专利名称：由检测接地射频屏蔽件的信号来检测气轮机点火器的火花的制作方法
技术领域：
本发明涉及气轮机，以及其中的点火器。
背景技术：
本背景技术将说明为什么在气轮机中使用的点火器的使用寿命中缺乏绝对可靠性会相当大地影响使用该发动机的飞行器的所有者的成本。
图1高度示意性地示出了包含燃烧器6的气轮机3。燃料9喷射到燃烧器中。以与汽车中的火花塞大致类似的方式起作用的点火器12产生火花，或者等离子放电(没有显示)，其开始点火喷射燃料。
在初始点火以后，点火器12可以重复地发火花，主要是作为安全措施。也就是，在现代发动机中，在常态环境下，在燃烧器6中特别不可能出现熄火。然而，诸如突然的侧风之类的意外情况会影响燃烧器内的环境，导致熄火。
此外，某些飞行条件使得不可能的熄火情况的可能性稍微大一些。这样，例如，当飞行器进入暴风骤雨或者可能干扰燃烧器6中的稳态条件的其它情况时，可以启动点火器12。
像所有的机械部件一样，点火器12具有使用寿命，其最终会届满，此时，必须更换点火器。然而，该届满和更换会产生飞行器昂贵的情况。
主要原因在于，点火器接近其使用寿命的末端不会被容易检测的事件标记。也就是，在某一点处，点火器完全停止产生等离子体或者火花。然而，在该点以前，点火器可以零星地产生火花。
如上所述，通常不要求发火花来维持燃烧器火焰。因此，只有出现真的熄火，且零星发火花不能有效地引起重新点火的情况下才会注意零星发火花。由于这样的事件组合看起来不可能，所以不容易注意零星发火花。临近点火器的使用寿命的届满同样不被注意。
另一个原因在于，虽然所有的点火器可以构造为尽可能地同样，然而，这些点火器不都拥有相同的使用寿命。所有的点火器也不会在它们的使用寿命期间经历相同的事件。这样，不知道确切地何时给定的点火器会届满。
这样，不知道确切地何时必须更换点火器的时间点。解决该问题的一种方法是通过在点火器仍然起作用时更换点火器来进行预防性的维护。虽然新的点火器和安装它所要求的人力的成本不是很大，但是早更换确实会影响可能相当大的另一种成本。
更换点火器的飞行器表示了以每小时数千美元计量的收入源。如果在更换点火器期间飞行器不能工作例如2小时，那么在这段时间期间的收入损失是相当大的。
因此，在气轮飞行器发动机中的点火器的不确定的使用寿命会影响收入的重大损失。
发明内容
气轮机中的点火器的正常工作引起点火器内的绝缘体的腐蚀。在本发明的一种形式中，辅助地电极植入该绝缘体内，腐蚀最终使该辅助电极暴露。点火器设计为使得该暴露出现在应该更换点火器的时刻。
暴露的辅助地电极可以通过这样的事实来检测，即，当火花出现时，小的电流通过辅助地电极。当检测到该电流时，其存在表示暴露。替代地，暴露的辅助地电极可以通过人为观察员来视觉检测，可能通过使用管道镜。
图1是气轮机的简化的示意图。
图2示出了图1中显示的点火器12。
图3和4是图2中的端部E的放大视图。
图5和6示出了发明人观察到的端部E的几何形状的变化。
图7示出了本发明的一种形式。
图8和9是类似图7中的插图84的视图。
图10是图7的部分的透视图。
图11是本发明的一种形式的透视、剖视图。
图12是图11的设备的截面图。
图13是图11的设备的透视图。
图14示出了本发明的一种形式。
图15示出了在本发明的一种形式中出现的事件的顺序。
图16示出了两个距离D9和D10，两个电场在这两个距离上产生。
图17示出了构造图15中的辅助电极72的一种模式。
图18示出了使用本发明的一种形式的飞行器。
图19示出了点火器308，其支承环形线圈310。
图19A示出了本发明的一种形式，其中，支架311支撑点火器，且还包含线圈310。
图20示出了点火器-电缆组件，高渗透环326围绕该组件定位，线圈320围绕该高渗透环缠绕。
图21是点火器系统的一个示意性视图。
图22是由发明人开发的图21的设备的示意性的可能的工作模式。
图23示出了现有技术的RLC电路。
图24示出了由正弦波激励的RLC电路。
图25-28是图24的电路的仿真输出的图。
图29示出了由脉冲序列脉冲作用的RLC电路。
图30-34是图29的电路的仿真输出的图。
图35示出了定时参数。
图36示出了本发明的两种形式。
具体实施例方式
图2示出了在现有技术中使用的点火器12。电连接器(没有显示)拧到螺纹21上，且包含与电极27的端部24匹配的电触点(没有显示)。绝缘体30使电极27与点火器12的壳33绝缘。
在图3和4中显示了点火器12的端部E。将给出等离子体发生中包含的物理学的很简单的说明。
在工作中，高电压施加到电极27，从而在图3的点P1和P2之间产生电压差或者电势差V。在该区域中的电场等于电势差V除以点P1和P2之间的距离D。例如，如果电压为20000伏，距离D为10毫米，或者0.01米，那么电场等于20000/0.01，或者每米2百万伏。
电场设计为超过位于点P1和P2之间的材料或者介质的介电击穿强度。该材料为空气加上燃料的混合物。然而，该场不超过绝缘体30的击穿强度，且该强度超过空气-燃料混合物的强度。
