DE19945640A1 - Method and device for gas temperature measurement with laser-induced white-hot pyrometry - Google Patents
Method and device for gas temperature measurement with laser-induced white-hot pyrometryInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Temperaturmesstechnik in Gasturbinen, Triebwerken u. ä. Sie geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Tem peraturmessung nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 9 und 11.The present invention relates to the field of Temperature measurement technology in gas turbines, engines and. you is based on a method and a device for Tem temperature measurement according to the preamble of claims 1, 9 and 11.
Ein derartiges Verfahren ist aus der Veröffentlichung von W. Pepperhof, "Temperaturstrahlung", Wissenschaftliche For schungsberichte, Band 65, Verlag Dr. D. Steinkopff, Darm stadt (1956) bekannt. Dort werden passive pyrometrische Messverfahren für die Schwarzkörperstrahlung von Russ partikeln in Flammen angegeben. Zur Temperaturbestimmung wird das Spektrum der Wärmestrahlung unabhängig von der Emissivität ausgewertet (i) aus dem Intensitätsverhältnis bei konstanter Temperatur und zwei unterschiedlichen Wellen längen λa, λb, (ii) aus dem Intensitätsverhältnis bei zwei unterschiedlichen Temperaturen und einer Wellenlänge λa oder (iii) aus der spektralen Lage der maximalen Strahlungsinten sität. Ein Problem der passiven Pyrometrie besteht darin, dass die Flamme in einer Gasturbine eine relativ geringe Konzentration von Russpartikeln aufweist und daraus eine sehr niedrige Emissivität resultiert. Bei herkömmlichen py rometrischen Messungen wird deshalb eher eine Wandtemperatur als eine Flammentemperatur gemessen.Such a method is known from the publication by W. Pepperhof, "Temperaturstrahl", Wissenschaftliche Research Reports, Volume 65, Verlag Dr. D. Steinkopff, Darmstadt (1956). Passive pyrometric measurement methods for the blackbody radiation of soot particles in flames are specified there. To determine the temperature, the spectrum of the heat radiation is evaluated independently of the emissivity (i) from the intensity ratio at constant temperature and two different wavelengths λ a , λ b , (ii) from the intensity ratio at two different temperatures and one wavelength λ a or (iii ) from the spectral position of the maximum radiation intensity. One problem with passive pyrometry is that the flame in a gas turbine has a relatively low concentration of soot particles, which results in very low emissivity. In conventional py rometric measurements, a wall temperature is therefore measured rather than a flame temperature.
Ein Temperaturmessverfahren mit laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) wird in dem Artikel von K. J. Rensberger et al., "Laser-induced fluorescence determination of temperatures in low pressure flames", Appl. Optics Vol 28 No. 17, S. 3556-3566 (1989) angegeben. Mit einem UV-Laser werden Moleküle in der Flamme resonant angeregt und aus ihrem Emissionsspektrum die zugrundeliegende Flammentemperatur berechnet. Nachteilig ist es, dass die Laserwellenlänge spezifisch an die Moleküle angepasst werden muss und lange Relaxationszeiten die Mes sung in einem Gasstrom erschweren oder verunmöglichen kön nen. Oftmals ist die Molekülkonzentration ausserhalb der Flamme zu gering für die Messung einer Gastemperatur oder eines Gastemperaturprofils.A temperature measurement method with laser-induced fluorescence (LIF) is described in the article by K. J. Rensberger et al., "Laser-induced fluorescence determination of temperatures in low pressure flames ", Appl. Optics Vol 28 No. 17, pp. 3556-3566 (1989). Using a UV laser, molecules are in excited by the flame and from its emission spectrum the underlying flame temperature is calculated. Disadvantageous it is that the laser wavelength is specific to the molecules must be adjusted and long relaxation times the Mes solution in a gas stream can make it difficult or impossible nen. The molecular concentration is often outside the range Flame too low for measuring a gas temperature or a gas temperature profile.
Aus der Veröffentlichung von D. R. Snelling, G. J. Small wood, I. G. Campbell, J. E. Medlock, and Ö. L. Gülder, "Development and application of laser-induced incandescence (LII) as a diagnostic for soot particulate measurements", AGARD Conference Proceedings 598 (October 1997) ist es bekannt, eine Russpartikelkonzentration in Gasflammen mit laserinduzierter Weissglut-Pyrometrie (LII) zu messen. Die Flamme wird durch einen gepulsten Laserstrahl beleuchtet, die Russpartikel zur Weissglut angeregt, das emittierte Licht pyrometrisch gemessen und mit Hilfe eines theoreti schen Modells die Russpartikelkonzentration berechnet.From the publication by D. R. Snelling, G. J. Small wood, I.G. Campbell, J.E. Medlock, and Ö. L. Gülder, "Development and application of laser-induced incandescence (LII) as a diagnostic for soot particulate measurements ", AGARD Conference Proceedings 598 (October 1997) is known to have a soot particle concentration in gas flames to measure laser-induced white-hot pyrometry (LII). The Flame is illuminated by a pulsed laser beam, the soot particles excited to white heat, that emitted Light measured pyrometrically and using a theoreti the soot particle concentration.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein verbessertes Ver fahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Gastemperatur messung anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9 und 11 gelöst.The invention has for its object an improved Ver drive and an improved device for gas temperature specify measurement. According to the invention, this object is achieved by the features of claims 1, 9 and 11 solved.
