(57)【要約】  本発明は、流体（２２）の流れ方向を決定する流れ測定装置に関する。この流れ測定装置は、少なくとも１つの光導波路（４）と前記少なくとも１つの光導波路（４）に隣接して配置された少なくとも２つの電気加熱要素（５ａ、５ｂ）とを備え周囲に流体（２２）を流すことのできる測定要素（１）を有する。前記少なくとも１つの光導波路（４）は、加熱要素（５ａ、５ｂ）から前記少なくとも１つの光導波路（４）へ向かう各１つの熱流を介して熱を与えることができ、熱流の方向が少なくとも一部で逆向きである。さらに、流体（２２）の流れ方向に依存して個々の熱流の値が異なる強さで影響を受ける。さらに、前記少なくとも１つの光導波路（４）に入射可能である電磁波が前記少なくとも１つの光導波路（４）の温度に応じた影響を受ける。流れ測定装置はさらに、前記少なくとも両方の加熱要素（５ａ、５ｂ）に電力を順次供給可能である制御ユニットと、個々の熱流に基づく温度による電磁波への影響を求めかつ流体（２２）の流れ方向を決定する評価ユニット（２３）とを有する。さらに、本発明は本発明に係る流れ測定装置で流体（２２）の流れ方向を決定する方法に関する。さらに、本発明は本発明に係る流れ測定装置を備えた電気機械に関する。
2009529687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体（２２）の流れ方向を決定する流れ測定装置であって、
少なくとも２つの光導波路（４ａ、４ｂ）と光導波路（４）に隣接して配置された少なくとも１つの電気加熱要素（５、６、７）とを備え周囲に流体（２２）を流すことのできる測定要素（１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３、３１）を有し、
前記少なくとも１つの加熱要素（５、６、７）から各光導波路（４ａ、４ｂ）へ向かう各１つの熱流（１０ａ、１０ｂ）を介して光導波路（４ａ、４ｂ）に熱を与えることができ、
熱流（１０ａ、１０ｂ）の方向が少なくとも一部で逆向きであり、
個々の熱流（１０ａ、１０ｂ）が異なる強さで流体（２２）の流れ方向と相関しており、
光導波路（４ａ、４ｂ）に入射可能である少なくとも１つの電磁波が光導波路（４ａ、４ｂ）のその都度の温度に応じて影響を受け、
前記少なくとも１つの加熱要素（５、６、７）に電力を供給可能である制御ユニットを有し、
個々の熱流に基づく温度による前記少なくとも１つの電磁波への影響を評価しかつ流体（２２）の流れ方向を決定する評価ユニット（２３）を有する流れ測定装置。
【請求項２】
光導波路（４ａ、４ｂ）がそれぞれ少なくとも１つのファイバブラッグ格子（１３）を含み、光導波路（４ａ、４ｂ）に入射可能である前記少なくとも１つの電磁波が少なくとも２つのファイバブラッグ格子（１３）の箇所での光導波路（４ａ、４ｂ）のその都度の温度に応じた影響を受ける請求項１記載の流れ測定装置。
【請求項３】
測定要素（１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３、３１）が棒状に形成されている請求項１または２記載の流れ測定装置。
【請求項４】
測定要素（１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３、３１）が弾性である請求項１ないし３のいずれか１つに記載の流れ測定装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの加熱要素（５、６、７）が金属から形成されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の流れ測定装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの加熱要素（７）が光導波路（４ａ、４ｂ）の共通な導電性被覆によって形成され、光導波路が長手方向において接触している請求項１ないし５のいずれか１つに記載の流れ測定装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの加熱要素（５、６、７）が一定の電気抵抗率を有する請求項１ないし６のいずれか１つに記載の流れ測定装置。
【請求項８】
抵抗率が動作温度範囲内で温度に左右されない請求項７記載の流れ測定装置。
【請求項９】
測定要素（１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３、３１）に外被（８）が設けられている請求項１ないし６のいずれか１つに記載の流れ測定装置。
【請求項１０】
外被（８）がセラミックス材料から成る請求項９記載の流れ測定装置。
【請求項１１】
外被（８）が金属筒によって形成されている請求項９記載の流れ測定装置。
【請求項１２】
外被（８）が前記少なくとも１つの加熱要素（６、７）を有する請求項１１記載の流れ測定装置。
【請求項１３】
流れ測定装置によって流体（２２）の流れ方向を決定する方法であって、
流体（２２）が周囲に流れる測定要素（１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３、３１）の少なくとも２つの光導波路（４ａ、４ｂ）に少なくとも１つの電磁波が入射され、
測定要素（１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３、３１）の少なくとも１つの加熱要素（５、６、７）に電力が供給され、
光導波路（４ａ、４ｂ）が加熱要素（５、６、７）から熱を与えられ、
前記少なくとも１つの電磁波が前記少なくとも２つの光導波路（４ａ、４ｂ）内の異なる局所温度に依存して異なる強さの影響を受け、
前記少なくとも１つの電磁波の異なる影響が求められ、それから測定要素（１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３、３１）の長手方向長さに垂直に流体（２２）の流れ方向が決定される流体の流れ方向決定方法。
【請求項１４】
