DE2100799A1

DE2100799A1 - Method and circuit arrangement for non-contact temperature measurement of surfaces

Info

Publication number: DE2100799A1
Application number: DE19712100799
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Phys Unterehrendingen Affolter (Schweiz) P
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1970-12-08
Filing date: 1971-01-08
Publication date: 1972-06-22
Also published as: GB1345622A; FR2117425A5; NL7116702A; CH525481A

Description

169/70 Me.169/70 Me.

Aktiengesellschaft Brown. Boveri & Cie., Baden (Schweiz)Brown Public Company. Boveri & Cie., Baden (Switzerland)

Verfahren und Schaltungsanordnung zur berührungslosen Temperatur- ·.;■? ' messung von OberflächenMethod and circuit arrangement for non-contact temperature ·.; ■? 'measurement of surfaces

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur berührungslosen Temperaturmessung von Oberflächen.The invention relates to a method and a circuit arrangement for contactless temperature measurement of surfaces.

Die bisher verwendeten Methoden der Messung von Oberflächentemperaturen basieren entweder auf dem Prinzip der Strahlungsmessung, oder aber es wird dabei von Thermoelementen Gebrauch gemacht. Beide Messprinzipien sind jedoch mit Nachteilen verbunden: bei Strahlungsmessungen sind die erreichbaren Messgenauigkeiten vom Emissionskoeffizienten der zu messenden Oberfläche abhängig; gute und entsprechend teure Apparaturen weisen eine charakteristische Messgenauigkeit der Grössenordnung % auf.The methods used to date for measuring surface temperatures are either based on the principle of radiation measurement, or use is made of thermocouples. Both measuring principles are, however, associated with disadvantages: in the case of radiation measurements, the achievable measuring accuracy depends on the emission coefficient of the surface to be measured; good and correspondingly expensive apparatuses have a characteristic measuring accuracy of the order of % .

Andererseits besitzen Thermoelemente für viele Anwendungen den entscheidenden Nachteil, dass die erzeugten Thermospannungen mit Hilfe von Drähten oder Telemetrievorrichtungen den entsprechenden Anzeigevorrichtungen, z.B. Millivoltmetern, zugeführt werden müssen. Thermoelemente sind im allgemeinen bezüglichOn the other hand, thermocouples have the decisive disadvantage for many applications that the generated thermal voltages with the help of wires or telemetry devices Display devices, e.g. millivolt meters, have to be supplied. Thermocouples are generally related

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Genauigkeit genormt und zwar nach in verschiedenen Ländern differierenden Normen; auch hier liegen die Toleranzen in der Grössenordnung von Prozenten.Accuracy standardized according to standards that differ in different countries; here, too, the tolerances are in the Order of magnitude in percent.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur tjerührungslosen Messung von Oberflächentemperaturen sowie eine aus.elektronischen Bauelementen und Einheiten aufgebaute Schaltungsanordnung zu dessen Durchführung zu schaffen, bei welchem Verfahren die Nachteile der bekannten Messmethoden vermieden werden..The invention is based on the object of a method for the non-contact measurement of surface temperatures as well as a Circuit arrangement constructed from electronic components and units to implement it, in which method the disadvantages of the known measurement methods are avoided will..

Dabei wird erfindungsgemäss von der Tatsache ausgegangen, dass an sich bekannte Resonatoren, die aus Stoffen mit hohen Dielektrizitätskonstanten (typische Werte '.Έ,^δΟ) und kleinen Verlust-According to the invention, it is assumed that resonators known per se, which are made of materials with high dielectric constants (typical values ' .Έ, ^ δΟ) and small loss

f -2f -2

winkeln (typische Werte : tg ö<10 ) bestehen, und sich zur Schwingungserzeugung mit elektromagnetischen Wellen, insbesondere im 'Mikrowellenbereich, eignen, eine grosse Temperaturabhängig-angles (typical values: tg ö <10) exist, and to Vibration generation with electromagnetic waves, especially in the 'microwave range, are suitable for a large temperature-dependent

keit der Dielektrizitätskonstanten aufweisen. Dadurch ergibt sich eine Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz des Resonators, ™ und diese Frequenzveränderung soll erfindungsgemäss zur Messung der Temperaturveränderung ausgewertet werden.the dielectric constant. This results in a temperature dependence of the resonance frequency of the resonator, ™ and this frequency change is intended according to the invention for measurement the temperature change can be evaluated.