Die Erfindung besteht in einem Verfahren und einer Vorrich tung zur Temperaturmessung in gasförmigen Medien, bei wel chem Partikel im Gasstrom ausgehend von einer Gas-, Flammen- oder Ausgangstemperatur T0 durch einen Laserpuls erhitzt werden, die induzierte Kontinuumswärmestrahlung der Partikel pyrometrisch gemessen wird, die Partikeltemperatur T berech net wird und aus der Partikeltemperatur T durch eine Rechen vorschrift die Ausgangstemperatur T0 bestimmt wird. Die Par tikel senden also überwiegend ein kontinuierliches Spektrum aus, das im Regelfall zumindest näherungsweise oder in einem gewissen Bereich als Schwarzkörperstrahlungsspektrum be schreibbar ist. Die Rechenvorschrift zur Bestimmung der Aus gangstemperatur T0 kann aus einem theoretischen Modell für die Partikelerwärmung und/oder aus einer vorgegebenen oder experimentell bestimmten Normierungsfunktion abgeleitet wer den. Die solcherart festgelegten Rechenvorschriften können alternativ oder ergänzend zueinander angewandt werden. Ins besondere ist aus dem Modell und der Normierung eine gemit telte Ausgangstemperatur T0 bestimmbar. Im einfachsten Fall wird die Partikeltemperatur T durch einen multiplikativen Korrekturfaktor auf die Ausgangstemperatur T0 normiert. Das erfindungsgemässe Temperaturmessverfahren ist berührungs frei, vermeidet Störungen des Gasstroms, zeichnet sich durch eine sehr hohe Messempfindlichkeit aus und ist besonders zur Gas- oder Flammentemperaturmessung in Gasturbinen geeignet. Durch Aufheizung der Partikel auf sehr hohe Temperaturen (z. B. 4000 K) kann die Wärmestrahlungsintensität gegenüber herkömmlichen Pyrometrieverfahren massiv erhöht werden. Da durch sind Gastemperaturen auch bei kleinsten Partikelkon zentrationen messbar. Im Gegensatz zur laserinduzierten Fluoreszenz besteht eine grosse Freiheit bei der Wahl der Laserwellenlänge, da eine Abstimmung auf Molekülresonanzen nicht erforderlich ist.The invention consists in a method and a device for temperature measurement in gaseous media, in which chem particles in the gas stream are heated from a gas, flame or starting temperature T 0 by a laser pulse, the induced continuous heat radiation of the particles is measured pyrometrically, which Particle temperature T is calculated and the initial temperature T 0 is determined from the particle temperature T by a calculation rule. The particles therefore predominantly emit a continuous spectrum which, as a rule, can be written at least approximately or in a certain range as a blackbody radiation spectrum. The calculation rule for determining the initial temperature T 0 can be derived from a theoretical model for particle heating and / or from a predetermined or experimentally determined standardization function. The calculation rules defined in this way can be used as an alternative or in addition to one another. In particular, an average starting temperature T 0 can be determined from the model and the standardization. In the simplest case, the particle temperature T is normalized to the initial temperature T 0 by a multiplicative correction factor. The temperature measurement method according to the invention is contact-free, avoids disturbances in the gas flow, is distinguished by a very high measurement sensitivity and is particularly suitable for gas or flame temperature measurement in gas turbines. By heating the particles to very high temperatures (e.g. 4000 K), the heat radiation intensity can be massively increased compared to conventional pyrometry methods. As a result, gas temperatures can be measured even with the smallest particle concentrations. In contrast to laser-induced fluorescence, there is great freedom in the selection of the laser wavelength, since it is not necessary to adjust to molecular resonances.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird aus dem Ab klingverhalten der induzierten Partikeltemperatur T mit Hil fe eines theoretischen Modells für die Leistungs- oder Ener giebilanz der erwärmten Partikel die zugrundeliegende Gas temperatur T0 berechnet.In a preferred embodiment, the underlying gas temperature T 0 is calculated from the decay behavior of the induced particle temperature T with the aid of a theoretical model for the power or energy balance of the heated particles.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Partikeltempe ratur durch eine relative pyrometrische Messung bei minde stens zwei Wellenlängen und/oder mit unterschiedlichen La serpulsenergien unabhängig von der Emissivität der Partikel gemessen. In another embodiment, the particle temperature rature by a relative pyrometric measurement at min at least two wavelengths and / or with different La pulse energy regardless of the emissivity of the particles measured.
