CN100480651C - 确定物体背面温度的方法及测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定物体(2)背面(4)温度的方法和测量设备，按此方法，借助发射/接收装置(S/E)发射至少一个超声脉冲(50)穿过物体面朝发射/接收装置的表面(3)进入物体，所述至少一个超声脉冲在背对发射/接收装置的物体表面(4)至少部分朝发射/接收装置方向反射，以及，所述至少一个发射的超声脉冲的反射部分(70)被发射/接收装置接收。此外，确定面朝发射/接收装置的物体表面的至少一个温度值(M)，确定所述至少一个超声脉冲穿过物体的至少一个传播时间值(L)，以及，借助所述面朝发射/接收装置的物体表面的至少一个温度值和所述至少一个传播时间值，确定背对所述发射/接收装置的物体表面的至少一个温度(T)。

Description

确定物体背面温度的方法及测量设备

技术领域

本发明涉及一种方法和一种测量设备用于确定物体背面的温度以及所述方法的应用和所述测量设备的应用。

背景技术

由JP2003042857A已知用于借助超声波确定温度的相应方法和相应的设备。

涡轮机，例如汽轮机或燃气轮机，在工业中用作为热力机，为的是将储存在气流内的能量转化为机械能，尤其是旋转运动。此外，涡轮机还可以是压气机，通过它们可将机械能供给气流。为了在燃气轮机中在能量利用方面达到尽可能高的总效率，在燃气轮机流动通道内来自燃烧室的燃气进口温度选择得尽可能高。例如燃气进口温度超过1000℃。

这要求在这种高的物理负荷的情况下对运行中的涡轮机进行观察。其中尤其在涡轮机内部的温度测量提供有关涡轮机状态的重要信息。通常为此使用装在涡轮机内的测量探针，它们的信号和电源线借助绝缘套管通过涡轮机的壁向外延伸。因此大量温度测点需要许多绝缘套管和密封装置。它们在高的物理负荷作用下始终意味着是故障源，因此，为了保证涡轮机可靠运行应尽可能加以避免。

在JP2003042857A中提供了一种方法和一种设备，用它们可以借助超声波测量背对该设备与液体接触的一个壁的表面的温度并因而液体温度。在这里超声波通过壁面朝设备的表面射入壁内，以及在背对的表面上反射。超声波在背对着的与液体接触的表面上反射前和反射后振幅之比，在这里取决于表面的声反射系数，而声反射系数又由液体的声阻抗决定。因为液体的声阻抗与温度有关，所以最终可通过确定和评估超声波因反射引起的振幅减小，确定液体的温度。为了确定振幅减小，测量振幅峰值，然而它们始终叠加有干扰信号和噪声。因此仅在一次反射后几乎不可能准确确定振幅的减小。由此原因检验被两个对置的表面多次反射引起的超声波振幅减小。然而当壁较厚时这是不可能实施的，因为在经过壁时也遭受衰减的超声波的振幅，在多次反射后已经变得非常衰弱并因而不再能进行测量。此外，这种方法和设备需要一种与壁接触的液体，通过它可以显著影响反射系数。对于气体，反之，不再能测量反射系数取决于温度的变化，因为基于近似为1的非常大的反射系数，不再能明确地证实尤其在干扰场中它的小量改变。

发明内容

现在本发明所要解决的技术问题是，应提供一种方法和一种测量设备，用它们可以尽可能简单、可靠、与先有技术相比更加准确和可更通用地实施温度确定。

上述技术问题首先通过一种确定物体背面温度的方法得以解决，按此方法

a)借助一个发射/接收装置发射至少一个超声脉冲穿过物体面朝发射/接收装置的表面进入物体，

b)所述至少一个超声脉冲在背对发射/接收装置的物体表面至少部分朝发射/接收装置方向反射，以及

c)所述至少一个发射的超声脉冲的反射部分被所述发射/接收装置接收，

此方法的特征在于：

d)确定面朝发射/接收装置的物体表面的至少一个温度值，

e)确定所述至少一个超声脉冲穿过物体的至少一个传播时间值，以及

f)借助面朝发射/接收装置的物体表面的至少一个温度值和至少一个传播时间值，确定背对发射/接收装置的物体表面的至少一个温度值。

在此充分利用了这样的事实情况，即，一方面物体尤其是金属物体的膨胀与温度相关，以及另一方面物体内尤其是金属物体内的声速取决于温度。因此，物体例如壁的两个对置表面的距离例如可以随温度增大或减小，而声速通常在温度上升时减小或在温度下降时增大。因此，当超声脉冲射入物体内并被与进入表面对置的物体表面向进入表面反射时，超声脉冲通过物体的传播时间提供了有关物体热膨胀以及有关物体内声速的信息，从而可以推断出物体的温度。

