Medición de temperatura usando los cambios de la constante dieléctrica y la resonancia asociada.

Un método para calcular una temperatura en un entorno de alta temperatura que tiene una temperatura igual o mayor de 315,

6 ºC, que comprende las etapas de

usar una fuente de señal electromagnética para sacar una señal electromagnética con un intervalo de frecuencias de transmisión de una antena que opera en el entorno de alta temperatura, caracterizada la antena por un intervalo de frecuencias centrales diferentes para las diferentes temperaturas de operación;

recibir una señal devuelta que representa las características de reflexión de la antena dentro del intervalo de frecuencias de transmisión, estando el método caracterizado por

aplicar una transformación de frecuencia a tiempo a las formas de onda en fase y en cuadratura extraídas a partir de la señal devuelta para generar los datos resultantes que representan las características de magnitud y fase en el dominio del tiempo para las reflexiones asociadas con la señal devuelta;

generar la curva de respuesta para un coeficiente de reflexión S11 para la antena aplicando una transformación de tiempo a frecuencia a una porción de los datos resultantes que comprenden una reflexión asociada con la frecuencia central de la antena;

identificar un punto mínimo para la curva de respuesta para detectar la frecuencia central para la antena; y

aplicar un mapa de calibración para el punto mínimo para identificar una temperatura asociada con la frecuencia central de la antena; y

proporcionar la temperatura asociada con la frecuencia central de la antena como la temperatura del entorno de alta temperatura.

Medición de temperatura usando los cambios en la constante dieléctrica y la resonancia asociada

Campo técnico 5

La presente invención se refiere a la medición de temperatura y más particularmente al diseño y uso de un dispositivo de medición de temperaturas dentro de entornos de alta temperatura.

Antecedentes de la invención 10

La medición de temperatura se realiza normalmente midiendo el cambio en alguna magnitud proporcional a la temperatura. Más frecuentemente en entornos industriales, esta se realiza usando un termopar. Un termopar usará la diferencia de voltaje entre dos metales distintos y se mapeará ese voltaje a una temperatura usando una curva de calibración. Otras técnicas de medición pueden usar la emisividad espectral, mientras que otros dispositivos de 15 medición de temperatura, tales como un termómetro estándar, medirán la expansión de un líquido o metal a medida que cambia la temperatura.

Los dispositivos de turbinas de gas proporcionan algunos de los entornos más calientes para la medición de temperatura. Las temperaturas de las vías de gas pueden exceder 1093, 3 º C (2000 º F) , que está por encima de los 20 puntos de fusión de la mayor parte de los metales. La patente de los Estados Unidos Nº 6.489.917 de Geisheimer y otros desvela técnicas de microondas para medir otros parámetros físicos dentro de un dispositivo de turbina de gas, tal como la holgura de las puntas de los álabes.

Las antenas que operan dentro de un entorno de temperatura extrema, tal como un entorno de un dispositivo de 25 turbina de gas, normalmente usan algún tipo de enfriamiento activo. Casi todos los componentes en el área de la turbina del dispositivo contienen algún tipo de enfriamiento activo ya que la temperatura de la vía de gas está normalmente más caliente que el punto de fusión de los metales. El aire de enfriamiento se proporciona normalmente por aire extraído del compresor y conducido a través del exterior de la carcasa de la turbina así como a través de los propios álabes. Por lo tanto, está disponible una fuente fácil de enfriamiento por aire, y la instalación de 30 la antena está típicamente diseñada para usar parte del aire de enfriamiento para mantener la antena a una temperatura que le permitirá funcionar durante muchos miles de horas.

El diseño del enfriamiento por aire se realiza creando un modelo térmico de realización de cálculos térmicos que realizan suposiciones acerca de la temperatura de la vía del gas, la temperatura de aire de enfriamiento y la presión, 35 así como la tasa a la cual se transfiere el calor desde la vía de gas a la pared de la turbina. Los valores de diseño típicos representan escenarios del caso peor y por lo tanto puede ser difícil de determinar con precisión la temperatura de funcionamiento de la sonda.

