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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer Temperaturverteilung mit mindestens zwei Messelementen, wobei jedes Messelement mit einem elektrischen Signal angesteuert wird und in Abhängigkeit der Temperatur ein Messsignal abgibt.
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Für die Messung von Temperaturen sind verschiedenste Methoden bekannt, die aber die Temperatur nur punktuell bestimmen können. Soll eine Temperaturverteilung gemessen werden, ist eine Kombination mehrerer Einzelsensoren notwendig. Dabei werden die Einzelsensoren in einem Messkabel oder einem Schutzrohr kombiniert. Nachteilig dabei ist, dass jeder einzelne Sensor eine eigene Zuleitung zur Bestimmung des Sensorwertes zu einer Auswerteeinrichtung benötigt. Dies führt zwangsläufig dazu, dass mit einer steigenden Anzahl von Sensoren auch die Anzahl der Messleitungen zunimmt, wobei sowohl die Baugröße der Messanordnung als auch die Komplexität der Auswerteeinheit zunimmt.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Temperaturverteilung anzugeben, welche mit einer konstruktiv einfachen Messanordnung bei einer wenig komplexen Ausgestaltung der Auswerteeinheit auskommt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das hochfrequente elektrische Signal eine vorgegebene Frequenz aufweist, mittels welcher eine Temperaturmessung an einem der mindestens zwei Messelemente ausgelöst wird, wobei aus dem, von dem Messelement reflektierten Messsignal eine Impedanz bestimmt wird, aus welcher die Temperatur abgeleitet wird. Durch die Beaufschlagung der Messelemente mit einem hochfrequenten Signal ist es möglich, dass die mindestens zwei Messelemente nur ein gemeinsames Leitungspaar zur Messung der Temperaturverteilung benötigen. Dadurch wird die, die Messelemente umfassende Messanordnung vereinfacht, wobei das, die Messanordnung enthaltende Messkabel einfach in die zu überwachende Umgebung, deren Temperaturverteilung ermittelt werden soll, eingelegt werden kann.
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Vorteilhafterweise werden für die mindestens zwei Messelemente unterschiedliche Frequenzen vorgegeben. Durch die Anregung mit unterschiedlichen Frequenzen wird sichergestellt, dass die Messelemente ihre Temperaturmessung nur bei Vorliegen der, für das jeweilige Messelement vorbestimmten Frequenz ausführen. Dadurch ist es möglich, die einzelnen Messelemente in einer zeitlichen Reihenfolge nacheinander abzufragen und deren Messergebnis auszuwerten. Das Messergebnis wird dabei auf derselben Leitung zurückgesandt, auf welcher das hochfrequente Signal dem jeweiligen Messelement zugeführt wird.
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In einer Ausgestaltung umfasst das hochfrequente Signal einen breitbandigen Frequenzbereich. Durch die Übersendung eines kontinuierlichen breitbandigen Frequenzbereichs wird sichergestellt, dass eine Vielzahl von Messelementen, die nicht auf zwei beschränkt sind, annähernd gleichzeitig zur Bestimmung einer Temperaturverteilung herangezogen werden können, ohne dass zusätzliche Leitungen notwendig sind.
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Alternativ umfasst das Signal diskrete Frequenzen. Bei dieser besonders einfachen Ausführungsform werden nur die Frequenzen erzeugt, welche für die Auslösung der Temperaturmessung der einzelnen Messelemente notwendig sind. Dadurch können die Messelemente gezielt angesteuert werden.
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In einer Variante weist das Signal eine konstante Amplitude und/oder Phase auf. Diese konstante Amplitude bzw. Phase vereinfacht die Auswertung der von den Messelementen gelieferten Messsignale und somit die Bestimmung der von den einzelnen Messelementen gemessenen Temperatur.
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Eine Weiterbildung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Temperaturverteilung mit mindestens zwei Messelementen, wobei jedes Messelement mit einem elektrischen Signal angesteuert wird und in Abhängigkeit der Temperatur ein Messsignal abgibt. Um die Abmessung der Messanordnung zu verringern, sind Mittel vorhanden, die das hochfrequente elektrische Signal mit einer vorgegebenen Frequenz abgeben, mittels welcher eine Temperaturmessung an einem der mindestens zwei Messelemente ausgelöst wird und aus dem von dem Messelement reflektierten Messsignal eine Impedanz bestimmt wird, aus welcher die Temperatur abgeleitet wird. Neben der Verringerung der Anzahl der Messleitungen wird sichergestellt, dass die Selektion der einzelnen Messelemente allein über die Anregung mit unterschiedlichen Frequenzen erfolgt, so dass jedes Messelement zu einem anderen Zeitpunkt die Temperatur messen kann und das Messergebnis an die Auswerteeinrichtung zurücksendet.
