JP2008513753A - 対象の反対側面の温度決定方法 - Google Patents

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Abstract

対象(2)の反対側面(4)の温度決定方法において、送信/受信ユニット(S/E)により、少なくとも1つの超音波パルス(50)が、対象(2)の、送信/受信ユニット(S/E)側の面(3)を通して対象(2)内に送出され、少なくとも1つの超音波パルス(50)が、送信/受信ユニット(S/E)とは反対側の対象面(4)で部分的に送信/受信ユニット(S/E)の方向に反射され、送出された少なくとも1つの超音波パルス(50)の反射された成分(70,71)が送信/受信ユニット(S/E)によって受信される。更に、送信/受信ユニット(S/E)側の対象面(3)の少なくとも1つの温度値(M)が求められ、対象(2)を通る少なくとも1つの超音波パルス(50,70,71)の走行時間の少なくとも1つの値(L)が決定され、送信/受信ユニット(S/E)側の対象面(3)の少なくとも1つの温度値(M)と少なくとも1つの走行時間値(L)とにより、送信/受信ユニット(S/E)とは反対側の対象面(4)の少なくとも1つの温度値(T)が決定される。更に、本発明は温度決定のための対応する測定装置に関する。更に、本発明は方法の使用および測定装置の使用に関する。

Description

本発明は、対象の反対側面の温度を決定する方法および測定装置ならびに方法の使用および測定装置の使用に関する。超音波による相応の温度決定方法および装置は特開2003−042857号明細書に由来する。
蒸気タービンまたはガスタービンのような流体機械は、ガス流内に蓄積されたエネルギーを機械的エネルギー、特に回転運動に移行させるための技術において熱機関として使用される。更に、機械的エネルギーがガス流に供給され得る圧縮機のような流体機械も問題になる。ガスタービンにおいてエネルギー利用に関してできるだけ高い総合効率を達成するために、ガスタービンの流体通路における燃焼室のガス入口温度ができるだけ高く選定される。例えば、ガス入口温度は1000℃以上の範囲にある。
これは、この高い物理的負荷において流体機械を動作中に監視することを必要とする。この場合に流体機械内部の温度測定が流体機械の状態に関する重要な情報を提供する。一般に、このために流体機械に取り付けられる測定プローブが使用され、測定プローブの信号線および給電線が流体機械の壁を貫通するブッシングにより外部に導き出される。したがって、多数の測定点が多数のブッシングおよびシールを必要とする。これらは、高い物理的負荷のもとで常にエラー発生源となる。エラー発生源は、流体機械の確実な動作を保証するために、できるだけ回避されるべきである。
特開2003−042857号明細書には、装置とは反対側の流体と接触している壁表面の温度、したがって流体の温度を超音波により測定することを可能にする方法および装置が開示されている。装置側の壁表面を通して超音波が壁内に入射させられて反対側の表面で反射させられる。流体に接触している反対側表面での反射前と反射後の超音波の振幅比は、表面の音響反射率に依存し、更に音響反射率は流体の音響インピーダンスによって決まる。流体の音響インピーダンスは温度に依存するので、結局、超音波放射の反射に起因した振幅減少の検出および評価から、流体の温度を求めることができる。振幅減少を検出するために、振幅ピーク値が測定される。しかし、振幅ピーク値には常に妨害信号およびノイズが重畳している。したがって、振幅減少の正確な決定は反射のみによっては可能でない。この理由から、対向する両表面によって多重反射される超音波の振幅減少が検査される。しかしながら、比較的厚い壁の場合に、これは実施可能でない。なぜならば、壁通過時にも減衰を受ける超音波の振幅は、多重反射後にあまりにも激しく弱まり、それにともなってもはや測定できないからである。その上に、方法および装置は、壁に接触する流体が反射率に顕著な影響を及ぼし得る流体であることを要求する。これに対して、ガスの場合、温度に依存する反射率の変化が測定可能でない。なぜならば、ほぼ1の非常に高い反射率のために、特に妨害的環境においては、反射率の僅かな変化が明確に検出可能でないからである。
