CN102954846A - 利用可调谐激光二极管进行温度和压力测量的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的名称为“利用可调谐激光二极管进行温度和压力测量的系统和方法”。提供一种使用可调谐二极管激光器（120）测量气体中的动态压力的系统（100）。此方面的系统（100）包含激光传送系统（102），其包含可调谐二极管激光器（120）并且配置为通过气体传送由可调谐二极管激光器（120）生成的激光，以及激光接收系统（104），配置为在激光已经穿过气体后接收激光以从所接收的激光生成吸收峰。激光接收系统（104）配置为基于吸收峰中的一个的扩展来估计压力的改变。

Description

利用可调谐激光二极管进行温度和压力测量的系统和方法

技术领域

本文所公开的主题涉及压力测量，并且特别地涉及热气体路径中的压力测量。

背景技术

在电的产生中利用燃气涡轮机。典型的燃气涡轮机包含压缩机以吸入并压缩空气。压缩的空气与燃料组合并且在燃烧室（或燃烧器）中燃烧以生成热气流。提供热气体到涡轮部分，在那里该热气体引起转子的转动。转子又为发电机提供机械能以产生电。

热气流的温度和压力可影响涡轮的操作。因此，已经开发了若干不同类型的温度和压力测量传感器。典型的压力传感器包含膜片压力计和应变计。压力的改变引起膜片变形并且变形由应变计来测量。由于涡轮内部的热，压力传感器包含位于涡轮外部的换能器以及涡轮内的将气体引入换能器的探头。

发明内容

根据本发明的一个方面，公开了一种使用可调谐二极管激光器测量气体中的动态压力的系统。此方面的系统包含激光传送系统，其包含可调谐二极管激光器并且配置为通过气体传送由可调谐二极管激光器生成的激光，以及激光接收系统，其配置为在激光已经穿过气体后接收激光以从所接收的激光生成吸收峰。激光接收系统配置为基于吸收峰中的一个的扩展来估计压力中的改变。

根据本发明的另一方面，公开了一种使用可调谐二极管激光器测量气体的温度和压力的方法。方法包含使具有三个不同频率的激光穿过气体；在该激光已经穿过气体后在三个不同频率的每个频率处测量激光的强度；从所测量的强度形成第一、第二以及第三峰值曲线；为第一和第二峰值曲线确定线强度；以及基于第三峰值曲线的宽度中的改变来估计气体的动态压力改变。

这些以及其它优点和特征从以下描述结合附图将变得更明显。

附图说明

被认为是本发明的主题在说明书的总结的权利要求中已特别指出并且清楚地要求保护。本发明的上文的和其它特征、以及优点从下文的详细描述结合附图是明显的，在附图中：

图1图示根据一个实施例的可调谐二极管激光器系统；

图2图示吸收峰上的压力的展宽效应；

图3是将吸收峰的展宽的量与压力中的改变相关的图表；以及

图4是图示根据一个实施例的确定气体的温度和压力的方法的流程图。

详细描述以示例的方式参考附图解释了本发明的实施例以及优点和特征。

具体实施方式

本发明的实施例针对利用可调谐激光二极管来测量涡轮中的温度和压力的系统和方法。在一个实施例中，选择三个不同吸收峰。利用峰值中的两个来测量涡轮中气体的温度并且利用第三峰值的扩展的量来测量气体的压力。

现在参考图1，用于测量涡轮中的温度和压力的系统100包含激光传送系统102和激光接收系统104。激光传送系统102以光的形式提供激光能量到样本室106。样本室106可包含气体形式的材料，其可以是静态或移动的。在说明性实施例中，样本室106是气体涡轮系统的一部分并且可以在例如由气体涡轮系统的燃烧室提供的热气体路径中形成。在一个实施例中，安排和配置激光传送系统102以便其可提供激光而不影响材料通过样本室的材料流。

