УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ПОТОКА Российский патент 2011 года по МПК G01P13/00 G01P5/10 G01K11/32 F01D17/08 

Изобретение относится к устройству измерения потока для определения направления потока флюида. При этом устройство измерения потока имеет измерительный элемент с, по меньшей мере, одним световодом и, по меньшей мере, двумя нагревательными элементами, размещенными смежно с, по меньшей мере, одним световодом, блок управления и блок оценки. Кроме того, изобретение относится к способу для определения направления потока флюида, а также электрической машине с устройством измерения потока.

В электрических машинах всех классов мощности, но в особенности с высокой мощностью, генерируется значительное тепло, которое для повышения эффективности машины и/или увеличения срока службы должно отводиться посредством технических мер охлаждения. Так, например, известны машины, такие как генераторы или двигатели, в частности, с мощностями ниже 300 МВА, с воздушным охлаждением, при которых охлаждение осуществляется посредством сравнительно большого потока воздуха. Этот воздушный поток может, в частности, направляться по имеющей многочисленные проточные каналы системе магистралей (см., например, DE 4242132 А1 или ЕР 0853370 А1). Например, можно извне через проточные каналы системы магистралей нагнетать воздух внутрь через статор машины. Однако одновременно воздух засасывается ротором машины и нагнетается изнутри наружу в обратном направлении через статор. Если оба воздушных потока неблагоприятным образом перекрываются, то это может привести внутри системы магистралей к застою потока и, тем самым, в соответствующем случае, к местному перегреву и повреждению машины.

В WO 2004/042326 А2 описано устройство измерения потока для определения скорости потока флюида, обтекающего измерительный элемент устройства измерения потока, например газового потока, со световодом, имеющим несколько волоконных брэгговских решеток и, по меньшей мере, один расположенный рядом со световодом электрический нагревательный элемент. Тем самым можно на основе влияния на введенную в световод электромагнитную волну посредством температуры световода определить скорость потока вдоль продольной протяженности измерительного элемента. Световод нагревается с помощью электрического нагревательного элемента с постоянной тепловой нагрузкой, причем на измерительном элементе получается распределение температур в продольной протяженности, соответственно, локальной скорости потока. Это устройство измерения потока, таким образом, пригодно для того, чтобы с одним единственным измерительным элементом определять множество локальных скоростей потока. Однако определение направления, в котором течет флюид относительно измерительного элемента, невозможно.

Поэтому задачей настоящего изобретения является предоставить устройство измерения потока, а также способ, посредством которых можно определять направление потока флюида, а также электрическую машину, в которой можно контролировать направление потока охлаждающего флюида.

Для решения этой задачи предложено устройство измерения потока соответственно признакам независимого пункта 1 формулы изобретения.

В случае соответствующего изобретению устройства измерения потока речь идет об устройстве измерения потока для определения направления потока флюида, содержащем

- обтекаемый флюидом измерительный элемент с, по меньшей мере, одним световодом и, по меньшей мере, двумя электрическими нагревательными элементами, размещенными смежно с, по меньшей мере, одним световодом, причем

- по меньшей мере, один световод может нагружаться теплом от теплового потока, направленного от соответствующего нагревательного элемента к, по меньшей мере, одному световоду,

- направления тепловых потоков, по меньшей мере, частично противоположны,

- отдельные тепловые потоки коррелированы в различной степени с направлением потока флюида,

и

- по меньшей мере, на одну ответвляемую в, по меньшей мере, один световод электромагнитную волну оказывается влияние соответственно температуре, по меньшей мере, одного световода,

- блок управления, с помощью которого к, по меньшей мере, обоим нагревательным элементам может поочередно во времени подаваться электрическая мощность,

и

- блок оценки, с помощью которого может оцениваться исходящее от отдельных тепловых потоков температурное влияние на электромагнитную волну и может определяться направление флюида.

Измерительный элемент, который своей продольной протяженностью предпочтительно перпендикулярно направлению потока флюида размещен в нем, имеет по контуру своего поперечного сечения, которое, в частности, является круговым, различные местные условия течения. Так перенос тепла через поверхность измерительного элемента на основе локально различных скоростей потока флюида происходит неравномерно по контуру поперечного сечения. В измерительном элементе по этой причине устанавливается, при равномерном нагружении мощностью нагревательного элемента в зависимости от его положения, согласно соответствующему вкладу, различный тепловой поток в направлении, по меньшей мере, одного световода. За счет последовательного во времени нагружения мощностью отдельных нитей накала или также отдельных конфигураций нити накала, таким образом, возможно определить температурную(ые) разность(и) отдельных последовательностей в месте, по меньшей мере, одного световода и, тем самым, определить направление потока флюида, обтекающего измерительный элемент.

Предпочтительные варианты осуществления устройства измерения потока согласно изобретению приведены в пунктах формулы изобретения, зависимых от пункта 1.

Так, является благоприятным, если, по меньшей мере, один световод включает в себя, по меньшей мере, одну волоконную брэгговскую решетку, и на, по меньшей мере, одну ответвленную в, по меньшей мере, один световод электромагнитную волну оказывается влияние в соответствии с температурой, по меньшей мере, одного световода в месте волоконной брэгговской решетки. Такой тип сенсора отличается посредством своей особой способности мультиплексирования, так что простым способом может быть реализована сенсорная сеть. Другое преимущество технологии волоконной брэгговской решетки заключается в возможности практически точечного, то есть локально очень ограниченного измерения. Тем самым возможно, при необходимости более высокой, в частности, с разрешением по месту измерения, точности измерения расположить вдоль измерительного элемента несколько волоконных брэгговских решеток рядом друг с другом в световоде.

