DE102007019925A1

DE102007019925A1 - Anordnung zur zweidimensionalen Messung der Temperaturverteilung in einem Messquerschnitt

Info

Publication number: DE102007019925A1
Application number: DE102007019925A
Authority: DE
Inventors: Martin Ritterath; Uwe Hampel; Marco José da Silva; Wilfried Zimmermann; Eckhard Schleicher
Original assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2008-11-13

Abstract

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Messung der Temperaturverteilung in einem Messquerschnitt anzugeben, mit der vor allem Flüssigkeits- oder Gasströmungen mit geringerem Aufwand vor allem an Verkabelung und Auswerteelektronik untersucht werden können. Die Lösung beinhaltet im Wesentlichen, das ein Gitter von draht- oder stabförmigen elektrischen Leitern, die innerhalb eines Sensorrahmens (1) elektrisch gegeneinander und gegen das Erdpotential isoliert in zwei koplanaren Ebenen im Abstand von wenigen Millimetern aufgespannt sind, wobei die elektrischen Leiter der einen Ebene als Anregungselektroden (2) ausgeführt und parallel zueinander orientiert sind, die elektrischen Leiter der anderen Ebene als Empfängerelektroden (3) ausgebildet und ebenfalls parallel zueinander orientiert sind sowie die Anregungselektroden (2) in einem Winkel größer 0° zu den Empfängerelektroden (3) orientiert sind und somit in der Draufsicht ein Gitter von Kreuzungspunkten bilden und die Anregungselektroden (2) und die Empfängerelektroden (3) in jedem Kreuzungspunkt des Gitters durch einen Festkörper mit temperaturabhängiger elektrischer Impedanz elektrisch miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur zweidimensionalen Messung der Temperaturverteilung in einem Messquerschnitt. Anwendungsgebiete sind die Untersuchung von Gas- und Flüssigkeitsströmungen sowie die Messung von Temperaturverteilungen auf Oberflächen fester Körper.
Die lokale Messung der Temperatur von Festkörperoberflächen, Flüssigkeiten oder Gasen erfolgt heutzutage üblicherweise mittels lokaler Temperatursonden, wie zum Beispiel Thermoelementen, Widerstandsthermometern, Thermistoren oder Strahlungspyrometern. Zur Erfassung von flächigen Temperaturverteilungen können Wärmebildkameras verwendet werden. Die Messung räumlicher Temperaturverteilungen ist mittels tomographischer Methoden möglich, wobei tomographische Temperaturmessverfahren wiederum auf der Messung der Emission von Wärmestrahlung durch eine Anordnung multipler Strahlungspyrometer beruhen. Die Vermessung räumlicher Temperaturfelder mittels der Messung von Wärmestrahlung erfordert, dass die aus dem zu vermessenden Volumen bzw. von der zu vermessenden Oberfläche abgestrahlte Wärmestrahlung möglichst ungehindert, gegebenenfalls mittels Spiegel oder Infrarotoptiken geführt, vom Emissionsort zum Strahlungsempfänger übertragen wird. Dies ist nicht immer möglich, zum Beispiel bei der Untersuchung von ein- oder mehrphasigen Strömungen in Rohren oder Gefäßen oder für optisch schwer zugängliche Oberflächen. Eine alternative Lösung stellt die flächige oder räumliche Anordnung von lokalen Thermosonden am Untersuchungsobjekt dar, die aber im Einzelfall eine hohe Komplexität erreichen kann. Allen bekannten technischen Lösungen ist gemeinsam, dass sie für die Bestimmung der Temperaturverteilung in einem Messquerschnitt einen sehr hohen Aufwand erfordern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Messung der Temperaturverteilung in einem Messquerschnitt anzugeben, mit der vor allem Flüssigkeits- oder Gasströmungen mit geringerem Aufwand insbesondere an Verkabelung und Auswerteelektronik untersucht werden können.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen
1 das Prinzip der Anordnung in der Draufsicht und
2 den Schnitt A-A nach 1, ergänzt um ein Verbindungsdetail.
Die Anordnung besteht aus einem Gitter von draht- oder stabförmigen elektrischen Leitern die in einem Sensorrahmen (1) gegeneinander und gegen das Erdpotential isoliert befestigt und in mindestens zwei in geringem axialen Abstand zueinander liegenden Ebenen angeordnet sind, sowie einer zugeordneten Messelektronik. Auf Grund ihrer elektrischen Funktion werden die elektrischen Leiter der einen Gitterebene im Folgenden als Anregungselektroden (2) bezeichnet, die elektrischen Leiter der zweiten Gitterebene als Empfängerelektroden (3). Die Anregungselektroden (2) und Empfängerelektroden (3) laufen jeweils innerhalb einer Ebene in einem geringen Abstand parallel zueinander. In der Draufsicht bilden die 2 × N Leiter der beiden Gitterebenen ein Gitter mit N × N Kreuzungspunkten, wobei die Anregungs- (2) und die Empfängerelektroden (3) unter einem Winkel größer 0° gegeneinander orientiert sind. In den Kreuzungspunkten des Leitergitters sind die jeweiligen Elektrodenpaare über einen möglichst kleinen, die zu untersuchende Strömung wenig beeinflussenden, Festkörper mit einer temperaturabhängigen elektrischen Impedanz, im Folgenden kurz als Impedanztemperatursensor (4) bezeichnet, elektrisch miteinander verbunden. Als Impedanztemperatursensor (4) kommt zum Beispiel ein Widerstandstemperatursensor, ein Keramikkondensator oder eine Filminduktivität in miniaturisierter Bauform in Frage.
Zur Messung der Temperatur werden die Anregungselektroden (2) nacheinander über Analogschalter (6) mit einem Spannungssignal aus einer Spannungssignalquelle (5) beaufschlagt. Bei Verwendung eines Widerstandstemperatursensors als Impedanztemperatursensor (4) kann die Anregung durch einen Gleichspannungspuls erfolgen. Zur Vermeidung elektrochemischer Reaktionen an den Elektroden bei Messung in schwach leitfähigen Flüssigkeiten kann alternativ ein Bipolarpuls-Anregungsschema oder ein Wechselspannungsanregungsschema angewendet werden. Für kapazitive oder induktive Impedanztemperatursensoren (4) muss ein Wechselspannungsanregungsschema angewendet werden. Die dazu notwendigen Modifikationen der Messelektronik werden als dem Fachmann geläufig vorausgesetzt. Gleichzeitig zur Anregung wird an jeder Empfängerelektrode (3) der durch den Widerstandstemperatursensor (4) im Kreuzungspunkt fließende elektrische Gleich- oder Wechselstrom mit Hilfe eines der Elektrode nachgeschalteten Strom-Spannungs-Wandlers (7) in ein Spannungssignal gewandelt. Dieses Spannungssignal wird anschließend mit einem Analog-Digital-Wandler (8) digitalisiert und einem Messrechner zur Auswertung zugeführt. Zur schnellen und kontinuierlichen Vermessung der Temperaturverteilung des gesamten Querschnitts können die Signale an der Empfängerseite parallel gewandelt und der Messwertverarbeitung zugeführt werden. Im Messrechner werden anhand der für die einzelnen Impedanztemperatursensoren (4) bekannten Temperatur-Impedanz-Kennlinien die Temperaturen an den Kreuzungspunkten berechnet und geeignet zur Darstellung gebracht. Der Impedanzwert Z_T des temperaturabhängigen Widerstandes lässt sich aus der Beziehung
berechnen, wobei U_A die komplexwertige Anregungsspannung, I_E die komplexwertige Stromstärke an der Empfängerelektrode und Z_L die Impedanz der Zuleitungen zum Impedanztemperatursensor (4) bezeichnen. Es ist der Fachmann geläufig, dass diese Impedanz Z_L mittels Kalibriermessungen bestimmt werden kann.
Bei dieser Anordnung ist außerdem zu berücksichtigen, ob durch das Untersuchungsmedium ein Stromfluss zwischen den Anregungselektroden (2) und Empfängerelektroden (3) außerhalb des Impedanztemperatursensors (4) möglich ist. Dies kann etwa bei Kontakt des Sensorgitters mit leitfähigen Fluiden oder metallischen Oberflächen der Fall sein. In einem solchen Fall müssen alle leitfähigen Oberflächen des Sensors mit einer elektrisch isolierenden Schutzschicht überzogen werden.

