УМЕНЬШЕНИЕ ШУМА ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОМОДОВОГО ПЕРЕДАЮЩЕГО ВОЛОКНА Российский патент 2014 года по МПК F23N5/08 

Область техники

Настоящее изобретение относится к мониторингу процессов горения и, в частности, к устройству и способу для уменьшения модового шума или шума спекл-структуры, возникающего при измерениях абсорбционной спектроскопии с помощью перестраиваемого диодного лазера, связанного с процессами горения.

Уровень техники

Желательность и необходимость точного измерения или управления параметрами горения, такими как концентрации газовых компонентов и температура, получаемые в результате горения различных углеводородов, становятся все более важными в различных областях для обеспечения оптимальных условий горения. Применение абсорбционной спектроскопии с помощью перестраиваемого диодного лазера («TDLAS») для мониторинга и управления горением было описано в отношении котлов на твердом топливе и реактивных двигателей в нескольких публикациях патентных заявок, включая WO2004/090496 «Method and Apparatus for the Monitoring and Control of Combustion» («Способ и устройство для мониторинга и управления горением»), опубликованной 21 октября 2004, WO2005/103781 «Optical Mode Noise Averaging Device» («Устройство для усреднения оптического модового шума»), опубликованной 3 ноября 2005, WO2009/061586 «In Situ Optical Probe and Methods» («Оптический зонд in situ и способы»), опубликованной 14 мая 2009, и WO2007/087081 «Method and Apparatus for Spectroscopic Measurements in the Combustion Zone of a Gas Turbine Engine» («Способ и устройство для измерений посредством спектроскопии в зоне горения газотурбинного двигателя»), опубликованной 2 августа 2007, содержание которых включено в настоящий документ во всей их полноте для всех раскрываемых здесь вопросов. Каждое из раскрытых в этих заявках устройств и способов для мониторинга горения включает в себя передачу и прием лазерного света через или вблизи зоны горения или соответствующих газосодержащих зон. Методы TDLAS могут быть реализованы непосредственно на месте работы и предлагают множество преимуществ, включая обратную связь с высоким быстродействием, пригодную для управления динамическим процессом, и устойчивость к воздействиям внешней среды.

TDLAS обычно реализуется с помощью перестраиваемых диодных лазеров, работающих в ближней инфракрасной и средней инфракрасной областях спектра. Методы мониторинга TDLAS основаны на предварительно заданном отношении между количеством и природой лазерного света, принимаемого детектором после того, как свет прошел через интересующую область и был поглощен в конкретных спектральных полосах, которые характеризуют газообразные вещества, образуемые при горении. Спектр поглощения, принимаемый детектором, может использоваться для определения количества анализируемых газообразных веществ, а также соответствующих параметров горения, таких как температура. Однако есть некоторые технические трудности, связанные с TDLAS. Одна из них заключается в необходимости уменьшения модового и спекл-шума, возникающего при передаче и приеме лазерного света.

В частности, важным вопросом является измерение параметров горения в двигателях реактивных самолетов. WO 2007/087081 описывает систему и способ подачи и приема лазерного сигнала, обеспечивающие пользователю возможность измерять температуру ниже по потоку относительно зоны горения в газотурбинном двигателе. Чтобы минимизировать необходимый оптический доступ и тем самым минимизировать количество отверстий в кожухе двигателя, а также, чтобы обеспечить максимально возможную надежность оптического зонда, конфигурация зонда должна быть такой, чтобы лазерный свет, излучаемый зондом, отражался от поверхности в зоне измерения обратно к зонду. В некоторых областях применения, чтобы минимизировать риск нарушения правильного взаимного расположения, отражающая поверхность обрабатывается таким образом, чтобы обеспечить отражение Ламберта. Такая поверхность называется здесь «ламбертова поверхность». Например, в тех случаях, когда зонд использует отражение света от внутренней поверхности двигателя, такой как внутренний кожух, лопатка турбины или вал турбины, внутренняя поверхность двигателя может иметь относительно грубое покрытие, создающее термический барьер, которое обеспечивает отражение Ламберта. При отражении Ламберта свет рассеивается. Хотя отражение Ламберта может привести к значительному уменьшению уровней сигналов, доступных для детектирования, оно также понижает чувствительность к правильному взаимному расположению, так как свет рассеивается более или менее равномерно в полусфере Пи стерадиан.

