JP2014517274A - 流体の流速および温度の測定 - Google Patents

Abstract

予め定められた流体流空間を通る流体流の速度を監視する方法が提供される。光ファイバ導体は、流体流空間の一部分を横切って延在する延長された寸法を規定する流れ測定部を含む。流体流空間内の流体流により、光ファイバ導体の測定部が、延長された寸法を横切る方向に撓む。光ファイバ導体に光が供給され、供給された光が測定部を通った後に、光は光ファイバ導体から受信される。受信された光を解析して流体流の流速を決定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般に、流体流速度の測定に関し、より詳細には光を使用して流速を測定する方法およびシステムに関する。

発電の分野で使用される発電機は、基体（詳細には、積層された固定子コア又は回転子体）のスロットに押し込まれた多数の導体又は固定子棒を有する固定子巻線を含む。そのような発電機は、きわめて高額で長期投資となる。発電機の故障は、発電設備自体を危険にさらすだけでなく、修理と関連したダウンタイムによりきわめて深刻なサービス低下を引き起こす。そのような状態を回避するために、運転中の欠陥又は劣化を早期発見する診断システムが使用される。更に、診断システムは、利用レベルを高め、電力装置の財務的採算を高める。

例えば、発電機では、典型的には、水素又は空気が、固定子コアや巻線領域などの発電機の一部の冷却剤として使用され、更に、固定子コイルと回転子を冷却するために使用されることがある。発電機構成要素を適切に冷却するための通気は、設計に組み込まれており、一般に、発電機の連続的な安全運転に不可欠なことがある。発電機の故障による多くの問題および高くつく発電所停止は、不十分な通気、即ち、設計条件により通気が提供されないことに原因があることが分かった。詳細には、冷却流の意図しない流れ変化が、発電機の運転中に緩んだ部品、誤配置されたバッフル、封止ストリップの漏れ、および外れて移動した絶縁性充填剤ストリップによって引き起こされ、その結果、部品の過熱と絶縁不良が生じる。

既存の監視システムは、発電機内の選択位置の状態を示す温度の監視を含む。しかしながら、そのような温度監視は、発電機内の通気流の意図しない流れ変化の原因など、温度変化の原因に関する情報を提供しないことがある。

本発明の一態様によれば、予め定められた流体流空間を通る流体流の速度を監視する方法が提供される。この方法は、流体流空間の一部分を横切って延在する延長された寸法を規定する流れ測定部を有する光ファイバ導体を支持することを含む。流体流空間内の流体流により、光ファイバ導体の測定部が、延長された寸法を横切る方向に撓む。光ファイバ導体に光が供給され、供給された光が測定部の少なくとも一部分を通った後に光が光ファイバ導体から受信される。受信された光を解析して、流体流の流速の決定を行う。

本発明の追加の態様によれば、光ファイバ導体の流れ測定部は、固有の光波長（characteristic optical wavelength）を有するブラッグ格子を含み、ブラッグ格子は供給された光と相互作用して受信光を生成する。光ファイバ導体の測定部内に生じた歪みは反射波長を生成し、受信光の変化は、測定部における流速に対応する固有の光波長からの波長の変化に起因する。

本発明の追加の代替態様によれば、光ファイバ導体の流れ測定部は、長周期格子（ＬＰＧ）構造を含む。ＬＰＧ構造は、供給された光を変化させて、流体流の流速に対応する光ファイバ導体の撓みの大きさの特徴を示すクラッディングモードを含む受信光を生成する。複数の光ファイバ導体が設けられ、各光ファイバ導体は、ベース構造上に支持された基本端と、流体流内に配置された自由端とを有する。各ファイバは、流体流内で自由に曲がることができ、またＬＰＧ構造を有する。各ＬＰＧ構造は、それぞれの光ファイバ導体の曲がりの特徴を示す１組のクラッディングモードを有する。

受信光は、ベース端から遠位にある光ファイバ導体の端部から反射された光を含む。

本発明のその他の態様によれば、予め定められた流体流空間を通る流体流の速度を監視するシステムが提供される。このシステムはループで延在してほぼ円形通路を規定する中空部材から成る導管構造を有する。導管構造内に光ファイバ導体が延在し、この光ファイバ導体は、ほぼ円形通路内の流体流空間の一部分を横切る導管構造の外側に延在するブラッグ格子を含む流れ測定部を規定する。光ファイバ導体に光を供給する光放射源が設けられる。供給された光が測定部を通った後に、処理ユニットが光ファイバ導体から光を受信して解析し、流体流の流速を決定する。

更に、光放射源と処理ユニットとに接続されかつ導管構造内に延在する第２の光ファイバ導体が備えられ、第２の光ファイバ導体は、導管構造内に完全に収容され、１つ又は複数のブラッグ格子の位置における温度測定を提供する１つ又は複数のブラッグ格子を含む。