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Vorteilhafterweise sind mindestens zwei Messelemente parallel zueinander an einer Leitung angeordnet, welche mit einem HF-Signalgenerator verbunden ist, wobei jedem Messelement seriell ein Bandpassfilter vorgeschaltet ist und jedes Bandpassfilter eine andere Resonanzfrequenz aufweist. Da die Bandpassfilter unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, wird sichergestellt, dass nur bei der zugeordneten Resonanzfrequenz das Bandpassfilter niederohmig wird, wodurch das Messelement in die Lage versetzt wird, die Temperaturmessung auszuführen und das Messsignal an die Auswerteeinrichtung zurück zu senden. Trifft eine andere als die Resonanzfrequenz auf das Bandpassfilter auf, so bleibt dieser Messzweig hochohmig, weshalb keine Temperaturmessung durch das jeweilige Messelement ausgeführt werden kann. Durch diese Gestaltung können eine Vielzahl von Messelementen in dieser nur einen Messleitung angeordnet werden.
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In einer Ausgestaltung ist der HF-Signalgenerator Bestandteil eines Netzwerkanalyzers, insbesondere eines Impedanzanalyzers, welcher zur Auswertung der Impedanz eine Messbrücke aufweist. Zur Bestimmung der Temperaturverteilung über eine Impedanzanalyse können an sich bekannte Netzwerkanalyzer verwendet werden. Auf zusätzliche Auswerteelektroniken kann verzichtet werden.
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In einer besonders einfachen Ausführungsform kann anstelle eines Netzwerkanalyzers auch ein Impedanzanalyzer verwendet werden, da dieser zur Bestimmung der durch die Messelemente bereitgestellten Impedanzen ausreichend ist. Insbesondere ist die Messbrücke innerhalb des Netzwerk- bzw. Impedanzanalyzers notwendig, um Rückschlüsse auf die angeschlossene Impedanz ziehen zu können.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt der HF-Signalgenerator die Frequenz variabel ein. Ein Signalgenerator, der einen weiten Frequenzbereich überstreicht, ermöglicht in einfacher Art und Weise, die unterschiedlich große Anzahl von Messelementen, insbesondere die diesen vor geschalteten Bandpassfiltern anzusteuern und somit die Temperaturmessung einzuleiten. Vorteilhafterweise überstreicht der HF-Generator eine Frequenz von 100 MHz bis 1 GHz.
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Ferner sind die Bandpassfilter steilflankig ausgeführt. Aufgrund der Steilflankigkeit der eingesetzten Bandpassfilter lassen sich die einzelnen von den Messelementen ausgesandten Messsignale sauber innerhalb des reflektierten Signales unterscheiden. Insbesondere bei der Verwendung von Quarzfiltern oder SAW-Filtern können durch diese Bandbreiten von wenigen Kilohertz realisiert werden. Die Bandpassfilter weisen eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit auf, um das Messsignal der Messelemente nicht zu verfälschen.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1: Messanordnung für ein Temperaturmessverfahren basierend auf einer hochfrequenten Impedanzanalyse.
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2: Schaltungsanordnung für das Messprinzip.
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3: ein mögliches Ergebnis der Impedanzanalyse.
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4: Vergrößerung des Messergebnisses gemäß 3.
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt eine Messanordnung für eine Messung einer Temperaturverteilung. Dabei ist eine Leitung 1, welche eine Systemimpedanz Z0 aufweist, mit einem Impedanzanalyzer 2 verbunden. Der Impedanzanalyzer 2 weist einen variabel durchstimmbaren HF-Signalgenerator 3 auf, der über einen Innenwiderstand 4 mit der Seele 6 der als Koaxialkabel ausgebildeten Leitung 1 verbunden ist. Darüber hinaus besitzt der Impedanzanalyzer 2 eine Anzeige 5.
