Beschreibungdescription
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck und Verwendung der MessvorrichtungMeasuring device and method for determining temperature and / or pressure and use of the measuring device
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.The invention relates to a measuring device for determining temperature and / or pressure with at least one transmitting / receiving unit for ultrasonic pulses and at least one means for reflecting ultrasonic pulses. In addition, the invention relates to a method for operating the measuring device and a use of the measuring device.
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.Turbomachines, such as steam or Gasturbi¬ NEN, are used as heat-power machines in the art set to convert a stored energy in a gas stream into a mechanical energy, in particular in a rotational ¬ movement. In addition, flow machines such as compressors come into consideration, with which mechanical energy can be supplied to a gas stream. In order for gas turbines a possible liehst large overall efficiency in terms of energy from ¬ use to reach the gas inlet temperatures are lichst from the combustion chamber into the flow channel of the gas turbine mög ¬ high. For example, the gas inlet temperatures are above 1000 ° C.
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.This requires that at these high physical Belas ¬ tions the turbomachine is in operation under observation. In particular, the temperature and pressure provides ¬ measurement within the turbomachine important information about the state of NEN-flow machine. As a rule, anyone who uses this ¬ mounted in the turbomachine probes lead the signal and supply lines SEN through the wall of the flow machine according au ¬ means throughs. A high number of temperature and pressure measuring points therefore requires a high number of bushings and seals. Under the high physical loads, these always constitute sources of error that are as possible as possible are avoided in order to ensure reliable operation of the Strömungs¬ machine.
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.The invention is now based on the object, a measuring apparatus and method provide for operating the measuring device which allows a simple as possible, reliable and kos ¬-effective temperature and / or pressure determination, with which the above-mentioned problem can be largely overcome and opened the wide range of possible uses.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Messvorrichtung entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben.To achieve the object, a measuring device according to the features of independent claim 1 is given.
Dementsprechend soll die Messvorrichtung zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck mit mindestensAccordingly, the measuring device for determining temperature and / or pressure with at least
- einer Sende-/Empfangseinheit für Ultraschallpulse und- A transmitting / receiving unit for ultrasonic pulses and
- 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,a means for reflecting ultrasound pulses to be designed such that at least one ultrasound pulse can be emitted from the transmitting / receiving unit through an object into the means for reflection,
- 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.- The object for ultrasonic pulses is at least partially transmissive and - the at least one ultrasonic pulse temperature-corrected by the means for reflection in the direction of transmitting / receiving unit is reflected.
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.By a temperature- and / or pressure-sensitive passive transducer through an object, in particular by a metallic wall, abge ¬ queries by means of ultrasonic pulses, the associated advantages are in particular ¬ special in avoiding bushings and thus inevitably associated sealing in the object, especially in the metallic wall, to see. Advantageous embodiments of the measuring device according to the invention will become apparent from the dependent of claim 1 An¬ entitlements.
Es ist insbesondere vorteilhaft, dass die Sende-/Empfangs- einheit mindestens einen Schallwandler aufweist.It is particularly advantageous that the transmitting / receiving unit has at least one sound transducer.
Vorzugsweise weist die Sende-/Empfangseinheit mindestens zwei Schallwandler auf.Preferably, the transmitting / receiving unit has at least two sound transducers.
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.It is advantageous that the measuring device has at least one first sound transducer for emitting the at least one ultrasonic pulse through the object into the means for reflection and at least one second sound transducer for receiving the at least one temperature correlated reflected Ul ¬ traschallpulses from the means for reflection ,
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.It is also advantageous that the measuring device has at least one sound transducer both for emitting the at least one ultrasonic pulse through the object in the means for Reflek ¬ tion and for receiving the at least one temperature-correlated reflected ultrasonic pulse from the means for reflection.
Vorteilhaft erweist sich, dass die Sende-/Empfangseinheit ei¬ nen zwischen Schallwandler und Objekt angeordneten akusti¬ schen Wellenleiter aufweist.Advantageously, it turns out that the transmitting / receiving unit ei ¬ NEN between transducer and object arranged having akusti¬ rule waveguide.
