流体流速和温度测量的制作方法
【专利摘要】提供了一种用于监测穿过预定的流体流动空间的流体流动的速度的方法。光纤传导体包括流动测量部分，所述流动测量部分限定横穿所述流体流动空间的一部分延伸的长维度。在所述流体流动空间中的所述流体流动导致所述光纤传导体的所述测量部分在横向于所述长维度的方向上挠曲；为所述光纤传导体提供光辐射，并且在所提供的光辐射通过所述测量部分之后从所述光纤传导体接收光辐射。分析所接收的光辐射以实现对所述流体流动的流速的确定。
【专利说明】流体流速和温度测量
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及流体流速的测量，并且更具体地，涉及使用光辐射来测量流速的方法和系统。
【背景技术】
[0002]在发电领域中使用的发电机包括定子绕组，该定子绕组具有大量压入基体——特别是，层压的定子芯或转子本体——内的插槽中的导体或定子线棒。这种发电机代表着非常昂贵并且长期的投资。其故障不仅危及电力设备本身，而且还会由于与维修相关的停机时间导致非常严重的服务缩短。为了避免这种情况，一种诊断系统可以用于对操作中的损坏或劣化的早期诊断。该诊断系统还可允许更高的利用水平，从而使电力设备更为经济可行。
[0003]例如，在发电机中，氢气或空气通常可以用作发电机部件一例如定子芯和端部绕组区域——的冷却介质，并且此外还可以用于冷却定子线圈和转子。用于发电机组件的适当冷却的通风装置被引入设计中，并且对于发电机的持续安全的操作通常是必不可少的。可以观察到，导致发电机故障和昂贵的电厂停运的许多问题可以追溯到通风不足，即，没有按照设计条件提供通风。特别是，可能因在发电机运行期间松掉的部件、误置的挡板、泄漏的密封条、以及被移位和迁移的绝缘填料条而导致冷却流的不期望的流动改道，这会导致部件过热和绝缘失效。
[0004]已有的监测系统包括监测温度作为对发电机内选定位置的状态的指示。然而，这种温度监测可能不提供关于温度改变原因——例如与穿过发电机的通风流的不期望的流动改道相关的原因——的信息。
【发明内容】
[0005]根据本发明的一个方面，提供了一种方法，用于监测穿过预定的流体流动空间的流体流动的速度的方法。所述方法包括支承光纤传导体，所述光纤传导体具有流动测量部分，所述流动测量部分限定横穿所述流体流动空间的一部分延伸的长维度。在所述流体流动空间中的所述流体流动导致所述光纤传导体的所述测量部分在横向于所述长维度的方向上挠曲。为所述光纤传导体提供光辐射。在所提供的光辐射已通过所述测量部分的至少一部分之后接收来自所述光纤传导体的光辐射。分析所接收的光辐射以实现对所述流体流动的流速的确定。
[0006]根据本发明的其他方面，所述光纤传导体的所述流动测量部分可包括具有特征光波长的布拉格光栅，并且所述布拉格光栅可与所述提供的光辐射相互作用以形成所述接收的光辐射。产生在所述光纤传导体的所述测量部分内的应变可产生反射波长，并且，由对应于在所述测量部分处的流速的相对于所述特征波长的波长移位引起所述接收的光辐射的变化。
[0007]根据本发明其他替代性的方面，所述光纤传导体的所述流动测量部分可包括长周期光栅(LPG)结构，并且所述长周期光栅结构可实现所述提供的光辐射的变化以形成所述接收的光辐射，所述接收的光辐射包括与所述流体流动的流速相对应的所述光纤传导体的挠曲量的包层模特征。可提供多个光纤传导体，每个光纤传导体具有支承在基座结构上的基座端和定位于所述流体流动中的自由端，每个光纤在所述流体流动中自由弯曲并且具有LPG结构，并且每个LPG结构具有相应的光纤传导体的弯曲的一组包层模特征。所述接收的光辐射可包括从所述光纤传导体的远离所述基座端的端部反射的光辐射。
[0008]根据本发明的另一方面，提供了一种用于监测穿过预定的流体流动空间的流体流动的速度的系统。所述系统包括导管结构，所述导管结构包括延伸成环以限定大体圆形的通道的中空构件。光纤传导体在所述导管结构内延伸，并且所述光纤传导体限定流动测量部分，所述流动测量部分包括布拉格光栅并且在所述导管结构之外在所述大体圆形的通道内横穿所述流体流动空间的一部分延伸。设置有用于为所述光纤传导体提供光辐射的光辐射源，处理单元适于在所提供的光辐射已通过所述测量部分之后接收并分析来自所述光纤传导体的光福射，以实现对所述流体流动的流速的确定。
