(57)【要約】  回転部品の光ファイバセンサで測定するための結合光学系について、回転部品内の光ファイバに対する測定用光線の位置合せを簡単に達成するために、２つの結合したゴニオメータ装置を使用することが提案される。ゴニオメータ装置は、一方または両方のゴニオメータ装置に基づいて移動時に光線が受信用コリメータにそのまま衝突するように結合されている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線（１０）を指向性放出および／または受信するための装置であって、
−１つの角度調整要素（２１）と
−前記角度調整要素（２１）に結合された１つの光導波路（７）とを有し、前記光導波路が前記角度調整要素（２１）の領域内で端部を有し、かつ光導波路を通して導波した光を放出し、
前記角度調整要素（２１）は前記光線（１０）の出射方向の確定を可能とするように形成されており、可能な前記出射方向の少なくとも一部において前記光線（１０）は空間内の、前記出射方向に依存しない確定された１点（２５）を通過し、前記点（２５）が装置の外側にある装置。
【請求項２】
前記角度調整要素（２１）が１つのゴニオメータ段から成る請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記角度調整要素（２１）が２つのゴニオメータ段から成り、前記ゴニオメータ段によって前記光導波路（７）の端部がボール表面の一部にわたって運動可能である請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記角度調整要素（２１）がボールジョイントとして実現されており、前記ボールジョイントによって前記光導波路（７）の前記端部がボール表面の一部にわたって運動可能である請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記光導波路（７）の前記端部の領域に１つのコリメータ（８、１１）が設けられている請求項１から４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
前記出射方向と空間内の前記点（２５）との平行移動を前記出射方向に垂直な１方向または２方向で可能とする１つの直線調整要素が付加的に設けられている請求項１から５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
１つの第１の要素（２）と前記第１の要素に対して相対的に回転運動する１つの第の２要素（３）とを有する機械（１）であって、請求項１から６のいずれか１つに記載の装置が前記要素の一方に設けられており、前記一方の要素から入射する光（１０）を転送するための他の１つの光導波路（１２）が他方の前記要素に設けられている機械。
【請求項８】
前記第２の要素（３）上で前記他の光導波路（１２）の前記端部が１つのコリメータ（１１）を有する請求項７記載の機械（１）。
【請求項９】
請求項１から６のいずれか１つに記載の装置が前記他方の要素上にも設けられている請求項７記載の機械（１）。
【請求項１０】
前記光導波路（７）から前記第２光導波路（１２）に伝送される出力の割合を表す値が突き止められ、前記値が確定可能な閾値を通過するや、前記角度調整要素（２１）によって前記出射方向の修正が行われる請求項７から９のいずれか１つに記載の機械（１）。
【請求項１１】
前記第２光導波路（１２）が物理量のための少なくとも１つのセンサ（１３〜１５）と結合されており、またはそのようなセンサ（１３〜１５）を有する請求項７から１０のいずれか１つに記載の機械（１）。
【請求項１２】
前記第１要素がステータ、前記第２要素がロータである請求項７から１１のいずれか１つに記載の電気機械。
【請求項１３】
前記第１要素がケーシング（２）の一部であり、前記第２要素がタービン翼（３）の一部である請求項７から１１のいずれか１つに記載のタービン設備（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転部品上で光ファイバセンサにより測定を行うための結合光学系用の調節装置に関するものであり、その際自由光線が２つの光導波路の間の距離を橋絡しなければならない。
【背景技術】
【０００２】
発電所内の電気的、熱力学的大型機械はますます構造および材料の負荷限界近くで運転される。局所的過負荷を検出するために、特に、このような機械のロータ等の回転部品にセンサが設けられる。センサは無線で外部から読み取られねばならない。特別な関心は温度分布と伸びを判定することにある。
【０００３】