光導波路（４ａ、４ｂ）がそれぞれ少なくとも１つのファイバブラッグ格子（１３）を含み、前記少なくとも１つの電磁波が、それぞれ前記少なくとも１つのファイバブラッグ格子（１３）の箇所での異なる局所温度に応じた影響を受ける請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの電磁波が少なくとも１つの電磁パルスによって形成されている請求項１３または１４記載の方法。
【請求項１６】
測定要素（１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３、３１）がその長手方向長さにおいて前記少なくとも１つの加熱要素（５、６、７）によって加熱される請求項１３ないし１５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの加熱要素（５、６、７）が一定の電力を供給される請求項１３ないし１６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１８】
異なる電力によって複数の測定が行われる請求項１３ないし１７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１９】
流体（２２）として気体または液体が電気機械（９）、特に発電機またはモータを冷却するのに使用される請求項１３ないし１８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２０】
回転可能に支承されたロータ（１８）と、
機械ハウジング（２８）内に配置された定置ステータ（１９）と、
管路系を含み機械ハウジング（２８）の内部で流体（２２）によって部品を冷却するための冷却装置（２７、１４）と、
請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の流れ測定装置とを有する電気機械であって、流れ測定装置の測定要素（１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３、３１）が管路系の流れ通路（１４）内に配置され、流れ通路（１４）内の流体（２２）の流れ方向を測定する電気機械。
【請求項２１】
測定要素（１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３、３１）が流れ通路（１４）の横断面に対して半径方向に配置されている請求項２０記載の電気機械。
【請求項２２】
軸線方向で離間した複数の測定要素（１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３、３１）が流れ通路（１４）内に配置されている請求項２０ないし２１のいずれか１つに記載の電気機械。
【請求項２３】
請求項２０ないし２２のいずれか１つに記載の電気機械の冷却管路系内における流体（２２）の流れ方向が決定される請求項１３ないし１９のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れ方向を決定する流れ測定装置に関する。この流れ測定装置は、少なくとも２つの光導波路と光導波路に隣接して配置された少なくとも１つの電気加熱要素とを備えた測定要素と制御ユニットと評価ユニットとを有する。本発明はさらに、流体の流れ方向を決定する方法、そして流れ測定装置を備えた電気機械に関する。
【従来技術】
【０００２】
あらゆる出力等級の電気機械、しかし特に高出力の電気機械ではかなりの熱が発生し、この熱は機械効率向上および／または寿命延長を考慮して冷却技術的措置によって排出されねばならない。例えば、比較的大量の空気流で冷却が行われる特に出力３００ＭＶＡ以下の発電機またはモータ等の空冷機械が公知である。この空気流は特に、多数の流れ通路を含む管路系を通して送ることができる（例えば独国特許出願公開第４２４２１３２号明細書または欧州特許出願公開第０８５３３７０号明細書参照）。例えば、管路系の流れ通路を通して空気は外部から内部へ機械のステータ内を圧送することができる。しかし同時に空気は機械のロータによって吸入され、逆方向で内部から外部へステータ内を圧送される。両方の空気流が不利に重なると、管路系の内部で流れが停止し、それとともに場合によっては機械の局所的過熱および破損を生じる。
【０００３】
国際公開第２００４／０４２３２６号パンフレットに明示された、流れ測定装置の測定要素の周囲を流れる例えば気体流等の流体の流速を決定する流れ測定装置は、複数のファイバブラッグ格子を有する１つの光導波路と、光導波路に隣接して配置された少なくとも１つの電気加熱要素とを備えている。こうして、光導波路に入射された電磁波が光導波路の温度から受ける影響から、測定要素の長手方向長さに沿った流速を確定することができる。光導波路は一定の熱を付加する電気加熱要素を介して加熱可能であり、局所的流速に相応して長手方向長さにおける温度分布が測定要素で生じる。従ってこの流れ測定装置は、単一の測定要素で多数の局所的流速を確定するのに適している。しかし、測定要素に対して相対的に流体が流れる方向の確定は可能でない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで本発明の課題は、流体の流れ方向を確定することのできる流れ測定装置および方法を提供し、冷却流体の流れ方向を監視することのできる電気機械を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
課題を解決するために、独立請求項１の特徴に相応する流れ測定装置が提案される。
【０００６】
本発明に係る流れ測定装置は、流体の流れ方向を決定する流れ測定装置において、
少なくとも２つの光導波路と光導波路に隣接して配置された少なくとも１つの電気加熱要素とを備えて周囲に流体を流すことのできる測定要素を有し、
前記少なくとも１つの加熱要素から各光導波路へ向かう各１つの熱流を介して光導波路に熱を与えることができ、