本発明の別の態様によれば、予め定められた流体流空間を通る流体流の速度を監視するシステムが提供される。システムは、ベースと、ベースに支持されたベース端を有する光ファイバ導体とを含む。光ファイバ導体は、流体流空間の一部分を横切って延在する長周期格子（ＬＰＧ）構造を含む流れ測定部を規定する。光ファイバ導体に光を供給する光放射源が備えられる。供給された光が測定部を通った後に、光ファイバ導体から光を受信して解析し、ＬＰＧ構造によって形成されたクラッディングモードに関する流体流の流速を決定する処理ユニットが備えられる。

本発明の追加の態様によれば、複数の光ファイバ導体がベース上に支持され、各光ファイバ導体はＬＰＧ構造を含む。さらに、光放射源から延在する光供給用光ファイバ導体と、光供給用光ファイバ導体から光ファイバ導体のそれぞれに光を供給するスプリッタとが備えられる。

本明細書は、本発明を詳細に指定し明確に請求する特許請求の範囲で終了するが、本発明が、添付図面と関連した以下の説明からよりよく理解され、図面では、類似の参照数字は類似の要素を示す。
本発明の監視構造を含む発電機の断面図である。 本発明の監視構造を含む発電機送風機出口の一部分の断面図である。 監視構造の検出ユニットの拡大図である。 測定部を含む図３の検出ユニットの断面の拡大図である。 監視構造を含む監視システムの図である。 本発明による検出ユニットの代替構成の図である。 本発明の検出ユニットの更に他の実施形態の図である。 図７の検出ユニットによって提供されることがあるクラッディングモードを示すグラフである。 図８の検出ユニットを含む監視システムの図である。 本発明による検出ユニットの更に他の実施形態を示す図である。

好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、説明の一部を構成する添付図面を参照し、本発明を実施し得る特定の好ましい実施形態が、限定ではなく例示として示される。他の実施形態を利用することができ、また本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに変更を行うことができることを理解されたい。

発電機における様々な場所は、発電機の内部を通る冷却流体（例えば、水素、空気）の流れおよび温度特性を決定することにより恩恵を受けることがある。例えば、冷却流体を発電機に供給する送風機の出口を監視して、出口を通る冷却流体の流速および温度を検出し、流速および温度分布がこの領域の設計された分布と一致するか判断することができる。具体的には、本明細書で述べる測定システムの態様によれば、潜在的破損状態を予測できることがある送風機構造の変化を識別する手段として、送風機出口のまわりの様々な位置で時間の経過による流速と温度の一方又は両方の変化を監視するのが望ましいことがある。送風機出口の領域で起こる可能性がある例示的な状態には、発電機に通す冷却流体を導くために設けられた送風機カバー取付けハードウェアの緩み又は送風機羽根の破損が挙げられる。これらの構成要素又はこれらの構成要素の部品が、緩んで発電機内に入ると、発電機の悲惨な機械的尾および／または電気的損傷が起こることがあるので、これらの状態を検出することが望ましいと考えられる。この監視システムの態様は、特に発電機の送風機出口管に関して述べられるが、システムは、発電機の他の場所並びに発電機以外の用途で実現されてもよいことを理解されたい。

図１を参照すると、発電機フレーム又はハウジング１６によって取り囲まれた回転子１２と固定子１４を含む発電機１０が示される。回転子１２は、典型的には、冷却を促進するために、冷却流体の流れパターンを示す有向線２０によって示されたように発電機１０の内部に冷却流体（例えば、水素）を流動させるための送風機１８を有する。送風機１８は、冷却流体を、内壁２４と外壁２６との間に流体流空間２７を画定するほぼ環状の排出管２２を介して放出される（図２参照）。本発明の一態様によれば、排出管２２からの流れを監視して、発電機１０内で所望のレベルの冷却が、予め定められた設計要件にしたがって提供されるようにすることができる。詳細には、排出管２２のまわりの位置を監視して、排出管から出る冷却流体の流れと温度が所定レベルになるようにすることができる。

図２を参照すると、発電機１０の排出管２２の本システムの一態様による監視構造２８を含む部分が図で示される。監視構造２８は、排出管２２の周囲に円周方向に離間された複数の検出ユニット３０を有する。検出ユニット３０は、それぞれの検出ユニット３０の位置に対応する管２２内の位置での流速および温度の測定を行うように構成されると好ましい。

図３と図４を参照すると、検出ユニット３０はそれぞれ、冷却流体流を通すほぼ環状の通路３４を規定するためにループで延在する中空部材を含む導管構造３２を有する。導管構造３２のループは、排出管２２のサイズに対して小さくてもよい。

