DE2803225A1

DE2803225A1 - Temperaturabtastsystem

Info

Publication number: DE2803225A1
Application number: DE19782803225
Authority: DE
Inventors: Stephen Kowalyshyn; Arthur Nelkin; John H Thompson
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-02-08
Filing date: 1978-01-25
Publication date: 1978-08-10
Also published as: BE863262A; US4102195A; IT7841518A0; JPS6013452B2; FR2379807A1; CA1118089A; IT1105578B; ES466584A1; SE7800817L; CH625881A5; GB1603141A; JPS5398888A; FR2379807B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Temperaturabtastsystem mit einem an einen akustischen Wellenleiter angekoppelten Signalgeber und mit temperaturempfindlichen, mit dem Wellenleiter zusammenarbeitenden Sensoreinheiten.

Bei industriellen Apparaturen und Einrichtungen ist es oft wünschenswert, die Temperatur an verschiedenen Stellen dieser Einrichtungen zu kennen. Eine einfache Art, die Temperatur zu ermitteln, besteht in der Verwendung von Thermistoren, welche an verschiedenen Orten der Einrichtung positioniert sind. Diese Thermistoren liefern Ausgangssignale, die der Temperatur an dem jeweiligen Ort entsprechen. Diese Ausgangssignale werden von den Thermistoren zu einer zentralen Station übermittelt, in der die Information zur Temperaturermittlung verarbeitet wird.

Es gibt Einrichtungen, z. B. Hochspannung-Leistungstransformatoren, bei denen die Verwendung von Thermistoren wegen der aus dem Inneren des Transformators zur Tankwand zu führenden Leitungen äußerst un-Fs/mü erwünscht

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erwünscht ist. Umdie Schwierigkeiten auszuschalten, die sich aufgrund der Niederspannungsleitungen innerhalb des Transformatortankes bei dieser Art von Temperaturabtastung ergeben, wurde bereits vorgeschlagen, Temperatorsensoren einzubauen, die eine Übertragungs einheit für Hochfrequenz umfassen. Diese Sensoren enthalten ein frequenzbestimmendes Element, das sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, und ferner Empfangseinrichtungen an der Wand des Transformatortanks. Diese Empfangseinrichtungen nehmen die von den Sensoren ausgesendeten Signale auf, welche charakteristisch für die in der Umgebung des Sensors herrschenden Temperaturen sind. Auf diese Weise kann das Innere eines Transformators an vielen Stellen bezüglich der Temperatur abgetastet und überwacht werden, indem die einzelnen Sensoren unterschiedliche Frequenzen verwenden.

Die Kosten für ein solches Temperaturüberwachungssystem mit Hochfrequenzsendern in dem Sensor sind extrem hoch und erfordern eine sehr hohe Zuverlässigkeit, wobei die Kosten für die Wartung dieser Systeme häufig nicht zu rechtfertigen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Temperaturabtastsystem zu schaffen, das insbesondere für die Verwendung bei Hochspannungstransformatoren geeignet ist und bei dem die innerhalb der Transformatorwicklungen bzw. der Tankwand des Transformators angeordneten Sensoreinheiten keine aktiven Elemente enthalten und keinerlei metallische Verbindung zur Tankwand des Transformators erforderlich machen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sensoreinheiten jeweils akustische Resonatoren umfassen, die auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt sind, und daß die Resonatoren über akustische Koppelelemente an den Wellenleiterangekoppelt sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Mit

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Mit einem derart aufgebauten Temperaturabtastsystem kann in vorteilhafter Weise mit geringem Kostenaufwand eine Temperaturüberwachung in Apparaten und Einrichtungen vorgenommen werden, bei denen die Signalübertragung über metallische Leiter zu Schwierigkeiten und Komplikationen führen würde.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 das elektrische Analogschaltbild eines elektromechanischen Systems gemäß der Erfindung;

Fig. 2A eine perspektivische Ansicht eines Biegeschwingers als Resonator, der in Fig. 2B in Draufsicht dargestellt ist;

Fig. 3 das Blockschaltbild eines Temperaturabtastsystems in Verbindung mit einem Hochspannungstransformator;