Ein wichtiges Ausführungsbeispiel betrifft die Messung eines linearen Gastemperaturprofils über einen vom Laserstrahl be leuchteten Querschnitt eines Gasstromkanals.An important embodiment relates to the measurement of a linear gas temperature profile over a be from the laser beam illuminated cross section of a gas flow channel.
Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figur.Further embodiments, advantages and applications of the invention result from the dependent claims and from the now following description based on the figure.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Temperaturmessein richtung für eine Gasturbine. Fig. 1 shows an inventive Temperaturmessein direction for a gas turbine.
Die Erfindung hat ein Verfahren zur Temperaturmessung eines gasförmigen Mediums 12 zum Gegenstand, das besonders zur Gastemperaturmessung in einer Gasturbine geeignet ist. Dabei wird aus einer zumindest näherungsweisen Schwarzkörperstrah lung von Partikeln 14 im gasförmigen Medium 12 pyrometrisch eine Temperatur bestimmt. Erfindungsgemäss werden die Parti kel 14 ausgehend von einer Gas- oder Ausgangstemperatur T0 durch einen Laserpuls 7 erhitzt, eine induzierte Emission gemessen, pyrometrisch eine Partikeltemperatur T bestimmt und aus der Partikeltemperatur T durch eine Rechenvor schrift, d. h. durch Berechnung und/oder Normierung, die Ausgangstemperatur T0 bestimmt. Im folgenden werden bevor zugte Ausführungsformen angegeben.The subject of the invention is a method for measuring the temperature of a gaseous medium 12 , which is particularly suitable for measuring the gas temperature in a gas turbine. A temperature is determined pyrometrically from an at least approximate black body radiation of particles 14 in the gaseous medium 12 . According to the invention, the particles 14 are heated from a gas or starting temperature T 0 by a laser pulse 7 , an induced emission is measured, a particle temperature T is determined pyrometrically and from the particle temperature T by means of a calculation, ie by calculation and / or standardization Output temperature T 0 determined. In the following preferred embodiments are given.
Typischerweise handelt es sich bei den Partikeln um Russ partikel 14. Bei zu geringen Konzentrationen, z. B. in ex tremen Magerflammen, können auch Öltröpfchen 14 oder andere Partikel 14 mit einem kontinuierlichen Wärmestrahlungsspek trum dem Heissgasstrom 13 zugegeben werden. Die Wellenlänge λ des Laserpulses kann ausserhalb einer Molekülresonanz des gasförmigen Mediums 12, insbesondere λ = 1064 nm (Nd: YAG) oder λ = 532 nm, gewählt werden. Ferner soll eine Laserpuls-Energie EL<10 mJ, vorzugsweise EL<30 mJ, besonders bevorzugt EL<50 mJ, verwendet werden.The particles are typically soot particles 14 . If the concentrations are too low, e.g. B. in ex trem lean flames, oil droplets 14 or other particles 14 with a continuous heat radiation spectrum can be added to the hot gas stream 13 . The wavelength λ of the laser pulse can be selected outside a molecular resonance of the gaseous medium 12 , in particular λ = 1064 nm (Nd: YAG) or λ = 532 nm. Furthermore, a laser pulse energy E L <10 mJ, preferably E L <30 mJ, particularly preferably EL <50 mJ, should be used.
Die LII-Lichtemission steigt innerhalb von ca. 25 ns auf ein
Maximum an und klingt dann über einige 100 ns ab. Bevorzugt
wird der zeitliche Verlauf, insbesondere das Abklingverhal
ten, der Partikeltemperatur T gemessen und daraus die Aus
gangstemperatur T0 berechnet. Dabei kann zur Bestimmung der
gesuchten Gastemperatur T0 aus der laserinduzierten Tempera
tur T eine Leistungsbilanzgleichung für ein Partikel 14 ge
löst werden. Insbesondere gilt die Beziehung
The LII light emission increases to a maximum within approx. 25 ns and then decays over a few 100 ns. The time course, in particular the decay behavior, of the particle temperature T is preferably measured and the starting temperature T 0 is calculated therefrom. In this case, a power balance equation for a particle 14 can be solved to determine the gas temperature T 0 sought from the laser-induced temperature T ge. The relationship applies in particular
T0 = T - Pabs - Prad - PQ - ΔV)/K1,
T 0 = T - P abs - P rad - P Q - ΔV) / K 1 ,
wobei Pabs = absorbierte Laserleistung, Prad = Strahlungsverlust leistung, PQ = Wärmeleistung bei Temperaturänderung, ΔV = Ver lustleistung durch laserinduzierte Verbrennung und K1 = Wärme leitungskonstante bezeichnen, wobei alle Grössen auf ein Partikel 14 zu beziehen sind. Diese Grössen können durch un abhängige Messungen und/oder theoretische Modelle quantifi ziert werden und/oder a priori bekannt sein.where P abs = absorbed laser power, P rad = radiation loss power, P Q = heat output when the temperature changes, ΔV = loss power due to laser-induced combustion and K 1 = heat conduction constant, with all sizes relating to a particle 14 . These quantities can be quantified by independent measurements and / or theoretical models and / or known a priori.
