EP1910787A1 - Device for determining a gas temperature - Google Patents

Device for determining a gas temperature

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Publication number
EP1910787A1
EP1910787A1 EP06792654A EP06792654A EP1910787A1 EP 1910787 A1 EP1910787 A1 EP 1910787A1 EP 06792654 A EP06792654 A EP 06792654A EP 06792654 A EP06792654 A EP 06792654A EP 1910787 A1 EP1910787 A1 EP 1910787A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
radiation
arrangement according
radiation source
detection device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06792654A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Maximilian Fleischer
Rainer Strzoda
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1910787A1 publication Critical patent/EP1910787A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0014—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiation from gases, flames
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0896—Optical arrangements using a light source, e.g. for illuminating a surface

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for determining the gas temperature of a gas according to the preamble of claim 1 and to a use of the arrangement for determining the gas temperature of a gas.
  • Objects for example, receives an opposite wall and therefore mainly a statement about the temperature of this wall allows, but not about the temperature of the gas to be measured.
  • thermocouples Another known method of measuring gas temperature is the use of thermocouples. These have the disadvantage that the gas temperature can only be determined selectively at the locations where thermocouples are mounted. Furthermore, thermocouples have the disadvantage that due to the low heat capacity of gases and the necessary mechanical suspension of a thermocouple, a measurement error caused by heat conduction through the suspension. A third disadvantage of thermocouples is that they must be in direct contact with the gas to be measured and therefore relatively quickly destroyed under extreme conditions such as a corrosive gas or high temperature and are therefore poorly suited for continuous measurement.
  • thermocouples More suitable as a pyrometer or thermocouples is therefore the known way to determine the gas temperature by means of absorption spectroscopy.
  • electromagnetic radiation in many cases in the near infrared range, is passed through the gas. As it passes through the gas, part of the radiation is absorbed by the gas and the radiation intensity arriving at a receiver is thereby reduced.
  • absorption lines i. in narrow wavelength ranges, instead.
  • absorption lines occur in large numbers.
  • the strength of the absorption in the individual lines is primarily dependent on the type of gas, its concentration and the wavelength of the radiation. Furthermore, the absorption is also dependent on the temperature of the gas. In addition, the change in absorption at a
  • the temperature measurement it is sufficient for the temperature measurement to measure the absorption of two arbitrary lines with different temperature response, and to use the temperature-dependent ratio as a measure of the temperature.
  • Tunable laser diodes are preferably used to generate the electromagnetic radiation.
  • Tunable laser diodes are those laser diodes in which the wavelength of the emitted radiation can be changed (tuned). A change is usually caused by a change in the temperature or the operating current of the laser diode or a combination of these two parameters. Since the tuning range of the Laser diodes is generally limited, you need in the case of temperature measurement with laser diodes usually two lasers in order to use the optimal absorption lines for the measurement can. In favorable cases, such as the absorption spectrum of water, the measurement is also possible with a laser diode.
  • the known methods of spectroscopy with laser diodes are available.
  • WMS derivative spectroscopy
  • a laser diode is periodically tuned, i. the emission wavelength is periodically modulated over a certain interval.
  • 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 narrow-band, phase-sensitive detected at the frequency of the small signal modulation (If) and the double frequency (2f). The resulting signal a
  • Absorption line corresponds approximately to the first and the second derivative of the absorption curve. From the IF 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 lf 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 one
  • a disadvantage of absorption spectroscopy is that the laser diodes and detectors used are sensitive and not to high temperatures or corrosive environments be exposed. This disadvantage is usually circumvented by the fact that both the laser diodes and the detectors are mounted outside a gas container and the path of the electromagnetic radiation passes through windows in the wall of the gas container. In each case, a correspondingly configured window is provided in the wall for the entry and exit of the radiation.
  • the object underlying the invention is to provide an improvement in temperature measurement with absorption spectroscopy.
  • Gas container determined, wherein at least one radiation source for the emission of radiation is used and at least one detection device for receiving the radiation.
  • the radiation source and the detection device are arranged outside the gas container. Furthermore, there is a
  • Evaluation device for determining the gas temperature from the radiation received by the detection device used. 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 arranged in such a way to the input / output device that the radiation reflected in the gas container is received by the detection device.
  • the arrangement according to the invention has the advantage that the number of required input / output devices is reduced. For example, for a radiation source and for a detection device, only one more input has to be provided.
  • the gas present in the gas container 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.
  • the gas container can be of various shapes, for example, the envelope of a gas turbine or a gas pipe leading. It is not necessary that the gas container is closed, for example, comes as a gas container and the envelope of a jet engine of an aircraft in question.
  • all radiation emitting devices in question for example, laser diodes, light-emitting diodes but also lamps, such as incandescent or mercury vapor lamps.
  • Other possible radiation sources are single-mode VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) and optical parametric oscillators.