Для лучшей различимости размещенные в световоде волоконные брэгговские решетки предпочтительно имеют соответственно отличающиеся друг от друга основные длины волн. В каждой волоконной брэгговской решетке от, по меньшей мере, одной ответвленной электромагнитной волны назад отражается определенная составляющая соответствующей длины волны. Основная длина волны изменяется в зависимости от существующего в месте измерения параметра влияния, в данном случае, в частности, температуры световода. Это изменение содержания длин волн (или спектра длин волн) соответствующей отраженной составляющей введенной, по меньшей мере, одной электромагнитной волны применяется в качестве меры для определяемого параметра влияния. Но в принципе также возможно прошедшую составляющую введенной, по меньшей мере, одной электромагнитной волны исследовать на изменение спектра длин волн. Для опроса, по меньшей мере, одной волоконной брэгговской решетки посредством, по меньшей мере, одной электромагнитной волны можно, в частности, использовать широкополосный источник света, например светодиод (LED) с шириной полосы примерно 45 нм, суперлюминесцентный диод (SLD) с шириной полосы примерно 20 нм или последовательно настраиваемый лазер с шириной полосы примерно 100 нм.

Предложено, что измерительный элемент выполнен в виде стержня. Предпочтительным образом измерительный элемент прост для монтажа и может, например, вводиться через отверстие в проточный канал. Кроме того, может достигаться то, что при незначительных затратах на монтаж обеспечивается возможность технического обслуживания измерительного элемента. Для этого соответствующие крепления ослабляются, и измерительный элемент вытаскивается через отверстие. Наряду с этим, измерительный элемент может, разумеется, иметь любую другую форму. Например, измерительный элемент может выполняться в круговой форме или также как спираль Архимеда.

В другом варианте выполнения предложено, что измерительный элемент является упругим. Так можно предпочтительным образом измерительный элемент, в зависимости от использования, кратковременно предварительно формовать, за счет чего можно сократить число различных форм измерительного элемента. Могут экономиться затраты на складирование.

Предпочтительным является, если нагревательные элементы выполнены из металла. Тем самым обеспечивается равномерное нагревание вдоль нагревательных элементов.

Кроме того, предложено, что нагревательные элементы образованы посредством электрически изолированных друг от друга, электрически проводящих покрытий, по меньшей мере, одного световода. Так конструктивная форма измерительного элемента может дополнительно упрощаться. Нагревательные элементы могут простым способом, соответственно, как единое целое соединяться со световодом, так что наряду с экономичным изготовлением также может быть реализована защитная функция световода с помощью нагревательных элементов. Проводящие покрытия могут, например, выполняться из металла, такого как вольфрам, или из сплава, такого как сталь или тому подобное.

Кроме того, предложено, что нагревательные элементы имеют, соответственно, постоянное удельное электрическое сопротивление. Может быть предпочтительным образом реализовано, что измерительный элемент по своей продольной протяженности равномерно нагружается теплом. Под удельным электрическим сопротивлением в рамках настоящей заявки понимается электрическое сопротивление, приходящееся на единицу длины.

Кроме того, предложено, что соответствующее удельное сопротивление в диапазоне рабочих температур в значительной степени является температурно независимым. Так, может быть реализовано, что соответствующий, относящийся к отдельным нагревательным элементам подвод тепла вдоль продольной протяженности измерительного элемента, по существу, не зависит от текущей локальной температуры. Точность измерения, а также надежность измерения может быть повышена. К тому же нагревательные элементы могут быть выполнены, например, из такого материала, как константан или т.п.

В предпочтительном варианте осуществления предложено, что измерительный элемент имеет оболочку. Измерительный элемент может таким образом быть защищен от химического воздействия. Кроме того, оболочка обеспечивает механическую защиту, например, во время монтажа.

Кроме того, предложено, что оболочка состоит из керамического материала. С керамической оболочкой измерительный элемент может предпочтительным образом выполняться в расчете на высокотемпературные воздействия.

Наряду с этим предложено, что оболочка, по меньшей мере, частично образована посредством металлической гильзы. Так измерительный элемент может предпочтительным образом защищаться, например, от электростатического заряда, за счет того, что металлическая гильза может соединяться с потенциалом земли.

Кроме того, предложено, что оболочка к тому же имеет нагревательные элементы, причем нагревательные элементы электрически изолированы друг от друга. Конструктивные элементы и затраты могут быть, таким образом, дополнительно сокращены.

Для другого решения поставленной задачи предложен способ, соответствующий признакам независимого пункта 13.

В случае соответствующего изобретению способа речь идет о способе для определения направления потока флюида с устройством измерения потока, причем

- по меньшей мере, одна электромагнитная волна вводится в, по меньшей мере, один световод измерительного элемента, обтекаемого флюидом,

- по меньшей мере, к двум нагревательным элементам измерительного элемента электрическая мощность попеременно подается таким образом, что

- по меньшей мере, один световод попеременно нагружается теплом от нагревательных элементов,

- по меньшей мере, на одну электромагнитную волну, в зависимости от различной, изменяющейся локальной температуры в световоде, оказывается разное по величине влияние последовательно во времени,

- определяются различные, изменяющиеся влияния на, по меньшей мере, одну электромагнитную волну, и отсюда определяется направление потока флюида перпендикулярно к продольной протяженности измерительного элемента.

