Verfahren zur Temperaturmessung und Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturmessung, sowie eine Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
Erfmdungsgemäss ist das Verfahren zur Temperaturmessung dadurch gekennzeichnet, dass ein Festkörper, dessen akustische Eigenschwingungsfrequenz temperaturabhängig ist, der zu messenden Temperatur ausgesetzt wird, und eine thbertragungsleitung, die über eine Zone mit hoher akustischer Impedanz mit dem Festkörper gekoppelt ist, mit impulsförmigen Paketen akustischer Schwingungen beaufschlagt wird, dass die Schwingungsfrequenz jedes impulsförmigen Paketes eingestellt wird, bis Resonanz des Festkörpers festgestellt wird, und dass ein Mass dieser Frequenz zur Bestimmung der Temperatur des Festkörpers herangezogen wird.
Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren an Hand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beillegende Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt
Fig. 1 das Blockschema einer Einrichtung zur Temperaturmessung, und die
Fig. 2a, 2b und 2c zeigen Oszillogramme akustischer Schwingungen, wobei Fig. 2a ein Beispiel eines Schwingungspaketes begrenzter Dauer darstellt, mit welchem der Temperaturfühler beaufschlagt wird, Fig. 2b ein zur Anregungsstelle reflektiertes Echo darstellt, wenn die Anregungsfrequenz etwa 10 0/o von der Resonanzfrequenz abweicht, und Fig. 2c ein reflektiertes Echo bei Resonanz darstellt.
Die Einrichtung gemäss Fig. 1 weist eine elektronische Schaltanordnung 1 auf, welche elektrische Schwingungen in Form von Schwingungspaketen erzeugt, deren Sohwingungsfrequenz im Bereich von etwa 50 kHz bis 100 kHz einstellbar ist. Jedes der impulsförmigen Schwingungspakete kann dabei etwa 30 bis 40 Schwingungsperioden aufweisen. Die von der Schaltanordnung 1 erzeugten Schwingungspakete werden einerseits einem Oszillographen 4 und anderseits einem Wandler 2 zugeleitet, welcher die Sonde 3 mit entsprechenden akustischen Schwingungen anregt.
Die Sonde 3 weist einen magnetostriktiven Draht 5 auf, welcher zusammen mit der koaxial dazu angeordneten Spule 6 den Wandler 2 bildet, sowie eine an den magnetostriktiven Draht 5 akustisch angepasste Übertragungsleitung 7 und eine die Übertragungsleitung 7 abschliessende Resonatoreinheit 8. An Stelle des magnetostriktiven Wandlers 2 könnte auch ein anderer elektroakustischer Wandler eingesetzt sein. Die Schwingungsfrequenz jedes Schwingungspaketes, sowie die Dauer jedes Schwingungspaketes sind vom Bedienenden einstellbar. Die den Schwingungspaketen entsprechenden Schallwellen, welche vom Wandler erzeugt werden, breiten sich axial in beiden Richtungen im Draht 5 aus. Die sich nach rückwärts, d. h. nach links ausbreitenden Schallwellen werden von einem massiven Abschlussblock 9 reflektiert.
Der Abschlussblock 9, welcher einen Polarisiernngsmagnet enthalten kann, ist in einem Abstand A/4 von der Spule 6 entfernt angeordnet, wobei A die Wellenlänge der Schallwellen im Draht 5 bedeutet. Die in Vorwärtsrichtung, d. h. in Fig. 1 nach rechts wandernden Wellen werden daher durch die vom Abschlussblock 9 reflektierten Wellen verstärkt, und die beiden sich überlagernden Wellenzüge werden über den angepassten Übergang zwischen dem Draht 5 und der Übertragungsleftung 7 in die letztere injiziert.
Die Üb er- tragungsleitung 7 kann bis zu 6 m lang sein und die Form eines flexiblen Drahtes von rund 11in mm Durchmesser oder eines Stabes von bis zu etwa 6,5 mm Durchmesser aufweisen. Der Kathodenstrahl-Oszillograph 4 dient nicht nur zur Aufzeichnung der anregenden Wellenpakete, sondern auch zum Sichtbarmachen der von der Spule 6 aufgefangenen reflektierten Echos.
Durch die Übertragungsleitung 7 wird der Draht 5 mit der Resonatoreinheit 8 verbunden. Die aus einem einzigen Materialstück gefertigte Resonatoreinheit 8 weist einen Koppler auf, der an seinem Übergang zur Übertragungsleitung ein Gebiet 10 mit hoher akustischer Impedanz bildet. Das Gebiet 10 ist ein Abschnitt von A/4 Länge einer Übertragungsleitung mit hoher Impedanz, an den sich ein Abschnitt von A/4 Länge eines Materialstückes mit niedriger Impedanz anschliesst, wel ches den eigentlichen Temperaturfühler 11 bildet. Die akustischen Echosignale, welche zum Wandler zurückkehren und von diesem wieder in elektrische Signale zum Aufzeichnen auf dem Oszillographen umgewandelt werden, bestehen aus Signalen, die vom Übergang und von der Resonatoreinheit reflektiert worden sind.