Fig. 4 die Anordnung des Resonators gemäß Fig. 2A in einem teilweise aufgebrochen dargestellten Gehäuse;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Frequenzspektrums der Signalquelle gemäß Fig. 3;

Fig. 6 die durch Reflexion auf dem akustischen Wellenleiter gemäß Fig. 3 entstehenden Frequenzsignale;

Fig. 7 einen Teil der Vorrichtung des Temperaturabtastsystems gemäß Fig. 3;

Fig. 8A und 8B elektrische Schaltkreis e,anhand deren die prinzipielle

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Wirkungsweise der Richtungskoppler der Vorrichtung gemäß Fig. 3 erläutert werden;

Fig. 9 das Blockschaltbild der Verriegelungsschaltungen gemäß Fig. 3;

Fig. 10 einen Schnitt durch den akustischen Wellenleiter und dessen Abschluß;

Fig. 11 das Frequenzsignal einer anderen Signalquelle;

Fig. 12 die auf dem akustischen Wellenleiter durch Reflexion entstehenden Frequenzsignale bei der Verwendung der Signalquelle gemäß Fig. 11;

Fig. 13 eine andere Ausführungsform für das Koppeln der akustischen Energie;

In Fig. 1 ist das grundsätzliche Prinzip der elektromechanischen Anordnung gemäß der Erfindung in Form einer elektrischen Analogschaltung dargestellt. Diese enthält eine Übertragungsleitung 10 mit einer Vielzahl in Serie hintereinandergeschalteten LC-Schwingkreisen 12, 13 und 14, die jeweils auf eine andere Frequenz f , f und f abgestimmt sind.

J. Ct o

Signale mit den Frequenzen f , f und f werden von einem Signalgenerator 18 erzeugt und an die Übertragungsleitung 10 über einen Sende-Empfangsschalter 20 angelegt. Am anderen Ende der Übertragungsleitung ist ein Leitungsabschluß mit einer charakteristischen Impedanz 22 vorgesehen, die eine Reflexion der in die Leitung eingespeisten Frequenzsignale am Leitungsabschluß verhindert.

Der

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Der LC-Schwingkreis 12 hat für eine Signalfrequenz L eine extrem hohe Impedanz, so daß diese Signalfrequenz eine Reflexion erfährt, wogegen alle übrigen Signalfrequenzen vom LC-Schwingkreis übertragen werden. Die reflektierte Signalfrequenz wird vom Detektor 24 ermittelt. In entsprechender Weise sind die LC-Schwingkreise 13 und 14 aufgebaut, so daß sie jeweils die Signalfrequenz f„ bzw. f„ reflektieren.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung benutzt keine LC-Schwingkreise, sondern vielmehr mechanische Resonatoren, wie sie beispielsweise in den Fig. 2A und 2B dargestellt sind. Der mechanische Resonator ist als Biegeschwinger aufgebaut und hat eine Schwingscheibe 26 aus einem bei hoher Temperatur leitenden Material, wie z.B. Aluminium oder Titan. Einstückig mit dieser Schwingscheibe 26 sind Haltestäbe 28 und 29 aus demselben Material vorgesehen, welche mit Hilfe eines verlustlosen Binde- bzw. Lötmittels mit der Schwingscheibe 26 verbunden sind.

Der Resonator arbeitet als Biegeschwinger, wobei die Schwingscheibe zweiDurchmesser-Khotenlinien 32 und 33 hat, die die Scheibe in vier gleiche Quadranten derart unterteilen, daß sich jeweils zwei Quadranten in der einen axialen Richtung (positiv) und die beiden anderen Quadranten in der entgegengesetzten axialen Richtung (negativ) durchbiegen. Nach einer halben Schwingperiode biegen sich die einzelnen Quadranten jeweils in der entgegengesetzten Richtung durch. Derartige Schwingscheiben sind durch die US-PS 3 318 152 bekannt.

