DE102022114849B4

DE102022114849B4 - Verfahren und Messsystem zur Temperaturmessung

Info

Publication number: DE102022114849B4
Application number: DE102022114849.1A
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: 2024-05-08
Anticipated expiration: 2042-06-14
Also published as: DE102022114849A1

Abstract

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 (11, 26, 36, 42, 50, 57) das Schallereignis empfangen wird, wobei mittels einer Differenzmesseinrichtung einer Messvorrichtung des Messsystems (11, 26, 36, 42, 50, 57) eine Laufzeit des Schallereignisses von der Sendevorrichtung (15, 27, 37, 43, 51, 58) zu der Empfangsvorrichtung (16, 28, 38, 44, 52, 59) gemessen wird, wobei mittels einer Auswerteeinrichtung der Messvorrichtung die Temperatur des gasförmigen Mediums unter Berücksichtigung eines Abstands (L) der Sendevorrichtung (15, 27, 37, 43, 51, 58) relativ zu der Empfangsvorrichtung (16, 28, 38, 44, 52, 59) und der Laufzeit des Schallereignisses bestimmt wird, 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.

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.
Derartige Messverfahren und entsprechende Messsysteme sind beispielsweise aus der US 672 63 58 B2 , der DE 10 2016 112 679 A1 , der DE 692 15 840 T2 und der DE 10 2016 116 537 A1 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 besonders genaue Messung einer Temperatur eines gasförmigen Mediums mit einfachen Mitteln ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Messsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 14, ein Kompartiment mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und 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 Leitung 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 als Schallereignis ein Ton mit zumindest einer Frequenz erzeugt wird, bei der zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung zumindest eine Schwingung der Frequenz ohne eine Phasenverschiebung ausgebildet wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist zunächst die Erzeugung eines Schallereignisses durch den Schallerzeuger der Sendevorrichtung vorgesehen, wobei insbesondere ein Ton mit zumindest einer Frequenz erzeugt wird. Hierfür kann prinzipiell jeder geeignete Schallerzeuger verwendet werden. Dieses Schallereignis durchläuft einen Innenraum bzw. Volumen oder eine Gasatmosphäre des Kompartiments und wird von der Empfangsvorrichtung bzw. deren Mikrofon empfangen. Die Differenzmesseinrichtung misst eine Laufzeit des Schallereignisses von der Sendevorrichtung zu der Empfangsvorrichtung. Da der Abstand von der Sendevorrichtung relativ zu der Empfangsvorrichtung bekannt ist, kann aus der Laufzeit und dem Abstand eine Schallgeschwindigkeit berechnet werden. Diese Berechnung erfolgt mittels der Auswerteeinrichtung, die, da die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Temperatur des gasförmigen Mediums veränderbar ist, die Temperatur des gasförmigen Mediums aus der Schallgeschwindigkeit bestimmen. Die Messvorrichtung bzw. die Auswerteeinrichtung kann Mittel zur Datenverarbeitung, wie einem Computer und darauf ausgeführte Software, umfassen.
Eine Frequenz wird zunächst unverändert, als eine feste Frequenz von der Sendevorrichtung erzeugt, wobei zwischen dem Relativabstand der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung bzw. deren Distanz zumindest eine periodische, lineare Schwingung der Frequenz ausgebildet wird. Dabei handelt es sich dann um zumindest eine einzige Schwingung bzw. eine einzige Periode der Schwingung. Eine Phasenverschiebung der Schwingung bzw. der Periode wird dabei so ausgebildet, 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, berechnet 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. 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. Diese Temperaturmessung kann unterbrechungsfrei, über einen längeren Zeitraum, oder auch nur kurz, als singuläres Ereignis, ausgeführt werden.
