬モードで動作している円形、矩形、又は他の形状の導波路１１の断片に基づく（例えば、円形導波路に対するＴＥ１１）。これは、一方の端部９において短絡回路によって終端し、他方の端部８において開回路によって終端し、したがって、例えば動作周波数の１／４波長におおよそ等しい長さに対して共振する。
【００５５】
励磁プローブ１４は、共振器１０の後端壁９からその空洞１３内へ延在する。この特定の実施例による共振器１０は、これ以降、エンド・ランチ型空洞共振器と称する。励起プローブ１４は、同軸ケーブルによって構成される給電伝送線２９を介して波源１５と接続される。後端壁９は、同軸ケーブル２９の中心導体１６が通るスルーホールを備える接合部２１を具備する。この方法で、空洞１３は、励起プローブ１４によって励起されうる。そこで、導波路１１内において共振器１０の共振周波数で電磁波を発生させることができる。波源１５は、典型的には、マイクロ波周波数で動作し、共振器１０及び励起プローブ１４は、この周波数範囲に合わせて最適化される。
【００５６】
共振が発生するときに、伝送線１６から来る電磁信号は、空洞１３内に結合される。次いで、マイクロ波共振器１０は、その開放端８のところで、一部分の電磁エネルギーを放射し、伝搬（放射）場及び無効場（ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｆｉｅｌｄ）の両方を発生させる。それらは、発生源１０から放射する電磁場の異なる挙動特性である。伝搬場は、受信回路（ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ  ｃｉｒｃｕｉｔ）があるかどうかに関係なく発生源から離れる方向にエネルギーを放射する。その一方で、無効場は、受信回路が存在しない場合にエネルギーを貯蔵するが、受信回路が存在する場合には、無効場はエネルギーを伝達する。したがって、空洞１３の開放端側８では、無効近接場及び伝搬場成分が存在し、センサ１０の前を通過するターゲットと相互作用する。無効近接場成分は、横方向の分解能を与え、伝搬場成分は、距離感知のために縦方向の範囲を与える。
【００５７】
前端８と翼端６との間の半径方向間隙Ｒが、共振器１０の無効近接場に対する好ましい測定範囲ＲＮＤ内に収まるように、共振器１０が、タービン１のハウジング５内に配列されることが好ましい。距離ＲＮＤは、ＲＮＤ＜λ／２として定義されることが好ましい。ここで、λは、共振器１０の放射波長である。有利なことには、これにより、動翼３の監視のために無効近接場及び伝搬場の組み合わされた場の範囲を利用することが可能になる。原理上、複数の波長を測定する曖昧さを回避するために、放射波長の１／２までの無効近接場の範囲内での動作が好ましい。しかし、遠距離場の範囲内の動作も考えられる。
【００５８】
翼端６の位置における監視は、大部分、測定の横方向分解能の増大の利点をもたらす無効近接場成分に頼ることが好ましい。共振器１０の開放端側８における無効近接場と伝搬場との関係は、共振器１０の横方向寸法と波長との関係に依存し、電気容量（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）が小さいほど、無効近接場の割合が高くなる。この事実が、用途の要件に基づく設計段階における手引きとなる。
【００５９】
動作周波数（例えば、２４ＧＨｚ）に対して、対応する導波路１１の基本モードが伝搬しうるが、第１次高次モードでは伝搬しないように、空洞共振器１０の横方向寸法は選択される。このことは、空洞共振器１０の部分は、所定の寸法に対する基本モードのカットオフ周波数にリンクされた特定の寸法より小さくなることができないということを意味する。空洞共振器１０に誘電体材料を充填することで、横方向寸法の小型化をさらに進めることができる。空洞共振器１０の縦方向寸法は、動作周波数によっても与えられる。それは、動作周波数での共振を得られるように選択され、例えば、１／４の導波長に対応することが可能である。
【００６０】
