流體流速和溫度測量的制作方法
【專利摘要】提供了一種用于監(jiān)測穿過預(yù)定的流體流動空間的流體流動的速度的方法。光纖傳導(dǎo)體包括流動測量部分，所述流動測量部分限定橫穿所述流體流動空間的一部分延伸的長維度。在所述流體流動空間中的所述流體流動導(dǎo)致所述光纖傳導(dǎo)體的所述測量部分在橫向于所述長維度的方向上撓曲；為所述光纖傳導(dǎo)體提供光輻射，并且在所提供的光輻射通過所述測量部分之后從所述光纖傳導(dǎo)體接收光輻射。分析所接收的光輻射以實(shí)現(xiàn)對所述流體流動的流速的確定。
【專利說明】流體流速和溫度測量
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及流體流速的測量，并且更具體地，涉及使用光輻射來測量流速的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在發(fā)電領(lǐng)域中使用的發(fā)電機(jī)包括定子繞組，該定子繞組具有大量壓入基體——特別是，層壓的定子芯或轉(zhuǎn)子本體——內(nèi)的插槽中的導(dǎo)體或定子線棒。這種發(fā)電機(jī)代表著非常昂貴并且長期的投資。其故障不僅危及電力設(shè)備本身，而且還會由于與維修相關(guān)的停機(jī)時間導(dǎo)致非常嚴(yán)重的服務(wù)縮短。為了避免這種情況，一種診斷系統(tǒng)可以用于對操作中的損壞或劣化的早期診斷。該診斷系統(tǒng)還可允許更高的利用水平，從而使電力設(shè)備更為經(jīng)濟(jì)可行。
[0003]例如，在發(fā)電機(jī)中，氫氣或空氣通常可以用作發(fā)電機(jī)部件一例如定子芯和端部繞組區(qū)域——的冷卻介質(zhì)，并且此外還可以用于冷卻定子線圈和轉(zhuǎn)子。用于發(fā)電機(jī)組件的適當(dāng)冷卻的通風(fēng)裝置被引入設(shè)計中，并且對于發(fā)電機(jī)的持續(xù)安全的操作通常是必不可少的。可以觀察到，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)故障和昂貴的電廠停運(yùn)的許多問題可以追溯到通風(fēng)不足，即，沒有按照設(shè)計條件提供通風(fēng)。特別是，可能因在發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間松掉的部件、誤置的擋板、泄漏的密封條、以及被移位和遷移的絕緣填料條而導(dǎo)致冷卻流的不期望的流動改道，這會導(dǎo)致部件過熱和絕緣失效。
[0004]已有的監(jiān)測系統(tǒng)包括監(jiān)測溫度作為對發(fā)電機(jī)內(nèi)選定位置的狀態(tài)的指示。然而，這種溫度監(jiān)測可能不提供關(guān)于溫度改變原因——例如與穿過發(fā)電機(jī)的通風(fēng)流的不期望的流動改道相關(guān)的原因——的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種方法，用于監(jiān)測穿過預(yù)定的流體流動空間的流體流動的速度的方法。所述方法包括支承光纖傳導(dǎo)體，所述光纖傳導(dǎo)體具有流動測量部分，所述流動測量部分限定橫穿所述流體流動空間的一部分延伸的長維度。在所述流體流動空間中的所述流體流動導(dǎo)致所述光纖傳導(dǎo)體的所述測量部分在橫向于所述長維度的方向上撓曲。為所述光纖傳導(dǎo)體提供光輻射。在所提供的光輻射已通過所述測量部分的至少一部分之后接收來自所述光纖傳導(dǎo)體的光輻射。分析所接收的光輻射以實(shí)現(xiàn)對所述流體流動的流速的確定。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的其他方面，所述光纖傳導(dǎo)體的所述流動測量部分可包括具有特征光波長的布拉格光柵，并且所述布拉格光柵可與所述提供的光輻射相互作用以形成所述接收的光輻射。產(chǎn)生在所述光纖傳導(dǎo)體的所述測量部分內(nèi)的應(yīng)變可產(chǎn)生反射波長，并且，由對應(yīng)于在所述測量部分處的流速的相對于所述特征波長的波長移位引起所述接收的光輻射的變化。
[0007]根據(jù)本發(fā)明其他替代性的方面，所述光纖傳導(dǎo)體的所述流動測量部分可包括長周期光柵(LPG)結(jié)構(gòu)，并且所述長周期光柵結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)所述提供的光輻射的變化以形成所述接收的光輻射，所述接收的光輻射包括與所述流體流動的流速相對應(yīng)的所述光纖傳導(dǎo)體的撓曲量的包層模特征?？商峁┒鄠€光纖傳導(dǎo)體，每個光纖傳導(dǎo)體具有支承在基座結(jié)構(gòu)上的基座端和定位于所述流體流動中的自由端，每個光纖在所述流體流動中自由彎曲并且具有LPG結(jié)構(gòu)，并且每個LPG結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的光纖傳導(dǎo)體的彎曲的一組包層模特征。所述接收的光輻射可包括從所述光纖傳導(dǎo)體的遠(yuǎn)離所述基座端的端部反射的光輻射。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于監(jiān)測穿過預(yù)定的流體流動空間的流體流動的速度的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)管結(jié)構(gòu)包括延伸成環(huán)以限定大體圓形的通道的中空構(gòu)件。光纖傳導(dǎo)體在所述導(dǎo)管結(jié)構(gòu)內(nèi)延伸，并且所述光纖傳導(dǎo)體限定流動測量部分，所述流動測量部分包括布拉格光柵并且在所述導(dǎo)管結(jié)構(gòu)之外在所述大體圓形的通道內(nèi)橫穿所述流體流動空間的一部分延伸。設(shè)置有用于為所述光纖傳導(dǎo)體提供光輻射的光輻射源，處理單元適于在所提供的光輻射已通過所述測量部分之后接收并分析來自所述光纖傳導(dǎo)體的光福射，以實(shí)現(xiàn)對所述流體流動的流速的確定。