Дополнительно к уменьшению уровня сигнала отражение от ламбертовой поверхности создает дополнительную трудность для сигнала, которая касается отношения сигнал-шум измерения. Лазерный спекл-шум, присутствующий в отраженном/рассеянном сигнале, ведет к образованию изменяющихся во времени колебательных волн в спектре длин волн, принимаемом от лазера. Это делает соотнесение спектра поглощения с сигналом очень трудным и подверженным ошибкам. В случае отражения, принятого от ламбертовой (грубой) поверхности, спекл-шум представляет собой явление интерференции, по существу подобное по причине и действию модовому шуму, создаваемому в многомодовом волокне. Свет, отраженный от ламбертовой поверхности, проходит различные расстояния до достижения им принимающего оптического средства. Когда световые волны на первом пути интерферируют со световыми волнами на другом пути, это ведет к образованию колеблющихся областей высокой и низкой интенсивности, создающих изменяющиеся во времени колебательные волны в спектре. Эти волны затрудняют различение поглощения на интересующих длинах волн измеряемых газов от потерь, связанных со спекл-шумом.

Различные варианты осуществления, раскрываемые здесь, имеют целью преодоление одной или более описанных выше проблем или других проблем, связанных с модовым шумом, в устройствах и методах мониторинга, использующих TDLAS.

Раскрытие изобретения

Первый вариант осуществления представляет собой устройство для измерения параметров горения в зоне измерения газотурбинного двигателя. Зона измерения определяется как область, расположенная между наружным кожухом и компонентом двигателя, имеющим отражающую поверхность, внутри наружного кожуха. Устройство содержит лазер, генерирующий передаваемый пучок света с выбранной длиной волны, и многомодовое передающее волокно, оптически сопряженное с лазером. Передающее оптическое средство оптически сопрягается с многомодовым оптическим волокном для передачи пучка в зону измерения. Отражающая поверхность выполняется с возможностью обеспечивать отражение Ламберта. Принимающее оптическое средство располагается таким образом, чтобы принимать упомянутое отражение Ламберта. Обеспечивается средство, оперативно связанное с многомодовым передающим волокном, для усреднения модового шума, создаваемого изменением уровня сигнала света, распространяющегося в многомодовом передающем волокне.

В одном варианте осуществления передающее оптическое средство и принимающее оптическое средство являются одним и тем же оптическим средством, и многомодовое оптическое волокно выполняет функции как передающего волокна, так и принимающего волокна. Этот вариант осуществления дополнительно содержит средство, оптически сопряженное с многомодовым оптическим волокном, для отделения принимаемого пучка от передаваемого пучка. Средство для усреднения может содержать средство для циклического изменения показателя преломления многомодового оптического волокна на выбранный период времени или средство для скремблирования распределения света в многомодовом оптическом волокне. Средство для усреднения может содержать средство для циклического изменения температуры многомодового оптического волокна, или средство для циклического манипулирования многомодовым оптическим волокном. Средство для циклического манипулирования многомодовым оптическим волокном может содержать устройство, выполненное с возможностью скручивать часть многомодового оптического волокна, растягивать многомодовое оптическое волокно или встряхивать или обеспечивать вибрацию части многомодового оптического волокна.

Другим вариантом осуществления является газотурбинный двигатель, содержащий зону горения между наружным кожухом и поверхностью внутри кожуха. На наружном кожухе предусмотрен порт, оперативно связанный с упомянутой зоной, также упомянутый порт оптически сопряжен с отражающей поверхностью. Передающее и принимающее оптическое средство оптически сопряжены с портом, а передающее и принимающее оптическое средство выполнено с возможностью передавать пучок к отражающей поверхности и принимать, по меньшей мере, часть упомянутого пучка, отраженную от отражающей поверхности. Многомодовое оптическое волокно оптически сопряжено с передающим и принимающим оптическим средством. Обеспечивается средство, оперативно связанное, по меньшей мере, c частью многомодового оптического волокна, для усреднения модового шума, создаваемого изменением уровня сигнала света, распространяющегося в многомодовом оптическом волокне. Средством для усреднения может быть любое средство из рассмотренных выше для первого варианта осуществления. Как и в случае первого аспекта изобретения, отражающая поверхность может иметь ламбертово покрытие. Ламбертовым покрытием может быть покрытие, создающее термический барьер.

Другим вариантом осуществления является способ измерения свойства горения в некоторой зоне газотурбинного двигателя. Способ включает в себя передачу пучка света с выбранной длиной волны через многомодовое оптическое волокно в упомянутую зону. Пучок отражается от поверхности в упомянутой зоне. Пучок принимается принимающим оптическим средством. Способ дополнительно включает в себя усреднение модового шума, создаваемого изменением уровня сигнала в пучке света, распространяющегося в многомодовом оптическом волокне. Принимающее оптическое средство может быть оптически сопряжено с многомодовым оптическим волокном и дополнительно выполнять функции и передающего и принимающего оптического средства. Поверхность с ламбертовым рассеянием может быть обеспечена на отражающей поверхности.