С помощью способа, соответствующего изобретению, достигаются преимущества, рассмотренные выше для соответствующего изобретению устройства измерения потока.

Так, является также благоприятным, если, по меньшей мере, один световод содержит, по меньшей мере, одну волоконную брэгговскую решетку, и, по меньшей мере, на одну электромагнитную волну оказывается влияние в зависимости от различных, изменяющихся температур в месте, по меньшей мере, одной волоконной брэгговской ячейки.

Кроме того, предложено, что, по меньшей мере, одна электромагнитная волна образована посредством, по меньшей мере, одного электромагнитного импульса. Предпочтительным образом энергия экономится, и точность измерения повышается. Электромагнитный импульс может, например, генерироваться импульсным лазером и через соответствующее средство связи ответвляться в световод для электромагнитной волны.

Кроме того, предложено, что измерительный элемент в своей продольной протяженности попеременно нагревается нагревательными элементами. Из вариации температуры вдоль измерительного элемента, на основе потока флюида может предпочтительным образом определяться также скорость потока вдоль измерительного элемента.

Предпочтительным является, что нагревательные элементы попеременно, соответственно, нагружаются постоянной электрической мощностью. В частности, при постоянном ходе сопротивления по продольной протяженности измерительного элемента может, таким образом, в соответствии с законом Ома, также достигаться постоянная тепловая нагрузка. Это может осуществляться посредством постоянного тока или также переменного тока. В частности, посредством вариации частоты переменного тока может оказываться влияние на нагревательное действие соответствующих нагревательных элементов, если частота переходит в диапазон, в котором становятся действующими скин-эффекты.

В предпочтительном дальнейшем развитии соответствующего изобретению способа предложено, что проводится несколько измерений с различным нагружением мощностью. Таким образом, точность измерений может быть дополнительно повышена.

Кроме того, предложено, что в качестве флюида применяется газ, в особенности воздух, или жидкость, в особенности вода или жидкий азот, для охлаждения электрической машины, в особенности генератора или двигателя. Измерительный элемент согласно соответствующему изобретению устройству измерения потока может при этом экономичным образом согласовываться с физическими и/или химическими требованиями в проточном канале устройства охлаждения генератора или двигателя. Точное измерение распределения потока в поперечном сечении проточного канала может также быть реализовано.

Кроме того, для дополнительного решения задачи с помощью изобретения предложена электрическая машина с

- установленным с возможностью вращения ротором,

- соответствующим стационарным статором в корпусе машины,

- устройством для охлаждения деталей посредством флюида внутри корпуса машины, причем устройство для охлаждения содержит систему магистралей,

- и соответствующим изобретению устройством измерения потока.

При этом предусмотрен измерительный элемент устройства измерения потока, размещенный в проточном канале системы магистралей, для измерения направления потока флюида в проточном канале.

В соответствующей изобретению электрической машине обеспечиваются преимущества, обсужденные выше для соответствующего изобретению устройства измерения потока.

С помощью соответствующего изобретению устройства измерения потока можно реализовать эффективное охлаждение машины за счет того, что в проточных каналах охлаждающего устройства контролируется направление потока охлаждающего флюида, например воздуха. Проявляющийся застой потока из-за неблагоприятно накладывающихся потоков можно при этом заблаговременно распознать, так что могут быть введены подходящие меры, чтобы избежать локального перегрева и повреждения машины. Таким образом, может быть повышена надежность эксплуатации турбомашины.

Предложено, что измерительный элемент размещен радиально к поперечному сечению проточного канала. Предпочтительно, можно при этом с помощью нескольких размещенных последовательно одна за другой волоконных брэгговских решеток определить направление потока в зависимости от радиуса поперечного сечения проточного канала. Разумеется, в проточном канале может быть предусмотрено также несколько измерительных элементов, чтобы иметь возможность определения направления потока в различных позициях по периферии проточного канала.

Кроме того, предложено, что в проточном канале аксиально на некотором расстоянии друг от друга размещено несколько измерительных элементов. Так, предпочтительно можно определять и оценивать аксиальные изменения направления потока. Также могут применяться различным образом сформированные измерительные элементы, чтобы получить желательную информацию о ходе потока. Так можно, например, радиальные, стержнеобразные измерительные элементы комбинировать с измерительными элементами, размещенными по круговой линии в проточном канале. В частности, предложено, что измерительные элементы работают согласно соответствующему изобретению способу.