由激光传送系统102提供的激光通过样本室106中的材料行进并且由激光接收系统104接收。激光接收系统104可包含元件，该元件允许其接收激光、跨频带确定其强度以及从强度确定样本室106中的气体的温度和压力中的一个或两者。

样本室106中的气体可引起吸收由激光传送系统102提供的激光的某些波长。因此，如果气体吸收通过其传送的一个或多个波长，则激光接收系统104将仅接收传送进样本室106的激光的一部分。

在一个实施例中，激光传送系统102包含激光产生器108，其提供激光到耦合到样本室106的激光输入110。在所图示的实施例中，激光产生器108和激光输入110彼此分离并且通过输入传送线112彼此耦合。输入传送线112可以是光导纤维线缆或可以承载激光的其它连接器。当然，激光产生器108和激光输入110可以形成为单个元件并且输入传送线112被省略或者包含于该单个元件内。

激光输入110耦合到样本室106以便其可引导其从输入传送线112接收的激光通过样本室106中的气体的至少一部分并且以便激光的至少一部分可以由激光接收系统104检测。在一个实施例中，激光输入110耦合到样本室106以便其不改变或者以其它方式影响通过样本室106的气流。

激光接收系统104包含耦合到样本室106的激光接收器114。激光输入110和激光接收器114形成传送器/接收器对。如图示，激光输入110和激光接收器114放置于样本室106的相反侧。将理解此配置仅是说明性的并且精确定向可以基于上下文而变化。例如，激光输入110和激光接收器114可以位于样本室106的相同侧，而将镜面或其它反射元件放置于样本室106内或样本室106上以便由激光输入110提供的激光通过气体行进并且然后反射回激光接收器114。

激光接收系统104也包含评价子系统116，其配置为评价由激光接收器114接收的激光。因此，在一个实施例中，评价子系统116可以通过接收器传送线118耦合到激光接收器114。接收器传送线118可以是光导纤维线缆或可以承载激光的其它连接器。当然，激光接收器114和评价子系统116可以形成为单个元件并且接收器传送线118被省略或者包含于该单个元件内。

在一个实施例中，激光传送系统108包含可调谐二极管激光器120。可调谐二极管激光器120可以在各种频率产生激光。在一个实施例中，可调谐二极管激光器120产生具有波长围绕至少三个不同的频率/波长的激光。在图1中，可调谐二极管激光器120图示为包含三个不同的二极管激光器122、124、126。在一个实施例中，这些二极管激光器的每个在不同的频率范围上提供激光能量。将理解尽管图1中图示三个分离的二极管激光器122、124、126，但可调谐二极管激光器120可包含能够扫过二极管激光器122、124、126的三个不同的频率范围的单个二极管激光器。在一个实施例中，可调谐激光二极管120包含输入选择器（例如光复用器128），其选择并且耦合一个或多个二极管激光器122、124、126所生成的激光能量到输入传送路径112。在一个实施例中，二极管激光器122、124、126可产生具有扫过围绕中心频率的频率范围的频率的光。在一个实施例中，选择用于二极管激光器122、124、126的频率范围以便它们彼此不重叠。

系统100工作于由激光输入110提供的激光穿过的气体的温度和压力影响激光的吸收的原理。在一个实施例中，基于正受检查的气体来选择由二极管激光器122、124、126提供的光的波长。在一个实施例中，气体是穿出燃气涡轮机中的燃烧室的热气体。通过气体的两个吸收峰的线强度比来测量温度并且吸收峰的宽度取决于气体的压力。压力越大，吸收带越宽。此压力展宽导致吸收峰估计的不准确度，降低测量的准确度。然而，根据本文中的教导，此现象可用于使用单个系统与温度的测量并行地估计压力。因此，本文所公开的实施例的技术效果是其允许单个、非介入传感器来测量热气体的压力和温度。另外，因为激光穿过气体路径，所以压力测量是路径平均值而不是如现有技术中那样的单个点估计。因为燃气涡轮机中的热气流在轴截面上典型地不均匀，所以此平均在其中要求平均温度的很多情况下可以更有用。

