DE102004045199B4 - Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck und Verwendung der Messvorrichtung - Google Patents

Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck und Verwendung der Messvorrichtung Download PDF

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Abstract

Messvorrichtung zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck mit mindestens
– einer Sende-/Empfangseinheit (S/E) für Ultraschallpulse (50, 61, 62, 63, 70, 80) und
– einem Mittel zur Reflektion von Ultraschallpulsen (50, 51a, 53a),
wobei
– mindestens ein Ultraschallpuls (50) von der Sende-/Empfangseinheit (S/E) durch ein eine der Sende-/Empfangseinheit (S/E) zugewandte Objektfläche (3) und eine der Sende-/Empfangseinheit (S/E) abgewandte Objektfläche (4) aufweisendes Objekt (2) hindurch in das Mittel zur Reflektion aussendbar ist,
– das Objekt (2) für Ultraschallpulse (50, 61, 62, 63, 70, 80) zumindest teilweise transmittierend ist und
– der mindestens eine Ultraschallpuls (50, 51a, 53a) temperaturkorreliert vom Mittel zur Reflektion in Richtung Sende-/Empfangseinheit (S/E) reflektierbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
– das Mittel zur Reflektion an der der Sende-/Empfangseinheit (S/E) abgewandten Objektfläche (4) angebracht ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck mit mindestens einer Sende-/Empfangseinheit für Ultraschallpulse und mindestens einem Mittel zur Reflektion von Ultraschallpulsen. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Messvorrichtung und eine Verwendung der Messvorrichtung.
  • Strömungsmaschinen, wie beispielsweise Dampf- oder Gasturbinen, werden als Wärme-Kraft-Maschinen in der Technik eingesetzt, um eine in einem Gasstrom gespeicherte Energie in eine mechanische Energie zu überführen, insbesondere in eine Drehbewegung. Darüber hinaus kommen auch Strömungsmaschinen wie Verdichter in Betracht, mit denen mechanische Energie einem Gasstrom zugeführt werden kann. Um bei Gasturbinen einen möglichst großen Gesamtwirkungsgrad hinsichtlich der Energieausnutzung zu erreichen, werden die Gaseintrittstemperaturen von der Brennkammer in den Strömungskanal der Gasturbine möglichst hoch gewählt. Beispielsweise liegen die Gaseintrittstemperaturen bei über 1000°C.
  • Dies erfordert, dass bei diesen hohen physikalischen Belastungen die Strömungsmaschine in Betrieb unter Beobachtung steht. Dabei liefert insbesondere die Temperatur- und Druckmessung innerhalb der Strömungsmaschine wichtige Informationen über den Zustand der Strömungsmaschine. In der Regel werden hierfür in der Strömungsmaschine angebrachte Messsonden verwendet, deren Signal- und Versorgungsleitungen mittels Durchführungen durch die Wand der Strömungsmaschine nach außen führen. Eine hohe Anzahl von Temperatur- und Druckmessstellen erfordert daher eine hohe Anzahl von Durchführungen und Abdichtungen. Diese stellen unter den hohen physikalischen Belastungen stets Fehlerquellen dar, die möglichst zu vermeiden sind, um einen zuverlässigen Betrieb der Strömungsmaschine zu gewährleisten.
  • In der Patentschrift US 6,789,426 B2 ist eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines Fluids in einem Mikrokanal mittels Ultraschallpulsen angegeben. Hierbei werden Ultraschallpulse von außen durch die Kanalwand hindurch in den Mikrokanal eingestrahlt und von der gegenüberliegenden Kanalwand reflektiert. Über die Bestimmung der Laufzeiten der Ultraschallpulse durch das Fluid lässt sich so die Temperatur des Fluids bestimmen. Die Messvorrichtung ist jedoch stark von der Geometrie und den Abmessungen des Mikrokanals als auch von den Schalleigenschaften des Fluids abhängig.
