DE1904853A1 - Vorrichtung zur Messung von Temperaturen aus der Entfernung - Google Patents

Description

• Vorrichtung ur Messung von Temperaturen aus der Entfernung.
• Die übliche Temperaturmessung mittels thermoelektrischer Sonden ist in vielen Fällen nicht durchzuführen, und zwar insbesondere dann, wenn es sich um die Temperaturmessung an einem Punkte handelt, der sich auf einer sehr hohen Spannung gegenilber der Erde befindet.
• Von den Augenblick ab, wo man Jede Verbindung zwischen den sich auf einer hohen Spannung befindlichen Punkt und einer nur Messung der Temperatur des Punktes aus einer Entfernung dienenden Vorrichtung beseitigt , ist es darüber hinaus möglich, in-dem man die Temperaturänderungen in elektrische Signale umwandelt, welche sich bis zu einem mit der Erde verbundenen Punkt fortpflanzen können, die empfangenen Signale aufzunehmen und zu verstärken, sowie die Temperatur durch eine Messung der Frequenz der erwähnten Signale zu messen.
• Die Erfindung basiert auf der Verwendung eines piezoelektrischen Kristalls als empfindliches Element, welches eine Temperaturmessung aus der Entfernung ermöglicht; der piezoelektrische Kristall, wie beispielsweise ein Quarz, ist derart zugeschnitten, daß die Variation seiner Resonanzfrequenz als Funktion seiner Temperatur ein Maximum ist, und daß sein Überspannungskoeffizient der größtmögliche ist..
• Die das Zuschneiden des erwähnten Quarzes oder möglicherweise eines anderen piezoelektrischen Körpers betreffenden Eigenschaften, werden von der Erfindung nicht betroffen und sind insbesondere in dem Werk von CARLIN mit dem Titel "Ultrasons"(Edition EYROLLES) beschrieben (vgls S. 68).
• Es ist daher ausreichend, einen derartigen Steuerkristall mit einem Transistoroszillator zu koppeln, auf den eine Verstärkerstuffe folgt, welche ein zweites piezoelektris#hes Element - beispielsweise ein keramisches Element - beliefert, welches die am Ausgang des erwähnten Verstärkers mpfangenen elektrischen Signale in mechanische Schwingun#en - nämlich Ultraschallwellen- umwandelt.
• Dieses zweite piezoelektrische Element spielt die Rolle des mechanische Schwingungen Aussendenden Wandlers und befindet sich direkt oder indirekt in Kontakt mit einer flüssigen oder festen Umgebung, welche Ultraschallwellen über eine Entfernung übertragen kann, wobei deren Frequenz durch den Oszillator bestimmt ist, der mit ihm gekoppelt ist und wobei die Frequenz entsprechend der Temperatur des Steuerkristalle verändert wird.
• Das DurchlaBband dieses Wandlersenders ist derart gewählt, daß ee eine ausreichend, Breite besitzt, um - ohne merkliche Änderungen des Wirkungsgrades - eine relativ Frequenzänderung des Steuerossillators entsprechend den Variationsmöglichkeiten der zu messenden Temperatur zuzulassen.
• Diesem Sender ist in einem Abstand ein Wandler - Empfänger -zugeordnet, der gleichfalls ein hinreichend breite Durchlaßband aufweist, welches suf die mittlere ausgesandte Frequenz zentriert ist; der Wandler - Empfänger- ist mit einem Prequenzmesser verbunden, der somit eine Temperaturmessung am Niveau des erwähnten Steuerkristalls aus der Entfernung zuläßt, wobei der verwendete Frequenzmesser vorzugsweise die Anzeigen direkt beispielsweise in Grad Celsius liefern kann.
• Steuer Selbstverständlich wird der Quarz oder der piezoelektrische/ Kristall vor der Anordnung an seinem Platz derart gewicht, daß für jeden am Frequenzmesser gemessenen Frequenzwert der entsprechende Temperaturwert sn dem Punkt bekannt ist, wo sich der erwähnte Steuerkristall befindet.
• Um eine Fühlvorrichtung mit kleinen Abmessungen zu ermöglichen, die in einfacher Weise an dem Punkt anzuordnen ist, dessen Temperatur gemessen werden soll, und ua such andererseits eine gute Fortpflanzung der Ultraschallwellen zu erhalten, ist es empfehlenswert, als verwendete Nitten frequenz eine zwischen 100kHz und einigen mHz liegende Frequenz zu wählen.
• I4an kann die den Oszillator mit seinem Steuerkristall, inen Transistorverstärker und einen Wandler - Sender, eowie die Gleichstromversorgung dieser Geräte in der Form von kompakten integrierten--Schaltungen realisieren, die ein Volumen in der Größenordnung von einigen cm³ aufweisen, und nichtsdestoweniger mechanische Wellen mit einer Leistung von 10mW mehreren Vielfachen von / aussenden können.