[0009]而且，可以設(shè)置連接至所述光輻射源和所述處理單元并且在所述導(dǎo)管結(jié)構(gòu)內(nèi)延伸的第二光纖傳導(dǎo)體，所述第二光纖傳導(dǎo)體完全容納在所述導(dǎo)管結(jié)構(gòu)內(nèi)并且包括一個或多個布拉格光柵，所述第二光纖傳導(dǎo)體的所述一個或多個布拉格光柵適于提供在該一個或多個布拉格光柵的位置處的溫度測量。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于監(jiān)測穿過預(yù)定的流體流動空間的流體流動的速度的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括基座和光纖傳導(dǎo)體，所述光纖傳導(dǎo)體包括支承在所述基座上的基座端。所述光纖傳導(dǎo)體限定流動測量部分，所述流動測量部分包括橫穿所述流體流動空間的一部分延伸的長周期光柵(LPG)結(jié)構(gòu)。設(shè)置有為所述光纖傳導(dǎo)體提供光福射的光輻射源，并且還設(shè)置有處理單元，所述處理單元適于在所提供的光輻射已通過所述測量部分之后接收并分析來自所述光纖傳導(dǎo)體的光輻射，以參照由所述長周期光柵結(jié)構(gòu)形成的包層模實(shí)現(xiàn)對所述流體流動的流速的確定。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的其他方面，多個所述光纖傳導(dǎo)體可支承在所述基座上，每個所述光纖傳導(dǎo)體包括長周期光柵結(jié)構(gòu)，并且所述系統(tǒng)包括從所述光輻射源延伸的供給光纖傳導(dǎo)體和將來自所述供給光纖傳導(dǎo)體的光輻射提供給每個所述光纖傳導(dǎo)體的分光器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]盡管說明書在權(quán)利要求特別指出并明確聲明了本發(fā)明的情況下結(jié)束，可以認(rèn)為能夠通過以下結(jié)合附圖的說明更好地理解本發(fā)明，附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)識相同的元件，并且附圖中:
[0013]圖1是結(jié)合有本發(fā)明的監(jiān)測結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)的橫截面圖；
[0014]圖2是包括本發(fā)明的監(jiān)測結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)鼓風(fēng)機(jī)出口的一部分的示意橫截面圖；
[0015]圖3是用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)的檢測單元的放大圖；
[0016]圖4是包括測量部分的圖3的檢測單元的截面的放大圖；
[0017]圖5是包括監(jiān)測結(jié)構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)的示意圖；
[0018]圖6是根據(jù)本發(fā)明的檢測單元的替代構(gòu)造；
[0019]圖7是本發(fā)明的檢測單元的另一實(shí)施方式的示意圖；[0020]圖8是圖示可以由圖7的檢測單元提供的包層模的曲線圖；
[0021]圖9是結(jié)合有圖8的檢測單元的監(jiān)測系統(tǒng)的示意圖；和
[0022]圖10是根據(jù)本發(fā)明的檢測單元的另一實(shí)施方式。
【具體實(shí)施方式】
[0023]在以下對優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)說明中，參考了形成其一部分的附圖，并且在附圖中作為示例而不是限制示出了本發(fā)明可以實(shí)施的特定優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)理解可以采用其他實(shí)施方式并且可以做出改變而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
[0024]發(fā)電機(jī)中的多個位置可從確定穿過發(fā)電機(jī)內(nèi)部的冷卻流體一例如，氫氣或空氣一的流動特性和溫度特征中受益。例如，可以監(jiān)測為發(fā)電機(jī)提供冷卻流體的鼓風(fēng)機(jī)出口以感測穿過出口的冷卻流體的流速和溫度從而確定這一區(qū)域的流動和溫度分布圖(profile)與設(shè)計分布圖匹配。具體地，根據(jù)在此描述的測量系統(tǒng)的方面，期望監(jiān)測經(jīng)過一段時間在鼓風(fēng)機(jī)出口周圍的多個位置處的流速和溫度中的一者或兩者的變化，作為識別可以預(yù)測潛在損壞情況的鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)變化的手段?？赡馨l(fā)生在鼓風(fēng)機(jī)出口區(qū)域的示例情況包括正在變松的鼓風(fēng)機(jī)機(jī)罩安裝五金件或損壞的設(shè)置用于為冷卻流體進(jìn)入發(fā)電機(jī)提供通道的鼓風(fēng)機(jī)葉片。認(rèn)為期望檢測這些情況的原因在于如果這些組件或這些組件的零部件變松并且進(jìn)入發(fā)電機(jī)，那么發(fā)電機(jī)可能發(fā)生災(zāi)難性的機(jī)械和/或電氣損壞?？梢岳斫?，盡管具體關(guān)于發(fā)電機(jī)的鼓風(fēng)機(jī)出口管道對本監(jiān)測系統(tǒng)的各方面進(jìn)行了描述，但是該系統(tǒng)可以在發(fā)電機(jī)的其他位置上以及除包括發(fā)電機(jī)的應(yīng)用之外的其他應(yīng)用上實(shí)施。