  • the radiation emitted by the radiation source must fall at least partially into an area which is absorbed by a part of the gas to be measured in the gas container. This is usually radiation ranging from microwaves to ultraviolet.
  • the detection device in turn must 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, e.g. 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, i. a mercury
  • Cadmium telluride photoresistor As a diode, for example, an InGaAs diode can be used.
  • the radiation source and the detection device must be arranged outside the gas container. Is this
  • Detection device from the influences of the gas such. the high temperature or the corrosive action of the gas must be protected. In the case of the jet engine, they must be located on the side of the engine body, ie outside the exiting gas stream.
  • the evaluation device for determining the gas temperature of the gas from the radiation received by the detection device may, for example, be a computer with software or a dedicated electronic unit with a microprocessor.
  • the evaluation device is designed such that the gas temperature is determined by means of a known evaluation method from the recorded radiation intensities.
  • the bidirectional input / output device in a wall of the gas container may for example be a window. It must be at least partially permeable to the radiation emitted by the radiation source, both into the gas container and out of the gas container.
  • the radiation emitted by the radiation source is reflected in the gas container at least once.
  • the reflection can be at any inner surface of the
  • Gas container take place.
  • the reflection in a gas turbine may take place on a part of the axis of the turbine.
  • Another example is the reflection at a location of the inner wall of the gas container.
  • An advantageous embodiment and development of the invention results from the fact that an inner surface of the gas container has at least partially at least low reflection properties.
  • Another possibility is to design the inner surface of the gas container in such a way that contamination that occurs elsewhere is prevented in the long term, for example by a heater which prevents sooting.
  • the inner surface can only diffusely reflect. This results in the advantage that no special treatment of the inner surface is necessary and in environments with high demands, for example. Gas turbines with high pressures and / or temperatures, the necessary surfaces, such as ceramic coatings, regardless of their reflectivity can be used.
  • a further advantageous embodiment and development of the invention is that the inner surface is mirrored or as a retroreflector, i. as a reflector that reflects light in the direction from which it is incident.
  • the VerLiteung can be done for example by polishing the inner surface or by a corresponding paint.
  • the inner surface lies on the inside of a wall of the gas container.
  • the inner surface may lie on another surface in the gas container.
  • This can be, for example, the axis of a gas turbine located in the gas container.
  • a radial light path here is a path from the edge to the center of the gas container, that is, for example, from the edge to the axis of a gas turbine.
  • 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 use filters in conjunction with broadband emitting radiation sources. This results in the advantage that the evaluation is simplified by the small width of the emitted radiation.
  • Development of the invention comes as a radiation source laser diode used, in particular a tunable laser diode.
  • a further advantageous embodiment and development of the invention results from the fact that two laser diodes are used as the radiation source.
  • the evaluation device is designed such that the gas temperature is determined by means of the known derivative spectroscopy. This results in the advantage that the determination of the gas temperature of the gas is simplified.
  • a further advantageous embodiment and development of the invention results from the fact that outside the gas container means for conducting radiation, in particular optical waveguides are arranged, for guiding the radiation from the input / output device to Detection device and / or from the radiation source to the input / output device.
  • optical waveguides Advantage of the use of optical waveguides is further that absorption outside the gas container is excluded by there existing gases.
  • a further advantageous embodiment and development of the invention consists in that a plurality of radiation sources and detection devices are used.
  • a detection device receives the radiation of a plurality of radiation sources, for example a detection device for two radiation sources.
  • Gas can be measured at several points within the gas container and thus a more accurate temperature profile can be determined.
  • a further advantageous embodiment and development of the invention results from the fact that exactly one radiation source and exactly one detection device as well as a plurality of input / output devices and optical waveguides are used to guide the radiation between the radiation source and the detection device and input / output device. This results in the advantage that with only one radiation source and only one detection device, the gas temperature can be measured at several locations in the gas container.
  • the radiation source and the detection device are arranged in a rotating element, wherein the gas container encloses the element at least partially.
  • the rotating element may for example be the hub of a rotating gas turbine.
  • the advantage of the arrangement of radiation source and detection device in the rotating element is that the temperature can be measured at many points within the gas container by measuring at different times and this can be done with only one radiation source and only one detection device.
  • a further advantage is that the number of points at which the temperature of the gas container is measured can be varied by varying the time interval between individual measurements with the existing arrangement.
  • the evaluation device can be designed so that the concentration of one, several or all components of the gas is determined.
  • information about the composition of the gas is therefore also advantageously available.
  • FIG. 1 shows an arrangement with a radiation source of a detection device and a window
  • FIG. 2 shows an arrangement with a radiation source of a detection device with four windows and optical waveguides
  • FIG 3 shows an arrangement with a radiation source and a detection device in a rotating element.
  • FIG. 1 the cross section of a gas-carrying tube R is shown. Outside the tube is located as a radiation source S, a laser diode that emits laser radiation L in the direction of the tube R.