Еще одним вариантом осуществления является способ измерения некоторого свойства в некоторой зоне. Способ включает в себя передачу пучка лазерного света с выбранной длиной волны через многомодовое оптическое волокно и передающее оптическое средство, оптически сопряженное с упомянутой зоной. По меньшей мере, часть передаваемого пучка принимается принимающим оптическим средством, оптически сопряженным с передающим оптическим средством. Способ дополнительно включает в себя усреднение модового шума, создаваемого изменением уровня сигнала пучка света, распространяющегося в многомодовом оптическом волокне. Согласно способу передающее оптическое средство и принимающее оптическое средство могут быть одним и тем же оптическим средством. Способ может дополнительно включать в себя многомодовое оптическое волокно, по которому переносится передаваемый пучок и, по меньшей мере, часть пучка, принимаемого принимающим оптическим средством. Способ может дополнительно включать в себя отделение упомянутой, по меньшей мере, части принимаемого пучка от упомянутого передаваемого пучка. Этап усреднения модового шума, создаваемого изменениями сигнала, может осуществляться путем циклического манипулирования многомодовым оптическим волокном. Циклическое манипулирование может включать в себя скручивание многомодового оптического волокна, растягивание многомодового оптического волокна, встряхивание многомодового оптического волокна, вибрацию многомодового оптического волокна или их комбинации.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - местный вид сечения по продольной оси схематического изображения газотурбинного двигателя.

Фиг. 2 - схематичный вид поперечного сечения по линии А-А на фиг. 1 зоны горения газотурбинного двигателя на фиг. 1, иллюстрирующий один вариант оптического сопряжения пары передающего/принимающего оптического средства.

Фиг. 3 - подобно фиг. 2 иллюстрирует второй вариант сопряжения пары передающего/принимающего оптического средства.

Фиг. 4 - схематичный вид устройства для уменьшения модового шума, которое может быть связано с многомодовым оптическим волокном.

Фиг. 5 - вид раскрываемого здесь измерительного устройства зоны горения, отличающегося уменьшением модового шума.

Фиг. 6 - график, иллюстрирующий уменьшение модового шума, достигаемое за счет использования раскрываемых здесь способов.

Осуществление изобретения

Если не указано иначе, подразумевается, что все числа, выражающие количество ингредиентов, размеры, условия реакции и т.д., используемые в настоящем описании и формуле изобретения, могут изменяться во всех примерах, для чего используется термин «порядка».

В настоящем описании и формуле изобретения использование единственного числа включает в себя и множественное число, если конкретно не указано обратное. Дополнительно, использование термина «или» означает «и/или», если не указано обратное. Кроме того, использование термина «включающий в себя», а также других его форм, таких как «включает в себя» и «включенный в», не является ограничивающим. Также термины, такие как «элемент» или «компонент», охватывают как элементы и компоненты, содержащие одну деталь, так и элементы и компоненты, содержащие более одной детали, если конкретно не указано обратное.

А. Абсорбционная спектроскопия с помощью перестраиваемого диодного лазера

Абсорбционная спектроскопия с помощью перестраиваемого диодного лазера (TDLAS) выполняется путем передачи лазерного света через целевую среду, после чего осуществляется детектирование поглощения лазерного света на конкретных длинах волн за счет поглощения целевыми газами, такими как кислород. Спектральный анализ детектируемого света позволяет идентифицировать тип и количество газа вдоль пути лазерного света, а также определять свойства, такие как температура и давление. Бесконтактная природа лазерной абсорбционной спектроскопии делает ее пригодной для использования в агрессивных средах, таких как зона горения газотурбинного двигателя, или в горючих или токсичных средах, в которых другие зонды не могут использоваться. Использование лазерного света обеспечивает большую яркость, необходимую для приема передаваемого излучения, которое может детектироваться, в условиях сильного ослабления, которое можно наблюдать в некоторых из этих сред. Чтобы лучше выдерживать воздействие агрессивных внешних условий в целевых областях применения, лазерный свет может передаваться в целевую среду через оптическое волокно в оболочке.

Эффективное измерение температуры или концентрации множества сопровождающих процесс горения газов требует выполнения TDLAS с множеством широко разнесенных друг от друга частот лазерного света. Выбранные частоты должны соответствовать спектральным линиям поглощения измеряемых переходов. Использование мультиплексированного зондирующего пучка может обеспечить возможность одновременного мониторинга нескольких газообразных веществ, образующихся при горении, обеспечивая возможность более точного управления процессом горения.