  • In der Patentschrift US 6,786,633 B2 ist eine Vorrichtung zur akustischen Bestimmung einer momentanen Fluidtemperatur angegeben. Hierbei wird die Schallgeschwindigkeit in einem Fluid mittels zweier Ultraschallwandler gemessen, welche an der Innenseite einer mit dem Fluid gefüllten Leitung angebracht sind. Einer der beiden Ultraschallwandler sendet Ultraschall durch das Fluid in Richtung eines Reflektionsmittels, so dass der Ultraschall reflektiert vom anderen Ultraschallwandler empfangen werden kann. Gleichzeitig wird mittels eines an der Innenseite der Leitung angebrachten konventionellen Temperatursensors die Temperatur des Fluids gemessen. Aus der ermittelten Schallgeschwindigkeit und dem vom konventionellen Temperatursensor gemessenen Temperaturwert wird von einer Auswerteeinheit schließlich die momentane Fluidtemperatur bestimmt.
  • In der Offenlegungsschrift EP 0 113 961 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur innerhalb einer Verbrennungskammer angegeben. Hierbei wird der Schall, welcher von der Verbrennungskammer zugeordneten Brennern in der Verbrennungskammer erzeugt wird, innerhalb der Verbrennungskammer analysiert. Mittels eines Mikrophons wird die zwischen jeweils zwei sich gegenüber stehenden Wänden ausgebildete Schallreso nanz ausgemessen und hieraus die Temperatur im Inneren der Verbrennungskammer ermittelt.
    •
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Messvorrichtung anzugeben, die eine möglichst einfache, zuverlässige und kostengünstige Temperatur- und/oder Druckbestimmung ermöglicht, mit der das eingangs angesprochene Problem weitestgehend überwunden werden kann und die weite Verwendungsmöglichkeit eröffnet.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird eine Messvorrichtung entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben.
  • Dementsprechend soll die Messvorrichtung zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck mit mindestens
    • – einer Sende-/Empfangseinheit für Ultraschallpulse und
    • – einem Mittel zur Reflektion von Ultraschallpulsen,
    wobei
    • – mindestens ein Ultraschallpuls (50) von der Sende-/Empfangseinheit (S/E) durch ein eine der Sende-/Empfangseinheit (S/E) zugewandte Objektfläche (3) und eine der Sende-/Empfangseinheit (S/E) abgewandte Objektfläche (4) aufweisendes Objekt (2) hindurch in das Mittel zur Reflektion aussendbar ist,
    • – das Objekt (2) für Ultraschallpulse (50, 61, 62, 63, 70, 80) zumindest teilweise transmittierend ist und
    • – der mindestens eine Ultraschallpuls (50, 51a, 53a) temperaturkorreliert vom Mittel zur Reflektion in Richtung Sende-/Empfangseinheit (S/E) reflektierbar ist,
    dahingehend ausgestaltet sein, dass
    • – das Mittel zur Reflektion an der der Sende-/Empfangseinheit (S/E) abgewandten Objektfläche (4) angebracht ist.
  • Indem ein temperatur- und/oder druckempfindlicher passiver Messwertaufnehmer durch ein Objekt hindurch, insbesondere durch eine metallische Wand, mittels Ultraschallpulse abgefragt werden kann, sind die damit verbundenen Vorteile insbesondere in einer Vermeidung von Durchführungen und damit zwangsläufig einhergehenden Abdichtungen im Objekt, insbesondere in der metallischen Wand, zu sehen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Messvorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
  • Es ist insbesondere vorteilhaft, dass die Sende-/Empfangseinheit mindestens einen Schallwandler aufweist.
  • Vorzugsweise weist die Sende-/Empfangseinheit mindestens zwei Schallwandler auf.