Weiter kann eine Regeleinrichtung der Messvorrichtung die Frequenz derart regeln, dass eine Führungsgröße der Phasenverschiebung gleich null ist. Die Regeleinrichtung kann dann bei einer Temperaturänderung des gasförmigen Mediums bzw. des Gases innerhalb des Kompartiments, welche zu einer Änderung der Schallgeschwindigkeit führt, die Frequenz derart ändern, dass die Schwingung ohne die Phasenverschiebung ausgebildet wird. Gleichwohl wird über die Änderung der Frequenz dann die entsprechend geänderte Temperatur, wie zuvor beschrieben, bestimmbar. Die Regeleinrichtung kann somit zur Nachführung bzw. Anpassung der Frequenz an eine sich real innerhalb des Kompartiments verändernde Temperatur dienen. Bei beispielsweise einer steigenden Temperatur in dem Kompartiment erhöht sich eine Schallgeschwindigkeit bzw. vermindert sich eine Laufzeit, sodass eine höhere Temperatur zu einer höheren Frequenz des erzeugten Tons führt. Eine sich ändernde Temperatur wird so fortlaufend messbar.
Die Regeleinrichtung kann eine Regelgröße der Phasenverschiebung rechnerisch, bevorzugt mittels eines Algorithmus, oder analog, bevorzugt mittels eines Phasenkomparators, bestimmen. Eine rechnerische Bestimmung einer Phasenverschiebung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Sendesignal der Sendevorrichtung und ein Empfangssignal der Empfangsvorrichtung digitalisiert und die Phasenverschiebung berechnet wird. Geeignete Algorithmen zur Berechnung sind beispielsweise Quadraturdemodulation oder Goertzel-Algorithmus. Alternativ kann eine analoge Bestimmung der Phasenverschiebung über einen Phasenkomparator erfolgen. Hierbei werden dann ein Sendesignal der Sendevorrichtung und ein Empfangssignal der Empfangsvorrichtung verglichen. Ein Ausgangssignal des Vergleichs gibt eine Phasenverschiebung der beiden Signale wieder. Ein Phasenkomparator kann mit einer einfachen elektronischen Schaltung ausgebildet werden, sodass die analoge Bestimmung der Phasenverschiebung besonders kostengünstig ist. Die ermittelte Phasenverschiebung entspricht dann der Regelgröße eines Regelkreises der Regeleinrichtung, die die Frequenz des Tons bzw. das Sendesignal der Sendevorrichtung so anpassen kann, dass die Phasenverschiebung null ist.
Vorteilhaft kann die Regelung der Phasenverschiebung mit der Regeleinrichtung kontinuierlich erfolgen. Dadurch wird es dann auch möglich kontinuierlich, das heißt ohne eine Unterbrechung, die Temperatur des gasförmigen Mediums zu messen. Es kann dann auch in Echtzeit bestimmt werden, ob die gemessene Temperatur fällt oder steigt.
Bei einem Start der Regelung der Phasenverschiebung kann die Frequenz so ausgewählt werden, dass die eine Schwingung zunächst länger oder kürzer als der Abstand der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung ist. Die Regeleinrichtung kann dann, beispielsweise durch eine Wertevorgabe, die Schwingung bzw. eine Startfrequenz so wählen, dass eine Wellenlänge länger ist als der Abstand zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung. Die Startfrequenz kann folglich niedriger gewählt werden, als bei einer minimalen Temperatur des gasförmigen Mediums zu erwarten wäre. Die Regeleinrichtung kann dann die Frequenz des Tons der Sendevorrichtung sukzessive so weit erhöhen, bis die Phasenverschiebung gleich null ist. Dieser Vorgang kann vergleichsweise schnell durchgeführt werden.
Nach einem Start der Regelung der Phasenverschiebung kann eine Vervielfachung der Schwingung mittels der Regeleinrichtung erfolgen. Auch ist es möglich, dass die Regeleinrichtung weitere Schwingungen bzw. Oberschwingungen ausbildet. Bei vergleichsweise großen Kompartimenten bzw. Abständen von Sendevorrichtung und Empfangsvorrichtung ist eine Frequenz sehr niedrig, da die eine Schwingung der Frequenz zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung ausgebildet werden muss. Mit steigender Anzahl der Schwingungen auf der Messtrecke kann darüber hinaus eine genauere Regelung der Phasenverschiebung auf den Wert null der Regeleinrichtung ermöglicht werden.
Bei der Frequenz kann zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung zumindest zwei oder mehr Schwingungen der Frequenz ohne eine Phasenverschiebung ausgebildet werden. Dann kann die Regeleinrichtung die Frequenz verdoppeln und die Phasenverschiebung erneut so regeln, dass diese den Wert null annimmt. Dann werden zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung zumindest zwei Schwingungen ausgebildet. Dieser Umstand kann bei der Berechnung der Temperatur einfach berücksichtigt werden.