可動機械部品からのセンサ測定データの無線伝送とセンサ自体とに関してさまざまな可能性がある。このような１つの可能性はデータ伝送のための無線インタフェースまたは赤外線（ＩＲ）インタフェースを有する電気作動式センサを使用することにある。この電気的可能性では欠点としてなかんずく、センサが典型的には補助エネルギーを必要とし、この補助エネルギーは手間をかけて回転部品に提供されねばならない。
【０００４】
この欠点を回避するために受動的光センサ、例えばファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）を一体化した光ファイバが、温度および伸び用センサとして好んで利用される。これらのセンサにおいては、たとえば光ファイバに光を入射させ、ＦＢＧの１つの反射特性を観察することによって、センサ信号が生成される、すなわちセンサとしての動作が確認される。反射特性の変化から、機械荷重または温度変化に基づくＦＢＧの伸びまたは圧縮率を推定することができる。
【０００５】
入射すべき光を固定式評価ユニットから可動機械部品へと送るために、レンズコリメータによる自由放射結合が必要である。しかし、代表的には僅か５〜９μｍのコア直径を有する単一モードファイバが可動機械部品上で光ファイバとして使用されるので、レンズコリメータの調節はきわめて複雑である。コリメータの相互距離、すなわち自由光線によって橋絡すべき区間は普通１ｍｍ〜２ｍである。その際コリメータは、恒常的光伝送が可能となるよう正確に機械軸線上に取付けておくことができる。コリメータは軸線の外側に取付けておくこともでき、その場合光伝送が可能であるのは回転運動の枠内でコリメータが相互に脇を通過するときだけである。
【０００６】
レンズコリメータを介して平行光線を１つのガラスファイバに入射するために４つの調節自由度がある。一方で光スポットは受信用コリメータのレンズの中心に当らねばならない。これにより２つの自由度が得られ、この自由度は光線の平行移動にある。他の２つの自由度は、受信する光ファイバに光が最適に入射されるように、入射すべき光線が受信用コリメータの光軸と平行に位置合せされていなければならないことによって生じる。これにより得られる二次元角度範囲について適切な値が見出されねばならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、出射側から受信側へと光線の簡単な調節を可能とする装置を明示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、請求項１の特徴を有する装置によって解決される。従属請求項は本発明の有利な諸構成に関する。
【０００９】
光線を指向性放出および受信するための本発明に係る装置は１つの角度調整要素と前記角度調整要素に結合された出射する１つの光導波路とを有する。前記光導波路は前記角度調整要素の領域内で端部を有し、こうして光導波路を通して導波した光を放出する。
【００１０】
前記角度調整要素は前記光線の出射方向の確定または換言するなら変更を可能とするように形成されており、可能な前記出射方向の少なくとも一部において前記光線は空間内の、前記出射方向に左右されない確定された１点を通過し、その際この点は装置の外側にある。
【００１１】
他の光導波路の末端、または前記他の光導波路の末端のレンズコリメータのレンズ表面が、光線の絶えず通過する点として優先的に選択される。その場合角度調整要素によって、光線が常に正確にレンズコリメータもしくは光導波路の正しい箇所に当り、入射方向のみが変化することになる。
【００１２】
こうして本発明は、例えば光導波路の出射端と前記他の光導波路の入射端との間の距離とそれらの相対位置とから成る所定のジオメトリにおいて最適入射角度を簡単に設定する可能性を提供する。そのことから、与えられた可能性の枠内で、前記光導波路から前記他の光導波路への光出力の最大可能な転送が保証され、つまり両方の光導波路の最適な光結合が保証される。
【００１３】
角度調整要素の１つの可能性はボールジョイントを使用することにある。ジョイント構造を介して光導波路末端の運動が制御されて光線が常に固定点を通過するようにボールジョイントは形成されている。他の１つの可能性は、１つの側面が空間内の前記点を常に向くようにボール片がその上を動かされるボールレース要素を使用することにある。
【００１４】
角度調整要素の好ましい１つの可能性はゴニオメータ段を使用することにある。ゴニオメータ段によって光導波路の末端が湾曲線上を動かされ、その際に向きを変え、この運動は結局、ボール表面上での直線運動に一致する。その際、光線は常にこのボールの仮想中心点を向いたままである。この仮想中心点は、それがまさに前記他の光導波路の末端にあり、または前記他の光導波路の末端のレンズコリメータのレンズ表面にあるように定められる。