Das erfindungsgemäss vorgeschlagene Messverfahren ist somit gekennzeichnet durch Ausnützung der Tempeuaturabhängigkeit der charakteristischen Parameter von zur Schwingungserzeugung mit elektromagnetischen Wellen in Mikrowellen-Frequenzbereich geeigneten Resonatoren, derart., dass die durch den Resonator bewirkte Störung der elektromagentischen Welle durch Messung derThe measuring method proposed according to the invention is thus characterized by utilizing the temperature dependence of the characteristic parameters of resonators suitable for generating vibrations with electromagnetic waves in the microwave frequency range, such that the effect caused by the resonator Disturbance of the electromagnetic wave by measuring the

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reflektierten oder / und der transmittierten Welle wird, so dass eine mittels Frequenzmessung ausgemessene Resonanzstelle einer bestimmten Temperatur des Resonators und demzufolge der Temperatur derjenigen Oberfläche entspricht, mit welcher er thermisch in Verbindung steht.reflected and / or the transmitted wave is, so that a measured by frequency measurement resonance point a certain temperature of the resonator and consequently corresponds to the temperature of the surface with which it is thermally connected.

Bei genügend kleinen Abmessungen der Resonatoren kann eine praktischIf the dimensions of the resonators are sufficiently small, a

punktuelle Messung der Oberflächentemperatur erfolgen.'selective measurement of the surface temperature. '

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Messverfahrens gemäss der Erfindung kennzeichnet sich durch einen nach einer periodisch linearen Zeitfunktion gewobbelten Mikrowellensender mit konstanter Ausgangsleistung, dessen Ausgang über einen Ferritisolator auf eine Antenne gelangt, deren in ihrer Wellenlänge mit der Wobbeifrequenz periodisch variierte Ausgangsenergie auf den in unmittelbarer Nähe des reflektierenden Messobjekts befindlichen Resonator sowie auf das Messobjekt selbst gestrahlt wird und die reflektierte Welle von der Antenne über einen Richtkoppler auf einen Mikrowellendetektor gelangt,der an seinem Ausgang die zeitliche Hüllkurven-Funktion der am Detektorausgang anstehenden, ein Resonanzminimum aufweisenden Höchstfrequenzspannung liefert, ferner gekennzeichnet durch einen Komparator, der an dem einen seiner Eingänge die Detektor-Ausgangsspannung und an seinem zweiten Eingang eine konstante Vergleichs- bzw. Referenzspannung empfängt und an seinem Ausgang ein Signal mit steiler Flanke liefert, wenn die Detektor-Aus gangs spannung gerade die Referenzspannung erreicht, weiter gekennzeichnet durch einen Differenzierkreis am Komparator-Ausgang, welchem Differenzierkreis eine Schwellwert-Begrenzungs-A circuit arrangement for carrying out the measuring method according to the invention is characterized by one according to one periodically linear time function swept microwave transmitter with constant output power, the output of which has a Ferrite isolator reaches an antenna whose wavelength varies periodically with the wobble frequency radiated onto the resonator located in the immediate vicinity of the reflecting measurement object as well as onto the measurement object itself and the reflected wave from the antenna reaches a microwave detector via a directional coupler, which is connected to the temporal envelope curve function of the detector output at its output pending maximum frequency voltage having a resonance minimum, further characterized by a comparator, which has the detector output voltage at one of its inputs and a constant voltage at its second input Receives comparison or reference voltage and delivers a signal with a steep edge at its output when the detector is off input voltage has just reached the reference voltage, further characterized by a differential circuit at the comparator output, which differential circle a threshold limit

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H ¹ H ¹

diode nachgeschaltet ist, die nur eine Polarität der den Vorderflanken entsprechenden Spitzen des differenzierten Signals passieren lässt, die Spitzen der anderen-Polarität jedoch kurzschliesst, und schliesslich gekennzeichnet durch einen Zähler mit Starteingang, Zähleingang, Stoppeingang und Löscheingang, wjobei der Zähleingang Taktimpulse von einem Taktgeber mit konstanter Frequenz, der Starteingang in regelmässigen Zeitintervallen von einem Triggerimpulsgenerator gelieferte, gleichzeitig auch dem'Mikrowellensender zugeführte und..dessen Wobbelung im gleichen Zeitpunkt mit dem Start des Zählers periodisch auslö-diode is connected downstream, the only one polarity of the leading edges allows corresponding peaks of the differentiated signal to pass, but short-circuits the peaks of the other polarity, and finally characterized by a counter with start input, counter input, stop input and delete input, wjobei the counter input clock pulses from a clock generator with constant Frequency, the start input supplied at regular time intervals by a trigger pulse generator, at the same time also the 'microwave transmitter supplied and .. its wobble in periodically trigger the same point in time with the start of the counter

