センサクリアランスの電子的自己校正
【課題】多チャネルクリアランスセンサシステムの自己校正システムを提供する。
【解決手段】自己校正システム１１０は、固定物体と回転物体との間の少なくとも１つのクリアランスパラメータ信号を測定する少なくとも１つのセンサを有する。このセンサからの出力は、クリアランスパラメータ信号のオフセット誤差を求めるよう構成されたオフセット補正部１３７により、クリアランスパラメータとして処理され、このパラメータは、レベルシフタ１２０において用いられる。このレベルシフタは、クリアランスパラメータ信号と切替可能に結合されている。レベルシフタからの出力は、増幅及びデジタル変換可能であり、信号レベル解析器１５４により処理されて、チャネル利得信号が求められる。
【解決手段】自己校正システム１１０は、固定物体と回転物体との間の少なくとも１つのクリアランスパラメータ信号を測定する少なくとも１つのセンサを有する。このセンサからの出力は、クリアランスパラメータ信号のオフセット誤差を求めるよう構成されたオフセット補正部１３７により、クリアランスパラメータとして処理され、このパラメータは、レベルシフタ１２０において用いられる。このレベルシフタは、クリアランスパラメータ信号と切替可能に結合されている。レベルシフタからの出力は、増幅及びデジタル変換可能であり、信号レベル解析器１５４により処理されて、チャネル利得信号が求められる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、概して、センサシステムの校正のための方法及びシステムに関し、特に、差動検知システムの校正に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの物体間の距離を測定するために、様々な種類のセンサシステムが用いられてきた。そのようなセンサシステムの１つが、２チャネル差動検知システムである。２チャネル差動検知システムでは、２つのチャネルに均等に影響を及ぼす様々な誤差原因を排除又は低減することが可能である。差動測定ならではの利点を実現可能にするためには、２つのチャネルの応答を一致させることが最も重要である。２つのチャネルの応答の間に少しでも不一致があると、著しい測定誤差が発生する。例えば、クリアランス測定に誤差があると、タービンのシュラウドとタービンブレードとの間の相対変位が不正確になる。従って、システムの２つのチャネルの応答の一致を動的かつ定期的にチェックして修正することが必要である。チャネルの応答が変化する原因として、温度効果及び長期ドリフトに起因する電子部品のばらつきがある。
【０００３】
回路の温度係数の低減、並びにドリフトの影響の低減のために、様々な回路設計手法が用いられてきた。しかし、これらの手法は、測定精度を長期間にわたって保証するものではない。一般的な手法として、センサシステムに温度補償部品を使用する手法がある。また、ドリフトが非常に小さい部品を使用する手法も一般的である。いずれの方法もばらつきを低減するが、ある期間及び温度にわたるドリフト及びばらつきを検出して修正することの備えにはならない。現行のクリアランス検知システムは、この問題に対処するために試験室での校正を頻繁に行うことに大きく依存している。例えば、人間が介入しない多年にわたる保守を必要とする飛行システムの場合、校正は、透過的に行われる必要があり、システムを取り外すこと、又は人間の介入が不要でなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７１８０３０５号明細書
【特許文献２】米国特許第７２１５１２９号明細書
【特許文献３】米国特許第７３３２９１５号明細書
【特許文献４】米国特許第７３３３９１３号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００６／０１３２１４７号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００６／０２３９８１３号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００７／０１２８０１６号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００７／０２２２４５９号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００８／００７２６８１号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の例示的実施形態では、多チャネルクリアランスセンサシステムの自己校正システムを開示する。本システムは、固定物体と回転物体との間のクリアランスパラメータを測定するセンサを含む。本システムは更に、クリアランスパラメータのオフセット誤差を求めるオフセット補正部と、クリアランスパラメータをオフセット誤差分だけシフトするレベルシフタとを含む。レベルシフタ出力を増幅する増幅器が設けられ、アナログデジタル変換器が、増幅器出力に結合されて、デジタル出力を与える。本システムは更に、不一致電圧に基づいてチャネル利得信号を求める信号レベル解析器を含む。本システム内のレベルシフタは、クリアランスパラメータ信号及び参照信号と切替可能に結合されて、不一致電圧を処理する。
【０００６】
本発明の別の例示的実施形態では、クリアランスセンサシステムの自己校正システムを開示する。本システムは、前述の実施形態と同様に、センサ、オフセット補正部、レベルシフタ、増幅器、及び信号レベル解析器を含む。しかし、本実施形態では、不一致電圧を処理するためにクリアランスパラメータ信号及び参照信号がまとめてレベルシフタに結合される。
【０００７】
本発明の一実施形態では、多チャネルセンサシステムの校正方法を開示する。本方法は、固定物体と回転物体との間のクリアランスパラメータを測定することと、クリアランスパラメータのオフセット誤差を測定することと、オフセット誤差を補償するためにクリアランスパラメータをシフトすることとを含む。本方法は更に、クリアランスパラメータの不一致を測定することと、測定された不一致に基づいてチャネルの利得値を制御することを含む。
【０００８】
本発明の更に別の実施形態では、センサシステムの自己校正システムを開示する。本システムは、センサと、センサに結合された校正部とを含む。校正部は、校正曲線を処理する、レベルシフタ、利得段、及び信号レベル解析器からなる。校正部は更に、コモンモード参照を与える参照部を含む。
【０００９】
本発明の以上に記載及びその他の特徴、態様、及び利点は、次のような添付図面を参照しながら以下の詳細な説明からより明らかとなる。なお、全図面を通して同様の構成要素には同様の参照符号が付与されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係るセンサシステムを有する回転機械の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る図１のセンサシステムの概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るクリアランス測定システムの一例の概略図である。
【図４ａ】本発明の一実施形態に係る絶対校正部の一例の概略図である。
【図４ｂ】本発明の一実施形態に係る別の絶対校正部の一例の概略図である。
【図５】本発明の別の実施形態に係る相対校正部の一例の概略図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るオフセット校正部の概略図である。
【図７】センサシステムの校正手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書において詳細に説明するように、本発明の実施形態は、クリアランス測定の自己校正のシステム及び方法を含む。
【００１２】
図１は、本発明の手法の態様を組み込むことが可能な回転機械（例として、航空機用エンジンタービン１０）のの一例の斜視図である。しかし、本発明の手法は、他の任意の回転機械（例えば、蒸気タービンやガスタービンなどがあり、これらに限定されない）にも用いることが可能であることに留意されたい。本タービンは、シャフト１４に取り付けられたロータ１２を含んでいる。ロータ１２には、多数のタービンブレード１６が取り付けられている。運転時には、ブレード１６は、高温高圧の流体（蒸気）１８にさらされ、流体（蒸気）１８は、ブレード１６に作用して、軸２０のまわりを回転させる。ブレード１６は、ブレードの周囲に、ほぼ放射状および円周状に位置する固定ハウジング（シュラウド）２２の中で回転する。ブレード１６とシュラウド２２との間で作動流体が過剰に漏れるのを防ぐために、ブレード１６とシュラウド２２との間のクリアランスは比較的小さい。理想的な無損失システムであれば、クリアランスはないはずなので、すべての流体がブレード１６に対してのみ作用する。しかし、そうした構成では、ブレード１６とシュラウド２２との間の抵抗により、或いは、ロータブレード１６とシュラウド２２との間に摩擦が生じることを防ぐために、ブレードを動かすことができない。振動の点からも、クリアランスがないシステムは現実的ではない。
