DE102018102535B3 - Temperaturmessung mittels der Impedanz eines Ultraschalltransducers - Google Patents

Temperaturmessung mittels der Impedanz eines Ultraschalltransducers Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Wertes, der die Temperatur eines Schwingelements eines Ultraschalltransducers repräsentiert. Der Ultraschalltransducer weist eine Resonanzfrequenz (fr) auf. Das Verfahren umfasst die Schritte des Betreibens des Ultraschalltransducers mit einem elektrischen Messsignal bei einer Messfrequenz (fm), die über der Resonanzfrequenz (fr) liegt und des Erfassens des Betrags der komplexen Impedanz des Ultraschalltransducers bei dieser Messfrequenz (fm) sowie des darauf aufbauenden Ermittelns des gesuchten Wertes, der die Temperatur eines Schwingelements eines Ultraschalltransducers repräsentieren soll, in Abhängigkeit von dem erfassten Betrag der komplexen Impedanz des Ultraschalltransducers bei dieser Messfrequenz (fm).

Description

  • Oberbegriff
  • Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Temperatur des Schwingelements eines Ultraschalltransducers.
  • Allgemeine Einleitung
  • Bei der Ultraschallsensorik in Kraftfahrzeugen wird die Kenntnis der Temperatur für folgende Maßnahmen benötigt:
    • • Berechnung des Abstandes aus der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit (1750 ppm/K),
    • • Steuerung der Sendefrequenz des Ultraschalltransducers, da die Resonanzfrequenz mit zunehmender Temperatur sinkt (-300 bis -400 ppm/K).
  • Für die Steuerung der Sendefrequenz ist die Kenntnis der Temperatur der Membrane des Ultraschalltransducers notwendig. Für die Berechnung der Entfernung ist die Kenntnis der Temperatur der Außenluft notwendig. Der Einfachheit halber wird allerdings meistens die Kristalltemperatur des steuernden Halbleiterschaltkreises verwendet. Technisch besser wäre die Verwendung eines separaten Temperatursensors außerhalb des steuernden Halbleiterschaltkreises, um die Verfälschung durch die Eigenerwärmung, insbesondere durch den Betrieb desselben, zu verringern. Über die beste thermische Anbindung an die Außenluft verfügt allerdings der Transducer selbst.
  • Aus der DE 199 17 372 A1 ist ein Messgerät zum Erfassen der Temperatur und der Schwingungen einer Oberfläche, das mit einer Tastspitze zum Ansetzen an die zu messende Oberfläche, einem Schwingungssensor zum Erfassen der Schwingungen der Tastspitze sowie einem Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur der Tastspitze versehen ist, bekannt. Gemäß eines zweiten Aspekts betrifft sie ein Messgerät zum Erfassen der Temperatur einer Oberfläche, das mit einer Tastspitze zum Ansetzen an die zu messende Oberfläche und einem Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur der Tastspitze, sowie einer Auswerteeinheit zur Ermittlung der Temperatur der zu messenden Oberfläche versehen ist, wobei die Auswerteeinheit so ausgebildet ist, dass sie die Temperatur der zu messenden Oberfläche aus dem Zeitverlauf der an der Tastspitze erfassten Temperatur nach dem Ansetzen der Tastspitze mittels eines mathematischen Modells ermittelt. Ein dritter Aspekt der technischen Lehre der DE 199 17 372 A1 betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Temperatur einer Oberfläche. Ein vierter Aspekt der technischen Lehre der DE 199 17 372 A1 betrifft ein Schwingungsmessgerät mit zwei unterschiedlichen, frequenzabhängig unterschiedlichen angekoppelten seismischen Massen.
  • Aus der DE 691 30 843 T2 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Kristallresonators bekannt. Dieser umfasst einen linsenförmigen Quarzkörper, wobei das Verfahren die Schaffung einer Vielzahl von Elektroden auf den Körper, die Erzeugung von harmonischen Schwingungen über die Elektroden, und das Vergleichen der Frequenzen der Harmonischen umfasst, um auf diese Weise ein Signal abzuleiten, das die Resonator-Temperatur anzeigt, dadurch gekennzeichnet, dass die Harmonischen als jeweils eine von jeweiligen ersten und zweiten C-Moden-Grundschwingungen erzeugt werden und zueinander in nichtharmonischer Beziehung stehen, von ähnlicher Frequenz sind und die gleichen Oberschwingungs-Ordnung haben, dass jeder der harmonischen Schwingungen eine Schermoden-Schwingung ist, die als eine (n, a, b)-Schwingung gekennzeichnet ist, worin n die Oberschwingungsnummer ist und gleich der Anzahl von Knoten entlang einer ersten Richtung ist, a die Anzahl von Schwingungsbäuchen entlang einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung ist und b die Anzahl von Schwingungsbäuchen entlang einer dritten Richtung senkrecht zu den ersten und zweiten Richtungen ist.