fe sende nadeiförmige Triggerimpulse, der Stoppeingang die von der Schwellwert-Begrenzungsdiode durchgelassenen Spitzen des differenzierten Komparator-Ausgangssignals und der Löscheingang vom'Mikrowellensender am Ende eines jeden WobbelVorganges beim Erreichen der extremen Frequenz gelieferte Löschimpulse erhält, welchen Löschimpulsen jeweils nach einer relativ zur Dauer des Wobbeivorganges kurzen Wartezeit der nächste Triggerimpuls folgt, so dass der Zähler in den Zeitintervallen zwischen Stoppimpuls und Löschimpuls jeweils einen der gemessenen Temperaturdifferenzfe sends needle-shaped trigger pulses, the stop input that of the threshold value limiting diode passed peaks of the differentiated comparator output signal and the clear input vom'Mikrowellenenderender at the end of each wobble process at Reaching the extreme frequency delivered extinguishing pulses receives which extinguishing pulses each after a relative to the duration of the Wobbeivorganges short waiting time the next trigger pulse follows, so that the counter in the time intervals between the stop pulse and erase pulse each one of the measured temperature difference

P proportionalen Zählerstand speichert.P saves proportional counter reading.

Die erfindungsgemäss vorgeschlagene Apparatur weist somit, wie ν aus obigem hervorgeht, gegenüber den bekannten Anordnungen als Hauptvorteil die prinzipielle Möglichkeit auf, Oberflächentemperaturen, insbesondere von metallischen Oberflächen, unabhängig von Emissionskoeffizienten berührungslos messen zu können. Die erreichbare Messgenauigkeit der Temperatur liegt in der Grössenordnung von 0,1 bis 1° G. Die Herstellung der Resonatoren wird bei einer Serieanfertigung-einfach, wirtschaftlichThe apparatus proposed according to the invention thus has, like ν As can be seen from the above, the main advantage over the known arrangements is the possibility in principle of using surface temperatures, especially of metallic surfaces, independent of emission coefficients to measure without contact can. The achievable measurement accuracy of the temperature is in the order of magnitude of 0.1 to 1 ° G. The manufacture of the resonators becomes simple, economical in series production

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. - ⁵ - WJ&799. - ⁵ - WJ & 799

kann mit Thermoelementen durchaus konkurriert werden.can definitely compete with thermocouples.

Die Erfindung oei jetzt anhand der Figuren näher erläutert. Es ■·^r ·The invention is now explained in more detail with reference to the figures. It ■ · ^r ·

zeigen: J show: J

Fig. 1 das Schema eines versuchsmässigen Aufbaus zur Realisierung des TemperaturmessVerfahrens gemäss der Erfindung.1 shows the scheme of an experimental setup for implementation of the temperature measurement method according to the invention.

Fig. 2 Impulsdiagramme zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 3 '*■*· ■ -2 pulse diagrams to illustrate the mode of operation the circuit arrangement according to Fig. 3 '* ■ * · ■ -

Fig. 3 das Blockschema eines Ausführungsbeispiels einer elektronischen Schaltungsanordnung, die sichals Messapparatur zur Durchführung des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahrens besonders eignet.3 shows the block diagram of an exemplary embodiment of an electronic Circuit arrangement, which is used as a measuring apparatus for Implementation of the method proposed according to the invention particularly suitable.

In Figur 1 ist M ein abstimmbarer, wobbelbarer, leistungskonstanter Mikrowellensender, Fr ein Frequenzmesser in Gestalt eines Hohlraumresonatorsjan dessen Ausgang ein(nicht gezeichneter,) Mikrowellendetektor angebracht ist und dem eingangsseitig über einen Richtkoppler R Energie vom Ausgang des Mikrowellensenders zugeführt wird. Der Hohlraumresonator kann scharf auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt werden, die als variable Frequenz-Eichmarke dient; ein entsprechendes Spannungsminimum erscheint periodisch zu einem bestimmten Zeitpunkt während jedes Wobbeivorganges am Ausgang des Mikrowellendetektors Dt. Weiterhin fliesst die Ausgangsenergie des Mikrowellensenders direkt über einen Ferritisolator I, der den Energie-Rückstrom von der Antenne A zum Sender verhindert, zur Antenne und' wird von dieser auf den dielektrischen Resonator Re sowie auf die unmittelbar dahinter befindliche, zu messende Oberfläche Ref ge-In FIG. 1, M is a tunable, wobble, constant power Microwave transmitter, for a frequency meter in the form of a cavity resonator whose output has a (not shown) Microwave detector is attached and the input side over a directional coupler R energy is supplied from the output of the microwave transmitter. The cavity resonator can be sharp on a Resonant frequency are tuned as a variable frequency calibration mark serves; a corresponding voltage minimum appears periodically at a certain point in time during each wobble process at the output of the microwave detector Dt. Furthermore, the output energy of the microwave transmitter flows over directly a ferrite insulator I, which prevents the energy return flow from the antenna A to the transmitter, to the antenna and 'is from this is applied to the dielectric resonator Re as well as to the surface to be measured immediately behind it.