当发生击穿时，电场从介质中的原子除去电子，产生带正电荷的离子和自由电子。电场在平行于电场的方向上驱动自由电子。然而，在该运动期间，那些临时自由电子与其它离子碰撞。此外，离子和电子的热运动也使它们一起碰撞。
在碰撞中，电子被离子捕获，且下降到较低能量的状态，以称为等离子体的电弧的形式释放热和光，其在图4中表示为闪电40。只要存在电场，该过程就持续。
发明人已经观察到刚刚描述的工作的一种结果。如图5中所示，绝缘体30从虚线形状50腐蚀到弯曲的形状53。此外，电极27从虚线形状56腐蚀到实线形状59。角部33A也腐蚀。
发明人相信，以下因素中的一个或者多个是腐蚀的原因。一个因素是等离子体的腐蚀性特性自由电子很有活性，设法结合任何存在的附近的原子或者离子。此外，从空气中存在的氧气产生自由电子，产生了也高度活性的离子化的氧。
第三个因素在于，等离子体产生高温环境。通过定义，高温表示搅动的原子和分子具有高速。当高速原子和分子与目标碰撞时，它们更容易与固定的目标反应。
可能的第四个因素在于这样的事实，即，等离子体产生处于紫外线UV，以及可能进入光谱的X射线区域中的高频光子。UV和X辐射会损坏许多类型的材料是熟知的。
与腐蚀的准确原因无关，在图5中显示的腐蚀最终使得点火器最终停止作用。主要原因在图6中显示。以前，在腐蚀以前，电压施加在图6中的点P1和P2之间。然而，腐蚀以后，点P2有效地移动到点P3。距离D现在变成较长的距离D2。引起离子化，从而产生等离子体的电场现在较弱。
继续上述给定的例子，如果距离D2为20毫米，那么电场变成20000/0.020，或者每米1百万伏，为其原来值的一半。最终，距离D2变得如此大，使得电场不能可靠地超过空气-燃料混合物的介电击穿强度，且离子化停止产生。
图7示出了本发明的一种形式。辅助电极72植入绝缘体75中。在区域81中，顶端78由绝缘体材料覆盖，如由插图84表示。辅助电极72可以连接到壳33，如在区域90处。
最初，电流进入电极27，如由箭头84所示，通过等离子体85转移到壳33，且通过多个通道，诸如通过其安装螺纹，如由箭头86所示，离开壳33进入发动机。
当发生腐蚀时，绝缘体75偏离由图8中的虚线92表示的其最初形状。辅助电极72的顶端78现在暴露。现在，当高电压施加到点火器时，存在等离子体跟随的两个通道。一个为图9中的通常的通道P5。另一个通道由图9中的P6表示，且从中心电极27通到现在暴露的辅助电极72。
重申一下，存在对中心电极27的两个电流返回通道。通道P5以通常的方式通到壳33。通道P6通到现在暴露的辅助电极72。最终，进一步的腐蚀会加长通道P5，且使得沿着该通道的等离子体形成终止。也就是，在图9中的通道P5初始可以由图6中的距离D表示。在足够的腐蚀以后，图9中的通道P5将由图6中的距离D2来表示，且如上所述，当距离D2变得足够大时，将没有等离子体沿着通道P5产生。
然而，辅助等离子体通道P6此时在图9中仍然存在。等离子体仍然可以产生，且增加了点火器的使用寿命。
前述讨论提出了图7中的采用杆形的辅助电极72。图10示出了在透视图中这样的由绝缘体75围绕的杆。
在替代的实施例中，使用圆柱体。图11是一个实施例的剖视图。中心电极27由绝缘体100围绕，绝缘体100本身由传导管或者圆柱体103围绕，传导管或者圆柱体103然后由另一层绝缘体105围绕。图12在截面视图中以类似的标记示出了系统。
图13示出了在制造以后或者刚安装以后处于其最初形状的绝缘体100。中心电极27的顶端110暴露，且由绝缘体100的圆锥表面113围绕。圆柱形辅助电极103植入绝缘体100内，且没有顶端或者边缘暴露，如由图12中距离D8表示。
前述讨论表明，辅助电极72可以在图7中的区域90处连接。在另一个实施例中，图14的辅助电极72也连接到地，但是通过检测器150。检测器150寻找辅助电极72中的电流。电流检测器是熟知的。
如果没有检测到电流，那么可以推断辅助电极72仍然植入在绝缘体75内，如图7所示，且与中心电极27电隔离。
相反，如果检测到电流，那么可以推断辅助电极通过腐蚀而暴露，如图9所示。检测的电流是由于等离子体跟随通道P6。当检测到电流时，检测器150发出信号，设置标记，或者另外表示腐蚀已经暴露辅助电极的推断。技术人员在此时，或者此后规定的时间更换点火器。
检测的替代模式是去除点火器，以及视觉检查相应于图2中的端部E的端部。如果看见绝缘体100的平滑表面，如图13可见，那么推断点火器仍然起作用。然而，如果看见辅助电极72，如图8可见，那么推断需要更换。
在另一个实施例中，辅助电极设计为暴露，然后快速腐蚀。从左到右观察，图15首先示出了新安装的点火器160。在使用一段时间以后，点火器165暴露其辅助电极72。现在，等离子体P6延伸到辅助电极72。
