專利名稱：放大氣輪機的點火器中檢測的火花信號的無源高溫放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氣輪機，以及其中的點火器。
背景技術：
本背景技術將說明為什么在氣輪機中使用的點火器的使用壽命中缺乏絕對可靠性會相當大地影響使用該發(fā)動機的飛行器的所有者的成本。
圖1高度示意性地示出了包含燃燒器6的氣輪機3。燃料9噴射到燃燒器中。以與汽車中的火花塞大致類似的方式起作用的點火器12產(chǎn)生火花，或者等離子放電(沒有顯示)，其開始點火噴射燃料。
在初始點火以后，點火器12可以重復地發(fā)火花，主要是作為安全措施。也就是，在現(xiàn)代發(fā)動機中，在常態(tài)環(huán)境下，在燃燒器6中特別不可能出現(xiàn)熄火。然而，諸如突然的側風之類的意外情況會影響燃燒器內(nèi)的環(huán)境，導致熄火。
此外，某些飛行條件使得不可能的熄火情況的可能性稍微大一些。這樣，例如，當飛行器進入暴風驟雨或者可能干擾燃燒器6中的穩(wěn)態(tài)條件的其它情況時，可以啟動點火器12。
像所有的機械部件一樣，點火器12具有使用壽命，其最終會屆滿，此時，必須更換點火器。然而，該屆滿和更換會產(chǎn)生飛行器昂貴的情況。
主要原因在于，點火器接近其使用壽命的末端不會被容易檢測的事件標記。也就是，在某一點處，點火器完全停止產(chǎn)生等離子體或者火花。然而，在該點以前，點火器可以零星地產(chǎn)生火花。
如上所述，通常不要求發(fā)火花來維持燃燒器火焰。因此，只有出現(xiàn)真的熄火，且零星發(fā)火花不能有效地引起重新點火的情況下才會注意零星發(fā)火花。由于這樣的事件組合看起來不可能，所以不容易注意零星發(fā)火花。臨近點火器的使用壽命的屆滿同樣不被注意。
另一個原因在于，雖然所有的點火器可以構造為盡可能地同樣，然而，這些點火器不都擁有相同的使用壽命。所有的點火器也不會在它們的使用壽命期間經(jīng)歷相同的事件。這樣，不知道確切地何時給定的點火器會屆滿。
這樣，不知道確切地何時必須更換點火器的時間點。解決該問題的一種方法是通過在點火器仍然起作用時更換點火器來進行預防性的維護。雖然新的點火器和安裝它所要求的人力的成本不是很大，但是早更換確實會影響可能相當大的另一種成本。
更換點火器的飛行器表示了以每小時數(shù)千美元計量的收入源。如果在更換點火器期間飛行器不能工作例如2小時，那么在這段時間期間的收入損失是相當大的。
因此，在氣輪飛行器發(fā)動機中的點火器的不確定的使用壽命會影響收入的重大損失。

發(fā)明內(nèi)容
氣輪機中的點火器的正常工作引起點火器內(nèi)的絕緣體的腐蝕。在本發(fā)明的一種形式中，輔助地電極植入該絕緣體內(nèi)，腐蝕最終使該輔助電極暴露。點火器設計為使得該暴露出現(xiàn)在應該更換點火器的時刻。
暴露的輔助地電極可以通過這樣的事實來檢測，即，當火花出現(xiàn)時，小的電流通過輔助地電極。當檢測到該電流時，其存在表示暴露。替代地，暴露的輔助地電極可以通過人為觀察員來視覺檢測，可能通過使用管道鏡。


圖1是氣輪機的簡化的示意圖。
圖2示出了圖1中顯示的點火器12。
圖3和4是圖2中的端部E的放大視圖。
圖5和6示出了發(fā)明人觀察到的端部E的幾何形狀的變化。
圖7示出了本發(fā)明的一種形式。
圖8和9是類似圖7中的插圖84的視圖。
圖10是圖7的部分的透視圖。
圖11是本發(fā)明的一種形式的透視、剖視圖。
圖12是圖11的設備的截面圖。
圖13是圖11的設備的透視圖。
圖14示出了本發(fā)明的一種形式。
圖15示出了在本發(fā)明的一種形式中出現(xiàn)的事件的順序。
圖16示出了兩個距離D9和D10，兩個電場在這兩個距離上產(chǎn)生。
圖17示出了構造圖15中的輔助電極72的一種模式。
圖18示出了使用本發(fā)明的一種形式的飛行器。
圖19示出了點火器308，其支承環(huán)形線圈310。
圖19A示出了本發(fā)明的一種形式，其中，支架311支撐點火器，且還包含線圈310。
圖20示出了點火器-電纜組件，高滲透環(huán)326圍繞該組件定位，線圈320圍繞該高滲透環(huán)纏繞。
圖21是點火器系統(tǒng)的一個示意性視圖。
圖22是由發(fā)明人開發(fā)的圖21的設備的示意性的可能的工作模式。
圖23示出了現(xiàn)有技術的RLC電路。
圖24示出了由正弦波激勵的RLC電路。
圖25-28是圖24的電路的仿真輸出的圖。
圖29示出了由脈沖序列脈沖作用的RLC電路。
圖30-34是圖29的電路的仿真輸出的圖。
圖35示出了定時參數(shù)。
圖36示出了本發(fā)明的兩種形式。
具體實施例方式
圖2示出了在現(xiàn)有技術中使用的點火器12。電連接器(沒有顯示)擰到螺紋21上，且包含與電極27的端部24匹配的電觸點(沒有顯示)。絕緣體30使電極27與點火器12的殼33絕緣。
在圖3和4中顯示了點火器12的端部E。將給出等離子體發(fā)生中包含的物理學的很簡單的說明。
在工作中，高電壓施加到電極27，從而在圖3的點P1和P 2之間產(chǎn)生電壓差或者電勢差V。在該區(qū)域中的電場等于電勢差V除以點P1和P 2之間的距離D。例如，如果電壓為20000伏，距離D為10毫米，或者0.01米，那么電場等于20000/0.01，或者每米2百萬伏。