特别有利的是，借助至少一个为发射/接收装置配设的第一声转换器，向物体内发射至少一个超声脉冲，以及借助至少一个为发射/接收装置配设的第二声转换器，接收所述至少一个发射的超声脉冲的反射部分。因此例如可以将所述至少一个超声脉冲以一个与进入表面的表面法向不同的角度发射到物体内，以便在壁的表面彼此非常靠近时尤其增大所述至少一个超声脉冲的传播行程。此外，例如还可以在其对于测量为重要的物体表面彼此不平行的物体上进行测量。

也有利的是，借助至少一个为发射/接收装置配设的声转换器，不仅向物体内发射至少一个超声脉冲，而且接收所述至少一个发射的超声脉冲的反射部分。由此例如可以设计成一种特别紧凑的发射/接收装置。

有利地，所述至少一个超声脉冲聚焦在背对发射/接收装置的那个物体表面上。因此基于功率聚焦和由此可达到的更高的信噪比，可以实现更精确的传播时间测量。

本发明的上述技术问题还可以通过一种确定物体背面温度的测量设备得以解决，该设备有下列部分，即

a)一个发射/接收装置，包括

a1)用于发射至少一个穿过物体面朝发射/接收装置的表面进入物体的超声脉冲的装置，以及

a2)用于接收所述至少一个发射的超声脉冲在背对发射/接收装置的那个物体表面上发射回的至少一个反射部分的装置，

此测量设备的特征在于

b)至少一个用于确定面朝发射/接收装置的物体表面至少一个温度值的装置，以及

c)一个计算装置，包括

c1)用于确定所述至少一个超声脉冲穿过物体的至少一个传播时间值的装置，以及

c2)用于将至少一个面朝发射/接收装置的物体表面的温度值和至少一个传播时间值分配给背对发射/接收装置的物体表面至少一个温度值的装置。

在按本发明的测量设备中具有上面针对按本发明的方法说明的优点。

特别有利的是，所述至少一个用于确定面朝所述至少一个发射/接收装置的物体表面至少一个温度值的装置是至少一个热电偶。借助热电偶提供了一种用于确定射入表面温度的可靠、便宜和易于购买的装置。

与此同时有利的是，测量设备有至少一个用于向物体内发射至少一个超声脉冲的第一装置，尤其是一个第一声转换器，和至少一个用于接收被背对发射/接收装置的物体表面反射的所述至少一个超声脉冲的第二装置，尤其是一个第二声转换器。因此，发射/接收装置可以按一种所谓的“pitch-catch(投掷-捕捉)”模式工作。

还有利的是，测量设备有至少一个不仅用于向物体内发射至少一个超声脉冲，而且用于接收所述至少一个被背对发射/接收装置的物体表面反射的超声波脉冲的装置，尤其是一个声转换器。因此，发射/接收装置可以按一种所谓的“puls-echo(脉冲-回波)”模式工作。

业已证实有利的是，发射/接收装置有一个设在声转换器与物体之间的声波导。由此，各超声转换器可定位在有一些距离处，以避免被例如物体的高温破坏。

有利地，所述至少一个超声脉冲可聚焦在背对发射/接收装置的那个物体表面上。这就有可能例如更精确地确定所述至少一个超声脉冲通过物体的传播时间。

此外采用本发明将所述的方法应用于确定在涡轮机内尤其是燃气轮机或汽轮机内物体的表面温度，在这里，物体是涡轮机的壁，尤其是流动通道壁。按本发明的方法可以实现对于通过涡轮机流动的流体尤其是气态流体的不接触式温度测量，因为壁与此流体接触的表面被认为非常近似于流体的温度。

