DE102017201334A1 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Gastemperaturprofilen, insbesondere in einer Gasturbine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung eines Temperaturprofils eines Gases in einem Raum, insbesondere in einer Gasturbine, wobeimittels einer Lichtquelle Lichtstrahlen mit jeweiligen Wellenlängen eine den Raum innen begrenzende Oberfläche, insbesondere einer Turbinenschaufel, beleuchten (St1), wobei Punkte (Pi mit i = 1...N) der beleuchteten Oberfläche mittels einer eindeutigen jeweils eine Länge (li) aufweisenden Sichtlinie Si von der Lichtquelle und zurück zu einer Erfassungseinrichtung von dieser einzeln, insbesondere als Pixel, erfassbar sind;mittels einer Rechnereinrichtung für einen jeweiligen Punkt (Pi) mittels eines Quotienten zweier erfasster Intensitäten zweier zueinander ähnliche Wellenlängen aufweisenden Lichtstrahlen ein Bestimmen der Temperatur (St2) des von der jeweiligen Sichtlinie (Si) durchlaufenden Gases ausgeführt wird;mittels der Rechnereinrichtung für eine Vielzahl von Punkten (Pi) der Oberfläche ein, insbesondere mittels Integrierens erfolgendes, Bestimmen von Temperaturen (St3) des Gases zwischen der Oberfläche einerseits und der Erfassungseinrichtung andererseits ausgeführt wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Gastemperaturprofilen, insbesondere in einer Gasturbine.
• Für die Auslegung der Betriebsweise, der Belastung und der Beladung von Gas- oder Dampfturbinen ist die Kenntnis der Gastemperatur wichtig. Die Temperatur des Gases hat unter anderem nicht nur Einfluss auf den Wirkungsgrad einer Turbine, sondern ebenso auf deren Lebensdauer. Daher ist es von Vorteil, möglichst genau die Temperaturverteilung des Gases innerhalb einer Turbine zu kennen. Ein simuliertes Temperaturprofil einer Gasturbinenschaufel und eines umgebenden Gases ist in 1 dargestellt.
• Man erkennt deutlich räumlich unterschiedliche Gastemperaturen. Ein Vergleich dieser Simulationen mit Messdaten benötigt ein Verfahren, dass in der Lage ist, nach dem Ort aufgelöst die Gastemperatur zu bestimmen.
• Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Gastemperaturprofilen, insbesondere in einer Gasturbine, für einen Raum, nach dem Ort aufgelöst bereitzustellen. Ein derartiges Verfahren soll in sehr harschen Umgebungsbedingungen ausführbar sein.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
• Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur berührungslosen Messung eines Temperaturprofils eines Gases in einem Raum, insbesondere in einer Gasturbine, vorgeschlagen, wobei mittels einer Lichtquelle Lichtstrahlen mit jeweiligen Wellenlängen eine den Raum innen begrenzende Oberfläche, insbesondere einer Turbinenschaufel, beleuchten, wobei Punkte Pi der beleuchteten Oberfläche mittels einer eindeutigen jeweils eine Länge li aufweisenden Sichtlinie Si von der Lichtquelle und zurück zu einer Erfassungseinrichtung von dieser einzeln, insbesondere als Pixel, erfassbar sind, mittels einer Rechnereinrichtung für einen jeweiligen Punkt Pi mittels eines Quotienten zweier erfasster Intensitäten zweier zueinander ähnliche Wellenlängen aufweisenden Lichtstrahlen ein Bestimmen der Temperatur des von der jeweiligen Sichtlinie Si durchlaufenden Gases ausgeführt wird, mittels der Rechnereinrichtung für eine Vielzahl von Punkten Pi der Oberfläche ein, insbesondere mittels Integrierens erfolgendes, Bestimmen von Temperaturen des Gases zwischen der Oberfläche einerseits und der Erfassungseinrichtung andererseits ausgeführt wird.
• Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung eines Temperaturprofils eines Gases in einem Raum, insbesondere in einer Gasturbine, vorgeschlagen, wobei mittels einer Lichtquelle Lichtstrahlen mit jeweiligen Wellenlängen eine den Raum innen begrenzende Oberfläche, insbesondere einer turbierenden Schaufel, beleuchten, wobei Punkte der beleuchteten Oberfläche mittels einer eindeutigen jeweils eine Länge aufweisenden Sichtlinie von der Lichtquelle und zurück zu einer Erfassungseinrichtung von dieser einzeln, insbesondere als Pixel, erfassbar sind, mittels einer Rechnereinrichtung für einen jeweiligen Punkt mittels eines Quotienten zweier erfassten Intensitäten zweier zueinander ähnliche Wellenlängen aufweisenden Lichtstrahlen ein Bestimmen der Temperatur des von der jeweiligen Sichtlinie durchlaufenden Gases ausgeführt wird, mittels der Rechnereinrichtung für eine Vielzahl von Punkten der Oberfläche ein, insbesondere mittels Integrierens erfolgendes, Bestimmen von Temperaturen des Gases zwischen der Oberfläche einerseits und der Erfassungseinrichtung andererseits ausgeführt wird.
• Es ist erfindungsgemäß erkannt worden dass in Folge sehr harscher Umgebungsbedingungen einer Turbine vorteilhaft berührungslose Verfahren verwendet werden sollten. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen, dass in der Lage ist mittels optischer Messverfahren Temperaturprofile entlang von Sichtlinien zu bestimmen.
• Für das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren können sich folgende Vorteile ergeben:
• Besonders vorteilhaft ist es, dass direkt eine statische Temperatur gemessen werden kann und somit über die Geschwindigkeit des Gases ausgedrückt über deren Machzahl Ma auf eine totale Temperatur geschlossen werden kann. Dies kann mittels folgender Formel ausgeführt werden: $$\text{Ttotal}/\text{Tstatic}\mathrm{=}\text{1}\mathrm{+}\left(\text{kappa}\mathrm{-}\text{1}\right)/2*\text{RF}*\text{Ma2}$$