评价子系统116包含目的地选择器（图示为光解复用器128），其将由激光接收器114接收的激光提供给温度子系统130或压力子系统132。特别地，将具有在由第一和第二二极管激光器122和124产生的范围中的频率的能量（例如，光）提供给温度子系统130，以及将具有在由第三二极管激光器126提供的范围中频率的光提供给压力子系统132。峰值曲线134、136、138可以由温度和压力子系统130、132从每个频率范围生成。当然，单个元件可产生所有这些曲线并且曲线统称作峰值曲线140。当然，包含峰值曲线140的曲线的数量可从两个变化到任何数量，但是为解释容易起见使用三个。将峰值曲线140传递到计算装置142，其可从峰值曲线形成温度和压力的估计。可以比较峰值曲线中的两个（例如，峰值曲线134和136）的线强度来以已知方式生成温度的估计。

在一个实施例中，峰值曲线134、136、138具有预定义的扫描范围。例如，每个峰值曲线可具有覆盖与波长相关的频率的范围，其以固定量（例如，900nm）变化并且以峰值中心频率为中心。

图2图示吸收峰200和展宽的峰值202，展宽的峰值202表示在不同的、增加的压力的相同峰值。吸收峰200具有中心频率f₀并且位于在f₀-Δf与f₀+Δf之间延伸的扫描范围。在一个实施例中，频率范围在对应于具有1.3与1.4μm之间的波长的光的频率之间延伸。将理解本文所公开的相对于频率的任何测量可以用波长来表达，并且反之亦然。吸收峰200具有图示为v₁的FWHM（半高全宽）。类似地，展宽的峰值202具有图示为v₂的FWHM。v₂与v₁之间的差别是压力和温度的组合效果并且本文将称作Δv_v。Δv_v的值可通过如在本领域中已知的解Voigt曲线而在数学上确定。

在光吸收光谱学中，比尔-朗伯（Beer-Lambert）方程描述了传送的光与接收的光的强度比（例如，材料吸收多少光）。对于气体，比尔-朗伯方程通常可以表达为如方程1所示：

其中I _t 和I ₀是传送的光和接收的光的强度，以及A是气体的单位减少吸收。A的值定义为如以下方程2中所示：

其中L是光行进的距离，P是气体的压力，x _abs 是气体的浓度，S（T）是温度相关的线强度以及

是线形函数。在以上方程中可以观察到线形函数

受T和P影响。一般而言，Voigt曲线用温度和压力来定义线的展宽。特别地，Voigt曲线是描述温度（多普勒展宽）和压力（碰撞或“洛伦兹”展宽）的效果的组合表达。峰值的半高全宽（FWHM）的改变基于温度并且可以表达为：

其中M所探测的核素（例如，燃烧气体中的水或氧）的分子量的质量。类似地，线的形状可能受由洛伦兹展宽引起的压力影响，其中由于压力的FWHM宽度中的改变可以表达为：

其中γ是气体的展宽系数并且取决于温度。一个普通技术人员将从以上意识到Δv_c与压力直接成比例。因此，气体的压力中的动态改变可通过测量FHWM宽度Δv_c来确定。

图3图示了转换图表300，其根据方程4将

（以cm^-1测量）与压力（以大气压测量）相关。在此示例中，假设温度处于常数值。可以对于温度的范围生成这样的图表300。如一个普通技术人员将意识到的，不要求图3中的图表300并且P与Δv_c之间的关系可以根据方程4基于所测量的温度、材料的浓度和材料的展宽系数来导出。当然，精确方案可能要求由于温度的中心频率偏移的补偿。

