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Temperaturmessgerät
Die Erfindung bezieht sich auf ein Temperaturmessgerät mit einem gasgefüllten Resonanzraum, der an der Temperaturmessstelle anzuordnen ist und dem ein von einer Schallquelle veränderlicher Frequenz erzeugtes Schallsignal, beispielsweise ein Schallsignal von Hörfrequenz, mittels eines elektroakustischenSchallkopfes zugeführt wird, wobei die Signalfrequenz innerhalb eines Frequenzbereiches veränderbar ist, in dem das im Resonanzraum eingeschlossene Gas zu longitudinalen Resonanzschwingungen angeregt wird, und ein Schalldetektor vorgesehen ist, der das dem Resonanzraum zugeführte Schallsignal erfasst, mit welchem Temperaturen innerhalb eines extrem weiten Temperaturbereiches bestimmt werden können.
Dieses Temperaturmessgerät ist gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Zuführung des Schallsignals zum Resonanzraum in den Resonanzraum ein Kopplungsrohr mündet, das sich von dem an der Messstelle befindlichen Resonanzraum bis zu einer auf Umgebungstemperatur befindlichen Stelle erstreckt, wobei zwecks Feststellung von Resonanz im Resonanzraum mit dem Schalldetektor eine Mess- bzw.
Anzeigeeinrichtung für die Grösse des erfassten Schallsignals elektrisch verbunden ist und zwecks Bestimmung der im Resonanzraum herrschenden Temperatur eine Frequenzmesseinrichtung vorgesehen ist, die die Frequenz des dem Resonanzraum zugeführten Schallsignals im Resonanzfall misst.
Bisher waren zur genauen Messung extrem hoher Temperaturen relativ umfangreiche Geräte erforderlich. Verschiedene, einfacher aufgebaute Einrichtungen, wie beispielsweise thermoelektrische Pyrometer, Flüssigkeitsthermometer u. dgl. sind jedoch, obwohl sie zur Messung relativ niedriger Temperaturen geeignet sind, nicht geeignet zur Messung von 1500 K übersteigenden Temperaturen. Gegenwärtig in Verwendung stehende Geräte zur Messung hoher Temperaturen sind im allgemeinen aus Materialien hergestellt, welche durch chemische Einflüsse, durch Diffusion, durch radioaktive Strahlung bewirkte Umwandlungen u. dgl. in ihren Eigenschaften nachteilig verändert werden. Mit solchen Geräten durchgeführte Messungen sind oft so ungenau, dass zur Korrektur der so erhaltenen Messungen weitere Messungen erforderlich werden.
Darüber hinaus sind bekannte, für die Messung hoher Temperaturen geeignete Temperaturmessgeräte im allgemeinen nicht für die Messung extrem niedriger Temperaturen, beispielsweise von unterhalb des Taupunktes von Wasserstoff oder unterhalb etwa 20 K liegenden Temperaturen, geeignet.
Dementsprechend ist Hauptgegenstand der Erfindung, ein neues und verbessertes Temperaturmessgerät zu schaffen.
Es ist auchGegenstand der Erfindung, ein akustisches Thermometer zu schaffen, mit dem es möglich ist Temperaturen von etwa 20 K bis etwa 2 000 K exakt zu messen.
Weiters ist es Gegenstand der Erfindung, ein akustisches Thermometer zu schaffen, das durch Umgebungseinflüsse, beispielsweise durch Strahlung od. dgl. nicht beeinflusst wird.
Insbesondere ist es Gegenstand der Erfindung, ein akustisches Thermometer zu schaffen, in welchem akustische Resonanz sowohl zur Messung extrem niedriger als auch extrem hoher Temperaturen ausgenutzt wird. Darüber hinaus ist es auch Gegenstand der Erfindung, ein akustisches Thermometer zu schaffen, das aus leicht erhältlichen Materialien herstellbar ist und'das für die Verwendung in Reaktoren, Öfen, Hoch- öfen oder in sonstigen Einrichtungen oder Örtlichkeiten, in denen entweder extrem hohe oder extrem niedrige Temperaturen anzutreffen sind, geeignet dimensioniert ist.