したがって、共振器１０の共振周波数は、その長さ、内径、及び該当する場合に、共振器の充填誘電体材料の保護キャップの誘電体の誘電率によって定められる。したがって、温度の変化によって引き起こされる誘電率の変動及び寸法の変動により、共振周波数は温度に依存する。励起プローブ１４の位置、寸法、及び形状は、共振器１０の中へのマイクロ波信号の結合を定める。これらの特徴は、同軸ケーブル２９の中心導体１６への共振器１０の重要結合を得るために調整されるべきである。
【００６１】
監視デバイス７は、動翼３の監視プロセスのために信号処理を準備及び実施するように機能する信号処理ユニット１７をさらに備える。この目的のために、信号処理ユニット１７は、周波数調整ユニット１８及び測定ユニット１９を備える。周波数調整ユニット１８及び測定ユニット１９は両方とも、少なくとも検出器２０と動作可能に接続されており、検出器２０は、共振器１０の反対側にある伝送線２０の端部に配設されている。さらに、周波数調整ユニット１８は、波源１５と動作可能に接続される。
【００６２】
上記で説明されているように、周波数調整ユニット１８は、その瞬間的動作条件に従って励起プローブ１４の励起周波数を共振器１０の共振周波数に設定するように機能し、瞬間的動作条件は、その瞬間的動作温度の影響を特に受ける。この目的のために、周波数調整ユニット１８は、少なくとも１つの所定の周波数帯の範囲内の波源１５の周波数を掃引するように構成される。共振（つまり、共振器１０の共振の中心周波数）を正確に突き止め、給電伝送線１６の位相長の変化を測定するために、波源１５から送信される信号の周波数を変化させることによって、周波数調整ユニット１８は、波源１５と共振器１０との間の位相長の総量を変化させる。
【００６３】
伝送線１６又は共振器１０内の材料の温度が上昇したときに誘電率が変化するため、両方のパラメータは、温度の下で変化しうる。したがって、共振器１０は、温度とともにその中心周波数を変化させる傾向を有する。本発明の一実施例によれば、周波数掃引で行われる位相測定は、基準位相として使用されることが可能であり、基準位相は、翼端６から反射された電磁波の位相と比較するために測定ユニット１９によって使用される。
【００６４】
環境内の温度変化が無視できるくらい小さい場合、この基準位相は変化しない。伝送線１６及び共振器１０が、温度を変化させないか、又は非常に高速に変化させない場合、周波数掃引を定期的に（例えば、数分から数時間）実行することができる。過酷な環境内の測定に対する周波数掃引をかなり速い速度で、例えば、１秒に１回（先端部クリアランスの測定の場合）又は連続して（到達時刻の測定の場合）繰り返すことが好ましい。
【００６５】
測定ユニット１９は、翼端に向けて放射された電磁波の少なくとも１つの測定パラメータを翼端から反射された電磁波の対応する測定パラメータと比較するように機能する。測定パラメータは、先端部クリアランス及び／又は到達時刻の測定を実行するために電磁波の位相及び／又は振幅を含む。この方法で、共振している場合と共振から外れている場合の共振器によって反射されたマイクロ波信号の測定パラメータの差を使用して、共振器１０の前を通過する動翼３の距離及び／又は性質、例えば、形状を判定することができる。
【００６６】
特に、共振器１０の反射率の位相及び／又は出て行く電磁波と反射された電磁波との間の振幅の差は、測定ユニット１９によって決定される。共振周波数が獲得され、周波数調整ユニット１８によってあらかじめ調整されているため、測定ユニット１９は、信頼できる仕方でこの測定を実行することができる。これにより、タービンの過酷な環境内に存在する温度勾配が大きいために生じる、寸法及び誘電体の誘電率の変化を考慮することができ、また共振器１０の共振周波数が温度とともにシフトする場合であっても正確な測定を実行することが可能になる。したがって、特に、ターゲット３との無効近接場の相互作用及び／又は伝搬場の相互作用、及び／又は出て行く電磁波と反射した電磁波との間の振幅の差による、共振器１０の反射率の位相の修正は、動翼３の動作状態の重要な監視パラメータを提供する。
【００６７】