Hier werden einfache Berechnungsformeln für die Terme der Leistungsbilanzgleichung angegeben: Wärmeleitungskonstante eines Partikels 14 K1 = π.d2.NP.Λ, wobei die Partikel 14 typi scherweise NP kettenförmig agglomerierte Primärpartikel vom Durchmesser d enthalten und Λ = Langmuir-Wärmetransferkoeffizi ent; Pabs = Ca.q, wobei Ca = Rayleigh-Absorptionsquerschnitt eines Partikels 14 und q = Lasersendeleistung; Prad = 4.Ca.σ.T4, wobei σ = Boltzmann-Konstante; PQ = C.ρ.V.dT/dt, wobei C = spezifische Wärme, ρ = Dichte, V = Volumen eines Partikels 14 und dT/dt = Zeitableitung der laserinduzierten Partikeltemperatur T; und/oder ΔV = Hv/MV.dM/dt, wobei Hv Verbrennungswärme, MV = Mole kulargewicht und dM/dt = Molekulargewichtsänderung pro Zeit eines Partikels 14.Here, simple calculation formulas are given for the terms of the power balance equation: thermal conductivity constant of a particle 14 K 1 = π.d 2 .N P .Λ, where the particles 14 typically contain N P chain-like agglomerated primary particles of diameter d and Λ = Langmuir heat transfer coefficient ; P abs = C a .q, where C a = Rayleigh absorption cross section of a particle 14 and q = laser transmission power; P rad = 4.C a .σ.T 4 , where σ = Boltzmann constant; P Q = C.ρ.V.dT / dt, where C = specific heat, ρ = density, V = volume of a particle 14 and dT / dt = time derivative of the laser-induced particle temperature T; and / or ΔV = H v / M V .dM / dt, where H v heat of combustion, M V = molecular weight and dM / dt = molecular weight change per time of a particle 14 .
Die pyrometrische Messung kann auf vielfältige Weise durch geführt werden: Bei Verwendung einer konstanten Laserpuls energie EL wird aus einem Intensitätsverhältnis bei zwei un terschiedlichen Wellenlängen λa, λb eine Partikeltemperatur T bestimmt und/oder es wird pyrometrisch eine spektrale Lage der maximalen Strahlungsintensität und daraus eine Partikel temperatur T bestimmt. Dabei sollen Wellenlängen λa, λb in der Nähe des Maximums der Schwarzkörperstrahlung mit einem spektralen Abstand λa-λb<100 nm, vorzugsweise λa-λb ≈ 50 nm, und schmalbandig, vorzugsweise Δλa≈Δλb<10 nm, verwendet werden. Andererseits können auch mindestens zwei unterschiedliche Laserpulsenergien verwendet werden und aus mindestens einem Intensitätsverhältnis bei gleicher Wellenlänge λa eine Parti keltemperatur T bestimmt werden. Werden genau zwei Laserpul senergien EL1, EL2 verwendet, sollen sie so bemessen sein, dass die Partikel 14 beispielsweise auf 4000 K und 3800 K aufgeheizt werden. Dann kann die Leistungsbilanzgleichung für beide Messungen aufgestellt und durch eine Ausgleichs rechnung mit verbesserter Genauigkeit gelöst werden. Alter nativ kann auch ein zusätzlicher Parameter in der Leistungs bilanzgleichung, z. B. die Wärmeleitungskonstante K1, durch einen Fit oder analytisch bestimmt werden. Die genannten py rometrischen Methoden können auch kombiniert angewendet wer den.The pyrometric measurement can be carried out in a variety of ways: When using a constant laser pulse energy E L , a particle temperature T is determined from an intensity ratio at two different wavelengths λ a , λ b and / or a spectral location of the maximum radiation intensity and a particle temperature T is determined therefrom. Wavelengths λ a , λ b should be near the maximum of the blackbody radiation with a spectral distance λ a -λ b <100 nm, preferably λ a -λ b ≈ 50 nm, and narrow-band, preferably Δλ a ≈Δλ b <10 nm , be used. On the other hand, at least two different laser pulse energies can also be used and a particle temperature T can be determined from at least one intensity ratio at the same wavelength λ a . If exactly two laser pulse energies E L1 , E L2 are used, they should be dimensioned such that the particles 14 are heated to 4000 K and 3800 K, for example. Then the power balance equation can be drawn up for both measurements and solved with a compensation calculation with improved accuracy. Alternatively, an additional parameter in the current account equation, e.g. B. the heat conduction constant K 1 can be determined by a fit or analytically. The above-mentioned py rometric methods can also be used in combination.