  • Dabei ist es von Vorteil, dass die Messvorrichtung mindestens einen ersten Schallwandler zum Aussenden des mindestens einen Ultraschallpulses durch das Objekt in das Mittel zur Reflektion und mindestens einen zweiten Schallwandler zum Empfangen des mindestens einen temperaturkorreliert reflektierten Ultraschallpulses aus dem Mittel zur Reflektion aufweist.
  • Auch ist es von Vorteil, dass die Messvorrichtung mindestens einen Schallwandler sowohl zum Aussenden des mindestens einen Ultraschallpulses durch das Objekt in das Mittel zur Reflektion als auch zum Empfangen des mindestens einen temperaturkorreliert reflektierten Ultraschallpulses aus dem Mittel zur Reflektion aufweist.
  • Vorteilhaft erweist sich, dass die Sende-/Empfangseinheit einen zwischen Schallwandler und Objekt angeordneten akustischen Wellenleiter aufweist.
  • Es ist von Vorteil, dass der mindestens eine Ultraschallpuls in das Mittel zur Reflektion fokussierbar ist.
  • Vorteilhaft ist das Mittel zur Reflektion als ein Behältnis mit wärmeleitfähiger Wandung und mit zum Objekt zugewandter Öffnung ausgestaltet, wobei das Behältnis ein Material beinhaltet, dessen Schallgeschwindigkeit in Bezug auf das Objekt einen höheren, insbesondere mindestens 10fach höheren, Temperatur-Koeffizienten aufweist.
  • Es ist auch vorteilhaft, dass das Mittel zur Reflektion einen Oberflächenwellen-Resonator und einen akustischen Modentransformator oder einen piezoelektrischen Transformator umfasst, wobei der akustische Modentransformator oder der piezoelektrische Transformator zur Übertragung des mindestens einen Ultraschallpulses zwischen Oberflächenwellen-Resonator und Objekt vorgesehen ist.
  • Als besonders vorteilhaft erweist sich, dass das Mittel zur Reflektion ein mit zwei Elektroden versehener piezoelektrischer Schwinger, insbesondere ein piezoelektrischer Dickenschwinger, ist, der mittels des mindestens einen Ultraschallpulses zu einer Resonanzschwingung anregbar ist, wobei der mindestens eine Ultraschallpuls ein breites Frequenzband aufweisen sollte.
  • Dabei sind vorzugsweise die beiden Elektroden mit einer Induktivität verbunden.
  • Zudem sind vorzugsweise die Induktivität mit einem Kern versehen ist, dessen magnetische Eigenschaften, insbesondere die Suszeptibilität, temperaturabhängig sind.
  • Der Kern ist dabei vorzugsweise ein magnetoelastischer Kern, wobei er derart am Objekt angeordnet ist, dass er mittels des mindestens einen Ultraschallpulses zu einer Schwingung anregbar ist.
  • Es ist weiter von Vorteil, dass zwischen einer Elektrode des piezoelektrischen Schwingers und einem Anschluss der Induktivität eine Kapazität angeordnet ist.
  • Vorzugsweise ist das Objekt mit einer Aussparung auf der dem Mittel zur Reflektion zugewandten Seite versehen, in der das Mittel zur Reflektion angeordnet ist.
  • Dabei ist das Mittel zur Reflektion vorzugsweise formschlüssig in der Aussparung angeordnet.
  • Vorteilhaft weist die Messvorrichtung Steuermittel zur Ansteuerung der mindestens einen Sende-/Empfangseinheit auf.
  • Vorteilhaft weist zudem die Messvorrichtung Signalaufbereitungsmittel zur Aufbereitung von in der mindestens einen Sende-/Empfangseinheit erzeugten Messsignalen auf.
  • Weiter weist die Messvorrichtung vorteilhaft Signalübertragungsmittel zur Übermittlung der aufbereiteten Messsignale auf.
  • Darüber hinaus weist die Messvorrichtung vorteilhaft Signalverarbeitungsmittel zur Auswertung der übermittelten Messsignale auf.
