WO2006030011A1 - Messvorrichtung und verfahren zur bestimmung von temperatur und/oder druck und verwendung der messvorrichtung - Google Patents

Messvorrichtung und verfahren zur bestimmung von temperatur und/oder druck und verwendung der messvorrichtung Download PDF

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WO2006030011A1
WO2006030011A1 PCT/EP2005/054552 EP2005054552W WO2006030011A1 WO 2006030011 A1 WO2006030011 A1 WO 2006030011A1 EP 2005054552 W EP2005054552 W EP 2005054552W WO 2006030011 A1 WO2006030011 A1 WO 2006030011A1
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WO
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measuring device
reflection
transmitting
temperature
receiving unit
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PCT/EP2005/054552
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Hans-Gerd Brummel
Uwe Linnert
Klaus Newerla
Michael Willsch
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to US11/663,159 priority patent/US7731420B2/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/04—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by acoustic means
    • G01L11/06—Ultrasonic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/22—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01K11/22—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects
    • G01K11/24—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects of the velocity of propagation of sound

Definitions

  • 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.
  • the invention relates to a method for operating the measuring device and a use of the measuring device.
  • 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.
  • flow machines such as compressors come into consideration, with which mechanical energy can be supplied to a gas stream.
  • gas turbines 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.
  • 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.
  • the measuring device for determining temperature and / or pressure with at least
  • 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
  • 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.
  • the transmitting / receiving unit has at least one sound transducer.
  • the transmitting / receiving unit has at least two sound transducers.
  • 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 ,
  • 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.
  • the at least one ultrasound pulse can be focused into the means for reflection.
  • 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 ,
  • 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 ⁇ .
  • the two electrodes with a ⁇ In productivity are preferably connected.
  • the inductance with a core is preferably ver ⁇ see whose magnetic properties, in particular the susceptibility, are temperature dependent.
  • 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 ⁇ .
  • the object is provided with a recess on the side facing the means for reflection, in which the means for reflection is arranged.
  • the means for reflection is preferably arranged formschlüs ⁇ sig in the recess.
  • the measuring device control means for at ⁇ control of the at least one transmitter / receiver unit.
  • the measuring device Signalaufberei ⁇ tung medium for processing in the at least one de- transmitter / receiver unit measuring signals generated on.
  • the measuring device advantageously Signalübertra ⁇ restriction means for transmitting the processed measurement signals.
  • the measuring device advantageous signal ⁇ processing means for evaluating the Messsig ⁇ transmitted dimensional on.
  • 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.
  • 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.
  • FIG. 1 shows a measuring arrangement with a container containing a material as a means of reflection
  • 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
  • FIG. 3 shows a measuring arrangement with a piezoelectric oscillator as a means of reflection
  • FIG. 4 shows a measuring arrangement with a piezoelectric oscillator and a core-connected inductance connected to the oscillator as a means of reflection
  • Vibrator which is connected to a core-provided inductor and a capacitor, as
  • FIG. 1 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.
  • the particular pressure-shielded container also has a wall with good thermal conductivity.
  • FIG. 1 is denoted by
  • 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,
  • 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 Certainlyma- 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.
  • the running time in Greek ⁇ 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.
  • the temperature surrounding the container can be inferred from the transit time in the filling material with prior calibration.
  • Fi ⁇ gur 2 shows a measurement arrangement according to the invention is shown with a means for reflection, comprising a surgeonnwel ⁇ len resonator and an acoustic mode-transformer or a piezoelectric transformer.
  • a means for reflection comprising a surgeonnwel ⁇ len resonator and an acoustic mode-transformer or a piezoelectric transformer.
  • Fi ⁇ gur 2 is further denoted by
  • 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.
  • SAW Surface Acoustic Waves
  • 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 Zige ⁇ switched piezoelectric transformer, in particular egg nem ultrasonic transducer.
  • FIG. 3 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.
  • a means for reflection comprising a trodes with two Elek-provided ⁇ piezoelectric oscillator, in particular a piezoelectric thickness vibrator.
  • the Fi ⁇ gur 3 is further designated with
  • an ultrasonic pulse or Ultraschallpulsanteil 15 a piezoelectric (thickness) oscillator or piezoelectric resonator and 16 and 17 each have an electrode.
  • 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.
  • 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.
  • FIG. 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
  • FIG. 5 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
  • 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.
  • the ultrasound pulse generated by the ultrasonic transducer can be coupled ject in the Obwalden using egg ⁇ nes acoustic waveguide (Active waveguides).
  • ge Frankfurtss 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 sauce the transmitting / receiving unit ⁇ facing the object for this page to be provided.
  • 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.
  • 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.

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Abstract

Messvorrichtung zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck mit mindestens einer Sende-/Empfangseinheit (S/E) für Ultraschallpulse (50, 63, 70) und einem Mittel zur Reflektion (15, 16, 17) von Ultraschallpulsen (50, 53a). Dabei ist mindestens ein Ultraschallpuls (50) von der Sende-/Empfangseinheit (S/E) durch ein Objekt (2) hindurch, das für Ultraschallpulse (50, 63, 70) zumindest teilweise transmittierend ist, in das Mittel zur Reflektion aussendbar. Ferner ist der mindestens eine Ultraschallpuls (50, 53a) temperaturkorreliert vom Mittel zur Reflektion in Richtung Sende-/Empfangseinheit (S/E) reflektierbar.

