DE4128844A1 - Optischer temperatursensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Temperatursensor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Optische Temperatursensoren der vorgenannten Art werden insbesondere zur Mes­ sung hoher Temperaturen eingesetzt, wie beispielsweise zur Messung der Abgastem­ peratur bei Gasturbinen. Diese Sensoren erzeugen ein optisches Ausgangssignal, das dann außerhalb des Sensors in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Elektrische Sensoren sind hierfür üblicherweise ungeeignet, da sie den hohen Temperaturen nicht standhalten.

Bei Sensoren zur Messung hoher Temperaturen ist es üblich, ein Saphirmaterial oder ein ähnliches, hochtemperaturbeständiges, für Infrarotstrahlen transparentes Mate­ rial zu verwenden, welches als Strahlenleiter zwischen der Sensorspitze und einem kühleren Bereich dient, wobei der Saphirleiter verbunden ist mit einem faseropti­ schen Kabel, das im Verhältnis zur Spitze nur geringeren Temperaturen ausgesetzt werden kann. Die Strahlung, welche von der Emissionsoberfläche nahe der Spitze des Saphirleiters ausgeht, wird vom faseroptischen Kabel erfaßt und von dort einem oder mehreren Detektoren zugeführt, deren elektrische Ausgangssignale einem Prozessor zugeführt werden. Der Prozessor erzeugt sodann ein Ausgangssignal entsprechend der gemessenen Temperatur.

Derartige Sensoren weisen beträchtliche Temperaturunterschiede längs der Länge des Saphirleiters auf. Beispielsweise herrscht an der Spitze des Sensors eine Tempe­ ratur von 1300^oC, während an der Stelle, wo der Saphirleiter mit dem faseroptischen Kabel verbunden ist, eine Temperatur von 200^oC herrscht. Oftmals herrscht auch an der Spitze des Sensors eine geringere Temperatur als bei anderen Teilen des Sensors, was das Temperaturmeßergebnis verfälscht. Das Saphirmaterial weist nämlich eine eigene thermische Emissionsfähigkeit auf und emittiert daher Strahlung im Tempe­ raturleiter selbst mit einem Spektrum, das von der dort herrschenden Temperatur abhängig ist. Ist also die Spitze kühler als eine Stelle des Saphirleiters zwischen Spitze und faseroptischem Kabel, dann ist die Temperatur an der Spitze nicht mehr exakt meßbar.

Es besteht die Aufgabe, den optischen Temperatursensor so auszubilden, daß die Temperatur an der Sondenspitze exakt erfaßbar ist.

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

Ein Strahlungssensor für eine Gasturbine wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Sensor und

Fig. 2 einen Schnitt durch die Spitze der Sonde dieses Sensors.

Der Sensor umfaßt eine im wesentlichen steife Sonde 1 und ein flexibles, faserop­ tisches Kabel 2. Die Sonde weist eine äußere, zylindrische Hülle 3 auf, die etwa 450 mm lang ist und von der vorderen Sensorspitze 4 zur hinteren Befestigung 5 verläuft und über welche der Sonde ein Kühlgas zugeführt wird und über welche ein optisches Ausgangssignal dem faseroptischen Kabel 2 zugeführt wird.

