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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.
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Temperature measuring device
The invention relates to a temperature measuring device with a gas-filled resonance chamber, which is to be arranged at the temperature measuring point and to which a sound signal generated by a sound source of variable frequency, for example a sound signal of audible frequency, is fed by means of an electroacoustic sound head, the signal frequency being variable within a frequency range, in which the gas enclosed in the resonance chamber is excited to longitudinal resonance vibrations, and a sound detector is provided which detects the sound signal fed to the resonance chamber, with which temperatures can be determined within an extremely wide temperature range.
According to the invention, this temperature measuring device is characterized in that, for the purpose of supplying the sound signal to the resonance chamber, a coupling tube opens into the resonance chamber, which extends from the resonance chamber at the measuring point to a point at ambient temperature, with the purpose of determining resonance in the resonance chamber with the Sound detector a measuring resp.
Display device for the size of the detected sound signal is electrically connected and for the purpose of determining the temperature in the resonance chamber, a frequency measuring device is provided which measures the frequency of the sound signal fed to the resonance chamber in the case of resonance.
Up until now, relatively extensive equipment was required to accurately measure extremely high temperatures. Various, more simply constructed devices, such as thermoelectric pyrometers, liquid thermometers and the like. However, although they are suitable for measuring relatively low temperatures, they are not suitable for measuring temperatures in excess of 1500K. Devices currently in use for measuring high temperatures are generally made of materials that are chemically, diffused, radioactive, and the like. Like. Are disadvantageously changed in their properties. Measurements carried out with such devices are often so inaccurate that further measurements are required to correct the measurements obtained in this way.
In addition, known temperature measuring devices suitable for measuring high temperatures are generally not suitable for measuring extremely low temperatures, for example temperatures below the dew point of hydrogen or below about 20 K.
Accordingly, the main object of the invention is to provide a new and improved temperature measuring device.
It is also an object of the invention to provide an acoustic thermometer with which it is possible to measure temperatures from approximately 20 K to approximately 2,000 K exactly.
A further object of the invention is to create an acoustic thermometer that is not influenced by environmental influences, for example radiation or the like.
In particular, the object of the invention is to create an acoustic thermometer in which acoustic resonance is used to measure both extremely low and extremely high temperatures. In addition, it is also an object of the invention to create an acoustic thermometer that can be produced from readily available materials and that is for use in reactors, furnaces, blast furnaces or in other facilities or locations in which either extremely high or extreme low temperatures are encountered, is suitably dimensioned.
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The acoustic thermometer created by the invention should make it possible to determine the resonance conditions at room temperature or another suitable temperature while the resonance chamber is at the temperature to be determined.
Further advantages of the invention are described in more detail below with reference to the drawing.
1 shows, in the form of a diagram, an embodiment of an acoustic thermometer according to the invention, with the most essential features of the invention, and FIG. 2 likewise shows in the form of a diagram another embodiment of an acoustic thermometer according to the invention.
In general, an acoustic thermometer according to the invention contains a shell enclosing a cavity which has at least one opening at one end. The cavity enclosed by the envelope is filled with a suitable gas which is set into longitudinal vibrations by a sound signal of a determinable frequency which is fed to the resonance chamber via a coupling tube which is attached to the end of the envelope of the resonance chamber provided with the opening. The sound signal fed to the resonance chamber is detected by a suitable measuring device which displays the signal amplitude as a function of the frequency. If the frequency of the sound signal fed to the resonance chamber is such that resonance occurs in the resonance chamber, the measuring device displays a maximum signal amplitude.
The frequency at which resonance conditions prevail in the resonance chamber are used to determine the temperature of the gas enclosed in the resonance chamber, using a relationship which exists between the temperature of the gas and the frequency of the sound signal.
This relationship, which is used to determine the temperature of the gas enclosed in the resonance space, can be derived from various known equations in which relationships between various parameters of gaseous media, for example temperature and speed of sound, are shown. For example, the dependence of the speed of sound in a gaseous medium on the temperature of the medium is determined by the following equation.