  • the emitted radiation L enters through a window F in a wall of the pipe R in the gas-carrying pipe R, where it is reflected on the inside of the wall, in turn, passes through the window F and strikes a semiconductor detector E.
  • the gas carried in the pipe R contains oxygen. Therefore, the absorption of oxygen can be used to determine the gas temperature. Therefore, in turn, a single tunable laser diode as the light source is sufficient in this case.
  • the radiation L emitted by the laser diode S must be light in the wavelength range of approximately 762 nm. Since light with radiation of 762 nm wavelength is distant red light, a normal glass window suffices as window F. In an alternative embodiment, where the gas is very hot or under high pressure, another type of window must be used, for example, a thick quartz window. The radiation L is at the window F opposite inner wall of the
  • Tube R reflects.
  • the inner wall of the tube R is not specially prepared for this purpose. Rather, the diffuse reflection of the metal wall is sufficient.
  • the wall is specially polished at least at the location which serves for the reflection, in order to achieve a specular reflection.
  • a reflector attached to achieve very good reflection is at the appropriate spot.
  • the laser diode S is now set alternately to the wavelength of two absorption peaks of the oxygen.
  • Semiconductor detector E takes in each case the intensity of the light L after passing through the gas and thus determines the strength of the absorption. From the ratio of the absorption at both wavelengths, the temperature of the gas in the tube R is determined therefrom with the aid of a characteristic curve. The temperature thus determined corresponds to an average temperature along the light path through the gas.
  • the gas temperature of the gas in the tube R is highly inhomogeneous. This can e.g. occur when the flame in one of the combustion chambers fails.
  • a further pair of radiation source, ie laser diode, and radiation detector is added to the exemplary embodiment according to FIG.
  • the arrangement of the second radiation source, the second detector and the associated second window in the wall of the tube is offset by 90 ° to the first group of these elements. There are thus two beam paths for the radiation through the tube, which are each offset by 90 ° to each other, and we obtain a more accurate temperature profile by two temperature averages.
  • FIG. 2 Further advantages of the invention can be seen from the arrangement according to FIG. 2, in which again a radiation source S consisting of two laser diodes is used. 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, the falls vertically through a window F, hits the axis A of the gas turbine.
  • 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.
  • the arrangement of light source S and detector E with respect to the tube is almost arbitrary.
  • 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.
  • 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.
  • the use of the optical waveguide fiber eliminates interference by existing outside of the gas pipe gases.
  • only a single window can be used in the gas turbine, together with a radiation source and a detector.
  • Gas container measured to the axis of the gas turbine out As in the other embodiments, the measured temperature corresponds to a mean temperature along the path through which the radiation passes.
  • two windows are used together with a radiation source and a detector.
  • the radiation enters through one of the windows and after the reflection on the axis of the gas turbine through the other window again out.
  • FIG. 3 Another embodiment according to FIG. 3 again shows a gas-carrying tube R. Located in the middle of the tube is a rotating continuation A of the axis of a gas turbine. Within this continuation A, in this exemplary embodiment, the radiation source S and the detector E are located. In a wall of this continuation A, the window F is located in this case, which allows the passage of the radiation L into the gas pipe R.
  • the time interval of the measurements is selected so that a temperature value is determined for every 10 degrees of angle.
  • any other value for the distance of the measurements, or a variable adjustment of the distance For example, it could be decided on the basis of previous measurement results to measure a certain angular range more accurately than other angular ranges.
  • the time interval can also be selected fixed so that the angular distance of the individual measuring points depends on the rotational speed of the gas turbine.
  • the measuring method may be at high pressures and / or
  • Temperatures are used. Especially when used with gas turbines as in the examples according to FIGS. 2 and 3, pressures> 10 bar and gas temperatures> 1000 ° C. can occur.

Abstract

A gas temperature determination in a gas container is carried out by using at least one radiation source and at least one detection device for receiving the radiation emitted by the radiation source. Said radiation source and detection device are arranged outside the gas container. In addition, an evaluation device is used for determining the gas temperature according to the radiation received by the detection device. At least one bi-directional input/output device is placed in the gas container wall. The radiation source and detection device are positioned with respect to the input/output device in such a way that the radiation reflected in the gas container is received by the detection device.