Die äußere Hülle 3 weist einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Außendurch­ messer von 6 mm auf. Das vordere Ende 6 dieser Hülle besteht aus einer hohen Temperaturen widerstehenden und oxidationsresistenten Legierung, wie beispiels­ weise Incoloy MA956, während das rückwärtige Ende 7, das bei 8 mit dem vorderen Ende hartverlötet ist, aus Stahl besteht, wie beispielsweise BS T72. Das vordere Ende der Hülle 3 ist verschlossen, mit Ausnahme einer kleinen Gaseinlaßbohrung 21, die an der Unterseite der Hülle nahe ihrer Spitze 4 angeordnet ist, und mit Aus­ nahme einer kleinen Auslaßbohrung 22, welche an der gegenüberliegenden Seite der Hülle um etwa 10 mm nach rückwärts von der Einlaßbohrung versetzt angeordnet ist. Die Ein- und Auslaßbohrungen 21 und 22 kommunizieren mit einer Stagnati­ onskammer 23 innerhalb der Spitze der Sonde. Innerhalb der Kammer 23 ist ein Sensorelement 24 angeordnet, das aus einer kurzen zylindrischen Saphirstange oder einem ähnlichen optisch transparenten Element besteht, die am vorderen Ende eine undurchsichtige Beschichtung 25 aufweist. Diese Beschichtung 25 besteht aus einem thermo-emissiven, oxidationsresistenten Material, wie beispielsweise einem Metalloxid. Das Element 24 ist 7 mm lang und von kreisförmigem Querschnitt und weist an seinem vorderen Ende einen verringerten Durchmesser von 2 mm auf, so daß zwi­ schen der Hülle 3 und diesem Teil des Elements 24 ein Ringspalt im Bereich der Auslaßöffnung 22 entsteht. Das hintere Ende des Elements 24 weist den gleichen Durchmesser wie die Innenseite der Hülle 3 auf und steht in Kontakt mit einer Schulter 20 an der Innenseite der Hülle 3 unmittelbar hinter der Austrittsbohrung 22. Die Anordnung des hinteren Endes des Elements 24 ist derart, daß im wesentli­ chen kein Gasfluß hinter diesem Element auftritt. Das Element 24 ist konzentrisch zur Kammer 23 angeordnet, so daß Gas vom Einlaß 21 über das beschichtete Ende 24 und die verrundete Basis des Vorderteils des Elements 24 zum Auslaß 22 zu fließen vermag. Das rückwärtige Ende des aus Saphir bestehenden Sensorelements 24 wird gehalten durch einen vorderen muffenförmigen Abstandshalter 30, der aus der Legierung Incoloy MA956 besteht. Dieser vordere Abstandshalter 30 ist etwa 5 mm lang und weist einen Außendurchmesser auf, der gleich dem Innendurchmesser der Hülle ist. Dieser Abstandshalter sitzt mit Preßsitz innerhalb der Hülle. Gegen das rückwärtige Ende des Abstandshalters 30 liegt eine scheibenförmige, thermische Barriere 31 an. Diese thermische Barriere besteht aus einer kreisförmigen Saphir­ platte, welche eine undurchsichtige Beschichtung an ihrer Oberfläche aufweist, mit Ausnahme einer kreisförmigen, zentralen Öffnung 33 von 2 mm Durchmesser. Der Durchmesser der thermischen Barriere 31 ist der gleiche wie der Innendurchmesser der Hülle 3 und wird durch einen Zwischenabstandshalter 34 an Ort und Stelle ge­ halten. Dieser Abstandshalter 34 weist Röhrenform auf und sitzt mit engem Sitz in der Hülle 3, entsprechend dem Halt des vorderen Abstandshalters 30. Unmittelbar hinter der thermischen Barriere 31 ist ein kleiner Kühlgasauslaß 35 vorgesehen, der einen Durchmesser von 2,4 mm aufweist und welcher durch die Hülle und den Ab­ standshalter 34 hindurch geht. Dieser Auslaß 34 ist an der Oberseite des Sensors vorgesehen und fluchtet somit mit dem anderen Auslaß 22.

Der Zwischenabstandshalter 34 verläuft etwa 105 mm nach hinten durch die Sonde und lagert am rückwärtigen Ende einer Konvergenzlinse 36 aus Saphir. Diese Linse ist kreisförmig ausgebildet, ist jedoch mit verschiedenen kurzen, radial verlaufen­ den Schlitzen 37 versehen, die am Umfang eingearbeitet sind und somit einen Durchlaß für das Kühlgas bilden. Gegen die Rückseite der Linse 36 stößt rand­ seitig das vordere Ende eines hinteren Abstandshalters 38 an, der 38 mm lang ist und in die Hülle wie die Abstandshalter 30 und 34 eingepaßt ist. Das vordere Ende des hinteren Abstandshalters 38 und das hintere Ende des Zwischenabstandshalters 34 sind ausgeschnitten zur Bildung von Nuten bzw. Zinnen 39, wodurch der Gas­ fluß um die Linse herum verbessert wird. Durch die Hartlötverbindung 8 zwischen dem vorderen Ende 6 und dem hinteren Ende 7 ist der hintere Abstandshalter 38 fest in der Hülle 3 angeordnet. Die Brennweite der Linse 36 und die Längen der Abstandshalter 30,34 und 38 sind so gewählt, daß die Linse 36 ein Bild des vorderen beschichteten Endes 25 des Sensorelements 24 in einer Ebene des vorderen Endes des faseroptischen Kabels 2 abbildet, wobei diese Ebene vom hinteren Abstandshalter etwa 5 mm entfernt ist. An seinem vorderen Ende weist das faseroptische Kabel 2 einen starren Metallring 40 auf, der mit der Hülle 3 hartverlötet ist und der über seine gesamte Länge mit Abflachungen 41 versehen ist, die einen Durchlaß für das Kühlgas zwischen dem Kabel 2 und der Hülle 3 bilden. Hinter dem Metallring 40 ist der Außendurchmesser des Kabels 2 geringer als der Innendurchmesser der Hülle 1, wodurch um das Kabel herum ein ringförmiger Gasdurchlaß 42 gebildet wird. Der Teil des faseroptischen Kabels 2 innerhalb der Sonde 1 weist ein steifes Faserbündel von etwa 300 mm Länge auf. Der restliche Teil des Kabels ist flexibel und kann eine Länge zwischen 5 m und 20 m aufweisen. Das hintere Ende des Kabels 2 verläuft zu einem Detektor 100, der ein elektrisches Ausgangssignal einem Prozessor 101 zuführt, der seinerseits eine Temperaturanzeigevorrichtung 102 bzw. Steuergeräte ansteuert.