測定ユニット１９によって実行される測定パラメータの比較は、検出器２０によって検出される信号に基づく。位相検出を目的として、検出器２０は、位相がオフセットされている少なくとも２つの検出ユニット、特にミキサーを備える。位相オフセットは、９０度に対応することが好ましい。この方法で、同相信号及び直交信号を得ることができる。これら２つの信号に対応するベクトルの位相成分を、当技術分野で知られているアルゴリズムに従って導出することができる。定数値によってこのベクトルの望ましくないシフトを引き起こす、変化するＤＣ成分は、周波数調整ユニット１８によって実行される周波数調整によって効果的に回避されうることに留意されたい。したがって、検出器２０は、電磁波の振幅を決定することがさらに可能である。
【００６８】
図３及び図４は、図２に示されているデバイス内の共振器１０の代わりに使用することができる第１の代替的実施例による共振器２５を示している。この共振器は、エンド・ランチ型空洞共振器２５とも称される。すでに説明されている共振器１０に関する同一の構成部品は、同じ参照番号をラベルとして振られている。図３及び図４には、誘電体２２によって囲まれている、給電伝送線１６が実装されている、同軸ケーブル２９がさらに示されている。励起プローブ２８は、同軸ケーブル２９及びその誘電体充填物２２から空洞１３内に突き出ているこの伝送線１６の端部によって構成される。励起プローブ２８は、湾曲した形状を示している。
【００６９】
共振器２５の空洞１３は、誘電体材料２７によって充填され、誘電体材料２７は、その共振周波数の所望の値又は所望の値の範囲を維持することによって横方向の寸法を縮小することを可能にする。共振器２５の後端は、環状フランジ２６を備え、環状フランジ２６は、タービン１のハウジング５内の共振器２５の単純化された装着を可能にする。
【００７０】
したがって、この実施例による空洞共振器のセンサは、円形の導波路ベースの空洞共振器本体部２５、内部導体１６が励起プローブ２８として働く給電同軸ケーブル２９、空洞充填誘電体材料２７、及び保護キャップ１２からなる。誘電体材料２２及び内部導体１６を備える給電同軸ケーブル２９は、非常に高い温度でマイクロ波信号を送信する能力を有する。共振器本体部２５の長さは、動作周波数における導波長の一部に相当する。共振器本体部２５の部分は、円形であるが、矩形とすることも可能であり、又は他の適切な形状もとりうる。導波路１１の基本モードが動作周波数で伝搬するが、第１次高次モードは伝搬しないように、それは設計されている。空気以外の誘電体２７を使用して空洞のサイズをさらに縮小することが好ましい。
【００７１】
空洞共振器本体部２５は、高温材料から作られる。共振器は、高温に耐えられる金属若しくは合金を含むことが好ましい。
【００７２】
或いは、取り付け及び環境要件に耐える材料を使用することが可能である。保護キャップ１２は、高温用途向けの誘電体材料で作られ、共振器本体部２５の空洞１３の前に装着される。さらに、保護キャップ１２は、真空鑞付け又は拡散接合を使用することによって空洞共振器本体部２５に気密封止される。給電同軸ケーブル２９及び保護キャップ１２は、空洞共振器本体部２５に気密封止され、給電同軸ケーブル２９の汚染及び酸化が生じるのを防止する。鑞付け又は拡散接合などの、高温接合技術を使用して、空洞共振器のセンサ２５のコンポーネントを連結する。接合部２１は、典型的には、レーザー溶接部又はティグ溶接部である。他の好適な材料及び／又は溶接技術は、当技術分野で知られている。
【００７３】
したがって、空洞１３は、一方の端部９では短絡され、他の端部８では開回路となっている円形導波路１１に基づく。空洞充填誘電体材料２７を使用して、空洞のサイズをさらに縮小する。マイクロ波ケーブル２９の内部導体１６は、開ループを形成し、励起プローブとして働く。これは、空洞内で適切なモード、この場合には、ＴＥ１１ｎモードを励起する。基本モードのみが導波路１１内に伝搬することができることが要求されるので、共振器２５の可能なすべての空洞モードは、ＴＥ１１ｎ型である。
【００７４】
