CN110662945A - 测量探头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量探头(1)，具有：壳体(2)，该壳体(2)限定容纳空间(3)和与容纳空间(3)流体连通的至少一个冷却流体供应通道(4)；以及容纳或可容纳在该容纳空间(3)中的至少一个传感器(5)；其特征在于，壳体(2)围绕该容纳空间(3)的至少一个部分区域(14)具有孔隙度，该孔隙度限定多个冷却流体通孔(15)。

Description

测量探头
技术领域
本发明涉及一种测量探头，该测量探头具有壳体，该壳体限定容纳空间和与容纳空间流体连通的至少一个冷却流体供应通道，并且该测量探头具有容纳或可容纳在容纳空间中的至少一个传感器。传感器原则上可以是能够检测读数的任何传感器，例如用于获取温度读数的热电偶，或是拍摄图像的图像传感器，这些图像可以是紫外线、可见光或红外线范围内的二维图像。同样，可以提供多个图像传感器，这些图像传感器提供可以从中计算三维图像的数据。
背景技术
在现有技术中已知各种类型的上述测量探头。为了在高温环境下(尤其是在烤箱或燃烧室内)检测测量值，必须将测量探头设计为耐高温的。一种已知的可能性是使用专门为高温而设计的传感器，例如高温热电偶。替代地或附加地，传感器被费时且成本高昂地冷却，如用于火焰观察的图像传感器。另一个替代方案，传感器在超出其预期工作条件的状态下被使用，但是一段时间后会导致检测错误读数和/或相应传感器的故障。在烤箱或燃烧室中使用测量探头时，另一个问题是测量环境中经常散布着灰尘和颗粒，这可能会导致所用传感器的污染。同样，也会使传感器检测的测量值出现错误。传感器的污染还可能导致其故障。
为了确保尽管咋烤箱和燃烧室中的不利条件下也能从传感器获得相对可靠的读数，通常的做法是冗余地使用测量探头，以便可以比较各个传感器检测的测量值以识别损坏的传感器，另外，冗余的传感器可以接管损坏或故障传感器的任务。这样可以延长维护和服务周期。但是，冗余使用测量探头的缺点是成本高。
发明内容
基于现有技术，本发明的目的是提供一种具有替代结构的上述类型的测量探头，利用该测量探头至少部分地解决了在高温环境下使用时的上述问题。
为了实现该目的，本发明提供了一种测量探头，其特征在于，壳体围绕容纳空间的至少一个部分区域具有孔隙度，该孔隙度限定多个冷却流体通孔。借助于这种结构，可以经由通过冷却流体供应通道供应的冷却流体来冷却布置在容纳空间中的传感器，然后冷却流体通过冷却流体通孔离开壳体。同时，当根据本发明的测量探头用于流体机械的流动通道中时(高温工作介质从中流过)，例如当在燃气轮机的燃烧室中使用时，能够有效地通过溢流冷却传感器头以及传感器。
壳体的具有该孔隙度的部分区域优选地由三维晶格结构形成。在本文中，三维晶格结构被理解为这样一种结构，其交叉的晶格网不仅限定平面或弯曲的表面(如平坦或弯曲的穿孔金属板)，而且还沿第三维延伸，从而在格栅之间形成长方体、棱锥等形式的相互连接的三维晶格空腔，它们限定了冷却流体的通孔。
有利地，至少壳体的具有该孔隙度的部分区域由金属材料制成，例如钛或铝合金、镍或钴基合金等，它们具有良好的耐热性。而且，整个壳体可以由一种金属合金制成或由不同的金属合金制成。
优选地，至少壳体的具有该孔隙度的部分区域被增材制造。通过诸如使用SLM(选择性激光熔化)方法的增材制造，可以制造三维晶格结构。
根据本发明的实施例，壳体具有至少两个壳体部分，该至少两个壳体部分特别地可拆卸地互连，其中一个壳体部分形成多孔的部分区域。壳体部分之间的可拆卸连接是有利的，因为在不损坏壳体的情况下可以更换容纳或可容纳在容纳空间中的传感器。因此，仅举几个例子，壳体部分例如可以设置有内螺纹和匹配的外螺纹并且被拧在一起，通过卡口式封闭件和/或螺纹等彼此连接。
