DE3740693C2 - Optisches Strahlungssensorgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Strahlungssensorgerät nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein optisches Pyrometergerät der vorgenannten Art. Optische Pyrometer werden zur Messung hoher Temperaturen, beispielsweise in Gasturbinen und Öfen benötigt. Ein solcher Pyrometer umfaßt einen Strahlen empfangenden Kopf, einen Signalgeber, der ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, einen Vorverstärker zur Verstärkung des Signalgeberausgangssignals, eine Auswerteschaltung zur Skalierung, Vergleich und Errechnen eines zur Anzeige der Temperatur geeigneten Ausgangswerts in Abhängigkeit des vorverstärkten Ausgangssignals, einen Datenspeicher sowie Steuerschaltungen zur Überwachung der Funktionsweise des Geräts.

Der Signalgeber kann im Aufnahmekopf angeordnet sein, jedoch ist es von Vorteil, den Signalgeber getrennt vom Aufnahmekopf anzuordnen und zwischen dem Aufnahmekopf und dem Signalgeber einen flexiblen Strahlungsleiter vorzusehen, wie beispielsweise ein Glasfaserkabel. Hierdurch kann der Signalgeber an einer relativ kühlen Stelle angeordnet werden. Die eine Faseroptik aufweisenden Pyrometer bestehen daher aus drei getrennten Einheiten, nämlich dem Pyrometerkopf, einem Detektor, welcher den Signalgeber und den Vorverstärker oder eine andere signalaufarbeitende Schaltung umfaßt, sowie dem Auswertegerät. Zwischen dem Pyrometerkopf und dem Signalgeber verläuft das optische Kabel, während zwischen dem Signalgeber und dem Auswertegerät ein elektrisches Kabel verläuft. Andere ähnlich aufgebaute optische Strahlungssensorgeräte sind ebenfalls üblicherweise in diese drei Einheiten unterteilt, die miteinander durch Kabel verbunden sind.

Solche Geräte weisen Nachteile auf. Die elektrischen Kabel und Verbindungsstücke zwischen dem Signalgeber und dem Auswertegerät erhöhen das Gesamtgewicht des Pyrometers, insbesondere wenn ein solcher Pyrometer in einem Flugzeug eingesetzt wird, wo es notwendig ist, das Kabel abzuschirmen. Das Kabel und die Verbindungsstücke sind außerdem empfindlich gegenüber elektromagnetischen Interferenzen. Außerdem ist es erforderlich, den Signalgeber zu befestigen, wodurch zusätzliche Installationsarbeiten erforderlich sind.

Eine weitere Schwierigkeit besteht außerdem immer noch in der Schaffung betriebssicherer Temperaturbedingungen im Signalgeber und dem Auswertegerät.

In der Vorrichtung nach US 30 64 128 ist eine Wärmeableitung der auf den Signalgeber wirkenden Hitze nur durch Wärmeabstrahlung des Gehäuses möglich, so daß eine Überhitzung stattfindet. Zur Reduzierung solcher Überhitzungen wird hier das kalte Ende des verwendeten Hohllichtleiters mit einem Lichtleitelement verschlossen oder der Hohlleiter von außen gekühlt oder der Kopf wird durch eine Kappe abgedeckt.

Bei den Vorrichtungen nach GB 15 89 531 und DE 33 21 028 A1 ist am kalten Ende des faseroptischen Kabels ein optisches Verbindungsstück angeordnet, das die Verbindung zu einem separaten Signalgeber herstellt. Über elektrische Leitungen wird das Ausgangssignal des Signalgebers einem separaten Verstärker zugeführt.

Die US 45 95 839 beschreibt ein Glasfaserkabel, das an beiden Enden Steckverbinder aufweist. Elektrische Signale, die einem der Steckverbinder zugeführt werden, werden in optische Signale umgesetzt, zum anderen Steckverbinder übertragen und dort wieder in elektrische Signale umgesetzt. Das Ganze findet bei relativ niedrigen Temperaturen statt, so daß Temperaturprobleme wie bei einem Pyrometer hierbei nicht entstehen.