本発明の課題は、できるだけ簡単なかつ信頼性のある、しかも従来技術に比べて正確なかつ普遍的に使用可能な温度決定を可能にする方法および測定装置を提供することにある。
この課題の解決のために、独立の請求項1の特徴にしたがって方法を提示する。
本発明による方法は、
a)送信/受信ユニットにより、少なくとも1つの超音波パルスが、対象の、送信/受信ユニット側の面を通して、対象内に送出され、
b)少なくとも1つの超音波パルスが、送信/受信ユニットとは反対側の対象面で部分的に送信/受信ユニットの方向に反射され、
c)送出された少なくとも1つの超音波パルスの反射された成分が送信/受信ユニットによって受信される、対象の反対側面の温度決定方法である。この場合に、本発明による方法は、
d)送信/受信ユニット側の対象面の少なくとも1つの温度値が求められ、
e)対象を通る少なくとも1つの超音波パルスの走行時間の少なくとも1つの値が決定され、
f)送信/受信ユニット側の対象面の少なくとも1つの温度値と少なくとも1つの走行時間値とにより、送信/受信ユニットとは反対側の対象面の少なくとも1つの温度値が決定されることを特徴とする。
この場合、一方では対象、特に金属製の対象の熱膨張が、他方では対象、特に金属製の対象中における音速が温度に依存して変化し得ることが利用される。例えば、対象、例えば壁の2つの対向する表面の間隔が温度にともなって増減するのに対して、音速は、一般に温度が上がれば低下し、温度が下がれば上昇する。超音波パルスは、対象内に入射させられ、入射表面とは反対側の対象表面から入射表面へ反射される。対象を通る超音波パルスの走行時間は、対象の膨張に関する情報ならびに対象中の音速に関する情報を提供するので、対象の温度を推定することができる。
本発明による方法の有利な実施態様は請求項1に従属する請求項に記載されている。
送信/受信ユニットに付設された少なくとも1つの第1の超音波変換器により、少なくとも1つの超音波パルスが対象内に送出され、送信/受信ユニットに付設された少なくとも1つの第2の超音波変換器により、送出された少なくとも1つの超音波パルスの反射された成分が受信されると特に有利である。したがって、特に非常に近接している壁表面の場合に少なくとも1つの超音波パルスの走行区間を増大するために、例えば少なくとも1つの超音波パルスを入射表面の表面垂線からずれた角度で対象内に送出することができる。更に、例えば、測定に関連する対象面が互いに平行でない対象における測定も可能である。
送信/受信ユニットに付設された少なくとも1つの超音波変換器により、少なくとも1つの超音波パルスが対象内に送出されると共に、少なくとも1つの超音波パルスの反射された成分が受信されると好ましい。例えば、特にコンパクトな送信/受信ユニットを構成することができる。
少なくとも1つの超音波パルスが、送信/受信ユニットとは反対側の対象面に集束されると有利である。それゆえ、出力集中とそれにともなって達成可能な高いSN比(信号対雑音比)とにより正確な走行時間測定が可能である。
課題の他の解決のために、独立の請求項5の特徴に応じた測定装置が提供される。
本発明による測定装置は、
a)送信/受信ユニットが、
a1)対象の、送信/受信ユニット側の面を通して、対象内に少なくとも1つの超音波パルスを送信する手段と、
a2)送出された少なくとも1つの超音波パルスの、送信/受信ユニットとは反対側の対象面で反射された少なくとも1つの超音波パルス成分を受信する手段と、
を備えている、対象の反対側面の温度を決定する測定装置において、この測定装置は、
b)送信/受信ユニット側の対象面の少なくとも1つの温度値を決定する少なくとも1つの手段と、
c)評価手段とを備え、この評価手段は、
c1)対象を通る少なくとも1つの超音波パルスの走行時間の少なくとも1つの値を決定する手段と、
c2)送信/受信ユニット側の対象面の少なくとも1つの温度値と少なくとも1つの走行時間値とを送信/受信ユニットとは反対側の対象面の少なくとも1つの温度値に割り当てる手段と、
を含むことを特徴とする。
本発明による測定装置においては、先に本発明による方法に関して説明した利点が奏される。