Der Vorteil relativer Pyrometriemessverfahren (Teilstrah lungs- oder Ratio-Pyrometrie) besteht vor allem darin, dass der Einfluss der unbekannten und/oder veränderlichen Emissi vität der Partikel 14 auf die abgestrahlte Wärmeleistung eliminierbar ist. Dies ist besonders bei Russpartikeln 14 von Nutzen, da deren Emissivität je nach Konzentration, Grö sse, Agglomerationszustand und Oberflächenbeschaffenheit stark variieren kann.The advantage of relative pyrometry measurement methods (partial radiation or ratio pyrometry) is above all that the influence of the unknown and / or variable emissivity of the particles 14 on the radiated heat output can be eliminated. This is particularly useful for soot particles 14 , since their emissivity can vary greatly depending on the concentration, size, state of agglomeration and surface condition.
Zur Bestimmung eines ein- oder zweidimensionalen Temperatur profils werden mit dem Laserpuls 7 ein längliches oder flächenhaftes Anregungsgebiet 8 im gasförmigen Medium 11 be strahlt und im Anregungsgebiet 8 punktweise 10 pyrometrische Messungen durchgeführt. In Fig. 1 ist ein Ausführungsbei spiel angegeben, bei welchem ein Laserstrahl 7 quer zu einem Gasstromkanal 3 einer Turbine gesendet wird und unter einer zum Laserstrahl 7 geneigten Beobachtungsrichtung 9 punkt weise 10 pyrometrisch ein lineares Gastemperaturprofil über einen beleuchteten Querschnitt des Gasstromkanals 3 bestimmt wird. Für ein zweidimensionales Temperaturprofil können die Russpartikel 14 mit einem blattförmigen Laserstrahl in einem ausgedehnten Gebiet 8 zur Weissglut angeregt werden und das vom Gebiet 8 emittierte Licht vorzugsweise senkrecht zum Ge biet 8 an Stützpunkten 10 pyrometrisch gemessen werden. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist eine hohe räumliche Auflösung bis zu ca. (0,5 mm)3 erzielbar. Die Messungen kön nen auch in turbulenten Flammen durchgeführt werden.To determine a one- or two-dimensional temperature profile, an elongated or areal excitation area 8 in the gaseous medium 11 is irradiated with the laser pulse 7 and 10 pyrometric measurements are carried out point by point in the excitation area 8 . In Fig. 1, an exemplary embodiment is given, in which a laser beam 7 is sent transversely to a gas flow channel 3 of a turbine and point 10 pyrometrically a linear gas temperature profile over an illuminated cross section of the gas flow channel 3 is determined under an observation direction 9 inclined to the laser beam 7 . For a two-dimensional temperature profile, the soot particles 14 can be excited with a sheet-shaped laser beam in an extensive area 8 to white heat and the light emitted from the area 8 preferably measured pyrometrically perpendicular to the area 8 at support points 10 . With the method according to the invention, a high spatial resolution of up to approximately (0.5 mm) 3 can be achieved. The measurements can also be carried out in turbulent flames.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ebenfalls die Bestimmung eines räumlichen Temperaturprofils. Wie zuvor beschrieben wird durch laserinduzierte Weissglut- Pyrometrie ein Temperaturprofil bei einer Partikeltemperatur T bestimmt, dann aber ohne Laseranregung eine Gas- oder Aus gangstemperatur T0 lokal oder über das Temperaturprofil räumlich gemittelt gemessen und schliesslich das Temperatur profil auf die Ausgangstemperatur T0 normiert. Beispielswei se wird eine Gastemperatur T0 an einer vorgebbaren Stelle des Temperaturprofils, z. B. randseitig im Gasstromkanal 3, ohne Laseranregung gemessen und durch Vergleich mit der an dieser Stelle laserinduzierten Partikeltemperatur T eine Normierungsfunktion oder ein Normierungsfaktor für das Tem peraturprofil gewonnen. Prinzipiell kann die temperaturnor mierende Messung mit einem beliebigen Temperatursensor, z. B. einem Thermoelement, oder pyrometrisch durchgeführt werden. Besonders zuverlässig ist es, die ursprüngliche Gas temperatur T0 durch eine über das Temperaturprofil räumlich gemittelte pyrometrische Messung zu bestimmen und den Mit telwert des Partikeltemperaturprofils gleich T0 zu setzen.Another embodiment of the invention also relates to the determination of a spatial temperature profile. As described above, a temperature profile at a particle temperature T is determined by laser-induced white-hot pyrometry, but then a gas or starting temperature T 0 is measured locally or spatially averaged over the temperature profile without laser excitation, and finally the temperature profile is standardized to the starting temperature T 0 . For example, a gas temperature T 0 at a predeterminable point in the temperature profile, e.g. B. measured at the edge in the gas flow channel 3 , without laser excitation and obtained by comparison with the laser-induced particle temperature T at this point a normalization function or a normalization factor for the temperature profile. In principle, the temperature-normalizing measurement can be made with any temperature sensor, e.g. B. a thermocouple, or pyrometric. It is particularly reliable to determine the original gas temperature T 0 by means of a pyrometric measurement spatially averaged over the temperature profile and to set the mean value of the particle temperature profile equal to T 0 .