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in the
V is the speed of sound in the gas, '1 the ratio of the specific heats (cp / cv) of the gas,
R is the gas constant,
T is the temperature of the gas in K,
M means the molecular weight of the gas.
Furthermore, the speed of sound in a gas-filled chamber with the resonance frequency of the gas column enclosed in the chamber is given by the equation
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= nV determined, in which f is the resonance frequency of the gas column, n is the number of vibration tubes in the gas-filled chamber,
L is the effective length of the chamber enclosing the gas,
V means the speed of sound in the gas-filled chamber.
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In particular, the ratio y of the specific heat of the gas, the gas constant R and the molecular weight M of the gas are essentially constant over a given temperature range.
The effective length L of the chamber enclosing the gas, like the number n of antinodes of the vibrating gas column in the chamber, can also be regarded as constant.
An embodiment of an acoustic thermometer according to the invention, with which temperature
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Area. Cavity 11 encloses. A pair of coupling tubes 13 and 15 are fastened in the openings 16 and 17 of the end walls of the casing 12 of the cylindrical resonator 10 by means of suitable gas-tight connections (not shown).
The coupling pipe 13 is used to feed a sound signal of audible frequency to the acoustic resonator and to conduct it to the coupling pipe 15. The acoustic frequency signal to be transmitted is emitted by a sound head 18 which is attached to the input of the coupling tube 13. A second transducer 21 is attached to one end of the coupling tube 15 and serves as a sound receiver for the sound signals of the audio frequency, which are emitted by the transducer 18 and transmitted through the cavity 11.
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are. According to a preferred embodiment of the invention, the acoustic cavity 11 and the coupling pipes 13 and 15 are filled with an inert gas, for example argon. The acoustic.
Resonator 10 and the associated coupling tubes 13 and 15 are dimensioned so that the essential part of the entire device can easily be attached within a furnace or a reactor - and in the drawing is the part of the furnace or the reactor in which the device is installed, provided with the reference number 22. In the exemplary embodiment shown, the coupling pipes 13 and 15 are dimensioned so long that the outer ends of the coupling pipes extend out of the furnace or the reactor in which the acoustic resonator is located.
The transducers 18 and 21 are thus isolated in a suitable manner from the furnace or reactor in which the resonator is arranged and in which high temperatures prevail. As also shown in the drawing, the outer diameter of the coupling pipes 13 and 15 is enlarged at equal intervals in order to create a plurality of discontinuities so that no resonance vibrations can occur in the wall of the coupling pipes during the transmission of sound signals through the coupling pipes.
The sound signal of audible frequency, which is sent by the transducer through the gas-filled cavity 11 of the resonator 10, is derived from an oscillator 25 of variable frequency generating sound frequencies. As shown in Fig. 1, a counter 26 is connected to the output of the sound frequency oscillator, which precisely measures the frequency of the vibrations emitted by the sound frequency oscillator. The sound receiver 21, which receives the sound signal emitted by the sound emitter and transmitted through the cavity 11 of the resonator 10, is electrically connected to an amplifier 28 for sound frequencies.
The sound frequency received by the sound receiver 21 is thus amplified and the output signal emitted by the amplifier is fed to an oscilloscope or to another suitable measuring device 29. When performing a temperature measurement, the resonator 10 is attached in the area of a point at which the temperature prevailing there is to be determined. The frequency of the sound signal emitted by the sound frequency generator and conducted into the cavity 11 of the resonator 10 via the coupling pipe 13 is adjusted so that resonance occurs in the resonator 10.
Acoustic resonance in the cavity 11 of the resonator 10 is present when the acoustic impedance assumes a minimum value and the speed at which the sound signal propagates through the inert gas contained in the cavity of the resonator assumes a maximum value. To put it more clearly, the acoustic resonance can be defined in such a way that maximum sound amplitudes occur with acoustic resonance at a given sound pressure at a certain frequency.
