DE69215840T2

DE69215840T2 - Vorrichtung zum messen der transferzeit einer akustischen welle

Info

Publication number: DE69215840T2
Application number: DE69215840T
Authority: DE
Inventors: Antonio Gray
Original assignee: Enel SpA; CISE Centro Informazioni Studi e Esperienze SpA
Current assignee: Enel SpA; CISE Centro Informazioni Studi e Esperienze SpA
Priority date: 1991-06-24
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 1997-06-05
Anticipated expiration: 2012-06-05
Also published as: ATE146277T1; FI930798A; PT100614A; US5437506A; ITMI911729A0; DE69215840D1; WO1993000577A1; ITMI911729A1; AU646576B2; FI930798A0; AU1922892A; IT1248535B; EP0544859B1; EP0544859A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Messung der Übertragungszeit einer Schallwelle, insbesondere zur kontinuierlichen Messung der Übertragungszeit einer Schallwelle durch ein Gas, welches sich bei einer hohen Temperatur in einem Zustand von Turbulenz befindet, und in solchen Fällen, in denen eine korrosive Umgebung vorhanden ist, mit dem Endziel der kontinuierlichen Messung der Temperatur. Das erfindungsgemäße System ist auch zur Messung anderer, der Übertragungszeit innerhalb eines Körpers zugeordneter Parameter geeignet, wie z.B. der Relativgeschwindigkeit oder des Abstandes von einem bestimmten Bezugspunkt.Für die Messung der Temperatur eines Gases schließt der Stand der Technik die Verwendung von herkömmlichen Pyrometern ein, wie z.B. Thermokopplern, Thermowiderständen, aber auch fortschrittlichere Systeme, welche die vorhandene Beziehung zwischen der Geschwindigkeit der Schallausbreitung durch ein Gas und der Temperatur dieses Gases verwendet: durch ein geeignetes elektrisches Signal wird ein Sender stimuliert und erzeugt in dem Gas eine akustische Schwingung, während ein Mikrofon, das in geeigneter Entfernung vom Sender angeordnet ist, die Schwingungen empfängt, welche dann in elektrische Signale umgewandelt werden.
Die ausgesendeten Signale und die empfangenen Signale werden durch zweckentsprechende Algorithmen verglichen, um die sogenannte "Laufzeit" zur Verfügung zu stellen, das ist die Zeit, welche das vom Sender ausgesendete Signal braucht, um das Mikrofon zu erreichen. Aus dieser Laufzeit kann man die mittlere Temperatur des Gases, das durch die akustische Schwingung hindurch strömt, ermitteln. Die fortschrittlicheren Systeme sind zwei unterschiedliche Typen: solche, welche eine konventionelle "Funkenstrecken"-Anordnung verwenden, um den Schall mit einem einzigen Impuls mit hoher Spannung und hohem Strom zu erzeugen, und solche, welche eine Sirene verwenden, wie sie z.B. in Sportstadien verwendet wird, um Schall zu erzeugen. Bei dem ersten Systemtyp wird ein Wellenpaket ohne genau definierte Frequenz oder Phase ausgesendet, und man versucht, die Eintreffzeit der Einhüllenden der empfangenen Signale mit dem Zeitpunkt der Emission des elektrischen Impulses, der durch die "Funkenstrecke" angeregt wird, zu korrelieren, während bei dem zweiten Systemtyp ein Wellenzug mit veränderlicher und streng wiederholbarer Frequenz, aber mit innewohnender Inkohärenz der Phase, ausgesendet wird, und eine tatsächliche und sachgemäße Kreuzkorrelation zwischen der Wellenform des ausgesendeten Signals und der Wellenform des empfangenen Signals durchgeführt wird.