本発明による測定装置の有利な実施態様は請求項5に従属した請求項に記載されている。
少なくとも1つの送信/受信ユニット側の対象面の少なくとも1つの温度値を決定する少なくとも1つの手段が少なくとも1つの熱電対であると特に有利である。熱電対により、入射表面の温度を決定するための信頼できる低コストの容易に適用可能な手段が使用できる。
測定装置が、対象内に少なくとも1つの超音波パルスを送信する少なくとも1つの第1の手段、特に第1の超音波変換器と、送信/受信ユニットとは反対側の対象面によって反射された少なくとも1つの超音波パルスを受信する少なくとも1つの第2の手段、特に第2の超音波変換器とを有すると有利である。それにより、送信/受信ユニットを、いわゆる「ピッチ−キャッチ」モードで動作させることができる。
測定装置が、対象内に少なくとも1つの超音波パルスを送信すると共に、送信/受信ユニットとは反対側の対象面によって反射された少なくとも1つの超音波パルスを受信する少なくとも1つの手段、特に超音波変換器を有することも有利である。それにより、送信/受信ユニットを、いわゆる「パルス−エコー」モードで動作させることができる。
送信/受信ユニットが、超音波変換器と対象との間に配置された音響導波路を有すると有利であることが分かった。それにより、例えば対象の高い温度による破壊を避けるために、それぞれの超音波変換器を少し離した所に配置することができる。
少なくとも1つの超音波パルスが、送信/受信ユニットとは反対側の対象面に集束可能であるとよい。これは、対象を通る少なくとも1つの超音波パルスの走行時間の正確な決定を可能にする。
更に、本発明による方法は、流体機械、特にガスタービンまたは蒸気タービンにおける温度決定に使用され、この場合に対象は流体機械の壁、特に流体通路壁である。本発明による方法は、流体機械を流れる流体、特にガス状流体の無接触温度測定を可能にする。なぜならば、流体に接触する壁表面が良好な近似で流体の温度を受け取るからである。
更に、本発明による測定装置は、流体機械、特にガスタービンまたは蒸気タービンにおける温度決定に使用され、この場合に対象は流体機械の壁、特に流体通路壁である。本発明による測定装置を使用すると、本発明による方法の使用について先に説明した利点が奏される。
本発明による装置の有利な実施例を図面に基づいて詳細に説明するが、しかし本発明は決してこの実施例に限定されない。具体的に説明するために、図面は縮尺に従って描写されたものではなく、特定の特徴が概略的に示されている。個別的には、
図1は1つの超音波変換器を有する測定装置を示し、
図2は2つの超音波変換器を有する測定装置を示し、
図3は従来技術のガスタービンを部分的に切断された斜視図で示す。
図1ないし図3において、互いに対応する部分は同一の参照符号を付されている。
図1に、超音波ビーム50,70の送信および受信手段1として、特に圧電または磁歪変換器システムの形式の超音波変換器を含んでいる送信/受信ユニットS/Eを有する本発明による測定装置が示されている。これについては、文献の一部:「1988年Stuttgart発行、H.Kuttruff、S.Hirzel著、“Physik und Technik des Ultraschalls(超音波の物理学および技術)”、第132−137頁」を参照されたい。制御手段13によって電気信号で制御されて、送信/受信ユニットS/Eから少なくとも1つの超音波パルス50が、例えば被覆加工されていてもよい対象2に、送信/受信ユニットS/Eとは反対側の対象面4の方向に送信される。表面4において、または表面4の少なくとも表面近くの範囲内において少なくとも1つの超音波パルス50が少なくとも部分的に反射されるので、送出された少なくとも1つの超音波パルス50の反射された成分70が送信/受信ユニットS/Eによって検出される。検出時には、受信された音響信号70が超音波変換器1によって電気信号に変換される。この場合、送信/受信ユニットS/Eに付設された超音波変換器1は、送信/受信ユニットS/E側の対象面3に直接的に取り付けられてよいし、または図1に示されているように音響導波路10を介して対象面3に接触していてもよい。送信/受信ユニットS/Eとは反対側の対象面4へ少なくとも1つの超音波パルス50を集束させることは、反射およびそれに続く検出の際の効率を有利に支援する。