[0025]參考圖1，圖示了發(fā)電機(jī)10，其包括由發(fā)電機(jī)框架或殼體16封裝的轉(zhuǎn)子12和定子
14。轉(zhuǎn)子12通?？砂ü娘L(fēng)機(jī)18,鼓風(fēng)機(jī)18用于將例如為氫氣的冷卻流體推進(jìn)到發(fā)電機(jī)10內(nèi)部各處以促進(jìn)冷卻，如由圖示冷卻流體的流動型態(tài)的有向線段20指示的。鼓風(fēng)機(jī)18可經(jīng)由大體環(huán)形的出口管道22排出冷卻流體，該環(huán)形的出口管道22在內(nèi)壁24和外壁26之間限定出流體流動空間27，見圖2。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，可以監(jiān)測從出口管道22流出的流體流以確保其根據(jù)預(yù)定設(shè)計要求被提供以使發(fā)電機(jī)10內(nèi)達(dá)到所期望的冷卻水平。特別地，可監(jiān)測出口管道22周圍的多個位置以確保離開出口管道的冷卻流體的流動和溫度在預(yù)定的水平。
[0026]參考圖2,不意性地不出了發(fā)電機(jī)10的出口管道22的一部分，包括根據(jù)本系統(tǒng)一個方面的監(jiān)測結(jié)構(gòu)28。該監(jiān)測結(jié)構(gòu)28包括多個檢測單元30，該多個檢測單元30繞著出口管道22的圓周沿周向間隔開。每個檢測單元30優(yōu)選構(gòu)造為提供管道22中的與相應(yīng)檢測單元30的位置對應(yīng)的位置的流速和溫度測量。
[0027]參考圖3和圖4，檢測單元30各自包括導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32，該導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32包括延伸成環(huán)以限定供冷卻流體流通過用的大體圓形的通道的中空構(gòu)件。該導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32的環(huán)相較于出口管道22的尺寸可以較小。
[0028]第一光纖傳導(dǎo)體36在導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32內(nèi)延伸并且至少部分地封裝在導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32中以保護(hù)光纖傳導(dǎo)體36以及將光纖傳導(dǎo)體36定位在流體流動空間27內(nèi)的預(yù)定位置。光纖傳導(dǎo)體36限定細(xì)長的流動測量部分38，該流動測量部分38在導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32外橫穿在圓形通道34內(nèi)的流體流動空間27的一部分延伸。特別地，光纖傳導(dǎo)體36在由導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32上的第一開口 40限定的第一位置和由導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32上的第二開口 42限定的第二位置之間延伸。因此，測量部分38由光纖傳導(dǎo)體36的一部分限定，該部分在第一開口 40和第二開口 42處與導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32成固定關(guān)系受支承并延伸穿過流體流動空間27的一部分以與穿過出口管道22的冷卻液體接觸。測量部分38包括至少一個速度光纖布拉格光柵(FBG)44，其在圖4中示出位于第一開口 40和第二開口 42之間的中心位置。
[0029]檢測單元30還可包括在導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32內(nèi)延伸并基本封裝在導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32中的第二光纖傳導(dǎo)體46。第二光纖傳導(dǎo)體46可與第一光纖傳導(dǎo)體32并排地延伸穿過導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32。第二光纖傳導(dǎo)體46包括至少一個溫度FBG48，該溫度FBG48布置在導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32內(nèi)在第一開口 40和第二開口 42之間大致中間的位置處。然而，應(yīng)該理解，溫度FBG48可位于沿著或鄰近由導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32限定的環(huán)的其他位置處。
[0030]應(yīng)該注意到溫度FBG48與速度FBG44結(jié)構(gòu)相似并且以與速度FBG44相似的方式操作，原因在于溫度FBG48提供了對由溫度變化所產(chǎn)生的應(yīng)變(strain)的測量。此外，溫度FBG48可在導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32內(nèi)的一個或多個位置處形成在第一光纖傳導(dǎo)體36中。如下文論述的，F(xiàn)BG44、48中的每一個都形成為具有特有的中心布拉格波長，使得可以通過在產(chǎn)生信號的傳感器的特有波長處的波長或接近該特有波長的波長來識別特定源或傳感器。