Ein Ton kann mit zumindest einer Trägerfrequenz erzeugt werden, die größer ist als die Frequenz, wobei zur Erzeugung eines Sendesignals des Tons die Trägerfrequenz mit der Frequenz moduliert werden kann, wobei ein Empfangssignal des Tons demoduliert werden kann. Demnach kann der von der Sendevorrichtung emittierte Ton auch mittels der Regeleinrichtung mit der Trägerfrequenz erzeugt werden. Die Trägerfrequenz ist vorzugsweise um ein Vielfaches größer als die Frequenz, deren Phasenverschiebung mit dem Wert null ausgebildet werden kann. Die Regeleinrichtung moduliert dann die Trägerfrequenz mit der Frequenz und erzeugt so das Sendesignal des Tons. Nach einem Empfang des Tons mit der Empfangsvorrichtung kann das Empfangssignal des Tons nachfolgend mittels der Regeleinrichtung demoduliert werden. Die Frequenz kann dann wie zuvor beschrieben mit einer Phasenverschiebung von der Regeleinrichtung so eingestellt werden, dass deren Wert null annimmt. So können vergleichsweise lange Messtrecken einfach störungsfrei überbrückt werden. Weiter kann auch eine Trägerfrequenz gewählt werden, die sich wesentlich von den Frequenzen der in dem Kompartiment vorherrschenden Geräusche unterscheidet.
Mittels der Auswerteeinrichtung kann eine mittlere Temperatur des gasförmigen Mediums zwischen 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 bestimmt wird, kann nur eine mittlere Temperatur für die Messstrecke erfasst 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, beispielsweise dadurch, dass unterschiedliche Frequenzen oder Signale erzeugt werden.
Das Schallereignis kann 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 stationäres Geräusch erzeugt werden, wobei die Differenzmesseinrichtung die Laufzeit bzw. Schallgeschwindigkeit dieses Geräusches, von der Sendevorrichtung zu der Empfangsvorrichtung 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 erfasst 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. Ein Prozess innerhalb eines Kompartiments kann dann besonders genau und unterbrechungsfrei überwacht und gesteuert werden.
Das Messsystem kann zumindest eine zweite Sendevorrichtung und 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 Kompartiments mittels einer Ausgabeeinrichtung der Messvorrichtung grafisch ausgegeben werden kann. Durch die Verwendung einer zweiten Empfangsvorrichtung können zumindest zwei Messtrecken zwischen den Sendevorrichtungen 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 des 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 als Schallereignis ein Ton mit zumindest einer Frequenz erzeugbar ist, wobei die Messvorrichtung dazu eingerichtet ist, zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung zumindest eine Schwingung der Frequenz ohne eine Phasenverschiebung auszubilden. Zu den vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Messsystems wird auf die Vorteilsbeschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Messsystems ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Kompartiment, insbesondere Anlage, Ofen, Schornstein, Leitung oder dergleichen, umfasst ein erfindungsgemäßes Messsystem.
An einem Innenumfang des Kompartiments kann eine Mehrzahl Sendevorrichtungen und eine Mehrzahl Empfangsvorrichtungen angeordnet sein. Unter einer Anordnung an einem Innenumfang wird hier verstanden, dass zumindest die Sendevorrichtungen und optional die Empfangsvorrichtungen 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. So wird eine präzise Lokalisierung einer Temperatur bzw. einer Temperaturverteilung in dem Kompartiment möglich.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des 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. Prinzipiell wäre es auch möglich anstelle der ununterbrochenen Erzeugung des Schallereignisses mittels der Sendeeinrichtung 15 lediglich ein kurzes Signal bzw. einen Schallimpuls zu erzeugen und dann in einem fortwährenden Wechsel die Sendevorrichtung 15 als Empfangsvorrichtung 16 zu nutzen und umgekehrt. 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.