Wenn die Anregungsfrequenz gegenüber der Reso- nanzfrequenz verstimmt ist, ist der Beitrag der Resonatoreinheit 8 zum Echosignal gering, und das letztere ist weitgehend eine Nachbildung des Anregungssignals.
Dies geht aus dem Verglelch des Anregungssignals nach Fig. 2a und des Echosignals nach Fig. 2b hervor, wobei das Oszillogramm des letzteren für den Fall aufgenommen wurde, in welchem die Frequenz des Anregungssignales rund 10 ovo von der Resonanzfrequenz entfernt lag. Wenn die Frequenz des Anregungsignals gleich der Resonanzfrequenz ist, sind beide Beiträge bedeutsam und von vergleichbarer Grössenordnung. Wie aus Fig. 2c hervorgeht, weist das Echosignal bei Resonanz drei gut abgegrenzte Gebiete A, B und C auf. Die Gebiete A und B weisen als Hüllkurven zwei sich kreuzende Exponentialkurven auf, und die Schwingungen in den beiden Gebieten unterscheiden sich durch eine Phasendifferenz.
Ein Vergleich der Fig. 2b und 2c zeigt, dass die Phasendifferenz in Resonanznähe sehr rasch auftritt Der Bereich C in Fig. 2c zeigt das exponentielle Dekrement des im Resonator gespeicherten Signals.
Als charakteristische Merkmale, welche zum Auffinden der Resonanz dienen können, sind die Stelle mit verschwindender Amplitude an der Kreuzungsstelle der Hüllkurven zwischen den Gebieten A und B, oder die Maximalamplitude des Gebietes C zu nennen. Das Verschwinden der Amplitude zwischen den Gebieten A und B beruht auf einem Phaseneffekt, der zum präzisen Einstellen einer automatischen Einheit ausgenützt werden kann, während der Amplitudeneffekt der allgemeinen oder groben Lokalisierung des Resonanzgebietes dienen kann. Das Vorgehen besteht dann darin, den fraglichen Frequenzbereich lückenlos zu überstreichen, bis eine ausgeprägt scharfe Zunahme der Amplitude im Gebiet C auftritt, und anschliessend die Frequenz, der das Amplitudenmaximum zugeordnet ist, nach oben und/oder unten derart zu verändern, bis die Amplitude zwischen den Gebieten A und B verschwindet.
Die dieser Frequenz zugeordnete Temperatur kann dann einer früher erstellten Eichkurve oder -Tabelle entnommen werden.
Die Frequenz könnte aber auch einer Regelvorrichtung eines Systems als Eingabegrösse und Mass für die Temperatur zugeführt werden. Da das Signal, welches ein Mass für die Temperatur bildet, durch seine Frequenz charakterisiert ist, ist eine Übertragung desselben ohne Informationsverlust über jede beliebige geeignete Verbindung möglich. Ferner kann das Signal bzw. dessen Frequenz auf einfache Weise in eine zur Aufzeichnung oder zur Verwendung in einer Regelvorrichtung eines Systems geeignete digitale Information umgewandelt werden.
Damit die Sonde eine ausreichende Empfindlichkeit zum genauen Feststellen der Resonanz aufweist, muss die akustische Kopplung zwischen dem Gebiet mit der hohen Impedanz und dem Material mit der niedrigen Impedanz derart eingestellt sein, dass die internen akustischen Energieverluste innerhalb des Materials mit der niedrigen Impedanz, d. h. im eigentlichen Fühler 11, bei der Temperatur, bei welcher der Fühler zum Einsatz kommt, ungefähr gleich den Verlusten an der Koppelstelle sind. Wenn die Kopplung auf die beschriebene Weise eingestellt ist, stellt man fest, dass die Güte des Fühlers so gross ist, dass eine nützliche Verwendung möglich ist, und dass die Resonanzbedingnng scharf feststellbar ist.
Die auf diese beschriebene Weise ermittelte Tempe- ratur entspricht der Fühlertemperatur, d. h. die Messresultate sind vollständig unabhängig vom Temperaturprofil entlang der Übertragungsleitung. Die Materialwahl und die Dimensionierung der einzelnen Komponenten der Sonde werden durch die Umgebungbedingungen und die Temperatur, bei welchen die Sonde eingesetzt wird, beeinflusst.