第１の光ファイバ導体３６が、光ファイバ導体３６を保護しかつ光ファイバ導体３６を流体流空間２７内の予め定められた位置に位置決めする導管構造３２内に延在して少なくとも部分的に取り囲まれる。光ファイバ導体３６は、環状通路３４内の流体流空間２７の一部分を横切って導管構造３２の外側に延在する細長い流れ測定部３８を規定する。詳細には、光ファイバ導体３６は、導管構造３２上の第１の開口４０によって規定された第１の位置と、導管構造３２上の第２の開口４２によって規定定された第２の位置との間に延在する。

したがって、測定部３８は、第１の開口４０および第２の開口４２において導管構造３２に対して静止関係で支持されかつ流体流空間２７の一部分の中に延在して排出管２２を通る冷却流体に接触する光ファイバ導体３６の一部分によって規定される。測定部３８は、図４において第１の開口４０と第２の開口４２との中間にあるように示された少なくとも１つの速度ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）４４を有する。

検出ユニット３０は、更に、導管構造３２内に延在しかつ実質的に取り囲まれた第２の光ファイバ導体４６を有してもよい。第２の光ファイバ導体４６は、導管構造３２を介して第１の光ファイバ導体３６と並列関係で延在してもよい。第２の光ファイバ導体４６は、導管構造３２内の第１の開口４０と第２の開口４２との間のほぼ中間位置に少なくとも１つの温度ＦＢＧ４８を有する。しかしながら、温度ＦＢＧ４８が、導管構造３２によって規定されたループに沿って又はそのループと隣り合った他の位置にあってもよいことを理解されたい。

温度ＦＢＧ４８が、類似した構造を有し、温度ＦＢＧ４８が温度の変化によって生じた歪みの測定を行うという点で、速度ＦＢＧ４４と同じように動作することに注目されたい。更に、温度ＦＧＢ４８は、導管構造３２内で第１の光ファイバ導体３６内の１つ又は複数の位置に形成されてもよい。後述するように、ＦＢＧ４４および４８はそれぞれ、信号を生成する特定のソース又はセンサが、センサの唯一の波長又はそれに近い波長によって識別されるように、唯一の中心ブラッグ波長で構成される。

検出ユニット３０は、導管構造３２のループによって規定された平面が、内壁２４に対して垂直に延在し、流体の流れ方向を横切る方向に延在する状態で、検出ユニット３０を内壁２４の内側面５２に対して静止関係で支持するように、ベース部分５０（図３）上に実質的に堅く取り付けられてもよい。ベース部分５０は、粘着剤や機械的取り付けなどによって検出ユニット３０を内側面５２に取り付けるために各検出ユニット３０に提供された小さいパッドを備えてもよい。あるいは、ベース部分５０は、内壁２４の周囲に連続的なベースを含んでもよく、また検出ユニット３０が内壁２４などの湾曲面に延在するように取り付けられた柔軟なマット構造を構成するか不規則な凸凹面に延在するのに十分な柔軟性の材料を有してもよい。ベース部分５０は、熱膨張や熱収縮などの基礎面５２の動きを光ファイバ導管３６，４６に伝えることなく基礎面５２の該動きを可能にする検出ユニット３０の支持を提供する。ベースは、監視構造２８が配置され検出ユニットを動きから分離できる環境で機能できる任意の材料から形成されてもよい。限定ではなく例として、ベースには、金属又はプラスチックのリボン、又は幾つかの用途ではＶｅｌｃｏ（登録商標）ストリップが挙げられる。

光ファイバ導体３６，４６は、典型的にはＦＢＧセンサで使用されるような弾性変形可能な材料から形成されると好ましい。詳細には、光ファイバ導体３６，４６は、内側コアとは異なる屈折率を有する外側ガラスクラッディングを有する小さい内側ガラスコアを有してもよい。ブラッグ格子は、紫外線を使用して内側コア内に配置された僅かに異なる屈折率の線を有する。光ファイバ導体３６，４６は、外側プラスチックジャケットを含まず、したがってファイバの径がきわめて小さくなる。更に、ＦＢＧ４４，４８は、本明細書では光ファイバ導体３６，４６上にある線として図示されているが、ＦＢＧ４４，４８は典型的には光ファイバ導体３６，４６上に見えないことが分かる。導管構造３２は、光ファイバ導体３６，４６の材料より大きい剛性を有する材料で形成された毛細管構造を含んでもよい。例えば、導管構造３２は、冷却液流による力を受けたときに動きに耐えるのに十分な硬さのプラスチックや複合材料などの絶縁材料であることが好ましい。しかしながら、導管構造３２は、検出ユニット３０が支持される構造の様々な輪郭にほぼ従うように十分に柔軟でよい。例えば、導管構造は、直径約０．１０インチでよい銅ニッケル毛細管で形成されてもよい。