電場設計為超過位于點P1和P2之間的材料或者介質的介電擊穿強度。該材料為空氣加上燃料的混合物。然而，該場不超過絕緣體30的擊穿強度，且該強度超過空氣-燃料混合物的強度。
當發(fā)生擊穿時，電場從介質中的原子除去電子，產(chǎn)生帶正電荷的離子和自由電子。電場在平行于電場的方向上驅動自由電子。然而，在該運動期間，那些臨時自由電子與其它離子碰撞。此外，離子和電子的熱運動也使它們一起碰撞。
在碰撞中，電子被離子捕獲，且下降到較低能量的狀態(tài)，以稱為等離子體的電弧的形式釋放熱和光，其在圖4中表示為閃電40。只要存在電場，該過程就持續(xù)。
發(fā)明人已經(jīng)觀察到剛剛描述的工作的一種結果。如圖5中所示，絕緣體30從虛線形狀50腐蝕到彎曲的形狀53。此外，電極27從虛線形狀56腐蝕到實線形狀59。角部33A也腐蝕。
發(fā)明人相信，以下因素中的一個或者多個是腐蝕的原因。一個因素是等離子體的腐蝕性特性自由電子很有活性，設法結合任何存在的附近的原子或者離子。此外，從空氣中存在的氧氣產(chǎn)生自由電子，產(chǎn)生了也高度活性的離子化的氧。
第三個因素在于，等離子體產(chǎn)生高溫環(huán)境。通過定義，高溫表示攪動的原子和分子具有高速。當高速原子和分子與目標碰撞時，它們更容易與固定的目標反應。
可能的第四個因素在于這樣的事實，即，等離子體產(chǎn)生處于紫外線UV，以及可能進入光譜的X射線區(qū)域中的高頻光子。UV和X輻射會損壞許多類型的材料是熟知的。
與腐蝕的準確原因無關，在圖5中顯示的腐蝕最終使得點火器最終停止作用。主要原因在圖6中顯示。以前，在腐蝕以前，電壓施加在圖6中的點P1和P2之間。然而，腐蝕以后，點P2有效地移動到點P3。距離D現(xiàn)在變成較長的距離D2。引起離子化，從而產(chǎn)生等離子體的電場現(xiàn)在較弱。
繼續(xù)上述給定的例子，如果距離D2為20毫米，那么電場變成20000/0.020，或者每米1百萬伏，為其原來值的一半。最終，距離D2變得如此大，使得電場不能可靠地超過空氣-燃料混合物的介電擊穿強度，且離子化停止產(chǎn)生。
圖7示出了本發(fā)明的一種形式。輔助電極72植入絕緣體75中。在區(qū)域81中，頂端78由絕緣體材料覆蓋，如由插圖84表示。輔助電極72可以連接到殼33，如在區(qū)域90處。
最初，電流進入電極27，如由箭頭84所示，通過等離子體85轉移到殼33，且通過多個通道，諸如通過其安裝螺紋，如由箭頭86所示，離開殼33進入發(fā)動機。
當發(fā)生腐蝕時，絕緣體75偏離由圖8中的虛線92表示的其最初形狀。輔助電極72的頂端78現(xiàn)在暴露。現(xiàn)在，當高電壓施加到點火器時，存在等離子體跟隨的兩個通道。一個為圖9中的通常的通道P5。另一個通道由圖9中的P6表示，且從中心電極27通到現(xiàn)在暴露的輔助電極72。
重申一下，存在對中心電極27的兩個電流返回通道。通道P5以通常的方式通到殼33。通道P6通到現(xiàn)在暴露的輔助電極72。
最終，進一步的腐蝕會加長通道P5，且使得沿著該通道的等離子體形成終止。也就是，在圖9中的通道P5初始可以由圖6中的距離D表示。在足夠的腐蝕以后，圖9中的通道P5將由圖6中的距離D2來表示，且如上所述，當距離D2變得足夠大時，將沒有等離子體沿著通道P5產(chǎn)生。
然而，輔助等離子體通道P6此時在圖9中仍然存在。等離子體仍然可以產(chǎn)生，且增加了點火器的使用壽命。
前述討論提出了圖7中的采用桿形的輔助電極72。圖10示出了在透視圖中這樣的由絕緣體75圍繞的桿。
在替代的實施例中，使用圓柱體。圖11是一個實施例的剖視圖。中心電極27由絕緣體100圍繞，絕緣體100本身由傳導管或者圓柱體103圍繞，傳導管或者圓柱體103然后由另一層絕緣體105圍繞。圖12在截面視圖中以類似的標記示出了系統(tǒng)。
圖13示出了在制造以后或者剛安裝以后處于其最初形狀的絕緣體100。中心電極27的頂端110暴露，且由絕緣體100的圓錐表面113圍繞。圓柱形輔助電極103植入絕緣體100內(nèi)，且沒有頂端或者邊緣暴露，如由圖12中距離D8表示。
前述討論表明，輔助電極72可以在圖7中的區(qū)域90處連接。在另一個實施例中，圖14的輔助電極72也連接到地，但是通過檢測器150。檢測器150尋找輔助電極72中的電流。電流檢測器是熟知的。
如果沒有檢測到電流，那么可以推斷輔助電極72仍然植入在絕緣體75內(nèi)，如圖7所示，且與中心電極27電隔離。
相反，如果檢測到電流，那么可以推斷輔助電極通過腐蝕而暴露，如圖9所示。檢測的電流是由于等離子體跟隨通道P6。當檢測到電流時，檢測器150發(fā)出信號，設置標記，或者另外表示腐蝕已經(jīng)暴露輔助電極的推斷。技術人員在此時，或者此后規(guī)定的時間更換點火器。
檢測的替代模式是去除點火器，以及視覺檢查相應于圖2中的端部E的端部。如果看見絕緣體100的平滑表面，如圖13可見，那么推斷點火器仍然起作用。然而，如果看見輔助電極72，如圖8可見，那么推斷需要更換。
在另一個實施例中，輔助電極設計為暴露，然后快速腐蝕。從左到右觀察，圖15首先示出了新安裝的點火器160。在使用一段時間以后，點火器165暴露其輔助電極72?，F(xiàn)在，等離子體P6延伸到輔助電極72。