[0009]而且，可以设置连接至所述光辐射源和所述处理单元并且在所述导管结构内延伸的第二光纤传导体，所述第二光纤传导体完全容纳在所述导管结构内并且包括一个或多个布拉格光栅，所述第二光纤传导体的所述一个或多个布拉格光栅适于提供在该一个或多个布拉格光栅的位置处的温度测量。
[0010]根据本发明的另一方面，提供了一种用于监测穿过预定的流体流动空间的流体流动的速度的系统。所述系统包括基座和光纤传导体，所述光纤传导体包括支承在所述基座上的基座端。所述光纤传导体限定流动测量部分，所述流动测量部分包括横穿所述流体流动空间的一部分延伸的长周期光栅(LPG)结构。设置有为所述光纤传导体提供光福射的光辐射源，并且还设置有处理单元，所述处理单元适于在所提供的光辐射已通过所述测量部分之后接收并分析来自所述光纤传导体的光辐射，以参照由所述长周期光栅结构形成的包层模实现对所述流体流动的流速的确定。
[0011]根据本发明的其他方面，多个所述光纤传导体可支承在所述基座上，每个所述光纤传导体包括长周期光栅结构，并且所述系统包括从所述光辐射源延伸的供给光纤传导体和将来自所述供给光纤传导体的光辐射提供给每个所述光纤传导体的分光器。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]尽管说明书在权利要求特别指出并明确声明了本发明的情况下结束，可以认为能够通过以下结合附图的说明更好地理解本发明，附图中相同的附图标记标识相同的元件，并且附图中:
[0013]图1是结合有本发明的监测结构的发电机的横截面图；
[0014]图2是包括本发明的监测结构的发电机鼓风机出口的一部分的示意横截面图；
[0015]图3是用于监测结构的检测单元的放大图；
[0016]图4是包括测量部分的图3的检测单元的截面的放大图；
[0017]图5是包括监测结构的监测系统的示意图；
[0018]图6是根据本发明的检测单元的替代构造；
[0019]图7是本发明的检测单元的另一实施方式的示意图；[0020]图8是图示可以由图7的检测单元提供的包层模的曲线图；
[0021]图9是结合有图8的检测单元的监测系统的示意图；和
[0022]图10是根据本发明的检测单元的另一实施方式。
【具体实施方式】
[0023]在以下对优选实施方式的详细说明中，参考了形成其一部分的附图，并且在附图中作为示例而不是限制示出了本发明可以实施的特定优选实施方式。应当理解可以采用其他实施方式并且可以做出改变而不背离本发明的精神和范围。
[0024]发电机中的多个位置可从确定穿过发电机内部的冷却流体一例如，氢气或空气一的流动特性和温度特征中受益。例如，可以监测为发电机提供冷却流体的鼓风机出口以感测穿过出口的冷却流体的流速和温度从而确定这一区域的流动和温度分布图(profile)与设计分布图匹配。具体地，根据在此描述的测量系统的方面，期望监测经过一段时间在鼓风机出口周围的多个位置处的流速和温度中的一者或两者的变化，作为识别可以预测潜在损坏情况的鼓风机结构变化的手段。可能发生在鼓风机出口区域的示例情况包括正在变松的鼓风机机罩安装五金件或损坏的设置用于为冷却流体进入发电机提供通道的鼓风机叶片。认为期望检测这些情况的原因在于如果这些组件或这些组件的零部件变松并且进入发电机，那么发电机可能发生灾难性的机械和/或电气损坏。可以理解，尽管具体关于发电机的鼓风机出口管道对本监测系统的各方面进行了描述，但是该系统可以在发电机的其他位置上以及除包括发电机的应用之外的其他应用上实施。
[0025]参考图1，图示了发电机10，其包括由发电机框架或壳体16封装的转子12和定子