• Mit einer derartigen Vorrichtung erhält man eine hohe Genauigkeit in der Größenordnung von 1/100°C bei der Messung von Temperaturen aus der Entfernung.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Temperatur aus einer Entfernung ist insbesondere dann anwendbar, wenn die Vorrichtung, deren Temperatur gemessen werden soll, in eine korrodierende Flüssigkeit (oder allgemein ein Strömungsmittel) eingetaucht ist, welche jegltche elektrische Übertragung mittels Kabel verbietet.
• Das oben erwähnte Verfahren it: ebenfalls mit großen Vorteil bei der Iifesaung der von einem bestimmten Punkt eines Leistungstrans'formators mit großen Abmessungen errichten Temperatur verwendbar, wobei die Wicklungen des Transformators in einer dielektrischen Flüssigkeit liegen, und zwar beispielsweise in-Öl oder einem chlorierten Dielelitrikum, welches zu der Art gehört, welche unter der Handelsbezeichnung Pyraldne der Pirma Société PRODELEC bekannt ist.
• Die Fühivorrichtung wird während des Baues des Transformators eingebaut, und zwar an dem Punkt, dessen Temperatur man zu kennen wünscht.
• Die zu ihrer Speisung erforderliche Energie kann in diesem Fall in einer Spule induziert werden, die eine kleine Anzahl von Windungen aufweist, und die im fünfzigperiodigem Magnetfeld des Transformators angeordnet- ist.
• IVn kann zur Speisung gleichfalls eine zwischen zwei unterschiedlichen Punkten einer der Wicklungen des Transformators angenommene Spannung verwenden.
• Das Meßsignal wird sodann unter Zwischenschaltung der erwähnten dielektrischen Flüssigkeit zum Wandler-Empfänger dbertragen, der entweder in den Behälter eingetaucht oder an einem von außerhalb des Behälters zugänglichen Punkt befestigt sein kann.
• Es sei darauf hingewiesen, daß die Verwendung einer elektromagnetischen Welle anstelle einer Ultraschallwelle im Falle eines derartigen Transformators nicht denkbar ist, und daß infolge des Vorhandenseins von Hochspannungen eine Drahtverbindung zwischen der FUhlvorrichtung und dem Empfänger ebenfalls nicht, möglich ist.
• Weitere Vorteile und,Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, welches sich auf die Temperaturmessung an einem Punkte eines Transformators bezieht. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines BehSltertransformators mit großen Abmessungen, wobei der Transformator mit einer Fühivorrichtung ausgestattet ist und- der Behälter einen mit einem Frequenzmesser verbundenen Empfänger-Wandler trägt; Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der Gesamtheit von Fühlvorrichtung-Wandler, welche eine Temperaturmessung' mittels eines Frequenzmessers ermöglicht; Fig. 3 eine Gesamtheit von Resonanzkurven, welche die große'Selektivität des Steuersenders sowie das relativ breite Durchlaßband der beiden Wandler -Sender und Empfänger darstellt, und die eine bemerkenswerte Variation der Steueroszillatorfrequenz entsprechend den Variati'onsmöglichkeiten der zu measenden Temperatur zuläßt.
• Der in Fig. 1 dargestellte Transformator 1 ist in einem Behälter (Wanne) 2 angeordnet,.wobei letztere mit einem flüssigen Dielektrikum 3 gefüllt ist.
• Im Inneren einer der Wicklungen des Transformators 1 befindet sich eine Fühivorrichtung 4, welche benachbart zum flüssigen Dielektrikum 3 Ultraschall aussendet. Der Ultraschall pflanzt sich in dieser Flüssigkeit fort und erreicht den Behälter 2 und einen mit einem Frequenzmesser 6 verbundenen Wandler-Empfänger 5, wobei der Frequenzmesser 6 beispielsweise auf einem Wandbrett 7 angeordnet ist.
• Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Fühivorrichtung 47aurch eine Speisevorrichtung 4a gebildet, deren Eingang mit zwei Enden einer in Fig. 1 nicht dargestellten kleinen Spule 4b verbunden ist, die eine 50Hz Vechselspannung von geringer Höhe liefert; dieser Spannungswert reicht jedoch aus, damit die Speisevorrichtung 4a an ihren Ausgangsklemmen 4c die zur Speisung der Transistoren eines Oszillators 4d und eines Verstärkers 4e erforderlichen Spannungen liefern kann.
• Der Oszillator 4d weist - wie oben erwähnt - einen Quarz oder einen piezoelektrischen Kristall unterschiedlicher Natur auf, der-in der Weise zugeschnitten ist, daß inan die Frequenz des Senders 4d mit einer relativ großen Proportion als Funktion der Änderungen der Temperatur - die mah messen möchte - variieren kann.
• Am Ausgang des Verstärkers 4e befindet sich ein Wandler-Sender 4f, der bei 8 schematisch dargestellten Ultraschall aussendet.
• Der auf die mittlere ausgesandte Frequenz zentrierte Wandler -Empfänger 5 besitzt gleichfalls ein Durchlaßband von einer derartigen reichenden Breite, daß'der Augenblick@wert der Frequenz der empfangenen Wellen leicht mittels des Frequenzmessers 6 gemessen werden kann.
