DE102022114848A1

DE102022114848A1 - Verfahren und Messsystem zur Temperaturmessung

Info

Publication number: DE102022114848A1
Application number: DE102022114848.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Brodeck
Original assignee: Bonnenberg & Drescher GmbH
Current assignee: Bonnenberg & Drescher GmbH
Priority date: 2022-06-13
Filing date: 2022-06-13
Publication date: 2023-12-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Messung einer Temperatur eines gasförmigen Mediums in einem Kompartiment (10), insbesondere in einer Anlage, einem Ofen, einem Schornstein, einer Leitung oder dergleichen, wobei mittels zumindest eines Schallerzeugers einer Sendevorrichtung (15) eines Messsystems (11) ein Schallereignis erzeugt wird, wobei mittels zumindest eines Mikrofons (23) einer Empfangsvorrichtung (16) des Messsystems das Schallereignis empfangen wird, wobei mittels einer Differenzmesseinrichtung einer Messvorrichtung des Messsystems eine Laufzeit des Schallereignisses von der Sendevorrichtung zu der Empfangsvorrichtung gemessen wird, wobei mittels einer Auswerteeinrichtung der Messvorrichtung die Temperatur des gasförmigen Mediums unter Berücksichtigung eines Abstands (L) der Sendevorrichtung relativ zu der Empfangsvorrichtung und der Laufzeit des Schallereignisses bestimmt wird, wobei mittels der Messvorrichtung ein ununterbrochen von der Sendevorrichtung erzeugtes Schallereignis bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Messsystem zur akustischen Messung einer Temperatur eines gasförmigen Mediums in einem Kompartiment, insbesondere in einer Anlage, in einem Ofen, einem Schornstein, einer Leitung oder dergleichen, wobei mittels zumindest eines Schallerzeugers einer Sendevorrichtung des Messsystems ein Schallereignis erzeugt wird, wobei mittels zumindest eines Mikrofons einer Empfangsvorrichtung des Messsystems das Schallereignis empfangen wird, wobei mittels einer Differenzmesseinrichtung einer Messvorrichtung des Messsystems eine Laufzeit des Schallereignisses von der Sendevorrichtung zu der Empfangsvorrichtung gemessen wird, wobei mittels einer Auswerteeinrichtung der Messvorrichtung die Temperatur des gasförmigen Mediums unter Berücksichtigung eines Abstands der Sendevorrichtung relativ zu der Empfangsvorrichtung und der Laufzeit des Schallereignisses bestimmt wird.
Derartige Verfahren und Messsysteme zur akustischen Messung von Temperaturen sind hinreichend bekannt und werden regelmäßig im Rahmen technischer Prozesse eingesetzt. So ist eine Gastemperatur zur Überwachung ober Steuerung eines technischen Prozesses, beispielsweise in einem Verbrennungsraum, einem Tiegelofen oder dergleichen, von großer Bedeutung, da über die Gastemperatur vergleichsweise genau und ohne wesentliche zeitliche Verzögerung ein Prozesszustand erfasst werden kann, was mit Thermoelementen oder anderen, vergleichbaren Temperatursensoren nicht ohne weiteres möglich wäre.
Eine akustische Tempertaturmessung beruht auf dem physikalischen Effekt, dass eine Schallgeschwindigkeit in einer Gasatmosphäre von einer Temperatur des Gases beeinflusst ist. Bei den bekannten Verfahren wird ein Schallereignis von einer Sendevorrichtung erzeugt, welches von einer Empfangsvorrichtung mittels eines Mikrofons erfasst wird. Der Schall durchläuft dabei eine Gasatmosphäre des betreffenden Kompartiments, wobei eine Laufzeit von der Sendevorrichtung zu der Empfangsvorrichtung gemessen wird. Da ein Abstand der Sendevorrichtung relativ zu der Empfangsvorrichtung bekannt ist, kann eine Schallgeschwindigkeit berechnet und daraus wiederrum eine Temperatur der Gasatmosphäre abgeleitet werden. Die Berechnung wird regelmäßig mittels eines dafür eingerichteten Computers bzw. einer Software durchgeführt. Als ein Schallereignis wird ein vergleichsweise lauter Schallimpuls, beispielsweise ein Knall, oder ein kurzes Signal, verwendet, da das Schallereignis von prozessbedingten Geräuschen innerhalb des Kompartiments unterscheidbar sein muss. Auch ist bei einem kurzen, herausragenden Schallimpuls, wie einem Knall, die Erfassung einer Laufzeit vergleichsweise einfach, da ein Anfangszeitpunkt und ein Endzeitpunkt des Schallimpulses leicht bestimmbar sind. Somit ist die Temperatur der Gasatmosphäre zum Zeitpunkt des Knalls erfassbar.
