Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur durch Messung der Schallgeschwindigkeit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur durch Messung der Schallgeschwindigkeit, mit einer Sonde und einem Wandler zum Aussenden eines längs der Sonde wandernden Schallimpulses und zum Abtasten der von der Sonde reflektierten Echosignale, wobei der Wandler eine elektromagnetische Spule und ein magnetostriktives Element aufweist, dessen eines Ende mit der Sonde verbunden ist.
Im folgenden werden unter Schall mechanische Störungen jeder Art verstanden, welche sich in einem Medium oder Körper als Wellenbewegung mit einer Geschwindigkeit fortpflanzen, die gleich der Schallgeschwindigkeit ist. Unter dem Begriff Schall werden also beispielsweise auch Störungen mit Frequenzen im Ultraschallgebiet verstanden.
In Vorrichtungen der genannte Art erzeugt ein Wandler einen Schallimpuis, der sich in Längsrichtung in die Sonde fortpflanzt und an zwei voneinander entfernten Stellen, beispielsweise am Anfang und am Ende der Sonde, an Unstetigkeitsstellen mindestens teilweise reflektiert wird. Aus der an einem gemeinsamen Punkt ermittelten Zeitdifferenz zwischen den Echosignalen der beiden Echostellen und aus der be- kannten Distanz zwischen diesen beiden Echostellen lässt sich die Schallgeschwindigkeit ermitteln, und aus deren Temperaturabhängigkeit kann die Sondentemperatur bestimmt werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das von der Sonde abgekehrte Ende des magnetostriktiven Elementes mit einer Abschlussmasse verbunden ist, und dass an dem zuletzt genannten Ende die Spule zur Erzeugung des Schallimpuls es angeordnet ist.
Bei bekannten Vorrichtungen zur Ermittlung der Temperatur durch Messung der Schallgeschwindigkeit, die z. B. in der schweizerischen Patentschrift Nr. 404 984 beschrieben worden sind, wurde eine akustische Fehlanplassung des magnetostriktiven Elementes, die bei der erfindungsgemässen Vorrichtung durch die Abschlussmasse gebildet wird, sorgfältig vermieden.
Dies geschah dadurch, dass das betreffende Ende des magnetostriktiven Elementes zwecks möglichst vollständiger Dämpfung des gegen dieses Ende wandern- den Schallimpulses in Plastilin gebettet wurde. Bei einer nicht bekannt gemachten Vorrichtung der genannten Art wurde eine Dämpfung des gegen das betreffende Ende wandernden Schallimpulss dadurch erreicht, dass dieses Ende des streifenförmigen magnete striktiven Elementes in der Form einer Flachspule aufgewickelt wurde, deren Radius vorzugsweise das fünfzehnfache der Dicke des die Flachspule bildenden Materials überstieg.
Bei Ausführungsbeispielen der erfindungsgemässen Vorrichtung sind jedoch die von der Abschlussmasse herrührenden Reflexionen in Phase mit dem auftretenden Impuls, und der reflektierte Impuls und der direkt gegen die Sonde wandernde Impuls können sich zu einem einzigen, etwas breiteren Impuls überlagern, der gegen die Sonde wandert. Der Grund, dass sich die beiden Impulse zu einem einzigen, breiteren überlagern können, kann darin bestehen, dass die elektromagnetische Spule sehr nahe bei der Abschlussmasse liegt, und die Breite des ursprünglichen Impulses genügend gross ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die Abschlussmasse vorteilhaft in einer Gewindebohrung eines Trägers einstellbar angeordnet, wobei die Abschlussmasse zur Polarisierung g des magnetostriktiven Elementes einen Permanentmagneten enthalten kann. Die magnetische Polarisierung kann den Vorteil aufweisen, dass die nach längeren Betriebsunterbrüchen bzw. nach längerem Nichtgebrauch festgestellte Langzeit-Drift stark vermindert wird.
Der Permanentmagnet kann durch einen Elektromagneten ersetzt sein, wenn damit zu rechnen ist, dass ein Permanentmagnet durch die im Betrieb herrschenden Bedingungen entmagnetisiert würde. Ferner ist die magnetische Polarisierung des Elementes im Sinne einer permanenten Vormagnetisierung in der entspre chenden Ausführungsform der Vorrichtung eingebaut sind und dauernd auf das Element einwirken, und nicht im Sinne eines vormagnetisierenden Mittels, das, wie in einem bereits bekannten Aufbau, in der Form eines Stabmagneten zum Bestreichen des magnetostrik- tiven Elementes verwendet wird.