  • Aus der CH 625 881 A5 ist bekannt, dass die dort beschriebene Temperaturabtastanordung temperaturempfindliche Resonatoren mit hoher Güte Q von einigen 10000, die an einen akustischen Wellenleiter angekoppelt sind, verwendet. Die verschiedenen Resonatoren sind auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt und an verschiedenen Orten des zu überwachenden Objektes positioniert, um ein akustisches Signal über den Wellenleiter zu einer Auswertestation zu senden, das durch Reflexion der akustischen Energie im Wellenleiter am Ort der jeweiligen Resonatoren entsteht. Da die Resonanzfrequenz der Resonatoren temperaturabhängig ist, lässt sich aus den reflektierten Signalen eine Anzeige der Temperatur am Ort des Resonators ableiten. Diese Anordnung ist besonders zur Temperaturmessung in Hochspannungstransformatoren geeignet.
  • Alle diese Schriften aus dem Stand der Technik lösen das Problem nicht.
  • Aufgabe
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die eine direkte Messung der Temperatur des Schwingelements eines Ultraschalltransducers erlaubt und weitere Vorteile aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 3 und ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
  • Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe (nur bei Einzelanmeldung)
  • Die Untersuchung von (geschlossenen) Ultraschalltransducern hat ergeben, dass die Impedanz bestimmenden elektrischen Ersatzkomponenten des Ersatzschaltbildes eines solchen Ultraschalltransducers eine starke Temperaturabhängigkeit besitzen und somit grundsätzlich als Temperatursensor verwendet werden können. An dieser Stelle sei auf 1 verwiesen.
  • In dem Ersatzschaltbild der 1 stellt CP die Parallelkapazität des piezoelektrischen Elements dar. Der Resonanzkreis repräsentiert das mechanische Verhalten aus elektrischer Sicht. L0 ist die Serieninduktivität des Serienkreises im Ersatzschaltbild des Ultraschalltransducers. C0 ist die Serienkapazität im Serienkreis im Ersatzschaltbild des Ultraschalltransducers. R0 ist der Serienwiderstand im Serienkreis im Ersatzschaltbild des Ultraschalltransducers.
  • Die 2 bis 5 zeigen exemplarisch das typische Verhalten dieser Ersatzkomponenten in Abhängigkeit der Temperatur (angegeben in °C).
  • 2 zeigt den beispielhaften Wert der Parallelkapazität CP des piezoelektrischen Elements in Abhängigkeit von der Temperatur mit linearer Ausgleichsgeraden. Die Steigung dieser Ausgleichsgraden beträgt beispielsweise 6120 ppm/K.
  • 3 zeigt den beispielhaften Wert der Serieninduktivität L0 im Serienkreis im Ersatzschaltbild des Ultraschalltransducers von der Temperatur.
  • 4 zeigt den beispielhaften Wert der Serienkapazität C0 im Serienkreis im Ersatzschaltbild des Ultraschalltransducers von der Temperatur.
  • 5 zeigt den beispielhaften Wert des Serienwiderstands R0 im Serienkreis im Ersatzschaltbild des Ultraschalltransducers von der Temperatur.
  • Mit Ausnahme der Serienkapazität CP weisen die Komponenten des Serienkreises (C0, L0, R0) stark nichtlineare Temperaturabhängigkeiten auf. Hinzu kommt, dass diese Komponenten (C0, R0, L0) größeren Exemplarstreuungen unterliegen und in der Fertigung nicht direkt kontrolliert werden. Lediglich die Resonanzfrequenz f r = 1 2 π L 0 ∗ C 0
    Figure DE102018102535B3_0001
    sowie der Schalldruck unterliegen in der Regel einer Kontrolle. Die Kapazität wird meist in den Datenblättern mit maximal +/- 20% spezifiziert.