  
• Dabei ist Kappa ein Isentropenexponent, RF bestimmt einen sogenannten „Recovery factor“ bzw. einen Wiederherstellungsfaktor, der beispielsweise in einem Bereich von 0,75... 0,9 bis 1 liegen kann, Na bestimmt eine Machzahl.
• In Vergleich zu herkömmlichen Verfahren mit sogenannten Totaltemperatursonden kann eine statische Temperatur nicht lediglich abgeschätzt werden, sondern gemessen werden. Abschätzung mittels herkömmlicher Verfahren, die Totaltemperatursonden verwenden ermöglichen lediglich Abschätzungen, da entsprechende Korrekturfaktoren der Sonden lediglich unzulänglich genau bekannt sind.
• Im Vergleich zur herkömmlichen Thermographie ermöglicht das vorgeschlagene erfindungsgemäße Verfahren einen direkten Zugang zur Gastemperatur, da thermographische Verfahren lediglich den Zugang zur Oberflächentemperatur ermöglichen und letztere vom Wärmeübergang und Wärmedurchgang abhängig ist.
• Mit der Kenntnis von Temperaturprofilen anhand von Messdaten kann auf den Wirkungsgrad, die Lebensdauer, den Verschleiß und andere Parameter insbesondere einer Gasturbine geschlossen werden. Dadurch ist es möglich, beispielsweise den Wirkungsgrad zu optimieren, indem man die Auslegung der Turbine oder die Geometrie der Turbine verändert, bei gleichzeitiger Verlängerung der Lebensdauer.
• Wird ein erfindungsgemäßes Verfahren im Dauerbetrieb verwendet, so lassen sich ebenso Prognosen über den Verschleiß durchführen. Ebenso kann der Betrieb einer Turbine hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Lebensdauer oder des Verschleißes optimiert werden.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden mit den Unteransprüchen beansprucht.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels der Rechnereinrichtung für einen jeden einzelnen Abschnitt einer Sichtlinie jeweils die Temperatur des Gases berechnet werden.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die für einen zu einem mittels der Erfassungseinrichtung definierten Mittelpunkt M nächstgelegenen ersten Punkt P1 und für weitere ausgehend von dem ersten Punkt P1 entlang einer Scanlinie der Oberfläche angeordnete Punkte P2 ... PN jeweils bestimmte Temperatur einem in einem durch den Mittelpunkt M, die Sichtlinien Si, Si-1, S_N und der Scanlinie definierbaren Teilraum vorhandenen Gas zugeordnet werden.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann für den ersten Punkt P1 der Teilraum als Kreissektor ausgehend von dem Mittelpunkt M mit einem Radius als die Hälfte der Länge der ersten Sichtlinie S1 und begrenzt durch die erste Sichtlinie S1 und die letzte Sichtlinie S_N definiert werden.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann für die weiteren Punkte P2 ... PN der jeweilige Teilraum als Kreisringteil ausgehend von dem Mittelpunkt M mit einem äußeren Radius als die Hälfte der Länge der Sichtlinie Si, einem inneren Radius als die Hälfte der Länge der Sichtlinie Si-1 unbegrenzt durch die Scanlinie und die letzte Sichtlinie S_N definiert werden.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Bestimmen von Temperaturen des Gases für eine Vielzahl von Scanlinien der Oberfläche ausgeführt werden.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Lichtquelle zur Nutzung bewegter oder bestimmter Oberflächen stroboskopisch ein- und ausgeschaltet werden.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in einer Außenwand des Raumes mindestens eine Öffnung mit einem Fenster ausgebildet sein, durch das die Lichtquelle und /oder die Erfassungseinrichtung erfasst.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Lichtquelle eine Laserdiode, eine Leuchtdiode oder ein termischer Ermitter mit Filterelementen sein.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Erfassungseinrichtung eine Fotodiode, eine Fotodioden-Array oder ein CCD-Array oder -Matrix sein.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels mindestens einer Optik der Oberfläche punktuell beleuchtet und / oder ein jeweiliger Punkt Pi erfasst werden.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Größe der Optik kleiner als die Größe der beleuchteten Oberfläche sein.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Abstände der Punkte Pi zueinander und / oder die Länge der Abschnitte verschieden ausgewählt werden.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels der Rechnereinrichtung die jeweilige Länge li einer Sichtlinie Si aus einer bekannten Geometrie des Raumes und / oder des die Oberfläche bildenden Objektes, insbesondere der Turbinenschaufel, berechnet werden.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
• 1 ein Ausführungsbeispiel eines simulierten Temperaturprofils einer Gasturbinenschaufel in einer Gasumgebung;
• 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
• 3 zeigt eine Darstellung zum erfindungsgemäßen Messprinzip;
• 4 zeigt Absorptionslinien von Sauerstoff,
• 5 zeigt eine Kalibrierkurve für einen temperaturabhängigen Quotienten;
• 6 zeigt eine erste Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Messverfahrens;
• 7 zeigt eine zweite Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Messverfahrens;
• 8 zeigt eine dritte Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
• 9 zeigt eine Darstellung mit einer beweglichen Erfassungseinrichtung;
• 10 zeigt eine Darstellung mit einer unbeweglichen Erfassungseinrichtung;
• 11 zeigt eine Darstellung mit einer bewegten beleuchteten Oberfläche;
• 12 zeigt eine weitere Darstellung zum erfindungsgemäßen Verfahren.
• 1 zeigt eine Darstellung eines simulierten Temperaturprofils einer Gasturbinenschaufel Ts in einer Gasumgebung. Links ist die Gasturbinenschaufel Ts als Bauteil mit einer Angabe der Schnittebene für die Darstellung auf der rechten Seite dargestellt. Die gestrichelte Ebene links ist die Schnittebene durchgestrichener Kreis in der das errechnete Temperaturprofil dargestellt ist. Das Gas ist mit dem Bezugszeichen G gekennzeichnet.
• 2 zeigt eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Eine Lichtquelle 1 imitiert Lichtstrahlen mit jeweiligen Wellenlängen auf einen Raum in begrenzender Oberfläche Ob, die gemäß diesen Ausführungsbeispiel als ein Spiegelgroß M ausgeführt ist. Eine Erfassungseinrichtung 3 erfasst reflektierte Lichtstrahlen. Das Licht durchläuft entlang einer Weglänge Δx ein Gas G.
• 3 stellt das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Dabei wird das sogenannte Lambert-Beer'sche Absorptionsgesetz genutzt. Daher wird die Tatsache genutzt, dass Gase bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich stark absorbieren. Transmissionsmessungen des Gases erlauben eine Bestimmung je nach bekannten Parametern von einer Gaskonzentration c im Raum, einer Temperatur T und eines Druckes p usw. Das Lambert-Beer'sche Gesetz kann mit folgender Formel ausgedrückt werden. $$I\left(\lambda \right)=I_0\cdot e^{-\alpha \left(\lambda \right)\cdot c\cdot l}$$