Der Resonator ist derart konstruktiv aufgebaut, daß er eine extrem hohe Güte Q hat, die beispielsweise einen Wert von mehreren 10 000 haben kann. Seine Resonanzfrequenz ist von der Temperatur abhängig, wobei die Resonanzfrequenz des Resonators durch die nachfolgende Gleichung definiert werden kann:

Gleichung

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W? Jy^P) ⁽¹⁾

In dieser Gleichung ist

f = die Resonanzfrequenz (Hz)
t = die Scheibendicke (cm)

r = der Scheibenradius (cm)

3
P = die Mfc.ssendich.te (g/cm )

2 Y = das Young' sehe Modul (dyn/cm ) Q = das Poisson³ sehe Verhältnis

Obwohl die vorliegende Erfindung sehr vielseitig eingesetzt werden kann, um Temperaturen zu messen, ist sie besonders vorteilhaft für die Messung von Temperaturen an verschiedenen Stellen im Inneren des Transform atortankes von Hochspannungstransformatoren verwendbar. In Fig. 3 ist eine solche Verwendung schematisch angedeutet, wobei innerhalb einer Tankwand 36 ein mit gestrichelten Linien 38 angedeuteter Transformatoraufbau vorgesehen ist, der Windungen, Transformatorbleche usw. enthält und innerhalb eines Transformator-Ölbades 40 liegt.

An verschiedenen Stellen innerhalb des Windungsaufbaus sind eine Vielzahl von Sensoreinheiten S₁, S , S ... S vorgesehen, welche

χ 2t ό η

jeweils einen mechanischen Resonator gemäß Fig. 2A aufweisen und mit einem akustischen Wellenleiter 42 gekoppelt sind, der an seinem transformatoreitigen Ende in einen akustischen Leiterabschluß 44 übergeht.

Eine Signalquelle 50 liefert bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Rauschsignal mit einem weißen Rauschspektrum, das die Frequenzen umfaßt, auf welche die Resonatoren abgestimmt sind. Dieses Signal wird

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in ein entsprechendes akustisches Signal durch Richtungskoppler 52 umgewandelt und an den akustischen Wellenleiter 42 angelegt.

Der Richtungskoppler 52 arbeitet in Form eines Sende-Empfangs schalters und überträgt die zurücklaufende Welle an Verriegelungs schaltungen L₁ bis L , wobei jeder erwarteten Resonanzfrequenz eine solche Verriegelungsschaltung zugeordnet ist. Die Verriegelungsschaltungen sind derart aufgebaut, daß sie eine bestimmte Resonanzfrequenz innerhalb eines Toleranzbereiches feststellen, wobei dieser Toleranzbereich von den Temperatur änderungen abhängig ist. Das Ausgangssignal einer jeden Verriegelungssehaltung ist daher einer bestimmten Sensoreinheit zugeordnet und kennzeichnet die Temperatur, welche im Bereich dieses Sensors wirksam ist.

Den Verriegelungsschaltungen ist ein Abtaster 56 nachgeschaltet, der die einzelnen Ausgänge der Verriegelungs schaltungen abtastet und die Ausgangssignale nacheinander an einen Zähler 58 überträgt. Das Ausgangssignal dieses Zählers wird an eine Skalierschaltung 60 übertragen, welche die einem bestimmten Zählstand zugeordnete Temperatur ermittelt. In den meisten Fällen wird eine sichtbare Anzeige der festgestellten Temperatur mit Hilfe eines Druckers 62 ausgedruckt, obwohl auch andere Anzeigemöglichkeiten Verwendung finden können, die in Verbindung mit einem Rechner, z.B. die Temperatur in Abhängigkeit von der Belastung feststellen oder andere Zusammenhänge ausrechnen, wie z. B. die Möglichkeit eines wirtschaftlicheren bzw. sicheren Einsatzes des Transformators, die Berechnung der verbleibenden Lebensdauer bzw. Standzeit der Isolation der Transformatorwindungen in Abhängigkeit von dem vergangenen Belastungsverlauf oder auch dazu beitragen, daß das Kühlverhalten ausgerechnet wird, um eine gleichmäßigere Temperaturverteilung zu gewährleisten. Mit Hilfe der erhaltenen Werte können überdies eine Vielzahl weiterer Transformatoreigenschaften überwacht und neu ermittelt werden.

In Fig.

