Vorrichtung zum Messen von Temperaturen
Diese Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Messen von Temperaturen, bei welchen ein akustisches Signal von einer Signalquelle veränderbarer Frequenz auf eine Kammer übertragen wird.
Bisher erforderten genaue Messungen von äusserst hohen Temperaturen die Verwendung einer ziemlich komplizierten Einrichtung. Verschiedene weniger komplizierte Vorrichtungen, wie z. B. Thermoelemente, Pyrometer und zahlreiche Thermometer mit fliissigkeitsgefiillten Kugeln, obgleich für Messungen über einen mässigen Temperaturbereich passend, haben sich als unfähig zum Messen von Temperatu- ren über 1500 K erwiesen. Die gegenwärtigen zum Messen von hohen Temperaturen benutzten Vorrichtungen sind gewöhnlich aus Materialien hergestellt, welche äusserst empfindlich gegenüber chemischer Einwirkung, Diffusion, durch nukleare Strahlung induzierte Umsetzungen und dergleichen sind, und von solchen Einwirkungen auch ungünstig beeinflusst werden.
Die dadurch erzielten Messungen sind daher oft so ungenau, dass Korrekturen oder zusätzliche Messungen erforderlich sind. Ferner eignen sich Vorrichtungen, mit denen Messungen von hohen Temperaturen vorgenommen werden können im allgemeinen nicht für Messungen von äusserst niedrigen Temperaturen, z. B. von Temperaturen unter dem Taupunkt von Wasserstoff oder unter ungefähr 20 K.
Die vorliegende Erfindung bezweckt daher hauptschlich die Schaffung eines neuartigen und verbesserten Temperaturmessgerätes.
Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht in der Schaffung eines akustischen Thermometers, das Temperaturen über einen Bereich von annähernd 20 bis 2000 K genau messen kann.
Die nach der Erfindung vorgeschlagene Vorrichtung zum Messen von Temperaturen ist gekennzeichnet durch ein Verbindungsrohr, das an der genannten Kammer angeschlossen ist, um ihr das über- tragene Signal zuzuführen, durch Mittel, um die Frequenz des übertragenen Signals über einen Bereich von Frequenzen zu ändern, bis innerhalb der Kammer ein Resonanzzustand hergestellt ist und durch Mittel zum Anzeigen des der genannten Kammer übermittelten Signals und Mittel zum Messen der Frequenz des dieser Kammer zugeleiteten Signals, das Ganze derart, dass die Resonanzfrequenz ein Mass ist für die Temperatur innerhalb der genannten Kammer.
Das erfindungsgemässe, akustische Thermometer kann aus leicht erhältlichen Materialien hergestellt und zum Benutzen in Reaktoren, Ofen und andern Vorrichtungen oder Örtlichkeiten, wo äusserst hohe oder niedere Temperaturen auftreten, passend proportioniert werden.
Die Mittel zum Bestimmen einer akustischen Resonanz können bei dem genannten, akustischen Thermometer bei Zimmertemperatur oder anderer passender Temperatur betätigt werden, während in der Resonanzkammer die Temperatur von Interesse aufrechterhalten bleibt.
In der beiliegenden Zeichnung sind zwei beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigt :
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Ausführungsform eines akustischen Thermometers gemäss der Erfindung und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer abge änderten Ausführungsform des akustischen Thermometers.
Die vorliegenden Ausführungsbeispiele betreffen im allgemeinen ein akustisches Thermometer mit einem Gehäuse, welches mindestens eine Öffnung an seinem einen Längsende aufweist. Die von dem Gehäuse umschlossene Höhlung oder Kammer ist mit einem passenden Gas gefüllt, das durch ein Tonsignal von bestimmbarer Frequenz in längsgerichteter Resonanzweise zu schwingen veranlasst wird, wobei dieses Signal durch einen innerhalb des geöffneten Endteils des Gehäuses gelagerten Verbindungs-oder Kopplungsrohr der Kammer zugeleitet wird. Das in die Kammer übertragene Signal wird von einer passenden Messvorrichtung aufgenommen, welche die Amplitude des Signals als Funktion der Frequenz aufzeichnet.
