專利名稱：利用可調(diào)諧激光二極管進(jìn)行溫度和壓力測(cè)量的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所公開的主題涉及壓力測(cè)量，并且特別地涉及熱氣體路徑中的壓力測(cè)量。
背景技術(shù)：
在電的產(chǎn)生中利用燃?xì)鉁u輪機(jī)。典型的燃?xì)鉁u輪機(jī)包含壓縮機(jī)以吸入并壓縮空氣。壓縮的空氣與燃料組合并且在燃燒室(或燃燒器)中燃燒以生成熱氣流。提供熱氣體到渦輪部分，在那里該熱氣體引起轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子又為發(fā)電機(jī)提供機(jī)械能以產(chǎn)生電。熱氣流的溫度和壓力可影響渦輪的操作。因此，已經(jīng)開發(fā)了若干不同類型的溫度和壓力測(cè)量傳感器。典型的壓力傳感器包含膜片壓力計(jì)和應(yīng)變計(jì)。壓力的改變引起膜片變形并且變形由應(yīng)變計(jì)來(lái)測(cè)量。由于渦輪內(nèi)部的熱，壓力傳感器包含位于渦輪外部的換能器以及渦輪內(nèi)的將氣體引入換能器的探頭。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開了一種使用可調(diào)諧二極管激光器測(cè)量氣體中的動(dòng)態(tài)壓力的系統(tǒng)。此方面的系統(tǒng)包含激光傳送系統(tǒng)，其包含可調(diào)諧二極管激光器并且配置為通過(guò)氣體傳送由可調(diào)諧二極管激光器生成的激光，以及激光接收系統(tǒng)，其配置為在激光已經(jīng)穿過(guò)氣體后接收激光以從所接收的激光生成吸收峰。激光接收系統(tǒng)配置為基于吸收峰中的一個(gè)的擴(kuò)展來(lái)估計(jì)壓力中的改變。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種使用可調(diào)諧二極管激光器測(cè)量氣體的溫度和壓力的方法。方法包含使具有三個(gè)不同頻率的激光穿過(guò)氣體；在該激光已經(jīng)穿過(guò)氣體后在三個(gè)不同頻率的每個(gè)頻率處測(cè)量激光的強(qiáng)度；從所測(cè)量的強(qiáng)度形成第一、第二以及第三峰值曲線；為第一和第二峰值曲線確定線強(qiáng)度；以及基于第三峰值曲線的寬度中的改變來(lái)估計(jì)氣體的動(dòng)態(tài)壓力改變。這些以及其它優(yōu)點(diǎn)和特征從以下描述結(jié)合附圖將變得更明顯。


被認(rèn)為是本發(fā)明的主題在說(shuō)明書的總結(jié)的權(quán)利要求中已特別指出并且清楚地要求保護(hù)。本發(fā)明的上文的和其它特征、以及優(yōu)點(diǎn)從下文的詳細(xì)描述結(jié)合附圖是明顯的，在附圖中
圖I圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)諧二極管激光器系統(tǒng)；
圖2圖示吸收峰上的壓力的展寬效應(yīng)；
圖3是將吸收峰的展寬的量與壓力中的改變相關(guān)的圖表；以及 圖4是圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的確定氣體的溫度和壓力的方法的流程圖。詳細(xì)描述以示例的方式參考附圖解釋了本發(fā)明的實(shí)施例以及優(yōu)點(diǎn)和特征。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的實(shí)施例針對(duì)利用可調(diào)諧激光二極管來(lái)測(cè)量渦輪中的溫度和壓力的系統(tǒng)和方法。在一個(gè)實(shí)施例中，選擇三個(gè)不同吸收峰。利用峰值中的兩個(gè)來(lái)測(cè)量渦輪中氣體的溫度并且利用第三峰值的擴(kuò)展的量來(lái)測(cè)量氣體的壓力。現(xiàn)在參考圖I，用于測(cè)量渦輪中的溫度和壓力的系統(tǒng)100包含激光傳送系統(tǒng)102和激光接收系統(tǒng)104。激光傳送系統(tǒng)102以光的形式提供激光能量到樣本室106。