Kiselkarbid – det nya högpresterande materialet
Vid 400–500 graders temperatur är inte kisel särskilt användbart som halvledarmaterial. Ändå måste man placera mätförstärkare på turbinbladens fot, för att kunna förstärka signalen från termoelement eller trådtöjningsgivare som är svetsade mitt på skoveln där det kan vara 850 grader eller mer.
Mätvärden, så kallad telemetri, måste föras ut från den roterande turbinen och elektrisk effekt måste föras in för att driva mätkretsarna. Allt överförs via radio. Det hela kan liknas vid en sorts jätte-rfid, där man sänder in ungefär 8 watt driveffekt och kommandon på en 100 kilohertz bärvåg och tar ut en dataström på 75 kbps modulerad på en bärvåg på 175 megahertz.
Telemetrikretsen är i princip sammansatt som ovan. Radioeffekt kommer in från en sändare som agerar kraftaggregat, likriktas och silas och matas ut som drivspänning till mätelektroniken. En förförstärkare tar hand om signalen från sensorn och matar den till en modulator och därifrån går den in i en FM-sändare som sänder tillbaka den till mätelektroniken utanför turbinen. Låter enkelt. Men det finns ett antal problem.
Siemens har angripit problemet med hög temperatur och acceleration centralt genom Arkansas Power Electronics International, Inc. i USA som framställer mätkretsar i färdiga höljen med halvledare i kiselkarbid monterade på keramiska kretskort. Kiselkarbid är det nya materialet för krafthalvledare, högtemperaturtillämpningar och elektronik för landningar på Venus. Utvecklingsarbetet anses så viktigt att det följs av amerikanska energimyndigheten DOE.
Bilden visar en 65 millimeter lång mätkrets med förförstärkare för termoelement och trådtöjningsgivare, radiomottagare och -sändare på 175 megahertz. De stora klumparna är kondensatorer som används för att sila matningsspänningen efter att den mottagits som radioenergi. Att åstadkomma kondensatorer som kan arbeta under längre perioder i 400 graders temperatur visade sig vara svårt. De blir dessutom stora och därmed tunga i hög acceleration. Den platta, fyrkantiga spolen till vänster är sändarens resonanskrets, och sändaren själv ligger inuti.
Den här typen av kretsar är fenomenalt tåliga mot påfrestningar. Enheten tål utan vidare 400 graders arbetstemperatur och en acceleration på 20000 g. Den höga accelerationen uppstår när kretsen far runt i turbinen på fullvarv. 20000 g är samma acceleration som när en granat skjuts ut ur en luftvärnskanon!
Om en bondtråd, som förbinder en kiselkarbidkomponent med kretskortet i keramik, är ett par hundradels millimeter tjock och väger ett hundradels gram i normalgravitation, så väger den 200 gram under drift. Tråden måste därför få stöd av upphöjningar i kretskortet. Guld kan inte användas i bondtrådarna eftersom denna metall töjer sig alldeles för mycket. Istället använder man platina. Tråden förses dessutom med en 12 mikrometer tjock ytbeläggning som gör den styvare och minimerar risken för att den ska gå av. Det är imponerande ingenjörskonst att kunna bygga sådana kretsar.
Trådlös överföring av telemetri
Det som bara var en symbolisk spole i blockschemat ovan, blir lite mera komplicerat att utföra i verkligheten.
Bilden visar den traditionella telemetrins placering i den kalla insugsänden av turbinens rotor, där alla signalledningar kommer ut genom ett långt hål på 3,5 meter som är borrat rakt igenom rotorns axel. Den kalla änden är kyld till ungefär 100 grader. Härifrån går ledarna genom rotoraxeln och kommer ut på den varma sidan där det är 450 grader, där den moderna telemetrin med kiselkarbidkretsar placeras. Därifrån går sedan signalledningarna vidare ut till sensorer på skivor och skovlar för att mäta temperatur eller töjning.
Den roterande överföringen sker via antennerna som pekas ut på bilden ovan. På den stationära sidan, den yttersta ringen i bilden, sitter det en ring som omsluter hela varvet och fungerar som sändar- och mottagarantenn (ej monterad på bilden). Luftgapet är inte mer än ett par millimeter.