  
• Dabei hängt der Absorptionsquotient a(lambda) von der Wellenlänge lambda, molekularen Parametern, der Temperatur T und vom Druck p ab. 1 bezeichnet die Länge des Weges, die vorstehend in Verbindung mit 2 mit Δx bezeichnet worden ist.
• 4 zeigt eine Darstellung des Absorptionsverhaltens von Sauerstoff in Abhängigkeit von der Sauerstofftemperatur und einer jeweiligen Wellenlänge des transmittierenden Lichts. Gemäß 4 zeigen sich für die Temperaturabhängigkeit der Transmission bzw. der Absorption in Abhängigkeit von der gewählten Lichtwellenlänge minimal der Transmission. Diese liegen hier für die verschiedenen Temperaturen von Sauerstoff beispielsweise bei den hier benachbarten Wellenlängen lambda ₁ = 759,63 nm und lambda ₂ =759,666 nm. Damit ergeben sich zwei verschiedene Absorptionsquotienten a(1) bei (c,T) und a2) (c,T). Die dargestellten Absorptionslinien für Sauerstoff zeigen je nach Temperatur des Sauerstoffs unterschiedliche Verläufe, man spricht von unterschiedlichen Temperaturgängen. Derartige Darstellungen können alternativ ebenso für Wasserdampf, Kohlendioxyd oder andere Gase erhalten werden.
• 5 zeigt eine Kalibrierkurve für temperaturabhängige Quotienten Tr aus einer Quotientenbildung auf der Grundlage des Lambert-Beer`schen Absorptionsgesetzes kann eine temperaturabhängige Kalibrierkurve erzeugt werden, deren Verlauf in 5 dargestellt ist. Diese lässt sich folgendermaßen (3) herleiten: $$I^{\left(1\right)}=I_0{}^{\left(1\right)}{e}^{-{\alpha }^{\left(1\right)}\left(T\right)c\mathrm{\Delta }\chi }$$

  
• Es ergibt sich folgender Quotient: $$I^{\left(2\right)}=I_0{}^2{e}^{-{\alpha }^{\left(2\right)}\left(T\right)c\mathrm{\Delta }\chi }$$

  

  $$\frac{I^{\left(2\right)}}{I^{\left(1\right)}}=\frac{I_0{}^{\left(2\right)}}{I_0{}^{\left(1\right)}}{e}^{-{(\alpha }^{\left(2\right)}\left(T\right)-{\alpha }^{\left(1\right)}}\left(T\right)-{\alpha }^{\left(1\right)}\left(T\right)c\mathrm{\Delta }\chi$$

  

  $$I_0{}^{\left(2\right)}=I_0{}^{\left(1\right)}$$

  
• Dabei bestimmen: $$\frac{I^{\left(2\right)}}{I^{\left(1\right)}}=e^{-{(\alpha }^{\left(2\right)}\left(T\right)-{\alpha }^{\left(1\right)}\left(T\right)})c\mathrm{\Delta }\chi$$