Es ist von Vorteil, dass der mindestens eine Ultraschallpuls in das Mittel zur Reflektion fokussierbar ist.It is advantageous that the at least one ultrasound pulse can be focused into the means for reflection.
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.The means is adapted for reflecting as a container having thermally conductive wall and facing to the object opening advantageous, wherein the container constitutes a material leg, having its speed of sound in relation to the object a higher, in particular at least ten-fold higher, Tempe ¬ temperature coefficient , It is also advantageous that the means for reflection comprises a surface acoustic wave resonator and an acoustic mode transformer or a piezoelectric transformer, the acoustic mode transformer or the piezoelectric transformer being provided for transmitting the at least one ultrasonic pulse between the surface acoustic wave resonator and the object ,
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.It proves to be particularly advantageous that the means for reflection is a piezoelectric oscillator provided with two electrodes, in particular a piezoelectric thickness transducer, which can be excited to resonate by means of the at least one ultrasound pulse , wherein the at least one ultrasound pulse should have wide frequency band ¬.
Dabei sind vorzugsweise die beiden Elektroden mit einer In¬ duktivität verbunden.The two electrodes with a ¬ In productivity are preferably connected.
Zudem sind vorzugsweise die Induktivität mit einem Kern ver¬ sehen ist, dessen magnetische Eigenschaften, insbesondere die Suszeptibilität, temperaturabhängig sind.In addition, the inductance with a core is preferably ver ¬ see whose magnetic properties, in particular the susceptibility, are temperature dependent.
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.The core is preferably a magneto-elastic core wherein it is arranged in such a way on the object that it comprises at least one ultrasonic pulse Stimulus to oscillate by means of the bar is ¬.
Es ist weiter von Vorteil, dass zwischen einer Elektrode des piezoelektrischen Schwingers und einem Anschluss der Indukti¬ vität eine Kapazität angeordnet ist.It is further advantageous that between one electrode of the piezoelectric vibrator and a terminal of the Indukti ¬ tivity a capacitance is arranged.
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.Preferably, the object is provided with a recess on the side facing the means for reflection, in which the means for reflection is arranged. In this case, the means for reflection is preferably arranged formschlüs ¬ sig in the recess.
Vorteilhaft weist die Messvorrichtung Steuermittel zur An¬ steuerung der mindestens einen Sende-/Empfangseinheit auf.Advantageously, the measuring device control means for at ¬ control of the at least one transmitter / receiver unit.
Vorteilhaft weist zudem die Messvorrichtung Signalaufberei¬ tungsmittel zur Aufbereitung von in der mindestens einen Sen- de-/Empfangseinheit erzeugten Messsignalen auf.Advantageously, moreover, the measuring device Signalaufberei ¬ tung medium for processing in the at least one de- transmitter / receiver unit measuring signals generated on.
Weiter weist die Messvorrichtung vorteilhaft Signalübertra¬ gungsmittel zur Übermittlung der aufbereiteten Messsignale auf.Next, the measuring device advantageously Signalübertra ¬ restriction means for transmitting the processed measurement signals.
Darüber hinaus weist die Messvorrichtung vorteilhaft Signal¬ verarbeitungsmittel zur Auswertung der übermittelten Messsig¬ nale auf.Furthermore, the measuring device advantageous signal ¬ processing means for evaluating the Messsig¬ transmitted dimensional on.
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.The invention furthermore specifies a method for operating the measuring apparatus, in which at least one ultrasonic pulse is emitted by the transmitting / receiving unit through the object into the means for reflection and emitted by the means for reflection in the direction of transmitting / receiving. unit is reflected in a temperature-correlated manner.
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.The invention moreover specifies a use of the measuring device for determining temperature and / or pressure in a turbomachine, in particular a gas or steam turbine.