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In Fig. 4 ist ein typischer Aufbau für eine Sensoreinheit S dargestellt, wie sie für die Vorrichtung gemäß Fig. 3 unter Verwendung eines Biegeschwingers gemäß Fig. 2A eingesetzt werden kann. Der Resonator ist zum Schutz gegen das Transformatoröl in einem Gehäuse 70 untergebracht, das teilweise aufgeschnitten dargestellt ist, und wird mit Hilfe der Haltestäbe 28 und 29 in Position gehalten.

Der akustische Wellenleiter 42 ist aus einer Vielzahl nichtmetallischer Fasern, z. B. aus Glasfasern 72 hergestellt, wie sie für optische Zwecke Verwendung finden. Diese Glasfasern 72 sind von einemMantel dicht umschlossen, der seinerseits aus einem nachgiebigen Material, z. B. aus einem Kunststoffschlauch besteht.

Innerhalb des Gehäuses 70 ist der Wellenleiter 42 mit dem Resonator 26 gekoppelt. Zu diesem Zweck sind die Glasfasern 72 z.B. mit Hilfe eines Epoxydharzklebers an eine Platte 76 angeklebt, die aus einem Material mit der gleichen akustischen Impedanz wie das Glasfaserbündel besteht, so daß die akustische Fehlanpassung und damit die sich davon ableitenden Reflexionen auf ein Minimum verringern. Die Platte 76 kann zu diesem Zweck z.B. aus Glas bestehen. Der das Gehäuse 70 verlassende akustische Wellenleiter 42 ist auf der anderen Seite in gleicher Weise mit der Platte 76 verbunden. Innerhalb des Gehäuses 70 ist der akustische Wellenleiter 42 mit dem Resonator 26 über ein Koppelelement 78 verbunden, das den Wellenleiter für alle außerhalb des Grenz bereiches liegenden Frequenzen vom Resonator entkoppelt. Im Bereich der Resonanzfrequenz existiert eine Frequenz, bei welcher die Schwingscheibe eine Massenbewegungsreaktanz hat, die mit dem Koppelelement 78 in Resonanz steht, so daß bei dieser Resonanzfrequenz die Impedanz des Wellenleiters sehr groß wird und eine Reflexion der in diesem Frequenzbereich übertragenen akustischen Frequenzen bewirkt. Das Koppelelement 78 kann in einfachster Weise aus einem Aluminiumdraht bestehen, der

sowohl

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-fr

sowohl mit der Platte 76 als auch dem Resonator 26 verbunden bzw. verlötet ist.

In Fig. 5 ist ein Frequenzspektrum dargestellt, wie es von der Signalquelle aus übertragen wird, wenn diese ein weißes Rauschen abgibt. In Abhängigkeit von diesem Frequenzsignal wird von den einzelnen Sensoreinheiten ein Frequenzspektrum reflektiert, das in Fig. 6 dargestellt ist. Aus dieser Darstellung kann man entnehmen, daß die Amplitudenspitzen bei den bestimmten Frequenzen f , f .. . f

12 η

liegen, welche die Resonanzfrequenzen der n-Sensoreinheiten sind. Im normalen Betrieb verschieben sich die Amplitudenspitzen in einem gegebenen Frequenzbereich, der durch Pfeile angedeutet ist, und lassen dadurch die Tempera tür änderungen im Bereich der als Biegeschwinger aufgebauten Resonatoren erkennen, die derart ausgelegt sind, daß zwischen den einzelnen Resonanzfrequenzbereichen ein ausreichend großer Abstand vorhanden ist. Die Position einer jeden Amplitudenspitze hängt von der Temperatur des entsprechenden Sensors ab, wobei die Breite der einzelnen Spitzen eine Funktion der Güte Q des entsprechenden Resonators ist. Je höher der Wert der Güte Q ist, um so schmaler wird die Resonanzkurve verlaufen. Daraus kann man entnehmen, daß es wünschenswert ist, Resonatoren mit sehr hoher Güte zu verwenden.

