NL1003196C2 - Inrichting voor het contactloos meten van de temperatuur van bewegende lichamen. - Google Patents

Description

INRICHTING VOOR HET CONTACTLOOS METEN VAN DE TEMPERATUUR VAN BEWEGENDE LICHAMEN

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het meten van de temperatuur van een lichaam, omvattende: - een eerste laserlichtbron voor het met een laser-5 lichtbundel met een eerste golflengte zodanig bestralen van het lichaam, dat het lichaam een meetbare temperatuur-verhoging ondergaat; - een tweede laserlichtbron voor het met een laser-lichtbundel met een tweede golflengte zodanig bestralen K) van het lichaam, dat het lichaam een meetbare temperatuur-verhoging ondergaat; - een eerste stralingsdetector voor het detecteren van van het voorwerp afkomstige straling van de eerste golflengte; 15 - een tweede stralingsdetector voor het detecteren van van het voorwerp afkomstige straling van de tweede golflengte; - een besturingsschakeling die is ingericht voor het vormen van afwisselende tijdvensters van de eerste soort 20 en van de tweede soort, waarbij de besturingsinrichting tijdens vensters van de eerste soort de eerste laserlichtbron en de tweede stralingsdetector activeert en tijdens vensters van de tweede soort de tweede laserlichtbron en de eerste stralingsdetector activeert.

25 Een dergelijke inrichting is bekend uit de internati onale octrooiaanvrage met publikatienummer WO 93/10426.

Deze bekende inrichting voorziet in een elegante wijze voor het contactloos meten van de temperatuur van een lichaam, doordat de invloed van slecht meetbare en aan 30 verandering onderhevige coëfficiënten wordt geëlimineerd. Het lichaam, waarvan men de temperatuur wil meten, wordt door middel van een laserlichtbundel van een eerste golflengte bestraald, hetgeen een meetbare temperatuurverho-ging met zich meebrengt, waardoor een verandering wordt 1 0 0 3 ' ; 2 veroorzaakt in de door het lichaam uitgezonden hoeveelheid straling. De verandering van de intensiteit van de straling bij een tweede golflengte wordt door de stralingsde-tector gedetecteerd op een tijdstip, enige tijd nadat de 5 bestraling met laserlicht van de eerste golflengte heeft plaatsgevonden.

De temperatuursverhoging, veroorzaakt door de straling met de eerste golflengte, is een funktie van een desbetreffende coëfficiënt, terwijl de uitgezonden stra-10 ling bij de tweede golflengte een funktie is van een andere coëfficiënt. Door vervolgens de meting in omgekeerde zin uit te voeren kan de invloed van beide coëfficiënten worden geëlimineerd. Voor een nadere toelichting wordt verwezen naar genoemde publikatie.

15 Alhoewel deze tot de stand van de techniek behorende inrichting een reproduceerbare meting toelaat, bestaat in de techniek de behoefte aan het meten van de temperatuur van snel bewegende lichamen, bijvoorbeeld van lichamen die een periodieke beweging uitvoeren. Een voorbeeld van 20 dergelijke lichamen wordt gevormd door de schoepen van een gasturbine. Er wordt hierbij op gewezen dat de schoepen van een gasturbine aan een zeer kritische belasting onderworpen onderdelen zijn, waarbij de levensduur in hoge mate afhankelijk is van de tijdens bedrijf ondervonden tempera-25 turen. Aldus is het van groot belang met een zo groot mogelijke nauwkeurigheid de temperatuur van de turbine-schoepen van een gasturbine te meten. Hiermee kan immers worden voorkomen dat bij een te voorzichtige benadering de schoepen te spoedig worden vervangen, hetgeen een kapi-?0 taalverspilling met zich zou meebrengen, terwijl anderzijds wordt voorkomen dat de levensduur van de schoepen wordt overschreden en defecten optreden, waardoor de gasturbine moet worden stilgelegd, hetgeen in het algemeen nog grotere kosten met zich meebrengt.