图4是图示根据一个实施例的方法的流程图。将理解图4中的方法可以在选择了用于感兴趣的气体的三个吸收线以及选择了可在三个所选择的频率的每个频率产生光的可调谐二极管激光器之后进行。方法开始于框406，可调谐二极管激光器产生跨过所有三个频率的激光并且传送其通过气体。在一个实施例中，激光器首先产生围绕第一频率的频率范围内的光，然后第二频率，以及然后第三频率。在此实施例中，优选三个频率范围不重叠。在另一实施例中，激光器可产生所有三个频率上的单个扫描。

在框408，为每个扫描测量穿过气体的光的强度，以及在框410，生成两个或者更多峰值曲线。在一个实施例中，每个峰值曲线表示围绕感兴趣的特定频率的吸收。

在框412，峰值曲线中的两个的线强度相比较以估计气体的温度。当然，此框可包含确定一些或所有峰值曲线的线强度。在框414，第三峰值曲线可以解卷积以生成Δv_c的估计。这可以包含，例如，从Voigt曲线从所测量的Δv_v值移除多普勒效应（Δv_d）。当然，Δv_c的估计可要求校正线位置中由于温度的偏移。

更详细地，温度偏移可服务于两个目的。第一，温度测量可用作在非常高温的压力展宽的校正因子。在高温下，通常存在吸收谱的频率偏移（按若干MHz的量级）。使用由以下方程（5）给出的方程来估计频率偏移：

其中，T₀是参考温度，通常取较低值但是大大高于室温，以及m_j是温度偏移指数（从HITRAN数据库获得）。基线用所估计的频率偏移使用以上方程5来校正并且然后完成压力测量的实际计算。第二，在特定波长的激光的线强度通常随温度降低。所以，在相同位置的温度测量帮助估计在该位置的线强度。这也帮助估计碰撞的线宽。

在一个实施例中，在估计温度之后，在相同位置可以实施动态压力的估计（框414）。这是迭代过程。压力中的任何动态变化（基础压力上5atm到10atm的若干英镑每平方英寸（psi’s））将导致在若干kHz范围内的线展宽。温度测量对线展宽中的改变是不敏感的，这是因为其是比值量度法。

在框416可以利用Δv_c以确定压力中的实际改变。因此，可以利用将Δv_c与特定温度的压力的改变相关的图表，例如在图3中所示的。将理解可以修改图3所示的图表以考虑由于温度Δv_s的频率偏移。

在框418，绝对压力可通过用温度的值、压力的改变以及第三峰值曲线的线强度解比尔-朗伯方程来确定。

将理解图4的方法以及图1所示的系统可利用包含具有存储器的处理器的一个或多个计算装置。

本发明的方案1是一种使用可调谐二极管激光器测量气体中的动态压力的系统，该系统包含：激光传送系统，包含可调谐二极管激光器并且配置为通过气体传送由可调谐二极管激光器生成的激光；激光接收系统，配置为在激光已经穿过气体后接收激光，以从所接收的激光生成吸收峰，激光接收系统配置为基于吸收峰中的一个的扩展来估计压力的改变。

本发明的方案2是如方案 1所述的系统，其中激光传送系统和激光接收系统均耦合到该气体通过其流动的样本室。

本发明的方案3是如方案2所述的系统，其中样本室形成为涡轮的一部分。

本发明的方案4是如方案1所述的系统，其中可调谐二极管激光器（120）产生包含第一、第二以及第三频率的三个不同频率周围的激光。

本发明的方案5是如方案4所述的系统，其中利用与第一和第二频率相关的吸收峰来估计温度并且利用第三频率的吸收峰的改变来估计压力的改变。

本发明的方案6是如方案4所述的系统，其中第一、第二以及第三频率在气体中具有非重叠的吸收峰。

本发明的方案7是如方案4所述的系统，其中第三频率处的光具有1.3μm与1.4μm之间的波长。

本发明的方案8是如方案1所述的系统，其中所述激光接收系统基于吸收峰中的一个的扩展来估计压力的改变并且基于两个其它吸收峰曲线的线强度的差别形成所估计的温度。

本发明的方案9是如方案1所述的系统，其中该激光传送系统包含：激光输入；以及输入选择，耦合于可调谐二极管激光器（120）与激光输入之间，以选择激光的频率中的一个来提供到该激光输入。

