DE102005036525B3 - Measurement of gas temperature in a container, e.g. at a gas turbine or aircraft engine, uses a laser diode and a detector for measurements using absorption spectroscopy - Google Patents
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Abstract
Description
Anordnung zur Bestimmung der Gastemperatur eines Gases sowie Verwendung der Anordnung zur Bestimmung der Gastemperatur eines Gasesarrangement for determining the gas temperature of a gas and the use of Arrangement for determining the gas temperature of a gas
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Gastemperatur eines Gases sowie eine Verwendung der Anordnung zur Bestimmung der Gastemperatur eines Gases.The The invention relates to an arrangement for determining the gas temperature a gas and a use of the arrangement for determining the Gas temperature of a gas.
In Anlagen wie Gasturbinen oder Flugzeugstrahltriebwerken stellt sich das Problem, die Temperatur eines Gases zu bestimmen. Dazu sind verschiedene Methoden bekannt. Beispielsweise kann man versuchen, die Gastemperatur mittels eines sog. Pyrometers zu messen. Ein Pyrometer detektiert Wärmestrahlung und kann daher eine Aussage über die Temperatur in der Umgebung machen. Allerdings führt die unter Normalbedingungen geringe Dichte von Gasen dazu, dass ein Pyrometer im Wesentlichen die Wärmestrahlung von festen Objekten, beispielsweise einer gegenüber liegenden Wandung aufnimmt und daher hauptsächlich eine Aussage über die Temperatur dieser Wandung zulässt, nicht aber über die Temperatur des zu vermessenden Gases.In Plants such as gas turbines or aircraft jet engines arises the problem of determining the temperature of a gas. These are different Methods known. For example, you can try the gas temperature to measure by means of a so-called pyrometer. A pyrometer detected thermal radiation and therefore can make a statement about to make the temperature in the environment. However, the leads Under normal conditions low density of gases cause a Pyrometer essentially the heat radiation of fixed objects, for example, an opposite wall receives and therefore mainly a statement about the temperature of this wall allows, but not on the Temperature of the gas to be measured.
Eine weitere bekannte Methode, die Gastemperatur zu messen, ist die Verwendung von Thermoelementen. Diese haben den Nachteil, dass sich die Gastemperatur nur punktuell feststellen läset, an den Orten, wo Thermoelemente angebracht sind. Ferner haben Thermoelemente den Nachteil, dass durch die geringe Wärmekapazität von Gasen und die notwendige mechanische Aufhängung eines Thermoelements ein Messfehler durch Wärmeleitung über die Aufhängung entsteht. Ein dritter Nachteil von Thermoelementen besteht darin, dass sie in direktem Kontakt mit dem zu vermessenden Gas stehen müssen und daher unter extremen Bedingungen wie z.B. einem korrosiv wirkenden Gas oder hoher Temperatur relativ schnell zerstört werden und somit für eine kontinuierliche Messung schlecht geeignet sind.A Another known method of measuring the gas temperature is the use of thermocouples. These have the disadvantage that the gas temperature only occasionally find out, in the places where thermocouples are attached. Furthermore, have thermocouples the disadvantage that due to the low heat capacity of gases and the necessary mechanical suspension a thermocouple causes a measurement error due to heat conduction via the suspension. A third disadvantage of thermocouples is that they must be in direct contact with the gas to be measured and therefore under extreme conditions, e.g. a corrosive acting Gas or high temperature can be destroyed relatively quickly and thus for a continuous Measurement are poorly suited.
Besser geeignet als Pyrometer oder Thermoelemente ist daher die bekannte Möglichkeit, die Gastemperatur mittels Absorptionsspektroskopie zu bestimmen. Dabei wird elektromagnetische Strahlung, in vielen Fällen im nahen Infrarot-Bereich, durch das Gas geleitet. Beim Durchtritt durch das Gas wird ein Teil der Strahlung vom Gas absorbiert und die an einem Empfänger ankommende Strahlungsintensität ist dadurch vermindert.Better suitable as a pyrometer or thermocouples is therefore the known Possibility, to determine the gas temperature by means of absorption spectroscopy. This is electromagnetic radiation, in many cases in near infrared range, passed through the gas. When passing the gas absorbs some of the radiation from the gas and the at a receiver incoming radiation intensity is thereby diminished.
Dabei findet eine starke Absorption in der Regel bei sog. Absorptionslinien, d.h. in schmalen Wellenlängenbereichen, statt. Diese Absorptionslinien treten in großer Zahl auf. Die Stärke der Absorption bei den einzelnen Linien ist dabei primär abhängig von der Art des Gases, seiner Konzentration und von der Wellenlänge der Strahlung. Weiterhin ist die Absorption auch abhängig von der Temperatur des Gases. Zusätzlich ist die Veränderung der Absorption bei einer Veränderung der Temperatur, d.h. der Temperaturgang, abhängig von der betrachteten Wellenlänge, d.h. das Verhältnis der Absorption bei zwei verschiedenen Linien kann sich mit der Temperatur verändern.there finds a strong absorption in so-called absorption lines, i.e. in narrow wavelength ranges, instead of. These absorption lines occur in large numbers. The strength of Absorption at the individual lines is primarily dependent on the type of gas, its concentration and the wavelength of the gas Radiation. Furthermore, the absorption is also dependent on the temperature of the Gas. additionally is the change the absorption of a change the temperature, i. the temperature response, depending on the wavelength considered, i. The relationship Absorption at two different lines can change with temperature.