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- 6 - 169/70- 6 - 169/70

strahlt; diese Oberfläche muss naturgemäss metallisch sein, bzw· es muss bei nichtmetallischem Messobjekt eine Belegung mit metallischer Folie bzw. Bedampfung vorgesehen sein. Der Resonator Re .steht mit der zu messenden Oberfläche Ref in thermischer Kontaktierung Th (durch Schraffur angedeutet). Die ungestörte Welle uw und die durch Einwirkung des Resonators Re gestörte Welle gw sind vereinfacht durch zwei gestrichelte, parallele gerade Linien dargestellt. Die Antenne A dient zu-shine; this surface must naturally be metallic, or in the case of a non-metallic measurement object, it must be covered with metallic foil or vapor deposition can be provided. The resonator Re. Is in thermal relation to the surface Ref to be measured Contacting Th (indicated by hatching). The undisturbed wave uw and the effect of the resonator Re disturbed wave gw are shown in simplified form by two dashed, parallel straight lines. The antenna A serves to

. Vt. Vt

gleich als Empfangsantenne für die gestörte Welle, doch kann diese durch die Sperrwirkung des Ferritisolators I, der in Richtung zum Sender M eine grosse Dämpfung aufweist, (ca. ²JO dB) nicht zum Sender zurückübertragen werden. Ein zweiter Richtkoppler Ri koppelt diese durch den temperaturabhängigen Resonator gestörte Welle aus und leitet sie dem Mikrowellendetektor Dt zu, der an seinem Ausgang die zeitliche Hüllkurven-Funktion der am • Detektorausgang anstehenden, ein Resonanzminimum aufweisenden Höchstfrequenzspannung liefert. Diese Spannungs-Hüllkurve mit dem ausgeprägten Minimum ist auf dem Schirm des Kathodenstrahl-Oszillographen CRT sichtbar gemacht, dessen Ablenkplatten (x-Platten) eine vom Mikrowellengenerator M gelieferte, dem Wobbeivorgang entsprechende frequenzproportionale· Spannung periodisch zugeführt wird. Das am Schirmraster^eKathodenstrahloszillographen deutlich sichtbare Minimum weist relativ zu dem"als Eichmarke eingestellten Resonanzminimum am Ausgangs-Mikrowellendetektor des Frequenzmessers (letzteres Resonanzminimum kann so eingestellt werden, dass es einer bestimmten Bezugstemperatur entspricht) einen Abstand auf, der genau der Temperaturdifferenz zwischen dem Resonator Re (d.h. der zu messenden, reflektierenden Oberflächeas a receiving antenna for the disturbed wave, but this cannot be transmitted back to the transmitter due to the blocking effect of the ferrite isolator I, which has a large attenuation in the direction of the transmitter M (approx. ^{2 JO dB).} A second directional coupler Ri decouples this wave disturbed by the temperature-dependent resonator and forwards it to the microwave detector Dt, which at its output supplies the temporal envelope function of the maximum frequency voltage present at the detector output and having a resonance minimum. This voltage envelope curve with the pronounced minimum is made visible on the screen of the cathode ray oscilloscope CRT, whose deflection plates (x-plates) are periodically supplied with a frequency-proportional voltage supplied by the microwave generator M and corresponding to the wobble process. The minimum clearly visible on the screen raster ^e cathode ray oscilloscope has a distance relative to the "resonance minimum set as a calibration mark on the output microwave detector of the frequency meter (the latter resonance minimum can be set so that it corresponds to a certain reference temperature), which is exactly the temperature difference between the resonator Re (ie the reflective surface to be measured

20'9 826/049-620'9 826 / 049-6

- -) 169/70- -) 169/70

^f 21D0799 ^f 21D0799

Refjund öer Bezugstemperatür entspricht. Man kann z.B. einen Zweistrahl-Oszillographen verwenden (bzw. einen "Pseudo-Zweistrahl-Oszillographen? bei dem. der Strahl durch einen Rechteck-Impulsgenerator periodisch und sehr schnell zwischen zwei Zeitlinien umgeschaltet wird), die Spannung am. Ausgangs-Mikrowellendetektor von Fr für die Vertikalablenkung des zweiten StrahlsRefjund corresponds to the reference temperature. For example, you can have a Use a two-beam oscilloscope (or a "pseudo two-beam oscillograph? in which. the beam through a square-wave pulse generator periodically and very quickly between two time lines is switched), the voltage at the output microwave detector of Fr for the vertical deflection of the second beam