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Die Leitung 1 weist darüber hinaus eine Ummantelung 7 auf, welche die Seele 6 des Koaxialkabels umgibt und abschirmt. An diese Leitung 1 sind mehrere Messelemente in Form von temperaturabhängigen Widerständen R1, R2, R3 angeschlossen, mit welchen die Temperatur an verschiedenen Stellen gemessen werden soll. Diese temperaturabhängigen Widerstände R1, R2, R3 sind parallel zueinander geschaltet und zwischen der Leitung 1 und Masse 8 angeordnet. Als Masse 8 wird eine zweite Leitung verwendet, die in 1 nicht weiter dargestellt ist.
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Zwischen jedem temperaturabhängigen Widerstand R1, R2, R3 und dem Abzweig von der Leitung 1 ist ein steilflankiges Bandpassfilter BF1, BF2, BF3 in Reihe mit dem temperaturabhängigen Widerstand R1, R2, R3 geschaltet. Am Ende der Leitung 1 ist ein Abschlusswiderstand 9 von 50 Ω gegen Masse 8 geschaltet. Eine solche Anordnung, die beispielsweise in einem Schutzrohr oder einem Messkabel untergebracht sein kann, wird in Feldeinrichtungen, wie z. B. großen Tanks, eingesetzt, wo mit Hilfe der Vielzahl von temperaturabhängigen Widerständen R1, R2, R3 eine Temperaturverteilung in diesem Tank bestimmt wird, um aus dieser Temperaturverteilung ein Volumen des Tanks berechnen zu können. Zu diesem Zweck ist der Impedanzanalyzer 2 über eine standardisierte Schnittstelle, wie beispielsweise einen Profibus, mit einer Prozessmesstechnik in einer Schaltzentrale verbunden.
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Der in dem Impedanzanalyzer 2 enthaltene HF-Signalgenerator 3 überstreicht einen Frequenzbereich von 100 MHz bis 1 GHz. Eine nicht weiter dargestellte Messbrücke innerhalb des Impedanzanalyzers 2 ermöglicht Rückschlüsse auf die angeschlossene Impedanz. Die bereits erläuterten Bandpassfilter BF1, BF2, BF3 sind steilflankig ausgebildet und weisen unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf. Darüber hinaus übernehmen diese Bandpassfilter BF1, BF2, BF3 die Aufgabe, eine möglichst optimale Anpassung an die Systemimpedanz Z0 der Leitung 1 bereitzustellen.
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2 zeigt ein Prinzipschaltbild des Messsystems. Zur Vereinfachung wurde dabei auf das Kabelsystem und den Abschlusswiderstand verzichtet. Die jeweiligen Bandpassfilter werden dabei von einer Kombination aus einer Induktivität und einer Kapazität gebildet. So entsprechen die Spule L
1 und der Kondensator C
1 dem Bandpassfilter BF
1 und die Spule L
2 und der Kondensator C
2 dem Bandpassfilter BF
2, während die Spule L
3 und der Kondensator C
3 das Bandpassfilter BF
3 bilden. Vom HF-Generator
3 wird eine hochfrequente Wechselspannung mit einer konstanten Amplitude erzeugt. Die Frequenz f der Wechselspannung ist dabei veränderbar und überstreicht einen Frequenzbereich von ca. 100 MHz bis 1 GHz. Die drei Messzweige, welche durch die temperaturabhängigen Widerstände R
1, R
2, R
3 gebildet sind und jeweils aus der Spule L
x, dem Kondensator C
x und dem temperaturabhängigen Widerstand R
x bestehen, ergeben dabei eine Gesamtimpedanz eines Messzweiges zu
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Die Bandpassfilter BF1, BF2, BF3, welche auch als Saugkreise bezeichnet werden, haben dabei die Eigenschaft, bei der durch die Spule Lx und den Kondensator Cx bestimmten Resonanzfrequenz niederohmig zu werden. Wird nun ein solcher Bandpassfilter BF1, BF2, BF3 mit einer Frequenz f beaufschlagt und ist diese Frequenz f gleich der Resonanzfrequenz f1 des Bandpassfilters BF1 ' so ist der gesamte Messzweig L1, C1 und R1 niederohmig, während die verbleibenden Messzweige L2, C2 und R2 bzw. L3, C3 und R3 hochohmig sind. Das bedeutet, dass keine Signale an den, an das jeweilige Bandpassfilter BF2, BF3 angeschlossenen temperaturabhängigen Widerstand R2 bzw. R3 durchgelassen werden. Diese Messzweige verhalten sich dann neutral, weshalb auch keine Temperaturmessung durchgeführt wird.