Es posible la incorporación de termopares u otros dispositivos de medición de la temperatura dentro de la antena. 40 Sin embargo representa una complejidad adicional. A menudo prima el espacio y no es deseable el enrutamiento exterior de otros hilos así como tratar con problemas de fiabilidad del funcionamiento de un termopar a tan alta temperatura. Por lo tanto, es deseable deducir una técnica para medir la temperatura usando la estructura de antena existente.

Las antenas se usan para transmitir y recibir energía electromagnética. Típicamente, se usan dentro de entornos de temperatura ambiente y se usan en dispositivos tales como los teléfonos móviles, radios, receptores de posicionamiento global y sistemas de radar. Un tipo particular de antena, conocido como antena de micro-banda o de parche, se construye formando un patrón geométrico de metal sobre un sustrato dieléctrico. Muchos de tales diseños se construyen con procesos de grabado de la tarjeta de circuito impreso comunes en la fabricación de 50 circuitos impresos. La geometría del diseño es típicamente rectangular o circular, pero son posibles otras geometrías para proporcionar un funcionamiento mejorado tal como un ancho de banda o direccionalidad aumentadas.

Los materiales usados como sustrato eléctrico para una antena a menudo son materiales de circuito impreso, tales como FR4, u otros materiales cerámicos tales como la alúmina (Coors AD-995 o similar) . Todos los materiales 55 dieléctricos exhiben algún cambio en la constante dieléctrica como una función de la temperatura. La frecuencia central de una antena de parche se basa en una frecuencia de resonancia diseñada que es una función de la geometría de la metalización así como la constante dieléctrica. Para la mayor parte de los materiales dieléctricos, el cambio en la constante dieléctrica no es lineal en función de la temperatura, aumentando la tasa de cambio de la constante dieléctrica a medida que aumenta la temperatura. 60

La frecuencia central de la antena se puede medir usando un analizador de redes, u otro dispositivo de medición similar, que mide la cantidad de energía transmitida por la antena. El método de medición típico mide el coeficiente de reflexión de la antena, que consiste de transmitir una señal a lo largo de un cable y medir la cantidad de energía que se devuelve. Si no se devuelve energía, entonces se asume que la mayor parte de la misma pasó al exterior a 65 través de la antena y no se devuelve. El coeficiente de reflexión se mide a través de un intervalo de frecuencias para determinar la frecuencia en la que la antena transmite de forma más eficiente.

Para la mayor parte de las aplicaciones de antena, la temperatura de operación es lo suficientemente baja para que los cambios en la constante dieléctrica por la temperatura no impacten significativamente en cómo funciona la antena. Sin embargo, en aplicaciones tales como la medición de la holgura de las puntas dentro de los dispositivos 5 de turbinas de gas, el cambio de temperatura puede ser lo suficientemente alto para que se puedan observar cambios significativos en la constante dieléctrica.

A la vista de lo anterior, se apreciará que el hecho de medir el nivel de temperatura afrontada por una antena localizada dentro de un entorno de alta temperatura requiere un enfoque diferente que el que se encuentra en la 10 técnica anterior. De este modo, existe una necesidad no resuelta hasta ahora en la industria para tratar las deficiencias y la falta de adecuación mencionadas anteriormente.

El documento DE 40 06 885 A1 describe un sensor para una medición sin contacto de la temperatura de un disco de freno. Se fija una combinación LC al disco de freno y se posiciona un dispositivo transmisor en una localización fija 15 opuesta al disco de freno, que comprende una bobina inductiva que puede estar acoplada inductivamente a la combinación LC del disco de freno. Periódicamente se puede realizar un barrido de frecuencia del dispositivo de transmisión.