14。转子12通常可包括鼓风机18,鼓风机18用于将例如为氢气的冷却流体推进到发电机10内部各处以促进冷却，如由图示冷却流体的流动型态的有向线段20指示的。鼓风机18可经由大体环形的出口管道22排出冷却流体，该环形的出口管道22在内壁24和外壁26之间限定出流体流动空间27，见图2。根据本发明的一个方面，可以监测从出口管道22流出的流体流以确保其根据预定设计要求被提供以使发电机10内达到所期望的冷却水平。特别地，可监测出口管道22周围的多个位置以确保离开出口管道的冷却流体的流动和温度在预定的水平。
[0026]参考图2,不意性地不出了发电机10的出口管道22的一部分，包括根据本系统一个方面的监测结构28。该监测结构28包括多个检测单元30，该多个检测单元30绕着出口管道22的圆周沿周向间隔开。每个检测单元30优选构造为提供管道22中的与相应检测单元30的位置对应的位置的流速和温度测量。
[0027]参考图3和图4，检测单元30各自包括导管结构32，该导管结构32包括延伸成环以限定供冷却流体流通过用的大体圆形的通道的中空构件。该导管结构32的环相较于出口管道22的尺寸可以较小。
[0028]第一光纤传导体36在导管结构32内延伸并且至少部分地封装在导管结构32中以保护光纤传导体36以及将光纤传导体36定位在流体流动空间27内的预定位置。光纤传导体36限定细长的流动测量部分38，该流动测量部分38在导管结构32外横穿在圆形通道34内的流体流动空间27的一部分延伸。特别地，光纤传导体36在由导管结构32上的第一开口 40限定的第一位置和由导管结构32上的第二开口 42限定的第二位置之间延伸。因此，测量部分38由光纤传导体36的一部分限定，该部分在第一开口 40和第二开口 42处与导管结构32成固定关系受支承并延伸穿过流体流动空间27的一部分以与穿过出口管道22的冷却液体接触。测量部分38包括至少一个速度光纤布拉格光栅(FBG)44，其在图4中示出位于第一开口 40和第二开口 42之间的中心位置。
[0029]检测单元30还可包括在导管结构32内延伸并基本封装在导管结构32中的第二光纤传导体46。第二光纤传导体46可与第一光纤传导体32并排地延伸穿过导管结构32。第二光纤传导体46包括至少一个温度FBG48，该温度FBG48布置在导管结构32内在第一开口 40和第二开口 42之间大致中间的位置处。然而，应该理解，温度FBG48可位于沿着或邻近由导管结构32限定的环的其他位置处。
[0030]应该注意到温度FBG48与速度FBG44结构相似并且以与速度FBG44相似的方式操作，原因在于温度FBG48提供了对由温度变化所产生的应变(strain)的测量。此外，温度FBG48可在导管结构32内的一个或多个位置处形成在第一光纤传导体36中。如下文论述的，FBG44、48中的每一个都形成为具有特有的中心布拉格波长，使得可以通过在产生信号的传感器的特有波长处的波长或接近该特有波长的波长来识别特定源或传感器。
[0031]检测单元30可基本上刚性地固定在基座部50 (图3)上以与内壁24的内表面52成固定关系地支承检测单元，由导管结构32的环定义的平面垂直于内壁24延伸并且横向于流体流动方向延伸。基座部50可包括小垫，小垫设置于每个检测单元30以便比如通过粘合剂或机械附接将检测单元30安装至内表面52。替代性地，基座部50可包括绕内壁24的圆周的连续基座，并且可包含具有足够柔性的材料以形成柔性垫结构，检测单元30附接于该柔性垫结构上以便绕例如内壁24的弯曲表面延伸或绕不规则的波形表面延伸。基座部50为检测单元30提供支承，其允许下垫面52移动，例如热膨胀或收缩，而不将这种运动传递到光纤传导体36、46。基座可以由任何可以在放置了监测结构28的环境中操作并且可以将检测单元与运动隔离的材料形成。例如但非限制性地，基座材料可以包括金属或塑料
带，或者在某些应用中可以包括维可牢(Ve丨CO? )带。