Das magnetostriktive Element kann ein Streifen aus Permendur sein, während in einer bekannten Apparatur, die in der schweizerischen Patentschrift Nr. 404 984 beschrieben ist, das magnetostriktive Element ein Nickelröhrchen ist. Der Grund für diese Anderung, d. h. die Wahl der gegenüber einem Rohr ungünstigeren Form eines Streifens bei einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung, liegt darin, dass es schwierig ist, Rohre aus Permendur herzustellen. Eine Verbesserung des streifenförmigen magnetostriktiven Elementes kann aber darin bestehen, dass die Enden des Streifens in einander entgegengesetzten Drehrichtungen um die Längsachse des Streifens verdreht werden, so dass ein schraubenförmig verdrilltes Element entsteht, das allerdings die optimalen Eigenschaften eines Rohres aus Permendur nicht erreicht.
Im folgenden werden Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung rein beispielsweise unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, in welcher
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt eines Temperaturfühlorganes zeigt;
Fig. 2 das Blockschema einer Ausgangsschaltung darstellt, die zusammen mit einem Temperaturfühlorgan verwendbar ist, welches gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten etwas modifiziert ist, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer photoelektrischen Einrichtung zeigt, die in einer alternativen Ausgangsschaltung verwendbar ist.
Das in Fig. 1 dargestellte Temperaturfühlorgan weist eine am einen Ende geschlossene Schutzumhüllung 80 auf, die aus Niob oder einem andern geeigneten Material bestehen kann. An ihrem offenen Ende ist die Schutzumhüllung 80 mit einem Aussengewinde versehen, auf welchem ein mit einem entsprechenden Innengewinde versehenes Keramikrohr 82 mit etwa 25 mm Innendurchmesser als Fortsetzung der Schutzumhüllung 80 festgeschraubt ist. Im Keramikrohr 82 ist koaxial zu diesem ein rotationssymmetrischer, aus Pyrophyllit bestehender Tragkörpler 84 eingesetzt, der eine durchgehende koaxiale Bohrung aufweist, die in ihrer mittleren Partie mit einem Gewinde 89 versehen ist.
In die Gewindepartie 89 des Tragkörpers 84 ist ein Gewindebolzenstück 75 eingesetzt, an dessen nach innen gerichtetem Ende das magnetostriktive Element 74 befestigt ist, und das an seinem nach aussen gerichteten Ende einen sich vollständig in der Bohrung des Tragkörpers 84 befindenden stabförmigen Permanentmagneten 88 trägt. Das Gewindebolzenstück 75 und der Permanentmagnet 88 bilden zusammen die Abschlussmasse des magnetostriktiven Elementes 74, das aus einem verdrillten Streifen von etwa 3 mm Breite und etwa 0,25 mm Dicke aus Permendur besteht.
Die Ganghöhe des schraubenförmig verdrillten Elementes 74 beträgt dabei etwa 12 mm, und die Lage des im Gewindebolzenstück 75 befestigten Endes des Elementes 74 kann durch Drehen des Gewindebolzenstükkes 75 justiert werden. An seinem andern Ende ist das Element 74 akustisch angepasst an einer Übertragungs- leitung 71 befestigt, die aus einem etwa 30 cm langen Graphitrundstab 71a von rund 3 mm Durchmesser besteht, der mittels mehrerer Schrauben 81 aus Graphit abgestützt ist, die in der Schutzumhüllung 80 um 120O gegeneinander versetzt angeordnet sind. Das magnetostriktive Element 74 ist mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Asbestschnur umwickelt.
In das gegen die geschlossene Partie der Schutzumhüllung 80 gerichtete Ende der Übertragungsleitung 71 ist als Sonde ein Draht 79 von 3 cm Länge und 1 mm Durchmesser aus Rhenium eingeschraubt, wobei die Sonde 79 freitragend von der Übertragungsleitung absteht. Die Längsachse der Schnunruhüllung 80 ist ebenfalls Längsachse der Sonde 79, der Übertragungsleitung 71 und des magnetostriktiven Elementes 74. Konzentrisch zu der mit dem Schraubenbolzen 75 verbundenen Endpartie des Elementes 74 und konzentrisch zueinander sind auf einem vom Tragkörper 84 gebildeten Spulenkörper eine Erregerspule 72 und eine Abtastspale 73 angeordnet, deren Wicldungsenden an nach aussen geführten Anschlussbolzen elektrisch leitend befestigt sind.
Mit dem beschriebenen Temperaturfühlorgan wird die Temperatur der Sonde 79 wie folgt ermittelt: Die Erregerspule 72 wird mit einem elektrischen Impulsgenerator verbunden und die Abtastspule 73 mit einem Kathodenstrahloszillographen. Mit dem Impulsgenerator wird der Erregerspule 72 ein elektrischer Impuls genügender Breite zugeführt, der im magnetostriktiven Element 74 einen Schallimpuls erzeugt, der sich nach beiden Enden des magnetostriktiven Elementes 74 fortpflanzt.