В. Модовый шум

Оптическая схема системы TDLAS представляет много трудностей конструктивной реализации из-за противоположных требований к конструкции уменьшения модового шума и обеспечения высокоэффективного собирания света. Модовый шум и образующиеся в результате него изменения в спекл-структуре определяются здесь, как два отдельных, но связанных друг с другом явления. Во-первых, модовый шум представляет собой изменение уровня сигнала детектируемого света, причиной которого является неравномерное по времени и длине волны распределение света в сердцевине волокна, используемого для собирания и переноса света к и от зоны измерения. Во-вторых, модовый шум, подобно основанной на интерференции спекл-структуре, может также возникать, когда свет отражается и передается в свободном пространстве. В частности, модовый шум может возникать в свете, отраженном от ламбертовой отражающей поверхности из-за того, что свет, отраженный от поверхности, проходит различные расстояния, чтобы достигнуть принимающего оптического средства. Это приводит к образованию лазерной спекл-структуры в отраженном сигнале, вызывающей изменяющиеся во времени колебательные волны в принимаемом спектре. Общее описание модового шума, приведенное ниже, равным образом применимо как к модовому шуму, создаваемому в многомодовом волокне, так и шуму спекл-структуры, создаваемому в отраженном сигнале в свободном пространстве.

В многомодовом волокне различные моды могут распространяться с различными скоростями из-за изменений показателя преломления. Далее, распределение интенсивности в волокне имеет спекл-структуру, что является результатом интерференции всех распространяющихся мод, которые имеют различные эффективные длины пути. Если весь свет в спекл-структуре собирается и детектируется, то усиливающая интерференция и ослабляющая интерференция полностью нейтрализуются, и общая передаваемая мощность не зависит от длины волны или длины волокна. Если имеются потери из-за отсекания, виньетирования или другие потери, полной нейтрализации уже не будет, и детектируемая мощность будет зависеть от длины волны и/или времени. Для системы измерения TDLAS изменения мощности, создаваемые модовым шумом, являются большой проблемой. Некоторые методы спектроскопии основаны на поглощении газообразными веществами конкретных длин волн излучаемого света. Поглощения детектируются путем уменьшения мощности на критической длине волны. Таким образом, модовый шум может имитировать падение мощности, связанное с поглощением, и затруднить понимание данных, собираемых с помощью TDLAS.

С. Примеры конструкций зонда

Патентные документы WO 2007/087081, WO 2009/061586, патентная заявка США № 12/359900, поданная 26 февраля 2009, озаглавленная “Alignment Free Single-Ended Optical Probe and Methods for Spectroscopic Measurements in a Gas Turbine Engine” («Не требующий юстировки односторонний оптический зонд и способы спектроскопических измерений в газотурбинном двигателе») описывают варианты осуществления устройств или зондов TDLAS для мониторинга процессов горения. Каждый из этих документов включен в настоящий документ во всей свой полноте для всех раскрываемых здесь вопросов. В каждом из описываемых в этих документах вариантов осуществления одномодовое оптическое волокно используется на стороне передачи зонда для переноса лазерного света с выбранной длиной волны к передающему оптическому средству. Одномодовые волокна используются в этих разных вариантах осуществления, чтобы минимизировать модовый шум, который иначе мог бы возникнуть при использовании многомодового оптического волокна на стороне передачи. В альтернативном варианте осуществления, описанном, например, в документе WO 2005/103781, содержание которого включено в настоящий документ во всей своей полноте для всех раскрываемых здесь вопросов, используется многомодовое оптическое волокно очень короткой длины, непосредственно рядом с передающим оптическим средством. Подходы и устройство для уменьшения модового шума, описываемые здесь, могут использоваться в конструкциях зондов, раскрытых во включенных сюда документах, и в подобных конструкциях зондов.

Один пример зонда, который может использоваться для улучшения упомянутых выше раскрытых вариантов осуществления, показан на фиг. 1 и фиг. 2. Фиг. 1 представляет схематичный местный вид сечения по оси газотурбинного двигателя 10, иллюстрируя камеру 12 сгорания. Фиг. 2 представляет вид поперечного сечения по линии А-А на фиг. 1, схематично иллюстрирующий оперативную связь пары передающего оптического средства 22 и принимающего оптического средства 24. В иллюстрируемом на фиг. 2 варианте осуществления пара 22, 24 передающего/принимающего оптического средства оптически сопряжена с портом 26 в наружном кожухе 28 и физически прикреплена к наружному кожуху. Порт 26 может быть портом для бароскопа, который является входом внутрь наружного кожуха, имеющимся вблизи зоны горения, на многих современных газотурбинных двигателях. Порты для бароскопа предназначены для обеспечения возможности визуального осмотра лопатки турбины во время сервисного обслуживания, но, кроме того, они должны быть доступны только тогда, когда двигатель не работает. Поэтому эти порты типично закупориваются во время работы двигателя. Пара 22, 24 передающего/принимающего оптического средства прикреплена к отверстию 26 и наружному кожуху с возможностью выполнения функции закупоривающего средства, которое они заменяют. Пара 22, 24 передающего/принимающего оптического средства выполнена с возможностью оперативной связи с портом 26 в наружном кожухе газотурбинного двигателя таким образом, что передающее оптическое средство и принимающее оптическое средство оптически сопряжены посредством отражения зондирующего пучка 29 от участка 30 внутреннего кожуха 32, по существу противоположного отверстию 26. В альтернативных вариантах осуществления отражающая поверхность может представлять собой отдельный конструктивный элемент двигателя, такой как лопатка турбины, специальный отражатель или любой другой элемент, выполняющий функцию отражения пучка 28 между парой 22, 24 оптических средств. Также, хотя пары 22, 24 оптических средств показаны расположенными вместе в одном отверстии в варианте осуществления на фиг. 2, эти оптические средства могут быть разнесены в пространстве. Так, в альтернативном варианте осуществления, иллюстрируемом на фиг. 3, передающее оптическое средство 22 может направлять пучок 29, показанный штриховыми линиями, от внутреннего кожуха к принимающему оптическому средству 24, связанным с другим портом. В этом варианте осуществления участок внутреннего кожуха 32 (или другой элемент), от которого отражается пучок, должен располагаться между передающим/принимающим оптическими средствами 22, 24.