Die Sendevorrichtung und die Empfangsvorrichtung müssen so an dem Kompartiment angeordnet sein, dass diese von heißen Gasen nicht beschädigt werden. Die Sendevorrichtung kann beispielsweise mit einem trompetenartigen Rohrstück ausgebildet sein, welches in dem Kompartiment mündet, und an dessen Ende ein Schallerzeuger und ein Mikrofon angeordnet ist. Zur Schallerzeugung wird Druckluft genutzt, über die ein kurzes Signal abgegeben werden kann. Die Empfangsvorrichtung kann ebenfalls wie die Sendevorrichtung ausgebildet sein, sodass diese wahlweise als Sender oder Empfänger genutzt werden können. Da bei der akustischen Temperaturmessung eine mittlere Temperatur der gesamten Messstrecke erfasst wird, ist es weiter bekannt eine Vielzahl von Sendevorrichtungen bzw. Empfangsvorrichtungen an einem Kompartiment anzuordnen und in einer fortlaufenden Abfolge mit einer der Sendevorrichtungen jeweils sehr kurze Signale oder Schallimpulse zu generieren. Diese Signale bzw. Schallimpulse können dann von sämtlichen Empfangsvorrichtungen empfangen werden, sodass viele verschiedene Messstrecken durch das Kompartiment bzw. die Gasatmosphäre entsprechend dieser Abfolge gemessen werden können. Hieraus kann eine räumliche Temperaturverteilung in dem Kompartiment berechnet werden.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, dass eine Änderung einer Gastemperatur nur mit einer zeitlichen Verzögerung gemessen werden kann, da eine Messstrecke bei einer Messung mit allen Sendevorrichtungen bzw. Empfangsvorrichtungen je Schallimpuls zunächst nur für einen einzelnen Zeitpunkt gemessen wird. Weiter ist eine Datenverarbeitung bzw. die Berechnung der Schallgeschwindigkeit je Messstrecke und die Bestimmung der Temperaturverteilung vergleichsweise aufwendig und erfordert hinsichtlich Steuerung und Auswertung eine große Rechenkapazität eines Computers. Dadurch ist eine derartige Temperaturmessung auch vergleichsweise kostenaufwendig, insbesondere, wenn für eine verbesserte Prozessführung eine Temperatur besonders genau erfasst und lokalisiert werden soll.
Ein derartiges Messverfahren und ein entsprechendes Messsystem sind beispielsweise aus der US 672 63 58 B2 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Messsystem zur akustischen Messung einer Temperatur eines gasförmigen Mediums vorzuschlagen, welches eine schnelle Erfassung einer Temperaturänderung in einem gasförmigen Medium ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Messsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13, ein Kompartiment mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und durch eine Verwendung eines Messsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur akustischen Messung einer Temperatur eines gasförmigen Mediums in einem Kompartiment, insbesondere in einer Anlage, einem Ofen, einem Schornstein, einer Leistung oder dergleichen, wird mittels zumindest eines Schallerzeugers einer Sendevorrichtung eines Messsystems ein Schallereignis erzeugt, wobei mittels zumindest eines Mikrofons einer Empfangsvorrichtung des Messsystems das Schallereignis empfangen wird, wobei mittels einer Differenzmesseinrichtung einer Messvorrichtung des Messsystems eine Laufzeit des Schallereignisses von der Sendevorrichtung zu der Empfangsvorrichtung gemessen wird, wobei mittels einer Auswerteeinrichtung der Messvorrichtung die Temperatur des gasförmigen Mediums unter Berücksichtigung eines Abstands der Sendevorrichtung relativ zu der Empfangsvorrichtung und der Laufzeit des Schallereignisses bestimmt wird, wobei mittels der Messvorrichtung ein ununterbrochen von der Sendevorrichtung erzeugtes Schallereignis bestimmt wird.
Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass die Messvorrichtung bzw. der Schallerzeuger der Sendevorrichtung ein kontinuierliches Schallereignis bzw. ein Signal erzeugt. Das Schallereignis kann dabei während des gesamten Betriebs des Messsystems bzw. über einen Messzeitraum kontinuierlich abgegeben werden. Die Empfangsvorrichtung empfängt dann ebenfalls das von der Sendevorrichtung fortwährend erzeugte Schallereignis ununterbrochen. Der Messzeitraum, in dem das Schallereignis unterbrechungsfrei abgegeben wird, kann beispielsweise wenige Minuten, Stunden oder Tage umfassen. Die dadurch ebenfalls mögliche, ununterbrochene Messung der Temperatur des gasförmigen Mediums erfordert eine fortwährende Messung der Laufzeit des Schallereignisses mit der Differenzmesseinrichtung. Eine derartige fortwährende Messung ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schallereignissen, wie einem Schallimpuls oder einem kurzen Signal, nicht möglich, da dann nur anhand eines singulären Schallereignisses die Temperatur einmalig gemessen wird. Eventuelle Temperaturschwankungen, beispielsweise hervorgerufen durch einen lokalen Austritt von Heißgasen aus einer Schmelze eines Ofens, können dann nicht erfasst werden, wenn dieses Ereignis zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen bzw. Schallereignissen liegt. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen mittels der Messvorrichtung das von der Sendevorrichtung ununterbrochen abgegebene Schallereignis bestimmt wird, ist es auch möglich die Laufzeit dieses Schallereignisses ununterbrochen zu messen und so die Temperatur des gasförmigen Mediums in Echtzeit fortlaufend zu bestimmen. Ein Prozess innerhalb eines Kompartiments kann dann besonders genau und unterbrechungsfrei überwacht und gesteuert werden.
Als Schallerzeugnis kann ein stationäres Geräusch erzeugt werden, wobei die Differenzmesseinrichtung die Laufzeit dieses Geräusches ununterbrochen messen kann, wobei die Auswerteeinrichtung die Temperatur des gasförmigen Mediums bestimmen kann. Die Laufzeit dieses stationären Geräusches von der Sendevorrichtung zu der Empfangsvorrichtung kann folglich fortwährend von der Differenzmesseinrichtung gemessen werden. Da der Abstand von der Sendevorrichtung relativ zu der Empfangsvorrichtung bekannt ist, kann die Auswerteeinrichtung eine Schallgeschwindigkeit sowie deren Änderung fortwährend berechnen. Aus der Schallgeschwindigkeit kann wiederrum von der Auswerteeinrichtung ununterbrochen die Temperatur des gasförmigen Mediums bestimmt werden. Die Messvorrichtung bzw. die Auswerteeinrichtung kann Mittel zur Datenverarbeitung, wie einem Computer und darauf ausgeführte Software, umfassen.