Es besteht daher die Aufgabe, das optische Strahlungssensorgerät so zu verbessern, daß die notwendige Anzahl elektrischer Kabel und elektrischer Verbindungsstücke unter Wahrung betriebssicherer Temperaturverhältnisse reduziert wird.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel, das einen Pyrometer für eine Gasturbine betrifft, wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Strahlungssensorgerät, das bei einer Gasturbine eingebaut ist;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil des Geräts und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der elektrischen Komponenten des Geräts.

Der Pyrometer nach Fig. 1 weist einen Pyrometerkopf 1 auf, dessen Öffnung in Richtung auf die Schaufeln 2 einer Gasturbine gerichtet ist. Weiterhin ist ein Detektor 3 vorgesehen, der mit dem Pyrometerkopf 1 über ein Kabel 4 verbunden ist. Weiterhin ist eine Signalverarbeitungseinheit 5 vorgesehen, welcher das Ausgangssignal des Detektors 3 zugeführt wird und welche ein auf die Temperatur bezogenes Signal und andere Parameter einer Turbinensteuereinheit 6 zuführt.

Der Pyrometerkopf 1 weist einen üblichen Aufbau auf, wie er beispielsweise in der GB- 21 58 576 A der in der GB 15 89 531 beschrieben ist. Er weist hitzefeste Sammellinsen 10 auf, welche im Bereich der Rückseite eines Rohres 11 angeordnet sind. Die Linsen 10 fokussieren die von den Schaufeln 2 ausgehende Strahlung, die in das Rohr 11 eintritt, auf das vordere Ende 40 eines Kabels 4. Bei dem Kabel 4 handelt es sich um ein faseroptisches Kabel oder um einen gleichwertigen optischen Strahlungsleiter, das flexibel oder biegbar ist, so daß ausreichend Freiheit bei der Montage des Pyrometerkopfes 1 und des Detektors 3 besteht. Das Kabel 4 kann zu seinem Schutz armiert sein und es ist ausreichend lang, damit der Detektor 3, der am rückseitigen Ende 41 des Kabels angeordnet ist, in einem kühlen Bereich angeordnet werden kann.

Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, weist der Detektor 3 ein zylindrisches Gehäuse 30 auf, welches aus einem Vorderteil 31 und einem hinteren Steckverbinder 32 besteht. Das Vorderteil 31 weist eine innere Hülse 33 auf, die mit dem hinteren Endes des Kabelendes 41 verlötet oder verschweißt ist. Diese innere Hülse 23 wird umgeben von einer äußeren Hülse, dessen Vorderende an einer Schulter 35 der inneren Hülse 23 anliegt und deren hinteres Ende beispielsweise über ein Schraubgewinde mit dem Steckverbinder 32 verbunden ist. Die Gesamtlänge des Detektors 3 beträgt 60 mm während sein Durchmesser 20 mm beträgt. Innerhalb des Vorderteils 31 des Detektors 3 sind ein oder mehrere Signalgeber 36, z. B. Photodioden, angeordnet, welche die vom hinteren Ende 41 des Kabels 4 ausgehende Strahlung empfangen. Der Signalgeber 36 wird über einen wärmeisolierenden Tragring 42 von der inneren Hülse 33 getragen. Eine sich selbst regulierende Wärmequelle kann nahe dem Signalgeber 36 angeordnet sein, welche dessen Temperatur erhöht und diese weitgehend konstant halt.

Das elektrische Ausgangssignal des Signalgebers 36 wird einer elektrischen Schaltung 37 innerhalb des Gehäuses 30 zugeführt, welche im einzelnen anhand der Fig. 3 erläutert wird.