  • Hierauf aufbauend soll nun demonstriert werden, wie das Temperaturverhalten der Kapazität mit Hilfe einer Impedanzmessung isoliert bestimmt werden kann. Die 6 zeigt die Verschaltung des Ultraschalltransducers in der Applikation.
  • Um die zum Betrieb des Ultraschalltransducers notwendige hohe Spannung während eines Sendevorgangs zu erzeugen, erfolgt die Ansteuerung über einen Transformator mit der Transformatorinduktivität (LT). Die Zusatzkapazität (CTD) dient dazu, die Parallelkapazität (CP) des Ultraschalltransducers zu egalisieren, so dass die Resonanzfrequenz (fr ) des Parallelkreises, bestehend aus Transformatorinduktivität (LT) und der Parallelschaltung aus Parallelkapazität (CP) und der Zusatzkapazität (CTD), einen geringeren Temperaturgang aufweist. Dieser Parallelkreis wird bevorzugt auf die gleiche Resonanzfrequenz durch Berechnung eingestellt, wie der Serienresonanzkreis des Ultraschalltransducers aus Serienwiderstand (R0), Serieninduktivität (L0) und Serienkapazität (C0). Der Zusatzwiderstand (RTD) dient zur Optimierung der Ausschwingzeit des Ultraschalltransducers nach dem Abschluss des Sendevorgangs. Die Impedanzmessung kann ohne weitere Anschlüsse und externe Komponenten über die Anschlüsse des Ansteuerschaltkreises mit Hilfe eines Messstroms unter Erfassung einer Messspannung erfolgen. Das Ergebnis einer solchen Messung in Form einer Simulation zeigt 7. 7 zeigt den Betrag der komplexen Impedanz des Transducers mit Beschaltung in Abhängigkeit von der Signalfrequenz mit der die Messung erfolgt. Die Einkerbung in der Mitte der Kurve der 7 wird durch den Serienresonanzkreis (R0, L0, C0) des Ultraschalltransducers hervorgerufen. Das Minimum liegt exakt bei der Resonanzfrequenz (fr ). Der Verlauf links und rechts davon wird vom Parallelkreis bestimmt. Um den Einfluss des Serienkreises darzustellen, wird eine zweite Simulation ohne Serienkreis durchgeführt. Die in 8 schraffierten Bereiche des Ersatzschaltbildes aus 6 wurden für die Simulation entfernt. Das Ergebnis der beiden Simulationen zeigt 9. Aus 9 wird ersichtlich, dass unterhalb einer bestimmten Frequenz (hier ∼40 kHz) und oberhalb einer bestimmten Frequenz (hier ∼70 kHz), der Einfluss des Serienkreises zu vernachlässigen ist. Dies ist eine wesentliche Erkenntnis, die hier offenbart und genutzt wird. In diesen beiden Frequenzbereichen wird die Impedanz also nur vom Parallelkreis bestimmt. Die folgende Rechnung zeigt, dass für niedrige Frequenzen die Transformatorinduktivität und insbesondere für hohe Frequenzen die Parallelkapazität maßgebend ist. Z ( ω ) = 1 1 j ω ∗ L T + 1 R T D + j ω ( C T D + C P )
    Figure DE102018102535B3_0002
  • Für große ω ergibt sich: Z ( ω > > ω g ) = 1 j ω ( C T D + C P )  mit  ω g = 1 L T ( C T D + C P )
    Figure DE102018102535B3_0003
  • Trägt man in diesem Frequenzbereich nun den Kehrwert der Impedanz über der Temperatur auf, ergibt sich ein weitgehend linearer Zusammenhang (vergl. 10). 10 zeigt die Ergebnisse einer Impedanzmessung oberhalb der Resonanzfrequenz bei verschiedenen Frequenzen in Abhängigkeit von der Temperatur. Die temperaturabhängigen Elemente des Serienkreises sind berücksichtigt.