Daher reicht es für die Temperaturmessung, die Absorption zweier beliebiger Linien mit unterschiedlichem Temperaturgang zu messen, und das temperaturabhängige Verhältnis als Maß für die Temperatur zu benutzen.Therefore it is enough for the temperature measurement, the absorption of two arbitrary lines with measure different temperature response, and the temperature-dependent relationship as Measure of the temperature to use.
Bevorzugt werden zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung durchstimmbare Laserdioden verwendet. Durchstimmbare Laserdioden sind solche Laserdioden, bei denen die Wellenlänge der emittierten Strahlung verändert (durchgestimmt) werden kann. Eine Veränderung wird dabei in der Regel durch eine Änderung der Temperatur oder des Betriebsstromes der Laserdiode oder einer Kombination dieser beiden Parameter herbeigeführt. Da der Durchstimmbereich der Laserdioden generell beschränkt ist, benötigt man im Falle der Temperaturmessung mit Laserdioden meist zwei Laser, um die optimalen Absorptionslinien für die Messung verwenden zu können. In günstigen Fällen, wie z.B. dem Absorptionsspektrum von Wasser, ist die Messung auch mit einer Laserdiode möglich.Prefers are tunable to generate the electromagnetic radiation Laser diodes used. Tunable laser diodes are such laser diodes, where the wavelength the emitted radiation changes (can be tuned). A change is usually through a change the temperature or the operating current of the laser diode or a Combination of these two parameters brought about. Because the tuning range the laser diodes generally limited is needed in the case of temperature measurement with laser diodes usually two lasers, to use the optimal absorption lines for the measurement can. In cheap cases such as. the absorption spectrum of water, the measurement is also with a laser diode possible.
Als Messverfahren zur Aufnahme der Absorptionsspektren stehen die bekannten Verfahren der Spektroskopie mit Laserdioden zur Verfügung. Bevorzugt ist allerdings die Derivativspektroskopie (engl. Wavelength Modulation Spectroscopy, WMS). Bei diesem Verfahren wird eine Laserdiode periodisch durchgestimmt, d.h. die Emissionswellenlänge wird über ein bestimmtes Intervall periodisch moduliert. Zusätzlich wird dem Laserstrom eine i. A. sinusförmige Kleinsignalmodulation überlagert. Der Empfängerstrom am Detektor nach der Absorptionsmessstrecke wird in eine Spannung gewandelt, verstärkt und schmalbandig, phasensensitiv bei der Frequenz der Kleinsignalmodulation (1f) und der doppelten Frequenz (2f) detektiert. Das resultierende Signal einer Absorptionslinie entspricht näherungsweise der ersten bzw. der zweiten Ableitung der Absorptionskurve. Aus dem 1f-Signal gewinnt man ein der Empfangsleistung proportionales Signal. Das 2f-Signal ist proportional der Empfangsleistung und der Gaskonzentration. Durch Normierung des 2f-Signals mit dem 1f-Signal erhält man eine Größe, die nur noch proportional zur Gaskonzentration ist. Dieses Verfahren wird auf beide für die Temperaturmessung vorgesehenen Linien angewandt. Das Verhältnis der beiden Absorptionen ist proportional zur Gastemperatur, jedoch unabhängig von der aktuellen Gaskonzentration. Dies gilt, solange die Absorption als linear in der Konzentration angesehen werden kann. Bei stärkerer Absorption ist die Nichtlinearität der Absorption durch das Lambert-Beer-Gesetz zu berücksichtigen.As a measuring method for recording the absorption spectra, the known methods of spectroscopy with laser diodes are available. However, preference is given to derivative spectroscopy (WMS). In this method, a laser diode is periodically tuned, ie the emission wavelength is periodically modulated over a certain interval. In addition, the laser current is an i. A. superimposed sinusoidal small signal modulation. The receiver current at the detector after the absorption measuring section is converted into a voltage, amplified and narrowband, phase-sensitive at the frequency of the small signal modulation (1f) and the double frequency (2f) detected. The resulting signal of an absorption line corresponds approximately to the first and the second derivative of the absorption curve. From the 1f signal one obtains a signal proportional to the received power. The 2f signal is proportional to the received power and the gas concentration. By normalizing the 2f signal with the 1f signal, one obtains a quantity which is only proportional to the gas concentration. This procedure is applied to both lines intended for temperature measurement. The ratio of the two absorptions is proportional to the gas temperature, but independent of the current gas concentration on. This is true as long as the absorption can be considered linear in concentration. For more absorption, the nonlinearity of the absorption by the Lambert-Beer law must be considered.
Ein Nachteil der Absorptionsspektroskopie ist, dass die verwendeten Laserdioden und Detektoren empfindlich sind und nicht hohen Temperaturen oder korrosiven Umgebungen ausgesetzt sein dürfen. Dieser Nachteil wird gewöhnlich dadurch umgangen, dass sowohl die Laserdioden als auch die Detektoren außerhalb eines Gasbehältnisses angebracht werden und der Weg der elektromagnetischen Strahlung durch Fenster in der Wandung des Gasbehältnisses führt. Dabei wird für den Ein- und Austritt der Strahlung jeweils ein entsprechend ausgestaltetes Fenster in der Wandung vorgesehen.One Disadvantage of absorption spectroscopy is that the used Laser diodes and detectors are sensitive and not high temperatures or be exposed to corrosive environments. This disadvantage will usually Bypassed by the fact that both the laser diodes and the detectors outside a gas container be attached and the path of electromagnetic radiation through windows in the wall of the gas container. Here, for the and exit of the radiation in each case a corresponding ausgestaltetes Window in the wall provided.