有利地，孔的孔径在50μm至3mm的范围内，优选在50μm至1.5mm的范围内，更优选在250μm至750μm的范围内。
根据本发明的实施例，至少一个传感器的电线被引导通过至少一个冷却流体供应通道。因此，可以省去为壳体提供单独的电线通道。
此外，本发明提供一种测量方法，其中根据本发明的测量探头被布置在流体机械的由工作介质流过的区域中，以用于检测至少一个测量值，其中冷却流体被引导通过壳体的冷却流体供应通道。优选地，在流体机械的运行期间连续地进行冷却流体的引导。当要进行测量的容纳空间内的温度必须处于环境温度时(例如在温度测量的情况下)，则可以在执行测量前的预定时间间隔内根据测量探头的传感器的类型来中断冷却流体的引导，并且特别是紧接在执行测量之后再次进行冷却流体的引导。
在正常运行期间，工作介质特别地具有至少1000℃的温度，优选具有至少1400℃的温度，因为在这样的温度下，在特定程度上利用了根据本发明的测量探头相关的优点。
附图说明
结合对根据本发明的实施例的测量探头的以下描述，并且结合附图，根据本发明的其他特征和优点将变得明确。其中：
图1示出了根据本发明的实施方式的测量探头的示意剖视图；
图2是在图1中用II部分标记的放大图，示出了图1所示的测量探头的壳体部分区域的壁；
图3示出了沿着图2的III-III线的壁的剖视图；
图4示出了图2中用IV标记的部分的放大图；
图5示出了在图4中用V标记的部分的放大图。
具体实施方式
测量探头1包括在本文中为圆柱形的壳体2，壳体2限定了容纳空间3和与容纳空间3流体连通的至少一个冷却流体供应通道4，并且测量探头1包括传感器5，该传感器5容纳或可容纳在容纳空间3中。
壳体2在轴向方向上分成两个壳体部分6和7，这两个壳体部分可拆卸地彼此固定，在本文中被拧在一起。
第一壳体部分6制成为实心金属体，并且在面向第二壳体部分7的端面中心具有螺纹孔8。在第一壳体部分6的相对的端面上，在中心形成用于(未示出的)冷却流体引导的连接件9，其中冷却流体供应通道4在中心延伸穿过连接件9，并在中心汇入到螺纹孔9。
第二壳体部分7在面向第一壳体部分6的端面上包括与螺纹孔9对应的螺纹凸台10，该螺纹凸台10拧入螺纹孔8中，其中在两个壳体部分6和7之间设有密封环11。冷却流体供应通道通过螺纹凸台10中间延续，该通道通向形成在第二壳体部分7中的容纳空间3。在位于容纳空间3中的传感器5上方，在第二壳体部分中形成开口12，开口12将容纳空间3与环境连接并且在容纳空间3的方向上呈圆锥形，其中开口12被透明板13封闭。第二壳体部分7在本文中也由金属制成，其中第二壳体部分7围绕容纳空间3的部分区域14具有孔隙度，该孔隙度限定多个冷却流体通孔15。更具体地，具有孔隙度的部分区域14通过增材制造形成三维晶格结构，该晶格结构由多个栅格条16组成，在本文中该流体通孔15产生的孔隙度在50μm至3mm的范围内，优选在50μm至1.5mm的范围内，更优选在250μm至750μm的范围内。
在本文中，传感器5是图像传感器，该图像传感器在第二壳体部分7的开口12的方向上对准，并且图像传感器的电线17被引导通过冷却流体供应通道4。然而，应当注意，热电偶或其他类型的传感器可以替代地用作传感器5，并且根据所使用的传感器的类型可以省略开口12。
为了执行根据本发明的实施例的测量方法，将测量探头适当地定位在流体机械的工作介质流过的区域中，例如在用于观察火焰的燃烧室的区域中，其中工作介质的温度在1400至1600℃之间。在这种情况下，冷却流体被连续的引导通过壳体2的冷却流体供应通道4，并冷却传感器5，然后通过冷却流体通孔15沿燃烧室方向离开壳体2。流入燃烧室的冷却流体被在燃烧室的出口方向上流经燃烧室的工作介质分流，其中在测量探头1的壳体2和工作气体之间形成冷却膜。冷却膜吸收热量并沿流动方向传输热量。以此方式，产生了非常有效且低成本的冷却，该冷却持久地保护所使用的传感器5，确保检测可靠的测量值，并允许使用低成本的传感器5。