Das hintere Ende der Hülle 3 ist mit einem Kragen 43 am vorderen Ende des Be­ festigungsteils 5 hartverlötet. Das Befestigungsteil 5 besteht aus Stahl und weist über seine ganze Länge hinweg eine Axialbohrung 44 auf, durch welche das Kabel 2 verläuft. Das hintere Ende der Axialbohrung 44 ist zum Kabel 2 durch ein Endstück 45 abgedichtet, das auf dem Kabel angeordnet und mit dem Befestigungsteil 5 durch ein Epoxydharz verbunden ist, so daß über das hintere Ende der Bohrung kein Gas auszutreten vermag. Außen weist das Befestigungsteil 5 zwei radiale Flansche 46 und 47 auf. Der vordere Flansch 46 weist verschiedene Bohrungen 48 auf, durch welche Befestigungsbolzen verlaufen, mit denen die Sonde an der Turbine gesichert wird. Der rückwärtige Flansch 47 trägt einen mit einem Außengewinde versehenen Fitting 49, der eine Gasbohrung 50 aufweist, die kommuniziert mit einer seitlichen Bohrung 51 im Befestigungsteil 5. Die seitliche Bohrung 51 kommuniziert mit der Axialbohrung 44 des Befestigungsteils 5.

Im installierten Zustand der Sonde wird diese gehalten durch das Befestigungsteil 5 am rückwärtigen Ende und durch zwei weitere Tragteile 60 und 61, welche im Ab­ stand längs der Sonde angeordnet sind. Die Spitze 4 der Sonde ragt in einen aufwärts strömenden Gasstrom, der eine Temperatur von etwa 1300^oC aufweist. Über eine Länge von 55 mm hinweg ist das vordere Ende der Sonde an ihrer Außenseite dieser Temperatur ausgesetzt. Die Temperatur an der Außenseite des mittleren Teils des Sensors einschließlich des Bereichs, wo die Linse 36 angeordnet ist, beträgt etwa 800 bis 600^oC. Die Außentemperatur im Bereich des vorderen Endes des Kabels 2 beträgt etwa 200^oC.

Kühlluft oder ein Kühlgas wird von einem Kompressor 63 erzeugt und gelangt zum Fitting 49, von wo das Kühlgas über die seitliche Bohrung 51 längs der Axialboh­ rung 44 nach vorne durch den Gasdurchlaß 42 strömt. Die Kühlluft strömt sodann durch den hinteren Abstandshalter 38 und über die Schlitze 37 der Linse 36 in den Zwischenabstandshalter 34. Am vorderen Ende des Zwischenabstandshalters 34 ist nach vorne hin durch die thermische Barriere 31 kein Gasfluß möglich, so daß die Kühlluft nunmehr über den Auslaß 35 aus der Sonde austritt. Die Kühlluft kühlt somit das Kabel 2, die Linse 36, die thermische Barriere 31 und die Abstandshalter 34 und 38 sowie denjenigen Teil der Hülle 3, der sich hinter der Barriere 31 befindet. Der Druck der Kühlluft ist größer als der Turbinengasdruck im Bereich des Auslasses 35, so daß ein Kühlluftstrom durch die Sonde sichergestellt ist.