Wenn die durch die Kammer übertra- gene Frequenz des Tonsignals so ist, dass darin ein Zustand akustischer Resonanz hergestellt wird, dann zeigt die Messvorrichtung ein maximales Signal an.
Dieser Frequenzwert, der innerhalb der Kammer den Resonanzzustand erzeugt, wird dazu benutzt, um die Temperatur des darin befindlichen Gases aus einer Beziehung zu bestimmen, welche die Gastemperatur als Funktion der Frequenz des zugeführten Tonsignals ausdrückt.
Diese Beziehung, welche zum Bestimmen der Gastemperatur innerhalb der Kammer Verwendung findet, wird aus mehreren, allgemein bekannten Gleichungen abgeleitet, die verschiedene Parameter oder Bestimmungsgrössen eines gasförmigen Mediums, wie beispielsweise Temperatur und Schalloder Tongeschwindigkeit, miteinander in Beziehung bringen. So ist z.
B. allgemein festgestellt, dass die Geschwindigkeit des Schalls oder Tons in einem gasförmigen Medium mit der Temperatur dieses Mediums durch folgende Gleichung in Beziehung steht : worin :
EMI2.1
V = Geschwindigkeit des Tons oder Schalls innerhalb des gasförmigen Mediums, = das Verhältnis der spezifischen Wärmen (cl,/cV) des gasförmigen Mediums, R = die Gaskonstante, T = Temperatur des gasförmigen Mediums in absoluten Einheiten ( K),
M = Molekulargewicht des gasförmigen Me diums.
In ähnlicher Weise ist es allgemein bekannt, dal3 die Schallgeschwindigkeit in einer gasgefüllten Kammer zur Schwingungsfrequenz der darin umschlossenen Gassäule durch die folgende Gleichung in Beziehung steht : 2L worin : f = Schwingungsfrequenz der Gassäule, n = Anzahl der durch Schwingung imierhalb der gasgefüllten Kammer gebildeten Schwingungsbäuche,
L = wirksame Kammerlänge, in welcher das gasförmige Medium umgrenzt ist,
V = Schallgeschwindigkeit in der gasgefüllten
Kammer.
Durch Kombination der Gleichungen 1 und 2 ist daher ersichtlich, dass die Temperatur des gasförmi- gen Mediums innerhalb einer umschlossenen Kammer mit dem Quadrat der Schwingungsfrequenz der Gassäule durch die folgende Gleichung in Beziehung steht : -
NZyR
Aus praktischen Gründen werden die in Gleichung 3 enthaltenen Faktoren mit Annahme der Frequenz im wesentlichen konstant gehalten. Demgemäss lässt sich die Temperatur (T) des gasförmigen Mediums als Funktion des Quadrates der Schwingungsfrequenz mal einer Konstante ausdrücken :
T = Kf2 (4)
Insbesondere bleiben das Verhältnis der spezifischen Wärme (y) eines gasförmigen Mediums, die Gaskonstante (R) und das Molekulargewicht (M) des gasförmigen Mediums über einem gegebenen Temperaturbereich annähernd konstant.
Die wirksame Kammerlänge (L), worin das gasförmige Medium eingeschlossen ist, kann ferner als ein konstanter Wert angenommen werden, ebenso auch die Anzahl der Schwingungsbäuche (n), die durch die innerhalb der Kammer erzeugten Schwingungen gebildet werden.
Ein Ausführungsbeispiel eines akustischen Thermometers, welches gemäss den oben beschriebenen Prinzipien Temperaturen in einem Bereich von annähernd 20 bis 2000 K messen kann, ist in Fig. 1 dargestellt. Dieses Thermometer besitzt einen zylin derförmigen, akustischen Resonator 10 mit einer hohlen innern Kammer oder Aushöhlung 11. Ein Paar Verbindungs-oder Kopplungsrohre 13 und 15 sind durch passende, gasdichte, nicht dargestellte Fittings innerhalb der Offnungen 16, 17 angeordnet, welche in den Längsenden eines die zylinderförmige Kammer umgrenzenden Gehäuses 12 ausgebildet sind.