図５及び図６は、図２に示されているデバイス内の共振器１０の代わりに使用することができる第２の代替的実施例による共振器３０を示している。この実施例は、サイド・ランチ型空洞共振器３０と称される。これにより、すでに説明されている実施例１０、２５に関する同一の構成部品は、同じ参照番号をラベルとして振られている。サイド・ランチ型共振器３０は、本質的に、図３及び図４に示されているエンド・ランチ型空洞共振器２５に対応しているが、ただし、その励起プローブ３１が側壁３２から空洞１３内に延在している点が異なる。したがって、接合部２１は、側壁３２の端部に配置される。この差とは別に、側壁３２は、実質的に、共振器２５の導波路１１に対応する。それに応じて、共振器３０の後端３３は、実質的に共振器２５の短絡された後端９に対応しているが、ただし、同軸ケーブルに対する接合部が用意されていない点が異なる。
【００７５】
したがって、サイド・ランチ型空洞共振器のセンサは、円形の導波路ベースの空洞共振器本体部３０、内部導体１６が励起プローブとして働く給電同軸ケーブル２９、空洞充填誘電体材料２７、及び保護キャップ１２によって構成される。誘電体材料２２及び内部導体１６を備える給電同軸ケーブル２９は、非常に高い温度でマイクロ波信号を送信する能力を有する。エンド・ランチ型空洞共振器のセンサ１０、２５の主要な差は、空洞内の基本モードが、その端部３３ではなく、その側部３２上で励起される点である。
【００７６】
空洞充填誘電体材料２７を使用して、空洞１３のサイズをさらに縮小する。保護キャップ１２は、真空鑞付け又は拡散接合を使用することによって空洞共振器本体部３２に気密封止される。高温マイクロ波ケーブル２９は、空洞共振器本体部３０に気密封止される。マイクロ波ケーブル２９の内部導体１６は、開励起プローブとして働く空洞１３内に突き出るピン３１を形成する。誘電体材料２２及び内部導体１６を備える給電同軸ケーブル２９は、非常に高い温度でマイクロ波信号を送信する能力を有する。
【００７７】
図７及び図８ａ、８ｂは、図２に示されているデバイス内の共振器１０の代わりに使用することができる第３の代替的実施例による共振器４０を示している。本実施例による共振器は、同軸共振器４０と称される。すでに説明されている実施例１０、２５、３０に関する同一の構成部品は、同じ参照番号をラベルとして振られている。共振器４０は、本質的に、図３及び図４に示されている共振器２５に対応しているが、ただし、第１の異なる点は、中心導体４１がその全長を通り同軸に延在し、共振器４０の導波路を構成する空洞１３の内側に配列される点である。第２の異なる点は、共振器４０の側壁４２の一般的形状は、共振器２５の中空管１１に対応するが、その横方向寸法は、有利に縮小できるという点である。さらに、励起プローブ４２は異なる形状をとる。
【００７８】
詳しく述べると、同軸共振器４０は、外部導体４２と内部導体４１を備えるが、同じ軸線を有する。同軸共振器４０は、その後端では短絡、その前端８では開回路によって終端される。同軸共振器４０は、励起プローブ４３に給電する給電同軸ケーブル２９をさらに備える。この例における励起プローブ４３は、閉ループであり、同軸共振器４０を励起する。励起プローブ４３の寸法、形状、及び位置は、所望の動作周波数で良好なインピーダンス整合がとれるように最適化される。同軸共振器４０の前端は、保護キャップ１２によって保護される。同軸共振器４０は、空気若しくは他の適切な誘電体で充填することができる。
【００７９】
同軸共振器４０の長さは、同軸共振器４０の縦方向共振が得られるように選択される。同軸共振器４０の横方向寸法は、基本ＴＥＭモードのみが対応する伝送線内に伝搬するように選択される。
【００８０】
低温用途では、つまり、典型的には５００Ｋまでの温度について、保護キャップ１２を接着剤で外部導体４２に気密接着することができる。典型的には９００Ｋまでの中温用途では、設計に対して、異なる材料の熱膨張及び温度勾配を考慮すべきである。鑞付け又は拡散接合などの高温接合技術を使用して、典型的には、保護キャップ１２を外部導体４２に連結する。センサ４０の信頼性は、熱膨張率の低い最適な合金又は金属を選択することによってさらに高められる。図８ａ、８ｂに示されている高温接合部２１は、そのライフ・サイクルをさらに改善するように凹ませることができる。
【００８１】