Da die Abschlussmasse 75, 88 dem Erzeugungsort des Schallimpulses unmittelbar benachbart ist, überlagert sich der an dieser reflektierte Schallimpuls bei genügend grosser Impulsbreite dem gegen die Sonde 79 wandernden Impuls, der an allen Unstetig keitsstellen auf seinem Weg zur Sonde 79 Echosignale erzeugt, die an den Anschlüssen der Abtastspule 73 als elektrische Echosignale erscheinen. Da das mit der Übertragungsleitung 71 verbundene Ende des magnetostriktiven Elementes 74 akustisch an die erstere angepasst ist, rühren die ausgeprägtesten Echosignale vom Anfang und Ende des die Sonde bildenden Rheniumdrahtes 79 her.
Der aus der doppelten Länge der Sonde 79 und der auf dem Kathodenstrahloszillographen ablesbaren Zeitdifferenz zwischen den vom Anfang und Ende der Sonde herrührenden Echosignalen gebildete Quotient ist gleich der Schallgeschwindigkeit in der Sonde 79. Bei bekannter Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Materialtemperatur der Sonde lässt sich die Temperatur der letzteren auf Grund des zeitlichen Abstandes der empfangenen Echosignale ermitteln. Das in Fig. 1 dargestellte Temperaturfühlorgan kann jedoch an Stelle der einen Ab tastsplule 73 deren zwei aufweisen, die nebeneinander angeordnet sind und magnetisch voneinander geschirmt sind. Das derart modifizierte Temperaturfühlorgan kann dann mit der in Fig. 2 dargestellten Ausgangsschaltung zusammenarbeiten.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausgangsschaltung, die zum Anschluss an ein Temperaturfühlorgan mit zwei Abtastspulen 73a und 73b vorgesehen ist, weist zwei Verstärker 31 auf. Jeder Verstärker 31 ist über zwei einadrige, mit einem mineralischen Isolierstoff isolierte Kabel, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, mit der ihm zugeordneten Abtastspule 73a bzw. 73b verbunden. Eine Impulsschaltung 32 erzeugt einerseits Steuersignale, die den Verstärkern 31 zugeführt wer den und letztere für gewisse Zeitintervalle in Betrieb bzw. ausser Betrieb setzen, und andererseits erzeugt die Impulsschaltung 32 Impulszüge, die vier Impulse aufweisen, welche der Erregerspule 72 zugeführt werden.
Ein vier Impulse aufweisender Impulszug besteht aus zwei Impulspaaren, deren Impulse durch ungleiche Zeitintervalle getrennt sind. Dabei ist das Zeitintervall zwischen den Impulsen des einen Paares um einen Zeitbetrag b länger als ein variables Zeitintervall T,, und das Zeitintervall zwischen den Impulsen des andern Paares, um den gleichen Zeitbetrag 8 kürzer als das variable Zeitintervall, wobei a < 3 To gilt. Ferner ist der zeitliche Abstand zwischen den beiden Impulspaaren genügend gross, so dass sich Echosignale des ersten Paares und des zweiten Paares nicht überlappen.
Durch die Steuersignale der Impulsschaltung 32 werden die Verstärker 31 nacheinander so in Betrieb gesetzt, dass der eine Verstärker das erste Impulspaar und dessen zugehörige Echosignale empfängt und der andere Verstärker das andere Impulspaar und dessen zugehörige Echosignale. Derjenige Verstärker 31, der über die Abtastspule 73a das erste Impulspaar empfängt, weist im Ausgangskreis eine elektronische Verzögerungsschaltung 33 auf, welche die verstärkten Signale so verzögert, dass die Mittelpunkte der beiden verstärkten Impulspaare am Ausgang der Verzögerungsschaltung 33 bzw. am Ausgang des Verstärkers 31 gleichzeitig auftreten.
Zur Erreichung dieser Gleichzeitigkeit dienen einerseits die beiden nebeneinander angeordneten Abtastspulen 73a und 73b, deren Abstand voneinander so gewählt ist, dass die Wirkung der Zeitdifferenz zwischen den Impulsen aufeinanderfolgender Impulspaare aufgehoben wird, und anderseits die elektronische Verzögerungsschaltung 33, welche den zeitlichen Abstand zwischen der Erzeugung des ersten und des zweiten Impulspaares kompensiert.
Die am Ausgang der Verzögerungsschaltung 33 und am Ausgang des mit der Abtastspule 73b verbundenen Verstärkers erscheinenden Signale werden nach vorherigem Beschneiden zum Eliminieren von Rauschsignalen und von Effekten, die von Einzelimpulsen herrühren, einen selbstabgleichenden Servosystem 35 zugeführt. Das Servosystem gleicht sich dabei durch Veränderung des variablen Zeitintervalles zwischen den Impulsen eines Impulspaares so ab, dass das variable Zeitintervall gleich der doppelten Zeitdauer ist, die der Schall braucht, um den Weg zwischen den Echostellen der Sonde (Anfang und Ende der Sonde) zu durchlaufen.