  • Mit der Erfindung wird überdies eine Verwendung der Messvorrichtung zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck in einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gas- oder Dampfturbine, angegeben.
    •
  • Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele der Vorrichtung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Veranschaulichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigen
  • 1 eine Messanordnung mit einem ein Material beinhaltenden Behältnis als Mittel zur Reflektion,
  • 2 eine Messanordnung mit einem Oberflächenwellen-Resonator und einem akustischen Modentransformator oder einem piezoelektrischen Transformator als Mittel zur Reflektion,
  • 3 eine Messanordnung mit einem piezoelektrischen Schwinger als Mittel zur Reflektion,
  • 4 eine Messanordnung mit einem piezoelektrischen Schwinger und einer an den Schwinger angeschlossenen mit einem Kern versehenen Induktivität als Mittel zur Reflektion und
  • 5 eine Messanordnung mit einem piezoelektrischen Schwinger, der mit einer mit einem Kern versehenen Induktivität und einer Kapazität verbunden ist, als Mittel zur Reflektion.
  • Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 5 mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist eine Messanordnung gemäß der Erfindung mit einem Mittel zur Reflektion dargestellt, das ein mit einem Material gefülltes Behältnis ist. Das Material weist dabei eine Schallgeschwindigkeit mit signifikantem Temperatur-Koeffizienten auf. Hierzu wird auf die Literaturstelle [1] verwiesen. Das insbesondere druckgeschirmte Behältnis weist zudem eine Wandung mit guter Wärmeleitfähigkeit auf. In der 1 ist bezeichnet mit
    • S/E
    eine Sende-/Empfangseinheit,
    1
    ein Ultraschallwandler,
    2
    ein Objekt,
    3 und 4
    jeweils eine Objektfläche,
    50, 51a, 61, 61a und 70
    ein Ultraschallpuls bzw. ein Ultraschall
    pulsanteil,
    8
    eine Wandung,
    9
    Füllmaterial,
    10
    ein akustischer Wellenleiter
    22
    ein Behältnis
  • Von einer Sende-/Empfangseinheit wird mindestens ein Ultraschallpuls in Richtung des Behältnisses gesandt, innerhalb des Behältnisses reflektiert und von der Sende-/Empfangseinheit wieder detektiert. Die Sende-/Empfangseinheit umfasst dabei einen Ultraschallwandler, insbesondere in Form eines Piezo- oder magnetostriktives Wandlersystems. Hierzu wird auf die Literaturstelle [7] verwiesen. Damit ein möglichst hoher Anteil des in das Objekt eingestrahlten mindestens einen Ultraschallpulses in das Behältnis eindringt und an der Rückwand des Behältnisses reflektiert wird, ist das Innenmaterial des Behältnisses mit guter akustischer Impedanzanpassung an die der Sende-/Empfangseinheit abgewandten Objektfläche angebracht. Eine Fokussierung des mindestens einen Ultraschallpulses auf das Behältnis unterstützt hierbei die Effizienz vorteilhaft. Durch Selektion von reflektierten Ultraschallpulsanteilen von der Objektfläche, an der das Behältnis angebracht ist, und der reflektierten Ultraschallpulsanteilen aus dem Behältnis kann die Laufzeit im Füllmaterial extrahiert werden und stellt mit Kenntnis der akustischen Parameter, insbesondere der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit des Füllmaterials und der Abmessungen des Behältnisses ein Maß für die das Behältnis umgebende Temperatur dar. Somit kann bei vorheriger Eichung von der Laufzeit im Füllmaterial auf die das Behältnis umgebende Temperatur geschlossen werden. Zur Genauigkeitserhöhung per Redundanz ist es vorteilhaft, um den Einfluss von thermischer Expansion und Schallgeschwindigkeitsänderung zu trennen, zwei Behältnisse an gleichem Temperatur-Ort anzubringen, deren eine mit einem Material mit hohem Temperatur-Koeffizienten der Schallgeschwindigkeit aber geringer thermischer Expansion, und deren zweite mit einem Material mit hohem Temperatur-Koeffizienten der thermischen Expansion aber stabiler Schallgeschwindigkeit gefüllt sind, und deren Messungen zu vergleichen. Ist eine Rückrechnung analytisch nicht möglich, kann mit tabellierten Labor-Messungen verglichen werden.