然而，如上所述，輔助電極72設計為快速腐蝕。例如，如插圖170所示，輔助電極72構成有尖端。等離子體6使得尖端快速腐蝕，如由框170中的小顆粒所示。該操作引起兩個事件的特殊順序。
一個在于，當輔助電極首先暴露時，電流通過輔助電極。電流如由圖14中的檢測器150檢測。接下來，在輔助電極破碎或者腐蝕以后，沒有電流通過輔助電極。
該順序的一個原因在圖16中顯示。最初，電壓V跨越距離D9，產(chǎn)生等于V/D9的電場。在破碎或者腐蝕以后，相同的電壓V跨越距離D10。電場等于V/D10，較小的值。后者的電場不足以產(chǎn)生等離子體，而前者的電場可以。
在一個實施例中，剛描述的兩個事件的發(fā)生在點火器的使用壽命終止以前發(fā)生。這樣，該終止由通過輔助電極72出現(xiàn)電流，然后電流終止來發(fā)信號。電流的開始表示接近使用壽命的終止，但是還有時間來操作發(fā)動機。隨后的電流終止表示剩余較少的時間，且更換點火器變得更加重要。
圖17示出了輔助電極72的一個實施例。設置頸部，或者凹槽190，其有利于破損，在圖15的插圖170中示意性地顯示。凹槽190是有意地嵌入輔助電極72的機械脆弱的區(qū)域。在圖8中所示的腐蝕以前，該脆弱不重要，因為由絕緣體75提供電極的機械支撐。
上述討論表明，高電壓施加到電極27。施加到電極27的低電壓可以實現(xiàn)產(chǎn)生等離子體的相同功能也是可能的。
圖18示出了另一個實施例。飛行器300由位于發(fā)動機艙305內(nèi)的氣輪機(沒有顯示)提供動力。每個發(fā)動機包含一個或者多個如上所述的點火器。點火器可以包含輔助電極，如上所述，或者可以是現(xiàn)有技術的類型。
圖19示出了點火器308。本發(fā)明增加傳感器，諸如感測線圈310。該線圈310與點火器同軸，如所示的。該特殊的同軸布置在實驗中使用，以確定當點火器308產(chǎn)生火花時，是否線圈可以檢測信號。
不是必須要求同軸布置。在本發(fā)明的一種形式中，線圈320可以設置為如在圖20中的兩個最右邊的圖像中顯示。由電流I在電力電纜315中產(chǎn)生的磁場線B與產(chǎn)生磁場線B的電流同中心。由于電流流過整個電纜315，且通過點火器308，所以磁場線B沿著電纜315和點火器308延伸。
根據(jù)法拉第定律，當線圈320垂直于磁場線B時，如在中間的圖中所示，獲得了最佳耦合。
在本發(fā)明的另一種形式中，可能由變壓器鐵構成的高滲透環(huán)326圍繞點火器或者電纜315設置，且線圈320圍繞環(huán)326纏繞。當存在磁場線B時，環(huán)326捕獲磁場線B，且將它們輸送到線圈320。在這樣的布置下，通過環(huán)326的磁場線B也通過線圈320。
術語高滲透性的一種定義為高滲透材料的相對滲透性超過1000。作為參考點，很多鋼的相對滲透性在4000的范圍中。材料存在具有接近1百萬的相對滲透性。
在本發(fā)明的還有一個形式中，使用現(xiàn)有技術的鉗位電流檢測器(沒有顯示)。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使缺少圖20中顯示的垂直特性，圖19中的線圈310也產(chǎn)生響應于點火器308內(nèi)的電流脈沖的可檢測的信號。本發(fā)明人提供了關于該信號及其檢測的以下觀測。
圖21是點火器電路的電示意圖?？?30表示激勵器，其包含在傳導殼體(沒有顯示)內(nèi)。激勵器330產(chǎn)生高電壓脈沖序列，以在點火器340中產(chǎn)生火花。
電力電纜335將高電壓的電流脈沖輸送到點火器340。一種類型的高電壓脈沖在20000伏的范圍內(nèi)。一種類型的脈沖頻率位于10Hz的范圍內(nèi)，也就是每秒10個脈沖。一種類型的脈沖具有10毫秒的持續(xù)時間。在該例子中，占空比因此為百分之十(0.10/0.100)。
曲線331示出了剛才描述的脈沖。在該例子中，持續(xù)時間D為10毫秒。在該例子中，周期T為100毫秒，相應于頻率1/T，或者每秒10個脈沖。
在圖21中，屏蔽件345圍繞電力電纜335。屏蔽件345可以采用固體導管、織造的傳導套管、兩者的組合的形式，或者其它類型的屏蔽件。該屏蔽件345連接到點火器340的外殼350，且外殼350連接到發(fā)動機的框架或者殼體352，發(fā)動機的框架或者殼體352被認為是DC地。
屏蔽件345提供電磁干擾抑制，且也防止人員接觸高電壓電纜335。即使電纜335本身由厚的絕緣覆蓋物圍繞，屏蔽件345也提供重復的安全措施。
在所示的布置下，激勵器330的殼體(沒有顯示)、屏蔽件345和點火器340的外殼350都連接到發(fā)動機的框架352，且被認為是保持在DC地。
圖21中所示的設備的一種經(jīng)典類型的分析表明，下面的機制能夠說明發(fā)火花操作。在曲線331中的持續(xù)時間D的每個高電壓脈沖期間，由高電壓電纜335提供的電流到達火花間隙355，跳過間隙355，經(jīng)由發(fā)動機的框架沿著通道360返回到激勵器330。在此機制下，集合論點表示，在圖19中顯示的類型的線圈310對于檢測電流脈沖無效。
基本的論點在于，理論上，線圈310應該檢測不到電流，因為理論上沒有磁場線B穿透線圈310的截面區(qū)域。法拉第定律表明，需要這樣的穿透。