[0032]光纤传导体36、46优选由通常在FBG传感器中使用的那些可弹性变形的材料形成。特别地，光纤传导体36、46可以包括小的玻璃内芯，该玻璃内芯具有玻璃外包层，该玻璃外包层与玻璃内芯具有不同的折射率。布拉格光栅包括使用紫外光置于内芯中的折射率稍微不同的线条。光纤传导体36、46不包括塑料外套，使得纤维直径非常小。此外，尽管FBG44、48在本文中被示意性地图示为位于光纤传导体36、46上的线条，但是可以理解的是，FBG44、48通常在光纤传导体36、46上看不见。导管结构32可包括毛细管结构，该毛细管结构由与光纤传导体36、46的材料相比具有更大刚度的材料形成。例如，导管结构32优选是介电材料，例如塑料或复合材料，当受到由冷却流体流动施加的力时该材料足够强硬以抵抗运动。然而，导管结构32可足够柔软以大体顺随支承检测单元30的结构的变化的轮廓。例如，该导管结构可以由铜镍毛细管形成，该毛细管的直径可以在0.10英寸的量级上。
[0033]第一光纤传导体36和第二光纤传导体46中的每一者都是在连续的导管结构32内穿过每个检测单元30延伸的连续传导体。第一光纤传导体36包括多个速度FBG44，即，每个检测单元30至少一个速度FBG44，并且每个速度FBG44具有与特有中心布拉格波长入相对应的光栅间距，以便反射对于第一光纤传导体36中的每个FBG44而言特有的波长下的光。相似的，第二光纤传导体46包括多个温度FBG48，即，每个检测单元30至少一个温度FBG48，并且每个温度FBG48具有对应于特有中心布拉格波长λ的光栅间距，以便反射对于第二光纤传导体46中的每个FBG48而言特有的波长下的光。
[0034]参考图5，示出了包括监测结构28的监测系统54。该监测系统54包括光纤传导体结构56，该光纤传导体结构可包括导管结构32和封装的光纤传导体36、46的延续部，或者替代性地，可包括从耦合器或接头58分支出来的带有光纤传导体36、46的共用光纤传导体，以便传导源自光纤传导体36、46 二者的光信号。该监测系统54还可包括例如为宽带光源的光福射源60,该光福射源60在稱合器62处稱合到光纤传导体结构56以为监测结构28提供光辐射，并且其提供预定范围的光波长(频率)，以与沿着光纤传导体36、46布置的任意FBG44、48的中心布拉格波长λ相对应。源自FBG44、48的反射光可以通过光纤传导体结构56回传，并且经由耦合器62在光处理器或光分析器64处被接收。通过分析器64处理的数据可以进一步传送到操作员界面，例如，传送到监视器66和/或传送到数据采集系统68。
[0035]在由监测系统54执行的测量操作中，流经出口管道22的冷却流体流绕多个检测单元30穿行，包括流动通过限定在导管结构32的环内的通道34。随着该冷却流体穿过通道34，流体流动可能引起第一光纤传导体36的测量部分38在横向于测量部分38的长维度的方向上挠曲，即，大体垂直于或横向于导管结构32的环的平面。测量部分38的挠曲在第一光纤传导体36中在速度FBG44处产生应变，该应变与穿越包含相应的速度FBG44的测量部分38的流体流的速度成比例。在速度FBG44处的该挠曲和产生的应变导致形成速度FBG44的光栅之间的间隔改变，这导致从光辐射源60提供并从速度FBG44反射的光的波长改变，以为每个速度FBG44提供可通过分析器64确定的速度测量。由于速度FBG44 —直在挠曲状态下感测空气流动，所以源自每个速度FBG44的反射波长将等于或大于相应的速度FBG44的特有的中心布拉格波长入。
[0036]此外，在温度FBG48的位置处的温度可引起第二光纤传导体46膨胀和收缩与流体流的温度成比例的量。第二光纤传导体46的膨胀或收缩引起形成温度FBG48的光栅之间的间隔改变，这导致从光辐射源60提供并从温度FBG48反射的光的波长改变，从而为每个温度FBG48提供可以通过分析器64确定的温度测量。每个温度FBG48的反射波长的改变会以相应的温度FBG48的特有中心布拉格波长λ为中心。
[0037]除了提供在检测单元30的位置处的温度测量以便监测穿过发电机10的冷却流体的合适操作之外，温度FBG48提供温度修正值以便在冷却流体的温度有变化的情况下修正速度FBG44的速度测量。具体地，第一光纤传导体36的测量部分38在温度有变化的情况下会膨胀和收缩，使得从速度FBG44反射的波长可以包括与温度变化相关联的温度分量以及与测量部分38的起因于流速的挠曲相关联的速度分量。第一光纤传导体36的速度FBG44的反射波长随温度变化发生的移位可以利用所测量的在温度FBG48处的波长移位进行补偿。也就是说，由温度FBG48测量的波长变化可以用于消去由速度FBG44提供的相对于中心布拉格波长λ的反射波长变化的温度分量，使得只保留源于速度FBG44的测量的速度分量。