此外，采用本发明将所述的测量设备应用于确定在涡轮机，尤其燃气轮机或汽轮机上物体表面的温度，在这里，物体是涡轮机的壁，尤其是流动通道壁。在应用按本发明的测量设备时具有上面针对按本发明方法的应用所说明的优点。

附图说明

下面借助附图详细说明本发明设备优选的但绝不仅限于此的实施例。为了看得更清楚附图不按尺寸比例以及某些特征仅示意表示。其中：

图1表示有一个超声转换器的测量设备；

图2表示有两个超声转换器的测量设备；以及

图3用局部剖切透视图表示先有技术的燃气轮机。

在图1至3中互相对应的部分用同一附图标记表示。

具体实施方式

图1表示按本发明具有一个发射/接收装置S/E的测量设备，它作为用于发射和接收超声波束50、70的装置1包括一个尤其形式上为压电或磁致伸缩的转换系统。对此可参阅文献“Physik und Technik desUltraschalls”(H.Kuttruff，S.Hirzel，Verlag Stuttgart，1988，第132至137页)。控制装置13借助电信号控制由发射/接收装置S/E在例如也可以是有镀层的物体2内朝背对发射/接收装置S/E的物体表面4的方向发射至少一个超声脉冲50。所述至少一个超声脉冲50在表面4上或至少表面4的表面附近区域内至少部分反射，从而检测由发射/接收装置S/E发射的至少一个超声脉冲50的反射部分70。在检测时接收的声信号70由超声转换器1转换为电信号。在这里为发射/接收装置S/E配设的超声转换器1直接安装在面朝发射/接收装置S/E的物体表面3上，或也可以如图1所示通过一个声波导管10与物体表面3接触。在这里，所述至少一个超声脉冲50在背对发射/接收装置S/E的物体表面4的聚焦，有利地提高在反射和随后检测时的功效。

取决于两个物体表面3、4彼此可以在1mm至500mm的范围内的间距，所述至少一个超声脉冲50、70的频率居于1MHz至50MHz的频率范围内。

借助一个用于确定温度的装置21，尤其是一个热电偶，测定至少一个有关面朝发射/接收装置S/E的物体表面3温度的值M。为此，用于确定温度的装置21紧邻发射/接收装置S/E安装在表面3上。在这里用于确定温度的装置21受一个为用于确定温度的装置21配设的控制装置22的控制和询问。控制装置22与一个计算装置30连接，所述至少一个被测定的物体表面3的温度值M由控制装置22传输给计算装置30。也可以设想设置多个用于确定温度的装置21，以补偿物体表面3上局部的温度偏差。

为发射/接收装置S/E配设的控制装置13同样与计算装置30连接。在第一个计算步骤中确定所述至少一个超声脉冲50、70通过物体2传播时间的至少一个值L。为此，计算装置30包括相应的用于确定至少一个传播时间值L的装置31。可例如通过给在所述至少一个发射的超声脉冲50与反射及检测的超声脉冲70对应的输入脉冲波前缘之间或对应的第一过零点之间的时间差赋予一个相应的值L，来确定传播时间。但传播时间也可以借助已知的互相关法确定，按此方法发射的超声脉冲50与接收的超声脉冲70借助互相关函数相互关联。由此可直接确定超声脉冲50、70通过物体2传播时间的值L。这两种确定传播时间的方法不需要接收的超声脉冲部分70的振幅线性放大，以及例如配属于为发射/接收装置S/E配设的控制装置13的相应的信号放大器，可以针对抗干扰性调整最佳放大量。

所述至少一个发射的超声脉冲50、70的传播时间是对于在物体2内取决于温度的声速的度量，也是对于物体两个表面3、4相互距离的一种度量。因此与物体2的热膨胀相结合，传播时间是物体2内温度分布及热流的一种综合的反映。

