一种颗粒测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种探测颗粒气体或液体中颗粒物的尺寸分布和质量浓度的系统，通过将传感元件与电子单元分离，并使用光纤进行互连，只有传感元件需要承受恶劣的环境条件。这减少了对电子设备的设计限制，允许将光学部件集成到能够承受高温和高压环境的传感探头中。到能够承受高温和高压环境的传感探头中。到能够承受高温和高压环境的传感探头中。

【技术实现步骤摘要】
一种颗粒测量系统


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]本专利技术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。
[0003]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。
[0004]因此，本专利技术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。

技术实现思路

[0005]一般而言，本专利技术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，本专利技术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专利技术中概述的新型颗粒测量系统。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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
[0014]通过阅读本专利技术实施例的以下描述，上述以及本专利技术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专利技术的示例性实施例，并且使本领域技术人员能够制造或使用本专利技术，并且无意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于光学探测颗粒和测量气体或液体中颗粒物的尺寸分布和质量浓度的系统，该系统包括：一个或多个传感探头，每个探头由至少一个或多个光源路径和至少一个或多个传感路径组成，其中，光源路径通过可选的光束整形光学装置将多束光束引导到一个或多个检测区，所述传感路径具有多个光学器件，所述光学器件收集来自检测区内的粒子的散射光，并将所述光信号传递给所述电子单元；容纳多个光源的一个或多个电子装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡月华，
申请(专利权)人：胡月华，
类型：发明
国别省市：