  
• Die Intensitäten der beiden Absorptionslinien nach einem durchlaufen der Wegstrecke Δx, c ist die Konzentration des heißen Gases und I₀ ist die bekannte Intensität am Anfang der Wegstrecke. Die bekannte Intensität I₀ kann, muss aber nicht konstant sein. D.h. Anfangsintensitäten können, müssen aber nicht identisch sein. Infolge des unterschiedlichen Temperaturganges von Absorptionsquotienten lässt sich eine eindeutige Beziehung zwischen Temperatur T und dem Intensitätsquotienten Tr herleiten. Im Umkehrschluss lässt diese Beziehung es zu, bei bekannter Konzentration c und Wegstrecke Δx, die Temperatur T des Gases G mittels der Messung dieses Quotienten Tr zu bestimmen. Dieses wird erfindungsgemäß ausgenutzt.
• 6, 7 und 8 zeigen Darstellungen zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die vorstehend genannten Erkenntnisse werden zur erfindungsgemäßen Extrahierung eines Temperaturprofils in einem Gasraum weiter entwickelt.
• 6 zeigt eine erste Darstellung zur Beschreibung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 6 zeigt im Querschnitt eine Turbinenschaufel Ts, deren Oberfläche teilweise mittels einer Lichtquelle 1 beleuchtet wird. Mittels einer Erfassungseinrichtung 3 kann der durch eine Außenwand A begrenzte innere Raum im Bereich der beleuchteten Oberfläche Ob insbesondere pixelweise erfasst werden. Es können Optiken 7 zur Einbringung der Lichtstrahlen und zum Erfassen von Lichtstrahlen entlang jeweiliger Sichtlinien Li für zugeordnete Punkte Pi in den jeweiligen Sichtlinien Si eingebracht sein. Hierfür eignen sich insbesondere Bereiche der die Gasturbine abschließenden Außenwand A. 6 stellt damit die ersten Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Extrahierung des Temperaturprofiles des Gases G für einen bestimmten Raum dar. Das hier beschriebene Verfahren wird nachfolgend anhand einer 2D-Projektion beschrieben, kann alternativ ebenso im dreidimensionalen Raum 3D eingesetzt werden.
• Zuerst kann ein Beleuchten einer Gasturbine mittels geeigneter Lichtquellen 1 und Optiken 7 ausgeführt werden. Die Außenwand A der Gasturbine kann mittels einer Öffnung und mittels geeigneter Fenster versehen werden. Durch einen derartigen Zugang kann der Gasraum beleuchtet werden und kann das reflektierte Licht wieder mittels einer geeigneten Optik 7 auf eine geeignete Erfassungseinrichtung 3 bzw. Detektor eingefangen werden. Die Lichtquelle 1 strahlt zeitlich versetzt Licht mit geeigneten Wellenlängen λ aus. Ausführungsbeispiele für Lichtquellen 1 kann eine Laserdiode (VCSEL) sein, deren Wellenlänge verstimmt wird, weitere geeignete Lichtquellen 1 können alternativ lichtimitierende Dioden (LED) oder thermische Emitter mit geeigneten Filterelementen sein.
• Die Lichtquelle 1 und die Optik 7 beleuchten einen definierten Bereich der Turbinenschaufel Ts, der mit beleuchteter Oberfläche Ob bezeichnet ist.
• Mittels der geeigneten Optik 7 kann der beleuchtete Bereich der Oberfläche Ob beispielsweise auf eine Fotodiode oder je nach Ausführungsform auf ein Fotodioden-Array oder eine CCD-Matrix bzw. CD-Array geleitet werden. Letzteres ermöglicht es ebenso 3D-Temperaturprofile zu ermitteln.
• Eine Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, das lediglich eine punktuelle Ausleuchtung der Oberfläche Ob ausgeführt wird und mittels einer geeigneten nicht näher dargestellten Mechanik die Geometrie des Gasraumes abgescannt wird, um so 2D-oder 3D-Temperaturprofile zu erhalten. Das nachfolgend beschriebene Verfahren lässt sich ausführen, solange eine richtige Zuordnung von Sichtlinien Si zu jeweiligen Punkten Pi mit i=1 N der beleuchteten Oberfläche Ob gewährleistet ist. Eine jeweilige Sichtlinie Si ist durch den Lauf eines Lichtstrahles von der Lichtquelle 1 zu einem Punkt Pi auf der beleuchteten Oberfläche Ob und zurück zu der Erfassungseinrichtung 3 definiert. Dabei kann einer jeden Sichtlinie Si eine eindeutige Länge li zugeordnet werden. Die Erfassungseinrichtung 3 kann die Optik 7 aufweisen, und die die von der Oberfläche der Turbinenschaufel Ts reflektierte Lichtintensität erfasst und auf eine CCD-oder ein Fotodioden-Array projiziert. Die Erfassung kann damit besonders vorteilhaft pixelweise erfolgen.
• Zur Vereinfachung kann angenommen werden, dass im Vergleich zu der beleuchteten Fläche Ob die Dimensionen der Optiken 7 klein sind. Damit kann davon ausgegangen werden, dass Lichtstrahlen von der Lichtquelle 1 ausgehen und nach einer Reflexion annähernd auf den gleichen Weg zur Erfassungseinrichtung 3 zurück verlaufen. Jeder Punkt Pi der beleuchteten Fläche Ob kann auf diese Weise vorteilhaft eindeutig einem Strahlverlauf von der Lichtquelle 1 und zurück zu Erfassungseinrichtung 3 zugeordnet werden, was in den 7 und 8 dargestellt ist.
• Eine derartige eindeutige Zuordnung ermöglicht es aus der Geometrie des Gasraumes, die Länge li einer jeweiligen Sichtlinie Si zu rekonstruieren, wie dies in Verbindung mit Formel (3) nachfolgend mathematisch beschrieben wird. Jedem Pixel kann damit ebenso eine Sichtlinie Si zugeordnet werden. Derartige Linien Si können dann in einzelne Segmente oder Abschnitte Δx_i unterteilt werden. Die Länge Δx_i der einzelnen Segmente untereinander muss nicht identisch sein, da die Punkte Pi ebenfalls nicht äquidistant angeordnet sein müssen, sondern von der Geometrie des Gasraumes abhängig angeordnet werden können.
• 6 zeigt die Beleuchtung des Gasraumes, insbesondere innerhalb einer Gasturbine, und die Aufnahme von reflektierten Signalen mittels einer Erfassungseinrichtung 3. Die Beleuchtung einer Turbinenschaufel Ts kann beispielsweise mittels der Wellenlänge um 760 nm für Sauerstoffabsorptionslinien mit Licht einer Laserdiode ausgeführt werden. Mittels einer Diode oder eines Charge cappled device -(CCD-) Feldes können die optischen Signale in elektrische Signale gewandelt werden. In den 6 bis 8 sind jeweilige Temperaturen in Graustufen dargestellt.
• 7 stellt insbesondere die Aufteilung der beleuchteten Oberfläche Ob der Turbinenschaufel Ts als Ausführungsbeispiel einen Raum innen begrenzenden Objektes in diskrete Punkte Pi dar.
• 8 stellt die Ausführungsform einer Erfassungseinrichtung 3 in Form eines CCD-Feldes oder Arrays dar. Entsprechend kann jeder beleuchtete Punkt Pi der beleuchteten Oberfläche Ob einem Pixel des CCD-Arrays zugeordnet werden. Wird eine verwendete Optik 7 verfahren, so entspricht die Position einer derartigen Optik 7 einem solchem Pixel. 8 zeigt insbesondere die Lichtstrahlen, die zu dem Bild auf den CCD-Array beitragen. Unten rechts in 8 sind zunächst die Pixel bzw. Bildelemente der Erfassungseinrichtung 3 dargestellt. Jedem Bildelement ist eine Position eines Punktes Pi zuordenbar. Wegdifferenzen zwischen zwei benachbarten Positionen sind mit ΔX_i angegeben. Jedes Pixel des CCD-Feldes entspricht einer Position Pi auf der Turbinenschaufel Ts und integriert auf diese Weise ein TDLS-Signal über verschiedene Wege.
• Das Lambert-Beer`sche Absorptionsgesetz ermöglicht nun eine Integration über alle vorhandenen Sichtlinien Si hinweg. Hierbei wird berücksichtigt, dass das Licht von der Lichtquelle 1 bis zum Punkt Pi und zur Erfassungseinrichtung 3 zurück den doppelten Weg durchläuft, was den Faktor 2 erklärt. Nutzt man die Tatsache, dass bei genügend großer Auflösung des verwendeten CCD-Arrays ein Weglängenunterschied Dx_i zwischen zwei benachbarten Punkten Pi und Pi+₁ klein ist, so lässt sich mittels dem Lambert-Beer'schen Absorptionsgesetz folgende Faktorisierung (4) ausführen: $${\text{I}}_{{\text{P}}_{\text{1}}}={\text{I}}_{0^e}{}^{-2\alpha \left({\text{T}}_1\right)c\mathrm{\Delta }{\chi }_1}$$