熱流の方向が少なくとも一部で逆向きであり、
個々の熱流が異なる強さで流体の流れ方向と相関しており、
光導波路に入射可能である少なくとも１つの電磁波が光導波路のその都度の温度に応じて影響を受け、
前記少なくとも１つの加熱要素に電力を供給可能である制御ユニットを有し、
個々の熱流に基づく温度による前記少なくとも１つの電磁波への影響を評価しかつ流体の流れ方向を決定する評価ユニットを有する。
【０００７】
測定要素はその長手方向長さにおいて有利には流体流れ方向に垂直に流体内に配置されており、特に円形であるその横断面の周面にわたって異なる局所的流れ状況を有する。測定要素の表面を介した熱輸送は局所的に異なる流体流速のゆえに横断面の周面にわたって均一に生じるのではない。測定要素において、この理由から前記少なくとも１つの加熱要素に一定の電力を供給しても、測定要素内では光導波路の位置に依存して光導波路の方向において値のそれぞれ異なる熱流が生じる。それとともに流れ方向に対して相対的な光導波路の配置に依存して光導波路の各箇所で異なる温度が生じることがある。最後に、相応する温度差の決定から測定要素の周囲を流れる流体の流れ方向を推定することができる。
【０００８】
本発明による流れ測定装置の有利な諸構成は、請求項１に従属した請求項から明らかとなる。
【０００９】
光導波路がそれぞれ少なくとも１つのファイバブラッグ格子を含み、光導波路に入射可能である前記少なくとも１つの電磁波が前記少なくとも２つのファイバブラッグ格子の箇所での光導波路のその都度の温度に応じた影響を受けると好ましい。このような形式のセンサはその特別な多重性を特徴としており、センサネットワークを簡単に実現することができる。ファイバブラッグ格子技術の他の利点は、事実上点状測定、つまり局所的にごく狭く限定された測定が可能であることにある。こうして、特に位置分解した高い測定精度を必要とする場合、測定要素に沿って複数のファイバブラッグ格子を近くに並べて各光導波路内に順次配置することが可能である。
【００１０】
区別可能性を向上するため、光導波路内に配置されたファイバブラッグ格子は有利にはそれぞれ相互に異なる有効波長を有する。各ファイバブラッグ格子内で、前記少なくとも１つの入射電磁波のうち各有効波長によって決定された割合が反射して戻される。有効波長は、測定箇所で支配的な影響量、ここでは特に光導波路の温度に伴って変化する。前記少なくとも１つの入射電磁波のその都度反射して戻される部分の波長成分（または波長スペクトル）におけるこの変化は、検出すべき影響量の尺度として利用される。しかし、前記少なくとも１つの入射電磁波の透過部分を波長スペクトルの変に基づいて調べることも基本的に可能である。前記少なくとも１つの電磁波によってファイバブラッグ格子を問合せるために特に広帯域光源、例えば帯域幅約４５ｎｍのＬＥＤ（発光ダイオード、英語：Light Emitting Diode）、帯域幅約２０ｎｍのＳＬＤ（超発光ダイオード、英語：Super Luminescence Diode）、または帯域幅約１００ｎｍの同調可能レーザを利用することができる。
【００１１】
測定要素を棒状に形成することが提案される。この測定要素は有利なことに簡単に組み立てることができ、例えば流れ通路に穴を通して導入することができる。さらに、僅かな組立労力で測定要素のメンテナンスを可能とすることを達成することができる。このため相応する固着部が緩められ、穴から測定要素が引き出される。そのほかに測定要素は当然に任意のあらゆる別の形状を有することができる。測定要素は例えば円形に、またはアルキメデスの螺線としても、形成することができる。
【００１２】
他の構成において、測定要素が弾性であることが提案される。有利には測定要素は利用に応じて短時間で予め成形することができ、これにより異なる形状の測定要素の数は減らすことができる。保管費用を節約することができる。
【００１３】
前記少なくとも１つの加熱要素が金属から形成されていると好ましい。それにより、加熱要素に沿って均一な加熱が保証されている。
【００１４】
さらに、前記少なくとも１つの加熱要素が光導波路の共通な導電性被覆によって形成され、光導波路が長手方向において接触していることが提案される。こうして測定要素の構造形状はさらに簡素化できる。加熱要素はこうして簡単に、互いに接触した光導波路とそれぞれ一体に結合することができ、安価な製造の他に加熱要素による光導波路の保護機能も達成することができる。導電性被覆は例えばタングステン等の金属から、または例えば鋼等の合金からも、形成することができる。
【００１５】
さらに、前記少なくとも１つの加熱要素が一定の電気抵抗率を有することが提案される。こうして有利なことに、測定要素がその長手方向長さにわたって均一に熱を与えられることを達成することができる。本出願の範囲内で電気抵抗率とは単位長さ当りの電気抵抗のことである。
【００１６】
さらに、抵抗率が動作温度範囲内で殆ど温度に左右されないことが提案される。こうして、前記少なくとも１つの加熱要素から光導波路の方向に向く各熱供給が測定要素の長手方向長さに沿って実際の局所温度に実質的に左右されないことを達成することができる。測定精度を、また測定の信頼性も、高めることができる。このため、前記少なくとも１つの加熱要素は例えばコンスタンタン等の材料から形成することができる。
【００１７】
有利な１構成例において、測定要素が外被を有することが提案される。こうして測定要素は例えば化学ストレスから保護することができる。さらに外被は例えば組立中に機械的保護を可能とする。
【００１８】
さらに、外被がセラミックス材料から成ることが提案される。セラミックス外被によって有利なことに温度ストレス用の測定要素を形成することができる。
【００１９】
そのほかに、外被が金属筒によって形成されていることが提案される。こうして有利なことに、金属筒がアース電位と結合可能であることによって、測定要素は例えば静電帯電から保護することができる。
【００２０】