【００１３】
一実施形態によれば、固定シュラウド２２の内部及び周囲に円周状に、１つ以上のクリアランスセンサ２４が配置されている。図示した実施形態では、クリアランスセンサ２４は、容量性プローブを含んでいる。容量性プローブセンサは、可変静電容量でクリアランスを表す。実施形態に応じて、クリアランスセンサ２４は、マイクロ波センサ、光学式センサ、渦電流センサなどであってよい。当業者には明らかなように、マイクロ波センサや光学式センサは、それぞれ、無線信号や光信号を対象に向けて発して、クリアランスに基づく反射の特性を測定する。これらの特性は、反射信号の振幅、励起信号と反射信号との間の時間遅延又は位相差などであってよい。同様に、渦電流センサは、対象内に渦電流を誘起する。渦電流によって生成される磁界とセンサ電流によって生成される磁界との相互作用が、クリアランスに依存する。従って、渦電流センサは、クリアランスを表す電圧を出力する。一実施形態では、対象はタービンブレードである。
【００１４】
容量性センサを用いることの一利点は、サブミリ分解能が得られることである。センサ２４のそれぞれは、シュラウド２２の円周上のそれぞれの位置を基準にブレード１６の半径方向及び／又は軸方向の位置を表す信号を生成するように構成されている。センサ信号２６は、クリアランスの測定のために、クリアランス測定システム２８へ送信される。更に、クリアランス測定システム２８から出力されるクリアランス測定値は、クリアランス制御システム３０による、シュラウド２２とタービンブレード１６との間のクリアランスの制御に用いられる。センサ信号２６を、信号線を介して、或いは、無線送信機又は送受信機（図示せず）を用いて無線で、クリアランス測定システム２８へ伝達することが可能である。これは、センサからクリアランス測定システムへの一方向の伝達であっても、センサとクリアランス測定システムとの間の双方向の伝達であってもよい。
【００１５】
図２は、図１のクリアランス測定システム２８の構成の一例を示す。本実施形態のシステム２８は、第１及び第２のセンサ４０，４２を備えており、第１及び第２のセンサ４０，４２は、図１の蒸気タービンのシュラウド２２とロータブレード１６との間に存在する第１及び第２の静電容量を表す第１及び第２の測定信号を生成するように構成されている。
【００１６】
この例では、タービンのシュラウドとロータブレードとの間のクリアランス３２を、レシオメトリック手法により、第１及び第２のセンサ４０，４２の第１及び第２の信号から計算する。第１のセンサ４０には、第１のセンサ４０で検知された静電容量を測定するための双方向カプラ４４及び位相検出器４６が結合されている。同様に、第２のセンサ４２には、第２のセンサ４２で検知された静電容量を測定するための双方向カプラ４８及び位相検出器５０が結合されている。第１及び第２のセンサ４０及び４２には、第１及び第２のセンサを励起するための信号発生器５２が結合されている。更に、第１及び第２の増幅器５４，５６が、信号発生器５２で生成された入力信号を増幅するために、信号発生器５２と結合されている。信号発生能力に応じて任意で、増幅器５４，５６を用いても、フィルタリングにより信号発生器出力を調整してもよい。一実施形態では、各センサ４０，４２及び信号発生器５２と直列にキャパシタ（図示せず）を配置することが可能であり、位相検出器４６，５０は、キャパシタのいずれの側に結合されてもよい。
【００１７】
一実施形態によれば、信号発生器５２は、第１及び第２の励起信号６２，６４により、第１及び第２のセンサ４０，４２を、ある励起周波数で励起する。第１及び第２のセンサ４０，４２からは、第１及び第２の励起信号６２，６４に対応する第１及び第２の反射信号５８，６０が発生する。第１のセンサ４０で検知された静電容量の測定は、励起信号６２と、対応する反射信号５８との間の位相差を双方向カプラ４４及び位相検出器４６で測定することにより行われる。位相検出器４６は、励起周波数に基づいて第１の反射信号５８を検出して、第１の測定信号６６を生成するように構成されている。同様に、励起信号６４と、対応する反射信号６０との間の位相差を双方向カプラ４８及び位相検出器５０で測定することにより、第２のセンサ４２で検知された静電容量を表す第２の測定信号６８が生成される。第１及び第２の測定信号６６及び６８は、校正部７０へ送信され、校正部７０は、第１及び第２の測定信号６６及び６８の、ある関数に基づいてクリアランスを計算する。一実施形態では、この関数は、第１及び第２の測定信号の比である。本明細書で説明しているように、この例のセンサシステム２８は、ロータブレード１６とシュラウド２２との間の容量を測定するために、２つのセンサ４０，４２を用いている。しかし、より多くのセンサを有する他の構成のセンサシステムも、本システムの範囲内である。
【００１８】
ほぼ平行平板を構成している２つの物体の間の静電容量は、次式で表される。
【００１９】
Ｃ＝εrε0Ａ／ｄ （１）
ただし、Ｃは静電容量、Ａは物体の重なり合う部分の表面積、ｄは２つの物体間の距離、ε0は自由空間の誘電率、εrは２つの物体間の媒質の誘電率である。式（１）から、２つの物体間の静電容量が、２つの物体間の距離に依存することがわかる。従って、シュラウドとロータブレードとの間の静電容量を計算することによって、シュラウドとロータブレードとの間の距離が計算される。
【００２０】
一実施形態では、処理回路７０は、フィルタ（図示せず）及び結合器（図示せず）を含んでいる。位相検出器４６，５０の出力信号６６，６８は、第１のセンサ４０と第２のセンサ４２との間のクロストークに起因するノイズ成分を含んでいる場合がある。そこで、それらのセンサ間のクロストークによって発生した信号ノイズを、フィルタを用いて取り除くことが可能である。結合器は、各位相検出器の出力信号を結合して、シュラウドとロータブレードとの間のレシオメトリック静電容量を計算する。このレシオメトリック静電容量により、シュラウドとロータブレードとの間の、ほぼ正確な、最小誤差の容量測定値が求められる。
【００２１】
図３は、回転機械のクリアランス測定のためのシステム８０の一例の概略図である。図示した実施形態では、センサ８２が、測定を行い、クリアランスパラメータを表す信号を発生させる。既に説明したように、センサは、容量性プローブセンサ、マイクロ波センサ、光学式センサ、渦電流センサなどであってよい。一実施形態では、オフセット補正部８４を用いて、クリアランスパラメータ信号内のオフセット誤差を求める。一例では、ＤＣレベルファインダがクリアランス測定信号のオフセット誤差を求め、この、クリアランス測定信号のオフセット誤差を補正するために、レベルシフタ８６が本システム内で用いられる。本システムはさらに、チャネルセンサ出力間の差を求めるために信号レベル解析器８８を備える。一実施形態では、参照スキーム９０を用いてチャネル利得を一致させる。参照スキーム９０は、自動利得制御器を含んでよく、絶対スキームであることも相対スキームであることも可能である。なお、オフセット補正部及び信号レベル解析器は、アナログ領域で実装することや、デジタルプロセッサの適切なプログラミングによって実装することや、アナログ回路及びデジタル回路（増幅器、マイクロプロセッサ、アナログデジタル変換器、デジタルアナログ変換器など）を組み合わせて実装することが可能である。一実施形態として２チャネルセンサシステムがあるが、多チャネル処理もまた、本発明の範囲内である。多チャネルの実施形態には、各チャネルが互いを参照することが可能であるものもあれば、１つのチャネルが参照チャネルとして選択されるものもある。例えば、半径方向及び軸方向のクリアランスのように、用途によっては、多数のセンサを処理に用いる。
【００２２】
図４ａは、図２の例示的校正回路の一形態１１０を示す。この図は、２チャネルシステムにおいて絶対利得相関を用いて利得を調整する信号を示している。本明細書で説明しているように、２チャネル差動感知システムは、２つのチャネルの応答が緊密に一致しているほど、性能が高い。本明細書における「チャネル」とは、図１に示したようなクリアランスを求めるために使用する、１つ以上のセンサ及びそれぞれに対応する要素を意味する。２つのチャネルの応答に少しでも不一致があると、システムのコモンモード誤差排除能力が低下する。校正部は、第１のクリアランス測定信号６６と第２のクリアランス測定信号６８との間の誤差がコモンモードであることを保証し、且つ、両チャネルに対して共通（コモン）である誤差信号があれば、これらが信号調整を経た両チャネル出力に対して同一の影響を有することを保証する。図示した例では、第１のスイッチ１１２が第１の位相検出器４６と結合され、第２のスイッチ１１４が第２の位相検出器５０と結合されている。第１及び第２の位相検出器４６，５０からの第１及び第２のクリアランス測定信号６６，６８は、第１及び第２のスイッチ１１２及び１１４の第１の入力になる。この例では、第１及び第２のスイッチ１１２，１１４は、単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチである。当業者には明らかなように、処理部が位相検出器信号６６，６８又は参照信号１１６のいずれかに繋がるように、ＳＰＤＴスイッチに２つのポジションを用意してもよい。別の実施形態では、スイッチ１１２，１１４は、所望レンジの複数の無線周波数信号で動作する、無線周波数で制御されるスイッチである。別の実施形態では、スイッチは、ＭＥＭＳスイッチであってよい。当業者には知られている他の切替機構を用いることも可能である。