  

  $${\text{I}}_{{\text{P}}_{\text{2}}}={\text{I}}_{{\text{P}}_1{}^e}{}^{-2\alpha \left({\text{T}}_2\right)c\mathrm{\Delta }{\chi }_2}$$

  

  $${\text{I}}_{{\text{P}}_{\text{2}}}={\text{I}}_{{\text{P}}_1{}^e}{}^{-2\alpha \left({\text{T}}_2\right)c\mathrm{\Delta }{\chi }_2}$$

  

  $$\mathrm{=}{\text{I}}_{{\text{P}}_{0^e}}{}^{-2{\displaystyle {\sum }_{i=1}^{\text{N}}\alpha \left({\text{T}}_i\right)c\mathrm{\Delta }{\chi }_i}}$$

  
• η→∞ results in an integration along the path X $${\text{I}}_{{\text{P}}_{\text{X}}}={\text{I}}_{{\text{0}}^e}{}^{-2{\displaystyle {\int }_o^{\text{X}}\alpha \left(\text{T}\left(\chi \right)\right)c\partial \chi }}$$

  
• Eine derartige Faktorisierung kann ebenso nach einer Quotientenbildung für zwei unterschiedliche Absorptionslinien ausgeführt werden und es ergibt sich folgendes (5): $${\text{I}}_{\text{P}i+1}^{\left(1\right)}={\text{I}}_{\text{P}i}^{\left(1\right)}{e}^{-2{\alpha }^{\left(1\right)}\left({\text{T}}_{i+1}\right)c\mathrm{\Delta }{\chi }_{i+1}}$$

  

  $${\text{I}}_{\text{P}i+1}^{\left(2\right)}={\text{I}}_{\text{P}i}^{\left(2\right)}{e}^{-2{\alpha }^{\left(2\right)}\left({\text{T}}_{i+1}\right)c\mathrm{\Delta }{\chi }_{i+1}}$$