Mittels der Auswerteeinrichtung kann eine mittlere Temperatur des gasförmigen Mediums der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung bestimmt werden. Die mittlere Temperatur ergibt sich dadurch, dass das Schallereignis bzw. das Signal eine Messstrecke von der Sendevorrichtung zu der Empfangsvorrichtung durchläuft, innerhalb der möglicherweise unterschiedliche Temperaturen vorherrschen. Da die Laufzeit des Schallereignisses gemessen wird, kann nur eine mittlere Temperatur für die Messstrecke bestimmt werden. Gleichwohl wäre es möglich eine Temperaturverteilung innerhalb des Kompartiments zu messen, wenn eine Mehrzahl von Empfangsvorrichtungen bzw. Sendevorrichtungen mit jeweils unterschiedlichen Messstrecken verwendet werden. So können dann auch örtliche Temperaturunterschiede gemessen werden. In diesem Zusammenhang ist es dann auch möglich, dass die jeweiligen Schallerzeuger voneinander unterscheidbare Schallereignisse generieren.
Mittels der Messvorrichtung kann eine Änderung der Temperatur des gasförmigen Mediums innerhalb eines Messzeitabschnitts von < 1 Sekunde, bevorzug < 50 Millisekunden, besonders bevorzugt ≤ 10 Millisekunden, gemessen werden. Eine Messung der Temperatur kann somit mit einer hohen zeitlichen Auflösung erfolgen. Die Änderung der Temperatur wird besonders genau bestimmbar, wenn ein Empfang des Schallereignisses innerhalb entsprechender Zeitabschnitte ausgewertet wird bzw. die Laufzeit des Schallereignisses für einen Zeitabschnitt gemessen wird.
Die Differenzmesseinrichtung kann die Laufzeit des Schallereignisses mittels Korrelation eines Sendesignals des von der Sendevorrichtung erzeugten Schallereignisses mit einem Empfangssignal des von der Empfangsvorrichtung empfangenen Schallereignisses bestimmen. Die Differenzmesseinrichtung kann dabei das Sendesignal mit dem Empfangssignal fortwährend, das heißt, ununterbrochen korrelieren. Es kann auch vorgesehen sein, die Korrelation für Messzeitabschnitte bzw. Zeitabschnitte durchzuführen. Unter einer ununterbrochenen Korrelation der Signale wird hier die Korrelation innerhalb sämtlicher Messzeitabschnitte eines zusammenhängenden Messzeitraums verstanden. Prinzipiell ist es auch möglich, wenn beispielsweise ein Zeitpunkt eines Schallereignisses bekannt ist, alleine dessen Laufzeit zu messen und auf eine Korrelation zu verzichten. Weiter kann auch durch eine Filterung oder eine andere Art der Auswertung des Empfangssignals ein geeignetes Signal des empfangenen Schallereignisses gewonnen werden.
Die Differenzmesseinrichtung kann einen Sendezeitpunkt des Sendesignals und/oder einen Empfangszeitpunkt des Empfangssignals nach einem Korrelationsmaximum des Sendesignals und des Empfangssignals anpassen und die Laufzeit bestimmen. Die fortwährende Anpassung des Sendesignals und des Empfangssignals kann durch eine Verschiebung des Sendezeitpunkts des Sendesignals und/oder eines Empfangszeitpunkts des Empfangssignals relativ zueinander derart erfolgen, dass das Korrelationsmaximum beider Signale deckungsgleich ist. Dadurch wird es möglich die Laufzeit des Schallereignisses bzw. des Sendesignals bis zu seinem Empfang mit der Empfangsvorrichtung besonders genau zu ermitteln. Durch eine fortwährende bzw. ununterbrochene Anpassung der Signale nach dem Korrelationsmaximum kann diese Messung mit gleichbleibend hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
Das Schallereignis kann mittels Druckluft und einem Resonator bzw. Aerophon der Sendevorrichtung erzeugt und mit einem Mikrofon der Sendevorrichtung als ein Sendesignal erfasst werden. Mittels Druckluft ist ein Schallereignis mit hohem Schalldruck, welches von Geräuschen innerhalb eines Kompartiments gut unterscheidbar ist, erzeugbar. Weiter ist ein Resonator einfach ausbildbar und unempfindlich gegenüber einer in einem Kompartiment vorherrschenden Schmutz- bzw. Heißgasatmosphäre. Mittels des Mikrofons der Sendevorrichtung kann das Schallereignis bzw. Sendesignal zeitgleich erfasst werden. Dadurch, dass das Sendesignal und das Empfangssignal jeweils von einem Mikrofon erfassbar ist, wird eine besonders einfache Signalverarbeitung möglich.
Die Druckluft kann über eine Öffnung eines Resonanzkanals der Sendevorrichtung in das Kompartiment geleitet werden. Der Resonanzkanal kann in Art eines Rohrs, trichterförmig oder trompetenförmig, ausgebildet sein. Die Druckluft kann dann durch den Resonanzkanal hindurchströmen und durch die Öffnung in das Kompartiment gelangen. Dadurch kann verhindert werden, dass Schmutz oder Heißgas in den Resonanzkanal gelangen und den Resonator bzw. das Mikrofon beschädigen kann. Gleichzeitig können über den Resonanzkanal bestimmte Frequenzen des Schallereignisses verstärkt oder abgeschwächt werden.