4,4,

verwenden und den Rasterabstand zwischen den zwei Minimis direktand use the grid spacing between the two minimis directly

•1•1

in Temperaturgraden eichen. - " . *calibrate in temperature degrees. - ". *

Durch Veränderung der Distanzen D (Antenne - Resonator) und d (Resonator-Hessoberfläche) kann der Resonator optimal angekoppelt werden, so dass sich bei Resonanz auf dem Anzeigegerät ein scharfes Minimum ausbildet. Auch ist es möglich, die Resonatorgeometrie so zu wählen, dass sich der Resonator direkt auf der zu messenden Oberfläche anbringen lässt, die Kopplung wird dann lediglich durch Variieren von D.optimiert.The resonator can be optimally coupled by changing the distances D (antenna - resonator) and d (resonator-Hess surface) so that a sharp minimum is formed when there is a resonance on the display device. It is also possible to use the resonator geometry to be chosen so that the resonator can be attached directly to the surface to be measured, the coupling is then only optimized by varying D.

Die in Fig. 1 zunächst im Versuchsaufbau gezeigte Anordnung lässt auch dann Temperaturmessungen zu, wenn anstelle der Luft (Distanz D) eine für Mikrowellen durchlässige Substanz (kleine Dielektrizitätskonstante, typische Wertefc-^10) eingefügt wird (z.B. zur Oberflächentemperaturmessung von Körpern, die sich in Glasbehältern befinden o. ä. ). Ebenso sind Temperaturmessungen von periodisch bewegten Oberflächen, z.B. von rotierenden Objekten, möglich, eventuell unter Anwendung eines synchronisierten Pulsbetriebes.The arrangement initially shown in the experimental setup in Fig. 1 also allows temperature measurements if instead of air (distance D) a substance permeable to microwaves (small dielectric constant, typical values fc- ^ 10) is inserted (e.g. for surface temperature measurement of bodies that are in glass containers or the like). Likewise, temperature measurements of are periodic moving surfaces, e.g. of rotating objects, possible, possibly using a synchronized pulse mode.

Als chemische Substanzen für die Realisierung der temperaturabhängigen dielektrischen Resonatoren eignenrsich namentlich Titandioxyd (Ti O₀ ), Strontium - Titanat (Sr Ti 0_) und Barium-Suitable chemical substances for the realization of the temperature-dependent dielectric resonators are namely titanium dioxide (Ti O ₀ ), strontium - titanate (Sr Ti 0_) and barium

' 209826/0^95 . ''209826/0 ^ 95. '

ferroelektrxferroelectrx

Titanat (Ba Ti 0,), d.h. sogenannte ferroelektrisch^ Verbindungen. Titanate (Ba Ti 0,), i.e. so-called ferroelectric compounds.

In Betracht kommen als Sensoren anstelle der dielektrischen auch magnetische (oder ferromagnetische) Resonatoren (z.B. aus Yttrium-Eisen-Granaten). Instead of dielectric sensors, they can also be used as sensors magnetic (or ferromagnetic) resonators (e.g. made from yttrium-iron garnets).

Bei einem möglichen Ausführungsbeispiel für die Realisation des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahrens gemäss* Fig. 1 wurde als Resonator ein zylinderförmiges Titandioxydstück mit den Abmessungen 0· = 3,91 mm, Länge L = 1,79 mm und einer DK von 91 bei 20° C verwendet. Die Resonanzfrequenz bei 20 C liegt ." bei 11.760 MHz . Die "Temperaturabhängigkeit der DK beträgt ca; 0,8 % /⁰C und damit diejenige der Resonanzfrequenz ca. 0,¹I JW °c. Im vorliegenden Fall verschiebt sich die Resonanzfrequenz um 4,7 MIIz /⁰C. Die Distanz D (Fig. 1) für optimale Kopplung und beste Ablesegenauigkeit wurde gleich 10,5 mm gewählt. Als Reflektor Ref diente eine Messingplatte von 33 x 35 mm } die Antenne wurde durch den Hohlleiterflansch gebildet. Die erzielte Auswerte-Dynamik von ho dB (logarithmische Differenz zwischen ungestörtem und durch den Resonator maximal gestörtem Reflexionssignal) bei einer Mikrowellenleistung von 8 mV/ darf als sehr gut bezeichnet werden.In a possible embodiment for the implementation of the method proposed according to the invention according to * FIG. 1, a cylindrical titanium dioxide piece with the dimensions 0x = 3.91 mm, length L = 1.79 mm and a DK of 91 at 20 ° C. was used as the resonator . The resonance frequency at 20 C is 11.760 MHz. The temperature dependence of the DC is approx. 0.8% / ⁰ C, and thus that of the resonant frequency about 0, ¹ I JW ° c. In the present case, the resonance frequency shifts by 4.7 MIIz / ⁰ C. The distance D (FIG. 1) for optimal coupling and best reading accuracy was chosen to be 10.5 mm. A brass plate measuring 33 x 35 mm was used as the reflector Ref} the antenna was formed by the waveguide flange. The achieved evaluation dynamics of ho dB (logarithmic difference between the undisturbed reflection signal and the reflection signal that is maximally disturbed by the resonator) at a microwave power of 8 mV / can be described as very good.