考慮另外的論點，應該區(qū)分兩種情況DC的情況和AC的情況。在DC的情況下，如果DC電流由圖21中的高電壓電纜335攜帶，那么在圖20中顯示的類型的靜磁場線B會存在。如果線圈圍繞點火器設置，如圖19所示，且如果點火器的外殼350由高滲透材料構成，諸如一種類型的鋼，那么外殼會俘獲一些或者所有B磁場，且可能抑制靜態(tài)B磁場的檢測?？梢哉f，包括點火器的外殼350和屏蔽件345的屏蔽用作法拉第罩，其包含靜態(tài)DC磁場。這樣，可能存在一種論點表明，在圖19中的線圈310不會檢測到電流脈沖。
該論點也可以應用到緩慢變化的電流上。也就是，法拉第罩也阻斷緩慢變化的磁場是可能的。
在AC情況下，電磁輻射可能從圖21中的電纜335和點火器350發(fā)出，特別是因為電流脈沖包含高頻分量。通常，高頻分量更容易至少從長度等于波長的分數(shù)的短天線輻射。與滲透性相反，屏蔽件345和外殼350的傳導性能阻斷由電流脈沖產(chǎn)生的輻射。在一種機制中，阻斷通過反射發(fā)生輻射的電磁場在屏蔽件345和外殼350中感應電流，其向內(nèi)朝著電纜335輻射它們自己的電磁場。輻射的場有效地將入射輻射反射回電纜335。
此外，如上所述，屏蔽件345和點火器外殼350連接到地。理論上，那些接地的元件分流所有的AC信號到地，這樣防止它們輻射電磁能。
這樣，至少存在前述論點，其表示，圖19的線圈不能有效地檢測圖21中的電纜335中的電流脈沖。
本發(fā)明人已經(jīng)觀察到，或者假定，所有的返回電流可能不跟隨圖21中的通道360。返回電流涉及在跳過火花間隙355以后返回激勵器330的電流。本發(fā)明人推測某些返回電流可能沿著包括圖21中的屏蔽件345和外殼350的屏蔽系統(tǒng)傳播。圖22是該推測的一個表現(xiàn)。
電阻R1表示從火花間隙355通過發(fā)動機框架到激勵器的地通道的小電阻，大致相應于圖21中的通道360。電阻R2表示從火花間隙355到激勵器，但是通過屏蔽系統(tǒng)的通道的小電阻。屏蔽系統(tǒng)包括點火器的外殼350和屏蔽件345。R1和R2源于火花間隙355處或者附近，但是表示到激勵器330的不同路線。
在這樣的推測下，盡管上述給定的論點，但是可以檢測通過R2的返回電流。
在本文中，本發(fā)明人指出，通常，認為檢測通過其它電阻R1的返回電流是不實際的。其中，電阻R1表示發(fā)動機本身。用于檢測發(fā)動機中的返回電流的簡單、精確和可靠的方法看起來是不實際的，至少是因為，在跨越整個發(fā)動機或者其大部分中，對于返回電流的通道數(shù)量是如此巨大。
然而，從電流檢測的觀點，由電阻R2表示的通道是局部化的離散實體，且不包含在屏蔽件中。這樣，如果返回電流脈沖在R2中傳播，那么通過檢測R2中的電流，也就是，屏蔽系統(tǒng)中的電流，可以檢測由脈沖產(chǎn)生的磁場或者電磁輻射。
使用圖19中的線圈310進行實驗，發(fā)現(xiàn)，當激勵器產(chǎn)生火花脈沖時，線圈310產(chǎn)生可檢測的信號。
應該注意，線圈310可以檢測以下電流中的一種或者多種。與上述的論點相反，線圈310可以檢測圖21中的電纜335中的電流脈沖屏蔽系統(tǒng)不完全有效。替代地，圖19中的線圈310可以檢測點火器的外殼350中的返回電流脈沖，如上假定的?；蛘呔€圈310可以檢測剛確定的兩個電流的一些類型的和或者差。
在線圈310中檢測的信號是小的，使得需要放大。然而，線圈310的操作環(huán)境在這方面提供了挑戰(zhàn)。
在圖18的飛行器300的操作期間，圖19中的線圈310位于具有超過400F的溫度的環(huán)境中。也就是，線圈310接附或者鄰近的圖19的點火器308的外殼350在正常工作期間顯示了至少400F的溫度。
如果使用固態(tài)放大器來放大由線圈310產(chǎn)生的信號，這樣的高溫會造成問題。然而，通過充分的預防措施，電子的、晶體管化的放大器可以用于檢測由線圈310產(chǎn)生的信號。
在本發(fā)明的一種形式中，不使用固態(tài)放大器，至少在400度環(huán)境附近不使用。替代地，開發(fā)無源放大器，其只使用電阻性、電容性和電感性的元件，沒有有源元件，諸如晶體管或者真空管。有源元件的一個定義在于，有源元件可以放大輸入信號的功率輸出功率能夠超過輸入功率。無源元件不具有功率放大的特性。
已知諸如圖23中那樣的串聯(lián)RLC電路可以設計為在某些條件下產(chǎn)生跨過電容器C的放大的電壓。該放大在William Hayt和JackKemmerly的題為“Engineering Circuit Analysis”的文章(ISBN0-07-027410-X，McGraw-Hill，1993)中的第13章題為“FrequencyResponse”中討論。該文章通過參考在此引入。
放大的情形包括如下。一，為正弦和恒定頻率的信號源Vin，其為通常稱為正弦穩(wěn)態(tài)的情況。二，電容器C和電感器L的值選擇為使得在點Pl和P2處的輸入阻抗為純實數(shù)，沒有虛部。這種情形稱為共振，共振頻率的值，ω0，在圖23中表示。
在這些情形下，跨過電容器的電壓Vc等于ABS(Q)×Vin，如圖23中所示，其中ABS稱為電路的品質因素Q的絕對值，或者幅度。Q定義為如圖23所示。這樣，例如，對于為10的Q，獲得了十倍的放大。
這樣，現(xiàn)有技術表示，串聯(lián)RLC電路可以提供對正弦波輸入的電壓放大。上述內(nèi)容表示，與電壓放大相反，雙重串聯(lián)RLC電路，即，并聯(lián)RLC電路提供了電流放大。