Aus
der
Aus
der
Ein weiterer Nachteil ergibt sich, wenn sich im Gasbehältnis Objekte befinden, die den Lichtweg blockieren, wie z.B. eine Gasturbine. In diesem Fall wird die Möglichkeit, Temperaturen zu messen, durch die Blockade von Lichtwegen durch das Gasbehältnis eingeschränkt.One Another disadvantage arises when in the gas container objects which block the light path, e.g. a gas turbine. In this case, the possibility of Measure temperatures by blocking light paths through the gas container limited.
Aus dieser Vorgehensweise ergibt sich jedoch ein weiterer Nachteil. Ist das Gas korrosiv oder herrschen im Gasbehältnis hoher Druck oder hohe Temperaturen oder beides, so ist der Einbau dieser Fenster problematisch.Out However, this approach results in a further disadvantage. If the gas is corrosive or high pressure or high temperatures prevail in the gas container or both, the installation of these windows is problematic.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Verbesserung der Temperaturmessung mit Absorptionsspektroskopie anzugeben.The The object underlying the invention is an improvement indicate the temperature measurement with absorption spectroscopy.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei wird die Gastemperatur eines Gases in einem Gasbehältnis bestimmt, wobei wenigstens eine Strahlungsquelle zur Emission von Strahlung zum Einsatz kommt und wenigstens eine Detektionseinrichtung zur Aufnahme der Strahlung. Die Strahlungsquelle und die Detektionseinrichtung sind außerhalb des Gasbehältnisses angeordnet. Des Weiteren kommt eine Auswertevorrichtung zur Ermittlung der Gastemperatur aus der von der Detektionseinrichtung aufgenommenen Strahlung zum Einsatz. Ferner besteht wenigstens eine bidirektionale Ein-/Auskopplungseinrichtung in der Wandung des Gasbehältnisses. Die Strahlungsquelle und die Detektionseinrichtung sind dabei so zur Ein-/Auskopplungseinrichtung angeordnet, dass die im Gasbehältnis reflektierte Strahlung von der Detektionseinrichtung aufgenommen wird.These The object is achieved by an arrangement according to claim 1. there the gas temperature of a gas is determined in a gas container, wherein at least one radiation source for the emission of radiation for Use comes and at least one detection device for recording the radiation. The radiation source and the detection device are outside arranged the gas container. Furthermore, there is an evaluation device for determining the gas temperature from the radiation received by the detection device to the Commitment. Furthermore, there is at least one bidirectional input / output device in the wall of the gas container. The radiation source and the detection device are so to Input / output device arranged that the reflected in the gas container Radiation is absorbed by the detection device.
Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, dass die Anzahl der nötigen Ein-/Auskopplungseinrichtungen reduziert wird. Beispielsweise muss für eine Strahlungsquelle und für eine Detektionseinrichtung nur mehr eine Ein-/Auskopplungseinrichtung vorgesehen werden. Dies wiederum hat den Vorteil, dass die Bereitstellung der Anordnung üblicherweise kostengünstiger und einfacher wird.The inventive arrangement has the advantage that the number of required input / output devices is reduced. For example, for a radiation source and for one Detection device only one input / output device provided become. This in turn has the advantage of providing the Arrangement usually cost-effective and gets easier.
Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass bestimmte Eigenschaften des Gasbehältnisses, beispielsweise die Verwindungssteifigkeit oder die Temperaturfestigkeit weniger negativ beeinflusst werden. Daraus ergibt sich der besondere Vorteil, dass bei heißen oder korrosiven Gasen oder bei hohen Drücken die Bereitstellung der Anordnung deutlich vereinfacht wird durch die Verminderung der Anzahl der Ein-/Auskopplungseinrichtungen. Auch die Sicherheit des Aufbaus wird dadurch verbessert.Farther there is the advantage that certain properties of the gas container, for example, the torsional rigidity or the temperature resistance be influenced less negatively. This results in the special Advantage that when hot or corrosive gases or at high pressures providing the Arrangement is significantly simplified by reducing the number the input / output devices. Also the safety of the construction will be improved.
Das im Gasbehältnis vorhandene Gas kann ein einzelnes Gas, bspw. Sauerstoff sein, aber auch ein Gemisch aus mehreren Gassorten verschiedener Konzentrationen bzw. Partialdrücke, bspw. Kohlendioxid, Sauerstoff und gasförmiges Wasser.The in the gas container Existing gas can be a single gas, for example oxygen, but also a mixture of several types of gas of different concentrations or partial pressures, For example, carbon dioxide, oxygen and gaseous water.
Das Gasbehältnis kann dabei verschiedengestaltig sein, beispielsweise die Umhüllung einer Gasturbine oder ein Gas führendes Rohr. Es ist nicht notwendig, dass das Gasbehältnis geschlossen ist, beispielsweise kommt als Gasbehältnis auch die Umhüllung eines Strahltriebwerks eines Flugzeugs in Frage.The gas container can be different in shape, for example, the envelope of a gas turbine or a gas leader Pipe. It is not necessary that the gas container is closed, for example comes as a gas container also the serving a jet engine of an aircraft in question.