さらに、外被が同時に前記少なくとも１つの加熱要素を有することが提案される。部材および費用はさらに減らすことができる。
【００２１】
課題をさらに解決するために、独立請求項１３の特徴に相応する方法が提案される。
【００２２】
本発明に係る方法によれば、流れ測定装置によって流体の流れ方向を決定する方法において、
流体が周囲に流れる測定要素の少なくとも２つの光導波路に少なくとも１つの電磁波が入射され、
測定要素の少なくとも１つの加熱要素に電力が供給され、
光導波路が加熱要素から熱を与えられ、
前記少なくとも１つの電磁波が前記少なくとも２つの光導波路内での異なる局所温度に依存して異なる強さの影響を受け、
前記少なくとも１つの電磁波の異なる影響が求められ、それから測定要素の長手方向長さに垂直に流体の流れ方向が決定される。
【００２３】
本発明に係る方法では本発明に係る流れ測定装置について上で述べた諸利点が得られる。
【００２４】
光導波路がそれぞれ少なくとも１つのファイバブラッグ格子を含み、前記少なくとも１つの電磁波が、それぞれ前記少なくとも１つのファイバブラッグ格子の箇所での異なる局所温度に応じた影響を受けると好ましい。
【００２５】
さらに、前記少なくとも１つの電磁波が少なくとも１つの電磁パルスによって形成されていることが提案される。有利なことにエネルギーを節約することができ、測定精度を高めることができる。電磁パルスは例えばパルスレーザによって生成することができ、このパルスレーザは公知の好適な結合手段を介して光導波路に結合される。
【００２６】
さらに、測定要素がその長手方向長さにおいて前記少なくとも１つの加熱要素によって加熱されることが提案される。流体の流れに基づく測定要素に沿った温度変動から、有利なことに測定要素に沿った流速も求めることができる。
【００２７】
前記少なくとも１つの加熱要素が一定の電力を供給されると有利である。こうして特に測定要素の長手方向長さにわたって抵抗が一定に推移する場合、オームの法則に従ってそれぞれ一定の熱供給を達成することができる。これは直流によってまたは交流によっても行うことができる。特に、表皮効果が有効となる範囲内で周波数が動くとき、交流周波数を変更することによって前記少なくとも１つの加熱要素の加熱作用は調節することができる。
【００２８】
本発明に係る方法の有利な１構成例において、異なる電力を供給して複数の測定を行うことが提案される。こうして測定精度はさらに高めることができる。
【００２９】
さらに、流体として気体、特に空気、または液体、特に水または液体窒素が、電気機械、特に発電機またはモータを冷却するのに使用されることが提案される。本発明に係る流れ測定装置による測定要素は、発電機もしくはモータの冷却装置の流れ通路内の物理的および／または化学的要求に安価に適合させることができる。さらに、流れ通路の横断面内の流れ分布を正確に測定することを同様に達成することができる。
【００３０】
本発明の課題をさらに解決するために、さらに、
回転可能に支承されたロータと、
機械ハウジング内に配置された定置ステータと、
管路系を含み機械ハウジングの内部で流体によって部品を冷却するための冷却装置と、
本発明に係る流れ測定装置とを有する電気機械が提案される。
【００３１】
本発明によれば、流れ測定装置の測定要素が管路系の流れ通路内に配置され、流れ通路内の流体の流れ方向を測定する。
【００３２】
本発明に係る電気機械では、本発明に係る流れ測定装置について上で述べた諸利点が得られる。
【００３３】
本発明に係る流れ測定装置を用いて、例えば空気等の冷却流体の流れ方向を冷却装置の流れ通路内で監視することによって、機械の効率的冷却を達成することができる。不利に重なる流れによる流れ停止の発生は十分早期に検知することができ、機械の局所的過熱および破損を防止するために好適な措置を開始することができる。こうして流体機械の動作信頼性を高めることができる。
【００３４】
測定要素が流れ通路の横断面に対して半径方向に配置されていることが提案される。有利には、相前後して配置された複数のファイバブラッグ格子でもって流れ方向は流れ通路横断面の半径に依存して確定することができる。当然に、流れ通路の異なる周囲位置で流れ方向を求めるようにするために流れ通路内に複数の測定要素を設けることもできる。
【００３５】
さらに、軸線方向で離間した複数の測定要素を流れ通路内に配置することが提案される。こうして有利なことに流れ方向の軸線方向変化を検出し評価することができる。流れ推移に関する所望の情報を得るために、さまざまに成形された複数の測定要素を使用することもできる。例えば半径方向に配置された棒状の測定要素は流れ通路内で円周に沿って配置された測定要素と組合せることができる。特に、本発明に係る方法で測定要素を作動させることが提案される。
【００３６】
好ましい、但し決して限定するものではない本発明の実施例が図面に基づいて以下で詳細に説明される。明確化のために図面は縮尺どおりではなく、若干の観点が略示されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１に側面図で示す本発明に係る流れ測定装置の測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１は、測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１の一方の端部に取付けられ測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１を制御ユニット２０および評価ユニット２３（図８〜図１２、図１４参照）に接続するプラグコネクタ１５を有する。測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１は棒状に形成されている。さらに、測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１は弾性に実施することができ、幾何学形状は与えられた要求に適合させることができる。