Das über den Einlaß 21 eintretende heiße Gas wird beim Eintritt in die Stagnations- bzw. Beruhigungskammern 23 bezüglich seiner Geschwindigkeit abgebremst und strömt mit nur sehr geringer Geschwindigkeit über das Element 24, bevor es über den Auslaß 22 austritt. Auf diese Weise ist das Element 24 der Absoluttemperatur des Gases ausgesetzt. Das Element 24 und seine Beschichtung 25 nehmen daher die Temperatur des Gases an und die Beschichtung emittiert eine Strahlung, deren Spektrum von dieser Temperatur abhängig ist.

Durch die Anordnung der Beschichtung 25 auf dem Saphirelement 24 wird sicher­ gestellt, daß die Rückseite der Beschichtung 25 keinem Gasstrom ausgesetzt ist, so daß diese Strahlung aussendende Rückseite der Beschichtung vor Beschädigung und Kontamination geschützt ist. Hierdurch ist auch sichergestellt, daß Partikel im heißen Gasstrom in der Sichterlinie zwischen dem Kabel 2 und der Beschich­ tung 25 nicht auftreten. Durch den Abstandshalter 30 zwischen dem Sensorelement 24 und der thermischen Barriere 31, der einen Gasspalt bildet, ist sichergestellt, daß Kühlgas das Sensorelement 24 nicht beeinflußt, so daß dieses mit Sicherheit die Temperatur der heißen Gasströmung annimmt.

Die Größe der Öffnung 33 bei der thermischen Barriere 31 ist so gewählt, daß le­ diglich Strahlung von der Beschichtung 25 auf das Ende des Kabels 2 abgebildet wird. Unerwünschte Strahlung, beispielsweise von der Hülle 3, welche durch die unbeschichtete Oberfläche des Sensorelements 24 hindurch geht, wird durch die Be­ schichtung 32 auf der thermischen Barriere abgeschirmt und erreicht somit nicht das Kabel 2. Die Länge des Spalts zwischen der thermischen Barriere 31 und dem Sensorelement 24, bestimmt durch den vorderen Abstandshalter 30, wird so kurz als möglich gewählt. Wird der Sensor bei Turbinen verwendet, dann ist die Sonde Vibrationen ausgesetzt, was zu Biegebewegungen der Sonde führt. Befindet sich die Öffnung 33 so nahe als möglich bei der strahlenemittierenden Oberfläche 25, dann werden Relativbewegungen zwischen dieser Öffnung und der Oberfläche 25 mini­ miert und somit die Veränderung der Größe der Strahlung, die auf das faseroptische Kabel 2 auftritt und ihre Ursache in den Biegebewegungen der Sonde hat. Die Verstärkung der Linse und ihre Anordnung ist so gewählt, daß das auf dem Ende des faseroptischen Kabels 2 abgebildete Bild um den Faktor 3 verkleinert wird. Da der Durchmesser des beschichteten Endes des Sensorelements 24 wie vorerwähnt 2 mm beträgt, nimmt dieses Bild mittig einen kreisförmigen Bereich mit einem Durch­ messer von 0,67 mm am Kabelende ein. Umgeben ist dieses Bild von einem 6 mm Bereich der Objektebene, welche die thermische Barriere 31 umfaßt. Da diese ther­ mische Barriere gekühlt wird, geht von ihr praktisch keine Strahlung aus, die das auf dem Kabel auftreffende Signal beeinflussen könnte. Das Bild der Beschichtung 25 des Sensorelements 24 nimmt lediglich den Zentralbereich der stirnseitigen Ka­ belfläche ein, welche 2 mm breit ist, so daß dieses Bild in jede Richtung um 0,67 mm verschoben werden kann und sich immer noch zur Gänze auf der Stirnfläche abbildet. Diese Verschiebung ist äquivalent mit einem Versatz des Sensorelements von 2 mm, so daß die Sonde eine Biegetoleranz von 2 mm besitzt.