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Das durch die Erfindung geschaffene akustische Thermometer soll es ermöglichen, die Resonanzbedin- gungen bei Raumtemperatur oder einer andern geeigneten Temperatur feststellen zu können, während sich die Resonanzkammer auf der zu bestimmenden Temperatur befindet.
Weitere Vorteile der Erfindung sind im folgenden an Hand der Zeichnung noch näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt in Form eines Diagrammes eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen akustischen Thermometers, mit den wesentlichstenErfindungsmerkmalen und Fig. 2 zeigt ebenfalls inForm einesDiagrammes eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemässen akustischen Thermometers.
Im allgemeinen enthält ein erfindungsgemässes akustisches Thermometer eine, einen Hohlraum umschliessende Hülle, welche mindestens eine Öffnung an einem Ende besitzt. Der von der Hülle umschlossene Hohlraum ist mit einem geeigneten Gas gefüllt, das durch ein Schallsignal bestimmbarer Frequenz, welches dem Resonanzraum über ein Kopplungsrohr, welches am mit der Öffnung versehenen Ende der Hülle des Resonanzraumes befestigt ist, zugeführt wird, in Längsschwingungen versetzt wird. Das dem Resonanzraum zugeführte Schallsignal wird von einer geeigneten Messeinrichtung, welche die Signalamplitude als Funktion der Frequenz anzeigt, erfasst. Wenn die Frequenz des dem Resonanzraum zugeführten Schallsignals so liegt, dass im Resonanzraum Resonanz eintritt, wird von der Messeinrichtung eine maximale Signalamplitude angezeigt.
Jene Frequenz, bei welcher im Resonanzraum Resonanzbedingungen herrschen, dienen zur Bestimmung der Temperatur des im Resonanzraum eingeschlossenen Gases, wobei eine Beziehung ausgenutzt wird, welche zwischen der Temperatur des Gases und der Frequenz des aufgeprägten Schallsignals besteht.
Diese Beziehung, welche zur Bestimmung der Temperatur des im Resonanzraum eingeschlossenen Gases verwendet wird, kann von verschiedenen bekannten Gleichungen abgeleitet werden, in welchen Zusammenhänge verschiedener Parameter gasförmiger Medien, beispielsweise Temperatur und Schallgeschwindigkeit, aufgezeigt sind. Es ist beispielsweise die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in einem gasförmigen Medium von der Temperatur des Mediums durch folgende Gleichung bestimmt.
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in der
V die Schallgeschwindigkeit im Gas, '1 das Verhältnis der spezifischen Wärmen (cp/cv) des Gases,
R die Gaskonstante,
T die Temperatur des Gases in K,
M das Molekulargewicht des Gases bedeutet.
Weiters ist die Schallgeschwindigkeit in einer gasgefüllten Kammer mit der Resonanzfrequenz der in der Kammer eingeschlossenen Gassäule durch die Gleichung
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= nVbestimmt, in der f die Resonanzfrequenz der Gassäule, n die Anzahl der SchwingungsJ5äuche in der gasgefüllten Kammer,
L die wirksame Länge der das Gas einschliessenden Kammer,
V die Schallgeschwindigkeit in der gasgefüllten Kammer bedeutet.
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Insbesondere ist das Verhältnis y der spezifischen Wärme des Gases, die Gaskonstante R und das Molekulargewicht M des Gases über einen gegebenen Temperaturbereich im wesentlichen konstant.
Auch die wirksame Länge L der das Gas einschliessenden Kammer kann ebenso wie die Anzahl n der Schwingungsbäuche der schwingenden Gassäule in der Kammer als konstant angesehen werden.
Eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen akustischen Thermometers, mit welchem Tempera-
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Bereicheseinen. Hohlraum 11 umschliesst. Mittels nicht dargestellter geeigneter gasdichter Anschlüsse sind in den Öffnungen 16 und 17 der Stirnwände der Hülle 12 des zylindrischen Resonators 10 ein Paar Kopplungsrohre 13 und 15 befestigt.
Das Kopplungsrohr 13 dient dazu, ein Schallsignal von Hörfrequenz dem akustischen Resonator zuzuführen und zum Kopplungsrohr 15 zu leiten. Das zù übertragende Schallsignal von Hörfrequenz wird von einem Schallkopf 18 abgestrahlt, welcher am Eingang des Kopplungsrohres 13 befestigt ist. Ein zweiter Schallkopf 21 ist an einem Ende des Kopplungsrohres 15 befestigt und dient als Schallempfänger für die Schallsignale von Hörfrequenz, welche vom Schallkopf 18 abgestrahlt und durch den Hohlraum 11 ge-
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sind. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der akustische Hohlraum 11 und die Kopplungsrohre 13 und 15 mit einem inerten Gas, beispielsweise mit Argon, gefüllt. Der akustische.
Resonator 10 und die dazugehörigen Kopplungsrohre 13 und 15 sind so bemessen, dass der wesentliche Teil des ganzen Gerätes leicht innerhalb eines Ofens oder eines Reaktors angebracht werden kann- und in der Zeichnung ist der Teil des Ofens oder desReaktors, in welchem das Gerät angebracht ist, mit dem Bezugszeichen 22 versehen. Die Kopplungsrohre 13 und 15 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel so lang bemessen, dass die äusseren Enden der Kopplungsrohre sich aus dem Ofen bzw. dem Reaktor, in welchem sich der akustische Resonator befindet, hinaus erstrecken.
Die Schallköpfe 18 und 21 sind damit in geeigneter Weise isoliert vom Ofen bzw. Reaktor, in welchem der Resonator angeordnet ist und in welchem hohe Temperaturen herrschen. Wie in der Zeichnung weiters dargestellt ist, ist derAussendurchmesser derKopplungsrohre 13 und 15 in gleichen Abständen vergrössert, um eine Mehrzahl von Diskontinuitäten zu schaffen, so dass in der Wandung der Kopplungsrohre während des Übertragens von Schallsignalen durch die Kopplungsrohre keine Resonanzschwingungen auftre- ten können.
Das Schallsignal von Hörfrequenz, welches durch den Transduktor durch den gasgefüllten Hohlraum 11 des Resonators 10 geschickt wird, wird von einem Schallfrequenzen erzeugenden Oszillator 25 veränderliche Frequenz abgeleitet. Wie in Fig. l dargestellt, ist an den Ausgang des Schallfrequenzoszillators ein Zähler 26 angeschlossen, der die Frequenz der vom Schallfrequenzoszillator abgegebenen Schwingungen genau misst. Der Schallempfänger 21, welcher das vom Schallabstrahler abgestrahlte und durch den Hohlraum 11 des Resonators 10 übertrageneSchallsignal empfängt, ist elektrisch mit einem Verstärker 28 für Schallfrequenzen verbunden.
Die vom Schallempfänger 21 empfangene Schallfrequenz wird somit verstärkt und das vom Verstärker abgegebene Ausgangssignal wird einem Oszillographen oder einer andern geeignetenMesseinrichtung 29 zugeführt. Bei Durchführung einer Temperaturmessung wird der Resonator 10 im Bereiche einer Stelle angebracht, an der die dort herrschende Temperatur bestimmt werden soll. Die Frequenz des vom Schallfrequenzgenerator abgegebenen und über dasKopplungsrohr 13 in den Hohlraum 11 des Resonators 10 geleitetenSchallsignals wird so eingestellt, dass im Resonator 10 Resonanz eintritt.