  

  $$\frac{I_{Pi+1}^{\left(2\right)}}{I_{Pi+1}^{\left(1\right)}}=\frac{I_{Pi}^{\left(2\right)}}{I_{Pi}^{\left(1\right)}}{e}^{-2{(\alpha }^{\left(2\right)}\left(Ti+1\right)-{\alpha }^{\left(1\right)}\left(Ti\right)})c\mathrm{\Delta }{\chi }_{i+1}$$

  

  $$\frac{I_{PN}^{\left(2\right)}}{I_{PN}^{\left(1\right)}}=\frac{I_0^{\left(2\right)}}{I_0^{\left(1\right)}}{e}^{-2}{\displaystyle {\sum }_{i=1}^N\left({\alpha }^{\left(2\right)}\left(Ti\right)-{\alpha }^{\left(1\right)}\left(Ti\right)\right)c\mathrm{\Delta }{\chi }_i}$$

  
• η→∞ bewirkt eine Integration entlang des Weges X
• Integral von 0 bis X $$\frac{I_{Px}^{\left(2\right)}}{I_{Px}^{\left(1\right)}}=\frac{I_0^{\left(2\right)}}{I_0^{\left(1\right)}}{e}^{-2}{\displaystyle {\int }_0^x\left({\alpha }^{\left(2\right)}\left(T\left(\chi \right)\right)\right)c\partial \chi }$$

  
• Auf diese Weise ist eine Beziehung berechnet worden, die es erlaubt anhand der Kalibrierkurve gemäß 5 jeden einzelnen Segment im Bereich zwischen der beleuchteten Oberfläche Ob und der Lichtquelle 1 und der Erfassungseinrichtung 3 eine Temperatur T zuzuordnen. Dabei fließt ein jeweiliger Messwert jedes Pixels für die unterschiedlichen Absorptionslinien zusammen mit den vorstehend mathematisch beschriebenen Beziehungen untereinander in die Auswertung mit ein. Dies ist nachfolgend erneut mit den Formel (6) zusammenfassend beschrieben.
• Ein erfindungsgemäß angewendetes Rechnungsverfahren beinhaltet folgende Rechenschritte:
1. 1. Ein Intensitätsverhältnis wird mit der Erfassungseinrichtung 3 gemessen: $$\frac{I_{Pi}^{\left(2\right)}}{I_{Pi}^{\left(1\right)}}$$
   
2. 2. In einem zweiten Schritt kann das eingeprägte Intensitätsverhältnis C aus dem Gesamtaufbau leicht abgeleitet werden und wird als konstant betrachtet und kann in ausgewählten Fällen als C=1 festgelegt werden: $$\frac{I_0^{\left(2\right)}}{I_0^{\left(1\right)}}=c$$
   
3. 3. Es erfolgt das Berechnen einer Temperatur T₁ eines ersten Segmentes P₁ aus den entsprechenden Lambert-Beerschen-Gesetz: Der Abstand zwischen Segmenten Δ×Δ_i muss nicht äquidistant sein solange er bekannt ist: $$\frac{I_{P1}^{\left(2\right)}}{I_{P1}^{\left(1\right)}}=\frac{I_0^{\left(2\right)}}{I_0^{\left(1\right)}}{e}^{-2\left({\alpha }^{\left(2\right)}\left(T_1\right)-{\alpha }^{\left(1\right)}\left(T_1\right)\right)c\mathrm{\Delta }{\chi }_1}$$
   
4. 4. Herleiten der jeweiligen Temperatur Ti+₁ jedes aufeinanderfolgenden Segmentes Pi+₁ aus dem Ergebnis des vorhergehenden Segment P_i bis das letzte Segment P_N berechnet wird: $$\frac{I_{Pi+1}^{\left(2\right)}}{I_{Pi+1}^{\left(1\right)}}=\frac{I_{Pi}^{\left(2\right)}}{I_{Pi}^{\left(1\right)}}{e}^{-2\left({\alpha }^{\left(2\right)}\left(Ti+1\right)-{\alpha }^{\left(1\right)}\left(Ti+1\right)\right)c\mathrm{\Delta }{\chi }_{i+1}}$$
   
   $$\frac{I_{PN}^{\left(2\right)}}{I_{PN}^{\left(1\right)}}=\frac{I_{PN-1}^{\left(2\right)}}{I_{PN-1}^{\left(1\right)}}{e}^{-2\left({\alpha }^{\left(2\right)}\left(TN\right)-{\alpha }^{\left(1\right)}\left(TN\right)\right)c\mathrm{\Delta }{\chi }_N}$$
   
