Beschreibung
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck und Verwendung der Messvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck mit mindestens einer Sende-/ Empfangseinheit für Ultraschallpulse und mindestens einem Mittel zur Reflektion von Ultraschallpulsen. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Messvorrichtung und eine Verwendung der Messvorrichtung.
Strömungsmaschinen, wie beispielsweise Dampf- oder Gasturbi¬ nen, werden als Wärme-Kraft-Maschinen in der Technik einge- setzt, um eine in einem Gasstrom gespeicherte Energie in eine mechanische Energie zu überführen, insbesondere in eine Dreh¬ bewegung. Darüber hinaus kommen auch Strömungsmaschinen wie Verdichter in Betracht, mit denen mechanische Energie einem Gasstrom zugeführt werden kann. Um bei Gasturbinen einen mög- liehst großen Gesamtwirkungsgrad hinsichtlich der Energieaus¬ nutzung zu erreichen, werden die Gaseintrittstemperaturen von der Brennkammer in den Strömungskanal der Gasturbine mög¬ lichst hoch gewählt. Beispielsweise liegen die Gaseintritts¬ temperaturen bei über 10000C.
Dies erfordert, dass bei diesen hohen physikalischen Belas¬ tungen die Strömungsmaschine in Betrieb unter Beobachtung steht. Dabei liefert insbesondere die Temperatur- und Druck¬ messung innerhalb der Strömungsmaschine wichtige Informatio- nen über den Zustand der Strömungsmaschine. In der Regel wer¬ den hierfür in der Strömungsmaschine angebrachte Messsonden verwendet, deren Signal- und Versorgungsleitungen mittels Durchführungen durch die Wand der Strömungsmaschine nach au¬ ßen führen. Eine hohe Anzahl von Temperatur- und Druckmess- stellen erfordert daher eine hohe Anzahl von Durchführungen und Abdichtungen. Diese stellen unter den hohen physikali¬ schen Belastungen stets Fehlerquellen dar, die möglichst zu
vermeiden sind, um einen zuverlässigen Betrieb der Strömungs¬ maschine zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Messvor- richtung und ein Verfahren zum Betrieb der Messvorrichtung anzugeben, die eine möglichst einfache, zuverlässige und kos¬ tengünstige Temperatur- und/oder Druckbestimmung ermöglicht, mit der das vorstehend angesprochene Problem weitestgehend überwunden werden kann und die weite Verwendungsmöglichkeit eröffnet.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Messvorrichtung entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben.
Dementsprechend soll die Messvorrichtung zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck mit mindestens
- einer Sende-/Empfangseinheit für Ultraschallpulse und
- einem Mittel zur Reflektion von Ultraschallpulsen, dahingehend ausgestaltet sein, dass - mindestens ein Ultraschallpuls von der Sende-/Emp- fangseinheit durch ein Objekt hindurch in das Mittel zur Reflektion aussendbar ist,
- das Objekt für Ultraschallpulse zumindest teilweise transmittierend ist und - der mindestens eine Ultraschallpuls temperaturkorre- liert vom Mittel zur Reflektion in Richtung Sende-/ Empfangseinheit reflektierbar ist.
Indem ein temperatur- und/oder druckempfindlicher passiver Messwertaufnehmer durch ein Objekt hindurch, insbesondere durch eine metallische Wand, mittels Ultraschallpulse abge¬ fragt werden kann, sind die damit verbundenen Vorteile insbe¬ sondere in einer Vermeidung von Durchführungen und damit zwangsläufig einhergehenden Abdichtungen im Objekt, insbeson- dere in der metallischen Wand, zu sehen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Messvorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen An¬ sprüchen.
Es ist insbesondere vorteilhaft, dass die Sende-/Empfangs- einheit mindestens einen Schallwandler aufweist.
Vorzugsweise weist die Sende-/Empfangseinheit mindestens zwei Schallwandler auf.