  • Somit kann die Temperatur mittels einer linearen Abbildung gemäß der Formel ϑ = 1 k ( ω ) Z ( ω ) + ϑ 0 ( ω )
    Figure DE102018102535B3_0004
    ermittelt werden. Hierbei stehen ϑ für die Temperatur und ω für die Messfrequenz und Z(ω) für den ermittelten Betrag der komplexen Impedanz des Transducers bei der Messfrequenz (ω) und k(ω) für die Steigung bei der Messfrequenz (ω) und ϑ0(ω) für den Achsenabschnitt bei der Messfrequenz (ω). Die Werte der Steigung k(ω) und des Achsenabschnitts ϑ0(ω) hängen von der Messfrequenz (ω) ab, wie 10 zu entnehmen ist. Außerdem sind sie Transducer spezifisch und müssen in der Regel experimentell ermittelt werden.
  • Wird die Impedanzmessung nun dazu benutzt, die Temperatur zu bestimmen, ergeben sich unter Voraussetzung eines linearen Zusammenhangs, die Temperaturfehler in Abhängigkeit der Messfrequenz, die in 11 dargestellt sind.
  • Messungen über 70kHz bringen also keine wesentliche Verbesserung in der Genauigkeit. Bei genauer Betrachtung von zeigt sich, dass auch hier der Zusammenhang zwischen Temperatur und Kapazität nicht streng linear verläuft. Wird in der Simulation von einem linearen Temperaturgang von der Parallelkapazität (CP) ausgegangen, so zeigt sich die grundsätzlich hohe Präzision des Verfahrens in 12. 12 stellt den Temperaturfehler (Polynom 1. Ordnung), bei einem hypothetischen linearem Temperaturgang von der Parallelkapazität (CP) dar.
  • Im Rahmen dieser Offenlegung wird also ein Verfahren zur Erfassung eines Wertes vorgeschlagen, der die Temperatur eines Schwingelements eines Ultraschalltransducers repräsentiert. Der Ultraschalltransducer weist dabei, wie oben beschrieben, eine Resonanzfrequenz (fr ) auf. Das Verfahren umfasst den Schritt des Betreibens des Ultraschalltransducers mit einem elektrischen Messsignal bei einer Messfrequenz( fm ), die mindestens um einen Faktor 1,2 und/oder besser einen Faktor 1,3 und /oder besser um einen Faktor 1,4 und/oder besser um einen Faktor 1,5 und/oder besser um einen Faktor 1,6 und/oder besser um einen Faktor 1,7 über der Resonanzfrequenz (fr ) liegt. Wie oben diskutiert, ist es typischerweise ausreichend die Messfrequenz um 50% höher als die Resonanzfrequenz zu wählen. Während dieses Betreibens erfolgt der Schritt des Erfassens des Betrags der komplexen Impedanz des Ultraschalltransducers bei dieser Messfrequenz (fm ). Damit wird das Ermitteln des gesuchten Wertes, der die Temperatur eines Schwingelements eines Ultraschalltransducers repräsentieren soll, in Abhängigkeit von dem erfassten Betrag der komplexen Impedanz des Ultraschalltransducers bei dieser Messfrequenz (fm ) möglich. Bevorzugt erfolgt diese Ermittlung des gesuchten Wertes, der die Temperatur eines Schwingelements eines Ultraschalltransducers repräsentieren soll, durch eine lineare Abbildung des erfassten Betrags der komplexen Impedanz des Ultraschalltransducers. Die Parameter dieser linearen Abbildung können bei Inbetriebnahme der Vorrichtung oder bei erstmaliger Inbetriebnahme einer ähnlichen Vorrichtung oder durch Simulation oder Berechnung mit Hilfe von Datenblättern der Ultraschalltransducer ermittelt werden.