D. Уменьшение модового шума

Как было описано выше, известные варианты осуществления зондов типично включают в себя одномодовое волокно на стороне передачи зондовой измерительной системы, чтобы минимизировать модовый шум. Неожиданным образом изобретателями было обнаружено, что если предпринять меры для усреднения модового шума, создаваемого изменением уровня сигнала света, распространяющегося в многомодовом передающем волокне, многомодовое оптическое волокно может использоваться на стороне передачи в различных вариантах осуществления оптических зондов, раскрытых выше. Уменьшение модового шума в передающем многомодовом волокне не только помогает ограничить модовый шум, создаваемый в нем, но также может помочь минимизировать модовый шум, создаваемый при отражении сигнала от ламбертовой поверхности, как описывается ниже.

Модовый шум можно регулировать в многомодовом передающем волокне различными способами, как более подробно описано в патентном документе WO2005/103781, содержание которого включено сюда полностью для всех раскрываемых здесь вопросов. Например, как показано схематично на фиг. 4, циклическое смещение фазы или скремблирование модового шума для получения усредненного по времени измерения может выполняться оптическим устройством 40. Оптическое устройство 40 будет включать в себя многомодовое оптическое волокно 41, имеющее вход 42 и выход 43. Свет может быть соединен с входом 42 многомодового оптического волокна 41 и будет, как правило, распространяться через систему в направлении, указанном стрелками на фиг. 4 и связанном с входом 42 и выходом 43.

Оптическое устройство 40 будет также включать в себя усредняющий компонент 44, оперативно связанный с многомодовым волокном 41. Усредняющий компонент 44 может включать в себя устройство для циклического изменения показателя преломления многомодового оптического волокна 41 на выбранный период времени. Альтернативно или дополнительно, усредняющий компонент 44 может включать в себя устройство для скремблирования распределения света в многомодовом оптическом волокне 41. Изменение коэффициента преломления или скремблирование распределения света может выполняться усредняющим компонентом 44 посредством циклического изменения температуры многомодового оптического волокна 41, циклического манипулирования многомодовым оптическим волокном 41 или посредством обоих методов.

В варианте осуществления, в котором усредняющий компонент 44 выполняет циклическое манипулирование многомодовым оптическим волокном 41, усредняющий компонент 44 может скручивать, растягивать, осуществлять вибрацию или встряхивание части многомодового оптического волокна 41. В варианте осуществления, в котором усредняющий компонент 44 циклически изменяет температуру многомодового оптического волокна 41, могут быть предусмотрены различные тепловые элементы или тепловые компоненты, имеющие тепловую связь с частью многомодового оптического волокна. Усредняющий компонент 44 может включать в себя любое устройство, которое будет изменять температуру многомодового оптического волокна 41. Примеры устройств, которые могут использоваться для изменения температуры многомодового оптического волокна 41, включают в себя термоэлектрический модуль, резистивный нагреватель, инфракрасный нагреватель, химический нагреватель, обычное устройство охлаждения, использующее сжатые текучие среды и теплообменники, устройство химического охлаждения, источник текучей среды, охлажденной ниже, чем температура окружающей среды, и источник текучей среды, нагретой выше, чем температура окружающей среды.

В варианте осуществления, в котором усредняющий компонент 44 выполняет циклический нагрев или охлаждение многомодового волокна 41, может также использоваться датчик 45, имеющий тепловую связь с многомодовым оптическим волокном 41. Датчик 45 может обеспечивать информацию для контроллера 46, который в свою очередь может осуществлять управление усредняющим компонентом 44 через линию 47 управления.

Необходимо отметить, что раскрытые здесь варианты осуществления могут использовать любой тип усредняющего устройства для усреднения модового шума для использования совместно с многомодовым волокном. Поэтому описанное выше устройство 40 является только примером типа усредняющего компонента для усреднения модового шума. Раскрытые здесь варианты осуществления могут быть реализованы с описанным или любым другим типом усредняющего устройства для усреднения модового шума.

