DE1904853B2

DE1904853B2 - Verfahren und vorrichtung zur fernmessung der temperatur

Info

Publication number: DE1904853B2
Application number: DE19691904853
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Plessis-Robinson; Galand Jean Fontenay-aux-Roses Hautsde-Seine; Antoine (Frankreich)
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1968-01-31
Filing date: 1969-01-31
Publication date: 1977-12-01
Also published as: FR1564611A; CH485205A; DE1904853C3; DE1904853A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur _b0 Fernmessung der Temperatur, insbesondere bei Vorrichtungen, die auf einer hohen Spannung liegen oder in eine korrodierende Flüssigkeit eingetaucht sind, unter Verwendung eines quarzgesteuerten Oszillators, dessen Quarz der zu messenden Temperatur ausgesetzt ist und _h5 dessen Betriebsfrequenz ein Maß dieser Temperatur ist, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Fernmessung der Temperatur bekannt (britische Patentschrift 9 64 741), bei der ein quarzgesteuerter Oszillator mit einem Steuerquarz verwendet wird, der der zu messenden Temperatur ausgesetzt ist und der eine hohe Temperaturabhängigkeit aufweist und dieser Steuerquarz ist über eine angepaßte Übertragungsleitung mit dem Eingang eines Oszillators verbunden. Die Verwendung dieser Vorrichtung sowie den Vorrichtungen, die thermoelektrische Sonden verwenden, stößt jedoch bei vielen Anwendungsfällen auf Schwierigkeiten, und zwar insbesondere dann, wenn es sich um die Temperaturmessung an Punkten handelt, die sich auf einer sehr hohen Spannung gegenüber dem Erdpotential befinden.

Zur Vermeidung einer Übertragungsleitung ist es weiterhin bekannt (Literaturstelle Bley-Goldmann, Elektronische Meßfühler 1963, Band 2, Seiten 29 bis 30), einen am Meßort angeordneten Transistoroszillator zu verwenden, der mit Hilfe eines Thermistors moduliert wird. Da die Übertragung in Form einer elektromagnetischen Welle erfolgt, ist es nicht erforderlich, eine Übertragungsleitung vorzusehen. Thermistoren unterliegen jedoch einer erheblichen Alterung, so daß eine derartige Meßanordnung grundsätzlich an unzugänglichen Stellen nicht zweckmäßig ist. Weiterhin ergibt diese bekannte Vorrichtung nur eine sehr geringe Auflösung, d. h. die kleinste Temperaturänderung, die feststellbar ist, ist noch sehr groß. Weiterhin ist die Übertragung in Form von elektromagnetischen Schwingungen in vielen Fällen aus Störungsgründen unerwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. die die Fernmessung der Temperatur an unzugänglichen Punkten und ohne Verwendung einer Übertragungsleitung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Betriebsfrequenz des quarzgesteuerten Oszillators zur Ansteuerung eines Ultraschallgenerators verwendet wird, der zusammen mit dem quarzgesteuerten Oszillator an der Meßstelle angeordnet ist und daß die Ultraschallschwingungen des Ultraschallgenerators mit Hilfe eines breitbandigen Ultraschall-Wandlers an einer vom Meßort entfernten Stelle in elektrische Schwingungen umgewandelt werden, deren Frequenz der Betriebsfrequenz des quarzgesteuerten Oszillators entspricht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ergibt sich dadurch, daß der Ausgang eines quarzgesteuerten Oszillators mit dem Eingang eines breitbandigen Verstärkers verbunden ist, daß das Ausgangssignal des breitbandigen Verstärkers einem Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen Kristall mit relativ breitem Durchlaßbereich zugeführt wird und daß der Empfänger einen weiteren Ultraschallwandler zur Umwandlung der Ultraschallschwingungen in elektrische Schwingungen mit breitem Frequenzbereich aufweist, dessen Ausgangssignal einem Frequenzmesser zugeführt wird.

Durch diese Ausgestaltung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung ist es möglich, Temperaturmessungen an unzugänglichen und insbesondere auf hohen Potentialen gegenüber Erdpotential liegenden Stellen vorzunehmen, ohne daß sich Schwierigkeiten mit der Stabilität des Bezugswertes für die Temperaturmessungen erge-

ben und es ergibt sich auch keine Gefahr der Störung anderer Nachrichtenübertragungskanäle. Weiterhin ist die Auflösung sehr groß, so ciG selbst kleine Temperaturänderungen festgestellt werden können.