  • Selbstverständlich ist es möglich, das zuvor beschriebene Verfahren mittels einer geeigneten Vorrichtung durchzuführen. Es handelt sich dann um eine Vorrichtung zur Erfassung eines Wertes, der die Temperatur eines Schwingelements eines Ultraschalltransducers repräsentiert. Sie umfasst einen Ultraschalltransducer und eine Messvorrichtung und eine Auswertevorrichtung, die mit der Messvorrichtung identisch oder gleich sein kann. Wie bereits beschrieben, weist der Ultraschalltransducer eine Resonanzfrequenz (fr ) auf. Die Messvorrichtung ist zumindest zeitweise zum Betreiben des Ultraschalltransducers mit einem elektrischen Messsignal geeignet oder vorgesehen. Es kann z.B. denkbar sein, die Treibervorrichtung, die zum normalen Betrieb des Ultraschalltransducers vorgesehen ist, und Überwachungsvorrichtungen, die während des Betriebs des Ultraschalltransducers verwendet werden zum Zeitpunkt der Messung als Teil der Messvorrichtung für diesen Messzweck zu benutzen. Die Messvorrichtung ist bevorzugt - z.B. u.a. durch Verwendung der besagten Treiberstufen - dazu eingerichtet und vorgesehen, den Ultraschalltransducer bei einer Messfrequenz (fm ) zu betreiben, die mindestens um einen Faktor 1,2 und/oder besser um einen Faktor 1,3 und /oder besser um einen Faktor 1,4 und/oder besser um einen Faktor 1,5 und/oder besser um einen Faktor 1,6 und/oder besser um einen Faktor 1,7 über der Resonanzfrequenz (fr ) des Ultraschalltransducers liegt. Die Messvorrichtung ist dazu vorgesehen und geeignet, den Betrag der komplexen Impedanz des Ultraschalltransducers bei dieser Messfrequenz (fm ) zu erfassen. Die Auswertevorrichtung ist dazu geeignet und vorgesehen, den gesuchten Wert, der die Temperatur eines Schwingelements eines Ultraschalltransducers repräsentieren soll, in Abhängigkeit von dem erfassten Betrag der komplexen Impedanz des Ultraschalltransducers bei dieser Messfrequenz (fm ) zu ermitteln und bereitzustellen oder zu signalisieren. Insbesondere führt Auswertevorrichtung zur Ermittlung des gesuchten Wertes, der die Temperatur eines Schwingelements eines Ultraschalltransducers repräsentieren soll, bevorzugt eine lineare Abbildung des durch die Messvorrichtung erfassten Betrags der komplexen Impedanz des Ultraschalltransducers durch.
  • 13 zeigt beispielhafte Messergebnisse, die auf die oben beschriebene Weise an einem realen Aufbau gewonnen wurden. In der X-Achse ist die im Messplatz eingestellte Temperatur aufgetragen und in der Y-Achse, die auf die zuvor beschriebene Weise berechnete Temperatur. 14 zeigt den zugehörigen Fehler. Es ist erkennbar, dass die Temperatur in diesem Beispiel in etwa auf +/- 5°C gemessen werden kann. Ggf. sind hier natürlich eingehende statistische Untersuchungen, die dem Fachmann geläufig sind, durchzuführen, um die Genauigkeit und die systematischen Fehler zu ermitteln.
  • Vorteil
  • Der besondere Vorteil ist die Erfassung der Temperatur des Ultraschalltransducers selbst. Fehlerhafte Temperaturermittlungen an anderen Messstellen, deren Temperaturkorrelation mit der Temperatur des Ultraschalltransducerschwingelements geringer ist, werden vermieden. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Erfassung eines Wertes, - der die Temperatur eines Schwingelements eines Ultraschalltransducers repräsentiert, - wobei der Ultraschalltransducer eine Resonanzfrequenz (fr) aufweist, umfassend die Schritte - Betreiben des Ultraschalltransducers mit einem elektrischen Messsignal bei einer Messfrequenz (fm), die mindestens um einen Faktor 1,2 und/oder einen Faktor 1,3 und /oder um einen Faktor 1,4 und/oder einen Faktor 1,5 und/oder einen Faktor 1,6 und/oder einen Faktor 1,7 über der Resonanzfrequenz (fr) liegt; - Erfassen des Betrags der komplexen Impedanz des Ultraschalltransducers bei dieser Messfrequenz (fm); - Ermitteln des gesuchten Wertes, der die Temperatur des Schwingelements des Ultraschalltransducers repräsentiert, in Abhängigkeit von dem erfassten Betrag der komplexen Impedanz des Ultraschalltransducers bei dieser Messfrequenz (fm).
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch gekennzeichnet dadurch, dass - die Ermittlung des gesuchten Wertes, der die Temperatur des Schwingelements des Ultraschalltransducers repräsentiert, durch eine lineare Abbildung des erfassten Betrags der komplexen Impedanz des Ultraschalltransducers erfolgt.