Как было описано выше, один пример подходящего для применения зонда включает в себя датчик TDLAS, используемый для измерения или управления процессами в реактивном двигателе. Эта система измерения особенно чувствительная к модовому шуму, создаваемому в многомодовом волокне или создаваемому в свободном пространстве, когда зондирующий пучок отражается, например, от ламбертовой отражающей поверхности. На фиг. 5 схематично иллюстрируется первый вариант осуществления датчика 50 TDLAS. Датчик 50 TDLAS содержит передающее и принимающее оптическое средство 52, которое может включать в себя, например, несколько оптических компонентов, таких как одна или более линз. Передающее и принимающее оптическое средство 52 может быть выполнено как одно целое. Альтернативно, передающее и принимающее оптическое средство 52 может включать в себя отдельные передающий и принимающий оптические компоненты.

Многомодовое оптическое волокно 54 оптически сопряжено с передающим и принимающим оптическим средством 52. Многомодовое оптическое волокно 54 дополнительно оптически сопряжено с перестраиваемым диодным лазером 56, который генерирует пучок света с выбранной длиной волны. В одном варианте осуществления оптическое устройство 54 отделения оптически сопряжено с многомодовым оптическим волокном 54. Оптическое устройство 54 отделения может представлять собой, например, пространственный мультиплексор или циркулятор типа, используемого в области телекоммуникации. Функцией оптического устройства 54 отделения является отделение оптических сигналов, принимаемых передающим и принимающим оптическим средством 52, от оптического сигнала, генерируемого перестраиваемым диодным лазером 56, и подача принимаемой части сигнала на детектор 60, который обычно представляет собой фотодетектор, чувствительный к частоте света, генерируемого перестраиваемым диодным лазером 56. В выбранных вариантах осуществления датчик 50 TDLAS оперативно связан с частью газотурбинного двигателя 62, включающей в себя наружный кожух 64 и внутренний компонент 66, которым может быть, например, компонент двигателя, такой как внутренний кожух, вал турбины, лопатка турбины или любой другой компонент внутри наружного кожуха газотурбинного двигателя, или специальная отражающая поверхность.

В большинстве областей применения устройство измерения будет связано с частью газотурбинного двигателя в зоне горения газотурбинного двигателя или ниже по потоку относительно нее, для измерения газов, сопутствующих горению в двигателе, и определения свойств, таких как температура. Зондирующий пучок 68, генерируемый перестраиваемым диодным лазером 56, направляется от внутреннего компонента 66 таким образом, что он отражается обратно к передающему и принимающему оптическому средству 52, как это иллюстрируется на фиг. 5. Часть передаваемого пучка, принимаемая передающим и принимающим оптическим средством 52, переносится многомодовым оптическим волокном 54 к оптическому устройству 58 отделения для детектирования детектором 60.

Для поддержания оптически правильного взаимного расположения между передающим и принимающим оптическим средством 52 и внутренним компонентом 66 может быть желательным обеспечить ламбертову поверхность на части внутренней поверхности 66, отражающей пучок 68. Отражение Ламберта происходит, когда падающий пучок рассеивается таким образом, что видимая яркость пучка на отражающей поверхности будет приблизительно одинаковой для наблюдателя, независимо от угла зрения наблюдателя. Таким образом, отражение Ламберта является диффузным отражением. В то время как отражение Ламберта будет проявлять тенденцию к уменьшению интенсивности отраженного пучка, отражение Ламберта также будет стремиться преодолеть небольшие рассогласования в правильном взаимном расположении между передающим и принимающим оптическим средством 12 и внутренней отражающей поверхностью 66. Отражение Ламберта может быть обеспечено путем дробеструйной обработки, пескоструйной обработки, окраски или другой обработки отражающей поверхности, чтобы обеспечить диффузное отражение. В частности, грубое покрытие, создающее термический барьер, которое часто обеспечивается на внутренних компонентах газотурбинного двигателя, само по себе может обеспечить отражение Ламберта.

Модовый шум в сигнале, отраженном от ламбертовой поверхности, возникает, когда свет, отраженный от поверхности, проходит различные расстояния, чтобы достигнуть принимающего оптического средства. Это приводит к образованию лазерной спекл-структуры в отраженном сигнале, вызывающей изменяющиеся во времени колебательные волны в принимаемом волновом спектре лазера. Усредняющий компонент 70 рассмотренного выше типа может быть оперативно связан с многомодовым оптическим волокном 54. Как было описано выше, функцией усредняющего компонента 70 является усреднение модового шума, создаваемого изменением уровня сигнала света, распространяющегося в многомодовом оптическом волокне 54. В одном варианте осуществления усредняющий компонент 70 представляет собой механический вибратор. Удивительно, но было обнаружено, что механическая вибрация многомодового оптического волокна 54 значительно уменьшает спекл-шум, возникающий при отражении пучка от ламбертовой поверхности. В одном варианте осуществления, использующем многомодовое оптическое волокно 54, имеющее сердцевину 200 мкм, которое испытывает механическую вибрацию, было показано практически полное отсутствие спекл-структуры при приведении в вибрационное движение волокна 54 с циклом вибрации 0,05 секунд. Одним из примеров подходящего оптического волокна 54 является волокно FIBERGUIDE AFS 200/220Z.