Die elektrische Schaltung 37 nach Fig. 3 weist einen Verstärker 38 auf, der eine Spannung proportional zum Ausgangsstrom des Signalgebers 36 erzeugt. Diese Ausgangsspannung wird weiterhin verstärkt durch einen weiteren Verstärker 39. Außerdem kann ein Löschschaltkreis 50 vorgesehen sein, der Signale unterdrückt, welche auf eine außergewöhnliche Flammenbildung innerhalb der Turbine zurückzuführen sind. Diese Schaltung 37 erzeugt also aufgrund des Ausgangssignals des Signalgebers 36 ein elektrisches Signal, welches von der Prozeßeinheit 5 verarbeitet werden kann. Die Signale am Ausgang der Schaltung 37 werden über Leitungen 51 dem Steckverbinder 32 zugeführt, welcher am hinteren Ende des Detektorgehäuses 30 angeordnet ist. Der Steckverbinder 32 ist ein Mehrfachstecker mit Steckstiften, von denen einige der Stromversorgung der Schaltung 37 dienen. Der Steckverbinder 32 weist einen radial verlaufenden Flansch 43 auf, welcher umfaßt wird von einem äußeren mit einem Innengewinde versehenen Ring 44.

Der Steckverbinder 32 am Detektor 3 paßt direkt in einen Verbinder 52 am Gehäuse 53 der Prozeßeinheit 5. Der Verbinder 52 weist eine flache, nicht dargestellte Oberfläche auf, gegen welche der Flansch 43 am Steckverbinder 32 zur Anlage kommt, wodurch ein guter thermischer Kontakt hergestellt wird. Die Prozeßeinheit 5 weist elektronische Verarbeitungsschaltungen auf, die in ihrer Gesamtheit mit 54 bezeichnet sind. Diese Schaltungen 54 sind verbunden mit dem Steckverbinder 52 und ihnen wird zugeführt das in der elektrischen Schaltung 37 verarbeitete Ausgangssignal des Signalgebers 36 im Detektor 3. Der Prozeßeinheit 5 werden über die Leitungen 56 weitere Eingangssignale zugeführt, welche von anderen Sensoren und Steuereinrichtungen stammen, wobei sich diese Signale beispielsweise auf die Drehzahl, die Temperatur, den Druck und andere Variablen beziehen, aus denen ein Ausgangssignal für die Turbinensteuereinheit 6 erzeugt wird. Die Prozeßeinheit 5 weist weiterhin einen auf ihrem Gehäuse 53 angeordneten Wärmetauscher 60 auf, welcher von einer Flüssigkeit, beispielsweise von Kraftstoff durchströmt wird, um Wärme abzuführen und um damit die Prozeßeinheit 5 zu kühlen.

Ein typisches Verfahren zur Temperaturmessung besteht im Vergleich der Strahlungsintensität bei zwei verschiedenen Wellenlängen der Strahlung. Bei dieser Meßmethode weist der Detektor 3 zwei Photodioden als Signalgeber auf, welche auf zwei Wellenlängen ansprechen. Die beiden Ausgangssignale werden entweder durch die Schaltung 37 innerhalb des Detektors 3 selbst oder in der Prozeßeinheit 5 miteinander verglichen.

Das Ausgangssignal der Prozeßeinheit 5 wird über ein Kabel 57 der Turbinensteuereinheit 6 zugeführt, welche die verschiedenen Turbinenfunktionen steuert. Das Ausgangssignal der Prozeßeinheit 5 kann zusätzlich oder alternativ anderen Auswerteeinheiten 6′ zugeführt werden, wie beispielsweise einem Datenaufzeichnungsgerät oder einer Anzeigevorrichtung.

Da der Steckverbinder 32 direkt am Gehäuse des Detektors 3 angeordnet ist und direkt in den Steckverbinder 52 am Gehäuse 53 der Prozeßeinheit 5 eingesteckt werden kann, ist es nicht erforderlich, irgendwelche Leitungen zwischen diesen beiden Gehäusen vorzusehen.