Als Strahlungsquelle kommen alle Strahlung emittierenden Geräte in Frage, beispielsweise Laserdioden, Licht emittierende Dioden aber auch Lampen, wie Glühlampen oder Quecksilberdampflampen. Andere mögliche Strahlungsquellen sind einmodige sog. VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) und optisch parametrische Oszillatoren.When Radiation source are all radiation emitting devices in question, For example, laser diodes, light-emitting diodes but also Lamps, like incandescent lamps or mercury vapor lamps. Other possible sources of radiation are single-mode so-called VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) and optically parametric oscillators.
Die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung muss dabei zumindest teilweise in einen Bereich fallen, der von einem Teil des zu vermessenden Gases im Gasbehältnis absorbiert wird. Dies ist in der Regel Strahlung im Bereich von Mikrowellen bis Ultraviolett.The Radiation emitted by the radiation source must be at least partially fall within an area of a part of the to be measured Gas in the gas container is absorbed. This is usually radiation in the range of Microwaves to ultraviolet.
Die Detektionseinrichtung wiederum muss in der Lage sein, eine Intensitätsveränderung der Strahlung durch das Gas in eine andere Form umzusetzen, beispielsweise in ein elektrisches Signal. Die Detektionseinrichtung kann beispielsweise ein Halbleiterdetektor sein, z.B. eine Photodiode oder ein Photowiderstand. Auch ein pyroelektrischer Detektor oder ein Thermopile-Detektor sind mögliche Detektionseinrichtungen. Ein Beispiel für einen Detektor ist ein sog. MCT-Detektor, d.h. ein Quecksilber-Kadmium-Tellurid-Photowiderstand. Als Diode kann bspw. eine InGaAs-Diode zum Einsatz kommen.The detection device, in turn, must be in be able to convert a change in intensity of the radiation through the gas into another form, for example into an electrical signal. The detection device may, for example, be a semiconductor detector, for example a photodiode or a photoresistor. A pyroelectric detector or a thermopile detector are also possible detection devices. An example of a detector is a so-called MCT detector, ie a mercury-cadmium telluride photoresistor. As a diode, for example, an InGaAs diode can be used.
Die Strahlungsquelle und die Detektionseinrichtung müssen außerhalb des Gasbehältnisses angeordnet sein. Ist das Gasbehältnis nicht geschlossen, wie z.B. bei der Umhüllung eines Strahltriebwerks eines Flugzeugs, so bedeutet dies lediglich, dass die Strahlungsquelle und die Detektionseinrichtung vor den Einflüssen des Gases, wie z.B. der hohen Temperatur oder der korrosiven Wirkung des Gases geschützt sein müssen. Im Fall des Strahltriebwerks müssen sie an der Seite des Triebwerkskörpers, also außerhalb des austretenden Gasstromes liegen.The Radiation source and the detection device must be outside the gas container be arranged. Is the gas container not closed, e.g. in the enclosure of a jet engine of an aircraft, this merely means that the radiation source and the detection device from the influences of the gas, such as e.g. of the be protected high temperature or the corrosive action of the gas have to. In the case of the jet engine must on the side of the engine, so outside the exiting gas flow are.
Die Auswertevorrichtung zur Bestimmung der Gastemperatur des Gases aus der von der Detektionseinrichtung aufgenommenen Strahlung kann beispielsweise ein Computer sein mit einer Software oder eine dedizierte elektronische Einheit mit einem Mikroprozessor. Die Auswertevorrichtung ist dabei so ausgestaltet, dass mittels eines bekannten Auswerteverfahrens aus den aufgenommenen Strahlungsintensitäten die Gastemperatur bestimmt wird.The Evaluation device for determining the gas temperature of the gas the radiation received by the detection device can be, for example be a computer with a software or a dedicated electronic Unit with a microprocessor. The evaluation device is included designed so that by means of a known evaluation determined from the recorded radiation intensities, the gas temperature becomes.
Die bidirektionale Ein-/Auskopplungseinrichtung in einer Wandung des Gasbehältnisses kann beispielsweise ein Fenster sein. Sie muss für die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung zumindest teilweise durchlässig sein, und zwar sowohl in das Gasbehältnis hinein, wie auch aus dem Gasbehältnis heraus.The bidirectional input / output device in a wall of the gas container may be a window, for example. It has to be for the source of radiation emitted radiation be at least partially transmissive, both in the gas container in as well as out of the gas container.
Die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung wird im Gasbehältnis wenigstens einmal reflektiert. Die Reflexion kann dabei an einer beliebigen inneren Fläche des Gasbehältnisses stattfinden. Beispielsweise kann die Reflexion bei einer Gasturbine an einem Teil der Achse der Turbine stattfinden. Ein anderes Beispiel ist die Reflexion an einer Stelle der Innenwandung des Gasbehältnisses.The Radiation emitted by the radiation source is at least in the gas container once reflected. The reflection can be at any inner surface of the gas container occur. For example, the reflection in a gas turbine take place at a part of the axis of the turbine. Another example is the reflection at a position of the inner wall of the gas container.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass eine innere Fläche des Gasbehältnisses zumindest teilweise wenigstens geringe Reflexionseigenschaften aufweist.A advantageous embodiment and development of the invention results This is due to the fact that an inner surface of the gas container at least partially has at least low reflective properties.