Description

Beschreibungdescription
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 use of the arrangement for determining the gas temperature of a gas
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Gastemperatur eines Gases gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verwendung der Anordnung zur Bestimmung der Gastemperatur eines Gases.The invention relates to an arrangement for determining the gas temperature of a gas according to the preamble of claim 1 and to 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 festenIn plants such as gas turbines or aircraft jet engines, the problem arises of determining the temperature of a gas. For this purpose, various methods are known. For example, one can try to measure the gas temperature by means of a so-called. Pyrometer. A pyrometer detects heat radiation and can therefore make a statement about the temperature in the environment. However, the low density of gases under normal conditions means that a pyrometer is essentially the heat radiation of solid
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.Objects, for example, receives an opposite wall and therefore mainly a statement about the temperature of this wall allows, but not about 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 lässt, 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.Another known method of measuring gas temperature is the use of thermocouples. These have the disadvantage that the gas temperature can only be determined selectively at the locations where thermocouples are mounted. Furthermore, thermocouples have the disadvantage that due to the low heat capacity of gases and the necessary mechanical suspension of a thermocouple, a measurement error caused by heat conduction through the suspension. A third disadvantage of thermocouples is that they must be in direct contact with the gas to be measured and therefore relatively quickly destroyed under extreme conditions such as a corrosive gas or high temperature and are therefore poorly suited for continuous measurement.
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.More suitable as a pyrometer or thermocouples is therefore the known way to determine the gas temperature by means of absorption spectroscopy. In this case, electromagnetic radiation, in many cases in the near infrared range, is passed through the gas. As it passes through the gas, part of the radiation is absorbed by the gas and the radiation intensity arriving at a receiver is thereby reduced.
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 einerAs a rule, strong absorption is found in so-called absorption lines, i. in narrow wavelength ranges, instead. These absorption lines occur in large numbers. The strength of the absorption in the individual lines is primarily dependent on the type of gas, its concentration and the wavelength of the radiation. Furthermore, the absorption is also dependent on the temperature of the gas. In addition, the change in absorption at a
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.Change in temperature, i. the temperature response, depending on the wavelength considered, i. the ratio of 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 sufficient for the temperature measurement to measure the absorption of two arbitrary lines with different temperature response, and to use the temperature-dependent ratio as a measure of the temperature.
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 .Tunable laser diodes are preferably used to generate the electromagnetic radiation. Tunable laser diodes are those laser diodes in which the wavelength of the emitted radiation can be changed (tuned). A change is usually caused by a change in the temperature or the operating current of the laser diode or a combination of these two parameters. Since the tuning range of the Laser diodes is generally limited, you need in the case of temperature measurement with laser diodes usually two lasers in order to use the optimal absorption lines for the measurement can. In favorable cases, such as the absorption spectrum of water, the measurement is also possible with a laser diode.
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 (If) und der doppelten Frequenz (2f) detektiert. Das resultierende Signal einerAs 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, i. 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 narrow-band, phase-sensitive detected at the frequency of the small signal modulation (If) and the double frequency (2f). The resulting signal a
Absorptionslinie entspricht näherungsweise der ersten bzw. der zweiten Ableitung der Absorptionskurve. Aus dem lf-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 lf- 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 aktuellenAbsorption line corresponds approximately to the first and the second derivative of the absorption curve. From the IF 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 lf 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 one
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.Gas concentration. 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.A disadvantage of absorption spectroscopy is that the laser diodes and detectors used are sensitive and not to high temperatures or corrosive environments be exposed. This disadvantage is usually circumvented by the fact that both the laser diodes and the detectors are mounted outside a gas container and the path of the electromagnetic radiation passes through windows in the wall of the gas container. In each case, a correspondingly configured window is provided in the wall for the entry and exit of the radiation.
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.A further disadvantage arises when there are objects in the gas container which block the light path, such as e.g. a gas turbine. In this case, the ability to measure temperatures is limited by the blockage of light paths through the gas container.
Aus dieser Vorgehensweise ergibt sich jedoch ein weitererFrom this approach, however, there is another
Nachteil. Ist das Gas korrosiv oder herrschen im Gasbehältnis hoher Druck oder hohe Temperaturen oder beides, so ist der Einbau dieser Fenster problematisch.Disadvantage. If the gas is corrosive or high pressure in the gas container or high temperatures 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 object underlying the invention is to provide an improvement in temperature measurement with absorption spectroscopy.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei wird die Gastemperatur eines Gases in einemThis object is achieved by an arrangement according to claim 1. Here, the gas temperature of a gas in a
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 eineGas container determined, wherein at least one radiation source for the emission of radiation is used and at least one detection device for receiving the radiation. The radiation source and the detection device are arranged outside the gas container. Furthermore, there is a
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. 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-Evaluation device for determining the gas temperature from the radiation received by the detection device used. 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 arranged in such a way to the input / output device that the radiation reflected in the gas container is received by the detection device. The arrangement according to the invention has the advantage that the number of required input / output devices is reduced. For example, for a radiation source and for a detection device, only one more input has to be provided.
/Auskopplungseinrichtung vorgesehen werden. Dies wiederum hat den Vorteil, dass die Bereitstellung der Anordnung üblicherweise kostengünstiger und einfacher wird./ Decoupling device can be provided. This in turn has the advantage that the provision of the arrangement is usually cheaper and easier.
Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass bestimmte Eigenschaften des Gasbehältnisses, beispielsweise die Verwindungs- steifigkeit 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-/Auskopplungs- einrichtungen. Auch die Sicherheit des Aufbaus wird dadurch verbessert .Furthermore, there is the advantage that certain properties of the gas container, for example, the torsional stiffness or the temperature resistance are less adversely affected. This results in the particular advantage that when hot or corrosive gases or at high pressures, the provision of the arrangement is significantly simplified by the reduction in the number of input / output devices. The safety of the structure is thereby 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 gas present in the gas container 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 of various shapes, for example, the envelope of a gas turbine or a gas pipe leading. It is not necessary that the gas container is closed, for example, comes as a gas container and the envelope of 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. 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.As a radiation source, all radiation emitting devices in question, for example, laser diodes, light-emitting diodes but also lamps, such as incandescent or mercury vapor lamps. Other possible radiation sources are single-mode VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) and optical parametric oscillators. The radiation emitted by the radiation source must fall at least partially into an area which is absorbed by a part of the gas to be measured in the gas container. This is usually radiation ranging from 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-The detection device in turn must 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, e.g. 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, i. a mercury
Kadmium-Tellurid-Photowiderstand. Als Diode kann bspw. eine InGaAs-Diode zum Einsatz kommen.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 dasThe radiation source and the detection device must be arranged outside the gas container. Is this
Gasbehältnis nicht geschlossen, wie z.B. bei der Umhüllung eines Strahltriebwerks eines Flugzeugs, so bedeutet dies lediglich, dass die Strahlungsquelle und dieGas container not closed, e.g. in the coating of a jet engine of an aircraft, this only means that the radiation source and the
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.Detection device from the influences of the gas, such. the high temperature or the corrosive action of the gas must be protected. In the case of the jet engine, they must be located on the side of the engine body, ie outside the exiting gas stream.
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. 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 evaluation device for determining the gas temperature of the gas from the radiation received by the detection device may, for example, be a computer with software or a dedicated electronic unit with a microprocessor. The evaluation device is designed such that the gas temperature is determined by means of a known evaluation method from the recorded radiation intensities. The bidirectional input / output device in a wall of the gas container may for example be a window. It must be at least partially permeable to the radiation emitted by the radiation source, both into the gas container and 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 desThe radiation emitted by the radiation source is reflected in the gas container at least once. The reflection can be at any inner surface of the
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.Gas container take place. For example, the reflection in a gas turbine may take place on a part of the axis of the turbine. Another example is the reflection at a location 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 .An advantageous embodiment and development of the invention results from the fact that an inner surface of the gas container has at least partially at least low reflection 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.This can be realized, for example, by leaving a coating on a certain inner surface to take advantage of the reflectivity of the underlying metal. Another possibility is to design the inner surface of the gas container in such a way that contamination that occurs elsewhere is prevented in the long term, for example by a heater which prevents sooting.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die reflektierte Strahlungsintensität erhöht wird und dadurch die Signalqualität verbessert wird und die Genauigkeit der Temperaturmessung verbessert wird.This results in the advantage that the reflected radiation intensity is increased and thereby the signal quality is improved and the accuracy of the temperature measurement is improved.
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.Alternatively, the inner surface can only diffusely reflect. This results in the advantage that no special treatment of the inner surface is necessary and in environments with high demands, for example. Gas turbines with high pressures and / or temperatures, the necessary surfaces, such as ceramic coatings, regardless of their reflectivity 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 a retroreflector, i. as a reflector that reflects light in the direction from which it is incident. The Verspiegelung can be done for example by polishing the inner surface or by a corresponding paint.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass durch die deutlicheThis results in the advantage that by the clear
Erhöhung der Reflexion die Signalqualität und dadurch die Genauigkeit der Temperaturmessung deutlich verbessert werden.Increase the reflection the signal quality and thereby the accuracy of the temperature measurement can be significantly improved.
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.Preferably, the inner surface lies on the inside of a wall of the gas container. Alternatively, the inner surface may lie on another surface in the gas container. This can be, for example, the axis of a gas turbine located in the gas container. 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 here is a path from the edge to the center of the gas container, that is, 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. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Auswertung durch die geringe Breite der emittierten Strahlung vereinfacht wird.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 use filters in conjunction with broadband emitting radiation sources. This results in the advantage that the evaluation is simplified by the small width of the emitted radiation.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung undIn a further advantageous embodiment and
Weiterbildung der Erfindung kommt als Strahlungsquelle eine Laserdiode zum Einsatz, insbesondere eine durchstimmbare Laserdiode .Development of the invention comes as a radiation source laser diode used, in particular a tunable laser diode.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass der Aufbau zurThis results in the advantage that the structure for
Vermessung der nötigen zwei Absorptionslinien vereinfacht wird.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 two laser diodes are used as the radiation source.