【００３８】
図２〜図１３では理解を深めるためにｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する座標系８０がそれぞれ付記されている。簡略のために、また限定するものではないが、被検流体２２がｘ方向に流れると仮定される。ｘ方向に流れる流体２２はｘ方向に向く矢印で示してある。流体２２はｘ方向に流れ、ｙ方向に延びる測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１に衝突し、この測定要素の周囲を流れる。流体の流れは特に乱流である。測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１の表面９で異なる流速が生じる。矢印の長さは図示箇所での流体流速値を表す。測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に上流側部分で流速が最高であるのに対して、測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に下流側部分で流速は最低である。測定要素表面９による熱輸送は局所的流速に依存して不均一に生じる。測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に上流側部分での熱輸送は測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に下流側部分での熱輸送よりも大きい。測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１はこの測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１の例えば横断面積の中心に少なくとも１つの加熱要素５、６または７を有する。この測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１が前記少なくとも１つの加熱要素５、６または７によって熱を与えられる間、少なくともその横断面に関して熱平衡状態にある場合、測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に上流側部分またはその近傍に配置された光導波路４ａは測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に下流側部分またはその近傍に配置された光導波路４ｂよりも低い温度を有する。測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に上流側部分またはその近傍に配置された光導波路４ａは、測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に下流側部分またはその近傍に配置された光導波路４ｂよりも、前記少なくとも１つの加熱要素５、６または７の方向から一層僅かな熱流１０ａに曝されている。この光導波路４ｂに割り当てられる熱流は符号１０ｂで示してある。前記少なくとも１つの加熱要素５、６または７から出発して各光導波路４ａ、４ｂの方向に向く矢印は相応する熱流１０ａ、１０ｂを示しており、熱流の値は矢印の長さでそれぞれ表わされてる。
【００３９】
図２、図３、図４は本発明に係る流れ測定装置の測定要素１ａ、１ｂもしくは１ｃの３つの構成を示す。図２の実施例によれば２つの光導波路４ａ、４ｂとその間に配置された１つの加熱要素５がセラミックス材料に埋め込まれて測定要素１ａに収容されている。図３の実施例によれば２つの光導波路４ａ、４ｂとその間に配置された２つの加熱要素５がセラミックス材料に埋め込まれて測定要素１ｂに収容されている。それぞれ図２と図３において１つの光導波路４ａが測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に上流側部分の近傍に配置され、別の光導波路４ｂは測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に下流側部分の近傍で位置決めされている。図２の前記１つの加熱要素５と図３の２つの加熱要素５は、同時に両光導波路４ａ、４ｂに関して対称軸でもある測定要素１ａもしくは１ｂの対称軸３０上に、加熱要素と両光導波路４ａ、４ｂとの各距離が互いに一致するように配置されている。図４の実施例によれば４つの光導波路４ａ、４ｂとその間に配置された１つの加熱要素５がセラミックス材料に埋め込まれて測定要素１ｃに収容されている。４つの光導波路４ａ、４ｂは測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に上流側部分の近傍に、もしくは測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に下流側部分の近傍に対で配置されている。加熱要素５は、同時に光導波路対４ａ、４ｂに関して対称軸でもある測定要素１ｃの対称軸３０上に、加熱要素５と各光導波路４ａ、４ｂとの距離が互いに一致するように配置されている。光導波路４ａ、４ｂは例えばガラス繊維またはプラスチック繊維である。前記少なくとも１つの加熱要素５と光導波路４ａ、４ｂはセラミックス材料から成る特に円筒形の本体１６に埋め込まれており、この本体１６は不動態化外被８によって取り囲まれている。前記１つの加熱要素（図２、図４参照）もしくは２つの加熱要素５（図３参照）は例えば加熱線として形成されている。さらに１実施形態において外被８は金属から導電性に形成することができる（図８と図１０参照）。
【００４０】