[0031]檢測單元30可基本上剛性地固定在基座部50 (圖3)上以與內(nèi)壁24的內(nèi)表面52成固定關(guān)系地支承檢測單元，由導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32的環(huán)定義的平面垂直于內(nèi)壁24延伸并且橫向于流體流動方向延伸?；?0可包括小墊，小墊設(shè)置于每個檢測單元30以便比如通過粘合劑或機(jī)械附接將檢測單元30安裝至內(nèi)表面52。替代性地，基座部50可包括繞內(nèi)壁24的圓周的連續(xù)基座，并且可包含具有足夠柔性的材料以形成柔性墊結(jié)構(gòu)，檢測單元30附接于該柔性墊結(jié)構(gòu)上以便繞例如內(nèi)壁24的彎曲表面延伸或繞不規(guī)則的波形表面延伸。基座部50為檢測單元30提供支承，其允許下墊面52移動，例如熱膨脹或收縮，而不將這種運(yùn)動傳遞到光纖傳導(dǎo)體36、46?；梢杂扇魏慰梢栽诜胖昧吮O(jiān)測結(jié)構(gòu)28的環(huán)境中操作并且可以將檢測單元與運(yùn)動隔離的材料形成。例如但非限制性地，基座材料可以包括金屬或塑料
帶，或者在某些應(yīng)用中可以包括維可牢(Ve丨CO? )帶。
[0032]光纖傳導(dǎo)體36、46優(yōu)選由通常在FBG傳感器中使用的那些可彈性變形的材料形成。特別地，光纖傳導(dǎo)體36、46可以包括小的玻璃內(nèi)芯，該玻璃內(nèi)芯具有玻璃外包層，該玻璃外包層與玻璃內(nèi)芯具有不同的折射率。布拉格光柵包括使用紫外光置于內(nèi)芯中的折射率稍微不同的線條。光纖傳導(dǎo)體36、46不包括塑料外套，使得纖維直徑非常小。此外，盡管FBG44、48在本文中被示意性地圖示為位于光纖傳導(dǎo)體36、46上的線條，但是可以理解的是，F(xiàn)BG44、48通常在光纖傳導(dǎo)體36、46上看不見。導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32可包括毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，該毛細(xì)管結(jié)構(gòu)由與光纖傳導(dǎo)體36、46的材料相比具有更大剛度的材料形成。例如，導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32優(yōu)選是介電材料，例如塑料或復(fù)合材料，當(dāng)受到由冷卻流體流動施加的力時該材料足夠強(qiáng)硬以抵抗運(yùn)動。然而，導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32可足夠柔軟以大體順隨支承檢測單元30的結(jié)構(gòu)的變化的輪廓。例如，該導(dǎo)管結(jié)構(gòu)可以由銅鎳毛細(xì)管形成，該毛細(xì)管的直徑可以在0.10英寸的量級上。
[0033]第一光纖傳導(dǎo)體36和第二光纖傳導(dǎo)體46中的每一者都是在連續(xù)的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32內(nèi)穿過每個檢測單元30延伸的連續(xù)傳導(dǎo)體。第一光纖傳導(dǎo)體36包括多個速度FBG44，即，每個檢測單元30至少一個速度FBG44，并且每個速度FBG44具有與特有中心布拉格波長入相對應(yīng)的光柵間距，以便反射對于第一光纖傳導(dǎo)體36中的每個FBG44而言特有的波長下的光。相似的，第二光纖傳導(dǎo)體46包括多個溫度FBG48，即，每個檢測單元30至少一個溫度FBG48，并且每個溫度FBG48具有對應(yīng)于特有中心布拉格波長λ的光柵間距，以便反射對于第二光纖傳導(dǎo)體46中的每個FBG48而言特有的波長下的光。
[0034]參考圖5，示出了包括監(jiān)測結(jié)構(gòu)28的監(jiān)測系統(tǒng)54。該監(jiān)測系統(tǒng)54包括光纖傳導(dǎo)體結(jié)構(gòu)56，該光纖傳導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可包括導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32和封裝的光纖傳導(dǎo)體36、46的延續(xù)部，或者替代性地，可包括從耦合器或接頭58分支出來的帶有光纖傳導(dǎo)體36、46的共用光纖傳導(dǎo)體，以便傳導(dǎo)源自光纖傳導(dǎo)體36、46 二者的光信號。該監(jiān)測系統(tǒng)54還可包括例如為寬帶光源的光福射源60,該光福射源60在稱合器62處稱合到光纖傳導(dǎo)體結(jié)構(gòu)56以為監(jiān)測結(jié)構(gòu)28提供光輻射，并且其提供預(yù)定范圍的光波長(頻率)，以與沿著光纖傳導(dǎo)體36、46布置的任意FBG44、48的中心布拉格波長λ相對應(yīng)。源自FBG44、48的反射光可以通過光纖傳導(dǎo)體結(jié)構(gòu)56回傳，并且經(jīng)由耦合器62在光處理器或光分析器64處被接收。通過分析器64處理的數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步傳送到操作員界面，例如，傳送到監(jiān)視器66和/或傳送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)68。