第１の光ファイバ導体３６および第２の光ファイバ導体４６はそれぞれ、各検出ユニット３０を通る連続導管構造３２内に延在する連続導体である。第１の光ファイバ導体３６は、複数の速度ＦＢＧ４４（即ち、１つの検出ユニット３０に少なくとも１つの速度ＦＢＧ４４）を含み、各速度ＦＢＧ４４は、第１の光ファイバ導体３６の各ＦＢＧ４４に唯一の波長の光を反射させるように、唯一の中心ブラッグ波長λに対応する格子間隔を有する。同様に、第２の光ファイバ導体４６は、複数の温度ＦＢＧ４８（即ち、１つの検出ユニット３０に少なくとも１つの温度ＦＢＧ４８）を含み、各温度ＦＢＧ４８は、第２の光ファイバ導体４６内の各ＦＢＧ４８に唯一の波長の光を反射させるように、唯一の中心ブラッグ波長λに対応する格子間隔を有する。

図５を参照すると、監視構造２８を含む監視システム５４が示される。監視システム５４は光ファイバ導体構造５６を含み、光ファイバ導体構造５６は、連続した導管構造３２と取り囲まれた光ファイバ導体３６，４６を含んでもよく、あるいは、光ファイバ導体３６，４６の両方からの光信号を伝えるために光ファイバ導体３６，４６とのコネクタ又は接合５８から分岐する共通の光ファイバ導体を含んでもよい。監視システム５４は、更に、カプラ６２で光ファイバ導体構造５６に結合されて監視構造２８に光を提供する広帯域光放射源などの光放射源６０を有してもよい。光放射源６０は、光ファイバ導体３６，４６に沿って配置された任意のＦＢＧ４４，４８の中心ブラッグ波長λに対応する予め定められた範囲の光波長（周波数）を提供する。ＦＢＧ４４，４８からの反射光は、光ファイバ導体構造５６を介して戻され、カプラ６２を介して光処理装置又はアナライザ６４に受信される。アナライザ６４によって処理されるデータは、更に、モニタ６６などのオペレータインタフェースおよび／又はデータ収集システム６８に伝達されてもよい。

監視システム５４によって行なわれる測定動作において、排出管２２を通る冷却液流は、導管構造３２のループ内に規定された通路３４を通る流れを含めて、複数の検出ユニット３０のまわりを通る。冷却流体が通路３４を通るとき、流体流は、第１の光ファイバ導体３６の測定部３８を、測定部３８の延長された寸法を横切る方向、即ち、導管構造３２のループの平面に対してほぼ垂直又は横切る方向に撓ませる。測定部３８の撓みは、第１の光ファイバ導体３６内の速度ＦＢＧ４４に、それぞれの速度ＦＢＧ４４を含む測定部３８を横切る流体流の速度に比例した歪みを生成する。速度ＦＢＧ４４における撓みとその結果生じる歪みとによって、速度ＦＢＧ４４を構成する格子間の間隔が変化し、その結果、光放射源６０から供給され速度ＦＢＧ４４から反射された光の波長が変化して、アナライザ６４によって決定されるような各速度ＦＢＧ４４の速度測定値が提供される。速度ＦＢＧ４４が、常に、撓んだ状態で空気流を検出するので、各速度ＦＢＧ４４から反射された波長は、それぞれの速度ＦＢＧ４４の唯一の中心ブラッグ波長λと等しいかそれより大きくなる。

更に、温度ＦＢＧ４８の位置における温度で、第２の光ファイバ導体４６が、流体流の温度に比例した量だけ膨張および収縮する。第２の光ファイバ導体４６の膨張又は収縮によって、温度ＦＢＧ４８を構成する格子間の間隔が変化し、その結果、光放射源６０から供給され温度ＦＢＧ４８で反射された光の波長が変化して、アナライザ６４によって測定される各温度ＦＢＧ４８の温度測定値が提供される。各温度ＦＢＧ４８の反射波長の変動は、それぞれの温度ＦＢＧ４８の唯一の中心ブラッグ波長λを中心にして生じる。

温度ＦＢＧ４８は、発電機１０内を通る冷却流体の適切な働きを監視するために検出ユニット３０の位置における温度測定値を提供する他に、冷却流体の温度の変動により速度ＦＢＧ４４の速度測定値を修正するための温度補正値を提供する。具体的には、第１の光ファイバ導体３６の測定部３８は、温度の変動により膨張および収縮し、その結果、速度ＦＢＧ４４からの反射波長は、温度変化に関連した温度成分と、流速に起因する測定部３８の撓みに関連した速度成分とを含む。温度の変化に起因する第１の光ファイバ導体３６の速度ＦＢＧ４４の反射波長の変化は、温度ＦＢＧ４８で測定された波長のずれを使用して補償される。即ち、温度ＦＢＧ４８によって測定された波長の変化を使用して、反射波長の変化の温度成分を、速度ＦＢＧ４４によって提供される中心ブラッグ波長λから減算し、その結果速度ＦＢＧ４４からの測定の速度成分だけが残る。