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,Preferred, but in no way limiting Ausführungsbei ¬ games of the device will now be explained with reference to the drawing. By way of illustration, the drawing is not drawn to scale and certain features are shown sche ¬ matized. Show in detail FIG. 1 shows a measuring arrangement with a container containing a material as a means of reflection;
Figur 2 eine Messanordnung mit einem Oberflächenwellen- Resonator und einem akustischen Modentransformator oder einem piezoelektrischen Transformator als Mit¬ tel zur Reflektion,FIG. 2 shows a measuring arrangement with a surface acoustic wave resonator and an acoustic mode transformer or a piezoelectric transformer as means for reflection,
Figur 3 eine Messanordnung mit einem piezoelektrischen Schwinger als Mittel zur Reflektion,FIG. 3 shows a measuring arrangement with a piezoelectric oscillator as a means of reflection;
Figur 4 eine Messanordnung mit einem piezoelektrischen Schwinger und einer an den Schwinger angeschlossenen mit einem Kern versehenen Induktivität als Mittel zur Reflektion undFIG. 4 shows a measuring arrangement with a piezoelectric oscillator and a core-connected inductance connected to the oscillator as a means of reflection and FIG
Figur 5 eine Messanordnung mit einem piezoelektrischen5 shows a measuring arrangement with a piezoelectric
Schwinger, der mit einer mit einem Kern versehenen Induktivität und einer Kapazität verbunden ist, alsVibrator, which is connected to a core-provided inductor and a capacitor, as
Mittel zur Reflektion.Means of reflection.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren 1 bis 5 mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in Figures 1 to 5 with the same reference numerals.
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 mit1 shows a measuring arrangement according to the invention with a means for reflection, which is a container filled with a material. The material has a speed of sound with a significant temperature coefficient. For this purpose sen to the reference [1] verwie ¬. The particular pressure-shielded container also has a wall with good thermal conductivity. In the figure 1 is denoted by
S/E eine Sende-/Empfangseinheit,S / E a transmitting / receiving unit,
1 ein Ultraschallwandler,1 an ultrasonic transducer,
2 ein Objekt,2 an object,
3 und 4 jeweils eine Objektfläche, 50, 51a, 61, 61a und 70 ein Ultraschallpuls bzw. ein Ultraschall¬ pulsanteil, 8 eine Wandung,
9 Füllmaterial ,3 and 4 are each an object surface, 50, 51a, 61, 61a and 70, an ultrasonic pulse or an ultrasonic pulse ¬ share, a wall 8, 9 filling material,
10 ein akustischer Wellenleiter 22 ein Behältnis10 an acoustic waveguide 22 a container
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.A transmitting / receiving unit at least one ultra-sonic pulse ¬ is sent in the direction of the container, reflected inside of the container and integrated again detected by the transmitting / Empfangsein ¬. The transmitting / receiving unit comprises an ultrasonic transducer, in particular in the form of a piezoelectric or magnetostrictive transducer system. Reference is made to the reference [7]. So that the highest possible proportion of the at least ei ¬ nen ultrasonic pulse irradiated into the object penetrates into the container and is reflected at the rear wall of the container, the Innenma- material of the container with good acoustic Impedanzanpas ¬ sung to the transmitting / receiving unit facing away from object ¬ surface appropriate. A focusing of the at least one ultrasonic pulse on the container in this case advantageously supports the efficiency. By selection of reflected ultrasonic pulse portions of the object surface on which the Be¬ ratio is attached, and the reflected ultrasonic ¬ pulse components from the container, the running time in Füllma ¬ TERIAL extracted can be and, with knowledge of the akusti ¬ specific parameters, in particular the temperature-dependent speed of sound of the filling material and the dimensions of the container is a measure of the temperature surrounding the container. Thus, the temperature surrounding the container can be inferred from the transit time in the filling material with prior calibration. To increase accuracy by redundancy, it is advantageous nen shear the influence of thermi ¬ expansion and sound velocity change to tren¬ to brin two containers at the same temperature-site ¬ gen, one of which with a material with a high temperature coefficient of sound velocity but low thermal mixer expansion, and second of which are filled with a material with high temperature coefficient of thermal expansion but stable sound velocity, and their Compare measurements. If retroactive accounting is not analytically possible, tabulated laboratory measurements can be used.
