一种颗粒测量系统的制作方法

1.本发明涉及一种颗粒测量系统，该系统包括一个或多个传感器探针，这些传感器探针通过光纤或电缆连接到一个或多个隔离电子单元，以检测发动机（例如燃气轮机发动机）内的灰尘颗粒或碎屑。该系统也适用于空气和液体介质。


背景技术：

2.本发明解决了在恶劣环境中表征粒子的需要。它最初的灵感来自于对飞机上使用的飞机燃气涡轮发动机的微粒摄入进行量化的需求。这种飞机越来越多地被要求在恶劣的环境中运行，特别是那些有大量沙尘存在的环境。燃气轮机发动机吸入沙尘会导致硬件腐蚀、通道堵塞和冷却系统恶化。这会导致发动机性能下降，并最终导致发动机故障。发动机制造商和客户更愿意实施实时健康监测，以检测空气中的沙尘/灰尘，并将其渗透到发动机的核心，在那里可能发生最严重的损坏。现有的颗粒测量系统不够坚固，无法适用于燃气轮机发动机内的恶劣环境。这种恶劣环境的极端温度范围为-100
°
f.（-73
°
c.）至570
°
f.（300
°
c.）或更高，压力范围为0 psia（0 mpa）至250 psia（1.7 mpa）或更高。例如，传统的粒子测量系统，一个集成了激光源和探测器电子设备的光学粒子传感器，在这种极端条件下可能无法生存或正常工作。此外，随着政府对发动机排放颗粒物（pm）实施越来越严格的法规，对这些排放物的监测变得至关重要。
3.光散射法在颗粒物表征方面的应用已经反复证明，可用于清洁设施的污染监测、制药和食品制备、室内空气质量指示等。以及监测工业和车辆排放、生物质燃烧、火山活动和风和车辆引起的粉尘剧变造成的环境污染。这些方法适用于温度和压力与大气条件无明显差异的相对良性环境。采用这些方法的粒子测量系统通常将传感探针组件和电子处理和控制组件集成到一个单元中。因此，粒子测量系统中更精密的部件一般不能在恶劣的环境中生存。此外，大多数粒子测量系统使用电信号，在恶劣的环境附近，这些信号容易受到电磁干扰（emi）的影响。
4.因此，本发明通过将无源光学元件与温度（和条件）敏感元件（如电子元件内的激光器和电子元件）分开，只有传感器探头元件暴露在恶劣环境中。此外，由于光纤用于连接传感器探头和电子单元，系统也更能抵抗电磁干扰效应。为了在恶劣环境中生存，传感器探头通常是一个密封装置，因此，可以在气体和液体环境中使用。