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.This results in the advantage that two such absorption lines can be measured, which can not be measured by means of a single tunable laser diode, since their spectral distance is too large. This in turn has the advantage that the most suitable absorption lines can be selected 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 the invention, the evaluation device is designed such that the gas temperature is determined by means of the known derivative spectroscopy. This results in the advantage that the determination of the gas temperature of 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 results from the fact that outside the gas container means for conducting radiation, in particular optical waveguides are arranged, for guiding the radiation from the input / output device to 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.This results in the advantage that the structure of the arrangement, in particular the arrangement of the radiation source and the detection device are flexibilized.
Vorteil der Verwendung von Lichtwellenleitern ist weiterhin, dass eine Absorption außerhalb des Gasbehältnisses durch dort vorhandene Gase ausgeschlossen ist.Advantage of the use of optical waveguides is further that absorption outside the gas container is excluded by there existing gases.
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 consists in that a plurality of radiation sources and detection devices are 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 purpose, it is necessary that several pairs of radiation sources and detection devices are used, for example four radiation sources and four detection devices. However, it is also possible that a detection device receives the radiation of a plurality of radiation sources, for example a detection device for two radiation sources.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Gastemperatur desThis results in the advantage that the gas temperature of
Gases an mehreren Stellen innerhalb des Gasbehälters gemessen werden kann und somit ein genaueres Temperaturprofil ermittelt werden kann.Gas can be measured at several points within the gas container and thus a more accurate temperature profile can be determined.
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. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass mit nur einer Strahlungsquelle und nur einer Detektionseinrichtung die Gastemperatur an mehreren Stellen im Gasbehältnis vermessen werden kann.A further advantageous embodiment and development of the invention results from the fact that exactly one radiation source and exactly one detection device as well as a plurality of input / output devices and optical waveguides are used to guide the radiation between the radiation source and the detection device and input / output device. This results in the advantage that with only one radiation source and only one detection device, the gas temperature can be measured at several locations in the gas container.
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 the invention, the radiation source and the detection device are arranged in a rotating element, wherein the gas container encloses the element at least partially. The rotating element may for example 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.The advantage of the arrangement of radiation source and detection device in the rotating element is that the temperature can be measured at many points within the gas container by measuring at different times and this can be done with only one radiation source and only one detection device.
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.A further advantage is that the number of points at which the temperature of the gas container is measured can be varied by varying the time interval between individual measurements 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.Preferably, the evaluation device can be designed so that the concentration of one, several or all components of the gas is determined. In addition to the temperature, information about the composition of the gas is therefore also advantageously 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 explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. Show
Figur 1 eine Anordnung mit einer Strahlungsquelle einer Detektionseinrichtung und einem Fenster, Figur 2 eine Anordnung mit einer Strahlungsquelle einer Detektionseinrichtung mit vier Fenstern und Lichtwellenleitern,1 shows an arrangement with a radiation source of a detection device and a window, FIG. 2 shows an arrangement with a radiation source of a detection device with four windows and optical waveguides,
Figur 3 eine Anordnung mit einer Strahlungsquelle und einer Detektionseinrichtung in einem rotierenden Element.3 shows an arrangement with a radiation source and a detection device in a rotating element.
In Figur 1 ist der Querschnitt eines Gas führenden Rohres R dargestellt. Außerhalb des Rohres befindet sich als Strahlungsquelle S eine Laserdiode, die Laserstrahlung L in Richtung des Rohres R emittiert.In Figure 1, the cross section of a gas-carrying tube R is shown. Outside the tube is located as a radiation source S, a laser diode that emits laser radiation L in the direction of the tube R.
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 enters through a window F in a wall of the pipe R in the gas-carrying pipe R, where it is reflected on the inside of the wall, in turn, passes through the window F and strikes 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 desIn this embodiment, the gas carried in the pipe R contains oxygen. Therefore, the absorption of oxygen can be used to determine the gas temperature. Therefore, in turn, a single tunable laser diode as the light source is sufficient in this case. The radiation L emitted by the laser diode S must be light in the wavelength range of approximately 762 nm. Since light with radiation of 762 nm wavelength is distant red light, a normal glass window suffices as window F. In an alternative embodiment, where the gas is very hot or under high pressure, another type of window must be used, for example, a thick quartz window. The radiation L is at the window F opposite inner wall of the
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.Tube R reflects. 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 an alternative embodiment, the wall is specially polished at least at the location which serves for the reflection, in order to achieve a specular reflection. In a further alternative embodiment is at the appropriate spot a reflector attached to achieve very good reflection.