Das Schallereignis kann auch mittels eines Lautsprechers der Sendevorrichtung erzeugt und als ein Sendesignal erfasst werden. Dadurch wird es möglich auf Druckluft zur Erzeugung von Schallereignissen zu verzichten. Eine Bereitstellung von Druckluft ist vergleichsweise kostenaufwendig und nicht immer möglich. Auch wird es durch die Verwendung eines Lautsprechers als Schallerzeuger möglich, den Lautsprecher so anzusteuern, dass nur bestimmte Frequenzen oder Frequenzbänder als Schallereignis emittiert werden. Die Erkennung eines Empfangssignals wird so wesentlich vereinfacht. Darüber hinaus kann auf ein Mikrofon an der Sendevorrichtung verzichtet werden, da das Sendesignal prinzipiell einem analogen Lautsprechersignal entspricht.
Als Schallereignis kann ein Ton mit zumindest einer Frequenz, bevorzugt mit zumindest einem Frequenzband, besonders bevorzugt ein weißes Rauschen, erzeugt werden. Ein Ton mit alleine einer Frequenz oder auch mehreren Frequenzen kann beispielsweise mittels eines Lautsprechers einfach erzeugt werden. Weiter ist es möglich, ein Ton mit einem Frequenzband bzw. innerhalb eines Frequenzbereichs mit einem Lautsprecher zu erzeugen. Ein weißes Rauschen kann ebenfalls mit einem Lautsprecher erzeugt werden, jedoch auch mit einem Aerophon. Je nach Prozess in dem Kompartiment und den dadurch verursachten Geräuschen kann ein geeignetes Schallereignis zur Signalübermittlung ausgewählt werden.
Weiter kann als Schallereignis ein Ton mit zumindest einer Frequenz erzeugt werden, bei der zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung zumindest eine Schwingung der Frequenz ohne eine Phasenverschiebung ausgebildet werden kann. Eine Frequenz kann zunächst unverändert, als eine feste Frequenz von der Sendevorrichtung erzeugt werden, wobei zwischen dem Relativabstand der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung bzw. deren Distanz zumindest eine periodische, lineare Schwingung der Frequenz ausgebildet werden kann. Dabei handelt es sich dann um zumindest eine einzige Schwingung bzw. eine einzige Periode der Schwingung. Eine Phasenverschiebung der Schwingung bzw. der Periode kann dabei so ausgebildet werden, dass die Phasenverschiebung den Wert 0 aufweist. Die Schwingung ist folglich nicht phasenverschoben. In diesem Zustand ist eine Amplitude der Frequenz der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung in Phase. Aus dem bekannten Abstand der Sendevorrichtung relativ zu der Empfangsvorrichtung und der ebenfalls bekannten Frequenz, kann die Auswerteeinrichtung dann die Temperatur des gasförmigen Mediums in dem Kompartiment bzw. eine mittlere Temperatur auf einer Messstrecke von der Sendevorrichtung zu der Empfangsvorrichtung bzw. dazwischen berechnen. Da hier weder eine besondere Erkennung, Filterung, Korrelation oder dergleichen von gesendeten und empfangenen Schallereignissen erforderlich ist, kann die Temperatur ohne großen Aufwand bzw. ohne eine große Rechenkapazität sehr genau und schnell kostengünstig ermittelt werden. Die Auswerteeinrichtung kann folglich die Laufzeit bzw. Schallgeschwindigkeit aus dem Produkt des Abstands und der Frequenz berechnen. Vorteilhaft kann die Differenzmesseinrichtung dann die Laufzeit des Schallereignisses bzw. die Schallgeschwindigkeit des Schallereignisses aus einem Produkt von Wellenlänge λ und der Frequenz berechnen. Da hier die Wellenlänge dem bekannten Abstand der Sendevorrichtung relativ zu der Empfangsvorrichtung entspricht, kann diese Berechnung besonders einfach und schnell durchgeführt werden. Aus der Schallgeschwindigkeit bzw. der Laufzeit kann dann mittels der Auswerteeinrichtung die Temperatur berechnet werden.
Das Meldesystem kann zumindest eine zweite Empfangsvorrichtung umfassen, wobei die Auswerteeinrichtung die jeweilige Temperatur des gasförmigen Mediums für verschiedene Punkte innerhalb des Kompartiments bestimmen kann, wobei eine Temperaturverteilung innerhalb des Kompartiment mittels einer Ausgabeeinrichtung der Messvorrichtung grafisch ausgegeben werden kann. Durch die Verwendung einer zweiten Empfangsvorrichtung können zumindest zwei Messtrecken zwischen der Sendevorrichtung und den Empfangsvorrichtungen ausgebildet werden. Somit wird es dann auch möglich für die verschiedenen Punkte, die innerhalb einer Ebene, die durch die Empfangsvorrichtungen und die Sendevorrichtungen verläuft, jeweils eine Temperatur zu bestimmen. Hieraus ergibt sich dann die Temperaturverteilung innerhalb der betreffenden Ebene, die durch das Kompartiment verläuft. Die Temperaturverteilung kann durch tomografische Rekonstruktion berechnet werden. Eine derart berechnete Temperaturverteilung kann dann mit der Ausgabeeinrichtung, die beispielsweise ein Bildschirm sein kann, grafisch dargestellt werden. Aus der grafischen Darstellung bzw. der Berechnung der Temperaturverteilung lassen sich eventuelle Maßnahmen zur Beeinflussung eines in dem Kompartiment ausgeführten Prozesses ableiten.