[0038]根据本发明的一个方面，在每个检测单元30的位置处的速度和温度可以被确定。来自所述多个检测单元30的已知位置的数据可以指示发电机10的冷却系统的情况。在检测单元30的每个位置上的相对于预定流速的流速变化或相对于预定温度的温度变化可以指示相对于设计情况的流动上的改变，这例如可能是由发电机内松动或移位的组件所引起的。因此除了提供监测而该监测可以提供对在发电机10内提供了不当冷却的指示之外，监测系统54可以提供对松动或移位组件的预先指示，从而有可能允许在松动的零部件行进到它们在那里可能引起毁灭性破坏的发电机关键部位之前进行维修或维护操作。
[0039]可以注意到，可以设置大量的检测单元30，包括在第一光纤传导体36中设置在100个量级上的速度FBG44，和在第二光纤传导体46中设置相等数量的温度FBG。而且应该理解，可以为每个检测单元30设置多于一个的速度FBG44和多于一个的温度FBG48。
[0040]尽管所述实施方式将所有速度FBG44都结合到第一光纤传导体36中并且将所有温度FBG48都结合到第二光纤传导体46中，但是应该理解，可以设置附加光纤传导体。例如，为了确保在第一和第二光纤传导体36、46两者之一发生损坏的情况下保持感测能力，速度和温度FBG44、48可以形成在可从接头58 (图5)伸出的多个相应的第一和第二光纤传导体36、46中。因此，光可以沿着多个路径供给至速度和温度FBG44、48并从该速度和温度FBG44、48反射，以确保在某个第一和第二光纤传导体36、46被破坏的情况下监测操作的持续性。
[0041]应该理解为，尽管参照到出口管道22的内壁24的附接对本结构进行了描述，但是本文中描述的检测单元30可以布置在外壁26上，或布置在发电机10内期望监测流体流速和温度的其他任何表面上。而且，监测结构28可以结合在除发电机以外的其他机器中，例如，可以结合在燃气涡轮发动机的压缩机内。
[0042]参考图6，示出了检测单元的替代构型，其中与先前实施方式中的检测单元30相对应的元件用相同的附图标记加上100标注。图6的实施方式提供了检测单元130，该检测单元可以用于绘制在流动区域整个横截面上的流体流动，例如，在圆形管道的整个横截面上的流体流动。例如该检测单元130可以位于纵向地延伸穿过发电机10的其中一个管道70 (图1)中。
[0043]检测单元130可以包括绕着管道70的内圆周延伸的导管结构132。第一光纤传导体136和第二光纤传导体146在导管结构132内延伸分别用以获得速度和温度测量。在本实施方式中，第一光纤传导体136可以包括多个光纤136a-e。第一光纤传导体136限定了多个在导管结构132外延伸的细长的流动测量部分138，这多个测量部分138分别指定为138a-e。每个测量部分138可以由形成第一光纤传导体136的相应光纤136a_e的一部分形成。具体地，各个光纤136a-e可以在相应的成对的由导管结构132中的开口限定的多个第一位置140a_e和第二位置142a_e之间延伸，这些开口用于光纤136a_e在导管结构132内部和流体流动通道134之间的通行。位置140a_e和142a_e限定支承相应的测量部分138a-e的大体固定的端部的位置。
[0044]每个测量部分138a_e都可以设置有FBG144，该FBG144可以位于每个测量部分138a-e的大致中心位置。每个速度FBG144都具有与特有中心布拉格波长λ相对应的光栅间距，以反射对于第一光纤传导体136中的每个FBG144而言特有的波长的光。冷却流体通过流动通道134的流动引起测量部分138a-e挠曲并且在光纤传导体136中产生应变，该应变的量与流动速度成比例并且可以在不同的速度FBG144的位置处被检测到。在流动空间134的整个横截面上的流速改变可以引起设置在测量部分138a-e中的速度FBG144上的挠曲和应变改变，以提供对应于不同的速度FBG144位置的速度测量。因此可以绘制穿过流动空间134的流体流动的速度分布图以提供用于评估在例如管道70的结构中的流体流动的数据。