本発明の一態様により、各検出ユニット３０の位置における速度および温度が決定される。複数の検出ユニット３０の既知の位置からのデータは、発電機１０の冷却システムの状態を示すことがある。検出ユニット３０の各位置における予め定められた流速からの流速変化または予め定められた温度からの温度変化は、発電機内の構成要素の緩み又は構成要素のずれによって引き起こされるように、設計状態からの流れの変化を示す。したがって、監視システム５４は、発電機１０内に供給された不適切な冷却を示すことができる監視を提供することに加えて、構成要素の緩み又は構成要素のずれの事前の指示を提供し、緩みが壊滅的な破損を引き起こす発電機の重要な部分まで進行する前に、修理又は保守作業の実施を可能にする。

第１の光ファイバ導体３６に約１００個の速度ＦＢＧ４４を有し、第２の光ファイバ導体４６に同数の温度ＦＢＧを有する多数の検出ユニット３０を設けることができることに注目されたい。更に、各検出ユニット３０に複数の速度ＦＢＧ４４と温度ＦＢＧ４８を設けてもよいことを理解されたい。

述べた実施形態は、全ての速度ＦＢＧ４４を第１の光ファイバ導体３６に含み、全ての温度ＦＢＧ４８を第２の光ファイバ導体４６に含むが、追加の光ファイバ導体が提供されてもよいことを理解されたい。例えば、第１光ファイバ導体３６および第２の光ファイバ導体４６のどちらかが破損した場合に検出機能が維持されるようにするため、速度ＦＢＧ４４および温度ＦＢＧ４８が、接合部５８（図５）から延在する複数のそれぞれの第１の光ファイバ導体３６および第２の光ファイバ導体４６に形成されてもよい。したがって、第１の光ファイバ導体３６および第２の光ファイバ導体４６の一方が破損した場合の監視動作の連続性を保証するために、光が、複数の経路に沿って速度ＦＢＧ４４および温度ＦＢＧ４８に供給され反射される。

この構造が、排出管２２の内壁２４に関して述べたが、本明細書で述べた検出ユニット３０は、流体流の速度および温度を監視したい発電機１０内の外壁２６や他の表面に位置決めされてもよいことを理解されたい。更に、監視構造２８は、例えばガスタービンエンジン用のコンプレッサ内など、発電機以外の機械に組み込まれてもよい。

図６を参照すると、検出ユニットの代替構成が示され、前の実施形態の検出ユニット３０に対応する要素は、同じ参照数字に１００を加えた数で示されている。図６の実施形態は、円形導管の断面などの流れ領域の断面における流体流をマッピングするために使用される検出ユニット１３０を提供する。例えば、検出ユニット１３０は、発電機１０内に長手方向に延在する導管７０（図１）内の１つに配置されてもよい。

検出ユニット１３０は、導管７０の内周に延在する導管構造１３２を含んでもよい。第１の光ファイバ導体１３６および第２の光ファイバ導体１４６は、それぞれ速度および温度の測定値を得るために導管構造１３２内に延在する。この実施形態では、第１の光ファイバ導体１３６は、複数の光ファイバ１３６ａ〜１３６ｅを含んでいる。第１の光ファイバ導体１３６は、導管構造１３２の外側に延在し個々に１３８ａ〜１３８ｅとして示された複数の細長い流れ測定部１３８を規定する。各測定部１３８ａ〜１３８ｅは、第１の光ファイバ導体１３６を構成するそれぞれの光ファイバ１３６ａ〜１３６ｅの一部によって形成されている。詳細には、個々の光ファイバ１３６ａ〜１３６ｅは、導管構造１３２の内部と流体流通路１３４との間に光ファイバ１３６ａ〜１３６ｅを通すための該導管構造１３２の開口によって規定された複数対の第１の位置１４０ａ〜１４０ｅと第２の位置１４２ａ〜１４２ｅの間にそれぞれ延在している。位置１４０ａ〜１４０ｅおよび１４２ａ〜１４２ｅは、それぞれの測定部１３８ａ〜１３８ｅのほぼ静止端を支持する位置を規定する。