在下一个计算步骤中，借助至少一个传播时间值L和面朝发射/接收装置S/E的物体表面3至少一个温度值M，确定背对发射/接收装置S/E的物体表面4至少一个温度值T。这借助一个为计算装置30配设的分配装置32进行，在该分配装置32中，将所述至少一个传播时间值L和物体表面3的至少一个温度值M与表格中的值进行比较，以及给背对发射/接收装置S/E的物体表面4分配一个温度。在这里，数值表主要包含赋予两个物体表面3和4的温度值M、T以及传播时间值L的不同组合，它们事先在材料相同和有类似尺寸，尤其对于测量为重要的两个物体表面之间有类似距离的物体内进行测量。

借助面朝发射/接收装置S/E的物体表面3的至少一个温度值M和在要检查的物体2热导率已知的情况下，也可以在两个对于测量为重要的物体表面3和4之间已知的距离不同时，通过外推或外插求出背对发射/接收装置S/E的物体表面4的温度。

按本发明确定的背对所述发射/接收装置S/E的物体表面4温度T，通过没有进一步表示的显示或报告装置向一个监测站通报或进一步传输给一个中心站。

计算装置30也可以配备一种比较功能，借助这种功能可以确定是否低于或超出一个可预定的温度阈值。因此，例如在低于或超出此阈值时可以自动发出报告，以便采取恰当的保护措施，例如关闭涡轮机或在发电厂内接通附加的冷却措施。

图2表示按本发明的具有一个发射/接收装置S/E的测量设备，它包括两个用作发射和/或接收的装置(1、11)的超声转换器。在图2中的符号：

11 另一个超声转换器

71 超声脉冲或部分超声脉冲

12 另一个声波导

根据物体2的性质和几何形状，一个由第一个超声转换器1发射的超声脉冲50可以部分反射回到第一个超声转换器1，或也可以在反射的物体表面4上以这样的方式偏转，即，使被反射的超声脉冲部分71有效地由第二个超声转换器11检测。

若面朝发射/接收装置S/E的物体表面3有更高的温度，它例如在燃气轮机60(见图3)中可处于好几百度的范围内，则在所有的上述按图1和2的实施例中均存在这样的可能性，即，必须将各自的超声转换器1、11定位在离开物体表面3一些距离的地方，以避免它们被破坏。在这种情况下，由超声转换器1、11产生的超声脉冲50可借助一个声波导(Active WaveGuides)10、12耦合到物体2内和从物体2输出耦合。

上述按图1和2的两个实施例适用于温度测量，其中，背对发射/接收装置S/E的物体表面4有超过1000℃的温度。这些实施例尤其适用于在涡轮机60，尤其燃气轮机或汽轮机内流体流的温度测量。在图3中表示了这样一种作为先有技术的燃气轮机的涡轮机60，它针对约1200℃的高燃气进口温度设计。此燃气轮机60有一个流动通道61，热燃气通过它流动。此流动通道61被壁2围绕，在其外表面3上例如设置按本发明的测量设备的发射/接收装置S/E。因此按本发明的方法可以穿过流动通道壁2确定流动通道壁2内表面4的温度，并因而可以确定与流动通道壁2内表面4接触的燃气温度。

按本发明的方法和按本发明的设备一般而言可应用于所有有利地穿过物体2，尤其穿过壁进行温度测量的测量设备，因而可以省去通过物体2尤其通过壁的绝缘套管。在这里例如可列举电站设备中的高压管或压力容器或铸模。

Claims (16)

1.一种用于确定物体(2)背面(4)温度的方法，按此方法

a)借助一发射/接收装置(S/E)发射至少一个超声脉冲(50)穿过物体(2)面朝该发射/接收装置(S/E)的表面(3)进入物体(2)，

b)所述至少一个超声脉冲(50)在背对所述发射/接收装置(S/E)的物体表面(4)至少部分朝向所述发射/接收装置(S/E)方向反射，以及

c)所述至少一个发射的超声脉冲(50)的反射部分(70、71)被所述发射/接收装置(S/E)接收，

其特征为：

d)确定面朝所述发射/接收装置(S/E)的物体表面(3)的至少一个温度值(M)，

e)确定所述至少一个超声脉冲(50)穿过物体(2)的至少一个传播时间值(L)，以及

f)借助所述面朝所述发射/接收装置(S/E)的物体表面(3)的至少一个温度值(M)和所述至少一个传播时间值(L)，确定背对所述发射/接收装置(S/E)的物体表面(4)的至少一个温度值(T)。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征为，借助至少一个为所述发射/接收装置(S/E)配设的第一声转换器(1)，向物体(2)内发射出至少一个超声脉冲(50)，以及借助至少一个为所述发射/接收装置(S/E)配设的第二声转换器(11)，接收所述至少一个发射出的超声脉冲(50)的反射部分(71)。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为，借助至少一个为所述发射/接收装置(S/E)配设的声转换器(1、11)，不仅向物体(2)内发射出至少一个超声脉冲(50)，而且接收所述至少一个发射出的超声脉冲(50)的反射部分(70、71)。