In diesem Ausführungsbeispiel werden also zwei unabhängige Messungen durchgeführt. Vorteilhaft ist, dass die Normierung eine sehr einfache und zuverlässige Bestimmung der Gastempe ratur T0 erlaubt. Dabei entfällt insbesondere die theoreti sche Modellierung für die Leistungsbilanz der Partikel 14. In this exemplary embodiment, two independent measurements are therefore carried out. It is advantageous that the standardization allows a very simple and reliable determination of the gas temperature T 0 . In particular, the theoretical modeling for the power balance of the particles 14 is omitted.
Die Erfindung gemäss Fig. 1 hat auch eine Vorrichtung 1 zur Ausführung des oben dargelegten Temperaturmessverfahrens zum Gegenstand. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Temperatursensor 1a und eine Messeinrichtung 1b, die zur Ausführung des oben dargelegten Temperaturmessverfahrens ausgestaltet sind. Hierzu ist in einer Gasturbine ein optischer Kanal 2 zu ei nem Gasstromkanal 3 eingelassen, ist im optischen Kanal 2 der Temperatursensor 1a montiert, der eine Zuführungsfaser 4 für den Laserstrahl 7 und mindestens eine Rückführungsfaser 5 für die pyrometrische Strahlung umfasst, und sind die Zu führungsfaser 4 und die Rückführungsfaser 5 mit der Messap paratur 1b verbunden. Bevorzugt ist die Rückführungsfaser ein orientiertes Faserbündel 5 und sind am Ende des opti schen Kanals 2 eine Laseroptik 6; 6a, 6b zur Ausrichtung des Laserstrahls 7 quer zum Gasstromkanal 3 und eine Empfangsop tik 11 für eine zum Laserstrahl 7 geneigte Beobachtungsrich tung 9 für pyrometrische Strahlung montiert. Die Laseroptik 6 soll eine Sammellinse 6a und einen Spiegel 6b und die Emp fangsoptik 11 eine Sammelinse 11 umfassen. Beansprucht wird auch eine Gasturbine, die zur Aufnahme einer solchen Vor richtung und/oder zur Ausführung des erfindungsgemässen Tem peraturmessverfahrens ausgestaltet ist. The invention according to FIG. 1 also has a device 1 for performing the temperature measurement method set out above for the article. The device 1 comprises a temperature sensor 1 a and a measuring device 1 b, which are designed to carry out the temperature measurement method set out above. For this purpose, an optical channel 2 to egg nem gas flow channel 3 is embedded in a gas turbine, the temperature sensor 1 a is mounted in the optical channel 2, which comprises a feed fiber 4 for the laser beam 7 and at least one return fiber 5 for the pyrometric radiation, and are the Zu guide fiber 4 and the feedback fiber 5 connected to the measurement apparatus 1 b. The return fiber is preferably an oriented fiber bundle 5 and at the end of the optical channel 2, a laser optics 6 ; 6 a, 6 b for aligning the laser beam 7 transversely to the gas flow channel 3 and a receiving optics 11 for an inclined to the laser beam 7 observation direction 9 for pyrometric radiation. The laser optical system 6 to a collector lens 6 and a mirror 6 a b and the Emp catch optics 11 comprise a Sammelinse. 11 A gas turbine is also claimed which is designed to accommodate such a device and / or to carry out the temperature measurement method according to the invention.
11
Temperaturmesseinrichtung
Temperature measuring device
11
a Temperatursensor
a temperature sensor
11
b Messapparatur
b Measuring equipment
22nd
Optischer Kanal
Optical channel
33rd
Gasstromkanal
Gas flow channel
44th
Zuführungsfaser für Laserstrahl
Feed fiber for laser beam
55
Rückführungsfaser für pyrometrische Strahlung, Fa
serbündel
Feedback fiber for pyrometric radiation, fiber bundle
66
Laseroptik
Laser optics
66
a Sammellinse
a converging lens
66
b Spiegel
b mirror
77
Laserstrahl, Laserpuls
Laser beam, laser pulse
88th
Anregungsgebiet
Excitation area
99
Beobachtungsrichtung für pyrometrische Strahlung
Direction of observation for pyrometric radiation
1010th
Messpunkte
Measuring points
1111
Empfangsoptik, Sammellinse
Reception optics, converging lens
1212th
gasförmiges Medium, Heissgas, Flamme
gaseous medium, hot gas, flame
1313
Gasströmung, Flammenfront
Gas flow, flame front
1414
Partikel, Russpartikel
Particles, soot particles
Claims (11)
- a) die Partikel (14) ausgehend von einer Ausgangstempe ratur T0 durch einen Laserpuls (7) erhitzt werden,
- b) eine induzierte Emission gemessen und pyrometrisch eine Partikeltemperatur T bestimmt wird und
- c) aus der Partikeltemperatur T durch eine Rechenvor schrift die Ausgangstemperatur T0 bestimmt wird.