Fig· 3 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schaltungsanordnung für eine praktisch verwertbare Messapparatur, der das erfindungsgemäss vorgeschlagene Temperatur-Messverfahren zugrundeliegt. In Fig. 2 sind Impulsdiagramme dargestellt, die zur Erläuterung von Fig. 3 dienen und den Verlauf von Spannungen,3 now shows an exemplary embodiment of an electronic circuit arrangement for a practically usable measuring apparatus, which is based on the temperature measuring method proposed according to the invention. In Fig. 2 pulse diagrams are shown, which serve to explain Fig. 3 and the course of voltages,

209 8 26/0495 .209 8 26/0495.

Frequenzen und Zählerständen an den verschiedenen Punkten der Schaltungsanordnung in.Abhängigkeit von der Zeit wiedergeben.Repeat frequencies and counter readings at the various points in the circuit arrangement as a function of time.

Wiederum ist M ein nach einer periodisch linearen Zeitfunktion wobbelbarer Mikrowellengenerator (s. die darüber gezeichnete Sjigezahnfunkt ion bzw. die Kurve 2 in Fig. 2). Der Start eines jeden Wobbeivorganges bzw. der Sägezahnspannung, die diesen Wobbeivorgang steuert, wird durch nadeiförmige Startimpulse Imp bewirkt j;¹ die von einem Trigger-Impulsgenerator IG periodisch geliefert werden. (Impulsdiagramm 1 in Fig. 2, Ih = Impulshöhe).Again, M is a microwave generator that can be wobbled according to a periodically linear time function (see the Sjigezahnfunkt ion drawn above or the curve 2 in FIG. 2). The start of each wobble process or the sawtooth voltage that controls this wobble process is caused by needle-shaped start pulses Imp j; ¹ which are periodically supplied by a trigger pulse generator IG. (Pulse diagram 1 in Fig. 2, Ih = pulse height).

Diese Impulse starten gleichzeitig einen elektronischen, z.B. binär-codierten Dezimalzähler Z, d.h. sie öffnen ein Gatter, das Taktimpulse mit konstanter Frequenz auf den Zähleingang von Z durchlässt. Die *. Startfrequenz fo von M bzw. der WobbelbereichjQ_ki> lassen sich durch entsprechende, an sich bekannte Einstellmittel nach Belieben einstellen. Die Elemente I (Ferrit-.· isolator), A,Re, 'Ref und Dt sind bereits im Zusammenhang mitThese pulses start an electronic, for example, binary-coded decimal counter Z at the same time, ie they open a gate that allows clock pulses with a constant frequency to pass through to the counter input of Z. The *. The start frequency fo of M or the wobble range jQ _k i> can be set as desired by appropriate setting means known per se. The elements I (ferrite. · Isolator), A, Re, 'Ref and Dt are already in connection with

Fig.l: beschrieben worden. Die Hüllkurven-Spannungsfunktion U_ßT Fig. 2, Kurve 3) am Detektor-Ausgang gelangt auf den einen Eingang eines Komparators Ko (z.B. Schmitt-Trigger), dessen zweiter Eingang eine einstellbare Bezugs- bzw. Referenz- Gleichspannung UFig.l: has been described. The envelope voltage function U _ßT Fig. 2, curve 3) at the detector output reaches one input of a comparator Ko (eg Schmitt trigger), the second input of which is an adjustable reference or reference DC voltage U

empfängt (Kurve 3 in Fig. 2). Ist U_DT gleich U_c, so gibt der Komparator an seinem Ausgang ein Rechtecksignal U„ mit steiler Vor-receives (curve 3 in Fig. 2). If U _{DT is} equal to U _c , the comparator outputs a square-wave signal U "with a steep lead