技术实现要素：

5.一般而言，本发明涉及但不限于在恶劣环境中测量颗粒的尺寸、尺寸分布和质量浓度。具体来说，本发明涉及使用光散射或光遮蔽进行此类测量的装置的设计和构造。该装置具有通过光纤连接到电子元件的传感元件，使电子元件能够远程定位并与恶劣环境隔离。传感器探针内的传感元件、光纤或电缆以及电子单元内的电子元件一起构成本发明中概述的新型颗粒测量系统。
6.颗粒测量系统的传感器探针包含操纵进出探测区的发射和接收光所需的光学元
件。从互连光纤传输到传感器探针的光被本领域技术人员已知的适当光学组件引导到检测区。来自检测区的散射光由相同或单独的光学元件接收，并由相同或单独的光纤从传感器探头中传输出去。因此，传感器探头内只需要光学元件，使传感器探头能够承受恶劣环境的极端条件。传感器探头的所有部件可通过适当的材料选择，设计成能够承受低温或高温、低压或高压以及电磁干扰。本领域技术人员已知的许多外壳材料和光学材料能够承受各种压力和温度极限。例如，带有不锈钢外壳、硅光纤和硅或蓝宝石制成的光学元件的传感器探头可以承受低温至1000
°
f（538
°
c）的温度。由于传感器探头内的信号是光学的，传感器探头本身就具有抗电磁干扰的能力。传感探针的各种组件可以通过本领域技术人员已知的各种方法固定在一起，包括熔合、粘合剂（环氧树脂、水泥等）和机械附件（夹具、定位螺钉等）。用于将组件固定在一起的方法可能会对允许的压力和温度范围施加额外的限制。例如，使用具有250
°
f（121
°
c）上限的环氧树脂将组件固定在一起，会将该温度限制强加给传感探头本身。
7.互连光纤或电缆在传感器探头和一个或多个电子单元之间传输光。这些光纤可包括光纤两端或两端的连接器。当将多个光纤合并到一根电缆中时，电缆端部可以类似地在电缆的任一端或两端包括多个或单个连接器。当连接器不包括在光纤或电缆端部时，单独的光纤分别固定在传感器探头或电子装置内，以适当引导光线。
8.电子单元包含光源、光学探测器和额外的光学和电子元件，以向传感器探头提供光并接收从相同探头收集的光。使用本领域技术人员已知的方法将每个光源（例如激光器）耦合到光纤中。然后将光纤连接到电子单元的外部或直接连接到传感器探头。此外，包含光源的光纤可以连接到光纤耦合器，以允许光双向传输到传感器探头和从传感器探头。每个光学探测器也可以使用本领域技术人员已知的方法耦合到光纤中。然后，该光纤可以连接到电子装置的外部，也可以直接连接到传感器探头。此外，耦合到探测器的光纤可以连接到光纤耦合器，以允许光双向传输到传感器探头和从传感器探头。电子元件用于驱动光源，调节探测器的输出，并可将额外的信号处理能力纳入电子单元。
9.也可以使用不同波长的多个光源来实现波长相关响应。当使用具有不同波长的多个光源时，来自具有返回信号的单个光纤的光可以使用本领域技术人员已知的方法通过波长色散或波长选择元件发送。这在波长相关的散射响应可以预期的情况下是有用的。
10.使用光源照明，粒子通过感测位置向各个方向散射光。从任何方向瞄准感测位置的光学探测器通过产生脉冲信号来响应通过的粒子，脉冲信号的振幅可能取决于粒子直径、粒子形状和粒子组成。对于特定的探测器方向和排列，脉冲信号的振幅可以单调地与粒子直径相关。对于这种取向，随着时间的推移，脉冲不断被接收，可以生成颗粒直径的柱状图，以提供颗粒尺寸分布和包括平均颗粒尺寸在内的其他颗粒统计数据。计算有限时间内通过的粒子总数可以提供粒子负载率（也称为总数浓度和类似值）。给定粒子在有限测量时间内的分布，结合已知的粒子质量密度，可以确定质量浓度。因此，利用信号处理，多个粒子的通过可以产生许多粒子统计数据，包括粒径分布、粒子负载率和质量浓度。本领域技术人员已知这种类型的信号处理，可以在硬件或软件中执行。
附图说明
11.图1显示了带有传感器探针的粒子测量系统概念、包括光源和探测器的电子单元
以及互连光纤。
12.图2说明了一个基于引擎的粒子测量系统的具体实现示例，该系统具有一个激光光源和两个光学探测器。
13.图3说明了一个完整的传感器系统，包括传感器探针和与光纤互连的传感器电子元件、信号处理单元以及本地或远程显示和控制。
具体实施方式
14.通过阅读本发明实施例的以下描述，上述以及本发明的其他目的和优点将容易为本领域技术人员所了解。说明书和附图说明了本发明的示例性实施例，并且使本领域技术人员能够制造或使用本发明，并且无意以任何方式限制本发明的范围。就公开和说明的方法而言，所述步骤本质上是示例性的，因此，步骤的顺序不是必要的或关键的。
15.如中所用，术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”可以互换使用，以区分一个组件与另一个组件，并且不打算表示单个组件的位置或重要性。
16.本发明使用原位方法，其中，在传感器探针中，使用光纤电缆互连将光源、探测器和电子设备与严酷的测量区域分离。一些相互连接的光纤将光源传输到检测区，还可以通过一个电缆连接器或多个连接器将测量的散射光同时传输回探测器。光纤配置可以从多个单芯光纤到一个多芯光纤，再到具有多路数据的单芯光纤，再到它们的任意组合。根据传感器系统的要求，单个光纤可以是多模光纤、单模光纤或保偏光纤，系统可以包括这些光纤的任何组合。如果需要，可以将传感器探针平齐安装到工艺壁上，并具有单个接头。传感器探头包含光束整形光学器件、采集光学器件、光学孔径和光纤，由于传感探头中不包含电子元件，因此所有这些器件都可以设计为在高温环境下使用。对于发动机粉尘吸入和其他应用，也可以将多个传感器放置在多个传感位置，以便更好地掌握颗粒特性的空间变化。