- a) the particles ( 14 ) are heated from a starting temperature T 0 by a laser pulse ( 7 ),
- b) an induced emission is measured and a particle temperature T is determined pyrometrically and
- c) the initial temperature T0 is determined from the particle temperature T by means of a calculation.
- a) die Partikel Russpartikel (14) sind und/oder
- b) eine Laserpuls-Wellenlänge λ ausserhalb einer Mole külresonanz des gasförmigen Mediums (12), insbesonde re λ = 1064 nm (Nd:YAG) oder λ = 532 nm, verwendet wird und/oder
- c) eine Laserpuls-Energie EL<10 mJ, vorzugsweise EL<30 mJ, besonders bevorzugt EL<50 mJ, verwendet wird.
- a) the particles are soot particles ( 14 ) and / or
- b) a laser pulse wavelength λ outside a mole of coolant resonance of the gaseous medium ( 12 ), in particular re λ = 1064 nm (Nd: YAG) or λ = 532 nm, is used and / or
- c) a laser pulse energy E L <10 mJ, preferably E L <30 mJ, particularly preferably E L <50 mJ, is used.
- a) ein zeitlicher Verlauf, insbesondere ein Abklingver halten, der Partikeltemperatur T gemessen und daraus die Ausgangstemperatur T0 berechnet wird,
- b) insbesondere dass die Ausgangstemperatur T0 mit Hilfe einer Leistungsbilanzgleichung für ein Partikel (14) berechnet wird und
- c) insbesondere, dass T0 gemäss der Gleichung
T0 = T - (Pabs - Prad - PQ - ΔV)/K1
berechnet wird, wobei Pabs = absorbierte Laserleistung, Prag = Strahlungsverlustleistung, PQ = Wärmeleistung bei Temperaturänderung, ΔV = Verlustleistung durch laserin duzierte Verbrennung und K1 = Wärmeleitungskonstante eines Partikels (14) bezeichnen.
- a) a time course, in particular a decay behavior, is measured for the particle temperature T and the starting temperature T 0 is calculated therefrom,
- b) in particular that the initial temperature T 0 is calculated using a power balance equation for a particle ( 14 ) and
- c) in particular that T 0 according to the equation
T 0 = T - (P abs - P rad - P Q - ΔV) / K 1
is calculated, where P abs = absorbed laser power, Prague = radiation power loss, P Q = heat power when the temperature changes, ΔV = power loss due to laser-induced combustion and K 1 = heat conduction constant of a particle ( 14 ).
- a) die Wärmeleitungskonstante K1 = π.d2.NP.Λ ist, wobei ein Partikel (14) typischerweise NP kettenförmig agglome rierte Primärpartikel vom Durchmesser d enthält, und Λ = Langmuir-Wärmetransferkoeffizient und/oder
- b) Pabs = Ca.q, wobei Ca = Rayleigh-Absorptionsquerschnitt ei nes Partikels (14) und q = Lasersendeleistung und/oder
- c) Prad = 4.Ca.σ.T4. wobei Ca = Rayleigh-Absorptionsquerschnitt eines Partikels (14) und σ = Boltzmann-Konstante und/ oder
- d) PQ = C.ρ*V*dT/dt, wobei C = spezifische Wärme, ρ = Dichte, V = Volumen eines Partikels (14) und dT/dt = Änderung der laserinduzierten Partikeltemperatur T pro Zeit und/ oder
- e) ΔV = Hv/MV.dM/dt, wobei Hv = Verbrennungswärme, MV = Moleku largewicht und dM/dt = Molekulargewichtsänderung pro Zeit eines Partikels (14).
- a) the heat conduction constant K 1 = π.d 2 .N P .Λ, where a particle ( 14 ) typically contains N P chain-like agglomerated primary particles of diameter d, and Λ = Langmuir heat transfer coefficient and / or
- b) P abs = C a .q, where C a = Rayleigh absorption cross section of a particle ( 14 ) and q = laser transmission power and / or
- c) P rad = 4.C a .σ.T 4 . where C a = Rayleigh absorption cross section of a particle ( 14 ) and σ = Boltzmann constant and / or
- d) P Q = C.ρ * V * dT / dt, where C = specific heat, ρ = density, V = volume of a particle ( 14 ) and dT / dt = change in the laser-induced particle temperature T per time and / or
- e) ΔV = H v / M V .dM / dt, where H v = heat of combustion, M V = molecular weight and dM / dt = molecular weight change per time of a particle ( 14 ).