Der Steuerquarz des quarzgesteuerten Oszillators ist derart zugeschnitten, daß die Änderung seiner Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Temperatur sehr groß ist, wobei gleichzeitig eine hohe Güte erwünscht ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Frequenzmesser direkt mit einer Temperatureichung versehen ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden der quarzgesteuerte Oszillator und der Verstärker aus einer Gleichspannungsquelle gespeist, deren Betriebsleitung an den Klemmen einer Niederspannungsspule abgenommen wird, die konzentrisch zu den Wicklungen eines Transformators verläuft, in dem die Vorrichtung eingebaut ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Wechselstrom-Eingangsleistung der Gleichstromquelle zur Speisung des quarzgesteuerten Oszillators und des Verstärkern direkt an zwei unterschiedlichen Punkten von einer der Wicklungen des Transformators abgenommen, in dem die Vorrichtung eingebaut ist.

Schließlich ist es möglich, daß die Gleichstromquelle des Oszillators und des Verstärkers durch eine Batterie gebildet ist.

Bei der Vorrichtung steht der am Ausgang des breitbandigen Verstärkers angeschaltete piezoelektrische Kristall direkt oder indirekt mit einer flüssigen oder festen Umgebung in Berührung, die Ultraschallschwingungen über eine gewisse Strecke übertragen kann und der Durchlaßbereich dieses piezoelektrischen Kristalls ist derart gewählt, daß ohne wesentliche Änderungen des Wirkungsgrades eine erhebliche Frequenzänderung des quarzgesteuerten Oszillators entsprechend den Änderungen der Temperatur zugelassen werden kann.

Um einen Aufbau mit kleinen Abmessungen zu ermöglichen und um andererseits eine gute Ausbreitung der Ultraschallschwingungen zu erzielen, ist es zweckmäßig, wenn die verwendete Mittenfrequenz zwischen 100 kHz und einigen MHz liegt.

Die Auflösung der Temperaturmessung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Vorrichtung liegt in der Größenordnung von 1/100⁰C, was für praktisch alle Anwendungsfälle ausreichend ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines in ein ölgefülltes Gehäuse eingebauten Transformators mit großen Abmessungen, wobei der Transformator mit einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Fernmessung der Temperatur versehen ist;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der gesamten Ausführungsform der Vorrichtung zur Fernmessung der Temperatur;

F i g. 3 eine Darstellung von Resonanzkurven, die die große Selektivität des quarzgesteuerten Oszillators sowie das relativ breite Durchlaßband der beiden Ultraschallwandler zeigt.

Der in Fig. 1 dargestellte Transformator 1 ist in einem Gehäuse 2 angeordnet, das mit einem flüssigen

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Im Inneren einer der Wicklungen des Transformators 1 befindet sich ein Geber 4 der Vorrichtung zur Fernmessung der Temperatur, der Ultraschallschwingungen aussendet. Die Ultraschallschwingungen pflanzen sich in dem flüssigen Dielektrikum fort und erreichen das Gehäuse 2 und einen mit einem Frequenzmesser 6 verbundenen, den Empfänger bildenden Ultraschallwandler 5, wobei der Frequenzmesser 6 beispielsweise auf einem Wandbrett 7 angeordnet ist.

Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung zur Fernmessung der Temperatur umfaßt eine Gleichspannungsquelle 4a, deren Eingang mit zwei Enden einer in Fig. 1 nicht dargestellten Niederspannungsspule Ab verbunden ist, die eine Wechselspannung, beispielsweise mit 50 Hz mit geringer Amplitude liefert. Dieser Spannungswert reicht jedoch aus, damit die Gleichspannungsquelle Aa an ihren Ausgangsklemmen 4cdie zur Speisung der Transistoren eines quarzgesteuerten Oszillators 4c/ und eines breitbandigen Verstärkers 4e erforderlichen Spannungen liefern kann.

Der quarzgesteuerte Oszillator Ad weist — wie oben erwähnt — einen Quarz oder piezoelektrischen Kristall auf, der derart geschnitten ist, daß sich die Frequenz des durch diesen gesteuerten Oszillators Ad bei geringen zu messenden Änderungen der Temperatur sehr stark ändert.

Am Ausgang des dem quarzgesteuerten Oszillator nachgeschalteten Verstärkers Ae ist ein Ultraschallwandler Af angeschaltet, der die bei 8 schematisch dargestellten Ultraschallschwingungen aussendet.

