CN101023334B - 用于确定温度和/或压力的测量装置及该测量装置的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定温度和/或压力的测量装置，该测量装置至少具有一个用于超声波脉冲(50，63，70)的发射/接收单元(S/E)和一个用于反射(15，16，17)超声波脉冲(50，53a)的器件。在此由所述发射/接收单元(S/E)至少发出一个穿过对象(2)进入到所述用于反射的器件中的超声波脉冲(50)，在此所述对象(2)对于超声波脉冲(50，63，70)而言至少部分地可穿透。另外，所述至少一个超声波脉冲(50，53a)可由所述用于反射的器件温度相关地在所述发射/接收单元(S/E)的方向上反射。

Description

用于确定温度和/或压力的测量装置及该测量装置的应用
技术领域
本发明涉及一种用于确定温度和/或压力的测量装置，该测量装置具有至少一个用于超声波脉冲的发射/接收单元以及至少一个用于反射超声波脉冲的器件。另外，本发明涉及一种用于运行所述测量装置的方法以及该测量装置的一种应用。
背景技术
涡轮机、例如蒸汽轮机或燃气轮机在技术上用作热力机械，以用于将存储在气流中的能量转化成机械能，尤其转化为旋转运动。此外，也可以如压缩机那样来考虑涡轮机，通过它可以向气流输送机械能。为了在燃气轮机中在能量利用方面达到尽可能大的总效率，要将从燃气轮机的燃烧室到流动通道的燃气入口温度选择得尽可能地高。例如燃气入口温度高于1000℃。
这要求，在这么高的物理负荷时涡轮机在运行中要处于监控状态下。此时在涡轮机内部进行的温度和压力测量特别提供关于该涡轮机状态的重要信息。为此通常采用在涡轮机中安装测量探头，它的信号和馈电导线借助于通过涡轮机壁的绝缘套管向外引出。因此大量的温度和压力测量点要求大量的绝缘套管和密封件。这表示在高物理负荷的情况下始终存在的误差源，这些误差源要尽可能避免，以便确保涡轮机可靠地运行。
发明内容
在此本发明所要解决的技术问题是，提供一种测量装置和一种用于运行所述测量装置的方法，其可以实现尽可能简单、可靠且成本低廉地确定温度和压力，通过所述测量装置和所述方法可以最大程度地排除上面所提到的问题并开拓广泛的应用空间。
为解决上述技术问题，对应于权利要求1特征部分提供了一种测量装置。
相应地，该用于确定温度和/或压力的测量装置至少具有
-用于超声波脉冲的发射/接收单元，和
-用于反射超声波脉冲的器件，其中
-由该发射/接收单元发出至少一个穿过对象进入到所述用于反射的器件中的超声波脉冲，
-该对象对于超声波脉冲至少是部分地可穿透的，以及
-该至少一个超声波脉冲可由所述用于反射的器件温度相关地在该发射/接收单元的方向上反射。
对温度和/或压力敏感的无源(passiv)测量值接收器通过对象、尤其是通过 金属壁借助于超声波脉冲可以应答，由此可以达到与此相关的优点，即在对象 内、尤其是在金属壁内避免实施并进而避免随之而来的必须的密封。
由从属于权利要求1的从属权利要求中可以得知按照本发明的优选扩展设计。
特别有利的是，所述发射/接收单元具有至少一个声变换器。
所述发射/接收单元优选具有至少两个声变换器。
在此有利的是，所述测量装置具有至少一个用于发出至少一个通过所述对象进入到所述用于反射的器件中的超声波脉冲的第一声变换器以及至少一个用于接收来自所述反射器件的至少一个与温度相关地反射来的超声波脉冲的第二声变换器。
如果所述测量装置具有至少一个不仅用于发出至少一个通过所述对象进入到所述用于反射的器件中的超声波脉冲，而且还用于接收来自所述反射器件的至少一个与温度相关地反射来的超声波脉冲的声变换器，则也是有利。
业已证明有利的是，所述发射/接收单元具有在声变换器与对象之间设置的声波导体。有利的是，所述至少一个超声波脉冲可聚焦到所述用于反射的器件中。
有利地是将所述用于反射的器件构造为具有能导热的围壁和带有朝向所述对象的开口的容器，其中该容器内含材料，该材料的声速相对于所述对象而言具有更高的、尤其至少10倍高的温度系数。
另外有利的是，所述用于反射的器件包括表面波谐振器和声波型变压器或压电变压器，其中所述声波型变压器或压电变压器用于在表面波谐振器与对象之间传输所述至少一个超声波脉冲。
业已证明有利的是，所述用于反射的器件是设有两个电极的压电振荡器、尤其是压电的纵振荡器，该压电振荡器可借助于所述至少一个超声波脉冲引发谐振，其中所述至少一个超声波脉冲应该具有宽频带。
在此优选，所述两个电极与一个电感线圈相连。
此外优选，所述电感线圈设有一个其磁性特性、尤其磁化率与温度相关的核芯。
在此所述核芯优选为磁弹性核芯，其中将该核芯这样安置在所述对象上，使得该核芯借助于所述至少一个超声波脉冲引发谐振。