Das erfindungsgemäße Messsystem zur akustischen Messung einer Temperatur eines gasförmigen Mediums in einem Kompartiment, insbesondere in einer Anlage, einem Ofen, einem Schornstein, einer Leitung oder dergleichen, umfasst zumindest eine Sendevorrichtung, zumindest eine Empfangsvorrichtung und eine Messvorrichtung, wobei die Sendevorrichtung einen Schallerzeuger zur Erzeugung eines Schallereignisses, und die Empfangsvorrichtung ein Mikrofon zum Empfangen des Schallereignisses aufweist, wobei die Messvorrichtung eine Differenzmesseinrichtung, zur Messung einer Laufzeit eines Schallereignisses von der Sendevorrichtung zu der Empfangsvorrichtung, aufweist, wobei mittels einer Auswerteeinrichtung der Messvorrichtung die Temperatur des gasförmigen Mediums unter Berücksichtigung eines Abstands der Sendevorrichtung relativ zu der Empfangsvorrichtung und der Laufzeit des Schallereignisses bestimmbar ist, wobei die Messvorrichtung dazu eingerichtet ist, ein ununterbrochen von der Sendevorrichtung erzeugtes Schallereignis zu bestimmen. Zu den vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Messsystems wird auf die Vorteilsbeschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
Die Sendevorrichtung und die Empfangsvorrichtung können identischen oder voneinander verschieden ausgebildet sein. Sind die Sendevorrichtung und die Empfangsvorrichtung identisch, können diese einfach hergestellt werden, da keine unterschiedlichen Baugruppen erforderlich sind. Die Sendevorrichtung und die Empfangsvorrichtung kann dann jeweils auch wechselweise als Sendevorrichtung und umgekehrt als Empfangsvorrichtung genutzt werden. Wenn die Sendevorrichtung und die Empfangsvorrichtung voneinander verschieden ausgebildet sind, kann die Empfangsvorrichtung in einer besonders einfachen Ausführungsform alleine durch ein Mikrofon ausgebildet sein. Die Empfangsvorrichtung ist dann ausschließlich zum Empfangen bzw. zur Detektion des Schallereignisses, welches von der Sendevorrichtung emittiert wurde, ausgebildet. So ist dann ein besonders kostengünstiges Messsystem ausbildbar.
Das erfindungsgemäße Kompartiment, insbesondere Anlage, Ofen, Schornstein, Leitung oder dergleichen, umfasst ein erfindungsgemäßes Messsystem.
An einem Innenumfang des Kompartiments kann zumindest eine Sendevorrichtung und eine Mehrzahl Empfangsvorrichtungen angeordnet sein. Unter einer Anordnung an einem Innenumfang wird hier verstanden, dass zumindest die Sendevorrichtung und optional die Empfangsvorrichtung zumindest mit jeweils Öffnungen an dem Innenumfang angeordnet sein können. Das Kompartiment kann beispielsweise eine isolierte Wandung aufweisen, innerhalb der ein Resonanzkanal der Sendevorrichtung verläuft. Weiter kann vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl Sendevorrichtungen an dem Innenumfang angeordnet sind. So ist es dann auch möglich von jeweils einer Sendevorrichtung eine Mehrzahl von Messtrecken zu den jeweiligen Empfangsvorrichtungen auszubilden. Sind mehrere Sendevorrichtungen existent, können die Sendevorrichtungen mit unterscheidbaren Schallereignissen senden, beispielsweise Schallereignissen unterschiedlicher Frequenz. So wird eine präzise Lokalisierung einer Temperatur bzw. einer Temperaturverteilung in dem Kompartiment möglich.
Vorteilhaft kann die Sendevorrichtung und die Empfangsvorrichtung relativ zueinander äquidistant angeordnet sein. Beispielsweise kann auch vorgesehen sein, dass Sendevorrichtungen und Empfangsvorrichtungen in einer wechselweisen Abfolge entlang eines Innenumfangs des Kompartiments äquidistant angeordnet sind. Dies ist besonders einfach möglich, wenn das Kompartiment in diesem Bereich einen symmetrischen, runden, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen eines Kompartiments ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird das erfindungsgemäße Messsystem zur akustischen Messung einer Temperatur eines gasförmigen Mediums in einem Kompartiment, insbesondere in einer Anlage, einem Ofen, einem Schornstein, einer Leitung oder dergleichen, verwendet. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Verwendung ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 Eine schematische Längsschnittansicht eines Kompartiments mit einem Messsystem gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Längsschnittansicht eines Kompartiments mit einem Messsystem gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 eine schematische Querschnittansicht eines Kompartiments mit einem Messsystem gemäß einer dritten Ausführungsform;
4 eine schematische Querschnittansicht eines Kompartiments mit einem Messsystem gemäß einer vierten Ausführungsform;
5 eine schematische Querschnittansicht eines Kompartiments mit einem Messsystem gemäß einer fünften Ausführungsform;
6 eine schematische Längsschnittansicht eines Kompartiments mit einem Messsystem gemäß einer sechsten Ausführungsform;
7 eine schematische Längsschnittansicht eines Kompartiments mit einem Messsystem gemäß einer siebten Ausführungsform;
8 eine schematische Längsschnittansicht eines Kompartiments mit einem Messsystem gemäß einer achten Ausführungsform;
9 ein Ablaufdiagramm eines Messverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
10 ein Ablaufdiagramm eines Messverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Die 1 zeigt ein Kompartiment 10 mit einem Messsystem 11 in einer schematischen Längsschnittansicht. Das Kompartiment 10 ist durch eine isolierte, rohrförmige Wand 12 ausgebildet, die ein Volumen 13, welches mit einem heißen Gas gefüllt ist, umgibt. Quer zu einer Längsachse 14 des Kompartiments 10 ist das Messsystem 11 mit einer Sendevorrichtung 15 und einer Empfangsvorrichtung 16 angeordnet. Weiter umfasst das Messsystem 11 eine hier nicht dargestellte Messvorrichtung mit einer Differenzmesseinrichtung und einer Auswerteeinrichtung. Die Messvorrichtung umfasst Mittel zur Datenverarbeitung bzw. zumindest einen Computer mit einer darauf ausgeführten Software.