[0045]第二光纤传导体146可以设置有多个温度FBG148以提供温度测量，该温度测量可以用来以与针对先前实施方式的温度FBG48所描述的方式类似的方式针对温度变化修正速度测量。应当理解，本实施方式可以包括任意数量的测量部分138，并且可以设置任意数量的速度FBG144和温度FBG148。此外，可以在一个或多个速度FBG144中形成温度FBG148，使得可以不需要单独的第二光纤传导体146以获得温度测量。
[0046]参考图7，示出了本发明另一实施方式，其包括检测单元210，该检测单元210可以安装在发电机的鼓风机出口管道中或安装在其他位置上，如针对先前实施方式所描述的。检测单元210包括支承多个光纤214的基座部212，该多个光纤214大体垂直于基座部212并且彼此平行地延伸到流体流动空间中或横穿流体流动空间延伸。光纤214可以布置成垂直于流动通过流体流动空间内的检测单元210的冷却流体的流动方向215延伸的至少一列。如在其中一个光纤214中示意性地示出的，可以在沿着每个光纤214的细长的或纵长的延伸部分的芯218中设置长周期光栅(LPG) 216。
[0047]设置于光纤214的LPG216在以下方面相似于先前实施方式的FBG:两者都是在光纤的芯中具有周期性结构。然而不像FBG，LPG结构通常长5到10倍并且光栅节距也更长，使LPG具有将传导模耦合到包层模的功能特性。因此，在传输中，光信号在通过LPG结构之后具有一系列波长“缺口 ”。这些缺口是询问信号中已经被去除的波长波段，即，转换到包层模的波长波段。该包层模高度依赖于光纤214的弯曲，该弯曲导致形成LPG216的光栅的间距上的变化。因此，引起光纤弯曲的力将会反过来在包层模的扰动中显示自身。图8示出可以由LPG216的包层模220提供的典型透射谱。光纤214的任意弯曲和LPG216的光栅之间的间距的对应变化将导致穿过LPG216至包层模的光的更大的损失。每个光纤214可以设置有具有特有的一组包层模220的LPG结构216，使得特有的一组包层模波长与每个光纤214的位置相对应。
[0048]参考图9，示出了结合有检测单元210的监测系统222。该监测系统222包括:例如为宽带光源的光辐射源224，用于通过耦合器226将光提供到光纤214 ;以及从耦合器226延伸至分光器230的供给光纤传导体结构228。分光器226可以设置于检测单元210的基座部212以将从光辐射源224输送的光分配到各个光纤214。
[0049]如上所述，穿过LPG216的光将会显示出对于包层模220而言特定的波长波段的光损失。每个光纤214的自由端232都设置有反射表面234 (图7)，该反射表面234会将传播通过LPG216的光通过光纤214经由分光器230反射回到光纤传导体结构228。然后从光纤214反射的光经由耦合器226在光处理器或光分析器236处被接收，可以在该处理器或分析器236处对包层模损失进行确定以确定每个光纤214的弯曲量，该弯曲量与流过检测单元210中的每个光纤214的冷却流体的速度相对应或成比例。
[0050]检测单元210的灵敏度和响应性可以通过改变光纤214的物理特征——例如，通过改变光纤214的直径和/或长度——进行改变和调整。也就是说，通过提供更薄或更长的光纤214，可以减小光纤214的抗弯曲能力，这在具有低速流的应用中会是有利的。
[0051]此外，可以例如在检测单元210的基座部212中与光纤214相关联地设置具有温度FBG (未示出)的光纤传导体，以提供温度测量和/或如针对图2-4的实施方式所描述的提供对从光纤214获得的速度测量的温度修正。
[0052]参考图10，示出了图7的实施方式的替代性实施方式，其中与图7的实施方式相对应的图10的实施方式的元件用相同的附图标记加上100进行标注。