  3. Vorrichtung zur Erfassung eines Wertes, - der die Temperatur eines Schwingelements eines Ultraschalltransducers repräsentiert, - mit einem Ultraschalltransducer und - mit einer Messvorrichtung und - mit einer Auswertevorrichtung, - wobei der Ultraschalltransducer eine Resonanzfrequenz (fr) aufweist und - wobei die Messvorrichtung zumindest zeitweise zum Betreiben des Ultraschalltransducers mit einem elektrischen Messsignal geeignet ist und - wobei die Messvorrichtung dazu eingerichtet ist, den Ultraschalltransducer bei einer Messfrequenz (fm) zu betreiben, die mindestens um einen Faktor 1,2 und/oder einen Faktor 1,3 und /oder um einen Faktor 1,4 und/oder einen Faktor 1,5 und/oder einen Faktor 1,6 und/oder einen Faktor 1,7 über der Resonanzfrequenz (fr) des Ultraschalltransducers liegt und - wobei die Messvorrichtung dazu geeignet ist, den Betrag der komplexen Impedanz des Ultraschalltransducers bei dieser Messfrequenz (fm) zu erfassen - wobei die Auswertevorrichtung dazu geeignet ist den gesuchten Wert, der die Temperatur eines Schwingelements eines Ultraschalltransducers repräsentieren soll, in Abhängigkeit von dem erfassten Betrag der komplexen Impedanz des Ultraschalltransducers bei dieser Messfrequenz (fm) zu ermitteln und bereitzustellen.
  4. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch gekennzeichnet dadurch, dass - Auswertevorrichtung zur Ermittlung des gesuchten Wertes, der die Temperatur des Schwingelements des Ultraschalltransducers repräsentiert, eine lineare Abbildung des durch die Messvorrichtung erfassten Betrags der komplexen Impedanz des Ultraschalltransducers durchführt.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019220042A1 (de) * 2019-12-18 2021-06-24 Robert Bosch Gmbh Betriebsverfahren und Steuereinheit für eine Ultraschallsendeempfangseinrichtung, Temperaturbestimmungsverfahren, Ultraschallsendeempfangseinrichtung und Arbeitsvorrichtung

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021114988A1 (de) * 2021-06-10 2022-12-15 Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh Verfahren zum betreiben eines ultraschallsensors, computerprogrammprodukt, ultraschallsensorsystem und fahrzeug
CN113639856B (zh) * 2021-08-17 2022-10-14 合肥工业大学 一种考虑环境温度影响的梁桥模态频率识别方法
CN113835047B (zh) * 2021-08-24 2022-12-20 西安电子科技大学 跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置、监测及制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH625881A5 (de) 1977-02-08 1981-10-15 Westinghouse Electric Corp
DE69130843T2 (de) 1990-06-12 1999-06-10 Northern Telecom Ltd Piezo-elektrischer Temperaturfühler
DE19917372A1 (de) 1999-04-16 2000-10-19 Busch Dieter & Co Prueftech Oberflächentemperaturmeßgerät und -meßverfahren

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2359742C (en) * 2000-10-20 2010-09-28 Ethicon Endo-Surgery, Inc. Method for calculating transducer capacitance to determine transducer temperature
US20110320142A1 (en) * 2010-06-28 2011-12-29 General Electric Company Temperature independent pressure sensor and associated methods thereof
WO2008147517A1 (en) * 2007-05-25 2008-12-04 Cooper Technologies Company Device protection using temperature compensation
WO2011156037A2 (en) * 2010-03-16 2011-12-15 The Penn State Research Foundation Methods and apparatus for ultra-sensitive temperature detection using resonant devices
US20160252406A1 (en) * 2015-02-27 2016-09-01 California Institute Of Technology Temperature sensor using piezoelectric resonator and methods of measuring temperature
US10663418B2 (en) * 2017-02-03 2020-05-26 Texas Instruments Incorporated Transducer temperature sensing

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH625881A5 (de) 1977-02-08 1981-10-15 Westinghouse Electric Corp
DE69130843T2 (de) 1990-06-12 1999-06-10 Northern Telecom Ltd Piezo-elektrischer Temperaturfühler
DE19917372A1 (de) 1999-04-16 2000-10-19 Busch Dieter & Co Prueftech Oberflächentemperaturmeßgerät und -meßverfahren

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019220042A1 (de) * 2019-12-18 2021-06-24 Robert Bosch Gmbh Betriebsverfahren und Steuereinheit für eine Ultraschallsendeempfangseinrichtung, Temperaturbestimmungsverfahren, Ultraschallsendeempfangseinrichtung und Arbeitsvorrichtung

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