• Der Wandler - Empfänger wird selbst auch im allgemeinen durch einen Kristall gebildet, der die Ultraschallweflen in elektrische Wellen rück-umwandelt, deren Frequenzsodann durch den Frequenzmesser 6 gemessen wird.
• Die Kurve 9 lii Fig. 3 Stellt ai. Intensität der dureh den Steueroszillator susgesandten Welle als Funktion der Frequenz d@r.
• Diese Kurve ist sehr scharf, und praktisch nimmt für Jeden Temperaturwert am Punkt 4 in Fig. t die ausgesandte Intensität einen beachtlichen Wert nur für eine bestimmte Frequenz an, und zwar für eine Frequenz, die zwischen zwei Werten f1 und f2 in den Variationsgrenzen der Temperatur liegt, die man messen will.
• Die Kurve 10 stellt die Änderung der durch den Wandler -Sender ausgesandten Intensität maßstabsgerecht genau dar, wenn die Resonanzfrequenz der Steuervorrichtung zwischen f1 und f2 gemäß dem Augenblickswert der zu messenden Temperatur schwankt.
• Die Kurve 10 kann in gleicher Weise so interpretiert werden, daß sie die vom Wandler-Empfänger für Jede der Frequenzen empfangene Intensität darstellt, zwischen welchen die Fühlvorrichtung schwingen kann.
• Vielfältige Abwandlungen dieses Ausführungsbeispieles sind möglich und gehören mit zur Erfindung.
• Gemäß der erfindung ist es auch möglich, daß die Gleichstromspeisevorrichtung des Oszillators und des Verstärkers der Fühlvorrichtung durch Batterien gebildet wird.
• Patentansprüche:

Claims (6)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e: l,Verfahren zur Messung der Temperatur aus einer Entfernung, insbesondere bei Vorrichtungen, die auf einer hohen Spannung liegen oder in eine korridierende Flüssigkeit eingetaucht sind, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Änderungen der zu messenden Temperatur in Änderungen der. Prequenz von Ultraschallwellen umgewandelt werden die von einer Fühlvorrichtung (4) ausgesandt werden, die an der Stclle angeordnet ist, deren Temperatur man bestimmen möchte ud wobei ein piezoelektrischer Steuerkristall vorgesehen ist, der eine als Funktion seine temperaturveränderliche Resonanzfrequenz aufweist und wobei die erwähnten Ultraschallwellen mit veränderlicher Frequenz in einem Abstand mittels eines Wandler-Empfängers 5 empfangen werden der ein verhältnismässig breites Durchlaßband aufweist und dieae Ultraschallwellen in elektrische Wellen umwandelt,' deren Frequenz mit einen mit dem Wandler - Empfänger verbundenen Frequenzmesser (6) gemessen wird.
2. 2. Vorrichtung mit einer Fühl- und Empfangsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Fuhivorrichtung einen Quarzsteueroszillator und einen Verstärker mit relativ breitem Durchlaßband aufweist, die durch eine gemeinsame Gleichstrom-Speisevorrichtung gespeist werden, und wobei die Fühlvorrichtung außerdem einen zweiten piezoelektrischen Kristall mit einem relativ breiten Durchlaßband aufweist, der die Rolle des Wandler-Senders spielt und die vorn Verstärker kommenden elektrischen Well @ in Ultraschallwellen umwandelt, die sich bis zu einem EmpSänger fortpflanzen können, der einen Wandler aufweist, der gleichfalls ein relativ breites Durchlaßband besitzt, welches ihm den Empfang von Ultraschallwellen mit einer Frequenz ermöglicht, die zwischen den Grenzen variabel ist, die den maximalen Änderungen der Temperatur des erwähnten Steuerkristalls entsprechen, und zwar mit einer solchen Intensität, daß die Frequenz mittels eines Frequenzmessers (6) meßbar ist, der direkt Gemperaturw gradeinteilungen aufweisen kann.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 20 dadurch g e k e n n ~ z e i c h n e t, daß der Frequenzmesser (6) direkt rait Temperatureinteilungen versehen ist.
4. 4. Vorrichtung nash Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Wechselspeisung der Gleichstromspeisevorrichtung des Oszillators und des Verstärkers der Fühlvorrichtung von den Klemmen einer Niederspannungsspule abgenommen wird, die konzentrisch zu den beiden Wicklungen des Transüberformators/ läuft, in dem diese Fühlvorrichtung eingebaut ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Wechselstromspeisung der Gleichstromspeisevorrichtung des Oszillators und des Verstärkers der Fühlvorrichtung direkt an zwei unterschiedlichen Punkten von einer der Wicklungen des Transformators abgenommen wird, in welchem die Pu'hlvorrichtung eingebaut ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anepruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Gleichstromspeisevorrichtung des Oszillators und V'erstärkers der Fühlvorrichtung durch eine Batterie (galvanisches Element) gebildet wird.

   L e e r s e i t e