Der Aufbau des Sensors minimiert die Anzahl der Saphire oder anderer strahlungs­ aussendenden Materialien zwischen der Sensorspitze und dem faseroptischen Kabel. Hierdurch werden Effekte minimiert, welche durch die thermische Emissionsfähig­ keit des Saphirmaterials selbst bewirkt werden. Obwohl das Saphirelement 24 an der Spitze selbst einige Strahlung emittiert, so ist diese von der gleichen Temperatur wie die Beschichtung 25 und weist somit die gleichen Spektraleigenschaften auf, so daß die Temperaturmessung nicht verfälscht wird. Da die Dicke der thermischen Barriere 31 und der Linse 36 und somit ihre Masse relativ gering ist, ist der von diesen Bauteilen ausgehende Anteil der Strahlung ebenfalls relativ gering. Zudem wird dieser Strahlenanteil weiter vermindert, daß sowohl die thermische Barriere 31 als auch die Linse 36 durch den Kühlluftstrom kühl gehalten werden.

Der Aufbau des Sensors ermöglicht es, daß die Sensorspitze in einem Bereich an­ geordnet werden kann, der kühler ist als der rückwärtige Bereich der Sonde, ohne daß hierdurch die Temperaturmessung beeinflußt werden würde. Dies wird bewirkt durch die geringe Masse der thermischen Barriere 31 und der Linse 36 und durch die Kühlung dieser Bauteile.

Bei der Linse 36 kann es sich natürlich auch um ein Linsensystem handeln, das aus einzelnen Linsen zusammengesetzt ist.

Bei der Messung der Temperatur einer Turbine als typisches Anwendungsbeispiel werden verschiedene Sensoren verschiedener Länge verwendet, so daß die Tempera­ tur der heißen Gasströmung an verschiedenen Stellen meßbar ist.

Die vorstehenden Materialangaben sind nur beispielhaft. Die Hülle 3 kann bei­ spielsweise bei der Messung sehr hoher Temperaturen aus einem Keramikmaterial bestehen.

Claims (10)

1. Optischer Temperatursensor mit einer länglichen Sonde, die nahe ihrer vor­ deren Spitze ein optisch transparentes Element trägt, das der zu messenden Temperatur ausgesetzt ist und mit einem optischen Strahlenleiter innerhalb der Sonde, der die vom optisch transparenten Element ausgehende Strahlung erfaßt und zum hinteren Ende der Sonde leitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (1) über einen wesentlichen Teil ihrer Länge einen Gaskanal aufweist, der von einem Kühlgas durchströmt wird, das mindestens den opti­ schen Strahlenleiter (2) kühlt und ein Schutz vorgesehen ist, der das optisch transparente Element (24) vor dem Kühlgas schützt.

2. Optischer Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutz aus einer optisch transparenten thermischen Barriere (31) in­ nerhalb der Sonde (1) besteht, welche dem Kühlgas ausgesetzt ist und das optisch transparente Element (24) vor dem Kühlgas schützt.

3. Optischer Temperatursensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Barriere (31) eine lichtundurchlässige Beschichtung (32) mit einer mittigen Öffnung (33) aufweist.

4. Optischer Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das optisch transparente Element (24) eine Oberfläche mit einer undurchlässigen Beschichtung (25) aufweist, welche thermische Emissi­ onseigenschaften besitzt.

5. Optischer Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das optisch transparente Element (24) in einer Kammer (23) an der vorderen Spitze der Sonde (1) angeordnet ist und diese Kammer (23) nach außen hin einen Einlaß (21) und einen Auslaß (22) besitzt, und das vom Einlaß zum Auslaß strömende Gas über das optisch transparente Element (24) strömt.

6. Optischer Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der vordere Teil des optisch transparenten Elements (24) einen zum Innendurchmesser der Sonde (1) geringeren Durchmesser aufweist und somit ein Ringspalt zwischen der Sonde (1) und diesem Teil des Elements entsteht und das rückseitige Ende des Elements (24) im wesentlichen gasdicht innerhalb der Sonde (1) angeordnet ist.

7. Optischer Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sonde (1) eine Linse (36) trägt, die ein Bild eines Teils des transparenten Elements (24) auf das Ende des Strahlenleiters (2) fokussiert und dieses Bild kleiner ist als das Ende des Strahlenleiters (2).

8. Optischer Temperatursensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Linse (36) erzeugte Bild kleiner ist als der Teil des transpa­ renten Elements (24).

9. Optischer Temperatursensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen der Linse (36) und der Sonde (1) Schlitze (37) vorgesehen sind, die Teil des Gaskanals sind.

10. Optischer Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (1) an seinem rückwärtigen Ende einen Einlaß (49, 50) für das Kühlgas und hinter dem transparenten Element (24) einen Auslaß (35) für das Kühlgas aufweist.