Die Laserdiode S wird nun abwechselnd auf die Wellenlänge zweier Absorptionspeaks des Sauerstoffs eingestellt. DerThe laser diode S is now set alternately to the wavelength of two absorption peaks of the oxygen. Of the
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 .Semiconductor detector E takes in each case the intensity of the light L after passing through the gas and thus determines the strength of the absorption. From the ratio of the absorption at both wavelengths, the temperature of the gas in the tube R is determined therefrom with the aid of a characteristic curve. The temperature thus determined corresponds to 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 Figur 1 hinzugefügt. Dabei ist die Anordnung von der zweiten Strahlungsquelle, dem zweiten Detektor und dem dazugehörigen zweiten Fenster in der Wandung des Rohres um 90° zur ersten Gruppe dieser Elemente versetzt. Dadurch gibt es zwei Strahlwege für die Strahlung durch das Rohr, die jeweils um 90° zueinander versetzt sind, und man erhält ein genaueres Temperaturprofil durch zwei Temperaturdurchschnittswerte .In an alternative embodiment, it is possible that the gas temperature of the gas in the tube R is highly inhomogeneous. This can e.g. occur when the flame in one of the combustion chambers fails. In order to obtain a better information about the temperature of the gas here, a further pair of radiation source, ie laser diode, and radiation detector is added to the exemplary embodiment according to FIG. The arrangement of the second radiation source, the second detector and the associated second window in the wall of the tube is offset by 90 ° to the first group of these elements. There are thus two beam paths for the radiation through the tube, which are each offset by 90 ° to each other, and we obtain a more accurate temperature profile by two temperature averages.
Weitere Vorteile der Erfindung sind aus der Anordnung gemäß Figur 2 zu erkennen, bei der wiederum eine Strahlungsquelle S, bestehend aus zwei Laserdioden, zum Einsatz kommt. 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.Further advantages of the invention can be seen from the arrangement according to FIG. 2, in which again a radiation source S consisting of two laser diodes is used. 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, the falls vertically through a window F, hits 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. The use of the optical waveguide fiber eliminates interference by existing outside of the gas pipe gases.
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 Figur 2 die Gastemperatur entlang eines radialen Lichtwegs vom Rand desIn an alternative embodiment, only a single window can be used in the gas turbine, together with a radiation source and a detector. Here, as in the embodiment of FIG 2, the gas temperature along a radial light path from the edge of
Gasbehältnisses zur Achse der Gasturbine hin gemessen. Wie in den anderen Ausführungsbeispielen entspricht die gemessene Temperatur einer mittleren Temperatur entlang des Wegs, den die Strahlung durchläuft.Gas container measured to the axis of the gas turbine out. As in the other embodiments, the measured temperature corresponds to a mean temperature along the path through which the radiation passes.
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 a further alternative embodiment, two windows are used together with a radiation source and a detector. The radiation enters through one of the windows and after the reflection on the axis of the gas turbine through the other window again out.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 zeigt wiederum ein Gas führendes Rohr R. In der Mitte des Rohres befindet sich eine rotierende Fortsetzung A der Achse einer Gasturbine. Innerhalb dieser Fortsetzung A befinden sich in diesem Ausführungsbeispiel die Strahlungsquelle S und der Detektor E. In einer Wandung dieser Fortsetzung A befindet sich in diesem Fall das Fenster F, das den Durchtritt der Strahlung L in das Gasrohr R erlaubt.Another embodiment according to FIG. 3 again shows a gas-carrying tube R. Located in the middle of the tube is a rotating continuation A of the axis of a gas turbine. Within this continuation A, in this exemplary embodiment, the radiation source S and the detector E are located. In a wall of this continuation A, the window F is located in this case, which allows the passage of the radiation L into the gas pipe R.
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 einerAs a result of the rotation of the axis continuation A of the gas turbine, in which the radiation source S and the detector E are located, the light path of the radiation L passes over in the course of a
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.Rotation of continuation A the entire pipe cross section. In this case, sequential readout with specific time intervals enables very accurate temperature information within the tube R to be obtained.
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 selected so that a temperature value is determined for every 10 degrees of angle. But it is also possible any other value for the distance of the measurements, or a variable adjustment of the distance. For example, it could be decided on the basis of previous measurement results to measure a certain angular range more accurately than other angular 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 selected fixed so that the angular distance of the individual measuring points depends on the rotational speed of the gas turbine.
Das Messverfahren kann bei hohen Drücken und/oderThe measuring method may be at high pressures and / or
Temperaturen zum Einsatz kommen. Insbesondere bei der Verwendung bei Gasturbinen wie in den Beispielen gemäß der Figuren 2 und 3 können Drücke >10bar und Gastemperaturen >1000°C auftreten. Temperatures are used. Especially when used with gas turbines as in the examples according to FIGS. 2 and 3, pressures> 10 bar and gas temperatures> 1000 ° C. can occur.