Предпочтительные, но ни в коем случае не ограничительные примеры выполнения изобретения поясняются далее со ссылками на чертежи. Для наглядности чертежи представлены не в масштабе, и известные аспекты представлены схематично. В отдельности, на чертежах показано следующее:

фиг.1 - вид сбоку измерительного элемента соответствующего изобретению устройства измерения потока в стержнеобразном варианте выполнения с соединительным штекером на одном конце,

фиг.2 - сечение конструкции измерительного элемента со световодом, а также двумя параллельно к нему расположенными нагревательными проводниками,

фиг.3 - сечение другого варианта конструкции измерительного элемента со световодом, а также четырьмя параллельно к нему расположенными нагревательными проводниками,

фиг.4 - сечение другого варианта конструкции измерительного элемента с двумя окружающими световод нагревательными проводниками,

фиг.5 - сечение другого варианта конструкции измерительного элемента с двумя расположенными непосредственно на поверхности световода нагревательными проводниками,

фиг.6 - принципиальная схема формы выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока с измерительным элементом согласно фиг.2,

фиг.7 - принципиальная схема формы выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока с измерительным элементом согласно фиг.3,

фиг.8 - принципиальная схема формы выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока с измерительным элементом согласно фиг.4 или 5,

фиг.9 - поперечное сечение проточного канала устройства для охлаждения с измерительным элементом соответствующего изобретению устройства измерения потока,

фиг.10 - сечение генератора с несколькими измерительными элементами соответствующего изобретению устройства измерения потока.

Фиг.1 показывает вид сбоку измерительного элемента 1, 2 или 3 соответствующего изобретению устройства измерения потока с размещенным на одном конце измерительного элемента 1, 2 или 3 разъемным соединением 15 для подключения измерительного элемента 1, 2 или 3 к блоку 20 управления и блоку 23 оценки (см. фиг.6-8 и фиг.10). Измерительный элемент 1, 2 или 3 выполнен стержнеобразным. К тому же измерительный элемент 1, 2 или 3 выполнен упругим, так что геометрическая форма может быть согласована с заданными требованиями.

На фиг.2-9 показана, соответственно, система 80 координат с осями х, y и z для большей наглядности. Для простоты, но не для ограничения принято, исследуемый флюид 22 течет в направлении х. Текущий в направлении х флюид 22 обозначен при этом стрелками, указывающими в направлении х. Флюид 22, который течет в направлении х и попадает на продолжающийся в направлении y измерительный элемент 1, 2 или 3, обтекает его. В случае потока флюида речь идет, в частности, о турбулентном потоке. Устанавливаются различные скорости потока на поверхности измерительного элемента 1, 2 или 3. Длина стрелки указывает при этом величину скорости флюида в показанном месте. В то время как скорость в той части поверхности 9 измерительного элемента, которая, по существу, направлена против направления потока, является наибольшей, она в той части поверхности 9 измерительного элемента, которая указывает, по существу, в направлении потока, является наименьшей. Теплопередача через поверхности 9 измерительного элемента осуществляется при этом, в зависимости от локальной скорости потока, неоднородно. Так теплопередача в той части поверхности 9 измерительного элемента, которая, по существу, направлена против направления потока, больше, чем в той части поверхности 9 измерительного элемента, которая, по существу, указывает в направлении потока. Нагревательный элемент 5а, 6а или 7а, размещенный на или ближе к той части поверхности 9 измерительного элемента, которая, по существу, ориентирована против направления потока, вырабатывает тем самым меньший тепловой поток 10а в направлении, в частности, центрально расположенного световода 4, чем нагревательный элемент 5b, 6b или 7b, размещенный на или ближе к той части поверхности 9 измерительного элемента, которая указывает, по существу, в направлении потока, тепловой поток которого обозначен как 10b. Отходящие от нагревательных элементов 5а, 5b или 6а, 6b, или 7а, 7b, указывающие в направлении соответствующего световода 4 стрелки указывают при этом на соответствующий тепловой поток 10а, 10b, величина которого представляется соответствующей длиной стрелки.

Фиг.2 и фиг.3 показывают два варианта выполнения измерительного элемента 1 соответствующего изобретению устройства измерения потока.

Согласно примеру выполнения по фиг.2 два нагревательных элемента 5а, 5b и размещенный между ними световод 4 в керамическом материале встроены в измерительный элемент 1. Нагревательный элемент 5а размещен вблизи той части поверхности 9 измерительного элемента, которая, по существу, направлена против направления потока, в то время как другой нагревательный элемент 5b размещен вблизи той части поверхности 9 измерительного элемента, которая указывает, по существу, в направлении потока. Световод 4 на оси симметрии 30 измерительного элемента 1, которая одновременно представляет зеркальную ось относительно обоих нагревательных элементов 5а, 5b, расположен таким образом, что его соответствующие расстояния до обоих нагревательных элементов 5а, 5b соответствуют друг другу. Согласно примеру выполнения по фиг.3 это четыре нагревательных элемента 5а, 5b, попарно расположенных вблизи той части поверхности 9 измерительного элемента, которая, по существу, направлена против направления потока, или вблизи той части поверхности 9 измерительного элемента, которая ориентирована, по существу, в направлении потока. Световод 4 на оси симметрии 30 измерительного элемента 1, которая одновременно представляет зеркальную ось относительно пар нагревательных элементов 5а, 5b, расположен таким образом, что его расстояния до соответствующих нагревательных элементов 5а, 5b соответствуют друг другу. Световод 4 является, например, стекловолокном или пластиковым волокном. Нагревательные элементы 5а, 5b и световод 4 погружены в состоящее из керамического материала, в частности, цилиндрическое тело 16, которое, со своей стороны, окружено пассивирующей оболочкой 8. Нагревательные элементы 5а, 5b выполнены, например, в виде нити накала. Оболочка 8 в одной форме выполнения может быть выполнена электрически проводящей из металла (см. фиг.6).