[0053]图10示出了检测单元310，该检测单元310包括多个光纤314，该多个光纤314在基座部312上布置成阵列317并且包括多列光纤314，其在本文中图示为横向于流体流动方向315延伸的多列317a、317b、317c，并且该多个光纤314包括通常可在流体流中自由移动的自由端332。每个光纤314都包括LPG和反射端面334，并且以与针对图7的实施方式的光纤214所描述的方式相同的方式操作。而且可以对源自多列光纤314的光信号进行处理以确定流体流动的方向。例如，可以通过比较或绘出相邻和/或相继的光纤314的差别弯曲以确定流动穿过检测单元310的多个部分的当前流动的相对强度，从而检测流体流动的弯曲度或横向于与穿过管道的预定流体流动路径平行的方向的方向，该当前流动可以相对于与阵列317的列的扩展垂直的方向成角度地延伸，如由成角度的流动线315示出的。
[0054]通过以上对本发明的描述，应该清楚，本发明的实施方式提供了能够获得可以遍布流体流动空间分布的多个和同时的速度和温度测量的方法和系统。而且该测量系统的构型提供了允许将其设置在复杂结构内或沿复杂结构设置以提供在可能通过常规感测设备不能接近的位置处的流体流动和温度测量的灵活度。
[0055]还要指出，使用光纤传导体作为本文所描述的系统的感测元件提供了一种在监测发电设备上具有较高接受水平的传感器。相对较小并且重量相对较轻的光纤通常表明在光纤被破坏和/或进入发电设备的冷却流体流的情况下导致发电设备内损坏的风险降低。
[0056]尽管已经图示和描述了本发明的特定实施方式，但对于本领域技术人员来讲显而易见的是可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种其他改变和改型。因此要在所附权利要求中覆盖落入本发明的范围内的所有这种改变和改型。
【权利要求】
1.一种监测穿过预定的流体流动空间的流体流动的速度的方法，所述方法包括: 支承光纤传导体，所述光纤传导体具有流动测量部分，所述流动测量部分限定横穿所述流体流动空间的一部分延伸的长维度； 在所述流体流动空间中的所述流体流动导致所述光纤传导体的所述测量部分在横向于所述长维度的方向上挠曲； 为所述光纤传导体提供光辐射； 在所提供的光辐射已通过所述测量部分的至少一部分之后接收来自所述光纤传导体的光福射；和 分析所接收的光辐射以实现对所述流体流动的流速的确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光纤传导体的所述流动测量部分包括具有特征光波长的布拉格光栅，并且所述 布拉格光栅与所述提供的光辐射相互作用以形成所述接收的光辐射。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，产生在所述光纤传导体的所述测量部分内的应变产生反射波长，并且，由对应于所述测量部分处的流速的相对于所述特征波长的波长移位引起所述接收的光辐射的变化。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,所述光纤传导体包括多个布拉格光栅,每个布拉格光栅限定包括特有特征波长的流动测量部分，并且所述方法包括获得与每个布拉格光栅的位置相对应的流速测量。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述光纤传导体至少部分地封装在限定环的导管结构内，并且所述流体流动大体横向于由所述环限定的平面通过所述环，所述流体流动导致所述光纤传导体的所述测量部分在所述环上的一对位置之间在横向于由所述环限定的所述平面的方向上挠曲。
6.根据权利要求5所述的方法,其中，所述光纤传导体包括多个横在所述环上的相应的成对位置之间的测量部分，每个测量部分包括一个或多个布拉格光栅并提供在沿所述光纤传导体的不同位置处的流速测量。
7.根据权利要求5所述的方法，包括第二光纤传导体，所述第二光纤传导体包括一个或多个布拉格光栅并且封装在所述导管结构内，并且所述方法包括: 为所述第二光纤传导体提供光辐射； 从所述第二光纤传导体接收光辐射；和 确定相对于特征波长的波长移位以实现对在所述第二光纤传导体的所述一个或多个布拉格光栅的位置处的温度的确定。