両対象表面3,4の、1mm〜500mmの範囲にあり得る相互間隔に応じて、少なくとも1つの超音波パルス50,70の周波数は1MHz〜50MHzの周波数範囲内にある。
温度決定手段21、特に熱電対により、送信/受信ユニットS/E側の対象面3の温度の少なくとも1つの値Mが求められる。このために温度決定手段21が送信/受信ユニットS/Eの直ぐ近くで対象面3に取り付けられている。この場合に、温度決定手段21は、温度決定手段21に付設された制御手段22によって制御され、かつ照会される。制御手段22は評価ユニット30に接続され、評価ユニット30には制御手段22によって求められた対象表面3の少なくとも1つの温度値Mが制御手段22から伝達される。対象表面3における局所的な温度偏差を補償するために、送信/受信ユニットS/Eの周りに複数の温度決定手段21を配置することも考えられ得る。
送信/受信ユニットS/Eに付設された制御手段13が、同様に評価手段30に接続されている。第1の評価ステップにおいては、対象2を通る少なくとも1つの超音波パルス50,70の走行時間の少なくとも1つの値Lが決定される。このために、評価手段30は少なくとも1つの走行時間値Lの決定手段31を含む。走行時間は、例えば、送出された少なくとも1つの超音波パルス50と反射されて検出された超音波パルス成分70との対応する立ち上がりエッジまたは対応する最初の零通過の間の時間差に相応の値Lを割り当てることによって求めることができる。しかし、走行時間は、送出された超音波パルス50を受信された超音波パルス70と相互相関関数により相関させる公知の相互相関法によっても求めることができる。これから対象2を通る超音波パルス50,70の走行時間の値Lが直接に決定される。2つの走行時間決定方法は受信された超音波パルス成分70の線形振幅増幅を必要とせず、送信/受信ユニットS/Eに付設された制御手段13に付設されている相応の信号増幅器はノイズ耐性に関して最適な増幅度に調整されるとよい。
少なくとも1つの超音波パルス50,70の走行時間は、対象2内における温度に依存した音速の尺度であると共に、両対象表面3,4の相互間隔の尺度でもある。したがって、走行時間は、対象2の熱膨張と関連して、対象2における温度分布と熱流との積分的再現である。
次の評価ステップにおいては、少なくとも1つの走行時間値Lと、送信/受信ユニットS/E側の対象表面3の少なくとも1つの温度値Mとにより、送信/受信ユニットS/Eとは反対側の対象面4の少なくとも1つの温度値Tが決定される。これは、評価ユニット30に付設された割り当て手段32により、少なくとも1つの走行時間値Lおよび対象表面3の少なくとも1つの温度値Mが、テーブルの値と比較されて、送信/受信ユニットS/Eとは反対側の対象面4の温度に割り当てられることによって行なわれる。値テーブルは、特に、両対象表面3,4に割り付けられた温度値M,Tと走行時間値Lとの異なる組み合わせを含み、これらの値は、前もって、同じ材料にてかつ対象測定に関連した両対象面の同等な寸法、特に同等な間隔で測定された値である。
送信/受信ユニットS/E側の対象表面3の少なくとも1つの温度値Mにより、かつ検査対象2の熱伝導率の認識のもとに、測定に関連する対象表面3,4の種々の既知の間隔においても、送信/受信ユニットS/Eとは反対側の対象面4の温度を推定することができる。
送信/受信ユニットS/Eとは反対側の対象面4の本発明にしたがって求められた温度Tは詳しくは図示されていない表示もしくは通報ユニットを介して監視個所に通報されるか、もしくはセンターに転送される。
評価ユニット30が、予め定め得る温度閾値を上回ったことまたは下回ったことを決定可能である比較関数を備えているとよい。例えば閾値を上回りまたは下回ると警報が自動的に出力され、それにより例えば発電所における流体機械の遮断または追加の冷却手段の投入のような適切な保護措置が講じられる。
図2には、送信および/または受信手段(1,11)として2つの超音波変換器を含む送信/受信ユニットS/Eを有する本発明による測定装置が示されている。図2において、11は他の超音波変換器、71は超音波パルスつまり超音波パルス成分、12は他の音響導波路である。