  • In 2 ist eine Messanordnung gemäß der Erfindung mit einem Mittel zur Reflektion dargestellt, das eine Oberflächenwellen-Resonator und einem akustischen Modentransformator oder einem piezoelektrischen Transformator umfasst. In der 2 ist weiter bezeichnet mit
    • 11
    ein weiterer Ultraschallwandler,
    62
    ein Ultraschallpuls bzw. Ultraschallpulsanteil,
    12
    ein weiterer akustischer Wellenleiter,
    13
    ein akustischer Modentransformator bzw.
    ein piezoelektrischer Transformator und
    14
    ein Oberflächenwellen-Resonator.
  • Das Piezo-Material von Oberflächenwellen-Resonatoren, die auch als SAW(Surface Acoustic Waves)-Resonatoren bekannt sind, lässt sich bekanntermaßen so gestalten, dass deren Resonanz-Frequenz von Temperatur oder Druck abhängig ist und SAW- Bauteile in diesem Sinne für "remote sensoring" (dt.: Fernfühler) verwendet werden. Hierzu wird auf die Literaturstelle [2] verwiesen. Hierzu kommen SAW-Materialien wie beispielsweise LGS (La3Ga5SiO14) und LGT (La3Ta0.5Ga5.5O14) in Frage, die bis 1000°K untersucht wurden. Hierzu wird auf die Literaturstelle [3] verwiesen. SAW-Resonatoren aus letzteren Materialien mit Frequenzen, die auch eine genügend dämpfungsarme Übertragung durch das Objekt zulassen, werden an die der Sende-/Empfangseinheit abgewandten Objektfläche angebracht und mit einem insbesondere energiereichen Ultraschallpuls durch das Objekt angeregt, und ihre akustische Schwingung ebenso durch das Objekt mit selbem oder zweitem Ultraschallwandler abgehört, wobei der zweite Ultraschallwandler als Empfangswandler optimiert ist. Die Übertragung des von der Sende-/Empfangseinheit ausgesendeten Ultraschallpulses auf den SAW-Resonator, sowie die Rückantwort des SAW-Resonator können entweder durch einen akustischen Modentransformator oder elektrisch über einen auf der der Sende-/Empfangseinheit abgewandten Objektfläche zwischengeschalteten piezoelektrischen Transformator, insbesondere einem Ultraschallwandler geschehen.
  • In 3 ist eine Messanordnung mit gemäß der Erfindung mit einem Mittel zur Reflektion dargestellt, das einen mit zwei Elektroden versehener piezoelektrischer Schwinger, insbesondere einen piezoelektrischen Dickenschwinger umfasst. In der 3 ist weiter bezeichnet mit
    • 53a, 63 und 63a
    ein Ultraschallpuls bzw. Ultraschallpulsanteil,
    15
    ein piezoelektrischer (Dicken-)Schwinger bzw.
    piezoelektrischer Resonator und
    16 und 17
    jeweils eine Elektrode.
  • Ein piezoelektrischer Dickenschwinger aus temperaturfestem Material wie beispielsweise dem vorgenannten LGS und LGT ändert unter Temperatur- und Druckeinfluss seine Schallgeschwindigkeit und geometrische Dimension und somit seine Resonanz-Frequenz. Hierzu wird auf die Literaturstelle [4] verwiesen. Dieser wird akustisch günstig angekoppelt auf der der Sende-/Empfangseinheit abgewandten Objektfläche angebracht und mit einem insbesondere kurzen Ultraschallpuls insbesondere breitbandig angeregt. Entsprechend seiner hohen Güte klingt seine Anregung mit seiner Eigenfrequenz ab, die von der Sende-/Empfangseinheit mit dem Anregungsultraschallwandler oder einem zweiten Ultraschallwandler empfangen werden kann und ein Maß für die Innentemperatur darstellt.