【００２３】
共通参照信号１１６が、第１及び第２のスイッチの切替入力になる。第１及び第２のスイッチ１１２，１１４を介して校正部１１０に共通参照信号１１６を印加することにより、チャネル間差動誤差を確実に最小化する共通参照点を確立することができる。第１のスイッチ１１２の出力信号１１８が、第１のレベルシフタ１２０の入力になる。同様に、第２のスイッチ１１４の出力信号１２２が、第２のレベルシフタ１２４の入力になる。自己テストイネーブル１２６が、第１及び第２のスイッチ１１２，１１４に対してイネーブル信号１２８を発生させて、参照信号１１６への切り替えを制御する。一実施形態では、イネーブル信号１２８が「ｈｉｇｈ」の場合に、参照信号１１６が、レベルシフタ１２０，１２４の第１の入力１１８，１２２になる。イネーブル信号１２８が「ｌｏｗ」の場合には、位相検出器４６，５０の出力信号が、それぞれ、レベルシフタ１２０，１２４の第１の入力１１８，１２２になる。一実施形態では、自己テストイネーブル回路１２６は、所定の切替間隔で、又は校正要求信号に応答して、イネーブル信号１２８を発生させる。
【００２４】
レベルシフタ１２０，１２４は、入力信号１１８，１２２を、シフトレベル入力信号１３０，１３２で提示されたレベルだけシフトする。シフトレベル入力信号１３０及び１３２は、それぞれ、オフセット補正回路１３７及び１４３から供給される。レベルシフタ１２０，１２４の出力信号１３４，１３６は、利得段（増幅器）１３８，１４０へ送信される。増幅器１３８，１４０は、レベルシフタ１２０，１２４の出力信号１３４，１３６を増幅する。参照増幅を維持するために、利得段１３８，１４０のそれぞれに、対応する自動利得制御器（ＡＧＣ）１３９，１４１を結合してもよい。
【００２５】
一実施形態では、使用される参照信号ソース１１６は、温度補償がなされた、ドリフトが非常に小さい部品によるソースである。従って、高精度の参照信号により、増幅器の利得もまた、確実に良好に制御される。増幅器の出力信号１４２及び１４４は、アナログデジタル変換器１４６，１４８の入力になり、アナログデジタル変換器１４６，１４８は、信号１４２，１４４をデジタル校正済み信号１５０，１５２に変換する。アナログデジタル変換器１４６，１４８は、信号レベル解析器１５４，１５６の入力となる校正済み電圧を出力する。信号レベル解析器１５４，１５６からの電圧信号出力（チャネル利得信号）１５８，１６０は、実時間で実施可能な処理又は後処理のための校正曲線の生成に用いられる。信号レベル解析器１５４，１５６からのチャネル利得信号１５８，１６０は、自己テストイネーブル１２６にも結合されている。そして、自己テストイネーブル１２６は、参照信号１１６と位相検出器出力信号６６，６８との間の信号切替を制御する。レベルシフタ１２０，１２４の入力が参照信号１１６である場合には、第１及び第２の信号レベル解析器１５４，１５６からそれぞれ得られる電圧信号１５８及び１６０における不一致が測定される。それに応じて、電圧信号１５８及び１６０のそれぞれの不一致が一致するように、利得段１３８，１４０の一方又は両方の利得が調節される。この調節は、一実施形態では、アナログ領域で、制御可能な部品（可変利得増幅器など）を用いて行われる。別の実施形態では、不一致信号がデジタイズされ、デジタル利得補正値が計算される。この利得補正信号を用いて、２つのチャネルの利得の補正がデジタル領域で行われる。
【００２６】
ここでの説明は２チャネルシステムに関するものであるが、本システムは２チャネルに限定されず、多チャネルの処理能力を有する他の実施形態もあることを理解されたい。例えば、３チャネルの実施形態であれば、本明細書で詳述しているようなセンサ及び付随する処理要素を３組有し、３つのチャネルとの間で参照信号が切り替えられるであろう。別の一実施形態では、特定の要素を共用して、各種センサを適宜切り替えることが可能である。
【００２７】
本発明の一実施形態では、位相検出器信号のＤＣレベル成分と増幅器の利得値とを、定期的に検出及び追跡し、これらの値の追跡には、オンボードの参照及びアルゴリズムを用いる。これらの情報は、処理装置へ送信される。処理装置は、各チャネルの補正率を計算し、更に、補正の履歴を追跡する。処理装置は、これらの補正をデータに適用する。即ち、増幅器の利得又はレベルシフタのシフトレベル信号を補正する。これらの補正は、２つのチャネルの特性が高度に一致するように行われる。補正後に利得又はオフセットが高い率でドリフトする傾向が処理装置によって検出された場合は、センサ及び電子回路の動作状態の評価が行われる。この評価に基づいて、処理装置は、予想以上の誤差又は劣化が検出されたことと、クリアランスセンサシステムの保守要求が出されたこととを通知するアラートをトリガしてよい。特定の実施形態では、利得の調節をデジタル乗算器で行う。
【００２８】
図４ｂは、図２の例示的校正回路の別の形態１７０を示す。この実施形態では、位相検出器出力信号６６，６８及び参照信号１１７の両方が、レベルシフタ１２０，１２４の入力になる。つまり、先の実施形態の第１及び第２のスイッチ１１２及び１１４並びに自己テストイネーブル回路１２６は、この実施形態では省略されている。加算器１７２が、位相検出器出力信号６６と参照信号１１７とを適宜結合させて関連付ける。同様に、加算器１７４が、位相検出器出力信号６８と参照信号１１７とを加算する。この実施形態では、参照信号１１７の周波数と、位相検出器４６，５０の出力信号６６，６８の周波数とが、異なっており、参照信号１１７と位相検出器出力信号６６，６８とを結合しても影響が出ないように適切にオフセットされている。一実施形態では、参照信号１１７の周波数は約５００ｋＨｚであり、位相検出器４６，５０の出力信号６６，６８の周波数は、約１００ｋＨｚである。しかしながら、これらの信号には他の周波数値も使用可能であることに留意されたい。この構成では、位相検出器信号及び参照信号の同時接続が可能であり、従って、位相検出器４６，５０の連続入力がレベルシフタ１２０，１２４へ出力されるようになる。参照信号処理は、様々な時間間隔で、又は、特に設計条件によって定められているように、実施可能である。
【００２９】
図５は、図２の校正回路の別の例示的構成１８０を示す。この例は、相対参照信号処理が行われるように、チャネル間の相対利得相関を用いて利得を調整する信号を示している。この実施形態では、第１の位相検出器４６の出力６６が、第２のスイッチ１１４の一入力になる。同様に、第２の位相検出器５０の出力６８が、第１のスイッチ１１２の一入力になる。一実施形態では、自己テストイネーブル信号１２８が切り替えられたときに、第１及び第２のレベルシフタ１２０，１２４の入力信号１１８，１２２は、第１の位相検出器４６の出力信号６６になる。別の実施形態では、自己テストイネーブル信号１２８が切り替えられたときに、第１及び第２のレベルシフタ１２０，１２４の入力信号１１８，１２２は、第２の位相検出器５０の出力信号６８になる。この構成では、図４ａ又は図４ｂの独立した参照信号１１６，１１７を校正に用いていない。本明細書で述べているように、説明は２チャネルの実装に関して行っているが、別の実施形態として多チャネルもあり、それらのチャネルの間に参照処理を実装することが可能である。
【００３０】
図６は、図４ａ、図４ｂ、及び図５のオフセット補正回路１９０の概略図である。この図では、１チャネル分の要素だけを示している。他のチャネルについても同様の機能が用いられ、ＤＣレベルファインダ２０４への入力を結合するなどの共通参照リンクを設けることが可能である。参照信号は、信号の実際のＤＣレベルと所望のＤＣレベルとの間の誤差信号の計算に用いる。ＤＣレベルファインダにおいて共通参照リンクを用いることにより、参照の誤差が両チャネルに均等に作用するようになり、これによって、２つのチャネル間で高度の一致が維持される。一実施形態によれば、この実施形態は、電子オフセット処理を実施し、レベルシフタ１９２を備え、レベルシフタ１９２は、第１の入力信号１９４のレベルを、レベルシフタ１９２の第２の入力信号１９６に基づいてシフトするように構成されている。一実施形態では、第１の入力信号１９４は、図２の第１のセンサ４０からの第１の測定信号６６（図２）である。別の実施形態では、レベルシフタ１９２の第２の入力信号１９６は、シフトレベル信号又はオフセット信号である。オフセット補正回路１９０は更に、レベルシフタ１９２の出力信号２００を増幅する利得段（増幅器）１９８を備える。利得段出力２０２は、クリアランスの計算のための測定信号として使用される。利得段出力信号２０２はまた、ＤＣレベルファインダ２０４へフィードバックされる。ＤＣレベルファインダ２０４は、利得段出力信号内のＤＣ成分を求める。ＤＣレベルファインダ２０４の誤差信号出力は、レベルシフタ補正回路２０６へ送信される。レベルシフタ補正回路２０６は、レベルシフタ１９２の第１の入力信号１９４に必要なシフト量であるオフセットを求める。レベルシフタ１９２を動的に調節することにより、大きなオフセットで増幅器段１９８が飽和することがなくなる。一実施形態では、同様のオフセット補正回路を、図４ａ、図４ｂ、及び図５の第２のチャネルに用いる。ここでは、オフセット補正回路１９０を構造的に説明したが、特定の機能性をオフセット補正回路１９０にソフトウェア処理で実装してもよい。