- a) eine konstante Laserpulsenergie verwendet wird und aus einem Intensitätsverhältnis bei zwei unterschied lichen Wellenlängen λa, λb eine Partikeltemperatur T bestimmt wird und/oder
- b) pyrometrisch eine spektrale Lage der maximalen Strah lungsintensität und daraus eine Partikeltemperatur T bestimmt wird und
- c) insbesondere dass Wellenlängen λa, λb in der Nähe des Maximums einer Schwarzkörperstrahlung mit einem spek tralen Abstand λa-λb<100 nm, vorzugsweise λa-λb ≈ 50 nm, und schmalbandig, vorzugsweise Δλa ≈ Δλb < 10 nm, verwen det werden.
- a) a constant laser pulse energy is used and a particle temperature T is determined from an intensity ratio at two different wavelengths λ a , λ b and / or
- b) pyrometrically a spectral location of the maximum radiation intensity and from this a particle temperature T is determined and
- c) in particular that wavelengths λ a , λ b in the vicinity of the maximum of blackbody radiation with a spectral distance λ a -λ b <100 nm, preferably λ a -λ b ≈ 50 nm, and narrowband, preferably Δλ a ≈ Δλ b <10 nm can be used.
- a) ein ein- oder zweidimensionales Temperaturprofil da durch bestimmt wird, dass mit dem Laserpuls (7) ein längliches oder flächenhaftes Anregungsgebiet (8) im gasförmigen Medium (11) bestrahlt wird und im Anre gungsgebiet (8) punktweise (10) pyrometrische Messun gen durchgeführt werden und
- b) insbesondere dass ein Laserstrahl (7) quer zu einem Gasstromkanal (3) einer Turbine gesendet wird und un ter einer zum Laserstrahl (7) geneigten Beobachtungs richtung (9) punktweise (10) pyrometrisch ein linea res Gastemperaturprofil über einen beleuchteten Quer schnitt des Gasstromkanals (3) bestimmt wird,
- a) a one- or two-dimensional temperature profile because it is determined that with the laser pulse ( 7 ) an elongated or flat excitation area ( 8 ) in the gaseous medium ( 11 ) is irradiated and in the excitation area ( 8 ) point by point ( 10 ) pyrometric measurements be carried out and
- b) in particular that a laser beam ( 7 ) is sent transversely to a gas flow channel ( 3 ) of a turbine and pyrometric by means of a linear gas temperature profile over an illuminated cross section of the laser beam ( 7 ) inclined observation direction ( 9 ) point by point ( 10 ) Gas flow channel ( 3 ) is determined
- a) ein Temperaturprofil bei einer Partikeltemperatur T bestimmt wird,
- b) ohne Laseranregung eine Ausgangstemperatur T0 lokal oder über das Temperaturprofil räumlich gemittelt ge messen wird und
- c) das Temperaturprofil auf die Ausgangstemperatur T0 normiert wird.
- a) a temperature profile is determined at a particle temperature T,
- b) an initial temperature T 0 is measured locally or averaged over the temperature profile without laser excitation and
- c) the temperature profile is normalized to the initial temperature T 0 .
- a) in einer Gasturbine ein optischer Kanal (2) zu einem Gasstromkanal (3) eingelassen ist,
- b) im optischen Kanal (2) der Temperatursensor (1a), um fassend eine Zuführungsfaser (4) für den Laserstrahl (7) und mindestens eine Rückführungsfaser (5) für die pyrometrische Strahlung, montiert ist,
- c) die Zuführungsfaser (4) und die Rückführungsfaser (5) mit der Messapparatur (1b) verbunden sind und
- d) der Temperatursensor (1a) und die Messapparatur (1b) zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprü che 1-8 ausgestaltet sind.
- a) an optical channel ( 2 ) to a gas flow channel ( 3 ) is let into a gas turbine,
- b) the temperature sensor ( 1 a) is mounted in the optical channel ( 2 ) in order to include a feed fiber ( 4 ) for the laser beam ( 7 ) and at least one return fiber ( 5 ) for the pyrometric radiation,
- c) the feed fiber ( 4 ) and the return fiber ( 5 ) are connected to the measuring apparatus ( 1 b) and
- d) the temperature sensor ( 1 a) and the measuring apparatus ( 1 b) are designed to carry out the method according to one of claims 1-8.
- a) die Rückführungsfaser ein orientiertes Faserbündel (5) ist und
- b) am Ende des optischen Kanals (2) eine Laseroptik (6; 6a, 6b) zur Ausrichtung des Laserstrahls (7) quer zum Gasstromkanal (3) und eine Empfangsoptik (11) für ei ne zum Laserstrahl (7) geneigte Beobachtungsrichtung (9) für pyrometrische Strahlung montiert sind.
- a) the return fiber is an oriented fiber bundle ( 5 ) and
- b) at the end of the optical channel ( 2 ), laser optics ( 6 ; 6 a, 6 b) for aligning the laser beam ( 7 ) transversely to the gas flow channel ( 3 ) and receiving optics ( 11 ) for ei ne inclined to the laser beam ( 7 ) observation direction ( 9 ) are mounted for pyrometric radiation.
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