Dabei ist es von Vorteil, dass die Messvorrichtung mindestens einen ersten Schallwandler zum Aussenden des mindestens einen Ultraschallpulses durch das Objekt in das Mittel zur Reflek- tion und mindestens einen zweiten Schallwandler zum Empfangen des mindestens einen temperaturkorreliert reflektierten Ul¬ traschallpulses aus dem Mittel zur Reflektion aufweist.
Auch ist es von Vorteil, dass die Messvorrichtung mindestens einen Schallwandler sowohl zum Aussenden des mindestens einen Ultraschallpulses durch das Objekt in das Mittel zur Reflek¬ tion als auch zum Empfangen des mindestens einen temperatur¬ korreliert reflektierten Ultraschallpulses aus dem Mittel zur Reflektion aufweist.
Vorteilhaft erweist sich, dass die Sende-/Empfangseinheit ei¬ nen zwischen Schallwandler und Objekt angeordneten akusti¬ schen Wellenleiter aufweist.
Es ist von Vorteil, dass der mindestens eine Ultraschallpuls in das Mittel zur Reflektion fokussierbar ist.
Vorteilhaft ist das Mittel zur Reflektion als ein Behältnis mit wärmeleitfähiger Wandung und mit zum Objekt zugewandter Öffnung ausgestaltet, wobei das Behältnis ein Material bein- haltet, dessen Schallgeschwindigkeit in Bezug auf das Objekt einen höheren, insbesondere mindestens lOfach höheren, Tempe¬ ratur-Koeffizienten aufweist.
Es ist auch vorteilhaft, dass das Mittel zur Reflektion einen Oberflächenwellen-Resonator und einen akustischen Modentrans¬ formator oder einen piezoelektrischen Transformator umfasst, wobei der akustische Modentransformator oder der piezoelek¬ trische Transformator zur Übertragung des mindestens einen Ultraschallpulses zwischen Oberflächenwellen-Resonator und Objekt vorgesehen ist.
Als besonders vorteilhaft erweist sich, dass das Mittel zur Reflektion ein mit zwei Elektroden versehener piezoelektri¬ scher Schwinger, insbesondere ein piezoelektrischer Dicken¬ schwinger, ist, der mittels des mindestens einen Ultraschall¬ pulses zu einer Resonanzschwingung anregbar ist, wobei der mindestens eine Ultraschallpuls ein breites Frequenzband auf¬ weisen sollte.
Dabei sind vorzugsweise die beiden Elektroden mit einer In¬ duktivität verbunden.
Zudem sind vorzugsweise die Induktivität mit einem Kern ver¬ sehen ist, dessen magnetische Eigenschaften, insbesondere die Suszeptibilität, temperaturabhängig sind.
Der Kern ist dabei vorzugsweise ein magnetoelastischer Kern, wobei er derart am Objekt angeordnet ist, dass er mittels des mindestens einen Ultraschallpulses zu einer Schwingung anreg¬ bar ist.
Es ist weiter von Vorteil, dass zwischen einer Elektrode des piezoelektrischen Schwingers und einem Anschluss der Indukti¬ vität eine Kapazität angeordnet ist.
Vorzugsweise ist das Objekt mit einer Aussparung auf der dem Mittel zur Reflektion zugewandten Seite versehen, in der das Mittel zur Reflektion angeordnet ist.
Dabei ist das Mittel zur Reflektion vorzugsweise formschlüs¬ sig in der Aussparung angeordnet.
Vorteilhaft weist die Messvorrichtung Steuermittel zur An¬ steuerung der mindestens einen Sende-/Empfangseinheit auf.
Vorteilhaft weist zudem die Messvorrichtung Signalaufberei¬ tungsmittel zur Aufbereitung von in der mindestens einen Sen- de-/Empfangseinheit erzeugten Messsignalen auf.