[0035]在由監(jiān)測系統(tǒng)54執(zhí)行的測量操作中，流經(jīng)出口管道22的冷卻流體流繞多個檢測單元30穿行，包括流動通過限定在導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32的環(huán)內(nèi)的通道34。隨著該冷卻流體穿過通道34，流體流動可能引起第一光纖傳導(dǎo)體36的測量部分38在橫向于測量部分38的長維度的方向上撓曲，即，大體垂直于或橫向于導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32的環(huán)的平面。測量部分38的撓曲在第一光纖傳導(dǎo)體36中在速度FBG44處產(chǎn)生應(yīng)變，該應(yīng)變與穿越包含相應(yīng)的速度FBG44的測量部分38的流體流的速度成比例。在速度FBG44處的該撓曲和產(chǎn)生的應(yīng)變導(dǎo)致形成速度FBG44的光柵之間的間隔改變，這導(dǎo)致從光輻射源60提供并從速度FBG44反射的光的波長改變，以為每個速度FBG44提供可通過分析器64確定的速度測量。由于速度FBG44 —直在撓曲狀態(tài)下感測空氣流動，所以源自每個速度FBG44的反射波長將等于或大于相應(yīng)的速度FBG44的特有的中心布拉格波長入。
[0036]此外，在溫度FBG48的位置處的溫度可引起第二光纖傳導(dǎo)體46膨脹和收縮與流體流的溫度成比例的量。第二光纖傳導(dǎo)體46的膨脹或收縮引起形成溫度FBG48的光柵之間的間隔改變，這導(dǎo)致從光輻射源60提供并從溫度FBG48反射的光的波長改變，從而為每個溫度FBG48提供可以通過分析器64確定的溫度測量。每個溫度FBG48的反射波長的改變會以相應(yīng)的溫度FBG48的特有中心布拉格波長λ為中心。
[0037]除了提供在檢測單元30的位置處的溫度測量以便監(jiān)測穿過發(fā)電機(jī)10的冷卻流體的合適操作之外，溫度FBG48提供溫度修正值以便在冷卻流體的溫度有變化的情況下修正速度FBG44的速度測量。具體地，第一光纖傳導(dǎo)體36的測量部分38在溫度有變化的情況下會膨脹和收縮，使得從速度FBG44反射的波長可以包括與溫度變化相關(guān)聯(lián)的溫度分量以及與測量部分38的起因于流速的撓曲相關(guān)聯(lián)的速度分量。第一光纖傳導(dǎo)體36的速度FBG44的反射波長隨溫度變化發(fā)生的移位可以利用所測量的在溫度FBG48處的波長移位進(jìn)行補(bǔ)償。也就是說，由溫度FBG48測量的波長變化可以用于消去由速度FBG44提供的相對于中心布拉格波長λ的反射波長變化的溫度分量，使得只保留源于速度FBG44的測量的速度分量。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在每個檢測單元30的位置處的速度和溫度可以被確定。來自所述多個檢測單元30的已知位置的數(shù)據(jù)可以指示發(fā)電機(jī)10的冷卻系統(tǒng)的情況。在檢測單元30的每個位置上的相對于預(yù)定流速的流速變化或相對于預(yù)定溫度的溫度變化可以指示相對于設(shè)計情況的流動上的改變，這例如可能是由發(fā)電機(jī)內(nèi)松動或移位的組件所引起的。因此除了提供監(jiān)測而該監(jiān)測可以提供對在發(fā)電機(jī)10內(nèi)提供了不當(dāng)冷卻的指示之外，監(jiān)測系統(tǒng)54可以提供對松動或移位組件的預(yù)先指示，從而有可能允許在松動的零部件行進(jìn)到它們在那里可能引起毀滅性破壞的發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部位之前進(jìn)行維修或維護(hù)操作。
[0039]可以注意到，可以設(shè)置大量的檢測單元30，包括在第一光纖傳導(dǎo)體36中設(shè)置在100個量級上的速度FBG44，和在第二光纖傳導(dǎo)體46中設(shè)置相等數(shù)量的溫度FBG。而且應(yīng)該理解，可以為每個檢測單元30設(shè)置多于一個的速度FBG44和多于一個的溫度FBG48。
[0040]盡管所述實(shí)施方式將所有速度FBG44都結(jié)合到第一光纖傳導(dǎo)體36中并且將所有溫度FBG48都結(jié)合到第二光纖傳導(dǎo)體46中，但是應(yīng)該理解，可以設(shè)置附加光纖傳導(dǎo)體。例如，為了確保在第一和第二光纖傳導(dǎo)體36、46兩者之一發(fā)生損壞的情況下保持感測能力，速度和溫度FBG44、48可以形成在可從接頭58 (圖5)伸出的多個相應(yīng)的第一和第二光纖傳導(dǎo)體36、46中。因此，光可以沿著多個路徑供給至速度和溫度FBG44、48并從該速度和溫度FBG44、48反射，以確保在某個第一和第二光纖傳導(dǎo)體36、46被破壞的情況下監(jiān)測操作的持續(xù)性。
[0041]應(yīng)該理解為，盡管參照到出口管道22的內(nèi)壁24的附接對本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，但是本文中描述的檢測單元30可以布置在外壁26上，或布置在發(fā)電機(jī)10內(nèi)期望監(jiān)測流體流速和溫度的其他任何表面上。而且，監(jiān)測結(jié)構(gòu)28可以結(jié)合在除發(fā)電機(jī)以外的其他機(jī)器中，例如，可以結(jié)合在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的壓縮機(jī)內(nèi)。
[0042]參考圖6，示出了檢測單元的替代構(gòu)型，其中與先前實(shí)施方式中的檢測單元30相對應(yīng)的元件用相同的附圖標(biāo)記加上100標(biāo)注。圖6的實(shí)施方式提供了檢測單元130，該檢測單元可以用于繪制在流動區(qū)域整個橫截面上的流體流動，例如，在圓形管道的整個橫截面上的流體流動。例如該檢測單元130可以位于縱向地延伸穿過發(fā)電機(jī)10的其中一個管道70 (圖1)中。