• In einem 5. Schritt wird folgendes Ergebnis erhalten. Ein Satz von Temperaturen Ti für einen jeweiligen individuellen Segmentbereich Pi entlang einer Sichtlinie mit einem Raumteil mit heißem Gas beispielsweise von der Wand, an der die Erfassungseinrichtung 3 angeordnet ist, zu einer Turbinenschaufel Ts einer Gasturbine an der gegenüberliegenden Seite der Außenwand A der Gasturbine. Mit Bezug auf bekannte Verfahren zur Temperaturbestimmung mittels Integration wird auf den Stand der Technik [1] und [2] verwiesen:
• Zusammenfassend können die in Verbindung mit 6 bis 8 beschriebenen Schritte noch unter Berücksichtigung folgender Aspekte ausgeführt werden:
• Es sollten zwei geeignete Absorptionslinien des Zielgases, die einem unterschiedlichen Temperaturgang aufweisen, ausgewählt werden. Derartige Linien müssen nicht zwangsläufig benachbart sein. Der Einbau einer geeigneten Lichtquelle 1 mit mindestens zwei vorteilhaften Wellenlängen zur Messung des jeweiligen Temperaturganges der zwei ausgewählten Absorptionslinien eines Gases G kann mittels einer sogenannten NDir-Technik ausgeführt werden. NDIR steht für Nicht Dispersiver Infrarot. Bei Verwendung einer derartigen Technik können termische Ermitter mit passenden Filtern sowie LEDs oder Laser verwendet werden. Wahlweise kann die Wellenlänge der Lichtquelle 1 ebenso über zwei Absorptionslinien durchgestimmt werden, so dass man zur Spektroskopie ebenso verfahren wie TDLAS (Tunible Diode Laser Absorption Spectroscopy oder ins Dt. übersetzt etwa Absorptionsspektroskopie mittels durch stimmbarer Laserdioden) oder WMS (?) verwenden kann. Hierfür werden in der Regel Laser verwendet. Der Einbau einer geeigneten Optik 7 soll insbesondere der definierten Ausleuchtung des Gasraumes dienen. Ebenso soll eine geeignete Optik 7 eine definierte Aufnahme einer ausgeleuchteten Fläche oder ausgeleuchteten Oberfläche Ob ermöglichen. Besonders vorteilhaft sollten die Bereiche der Beleuchtung und der Aufnahme dicht beieinander liegen, so dass Lichtstrahlen annähernd den gleichen Weg von der Lichtquelle 1 zurück zur Erfassungseinrichtung 3 zurücklegen können. Mittels einer geeigneten Mechanik, die es ermöglicht, die zu beleuchtende Oberfläche Ob abzuscannen, um somit ein mehrdimensionales Profil der Temperatur zu ermöglichen, soll für jeden Winkel einen Strahlengang eindeutig zuordnen. Alternativ zu einem derartigen Scanbetrieb kann ebenso ein Detektor-Feld, wie beispielsweise ein Fotodioden-Feld oder ein Ladungskopplungsvorrichtungs-Feld verwendet werden. Auf diese Weise kann jeden Pixel des Feldes ein Strahlengang und damit eine Sichtlinie Si zugeordnet werden. Jeden Lichtstrahl kann ein Punkt Pi auf einer Gasraumfläche zugeordnet werden. Bei ausreichender Auflösung ist ein Wegunterschied Dx_i zwischen benachbarten Punkten P_i und Pi+₁. Damit kann ein erfindungsgemäßes Auswerteverfahren ausgeführt werden und somit ein Temperaturprofil erzeugt werden. Dabei kann für einen beliebigen Gasraum ein Temperaturprofil messtechnisch erfasst werden.
• 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines beweglichen insbesondere rotierenden Sensors, der eine Lichtquelle 1 und eine Erfassungseinrichtung 3 aufweist. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei ein festpositionierter Sensor mit einer Lichtquelle 1 und einer Erfassungseinrichtung 3 zusammen mit einem festpositionierten Sensorfeld verwendet wird.
• 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel zu einem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei ein fester Sensor verwendet wird, dessen Lichtquelle 1 zusätzlich stroboskopisch ein und ausgeschaltet wird. So können ebenso bewegte Teile, beispielsweise in Ausgestaltung von sich bewegenden Turbinenschaufeln Ts mit entsprechend sich bewegenden beleuchteten Oberflächen Ob mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens vermessen werden. Je nach eingestellter Phase der Stroboskopie können einzelne Turbinenschaufeln Ts_i ausgewählt und beleuchtet werden.
• 12 veranschaulicht noch einmal eine Übersicht über ein erfindungsgemäßes Verfahren. In einem ersten Schritt St1 erfolgt eine messtechnische Erfassung von Lichtintensitäten für jeweilige Messpunkte Pi auf einer beleuchteten Oberfläche Ob in einer Gasturbine. Mit einem zweiten Schritt St2 erfolgt eine Temperaturbestimmung aus der Ermittlung von Intensitätsquotienten verschiedener Lichtwellenlängen. Mit einem dritten Schritt St3 kann in einem Raum zwischen einer beleuchteten Oberfläche Ob und der Erfassungseinrichtung 3 eine jeweilige Gastemperatur Ti berechnet werden.
1. [1] Ronald K. Hanson, Jay B. Jeffries, Diode Laser Sensors for Ground Testing, 25th AIAA Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference 5 - 8 June 2006, San Francisco, California.
2. [2] C.S. Goldenstein et al., Proc. Combus. Inst.(2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.proci.2014.05.027.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Ronald K. Hanson, Jay B. Jeffries, Diode Laser Sensors for Ground Testing, 25th AIAA Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference 5 - 8 June 2006, San Francisco, California [0063]
• C.S. Goldenstein et al., Proc. Combus. Inst.(2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.proci.2014.05.027 [0063]

Claims (21)