計算機仿真示出了電壓放大。
圖24示出了使用市場上可以獲得的SPICE程序之一仿真的電路。存在變壓器372，以便使該電路與本發(fā)明的電路模型一致，在后面討論。表示了電阻器R、電容器C和電感器L的值。這些值在所有的仿真中保持恒定。
圖25-28示出了在圖24的電路上完成的四個仿真的結果。施加圖24中的采用2安培峰峰值的正弦曲線的形式的輸入信號Iin，其在圖中顯示。輸入信號的頻率在每個仿真中改變。
在圖25中，輸入頻率為50Hz。左軸表示輸入信號Iin。右軸表示跨過電容器的電壓Vc，其在圖25中表示。很清楚，在50Hz下，輸出Vc是大約200伏峰峰值的正弦曲線。
在圖26中，輸入頻率為750Hz。很清楚，在圖26中的750Hz下，輸出Vc是大約3200伏峰峰值的正弦曲線。
使用圖23中給定的ω0的表達計算，圖24的共振頻率為大約2517Hz。在圖27中，輸入頻率為2517Hz。很清楚，在2517Hz下，Vc為大約32000伏峰峰值的正弦曲線。
在圖28中，輸入頻率為50kHz，也就是，50000Hz。很清楚，在50kHz下，Vc為大約200伏峰峰值的正弦曲線。
圖25-28與串聯(lián)RLC電路能夠放大穩(wěn)態(tài)正弦曲線的假設一致。在共振頻率下，Vc高，在共振下為32000伏，在其它頻率下，Vc較低。強調一下，圖25-28不表示由圖19中的線圈310產(chǎn)生的電壓，而是圖24中的電容器C在假定的情形下產(chǎn)生的電壓。
本發(fā)明人研究，當輸入信號不是穩(wěn)態(tài)正弦曲線，而是用于給這里討論的點火器提供動力的類型的一系列脈沖時，圖24中顯示的類型的RLC電路是否能夠產(chǎn)生類似的放大。實驗結果表示了肯定的答案，以及要討論的計算機仿真提供了似真的論點。
在圖29中，線圈370表示電力電纜315。電力電纜實際上是單匝裝置，但是圖24中的線圈370表示為多匝裝置，以便強調將電力電纜用作變壓器373的原線圈。
線圈375表示圖19的感應線圈310，但是可以使用類似于圖20中的線圈320的線圈。在圖29中，電容器C和電阻器R是加到感測線圈375的元件，以進行放大。強調一下，圖29的電路的元件選擇為能承受與它們使用的環(huán)境，尤其是溫度以及振動一致的工作溫度。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，對于給定的脈沖序列，可以首先計算模擬的共振頻率。然后，在一種方法中，模擬的共振頻率視為普通正弦曲線的穩(wěn)態(tài)共振頻率，相應于圖23中的ω0。使用該模擬的共振頻率，電感器L和電容器C的值以通常的方式選擇，但是確認(1)使用是模擬共振頻率，以及(2)沒有應用穩(wěn)態(tài)正弦曲線共振。替代地，獲得的L和C的值與脈沖的輸入一起使用。
實際上，電感器L的值可以通過用于構造圖19的線圈310的材料和幾何形狀來固定，使得只有在設計者控制下的值可以為電容器C的值。
一旦根據(jù)模擬的共振頻率選擇了L和C的值，發(fā)現(xiàn)會出現(xiàn)施加到圖29中的變壓器372的脈沖序列的放大。
替代地，可以由圖表表示來確定模擬的共振頻率，這由一系列例子來顯示。圖30示出了當由圖30中的為三角波電流脈沖且施加到圖24中的線圈370的輸入信號400激勵時，圖29的電路的仿真輸出。用于電流仿真的圖25中使用的部件值如下R為500歐姆，L為1亨，C為0.40微法，如圖30所示。水平軸表示時間，以毫秒為單位。和前面一樣，左軸表示輸入信號，右軸表示輸出信號，輸出信號為跨過圖24中的電容器C的電壓。
圖30表示輸出為衰減的正弦曲線，其第一個峰在點405處的大約正250伏處，然后峰在點410處的大約負175伏處，等等。該輸出響應在RLC電路中一般稱為欠阻尼響應，也稱為振鈴。
圖31示出了使用相同的三角波輸入，以及與圖30中相同的部件值的仿真，除了電容器C為其先前值的十分之一，現(xiàn)在為0.040微法。可以看出響應頻率增加，與C值的減小一致。此外，Vc的幅度增加其現(xiàn)在的峰值為在點415處的大約2.4千伏。
圖32示出了使用相同的三角波輸入，以及與圖31中相同的部件值的仿真，除了電感器L被切除一半，現(xiàn)在為0.5亨?？梢钥闯鲰憫l率增加，與L值的減小一致。此外，Vc的幅度增加其現(xiàn)在的峰值為在點420處的大約2.8千伏。
圖33示出了使用相同的三角波輸入，以及與圖32中相同的部件值的仿真，除了電感器L被切割為其前述值的百分之二十，現(xiàn)在為0.1亨?？梢钥闯鲰憫l率增加，與L值的減小一致。此外，Vc的幅度增加其現(xiàn)在的峰值為在點425處的大約3.3千伏。
圖34是圖33的擴展視圖，跨距為0到2.0毫秒，且示出了模擬的共振頻率的一個概念。時間T示出了響應的周期。以Hz為單位的響應頻率F當然為1/T。F為電路的共振頻率，且在圖24中限定。
圖30到34示出了圖示方法來選擇模擬的共振頻率。在某種意義上，人們選擇L和C的值來獲得輸出波形，如圖34所示，其中，第一正弦波的上半部類似于輸入波形。例如，上半部425有些類似于輸入波形。替代地，可以使用更多的數(shù)學方法。