На фиг. 6 на графике иллюстрируется описываемое выше уменьшение модового шума. Как показано на фиг. 6, сигнал 76, принимаемый неподвижным многомодовым оптическим волокном, имеет пики и впадины экстремумов. Для волокна 200 мкм, которое механически встряхивают или осуществляют вибрацию, спекл-шум уменьшается в 20 раз, при цикле 0,05 секунд вибрационного усреднения, в результате чего получается существенно более гладкий сигнал 78.

Вариант осуществления, иллюстрируемый на фиг. 5, может быть изменен посредством обеспечения разнесенных в пространстве передающего и принимающего оптических средств, оптически сопряженных друг с другом посредством отражения передаваемого пучка от промежуточной отражающей поверхности внутри двигателя. В этом альтернативном варианте многомодовое передающее оптическое волокно может быть оптически сопряжено с передающим оптическим средством, а многомодовое принимающее оптическое волокно может быть сопряжено с принимающим оптическим средством. В этом варианте осуществления усредняющий компонент может быть оперативно связан только с передающим оптическим волокном, или с обоими, многомодовым передающим оптическим волокном и многомодовым принимающим оптическим волокном. Кроме того, как было рассмотрено выше, различные другие варианты осуществления устройства измерения могут использовать усредняющий компонент, оперативно связанный с многомодовым передающим оптическим волокном, для улучшения качества сигнала.

Альтернативный вариант осуществления представляет собой способ измерения свойств горения в некоторой зоне газотурбинного двигателя. Способ включает в себя передачу пучка света с выбранной длиной волны через многомодовое оптическое волокно в упомянутую зону. Пучок отражается от некоторой поверхности в зоне. Пучок принимается принимающим оптическим средством. Способ далее включает в себя усреднение модового шума, создаваемого изменением уровня сигнала в пучке света, распространяющегося в многомодовом оптическом волокне. Принимающее оптическое средство может быть оптически сопряжено с многомодовым оптическим волокном и дополнительно выполнять функции и передающего и принимающего оптического средства. На отражающей поверхности может быть обеспечена поверхность с ламбертовым рассеянием.

Еще один вариант осуществления представляет собой способ измерения некоторого свойства в некоторой зоне. Способ включает в себя передачу пучка лазерного света с выбранной длиной волны через многомодовое оптическое волокно и передающее оптическое средство, оптически сопряженное с упомянутой зоной. По меньшей мере, часть передаваемого пучка принимается принимающим оптическим средством, оптически сопряженным с передающим оптическим средством. Способ дополнительно включает в себя усреднение модового шума, создаваемого изменением уровня сигнала пучка света, распространяющегося в многомодовом оптическом волокне. В способе могут использоваться передающее оптическое средство и принимающее оптическое средство, которые являются одним и тем же оптическим средством. Способ может дополнительно использовать многомодовое оптическое волокно, по которому переносятся передаваемый пучок и, по меньшей мере, часть пучка, принимаемого принимающим оптическим средством. Способ может дополнительно включать в себя отделение упомянутой, по меньшей мере, части принимаемого пучка от упомянутого передаваемого пучка. Этап усреднения модового шума, создаваемого изменениями сигнала, может осуществляться путем циклического манипулирования многомодовым оптическим волокном. Циклическое манипулирование может включать в себя скручивание многомодового оптического волокна, растягивание многомодового оптического волокна, встряхивание многомодового оптического волокна, вибрацию многомодового оптического волокна или их комбинации.

Различные варианты осуществления настоящего изобретения могут также включать в себя комбинации различных элементов, описанных в формуле изобретения, как если бы каждый зависимый пункт формулы изобретения зависел от другого зависимого пункта, включая в себя признаки каждого из предыдущих зависимых пунктов, а также независимых пунктов. Эти комбинации однозначно находятся в пределах объема настоящего изобретения.

Хотя изобретение было показано и описано на примере нескольких частных вариантов осуществления, специалистам в этой области техники понятно, что могут быть сделаны изменения по форме и в деталях раскрытых здесь различных вариантов осуществления, не выходя за пределы сущности и объема изобретения, и что раскрытые здесь различные варианты осуществления не ограничивают объем формулы изобретения. Все документы, на которые в описании дается ссылка, включены сюда полностью посредством ссылки.