対象2の状態およびジオメトリに応じて、第1の超音波変換器1から送出された超音波パルス50は、部分的にこの第1の超音波変換器1に戻るように反射され、あるいは、反射された超音波パルス成分71が、有効に第2の超音波変換器11によって検出されるように、反射する対象表面4で方向転換させられる。
送信/受信ユニットS/E側の対象面3が、例えばガスタービン60(図3参照)において数100℃の範囲になり得る高温を有する場合、先に説明した両図1および2による全ての実施例において、それぞれの超音波変換器1,11は、それらの破壊を回避するために、少し離れたところに配置されなければならないという可能性が存在する。この場合には、超音波変換器1,11から発生された超音波パルス50を、音響導波路(活性導波路)により、対象2へ入射させ、そして対象2から出射させることができる。
先に説明した図1および図2による両実施例は、送信/受信ユニットS/Eとは反対側の対象面4が1000℃以上の温度を有する温度測定に適している。特に、両実施例は、流体機械60、特にガスタービンまたは蒸気タービンにおける流体の流れの温度測定に適する。図3には、このような流体機械60が、約1200℃の高いガス入口温度用に設計された従来技術のガスタービンとして示されている。ガスタービン60は流体通路61を有し、流体通路61を通して高温ガスが流れる。流体通路61は壁2によって取り囲まれ、例えば壁2の外面3に本発明による測定装置の送信/受信ユニットS/Eが配置されている。それゆえ、本発明による方法にしたがって、流体通路壁2の内面4の温度、従って流体通路壁4の内面4に接触しているガスの温度を決定することができる。
本発明による方法および本発明による装置は、一般的には、対象2を通した、特に壁を通した温度測定が有利であり、したがって対象2、特に壁の貫通を省略できるあらゆる測定装置に使用することができる。この場合に、例えば発電所設備または圧力ボイラーまたは鋳型における圧力管を挙げることができる。
1つの超音波変換器を有する本発明による測定装置を示す概略図 2つの超音波変換器を有する本発明による測定装置を示す概略図 従来技術のガスタービンを示す部分的に切断された斜視図
符号の説明
1 超音波変換器
2 対象(壁)
3 送信/受信ユニットS/E側の対象表面
4 送信/受信ユニットS/Eとは反対側の対象表面
10 音響導波路
11 他の超音波変換器
12 他の音響導波路
13 制御手段
21 温度決定手段
22 制御手段
30 評価ユニット
31 走行時間決定手段
32 割り当て手段
50 送信超音波パルス
60 流体機械(ガスタービン)
61 流体通路
70 受信超音波パルス
71 超音波パルスもしくは超音波パルス成分
L 走行時間
M 対象表面3の温度値
S/E 送信/受信ユニット
T 対象表面4の温度値

Claims (12)

  1. a)送信/受信ユニット(S/E)により、少なくとも1つの超音波パルス(50)が、対象(2)の、送信/受信ユニット(S/E)側の面(3)を通して、対象(2)内に送出され、
    b)少なくとも1つの超音波パルス(50)が、送信/受信ユニット(S/E)とは反対側の対象面(4)で部分的に送信/受信ユニット(S/E)の方向に反射され、
    c)送出された少なくとも1つの超音波パルス(50)の反射された成分(70,71)が送信/受信ユニット(S/E)によって受信される、対象(2)の反対側面(4)の温度決定方法において、
    d)送信/受信ユニット(S/E)側の対象面(3)の少なくとも1つの温度値(M)が求められ、
    e)対象(2)を通る少なくとも1つの超音波パルス(50,70,71)の走行時間の少なくとも1つの値(L)が決定され、
    f)送信/受信ユニット(S/E)側の対象面(3)の少なくとも1つの温度値(M)と少なくとも1つの走行時間値(L)とにより、送信/受信ユニット(S/E)とは反対側の対象面(4)の少なくとも1つの温度値(T)が決定される
    ことを特徴とする対象の反対側面の温度決定方法。