ΛΟΛΟ

derflanke ab (Kurve ¹O* Diese (hier negative) Flanke wird durch den Differenzierkreis C, R differenziert, und die Schwellwert-Begrenzungsdiode Sch lässt nur diese Spannungsspitze als Stoppimpuls "Stop" (Kurve 5) auf den Stoppeingang des Zählers Z durch. xDer Zähler wird dadurch gestoppt (d.h. es werden keine Takt· -derflanke (curve ¹ O * This (here negative) flank is differentiated by the differentiating circuit C, R, and the threshold value limiting diode Sch only allows this voltage peak to pass through to the stop input of the counter Z as a stop pulse "Stop" (curve 5). xDer This stops the counter (i.e. no clock cycles -

• t ''"-'.■ • t ''"-'. ■

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impulse mehr durchgelassen) und speichert bis zur Rückstellung durch den Löschimpuls 1, der am Ende jedes zeitlinearen Frequenzdurchlaufs des Mikrowellengenerators M abgegeben und dem Rückstelleingang von Z zugeführt wird, einen der gemessenen Temperaturdifferenz proportionalen digitalen Zählerstand N„^(6 in Fig. 2). Dieser Zählerstand kann natürlich durch bekannte Mittel periodisch zur Anzeige gebracht werden.more pulses passed) and saves until it is reset by the erase pulse 1, which occurs at the end of each time-linear frequency sweep of the microwave generator M and fed to the reset input of Z, one of the measured temperature difference proportional digital counter reading N "^ (6 in Fig. 2). This count can of course be periodic by known means be brought to the display.

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Claims

Pat ent ansprüchePatent claims

1. Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung von Oberflächen, ,gekennzeichnet durch Ausnützung der Temperaturabhängigkeit der charakteristischen Parameter von zur Schwingungserzeugung mit elektromagnetischen Wellen im Mikrowellen-Frequenzbereich geeigneten Resonatoren, derart, dass die durch den Resonator bewirkte Störung der elektromagnetischen Welle durch Messung der reflektierten und/oder der transmittierten Welle ausgewertet wird, so dass eine mit einem Frequenzmesser ausgemessene Resonanzstelle einer bestimmten Temperatur des Resonators und demzufolge der Temperatur derjenigen Oberfläche entspricht, mit welcher er thermisch in Verbindung steht.1. Procedure for non-contact temperature measurement of surfaces, , characterized by utilizing the temperature dependency the characteristic parameters for generating vibrations with electromagnetic waves in the microwave frequency range suitable resonators, such that the interference of the electromagnetic wave caused by the resonator is evaluated by measuring the reflected and / or the transmitted wave, so that one with a frequency meter measured resonance point of a certain temperature of the resonator and consequently the temperature of that surface corresponds to which it is thermally connected.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen nach einer periodisch linearen Zeitfunktion gewobbelten Mikrowellensender (M) mit konstanter Ausgangsleistung, dessen Ausgang über einen Ferrit-Isolator (I) auf eine Antenne (A) gelangt, deren in ihrer Wellenlänge mit der Wobbeifrequenz periodisch variierte Ausgangsenergie auf den in unmittelbarer Nähe des reflektierenden Messobjektes (Ref) befindlichen Resonator (Re) sowie auf das Messobjekt (Ref) selbst gestrahlt wird und die reflektierte Welle von der Antenne (A) über einen Richtkoppler (Ri) auf einen Mikrowellendetektor (Dt) gelangt, der an seinem Ausgang die zeitliche Hüllkurven-Funktion der am Detektorausgang anstehenden, ein Resonanzminimum aufweisenden Höchstfrequenzspannung liefert, ferner gekennzeichnet durch einen Komparator2. Circuit arrangement for performing the method according to claim 1, characterized by one after a periodic linear time function swept microwave transmitter (M) with constant output power, the output of which is via a ferrite insulator (I) arrives at an antenna (A) whose wavelength varies periodically with the wobble frequency on the one in close proximity to the reflective Measurement object (Ref) located resonator (Re) as well as on the measurement object (Ref) itself is radiated and the reflected Wave from the antenna (A) via a directional coupler (Ri) to a microwave detector (Dt) reaches its output the temporal envelope function of the maximum frequency voltage present at the detector output and having a resonance minimum supplies, further characterized by a comparator