在圖34中，T/2的值可以術語稱為電路的共振頻率的半周期。T/2是一個正向或者一個負向衰減正弦波的隆起的持續(xù)時間。本發(fā)明人指出，在圖30-34的序列中，當圖34的T/2接近三角波輸入脈沖的圖34中的持續(xù)時間TT時，電壓放大增加。也就是，當T/2接近持續(xù)時間TT時，通過改變圖24中的L和C的值，電容器電壓Vc增加。
這示出了一種方法來設置模擬的共振頻率。電感器L和電容器C選擇為使得它們產(chǎn)生具有等于輸入脈沖的持續(xù)時間TT的半周期T/2的共振頻率。輸入為脈沖作用的，或者在圖30-34的仿真的情況下為三角波。
如果輸入脈沖為矩形脈沖，不是顯示的三角脈沖，也可以使用該計算。輸入脈沖的持續(xù)時間，諸如在圖21中的曲線331中的D，相應于圖34中的持續(xù)時間TT。持續(xù)時間D然后相應于以Hz為單位的頻率1/D。該頻率為模擬的共振頻率，以及使用在圖23中給定的等式來計算需要的L和C，并合適地轉化為弧度。
在另一種方法中，根據(jù)輸入脈沖的上升時間或者下降時間來選擇模擬的共振頻率。在圖34中，上升時間大約1微秒，且為從點430上升到點435的時間。模擬的共振頻率選擇為使得T/4，也就是周期T的四分之一等于上升時間。由此選擇L和C的值。
類似的原理應用于下降時間。
輸入脈沖可以是矩形脈沖。當然，脈沖不是完美的矩形前緣和后緣必然具有有限的上升和下降時間。模擬的共振頻率選擇為使得T/4，也就是四分之一周期時間，等于上升時間，類似于三角波的情況。
可以指出，模擬的共振頻率主要由圖1中的周期D確定。然而，周期D不是脈沖序列的頻率。相反，頻率等于1/T。這樣，模擬的共振頻率，以及從該頻率計算的L和C的值，不完全依賴于輸入頻率，而且依賴于脈沖序列的占空比。
前述方法根據(jù)輸入脈沖的定時來選擇模擬的共振頻率。在本發(fā)明的還有一種形式中，模擬的共振頻率由反復試驗確定。如通過由在圖24中顯示的實際電路來實驗，或者通過使用仿真該電路的諸如SPICE之類的計算機軟件，來進行仿真。選擇各種L和C的值，然后使用那些提供需要的放大的值。
然而，L和C的尺寸可以由實際考慮來限制。例如，在給定的情況下，獲得共振可能需要物理尺寸特別大的電容器。這樣，在一些情況下，可以選擇部件來提供在非共振情況下的工作，但是仍然提供足夠的放大。
可以指出，計算機仿真方法很簡單，假定很多SPICE程序允許參數(shù)掃描。也就是，在掃描中，選擇諸如L之類的參數(shù)的值的范圍，且規(guī)定在該范圍中使用的值的數(shù)量。在掃描中，簡直可以選擇和測試成千上萬的不同L和C值，都使用計算機程序，只有很少或者沒有人為工作。
然后，人們檢查結果和選擇那些需要的值。
在模擬的頻率下，計算L和C的值，其提供特殊的阻抗。那些阻抗為向量阻抗，其就像激勵為穩(wěn)態(tài)正弦曲線一樣計算。也就是，在模擬的共振頻率下，阻抗L和C的和設置為零。
也就是，jwL+1/jwC＝0，其中L為電感，C為電容，w為偽共振頻率，以及j為虛數(shù)算子。
一旦選擇了w，L和C選擇為滿足在前述句子中給定的等式。
這樣，就好像系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)正弦曲線模式下工作來計算需要的L和C的值，但是然后L和C用于脈沖作用的輸入模式。
此外，R的值是重要的。在本發(fā)明的一種形式中，圖24的RLC電路從工程意義上設計為顯示欠阻尼響應，使得由脈沖的激勵會引起稱為振鈴的正弦響應。正弦曲線的包絡指數(shù)衰減。R的值確定衰減速度。在本發(fā)明的一種形式中，R選擇為使得出現(xiàn)下述事件。
首先，電流脈沖產(chǎn)生火花。該脈沖激勵RLC電路，諸如在圖29中顯示的電路。RLC電路進入振鈴，如圖31-34所示。R選擇為使得振鈴正弦曲線在下一個脈沖以前充分衰減，使得下一個振鈴正弦曲線可以從當前的振鈴正弦曲線區(qū)分。
在一個實施例中，圖35中的振鈴正弦曲線在1/2T內(nèi)下降到其原來幅度的百分之五十。還考慮的是在0.05和0.9T之間的任何選擇的時間內(nèi)下降到百分之五十。
頒發(fā)給Frus的1996年6月4日申請?zhí)枮?58091的美國專利5523691示出了一種方法來檢測飛行器發(fā)動機中的點火器中的火花。Frus聲明，在他的圖1A中的電感器L1首先由電流充電。當出現(xiàn)正常的火花時，電感器L1通過點火塞快速放電。
然而，如果點火塞不產(chǎn)生火花，那么電感器L1視點火塞為很高的阻抗。在這樣的情況下，電感器L1通過包含在分壓器27內(nèi)的電阻器放電。該后者的放電要求相當長的時間。Frus檢測放電的長度，當檢測到較長的放電時，他推斷沒有火花。
Frus還聲明，如果由激勵器13產(chǎn)生的電壓下降達不到預定的值，那么火花不能出現(xiàn)。Frus討論了一種方法來檢測該失敗。
本發(fā)明人指出，F(xiàn)rus的電感器L1不用作與這里的圖19中的線圈310類似的目的。例如，F(xiàn)rus的電感器L1攜帶輸送到點火塞的電流。相反，線圈310不這樣做。
另一種差別在于，F(xiàn)rus的電感器L1必須設計為能承受的確超過1000伏，且可能超過20000伏的電壓。這樣，在從物理電感器L1延伸以及圍繞裝置內(nèi)纏繞的線的輸入和輸出引線之間需要相當大的絕緣。相反，圖19的線圈310必須能承受幾伏。在一個實施例中，線圈310設計為在三個不同的實施例中具有在其兩個引線上不超過5、10或者100伏的工作電壓的電感器。
此外，F(xiàn)rus的電感器L1似乎不能存在于超過400F的溫度的環(huán)境中。