  • In 4 ist eine Messanordnung gemäß der Erfindung mit einem Mittel zur Reflektion dargestellt, das einen piezoelektrischer Schwinger umfasst, wobei dessen beide Elektroden mit einer Induktivität verbunden sind, die mit einem Kern verse hen ist, dessen magnetische Eigenschaften temperaturabhängig sind. In der 4 ist weiter bezeichnet mit
    • 18
    eine Induktivität und
    19
    ein Kern bzw. Induktivitätskern.
  • Es ist bekannt, die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Resonators durch Ankopplung eines elektrischen Schwingkreises zu verändern. Hierzu wird auf die Literaturstelle [4] verwiesen. Ebenso sind induktive Elemente oder magnetoelastische Elemente bekannt, deren Induktivität oder Resonanz sich unter Temperatureinfluss aufgrund eines signifikanten Temperatur-Koeffizienten des Kernmaterials oder sonstiger magnetischer Materialien ändern. Hierzu wird auf die Literaturstellen [5] und [6] verwiesen. Es ist daher vorteilhaft, an den in 3 dargestellten piezoelektrischen Resonator ein derartiges Element elektrisch anzukoppeln, um eine von der Temperatur beeinflusste Frequenzänderung zu verstärken oder bei überkritischer Kopplung die Differenzfrequenz der Mehrfachresonanzen zu messen und somit die Messdynamik oder Messauflösung zu verbessern.
  • In 5 ist eine Messanordnung gemäß der Erfindung mit einem Mittel zur Reflektion dargestellt, das einen piezoelektrischer Schwinger umfasst, wobei dessen beide Elektroden mit einer Induktivität verbunden sind, die mit einem magnetoelastischen Kern versehen ist. Weiter ist abgebildet, dass zwischen einer Elektrode des piezoelektrischen Schwingers und einem Anschluss der Induktivität eine Kapazität angeordnet ist. In der 5 ist weiter bezeichnet mit
    • 80
    ein Ultraschallpuls bzw. Ultraschallpulsanteil,
    19m
    ein magnetoelastischen Kern bzw.
    magnetoelastischen Resonator und
    20
    eine Kapazität
  • In einer Weiterbildung des in 4 dargestellten Ausführungsbeispieles ist es denkbar, den magnetoelastischen Kern, der gleichzeitig auch ein magnetoelastischen Resonator ist, ebenso wie den piezoelektrischen Schwinger akustisch an die der Sende-/Empfangseinheit abgewandten Objektfläche zu koppeln und durch elektrische Kopplung beider Resonatoren den Effekt der Resonanzverstimmung weiter zu verstärken oder deren Erkennung zu verfeinern.
  • Für den speziellen Fall der Temperaturmessung von Gasen ist es zudem denkbar, an den piezoelektrischen Schwinger einen kapazitiven Ultraschallresonator elektrisch anzukoppeln, dessen Resonanzfrequenz durch die Temperaturabhängigkeit des Füllgases bestimmt wird. Zu dem kapazitiven Ultraschallresonator wird auf die Literaturstelle [7] verwiesen. Eine eventuelle zusätzliche Beeinflussung durch einen sich ändernden Umgebungsdruck kann prinzipiell wie gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 1 durch eine druckfeste aber wärmeleitende Wandung vermieden werden.