Weiter weist die Messvorrichtung vorteilhaft Signalübertra¬ gungsmittel zur Übermittlung der aufbereiteten Messsignale auf.
Darüber hinaus weist die Messvorrichtung vorteilhaft Signal¬ verarbeitungsmittel zur Auswertung der übermittelten Messsig¬ nale auf.
Mit der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Betrieb der Messvorrichtung angegeben, bei dem mindestens ein Ultra¬ schallpuls von der Sende-/Empfangseinheit durch das Objekt hindurch in das Mittel zur Reflektion ausgesendet wird und von dem Mittel zur Reflektion in Richtung Sende-/Empfangs- einheit temperaturkorreliert reflektiert wird.
Mit der Erfindung wird überdies eine Verwendung der Messvor¬ richtung zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck in ei¬ ner Strömungsmaschine, insbesondere einer Gas- oder Dampftur- bine, angegeben.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbei¬ spiele der Vorrichtung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Veranschaulichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und gewisse Merkmale sind sche¬ matisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigen
Figur 1 eine Messanordnung mit einem ein Material beinhal¬ tenden Behältnis als Mittel zur Reflektion,
Figur 2 eine Messanordnung mit einem Oberflächenwellen- Resonator und einem akustischen Modentransformator oder einem piezoelektrischen Transformator als Mit¬ tel zur Reflektion,
Figur 3 eine Messanordnung mit einem piezoelektrischen Schwinger als Mittel zur Reflektion,
Figur 4 eine Messanordnung mit einem piezoelektrischen Schwinger und einer an den Schwinger angeschlossenen mit einem Kern versehenen Induktivität als Mittel zur Reflektion und
Figur 5 eine Messanordnung mit einem piezoelektrischen
Schwinger, der mit einer mit einem Kern versehenen Induktivität und einer Kapazität verbunden ist, als
Mittel zur Reflektion.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren 1 bis 5 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Messanordnung mit einem Mittel zur Reflektion dargestellt, das ein mit einem Material gefülltes Behältnis ist. Das Material weist dabei eine Schallgeschwindigkeit mit signifikantem Temperatur-Koeffi- zienten auf. Hierzu wird auf die Literaturstelle [1] verwie¬ sen. Das insbesondere druckgeschirmte Behältnis weist zudem eine Wandung mit guter Wärmeleitfähigkeit auf. In der Figur 1 ist bezeichnet mit
S/E eine Sende-/Empfangseinheit,
1 ein Ultraschallwandler,
2 ein Objekt,
3 und 4 jeweils eine Objektfläche, 50, 51a, 61, 61a und 70 ein Ultraschallpuls bzw. ein Ultraschall¬ pulsanteil, 8 eine Wandung,
9 Füllmaterial ,
10 ein akustischer Wellenleiter 22 ein Behältnis
Von einer Sende-/Empfangseinheit wird mindestens ein Ultra¬ schallpuls in Richtung des Behältnisses gesandt, innerhalb des Behältnisses reflektiert und von der Sende-/Empfangsein¬ heit wieder detektiert. Die Sende-/Empfangseinheit umfasst dabei einen Ultraschallwandler, insbesondere in Form eines Piezo- oder magnetostriktives Wandlersystems. Hierzu wird auf die Literaturstelle [7] verwiesen. Damit ein möglichst hoher Anteil des in das Objekt eingestrahlten mindestens ei¬ nen Ultraschallpulses in das Behältnis eindringt und an der Rückwand des Behältnisses reflektiert wird, ist das Innenma- terial des Behältnisses mit guter akustischer Impedanzanpas¬ sung an die der Sende-/Empfangseinheit abgewandten Objekt¬ fläche angebracht. Eine Fokussierung des mindestens einen Ultraschallpulses auf das Behältnis unterstützt hierbei die Effizienz vorteilhaft. Durch Selektion von reflektierten Ultraschallpulsanteilen von der Objektfläche, an der das Be¬ hältnis angebracht ist, und der reflektierten Ultraschall¬ pulsanteilen aus dem Behältnis kann die Laufzeit im Füllma¬ terial extrahiert werden und stellt mit Kenntnis der akusti¬ schen Parameter, insbesondere der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit des Füllmaterials und der Abmessungen des Behältnisses ein Maß für die das Behältnis umgebende Temperatur dar. Somit kann bei vorheriger Eichung von der Laufzeit im Füllmaterial auf die das Behältnis umgebende Temperatur geschlossen werden. Zur Genauigkeitserhöhung per Redundanz ist es vorteilhaft, um den Einfluss von thermi¬ scher Expansion und Schallgeschwindigkeitsänderung zu tren¬ nen, zwei Behältnisse an gleichem Temperatur-Ort anzubrin¬ gen, deren eine mit einem Material mit hohem Temperatur- Koeffizienten der Schallgeschwindigkeit aber geringer ther- mischer Expansion, und deren zweite mit einem Material mit hohem Temperatur-Koeffizienten der thermischen Expansion aber stabiler Schallgeschwindigkeit gefüllt sind, und deren
Messungen zu vergleichen. Ist eine Rückrechnung analytisch nicht möglich, kann mit tabellierten Labor-Messungen vergli¬ chen werden.
In Figur 2 ist eine erfindungsgemäße Messanordnung mit einem Mittel zur Reflektion dargestellt, das eine Oberflächenwel¬ len-Resonator und einem akustischen Modentransformator oder einem piezoelektrischen Transformator umfasst. In der Fi¬ gur 2 ist weiter bezeichnet mit
11 ein weiterer Ultraschallwandler,
62 ein Ultraschallpuls bzw. Ultraschallpulsanteil,
12 ein weiterer akustischer Wellenleiter,
13 ein akustischer Modentransformator bzw. ein piezoelektrischer Transformator und
14 ein Oberflächenwellen-Resonator.
Das Piezo-Material von Oberflächenwellen-Resonatoren, die auch als SAW (Surface Acoustic Waves) -Resonatoren bekannt sind, lässt sich bekanntermaßen so gestalten, dass deren Re¬ sonanz-Frequenz von Temperatur oder Druck abhängig ist und SAW- Bauteile in diesem Sinne für "remote sensoring" (dt.: Fernfühler) verwendet werden. Hierzu wird auf die Literatur¬ stelle [2] verwiesen. Hierzu kommen SAW-Materialien wie bei- spielsweise LGS (La3Ga5SiO14) und LGT (La3Ta0.5Ga5.5014) in Frage, die bis 10000K untersucht wurden. Hierzu wird auf die Literaturstelle [3] verwiesen. SAW-Resonatoren aus letzteren Materialien mit Frequenzen, die auch eine genügend dämp¬ fungsarme Übertragung durch das Objekt zulassen, werden an die der Sende-/Empfangseinheit abgewandten Objektfläche an¬ gebracht und mit einem insbesondere energiereichen Ultra¬ schallpuls durch das Objekt angeregt, und ihre akustische Schwingung ebenso durch das Objekt mit selbem oder zweitem Ultraschallwandler abgehört, wobei der zweite Ultraschall- wandler als Empfangswandler optimiert ist. Die Übertragung des von der Sende-/Empfangseinheit ausgesendeten Ultra¬ schallpulses auf den SAW-Resonator, sowie die Rückantwort
des SAW-Resonator können entweder durch einen akustischen Modentransformator oder elektrisch über einen auf der der Sende-/Empfangseinheit abgewandten Objektfläche zwischenge¬ schalteten piezoelektrischen Transformator, insbesondere ei- nem Ultraschallwandler geschehen.
In Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Messanordnung mit einem Mittel zur Reflektion dargestellt, das einen mit zwei Elek¬ troden versehener piezoelektrischer Schwinger, insbesondere einen piezoelektrischen Dickenschwinger umfasst. In der Fi¬ gur 3 ist weiter bezeichnet mit
53a, 63 und 63a ein Ultraschallpuls bzw. Ultraschallpulsanteil, 15 ein piezoelektrischer (Dicken-) Schwinger bzw. piezoelektrischer Resonator und 16 und 17 jeweils eine Elektrode.
Ein piezoelektrischer Dickenschwinger aus temperaturfestem Material wie beispielsweise dem vorgenannten LGS und LGT än¬ dert unter Temperatur- und Druckeinfluss seine Schallge¬ schwindigkeit und geometrische Dimension und somit seine Re¬ sonanz-Frequenz. Hierzu wird auf die Literaturstelle [4] verwiesen. Dieser wird akustisch günstig angekoppelt auf der der Sende-/Empfangseinheit abgewandten Objektfläche ange¬ bracht und mit einem insbesondere kurzen Ultraschallpuls insbesondere breitbandig angeregt. Entsprechend seiner hohen Güte klingt seine Anregung mit seiner Eigenfrequenz ab, die von der Sende-/Empfangseinheit mit dem Anregungsultraschall- wandler oder einem zweiten Ultraschallwandler empfangen wer¬ den kann und ein Maß für die Innentemperatur darstellt .
In Figur 4 ist eine erfindungsgemäße Messanordnung mit einem Mittel zur Reflektion dargestellt, das einen piezoelektri- scher Schwinger umfasst, wobei dessen beide Elektroden mit einer Induktivität verbunden sind, die mit einem Kern verse-
hen ist, dessen magnetische Eigenschaften temperaturabhängig sind. In der Figur 4 ist weiter bezeichnet mit
18 eine Induktivität und 19 ein Kern bzw. Induktivitätskern.
Es ist bekannt, die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Resonators durch Ankopplung eines elektrischen Schwingkrei¬ ses zu verändern. Hierzu wird auf die Literaturstelle [4] verwiesen. Ebenso sind induktive Elemente oder magnetoelas¬ tische Elemente bekannt, deren Induktivität oder Resonanz sich unter Temperatureinfluss aufgrund eines signifikanten Temperatur-Koeffizienten des Kernmaterials oder sonstiger magnetischer Materialien ändern. Hierzu wird auf die Litera- turstellen [5] und [6] verwiesen. Es ist daher vorteilhaft, an den in Figur 3 dargestellten piezoelektrischen Resonator ein derartiges Element elektrisch anzukoppeln, um eine von der Temperatur beeinflusste Frequenzänderung zu verstärken oder bei überkritischer Kopplung die Differenzfrequenz der Mehrfachresonanzen zu messen und somit die Messdynamik oder Messauflösung zu verbessern.
In Figur 5 ist eine erfindungsgemäße Messanordnung mit einem Mittel zur Reflektion dargestellt, das einen piezoelektri- scher Schwinger umfasst, wobei dessen beide Elektroden mit einer Induktivität verbunden sind, die mit einem magneto¬ elastischen Kern versehen ist. Weiter ist abgebildet, dass zwischen einer Elektrode des piezoelektrischen Schwingers und einem Anschluss der Induktivität eine Kapazität angeord- net ist. In der Figur 5 ist weiter bezeichnet mit
80 ein Ultraschallpuls bzw. Ultraschallpulsanteil, 19m ein magnetoelastischen Kern bzw. magnetoelastischen Resonator und 20 eine Kapazität
In einer Weiterbildung des in Figur 4 dargestellten Ausfüh¬ rungsbeispieles ist es denkbar, den magnetoelastischen Kern, der gleichzeitig auch ein magnetoelastischen Resonator ist, ebenso wie den piezoelektrischen Schwinger akustisch an die der Sende-/Empfangseinheit abgewandten Objektfläche zu kop¬ peln und durch elektrische Kopplung beider Resonatoren den Effekt der Resonanzverstimmung weiter zu verstärken oder de¬ ren Erkennung zu verfeinern.