35 Dit doel wordt bereikt, doordat de inrichting is ingericht voor het meten van de temperatuur van een een periodieke beweging uitvoerend lichaam, waarbij de bestu- f003196 3 ringsinrichting is ingericht voor het zodanig bepalen van de tijdvensters, dat tussen een tijdvenster van de eerste soort en een tijdvenster van de tweede soort het lichaam tenminste een deel van zijn periodieke beweging heeft 5 afgelegd.

Dit biedt de mogelijkheden ook van snel bewegende lichamen op een betrouwbare wijze de temperatuur te meten,· de meting wordt hierdoor als het ware in twee stukken verdeeld, waarbij elk deel van de meting wordt uitgevoerd 10 in een zeer korte tijdspanne. Het zal duidelijk zijn dat bij dergelijke snel bewegende onderdelen de effecten van de eerste meting nog niet verdwenen zijn bij het uitvoeren van de tweede meting, zodat dit probleem wordt ondervangen door de metingen op een zodanige tijdsafstand uit te 15 voeren, dat geen beïnvloeding over en weer plaatsvindt, en waarbij de metingen steeds uitgevoerd worden wanneer het bewegende lichaam zich op dezelfde plaats bevindt. Hier bevindt zich immers de meetapparatuur.

Er wordt er overigens op gewezen dat het tevens 20 mogelijk is ook de meetapparatuur in twee delen te verdelen en de meting van het eerste tijdvenster op één bepaalde plaats van het periodieke traject uit te laten voeren en de tweede meting op een andere plaats in het periodieke traject. In het algemeen zal een dergelijke configuratie 25 echter niet de voorkeur hebben.

In het bovenstaande is er van uitgegaan dat slechts twee metingen voor het betrouwbaar meten van een lichaam behoeven te worden uitgevoerd,· door invloeden van bijvoorbeeld ruis kan het zeer wel mogelijk zijn dat het verstan-30 dig is meer dan het minimale aantal van twee metingen uit te voeren. Invloeden van ruis kunnen dan op statistische wijze worden geëlimineerd, hetgeen de nauwkeurigheid van de meting ten goede komt.

Als gevolg van deze maatregelen is het mogelijk een 35 betrouwbare temperatuurmeting van bijvoorbeeld schoepen van een gasturbine uit te voeren, zodat nauwkeuriger de levensduur van een schoep kan worden geschat.

1003196 4

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet tot deze toepassing is beperkt; zij is evenzeer van toepassing bij andere, met een hoge snelheid bewegende onderdelen die aan extreme temperaturen zijn blootgesteld.

5 Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm zijn de laser- lichtbronnen ingericht voor het afgeven van een laser-lichtpuls met een ten opzichte van die van het tijdvenster zeer korte duur.

Volgens weer een andere voorkeursuitvoeringsvorm is 10 de besturinginrichting ingericht voor het tijdens eenzelfde venster enige tijd na de afgifte van de laserlichtpuls activeren van de desbetreffende detector.

Volgens een in het bovenstaande, reeds toegelichte voorkeursuitvoeringsvorm is de tijdsduur van vensters 1 zodanig gekozen, dat tijdens een op een eerste venster volgend tweede venster het lichaam tenminste éénmaal zijn volledige beweging heeft afgelegd. Dit biedt, zoals hierboven is toegelicht, de mogelijkheid de meetinrichting slechts op een enkele plaats onder te brengen en bepaalde 20 onderdelen daarvan voor beide metingen te gebruiken.

Andere voorkeursuitvoeringsvormen blijken uit de onderconclusies.

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden toegelicht aan de hand bijgaande tekeningen, waarin voor-25 stellen: figuur 1: een schematisch perspectivisch aanzicht van een inrichting volgens de uitvinding,· figuur 2: een schema ter verklaring van de werking van de inrichting volgens de uitvinding,· en 30 figuur 3: een schematisch doorsnede-aanzicht van een variant van de in figuur 1 afgebeelde uitvoeringsvorm.