  • Weist die der Sende-/Empfangseinheit zugewandten Objektfläche eine erhöhte Temperatur auf, die beispielsweise bei Gasturbinen im Bereich einiger 100°C liegen kann, so besteht bei allen vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 5 die Möglichkeit, dass der jeweilige Ultraschallwandler in einiger Entfernung positioniert werden muss, um dessen Zerstörung zu vermeiden. In diesem Fall kann der vom Ultraschallwandler erzeugte Ultraschallpuls mit Hilfe eines akustischen Wellenleiters (Active Wave Guides) in das Objekt eingekoppelt werden.
  • Bei allen vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 5 können alternativ zur Befestigung des Mittels zur Reflektion an der Objektoberfläche, dieses auch in einer entsprechende Aussparung angeordnet werden, mit der das Objekt hierfür an der der Sende-/Empfangseinheit abgewandten Seite zu versehen ist. Insbesondere kann das Mittel zur Reflektion formschlüssig in der Aussparung angeordnet sein. Eine entsprechende Aussparung für den magnetoelastischen Kern gemäß 5 ist ebenfalls denkbar.
  • Alle vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 5 sind für Temperaturmessungen geeignet, bei denen die der Sende-/Empfangseinheit abgewandte Objektfläche eine Temperatur bis etwa 1000°C aufweist.
  • Literaturzitate
    • [1] "Temperature Dependence of Sound Velocity in High-Strength Fiber-Reinforced Plastics" R. Nomura, K. Yoneyama et al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) pp. 5205-5207
    • [2] "Passive Remote Sensing for Temperature and Pressure Using SAW Resonator Devices" W. Buff, S. Klett, M. Rusko et al., IEEE Trans. on Ultrasound, Ferroel. and Frequ. Control, Vol. 45, No. 5, Sept. 1998
    • [3] "Towards an understanding of the anomalous electromechanical behaviour of LGS and related compounds at high temperatures" J. Schreuer, C. Thybaut, M. Prestat et al., Goethe University Frankfurt, ETH Zurich, University of Cologne, Konferenzbeitrag: High Temperature SAW
    • [4] "Piezoxide (PXE) Eigenschaften und Anwendungen", Valvo-Handbuch, J. Koch, ISBN 3-7785-1755-4
    • [5] "Remote Temperature Sensing System Using Reverberated Magnetic Flux" Y.H. Kim, S. Hashi, K. Ishiyama et al., IEEE Trans. on Magnetics, Vol. 36, No. 5 Sept. 2000
    • [6] "Remotely Interrogated Temperature Sensors Based on Magnetic Materials", R.R. Fletcher, N.A. Gershenfeld, IEEE Trans. on Magnetics, Vol. 36, No. 5, Sept. 2000
    • [7] "Physik und Technik des Ultraschalls", H. Kuttruff, S.Hirzel Verlag Stuttgart, 1988, S.132-137

Claims (21)

  1. Messvorrichtung zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck mit mindestens – einer Sende-/Empfangseinheit (S/E) für Ultraschallpulse (50, 61, 62, 63, 70, 80) und – einem Mittel zur Reflektion von Ultraschallpulsen (50, 51a, 53a), wobei – mindestens ein Ultraschallpuls (50) von der Sende-/Empfangseinheit (S/E) durch ein eine der Sende-/Empfangseinheit (S/E) zugewandte Objektfläche (3) und eine der Sende-/Empfangseinheit (S/E) abgewandte Objektfläche (4) aufweisendes Objekt (2) hindurch in das Mittel zur Reflektion aussendbar ist, – das Objekt (2) für Ultraschallpulse (50, 61, 62, 63, 70, 80) zumindest teilweise transmittierend ist und – der mindestens eine Ultraschallpuls (50, 51a, 53a) temperaturkorreliert vom Mittel zur Reflektion in Richtung Sende-/Empfangseinheit (S/E) reflektierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Mittel zur Reflektion an der der Sende-/Empfangseinheit (S/E) abgewandten Objektfläche (4) angebracht ist.
  2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangseinheit (S/E) mindestens einen Schallwandler (1) aufweist.
  3. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangseinheit (S/E) mindestens zwei Schallwandler (1, 11) aufweist.