【００１５】
特別好ましくは、２つの結合されたゴニオメータ段が使用される。ゴニオメータ段は互いに直角に作用し、光導波路の末端が湾曲面上を動かされ、その際に向きを変えられることをこうして可能とし、この運動は結局、ボール表面の一部にわたる運動に一致する。その際、光線は常にこのボールの仮想中心点を向いたままである。仮想中心点は、それがまさに前記他の光導波路の末端にあり、または前記他の光導波路の末端のレンズコリメータのレンズ表面にあるようにやはり定められる。これにより特別有利なことに、ゴニオメータ段が通過し得る角度範囲の枠内で前記他の光導波路の各位置合せを修正することが可能になる。換言するなら、いずれにしても光線は前記他の光導波路の末端もしくは受信用コリメータの軸線に対して、出射する光導波路に対して軸線が過度に強く回動しているのでない限り、平行に位置合せすることができる。
【００１６】
好ましくは、出射する光導波路の末端に既知構造様式の１つのレンズコリメータが設けられている。
【００１７】
本発明の有利な１構成において１つの直線調整要素が付加的に設けられている。この直線調整要素は、出射方向と空間内の前記点との相対移動を出射方向に垂直な１方向または２方向で引き起こす。こうして放射方向、つまり入射方向を変化することはなく、空間内の前記点は前記他の光導波路または受信用コリメータの位置に適合させることができる。
【００１８】
前記装置の好ましい設置場所は、１つの第１要素と前記第１要素に対して相対的に回転しまたは直線運動もする１つの第２要素が設けられている機械である。その場合、要素の一方に前記装置が設けられている。望ましくは、前記装置から入射する光を転送するための他の１つの光導波路が他方の前記要素に設けられている。その際望ましくは、前記第２要素上で前記他の光導波路の前記末端も１つのレンズコリメータ、つまり受信用コリメータを有する。
【００１９】
光線を指向性放出および／または受信するための装置は両方の要素上に設けておくこともできる。例えば一方の要素上に第１方向用角度調整要素を設け、他方の要素上には第１方向に垂直な第２方向用の角度調整要素を設けておくことができる。
【００２０】
望ましくは、機械の周囲に対して相対的に静止した要素は２つのゴニオメータ段が設けられた指向性光線放出および／または受信装置を有し、機械の周囲に対して相対的に回転する要素は１つの受信用コリメータのみを有する。
【００２１】
本発明の有利な１構成において、前記光導波路から前記第２光導波路に伝送される出力の割合を表す値が突き止められ、前記値が確定可能な閾値を通過するや、前記角度調整要素によって前記出射方向の修正が行われる。換言するなら、光線の位置合せがなお最適であるか否か、または伝送された出力が最適値に対して低下し、場合によっては位置合せを再修正するか否かが、制御系によって点検される。これにより、強い機械的負荷を受ける機械、それゆえに位置合せが時間と共に低下することのある機械でも、最適な光結合が保証されうる。
【００２２】
前記他の光導波路が物理量のための少なくとも１つのセンサと結合されており、またはそのようなセンサ自体を有すると、特別有利である。後者の場合、前記他の光導波路は例えば、温度または機械的負荷の測定を実行可能とする１つまたは複数のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）を有することができる。ＦＢＧセンサを読み出すために例えば既知スペクトルの光線を機械静止部品上で光導波路に入射することができる。前記装置を介して光線は機械回転部品上の他の光導波路内に伝送される。機械回転部品は当然に、回転運動の過程で他の光導波路が装置の脇を通る時間にのみ通過する。光線はＦＢＧセンサで一部が反射され、こうして装置を介して再び静止機械要素上の光導波路内に戻される。そこで反射は評価することができる。
【００２３】
装置により、十分な光出力が光導波路の間で交換されることが保証される。調節自体はモータを介してまたは手動で行うことができる。他方で、相応に構成した場合、機械運転時に再調節も可能であり、その場合望ましくは相応するアクチュエータを介して可能である。
【００２４】
電気機械の場合は、例えば発電機とすることができる。その場合、前記第１要素がステータ、前記第２要素がロータである。
【００２５】
さらに、機械はタービン設備、例えばガスタービンまたは蒸気タービンとすることもできる。機械は、必ずしも発電に役立たない別形式のタービンとすることもできる。