Das Kopplungsrohr 13 hat die Aufgabe, ein Tonsignal durch den akustischen Resonator und zum Kopplungsrohr 15 zu übertragen. Das übertragene Tonsignal rührt von einem Messgeber 18 her, der am Einlassende des Kopplungsrohres 13 angebracht ist.
Ein zweiter Messgeber 21 ist am Auslassende des Kopplungsrohres 15 angebracht und empfängt das Tonsignal, welches vom Messgeber 18 durch die Kammer 11 übertragen wird. Beide Messgeber 18 und 21 sind jeweils über den Einlass-und Auslassenden der Kopplungsrohre 13 bzw. 15 angeordnet, so dass sowohl die Verbindungs-oder Kopplungsrohre als auch die akustische Kammer 11 gasdicht sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Kammer 11 und demgemäss auch die Verbindungsrohre 13 und 15 mit einem inerten Gas, z. B. mit Argon, gefüllt.
Der akustische Resonator 10 und die zugeordneten Verbindungsrohre 13 und 15 sind so proportioniert, dass ein beträchtlicher Teil der ganzen Vorrichtung ohne weiteres innerhalb eines Ofens oder eines Reaktors untergebracht werden kann, der in der Zeichnung durch die Bezugsziffer 22 angedeutet ist. Die dargestellten Verbindungsrohre 13 und 15 sind genügend lang, so dal3 sich deren Aussenenden aus dem Ofen oder Reaktor herauserstrecken, worin der akustische Resonator untergebracht ist.
Die Messgeber 18 und 21 sind gegenüber den hohen Temperaturen passend isoliert, welche in dem Ofen, worin sich der Resonator befindet, auftreten.
Wie ferner dargestellt, ändert sich der Aussendurchmesser eines jeden der Verbindungsrohre 13 und 15 periodisch in gleichmässiger Weise, um eine Mehrzahl Impedanzungleichmässigkeiten so vorzusehen, dass im Wandmaterial der Verbindungsrohre kein Resonanzzustand während des Ubertragens eines Tonsignals durch letztere auftreten kann.
Das Tonsignal, welches vom Messgeber 18 durch die gasgefüllte, akustische Kammer 11 übertragen wird, rührt von einem Tonfrequenzoszillator 25 mit veränderlicher Frequenz her. Wie dargestellt, liegt ein Zähler 26 an den Ausgangsklemmen des Ton frequenzoszillators und misst genau die Frequenz des dadurch übertragenen Tonsignals. Der tonwiedergebende Messgeber 21, der das Tonsignal aufnimmt, welches vom Messgeber 18 durch die akustische Kammer 11 übertragen wird, ist elektrisch an einen Tonfrequenzverstärker 28 angeschlossen. Das vom Messgeber 21 empfangene Tonsignal wird verstärkt, und das vom Verstärker erhaltene Ausgangssignal wird einem Oszillograph oder einer andern, passenden Messvorrichtung 29 zugeführt.
Im Betrieb wird der akustische Resonator 10 innerhalb einer Umgebung angeordnet, in welcher Temperaturmessungen vorgenommen werden sollen.
Die Abgabe des Tonfrequenzoszillators wird so abgestimmt, dass die Frequenz des Tonsignals das durch das Verbindungsrohr 13 und die akustische Kammer 11 des Resonators übertragen wird, einen Resonanzzustand darin herstellt. Akustische Resonanz tritt dann gewöhnlich innerhalb der Kammer 11 auf, wenn die akustische Impedanz ein Minimum wird und die Geschwindigkeit des Tonsignals, welches durch das darin befindliche, inerte Gas gelangt, ein Maximum ist. Kurz ausgedrückt, akustische Resonanz kann als maximales Ansprechen auf einen gegebenen akustischen Druck bei einer besonderen Frequenz definiert werden.