In figuur 1 is een in zijn geheel met 1 afgebeelde gasturbine getoond die gevormd wordt door een op een niet weergegeven as bevestigd schoepenwiel 2, waaraan schoepen 35 3 zijn bevestigd. Het geheel is ondergebracht in een huis 4. Het zal duidelijk zijn dat in werkelijkheid een groter aantal schoepenwielen in cascade is geschakeld. Ter ver 10 0 3 ISi 5 klaring van de uitvinding is de werking van slechts een enkel schoepenwiel van belang.

In het huis 4 is een eerste opening 5 aangebracht, waarin een uitkoppeloptiek 6 is aangebracht. Dit uitkop-5 peloptiek 6 is door middel van een glasvezelkabel 7 verbonden met een dubbelwerkend inkoppeloptiek 8. Het inkop-peloptiek 8 is verbonden met twee laserlichtbronnen 9, respectievelijk 10, door tussenkomst van een beveiligings-inrichting 11. De laserbronnen 9,10 zijn gekoppeld met het 10 dubbele inkoppeloptiek 8 door middel van optische middelen die door lucht, een vacuümkanaal of bijvoorbeeld wederom door glasvezels kunnen worden gevormd. In dit traject is een beveiligingsinrichting 11 opgenomen, waarvan de werking later zal worden toegelicht.

15 Verder is in het huis 4 een tweede opening 12 aange bracht, waarin een inkoppeloptiek 13 is aangebracht die door middel van een glasvezelkabel 14 verbonden is met een uitkoppeloptiek 15, welke verbonden is met twee stralings-detectoren 16, respectievelijk 17. Het optische traject 20 tussen het uitkoppeloptiek 15 en de beide stralingsdetec-toren 16,17 strekt zich eveneens uit door de beveiligingsinrichting 11.

Verder is een besturingsinrichting 18 aangebracht voor het besturen van de desbetreffende onderdelen.

25 Vervolgens zal de werking van deze inrichting mede aan de hand van figuur 2 worden toegelicht.

Op het tijdstip t1 wordt door de besturingsinrichting 18 de eerste laserbron 9 zodanig geactiveerd, dat deze een laserpuls Px afgeeft. Deze laserpuls Px heeft de door de 30 laserbron 9 vastgelegde golflengte l. De tijdsduur van deze laserpuls is bijzonder kort; in de grootteorde van enige nanoseconden. Deze laserpuls wordt via het inkoppeloptiek toegevoerd aan de glasvezelkabel 7 en door middel van de uitkoppeloptiek 6 toegevoerd aan de schoep 3', 35 waarop het uitkoppeloptiek 6 gericht is. De tijdsduur van deze laserpuls 9 is zodanig kort, dat zelfs bij de hoge omwentelingssnelheid van de schoepenwiel 2 de schoep 3 10 0 3 1 9 e 6 zich tenauwernood heeft verplaatst. Als gevolg van de laserpuls die de schoep 3' treft, wordt deze lokaal aan een temperatuursverhoging onderworpen, waardoor de stralingsintensiteit van deze schoep zal veranderen, en de 5 schoep 3' binnen het ontvangstspectrum van de eerste stralingsdetector een stralingspiek uit zal zenden volgens de kromme 19.

Op het tijdstip t2 verricht de eerste stralingsdetector 16 een meting en voert het desbetreffende resultaat 10 toe aan de besturingsinrichting 18. Tussen de tijdstippen t2 en t2 heeft de schoep 3' zich weinig verplaatst. Dit betekent dat de verplaatsing verwaarloosd kan worden.

Vervolgens, één periode T verder, vindt de omgekeerde procedure plaats,· de laserlichtbron 9 zendt een laser- j.5 lichtpuls P2 uit door besturing van besturingsinrichting 18, en wel op het tijdstip t3, terwijl op het tijdstip t4 door stralingsdetector 17 een stralingsmeting wordt verricht .