1. Verfahren zur berührungslosen Messung eines Temperaturprofils eines Gases in einem Raum, insbesondere in einer Gasturbine, wobei mittels einer Lichtquelle Lichtstrahlen mit jeweiligen Wellenlängen eine den Raum innen begrenzende Oberfläche, insbesondere einer Turbinenschaufel, beleuchten (St1), wobei Punkte (Pi mit i = 1...N) der beleuchteten Oberfläche mittels einer eindeutigen jeweils eine Länge (li) aufweisenden Sichtlinie Si von der Lichtquelle und zurück zu einer Erfassungseinrichtung von dieser einzeln, insbesondere als Pixel, erfassbar sind; mittels einer Rechnereinrichtung für einen jeweiligen Punkt (Pi) mittels eines Quotienten zweier erfasster Intensitäten zweier zueinander ähnliche Wellenlängen aufweisenden Lichtstrahlen ein Bestimmen der Temperatur (St2) des von der jeweiligen Sichtlinie (Si) durchlaufenden Gases ausgeführt wird; mittels der Rechnereinrichtung für eine Vielzahl von Punkten (Pi) der Oberfläche ein, insbesondere mittels Integrierens erfolgendes, Bestimmen von Temperaturen (St3) des Gases zwischen der Oberfläche einerseits und der Erfassungseinrichtung andererseits ausgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Rechnereinrichtung für einen jeden einzelnen Abschnitt einer Sichtlinie jeweils die Temperatur des Gases berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die für einen zu einem mittels der Erfassungseinrichtung definierten Mittelpunkt M nächstgelegenen ersten Punkt P1 und für weitere ausgehend von dem ersten Punkt P1 entlang einer Scanlinie der Oberfläche angeordnete Punkte P2...PN jeweils bestimmte Temperatur einem in einem durch den Mittelpunkt M, die Sichtlinien Si, Si-1, S_N und der Scanlinie definierbaren Teilraum vorhandenen Gas zugeordnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den ersten Punkt P1 der Teilraum als Kreissektor ausgehend von dem Mittelpunkt M mit einem Radius als die Hälfte der Länge der ersten Sichtlinie S1 und begrenzt durch die erste Sichtlinie S1 und die letzte Sichtlinie S_N definiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die weiteren Punkte P2...PN der jeweilige Teilraum als Kreisringteil ausgehend von dem Mittelpunkt M mit einem äußeren Radius als die Hälfte der Länge der Sichtlinie Si, einem inneren Radius als die Hälfte der Länge der Sichtlinie Si-1 und begrenzet durch die Scanlinie und die letzte Sichtlinie S_N definiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen von Temperaturen des Gases für eine Vielzahl von Scanlinien der Oberfläche ausgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle zur Nutzung bewegter oder bestimmter Oberflächen stroboskopisch ein- und ausgeschaltet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Außenwand des Raumes mindestens eine Öffnung mit einem Fenster ausgebildet ist, durch das die Lichtquelle sendet und/oder die Erfassungseinrichtung erfasst.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine Laserdiode, eine Leuchtdiode oder ein thermischer Emitter mit Filterelementen ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung eine Fotodiode, ein Fotodioden-Array oder ein CCD-Array oder -Matrix ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens einer Optik die Oberfläche punktuell beleuchtet und/oder ein jeweiliger Punkt Pi erfasst wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Optik kleiner als die Größe der beleuchteten Oberfläche ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Punkte Pi zueinander und/oder die Länge der Abschnitte verschieden ausgewählt werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Rechnereinrichtung die jeweilige Länge li einer Sichtlinie Si aus einer bekannten Geometrie des Raumes und/oder des die Oberfläche bildenden Objektes, insbesondere der Turbinenschaufel, berechnet wird.
15. Vorrichtung zur berührungslosen Messung eines Temperaturprofils eines Gases (G) in einem Raum, insbesondere in einer Gasturbine, wobei mittels einer Lichtquelle (1) Lichtstrahlen mit jeweiligen Wellenlängen eine den Raum innen begrenzende Oberfläche (Ob), insbesondere einer Turbinenschaufel (Ts), beleuchten, wobei Punkte (Pi mit i = 1...N) der beleuchteten Oberfläche mittels einer eindeutigen jeweils eine Länge (li) aufweisenden Sichtlinie (Si) von der Lichtquelle (1) und zurück zu einer Erfassungseinrichtung (3) von dieser einzeln, insbesondere als Pixel, erfassbar sind; mittels einer Rechnereinrichtung (5) für einen jeweiligen Punkt (Pi) mittels eines Quotienten zweier erfasster Intensitäten zweier zueinander ähnliche Wellenlängen aufweisenden Lichtstrahlen ein Bestimmen der Temperatur des von der jeweiligen Sichtlinie (Si) durchlaufenden Gases ausgeführt wird; mittels der Rechnereinrichtung (5) für eine Vielzahl von Punkten (Pi) der Oberfläche ein, insbesondere mittels Integrierens erfolgendes, Bestimmen von Temperaturen des Gases zwischen der Oberfläche einerseits und der Erfassungseinrichtung (3) andererseits ausgeführt wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) zur Nutzung bewegter oder bestimmter Oberflächen (Ob) ein Stroboskop ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Außenwand (A) des Raumes mindestens eine Öffnung mit einem Fenster (F) ausgebildet ist, durch das die Lichtquelle (1) sendet und/oder die Erfassungseinrichtung (3) erfasst.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) eine Laserdiode, eine Leuchtdiode oder ein thermischer Emitter mit Filterelementen ist.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (3) eine Fotodiode, ein Fotodioden-Array oder ein CCD-Array oder -Matrix ist.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens einer Optik (7) die Oberfläche punktuell beleuchtet und/oder ein jeweiliger Punkt Pi erfasst wird.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Optik (7) kleiner als die Größe der beleuchteten Oberfläche ist.

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