図５に示す本発明に係る流れ測定装置の測定要素２の他の構成は、セラミックス材料から成る特に円筒形の本体１６によって取り囲まれた２つの光導波路４ａ、４ｂを備えている。一方の光導波路４ａは測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に上流側部分の近傍に配置され、他方の光導波路４ｂは測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に下流側部分の近傍に位置決めされている。セラミックス本体１６の周りに加熱要素６が測定要素２を取り囲むように配置されている。特に、加熱要素６は同時に測定要素２の筒状外被８を形成する。
【００４１】
図６は、本発明に係る流れ測定装置の２つの光導波路４ａ、４ｂを備えた測定要素３１の他の構成を示す。各光導波路４ａ、４ｂは、筒６ａ、６ｂまたは被覆７ａ、７ｂの態様の相応する加熱要素６ａ、６ｂまたは７ａ、７ｂによって取り囲まれている。加熱要素６ａ、６ｂまたは７ａ、７ｂは、セラミックス材料から成る特に円筒形の本体１６によってやはり取り囲まれている。一方の光導波路４ａは付設された加熱要素６ａまたは７ａと共に測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に上流側部分の近傍に配置され、他方の光導波路４ｂは付設された加熱要素６ｂまたは７ｂと共に測定要素表面９のうち流れ方向に対して実質的に下流側部分の近傍に位置決めされている。セラミックス本体１６自体は測定要素３１の筒状不動態化外被８によってやはり取り囲まれている。
【００４２】
図７には本発明に係る流れ測定装置の測定要素３の断面が示してあり、互いに接する２つの光導波路４ａ、４ｂに蒸着された金属層７ａ、７ｂは同時に測定要素３の加熱要素７となる。金属層７は光導波路４ａ、４ｂの共通の外被８を形成する。この構成は弾性を特徴としており、測定要素３はその空間的広がりを必要に応じて適合させることができる。さらに測定要素３は特別簡単な製造法を特徴としており、この製造法では光導波路対４ａ、４ｂが従来公知の種類の被覆プロセスにおいて適切な導電性材料で被覆される。この構成はさらに、図１〜図６による測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２または３１の実施例に比べて特別僅かな熱容量を有し、従って流れ状況の変化に一層迅速に反応することを特徴としている。
【００４３】
前記諸構成において使用された加熱要素５、６、７は有利には金属または金属合金から形成されている。物理的および／または化学的ストレスに応じて例えば鋼、銅、アルミニウム、青銅、コンスタンタン等を使用することができる。例えばガスタービンの流れ通路内での高温応用には、タングステン等の金属で被覆するのが好ましい。化学侵食性環境での低温において応用するには例えば導電性ポリマーも利用することができる。ここに示す実施例において加熱要素５、６、７の材料はそれぞれ一定の電気抵抗を有する。特に、抵抗は動作温度範囲内で殆ど温度に左右されない。従って、一定の電流もしくは一定の実効値の交流を加熱要素５、６、７に供給すると、加熱要素５、６、７の長さにわたって均一な電力供給が得られ、加熱要素５、６または７は各測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１の長手方向長さにわたって均一に熱を与えられる。
【００４４】
図８〜図１２は本発明に係る流れ測定装置の実施例を基本回路図で示す。図８の流れ測定装置は図２による測定要素１ａを含み、図９の流れ測定装置は図３による測定要素１ｂを含み、図１０の流れ測定装置は図４の測定要素１ｃを含み、図１１の流れ測定装置は図６による測定要素３１を含み、図１２の流れ測定装置は図５もしくは図７による測定要素２または３を含む。本発明に係る流れ測定装置の上記すべての実施例はさらに制御ユニット２０と評価ユニット２３とを有する。各測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１はその長手軸線がｙ方向に延びている。図１２による流れ測定装置の測定要素２または３は各端部でその加熱要素６または７が制御ユニット２０と電気的に接続され、また両方の端部の一方で評価ユニット２３と光学的に結合されている。その際、両光導波路４ａ、４ｂは各１つの光結合ファイバ２５ａ、２５ｂを介して評価ユニット２３と一緒に結合されている。図８〜図１１による流れ測定装置の測定要素１ａ、１ｂ、１ｃまたは３１は一方の端部が制御ユニット２０と電気的に、また光学的に評価ユニット２３と結合され、測定要素１の他方の端部は自由に利用可能である。これにより、測定要素１ａ、１ｂ、１ｃまたは３１の特別簡単な組立および／または取扱いを達成することができる。測定要素１ａ、１ｂ、１ｃまたは３１の光導波路４ａ、４ｂの１つは光結合ファイバ２５を介して評価ユニット２３と結合されており、光導波路４ａ、４ｂは互いに直列に結合されている。しかし個々の光導波路４ａ、４ｂは、相互に結合することなく、図１２と同様に個々に評価ユニット２３と結合することもできる。
【００４５】
制御ユニット２０は電気エネルギー源２１を有する。２つの端子を有するエネルギー源２１は実施例によれば、加熱要素５、６または７が電力を供給されて熱を発生するように加熱要素５、６または７と接続されている。電気エネルギー源２１は特に、一定の直流を設定可能である電流源である。
【００４６】
測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１は周囲を流体２２が流れ、流体の流れは測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１の長手方向長さに沿って異なる流速を有することがあり、そのことが異なる長さの矢印で示してある。流体２２の流れ方向は、簡略のため、既に上で述べたようにｘ方向に向いている。流体２２の流れ方向を測定するため、測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３もしくは３１の加熱要素５、６または７は電力を供給されて昇温する。この加熱過程は少なくとも、測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１内に熱平衡が生じるまで継続すべきであろう。しかし加熱過程は一層短く選択することもできる。