Das kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass eine Lackierung an einer bestimmten inneren Fläche ausgespart wird, um die Reflexivität des darunter liegenden Metalls auszunutzen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die innere Fläche des Gasbehältnisses derart auszugestalten, dass eine anderweitig auftretende Verschmutzung langfristig verhindert wird, beispielsweise durch eine Heizung, die eine Verrußung verhindert.The can be realized, for example, by painting on a certain inner surface is omitted, the reflectivity of the underlying metal exploit. One more way is the inner surface of the gas container to design such that any other pollution occurring long term, for example by heating, the one soot prevented.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die reflektierte Strahlungsintensität erhöht wird und dadurch die Signalqualität verbessert wird und die Genauigkeit der Temperaturmessung verbessert wird.From this There is the advantage that the reflected radiation intensity is increased and thereby the signal quality is improved and improves the accuracy of the temperature measurement becomes.
Alternativ kann die innere Fläche lediglich diffus reflektieren. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass keine Sonderbehandlung der inneren Fläche nötig ist und auch in Umgebungen mit hohen Anforderungen, bspw. Gasturbinen mit hohen Drücken und/oder Temperaturen die dort notwendigen Oberflächen, z.B. keramische Beschichtungen, unabhängig von ihren Reflexionsfähigkeiten verwendet werden können.alternative can the inner surface only reflect diffusely. This results in the advantage that No special treatment of the inner surface is necessary and also in environments with high demands, for example gas turbines with high pressures and / or Temperatures the surfaces necessary there, e.g. ceramic coatings, independently from their reflection skills can be used.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die innere Fläche verspiegelt ist oder als Retroreflektor, d.h. als ein Reflektor, der Licht in die Richtung zurückwirft, aus der es einfällt, ausgestaltet ist. Die Verspiegelung kann beispielsweise durch eine Polierung der inneren Fläche geschehen oder durch eine entsprechende Lackierung.A further advantageous embodiment and development of the invention is that the inner surface is mirrored or as Retroreflector, i. as a reflector, the light in the direction reflects, it comes from, is designed. The mirroring can, for example, by a Polishing of the inner surface done or by an appropriate paint job.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass durch die deutliche Erhöhung der Reflexion die Signalqualität und dadurch die Genauigkeit der Temperaturmessung deutlich verbessert werden.From this There is the advantage that by significantly increasing the Reflection the signal quality and thereby significantly improves the accuracy of the temperature measurement become.
Bevorzugt liegt die innere Fläche auf der Innenseite einer Wandung des Gasbehältnisses. Alternativ kann die innere Fläche auch auf einer anderen Fläche im Gasbehältnis liegen. Dies kann beispielsweise die Achse einer im Gasbehältnis befindlichen Gasturbine sein. Das hat zum Vorteil, dass eine Messung der Temperatur des Gases entlang eines radialen Lichtwegs ermöglicht wird. Ein radialer Lichtweg ist hierbei ein Weg vom Rand zur Mitte des Gasbehältnisses, also beispielsweise vom Rand bis zur Achse einer Gasturbine.Prefers lies the inner surface on the inside of a wall of the gas container. Alternatively, the inner surface also on a different surface in the gas container lie. This may, for example, the axis of a gas turbine located in the gas container be. This has the advantage that a measurement of the temperature of the Gas along a radial light path is made possible. A radial light path is this is a way from the edge to the center of the gas container, so for example from the edge to the axis of a gas turbine.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Strahlungsquelle derart ausgestaltet, dass die Strahlung monochromatisch ist. Monochromatisch bedeutet hierbei, dass die spektrale Breite der Strahlung wesentlich kleiner ist als die Linienbreite einer Absorptionslinie des absorbierenden Gases. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass als Strahlungsquellen Laserdioden oder durchstimmbare Laserdioden zum Einsatz kommen. Es ist aber auch möglich, Filter in Verbindung mit breitbandig emittierenden Strahlungsquellen einzusetzen.In a further advantageous embodiment and development of the invention, the radiation source is designed such that the radiation is monochromatic. Monochromatic here means that the spectral width of the radiation is substantially smaller than the line width of an absorption line of the absorbing gas. This can be done, for example, by using laser diodes or tunable laser diodes as the radiation sources. But it is also possible to filter in conjunction with broadband emitting Strah sources of influence.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Auswertung durch die geringe Breite der emittierten Strahlung vereinfacht wird.From this There is the advantage that the evaluation by the small width the emitted radiation is simplified.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung kommt als Strahlungsquelle eine Laserdiode zum Einsatz, insbesondere eine durchstimmbare Laserdiode.In a further advantageous embodiment and development of Invention comes as a radiation source laser diode used, in particular a tunable laser diode.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass der Aufbau zur Vermessung der nötigen zwei Absorptionslinien vereinfacht wird.From this There is the advantage that the structure for measuring the necessary two Absorption lines is simplified.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass als Strahlungsquelle zwei Laserdioden zum Einsatz kommen.A further advantageous embodiment and development of the invention results from the fact that as a radiation source two laser diodes be used.