樣本室106可包含氣體形式的材料，其可以是靜態(tài)或移動(dòng)的。在說(shuō)明性實(shí)施例中，樣本室106是氣體渦輪系統(tǒng)的一部分并且可以在例如由氣體渦輪系統(tǒng)的燃燒室提供的熱氣體路徑中形成。在一個(gè)實(shí)施例中，安排和配置激光傳送系統(tǒng)102以便其可提供激光而不影響材料通過(guò)樣本室的材料流。由激光傳送系統(tǒng)102提供的激光通過(guò)樣本室106中的材料行進(jìn)并且由激光接收系統(tǒng)104接收。激光接收系統(tǒng)104可包含元件，該元件允許其接收激光、跨頻帶確定其強(qiáng)度以 及從強(qiáng)度確定樣本室106中的氣體的溫度和壓力中的一個(gè)或兩者。樣本室106中的氣體可引起吸收由激光傳送系統(tǒng)102提供的激光的某些波長(zhǎng)。因此，如果氣體吸收通過(guò)其傳送的一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)，則激光接收系統(tǒng)104將僅接收傳送進(jìn)樣本室106的激光的一部分。在一個(gè)實(shí)施例中，激光傳送系統(tǒng)102包含激光產(chǎn)生器108，其提供激光到耦合到樣本室106的激光輸入110。在所圖示的實(shí)施例中，激光產(chǎn)生器108和激光輸入110彼此分離并且通過(guò)輸入傳送線112彼此耦合。輸入傳送線112可以是光導(dǎo)纖維線纜或可以承載激光的其它連接器。當(dāng)然，激光產(chǎn)生器108和激光輸入110可以形成為單個(gè)元件并且輸入傳送線112被省略或者包含于該單個(gè)元件內(nèi)。激光輸入110耦合到樣本室106以便其可引導(dǎo)其從輸入傳送線112接收的激光通過(guò)樣本室106中的氣體的至少一部分并且以便激光的至少一部分可以由激光接收系統(tǒng)104檢測(cè)。在一個(gè)實(shí)施例中，激光輸入110耦合到樣本室106以便其不改變或者以其它方式影響通過(guò)樣本室106的氣流。激光接收系統(tǒng)104包含耦合到樣本室106的激光接收器114。激光輸入110和激光接收器114形成傳送器/接收器對(duì)。如圖示，激光輸入110和激光接收器114放置于樣本室106的相反側(cè)。將理解此配置僅是說(shuō)明性的并且精確定向可以基于上下文而變化。例如，激光輸入110和激光接收器114可以位于樣本室106的相同側(cè)，而將鏡面或其它反射元件放置于樣本室106內(nèi)或樣本室106上以便由激光輸入110提供的激光通過(guò)氣體行進(jìn)并且然后反射回激光接收器114。激光接收系統(tǒng)104也包含評(píng)價(jià)子系統(tǒng)116，其配置為評(píng)價(jià)由激光接收器114接收的激光。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，評(píng)價(jià)子系統(tǒng)116可以通過(guò)接收器傳送線118耦合到激光接收器114。接收器傳送線118可以是光導(dǎo)纖維線纜或可以承載激光的其它連接器。當(dāng)然，激光接收器114和評(píng)價(jià)子系統(tǒng)116可以形成為單個(gè)元件并且接收器傳送線118被省略或者包含于該單個(gè)元件內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，激光傳送系統(tǒng)108包含可調(diào)諧二極管激光器120?？烧{(diào)諧二極管激光器120可以在各種頻率產(chǎn)生激光。在一個(gè)實(shí)施例中，可調(diào)諧二極管激光器120產(chǎn)生具有波長(zhǎng)圍繞至少三個(gè)不同的頻率/波長(zhǎng)的激光。在圖I中，可調(diào)諧二極管激光器120圖示為包含三個(gè)不同的二極管激光器122、124、126。在一個(gè)實(shí)施例中，這些二極管激光器的每個(gè)在不同的頻率范圍上提供激光能量。將理解盡管圖I中圖示三個(gè)分離的二極管激光器122、124、126，但可調(diào)諧二極管激光器120可包含能夠掃過(guò)二極管激光器122、124、126的三個(gè)不同的頻率范圍的單個(gè)二極管激光器。