还有利的是，在所述压电振荡器的一个电极与电感线圈的接头之间设置了一个电容。
优选，所述对象在面对所述反射器件的一侧设有凹槽，在该凹槽中安置所述反射器件。
在此所述反射器件优选形状配合地设置在凹槽中。
所述测量装置优选具有用于控制所述至少一个发射/接收单元的控制器件。
另外，所述测量装置优选具有用于预处理在所述至少一个发射/接收单元中产生的测量信号的信号预处理器件。
此外，所述测量装置优选具有用于传输所述经预处理的测量信号的信号传输器件。
此外，该测量装置优选还具有用于对所传输的测量信号进行分析的信号处理器件。
另外，通过本发明还提供了一种用于运行所述测量装置的方法，其中，由所述发射/接收单元发出至少一个经过对象进入到所述用于反射的器件中，并由所述用于反射的器件在发射/接收单元的方向上与温度相关地进行反射的超声波脉冲。
此外，通过本发明还提供了所述测量装置的一种用途，用于确定涡轮机、尤其燃气轮机或蒸汽轮机内的温度和/或压力。
附图说明
在此借助于附图详细地阐述所述装置的优选、但决不仅限于此的具体实施方式。为了视图清楚起见，附图不是按比例画出的并且仅简略地示出某些特征。附图中：
图1示出具有内含材料的容器作为反射器件的测量装置；
图2示出具有表面波谐振器和声波型变压器或压电变压器作为反射器件的测量装置；
图3示出具有用作反射器件的压电振荡器的测量装置；
图4示出具有压电振荡器和连接在该压电振荡器上的设有核芯的电感作为反射器件的测量装置；
图5示出具有用作反射器件的压电振荡器的测量装置，其中该压电振荡器与设有核芯的电感和电容相连。
在图1至5中相应的构件以相同的附图标记标注。
具体实施方式
在图1中示出按照本发明的具有用于反射的器件的测量装置，所述器件是填充有材料的容器。在此该材料呈现具有特征温度系数的声速。为此请参见参考文献〔1〕。此外，该尤其是压力屏蔽的容器具有导热性能良好的围壁。在图1中的附图标记含义如下：
S/E： 发射/接收单元
1：   超声波变换器
2：   对象
3和4：分别为对象表面
50、51a、61、61a和70：超声波脉冲或超声波脉冲分量
8：   围壁
9：   填料
10：  声波导体
22：  容器
从发射/接收单元向该容器的方向至少发出一个超声波脉冲，在该容器内反射该超声波脉冲并再由发射/接收单元进行检测。在此，发射/接收单元包括尤其是压电或磁致伸缩变换器系统形式的超声波变换器。对此请参见参考文献〔7〕。射入到所述对象内的至少一个超声波脉冲的尽可能高的分量进入到所述容器内并在该容器的后壁上被反射，为此将具有良好声阻抗匹配性的容器内材料设置到背离所述发射/接收单元的对象表面上。在此将所述至少一个超声波脉冲聚焦到所述容器上具有提高效率的优点。通过选择由对象表面(在其上安装所述容器)所反射的超声波分量和从容器中所反射的超声波分量可以提取出在所述填料中的通过时间，并利用关于声学参数、尤其是填料的与温度有关的声速和容器的尺寸的知识来表示容器周围温度的大小的度量。因此由先前测定的在填料中的通过时间可以推导出容器周围的温度。为了通过冗余提高精度，有利的是将热膨胀的影响与声速变化分开，在温度相同的地方安装两个容器，其中一个容器填充具有声速的高温度系数、但较小热膨胀的材料，而其中另一个容器填充具有热膨胀的高温度系数、但声速恒定的材料，并比较对它们的测量。如果不能通过分析实现逆算，则可以通过列表的实验室测量进行比较。
在图2中示出带有用于反射的器件的本发明的测量装置，所述器件包括表面波谐振器和声波型变压器(akustischer Modentransformator)或压电变压器。在图2中进一步通过下述附图标记表示
11 另一个超声波变换器
62 超声波脉冲或超声波脉冲分量
12 另一个声波导体
13 声波型变压器或压电变压器
14 表面波谐振器
也称为SAW(Surface Acoustic Waves)谐振器的表面波谐振器的压电材料可以按公知的方式构造成，其谐振频率与温度或压力相关并且SAW构件在这种意义上用于远程传感(remote sensoring)。对此请参见参考文献〔2〕。为此可以考虑采用在高达1000°K的条件下检验的SAW材料、例如LGS(La3GaSiO14)和LGT(La3Ta0.5Ga5.5O14)。对此请参见参考文献[3]。将由以上材料(其具有也允许衰减足够小地通过对象传输的频率)制成的SAW谐振器设置在背离所述发射/接收单元的对象表面上并借助于尤其能量高的通过对象的超声波脉冲来激励，并对其声振荡同样通过所述对象借助于同一个或第二超声波变换器来监听，其中该第二超声波变换器被优化为接收变换器。将由所述发射/接收单元发出的超声波脉冲传输到所述SAW谐振器上以及对该SAW谐振器的应答可以通过声波模变换器来进行或者可以通过中间连接在背离所述发射/接收单元的对象表面上的压电变压器、尤其是超声波变换器导电地实现。