【００４７】
光源と検出器と分析手段とを有する評価ユニット２３によって、連続レーザビームの態様またはレーザパルスの態様の光が光結合ファイバ２５を介して測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１の光導波路４ａ、４ｂに入射され、後方散乱光が分析手段で分析される。光導波路４ａ、４ｂに入射する電磁波が光導波路４ａ、４ｂを通過する際に散乱される作用が測定に利用される。散乱光の一部は逆方向に散乱され、光導波路４ａ、４ｂの入口で検出することができる。この散乱作用の温度依存性によって光導波路４ａ、４ｂの温度を推定することができる。後方散乱光信号は測定要求に関してさまざまに適した異なる成分から成る。例えば、後方散乱信号はラマン散乱成分を含む。ファイバブラッグ格子技術でもって、ラマン技術と比較して、特に機械内での温度測定に利用するうえで優先することのできる高い位置分解能が達成可能である。
【００４８】
レーザ光は周知の如くに従来技術の機器で生成される。温度に依存して光導波路４ａ、４ｂ内でレーザ光の一部はファイバブラッグ格子１３によって後方散乱する。この後方散乱光信号は光結合ファイバ２５を介して評価ユニット２３に供給され、これからこの評価ユニットが光導波路４内のファイバブラッグ格子１３の箇所の温度を求める。
【００４９】
評価ユニット２３によって、測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１の内部で個々の光導波路４ａ、４ｂに帰属する相応の温度が求められる。各光導波路４ａ、４ｂの相対位置に依存して、指向性流れを有して流れる流体２２において測定要素１、２または３内の光導波路４ａ、４ｂの箇所で異なる温度が生じる。この異なる温度は、評価ユニット２３によって、例えば評価ユニット２３に付設された計算ユニット内で差を形成することによって互いに比較され、そこから評価ユニットは流体２２の流れ方向を求める。
【００５０】
図８〜図１２の実施例に示したように測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１が複数のファイバブラッグ格子１３を光導波路４ａ、４ｂに沿って有する場合、測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１に沿った温度分布から、流体２２の流速分布を有する流速を決定することができる。
【００５１】
図８による本発明に係る流れ測定装置の実施例において測定要素１ａは、例えば加熱線として形成された加熱要素５を有する。エネルギー源２１は一方の端子が加熱要素５と接続され、他方の端子が測定要素１ａの導電性外被８と接続されている。加熱要素５は測定要素１ａの反対側端部でやはり導電性外被８と接続されている。
【００５２】
図９による本発明に係る流れ測定装置の実施例において測定要素１ｂは、例えば加熱線として形成された２つの平行な加熱要素５を有する。両加熱線は測定要素１ｂの一方の端部で電気結合導体によって互いに接続されている。測定要素１ｂの他方の端部では両加熱要素５の一方がエネルギー源２１の一方の端子と接続され、他方の加熱要素５がエネルギー源２１の他方の端子と接続されている。同様に、測定要素１ｂの一方の端部で両方の平行に延びる光導波路４ａ、４ｂが光結合ファイバによって互いに結合され、測定要素１ｂの他方の端部では両光導波路４ａ、４ｂの一方のみが光結合ファイバ２５を介して評価ユニット２３に接続されている。
【００５３】
図１０による本発明に係る流れ測定装置の実施例では、測定要素１が合計４つの平行な光導波路４ａ、４ｂを有する。加熱線として形成された加熱要素５が光導波路の間に配置されている。エネルギー源２１は一方の端子が加熱要素５と結合され、他方の端子が測定要素１ｃの導電性外被８と接続されている。加熱要素５は測定要素１ｃの反対側端部でやはり導電性外被８と接続されている。４つの光導波路４ａ、４ｂが光結合ファイバによって互いに直列に測定要素端部に結合されており、光導波路４ａ、４ｂの１つのみが評価ユニット２３に直接接続されている。測定要素１ｃの横断面中心に配置された加熱要素５の周りに例えば円形に配置された複数の光導波路４ａ、４ｂを有するこのような測定要素１ｃを使用すると、流体２２の流れ方向をなお一層正確に決定することが可能となる。
【００５４】
図１１による本発明に係る流れ測定装置の実施例では測定要素３１が、例えば導電性筒または被覆として形成された２つの平行な加熱要素５を有し、両加熱要素は測定要素３１の一方の端部で互いに接続されている。測定要素３１の他方の端部で２つのうち一方の加熱要素５がエネルギー源２１の一方の端子と接続され、他方の加熱要素５がエネルギー源２１の他方の端子と接続されている。同様に、測定要素１ｂの一方の端部で２つの平行に延びる光導波路４ａ、４ｂは光結合ファイバによって互いに結合され、測定要素１ｂの他方の端部では両光導波路４ａ、４ｂの一方のみが光結合ファイバ２５を介して評価ユニット２３に接続されている。
【００５５】
しかし図８、図１０と同様に、図９、図１１の両加熱要素５を一方の端部で、この場合導電性に実施された外被８と一緒に接続することも考えられ、こうしてエネルギー源２１は測定要素１ｂもしくは３１の他方の端部で同様に外被８に接続することができる。図示しないこの実施例では両方の加熱要素５はエネルギー源２１の同一の端子に一緒に接続可能でなければならない。
【００５６】
図１２による本発明に係る流れ測定装置の実施例においてエネルギー源２１の１つの端子は測定要素２または３の一方の端部で、導電性筒８（図５）または導電性被覆（図７）として形成された加熱要素６または７と結合されている。エネルギー源２１の第２端子は測定要素２または３の他方の端部で電線路によって加熱要素６または７と結合されている。