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass auch zwei solche Absorptionslinien vermessen werden können, die mittels einer einzelnen durchstimmbaren Laserdiode nicht vermessen werden können, da ihr spektraler Abstand zu groß ist. Dadurch wiederum ergibt sich der Vorteil, dass möglichst geeignete Absorptionslinien gewählt werden können und somit die Genauigkeit der Gastemperaturmessung erhöht wird.From this There is the advantage that even two such absorption lines can be measured not measured by a single tunable laser diode can be because their spectral distance is too big. This in turn results the advantage that as possible selected suitable absorption lines can be and thus the accuracy of the gas temperature measurement is increased.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet, dass die Gastemperatur mittels der bekannten Derivativspektroskopie ermittelt wird. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Bestimmung der Gastemperatur des Gases vereinfacht wird.In a further advantageous embodiment and development of Invention, the evaluation device is designed such that the gas temperature determined by means of the known derivative spectroscopy becomes. This results in the advantage that the determination of the gas temperature the gas is simplified.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass außerhalb des Gasbehältnisses Einrichtungen zur Leitung von Strahlung, insbesondere Lichtwellenleiter angeordnet sind, zur Leitung der Strahlung von der Ein-/Auskopplungseinrichtung zur Detektionseinrichtung und/oder von der Strahlungsquelle zur Ein-/Auskopplungseinrichtung.A further advantageous embodiment and development of the invention this is due to the fact that outside of the gas container Devices for conducting radiation, in particular optical waveguides are arranged to direct the radiation from the input / output device to the detection device and / or from the radiation source to the input / output device.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, das der Aufbau der Anordnung, insbesondere die Anordnung der Strahlungsquelle und der Detektionseinrichtung flexibilisiert werden.From this there is the advantage that the structure of the arrangement, in particular the arrangement of the radiation source and the detection device be made more flexible.
Vorteil der Verwendung von Lichtwellenleitern ist weiterhin, dass eine Absorption außerhalb des Gasbehältnisses durch dort vorhandene Gase ausgeschlossen ist.advantage The use of optical fibers is still that absorption outside the gas container is excluded by existing gases there.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass eine Mehrzahl von Strahlungsquellen und Detektionseinrichtungen verwendet werden.A further advantageous embodiment and development of the invention is that a plurality of radiation sources and detection devices be used.
Hierzu ist es notwendig, dass mehrere Paare von Strahlungsquellen und Detektionseinrichtungen verwendet werden, beispielsweise vier Strahlungsquellen und vier Detektionseinrichtungen. Es ist aber auch möglich, dass eine Detektionseinrichtung die Strahlung mehrerer Strahlungsquellen aufnimmt, beispielsweise eine Detektionseinrichtung für zwei Strahlungsquellen.For this it is necessary to use multiple pairs of radiation sources and detection devices For example, four radiation sources and four detection devices. But it is also possible in that a detection device detects the radiation of a plurality of radiation sources receives, for example, a detection device for two radiation sources.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Gastemperatur des Gases an mehreren Stellen innerhalb des Gasbehälters gemessen werden kann und somit ein genaueres Temperaturprofil ermittelt werden kann.From this There is the advantage that the gas temperature of the gas at several Positions inside the gas tank can be measured and thus determines a more accurate temperature profile can be.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass genau eine Strahlungsquelle und genau eine Detektionseinrichtung sowie eine Mehrzahl von Ein-/Auskopplungseinrichtungen und Lichtwellenleitern zur Leitung der Strahlung zwischen der Strahlungsquelle und der Detektionseinrichtung und Ein-/Auskopplungseinrichtung verwendet werden.A further advantageous embodiment and development of the invention results from the fact that exactly one radiation source and exactly a detection device and a plurality of input / output devices and optical fibers for guiding the radiation between the radiation source and the detection means and input / output means.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass mit nur einer Strahlungsquelle und nur einer Detektionseinrichtung die Gastemperatur an mehreren Stellen im Gasbehältnis vermessen werden kann.From this There is the advantage that with only one radiation source and only one detection device, the gas temperature at several points in the gas container can be measured.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind die Strahlungsquelle und die Detektionseinrichtung in einem rotierenden Element angeordnet, wobei das Gasbehältnis das Element wenigstens teilweise umschließt. Das rotierende Element kann beispielsweise die Nabe einer rotierenden Gasturbine sein.In a further advantageous embodiment and development of Invention are the radiation source and the detection device arranged in a rotating element, wherein the gas container the Element at least partially encloses. The rotating element For example, it may be the hub of a rotating gas turbine.
Aus der Anordnung von Strahlungsquelle und Detektionseinrichtung in dem rotierenden Element ergibt sich der Vorteil, dass die Temperatur an vielen Stellen innerhalb des Gasbehältnisses gemessen werden kann, indem zu verschiedenen Zeiten gemessen wird und dass dies mit nur einer Strahlungsquelle und nur einer Detektionseinrichtung erfolgen kann.Out the arrangement of radiation source and detection device in the rotating element has the advantage that the temperature can be measured in many places within the gas container, by being measured at different times and using just that a radiation source and only one detection device can.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Anzahl der Punkte, an denen die Temperatur des Gasbehältnisses gemessen wird, dadurch variiert werden kann, dass der Zeitabstand zwischen einzelnen Messungen verändert wird, mit der bestehenden Anordnung.One Another advantage is that the number of points at which the temperature of the gas container is measured, it can be varied by the time interval changed between individual measurements will, with the existing arrangement.