Es ergibt sich eine sehr kompakte Anordnung, welche praktisch unempfindlich ist gegenüber elektrischen Störstrahlen und anderen elektromagnetischen Interferenzen. Da zudem ein elektrisches Kabel zwischen dem Detektor 3 und der Prozeßeinheit 5 nicht erforderlich ist, wird zudem das Gesamtgewicht des Geräts vermindert. Der Detektor 3 ist direkt an der Prozeßeinheit 5 befestigt, so daß zusätzliche Befestigungsmittel und ein entsprechender Montageaufwand für den Detektor 3 entfallen. Die zusammenpassenden Steckverbinder 32, 52 von Detektor 3 und Prozeßeinheit 5 können miteinander verriegelnde Verbinder sein, die den Detektor 3 ohne zusätzliche Befestigungs- und Haltemittel tragen.

Durch die zusammenpassenden Verbinder 32 und 52, welche über den Flansch 43 in gutem thermischen Kontakt miteinander stehen, ist ein ausreichender Wärmeübergang zum Detektor 3 vom Gehäuse 53 der Prozeßeinheit 5 gegeben. Dieses Gehäuse 53 wird durch den Wärmetauscher 60 auf einer gleichmäßigen Temperatur gehalten. Hierdurch wird vermieden, daß eine Überhitzung des Signalgebers 36 stattfindet. Wird das Gerät in einer Umgebung betrieben, bei der eine Temperatur herrscht, die unterhalb der optimalen Temperatur des Signalgebers 36 liegt, kann der Wärmetauscher 60 dazu verwendet werden, die Temperatur des Detektors 3 anzuheben. Es ist jedoch auch möglich, zusätzlich eine Wärmequelle direkt am Signalgeber 36 vorzusehen, um dessen Temperatur zu erhöhen.

Bei extremen Temperaturbedingungen kann die Temperatur des Detektors 3 durch ein Schutzschild um den Detektor 3 herum stabiler gehalten werden, das von der äußeren Hülse 34 durch einen Luftspalt getrennt ist. Dies ist speziell dann wirksam, wenn der Detektor 3 an einer Stelle angeordnet ist, wo er heißen Gasen ausgesetzt ist.

Claims (7)

1. Optischer Pyrometer mit einem Strahlung empfangenden Kopf, einem die empfangene Strahlung leitenden faseroptischen Kabel, das an einem Ende mit dem Kopf verbunden ist und diese Strahlung zu einem am anderen Ende angeordneten Detektor weiterleitet, der einen strahlungsempfindlichen Signalgeber aufweist sowie mit einer Prozeßeinheit, die einen Steckverbinder an einem sie umgebenden starren Gehäuse aufweist und der ein vom Detektor bewirktes Signal zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (3) ein starres, den Signalgeber (36) und eine das Ausgangssignal des Signalgebers (36) verarbeitende Schaltung (37) mit mindestens einem Verstärker (38, 39), welcher das Ausgangssignal des Signalgebers (36) verstärkt, umgebebendes Gehäuse (30) aufweist, das einen Steckverbinder (32) umfaßt, dem das Ausgangssignal der Schaltung (37) zugeführt wird und der in den Steckverbinder (52) der Prozeßeinheit (5) paßt, welcher somit das Gehäuse (30) des Detektors (3) trägt, wobei die beiden Steckverbinder (32, 52) wärmeleitend ausgebildet sind und einen Temperaturausgleich zwischen den beiden Gehäusen (30, 53) bewirken.

2. Optischer Pyrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (3) allein über die Steckverbinder (32, 52) am Gehäuse (53) der Prozeßeinheit (5) gehalten wird.

3. Optischer Pyrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) des Detektors (3) im wesentlichen zylindrische Form aufweist.

4. Optischer Pyrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steckverbinder (32) des Detektors (3) einen ringförmigen Flansch (43) aufweist, der zur Anlage an eine wärmeleitende Oberfläche des Steckverbinders (52) der Prozeßeinheit (5) kommt.

5. Optischer Pyrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (53) der Prozeßeinheit (5) einen Wärmeaustauscher (60) aufweist.

6. Optischer Pyrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (60) von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird.

7. Optischer Pyrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenempfangskopf (1) auf die Schaufeln (2) einer Gasturbine gerichtet ist und das Ausgangssignal der Prozeßeinheit (5) die Schaufeltemperatur wiedergibt.