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Wird ein Bandpassfilter BF1, BF2, BF3 mit der ihm eigenen Resonanzfrequenz beaufschlagt, so verhält dieser sich niederohmig und die Temperaturmessung wird durchgeführt. Der Messzweig, bestehend aus Lx, Cx und Rx, erscheint mit der Impedanz IRx im Impedanzanalyzer 2. Die im Impedanzanalyser 2 verbaute Messbrücke erlaubt nun Rückschlüsse auf die angeschlossene Impedanz IRx, wodurch im Weiteren die, durch den temperaturabhängigen Widerstand Rx an der entsprechenden Position gemessene punktuelle Temperatur bestimmt wird. Diese Temperatur wird über die nicht weiter dargestellte standardisierte Schnittstelle an die Prozessleitzentrale gemeldet.
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Betrachtet man das Schaltungsnetzwerk der
2 mit dem Impedanzanalyzer
2, so erhält man bei den unterschiedlichen Resonanzfrequenzen f
1, f
2, f
3 die Impedanzen IR
1, IR
2 und IR
3.
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Diese Impedanzen IR1, IR2, IR3 sind in 3 als Messergebnis einer solchen Impedanzanalyse dargestellt. Dabei ist die Impedanz in kΩ über der Frequenz f in MHz aufgetragen. Zu beachten ist hierbei noch die Systemimpedanz IR4, welche den Innenwiderstand des Impedanzanalyzers 2 darstellt und welche vom Messergebnis subtrahiert werden muss.
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Bei der Temperaturmessung, welche als Impedanzmessung ausgeführt wird, wird bei Auftreten der Frequenz fx, welche einer der Resonanzfrequenzen eines Bandpassfilters entspricht, eine Impedanzmessung mit dem entsprechenden temperaturabhängigen Widerstand Rx durchgeführt, während Frequenzen fx, die nicht den Resonanzfrequenzen f1, f2, f3 der Bandpassfilter BF1, BF2, BF3 entsprechen, zu keiner Impedanzmessung führen, sondern im hochohmigen Bereich ein neutrales Verhalten der Messzweige gewährleisten. Aufgrund der Verwendung der steilflankigen Bandpassfilter BF1, BF2, BF3 ist es möglich, die einzelnen Impedanzen IRx deutlich zu unterscheiden.
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4 zeigt eine Vergrößerung des Messergebnisses nach 3, wobei deutlich der Unterschied von 10 Ω zwischen den Impedanzen IR2 und IR1 bzw. IR3 erkennbar ist. Aufgrund der Messung der verschiedenen Impedanzen IR1, IR2, IR3 wird eine Temperaturverteilung bestehend aus drei Messpunkten ermittelt, die eine zuverlässige Aussage über die Temperaturverteilung in der zu überwachenden Umgebung ermöglicht, da die einzelnen Messelemente an verschiedenen Stellen der zu untersuchenden Umgebung positioniert sind.
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Die vorgeschlagene Lösung ist nicht auf drei temperaturabhängige Widerstände Rx begrenzt, sondern kann beliebig viele temperaturabhängige Widerstände und diesen vorgeschaltete, steilflankige Bandpassfilter BFx enthalten. Je steilflankiger ein Filter ist, desto mehr Sensoren können in einem definierten Frequenzbereich angeordnet werden.
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Um signalverfälschende Reflexionen innerhalb des Schaltungsnetzwerkes zu unterbinden, sollten die temperaturabhängigen Widerstände R1, R2, R3 den gleichen Wert wie die Systemimpedanz Z0 aufweisen. Darüber hinaus besitzen die Bandpassfilter BF1, BF2, BF3 eine sehr geringe Temperaturabhängigkeit.
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Aufgrund der vorgeschlagenen, einfach aufzubauenden Kabelkette, welche eine Vielzahl von temperaturabhängigen Widerständen aufweist, die zueinander beabstandet sind, vereinfacht sich die Messanordnung für eine Temperaturverteilung. Gleichzeitig kann auf eine komplexe Auswerteelektronik verzichtet werden.