In Fig. 7 ist eine Ausführungsform des Richtungskopplers 52 dargestellt, wie er für die Verwirklichung der Erfindung Verwendung finden kann. Der Richtungskoppler umfaßt einen Wandler 80, der von der Signalquelle 50 aus mit dem weißen Rauschen beaufschlagt wird und daraus eine akustische Schwingung bildet. Ein Wandler, der für diesen Zweck geeignet ist, ist unter der Bezeichnung Tonpilz-Wandler bekannt und hat eine Kopf masse sowie eine Endmasse, zwischen welchen ein Motor-Generatorabschnitt vorgesehen ist. Der strahlende, mit der Kopfmasse beim Tonpilz-Wandler übereinstimmende Teil ist mit einem starren Rohr 82, z. B. aus Aluminium, gekoppelt, das seinerseits mit einem Kraftsensor 84,

809832/0677 f

ζ. B. einem piezokeramischen Wandler verbunden ist.

Die andere Seite des Kraftsensors 84 ist ebenfalls mit einem starren Rohr 86 verbunden, welches in eine Koppelplatte 88 übergeht, die mit dem akustischen Wellenleiter 42 verbunden ist. Zu diesem Zweck sind die einzelnen Glasfasern 72 mit der Koppelplatte 88 verklebt. Das Rohr 86 wird von einem piezoelektrischen Beschleunigungsmesser umgeben, der mit dem Rohr verbunden ist und als Seherschwinger arbeitet, um Signale abzuleiten, die der Beschleunigung der akustischen Schwingung in dem Rohrabschnitt 86 proportional sind.

Die Wirkungsweise des Aufbaus gemäß Fig. 7 ist leicht anhand des elektrischen Analogschaltbildes zu verstehen, in welchem der Kraft die Spannung und der Geschwindigkeit der Strom analog ist. Ein von links nach rechts verlaufendes Signal kann durch die nachfolgende Größe gekennzeichnet werden:

u =Tr
R₀

wobei die einzelnen Größen wie folgend gekennzeichnet sind;

u = Geschwindigkeit,

f = Kraft

R = mechanische charakteristische Impedanz.

Der Kraftsensor 84 liefert in Verbindung mit dem Verstärker 100 eine Spannung, die der Kraft proportional ist und durch die Größe k_ χ f in Fig. 7 gekennzeichnet ist. Der Beschleunigungsmesser 90 liefert ein Beschleunigungssignal, das in Verbindung mit dem Integrator und einem Verstärker 98 als Spannung k u gekennzeichnet und proportional der Geschwindigkeit des akustischen Signals ist. Der Wellenleiter ist

mit einem

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mit einem akustischen Abschluß versehen, der den Wert der charakteristischen Impedanz hat., so daß die Verstärkung der Verstärker derart eingestellt sein kann, daßsich die nachfolgende Gleichung ergibt:

^{= k}2^U

Dementsprechend ergibt sich am Ausgang der Summierschaltung 96 der Wert

^ki^f-V ⁼ °

Das heißt, die Summierschaltung gibt kein Ausgangssignal infolge eines akustischen Signals ab, welches vom Wandler 80 an den akustischen Wellenleiter abgegeben und zu den Sens or einheilen übertragen wird

δι der elektrischen Analogschaltung gemäß Fig. 8A repräsentiert der Generator 102 die Signalquelle für das akustische Signal, welche einen Innenwiderstand R hat. Ferner enthält die Schaltung einen Widerstand R ,

der der charakteristischen Impedanz entspricht, sowie einen Spannungstransformator 104 und einen Stromtransformator 106 mit einem parallel zu den Windungen liegenden Widerstand R . Der Stromtransformator sowie die Sekundärwicklung des Spannungstransformators 104 sind in Serie zu den Ausgangsklemmen 108 geschaltet. Mit einer Ausgangsspannung e.. des Generators 102 fließt ein Strom von der Größe:

Wenn man für eine beispielsweise Betrachtung davon ausgeht, daß e.. 100 Volt entspricht und R sowie R jeweils den Wert von 50 Ohm haben, so ergibt sich ein Strom von 1 A. Wenn der Stromtransformator 106 derart

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abgestimmt ist, daß er eine Spannung e von 1 V für einen Strom von 1 A

3.