Bevorzugt kann die Auswerteeinrichtung so ausgestaltet sein, dass auch die Konzentration von einer, mehreren oder allen Komponenten des Gases bestimmt wird. Zusätzlich zur Temperatur steht somit vorteilhaft auch eine Information über die Zusammensetzung des Gases zur Verfügung.Prefers the evaluation device can be designed so that the Concentration of one, several or all components of the gas determined becomes. additionally to the temperature is thus also advantageous information about the Composition of the gas available.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigenFurther Details and advantages of the invention will be apparent from a explained in the drawing illustrated embodiment. there demonstrate
In
Die emittierte Strahlung L tritt durch ein Fenster F in einer Wandung des Rohres R in das Gas führende Rohr R hinein, wird dort an der Innenseite der Wandung reflektiert, tritt wiederum durch das Fenster F hinaus und trifft auf einen Halbleiterdetektor E.The emitted radiation L passes through a window F in a wall of the pipe R leading into the gas Tube R in, is reflected there on the inside of the wall, again passes through the window F and encounters a semiconductor detector E.
In diesem Ausführungsbeispiel enthält das im Rohr R geführte Gas Sauerstoff. Daher kann zur Bestimmung der Gastemperatur die Absorption von Sauerstoff verwendet werden. Daher wiederum reicht in diesem Fall eine einzelne durchstimmbare Laserdiode als Lichtquelle. Die durch die Laserdiode S emittierte Strahlung L muss Licht im Wellenlängenbereich von ca. 762 nm sein. Da Licht mit Strahlung von 762 nm Wellenlänge fernrotes Licht ist, reicht als Fenster F ein normales Glasfenster. In einer alternativen Ausführungsform, wobei das Gas sehr heiß ist oder unter hohem Druck steht, muss ein anderer Fenstertyp zum Einsatz kommen, beispielsweise ein dickes Quarzfenster. Die Strahlung L wird an der dem Fenster F gegenüber liegenden Innenwandung des Rohres R reflektiert. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Innenwandung des Rohres R dazu nicht besonders präpariert. Vielmehr reicht die diffuse Reflexion der Metallwandung. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Wandung zumindest an der Stelle, die der Reflexion dient, speziell poliert, um eine spiegelnde Reflexion zu erzielen. In einer weiteren alternativen Ausführungsvariante ist an der entsprechenden Stelle ein Reflektor angebracht, um besonders gute Reflexion zu erzielen.In this embodiment contains the guided in the tube R. Gas oxygen. Therefore, to determine the gas temperature the Absorption of oxygen can be used. Therefore, in turn, in In this case, a single tunable laser diode as a light source. The radiation L emitted by the laser diode S must have light in the Wavelength range of about 762 nm. Since light with radiation of 762 nm wavelength is fernrotes Light is sufficient as window F a normal glass window. In a alternative embodiment, the gas is very hot or Under high pressure, another window type must be used come, for example, a thick quartz window. The radiation L is opposite to the window F lying inner wall of the tube R reflected. In this embodiment the inner wall of the tube R is not specially prepared for this purpose. Rather, the diffuse reflection of the metal wall is sufficient. In one alternative embodiment is the wall at least at the point that serves the reflection, specially polished to achieve a specular reflection. In a further alternative embodiment is at the appropriate place a reflector attached to special to achieve good reflection.
Die Laserdiode S wird nun abwechselnd auf die Wellenlänge zweier Absorptionspeaks des Sauerstoffs eingestellt. Der Halbleiterdetektor E nimmt jeweils die Intensität des Lichtes L nach Durchtritt durch das Gas auf und bestimmt somit die Stärke der Absorption. Aus dem Verhältnis der Absorption bei beiden Wellenlängen wird daraus unter Zuhilfenahme einer Kennlinie die Temperatur des Gases im Rohr R bestimmt. Dabei entspricht die so bestimmte Temperatur einer durchschnittlichen Temperatur entlang des Lichtwegs durch das Gas.The Laser diode S will now alternately to the wavelength of two Absorption peaks of the oxygen adjusted. The semiconductor detector E takes each intensity of the light L after passing through the gas and thus determines the strenght the absorption. Out of proportion the absorption at both wavelengths becomes from it with the help of a characteristic curve determines the temperature of the gas in the pipe R. there corresponds to the thus determined temperature of an average Temperature along the light path through the gas.
In
einer alternativen Ausführungsform
ist es möglich,
dass die Gastemperatur des Gases im Rohr R stark inhomogen ist.
Dies kann z.B. auftreten, wenn die Flamme in einer der Brennkammern
ausfällt.