在一個(gè)實(shí)施例中，可調(diào)諧激光二極管120包含輸入選擇器(例如光復(fù)用器128)，其選擇并且耦合一個(gè)或多個(gè)二極管激光器122、124、126所生成的激光能量到輸入傳送路徑112。在一個(gè)實(shí)施例中，二極管激光器122、124、126可產(chǎn)生具有掃過(guò)圍繞中心頻率的頻率范圍的頻率的光。在一個(gè)實(shí)施例中，選擇用于二極管激光器122、124、126的頻率范圍以便它們彼此不重疊。系統(tǒng)100工作于由激光輸入110提供的激光穿過(guò)的氣體的溫度和壓力影響激光的吸收的原理。在一個(gè)實(shí)施例中，基于正受檢查的氣體來(lái)選擇由二極管激光器122、124、126提供的光的波長(zhǎng)。在一個(gè)實(shí)施例中，氣體是穿出燃?xì)鉁u輪機(jī)中的燃燒室的熱氣體。通過(guò)氣體的兩個(gè)吸收峰的線強(qiáng)度比來(lái)測(cè)量溫度并且吸收峰的寬度取決于氣體的壓力。壓力越大，吸收帶越寬。此壓力展寬導(dǎo)致吸收峰估計(jì)的不準(zhǔn)確度，降低測(cè)量的準(zhǔn)確度。然而，根據(jù)本文中的教導(dǎo)，此現(xiàn)象可用于使用單個(gè)系統(tǒng)與溫度的測(cè)量并行地估計(jì)壓力。因此，本文所公開的實(shí)施例的技術(shù)效果是其允許單個(gè)、非介入傳感器來(lái)測(cè)量熱氣體的壓力和溫度。另外，因?yàn)榧す獯┻^(guò)氣體路徑，所以壓力測(cè)量是路徑平均值而不是如現(xiàn)有技術(shù)中那樣的單個(gè)點(diǎn)估計(jì)。因 為燃?xì)鉁u輪機(jī)中的熱氣流在軸截面上典型地不均勻，所以此平均在其中要求平均溫度的很多情況下可以更有用。評(píng)價(jià)子系統(tǒng)116包含目的地選擇器(圖示為光解復(fù)用器128)，其將由激光接收器114接收的激光提供給溫度子系統(tǒng)130或壓力子系統(tǒng)132。特別地，將具有在由第一和第二二極管激光器122和124產(chǎn)生的范圍中的頻率的能量(例如，光)提供給溫度子系統(tǒng)130，以及將具有在由第三二極管激光器126提供的范圍中頻率的光提供給壓力子系統(tǒng)132。峰值曲線134、136、138可以由溫度和壓力子系統(tǒng)130、132從每個(gè)頻率范圍生成。當(dāng)然，單個(gè)元件可產(chǎn)生所有這些曲線并且曲線統(tǒng)稱作峰值曲線140。當(dāng)然，包含峰值曲線140的曲線的數(shù)量可從兩個(gè)變化到任何數(shù)量，但是為解釋容易起見(jiàn)使用三個(gè)。將峰值曲線140傳遞到計(jì)算裝置142，其可從峰值曲線形成溫度和壓力的估計(jì)。可以比較峰值曲線中的兩個(gè)(例如，峰值曲線134和136)的線強(qiáng)度來(lái)以已知方式生成溫度的估計(jì)。在一個(gè)實(shí)施例中，峰值曲線134、136、138具有預(yù)定義的掃描范圍。例如，每個(gè)峰值曲線可具有覆蓋與波長(zhǎng)相關(guān)的頻率的范圍，其以固定量(例如，900nm)變化并且以峰值中心頻率為中心。圖2圖示吸收峰200和展寬的峰值202，展寬的峰值202表示在不同的、增加的壓力的相同峰值。吸收峰200具有中心頻率&并且位于在fcr A f與f# A f之間延伸的掃描范圍。在一個(gè)實(shí)施例中，頻率范圍在對(duì)應(yīng)于具有I. 3與I. 4 iim之間的波長(zhǎng)的光的頻率之間延伸。將理解本文所公開的相對(duì)于頻率的任何測(cè)量可以用波長(zhǎng)來(lái)表達(dá)，并且反之亦然。吸收峰200具有圖示為V1的FWHM(半高全寬)。類似地，展寬的峰值202具有圖示為V2的FWHM。V2與V1之間的差別是壓力和溫度的組合效果并且本文將稱作AVv。A Vv的值可通過(guò)如在本領(lǐng)域中已知的解Voigt曲線而在數(shù)學(xué)上確定。在光吸收光譜學(xué)中，比爾-朗伯(Beer-Lambert)方程描述了傳送的光與接收的光的強(qiáng)度比(例如，材料吸收多少光)。對(duì)于氣體，比爾-朗伯方程通?？梢员磉_(dá)為如方程I所示