На фиг.4 показано другое выполнение измерительного элемента соответствующего изобретению устройства измерения потока со световодом 4, который окружен цилиндрическим телом 16, в частности, выполненным из керамического материала. Вокруг керамического тела 16 размещены два нагревательных элемента 6а, 6b таким образом, что они совместно окружают, по меньшей мере, часть измерительного элемента 2. В частности, оба нагревательных элемента 6а, 6b образуют к тому же, по меньшей мере, частично гильзообразную оболочку 8 измерительного элемента 2. Требуемая электрическая изоляция обоих нагревательных элементов 6а, 6b может, например, осуществляться через, соответственно, перемычку 11 из керамического тела 16.

На фиг.5 показано сечение измерительного элемента соответствующего изобретению устройства измерения потока, причем на световод 4 напылены два электрически изолированных один от другого металлических слоя 7а, 7b, которые к тому же представляют собой два нагревательных элемента 7а, 7b измерительного элемента 3. Вместе оба металлических слоя 7а, 7b образуют, по меньшей мере, частично оболочку 8 световода 4. Изоляции между обоими металлическими слоями 7а, 7b могут быть при этом реализованы воздушным зазором 12. Это выполнение отличается упругостью, так что измерительный элемент 3 по своей пространственной протяженности может быть согласован в соответствии с потребностями. К тому же измерительный элемент 3 отличается особенно простым способом изготовления, при котором световод 4 в процессе нанесения покрытия известного типа может быть покрыт подходящим электрически проводящим материалом. Это выполнение отличается, кроме того, тем, что оно имеет особенно низкую теплоемкость, по сравнению с примерами выполнения измерительного элемента 1 или 2 согласно фиг.1-4, и, тем самым, быстрее реагирует на изменяющиеся условия потока.

Применяемые в предыдущих вариантах выполнения нагревательные элементы 5a, 5b, 6a, 6b, 7a и 7b предпочтительно выполнены из металла или из металлического сплава. В зависимости от физического и/или химического нагружения могут применяться, например, сталь, медь, алюминий, бронза, константан или тому подобное. Для высокотемпературных применений, например, в проточном канале газовой турбины, следует предпочесть покрытие металлом, таким как вольфрам или тому подобное. Для применений при низких температурах в химически агрессивной среде могут, например, использоваться проводящие полимеры. В представленных здесь примерах выполнения материал нагревательных элементов 5a, 5b, 6a, 6b, 7a и 7b имеет, соответственно, постоянное электрическое сопротивление. В частности, сопротивление в диапазоне рабочих температур в значительной степени не зависит от температуры. Нагружение нагревательных элементов 5a, 5b, 6a, 6b, 7a и 7b постоянным током или переменным током с постоянным эффективным значением приводит к равномерному по длине нагревательных элементов 5a, 5b, 6a, 6b, 7a и 7b подводу мощности, так что соответствующие нагревательные элементы 5a, 5b, или 6a, 6b, или 7a, 7b по продольной протяженности соответствующего измерительного элемента 1, 2 или 3 могут равномерно нагружаться теплом.

Фиг.6-8 показывают примеры выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока на принципиальных схемах. Устройство измерения потока на фиг.6 включает в себя измерительный элемент 1 согласно фиг.2, устройство измерения потока на фиг.7 включает в себя измерительный элемент 1 согласно фиг.3, и устройство измерения потока на фиг.8 включает в себя измерительный элемент 3 согласно фиг.3 или фиг.4. Все названные примеры выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока содержат также блок 20 управления и блок 23 оценки. Соответствующий измерительный элемент 1, 2 или 3 продолжается по своей продольной оси в направлении y. Измерительный элемент 2 или 3 устройства измерения потока согласно фиг.8 на своих соответствующих концах своими нагревательными элементами 6a, 6b или 7a, 7b электрически соединен с блоком 20 управления и на одном из обоих концов оптически соединен с блоком 23 оценки. Измерительный элемент 1 устройства измерения потока согласно фиг.6 или 7 на одном конце электрически соединен с блоком 20 управления и оптически соединен с блоком 23 оценки, в то время как другой конец измерительного элемента 1 свободен. Тем самым может быть реализован особенно простой монтаж и/или обращение с измерительным элементом 1.

Блок 20 управления имеет электрический источник 21 энергии и переключающий элемент 24. Источник 21 энергии, который имеет два вывода, согласно данным примерам выполнения, через переключающий элемент 24 в соответствии с его позицией переключателя таким образом соединен с нагревательными элементами 5a, 5b, или 6a, 6b, или 7a, 7b, что, по меньшей мере, один из нагревательных элементов 5a, 5b, или 6a, 6b, или 7a, 7b нагружается электрической мощностью и вырабатывает тепло. Электрический источник 21 энергии предпочтительно является источником тока, посредством которого может выдаваться постоянный ток. Переключающий элемент 24 может быть как механическим переключателем, так и электронным переключателем, как это известно в технике во множестве конструктивных типов. Переключающий элемент 24 может также быть выполнен как единое целое с источником 21 энергии, причем может предусматриваться не только функция переключения, но и функция управления для тока. Кроме того, световод 4 измерительного элемента 1, 2 или 3 соответствующего изобретению устройства измерения потока согласно фиг.6-8 через оптическое соединительное волокно 25 соединен с блоком 23 оценки. Блок 23 оценки, в свою очередь, через соединительную линию для передачи информации переключения переключающего элемента 24 связан с последним.