したがって、同軸共振器４０は、空洞共振器１０、２５、３５と同じ原理に基づく。同軸共振器４０と空洞共振器１０、２５、３５との主な違いは、導波路が中空導波路１１、３２の代わりに剛体同軸伝送線４１の一部分に基づく点である。これの主要な利点は、同軸伝送線４１の基本モードは、カットオフ周波数がゼロである、ＴＥＭ（横電磁波）モードであるという事実によってさらなる小型化が可能になるという点である。これは、同軸共振器４０の部分に対し理論的な最小サイズはなく、最小の部分のサイズはしたがって製造問題のみによって決まるということを意味する。しかし、この部分は、第１次高次モードが動作周波数に対してカットオフ以下であるように選択されなければならない。同軸共振器４０の長さは、後者が動作周波数で共振するように選択される。これは、例えば、導波長の１／４の長さに対応するが、他の解も可能である。
【００８２】
図９ａ〜ｄは、円形導波路に基づく空洞共振器２５、３０の概略断面を示しており、励起プローブ３６〜３９のさまざまな異なる実施例が示されている。Ｌは、共振器２５、３０、４０の長さであり、例えば、動作周波数における導波長の１／４に相当する。Ｄは外形であり、ｄは内径である。パラメータＬ、Ｄ、ｄは、導波路の基本モードが、第１次高次モードではなく、動作周波数で伝搬するように選択される。さらに、給電伝送線１６（この場合、同軸ケーブル）及び保護キャップ１２が図示されている。励起プローブは、例えば、エンド・ランチ型共振器２５及びサイド・ランチ型共振器３０の場合に結合ピン３８又は結合ループ３６、３７、３９とすることができる。より正確には、結合ループは、開ループ３６又は閉ループ３７、３９とすることができる。後端又は側壁のこれらの励起プローブ３６〜３９及び各配置構成は、同軸共振器４０においても適用可能であることに留意されたい。
【００８３】
図１０ａ〜ｆは、空洞側壁上でも適用可能な、空洞後壁９上の励起プローブ４６〜４１のさらなる実施例の概略を示している。結合ピン４９の代わりに、開ループ４７、５０、５１又は閉ループ４６、４８も考えられる。さらに、円形ループ４６、４７又は矩形ループ４８、５０、５１を適用することができる。
【００８４】
励起プローブ３６〜３９、４６〜５１の位置、寸法、及び形状は、共振器の中へのマイクロ波信号の結合を定める。これらの特徴は、給電伝送線への共振器の重要結合を得るために調整されるべきである。多くの場合に、結合ループ３６、３７、３９、４６〜４８、５０〜５１、特に閉ループ３７、３９、４６、４８は、優れた励起特性を有するという利点をもたらしうる。
【００８５】
上で説明されている好ましい実施例は、本発明の原理を例示することを意図しているが、本発明の範囲を制限することを意図していない。当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、さまざまな他の実施例及びこれらの好ましい実施例に対する修正形態を構成することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１  タービン
２  回転子シャフト
３  動翼
４  流路
５  ハウジング
６  先端部
７  デバイス
８  開回路の前端
９  短絡されている後端壁
１０  共振器
１１  中空管
１２  保護キャップ
１３  空洞
１４  励磁プローブ
１５  波源
１６  中心導体
１７  信号処理ユニット
１８  周波数調整ユニット
１９  測定ユニット
２０  検出器
２１  接合部
２２  誘電体
２５  共振器
２６  環状フランジ
２７  誘電体材料
２８  励起プローブ
２９  給電伝送線
３０  サイド・ランチ型空洞共振器
３１  励起プローブ
３２  側壁
３６〜３９、４６〜４８、５０〜５１  励起プローブ
３７、３９、４６、４８  閉ループ
４０  同軸共振器
４１  中心導体
４２  側壁
４３  励起プローブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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【図１０ｅ】
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【図１０ｆ】
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