De besturingsinrichting 18 verwerkt beide meetresul-20 taten, waarbij rekening gehouden wordt met de theorie, zoals uiteengezet is in de reeds genoemde internationale octrooiaanvrage.

De beveilingsinrichting 11 voorkomt dat door de eerste laserlichtbron 9 uitgezonden straling de eerste 25 stralingsdetector 16 bereikt; dit zou, in verband met het feit dat de stralingsintensiteit van de door de eerste laserlichtbron 9 uitgezonden straling vele orden van grootte groter is dan de intensiteit waarvoor de detector is ontworpen, tot vernieling van de detector leiden. Dit 30 geldt omgekeerd ook voor de tweede stralingsbron en detector .

Hierbij wordt opgemerkt dat tussen de tijdstippen t1 en t3 een volledige omwenteling van het schoepenwiel plaatsvindt.

23 Het is echter evenzeer mogelijk meer dan één volledi ge omwenteling tussen deze tijdstippen te laten plaatsvinden. Het is zelfs mogelijk minder dan één enkele omwente- 1003196 7 ling te laten plaatsvinden; dan zullen echter de metingen op de tijdstippen ti en t2 en op de tijdstippen t3 en t4 door op verschillende plaatsen langs het traject van het schoepenwiel moeten worden uitgevoerd.

5 Tenslotte wordt er nog op gewezen dat het weliswaar mogelijk is de tijdstippen t1 en t2 zodanig te kiezen, dat daartussen een meetbare verplaatsing van de schoep 3' heeft plaatsgevonden; dan zullen beide metingen op verschillende plaatsen, bijvoorbeeld een korte afstand van 10 elkaar moeten worden uitgevoerd.

Verder wordt er op gewezen dat het bestralingsgebied van het uitkoppeloptiek voor de bestraling met laserlicht van de schoep 31 en het invanggebied van het inkoppelop-tiek voor het geleiden van de door het inkoppelgebied 15 opgewekte secundaire straling niet precies gelijk behoeven te zijn,· in het algemeen zal het stralingsgebied van de laserbron iets kleiner zijn en in het centrum van het stralingsgebied liggen. Tevens is het mogelijk dat het bestralingsgebied van de laser, rekening houdend met de 20 verplaatsing van de schoep 3' in de tijd midden in het invanggebied ligt.

Tenslotte wordt er op gewezen dat in figuur 3 een uitvoeringsvorm getoond is, waarbij de inkoppel- en uit-koppeloptieken 13 en 6 zijn gecombineerd tot een gecombi-25 neerd optiek 20. Dit gecombineerde optiek 20 is aangebracht in een enkel, in het huis 4 aangebracht opening 21, en het omvat een dichroïsche spiegel 22 en twee lenzen 23,24, waarvan er één, namelijk 24, binnen het huis is aangebracht, en de ander, namelijk 23, buiten het huis is 30 aangebracht. Door gebruikmaking van de dichroïsche spiegel 22 is het mogelijk het koppeloptiek zowel voor het toevoeren van het van de laserbron afkomstige licht, als voor het afvoeren van het door het lichaam 3 uitgezonden straling te gebruiken.

35 Hierbij leidt in het bijzonder het feit dat een deel van de optiek binnen het huis en een ander deel van het optiek buiten het huis is aangebracht tot een bijzonder 1003196 8 aantrekkelijke en compacte constructie; er wordt hierbij op gewezen dat in het bij zonder binnen het huis weinig ruimte aanwezig is.

Het zal duidelijk zijn dat diverse wijzigingen aan 5 bovenbeschreven inrichting kunnen worden aangebracht zonder van de beschermingsomvang van de aangehechte conclusies af te wijken.

