Electronic temperature sensor arrays for gas turbine components

Abstract

Le présent mémoire de maîtrise décrit le développement d'une nouvelle technologie de mesure de température pour composantes de turbines à gaz. L'assemblage de capteurs proposé permet de mesurer simultanément la température à plusieurs endroits d'une même pièce, en temps réel, en n'utilisant que deux fils de transmission. Les signaux de plus de dix capteurs sont multiplexés à travers des fils communs, par modulation fréquentielle. À chaque point de mesure, un oscillateur microélectronique à base de carbure de silicium (SiC) génère un signal sinusoïdal, à une fréquence qui est influencée par la température. Tous les oscillateurs sont alimentés par une source commune de tension continue et combinent leurs signaux sinusoïdaux par addition de courant dans les fils d'alimentation. Le signal multiplexé peut être enregistré en n'utilisant qu'un seul canal d'acquisition et ensuite être analysé dans le domaine fréquentiel pour en déduire une distribution de température. L'assemblage de capteurs ainsi créé peut être visualisé comme un câble sensible à la température, incluant deux fils de transmission et plusieurs oscillateurs microscopiques. Cet assemblage est compact et amoindrit l'encombrement causé par l'acheminement des fils, un problème particulièrement embarrassant dans les petits moteurs d'avions d'affaires ou de transport régional. La microélectronique à base de SiC promettant d'être utilisable au-delà de 700°C, le système proposé pourrait être utilisé à l'intérieur d'ailettes et de segments de carénage de turbines, dans des conditions modérées de test ou de vol, ou dans des pièces de compresseurs. Il offre de nouvelles opportunités en termes d'essais statiques, de suivi de la détérioration en vol et de contrôle actif des moteurs. Des essais ont été réalisés pour prouver la validité du concept présenté ici, en utilisant des prototypes d'oscillateurs macroscopiques. Deux oscillateurs ont été fabriqués en utilisant des composantes électroniques discrètes résistant à haute température et ont été testés dans un four jusqu'à 180°C. Les résultats de ces essais sont présentés dans ce mémoire.

Abstract: The current master's thesis presents the development of a new temperature sensing technology for gas turbine components.The proposed sensor array allows real time simultaneous measurements of temperature at multiple locations, using only two communication leads. Frequency modulation is used to multiplex the signals of more than ten temperature sensors through common wires. At every point of reading, silicon carbide (SiC) microelectronic oscillators generate the required waveforms, at frequencies that are temperature dependent. Those oscillators are fed with a common DC power source, and add their signals together by current addition into the power supply leads.The multiplexed signal can be recorded using only one acquisition channel, and be analyzed in the frequency domain to deduce temperatures.The resulting sensor array can be seen as a temperature sensitive wire, including two leads, and multiple integrated microscopic oscillators. It is compact, and alleviates the problem of lead routing, which is especially cumbersome in small business or regional aircraft engines. SiC microelectronics promising to be operable at temperatures above 700[degrés Celcius], the proposed sensor array could be used inside cooled turbine airfoils and shrouds, in moderate testing and flight cruising conditions, or in compressor components. It offers new possibilities in ground testing, vehicle health monitoring, and engine control. Validation tests were conducted using macroscopic high temperature oscillator prototypes. Two oscillators were built using high temperature discrete components, and were tested in an oven up to 180[degrés Celcius].The results of those tests are presented in this thesis.