Da die Frequenz des Tonfrequenzoszillators bis zur Herstellung eines Resonanzzustandes innerhalb der Kammer 11 geändert wird, wird das vom Messgeber 21 empfangene Signal verstärkt und die Grösse dieses Signals gemessen und/oder an der Vorrichtung 29 abgelesen. Ein Zustand akustischer Resonanz innerhalb der Kammer 11 ist aus der Grösse des Aus gangssignals ersichtlich, insofern dieses Ausgangssignal einen Höhepunkt oder einen Maximalwert bei Resonanz erreicht. Wenn maximale Abgabe gemessen und beobachtet wird, dann wird die Frequenz des Tonfrequenzoszillators, wie durch den Zähler 26 angezeigt, aufgezeichnet.
Dieser Frequenzwert und auch der Wert der andern in der Proportionalitäts- konstanten K enthaltenen Parameter, welche in üblicher Weise bestimmt werden, werden dann dazu benutzt, um die Temperatur (T) des innerhalb der Kammer vorhandenen Gases aus der in Gleichung 4 ausgedrückten, Beziehung abzuleiten. Die Schärfe des Spitzenwerkes oder des maximalen Ausgangssignals hängt von verschiedenen Faktoren ab, näm- lich von der Länge und vom Durchmesser des akustischen Resonators, von der Grösse der Verbindungsrohre, vom statischen Druck und von der Temperatur des gasförmigen Mediums, und von der Art des verwendeten Gases.
Eine abgeänderte Ausführungsform eines akustischen Thermometers zum Ausführen von Temperaturmessungen in der beschriebenen Weise ist in Fig. 2 dargestellt. Dieses Thermometer weist einen zylindrischen Resonator oder ein akustisches Gehäuse 30 auf, das eine hohle, innere Kammer oder eine Resonanzhöhlung 31 umgibt. Der Resonator oder das Gehäuse 30 ist innerhalb eines umgrenzten Hochoder Niedertemperaturbereiches angeordnet, der durch die Bezugsziffer 32 angedeutet ist.
Eine einzige Öffnung 33 ist an einem Längsende des Gehäuses 30 ausgebildet, und das eine Ende eines Verbindungsrohres 34 ist in dieser Offnung mittels eines nicht gezeigten, passenden, gasdichten Fittings befestigt. Das Verbindungsrohr 34 ist genügend lang, um einen elektroakustischen Messgeber 36, der im sich nach auswärts erstreckenden Endteil dieses Rohres gasdicht befestigt ist, vom Bereich 32 zu isolieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform übt der elektroakustische Messgeber 36 eine Doppelfunktion aus, indem er wahlweise als ein Geber und als ein Empfänger benutzt werden kann. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist der Messgeber elektrisch mit einem schnellwirkenden Relais 37 und auch mit der Ein gangsklemme 38 des Oszillographen 39 verbunden.
Das schnellansprechende Relais 37, welches mit einer vom Impulsgeber 41 gesteuerten Geschwindigkeit betätigt wird, liefert mittels eines Signalgenerators 42 von veränderlicher Frequenz intermittierend ein elektrisches Signal von bestimmter Dauer zum Messgeber 36. Die Dauer des dem Messgeber durch das Schnellrelais 37 zugeführten Signals wird im Vergleich zur Periodendauer des angelegten Signals lang gewählt. So werden annähernd 10 Perioden bei der übertragenen Frequenz dem Messgeber während der intermittierenden Perioden zugeführt, in welchen sich das Relais in einem betätigten oder erregten Zustand befindet.
Wenn das Relais zum Zuführen eines Signals von begrenzter Dauer zum Messgeber 36 erregt wird, dann arbeitet der Messgeber als elektroakustischer Sender und liefert ein akustisches Signal oder ein Wellenpaket zur Kammer 31 mit einer Frequenz, welche der Ausgangsfrequenz des Signalgenerators 42 entspricht. Die Kammer 31, welcher das akustische Signal zugeführt wird, ist vorzugsweise mit einem passenden, inerten Gas, wie beispielsweise Helium, gefüllt, welches in der Kammer unter einem gewissen, vorbestimmten Druck und unter einer Temperatur eingeschlossen ist, welche der Temperatur der Zone 32 entspricht.
