[发明专利]用于多功能嵌入式传感器的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及在线监测技术，并且更具体地涉及用于多功能嵌入式传感器的方法和系统。

背景技术

监测，特别是在恶劣环境中，在许多工业应用中是一项挑战。在这样恶劣的环境中实时提供可靠数据的能力在喷气发动机、发电燃气涡轮机、工业金融(Industry finances)和制造过程等中具有适用性。

为了进行示意性的说明，本发明描述发电。就其本质而言，使用化石燃料的大规模发电涉及在极端的温度和压力条件下进行的过程。监测这些过程和发生这些过程的设备的条件对于可靠、高性价比、有效的发电来说是最重要的。在发电中使用的涡轮机的监测将是特别有用的。现代的燃气涡轮机通过使用更高的燃烧温度、来自更高的压力比的更热冷却剂温度和减小的冷却流量来实现更高的效率和减小的燃料消耗。此外，更高的燃烧温度不利地影响燃气涡轮机的可用性、可靠性和安全性，特别是高成本、关键热气体通道(Hot Gas Path；简称HGP)部件的寿命。在恶劣环境下工作的发电系统部件的寿命很大程度上取决于温度和应变。由于在接近其操作极限的情况下安全操作机器的能力，提高的温度测量精度将直接转化成提高的涡轮机操作效率。用于基于物理的寿命模型的高保真性输入将使寿命预测精度的数量级改善成为可能。在大多数先进的燃气涡轮机中，燃烧温度超出HGP部件的熔点，并且这些部件必须被主动地冷却。通常为了这些关键部件而采用大的设计安全裕度(Design safety margins)。高保真性实时数据将提高设计安全裕度中的置信度(confidence)并潜在地缩短涡轮机设计周期。在发电系统调试阶段期间的多属性在线测量将使设计者能够更好评估关键部件寿命和潜在的补偿性设计修改。在发电系统/部件的监测中应变和温度的准确、实时、同时测量可提高基于物理的寿命模型的预测精度。由于在接近其操作极限的情况下安全操作机器的能力，这种提高的精度可转化成提高的涡轮机操作效率。在一个实例中，计算显示冷却流量10％的减小可导致在一个联合循环燃气涡轮机的20年的操作寿命期间节约高达9百万美元。

尽管需要从操作中的涡轮机内获得准确的在线温度和应变数据，但实现该目标一直是十分困难的。在过去的十年内，对适用于光学(基于发光的)温度计的稀土基发光材料的开发已实现了一些进步；然而，相对高的成本和在很高的温度下灵敏度差的问题仍然存在。此外，应变的在线光学检测问题尚未得到充分的解决。一直希望通过开发用于发电系统在线评估的低成本、非侵入性、多功能嵌入式传感器系统来满足这种监测需求。

发明内容

在一个实施例中，本发明涉及监测系统，该系统包括：发光传感器，其与制品直接接触；高速图像采集系统，其用于检测发光传感器的光学图像；以及高速数据处理系统，其用于分析图像以确定制品的温度、制品的应变、与所述传感器接触的气体温度或它们的组合。

在一些实施例中，所述发光传感器通过直接写入工艺形成于所述制品上。

在一些实施例中，所述发光传感器包括温度敏感的发光陶瓷材料，所述温度敏感的发光陶瓷材料包括稀土氧化物或氧化铬。

在一些实施例中，所述发光传感器包括掺杂铬的氧化铝。

在一些实施例中，所述发光传感器包括稀土氧化物。

在一些实施例中，所述发光传感器是三维的。

在另一方面，本发明涉及一种用于恶劣环境中的制品的在线监测的光学方法。该方法包括：将制品暴露于恶劣环境；使用高速图像采集系统采集与制品直接接触的发光传感器的图像；以及使用高速数据处理系统分析图像以确定制品的温度或应变、与所述传感器接触的气体温度或它们的组合。

在一些实施例中，发光传感器通过直接写入工艺形成于制品上。

在一些实施例中，所述发光传感器包括温度敏感的发光陶瓷材料，所述温度敏感的发光陶瓷材料包括稀土氧化物或氧化铬。

在一些实施例中，所述发光传感器包括掺杂铬的氧化铝。

在一些实施例中，所述发光传感器包括稀土氧化物。

在一些实施例中，所述发光传感器是三维的。

在又一方面，本发明涉及一种用于制造使用在恶劣环境中的制品的方法。该方法包括：通过直接写入工艺、网版印刷、热喷涂、气雾喷涂或其它印刷工艺在制品表面上形成发光传感器；使制品与高速图像采集系统和高速数据处理系统连接(interfacing)；以及将高速图像采集系统和高速数据处理系统配置成采集在恶劣环境中的发光传感器的图像并确定制品的温度、制品的应变或它们的组合。

在一些实施例中，所述制品为涡轮机叶片。