在图3中示出按照本发明的具有用于反射的器件的测量装置，所述器件包括设有两个电极的压电振荡器、尤其是压电的纵振荡器。在图3中进一步通过下述附图标记表示
53a、63和63a  超声波脉冲或超声波脉冲分量
15  压电(纵)振荡器或压电谐振器，以及
16  和17各为一个电极。
由耐热材料、例如上述LGS和LGT制成的压电纵振荡器在温度和压力影响下改变其声速和几何尺寸并进而改变其谐振频率。对此请参见参考文献〔4〕。该压电纵振荡器在声学上优选耦合连接地设置在背离所述发射/接收单元的对象表面上并通过特别短的超声波脉冲特别宽频带地进行激励。对应于其高质量对其的激励随着其固有频率而逐渐减弱，上述激励可以由带有激励超声波变换器或第二超声波变换器的发射/接收单元接收并表示为内部温度的度量。
在图4中示出按照本发明的具有用于反射的器件的测量装置，该用于反射的器件包括压电振荡器，其中该振荡器的两个电极与电感相连，该电感设有一个其磁特性与温度相关的核芯。在图4中进一步通过下述附图标记表示
18  电感以及
19  核芯或电感核。
公知可以通过耦合连接电振荡电路来改变压电谐振器的谐振频率。对此请参见参考文献〔4〕。同样已知电感元件或磁弹性元件，其电感或谐振在温度影响下基于核芯材料或通常的磁性材料显著的温度系数而变化。对此请参见参考文献〔5〕和〔6〕。因此有利的是，将一个此类元件电耦合地连接在图3所示的压电谐振器上，以便增强由温度影响的频率变化或者在超临界连接时测量多重谐振的差频并进而改善测量动力学或测量分辨率。
在图5中示出按照本发明的具有用于反射的器件的测量装置，该用于反射的器件包括压电振荡器，其中振荡器的两个电极与电感相连，该电感设有一个磁弹性芯。另外还示出了，在压电振荡器的一个电极与电感的接头之间设置了一个电容。在图5中进一步通过下述附图标记表示
80  超声波脉冲或超声波脉冲分量
19m 磁弹性核芯或磁弹性谐振器，以及
20  电容。
在图4所示的实施例的扩展设计中还可以设想，将同时也是磁弹性谐振器的磁弹性核芯与所述压电振荡器一样也连接到背离所述发射/接收单元的对象表面上并通过导电地连接所述两个谐振器来进一步增强谐振失调的效果或者完善其识别率。
此外对于气体温度测量的具体情况可以设想，在所述压电振荡器上电耦合连接电容式的超声波谐振器，其谐振频率通过填充气体的温度相关性来确定。对于电容式的超声波谐振器可以参见参考文献〔7〕。原则上如按照图1所示的实施例那样可以通过耐压、但传热的围壁避免由于环境压力的变化而可能附加产生的影响。
如果背离所述发射/接收单元的对象表面具有例如在燃气轮机的情况下可能处于几百摄氏度范围内的高温，则在所有上面所描述的按照图1至5的实施例中存在这样的可能性，即，必须略微远离地定位各超声波变换器，以避免其损坏。在这种情况下可以借助于声波导体(Active Wave Guides)将由超声波变换器产生的超声波脉冲耦合输入到对象内。
在所有上面所描述的按照图1至5的实施例中为了将所述用于反射的器件固定在所述对象表面上，作为替代方案也可以将该器件设置在一个相应的凹槽中，通过该凹槽将对象与此对应地设置于背离发射/接收单元的一侧。尤其是用于反射的器件可以形状配合地设置在该凹槽中。同样可以设想一个相应的用于图5所示磁弹性核芯的凹槽。
所有上面所描述的按照图1至5的实施例均适用于温度测量，其中背离所述发射/接收单元的对象表面具有高达大约1000℃的温度。
参考文献
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Claims (22)

1.一种用于通过金属壁(2)确定温度和/或压力的测量装置，其至少具有
-设置在所述金属壁(2)上的、用于超声波脉冲(50，61，62，63，70，80)的发射/接收单元(S/E)，和
-用于反射超声波脉冲(50，51a，53a)的器件，所述器件构造为具有能导热的围壁(8)和带有朝向所述金属壁(2)的开口的容器(22)，其中该容器(22)内含有其声速相对于所述金属壁(2)而言具有更高的温度系数的材料(19)，其中
-所述金属壁(2)对于超声波脉冲(50，61，62，63，70，80)至少是部分地可穿透的，以及
-所述发射/接收单元(S/E)用于
-发出至少一个穿过该金属壁(2)进入到所述器件中的超声波脉冲(50)，
以及
-接收该至少一个超声波脉冲(50)的由所述器件与温度相关地在该发
射/接收单元(S/E)的方向上反射的分量(61、62、63、70、80)。