  4. Messvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster der Schallwandler (1) zum Aussenden des mindestens einen Ultraschallpulses (50) durch das Ob jekt (2) in das Mittel zur Reflektion und mindestens ein zweiter der Schallwandler (11) zum Empfangen des mindestens einen temperaturkorreliert reflektierten Ultraschallpulses (61, 62, 63, 70, 80) aus dem Mittel zur Reflektion vorgesehen sind.
  5. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Schallwandler (1, 11) sowohl zum Aussenden des mindestens einen Ultraschallpulses (50) durch das Objekt (2) in das Mittel zur Reflektion als auch zum Empfangen des mindestens einen temperaturkorreliert reflektierten Ultraschallpulses (61, 62, 63, 70, 80) aus dem Mittel zur Reflektion.
  6. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Sende-/Empfangseinheit (S/E) einen zwischen Schallwandler (1, 11) und Objekt (2) angeordneten akustischen Wellenleiter (10, 12) aufweist.
  7. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der mindestens eine Ultraschallpuls (50) in das Mittel zur Reflektion fokussierbar ist.
  8. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Mittel zur Reflektion als ein Behältnis (22) mit wärmeleitfähiger Wandung (8) und mit zum Objekt (2) zugewandter Öffnung ausgestaltet ist, wobei das Behältnis (22) ein Material (9) beinhaltet, dessen Schallgeschwindigkeit in Bezug auf das Objekt (2) einen höheren Temperatur-Koeffizienten aufweist.
  9. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass das Mittel zur Reflektion einen Oberflächenwellen-Resonator (14) und einen akustischen Modentransformator (13) oder einen piezoelektrischen Transformator (13) umfasst, wobei der akustische Modentransformator (13) oder der piezoelektrische Transformator (13) zur Übertragung des mindestens einen Ultraschallpulses (50, 62, 70) zwischen Oberflächenwellen-Resonator (14) und Objekt (2) vorgesehen ist.
  10. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass das Mittel zur Reflektion ein mit zwei Elektroden (16, 17) versehener piezoelektrischer Schwinger (15) ist, der mittels des mindestens einen Ultraschallpulses (50, 53a, 63a) zu einer Resonanzschwingung anregbar ist.
  11. Messvorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, dass die beiden Elektroden (16, 17) mit einer Induktivität (18) verbunden sind.
  12. Messvorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, dass die Induktivität (18) mit einem Kern (19) versehen ist, dessen magnetische Eigenschaften temperaturabhängig sind.
  13. Messvorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen magnetoelastischen Kern (19m), wobei der magnetoelastische Kern (19m) derart am Objekt (2) angeordnet ist, dass der magnetoelastische Kern (19m) mittels des mindestens einen Ultraschallpulses (50) zu einer Schwingung anregbar ist.
  14. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet dadurch, dass zwischen einer der Elektroden (16, 17) des piezoelektrischen Schwingers (15) und einem Anschluss der Induktivität (18) eine Kapazität (20) angeordnet ist.
  15. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Objekt (2) mit einer Aussparung auf der dem Mittel zur Reflektion zugewandten Seite versehen ist, in der das Mittel zur Reflektion angeordnet ist.
  16. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Mittel zur Reflektion formschlüssig in der Aussparung angeordnet ist.
  17. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Steuermittel zur Ansteuerung der mindestens einen Sende-/Empfangseinheit (S/E).
  18. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Signalaufbereitungsmittel zur Aufbereitung von in der mindestens einen Sende-/Empfangseinheit (S/E) erzeugten Messsignalen.
  19. Messvorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch Signalübertragungsmittel zur Übermittlung der aufbereiteten Messsignale.
  20. Messvorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch Signalverarbeitungsmittel zur Auswertung der übermittelten Messsignale.
  21. Verwendung der Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck in einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gas- oder Dampfturbine.
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