然而，如上所述，辅助电极72设计为快速腐蚀。例如，如插图170所示，辅助电极72构成有尖端。等离子体6使得尖端快速腐蚀，如由框170中的小颗粒所示。该操作引起两个事件的特殊顺序。
一个在于，当辅助电极首先暴露时，电流通过辅助电极。电流如由图14中的检测器150检测。接下来，在辅助电极破碎或者腐蚀以后，没有电流通过辅助电极。
该顺序的一个原因在图16中显示。最初，电压V跨越距离D9，产生等于V/D9的电场。在破碎或者腐蚀以后，相同的电压V跨越距离D10。电场等于V/D10，较小的值。后者的电场不足以产生等离子体，而前者的电场可以。
在一个实施例中，刚描述的两个事件的发生在点火器的使用寿命终止以前发生。这样，该终止由通过辅助电极72出现电流，然后电流终止来发信号。电流的开始表示接近使用寿命的终止，但是还有时间来操作发动机。随后的电流终止表示剩余较少的时间，且更换点火器变得更加重要。
图17示出了辅助电极72的一个实施例。设置颈部，或者凹槽190，其有利于破损，在图15的插图170中示意性地显示。凹槽190是有意地嵌入辅助电极72的机械脆弱的区域。在图8中所示的腐蚀以前，该脆弱不重要，因为由绝缘体75提供电极的机械支撑。
上述讨论表明，高电压施加到电极27。施加到电极27的低电压可以实现产生等离子体的相同功能也是可能的。
图18示出了另一个实施例。飞行器300由位于发动机舱305内的气轮机(没有显示)提供动力。每个发动机包含一个或者多个如上所述的点火器。点火器可以包含辅助电极，如上所述，或者可以是现有技术的类型。
图19示出了点火器308。本发明增加传感器，诸如感测线圈310。该线圈310与点火器同轴，如所示的。该特殊的同轴布置在实验中使用，以确定当点火器308产生火花时，是否线圈可以检测信号。
不是必须要求同轴布置。在本发明的一种形式中，线圈320可以设置为如在图20中的两个最右边的图像中显示。由电流I在电力电缆315中产生的磁场线B与产生磁场线B的电流同中心。由于电流流过整个电缆315，且通过点火器308，所以磁场线B沿着电缆315和点火器308延伸。
根据法拉第定律，当线圈320垂直于磁场线B时，如在中间的图中所示，获得了最佳耦合。
在本发明的另一种形式中，可能由变压器铁构成的高渗透环326围绕点火器或者电缆315设置，且线圈320围绕环326缠绕。当存在磁场线B时，环326捕获磁场线B，且将它们输送到线圈320。在这样的布置下，通过环326的磁场线B也通过线圈320。
术语高渗透性的一种定义为高渗透材料的相对渗透性超过1000。作为参考点，很多钢的相对渗透性在4000的范围中。材料存在具有接近1百万的相对渗透性。
在本发明的还有一个形式中，使用现有技术的钳位电流检测器(没有显示)。
本发明人已经发现，即使缺少图20中显示的垂直特性，图19中的线圈310也产生响应于点火器308内的电流脉冲的可检测的信号。本发明人提供了关于该信号及其检测的以下观测。
图21是点火器电路的电示意图。框330表示激励器，其包含在传导壳体(没有显示)内。激励器330产生高电压脉冲序列，以在点火器340中产生火花。
电力电缆335将高电压的电流脉冲输送到点火器340。一种类型的高电压脉冲在20000伏的范围内。一种类型的脉冲频率位于10Hz的范围内，也就是每秒10个脉冲。一种类型的脉冲具有10毫秒的持续时间。在该例子中，占空比因此为百分之十(0.10/0.100)。
曲线331示出了刚才描述的脉冲。在该例子中，持续时间D为10毫秒。在该例子中，周期T为100毫秒，相应于频率1/T，或者每秒10个脉冲。
在图21中，屏蔽件345围绕电力电缆335。屏蔽件345可以采用固体导管、织造的传导套管、两者的组合的形式，或者其它类型的屏蔽件。该屏蔽件345连接到点火器340的外壳350，且外壳350连接到发动机的框架或者壳体352，发动机的框架或者壳体352被认为是DC地。
屏蔽件345提供电磁干扰抑制，且也防止人员接触高电压电缆335。即使电缆335本身由厚的绝缘覆盖物围绕，屏蔽件345也提供重复的安全措施。
在所示的布置下，激励器330的壳体(没有显示)、屏蔽件345和点火器340的外壳350都连接到发动机的框架352，且被认为是保持在DC地。
图21中所示的设备的一种经典类型的分析表明，下面的机制能够说明发火花操作。在曲线331中的持续时间D的每个高电压脉冲期间，由高电压电缆335提供的电流到达火花间隙355，跳过间隙355，经由发动机的框架沿着通道360返回到激励器330。在此机制下，集合论点表示，在图19中显示的类型的线圈310对于检测电流脉冲无效。
基本的论点在于，理论上，线圈310应该检测不到电流，因为理论上没有磁场线B穿透线圈310的截面区域。法拉第定律表明，需要这样的穿透。