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 mit2 shows a measurement arrangement according to the invention is shown with a means for reflection, comprising a Oberflächenwel ¬ len resonator and an acoustic mode-transformer or a piezoelectric transformer. In the Fi¬ gur 2 is further denoted by
11 ein weiterer Ultraschallwandler,11 another ultrasonic transducer,
62 ein Ultraschallpuls bzw. Ultraschallpulsanteil,62 an ultrasonic pulse or ultrasonic pulse component,
12 ein weiterer akustischer Wellenleiter,12 another acoustic waveguide,
13 ein akustischer Modentransformator bzw. ein piezoelektrischer Transformator und13 is an acoustic mode transformer and a piezoelectric transformer and
14 ein Oberflächenwellen-Resonator.14, a surface acoustic wave 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.The piezo material of surface acoustic wave resonators, which are also known as SAW (Surface Acoustic Waves) resonators, can be designed so that their resonance frequency is dependent on temperature or pressure and SAW components in this sense "remote sensoring" are used. Reference is made to the literature [2]. For this coming SAW materials such examples play as LGS (La3Ga5SiO14) and LGT (La3Ta0.5Ga5.5014) in question that were tested to 1000 0 K. Reference is made to the reference [3]. The SAW resonators of the latter materials with frequencies which also allow a sufficiently dämp¬ Fung poor transmission through the object are to the bringing the transmitter / receiver unit object surface at ¬ remote and sound pulse excited with a particular energy Ultra ¬ through the object, and its Audible vibration is also tapped by the object with the same or the second ultrasonic transducer, wherein the second ultrasonic transducer is optimized as a receiving transducer. The transmission of the emitted by the transmitting / receiving unit ultr ¬ sonic pulse to the SAW resonator, and the response of the SAW resonator can be done either by an acoustic mode transformer or electrically via a on the side opposite to the transmitting / receiving unit object surface zwischenge ¬ switched piezoelectric transformer, in particular egg nem ultrasonic transducer.
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 mit3 shows a measuring arrangement of the invention is illustrated with a means for reflection, comprising a trodes with two Elek-provided ¬ piezoelectric oscillator, in particular a piezoelectric thickness vibrator. In the Fi¬ gur 3 is further designated with
53a, 63 und 63a ein Ultraschallpuls bzw. Ultraschallpulsanteil, 15 ein piezoelektrischer (Dicken-) Schwinger bzw. piezoelektrischer Resonator und 16 und 17 jeweils eine Elektrode.53a, 63 and 63a, an ultrasonic pulse or Ultraschallpulsanteil, 15 a piezoelectric (thickness) oscillator or piezoelectric resonator and 16 and 17 each have an electrode.
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 .A piezoelectric thickness oscillator made of temperature-resistant material such as the aforementioned LGS and LGT än ¬ changed under temperature and pressure influence its Schallge ¬ speed and geometric dimension and thus its Re ¬ resonance frequency. Reference is made to the reference [4]. This is coupled acoustically low coupled on the object surface facing away from the transmitting / receiving unit ange ¬ and excited in particular broadband with a particular short ultrasonic pulse. In accordance with its high quality, its excitation sounds at its natural frequency, which can be received by the transmitting / receiving unit with the excitation ultrasound transducer or a second ultrasonic transducer and which represents a measure of the internal temperature.
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 mitFIG. 4 shows a measuring arrangement according to the invention with a means for reflection, which comprises a piezoelectric oscillator, the two electrodes of which are connected to an inductance which is provided with a core. hen whose magnetic properties are temperature-dependent. In the figure 4 is further indicated by
18 eine Induktivität und 19 ein Kern bzw. Induktivitätskern.18 an inductor and 19 a core or inductor core.