Die Nachteile der herkömmlichen Pyrometer (Thermokoppler, Thermowiderstände, usw.) treten bei solchen Anwendungen auf, bei denen man wünscht, eine mittlere Temperatur zu messen, mit der Notwendigkeit einer Verwendung vieler von ihnen und dem nachfolgenden Erfassen des Mittelwertes und mit der Schwierigkeit ihrer Verwendung in heißen und sehr korrosiven Umgebungen. Die Nachteile der akustischen Pyrometer für die Messung der "Laufzeit" liegen prinzipiell in der Unsicherheit einer exakten Bestimmung der "Laufzeit" im dem Zeitpunkt, in dem man die Temperatur des Gases mißt, unter Vorhandensein von ansteigenden Rauschpegeln, die durch die Turbulenz des Gases, durch eine Einspritzdüse, durch Strukturschwingungen und dergleichen erzeugt werden (im Fall der Funkenstrecke wird die Unsicherheit von dem Umstand abgeleitet, daß das ausgesendete Signal ein nicht wiederholbares Signal darstellt und seine Dekodierung durch eine Meßstatistik bewirkt wird, während in dem zweiten Fall die Kreuzkorrelation zwischen den ausgesendeten und den empfangenen Signalen bei Vorhandensein von Rauschen und Echos, die zu den Turbulenzen gehören, nicht sehr effektiv ist); unter den günstigsten Bedingungen kann man eine Messung mit der Genauigkeit der Abschätzung der "Laufzeit" in der Größenordnung der mittleren Periode der ausgesendeten Welle erhalten, was in der Mehrheit der Fälle nicht ausreichend ist (bei f = 2000 Hz beträgt zum Beispiel die mittlere Periode und deshalb die Präzision der Messung etwa 0,5 Millisekunden und das ergibt Unsicherheiten in der Größenordnung von ± 100ºC auf den Strecken von etwa 10 m in einer Umgebung mit einer Temperatur von etwa 1000 ºC).
Die vorliegende Erfindung löst das Problem der Bereitstellung einer präzisen Messung der Temperatur eines Gases unter Bedingungen einer hohen Temperatur und bei Vorhandensein von hohen Rauschpegeln.
Das erfindungsgemäße System verwendet nach wie vor die vorher genannte Beziehung zwischen der "Laufzeit" und der Temperatur, und enthält, wie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, einen Schallsender, der für eine einzige oder eine Gruppe von Frequenzen empfindlich ist, in der Phase kohärent ist und zu einem selbstkorrelierenden Empfängerdekoder gehört (oder auch arbeiten als). Das erlaubt, die Beziehung zwischen dem ausgesendeten Schall und dem Hintergrundrauschen zu optimieren, da die gesamte Energie des ausgesendeten Schalles in einem sehr engen Band entsprechender Frequenzen konzentriert ist; der Empfänger wandelt den empfangenen Schall in elektrische Signale um, welche durch ein äußerst stabiles schmales Bandpaßfiltersystem geschickt werden. Dann führt das Filtersystem eine Aktion strenger Korrelation durch, um ein mögliches Rauschen, das auf dem ankommenden Signal vorhanden ist, zu eliminieren.
Das System der Filter kann alternativ oder in Kombination bestehen aus:
- analogen Filtern
- kommutierten Kondensorfiltern
- digitalen Signalprozessoren.