Die Sendevorrichtung 15 und die Empfangsvorrichtung 16 sind hier identisch ausgebildet und weisen jeweils einen trichterförmigen Resonanzkanal 17 mit einer in dem Kompartiment 10 mündenden Öffnung 18 auf. An einem Ende 19 des Resonanzkanals 17 ist ein Resonator 20 angeordnet, an den eine Druckluftleitung 21 mit einem Ventil 22 angeschlossen ist. Je nach Ansteuerung des Ventils 22 wird Druckluft über den Resonator 20 und den Resonanzkanal 17 in das Kompartiment 10 eingeblasen und dabei mittels des Resonators 20 zumindest ein Ton bzw. ein Schallereignis erzeugt. Weiter ist an dem Ende 19 ein Mikrofon 23 zur Aufnahme des Schallereignisses bzw. des Tons angeordnet. Die jeweiligen Mikrofone 23 sind in einem Abstand L relativ zueinander angeordnet. Folglich ist die Sendevorrichtung 15 auch in dem Abstand L relativ zu der Empfangsvorrichtung 16 angeordnet. Je nachdem, welches der Ventile 22 betrieben wird, wird die Sendevorrichtung 15 zur Erzeugung des Schallereignisses oder umgekehrt, in Art der Empfangsvorrichtung 16 zum Empfang des Schallereignisses mittels des Mikrofons 23 genutzt.
Wesentlich ist hier, dass mittels der Messvorrichtung, die zur Steuerung der Sendevorrichtung 15 und der Empfangsvorrichtung 16 eingerichtet ist, ein kontinuierliches Schallereignis von der Sendevorrichtung 15 erzeugt wird. Dieses Schallereignis kann ein beliebiger Ton, beispielsweise Weißes Rauschen, sein. Das Schallereignis legt den Abstand L von der Sendevorrichtung 15 zu der Empfangsvorrichtung 16 bzw. eine Messstrecke 24 zurück, wobei die Messvorrichtung eine Laufzeit des Schallereignisses bestimmt. Dabei wird mit dem Mikrofon 23 der Sendevorrichtung 15 das Schallereignis erfasst und mit dem Mikrofon 23 der Empfangsvorrichtung 16 das Schallereignis ebenfalls erfasst. Diese Erfassung verläuft kontinuierlich. Aus der Laufzeit und dem Abstand L errechnet die Messvorrichtung eine Schallgeschwindigkeit und leitet daraus eine Temperatur des Gases in dem Volumen 13 ab.
Die 2 zeigt ein Kompartiment 25 mit einem Messsystem 26 sowie dessen Sendevorrichtung 27 und Empfangsvorrichtung 28. Die Sendevorrichtung 27 ist aus einem trichterförmigen Resonanzkanal 29, an dessen Ende 30 ein Lautsprecher 31 angeordnet ist, gebildet. Die Empfangsvorrichtung 28 weist alleine ein Mikrofon 32 auf. Die Sendevorrichtung 27 und die Empfangsvorrichtung 28 sind hier voneinander verschieden ausgebildet. Mittels einer hier nicht dargestellten Messvorrichtung des Messsystems 26 wird über den Lautsprecher 31 ein Schallereignis bzw. ein Ton generiert, der nach einer Passage eines Volumens 33 des Kompartiments 25 entlang einer Messstrecke 34 von dem Mikrofon 32 erfasst wird. Auch hier wird mittels der Messvorrichtung eine Laufzeit und in Verbindung mit einem Abstand L der Sendevorrichtung 27 relativ zu der Empfangsvorrichtung 28 eine Schallgeschwindigkeit berechnet. Daraus wird eine Temperatur eines Gases in dem Volumen 33 bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt kontinuierlich.
Die 3 zeigt ein Kompartiment 35 mit einem Messsystem 36, umfassend eine Sendevorrichtung 37 und eine Empfangsvorrichtung 38. Die Sendevorrichtung 37 und die Empfangsvorrichtung 38 sind hier unterschiedlich ausgebildet und einander unmittelbar gegenüberliegend einem kreisrunden Querschnitt 39 des Kompartiments 35 angeordnet. Eine einzige Messstrecke 40 ist so zwischen der Sendevorrichtung 37 und der Empfangsvorrichtung 38 ausgebildet.
Die 4 zeigt ein Kompartiment 41 mit einem Messsystem 42, welches eine Sendevorrichtung 43 und drei Empfangsvorrichtungen 44 umfasst. Die Sendevorrichtung 43 und die Empfangsvorrichtungen 44 sind hier identisch ausgebildet. Ein von der Sendevorrichtung 43 erzeugtes Schallereignis wird von den Empfangsvorrichtungen 44 jeweils empfangen. So sind dann hier unterschiedliche Messtrecken 45, 46, 47 ausgebildet. Durch die identische Ausbildung des Sendevorrichtung 37 und der Empfangsvorrichtung 38 kann eine Messvorrichtung des Messsystems 42 einen Wechsel der Sendevorrichtung 43 mit den Empfangsvorrichtungen 44 durchführen, der sukzessive erfolgt. Das heißt, eine der Empfangsvorrichtungen 44 wird nachfolgend als Sendevorrichtung genutzt. Hieraus ergeben sich weitere, nicht näher dargestellte Messstrecken. Aus der Vielzahl von Messstrecken, für die jeweils von der Messvorrichtung eine mittlere Temperatur bestimmt wird, kann dann die Temperatur für verschiedene Punkte bzw. Bereiche innerhalb des Kompartiments 41 bestimmt werden.