考虑另外的论点，应该区分两种情况DC的情况和AC的情况。在DC的情况下，如果DC电流由图21中的高电压电缆335携带，那么在图20中显示的类型的静磁场线B会存在。如果线圈围绕点火器设置，如图19所示，且如果点火器的外壳350由高渗透材料构成，诸如一种类型的钢，那么外壳会俘获一些或者所有B磁场，且可能抑制静态B磁场的检测。可以说，包括点火器的外壳350和屏蔽件345的屏蔽用作法拉第罩，其包含静态DC磁场。这样，可能存在一种论点表明，在图19中的线圈310不会检测到电流脉冲。
该论点也可以应用到缓慢变化的电流上。也就是，法拉第罩也阻断缓慢变化的磁场是可能的。
在AC情况下，电磁辐射可能从图21中的电缆335和点火器350发出，特别是因为电流脉冲包含高频分量。通常，高频分量更容易至少从长度等于波长的分数的短天线辐射。与渗透性相反，屏蔽件345和外壳350的传导性能阻断由电流脉冲产生的辐射。在一种机制中，阻断通过反射发生辐射的电磁场在屏蔽件345和外壳350中感应电流，其向内朝着电缆335辐射它们自己的电磁场。辐射的场有效地将入射辐射反射回电缆335。
此外，如上所述，屏蔽件345和点火器外壳350连接到地。理论上，那些接地的元件分流所有的AC信号到地，这样防止它们辐射电磁能。
这样，至少存在前述论点，其表示，图19的线圈不能有效地检测图21中的电缆335中的电流脉冲。
本发明人已经观察到，或者假定，所有的返回电流可能不跟随图21中的通道360。返回电流涉及在跳过火花间隙355以后返回激励器330的电流。本发明人推测某些返回电流可能沿着包括图21中的屏蔽件345和外壳350的屏蔽系统传播。图22是该推测的一个表现。
电阻R1表示从火花间隙355通过发动机框架到激励器的地通道的小电阻，大致相应于图21中的通道360。电阻R2表示从火花间隙355到激励器，但是通过屏蔽系统的通道的小电阻。屏蔽系统包括点火器的外壳350和屏蔽件345。R1和R2源于火花间隙355处或者附近，但是表示到激励器330的不同路线。
在这样的推测下，尽管上述给定的论点，但是可以检测通过R2的返回电流。
在本文中，本发明人指出，通常，认为检测通过其它电阻R1的返回电流是不实际的。其中，电阻R1表示发动机本身。用于检测发动机中的返回电流的简单、精确和可靠的方法看起来是不实际的，至少是因为，在跨越整个发动机或者其大部分中，对于返回电流的通道数量是如此巨大。
然而，从电流检测的观点，由电阻R2表示的通道是局部化的离散实体，且不包含在屏蔽件中。这样，如果返回电流脉冲在R2中传播，那么通过检测R2中的电流，也就是，屏蔽系统中的电流，可以检测由脉冲产生的磁场或者电磁辐射。
使用图19中的线圈310进行实验，发现，当激励器产生火花脉冲时，线圈310产生可检测的信号。
应该注意，线圈310可以检测以下电流中的一种或者多种。与上述的论点相反，线圈310可以检测图21中的电缆335中的电流脉冲屏蔽系统不完全有效。替代地，图19中的线圈310可以检测点火器的外壳350中的返回电流脉冲，如上假定的。或者线圈310可以检测刚确定的两个电流的一些类型的和或者差。
在线圈310中检测的信号是小的，使得需要放大。然而，线圈310的操作环境在这方面提供了挑战。
在图18的飞行器300的操作期间，图19中的线圈310位于具有超过400F的温度的环境中。也就是，线圈310接附或者邻近的图19的点火器308的外壳350在正常工作期间显示了至少400F的温度。
如果使用固态放大器来放大由线圈310产生的信号，这样的高温会造成问题。然而，通过充分的预防措施，电子的、晶体管化的放大器可以用于检测由线圈310产生的信号。
在本发明的一种形式中，不使用固态放大器，至少在400度环境附近不使用。替代地，开发无源放大器，其只使用电阻性、电容性和电感性的元件，没有有源元件，诸如晶体管或者真空管。有源元件的一个定义在于，有源元件可以放大输入信号的功率输出功率能够超过输入功率。无源元件不具有功率放大的特性。
已知诸如图23中那样的串联RLC电路可以设计为在某些条件下产生跨过电容器C的放大的电压。该放大在William Hayt和JackKemmerly的题为“Engineering Circuit Analysis”的文章(ISBN0-07-027410-X，McGraw-Hill，1993)中的第13章题为“FrequencyResponse”中讨论。该文章通过参考在此引入。
放大的情形包括如下。一，为正弦和恒定频率的信号源Vin，其为通常称为正弦稳态的情况。二，电容器C和电感器L的值选择为使得在点P1和P2处的输入阻抗为纯实数，没有虚部。这种情形称为共振，共振频率的值，ω0，在图23中表示。
在这些情形下，跨过电容器的电压Vc等于ABS(Q)×Vin，如图23中所示，其中ABS称为电路的品质因素Q的绝对值，或者幅度。Q定义为如图23所示。这样，例如，对于为10的Q，获得了十倍的放大。
这样，现有技术表示，串联RLC电路可以提供对正弦波输入的电压放大。上述内容表示，与电压放大相反，双重串联RLC电路，即，并联RLC电路提供了电流放大。
计算机仿真示出了电压放大。