When the frequency of the sound oscillations generated by the sound generator changes until a resonance occurs in the cavity 11 of the resonator 10, the sound signal received by the sound receiver 21 is amplified and the size of this sound signal is measured and / or observed by means of the device 29. The presence of resonance conditions in the cavity 11 of the resonator 10 can be recognized from the size of the output signal in so far as this output signal then reaches a maximum value. When a maximum value of the output signal is measured and / or observed, the frequency of the vibrations generated by the sound generator is determined by the counter 26.
Both this frequency and the size of the others in proportion
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The parameters contained in the constant K, which are determined in a conventional manner, are then used to determine the temperature T of the gas enclosed in the cavity 11 by means of equation 4. The resonance sharpness or the peak or maximum value of the output signal depends on several factors, namely the length and diameter of the cavity 11 in the resonator 10, the dimensions of the coupling tubes, the static pressure and the temperature of the gas in the cavity 11 and the Type of gas used.
A modified embodiment of an acoustic thermometer according to the invention, with which temperature measurements are carried out in the manner described above, is shown in FIG.
The thermometer shown in FIG. 2 has a resonator 30 which encloses a cavity 31.
This resonator 30 is placed in a zone of high or low temperature, which is indicated by the reference symbol 32.
A single opening 33 is provided on one end face of the casing of the resonator 30, in which a coupling pipe 34 is fixed at one end by a gas-tight connection, not shown in detail. The coupling tube 34 is long enough to thermally isolate an electroacoustic transducer 36 attached to the coupling tube at the other end of the coupling tube in a gas-tight manner from the area whose temperature is to be measured.
According to a preferred embodiment of the invention, the electroacoustic transducer 36 is doubled, u. used both as a sound emitter and as a sound receiver. As shown in FIG. 2, this transducer 36 is electrically connected to a high-speed switching relay 37 and also to the input 38 of an oscilloscope 39. The high-speed switching relay 37 is actuated by a pulse generator 41 at certain time intervals, whereby electrical signals of variable frequency and specific duration generated intermittently by a signal generator 42 are fed to the transducer 36 via the high-speed switching relay 37.
The duration of the signal fed to the transductor 36 via the high-speed switching relay 37 is selected to be long in comparison to the oscillation duration of the signal used, i. H. that about ten oscillations of the frequency to be transmitted are fed to the transducer during the excitation time of the high-speed relay.
When the quick-action relay 37 is energized to supply a signal of limited duration to the transducer 36, the transducer 36 operates as an electrical sound emitter and emits an acoustic signal in the form of a wave packet, the frequency of which corresponds to the output frequency of the signal generator 42, to the cavity 31 of the resonator 30 further. The cavity 31, to which the acoustic signal is supplied, is preferably filled with a suitable inert gas, for example helium, at a certain pressure which assumes a temperature corresponding to the temperature of the area 32.
The acoustic signal, which is fed to the gas-filled cavity 31 of the resonator 30 through the coupling pipe 34 in the form of a wave packet. is reflected through the cavity and arrives again via the coupling pipe 34 to the transducer 36. Even before the reflected signal arrives at the transducer 36, the high-speed switching relay 37 is switched off so that the transducer can act as a sound receiver.
The signal supplied by the signal generator of variable frequency is fed to both the input of the oscilloscope 39 and the transducer 36 via the high-speed switching relay. Similarly, the reflected signal received by transducer 36 is also fed to the input of the oscilloscope. As the frequency of the signal applied to the cavity approaches the resonance frequency, the ratio of the amplitude of the reflected signal to the amplitude of the transmitted or impressed signal approaches a minimum that can easily be seen on the oscilloscope screen.
The frequency at which resonance conditions prevail in the cavity 31 of the resonator 30, which, as mentioned, are expressed on the oscilloscope screen by the ratio of the amplitudes of the transmitted and received signals, is displayed by the counter 43, which detects the signal output by the signal generator 42.