【００３１】
図７は、一実施形態に係る多チャネルセンサシステムの校正手順を示すフローチャート２２０である。ステップ２２１で、固定物体と回転物体との間のクリアランスパラメータを、センサチャネルを用いて測定する。ステップ２２２で、クリアランスパラメータのオフセット誤差を、オフセット補正回路で測定する。ステップ２２４で、両方のセンサチャネルに参照信号を与える。これは、図４ａ、図４ｂに示したような共通参照信号であっても、図５の相対処理によるものであってもよい。前述のように、共通参照信号ソースは、利得を適正に制御するために、温度補償がなされた、ドリフトが非常に小さい部品を有する。一実施形態では、ステップ２２４で、各チャネルの出力応答を測定し、互いに比較する。つまり、チャネル出力信号間の不一致を測定する。ステップ２２６で、各チャネルの増幅器の利得値を、２つの出力信号の間で測定された不一致に基づいて制御し、ステップ２２８で、この不一致又は誤差を定期的に追跡する。一実施形態では、誤差の閾値を、処理装置のメモリに設定する。この誤差が閾値又は予想された誤差傾向より大きい場合、処理装置は、ステップ２３０で、クリアランスセンサシステムの保守要求を示すアラートをトリガする。本明細書で説明しているように、絶対校正の例の１つでは、自己テストイネーブル回路が、各チャネルの入力を、参照信号と実際のセンサ出力信号との間で制御する。このアラートは、システムの動作状態を調べるメカニズムを提供し、アラートメカニズムとしては、音声方式、視覚方式、音声及び視覚方式、並びに、電子メール、テキストメッセージ、又はダイヤル式電話番号を送り出すことが可能な通知方式など、様々なものがある。
【００３２】
当業者には明らかなように、先述の方法又は方法の一部、並びに処理手順は、プロセッサベースのシステム（汎用又は専用コンピュータなど）で実行される適宜のコンピュータプログラムコードによる実装が可能である。当業者には明らかなように、このコンピュータプログラムコードを、１つまたは複数の種類の有形の機械可読媒体に格納しても、有形の機械可読媒体への格納に適合させてもよく、そのような媒体として、メモリチップ、ローカル又はリモートのハードディスク、光ディスク（すなわち、ＣＤやＤＶＤ）、又はその他、格納されたコードの実行のためにプロセッサベースのシステムによってアクセス可能な媒体が挙げられる。なお、有形媒体には、紙、又はその他、命令の印刷に好適な媒体も含まれている。例えば、紙又は他の媒体に対して光学式走査を行うことにより、命令を電子的に取り込み、コンパイルし、解釈するか、必要に応じてその他適宜の方法で処理して、コンピュータメモリに格納することができる。
【００３３】
本明細書では、本発明の一部の特徴についてのみ図解してきたが、当業者には、これらの様々な修正及び改変形態が想起可能であろう。添付の特許請求は、これらの修正及び改変形態も本質的に、本発明の実施形態として包含するものとする。
【符号の説明】
【００３４】
１０ 航空機用エンジンタービン
１２ タービンロータ
１４ ロータシャフト
１６ ロータブレード
１８ 流体
２０ ロータ軸
２２ シュラウド
２４ クリアランスセンサ
２６ センサ信号明細書
２８ クリアランス測定システム
３０ クリアランス制御システム
３２ クリアランス
４０ 第１のセンサ
４２ 第２のセンサ
４４，４８ 双方向カプラ
４６，５０ 位相検出器
５２ 信号発生器
５４，５６ 増幅器
５８，６０ 反射信号明細書
６２，６４ 励起信号明細書
６６，６８ 測定信号明細書
７０ 校正部
８０ クリアランス測定システムの一例
８２ センサ
８４ クリアランスパラメータ信号明細書
８６ レベルシフタ
８８ 信号レベル解析器
９０ チャネル利得を一致させる参照スキーム
１１０ 校正回路の一例
１１２，１１４ スイッチ
１１６，１１７ 参照信号明細書
１１８，１２２ レベルシフタの第１の入力信号明細書
１２０，１２４ レベルシフタ
１２６ 自己テストイネーブル回路
１２８ イネーブル信号明細書
１３０，１３２ シフトレベル入力信号明細書
１３４，１３６ レベルシフタの出力信号明細書
１３７ オフセット補正回路
１３８，１４０ 利得段
１３９，１４１ 自動利得制御器
１４２，１４４ 増幅器の出力信号明細書
１４６，１４８ アナログデジタル変換器
１５０，１５２ デジタル校正済み信号明細書
１５４，１５６ 信号レベル解析器
１５８，１６０ 信号レベル解析器の出力
１７０ 校正回路の一例
１７２，１７４ 加算器
１８０ 校正回路の一例
１９０ オフセット補正回路
１９２ レベルシフタ
１９４ レベルシフタの第１の入力信号明細書
１９６ レベルシフタの第２の入力信号明細書
１９８ 利得段
２００ レベルシフタの出力信号明細書
２０２ 利得段の出力信号明細書
２０４ ＤＣレベルファインダ
２０６ レベルシフタ補正
２２０ 校正手順を示すフローチャート
２２１〜２３０ フローチャートの各ステップ
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、概して、センサシステムの校正のための方法及びシステムに関し、特に、差動検知システムの校正に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの物体間の距離を測定するために、様々な種類のセンサシステムが用いられてきた。そのようなセンサシステムの１つが、２チャネル差動検知システムである。２チャネル差動検知システムでは、２つのチャネルに均等に影響を及ぼす様々な誤差原因を排除又は低減することが可能である。差動測定ならではの利点を実現可能にするためには、２つのチャネルの応答を一致させることが最も重要である。２つのチャネルの応答の間に少しでも不一致があると、著しい測定誤差が発生する。例えば、クリアランス測定に誤差があると、タービンのシュラウドとタービンブレードとの間の相対変位が不正確になる。従って、システムの２つのチャネルの応答の一致を動的かつ定期的にチェックして修正することが必要である。チャネルの応答が変化する原因として、温度効果及び長期ドリフトに起因する電子部品のばらつきがある。
【０００３】
回路の温度係数の低減、並びにドリフトの影響の低減のために、様々な回路設計手法が用いられてきた。しかし、これらの手法は、測定精度を長期間にわたって保証するものではない。一般的な手法として、センサシステムに温度補償部品を使用する手法がある。また、ドリフトが非常に小さい部品を使用する手法も一般的である。いずれの方法もばらつきを低減するが、ある期間及び温度にわたるドリフト及びばらつきを検出して修正することの備えにはならない。現行のクリアランス検知システムは、この問題に対処するために試験室での校正を頻繁に行うことに大きく依存している。例えば、人間が介入しない多年にわたる保守を必要とする飛行システムの場合、校正は、透過的に行われる必要があり、システムを取り外すこと、又は人間の介入が不要でなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７１８０３０５号明細書
【特許文献２】米国特許第７２１５１２９号明細書
【特許文献３】米国特許第７３３２９１５号明細書
【特許文献４】米国特許第７３３３９１３号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００６／０１３２１４７号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００６／０２３９８１３号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００７／０１２８０１６号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００７／０２２２４５９号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００８／００７２６８１号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の例示的実施形態では、多チャネルクリアランスセンサシステムの自己校正システムを開示する。本システムは、固定物体と回転物体との間のクリアランスパラメータを測定するセンサを含む。本システムは更に、クリアランスパラメータのオフセット誤差を求めるオフセット補正部と、クリアランスパラメータをオフセット誤差分だけシフトするレベルシフタとを含む。レベルシフタ出力を増幅する増幅器が設けられ、アナログデジタル変換器が、増幅器出力に結合されて、デジタル出力を与える。本システムは更に、不一致電圧に基づいてチャネル利得信号を求める信号レベル解析器を含む。本システム内のレベルシフタは、クリアランスパラメータ信号及び参照信号と切替可能に結合されて、不一致電圧を処理する。