Изобретение относится к энергетике. Представлены устройство и способ для измерения параметров горения в зоне измерения газотурбинного двигателя. Зона измерения определяется как расположенная между наружным кожухом и компонентом двигателя, имеющим отражающую поверхность, внутри наружного кожуха. Устройство содержит лазер, генерирующий передаваемый пучок света с выбранной длиной волны, и многомодовое передающее волокно, оптически сопряженное с лазером. Передающее оптическое средство оптически сопрягается с многомодовым передающим оптическим волокном для передачи передаваемого пучка в зону измерения. Отражающая поверхность выполняется с возможностью обеспечивать отражение Ламберта. Принимающее оптическое средство располагается таким образом, чтобы принимать упомянутое отражение Ламберта. Обеспечивается средство, оптически сопряженное с многомодовым передающим волокном, для усреднения модового шума, создаваемого изменением уровня сигнала света, распространяющегося в многомодовом передающем волокне. Изобретение позволяет уменьшить модовый шум, связанный с процессами горения. 2 н.и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для измерения параметра горения в некоторой зоне, содержащее:
лазер, генерирующий передаваемый пучок света с выбранной длиной волны;
многомодовое передающее оптическое волокно, оптически сопряженное с лазером;
передающее оптическое средство, оптически сопряженное с многомодовым передающим оптическим волокном для передачи передаваемого пучка в упомянутую зону;
отражающую поверхность в упомянутой зоне;
принимающее оптическое средство, расположенное таким образом, чтобы принимать упомянутое отражение;
причем передающее оптическое средство и принимающее оптическое средство являются одним и тем же оптическим средством, и
средство, оптически сопряженное с многомодовым передающим оптическим волокном, для усреднения модового шума, создаваемого изменением уровня сигнала света, распространяющегося в многомодовом передающем оптическом волокне.

2. Устройство по п.1, в котором многомодовое оптическое волокно также выполняет функцию принимающего оптического волокна.

3. Устройство по п.2, которое дополнительно содержит средство, оптически сопряженное с многомодовым оптическим волокном, для отделения принимаемого пучка от передаваемого пучка.

4. Устройство по п.3, в котором средство для отделения содержит одно из пространственного мультиплексора и циркулятора.

5. Устройство по любому из пп.1-4, которое дополнительно содержит отражающую поверхность, выполненную с возможностью обеспечивать отражение Ламберта.

6. Устройство по любому из пп.1-4, в котором средство для усреднения содержит одно из:
средства для циклического изменения показателя преломления многомодового оптического волокна на выбранный период времени и
средства для скремблирования распределения света в многомодовом оптическом волокне.

7. Устройство по любому из пп.1-4, в котором средство для усреднения содержит устройство, выполненное с возможностью осуществления, по меньшей мере, одного из:
циклического изменения температуры многомодового оптического волокна;
скручивания многомодового оптического волокна;
растягивания многомодового оптического волокна;
встряхивания многомодового оптического волокна и
вибрации многомодового оптического волокна.

8. Устройство по п.1, в котором упомянутая зона является зоной измерения газотурбинного двигателя, причем зона измерения определяется как расположенная между наружным кожухом двигателя и компонентом двигателя, имеющим отражающую поверхность, внутри наружного кожуха.

9. Способ измерения некоторого свойства в некоторой зоне, включающей в себя:
передачу пучка света с выбранной длиной волны через многомодовое оптическое волокно и передающее оптическое средство, оптически сопряженные с упомянутой зоной;
прием, по меньшей мере, части передаваемого пучка с помощью принимающего оптического средства, оптически сопряженного с передающим оптическим средством;
причем передающее оптическое средство и принимающее оптическое средство являются одним и тем же оптическим средством; и
усреднение модового шума, создаваемого изменением уровня сигнала пучка света, распространяющегося в многомодовом оптическом волокне.

10. Способ по п.9, дополнительно включающий в себя перенос многомодовым оптическим волокном передаваемого пучка и, по меньшей мере, части принимаемого пучка.

11. Способ по п.10, дополнительно включающий в себя отделение упомянутой, по меньшей мере, части принимаемого пучка от упомянутого передаваемого пучка.

12. Способ по п.11, дополнительно включающий в себя детектирование мощности упомянутой, по меньшей мере, части принимаемого пучка.

13. Способ по любому из пп.9-12, в котором этап усреднения модового шума осуществляется путем циклического манипулирования многомодовым оптическим волокном.

14. Способ по любому из пп.9-12, дополнительно включающий в себя отражение передаваемого пучка от поверхности в упомянутой зоне к принимающему оптическому средству.

15. Способ по п.14, дополнительно включающий в себя обеспечение рассеяния Ламберта на упомянутой поверхности в упомянутой зоне.