图24示出了使用市场上可以获得的SPICE程序之一仿真的电路。存在变压器372，以便使该电路与本发明的电路模型一致，在后面讨论。表示了电阻器R、电容器C和电感器L的值。这些值在所有的仿真中保持恒定。
图25-28示出了在图24的电路上完成的四个仿真的结果。施加图24中的采用2安培峰峰值的正弦曲线的形式的输入信号Iin，其在图中显示。输入信号的频率在每个仿真中改变。
在图25中，输入频率为50Hz。左轴表示输入信号Iin。右轴表示跨过电容器的电压Vc，其在图25中表示。很清楚，在50Hz下，输出Vc是大约200伏峰峰值的正弦曲线。
在图26中，输入频率为750Hz。很清楚，在图26中的750Hz下，输出Vc是大约3200伏峰峰值的正弦曲线。
使用图23中给定的ω0的表达计算，图24的共振频率为大约2517Hz。在图27中，输入频率为2517Hz。很清楚，在2517Hz下，Vc为大约32000伏峰峰值的正弦曲线。
在图28中，输入频率为50kHz，也就是，50000Hz。很清楚，在50kHz下，Vc为大约200伏峰峰值的正弦曲线。
图25-28与串联RLC电路能够放大稳态正弦曲线的假设一致。在共振频率下，Vc高，在共振下为32000伏，在其它频率下，Vc较低。强调一下，图25-28不表示由图19中的线圈310产生的电压，而是图24中的电容器C在假定的情形下产生的电压。
本发明人研究，当输入信号不是稳态正弦曲线，而是用于给这里讨论的点火器提供动力的类型的一系列脉冲时，图24中显示的类型的RLC电路是否能够产生类似的放大。实验结果表示了肯定的答案，以及要讨论的计算机仿真提供了似真的论点。
在图29中，线圈370表示电力电缆315。电力电缆实际上是单匝装置，但是图24中的线圈370表示为多匝装置，以便强调将电力电缆用作变压器373的原线圈。
线圈375表示图19的感应线圈310，但是可以使用类似于图20中的线圈320的线圈。在图29中，电容器C和电阻器R是加到感测线圈375的元件，以进行放大。强调一下，图29的电路的元件选择为能承受与它们使用的环境，尤其是温度以及振动一致的工作温度。
本发明人发现，对于给定的脉冲序列，可以首先计算模拟的共振频率。然后，在一种方法中，模拟的共振频率视为普通正弦曲线的稳态共振频率，相应于图23中的ω0。使用该模拟的共振频率，电感器L和电容器C的值以通常的方式选择，但是确认(1)使用是模拟共振频率，以及(2)没有应用稳态正弦曲线共振。替代地，获得的L和C的值与脉冲的输入一起使用。
实际上，电感器L的值可以通过用于构造图19的线圈310的材料和几何形状来固定，使得只有在设计者控制下的值可以为电容器C的值。
一旦根据模拟的共振频率选择了L和C的值，发现会出现施加到图29中的变压器372的脉冲序列的放大。
替代地，可以由图表表示来确定模拟的共振频率，这由一系列例子来显示。图30示出了当由图30中的为三角波电流脉冲且施加到图24中的线圈370的输入信号400激励时，图29的电路的仿真输出。用于电流仿真的图25中使用的部件值如下R为500欧姆，L为1亨，C为0.40微法，如图30所示。
水平轴表示时间，以毫秒为单位。和前面一样，左轴表示输入信号，右轴表示输出信号，输出信号为跨过图24中的电容器C的电压。
图30表示输出为衰减的正弦曲线，其第一个峰在点405处的大约正250伏处，然后峰在点410处的大约负175伏处，等等。该输出响应在RLC电路中一般称为欠阻尼响应，也称为振铃。
图31示出了使用相同的三角波输入，以及与图30中相同的部件值的仿真，除了电容器C为其先前值的十分之一，现在为0.040微法。可以看出响应频率增加，与C值的减小一致。此外，Vc的幅度增加其现在的峰值为在点415处的大约2.4千伏。
图32示出了使用相同的三角波输入，以及与图31中相同的部件值的仿真，除了电感器L被切除一半，现在为0.5亨。可以看出响应频率增加，与L值的减小一致。此外，Vc的幅度增加其现在的峰值为在点420处的大约2.8千伏。
图33示出了使用相同的三角波输入，以及与图32中相同的部件值的仿真，除了电感器L被切割为其前述值的百分之二十，现在为0.1亨。可以看出响应频率增加，与L值的减小一致。此外，Vc的幅度增加其现在的峰值为在点425处的大约3.3千伏。
图34是图33的扩展视图，跨距为0到2.0毫秒，且示出了模拟的共振频率的一个概念。时间T示出了响应的周期。以Hz为单位的响应频率F当然为1/T。F为电路的共振频率，且在图24中限定。
图30到34示出了图示方法来选择模拟的共振频率。在某种意义上，人们选择L和C的值来获得输出波形，如图34所示，其中，第一正弦波的上半部类似于输入波形。例如，上半部425有些类似于输入波形。替代地，可以使用更多的数学方法。