權(quán)利要求
1.一種使用可調(diào)諧二極管激光器(120)測(cè)量氣體中的動(dòng)態(tài)壓力的系統(tǒng)(100)，所述系統(tǒng)(100)包含 激光傳送系統(tǒng)(102)，包含所述可調(diào)諧二極管激光器(120)并且配置為通過(guò)所述氣體傳送由所述可調(diào)諧二極管激光器(120)生成的激光； 激光接收系統(tǒng)(104)，配置為在所述激光已經(jīng)穿過(guò)所述氣體后接收所述激光，以從所接收的激光生成吸收峰，所述激光接收系統(tǒng)(104)配置為基于所述吸收峰中的一個(gè)的擴(kuò)展來(lái)估計(jì)壓力的改變。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)(100)，其中所述激光傳送系統(tǒng)(102)和所述激光接收系統(tǒng)(104)均耦合到所述氣體通過(guò)其流動(dòng)的樣本室。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)(100)，其中所述樣本室形成為渦輪的一部分。
4.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)(100)，其中所述可調(diào)諧二極管激光器(120)產(chǎn)生包含第一、第二以及第三頻率的三個(gè)不同頻率周圍的激光。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)(100)，其中利用與第一和第二頻率相關(guān)的吸收峰來(lái)估計(jì)溫度并且利用所述第三頻率的吸收峰的改變來(lái)估計(jì)壓力的改變。
6.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)(100)，其中所述第一、第二以及第三頻率在所述氣體中具有非重疊的吸收峰。
7.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)(100)，其中所述第三頻率處的光具有1.3iim與1.4iim之間的波長(zhǎng)。
8.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)(100)，其中所述激光接收系統(tǒng)(104)基于所述吸收峰中的一個(gè)的所述擴(kuò)展來(lái)估計(jì)壓力的改變并且基于兩個(gè)其它吸收峰曲線的線強(qiáng)度的差別形成所估計(jì)的溫度。
9.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)(100)，其中所述激光傳送系統(tǒng)(102)包含 激光輸入；以及 輸入選擇，耦合于所述可調(diào)諧二極管激光器(120)與所述激光輸入之間，以選擇激光的頻率中的一個(gè)來(lái)提供到所述激光輸入。
全文摘要
本發(fā)明的名稱為“利用可調(diào)諧激光二極管進(jìn)行溫度和壓力測(cè)量的系統(tǒng)和方法”。提供一種使用可調(diào)諧二極管激光器(120)測(cè)量氣體中的動(dòng)態(tài)壓力的系統(tǒng)(100)。此方面的系統(tǒng)(100)包含激光傳送系統(tǒng)(102)，其包含可調(diào)諧二極管激光器(120)并且配置為通過(guò)氣體傳送由可調(diào)諧二極管激光器(120)生成的激光，以及激光接收系統(tǒng)(104)，配置為在激光已經(jīng)穿過(guò)氣體后接收激光以從所接收的激光生成吸收峰。激光接收系統(tǒng)(104)配置為基于吸收峰中的一個(gè)的擴(kuò)展來(lái)估計(jì)壓力的改變。
文檔編號(hào)G01K11/00GK102954846SQ20121030334
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月24日
發(fā)明者V.V.巴達(dá)米, C.米特拉 申請(qǐng)人:通用電氣公司