在本發(fā)明的一種形式中，如在圖18中顯示的飛行器中，當氣輪機啟動時，使用特殊的啟動序列。飛行員使得啟動系統(tǒng)旋轉發(fā)動機的轉子(沒有顯示)，或者命令控制系統(tǒng)(沒有顯示)開始啟動程序。燃料控制器(沒有顯示)將燃料輸送到燃燒器。開動燃燒器中的點火器。
如果沒有檢測到發(fā)動機的點火，那么飛行員檢查圖18中的指示器500。指示器500位于飛行器中的飛行員位置處，通常稱為駕駛員座艙。該指示器接收來自檢測器505的信號，其響應于由圖19中電容器C產(chǎn)生的電壓信號，該信號術語稱為火花信號。如果火花信號指示點火器產(chǎn)生火花，那么指示器500如通過產(chǎn)生光來指示存在火花。如果沒有火花信號，那么指示器500如通過不產(chǎn)生光來指示沒有火花。
從另一個觀點，指示器500與汽車中類似的指示器相反地工作。汽車中的油壓指示器燈例如在出現(xiàn)問題時發(fā)光。相反的，指示器500在沒有問題時，即，當點火器產(chǎn)生火花時發(fā)光。
可以提供開關510，以允許飛行員在知道不需要火花時關掉指示器500。替代地，沒有顯示的控制系統(tǒng)可以控制何時指示器500顯示其信息。
圖36示出了本發(fā)明的兩種形式。點火器550具有近端555和遠端560。近端具有殼體565，其在這個例子中為圓柱形，或者圓形截面。其它截面形狀也可能。
示出了可分離的殼體570，其包含線圈L、電容器C和電阻器R，類似于圖29中的相應元件，且由塊RLC表示。連接器、配線引線、同軸電纜575或者類似物允許外部檢測跨過電容器C或者其它選定的部件的電壓。
殼體570包含截面形狀的孔580，其匹配殼體565的形狀。匹配形狀意味著兩個形狀為相同的形狀，以及相同的尺寸，使得孔580圍繞殼體565緊密裝配。
在本發(fā)明的一種形式中，電感器L圍繞點火器的軸線纏繞，如圖19所示。在本發(fā)明的另一種形式中，高滲透環(huán)圍繞點火器，且捕獲由進入點火器的電流產(chǎn)生的磁場B。電感器L圍繞環(huán)纏繞，如圖20所示。
在本發(fā)明的另一種形式中，火花檢測器RLC與點火器一體制成，如圖36中的點火器600所示。
本發(fā)明的一些附加的方面如下。在本發(fā)明的一種形式中，提供圖19A中的適配器311，其安裝到發(fā)動機或者燃燒器(都沒有顯示)。點火器擰入適配器。適配器包含集成線圈310，其進行上述檢測功能。
RLC電路沒有必要在共振下操作。相反，可以認為RLC電路執(zhí)行兩種功能。一種功能在于放大在電感器L中產(chǎn)生的脈沖。第二種功能在于RLC電路產(chǎn)生振鈴，或者衰減正弦曲線。振鈴引起檢測的信號持續(xù)比引起振鈴的脈沖更長的時間，從而使得脈沖更容易檢測。
例如在圖34中顯示的三角波是概略的。用于點火器的實際信號不需要是三角波，而是依賴于使用的具體點火器的要求。此外，點火器的物理特性隨著其使用年限而變化，且這些特性影響施加到其上的脈沖的形狀。通過類推，熟知的是，在電容器中，電流不與施加的AC電壓同相。電容器的內(nèi)阻會隨著使用年限而變化。該變化會引起電流和電壓之間的相位角變化，這樣，示出了電壓施加到的物理目標中的變化會改變該目標中的最終電流的點。
這里的討論是根據(jù)分立的、集總的電路元件，諸如圖24中的R、L和C來構成的。然而，注意到，通過分布式的元件也能獲得類似的結果。
應用到上述飛行器中的氣輪機中是典型的。通常，本發(fā)明應用到通常用于飛行器、陸地車輛、船、發(fā)電和其它應用中的氣輪機。此外，本發(fā)明通常應用于點火器的火花檢測。
可以增加泄漏電阻器來從圖24中的電容器C，以及RLC電路中相應的電容器泄漏放電。泄漏電阻器使得振鈴衰減尖銳，這樣引起振鈴更快消失。
通常，R、L和C的值選擇為提供可檢測的信號，諸如在電容器C上?？蓹z測的信號的一種定義可以相對于廣泛地用于氣輪機中的K型熱電偶獲得。這樣的熱電偶產(chǎn)生在250毫伏范圍內(nèi)的信號。這樣，可檢測的信號的一種定義可以是超過250毫伏的信號。與該定義一致，在一個實驗中，本發(fā)明人獲得了跨過電容器C的470毫伏的信號。
本發(fā)明的一個特征在于，其允許RLC電路中的電容器遠離其它部件定位，從而在比圖19中的線圈310的位置冷的位置中。在一個實施例中，電容器C可以定位在室溫環(huán)境中，或者更冷的環(huán)境中，其中室溫為標稱的75華氏溫度。
這可能是重要的，因為電容器具有175華氏溫度的實際溫度限制。但是，圖19中的線圈310的位置可能超過400華氏溫度。
上述討論涉及將表示正在出現(xiàn)合適的火花的信號輸送到飛行員的位置。該信號也可以輸送到在使用氣輪機的設備中的維護人員，或者輸送到遠程維護人員。該信號也可以輸送到多于一個的飛行員位置。
在不偏離本發(fā)明的真正精神和范圍的情況下，可以進行許多替代和修改。例如，上述討論根據(jù)飛行器氣輪機來構成。然而，本發(fā)明可以用于其它類型的氣輪機，諸如用于發(fā)電和泵送的基于陸地的氣輪機，或者船上的氣輪機。此外，本發(fā)明不限于氣輪機，而且通常可以用于在各種燃燒應用中使用的點火器。
此外，不需要本發(fā)明在熱的環(huán)境下工作，但是本發(fā)明確實提供了能承受高溫的能力，如上所述。
需要由專利保護的是在后附的權利要求書中限定的本發(fā)明。