Außerdem ist es einfach, zu beobachten, daß das Signal, das das System der zu dem genannten Sender und Empfänger gehörenden Filter verläßt, in einem Amplituden-Zeit-Diagramm dargestellt wird, die besondere Form eines Fisches besitzt, die in der wissenschaftlichen Literatur als Hamming-Kurve bekannt ist. Es wurde festgestellt, daß das Maximum der relativen Maxima, die die Einhüllende des Fisches bilden, zeitlich gesehen sehr stark mit dem Eintreffzeitpunkt der ersten Welle des empfangenen Signals korreliert. Demzufolge besteht eine weitere Eigenschaft der Erfindung darin, daß eine solche Korrelation gefunden wurde, die verwendet wird, um mit Sicherheit den Eintreffzeitpunkt und damit die "Laufzeit" festzustellen.
Eine elektronische Unterbrechungsschaltung, die auf das ankommende Signal zum Filtersystem aktiv ist, wird mit Hilfe eines Iterationsalgorithmus gesteuert, um stets den ersten n-Wellen des empfangenen Signals zu erlauben, hindurch zu laufen, wobei n eine ganze Zahl ist, welche der Anwender des Systems als eine Funktion der Bedingungen der Messungen auswählt, um die Verarbeitung irgendwelcher Signale von Echos zu verhindern, und so dem System zu ermöglichen, einen ausgedehnten Temperaturbereich, ohne Notwendigkeit eine Erprobungstemperatur einzustellen, zu messen.
Der Hauptvorteil der Erfindung liegt in dem Umstand, daß man mit großer Genauigkeit die "Laufzeit" einer Schallwelle bestimmen kann, und dadurch die Temperatur eines heißen Gases im Zustand der Turbulenz bei Vorhandensein eines hohen Hintergrundrauschens und bei Anwesenheit der anderen Parameter, die in dem ersten Abschnitt dieser Beschreibung genannt wurden. Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß die Zeitauflösung des Systems unabhängig von der verwendeten Frequenz ist.
Die Erfindung wird im folgenden ausführlicher unter Bezugnahme auf die anhängenden Figuren beschrieben, welche ein Beispiel ihrer Ausführung darstellt und in welchen
Figur 1: eine grafische Darstellung einer Art der Realisierung des Systems ist.
Figur 2: ein Blockschaltbild der elektronischen Komponenten des Systems darstellt.
Figur 3: eine grafische Darstellung einer zweiten Art der Realisierung des Systems ist.
Figur 1 zeigt, daß in zwei gegenüberliegenden Fenstern in den Wänden P eines Kessels C zwei zueinander gekehrte und identische Schalltrichter T1, T2 vorhanden sind (die Schalltrichter sind als Sirenen-Lautsprecher zu verstehen (die von dem Unternehmen R.C.F. - Industrie Elektroacustiche a S. Maurizio, Reggio Emilia - model D 140 hergestellt werden)). Die Schalltrichter T1 und T2 besitzen Lautsprecher C1, C2, die an der I-I-Achse ausgerichtet sind, welche den Heizer und den Fluß des Verbrennungsgases FL kreuzt.
Der Schalltrichter T2 sendet einen sinusförmigen Wellenzug von 2000 Hz aus, welcher von dem Schalltrichter T1 empfangen wird und dann in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, welches an den Verstärker A1 geleitet wird.
Figur 2 veranschaulicht das elektronische System, welches das empfangene Signal verarbeitet und benutzt. Der Verstärker A1 verstärkt das von dem Schalltrichter T1 empfangene Signal mit einem Verstärkungsgrad (G), der von einem Mikroprozessor MP eingestellt wird, und leitet es an die Schaltung "Killer" K, die ständig von dem Mikroprozessor MP gesteuert wird. Sobald sie in Betrieb ist, schließt die Schaltung K 1 ms vor dem Eintreffen des Signals und öffnet 6 ms danach, dank einer iterativen Berechnung, die von dem Mikroprozessor ausgeführt wird. Das so abgeschnittene Signal tritt in das Bandpaßfilter FI ein, durch welches nur die Grundharmonische hindurchlaufen kann, und tritt in dem bereits beschriebenen fischförmigen Amplituden-Zeit-Diagramm aus. Das Signal wird durch eine ADC-Erfassungsschaltung von der analogen in die digitale Form gewandelt und zur Verarbeitung an einen Mikroprozessor gegeben. Wir wollen nicht die verschiedenen Funktionen der Leiter CON beschreiben, da diese einem Fachmann auf dem Gebiet selbst bekannt sind.