abgibt und ferner der Spannungstransformator 104 eine Aus gangs spannung e, von 1 V an der Sekundärwicklung für 50 V an der Primärwicklung abgibt, liegt an den Ausgangsklemmen 108 die Spannung 0 an. In Fig. 8B ist das Ersatzschaltbild dargestellt für den Fall, daß das vom Sensor durch Reflexion gelieferte Signal als separate Signalquelle eines Generators 110 betrachtet wird. Wenn man beispielsweise annimmt, daß die Spannung dieses Generators e„ einen Wert von 25 V hat, würde sich ein Strom von 0, 25 A

Lt

aufgrund des Ohmschen Gesetzes unter Berücksichtigung der Größe der oben angegebenen Widerstände einstellen. Die Spannung an der Primär seite des Spannungstransformators 104 würde einen Wert von e₉ verringert

Ll

um den Spannungsabfall am Widerstand R annehmen, d. h. einen Wert von 12,25 V. Da der Spannungstransformator 104 ein Übersetzungsverhältnis von 50:1 hat, würde sich an der Sekundärseite dieses Transformators eine Spannung von 12, 5 geteilt durch 50 gleich 0, 25 V einstellen. Da der Strom im Kreis 0, 25 A beträgt, ergibt sich eine Spannung am Stromtransformator 106 in der Größe von 0, 25 V, so daß als Gesamtspannung an den Ausgangsklemmen 108 die Summenspannung anliegt, welche aufgrund der Richtungsänderung des Stromes 0, 25 V + 0, 25 V = 0, 5 V ist.

Es sei bemerkt, daß wegen der einfachen Betrachtungsweise die Werte für R und R gleich gewählt wurden. Die Verhältnisse und die Ergebnisse wären jedoch dieselben auch bei unterschiedlichen Werten. Es sei deshalb beispielsweise angenommen, daß R 50 Ohm und R 25 Ohm haben. Der Strom für diese Werte beträgt bei der Ersatzschaltung gemäß Fig. 8A 100/75 = 1, 33 A, so daß sich für die Spannung an der Primärwicklung des Spannungstransformators 104 ein Wert von 1, 33 . 50 = 66,667 V ergibt. Die Spannung an der Primärseite beträgt 1/50 dieses Wertes, also 1, 333 Volt. Da der Stromsensor das Verhältnis 1:1 hat, würde die von ihm erzeugte Spannung 1,33 V betragen,womit sich ebenfalls eine Differenz 0 ergibt.

Der Be-

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Der Beschleunigungsmesser 90 gemäß Fig. 7 liefert an den Integrator 94 ein Signal, das der Beschleunigung proportional ist. Durch die Integration erhält man ein Signal, das der Geschwindigkeit proportional ist. Dieses Geschwindigkeits signal wird an die Summier schaltung 96 angelegt,

nachdem es im Verstärker 98 verstärkt wurde. An der Summier schaltung ist ferner das vom Kraftsensor 84 gelieferte und im Verstärker 100 verstärkte Signal wirksam. Das Aus gangs signal vom Verstärker 98, ist das analoge Signal zur Spannung e gemäß den Fig. 8A und 8B, wogegen das Ausgangs-

cL

signal des Verstärkers 100 das analoge Signal für die Spannung e, ist. Bei einer entsprechenden Abstimmung der Verstärkung der beiden Verstärker kann dafür gesorgt werden, daß das Aus gangs signal der Summier schaltung 96 im wesentlichen 0 ist, wenn der Beschleunigungsmesser 96 in einer ersten Richtung durch das übertragene Signalbeschleunigt wird, wogegen ein Ausgangssignal mit einer Vielzahl von Frequenzen entsteht, wenn der Beschleunigungsmesser in entgegengesetzter Richtung beschleunigt wird, und zwar aufgrund der von den verschiedenen Resonatoren reflektierten akustischen Schwingung auf dem akustischen Wellenleiter.