[0043]檢測單元130可以包括繞著管道70的內(nèi)圓周延伸的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)132。第一光纖傳導(dǎo)體136和第二光纖傳導(dǎo)體146在導(dǎo)管結(jié)構(gòu)132內(nèi)延伸分別用以獲得速度和溫度測量。在本實(shí)施方式中，第一光纖傳導(dǎo)體136可以包括多個光纖136a-e。第一光纖傳導(dǎo)體136限定了多個在導(dǎo)管結(jié)構(gòu)132外延伸的細(xì)長的流動測量部分138，這多個測量部分138分別指定為138a-e。每個測量部分138可以由形成第一光纖傳導(dǎo)體136的相應(yīng)光纖136a_e的一部分形成。具體地，各個光纖136a-e可以在相應(yīng)的成對的由導(dǎo)管結(jié)構(gòu)132中的開口限定的多個第一位置140a_e和第二位置142a_e之間延伸，這些開口用于光纖136a_e在導(dǎo)管結(jié)構(gòu)132內(nèi)部和流體流動通道134之間的通行。位置140a_e和142a_e限定支承相應(yīng)的測量部分138a-e的大體固定的端部的位置。
[0044]每個測量部分138a_e都可以設(shè)置有FBG144，該FBG144可以位于每個測量部分138a-e的大致中心位置。每個速度FBG144都具有與特有中心布拉格波長λ相對應(yīng)的光柵間距，以反射對于第一光纖傳導(dǎo)體136中的每個FBG144而言特有的波長的光。冷卻流體通過流動通道134的流動引起測量部分138a-e撓曲并且在光纖傳導(dǎo)體136中產(chǎn)生應(yīng)變，該應(yīng)變的量與流動速度成比例并且可以在不同的速度FBG144的位置處被檢測到。在流動空間134的整個橫截面上的流速改變可以引起設(shè)置在測量部分138a-e中的速度FBG144上的撓曲和應(yīng)變改變，以提供對應(yīng)于不同的速度FBG144位置的速度測量。因此可以繪制穿過流動空間134的流體流動的速度分布圖以提供用于評估在例如管道70的結(jié)構(gòu)中的流體流動的數(shù)據(jù)。
[0045]第二光纖傳導(dǎo)體146可以設(shè)置有多個溫度FBG148以提供溫度測量，該溫度測量可以用來以與針對先前實(shí)施方式的溫度FBG48所描述的方式類似的方式針對溫度變化修正速度測量。應(yīng)當(dāng)理解，本實(shí)施方式可以包括任意數(shù)量的測量部分138，并且可以設(shè)置任意數(shù)量的速度FBG144和溫度FBG148。此外，可以在一個或多個速度FBG144中形成溫度FBG148，使得可以不需要單獨(dú)的第二光纖傳導(dǎo)體146以獲得溫度測量。
[0046]參考圖7，示出了本發(fā)明另一實(shí)施方式，其包括檢測單元210，該檢測單元210可以安裝在發(fā)電機(jī)的鼓風(fēng)機(jī)出口管道中或安裝在其他位置上，如針對先前實(shí)施方式所描述的。檢測單元210包括支承多個光纖214的基座部212，該多個光纖214大體垂直于基座部212并且彼此平行地延伸到流體流動空間中或橫穿流體流動空間延伸。光纖214可以布置成垂直于流動通過流體流動空間內(nèi)的檢測單元210的冷卻流體的流動方向215延伸的至少一列。如在其中一個光纖214中示意性地示出的，可以在沿著每個光纖214的細(xì)長的或縱長的延伸部分的芯218中設(shè)置長周期光柵(LPG) 216。
[0047]設(shè)置于光纖214的LPG216在以下方面相似于先前實(shí)施方式的FBG:兩者都是在光纖的芯中具有周期性結(jié)構(gòu)。然而不像FBG，LPG結(jié)構(gòu)通常長5到10倍并且光柵節(jié)距也更長，使LPG具有將傳導(dǎo)模耦合到包層模的功能特性。因此，在傳輸中，光信號在通過LPG結(jié)構(gòu)之后具有一系列波長“缺口 ”。這些缺口是詢問信號中已經(jīng)被去除的波長波段，即，轉(zhuǎn)換到包層模的波長波段。該包層模高度依賴于光纖214的彎曲，該彎曲導(dǎo)致形成LPG216的光柵的間距上的變化。因此，引起光纖彎曲的力將會反過來在包層模的擾動中顯示自身。圖8示出可以由LPG216的包層模220提供的典型透射譜。光纖214的任意彎曲和LPG216的光柵之間的間距的對應(yīng)變化將導(dǎo)致穿過LPG216至包層模的光的更大的損失。每個光纖214可以設(shè)置有具有特有的一組包層模220的LPG結(jié)構(gòu)216，使得特有的一組包層模波長與每個光纖214的位置相對應(yīng)。
[0048]參考圖9，示出了結(jié)合有檢測單元210的監(jiān)測系統(tǒng)222。該監(jiān)測系統(tǒng)222包括:例如為寬帶光源的光輻射源224，用于通過耦合器226將光提供到光纖214 ;以及從耦合器226延伸至分光器230的供給光纖傳導(dǎo)體結(jié)構(gòu)228。分光器226可以設(shè)置于檢測單元210的基座部212以將從光輻射源224輸送的光分配到各個光纖214。
[0049]如上所述，穿過LPG216的光將會顯示出對于包層模220而言特定的波長波段的光損失。每個光纖214的自由端232都設(shè)置有反射表面234 (圖7)，該反射表面234會將傳播通過LPG216的光通過光纖214經(jīng)由分光器230反射回到光纖傳導(dǎo)體結(jié)構(gòu)228。然后從光纖214反射的光經(jīng)由耦合器226在光處理器或光分析器236處被接收，可以在該處理器或分析器236處對包層模損失進(jìn)行確定以確定每個光纖214的彎曲量，該彎曲量與流過檢測單元210中的每個光纖214的冷卻流體的速度相對應(yīng)或成比例。
[0050]檢測單元210的靈敏度和響應(yīng)性可以通過改變光纖214的物理特征——例如，通過改變光纖214的直徑和/或長度——進(jìn)行改變和調(diào)整。也就是說，通過提供更薄或更長的光纖214，可以減小光纖214的抗彎曲能力，這在具有低速流的應(yīng)用中會是有利的。