Der Mikroprozessor MP verarbeitet die Daten, findet das Maximum der relativen Maxima des vorher erwähnten "Fisch"- Diagramms und bestimmt die "Laufzeit", sowie eine Funktion des Zeitpunktes, an welchem das Signal selbst mit Hilfe des Schalltrichters T2 ausgesendet und erzeugt wird, und leitet es zum Display D. Außerdem läuft er im Iterationszyklus weiter und stellt die Schließzeit für die Schaltung K ein. Der Mikroprozessor MP soll stets dasselbe Maximum finden. Wenn der Zeitpunkt, welcher dem oben erwähnten Maximum der relativen Maxima des "Fisches" entspricht, Tmax ist, wird der Schließzeitpunkt für die Schaltung Killer K berechnet zu:
(1) Tkp = Tmax,p-1 - KS
wobei:
- Tmax,p-1 in dem iterativen Zyklus berechnet wird, welcher dem vorangeht, in welchem Tkp berechnet wird;
- p die Periodenzahl des iterativen Zyklus darstellt;
- KS eine entsprechende Konstante darstellt, die von einem Qualitätsfaktor (Q) der Filter, von der Anzahl der Pole der Filter und von der Anzahl n der Wellen des empfangenen Signals, welches man wünscht, in das Bandpaßfilter einzugeben, abhängt.
Um eine differenziertere Killereinstellung durchzufühen, kann die folgende Beziehung verwendet werden:
(2) Tkp = Tk,p-2 - η (Tk,p-1 - Tk,p-2) - KS
wobei:
- p die Anzahl des iterativen Zyklus ist und
- η den prozentualen Fehler darstellt, der bei der Steuerung verwendet wird.
Wenn η = 1 ist, sind die Beziehungen (1) und (2) identisch.
Figur 3 zeigt, wie das erfindungsgemäße System alternativ mit einer Sendereinheit, welche auch als Empfänger arbeitet, realisiert werden kann, um so ebenfalls eine feststellbare Vereinfachung des Gerätes zu erhalten. Eine solche Einheit könnte zum Beispiel ein Schalltrichter E-R sein, der aus einem zweckentsprechenden Übertrager besteht, welcher zu einem entsprechenden Lautsprecher, der sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeitet, gehört, der an der Wand P der Heizers C befestigt ist. An der gegenüberliegenden Wand ist anstelle des Schalltrichters T1, wie in Figur 1 gezeigt wird, eine Signalabnehmeranordnung S angeordnet, die in der Lage ist, das von dem Schalltrichter E-R übertragene Signal abzunehmen, und es mit einer in der Zeit fest eingestellten Phasenverschiebung an die letztere zurückzuführen. Wie die Figur zeigt, kann die Abnehmeranordnung einfach eine schallreflektierende Oberfläche S sein. Der Schalltrichter E-R ist selbstverständlich dem elektronischen System A1 zugeordnet, das bereits unter Bezugnahme auf Figur 2 dargestellt wurde. Es ist ebenfalls ersichtlich, daß zwei verschiedene Schalltrichter nebenaneinander an derselben Wand P des Heizers C angeordnet werden könnten, um jeweils die Funktion des Senders und des Empfängers durchzuführen, wobei wieder eine Abnehmeranordnung S an der gegenüberliegenden Wand angeordnet ist.