Das Wellenpaket oder das akustische Signal, welches durch das Verbindungsrohr 34 zur gasgefüllten Kammer 31 übertragen wird, wird von der Kammer reflektiert und durch das Verbindungsrohr dem Messgeber 36 zugeleitet. Vor dem Zeitpunkt, zu dem das Signal zum Messgeber 36 reflektiert wird, wird das Schnellrelais aberregt, und der Messgeber arbeitet dann als ein Empfänger.
Das dem Signalgenerator mit veränderlicher Frequenz durch das Schnellrelais zugeführte Signal wird an die Eingangsklemme des Oszillographen 39 und auch am Messgeber 36 angelegt. In ähnlicher Weise wird das vom elektroakustischen Messgeber empfangene reflektierte Signal der Eingangsklemme des Oszillographen zugeführt. Wenn sich die Frequenz des zur Kammer übertragenen Signals der Resonanzfrequenz derselben nähert, so erreicht das Verhältnis der Amplitude des reflektierten Signals zur Amplitude des übertragenen Signals einen Minimalwert, der sich ohne weiteres an den Leuchtspuren, die am Oszillograph erscheinen, feststellen lässt.
Die Frequenz, bei welcher dieser Resonanzzustand in der Kammer 31 auftritt, und sich durch die relativen Amplituden der übertragenen und empfangenen Signale, die am Oszillograph erscheinen, anzeigt, wird durch einen Frequenzzähler 43 bestimmt, der das Ausgangssignal vom Signalgenerator 42 aufnimmt und überwacht.
Beim Betrieb werden die verschiedenen, elektrischen Apparaturen, wie der Signalgenerator 42, das Schnellrelais 37 und der Oszillograph 39 in Tätig- keit gesetzt, so dass Impulse oder Wellenpakete von akustischer Energie intermittierend durch das Verbindungsrohr 34 zur Kammer 30 übertragen werden. Zu Beginn eines Messvorganges wird eine Annäherung hinsichtlich der Resonanzfrequenz der in der Kammer des Gehäuses eingeschlossenen Gassäule gemacht. Der Signalgenerator 42, welcher gleichmässig und auswähIend über einen Bereich von Frequenzen bis zum Erzielen eines Resonanzzustandes innerhalb des Gehäuses verändert werden muss, wird entsprechend eingestellt, so dass seine Abgabe bei einer Frequenz erfolgt, die etwas unter der angenäherten Resonanzfrequenz der Gassäule liegt.
Hernach werden intermitterend Signale von gleichmässig zunehmender Frequenz dem Messgeber 36 durch das Schnellrelais zugeführt.
Gleichzeitig damit wird der Eingangsklemme des Oszillographen 39 die sich ändernde Abgabe des Signalgenerators zugeführt. Demgemäss erscheint eine Leuchtspur eines übertragenen Signals bei einer gewissen Frequenz am Oszillographen zusammen mit einer Spur des gleichen Signals, welches durch die Kammer 31 reflektiert wird.
Wenn die Frequenz des dem Messgeber vom Generator 42 erteilten Signals sich der Resonanzfrequenz des gasgefüllten akustischen Gehäuses 30 nähert, dann erreicht das Verhältnis der Amplitude der reflektierten und übertragenen Signale, die am Oszillographen erscheinen, annähernd einen Minimalwert, und die Spur des reflektierten Signals nimmt ersichtlich ab, wenn ein Maximalbetrag von akustischer Energie von der Kammer absorbiert wird. Eine über den Resonanzpunkt hinausgehende Zunahme in der Frequenz des Signals zeigt sich als eine Zunahme im Verhältnis der Amplituden der reflektierten und übertragenen Signale an.
Durch Beobachtung der am Oszillographen er scheinenden Leuchtspur und durch gleichzeitiges Ver ändern der Ausgangsfrequenz, des Signalgenerators wird eine genaue Bestimmung der Resonanzfrequenz des akustischen Resonators bewirkt. Der Wert der Resonanzfrequenz wird durch den Frequenzzähler 43 ermittelt, während die Temperatur des im Gehäuse befindlichen Mediums durch das in der Gleichung (4) ausgedrückte Verhältnis bestimmt wird, wobei sich die in der Proportionskonstante K enthaltenen Faktoren, wie bereits beschrieben, bestimmen lassen.