部件名稱、標記燃燒器6燃料9點火器12螺紋21端部24電極27絕緣體30殼33端部E電勢差V點P1點P2距離D閃電40虛線形狀50彎曲的形狀53虛線形狀56實線形狀59角部33A距離D2輔助電極72絕緣體75頂端78區(qū)域81插圖84區(qū)域90等離子體85箭頭86虛線92通道P5
通道P6中心電極27通道P5絕緣體100圓柱體103絕緣體105頂端110圓錐面113輔助電極103距離D8區(qū)域90檢測器150點火器165等離子體P6插圖170電壓V距離D9距離D10凹槽190飛行器300發(fā)動機艙305點火器308感測線圈310線圈320磁場線B電流I電纜315環(huán)326框330點火器340電力電纜335曲線331
屏蔽件345外殼350殼體352持續(xù)時間D曲線331火花間隙355通道360通道360電阻器R1電阻器R2信號源Vin電容器C電感器L共振頻率ω0跨過電容器的電壓Vc品質因素Q變壓器372輸入信號Iin跨過電容器的電壓Vc線圈370感測線圈375變壓器372輸入信號400點405點410點415點420點425時間T頻率F上半部425值T/2可以術語稱為半周期持續(xù)時間TT點430點435指示器500檢測器505開關510點火器550近端555遠端560殼體565塊RLC同軸電纜575孔580殼體565點火器600適配器31權利要求
1.一種檢測氣輪機(3)中的點火器(340)中的火花(40)的方法，其包括a)提供變壓器(373)，其具有i)攜帶點火器電流的原線圈，以及ii)電感L的次級線圈；b)將次級線圈與電阻R和電容C串聯(lián)連接；以及c)通過檢測電容C中的信號來推斷存在火花(40)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，電纜(335)連接到點火器(340)，電纜(335)和點火器(340)由連接到發(fā)動機框架(352)的導電屏蔽件(345、350)圍繞，次級線圈包括圍繞屏蔽件的部分纏繞的線圈(310)，其中，線圈(310)的芯包括所述部分。
3.一種設備，其包括a)用于氣輪機(3)內(nèi)的點火器(340)；b)鄰近點火器(340)的殼體(350)的線圈(310)，當在點火器(340)中產(chǎn)生火花時，線圈產(chǎn)生信號。
4.根據(jù)權利要求3所述的設備，還包括c)與電感器(L)串聯(lián)的電容器(C)，d)與電容器(C)串聯(lián)的電阻器(R)，其中，電容器(C)、電阻器(R)和線圈(L)形成RLC電路，其放大線圈(310)中的信號。
5.用于檢測氣輪機(3)中的點火器(340)中的火花(40)的設備，其包括a)變壓器(373)，其具有i)攜帶點火器電流的原線圈，以及ii)電感L的次級線圈；b)與電感L串聯(lián)的電阻R和電容C；以及c)用于通過檢測電容C中的信號來推斷火花的檢測器(150)。
6.根據(jù)權利要求5所述的設備，其特征在于，電纜(335)連接到點火器(340)，電纜(335)和點火器(340)由連接到發(fā)動機框架(352)的導電屏蔽件(345、350)圍繞，次級線圈包括圍繞屏蔽件的部分纏繞的線圈(310)，其中，線圈(310)的芯包括所述部分。
7.一種設備，其包括a)具有框架或者外殼(352)的氣輪機(3)，該框架或者外殼具有限定為DC地的電勢；b)發(fā)動機(3)中的點火器(340)；c)供電電纜(335)，其將電流脈沖供給到點火器(340)；d)圍繞供電電纜(335)的傳導屏蔽件(345)，其連接到點火器(340)的殼體(350)，其中，屏蔽件(345)和殼體(350)連接到所述地電勢(352)；e)激勵器(330)，其將所述電流提供到點火器(340)，以及其通過以下部件從點火器(340)接收返回電流i)所述屏蔽件(345)，以及ii)第二通道(360)；f)包括線圈(310)且鄰近所述殼體的檢測器(150)，其檢測以下中的一種或者多種i)電纜(335)中的電流脈沖；ii)殼體(350)中的電流脈沖；或者iii)電纜(335)中的電流脈沖和殼體(350)中的電流脈沖之間的差。
8.根據(jù)權利要求7所述的設備，其特征在于，線圈(310)包括電感L，該設備還包括g)電阻R和電容C，其與線圈(310)一起形成RLC電路。
9.根據(jù)權利要求8所述的設備，其特征在于，RLC電路中的電容C響應于每個電流脈沖產(chǎn)生電壓超過50毫伏的信號。
10.根據(jù)權利要求7所述的設備，其特征在于，除了產(chǎn)生等離子體的電極以外，沒有電導體接觸供電電纜(335)。
全文摘要
用于檢測氣輪機(3)的點火器(340)中的火花(40)的系統(tǒng)。點火器(340)產(chǎn)生等離子體(40)，或者火花，有些類似于汽車的火花塞。在本發(fā)明中，感應采集器(310)定位在點火器(340)的附近，以檢測點火器(340)中的電流脈沖，從而推斷存在火花。產(chǎn)生的信號小，需要放大。然而，環(huán)境熱，通常超過400華氏溫度。本發(fā)明利用采用RLC電路形式的由無源部件構成的放大器。
文檔編號H01T13/58GK1715625SQ20051000901
公開日2006年1月4日 申請日期2005年2月16日 優(yōu)先權日2004年2月10日
發(fā)明者R·L·蓬茲亞尼, R·伊爾伍德 申請人:通用電氣公司