【０００６】
本発明の別の例示的実施形態では、クリアランスセンサシステムの自己校正システムを開示する。本システムは、前述の実施形態と同様に、センサ、オフセット補正部、レベルシフタ、増幅器、及び信号レベル解析器を含む。しかし、本実施形態では、不一致電圧を処理するためにクリアランスパラメータ信号及び参照信号がまとめてレベルシフタに結合される。
【０００７】
本発明の一実施形態では、多チャネルセンサシステムの校正方法を開示する。本方法は、固定物体と回転物体との間のクリアランスパラメータを測定することと、クリアランスパラメータのオフセット誤差を測定することと、オフセット誤差を補償するためにクリアランスパラメータをシフトすることとを含む。本方法は更に、クリアランスパラメータの不一致を測定することと、測定された不一致に基づいてチャネルの利得値を制御することを含む。
【０００８】
本発明の更に別の実施形態では、センサシステムの自己校正システムを開示する。本システムは、センサと、センサに結合された校正部とを含む。校正部は、校正曲線を処理する、レベルシフタ、利得段、及び信号レベル解析器からなる。校正部は更に、コモンモード参照を与える参照部を含む。
【０００９】
本発明の以上に記載及びその他の特徴、態様、及び利点は、次のような添付図面を参照しながら以下の詳細な説明からより明らかとなる。なお、全図面を通して同様の構成要素には同様の参照符号が付与されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係るセンサシステムを有する回転機械の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る図１のセンサシステムの概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るクリアランス測定システムの一例の概略図である。
【図４ａ】本発明の一実施形態に係る絶対校正部の一例の概略図である。
【図４ｂ】本発明の一実施形態に係る別の絶対校正部の一例の概略図である。
【図５】本発明の別の実施形態に係る相対校正部の一例の概略図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るオフセット校正部の概略図である。
【図７】センサシステムの校正手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書において詳細に説明するように、本発明の実施形態は、クリアランス測定の自己校正のシステム及び方法を含む。
【００１２】
図１は、本発明の手法の態様を組み込むことが可能な回転機械（例として、航空機用エンジンタービン１０）のの一例の斜視図である。しかし、本発明の手法は、他の任意の回転機械（例えば、蒸気タービンやガスタービンなどがあり、これらに限定されない）にも用いることが可能であることに留意されたい。本タービンは、シャフト１４に取り付けられたロータ１２を含んでいる。ロータ１２には、多数のタービンブレード１６が取り付けられている。運転時には、ブレード１６は、高温高圧の流体（蒸気）１８にさらされ、流体（蒸気）１８は、ブレード１６に作用して、軸２０のまわりを回転させる。ブレード１６は、ブレードの周囲に、ほぼ放射状および円周状に位置する固定ハウジング（シュラウド）２２の中で回転する。ブレード１６とシュラウド２２との間で作動流体が過剰に漏れるのを防ぐために、ブレード１６とシュラウド２２との間のクリアランスは比較的小さい。理想的な無損失システムであれば、クリアランスはないはずなので、すべての流体がブレード１６に対してのみ作用する。しかし、そうした構成では、ブレード１６とシュラウド２２との間の抵抗により、或いは、ロータブレード１６とシュラウド２２との間に摩擦が生じることを防ぐために、ブレードを動かすことができない。振動の点からも、クリアランスがないシステムは現実的ではない。
【００１３】
一実施形態によれば、固定シュラウド２２の内部及び周囲に円周状に、１つ以上のクリアランスセンサ２４が配置されている。図示した実施形態では、クリアランスセンサ２４は、容量性プローブを含んでいる。容量性プローブセンサは、可変静電容量でクリアランスを表す。実施形態に応じて、クリアランスセンサ２４は、マイクロ波センサ、光学式センサ、渦電流センサなどであってよい。当業者には明らかなように、マイクロ波センサや光学式センサは、それぞれ、無線信号や光信号を対象に向けて発して、クリアランスに基づく反射の特性を測定する。これらの特性は、反射信号の振幅、励起信号と反射信号との間の時間遅延又は位相差などであってよい。同様に、渦電流センサは、対象内に渦電流を誘起する。渦電流によって生成される磁界とセンサ電流によって生成される磁界との相互作用が、クリアランスに依存する。従って、渦電流センサは、クリアランスを表す電圧を出力する。一実施形態では、対象はタービンブレードである。
【００１４】
容量性センサを用いることの一利点は、サブミリ分解能が得られることである。センサ２４のそれぞれは、シュラウド２２の円周上のそれぞれの位置を基準にブレード１６の半径方向及び／又は軸方向の位置を表す信号を生成するように構成されている。センサ信号２６は、クリアランスの測定のために、クリアランス測定システム２８へ送信される。更に、クリアランス測定システム２８から出力されるクリアランス測定値は、クリアランス制御システム３０による、シュラウド２２とタービンブレード１６との間のクリアランスの制御に用いられる。センサ信号２６を、信号線を介して、或いは、無線送信機又は送受信機（図示せず）を用いて無線で、クリアランス測定システム２８へ伝達することが可能である。これは、センサからクリアランス測定システムへの一方向の伝達であっても、センサとクリアランス測定システムとの間の双方向の伝達であってもよい。
【００１５】
図２は、図１のクリアランス測定システム２８の構成の一例を示す。本実施形態のシステム２８は、第１及び第２のセンサ４０，４２を備えており、第１及び第２のセンサ４０，４２は、図１の蒸気タービンのシュラウド２２とロータブレード１６との間に存在する第１及び第２の静電容量を表す第１及び第２の測定信号を生成するように構成されている。
【００１６】
この例では、タービンのシュラウドとロータブレードとの間のクリアランス３２を、レシオメトリック手法により、第１及び第２のセンサ４０，４２の第１及び第２の信号から計算する。第１のセンサ４０には、第１のセンサ４０で検知された静電容量を測定するための双方向カプラ４４及び位相検出器４６が結合されている。同様に、第２のセンサ４２には、第２のセンサ４２で検知された静電容量を測定するための双方向カプラ４８及び位相検出器５０が結合されている。第１及び第２のセンサ４０及び４２には、第１及び第２のセンサを励起するための信号発生器５２が結合されている。更に、第１及び第２の増幅器５４，５６が、信号発生器５２で生成された入力信号を増幅するために、信号発生器５２と結合されている。信号発生能力に応じて任意で、増幅器５４，５６を用いても、フィルタリングにより信号発生器出力を調整してもよい。一実施形態では、各センサ４０，４２及び信号発生器５２と直列にキャパシタ（図示せず）を配置することが可能であり、位相検出器４６，５０は、キャパシタのいずれの側に結合されてもよい。
【００１７】
一実施形態によれば、信号発生器５２は、第１及び第２の励起信号６２，６４により、第１及び第２のセンサ４０，４２を、ある励起周波数で励起する。第１及び第２のセンサ４０，４２からは、第１及び第２の励起信号６２，６４に対応する第１及び第２の反射信号５８，６０が発生する。第１のセンサ４０で検知された静電容量の測定は、励起信号６２と、対応する反射信号５８との間の位相差を双方向カプラ４４及び位相検出器４６で測定することにより行われる。位相検出器４６は、励起周波数に基づいて第１の反射信号５８を検出して、第１の測定信号６６を生成するように構成されている。同様に、励起信号６４と、対応する反射信号６０との間の位相差を双方向カプラ４８及び位相検出器５０で測定することにより、第２のセンサ４２で検知された静電容量を表す第２の測定信号６８が生成される。第１及び第２の測定信号６６及び６８は、校正部７０へ送信され、校正部７０は、第１及び第２の測定信号６６及び６８の、ある関数に基づいてクリアランスを計算する。一実施形態では、この関数は、第１及び第２の測定信号の比である。本明細書で説明しているように、この例のセンサシステム２８は、ロータブレード１６とシュラウド２２との間の容量を測定するために、２つのセンサ４０，４２を用いている。しかし、より多くのセンサを有する他の構成のセンサシステムも、本システムの範囲内である。
【００１８】
ほぼ平行平板を構成している２つの物体の間の静電容量は、次式で表される。
【００１９】
Ｃ＝εrε0Ａ／ｄ （１）
ただし、Ｃは静電容量、Ａは物体の重なり合う部分の表面積、ｄは２つの物体間の距離、ε0は自由空間の誘電率、εrは２つの物体間の媒質の誘電率である。式（１）から、２つの物体間の静電容量が、２つの物体間の距離に依存することがわかる。従って、シュラウドとロータブレードとの間の静電容量を計算することによって、シュラウドとロータブレードとの間の距離が計算される。