Измерительный элемент 1, 2 или 3 обтекается флюидом 22, причем поток флюида вдоль продольной протяженности измерительных элементов 1, 2 или 3 может иметь различную скорость потока, что указывается стрелками разной длины. Направление потока флюида 22, для простоты, указано, как прежде, в направлении х. Для измерения направления потока флюида 22 нагревательные элементы 5a, 5b, или 6a, 6b, или 7a, 7b измерительного элемента 1, 2 или 3 через переключающий элемент 24, управляемый попеременно, нагружаются электрической мощностью, так что они попеременно нагреваются. Каждый отдельный процесс нагрева может при этом длиться так долго, пока не установится термическое равновесие в измерительном элементе 1, 2 или 3. Но он может выбираться и более коротким.

Посредством блока 23 оценки, который имеет источник света, детектор и средство анализа, свет в форме непрерывного лазерного луча или в форме лазерных импульсов через оптическое соединительное волокно 25 ответвляется в световод 4 измерительного элемента 1, 2 или 3, и обратно рассеянный свет анализируется с помощью средства анализа. Для измерения используется эффект, состоящий в том, что электромагнитная волна, которая ответвлена в световод 4, рассеивается при прохождении в световоде. Часть рассеянного света рассеивается в противоположном направлении, так что он может определяться на входе световода. За счет температурной зависимости этого эффекта рассеяния можно определить температуру световода 4. Обратно рассеянный световой сигнал состоит из различных компонентов, которые, по отношению к требованиям измерений, пригодны по-разному. Например, рассеянный сигнал содержит рамановскую рассеянную составляющую. С помощью технологии волоконных брэгговских решеток, по сравнению с рамановской технологией, достижима более высокая разрешающая способность по местоположению, которая особенно предпочтительна для использования температурных измерений в машинах.

Лазерный свет известным способом вырабатывается приборами, известными в технике. В зависимости от температуры часть лазерного света обратно рассеивается в световоде 4 от волоконной брэгговской решетки 13. Этот обратно рассеянный световой сигнал подается через оптическое соединительное волокно 25 блока 23 оценки, который из него определяет температуру в месте одной или нескольких волоконных брэгговских решеток 13 в световоде 4.

Посредством блока 23 оценки, который связан с переключающим элементом 24 блока 20 управления, для каждой позиции переключателя поочередно определяется температура внутри измерительного элемента 1, 2 или 3. При управлении переключающим элементом 24 и в зависимости от относительного положения соответствующего нагреваемого нагревательного элемента 5a, 5b, или 6a, 6b, или 7a, 7b в протекающем флюиде 22 с направленным потоком устанавливаются различные температуры в измерительном элементе 1, 2 или 3. Посредством блока 23 оценки температуры, соответствующие различным позициям переключателя, сравниваются друг с другом, например, путем формирования разности в вычислительном блоке, относящемся к блоку 23 оценки, и отсюда определяется направление потока флюида 22.

Если измерительный элемент 1, 2 или 3 имеет несколько волоконных брэгговских решеток 13 вдоль световода 4, как представлено в примерах выполнения на фиг.6-8, то из распределения температур вдоль измерительного элемента 1, 2 или 3 можно определить скорость потока с распределением скоростей потока флюида 22.

В примере выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока по фиг.6 измерительный элемент 1 имеет два параллельных нагревательных элемента 5a, 5b, выполненных как нити накала. Источник 21 энергии одним выводом через переключающий элемент 24 соответственно его позиции переключателя соединен с одним из выполненных в виде нити накала нагревательных элементов 5a, 5b, а другим выводом соединен с электрически проводящей оболочкой 8 измерительного элемента 1. При этом оба измерительных элемента 5а, 5b на противолежащих концах измерительного элемента 1 также соединены с электрически проводящей оболочкой 8.

В примере выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока по фиг.7 измерительный элемент 1 имеет всего четыре параллельных, выполненных как нити накала нагревательных элемента 5a, 5b, причем, соответственно, две нити накала на конце измерительного элемента 1 совместно замкнуты. При этом, соответственно, один нагревательный элемент 5а, 5b пары нагревательных элементов 5a, 5b на другом конце измерительного элемента 1 через переключающий элемент 24, соответственно его позиции переключателя, соединен с выводом источника 21 энергии, в то время как соответствующие другие из обоих нагревательных элементов 5a, 5b обеих пар нагревательных элементов 5a, 5b друг с другом соединены с другим выводом источника 21 энергии.

Но также возможно, аналогично фиг.6, все четыре нагревательных элемента 5a, 5b на одном конце вместе соединить совместно с оболочкой 8, которая в этом случае выполнена электрически проводящей, так что источник 21 энергии на другом конце измерительного элемента 1 также может быть подключен к оболочке 8. В этом не показанном на чертежах примере выполнения должны либо, соответственно, два нагревательных элемента 5a, 5b совместно и одновременно через переключающий элемент 24 соединяться с источником 21 энергии, либо переключающий элемент 24 должен быть выполнен таким образом, что более чем два нагревательных элемента 5a, 5b могут переключаться друг за другом. Применение подобного переключающего элемента 24 с многочисленными подключенными нагревательными элементами 5a, 5b, которые, например, размещены по кругу вокруг световода 4, размещенного в центре поперечного сечения измерительного элемента 1, позволяет еще более точно определять направление потока флюида 22.