Für den speziellen Fall der Temperaturmessung von Gasen ist es zudem denkbar, an den piezoelektrischen Schwinger einen kapazitiven Ultraschallresonator elektrisch anzukoppeln, dessen Resonanzfrequenz durch die Temperaturabhängigkeit des Füllgases bestimmt wird. Zu dem kapazitiven Ultraschallreso- nator wird auf die Literaturstelle [7] verwiesen. Eine even¬ tuelle zusätzliche Beeinflussung durch einen sich ändernden Umgebungsdruck kann prinzipiell wie gemäß dem Ausführungs¬ beispiel aus Figur 1 durch eine druckfeste aber wärmeleiten¬ de Wandung vermieden werden.
Weist die der Sende-/Empfangseinheit zugewandten Objektfläche eine erhöhte Temperatur auf, die beispielsweise bei Gasturbi¬ nen im Bereich einiger 1000C liegen kann, so besteht bei al¬ len vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 1 bis 5 die Möglichkeit, dass der jeweilige Ultra¬ schallwandler in einiger Entfernung positioniert werden muss, um dessen Zerstörung zu vermeiden. In diesem Fall kann der vom Ultraschallwandler erzeugte Ultraschallpuls mit Hilfe ei¬ nes akustischen Wellenleiters (Active Wave Guides) in das Ob- jekt eingekoppelt werden.
Bei allen vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ge¬ mäß den Figuren 1 bis 5 können alternativ zur Befestigung des Mittels zur Reflektion an der Objektoberfläche, dieses auch in einer entsprechende Aussparung angeordnet werden, mit der das Objekt hierfür an der der Sende-/Empfangseinheit abge¬ wandten Seite zu versehen ist. Insbesondere kann das Mittel
zur Reflektion formschlüssig in der Aussparung angeordnet sein. Eine entsprechende Aussparung für den magnetoelasti¬ schen Kern gemäß Figur 5 ist ebenfalls denkbar.
Alle vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 1 bis 5 sind für Temperaturmessungen geeignet, bei denen die der Sende-/Empfangseinheit abgewandte Objektfläche eine Temperatur bis etwa 10000C aufweist.
Literaturzitate
[1] "Temperature Dependence of Sound Velocity in High-
Strength Fiber-Reinforced Plastics" R. Nomura, K. Yone- yama et al. , Jpn. J. Appl. Phys . Vol. 42 (2003) pp. 5205-5207
[2] "Passive Remote Sensing for Temperature and Pressure Us- ing SAW Resonator Devices" W. Buff, S. Klett, M. Rusko et al. , IEEE Trans, on Ultrasound, Ferroel. and Frequ. Control, Vol. 45, No. 5, Sept. 1998
[3] "Towards an understanding of the anomalous electrome- chanical behaviour of LGS and related Compounds at high temperatures" J. Schreuer, C. Thybaut, M. Prestat et al. , Goethe University Frankfurt, ETH Zürich, University of Cologne, Konferenzbeitrag: High Temperature SAW
[4] "Piezoxide (PXE) Eigenschaften und Anwendungen", Valvo- Handbuch, J. Koch, ISBN 3-7785-1755-4
[5] "Remote Temperature Sensing System Using Reverberated Magnetic Flux" Y.H. Kim, S. Hashi, K. Ishiyama et al. , IEEE Trans, on Magnetics, Vol. 36, No. 5 Sept. 2000
[6] "Remotely Interrogated Temperature Sensors Based on Mag¬ netic Materials", R.R. Fletcher, N.A. Gershenfeld, IEEE Trans, on Magnetics, Vol. 36, No. 5, Sept. 2000
[7] "Physik und Technik des Ultraschalls", H. Kuttruff, S.Hirzel Verlag Stuttgart, 1988, S.132-137