【００２０】
一実施形態では、処理回路７０は、フィルタ（図示せず）及び結合器（図示せず）を含んでいる。位相検出器４６，５０の出力信号６６，６８は、第１のセンサ４０と第２のセンサ４２との間のクロストークに起因するノイズ成分を含んでいる場合がある。そこで、それらのセンサ間のクロストークによって発生した信号ノイズを、フィルタを用いて取り除くことが可能である。結合器は、各位相検出器の出力信号を結合して、シュラウドとロータブレードとの間のレシオメトリック静電容量を計算する。このレシオメトリック静電容量により、シュラウドとロータブレードとの間の、ほぼ正確な、最小誤差の容量測定値が求められる。
【００２１】
図３は、回転機械のクリアランス測定のためのシステム８０の一例の概略図である。図示した実施形態では、センサ８２が、測定を行い、クリアランスパラメータを表す信号を発生させる。既に説明したように、センサは、容量性プローブセンサ、マイクロ波センサ、光学式センサ、渦電流センサなどであってよい。一実施形態では、オフセット補正部８４を用いて、クリアランスパラメータ信号内のオフセット誤差を求める。一例では、ＤＣレベルファインダがクリアランス測定信号のオフセット誤差を求め、この、クリアランス測定信号のオフセット誤差を補正するために、レベルシフタ８６が本システム内で用いられる。本システムはさらに、チャネルセンサ出力間の差を求めるために信号レベル解析器８８を備える。一実施形態では、参照スキーム９０を用いてチャネル利得を一致させる。参照スキーム９０は、自動利得制御器を含んでよく、絶対スキームであることも相対スキームであることも可能である。なお、オフセット補正部及び信号レベル解析器は、アナログ領域で実装することや、デジタルプロセッサの適切なプログラミングによって実装することや、アナログ回路及びデジタル回路（増幅器、マイクロプロセッサ、アナログデジタル変換器、デジタルアナログ変換器など）を組み合わせて実装することが可能である。一実施形態として２チャネルセンサシステムがあるが、多チャネル処理もまた、本発明の範囲内である。多チャネルの実施形態には、各チャネルが互いを参照することが可能であるものもあれば、１つのチャネルが参照チャネルとして選択されるものもある。例えば、半径方向及び軸方向のクリアランスのように、用途によっては、多数のセンサを処理に用いる。
【００２２】
図４ａは、図２の例示的校正回路の一形態１１０を示す。この図は、２チャネルシステムにおいて絶対利得相関を用いて利得を調整する信号を示している。本明細書で説明しているように、２チャネル差動感知システムは、２つのチャネルの応答が緊密に一致しているほど、性能が高い。本明細書における「チャネル」とは、図１に示したようなクリアランスを求めるために使用する、１つ以上のセンサ及びそれぞれに対応する要素を意味する。２つのチャネルの応答に少しでも不一致があると、システムのコモンモード誤差排除能力が低下する。校正部は、第１のクリアランス測定信号６６と第２のクリアランス測定信号６８との間の誤差がコモンモードであることを保証し、且つ、両チャネルに対して共通（コモン）である誤差信号があれば、これらが信号調整を経た両チャネル出力に対して同一の影響を有することを保証する。図示した例では、第１のスイッチ１１２が第１の位相検出器４６と結合され、第２のスイッチ１１４が第２の位相検出器５０と結合されている。第１及び第２の位相検出器４６，５０からの第１及び第２のクリアランス測定信号６６，６８は、第１及び第２のスイッチ１１２及び１１４の第１の入力になる。この例では、第１及び第２のスイッチ１１２，１１４は、単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチである。当業者には明らかなように、処理部が位相検出器信号６６，６８又は参照信号１１６のいずれかに繋がるように、ＳＰＤＴスイッチに２つのポジションを用意してもよい。別の実施形態では、スイッチ１１２，１１４は、所望レンジの複数の無線周波数信号で動作する、無線周波数で制御されるスイッチである。別の実施形態では、スイッチは、ＭＥＭＳスイッチであってよい。当業者には知られている他の切替機構を用いることも可能である。
【００２３】
共通参照信号１１６が、第１及び第２のスイッチの切替入力になる。第１及び第２のスイッチ１１２，１１４を介して校正部１１０に共通参照信号１１６を印加することにより、チャネル間差動誤差を確実に最小化する共通参照点を確立することができる。第１のスイッチ１１２の出力信号１１８が、第１のレベルシフタ１２０の入力になる。同様に、第２のスイッチ１１４の出力信号１２２が、第２のレベルシフタ１２４の入力になる。自己テストイネーブル１２６が、第１及び第２のスイッチ１１２，１１４に対してイネーブル信号１２８を発生させて、参照信号１１６への切り替えを制御する。一実施形態では、イネーブル信号１２８が「ｈｉｇｈ」の場合に、参照信号１１６が、レベルシフタ１２０，１２４の第１の入力１１８，１２２になる。イネーブル信号１２８が「ｌｏｗ」の場合には、位相検出器４６，５０の出力信号が、それぞれ、レベルシフタ１２０，１２４の第１の入力１１８，１２２になる。一実施形態では、自己テストイネーブル回路１２６は、所定の切替間隔で、又は校正要求信号に応答して、イネーブル信号１２８を発生させる。
【００２４】
レベルシフタ１２０，１２４は、入力信号１１８，１２２を、シフトレベル入力信号１３０，１３２で提示されたレベルだけシフトする。シフトレベル入力信号１３０及び１３２は、それぞれ、オフセット補正回路１３７及び１４３から供給される。レベルシフタ１２０，１２４の出力信号１３４，１３６は、利得段（増幅器）１３８，１４０へ送信される。増幅器１３８，１４０は、レベルシフタ１２０，１２４の出力信号１３４，１３６を増幅する。参照増幅を維持するために、利得段１３８，１４０のそれぞれに、対応する自動利得制御器（ＡＧＣ）１３９，１４１を結合してもよい。
【００２５】
一実施形態では、使用される参照信号ソース１１６は、温度補償がなされた、ドリフトが非常に小さい部品によるソースである。従って、高精度の参照信号により、増幅器の利得もまた、確実に良好に制御される。増幅器の出力信号１４２及び１４４は、アナログデジタル変換器１４６，１４８の入力になり、アナログデジタル変換器１４６，１４８は、信号１４２，１４４をデジタル校正済み信号１５０，１５２に変換する。アナログデジタル変換器１４６，１４８は、信号レベル解析器１５４，１５６の入力となる校正済み電圧を出力する。信号レベル解析器１５４，１５６からの電圧信号出力（チャネル利得信号）１５８，１６０は、実時間で実施可能な処理又は後処理のための校正曲線の生成に用いられる。信号レベル解析器１５４，１５６からのチャネル利得信号１５８，１６０は、自己テストイネーブル１２６にも結合されている。そして、自己テストイネーブル１２６は、参照信号１１６と位相検出器出力信号６６，６８との間の信号切替を制御する。レベルシフタ１２０，１２４の入力が参照信号１１６である場合には、第１及び第２の信号レベル解析器１５４，１５６からそれぞれ得られる電圧信号１５８及び１６０における不一致が測定される。それに応じて、電圧信号１５８及び１６０のそれぞれの不一致が一致するように、利得段１３８，１４０の一方又は両方の利得が調節される。この調節は、一実施形態では、アナログ領域で、制御可能な部品（可変利得増幅器など）を用いて行われる。別の実施形態では、不一致信号がデジタイズされ、デジタル利得補正値が計算される。この利得補正信号を用いて、２つのチャネルの利得の補正がデジタル領域で行われる。
【００２６】
ここでの説明は２チャネルシステムに関するものであるが、本システムは２チャネルに限定されず、多チャネルの処理能力を有する他の実施形態もあることを理解されたい。例えば、３チャネルの実施形態であれば、本明細書で詳述しているようなセンサ及び付随する処理要素を３組有し、３つのチャネルとの間で参照信号が切り替えられるであろう。別の一実施形態では、特定の要素を共用して、各種センサを適宜切り替えることが可能である。
【００２７】
本発明の一実施形態では、位相検出器信号のＤＣレベル成分と増幅器の利得値とを、定期的に検出及び追跡し、これらの値の追跡には、オンボードの参照及びアルゴリズムを用いる。これらの情報は、処理装置へ送信される。処理装置は、各チャネルの補正率を計算し、更に、補正の履歴を追跡する。処理装置は、これらの補正をデータに適用する。即ち、増幅器の利得又はレベルシフタのシフトレベル信号を補正する。これらの補正は、２つのチャネルの特性が高度に一致するように行われる。補正後に利得又はオフセットが高い率でドリフトする傾向が処理装置によって検出された場合は、センサ及び電子回路の動作状態の評価が行われる。この評価に基づいて、処理装置は、予想以上の誤差又は劣化が検出されたことと、クリアランスセンサシステムの保守要求が出されたこととを通知するアラートをトリガしてよい。特定の実施形態では、利得の調節をデジタル乗算器で行う。
【００２８】