2.按照权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述发射/接收单元(S/E)具有至少一个声变换器(1)。
3.按照权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述发射/接收单元(S/E)具有至少两个声变换器(1，11)。
4.按照权利要求3所述的测量装置，其特征在于，至少一个第一声变换器(1)发出至少一个通过所述金属壁(2)进入到所述器件中的超声波脉冲(50)，以及至少一个第二声变换器(11)接收该至少一个来自该器件的与温度相关的经反射的超声波脉冲(61，62，63，70，80)。
5.按照权利要求1所述的测量装置，其特征在于，至少一个声变换器(1，11)不仅用于发出至少一个通过所述金属壁(2)进入到所述器件中的超声波脉冲(50)，而且还用于接收来自所述器件的至少一个与温度相关的经反射的超声波脉冲(61，62，63，70，80)。
6.按照权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述发射/接收单元(S/E)具有设置在声变换器(1，11)与金属壁(2)之间的声波导体(10，12)。
7.按照权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述发射/接收单元(S/E)用于发射至少一个聚焦到所述器件中的超声波脉冲(50)。
8.按照权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述器件可替换地构造为表面波谐振器(14)和声波型变压器(13)或压电变压器(13)，其中所述声波型变压器(13)或压电变压器(13)用于在该表面波谐振器(14)与所述金属壁(2)之间传输所述至少一个超声波脉冲(50，62，70)。
9.按照权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述器件可替换地构造为设有两个电极(16，17)的压电振荡器(15)，该压电振荡器可借助于所述至少一个超声波脉冲(50，53a，63a)引发谐振。
10.按照权利要求9所述的测量装置，其特征在于，所述两个电极(16，17)与一个电感(18)相连。
11.按照权利要求10所述的测量装置，其特征在于，所述电感(18)设有一个其磁特性与温度相关的核芯(19)。
12.按照权利要求11所述的测量装置，其特征在于，所述电感具有一个磁弹性核芯(19)，其中将该核芯(19)这样设置在所述金属壁(2)上，使得可以借助所述至少一个超声波脉冲(50，53a，63a)对该核芯(1)激励振荡。
13.按照权利要求10至12中任一项所述的测量装置，其特征在于，在所述压电振荡器(15)的一个电极(16，17)与所述电感(18)的接头之间设置电容(20)。
14.按照权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述器件设置在所述金属壁(2)的凹槽中。
15.按照权利要求14所述的测量装置，其特征在于，所述器件形状配合地设置在所述凹槽中。
16.按照权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其特征在于，具有用于控制所述发射/接收单元(S/E)的控制器件。
17.按照权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其特征在于，具有用于预处理在所述发射/接收单元(S/E)中产生的测量信号的信号预处理器件。
18.按照权利要求17所述的测量装置，其特征在于，具有用于传输经预处理的测量信号的信号传输器件。
19.按照权利要求18所述的测量装置，其特征在于，具有用于对所传输的测量信号进行分析的信号处理器件。
20.一种用于运行按照权利要求1至19中任一项所述的测量装置的方法，其中，
-由所述设置在金属壁(2)上的发射/接收单元(S/E)发出至少一个经过该金属壁(2)进入到所述用于反射超声波脉冲(50、51a、53a)的器件中的超声波脉冲(50)，以及
-由该器件在该发射/接收单元(S/E)的方向上与温度相关地至少部分地反射该至少一个超声波脉冲(50)并由该发射/接收单元(S/E)接收。
21.一种按照权利要求1至19中任一项所述的测量装置的应用，用于确定涡轮机内的温度和/或压力。
22.一种按照权利要求1至19中任一项所述的测量装置的应用，用于确定燃气轮机或蒸汽轮机内的温度和/或压力。
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