【００５７】
図１３は流体２２をｘ方向に流す流れ通路１４の円形横断面を示す。流れ通路１４は例として、流れ通路横断面に関して半径方向に配置された２つの測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１を備えている。両測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１は電気的接続線２６を介して制御ユニット２０と接続され、また光結合ファイバ２５を介して評価ユニット２３と結合されている。
【００５８】
図１４には電気機械としての発電機が略示してある。この発電機はハウジング２８に強固に結合された定置ステータ１９とロータ軸１７上で可動支承されたロータ１８とを有する。発電機は冷却装置によって冷却流体２２としての例えば空気で冷却される。このため冷却装置が２つのファン２７を有し、ファンは管路系によって冷却空気２２を発電機内に通す。このため管路系は多数の流れ通路を、特にステータ１９内にも有する。図示の実施例において冷却空気２２は外から内へロータ１８の方向にステータ１９内を送られ、さらにステータ１９とロータ１８との間に配置された隙間を通して外へ輸送される。しかし同時に発電機のロータによって空気２２が吸入され、内から外へ逆方向にステータ１９内を圧送される。両方の空気流が不利に重なる場合、管路系の内部で流れが停止し、それとともに場合によっては発電機の局所的過熱および破損を生じる。そのことを避けるために、本発明に係る流れ測定装置によって流れ通路内の流れ方向が監視される。この実施例において例として発電機の２箇所で２つの流れ通路は本発明に係る流れ測定装置の各１つの測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１を備えている。両方の測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１は付属の制御ユニット２０および評価ユニット２３と接続されている。こうして、冷却空気の流れに不規則性がある場合、直ちに反応して好適な保護措置を開始する可能性が与えられている。
【００５９】
空冷発電機における本発明に係る流れ測定装置の利用はここでは例として役立つにすぎない。流体２２としてのＨ2ガス、希ガスまたは任意の別の気体で冷却される電気機械において本発明に係る流れ測定装置を使用することも可能である。水等の冷却液、または極低温冷凍の場合には液体希ガスまたは液体窒素も、冷却する流体２２として予定することができる。
【００６０】
本発明に係る流れ測定装置は、例えば蒸気タービンまたはガスタービン等のタービンにおいても利用することができる。本発明に係る流れ測定装置によって、特に乱流領域内、付属する冷却空気系内、付属する圧縮機内、付属する圧縮機入口および／または相応する排気流中で流れ方向を測定することができる。
【００６１】
図に示した実施例は本発明を説明するのに役立つにすぎず、これらに限定するものではない。特に測定要素１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３または３１の種類、特にその幾何学形状は、本発明の保護範囲から逸脱することなく変更することができる。さらに、流れ方向の特定の変化を一層正確に調べることができるように複数の要素を相互接続することも当然に可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係る流れ測定装置の、一方の端部にプラグコネクタを有する棒状実施の測定要素の側面図である。
【図２】１つの加熱導体とこれに平行に配置された２つの光導波路とを有する測定要素の１構成例の断面図である。
【図３】２つの加熱導体とこれに平行に配置された２つの光導波路とを有する測定要素の１構成例の断面図である。
【図４】１つの加熱導体とこれに平行に配置された４つの光導波路とを有する測定要素の１構成例の断面図である。
【図５】２つの光導波路を取り囲む１つの加熱要素を有する測定要素の他の１構成例の断面図である。
【図６】平行に配置されて各１つの加熱要素によって取り囲まれた２つの光導波路を有する測定要素の１構成例の断面図である。
【図７】相接触する２つの光導波路の表面に直接取付けられた１つの加熱要素を有する測定要素の他の１構成例の断面図である。
【図８】図２による測定要素を備えた本発明に係る流れ測定装置の１実施形態の基本回路図である。
【図９】図３による測定要素を備えた本発明に係る流れ測定装置の１実施形態の基本回路図である。
【図１０】図４による測定要素を備えた本発明に係る流れ測定装置の１実施形態の基本回路図である。
【図１１】図６による測定要素を備えた本発明に係る流れ測定装置の１実施形態の基本回路図である。
【図１２】図５または図７による測定要素を備えた本発明に係る流れ測定装置の１実施形態の基本回路図である。
【図１３】本発明に係る流れ測定装置の測定要素を備えた冷却装置の流れ通路の横断面図である。
【図１４】本発明に係る流れ測定装置の複数の測定要素を備えた発電機の断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１ａ、１ｂ、１ｃ、２、３、３１  測定要素
４、４ａ、４ｂ  光導波路
５、６、７  加熱要素
８  外被
１０ａ、１０ｂ  熱流
１３  ファイバブラッグ格子
１４  流れ通路
１８  ロータ
１９  ステータ
２０  制御ユニット
２２  流体
２３  評価ユニット
２８  機械ハウジング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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2009529687.tif 000018
2009529687.tif 000019
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