図４ｂは、図２の例示的校正回路の別の形態１７０を示す。この実施形態では、位相検出器出力信号６６，６８及び参照信号１１７の両方が、レベルシフタ１２０，１２４の入力になる。つまり、先の実施形態の第１及び第２のスイッチ１１２及び１１４並びに自己テストイネーブル回路１２６は、この実施形態では省略されている。加算器１７２が、位相検出器出力信号６６と参照信号１１７とを適宜結合させて関連付ける。同様に、加算器１７４が、位相検出器出力信号６８と参照信号１１７とを加算する。この実施形態では、参照信号１１７の周波数と、位相検出器４６，５０の出力信号６６，６８の周波数とが、異なっており、参照信号１１７と位相検出器出力信号６６，６８とを結合しても影響が出ないように適切にオフセットされている。一実施形態では、参照信号１１７の周波数は約５００ｋＨｚであり、位相検出器４６，５０の出力信号６６，６８の周波数は、約１００ｋＨｚである。しかしながら、これらの信号には他の周波数値も使用可能であることに留意されたい。この構成では、位相検出器信号及び参照信号の同時接続が可能であり、従って、位相検出器４６，５０の連続入力がレベルシフタ１２０，１２４へ出力されるようになる。参照信号処理は、様々な時間間隔で、又は、特に設計条件によって定められているように、実施可能である。
【００２９】
図５は、図２の校正回路の別の例示的構成１８０を示す。この例は、相対参照信号処理が行われるように、チャネル間の相対利得相関を用いて利得を調整する信号を示している。この実施形態では、第１の位相検出器４６の出力６６が、第２のスイッチ１１４の一入力になる。同様に、第２の位相検出器５０の出力６８が、第１のスイッチ１１２の一入力になる。一実施形態では、自己テストイネーブル信号１２８が切り替えられたときに、第１及び第２のレベルシフタ１２０，１２４の入力信号１１８，１２２は、第１の位相検出器４６の出力信号６６になる。別の実施形態では、自己テストイネーブル信号１２８が切り替えられたときに、第１及び第２のレベルシフタ１２０，１２４の入力信号１１８，１２２は、第２の位相検出器５０の出力信号６８になる。この構成では、図４ａ又は図４ｂの独立した参照信号１１６，１１７を校正に用いていない。本明細書で述べているように、説明は２チャネルの実装に関して行っているが、別の実施形態として多チャネルもあり、それらのチャネルの間に参照処理を実装することが可能である。
【００３０】
図６は、図４ａ、図４ｂ、及び図５のオフセット補正回路１９０の概略図である。この図では、１チャネル分の要素だけを示している。他のチャネルについても同様の機能が用いられ、ＤＣレベルファインダ２０４への入力を結合するなどの共通参照リンクを設けることが可能である。参照信号は、信号の実際のＤＣレベルと所望のＤＣレベルとの間の誤差信号の計算に用いる。ＤＣレベルファインダにおいて共通参照リンクを用いることにより、参照の誤差が両チャネルに均等に作用するようになり、これによって、２つのチャネル間で高度の一致が維持される。一実施形態によれば、この実施形態は、電子オフセット処理を実施し、レベルシフタ１９２を備え、レベルシフタ１９２は、第１の入力信号１９４のレベルを、レベルシフタ１９２の第２の入力信号１９６に基づいてシフトするように構成されている。一実施形態では、第１の入力信号１９４は、図２の第１のセンサ４０からの第１の測定信号６６（図２）である。別の実施形態では、レベルシフタ１９２の第２の入力信号１９６は、シフトレベル信号又はオフセット信号である。オフセット補正回路１９０は更に、レベルシフタ１９２の出力信号２００を増幅する利得段（増幅器）１９８を備える。利得段出力２０２は、クリアランスの計算のための測定信号として使用される。利得段出力信号２０２はまた、ＤＣレベルファインダ２０４へフィードバックされる。ＤＣレベルファインダ２０４は、利得段出力信号内のＤＣ成分を求める。ＤＣレベルファインダ２０４の誤差信号出力は、レベルシフタ補正回路２０６へ送信される。レベルシフタ補正回路２０６は、レベルシフタ１９２の第１の入力信号１９４に必要なシフト量であるオフセットを求める。レベルシフタ１９２を動的に調節することにより、大きなオフセットで増幅器段１９８が飽和することがなくなる。一実施形態では、同様のオフセット補正回路を、図４ａ、図４ｂ、及び図５の第２のチャネルに用いる。ここでは、オフセット補正回路１９０を構造的に説明したが、特定の機能性をオフセット補正回路１９０にソフトウェア処理で実装してもよい。
【００３１】
図７は、一実施形態に係る多チャネルセンサシステムの校正手順を示すフローチャート２２０である。ステップ２２１で、固定物体と回転物体との間のクリアランスパラメータを、センサチャネルを用いて測定する。ステップ２２２で、クリアランスパラメータのオフセット誤差を、オフセット補正回路で測定する。ステップ２２４で、両方のセンサチャネルに参照信号を与える。これは、図４ａ、図４ｂに示したような共通参照信号であっても、図５の相対処理によるものであってもよい。前述のように、共通参照信号ソースは、利得を適正に制御するために、温度補償がなされた、ドリフトが非常に小さい部品を有する。一実施形態では、ステップ２２４で、各チャネルの出力応答を測定し、互いに比較する。つまり、チャネル出力信号間の不一致を測定する。ステップ２２６で、各チャネルの増幅器の利得値を、２つの出力信号の間で測定された不一致に基づいて制御し、ステップ２２８で、この不一致又は誤差を定期的に追跡する。一実施形態では、誤差の閾値を、処理装置のメモリに設定する。この誤差が閾値又は予想された誤差傾向より大きい場合、処理装置は、ステップ２３０で、クリアランスセンサシステムの保守要求を示すアラートをトリガする。本明細書で説明しているように、絶対校正の例の１つでは、自己テストイネーブル回路が、各チャネルの入力を、参照信号と実際のセンサ出力信号との間で制御する。このアラートは、システムの動作状態を調べるメカニズムを提供し、アラートメカニズムとしては、音声方式、視覚方式、音声及び視覚方式、並びに、電子メール、テキストメッセージ、又はダイヤル式電話番号を送り出すことが可能な通知方式など、様々なものがある。
【００３２】
当業者には明らかなように、先述の方法又は方法の一部、並びに処理手順は、プロセッサベースのシステム（汎用又は専用コンピュータなど）で実行される適宜のコンピュータプログラムコードによる実装が可能である。当業者には明らかなように、このコンピュータプログラムコードを、１つまたは複数の種類の有形の機械可読媒体に格納しても、有形の機械可読媒体への格納に適合させてもよく、そのような媒体として、メモリチップ、ローカル又はリモートのハードディスク、光ディスク（すなわち、ＣＤやＤＶＤ）、又はその他、格納されたコードの実行のためにプロセッサベースのシステムによってアクセス可能な媒体が挙げられる。なお、有形媒体には、紙、又はその他、命令の印刷に好適な媒体も含まれている。例えば、紙又は他の媒体に対して光学式走査を行うことにより、命令を電子的に取り込み、コンパイルし、解釈するか、必要に応じてその他適宜の方法で処理して、コンピュータメモリに格納することができる。
【００３３】
本明細書では、本発明の一部の特徴についてのみ図解してきたが、当業者には、これらの様々な修正及び改変形態が想起可能であろう。添付の特許請求は、これらの修正及び改変形態も本質的に、本発明の実施形態として包含するものとする。
【符号の説明】
【００３４】
１０ 航空機用エンジンタービン
１２ タービンロータ
１４ ロータシャフト
１６ ロータブレード
１８ 流体
２０ ロータ軸
２２ シュラウド
２４ クリアランスセンサ
２６ センサ信号明細書
２８ クリアランス測定システム
３０ クリアランス制御システム
３２ クリアランス
４０ 第１のセンサ
４２ 第２のセンサ
４４，４８ 双方向カプラ
４６，５０ 位相検出器
５２ 信号発生器
５４，５６ 増幅器
５８，６０ 反射信号明細書
６２，６４ 励起信号明細書
６６，６８ 測定信号明細書
７０ 校正部
８０ クリアランス測定システムの一例
８２ センサ
８４ クリアランスパラメータ信号明細書
８６ レベルシフタ
８８ 信号レベル解析器
９０ チャネル利得を一致させる参照スキーム
１１０ 校正回路の一例
１１２，１１４ スイッチ
１１６，１１７ 参照信号明細書
１１８，１２２ レベルシフタの第１の入力信号明細書
１２０，１２４ レベルシフタ
１２６ 自己テストイネーブル回路
１２８ イネーブル信号明細書
１３０，１３２ シフトレベル入力信号明細書
１３４，１３６ レベルシフタの出力信号明細書
１３７ オフセット補正回路
１３８，１４０ 利得段
１３９，１４１ 自動利得制御器
１４２，１４４ 増幅器の出力信号明細書
１４６，１４８ アナログデジタル変換器
１５０，１５２ デジタル校正済み信号明細書
１５４，１５６ 信号レベル解析器
１５８，１６０ 信号レベル解析器の出力
１７０ 校正回路の一例
１７２，１７４ 加算器
１８０ 校正回路の一例
１９０ オフセット補正回路
１９２ レベルシフタ
１９４ レベルシフタの第１の入力信号明細書
１９６ レベルシフタの第２の入力信号明細書
１９８ 利得段
２００ レベルシフタの出力信号明細書
２０２ 利得段の出力信号明細書
２０４ ＤＣレベルファインダ
２０６ レベルシフタ補正
２２０ 校正手順を示すフローチャート