Sumario de la invención 20

La presente invención implementa una metodología para medición de la temperatura dentro de entornos de alta temperatura reconociendo el cambio en la constante dieléctrica de un dispositivo resonante, tal como una antena de parche, con el uso de dispositivos electrónicos de microondas apropiados, tal como un analizador de redes. La técnica inventiva usualmente se implementa con una antena de parche u otra antena similar basada en dieléctrico, 25 que tiene un elemento de antena radiante y un sustrato dieléctrico, usualmente colocado dentro de una carcasa o conjunto de sonda. La técnica inventiva también se puede extender para la operación, sin embargo, con otros tipos de estructuras resonantes que tienen materiales dieléctricos tales como ventanas dieléctricas, guías de ondas rellenas de dieléctrico o cualquier otra estructura similar. El material dieléctrico puede ser cualquier material que sea compatible con los entornos de operación de la aplicación y podría ser un material dieléctrico cerámico o basado en 30 plástico.

Para un escenario de medición de temperatura que incluye una antena que opera en un entorno de alta temperatura, la antena está conectada, normalmente a través de un cable de microondas, a un dispositivo electrónico de microondas capaz de enviar una señal electromagnética a lo largo de un cable en una pluralidad de frecuencias y 35 medir la cantidad de energía devuelta a través del cable. Los dispositivos electrónicos están usualmente equipados con un procesamiento de señal analógico o digital capaz de registrar la cantidad de energía reflejada hacia atrás a lo largo del cable, relacionando la energía reflejada con la cantidad de energía que se transmitió y desarrollando un gráfico o un informe que muestra el coeficiente de reflexión como una función de la frecuencia. Los dispositivos electrónicos, usualmente... [Seguir leyendo]

1. Un método para calcular una temperatura en un entorno de alta temperatura que tiene una temperatura igual o mayor de 315, 6 º C, que comprende las etapas de 5

usar una fuente de señal electromagnética para sacar una señal electromagnética con un intervalo de frecuencias de transmisión de una antena que opera en el entorno de alta temperatura, caracterizada la antena por un intervalo de frecuencias centrales diferentes para las diferentes temperaturas de operación;

recibir una señal devuelta que representa las características de reflexión de la antena dentro del intervalo de 10 frecuencias de transmisión, estando el método caracterizado por

aplicar una transformación de frecuencia a tiempo a las formas de onda en fase y en cuadratura extraídas a partir de la señal devuelta para generar los datos resultantes que representan las características de magnitud y fase en el dominio del tiempo para las reflexiones asociadas con la señal devuelta; 15

generar la curva de respuesta para un coeficiente de reflexión S11 para la antena aplicando una transformación de tiempo a frecuencia a una porción de los datos resultantes que comprenden una reflexión asociada con la frecuencia central de la antena;

identificar un punto mínimo para la curva de respuesta para detectar la frecuencia central para la antena; y

aplicar un mapa de calibración para el punto mínimo para identificar una temperatura asociada con la frecuencia central de la antena; y 25

proporcionar la temperatura asociada con la frecuencia central de la antena como la temperatura del entorno de alta temperatura.

2. El método de la Reivindicación 1 que comprende además la etapa de eliminar las reflexiones distintas de la reflexión asociada con la antena en el entorno de alta temperatura, antes de analizar la transformada de tiempo a 30 frecuencia a los datos resultantes, resultando un coeficiente de reflexión S11 para la antena.

3. El método de la Reivindicación 2, en el que la etapa de eliminar las reflexiones distintas de la reflexión asociada con la antena comprende usar un procesamiento de señal para aplicar un recorte temporal a los datos resultantes, que consigue por lo tanto la anulación de las reflexiones. 35

4. El método de la Reivindicación 1, en el que la antena comprende una estructura resonante que se carga con un material dieléctrico que tiene una constante dieléctrica que aumenta con el aumento de temperatura en el entorno de alta temperatura.

5. El método de la Reivindicación 1, en el que la antena comprende una antena de parche que comprende un sustrato dieléctrico que tiene una constante dieléctrica que aumenta con el aumento de temperatura en el entorno de alta temperatura.

6. El método de la Reivindicación 5, en el que el cuerpo de una sonda alberga la antena de parche y se instala para 45 su funcionamiento dentro del entorno de alta temperatura.