In Fig. 9 ist ein Blockschaltbild einer typischen Verriegelungsschaltung gemäß Fig. 3 dargestellt. Das von den verschiedenen Resonatoren reflektierte und über die Summierschaltung 96 übertragene Signal wird an ein Bandpaßfilter 112 angelegt. Mit Hilfe dieses Bandpaßfilters wird ein Signalanteil ausgefiltert, der dem Frequenzband um die Resonanzfrequenz einer bestimmten Sensoreinheit entspricht. Dieses ausgewählte Signal wird einer Phasenvergleichs stufe 114 zugeführt, von der ein weiterer Eingang vom Signal eines spannungsgesteuerten Oszillators 116 beaufschlagt wird. Wenn die Frequenz des Ausgangs signals dieses Oszillators gleich der Frequenz des Eingangs signals ist, dann gibt die Phasenvergleichsstufe 114 kein Korrektursignal aus gangs seitig ab. Wenn jedoch die Frequenz des Aus gangs signals des spannungsgesteuerten Oszillators von der Eingangsfrequenz verschieden ist, dann erscheint am Ausgang der Phasenvergleichsstufe 114 ein Signal, das über ein Filter 118 als Gleichstroniregelsignal an

den Oszillator

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den Oszillator übertragen wird und dessen Frequenz so lange ändert, bis diese mit der Frequenz des Eingangs signals übereinstimmt. Dieses Abstimmverfahren ist allgemein unter dem Begriff der phasenstarren Regelschleife bekannt. Das A us gangs signal des spannungsgesteuerten Oszillators auf der Leitung 110 hat damit eine dem Eingangssignal gleiche Frequenz, womit die Frequenz kennzeichnend für die Temperatur einer bestimmten Sensoreinheit ist. Dieses Signal auf der Leitung 110 wird vom Abtaster gemäß Fig. 3 weiter verarbeitet. Die in Fig. 9 dargestellte Schaltung repräsentiert eine einzige phasenstarre Regelschleife, so daß weitere gleichartige Schaltungen für ein Vielfachsensorfeld erforderlich sein würden, bei denen die Bandfilter unterschiedliche Bandfilter Charakteristiken und die Oszillatoren unterschiedliche Oszillatorfrequenzen haben würden.

Da die Wirkungsweise der Erfindung auf der Reflexion der Schwingungsenergie beruht, ist es wichtig, daß keine akustische Fehlanpassung am Ende des akustischen Wellenleiters existiert. Eine solche Fehlanpassung in Form eines nicht angepaßten Abschlusses würde ein rücklaufendes Signal mit einer Vielzahl von Frequenzen auslösen und damit zu möglichen Fehl anzeigen führen. Um dies zu vermeiden, ist der Wellenleit er mit einem akustischen Leiterabschluß 44 gemäß Fig. 10 versehen. Dieser Leiterabschluß umfaßt ein Gehäuse 120 aus einem nichtmetallischen Material, z.B. Kunststoff oder Keramik. Der Mantel 74 des Wellenleiters 42 erstreckt sich durch eine Öffnung im Gehäuse 120 und ist mit diesem verbunden, wobei die in das Gehäuse sich erstreckenden Glasfasern 72 aufgefächert und in ein akustische Energie abs#rbierendes Materfei 122 eingebettet sind. Für dieses akustische energieabsorbierende Material kann z. B. Butylgummi Verwendung finden.

Das in Fig. 5 dargestellte, von der Signalquelle 50 gelieferte Frequenzsignal entspricht der Frequenzverteilung für weißes Rauschen und umfaßt den gesamten Fr equenzber ei chiller verwendeten Resonatoren. Anstelle