209826/0495 (Ko),209826/0495 (Ko),

der an dem einen seiner Eingänge die Detektor-Ausgangsspannung und an seinem zweiten Eingang eine konstante Vergleichs- bzw. Referenzspannung empfängt und an seinem Ausrang ein Signal mit steiler Flanke liefert, wenn die Detektor-Ausgangs spannung gerade die Differenzspannung erreicht, weiter gekennzeichnet durch einen Differenzierkreis (RC) am Komparator-Ausgang, welchem Differenzierkreis eine Schwellwert-Fegrenzungsdiode (Sch) nachgeschaltet ist, die nur eine Polarität der den Vorderflanken entsprechenden Spitzen des differenzier-, ten Signals passieren lässt, die Spitzen der anderen Polarität jedoch kurzschliesst, und schliesslich gekennzeichnet durch einen Zähler (Z) mit Starteingang, Zähleingang, Stoppeingang und Löscheingang, wobei der Zähleingang Taktimpulse von einem Taktgeber (T) mit konstanter Frequenz, der Starteingang in regelmässigen Zeitintervallen von einem Triggerimpulsgenerator (IG) gelieferte, gleichzeitig auch dem Mikrowellensender (M) zugeführte und dessen Wobbelung im gleichen Zeitpunkt mit dem Start des Zählers (Z) periodisch auslösende nadelförmige Triggerimpulse, der Stoppeingang die von der Schwellwert-Begrenzungsdiode (Sch) durchgelassenen Spitzen des differenzierten Komparator-Ausgangssignales und der Löscheingang vom Mikrowellensender am Ende eines jeden Wobbeivorganges beim Erreichen der extremen Frequenz gelieferte Lönchimpulse (1) erhält, welchen Löschimpulsen jeweils nach einer relativ zur Dauer des Wobbeivorganges kurzen Wartezeit der nächste Triggerimpuls folgt, so dass der Zähler (Z) in den Zeitintervallen zwi:;chon Stoppimpuls und Löschimpuls jeweils einen der gemessenen Teir.pe-which has the detector output voltage at one of its inputs and a constant comparison voltage at its second input or reference voltage receives and delivers a signal with a steep edge at its output when the detector output voltage just reached the differential voltage, continue characterized by a differential circuit (RC) at the comparator output, which differential circuit a threshold limiting diode (Sch) is connected downstream, which has only one polarity of the peaks corresponding to the leading edges of the differentiating, lets pass the th signal, but short-circuits the peaks of the other polarity, and finally marked it by a counter (Z) with start input, count input, stop input and clear input, the count input being clock pulses of a clock (T) with constant frequency, the start input at regular time intervals from a trigger pulse generator (IG), and at the same time also the microwave transmitter (M) supplied and its wobbling at the same time with the start of the counter (Z) periodically triggering needle-shaped Trigger pulses, the stop input from the threshold value limiting diode (Sch) passed peaks of the differentiated comparator output signal and the cancellation input from the microwave transmitter at the end of each wobble process, when the extreme frequency is reached, receives the Lönch impulses (1), which erase pulses each after a relative to the duration the next trigger pulse for a short waiting time during the wobble process follows, so that the counter (Z) in the time intervals between:; chon Stop pulse and delete pulse each correspond to one of the measured Teir.pe-

. 0 '.· / G / ü L 9 5. 0 '. / G / ü L 9 5

ratnrdifferenz proportionalen Zählerstand speichert.Ratnrdifferenz saves proportional counter reading.

3- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Temperaturmessung verwendeten Resonatoren aus
Stoffen bestehen₃ deren temperaturabhängige Dielektrizitätskonstante grSsser als 50 und deren Verlustwinkel tgj* kleiner als 1O"² Ist.3- The method according to claim 1, characterized in that the resonators used for temperature measurement from
Substances consist of ₃ whose temperature-dependent dielectric constant is greater than 50 and whose loss angle tgj * is less than 10 " ² .

4. Verfahren nach Anspruch 3_S dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren aus Titandloxyd (TiOp) bestehen.4. The method according to claim 3 _S, characterized in that the resonators are made of titanium oxide (TiOp).

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren aus Barium-TItanat (BaTiO-) bestehen.5. The method according to claim 3, characterized in that the resonators are made of barium titanate (BaTiO-).

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren aus Strontium-Titanat (SrTiO-) bestehen.6. The method according to claim 3, characterized in that the resonators consist of strontium titanate (SrTiO-).

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren aus magnetischen Substanzen mit temperaturabhängiger Permeabilität bestehen.7. The method according to claim 1, characterized in that the resonators made of magnetic substances with temperature-dependent Permeability exist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Verwendung von ferromagnetischen Substanzen.8. The method according to claim 7, characterized by the use of ferromagnetic substances.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Verwendung von Yttrium-Eisen-Granaten (YIG's).9. The method according to claim 8, characterized by the use of yttrium-iron garnets (YIG's).

209826/0495209826/0495

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10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 his 9, gekennzeichnet durch so kleine Abmessungen der Resonatoren, dass eine praktisch punktuelle Messung der Oberflächentemperatur erfolgen kann.10. The method according to claim 1 or one of claims 3 his 9, characterized by such small dimensions of the resonators that a practically punctual measurement of the surface temperature can be done.

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.Public company Brown, Boveri & Cie.

209826/OA9S209826 / OA9S