在图34中，T/2的值可以术语称为电路的共振频率的半周期。T/2是一个正向或者一个负向衰减正弦波的隆起的持续时间。本发明人指出，在图30-34的序列中，当图34的T/2接近三角波输入脉冲的图34中的持续时间TT时，电压放大增加。也就是，当T/2接近持续时间TT时，通过改变图24中的L和C的值，电容器电压Vc增加。
这示出了一种方法来设置模拟的共振频率。电感器L和电容器C选择为使得它们产生具有等于输入脉冲的持续时间TT的半周期T/2的共振频率。输入为脉冲作用的，或者在图30-34的仿真的情况下为三角波。
如果输入脉冲为矩形脉冲，不是显示的三角脉冲，也可以使用该计算。输入脉冲的持续时间，诸如在图21中的曲线331中的D，相应于图34中的持续时间TT。持续时间D然后相应于以Hz为单位的频率1/D。该频率为模拟的共振频率，以及使用在图23中给定的等式来计算需要的L和C，并合适地转化为弧度。
在另一种方法中，根据输入脉冲的上升时间或者下降时间来选择模拟的共振频率。在图34中，上升时间大约1微秒，且为从点430上升到点435的时间。模拟的共振频率选择为使得T/4，也就是周期T的四分之一等于上升时间。由此选择L和C的值。
类似的原理应用于下降时间。
输入脉冲可以是矩形脉冲。当然，脉冲不是完美的矩形前缘和后缘必然具有有限的上升和下降时间。模拟的共振频率选择为使得T/4，也就是四分之一周期时间，等于上升时间，类似于三角波的情况。
可以指出，模拟的共振频率主要由图1中的周期D确定。然而，周期D不是脉冲序列的频率。相反，频率等于1/T。这样，模拟的共振频率，以及从该频率计算的L和C的值，不完全依赖于输入频率，而且依赖于脉冲序列的占空比。
前述方法根据输入脉冲的定时来选择模拟的共振频率。在本发明的还有一种形式中，模拟的共振频率由反复试验确定。如通过由在图24中显示的实际电路来实验，或者通过使用仿真该电路的诸如SPICE之类的计算机软件，来进行仿真。选择各种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的尺寸可以由实际考虑来限制。例如，在给定的情况下，获得共振可能需要物理尺寸特别大的电容器。这样，在一些情况下，可以选择部件来提供在非共振情况下的工作，但是仍然提供足够的放大。
可以指出，计算机仿真方法很简单，假定很多SPICE程序允许参数扫描。也就是，在扫描中，选择诸如L之类的参数的值的范围，且规定在该范围中使用的值的数量。在扫描中，简直可以选择和测试成千上万的不同L和C值，都使用计算机程序，只有很少或者没有人为工作。
然后，人们检查结果和选择那些需要的值。
在模拟的频率下，计算L和C的值，其提供特殊的阻抗。那些阻抗为向量阻抗，其就像激励为稳态正弦曲线一样计算。也就是，在模拟的共振频率下，阻抗L和C的和设置为零。
也就是，jwL+1/jwC＝0，其中L为电感，C为电容，w为伪共振频率，以及j为虚数算子。
一旦选择了w，L和C选择为满足在前述句子中给定的等式。
这样，就好像系统在稳态正弦曲线模式下工作来计算需要的L和C的值，但是然后L和C用于脉冲作用的输入模式。
此外，R的值是重要的。在本发明的一种形式中，图24的RLC电路从工程意义上设计为显示欠阻尼响应，使得由脉冲的激励会引起称为振铃的正弦响应。正弦曲线的包络指数衰减。R的值确定衰减速度。在本发明的一种形式中，R选择为使得出现下述事件。
首先，电流脉冲产生火花。该脉冲激励RLC电路，诸如在图29中显示的电路。RLC电路进入振铃，如图31-34所示。R选择为使得振铃正弦曲线在下一个脉冲以前充分衰减，使得下一个振铃正弦曲线可以从当前的振铃正弦曲线区分。
在一个实施例中，图35中的振铃正弦曲线在1/2T内下降到其原来幅度的百分之五十。还考虑的是在0.05和0.9T之间的任何选择的时间内下降到百分之五十。
颁发给Frus的1996年6月4日申请号为458091的美国专利5523691示出了一种方法来检测飞行器发动机中的点火器中的火花。Frus声明，在他的图1A中的电感器L1首先由电流充电。当出现正常的火花时，电感器L1通过点火塞快速放电。
然而，如果点火塞不产生火花，那么电感器L1视点火塞为很高的阻抗。在这样的情况下，电感器L1通过包含在分压器27内的电阻器放电。该后者的放电要求相当长的时间。Frus检测放电的长度，当检测到较长的放电时，他推断没有火花。
Frus还声明，如果由激励器13产生的电压下降达不到预定的值，那么火花不能出现。Frus讨论了一种方法来检测该失败。
本发明人指出，Frus的电感器L1不用作与这里的图19中的线圈310类似的目的。例如，Frus的电感器L1携带输送到点火塞的电流。相反，线圈310不这样做。
另一种差别在于，Frus的电感器L1必须设计为能承受的确超过1000伏，且可能超过20000伏的电压。这样，在从物理电感器L1延伸以及围绕装置内缠绕的线的输入和输出引线之间需要相当大的绝缘。相反，图19的线圈310必须能承受几伏。在一个实施例中，线圈310设计为在三个不同的实施例中具有在其两个引线上不超过5、10或者100伏的工作电压的电感器。