【００２６】
本発明の決して限定するものではないが好ましい実施例が以下で図面を基に詳しく説明される。諸特徴が略示してあり、該当する特徴には同じ符号が付けてある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】光センサを有するタービン設備を示す。
【図２】調節装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１はガスタービン設備１のうち光センサ装置にとって重要な部品を概略図で示す。ガスタービン設備１は固定ケーシング２とこのケーシング内に回転可能に取付けられた動翼３とを有する。動翼３は一連のファイバブラッグ格子センサ１３〜１５を備えている。ファイバブラッグ格子センサは、動翼３のさまざまな箇所の温度を判定するのに役立つ。分散した温度測定によって動翼３の過負荷は迅速確実に検出することができ、これにより動翼３の寿命、従ってガスタービン設備１の寿命が長くなる。
【００２９】
ここに例示的に示した３つのファイバブラッグ格子センサ１３〜１５は、やはり例示的に、単一モードガラスファイバ１２を介して応答し、つまり同じファイバ上にある。一般に知られているようにファイバブラッグ格子センサ１３〜１５のブラッグ格子は、異なる波長に応答し、従って相互に邪魔することがなく、つまり換言するなら同時読取りが問題なく可能であるように形成することができる。
【００３０】
ファイバブラッグ格子センサ１３〜１５の１つによってセンサ値を確認するために、知られているように望ましくは、幅広いスペクトルを有する光線が単一モードガラスファイバ１２に入射される。光線は次にファイバブラッグ格子センサ１３〜１５のそれぞれで部分的に反射され、反射する割合は各ファイバブラッグ格子センサ１３〜１５の反射範囲１６〜１８によって確定される。動翼３は極端な機械的負荷および熱的負荷を受けるので、センサ装置の残りすべて、つまりファイバブラッグ格子センサ１３〜１５を有する単一モードガラスファイバ１２以外のすべては動翼３の外側に、つまり固定ケーシング２内に収容される。
【００３１】
それゆえにケーシング２内には光源４、例えば発光ダイオード、またはＳＬＥＤ（スーパールミネッセントダイオード）が設けられている。光源は、ガラスファイバ７に入射される望ましくは比較的幅広の光スペクトルを発生する。静止ケーシング２と可動動翼３との間の隙間の領域で、ガラスファイバ７を成端するケーシング側レンズコリメータ８を介して自由光線１０が発生する。この自由光線が動翼側レンズコリメータ１１へと進み、このレンズコリメータは光線１０を単一モードガラスファイバ１２に入射させる。
【００３２】
動翼３で反射後、発生した光線の残りは同じ経路を戻り、つまり動翼側レンズコリメータ１１を介して光線１０としてケーシング側レンズコリメータ８へと戻る。戻る光線はスプリッタ６において分光器１９へと分岐され、この分光器内でスペクトルの評価が行われ、そこからやはり例えば温度または機械的負荷の測定値が生成される。
【００３３】
信頼できる正確な測定値を発生させるために、単一モードガラスファイバ１２とガラスファイバ７との間に最適な光結合が存在すると有利である。すなわち、光源４によって発生する光出力の極力大きな割合がケーシング２と動翼３との間の隙間を介して単一モードガラスファイバ１２内に伝送されねばならず、また逆にファイバブラッグ格子センサ１３〜１５内で反射した光出力の極力大きな割合が再びガラスファイバ７内に、従って分光器１９内に入らねばならないであろう。
【００３４】
このため以下では、ケーシング２の側で当該調節が行われると前提される。但しこれは単なる例示と理解すべきである。付属する装置での調節は同様に動翼３の側でも十分行うことができ、またはケーシング２と動翼３とに分散することさえできる。
【００３５】
調節は、望ましくは、相互に当然独立してはいない４つの自由度の正しい設定を含む。一方で、光線１０は動翼側レンズコリメータ１１に入らねばならない。すなわち、動翼側レンズコリメータ１１上の衝突点は動翼側レンズコリメータ１１の軸線に垂直な想定平面上で正しく設定されねばならず、これは２つの自由度に相当する。
【００３６】
ここでの例においてこれはまず当該予調節によって保証される。このため例えば調整ねじを設けておくことができ、出射点、つまりケーシング側レンズコリメータ８の位置はこれらの調整ねじを用いて手動で設定することができる。しかしここでの例において精度は約０．５ｍｍであればよい。
【００３７】