各測定部１３８ａ〜１３８ｅはＦＢＧ１４４を備えており、ＦＢＧ１４４は、測定部１３８ａ〜１３８ｅのそれぞれのほぼ中心に配置されている。速度ＦＢＧ１４４はそれぞれ、第１の光ファイバ導体１３６内の各ＦＢＧ１４４に唯一の波長の光を反射させるために、唯一の中心ブラッグ波長λに対応する格子間隔を有する。流路１３４内の冷却流体の流れにより、測定部１３８ａ〜１３８ｅが撓み、光ファイバ導体１３６に流速に比例する大きさの歪みができ、この歪みは様々な位置の速度ＦＢＧ１４４で検出される。流れ空間１３４の断面における流速の変動が、測定部１３８ａ〜１３８ｅ内に配置された速度ＦＢＧ１４４の様々な撓みおよび歪みを惹き起こし、速度ＦＢＧ１４４の様々な位置に対応する速度測定値を提供する。これにより、流れ空間１３４内の流体流の速度分布がマッピングされ、導管７０などの構造内の流体流を評価するデータが提供される。

第２の光ファイバ導体１４６は、前の実施形態の温度ＦＢＧ４８に関して述べた方式と類似の方式で温度の変動に対して速度測定値を修正するために使用される温度測定値を提供する複数の温度ＦＢＧ１４８を備えてもよい。この実施形態が、任意数の測定部１３８を含んでもよく、任意数の速度ＦＢＧ１４４および温度ＦＢＧ１４８が設けられてもよいことを理解されたい。更に、温度ＦＢＧ１４８は、速度ＦＢＧ１４４のうちの１つ又は複数に構成されてもよく、それにより、温度測定値を得るために別個の第２の光ファイバ導体１４６が不要になることがある。

図７を参照すると、前の実施形態に関して述べたような発電機の送風機排出管又は他の場所に取り付けられてもよい検出ユニット２１０を含む本発明の更に他の実施形態が示される。検出ユニット２１０は、ベース部分２１２にほぼ垂直で互いに平行に延在する複数の光ファイバ２１４を流体流空間内に又はその空間を横切って支持するベース部分２１２を有する。光ファイバ２１４は、流体流空間内の検出ユニット２１０を通る冷却液流の流れ方向２１５に垂直に延在する少なくとも一列で配置されている。複数の光ファイバ２１４のうちの１つに図示されているように、光ファイバ２１４のそれぞれの細長い部分又は長手方に向延在する部分に沿ったコア２１８内に、長周期格子（ＬＰＧ）２１６が設けられている。

光ファイバ２１４に設けられたＬＰＧ２１６は、両方とも光ファイバのコア内に周期構造を有するという点で前の実施形態のＦＢＧと類似している。しかしながら、ＬＰＧ構造は、ＦＢＧと異なり、通常５〜１０倍長く、格子ピッチがより長い。ＬＰＧには、伝搬モードをクラッディングモードに結合する特徴的機能が備えられている。したがって、透過の際、光信号は、ＬＰＧ構造を通った後、一連の波長「ノッチ」を有する。これらのノッチは、質問信号において、除去され、即ちクラッディングモードに変換された波長帯域である。クラッディングモードは、ＬＰＧ２１６を構成する格子の間隔を変化させる光ファイバ２１４の曲がりに大きく関係する。したがって、光ファイバを曲げる力は、次にクラッディングモードの乱れに現われる。図８は、ＬＰＧ２１６のクラッディングモード２２０によって提供される典型的な透過スペクトルを示す。光ファイバ２１４の曲がりと、それに対応するＬＰＧ２１６の格子間の間隔の変化とによって、ＬＰＧ２１６を通る光の損失が大きくなり、クラッディングモードが生じる。各光ファイバ２１４は、唯一の組のクラッディングモード２２０を有するＬＰＧ構造２１６を備えることができ、それにより、唯一の組のクラッディングモード波長が、光ファイバ２１４の各位置に対応する。

図９を参照すると、検出ユニット２１０を含む監視システム２２２が示される。監視システム２２２は、カプラ２２６を介して光ファイバ２１４に光を供給するための広帯域光源などの光放射源２２４と、カプラ２２６からスプリッタ２３０まで延在する供給光ファイバ導管構造２２８とを含む。スプリッタ２３０は、光放射源２２４から各光ファイバ２１４に送られる光を分配するために、検出ユニット２１０のベース部分２１２に設けることができる。

前述のように、ＬＰＧ２１６を通る光は、特定の波長帯域で光の損失を示してクラッディングモード２２０を生じる。各光ファイバ２１４の自由端２３２は、反射面２３４（図７）を有し、反射面２３４は、ＬＰＧ２１６を介して伝播された光を、光ファイバ２１４を通し、スプリッタ２３０を介して光ファイバ導体構造２２８に反射する。次に、光ファイバ２１４からの反射光は、カプラ２２６を介して光処理装置又はアナライザ２３６に受信され、そこでクラッディングモード損失の決定が行われて、検出ユニット２１０内の各光ファイバ２１４を通る冷却液流の速度に対応又は比例する各光ファイバ２１４の曲がりの大きさが決定される。