4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为，所述至少一个超声脉冲(50)聚焦在背对所述发射/接收装置(S/E)的那个物体表面(4)上。

5.一种确定物体(2)背面(4)温度的测量设备，该设备有下列部分，即

a)一个发射/接收装置(S/E)，包括

a1)用于发射至少一个穿过物体(2)面朝所述发射/接收装置(S/E)的表面(3)进入物体(2)的超声脉冲(50)的装置，以及

a2)用于接收所述至少一个发射出的超声脉冲(50)在背对所述发射/接收装置(S/E)的那个物体表面(4)上反射回的至少一个反射部分(70、71)的装置，

其特征在于

b)至少一个用于确定面朝所述发射/接收装置(S/E)的物体表面(3)至少一个温度值(M)的装置(21)，以及

c)一个计算装置(30)，包括

c1)用于确定所述至少一个超声脉冲(50、70、71)穿过物体(2)的至少一个传播时间值(L)的装置(31)，以及

c2)用于将所述面朝所述发射/接收装置(S/E)的物体表面(3)的至少一个温度值(M)和所述至少一个传播时间值(L)分配给背对所述发射/接收装置(S/E)的物体表面(4)至少一个温度值(T)的装置(32)。

6.按照权利要求5所述的测量设备，其特征为，所述至少一个用于确定面朝所述至少一个发射/接收装置(S/E)的物体表面(3)至少一个温度值(M)的装置(21)是至少一个热电偶。

7.按照权利要求5所述的测量设备，其特征在于，至少一个用于向物体(2)内发射出至少一个超声脉冲(50)的第一装置，和至少一个用于接收被背对所述发射/接收装置(S/E)的物体表面(4)反射回的所述至少一个超声脉冲(71)的第二装置。

8.按照权利要求7所述的测量设备，其特征在于，所述用于向物体(2)内发射出超声脉冲的第一装置为第一声转换器(1)，和所述用于接收被背对所述发射/接收装置(S/E)的物体表面(4)反射回的所述至少一个超声脉冲的第二装置为第二声转换器(11)。

9.按照权利要求5所述的测量设备，其特征在于，至少一个不仅用于向物体(2)内发射出至少一个超声脉冲(50)，而且用于接收被背对所述发射/接收装置(S/E)的物体表面(4)反射回的所述至少一个超声波脉冲(70)的装置。

10.按照权利要求9所述的测量设备，其特征在于，所述不仅用于向物体(2)内发射出至少一个超声脉冲(50)，而且用于接收被背对所述发射/接收装置(S/E)的物体表面(4)反射回的所述至少一个超声波脉冲(70)的装置为声转换器(1、11)。

11.按照权利要求8至10之一所述的测量设备，其特征为，所述发射/接收装置(S/E)有一个设在声转换器(1、11)与物体(2)之间的声波导(10、12)。

12.按照权利要求5至10之一所述的测量设备，其特征为，所述至少一个超声脉冲(50)可聚焦在背对所述发射/接收装置(S/E)的那个物体表面(4)上。

13.一种按照权利要求1至4之一所述方法的应用，用于确定在涡轮机(60)内的温度，在此，所述物体(2)是涡轮机(60)的壁。

14.按照权利要求13所述的应用，其特征为，所述涡轮机(60)的壁是流动通道壁。

15.一种按照权利要求5至12之一所述测量设备在涡轮机(60)上的应用，在这里，所述物体(2)是涡轮机(60)的壁。

16.按照权利要求15所述的应用，其特征为，所述涡轮机(60)的壁是流动通道壁。

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