此外，Frus的电感器L1似乎不能存在于超过400F的温度的环境中。
在本发明的一种形式中，如在图18中显示的飞行器中，当气轮机启动时，使用特殊的启动序列。飞行员使得启动系统旋转发动机的转子(没有显示)，或者命令控制系统(没有显示)开始启动程序。燃料控制器(没有显示)将燃料输送到燃烧器。开动燃烧器中的点火器。
如果没有检测到发动机的点火，那么飞行员检查图18中的指示器500。指示器500位于飞行器中的飞行员位置处，通常称为驾驶员座舱。该指示器接收来自检测器505的信号，其响应于由图19中电容器C产生的电压信号，该信号术语称为火花信号。如果火花信号指示点火器产生火花，那么指示器500如通过产生光来指示存在火花。如果没有火花信号，那么指示器500如通过不产生光来指示没有火花。
从另一个观点，指示器500与汽车中类似的指示器相反地工作。汽车中的油压指示器灯例如在出现问题时发光。相反的，指示器500在没有问题时，即，当点火器产生火花时发光。
可以提供开关510，以允许飞行员在知道不需要火花时关掉指示器500。替代地，没有显示的控制系统可以控制何时指示器500显示其信息。
图36示出了本发明的两种形式。点火器550具有近端555和远端560。近端具有壳体565，其在这个例子中为圆柱形，或者圆形截面。其它截面形状也可能。
示出了可分离的壳体570，其包含线圈L、电容器C和电阻器R，类似于图29中的相应元件，且由块RLC表示。连接器、配线引线、同轴电缆575或者类似物允许外部检测跨过电容器C或者其它选定的部件的电压。
壳体570包含截面形状的孔580，其匹配壳体565的形状。匹配形状意味着两个形状为相同的形状，以及相同的尺寸，使得孔580围绕壳体565紧密装配。
在本发明的一种形式中，电感器L围绕点火器的轴线缠绕，如图19所示。在本发明的另一种形式中，高渗透环围绕点火器，且捕获由进入点火器的电流产生的磁场B。电感器L围绕环缠绕，如图20所示。
在本发明的另一种形式中，火花检测器RLC与点火器一体制成，如图36中的点火器600所示。
本发明的一些附加的方面如下。在本发明的一种形式中，提供图19A中的适配器311，其安装到发动机或者燃烧器(都没有显示)。点火器拧入适配器。适配器包含集成线圈310，其进行上述检测功能。
RLC电路没有必要在共振下操作。相反，可以认为RLC电路执行两种功能。一种功能在于放大在电感器L中产生的脉冲。第二种功能在于RLC电路产生振铃，或者衰减正弦曲线。振铃引起检测的信号持续比引起振铃的脉冲更长的时间，从而使得脉冲更容易检测。
例如在图34中显示的三角波是概略的。用于点火器的实际信号不需要是三角波，而是依赖于使用的具体点火器的要求。此外，点火器的物理特性随着其使用年限而变化，且这些特性影响施加到其上的脉冲的形状。通过类推，熟知的是，在电容器中，电流不与施加的AC电压同相。电容器的内阻会随着使用年限而变化。该变化会引起电流和电压之间的相位角变化，这样，示出了电压施加到的物理目标中的变化会改变该目标中的最终电流的点。
这里的讨论是根据分立的、集总的电路元件，诸如图24中的R、L和C来构成的。然而，注意到，通过分布式的元件也能获得类似的结果。
应用到上述飞行器中的气轮机中是典型的。通常，本发明应用到通常用于飞行器、陆地车辆、船、发电和其它应用中的气轮机。此外，本发明通常应用于点火器的火花检测。
可以增加泄漏电阻器来从图24中的电容器C，以及RLC电路中相应的电容器泄漏放电。泄漏电阻器使得振铃衰减尖锐，这样引起振铃更快消失。
通常，R、L和C的值选择为提供可检测的信号，诸如在电容器C上。可检测的信号的一种定义可以相对于广泛地用于气轮机中的K型热电偶获得。这样的热电偶产生在250毫伏范围内的信号。这样，可检测的信号的一种定义可以是超过250毫伏的信号。与该定义一致，在一个实验中，本发明人获得了跨过电容器C的470毫伏的信号。
本发明的一个特征在于，其允许RLC电路中的电容器远离其它部件定位，从而在比图19中的线圈310的位置冷的位置中。在一个实施例中，电容器C可以定位在室温环境中，或者更冷的环境中，其中室温为标称的75华氏温度。
这可能是重要的，因为电容器具有175华氏温度的实际温度限制。但是，图19中的线圈310的位置可能超过400华氏温度。
上述讨论涉及将表示正在出现合适的火花的信号输送到飞行员的位置。该信号也可以输送到在使用气轮机的设备中的维护人员，或者输送到远程维护人员。该信号也可以输送到多于一个的飞行员位置。
在不偏离本发明的真正精神和范围的情况下，可以进行许多替代和修改。例如，上述讨论根据飞行器气轮机来构成。然而，本发明可以用于其它类型的气轮机，诸如用于发电和泵送的基于陆地的气轮机，或者船上的气轮机。此外，本发明不限于气轮机，而且通常可以用于在各种燃烧应用中使用的点火器。
此外，不需要本发明在热的环境下工作，但是本发明确实提供了能承受高温的能力，如上所述。