[0051]此外，可以例如在檢測單元210的基座部212中與光纖214相關(guān)聯(lián)地設(shè)置具有溫度FBG (未示出)的光纖傳導(dǎo)體，以提供溫度測量和/或如針對圖2-4的實(shí)施方式所描述的提供對從光纖214獲得的速度測量的溫度修正。
[0052]參考圖10，示出了圖7的實(shí)施方式的替代性實(shí)施方式，其中與圖7的實(shí)施方式相對應(yīng)的圖10的實(shí)施方式的元件用相同的附圖標(biāo)記加上100進(jìn)行標(biāo)注。
[0053]圖10示出了檢測單元310，該檢測單元310包括多個光纖314，該多個光纖314在基座部312上布置成陣列317并且包括多列光纖314，其在本文中圖示為橫向于流體流動方向315延伸的多列317a、317b、317c，并且該多個光纖314包括通?？稍诹黧w流中自由移動的自由端332。每個光纖314都包括LPG和反射端面334，并且以與針對圖7的實(shí)施方式的光纖214所描述的方式相同的方式操作。而且可以對源自多列光纖314的光信號進(jìn)行處理以確定流體流動的方向。例如，可以通過比較或繪出相鄰和/或相繼的光纖314的差別彎曲以確定流動穿過檢測單元310的多個部分的當(dāng)前流動的相對強(qiáng)度，從而檢測流體流動的彎曲度或橫向于與穿過管道的預(yù)定流體流動路徑平行的方向的方向，該當(dāng)前流動可以相對于與陣列317的列的擴(kuò)展垂直的方向成角度地延伸，如由成角度的流動線315示出的。
[0054]通過以上對本發(fā)明的描述，應(yīng)該清楚，本發(fā)明的實(shí)施方式提供了能夠獲得可以遍布流體流動空間分布的多個和同時的速度和溫度測量的方法和系統(tǒng)。而且該測量系統(tǒng)的構(gòu)型提供了允許將其設(shè)置在復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)或沿復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)置以提供在可能通過常規(guī)感測設(shè)備不能接近的位置處的流體流動和溫度測量的靈活度。
[0055]還要指出，使用光纖傳導(dǎo)體作為本文所描述的系統(tǒng)的感測元件提供了一種在監(jiān)測發(fā)電設(shè)備上具有較高接受水平的傳感器。相對較小并且重量相對較輕的光纖通常表明在光纖被破壞和/或進(jìn)入發(fā)電設(shè)備的冷卻流體流的情況下導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備內(nèi)損壞的風(fēng)險降低。
[0056]盡管已經(jīng)圖示和描述了本發(fā)明的特定實(shí)施方式，但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講顯而易見的是可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下進(jìn)行各種其他改變和改型。因此要在所附權(quán)利要求中覆蓋落入本發(fā)明的范圍內(nèi)的所有這種改變和改型。
【權(quán)利要求】
1.一種監(jiān)測穿過預(yù)定的流體流動空間的流體流動的速度的方法，所述方法包括: 支承光纖傳導(dǎo)體，所述光纖傳導(dǎo)體具有流動測量部分，所述流動測量部分限定橫穿所述流體流動空間的一部分延伸的長維度； 在所述流體流動空間中的所述流體流動導(dǎo)致所述光纖傳導(dǎo)體的所述測量部分在橫向于所述長維度的方向上撓曲； 為所述光纖傳導(dǎo)體提供光輻射； 在所提供的光輻射已通過所述測量部分的至少一部分之后接收來自所述光纖傳導(dǎo)體的光福射；和 分析所接收的光輻射以實(shí)現(xiàn)對所述流體流動的流速的確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述光纖傳導(dǎo)體的所述流動測量部分包括具有特征光波長的布拉格光柵，并且所述 布拉格光柵與所述提供的光輻射相互作用以形成所述接收的光輻射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，產(chǎn)生在所述光纖傳導(dǎo)體的所述測量部分內(nèi)的應(yīng)變產(chǎn)生反射波長，并且，由對應(yīng)于所述測量部分處的流速的相對于所述特征波長的波長移位引起所述接收的光輻射的變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法,其中,所述光纖傳導(dǎo)體包括多個布拉格光柵,每個布拉格光柵限定包括特有特征波長的流動測量部分，并且所述方法包括獲得與每個布拉格光柵的位置相對應(yīng)的流速測量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述光纖傳導(dǎo)體至少部分地封裝在限定環(huán)的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)內(nèi)，并且所述流體流動大體橫向于由所述環(huán)限定的平面通過所述環(huán)，所述流體流動導(dǎo)致所述光纖傳導(dǎo)體的所述測量部分在所述環(huán)上的一對位置之間在橫向于由所述環(huán)限定的所述平面的方向上撓曲。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法,其中，所述光纖傳導(dǎo)體包括多個橫在所述環(huán)上的相應(yīng)的成對位置之間的測量部分，每個測量部分包括一個或多個布拉格光柵并提供在沿所述光纖傳導(dǎo)體的不同位置處的流速測量。