Der auf die mittlere ausgesandte Frequenz abgestimmte Ultraschallwandler 5 weist ebenfalls eine derartige Durchlaßbandbreite auf, daß der Augenblickswert der Frequenz der empfangenen Schwingungen mittels des Frequenzmessers 6 gemessen werden kann.

Der Empfangs-Ultraschallwandler 5 ist im allgemeinen ebenfalls durch einen Kristall gebildet, der die Ultraschallschwingungen in elektrische Schwingungen rückumwandelt, deren Frequenz sodann durch den Frequenzmesser 6 gemessen wird.

Die Kurve 9 in F i g. 3 stellt die Intensität der von dem quarzgesteuerten Oszillator bzw. dessen Verstärker ausgesandten Schwingungen als Funktion der Frequenz dar. Diese Kurve weist eine sehr geringe Bandbreite auf und praktisch nimmt für jeden Temperaturwert an der Stelle des Gebers 4 in F i g. 1 die ausgesandte Amplitude einen wesentlichen Wert, nur für eine bestimmte Frequenz an, und zwar für eine Frequenz, die zwischen zwei Werten f\ und Si gemäß den Variationsgrenzen der Temperatur liegt, die gemessen werden soll.

Die Kurve 10 stellt die Änderung der durch den Geber 4 ausgesandten Intensität oder Amplitude maßstabsgerecht genau dar, wenn die Resonanzfrequenz des quarzgesteuerten Oszillators Ad zwischen /Ί und h entsprechend dem Augenblickswert der zu messenden Temperatur schwankt.

Die Kurve 10 kann in gleicher Weise so aufgefaßt werden, daß sie die von dem Empfangs-Ultraschallwandler für jede der Frequenzen empfangene Intensität darstellt, mit denen der quarzgesteuerte Oszillator Ad schwingen kann.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform wird die Gieiclispannungsvcrsorgung des Oszillators und des Verstärkers des Gebers mit Hilfe der Niederspannungsspule Ab gewonnen. Selbstverständlich ist es genauso möglich, zur Speisung dieser Bauteile Batterien zu verwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Fernmessung der nperatur, insbesondere bei Vorrichtungen, die aiii einer hohen ^r> Spannung liegen oder in eine korrodierende Flüssigkeit eingetaucht sind, un'.er Verwendung eines quarzgesteuerten Oszillators, dessen Quarz der zu messenden Temperatur ausgesetzt ist und dessen Betriebsfrequenz ein Maß dieser Temperatur in ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsfrequenz des quarzgesteuerten Oszillators zur Ansteuerung eines Ultraschallgenerators verwendet wird, der zusammen mit dem quarzgesteuerten Oszillators an der Meßstelle angeordnet ist und r> daß die Ultraschallschwingungen des Ultraschallgenerators mit Hilfe eines brei (bändigen Ultraschall-Wandlers an einer vom Meßort entfernten Stelle in elektrische Schwingungen umgewandelt werden, deren Frequenz der Betriebsfrequenz des > <> quarzgesteuerten Oszillators entspricht.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines quarzgesteuerten Oszillators (Ad) mit dem Eingang eines breitbandigen Verstärkers (Ae) >■-, verbunden ist, daß das Ausgangssignal des breitbandigen Verstärkers (Ae) einem Ultraschallwandler (Af) mit einem piezoelektrischen Kristall mit relativ breitem Durchlaßbereich zugeführt wird und daß der Empfänger einen weiteren Ultraschallwandler to (5) zur Umwandlung der Ultraschallschwingungen in elektrische Schwingungen mit breitem Frequenzbereich aufweist, dessen Ausgangss.gnal einem Frequenzmesser (6) zugeführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- π zeichnet, daß der Frequenzmesser (6) direkt mit Temperatureichung versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der quarzgesteuerte Oszillator (Ad) und der Verstärker (Ae) aus einer Gleichspannungsquelle (Aa) gespeist sind, deren Betriebsleistung an den Klemmen einer Niederspannungsspule (Ab) abgenommen wird, die konzentrisch zu Wicklungen eines Transformators verläuft, in dem die Vorrichtung eingebaut ist. ^

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrom-Eingangsleistung der Gleichstromquelle (Aa) zur Speisung des quarzgesteuerten Oszillators (Ad) und des Verstärkers (Ae) direkt an zwei unterschiedlichen Punkten -₎₀ von einer der Wicklungen des Transformators abgenommen wird, in dem die Vorrichtung eingebaut ist.

6. Vorrichtung liach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle des Oszillators <» (Ad) und des Verstärkers (Ae) durch eine Batterie gebildet ist.