Akustische Resonanz im Hohlraum 11 des Resonators 10 liegt dann vor, wenn die akustische Impedanz einen Minimalwert und die Geschwindigkeit, mit der sich dasSchallsignal durch das im Hohlraum des Resonators enthaltene inerte Gas fortpflanzt, einen Maximalwert annimmt. Deutlicher ausgedrückt, kann die akustische Resonanz so definiert werden, dass bei akustischer Resonanz bei gegebenem Schalldruck bei einer bestimmten Frequenz maximale Schallamplituden auftreten.
Bei Veränderung der Frequenz der vom Schallgenerator erzeugten Schallschwingungen bis zum Auftreten einer Resonanz im Hohlraum 11 des Resonators 10 wird das vom Schallempfänger 21 aufgenommene Schallsignal verstärkt und die Grösse dieses Schallsignals wird mittels der Einrichtung 29 gemessen und/oder beobachtet. Das Vorliegen vonResonanz- bedingungen im Hohlraum 11 des Resonators 10 ist insoferne an der Grösse des Ausgangssignals erkennbar, als dann diesesAusgangssignal einen Maximalwert erreicht. Wenn ein Maximalwert des Ausgangssignals gemessen und/oder beobachtet wird, wird die Frequenz der vom Schallgenerator erzeugten Schwingungen durch den Zähler 26 bestimmt.
Sowohl diese Frequenz als auch die Grösse der andern in der Proportiona-
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litätskollstante K enthaltenen Parameter, welcher in herkömmlicher Weise bestimmt werden, werden dann zur Bestimmung der Temperatur T des im Hohlraum 11 eingeschlossenen Gases mittels der Gleichung 4 verwendet. Die Resonanzschärfe bzw. der Scheitel- bzw. Maximalwert des Ausgangssignals hängt von mehreren Faktoren, nämlich der Länge und dem Durchmesser des Hohlraumes 11 im Resonator 10, den Abmessungen der Kopplungsrohre, vom statischen Druck und der Temperatur des im Hohlraum 11 befindlichen Gases und von der Art des verwendeten Gases ab.
Eine abgeänderte Ausführungsform eines erfindungsgemässen akustischen Thermometers, mit welchem in der oben beschriebenen Weise Temperaturmessungen vorgenommen werden, ist in Fig. 2 dargestellt.
Das in Fig. 2 gezeigte Thermometer weist einen Resonator 30 auf, der einen Hohlraum 31 einschliesst.
Dieser Resonator 30 wird in eine Zone hoher oder niedriger Temperatur eingebracht, welche durch das Bezugszeichen 32 angedeutet ist.
An einer Stirnseite der Ummantelung des Resonators 30 ist eine einzige Öffnung 33 vorgesehen, in welcher mit einem Ende ein Kopplungsrohr 34 durch eine nicht näher dargestellte gasdichte Verbindung festgelegt ist. Das Kopplungsrohr 34 ist lang genug, um einen am andern Ende des Kopplungsrohres gasdicht am Kopplungsrohr angebrachten elektroakustischen Transduktor 36 thermisch vom Bereich, dessen Temperatur gemessen werden soll, zu isolieren.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der elektroakustische Transduktor 36 doppelt, u. zw. sowohl als Schallabstrahler als auch als Schallempfänger ausgenutzt. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist dieser Transduktor 36 elektrisch mit einem Schnellschaltrelais 37 und auch mit dem Eingang 38 eines Oszillographen 39 verbunden. Das Schnellschaltrelais 37 wird von einem Impulsgeber 41 in gewissen Zeitabständen betätigt, wodurch über das Schnellschaltrelais 37 intermittierend von einem Signalgenerator 42 erzeugte elektrische Signale veränderlicher Frequenz und bestimmter Dauer dem Transduktor 36 zugeführt werden.
Die Dauer des dem Transduktor 36 über das Schnellschaltrelais 37 zugeleiteten Signals wird lange gewählt im Vergleich zur Schwingungsdauer des verwendeten Signals, d. h. dass etwa zehn Schwingungen der zu übertragenden Frequenz während derErregungszeit des Schnellschaltrelais dem Transduktor zugeführt werden.