В примере выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока по фиг.8 вывод источника 21 энергии через переключающий элемент 24, соответственно его позиции переключателя, соединен с одним из выполненных как гильзообразные частичные оболочки 8 (фиг.4) или как металлические пленки (фиг.5) нагревательных элементов 6a, 6b или 7а, 7b на конце измерительного элемента 2 или 3. Второй вывод источника 21 энергии на другом конце измерительного элемента 2 или 3 соединен посредством электрического проводника с обоими нагревательными элементами 6a, 6b, или 7a, 7b вместе.

Фиг.9 показывает круговое поперечное сечение проточного канала 14, через который в направлении х протекает флюид. Проточный канал 14, в качестве примера, снабжен двумя измерительными элементами 1, 2 или 3, расположенными радиально относительно сечения проточного канала. Оба измерительных элемента 1, 2 или 3 через электрический соединительный проводник 26 соединены с блоком 20 управления и через оптическое соединительное волокно с блоком 23 оценки.

На фиг.10 схематично представлен генератор в качестве электрической машины. Генератор имеет жестко связанный с корпусом 28 неподвижный статор 19 и ротор 18, подвижно установленный на валу 17 ротора. Генератор охлаждается посредством охлаждающего устройства воздухом в качестве охлаждающего флюида 22. Охлаждающее устройство имеет два вентилятора 27, которые посредством системы магистралей проводят охлаждающий воздух 22 через генератор. Система магистралей содержит для этого многочисленные проточные каналы, в частности, также в статоре 19. Охлаждающий воздух 22 в показанном примере выполнения направляется извне вовнутрь в направлении ротора 18 через статор 19 и затем через зазор между статором 19 и ротором 18 выводится наружу. Но одновременно воздух 22 может засасываться ротором генератора и изнутри нагнетаться наружу в обратном направлении через статор 19. Если оба воздушных потока перекрываются неблагоприятным образом, то внутри системы магистралей возникает застой потока, что, тем самым, в соответствующем случае может привести к местному перегреву и повреждению генератора. Чтобы избежать этого, посредством устройства измерения потока, соответствующего изобретению, контролируется направление потока в проточных каналах. В этом примере выполнения, в качестве примера, в двух местах генератора два проточных канала, соответственно, снабжены измерительным элементом 1, 2 или 3 соответствующего изобретению устройства измерения потока. Оба измерительных элемента 1, 2 или 3 при этом соединены с соответствующим блоком 20 управления и блоком 23 оценки. При нерегулярностях в потоке охлаждающего воздуха, таким образом, имеется возможность своевременно реагировать и вводить соответствующие защитные меры.

Использование соответствующего изобретению устройства измерения потока в генераторе с воздушным охлаждением служит здесь только в качестве примера. Также возможно соответствующее изобретению устройство измерения потока применять в машинах, которые охлаждаются посредством H₂-газа, инертного газа или любого другого газа в качестве флюида 22. В качестве охлаждающего флюида 22 может также предусматриваться охлаждающая жидкость, такая как вода, или также при криогенном охлаждении жидкий инертный газ или жидкий азот.

Соответствующее изобретению устройство измерения потока может также использоваться в турбинах, как, например, в паровой или газовой турбине. Так посредством соответствующего изобретению устройства измерения потока могут измеряться направления потока, в частности, в турбулентных областях потока в соответствующей системе воздушного охлаждения, в соответствующем компрессоре, на соответствующем впускном отверстии компрессора и/или в соответствующем потоке отработавшего газа.

Показанные на чертежах примеры выполнения служат только пояснению изобретения и не являются для него ограничивающими. Так, например, может варьироваться тип измерительного элемента 1, 2 или 3, в частности, его геометрическая форма, без выхода за рамки объема изобретения. Кроме того, могут совместно включаться несколько элементов, чтобы иметь возможность более точно исследовать определенные изменения направления потока.

Изобретение может быть использовано в проточном канале устройства охлаждения электрической машины, в особенности генератора или двигателя. Устройство измерения потока содержит обтекаемый флюидом (22) измерительный элемент (1) в виде стержня с одним световодом (4) и с размещенными смежно со световодом по меньшей мере двумя электрическими нагревательными элементами (5а, 5b). Тепловые потоки от нагревательных элементов противоположны и в зависимости от направления потока флюида (22) в различной степени коррелированны с направлением потока. Световод (4) содержит, по меньшей мере, одну волоконную брэгговскую решетку (13). Блок (23) определяет направление потока флюида (22) на основании оценки влияния на электромагнитную волну, направляемую в световод, различной температуры световода в местах брэгговских решеток (13). Изобретение обладает расширенными функциональными возможностями и позволяет измерять скорость и направление потока одним измерительным элементом. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство измерения потока для определения направления потока флюида (22), содержащее
обтекаемый флюидом (22) измерительный элемент (1, 2, 3) с, по меньшей мере, одним световодом (4) и, по меньшей мере, двумя электрическими нагревательными элементами (5а, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b), размещенными смежно с, по меньшей мере, одним световодом (4), причем
по меньшей мере, один световод (4) может нагружаться теплом от теплового потока (10а, 10b), направленного от соответствующего нагревательного элемента (5а, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) к, по меньшей мере, одному световоду,
направления тепловых потоков (10а, 10b), по меньшей мере, частично противоположны,
отдельные тепловые потоки (10а, 10b) коррелированы в различной степени с направлением потока флюида (22), и
по меньшей мере, на одну ответвляемую в, по меньшей мере, один световод (4) электромагнитную волну оказывается влияние соответственно температуры, по меньшей мере, одного световода (4),
блок управления, с помощью которого к, по меньшей мере, обоим нагревательным элементам (5а, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) может поочередно во времени подаваться электрическая мощность, и
блок (23) оценки, с помощью которого может оцениваться исходящее от отдельных тепловых потоков (10а, 10b) температурное влияние на электромагнитную волну и может определяться направление потока флюида (22).