在传感器5是温度传感器的情况下，可能需要短暂地中断冷却流体的供应以进行测量，以便容纳空间3可以短暂地加热到环境温度，并由传感器5检测。如果环境具有传感器5可以承受一定时间的温度，则通过测量后重新开始地冷却，可以实现传感器较长的使用寿命。然而，即使在传感器5由于环境温度高而只能使用一次的情况下，测量探头1的根据本发明的结构也具有以下优点：通过冷却而可以自由地选择测量时间点。
尽管通过优选实施例进一步说明和详细描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明范围的情况下从中得出其他变化。壳体的形状尤其是可变的。壳体也可以整体形成或由两个以上的壳体部分组成。壳体部件的可拆卸连接也可以通过其他方式实现。这对于容易地更换一个或多个传感器是理想的，但是不是强制性的。三维晶格结构可以采用任何形状，以实现所需数量和尺寸的冷却流体通孔。在制造壳体的一种或多种材料中，优选地是耐高温金属合金，其他材料也是可能的，例如陶瓷，仅举一个例子。壳体的多孔部分区域的材料应当能够以增材制造方法来制造。

Claims (9)

1.一种测量探头(1)，具有：一个壳体(2)，所述壳体限定一个容纳空间(3)和与所述容纳空间流体连通的至少一个冷却流体供应通道(4)；以及容纳或可容纳在所述容纳空间(3)中的至少一个传感器(5)；其特征在于，所述壳体(2)围绕所述容纳空间(3)的至少一个部分区域(14)具有一个孔隙度，所述孔隙度限定多个冷却流体通孔(15)。
2.根据权利要求1所述的测量探头(1)，其特征在于，所述壳体(2)的所述部分区域(14)的所述孔隙度由三维晶格结构形成。
3.根据前述权利要求中任一项所述的测量探头(1)，其特征在于，至少所述壳体(2)的具有所述孔隙度的所述部分区域(14)由金属材料制成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的测量探头(1)，其特征在于，至少所述壳体(2)的具有所述孔隙度的所述部分区域(14)是增材制造的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的测量探头(1)，其特征在于，所述壳体(2)具有至少两个壳体部分(6、7)，所述至少两个壳体部分特别是可拆卸地互连，在所述至少两个壳体部分中，一个壳体部分(7)构成具有所述孔隙度的所述部分区域(14)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的测量探头(1)，其特征在于，所述孔具有在50μm至3mm的范围内的孔径，优选在50μm至1.5mm的范围内，更优选在250μm至750μm的范围内。
7.根据前述权利要求中任一项所述的测量探头(1)，其特征在于，所述至少一个传感器(5)的电线(17)被引导穿过所述至少一个冷却流体供应通道(4)。
8.一种测量方法，其中根据前述权利要求中任一项所述的测量探头(1)被布置在流体机械的由工作介质流过的区域中，以用于检测至少一个测量值，其中冷却流体被引导穿过所述壳体(2)的所述冷却流体供应通道(4)。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述工作介质在正常运行期间具有至少1000℃的温度，优选地具有至少1400℃的温度。
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