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.It is known to change the resonance frequency of a piezoelectric resonator by coupling an electrical Schwingkrei ¬ ses. Reference is made to the reference [4]. Similarly, inductive elements or magnetoelas ¬ diagram elements are known, the inductance or resonant change under the influence of temperature due to a significant temperature coefficient of the core material or other magnetic materials. Reference is made to the references [5] and [6]. It is therefore advantageous to electrically couple such an element to the piezoelectric resonator shown in FIG. 3 in order to amplify a frequency change influenced by the temperature or to measure the difference frequency of the multiple resonances in the case of supercritical coupling and thus to improve the measurement dynamics or measurement resolution.
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 mit5 shows a measuring arrangement according to the invention is shown with a means for reflection, comprising a piezoelectric oscillator, wherein the two electrodes are connected to an inductance, which is provided with a magneto ¬ elastic core. It is also shown that a capacitance is arranged between an electrode of the piezoelectric oscillator and a connection of the inductance. In the figure 5 is further indicated by
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.80 an ultrasonic pulse or Ultraschallpulsanteil, 19m a magnetoelastic core or magnetoelastic resonator and 20 a capacity In a development of Ausfüh¬ shown in Figure 4 approximately example, it is conceivable to magneto-elastic core, which is also a magnetoelastic resonator, as well as the piezoelectric oscillator acoustically to the transmitter / receiver unit PelN object surface facing away from LAD ¬ and by electrical coupling both resonators to further enhance the effect of resonance detuning or to refine their detection.
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.For the special case of measuring the temperature of gases, it is also conceivable to electrically couple a capacitive ultrasonic resonator to the piezoelectric oscillator whose resonance frequency is determined by the temperature dependence of the filling gas. For the capacitive ultrasonic resonator reference is made to the reference [7]. An even ¬ tual additional influence of a changing ambient pressure can in principle as in the execution ¬ for example in Figure 1 by a pressure-resistant but wärmeleiten¬ de wall are avoided.
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.Can, the side facing the transmission / reception unit object surface to an elevated temperature, the nen in the range, for example, at Gasturbi ¬ some 100 0 C., then there is at al¬ embodiments described above len according to Figures 1 to 5, the possibility that the respective Ultra ¬ sound converter must be positioned at some distance to avoid its destruction. In this case, the ultrasound pulse generated by the ultrasonic transducer can be coupled ject in the Obwalden using egg ¬ nes acoustic waveguide (Active waveguides).
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.In all the above described embodiments ge Mäss Figures 1 to 5 may alternatively for attachment of the means for reflection on the object surface, it can be arranged in a corresponding recess, with the at abge the transmitting / receiving unit ¬ facing the object for this page to be provided. In particular, the agent be arranged for reflection in a form-fitting manner in the recess. A corresponding recess for the magnetoelasti ¬ rule core according to Figure 5 is also conceivable.
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.
All of the above-described exemplary embodiments according to FIGS. 1 to 5 are suitable for temperature measurements in which the object surface remote from the transmitting / receiving unit has a temperature of up to approximately 1000 ° C.
Literaturzitatereferences
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Strength Fiber-Reinforced Plastics" R. Nomura, K. Yone- yama et al. , Jpn. J. Appl. Phys . Vol. 42 (2003) pp. 5205-5207Strength Fiber-Reinforced Plastics "R. Nomura, K. Yonneam 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[2] Passive Remote Sensing for Temperature and Pressure Suction 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[3] "Towards an Understanding of the Anomalous Electromechanical Behavior of LGS and Related Compounds at High Temperatures" J. Schreuer, C. Thybaut, M. Prestat et al. , Goethe University Frankfurt, ETH Zurich, University of Cologne, Conference Paper: High Temperature SAW
[4] "Piezoxide (PXE) Eigenschaften und Anwendungen", Valvo- Handbuch, J. Koch, ISBN 3-7785-1755-4[4] "Piezo Oxides (PXE) Properties and Applications," Valvo Handbook, 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[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[6] "Remotely Interrogated Temperature Sensors Based on Mag netic material ¬" RR Fletcher, NA 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
[7] "Physics and Technique of Ultrasound", H. Kuttruff, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 1988, p.132-137