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，包括第二光纖傳導(dǎo)體，所述第二光纖傳導(dǎo)體包括一個或多個布拉格光柵并且封裝在所述導(dǎo)管結(jié)構(gòu)內(nèi)，并且所述方法包括: 為所述第二光纖傳導(dǎo)體提供光輻射； 從所述第二光纖傳導(dǎo)體接收光輻射；和 確定相對于特征波長的波長移位以實(shí)現(xiàn)對在所述第二光纖傳導(dǎo)體的所述一個或多個布拉格光柵的位置處的溫度的確定。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，包括參照對所述溫度的所述確定調(diào)整對所述流速的所述確定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述光纖傳導(dǎo)體的所述流動測量部分包括長周期光柵結(jié)構(gòu)，并且所述長周期光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所述提供的光輻射的變化以形成所述接收的光輻射，所述接收的光輻射包括與所述流體流動的流速相對應(yīng)的所述光纖傳導(dǎo)體的撓曲量的包層模特征。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，提供多個光纖傳導(dǎo)體，每個光纖傳導(dǎo)體具有支承在基座結(jié)構(gòu)上的基座端和定位于所述流體流動中的自由端，每個光纖在所述流體流動中自由彎曲并且具有長周期光柵結(jié)構(gòu)，并且每個長周期光柵結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的光纖傳導(dǎo)體的彎曲的一組包層模特征。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括比較其中兩個或更多個所述光纖傳導(dǎo)體的包層模以確定流體流動的方向。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述接收的光輻射包括從所述光纖傳導(dǎo)體的遠(yuǎn)離所述基座端的端部反射的光輻射。
13.一種用于監(jiān)測穿過預(yù)定的流體流動空間的流體流動的速度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)管結(jié)構(gòu)包括延伸成環(huán)以限定大體圓形的通道的中空構(gòu)件； 光纖傳導(dǎo)體，所述光纖傳導(dǎo)體在所述導(dǎo)管結(jié)構(gòu)內(nèi)延伸，所述光纖傳導(dǎo)體限定流動測量部分，所述流動測量部分包括布拉格光柵并且在所述導(dǎo)管結(jié)構(gòu)之外在所述大體圓形的通道內(nèi)橫穿所述流體流動空間的一部分延伸； 光輻射源，所述光輻射源為所述光纖傳導(dǎo)體提供光輻射； 處理單元，所述處理單元適于在所提供的光輻射已通過所述測量部分之后接收并分析來自所述光纖傳導(dǎo)體的光輻射，以實(shí)現(xiàn)對所述流體流動的流速的確定。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，包括第二光纖傳導(dǎo)體，所述第二光纖傳導(dǎo)體連接至所述光輻射源和所述處理單元并且在所述導(dǎo)管結(jié)構(gòu)內(nèi)延伸，所述第二光纖傳導(dǎo)體完全容納在所述導(dǎo)管結(jié)構(gòu)內(nèi)并且包括一個或多個布拉格光柵，所述第二光纖傳導(dǎo)體的所述一個或多個布拉格光柵適于提供在該一個或多個布拉格光柵的位置處的溫度測量。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述導(dǎo)管結(jié)構(gòu)限定多個環(huán)，每個所述環(huán)包括一個或多個測量部分。
16.一種用于監(jiān)測穿過預(yù)定的流體流動空間的流體流動的速度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 基座； 光纖傳導(dǎo)體，所述光纖傳導(dǎo)體包括支承在所述基座上的基座端，所述光纖傳導(dǎo)體限定流動測量部分，所述流動測量部分包括橫穿所述流體流動空間的一部分延伸的長周期光柵(LPG)結(jié)構(gòu)； 光輻射源，所述光輻射源為所述光纖傳導(dǎo)體提供光輻射； 處理單元，所述處理單元適于在所提供的光輻射已通過所述測量部分之后接收并分析來自所述光纖傳導(dǎo)體的光輻射，以參照由所述長周期光柵結(jié)構(gòu)形成的包層模實(shí)現(xiàn)對所述流體流動的流速的確定。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，包括多個支承在所述基座上的所述光纖傳導(dǎo)體且每個所述光纖傳導(dǎo)體都包括長周期光柵結(jié)構(gòu)，并且所述系統(tǒng)包括從所述光輻射源延伸的供給光纖傳導(dǎo)體和將來自所述供給光纖傳導(dǎo)體的光輻射提供給每個所述光纖傳導(dǎo)體的分光器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述多個光纖傳導(dǎo)體布置成支承在所述基座上的多列光纖傳導(dǎo)體。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述光纖傳導(dǎo)體在遠(yuǎn)離所述基座端的一端處包括反射表面，以將包括所述包層模的光輻射反射通過所述光纖傳導(dǎo)體至所述處理單元。
【文檔編號】G01F1/00GK103582820SQ201280021953
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月5日
【發(fā)明者】埃萬蓋洛斯·V·迪亞特齊基斯, 愛德華·D·湯姆普森, 邁克爾·特韋爾多赫利布 申請人:西門子能源有限公司