  2. 送信/受信ユニット(S/E)に付設された少なくとも1つの第1の超音波変換器(1)により、少なくとも1つの超音波パルス(50)が対象(2)内に送出され、送信/受信ユニット(S/E)に付設された少なくとも1つの第2の超音波変換器(11)により、送出された少なくとも1つの超音波パルス(50)の反射された成分(71)が受信されることを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 送信/受信ユニット(S/E)に付設された少なくとも1つの超音波変換器(1,11)により、少なくとも1つの超音波パルス(50)が対象(2)内に送出されると共に、少なくとも1つの超音波パルスの反射された成分(70,71)が受信されることを特徴とする請求項1又は2の1つに記載の方法。
  4. 少なくとも1つの超音波パルス(50)が、送信/受信ユニット(S/E)とは反対側の対象面(4)に集束されることを特徴とする請求項1乃至3の1つに記載の方法。
  5. a)送信/受信ユニット(S/E)が、
    a1)対象(2)の、送信/受信ユニット(S/E)側の面(3)を通して、対象(2)内に少なくとも1つの超音波パルス(50)を送信する手段(1)と、
    a2)送出された少なくとも1つの超音波パルス(50)の、送信/受信ユニット(S/E)とは反対側の対象面(4)で反射された少なくとも1つの超音波パルス成分(70,71)を受信する手段(1、11)と、
    を備えている、対象(2)の反対側面(4)の温度を決定する測定装置において、
    b)送信/受信ユニット(S/E)側の対象面(3)の少なくとも1つの温度値(M)を決定する少なくとも1つの手段(21)と、
    c)評価手段(30)とが設けられ、評価手段(30)は、
    c1)対象(2)を通る少なくとも1つの超音波パルス(50,70,71)の走行時間の少なくとも1つの値(L)を決定する手段(31)と、
    c2)送信/受信ユニット(S/E)側の対象面(3)の少なくとも1つの温度値(M)と少なくとも1つの走行時間値(L)とを送信/受信ユニット(S/E)とは反対側の対象面(4)の少なくとも1つの温度値(T)に割り当てる手段(32)と、
    を含むことを特徴とする対象の反対側面の温度を決定する測定装置。
  6. 少なくとも1つの送信/受信ユニット(S/E)側の対象面(3)の少なくとも1つの温度値(M)を決定する少なくとも1つの手段(21)が少なくとも1つの熱電対であることを特徴とする請求項5記載の測定装置。
  7. 対象(2)内に少なくとも1つの超音波パルス(50)を送信する少なくとも1つの第1の手段(1)、特に第1の超音波変換器と、送信/受信ユニット(S/E)とは反対側の対象面(4)によって反射された少なくとも1つの超音波パルス(71)を受信する少なくとも1つの第2の手段(11)、特に第2の超音波変換器とが設けられていることを特徴とする請求項5又は6記載の測定装置。
  8. 対象(2)内に少なくとも1つの超音波パルス(50)を送信すると共に、送信/受信ユニット(S/E)とは反対側の対象面(4)によって反射された少なくとも1つの超音波パルス(71)を受信する少なくとも1つの手段(1,11)、特に超音波変換器(1,11)が設けられていることを特徴とする請求項5乃至7の1つに記載の測定装置。
  9. 送信/受信ユニット(S/E)が、超音波変換器(1,11)と対象(2)との間に配置された音響導波路(10,12)を有することを特徴とする請求項7又は8記載の測定装置。
  10. 少なくとも1つの超音波パルス(50)が、送信/受信ユニット(S/E)とは反対側の対象面(4)に集束可能であることを特徴とする請求項5乃至9の1つに記載の測定装置。
  11. 対象(2)が、流体機械(60)、特にガスタービンまたは蒸気タービンにおける温度決定のために、流体機械(60)の壁、特に流体通路壁であることを特徴とする請求項1乃至4の1つに記載の方法。
  12. 対象(2)が、流体機械(60)、特にガスタービンまたは蒸気タービンにおける温度決定のために、流体機械(60)の壁、特に流体通路壁であることを特徴とする請求項5乃至10の1つに記載の測定装置。
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