２２１〜２３０ フローチャートの各ステップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定物体と回転物体との間の少なくとも１つのクリアランスパラメータ信号を測定する、少なくとも１つのセンサ（４０）と、
前記クリアランスパラメータ信号のオフセット誤差を求めるように構成された、少なくとも１つのオフセット補正部（１３７）と、
前記オフセット誤差と結合され、前記クリアランスパラメータ信号と切替可能に結合された、少なくとも１つのレベルシフタ（１２０）と、
前記レベルシフタの出力を増幅させる、少なくとも１つの増幅器（１３８）と、
前記増幅器の出力と結合されて該出力をデジタル出力する、少なくとも１つのアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）（１４６）と、
前記デジタル出力と結合されて、不一致電圧に基づいて少なくとも１つのチャネル利得信号を求めるように構成された、少なくとも１つの信号レベル解析器（１５４）と、
前記レベルシフタと切替可能に結合されて、前記不一致電圧の処理に用いられる参照信号となる参照信号（１１６）とを備える、多チャネルクリアランスセンサシステムの自己校正システム（１１０）。
【請求項２】
前記センサは、キャパシタセンサ、マイクロ波センサ、光学式センサ、又は渦電流センサを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記クリアランスパラメータは、前記固定物体（２２）と前記回転物体（１６）との間の静電容量を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
固定物体と回転物体との間の少なくとも１つのクリアランスパラメータ信号を測定する、少なくとも１つのセンサ（４２）と、
前記クリアランスパラメータ信号のオフセット誤差を求めるように構成された、少なくとも１つのオフセット補正部（１４３）と、
参照信号（１１７）、前記クリアランスパラメータ信号、及び前記オフセット誤差と結合され、不一致電圧の処理に使用される前記クリアランスパラメータ信号及び前記参照信号を結合するように構成された、少なくとも１つのレベルシフタ（１２４）と、
前記レベルシフタの出力を増幅させる、少なくとも１つの増幅器（１４０）と、
前記レベルシフタ出力と結合されて、前記不一致電圧に基づいて少なくとも１つのチャネル利得信号を求めるように構成された、少なくとも１つの信号レベル解析器（１５６）とを備える、クリアランスセンサシステムの自己校正システム（１７０）。
【請求項５】
固定物体と回転物体との間のクリアランスパラメータを、センサを用いて測定すること（２２１）と、
前記クリアランスパラメータのオフセット誤差を測定することと、
前記オフセット誤差を補償するために、前記クリアランスパラメータをシフトすること（２２２）と、
前記クリアランスパラメータの不一致を測定すること（２２４）と、
前記不一致に基づいて前記チャネルの利得値を制御すること（２２６）とを含む、多チャネルセンサシステムの校正方法（２２０）。
【請求項６】
前記固定物体と前記回転物体との間の前記クリアランスパラメータは、レシオメトリック手法により測定される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記不一致を測定することは、前記チャネルにコモンモード参照信号を与えることを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記不一致を測定することは、前記チャネルに共通の位相検出器出力信号を与えることを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
不一致閾値又は不一致傾向に関して、保守要求アラートをトリガすることを更に含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
センサ（４０，４２）と、
前記センサと結合された校正部（７０）とを備え、
前記校正部は、校正曲線を処理する、レベルシフタ、利得段、及び信号レベル解析器を備え、前記校正部は更に、コモンモード参照を与える参照部を備える、センサシステムの自己校正システム。
【請求項１】
固定物体と回転物体との間の少なくとも１つのクリアランスパラメータ信号を測定する、少なくとも１つのセンサ（４０）と、
前記クリアランスパラメータ信号のオフセット誤差を求めるように構成された、少なくとも１つのオフセット補正部（１３７）と、
前記オフセット誤差と結合され、前記クリアランスパラメータ信号と切替可能に結合された、少なくとも１つのレベルシフタ（１２０）と、
前記レベルシフタの出力を増幅させる、少なくとも１つの増幅器（１３８）と、
前記増幅器の出力と結合されて該出力をデジタル出力する、少なくとも１つのアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）（１４６）と、
前記デジタル出力と結合されて、不一致電圧に基づいて少なくとも１つのチャネル利得信号を求めるように構成された、少なくとも１つの信号レベル解析器（１５４）と、
前記レベルシフタと切替可能に結合されて、前記不一致電圧の処理に用いられる参照信号となる参照信号（１１６）とを備える、多チャネルクリアランスセンサシステムの自己校正システム（１１０）。
【請求項２】
前記センサは、キャパシタセンサ、マイクロ波センサ、光学式センサ、又は渦電流センサを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記クリアランスパラメータは、前記固定物体（２２）と前記回転物体（１６）との間の静電容量を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
固定物体と回転物体との間の少なくとも１つのクリアランスパラメータ信号を測定する、少なくとも１つのセンサ（４２）と、
前記クリアランスパラメータ信号のオフセット誤差を求めるように構成された、少なくとも１つのオフセット補正部（１４３）と、
参照信号（１１７）、前記クリアランスパラメータ信号、及び前記オフセット誤差と結合され、不一致電圧の処理に使用される前記クリアランスパラメータ信号及び前記参照信号を結合するように構成された、少なくとも１つのレベルシフタ（１２４）と、
前記レベルシフタの出力を増幅させる、少なくとも１つの増幅器（１４０）と、
前記レベルシフタ出力と結合されて、前記不一致電圧に基づいて少なくとも１つのチャネル利得信号を求めるように構成された、少なくとも１つの信号レベル解析器（１５６）とを備える、クリアランスセンサシステムの自己校正システム（１７０）。
【請求項５】
固定物体と回転物体との間のクリアランスパラメータを、センサを用いて測定すること（２２１）と、
前記クリアランスパラメータのオフセット誤差を測定することと、
前記オフセット誤差を補償するために、前記クリアランスパラメータをシフトすること（２２２）と、
前記クリアランスパラメータの不一致を測定すること（２２４）と、
前記不一致に基づいて前記チャネルの利得値を制御すること（２２６）とを含む、多チャネルセンサシステムの校正方法（２２０）。
【請求項６】
前記固定物体と前記回転物体との間の前記クリアランスパラメータは、レシオメトリック手法により測定される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記不一致を測定することは、前記チャネルにコモンモード参照信号を与えることを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記不一致を測定することは、前記チャネルに共通の位相検出器出力信号を与えることを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
不一致閾値又は不一致傾向に関して、保守要求アラートをトリガすることを更に含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
センサ（４０，４２）と、
前記センサと結合された校正部（７０）とを備え、
前記校正部は、校正曲線を処理する、レベルシフタ、利得段、及び信号レベル解析器を備え、前記校正部は更に、コモンモード参照を与える参照部を備える、センサシステムの自己校正システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−８０９５４（Ｐ２０１１−８０９５４Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−２３５２６０（Ｐ２００９−２３５２６０）
【出願日】平成２１年１０月９日（２００９．１０．９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３５２６０（Ｐ２００９−２３５２６０）
【出願日】平成２１年１０月９日（２００９．１０．９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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