Die 5 zeigt ein Kompartiment 49 mit einem Messsystem 50. Hier umfasst das Messsystem 50 eine Mehrzahl von Sendevorrichtungen 51 und Empfangsvorrichtungen 52. Mit den Sendevorrichtungen 51 werden jeweils voneinander verschiedene Schallereignisse erzeugt, die von den Empfangsvorrichtungen 52 erfasst werden. Hieraus ergeben sich eine Mehrzahl von Messstrecken 53, 54, 55 je Sendevorrichtung 51.
Die 6 zeigt ein Kompartiment 56 mit einem Messsystem 57, mit einer Sendevorrichtung 58 und einer Empfangsvorrichtung 59. Zwischen der Sendevorrichtung 58 und der Empfangsvorrichtung 59 ist auf einer Messstrecke 60 eine Schwingung einer Frequenz eines Schallereignisses, welches von der Sendevorrichtung 58 erzeugt wird, ausgebildet. Die Schwingung ist im Wesentlichen linear, wobei eine Frequenz so gewählt ist, dass eine Wellenlänge λ einem Abstand L von Sendevorrichtung 58 und Empfangsvorrichtung 59 entspricht. Insbesondere wird dabei eine Phasenverschiebung der Schwingung so ausgebildet, dass deren Wert null annimmt. Diese Einstellung bzw. Regelung der Phasenverschiebung erfolgt mittels einer Regeleinrichtung einer Messvorrichtung des Messsystems 57. Die Messvorrichtung kann nun aus dem Produkt der Wellenlänge und der Frequenz der Schwingung die Schallgeschwindigkeit für die Messstrecke 60 errechnen und daraus die Temperatur ableiten.
Die 7 zeigt im Unterschied zur 6 eine Verdopplung der Frequenz auf der Messstrecke 60, wobei hier zwei Schwingungen erzeugt werden, deren Phasenverschiebung ebenfalls den Wert null angenommen hat.
Die 8 zeigt im Unterschied zu den 6 und 7 eine Modulation der Frequenz mit einer Trägerfrequenz. Die Regeleinrichtung moduliert hier die Trägerfrequenz, die hier wesentlich größer ist als die Frequenz Ein Empfangssignal wird entsprechend demoduliert. Auch ist eine Phasenverschiebung von der Regeleinrichtung so eingestellt, dass deren Wert null annimmt.
Die 9 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens. In einem ersten Schritt 61 des Verfahrens wird mittels einer Sendevorrichtung eines hier nicht dargestellten Messsystems ein Schallereignis erzeugt. In einem zweiten Schritt 62 wird dieses Schallereignis von einer Empfangsvorrichtung des Messsystems empfangen. In einem dritten Schritt 63 berechnet eine Messvorrichtung des Messsystems eine Zeitdifferenz bzw. eine Laufzeit des Schallereignisses von der Sendevorrichtung zu der Empfangsvorrichtung. In einem vierten Schritt 64 berechnet die Messvorrichtung anhand eines bekannten Abstands der Sendevorrichtung relativ zu der Empfangsvorrichtung und der Laufzeit des Schallereignisses die Schallgeschwindigkeit und leitet daraus eine Temperatur eines gasförmigen Mediums zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung ab. Diese Temperatur wird in einem fünften Schritt 65 von einer Ausgabeeinrichtung der Messvorrichtung ausgegeben.
Die 10 zeigt ein Ablaufdiagramm einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens. Zunächst wird in einem ersten Schritt 66 von einer Regeleinrichtung einer Messvorrichtung eines Messsystems eine Startfrequenz erzeugt. Weiter wird in einem Schritt 67 eine Trägerfrequenz des Schallereignisses von der Regeleinrichtung erzeugt. Die Trägerfrequenz wird in einem Schritt 68 mit der Frequenz von der Regeleinrichtung moduliert. Dieses so erzeugte Sendesignal wird von einer Sendevorrichtung des Messsystems in einem Schritt 69 als Schallereignis ausgegeben und von einer Empfangsvorrichtung des Messsystems in einem Schritt 70 empfangen. Dabei ist von der Regeleinrichtung eine Phasenverschiebung einer Schwingung der Frequenz so eingestellt, dass diese den Wert null annimmt. In einem Schritt 71 wird eine Schallgeschwindigkeit von der Messvorrichtung aus einem Produkt einer Wellenlänge der Schwingung der Frequenz und der Frequenz berechnet. Hieraus wird von der Messvorrichtung eine Temperatur eines Gases auf einer Messstrecke zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung bestimmt. In einem letzten Schritt 72 wird die Temperatur von einer Ausgabeeinrichtung der Messvorrichtung ausgegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6726358 B2 [0006]

Claims

Verfahren zur akustischen Messung einer Temperatur eines gasförmigen Mediums in einem Kompartiment (10, 25, 35, 41, 49, 56), insbesondere in einer Anlage, einem Ofen, einem Schornstein, einer Leitung oder dergleichen, wobei mittels zumindest eines Schallerzeugers einer Sendevorrichtung (15, 27, 37, 43, 51, 58) eines Messsystems (11, 26, 36, 42, 50, 57) ein Schallereignis erzeugt wird, wobei mittels zumindest eines Mikrofons (23, 32) einer Empfangsvorrichtung (16, 28, 38, 44, 52, 59) des Messsystems das Schallereignis empfangen wird, wobei mittels einer Differenzmesseinrichtung einer Messvorrichtung des Messsystems eine Laufzeit des Schallereignisses von der Sendevorrichtung zu der Empfangsvorrichtung gemessen wird, wobei mittels einer Auswerteeinrichtung der Messvorrichtung die Temperatur des gasförmigen Mediums unter Berücksichtigung eines Abstands (L) der Sendevorrichtung relativ zu der Empfangsvorrichtung und der Laufzeit des Schallereignisses bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Messvorrichtung ein ununterbrochen von der Sendevorrichtung erzeugtes Schallereignis bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schallereignis ein stationäres Geräusch erzeugt wird, wobei die Differenzmesseinrichtung die Laufzeit dieses Geräusches ununterbrochen misst, wobei die Auswerteeinrichtung die Temperatur des gasförmigen Mediums bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinrichtung eine mittlere Temperatur des gasförmigen Mediums zwischen der Sendevorrichtung (15, 27, 37, 43, 51, 58) und der Empfangsvorrichtung (16, 28, 38, 44, 52, 59) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Messvorrichtung eine Änderung der Temperatur des gasförmigen Mediums innerhalb eines Messzeitabschnitts von ≤ 1 s, bevorzugt ≤ 50 ms, besonders bevorzugt ≤ 10 ms, gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzmesseinrichtung die Laufzeit des Schallereignisses mittels Korrelation eines Sendesignals des von der Sendevorrichtung (15, 27, 37, 43, 51, 58) erzeugten Schallereignisses mit einem Empfangssignal des von der Empfangsvorrichtung (16, 28, 38, 44, 52, 59) empfangenen Schallereignisses bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzmesseinrichtung einen Sendezeitpunkt des Sendesignals und/oder einen Empfangszeitpunkt des Empfangssignals nach einem Korrelationsmaximum des Sendesignals und des Empfangssignals anpasst und die Laufzeit bestimmt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallereignis mittels Druckluft und einem Resonator (20) der Sendevorrichtung (15, 37, 43, 51, 58) erzeugt und mit einem Mikrofon (23) der Sendevorrichtung als ein Sendesignal erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft über eine Öffnung eines Resonanzkanals (17) der Sendevorrichtung (15, 37, 43, 51, 58) in das Kompartiment (10, 25, 35, 41, 49, 56) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallereignis mittels eines Lautsprechers (31) der Sendevorrichtung (27, 37, 43, 51, 58) erzeugt und als ein Sendesignal erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schallereignis ein Ton mit zumindest einer Frequenz, bevorzugt mit zumindest einem Frequenzband, besonders bevorzugt ein Weißes Rauschen, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schallereignis ein Ton mit zumindest einer Frequenz erzeugt wird, bei der zwischen der Sendevorrichtung (15, 27, 37, 43, 51, 58) und der Empfangsvorrichtung (16, 28, 38, 44, 52, 59) zumindest eine Schwingung der Frequenz ohne eine Phasenverschiebung ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (11, 26, 42, 50, 57) zumindest eine zweite Empfangsvorrichtung (16, 28, 44, 52, 59) umfasst, wobei die Auswerteeinrichtung die jeweilige Temperatur des gasförmigen Mediums für verschiedene Punkte innerhalb des Kompartiments (10, 25, 41, 49, 56) bestimmt, wobei eine Temperaturverteilung innerhalb des Kompartiments mittels einer Ausgabeeinrichtung der Messvorrichtung grafisch ausgegeben wird.
Messsystem (11, 26, 36, 42, 50, 57) zur akustischen Messung einer Temperatur eines gasförmigen Mediums in einem Kompartiment (10, 25, 35, 41, 49, 56), insbesondere in einer Anlage, einem Ofen, einem Schornstein, einer Leitung oder dergleichen, wobei das Messsystem zumindest eine Sendevorrichtung (15, 27, 37, 43, 51, 58), zumindest eine Empfangsvorrichtung (16, 28, 38, 44, 52, 59) und eine Messvorrichtung umfasst, wobei die Sendevorrichtung einen Schallerzeuger zur Erzeugung eines Schallereignisses und die Empfangsvorrichtung ein Mikrofon (23, 32) zum Empfang des Schallereignisses aufweist, wobei die Messvorrichtung eine Differenzmesseinrichtung, zur Messung einer Laufzeit des Schallereignisses von der Sendevorrichtung zu der Empfangsvorrichtung, aufweist, wobei mittels einer Auswerteeinrichtung der Messvorrichtung die Temperatur des gasförmigen Mediums unter Berücksichtigung eines Abstands (L) der Sendevorrichtung relativ zu der Empfangsvorrichtung und der Laufzeit des Schallereignisses bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung dazu eingerichtet ist, ein ununterbrochen von der Sendevorrichtung erzeugtes Schallereignis zu bestimmen.
Messsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, A14dass die Sendevorrichtung (15, 27, 37, 43, 51, 58) und die Empfangsvorrichtung (16, 28, 38, 44, 52, 59) identisch oder voneinander verschieden ausgebildet sind.
Kompartiment (10, 25, 35, 41, 49, 56), insbesondere Anlage, Ofen, Schornstein, Leitung oder dergleichen, mit einem Messsystem (11, 26, 36, 42, 50, 57) nach Anspruch 13 oder 14.
Kompartiment nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Innenumfang des Kompartiments (10, 25, 35, 41, 49, 56) zumindest eine Sendevorrichtung (15, 27, 37, 43, 51, 58) und eine Mehrzahl Empfangsvorrichtungen (16, 28, 38, 44, 52, 59) angeordnet sind.
Verwendung eines Messsystems (11, 26, 36, 42, 50, 57) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur akustischen Messung einer Temperatur eines gasförmigen Mediums in einem Kompartiment (10, 25, 35, 41, 49, 56), insbesondere in einer Anlage, einem Ofen, einem Schornstein, einer Leitung oder dergleichen.