検出ユニット２１０の感度または反応は、光ファイバ２１４の直径および／または長さを変化させるなど、光ファイバ２１４の物理的特性を変化させることによって変更又は調整されてもよい。即ち、より細いか又はより長い光ファイバ２１４を備えることによって、より低い流速を有する用途で望ましいように、光ファイバ２１４の曲がり難さが低減される。

更に、図２〜図４の実施形態に関して述べられたように、光ファイバ２１４から得られた速度測定値のための温度測定値を提供しかつ／または温度補正を提供するために、温度ＦＢＧ（図示せず）を有する光ファイバ導体が、検出ユニット２１０のベース部分２１２内などの光ファイバ２１４と関連して設けられてもよい。

図１０を参照すると、図７の実施形態の代替実施形態が示され、図７の実施形態に対応する図１０の実施形態の要素は、同じ参照数字に１００を加えた数字で示される。

図１０は、ベース部分３１２上にアレイ３１７に配置された複数の光ファイバ３１４を含み、本明細書で流体流３１５の方向を横切って延在する列３１７ａ、３１７ｂ、３１７ｃとして示され、流体流内でほぼ自由に動くことができる自由端３３２を有する複数列の光ファイバ３１４を含む検出ユニット３１０を示す。光ファイバ３１４はそれぞれ、ＬＰＧと反射端面３３４とを有し、図７の実施形態の光ファイバ２１４に関して述べた方式と同じ方式で動作する。更に、複数列の光ファイバ３１４からの光学信号を処理して流体流の方向を決定することができる。例えば、導管を通る予め定められた流体流経路と平行な方向を横切る方向、又は流体流に対する湾曲が、隣接しかつ／又は連続する光ファイバ３１４の湾曲差を比較又はマッピングして、検出ユニット３１０の一部分を横切る現在の流れの相対強度を決定することによって検出される。この現在の流れは、斜めの流れ線３１５によって示されたように、アレイ３１７の列の長さに垂直な方向に対して斜めに延在してもよい。

本発明の以上の説明から、本発明の実施形態が、流体流空間内で分配される複数の速度および温度測定値を同時に得る方法およびシステムを提供することは明らかである。更に、測定システムの構成は、従来の検出装置が利用できない位置での流体流および温度測定値を提供するために、複雑な構造内にその構造に沿って配置することができる自由度を提供する。

また、本明細書で述べたシステムの検出要素として光ファイバ導体を使用することにより、発電装置の監視においてより高い許容レベルを有するセンサが提供されることに注目されたい。比較的小さく軽量の光ファイバは、一般に、光ファイバが破損しかつ／又は機器の冷却流体に入った場合に、発電装置内の破損を引き起こす危険が低い。

本発明の特定の実施形態を示し述べてきたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な他の変更および修正を行うことができることは当業者に明らかである。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の範囲内にある全てのそのような変更および修正を対象として含む。

１０ 発電機
１２ 回転子
１４ 固定子
１６ ハウジング
１８ 送風機
２２ 排出管
２４ 内壁
２６ 外壁
２７ 流体流空間
３６，４６ 光ファイバ導体
３８ 測定部

Claims (19)