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 (11, 26, 36, 42, 50, 57) das Schallereignis empfangen wird, wobei mittels einer Differenzmesseinrichtung einer Messvorrichtung des Messsystems (11, 26, 36, 42, 50, 57) eine Laufzeit des Schallereignisses von der Sendevorrichtung (15, 27, 37, 43, 51, 58) zu der Empfangsvorrichtung (16, 28, 38, 44, 52, 59) gemessen wird, wobei mittels einer Auswerteeinrichtung der Messvorrichtung die Temperatur des gasförmigen Mediums unter Berücksichtigung eines Abstands (L) der Sendevorrichtung (15, 27, 37, 43, 51, 58) relativ zu der Empfangsvorrichtung (16, 28, 38, 44, 52, 59) und der Laufzeit des Schallereignisses bestimmt wird, 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 Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung eine Schallgeschwindigkeit aus dem Produkt des Abstands (L) und der Frequenz berechnet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung der Messvorrichtung die Frequenz derart regelt, dass eine Führungsgröße der Phasenverschiebung = 0 ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung eine Regelgröße der Phasenverschiebung rechnerisch, bevorzugt mittels eines Algorithmus, oder analog, bevorzugt mittels eines Phasenkomparators, bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Phasenverschiebung mit der Regeleinrichtung kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Start der Regelung der Phasenverschiebung die Frequenz so ausgewählt wird, dass die eine Schwingung zunächst länger oder kürzer als der Abstand (L) der Sendevorrichtung (15, 27, 37, 43, 51, 58) und der Empfangsvorrichtung (16, 28, 38, 44, 52, 59) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Start der Regelung der Phasenverschiebung eine Vervielfachung der Schwingung mittels der Regeleinrichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Frequenz zwischen der Sendevorrichtung (15, 27, 37, 43, 51, 58) und der Empfangsvorrichtung (16, 28, 38, 44, 52, 59) zumindest zwei oder mehr Schwingungen der Frequenz ohne eine Phasenverschiebung ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ton mit zumindest einer Trägerfrequenz erzeugt wird, die größer ist als die Frequenz, wobei zur Erzeugung eines Sendesignals des Tons die Trägerfrequenz mit der Frequenz moduliert wird, wobei ein Empfangssignal des Tons demoduliert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, 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 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 stationäres Geräusch erzeugt wird, wobei die Differenzmesseinrichtung die Laufzeit dieses Geräusches ununterbrochen misst, wobei die Auswerteeinrichtung die Temperatur des gasförmigen Mediums bestimmt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (11, 26, 36, 42, 50, 57) zumindest eine zweite Sendevorrichtung (15, 37, 43, 51, 58) und 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 (10, 25, 35, 41, 49, 56) 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 (11, 26, 36, 42, 50, 57) 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 (15, 27, 37, 43, 51, 58) einen Schallerzeuger zur Erzeugung eines Schallereignisses und die Empfangsvorrichtung (16, 28, 38, 44, 52, 59) ein Mikrofon (23, 32) zum Empfang des Schallereignisses aufweist, wobei die Messvorrichtung eine Differenzmesseinrichtung, zur Messung einer Laufzeit des Schallereignisses von der Sendevorrichtung (15, 27, 37, 43, 51, 58) zu der Empfangsvorrichtung (16, 28, 38, 44, 52, 59), aufweist, wobei mittels einer Auswerteeinrichtung der Messvorrichtung die Temperatur des gasförmigen Mediums unter Berücksichtigung eines Abstands (L) der Sendevorrichtung (15, 27, 37, 43, 51, 58) relativ zu der Empfangsvorrichtung (16, 28, 38, 44, 52, 59) und der Laufzeit des Schallereignisses bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Schallereignis ein Ton mit zumindest einer Frequenz erzeugbar ist, wobei die Messvorrichtung dazu eingerichtet ist, 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 auszubilden.
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 14.
Kompartiment nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Innenumfang des Kompartiments (10, 25, 41, 49, 56) eine Mehrzahl Sendevorrichtungen (15, 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 Anspruch 14 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.