Wenn dasSchnellschaltrelais 37 erregt wird, um ein Signal begrenzter Dauer dem Transduktor 36 zu- zuführen, arbeitet der Transduktor 36 als elektrischer Schallabstrahler und gibt ein akustisches Signal in Form eines Wellenpaketes, dessen Frequenz der Ausgangsfrequenz des Signalgenerators 42 entspricht, an den Hohlraum 31 des Resonators 30 weiter. Der Hohlraum 31. dem das akustische Signal zugeführt wird, ist vorzugsweise mit einem geeigneten inerten Gas, beispielsweise Helium, von einem bestimmten Druck gefüllt, das eine der Temperatur des Bereiches 32 entsprechende Temperatur annimmt.
Das akustische Signal, welches in Form eines Wellenpaketes durch dasKopplungsrohr 34 dem gasgefüllten Hohlraum 31 des Resonators 30 zugeführt wird. wird durch den Hohlraum reflektiert und gelangt wieder über das Kopplungsrohr 34 zum Transduktor 36. Noch bevor das reflektierte Signal zum Transduktor 36 gelangt, wird das Schnellschaltrelais 37 abgeschaltet, so dass der Transduktor als Schallempfänger wirken kann.
Das vom Signalgenerator veränderlicher Frequenz gelieferte Signal wird über das Schnellschaltrelais sowohl dem Eingang des Oszillographen 39 als auch dem Transduktor 36 zugeführt. In ähnlicher Weise wird auch das vom Transduktor 36 empfangene reflektierte Signal dem Eingang des Oszillographen zugeführt. Wenn die Frequenz des dem Hohlraum zugeführten Signals sich der Resonanzfrequenz nähert, nähert sich das Verhältnis der Amplitude des reflektierten Signals zur Amplitude des übertragenen bzw. aufge- prägten Signals einem Minimum, das am Oszillographenschirm leicht festgestellt werden kann.
Jene Frequenz, bei welcher im Hohlraum 31 des Resonators 30 Resonanzbedingungen herrschen, welche sich, wie erwähnt, amOszillographenschirm durch das Verhältnis der Amplituden des übertragenen und des empfangenen Signals äussern, wird vom Zähler 43 angezeigt, welcher das vom Signalgenerator 42 abgegebene Signal erfasst.
Im Betrieb werden die verschiedenen elektrischen Einrichtungen, wie beispielsweise der Signalgenerator 42, das Schnellschaltrelais 37 und der Oszillograph 39 derart betätigt, dass Impulse bzw. Wellenpakete an Schallenergie intermittierend über das Kopplungsrohr 34 dem Resonator 30 zugeführt werden.
Beim Beginn der Messung wird zunächst die Resonanzfrequenz der im Resonator eingeschlossenen Gassäule annähernd bestimmt. Zu diesem Zweck wird der Signalgenerator 42, welcher gleichförmig über einen gewissen Frequenzbereich bis zur Erreichung von Resonanzbedingungen durchzustimmen ist, so eingestellt, dass die Frequenz des von diesem Signalgenerator abgegebenen Signals etwas unterhalb der angenomme- nen Resonanzfrequenz der Gassäule im Resonator liegt, worauf intermittierende Signale stetig zunehmender Frequenz über das Schnellschaltrelais dem Transduktor zugeführt werden.
Gleichzeitig damit wird das vom Signalgenerator abgegebene Signal veränderlicher Frequenz inter-
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mittierend demEingang des Oszillographen 39 zugeführt. Dementsprechend zeigt sich am Oszillographenschirm neben einerLeuchtspur des übertragenen Signals einer Frequenz noch eine Leuchtspur des durch den Hohlraum 31 reflektierten Signals.