1. 予め定められた流体流空間を通る流体流の速度を監視する方法であって、
   前記流体流空間の一部分を横切って延在する延長された寸法を規定する流れ測定部を有する光ファイバ導体を支持し、
   前記流体流空間内の前記流体流が、前記光ファイバ導体の前記測定部を、前記延長された寸法を横切る方向に撓ませ、
   前記光ファイバ導体に光を供給し、
   前記供給された光が前記測定部の少なくとも一部分を通った後に、前記光ファイバ導体から光を受信し、
   受信された光を解析して前記流体流の流速を決定する
   流体流の速度を監視する方法。
2. 前記光ファイバ導体の前記流れ測定部が、固有の光波長を有するブラッグ格子を有し、前記ブラッグ格子が、前記供給された光と相互作用して前記受信光を生成する請求項１に記載の方法。
3. 前記光ファイバ導体の前記測定部内に生じた歪みが反射波長を生成し、前記受信光の変化が、前記固有の光波長からの前記測定部の流速に対応する波長のずれに起因する請求項１に記載の方法。
4. 前記光ファイバ導体が複数のブラッグ格子を含み、各ブラッグ格子が、唯一の固有の光波長を含む流れ測定部を規定し、各ブラッグ格子の位置に対応する流速測定値を得る請求項３に記載の方法。
5. 前記光ファイバ導体の少なくとも一部が、ループを規定する導管構造内に配置され、前記流体が、前記ループによって規定された１つの平面をほぼ横切ってループ内を通り、前記光ファイバ導体の前記測定部が、前記流体流により、前記ループ上の一対の位置の間で前記ループによって規定された前記平面を横切る方向に曲がる請求項３に記載の方法。
6. 前記光ファイバ導体が、前記ループ上のそれぞれの対の位置の間を横切る複数の測定部を有し、各測定部が、１つ又は複数の前記ブラッグ格子を有し、前記光ファイバ導体に沿った異なる位置における流速測定値を提供する請求項５に記載の方法。
7. １つ又は複数のブラッグ格子を含み前記導管構造内に配置された第２の光ファイバ導体を備え、
   前記第２の光ファイバ導体に光を供給し、
   前記第２の光ファイバ導体から光を受信し、
   固有の光波長からの波長のずれを決定して、前記第２の光ファイバ導体の前記１つ又は複数のブラッグ格子の位置における温度を決定する請求項５に記載の方法。
8. 前記温度の決定を参照して前記流速の決定を調整する請求項７に記載の方法。
9. 前記光ファイバ導体の前記流れ測定部が長周期格子（ＬＰＧ）構造を含み、前記ＬＰＧ構造が、前記供給された光を変化させて、前記流体流の前記流速に対応する前記光ファイバ導体の撓みの大きさを示すクラッディングモードを含む受信光を生成する請求項１に記載の方法。
10. 複数の光ファイバ導体を備え、各光ファイバ導体が、ベース構造上に支持されたベース端と、前記流体流内に配置された自由端とを有し、各ファイバは、前記流体流内で自由に曲がることができかつＬＰＧ構造を有し、各ＬＰＧ構造は、それぞれの光ファイバ導体の曲がりを示す１組のクラッディングモードを有する請求項９に記載の方法。
11. ２つまたはそれ以上の前記光ファイバ導体のクラッディングモードを比較して流体流の方向を決定する請求項１０に記載の方法。
12. 前記受信光が、ベース端から遠位にある前記光ファイバ導体の端部から反射された光を含む請求項１０に記載の方法。
13. 予め定められた流体流空間を通る流体流の速度を監視するシステムであって、
    ほぼ円形通路を規定するループで延在する中空部材から成る導管構造と、
    前記導管構造内に延在する光ファイバ導体とを備え、
    前記光ファイバ導体は、前記ほぼ円形通路内の前記流体流空間の一部分を横切る前記導管構造の外側に延在するブラッグ格子を含む流れ測定部を規定し、
    さらに、前記光ファイバ導体に光を供給する光放射源と、
    前記供給された光が前記測定部を通った後に、前記光ファイバ導体からの光を受信して解析し、前記流体流の流速を決定する処理ユニットとを備える
    流体流の速度を監視するシステム。
14. 前記光放射源と前記処理ユニットとに接続され前記導管構造内に延在する第２の光ファイバ導体を備え、前記第２の光ファイバ導体は、前記導管構造内に完全に収容され、１つ又は複数のブラッグ格子を含み、前記１つ又は複数のブラッグ格子の位置における温度測定を提供する請求項１３に記載のシステム。
15. 前記導管構造が複数のループを規定し、各ループが１つ又は複数の測定部を含む請求項１３に記載のシステム。
16. 予め定められた流体流空間を通る流体流の速度を監視するシステムであって、
    ベースと、
    前記ベース上に支持されたベース端を有し、前記流体流空間の一部分を横切って延在する長周期格子（ＬＰＧ）構造を含む流れ測定部を規定する光ファイバ導体と、
    前記光ファイバ導体に光を供給する光放射源と、
    前記供給された光が前記測定部を通った後に、前記光ファイバ導体からの光を受信して解析し、前記ＬＰＧ構造によって形成されたクラッディングモードに関連して前記流体流の流速を決定する処理ユニットと
    を含む流体流の速度を監視するシステム。
17. ベース上に支持されＬＰＧ構造をそれぞれ含む複数の光ファイバ導体と、前記光放射源から延在する光供給用光ファイバ導体と、前記光供給用光ファイバ導体からの光を前記光ファイバ導体のそれぞれに供給するスプリッタとを含む請求項１６に記載のシステム
18. 前記複数の光ファイバ導体が、前記ベース上に支持された複数の列で配置された請求項１７に記載のシステム。
19. 前記光ファイバ導体が、前記ベース端から遠い端部に、前記クラッディングモードを含む光を前記光ファイバ導体を介して前記処理ユニットに反射させるための反射面を有する請求項１６に記載のシステム。

Images