衝突点２５が正しく設定されている場合、他の２つの自由度は適切に調節されねばならない。これらの自由度は正しい入射角度にある。光線１０がまさに動翼側レンズコリメータ１１と平行もしくは単一モードガラスファイバ１２の末端と平行であるとき、入射角度は最適である。この装置のため、図１では単に示唆し図２に一層正確に示した調節装置９が利用される。
【００３８】
図２はその中心に自由光線１０が衝突する動翼側レンズコリメータ１１を示す。ファイバブラッグ格子センサ１３〜１５を有する単一モードガラスファイバ１２がやはり図２に示唆してある。光線１０はケーシング２の側でケーシング側レンズコリメータ８から出射する。
【００３９】
ケーシング側レンズコリメータ８はゴニオメータ装置２１に取付けられている。ゴニオメータ装置２１は２つのゴニオメータ段を有し、調節領域２４内で自由光線１０の調整を可能とする。角度を調整するために、つまりゴニオメータ装置２１を設定するために、その側に調整ねじ２３が設けられている。ゴニオメータ装置２１がボール表面上でケーシング側レンズコリメータ８の運動を強いるので、光線１０は動翼側レンズコリメータ１１に常に中心で入る。それゆえに、ゴニオメータ装置２１と見易くする理由から図２には図示しない他のゴニオメータ段とを介して光線１０は単一モードガラスファイバ１２の末端と平行もしくは動翼側レンズコリメータ１１の軸線と平行になるよう設定することができ、こうして最適な光学結合が保証されている。光線１０は単一モードガラスファイバ１２またはガラスファイバ７の末端と常に平行に送出されるので、その場合最適結合は逆方向についても妥当し、この逆方向のとき、光源４から送出される光の反射する成分がケーシング２と動翼３との間の距離を橋絡しなければならない。
【００４０】
つまり衝突点２５の位置決めが既になされている場合ゴニオメータ装置２１または両方のゴニオメータ段２１は入射角度の設定をもたらし、これにより、その都度別のファイバ７、１２に入射された光出力は最大になる。
【００４１】
ゴニオメータ装置２１を介した衝突点２５および入射角度の、この例に述べた手動設定および調節は構成を簡素化し、故障し難くする。その代わりに最適設定は手動でのみ、すなわちガスタービン設備１を構成する過程でまたは整備時に行うことができる。それゆえに、さらなる代案、すなわち第２実施例は、自動設定を可能とするモータを使用することにある。その場合、調節装置９の構成は一層複雑であるが、しかしガスタービン設備１への手動介入なしの設定を可能とする。
【００４２】
第２実施例では第１実施例におけると殆ど同じ構成が利用される。ケーシング側レンズコリメータ８の領域で直線調整要素が使用され、この直線調整要素はモータを介して衝突点２５の調整を可能とし、入射角度が同時に変化することはない。同時に、両方のゴニオメータ段２１においてやはりサーボモータが利用され、これらのサーボモータは同様に入射角度の調整を可能とし、衝突点２５が同時に変化することはない。こうしてサーボモータを相応に結合して制御する場合、ガスタービン設備１の外側から最適な光結合を設定することができる。この設定は基本的に設備の連続運転時にも行われる。
【００４３】
その際、設備の構成時、ガスタービン設備１の構成を可能とする極力最良な光結合が判定されると望ましい。これは手動で行うことができる。
【００４４】
代替的に、ゴニオメータ段２１の角度範囲と衝突点２５の領域は機械制御式に走査することができ、いかなる設定時に最適結合が存在するのかは自動的に確定することができる。これらの設定、および／または自由光区間を二度通過するときに存在する減衰は、例えば記憶することができる。
【００４５】
閉ループ制御を使用するために第２実施例による構成が使用されると特別有利である。閉ループ制御では、運転の過程で減衰が劣化するか否かは自動的に点検される。劣化する場合、直線調整要素および／またはゴニオメータ段２１用の設定を変更することによって再び最適減衰値、つまり極力最良な結合を達成することは、機械制御式に試みることができる。
【符号の説明】
【００４６】
２  要素（固定ケーシング）
３  要素（動翼）
７  光導波路
８  コリメータ
１０  光線
１１  コリメータ
１２  光導波路
１３〜１５  センサ
２１  角度調整要素（ゴニオメータ装置）
２５  点
【図１】
2011503667.tif 000003
【図２】
2011503667.tif 000004
【国際調査報告】
2011503667.tif 000005
2011503667.tif 000006
2011503667.tif 000007
2011503667.tif 000008
2011503667.tif 000009
2011503667.tif 000010