Wenn das variable Zeitintervall auf die erwähnte Weise eingestellt ist, überlagert sich das vom Ende der Sonde ausgehende Echo des ersten Impulses eines Paares mit dem von zweiten Impuls des Paares am Anfang der Sonde hervorgerufenen, Echo zu einem starken kombinierten Signal, das nach genügend starker Verstärkung vom Servosystem 35 verarbeitet werden kann. Das variable Zeitintervall ist ein Mass für die Schallgeschwindigkeit in der Sonde. Da die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Sondentemperatur bekannt ist, ist bei geeigneter Eichung das vom Servosystem eingestellte variable Zeitintervall ein Mass für die Temperatur der Sonde.
An Stelle des Servosystems 35 und der Schaltung zum Beschneiden der Signale kann auch die in Fig. 3 schematisch dargestellte photoelektrische Einrichtung dienen, mittels welcher bei zyklischer Veränderung des variablen Zeitintervalles, beispielsweise durch einen langsam rotierenden Drehkondensator, die kombinierten Echosignale der beiden Impulspaare bei gleichzeitigem Erscheinen auf gleiche Amplitudengrösse abgetastet werden.
Die Einrichtung gemäss Fig. 3 weist einen permanent magnetisierten Hufeisenmagneten 42 auf, zwischen dessen Polen zwei durch einen streifenförmigen Schirm 41a getrennte Bändchen 41 aus Duraluminium eingespannt sind, deren Ebenen senkrecht zu den Magnetfeldlinien verlaufen. Jedes der Bändchen 41 weist in seiner Mittelpartie einen in Längsrichtung verlaufenden schmalen Schlitz 45 auf. Jedes Bändchen ist vom Ausgangsstrom des einen Verstärkers 31 bzw. der Verzögerungsschaltung 33 durchflossen, wobei geeignete Anpassungstransformatoren zwischengeschaltet sind, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Die Polschuhe des Hufeisenmagneten 42 sind in Richtung der Verbindungsachse der beiden Schlitze 45 zum Durchlassen eines von einem Linsensystem gebündelten Lichtstrahles durchbohrt.
Der von der Lichtquelle 49 erzeugte Lichtstrahl fällt nur dann auf den photoelektrischen Detektor 46, wenn die beiden elastisch aufgehängten Bändchen 41 unter der Wirkung eines sie durchfliessenden Stromes gleich weit und in gleicher Richtung aus ihrer Ruhelage ausgelenkt werden. Dies ist nur dann der Fall, wenn die genannten Ausgangsströme nicht null sind und gleich gross sind, da im Ruhezustand die Durchsicht durch die beiden Schlitze 45 infolge des streifenförmigen Schirmes 41a verunmöglicht ist. Das vom photoelektrischen Detektor 46 abgegebene Ausgangssignal wird in einem geeigneten Netzwerk geglättet, so dass unvermeidliche transiente Koinzidenzsignale ihren Einfluss verlieren, und dass nur dann ein beträchliches Ausgangssignal entsteht, wenn die Impulse während einem beträchtlichen Teil der Länge der kombinierten Echoimpulse zusammenfallen.
Das dabei entstehende Ausgangssignal des photoelektrischen Detektors 46 kann dann zur Feststellung des dem variablen Zeitintervall zugeordneten Drehwinkels des oben erwähnten Drehkondensators benützt werden, indem beispielsweise durch das beträchtliche Ausgangssignal der Strahl eines Kathodenstrahl-Oszil lographen unterdrückt wird, dessen Strahl in Abhängigkeit des Drehwinkels des Drehkondensators ausgelenkt wird.
Bei miniaturisierten Temperaturfühlern haben die dargelegten Verbesserungen und Modifikationen zu einer Vergrösserung des Nutz- zu Störsignal-Verhältnisses geführt, so dass es möglich ist, die Schallgeschwindigkeit eines Impulses zu erfassen, der mehr als einmal den Hin- und Rückweg durch die Sonde zurücklegt. Beispielsweise ist dies möglich durch Ermittlung der Zeitdifferenz, welche zweimal am Anfang und Ende der Sonde reflektierte Impulse für das Zurücklegen der genannten Strecke benötigen (wobei die Impulse zwischen den zwei Reflexionen durch die Abschlussmasse zurückgesandt werden, welche von wesentlicher Bedeutung ist). Auf diese Weise ist es möglich, die Sonde sehr kurz zu machen.