需要由专利保护的是在后附的权利要求书中限定的本发明。
部件名称、标记燃烧器6燃料9点火器12螺纹21端部24电极27绝缘体30壳33端部E电势差V点P1点P2距离D闪电40虚线形状50弯曲的形状53虚线形状56实线形状59角部33A距离D2辅助电极72绝缘体75顶端78区域81插图84区域90等离子体85箭头86虚线92通道P5
通道P6中心电极27通道P5绝缘体100圆柱体103绝缘体105顶端110圆锥面113辅助电极103距离D8区域90检测器150点火器165等离子体P6插图170电压V距离D9距离D10凹槽190飞行器300发动机舱305点火器308感测线圈310线圈320磁场线B电流I电缆315环326框330点火器340电力电缆335曲线331
屏蔽件345外壳350壳体352持续时间D曲线331火花间隙355通道360通道360电阻器R1电阻器R2信号源Vin电容器C电感器L共振频率ω0跨过电容器的电压Vc品质因素Q变压器372输入信号Iin跨过电容器的电压Vc线圈370感测线圈375变压器372输入信号400点405点410点415点420点425时间T频率F上半部425值T/2可以术语称为半周期持续时间TT点430点435指示器500检测器505开关510点火器550近端555远端560壳体565块RLC同轴电缆575孔580壳体565点火器600适配器31权利要求
1.用于感测气轮机(3)中的点火器(340)中的火花(40)的设备，其包括a)保持器(311)，点火器(340)插入该保持器中；b)安装在保持器中的线圈(310)；以及c)用于检测在线圈(310)中的电流的检测器(150)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述保持器(311)在发动机(3)的正常工作期间达到175F或者更高的温度。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，线圈(310)与点火器(340)热接触。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述保持器(311)是传导的，且保持在系统地。
5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，没有通过点火器(340)的电流进入线圈(310)。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，(1)电缆(335)从激励器(330)通到点火器(340)，(2)电缆(335)输送电功率到点火器(340)，(3)外部传导屏蔽件(345)围绕电缆(335)且连接到发动机(3)，以及(4)电缆(335)在触点处连接到点火器(340)，以及第二传导屏蔽件(350)从触点沿着点火器(340)延伸，以及，其中，d)线圈(310)完全在两个传导屏蔽件(345、350)的外部。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，点火器(340)的部分形成线圈(310)的芯。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，第二传导屏蔽件(350)包括点火器(340)的壳体。
9.用于将点火器(340)接附到气轮机(3)的设备，其包括a)包含带螺纹的钻孔的底座(311)，点火器(340)可以拧入该钻孔中；b)底座中的洞，通过该洞，固定件可以将底座(311)固定到发动机；以及c)固定到底座(311)的线圈(310)，用于检测点火器(340)中的电流。
10.用于接附气轮机(3)的点火器(340)的设备，点火器(340)具有(1)近端(555)，(2)在近端(555)处的外壳(565)，外壳(565)具有截面形状S，以及(3)在近端处的电连接器，该设备包括a)具有匹配形状S的内部孔(580)的壳体(570)，使得壳体(570)围绕近端(555)装配；b)在壳体(570)内，i)感应采集器(L)，以及ii)放大器(R、C)，其放大由采集器(L)产生的信号。
全文摘要
用于检测气轮机(3)的点火器(340)中的火花(40)的系统。点火器(340)产生等离子体(40)，或者火花，有些类似于汽车的火花塞。在本发明中，感应采集器(310)定位在点火器(340)的附近，以检测点火器(340)中的电流脉冲，从而推断存在火花(40)。采集器可以采用嵌入安装支架(311)中的线圈(310)的形式，该安装支架用于将点火器(340)固定到发动机(3)。
文档编号H01T13/58GK1690387SQ200510009029
公开日2005年11月2日 申请日期2005年2月16日 优先权日2004年2月10日
发明者R·L·蓬兹亚尼, R·伊尔伍德 申请人:通用电气公司