Claims

1. System zum Messen der Übertragungszeit einer Schallwelle in einem Gas, der Geschwindigkeit des Gases und damit der Temperatur des Gases unter Ausnützung der Beziehung zwischen der Gastemperatur und der Geschwindigkeit, mit der sich die Schallwelle durch das Gas fortpflanzt, und das zu diesem Zweck besteht aus einem Sender (T2), der durch ein erstes elektrisches Signal zur Erzeugung einer Schallwelle an einem speziellen Punkt in dem Gas anregbar ist, einem Empfänger (T1) zum Empfangen des Schalls, nachdem dieser über eine gegebene Strecke durch das Gas gelaufen ist, einer Einrichtung zum Umwandeln des Schalls in ein zweites Elektrosignal, einer Einrichtung zum Vergleichen des ersten und zweiten elektrischen Signals mittels eines geeigneten Algorithmus und damit zur Definierung der "Laufzeit" des Schalls, und einem Anzeiger für die Temperatur des Gases als Funktion der Laufzeit, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:

einen stromgesteuerten Sender (T2) zur Erzeugung von Schall mit kohärenter Phase und im wesentlichen mit einer einzigen Frequenz oder einer Gruppe von Frequenzen;

der Empfänger (T1) ist ein zu dem Sender (T2) selbstkorrelierender Dekoder, um den empfangenen Schall in ein Paßbandfiltersystem mit engem Band und extrem hoher Stabilität (FI) zu leiten; eine Killerschaltung (K), die auf das in das Filtersystem (FI) eintretende Signal einwirkt, das in einen Mikroprozessor (MP) durch einen Wiederholungsalgorithmus derart gelenkt wird, daß immer jeweils eine vorgegebene Anzahl von n ersten Wellen des empfangenen Signals zugelassen wird; einem Mikroprozessor (MP), der das Filtersystem (FI) verlassende Signal zu einer Hamming-Wellenform in einem Zeit-Amplitudendiagramm verarbeitet, um das Maximum der relativen Maxima zu binden und davon die Laufzeit abzuleiten.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (T2) ein Horn ist zum Aussenden von Schall in Form eines Sinuswellenzuges; daß der Empfänger (T1) ein Horn ist zum Empfang des von dem Sender ausgesandten Schalls, und daß es aufweist einen Konverter, der den von dem Empfänger empfangenen Schall in ein elektrisches Signal umwandelt; und einen Verstärker (A1), der das elektrische Signal mit einem von dem Mikroprozessor (MP) gesetzten Verstärkungsfaktor verstärkt, die Killerschaltung (K), die von dem Mikroprozessor (MP) mittels einer Iterationsrechnung gesteuert wird und die das vestärkte Signal empfängt und es abschneidet, um es durch das Bandpaßfilter (FE) zu schicken, welches nur die Grundwelle des Signals in der Hamming-Wellenform durchläßt; eine Datenaufnahmeschaltung (ADC), die die Grundschwingung aus der analogen in die digitale Form umwandelt und das umgewandelte Signal dem Mikroprozessor (MP) zuführt, der die empfangenen Daten verarbeitet, das Maximum der relativen Maxima der Hamming-Wellenform findet und die Flugzeit als Funktion des Aussendezeitpunkts des gesendeten Signals berechnet; und eine dem Mikroprozessor (MP) zugeordnete Anzeige (D) zum Darstellen der von dem Mikroprozessor berechneten Laufzeit.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (MP) den Zeitpunkt Tk,p berechnet, bei dem die Killerschaltung (K) schließt, unter Verwendung der Beziehung

Tk,p =Tmax'p-1 - KS, wobei

Tk,p ein Meßwert im Zyklus (P) ist,

- Tmax' p-1 der Zeitpunkt ist, der dem Maximum der relativen Maxima der Hamming-Wellenform entspricht, und

- KS eine Konstante ist, die abhängt von dem Gütefaktor (Q) und von der Anzahl der Pole des Bandpaßfilters (FI) und von der gewählten Anzahl n von Signalwellen des empfangenen Signals, die in das Filter zugelassen wurden.

4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Mikroprozessor (MP) den Zeitpunkt Tk,p, bei dem die Killerschaltung (K) schließt, berechnet aufgrund der Beziehung

Tk,p = Tmax'p-2+ η (Tmax'p-2 - Tmax'p-2) - KS

wobei η der bei der Steuerung benutzte Irrtumstoleranzbereich ist.

5. System nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet , daß die Schallsende- und -empfangsfunktionen durch eine einzige Sende-Empfangseinrichtung (E-R) durchgeführt werden, die den Schall aussendet und ihn zurückempfängt, nachdem dieser durch einen Signaldetektor (5) zurückgeworfen wurde, der anstelle des Empfängers (T1) angeordnet ist.