Claims

Patentansprüche claims
1. Anordnung zur Bestimmung der Gastemperatur eines Gases in einem Gasbehältnis (R) mit wenigstens einer Strahlungsquelle (S) zur Emission von Strahlung (L) , wenigstens einer1. Arrangement for determining the gas temperature of a gas in a gas container (R) with at least one radiation source (S) for the emission of radiation (L), at least one
Detektionseinrichtung (E) zur Aufnahme der Strahlung (L) , wobei die Strahlungsquelle (S) und die DetektionseinrichtungDetection device (E) for receiving the radiation (L), wherein the radiation source (S) and the detection device
(E) außerhalb des Gasbehältnisses (R) angeordnet sind, weiterhin mit einer Auswertevorrichtung zur Ermittlung der Gastemperatur aus der von der Detektionseinrichtung (E) aufgenommenen Strahlung (L) , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine bidirektionale Ein-/Auskopplungseinrichtung(E) outside the gas container (R) are arranged, further comprising an evaluation device for determining the gas temperature from the detected by the detection device (E) radiation (L), characterized in that at least one bidirectional input / output device
(F) in einer Wandung des Gasbehältnisses (R) integriert ist und die Strahlungsquelle (S) und die Detektionseinrichtung (E) so zur Ein-/Auskopplungseinrichtung (F) angeordnet sind, dass die im Gasbehältnis (R) reflektierte Strahlung (L) von der Detektionseinrichtung (E) aufgenommen wird.(F) is integrated in a wall of the gas container (R) and the radiation source (S) and the detection device (E) to the input / output device (F) are arranged so that in the gas container (R) reflected radiation (L) of the detection device (E) is recorded.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere Fläche des Gasbehältnisses (R) zumindest teilweise wenigstens geringe Reflexionseigenschaften aufweist .2. Arrangement according to claim 1, characterized in that an inner surface of the gas container (R) at least partially has at least low reflection properties.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Fläche diffus reflektiert.3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the inner surface diffusely reflected.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Fläche verspiegelt ist oder als Retroreflektor ausgestaltet ist.4. Arrangement according to claim 2, characterized in that the inner surface is mirrored or designed as a retroreflector.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Fläche auf der Wandung des Gasbehältnisses (R) liegt.5. Arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that the inner surface lies on the wall of the gas container (R).
6. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Fläche auf der Achse einer im Gasbehältnis (R) angeordneten Gasturbine liegt. 6. Arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the inner surface lies on the axis of a gas container (R) arranged gas turbine.
7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (S) derart ausgestaltet ist, dass die Strahlung (L) monochromatisch ist.7. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation source (S) is designed such that the radiation (L) is monochromatic.
8. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquelle (S) eine Laserdiode, insbesondere eine durchstimmbare Laserdiode zum Einsatz kommt.8. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation source (S) is a laser diode, in particular a tunable laser diode is used.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquelle (S) zwei Laserdioden zum Einsatz kommen.9. Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that as a radiation source (S) two laser diodes are used.
10. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Gastemperatur mittels Derivativspektroskopie bestimmt wird.10. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device is designed such that the gas temperature is determined by means of derivative spectroscopy.
11. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Gasbehältnisses (R)11. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that outside of the gas container (R)
Einrichtungen zur Leitung von Strahlung (L) , insbesondere Lichtwellenleiter (LWL) angeordnet sind zur Leitung der Strahlung (L) von der Ein-/Auskopplungseinrichtung (F) zur Detektionseinrichtung (E) und/oder von der Strahlungsquelle (S) zur Ein-/Auskopplungseinrichtung (F) .Arrangements for conducting radiation (L), in particular optical waveguides (LWL) are arranged for guiding the radiation (L) from the input / output device (F) to the detection device (E) and / or from the radiation source (S) for input / Outcoupling device (F).
12. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Strahlungsquellen (S) und Detektionseinrichtungen (E) .12. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized by a plurality of radiation sources (S) and detection devices (E).
13. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch genau eine Strahlungsquelle (S) und genau eine Detektionseinrichtung (E) sowie eine Mehrzahl von Ein-/Auskopplungseinrichtungen (F) und Lichtwellenleiter (LWL) zur Leitung der Strahlung (L) zwischen Strahlungsquelle (S) , Detektionseinrichtung (E) und Ein- /Auskopplungseinrichtung (F) . 13. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized by exactly one radiation source (S) and exactly one detection device (E) and a plurality of input / output devices (F) and optical waveguides (LWL) for guiding the radiation (L) between the radiation source ( S), detection device (E) and input / output device (F).
14. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (S) und die Detektionseinrichtung (E) in einem rotierenden Element angeordnet sind, wobei das Gasbehältnis (R) das Element wenigstens teilweise umschließt.14. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation source (S) and the detection device (E) are arranged in a rotating element, wherein the gas container (R) enclosing the element at least partially.
15. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung derart ausgestaltet ist, dass zusätzlich zur Gastemperatur auch die Konzentration wenigstens einer Komponente des Gases ermittelt wird.15. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device is designed such that in addition to the gas temperature and the concentration of at least one component of the gas is determined.
16. Verwendung der Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche in einer Gasturbinenanlage. 16. Use of the arrangement according to one of the preceding claims in a gas turbine plant.
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