1003196

Claims (12)

1. Inrichting voor het meten van de temperatuur van een lichaam, omvattende: - een eerste laserlichtbron voor het met een laser-lichtbundel met een eerste golflengte zodanig bestralen 5 van het lichaam, dat het lichaam een meetbare temperatuur-verhoging ondergaat; - een tweede laserlichtbron voor het met een laser-lichtbundel met een tweede golflengte zodanig bestralen van het lichaam, dat het lichaam een meetbare temperatuur- 10 verhoging ondergaat; - een eerste stralingsdetector voor het detecteren van van het voorwerp afkomstige straling van de eerste golflengte; - een tweede stralingsdetector voor het detecteren 15 van van het voorwerp afkomstige straling van de tweede golflengte; - een besturingsschakeling die is ingericht voor het vormen van tijdvensters van de eerste soort en van de tweede soort, waarbij de besturingsinrichting tijdens 20 vensters van de eerste soort de eerste laserlichtbron en de tweede stralingsdetector activeert en tijdens vensters van de tweede soort de tweede laserlichtbron en de eerste stralingsdetector activeert, met het kenmerk, dat de inrichting is ingericht voor het meten van de temperatuur 25 van een een periodieke beweging uitvoerend lichaam, waarbij de besturingsinrichting is ingericht voor het zodanig bepalen van de tijdvensters, dat tussen de aanvang van een tijdvenster van de eerste soort en de aanvang van een tijdvenster van de tweede soort het lichaam tenminste een 30 deel van zijn periodieke beweging heeft afgelegd.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de laserlichtbronnen zijn ingericht voor het afgeven van een laserlichtpuls met een ten opzichte van die van 10 0 3 1 S C een tijdvenster zeer korte duur.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de besturingsinrichting is ingericht voor het tijdens eenzelfde venster enige tijd na de afgifte van een 5 laserlichtpuls met de eerste golflengte activeren van de detector die is ingericht voor detectie van licht met de tweede golflengte.

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de tijdsduur van de vensters zodanig is gekozen, dat 10 tijdens een op een eerste venster volgend tweede venster het lichaam tenminste eenmaal zijn volledige beweging heeft afgelegd.

5. Inrichting volgens conclusie 4, ingericht voor het meten van de temperatuur van een aantal op een roterend 'i 5 lichaam aangebrachte identieke lichamen, met het kenmerk, dat na het uitvoeren van een aantal metingen met betrekking op een lichaam de fase van een van de tijdvensters eenmalig wordt veranderd om de temperatuur van een ander lichaam te kunnen meten.

6. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclu sies, met het kenmerk, dat het bestralingsgebied van de laserlichtbronnen ongelijk is aan het detectiegebied van stralingsdetectoren.

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, 25 dat het bestralingsgebied van de laserlichtbronnen kleiner is dan het detectiegebied, en dat het detectiegebied het bestralingsgebied omsluit.

8. Inrichting volgens conclusie 6 of 7, met het kenmerk, dat het detectiegebied buiten het bestralingsge- 30 bied is gelegen en verplaatst is in de bewegingsrichting van het lichaam.

9. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat beide laserpulsbronnen door middel van een gemeenschappelijke laserlichtgeleider, 35 bijvoorbeeld een glasvezel, gekoppeld zijn met het lichaam, en dat beide stralingsdetectoren door middel van een gemeenschappelijke stralingsgeleider, bijvoorbeeld een 10031 s e * glasvezel, verbonden zijn met het lichaam.

10. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de geleiders elk door een opening in een huis van het lichaam zijn geleid.

11. Inrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de geleiders tezamen door een gemeenschappelijk venster in het huis van het roterende lichaam zijn geleid.

12. Inrichting volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de geleiders tenminste gedeeltelijk een gemeenschappe-10 lijke, van een dichroïsche spiegel voorziene koppeloptiek omvatten, en dat het koppeloptiek zich door de opening heen uitstrekt. 10 0 3 1 9 6