Description

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.
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Claims

Patentansprüche
1. Messvorrichtung zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck mit mindestens - einer Sende-/Empfangseinheit (S/E) für Ultraschall¬ pulse (50, 61, 62, 63, 70, 80) und
- einem Mittel zur Reflektion von Ultraschallpulsen (50, 51a, 53a), wobei - mindestens ein Ultraschallpuls (50) von der Sende-
/Empfangseinheit (S/E) durch ein Objekt (2) hindurch in das Mittel zur Reflektion aussendbar ist,
- das Objekt (2) für Ultraschallpulse (50, 61, 62, 63, 70, 80) zumindest teilweise transmittierend ist und - der mindestens eine Ultraschallpuls (50, 51a, 53a) temperaturkorreliert vom Mittel zur Reflektion in Richtung Sende-/Empfangseinheit (S/E) reflektierbar ist.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangseinheit (S/E) mindestens einen Schallwandler (1) aufweist.
3. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass clie Sende-/Empfangseinheit (S/E) mindestens zwei Schall¬ wandler (1, 11) aufweist.
4. Messvorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch min¬ destens einen ersten Schallwandler (1) zum Aussenden des min- destens einen Ultraschallpulses (50) durch das Objekt (2) in das Mittel zur Reflektion und mindestens einen zweiten Schallwandler (11) zum Empfangen des mindestens einen tempe¬ raturkorreliert reflektierten Ultraschallpulses (61, 62, 63, 70, 80) aus dem Mittel zur Reflektion.
5. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Schallwandler (1, 11)
RECTIFIEDSHEET(RULE91) ISA/EP sowohl zum Aussenden des mindestens einen Ultraschallpulses (50) durch das Objekt (2) in das Mittel zur Reflektion als auch zum Empfangen des mindestens einen temperaturkorreliert reflektierten Ultraschallpulses (61, 62, 63, 70, 80) aus dem Mittel zur Reflektion.
6. MessVorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekenn¬ zeichnet dadurch, dass die Sende-/Empfangseinheit (S/E) einen zwischen Schallwandler (1, 11) und Objekt (2) angeordneten akustischen Wellenleiter (10, 12) aufweist.
7. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der mindestens eine Ultraschall¬ puls (50) in das Mittel zur Reflektion fokussierbar ist.
8. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Mittel zur Reflektion als ein Behältnis (22) mit wärmeleitfähiger Wandung (8) und mit zum Objekt (2) zugewandter Öffnung ausgestaltet ist, wobei das Behältnis (22) ein Material (9) beinhaltet, dessen
Schallgeschwindigkeit in Bezug auf das Objekt (2) einen höhe¬ ren Temperatur-Koeffizienten aufweist.
9. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn- zeichnet dadurch, dass das Mittel zur Reflektion einen Ober¬ flächenwellen-Resonator (14) und einen akustischen Moden¬ transformator (13) oder einen piezoelektrischen Transformator (13) umfasst, wobei der akustische Modentransformator (13) oder der piezoelektrische Transformator (13) zur Übertragung des mindestens einen Ultraschallpulses (50, 62, 70) zwischen Oberflächenwellen-Resonator (14) und Objekt (2) vorgesehen ist.
10. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn- zeichnet dadurch, dass das Mittel zur Reflektion ein mit zwei
Elektroden (16, 17) versehener piezoelektrischer Schwinger
RECTIFIEDSHEET(RULE91) ISA/EP (15) ist, der mittels des mindestens einen Ultraschallpulses (50, 53a, 63a) zu einer Resonanzschwingung anregbar ist.
11. Messvorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, dass die beiden Elektroden (16, 17) mit einer Induktivität
(18) verbunden sind.
12. Messvorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, dass die Induktivität (18) mit einem Kern (19) versehen ist, dessen magnetische Eigenschaften temperaturabhängig sind.
13. Messvorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen magnetoelastischen Kern (19m), wobei der Kern (19m) derart am Objekt (2) angeordnet ist, dass der Kern (19m) mit- tels des mindestens einen Ultraschallpulses (50) zu einer Schwingung anregbar ist.
1.4. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ge¬ kennzeichnet dadurch, dass zwischen einer Elektrode (16, 17) des piezoelektrischen Schwingers (15) und einem Anschluss der Induktivität (18) eine Kapazität (20) angeordnet ist.
15. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Objekt (2) mit einer Äusspa- rung auf der dem Mittel zur Reflektion zugewandten Seite ver¬ sehen ist, in der das Mittel zur Reflektion angeordnet ist.
16. MessVorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Mittel zur Reflektion form- schlüssig in der Aussparung angeordnet ist.
17. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Steuermittel zur Ansteuerung der mindes¬ tens einen Sende-/Empfangseinheit (S/E) .
18. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Signalaufbereitungsmittel zur Aufberei-
RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA/EP tung von in der mindestens einen Sende-/Empfangseinheit (S/E) erzeugten Messsignalen.
19. Messvorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch signalübertragungsmittel zur Übermittlung der aufbereiteten
Messsignale.
20. Messvorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch Signalverarbeitungsmittel zur Auswertung der übermittelten Messsignale.
21. Verfahren zum Betrieb der Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Ultraschall¬ puls (50) von der Sende-/Empfangseinheit (S/E) durch das Ob- jekt (2) hindurch in das Mittel zur Reflektion ausgesendet wird und von dem Mittel zur Reflektion in Richtung Sende-/ Empfangseinheit (S/E) temperaturkorreliert reflektiert wird.
22. Verwendung der Messvorrichtung nach einem der vorangehen- den Ansprüche zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck in einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gas- oder Dampf¬ turbine.
RECTIFIEDSHEET(RULE91) ISA/EP
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