17.基于光纤的设计是灵活的，允许实现单个或多个光源和单个或多个光学探测器。图1以示意图形式示出用于完成本发明的传感器系统10。更具体地说，有一个电子单元19通过光纤连接器25连接到传感器探针35，以测量颗粒流40中的颗粒。整个传感器系统还可以包括一个或多个电子单元19、一个或多个光纤耦合器25、一个或多个传感器探针35，并且可以询问一个或多个含粒子流40。电子装置19可包括一个探测器11或多个探测器12和一个光源15或多个光源16，以及控制从光源传输的光和控制进入探测器的光所需的任何附加光学元件。传感器探针35可包括传感头36和任何其他光学组件，用于控制传输到含颗粒流40的光。连接传感器探头35和电子装置19的光耦25将来自电子装置22的光纤连接到来自传感器探头28的光纤。光纤耦合器25可包括用于发射光20和接收光30的单个或多个路径。与光纤的互连提供了灵活的传感器安装和放置的优势，同时只将传感器探针暴露在温度和压力适中或较高的恶劣环境中，如燃气轮机发动机中。此外，如果监测到更多探测器、更多位置或更多光源，这种设计允许使用1-x（甚至m）耦合器。除了设计要求，如灰尘大小和范围、流速或颗粒速度以及上述浓度限制外，通常还需要对灰尘大小数量进行传感器校准。
18.图2显示了一个光源和两个检测器的本发明实施例。更具体地说，传感器探针70使用光纤束61连接到电子单元50。光源51通过光纤56将光传输到光纤耦合器57。该光纤耦合器通过光纤58将光传输到位于电子单元50外部的第一光纤连接器59。光纤连接器59和系统中的所有其他光纤连接器可以由单个或多个光纤芯组成，也可以由多个连接器组成。第二
光纤连接器60连接到光纤连接器59，并通过光纤束61中的光纤芯将光源传输到第三光纤连接器62。传感器探针70外部的第四个光纤连接器71连接到光纤连接器62，并通过光纤72将光源传输到传感器探针70。应注意的是，任何一对光纤连接器都可以用连续的光纤段代替，从而消除了在该位置分离光路的能力。离开光纤72的光可以直接传输，也可以使用光学组件75（例如透镜）进行整形。然后，透射光通过窗口76，到达颗粒流81中的感应位置80。在75中实施的空间梁成形是为了在80时达到规定的性能，并且为本领域技术人员所知。在本图中，传感器探头70平齐安装在限制颗粒流81的壁77上。传感器探针是否齐平安装取决于应用，并且对于本领域技术人员来说是显而易见的。传感器探针70的所有元件都包含在外壳78内，带有光纤接头71和窗口76的开口。外壳78的主体也可以具有预定形状，例如螺纹端79，配置为将探针固定到测量应用程序中的现有位置。
19.传感位置80中的粒子将散射光送回传感器探针70。第一散射光直接或通过光学元件75进入光纤72。同样，第二散射光直接或通过光学部件74进入光纤73。在75和74中进行的空间光束整形也在72和73下获得收集光的规定性能，并且为本领域技术人员所知。进入光纤72的光通过光纤束61返回，并使用与发射光相同的路径进入光纤58。在光纤耦合器57中，接收到的散射光与发射光分离，并发送到光纤55，然后再发送到探测器52。本领域技术人员已知的任何方法都可用于分离发射光和接收光，例如偏振旋转。进入光纤73的光依次指向第四光纤连接器71、第三光纤连接器62、光纤束61、第二光纤连接器60、第一光纤连接器59，进入光纤54，在那里它被传送到探测器53。电子单元50的部件由控制器49控制，该控制器49向光源51、探测器52提供电压控制、电流控制和信号控制和探测器53。控制器49还可以在每个部件上包括单独的控制元件或信号处理元件。
20.对于本领域技术人员来说，应该很明显，图2上的许多变化是可能的。传感器探针70、电子单元50和光纤束61中可能包含其他光源、探测器、光纤和连接器。另外，传感器探针70、电子单元50和光纤束61也可包含在一个完整的粒子测量系统中，尤其是在多个分布式位置进行测量时。在传感器探头中，一根光纤相对于另一根光纤的位置也可以是灵活的。例如，光纤72和光纤组件75可以与光纤73和光纤组件74相邻，以构建紧凑型探头。或者，规定的距离可以分离光纤和组件，以检查粒子光散射的不同方面。此外，可以将各种元素组合在一起，以优化零件计数和辅助装配。例如，75中的一些光学元件可以与72光纤结合，形成光纤聚焦器或光纤准直器。此外，窗口76可与75或74中的其他光学元件组合，以将窗口转换为聚焦透镜或光束分布器。单个传感器探针70也可以具有多个传感位置80，这可能需要额外的光纤72或73以及额外的光束整形光学器件74或75。对光纤互连（如62和71）也可以用连续光纤代替，从而消除连接，但改善信号传输或可能的连接污染。
21.图3显示了连接到额外信号处理资源的传感器系统。传感器探针80、光纤81和电子单元82已在前面介绍过。然后，电子单元82可以通过电线和电缆83连接到附加信号处理硬件84。然后，处理硬件84可通过通信线路85与本地或远程显示或控制系统86连接。系统86可用于显示来自处理硬件84的结果或进一步处理信息，也可用于控制处理硬件84的操作。
22.处理硬件84的一个例子是信号分类器。信号分类器是一种电子设备，例如基于fpga或dsp的多通道信号分析仪，它根据粒子散射信号的脉冲高度对粒子进行分类，并且为本领域技术人员所知。根据通过粒子产生的探测器信号的脉冲幅度，可以对粒子的直径进行分类。然后将分类后的直径加工成颗粒特性，如粒径分布、颗粒负荷率（也称为总数浓度
和类似值）和颗粒质量浓度。对于发动机应用，颗粒测量系统可与发动机控制单元连接，以提供发动机健康管理和过量灰尘摄入期间的早期警告。