8.根据权利要求7所述的方法，包括参照对所述温度的所述确定调整对所述流速的所述确定。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光纤传导体的所述流动测量部分包括长周期光栅结构，并且所述长周期光栅结构实现所述提供的光辐射的变化以形成所述接收的光辐射，所述接收的光辐射包括与所述流体流动的流速相对应的所述光纤传导体的挠曲量的包层模特征。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，提供多个光纤传导体，每个光纤传导体具有支承在基座结构上的基座端和定位于所述流体流动中的自由端，每个光纤在所述流体流动中自由弯曲并且具有长周期光栅结构，并且每个长周期光栅结构具有相应的光纤传导体的弯曲的一组包层模特征。
11.根据权利要求10所述的方法，包括比较其中两个或更多个所述光纤传导体的包层模以确定流体流动的方向。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述接收的光辐射包括从所述光纤传导体的远离所述基座端的端部反射的光辐射。
13.一种用于监测穿过预定的流体流动空间的流体流动的速度的系统，所述系统包括: 导管结构，所述导管结构包括延伸成环以限定大体圆形的通道的中空构件； 光纤传导体，所述光纤传导体在所述导管结构内延伸，所述光纤传导体限定流动测量部分，所述流动测量部分包括布拉格光栅并且在所述导管结构之外在所述大体圆形的通道内横穿所述流体流动空间的一部分延伸； 光辐射源，所述光辐射源为所述光纤传导体提供光辐射； 处理单元，所述处理单元适于在所提供的光辐射已通过所述测量部分之后接收并分析来自所述光纤传导体的光辐射，以实现对所述流体流动的流速的确定。
14.根据权利要求13所述的系统，包括第二光纤传导体，所述第二光纤传导体连接至所述光辐射源和所述处理单元并且在所述导管结构内延伸，所述第二光纤传导体完全容纳在所述导管结构内并且包括一个或多个布拉格光栅，所述第二光纤传导体的所述一个或多个布拉格光栅适于提供在该一个或多个布拉格光栅的位置处的温度测量。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述导管结构限定多个环，每个所述环包括一个或多个测量部分。
16.一种用于监测穿过预定的流体流动空间的流体流动的速度的系统，所述系统包括: 基座； 光纤传导体，所述光纤传导体包括支承在所述基座上的基座端，所述光纤传导体限定流动测量部分，所述流动测量部分包括横穿所述流体流动空间的一部分延伸的长周期光栅(LPG)结构； 光辐射源，所述光辐射源为所述光纤传导体提供光辐射； 处理单元，所述处理单元适于在所提供的光辐射已通过所述测量部分之后接收并分析来自所述光纤传导体的光辐射，以参照由所述长周期光栅结构形成的包层模实现对所述流体流动的流速的确定。
17.根据权利要求16所述的系统，包括多个支承在所述基座上的所述光纤传导体且每个所述光纤传导体都包括长周期光栅结构，并且所述系统包括从所述光辐射源延伸的供给光纤传导体和将来自所述供给光纤传导体的光辐射提供给每个所述光纤传导体的分光器。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述多个光纤传导体布置成支承在所述基座上的多列光纤传导体。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光纤传导体在远离所述基座端的一端处包括反射表面，以将包括所述包层模的光辐射反射通过所述光纤传导体至所述处理单元。
【文档编号】G01F1/00GK103582820SQ201280021953
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年4月17日 优先权日:2011年5月5日
【发明者】埃万盖洛斯·V·迪亚特齐基斯, 爱德华·D·汤姆普森, 迈克尔·特韦尔多赫利布 申请人:西门子能源有限公司