Um hier eine bessere Aussage über
die Temperatur des Gases zu erhalten, wird ein weiteres Paar aus
Strahlungsquelle, also Laserdiode, und Strahlungsdetektor zu dem
Ausführungsbeispiel
gemäß
Weitere
Vorteile der Erfindung sind aus der Anordnung gemäß
Weiterhin kommt ein Detektor E zum Einsatz, und in diesem Fall vier Fenster F in der Wandung des Gasbehältnisses R. Das Gasbehältnis R ist in diesem Fall ein Rohr R mit einer zentral im Rohr R angebrachten Gasturbine. Die vier Fenster F sind wiederum in der Wandung des Rohres in 90° Abstand um die Gasturbine herum angebracht, so dass Strahlung L, die senkrecht durch ein Fenster F fällt, auf die Achse A der Gasturbine trifft. In diesem Ausführungsbeispiel führen vier Lichtwellenleiter LWL von der Lichtquelle zu den vier Fenstern F und vier weitere Lichtwellenleiter LWL zurück von den vier Fenstern F zum Detektor. Dadurch ist die Anordnung von Lichtquelle S und Detektor E gegenüber dem Rohr nahezu beliebig. Durch eine sequentielle Auswahl der vier Lichtwellenleiter LWL für die Strahlungsquelle und der vier Lichtwellenleiter LWL für den Detektor wird das Licht nacheinander durch die vier Fenster F geleitet und jeweils an der Achse A der Gasturbine reflektiert und aus dem Fenster F wieder zurück an den Detektor E geleitet. Die Achse A der Gasturbine wiederum ist in diesem Fall mit Retroreflektoren ausgestattet, um eine gute Reflexion zu erreichen. In diesem Ausführungsbeispiel kann also die Temperatur entlang von vier Lichtwegen, die um 90° versetzt sind, zwischen Fenster F und Achse A der Gasturbine sequentiell bestimmt werden. Durch die Verwendung der Lichtwellenleiter LWL fällt eine Störung durch außerhalb des Gasrohres vorhandene Gase weg.Furthermore, a detector E is used, and in this case four windows F in the wall of the gas container R. The gas container R is in this case a tube R with a gas turbine mounted centrally in the tube R. The four windows F are in turn mounted in the wall of the tube at 90 ° to the gas turbine around, so that radiation L, which falls perpendicularly through a window F, meets the axis A of the gas turbine. In this embodiment, four optical fibers guide optical fiber from the light source to the four windows F and four more fiber optic fibers back from the four windows F to the detector. As a result, the arrangement of light source S and detector E with respect to the tube is almost arbitrary. By sequentially selecting the four optical fibers LWL for the radiation source and the four optical fibers LWL for the detector, the light is successively passed through the four windows F and reflected respectively on the axis A of the gas turbine and out of the window F back to the detector E. , The axis A of the gas turbine in turn is equipped in this case with retroreflectors to achieve a good reflection. In this embodiment, therefore, the temperature along four light paths, which are offset by 90 °, between window F and axis A of the gas turbine can be determined sequentially. By the Use of fiber optic LWL eliminates interference from outside the gas pipe existing gases away.
In
einer alternativen Ausführungsmöglichkeit kann
auch bei der Gasturbine nur ein einzelnes Fenster verwendet werden,
zusammen mit einer Strahlungsquelle und einem Detektor. Hierbei
wird wie im Ausführungsbeispiel
gemäß
In einer weiteren alternativen Ausführungsmöglichkeit werden zwei Fenster zusammen mit einer Strahlungsquelle und einem Detektor verwendet. Die Strahlung tritt dabei durch eines der Fenster ein und nach der Reflexion an der Achse der Gasturbine durch das andere Fenster wieder heraus.In another alternative embodiment be two windows together with a radiation source and a Detector used. The radiation passes through one of the windows one and after the reflection on the axis of the gas turbine through the other windows out again.
Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
gemäß
Durch die Rotation der Achsfortsetzung A der Gasturbine, in der sich die Strahlungsquelle S und der Detektor E befinden, überstreicht der Lichtweg der Strahlung L im Laufe einer Umdrehung der Fortsetzung A den gesamten Rohrquerschnitt. In diesem Fall lässt sich also durch sequentielle Auslesung mit bestimmten zeitlichen Abständen eine sehr genaue Temperaturinformation innerhalb des Rohres R gewinnen.By the rotation of Achsfortsetzung A of the gas turbine, in which the Radiation source S and the detector E are located, sweeps the light path of the Radiation L in the course of one revolution of continuation A the whole Pipe cross-section. In this case, therefore, can be determined by sequential Reading at specific time intervals a very accurate temperature information win within the tube R.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der zeitliche Abstand der Messungen so gewählt, dass ein Temperaturwert für alle 10 Winkelgrad bestimmt wird. Es ist aber auch jeder andere Wert für den Abstand der Messungen möglich, oder aber eine variable Einstellung des Abstands. Beispielsweise könnte anhand vorheriger Messergebnisse entschieden werden, einen bestimmten Winkelbereich genauer auszumessen als andere Winkelbereiche.In this embodiment the time interval of the measurements is chosen such that a temperature value for all 10 angle degree is determined. But it is also every other value for the Distance of measurements possible, or a variable setting of the distance. For example could be decided on the basis of previous measurement results, a specific Angle range to measure more accurate than other angle ranges.
In einer alternativen Ausführungsform kann der zeitliche Abstand aber auch fix gewählt werden, so dass der Winkelabstand der einzelnen Messpunkte von der Rotationsgeschwindigkeit der Gasturbine abhängt.In an alternative embodiment However, the time interval can also be fixed, so that the angular distance the individual measuring points on the rotational speed of the gas turbine depends.
Das
Messverfahren kann bei hohen Drücken und/oder
Temperaturen zum Einsatz kommen. Insbesondere bei der Verwendung
bei Gasturbinen wie in den Beispielen gemäß der
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