In dem Masse als die Frequenz des vom Signalgenerator 42 abgegebenen und dem Transduktor zuge- führten Signals sich der Resonanzfrequenz der Gassäule im Resonator 30 nähert, nähert sich das Verhältnis der Amplituden des reflektierten Signals und des übertragenen Signals einem Minimum, wobei, wenn die auf dem Leuchtschirm des Oszillators erscheinende und dem Reflektorsignal entsprechende Leuchtspur verebbt, angezeigt, wird, dass ein Maximum an dem Hohlraum 31 des Resonators zugeführter Schalleistung absorbiert wird. Wenn die Frequenz des Signals über die Resonanzfrequenz hinaus erhöht wird, so zeigt sich dies in einer Zunahme des Verhältnisses der Amplitude des reflektierten Signals und des übertragenen Signals.
Bei Beobachtung der auf dem Oszillatorschirm erscheinenden Leuchtspur und gleichzeitiger Änderung der Frequenz des vom Signalgenerator abgegebenen Signals kann die Resonanzfrequenz des Resonators genau bestimmt werden. DieResonanzfrequenz selbst kann dem Frequenzzähler 43 entnommen werden. Die Temperatur des im Resonator eingeschlossenen Gases wird sodann mittels der Gleichung 4 berechnet, wobei die im Proportionalitätsfaktor K enthaltenen Faktoren, wie bereits beschrieben, bestimmt werden.
Im Zusammenhang mit der Beschreibung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen erfindungsgemässer Temperaturmessgeräte wurde gezeigt, dass erfindungsgemässe Temperaturmessgeräte zur Messung von Temperaturen innerhalb eines grossen Temperaturbereiches geeignet sind. Es ist selbstverständlich, dass die oben angegebenen baulichen Einzelheiten erfindungsgemässer akustischer Temperaturmessgeräte lediglich zur Erläuterung der Erfindung dienen. Ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu treten, können zahlreiche Abänderungen getroffen werden. So können beispielsweise die Kopplungsrohre in ihrem Aufbau in geeigneter Weise verändert und anders angeordnet werden, ohne die Arbeitsweise eines erfindungsgemässen Temperaturmessgerätes grundlegend zu verändern.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemässer akustischer Temperaturmessgeräte im Zusammenhang mit der Messung von hohen Temperaturen beschrieben wurden, so ist es doch offensichtlich, dass auch andereEigenschaften von im akustischen Resonator eingeschlossenen Gasen, beispielsweise die Dichte oder der Druck mit derselben Einrichtung leicht gemessen werden können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Temperaturmessgerät mit einem gasgefülltenResonanzraum, der an der Temperaturmessstelle anzuordnen ist und dem ein von einer Schallquelle veränderlicher Frequenz erzeugtes Schallsignal, bet- spielsweise ein Schallsignal von Hörfrequenz, mittels eines elektroakustischen Schallkopfes zugeführt wird, wobei die Signalfrequenz innerhalb eines Frequenzbereiches veränderbar ist, in dem das im Resonanzraum eingeschlossene Gas zu longitudinalen Resonanzschwingungen angeregt wird, und ein Schalldetektor vorgesehen ist, der das dem Resonanzraum zugeführte Schallsignal erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Zuführung des Schallsignals zum Resonanzraum (12 in Fig. l, 30 in Fig. 2) in den Resonanzraum ein Kopplungsrohr (13 in Fig. l, 34 in Fig.
2) mündet, das sich von dem an der Messstelle befindlichen Resonanzraum bis zu einer auf Umgebungstemperatur befindlichen Stelle erstreckt, wobei zwecks Feststellung von Resonanz im Resonanzraum mit dem Schalldetektor (21 in Fig. l, 36 in Fig. 2) eine Messbzw. Anzeigeeinrichtung (29 in Fig. 1, 39 in Fig. 2) für die Grösse des erfassten Schallsignals elektrisch verbunden ist und wobei zwecks Bestimmung der im Resonanzraum herrschenden Temperatur eine Frequenzmesseinrichtung (26 in Fig. l, 43 in Fig. 2) vorgesehen ist, die die Frequenz des dem Resonanzraum zugeführten Schallsignals im Resonanzfall misst.