本发明的方案10是一种使用可调谐二极管激光器测量气体的温度和压力的方法，该方法包含：使具有三个不同频率的激光穿过气体；在该激光已经穿过气体后，在三个不同频率的每个处测量激光的强度；从所测量的强度形成第一、第二以及第三峰值曲线；确定第一和第二峰值曲线的线强度；以及基于第三峰值曲线的宽度的改变估计气体的动态压力改变。

本发明的方案11是如方案10所述的方法，其中激光由可调谐二极管激光器生成。

本发明的方案12是如方案10所述的方法，其中气体通过涡轮流动。

本发明的方案13是如方案10所述的方法，还包含：基于第一和第二峰值曲线的线强度的差别来估计气体的温度；以及基于所估计的温度调整第三峰值曲线的中心频率。

本发明的方案14是如方案10所述的方法，其中，估计压力包含确定第三曲线的半高全宽的改变。

虽然已经结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但应该清楚地理解本发明不限于此公开的实施例。而是，本发明可以修改以并入任何数量的在此没有描述的但是符合本发明的范围的精神的变化、改变、替代或等效安排。此外，虽然已经描述本发明的各实施例，但应理解本发明的各方面可能仅包含一些所描述的实施例。因此，本发明不应看作由上文的描述所限定，而是仅由所附的权利要求的范围限定。

部件列表：

100 系统

102 激光传送系统

104 激光接收系统

106 样本室

108 激光产生器

110 激光输入

112 输入传送线

114 激光接收器

116 评价子系统

118 接收器传送线

120 可调谐二极管激光器

122、124、126 不同的二极管激光器

128 复用器

130 温度子系统

132 压力子系统

134、136、138、140 峰值曲线

142 计算装置

200 吸收峰

202 展宽峰值

300 图表。

Claims (9)

1. 一种使用可调谐二极管激光器（120）测量气体中的动态压力的系统（100），所述系统（100）包含：

激光传送系统（102），包含所述可调谐二极管激光器（120）并且配置为通过所述气体传送由所述可调谐二极管激光器（120）生成的激光；

激光接收系统（104），配置为在所述激光已经穿过所述气体后接收所述激光，以从所接收的激光生成吸收峰，所述激光接收系统（104）配置为基于所述吸收峰中的一个的扩展来估计压力的改变。

2. 如权利要求1所述的系统（100），其中所述激光传送系统（102）和所述激光接收系统（104）均耦合到所述气体通过其流动的样本室。

3. 如权利要求2所述的系统（100），其中所述样本室形成为涡轮的一部分。

4. 如权利要求1所述的系统（100），其中所述可调谐二极管激光器（120）产生包含第一、第二以及第三频率的三个不同频率周围的激光。

5. 如权利要求4所述的系统（100），其中利用与第一和第二频率相关的吸收峰来估计温度并且利用所述第三频率的吸收峰的改变来估计压力的改变。

6. 如权利要求4所述的系统（100），其中所述第一、第二以及第三频率在所述气体中具有非重叠的吸收峰。

7. 如权利要求4所述的系统（100），其中所述第三频率处的光具有1.3μm与1.4μm之间的波长。

8. 如权利要求1所述的系统（100），其中所述激光接收系统（104）基于所述吸收峰中的一个的所述扩展来估计压力的改变并且基于两个其它吸收峰曲线的线强度的差别形成所估计的温度。

9. 如权利要求1所述的系统（100），其中所述激光传送系统（102）包含：

激光输入；以及

输入选择，耦合于所述可调谐二极管激光器（120）与所述激光输入之间，以选择激光的频率中的一个来提供到所述激光输入。

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