2. Устройство измерения потока по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один световод (4) включает в себя, по меньшей мере, одну волоконную брэгговскую решетку (13), и на, по меньшей мере, одну ответвленную в, по меньшей мере, один световод (4) электромагнитную волну оказывается влияние в соответствии с температурой, по меньшей мере, одного световода (4) в месте, по меньшей мере, одной волоконной брэгговской решетки (13).

3. Устройство измерения потока по п.1, отличающееся тем, что измерительный элемент (1, 2, 3) выполнен в виде стержня.

4. Устройство измерения потока по п.1, отличающееся тем, что измерительный элемент (1, 2, 3) является упругим.

5. Устройство измерения потока по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что нагревательные элементы (5а, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) выполнены из металла.

6. Устройство измерения потока по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что нагревательные элементы (7a, 7b) образованы посредством электрически изолированных друг от друга, электрически проводящих покрытий, по меньшей мере, одного световода (4).

7. Устройство измерения потока по п.5, отличающееся тем, что нагревательные элементы (5а, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) имеют соответственно постоянное удельное электрическое сопротивление.

8. Устройство измерения потока по п.7, отличающееся тем, что соответствующее удельное сопротивление в диапазоне рабочих температур в значительной степени является температурно независимым.

9. Устройство измерения потока по п.1, отличающееся тем, что измерительный элемент (1, 2, 3) имеет оболочку (8).

10. Устройство измерения потока по п.9, отличающееся тем, что оболочка (8) состоит из керамического материала.

11. Устройство измерения потока по п.9, отличающееся тем, что оболочка (8), по меньшей мере, частично образована посредством металлической гильзы.

12. Устройство измерения потока по п.11, отличающееся тем, что оболочка (8) дополнительно имеет нагревательные элементы (6а, 6b, 7a, 7b), причем нагревательные элементы (6а, 6b, 7a, 7b) электрически изолированы друг от друга.

13. Способ для определения направления потока флюида (22) устройством измерения потока, причем
по меньшей мере, одну электромагнитную волну вводят в, по меньшей мере, один световод (4) измерительного элемента (1, 2, 3), обтекаемого флюидом (22),
по меньшей мере, к двум нагревательным элементам (5а, 5b, 6а, 6b, 7a, 7b) измерительного элемента (1, 2, 3) попеременно подают электрическую мощность таким образом, что
по меньшей мере, один световод (4) попеременно от нагревательных элементов (5а, 5b, 6а, 6b, 7a, 7b) нагружается теплом и
по меньшей мере, на одну электромагнитную волну в зависимости от различной, изменяющейся локальной температуры в световоде (4) оказывается разное по величине влияние последовательно во времени,
определяют различные, изменяющиеся влияния на, по меньшей мере, одну электромагнитную волну и на этой основе определяют направление потока флюида (22) перпендикулярно к продольной протяженности измерительного элемента (1, 2, 3).

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один световод (4) содержит, по меньшей мере, одну волоконную брэгговскую решетку (13), и, по меньшей мере, на одну электромагнитную волну оказывается влияние в зависимости от различных, изменяющихся температур в месте, по меньшей мере, одной волоконной брэгговской решетки (13).

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одну электромагнитную волну формируют посредством, по меньшей мере, одного электромагнитного импульса.

16. Способ по любому из пп.13-15, отличающийся тем, что измерительный элемент (1, 2, 3) в своей продольной протяженности попеременно нагревается нагревательными элементами (5а, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b).

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что нагревательные элементы (5а, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) попеременно соответственно нагружаются постоянной электрической мощностью.

18. Способ по любому из пп.13-15, 17, отличающийся тем, что проводится несколько измерений с различным нагружением мощностью.

19. Способ по одному из пп.13-15, 17, отличающийся тем, что в качестве флюида (22) применяют газ или жидкость в проточном канале устройства охлаждения электрической машины, в особенности генератора или двигателя.

20. Электрическая машина с
установленным с возможностью вращения ротором (18),
соответствующим стационарным статором (19) в корпусе (28) машины,
устройством для охлаждения деталей посредством флюида (22) внутри корпуса (28) машины, причем охлаждающее устройство (27, 14) содержит систему магистралей, и
устройством измерения потока по любому из пп.1-12,
при этом предусмотрен измерительный элемент (1, 2, 3) устройства измерения потока, размещенный в проточном канале (14) системы магистралей, для измерения направления потока флюида (22) в проточном канале (14).

21. Электрическая машина по п.20, отличающаяся тем, что измерительный элемент (1, 2, 3) размещен радиально относительно поперечного сечения проточного канала (14).

22. Электрическая машина по п.20 или 21, отличающаяся тем, что в проточном канале (14) аксиально на некотором расстоянии друг от друга размещено несколько измерительных элементов (1,2, 3).