1: Sensorrahmen
2: Anregungselektrode
3: Empfängerelektrode
4: Impedanztemperatursensor
5: Spannungssignalquelle
6: Analogschalter
7: Strom-Spannungs-Wandler
8: Analog-Digital-Wandler

Claims

Anordnung zur zweidimensionalen Messung der Temperaturverteilung in einem Messquerschnitt, bestehend aus – einer Vielzahl von Temperaturmessfühlern im Messquerschnitt und – einer Auswerteelektronik mit Multiplexern, Analog-Digital-Wandlern und einem Datenaufzeichnungsgerät, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Gitter von draht- oder stabförmigen elektrischen Leitern, die innerhalb eines Sensorahmens (1) elektrisch gegeneinander und gegen das Erdpotential isoliert in zwei koplanaren Ebenen im Abstand von wenigen Millimetern aufgespannt sind, wobei die elektrischen Leiter der einen Ebene als Anregungselektroden (2) ausgeführt und parallel zueinander orientiert sind, die elektrischen Leiter der anderen Ebene als Empfängerelektroden (3) ausgebildet und ebenfalls parallel zueinander orientiert sind, sowie die Anregungselektroden (2) in einem Winkel größer 0° zu den Empfängerelektroden (3) orientiert sind und somit in der Draufsicht ein Gitter von Kreuzungspunkten bilden, – die Anregungselektroden (2) und die Empfängerelektroden (3) in jedem Kreuzungspunkt des Gitters durch einen Festkörper mit temperaturabhänger elektrischer Impedanz, kurz Impedanztemperatursensor (4), elektrisch miteinander verbunden sind, – die Anregungselektroden (2) über Analogschalter (6) nacheinander mit einem Spannungssignal der Spannungssignalquelle (5) beaufschlagt werden, – die Empfängerelektroden (3) jeweils mit einem Strom-Spannungs-Wandler (7) verbunden sind und deren Ausgang wiederum je mit einem Analog-Digital-Wandler (8) gekoppelt ist und – ein Mikrokontroller oder PC zur Datenerfassung und Auswertung nachgeschaltet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle elektrisch leitfähigen Oberflächen des Sensorgitters mittels einer elektrisch isolierenden Schutzschicht vom Umgebungsmedium isoliert sind.