During operation, the various electrical devices, such as the signal generator 42, the high-speed switching relay 37 and the oscilloscope 39 are actuated in such a way that pulses or wave packets of sound energy are intermittently fed to the resonator 30 via the coupling tube 34.
At the beginning of the measurement, the resonance frequency of the gas column enclosed in the resonator is first approximately determined. For this purpose, the signal generator 42, which must be tuned uniformly over a certain frequency range until resonance conditions are reached, is set so that the frequency of the signal emitted by this signal generator is slightly below the assumed resonance frequency of the gas column in the resonator, whereupon intermittent signals continuously increasing frequency are fed to the transducer via the high-speed switching relay.
At the same time, the variable frequency signal emitted by the signal generator is inter-
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midway fed to the input of the oscilloscope 39. Correspondingly, in addition to a tracer of the transmitted signal of a frequency, a tracer of the signal reflected by the cavity 31 is also shown on the oscilloscope screen.
As the frequency of the signal emitted by the signal generator 42 and fed to the transducer approaches the resonance frequency of the gas column in the resonator 30, the ratio of the amplitudes of the reflected signal and the transmitted signal approaches a minimum; The luminous screen of the oscillator appearing and the light trail corresponding to the reflector signal ebbs, it is indicated that a maximum sound power supplied to the cavity 31 of the resonator is absorbed. If the frequency of the signal is increased above the resonance frequency, this is reflected in an increase in the ratio of the amplitude of the reflected signal and the transmitted signal.
The resonance frequency of the resonator can be precisely determined by observing the light trail appearing on the oscillator screen and at the same time changing the frequency of the signal emitted by the signal generator. The resonance frequency itself can be taken from the frequency counter 43. The temperature of the gas enclosed in the resonator is then calculated using equation 4, the factors contained in the proportionality factor K being determined as already described.
In connection with the description of the embodiments of temperature measuring devices according to the invention shown in FIGS. 1 and 2, it was shown that temperature measuring devices according to the invention are suitable for measuring temperatures within a large temperature range. It goes without saying that the structural details of acoustic temperature measuring devices according to the invention given above serve only to explain the invention. Numerous modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, the construction of the coupling pipes can be changed in a suitable manner and arranged differently without fundamentally changing the mode of operation of a temperature measuring device according to the invention.
Although the preferred embodiments of acoustic temperature measuring devices according to the invention have been described in connection with the measurement of high temperatures, it is obvious that other properties of gases enclosed in the acoustic resonator, for example density or pressure, can easily be measured with the same device.
PATENT CLAIMS:
1. Temperature measuring device with a gas-filled resonance chamber, which is to be arranged at the temperature measuring point and to which a sound signal generated by a sound source of variable frequency, e.g. a sound signal of audible frequency, is fed by means of an electroacoustic transducer, the signal frequency being changeable within a frequency range in which the gas enclosed in the resonance chamber is excited to longitudinal resonance oscillations, and a sound detector is provided which detects the sound signal fed to the resonance chamber, characterized in that for the purpose of feeding the sound signal to the resonance chamber (12 in Fig. 1, 30 in Fig. 2) in the Resonance chamber a coupling pipe (13 in Fig. 1, 34 in Fig.
2) opens, which extends from the resonance chamber located at the measuring point to a point located at ambient temperature, whereby for the purpose of determining resonance in the resonance chamber with the sound detector (21 in Fig. 1, 36 in Fig. 2) a measuring or. Display device (29 in Fig. 1, 39 in Fig. 2) for the size of the detected sound signal is electrically connected and a frequency measuring device (26 in Fig. 1, 43 in Fig. 2) is provided for the purpose of determining the temperature prevailing in the resonance chamber, which measures the frequency of the sound signal fed to the resonance chamber in the case of resonance.