des Frequenz-

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des Frequenzsignals gemäß Fig. 5 könnte auch ein Frequenzsignal gemäß Fig. 11 Verwendung finden, bei der die Frequenz auf der Ordinate und die Zeit auf der Abszisse aufgetragen ist. Bei diesem Anwendungsfall wird von der Signalquelle 50 ein zeitabhängig veränderliches Frequenzsignal geliefert, wobei die Frequenzbereiche derart ausgewählt sind, daß sie mit den Betriebsfrequenzen der einzelnen Resonatoren übereinstimmen. Die reflektierten Schwingungen enthalten bei diesem Frequenzsignal gemäß Fig. 11 Echoamplituden, die ebenfalls eine Funktion der Zeit sind, wie aus Fig. 12 hervorgeht. Bei einem System mit vier Resonatoren treten die Resonanzfrequenzen in einer Folge auf, so daß ebenfalls Verriegelungs schaltungen in der bereits beschriebenen Weise Verwendung finden können, um die reflektierten Signale zu interpretieren und bestimmten Temperaturgrößen zuzuordnen.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 enthält einen akustischen Wellenleiter, der vom Sensorfeld zur Tankwand des Transformators verläuft und das akustische Signal in das Sensorfeld sowie von diesem zurück zum Richtungskoppler überträgt. In Fig. 13 wird eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der diese Verbindung eliminiert wird. Diese Ausführungsform umfaßt einen Richtungskoppler 125, der mit einem akustischen Sender und Empfänger 126 an der Tankwand 128 des Transformators verbunden ist. Die akustische Energie breitet sich von diesem Sender bzw. Empfänger 126 durch das Transformatoröl zu einem zweiten Sender und Empfänger 130 aus, der dann die akustische Energie zu den einzelnen Sensor einheiten des Feldes überträgt. Obwohl auch in diesem Fall die Sensoreinheiten wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 in Serie hintereinandergesehaltet sein könnten, ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die einzelnen Sensoreinheiten Sl bis Sn in Parallelschaltung zum akustischen Sender und Empfänger 130 liegen. Der Anschluß der einzelnen Sensor einheiten an diesen Sender und Empfänger 130 erfolgt ebenfalls über akustische Wellenleiter, die am Ende mit einem akustischen Leiterabschluß versehen sind.

Das reflektierte

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Das reflektierte akustische Signal wird von den einzelnen Resonatoren zurück zum Sender und Empfänger 130 übertragen, der dieses -seinerseits durch das Transformatoröl zum Sender und Empfänger 126 überträgt, an den die Einrichtungen zum Feststellen und Verarbeiten der Signale angeschlossen sind.

Patentansprüche

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Claims

FLEUCHAUS & WEHSER PATENTANWÄLTE 8 MÖNCHEN 71, 25· Jan* 1978 Melchiorstraße 42 WS107P-1723 Westinghouse Electric Corp. Westinghouse Building Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania 15222, USA PATENTANSPRÜCHE

1. J Temperaturabtastsystem mit einem an einen akustischen Wellenleiter angekoppelten Signalgeber und mit temperaturempfindlichen, mit dem Wellenleiter zusammenarbeitenden Sensoreinheiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheiten (S bis S ) jeweils akustische Resonatoren (26) umfassen, die auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt sind, und daß die Resonatoren über akustische Koppelelemente (72, 78) an den Wellenleiter (42) angekoppelt sind.

2. Temperaturabtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder akustische Resonator als Biegeschwinger mit einer Schwingscheibe hoher Güte Q aufgebaut ist, die zwei Durchmesserknotenlinien aufweist.

3·. Temperaturabtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Wellenleiter (42) eine Vielzahl nichtmetallischer Abschnitte (72, 74)umfaßt.

4. Temperaturabtastsystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den akustischen Wellenleiter (42) eine metallische Platte (76) eingefügt ist, und daß ein drahtförmiges Koppel -

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OBfGfNAL

element (78) diese metallische Platte (76) mit einer Oberfläche der als Biegeschwinger wirksamen Schwingscheibe verbindet.

5. Temperaturabtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber ein Signal mit einer Vielzahl von Frequenzen liefert.

6. Temperaturabtastsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber

(50) über einen Richtungskoppler (52) mit dem akustischen Wellenleiter (42) gekoppelt ist.

7. Temperaturabtastsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtungskoppler (52) einen Wandler (80) sowie einen Beschleunigungsmesser (90) umfaßt, welche mit dem Koppler verbunden sind, und daß der Beschleunigungsmesser mit einem Integrator (94) in Verbindung steht, der über einen Verstärker (98) ein der Geschwindigkeit proportionales Signal an eine Summierschaltung (96) abgibt, an welche ein der Kraft proportionales Signal von einem Krafts ens or (3 4) über einen weiteren Verstärker (100) ebenfalls angelegt wird.

8. Temperaturabtastsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Resonator eine Frequenz-Verriegelungsschaltung (Ll bis Ln) vorhanden ist, und daß den einzelnen Verriegelungsschaltungen Verarbeitungsstufen nachgeschaltet sind, um aus der ermittelten Frequenz die Temperatur abzuleiten.

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