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Akustische Temperaturmessungen in Gasen und von Gasen sind allgemein bekannt. Die u. a. Texte sind dem Internet entnommen und geben offensichtlich den Stand der Technik wieder.
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Zitat:
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Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Akustische_Gastemperaturmessung „Ein Sender sendet ein druckluftgeneriertes Schallsignal aus, welches im Frequenzbereich zwischen 200 und 3000 Hz liegt. Gemessen wird die Laufzeit des Signales bis es am Empfänger ankommt. Da die Schallgeschwindigkeit in bekannter Weise von der Temperatur abhängt, lässt sich auf diesem Wege die Temperatur des Pfades zwischen Sender und Empfänger mathematisch ermitteln. Werden mehrere Pfade, die sich überkreuzen und in verschiedenen Ebenen liegen vermessen, lässt sich eine graphische Darstellung der Temperaturverteilung im Kessel erzeugen.“ Zitatende.
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Die folgende Beschreibung ist der Anmeldung 10 2016 000 006.6 entnommen; sie kann nach wie vor als allgemeiner Stand des Verfahrens gelten.
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Als Sender eines druckluftgeneriertes Schallsignals dienen einfache Schalltrichter. In diese wird taktweise seitlich eine große Mengen Druckluft eingeblasen. Trifft die seitlich eingeblasene Luftströmung auf die Wandungen des Trichters, wird sie an der Schmalstelle des Trichters gestaucht und dann gezwungen den einzig möglichen Weg zum Entweichen zu nutzen. Dazu steht nur der zur Messstelle, bzw. zur Flamme hin offener Schalltrichter zur Verfügung. Bedingt durch die mit Druck nachfolgender Luftmenge und die Stauchung gerät die Luft in Schwingungen, die sich dann u.a. als hörbarer Schall bemerkbar machen.
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In eleganter Weise wird dann das Signal als ein „Rauschen“ angegeben.
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Dieser Schall wandert dann durch die zu messenden Gase zur Messung der Schallgeschwindigkeit, wobei mittels Mikrophonen und später einer Auswertung der Schall-Laufzeit durch geeignete Rechenverfahren auf die Gastemperatur Rückschlüsse möglich sind.
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Dieses Verfahren wird mit der hier angemeldeten Erfindung kombiniert.
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In dem o.a. Zitat ist die Rede von „...wobei mittels Mikrophonen ...“. Diese Mikrophone müssen naturgemäß härtesten Umweltbedingungen standhalten können, die das sind: Hohe Temperaturen, hoher Schalldruck, Staub, Asche und Schlacke. Dem Vernehmen nach sind sogar so genannte „Hochtemperatur-Mikrophone“ herkömmlicher Bauart gefährdet.
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Dies, da die Mikrofone herkömmlicher Bauart, die dynamisch oder elektrostatisch Signale elektrischer Natur erfassen, immer nahe am Geschehen, also direkt am Heizkessel und der Heizflamme mit ihren naturgemäß hohen Temperaturen, angeordnet sind.
http://www.abhoerschutz24.at/angriff/laser/
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Laser-Mikrofone
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„Es wird ein (unsichtbarer) Laserstrahl (meist im Infrarot-Bereich) auf eine der Fensterscheiben des Zielobjektes ausgerichtet und das Licht zu einem großen Teil reflektiert und von einem Empfängermodul aufgefangen. Wird nun im Raum gesprochen so vibriert die Fensterscheibe synchron zu den Geräuschen und „moduliert“ dadurch den Laserstrahl, was im Empfänger wiederum in ein hörbares Signal umgewandelt werden kann.“
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Eine sehr allgemein gehaltene Beschreibung eines „Laser-Mikrofons“ Ein unsichtbarer Laserstrahl wird mit hohem Aufwand auf irgendein Fenster gerichtet und die Vibrationen der Scheibe mit ebenso hohem Aufwand und unbestimmbaren Erfolg erfasst. Ob tatsächlich „... das Licht zu einem großen Teil reflektiert...“ wird, darf bezweifelt werden. Insgesamt ein Verfahren, dass für eine industrielle Anwendung, z.B. bei hohen Kessel-Temperaturen, kaum anwendbar ist. Insbesondere, da hier keine definierte Membrane zum Einsatz kommt, sondern der Erfolg der Abhöraktion und damit die Leistung des „Mikrofons“ von zu vielen unbestimmbaren Gegebenheiten oder Umständen abhängt und kaum reproduzierbar sind.
https://www.elektormagazine.de/news/lasermikrofon
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Lasermikrofon
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Zitat: „Die Firma Xarion, ein Spin-off der Technischen Universität Wien, hat die Produktion eines Lasermikrofons aufgenommen, das Balthasar Fischer in seiner Promotion beschrieben hat. Dieses neuartige optische Mikrofon zeichnet sich durch einen flachen Frequenzgang bis in den Ultraschall hinein auf und ist unempfindlich gegenüber Wind und Vibrationen. Die Mikrofonsignale werden durch Lichtleiter transportiert, wodurch auch über größere Kabellängen keine Störeinschlüsse elektromagnetischer Art auftreten können.
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In konventionellen Mikrofonen wird eine Membran über die Schallwellen der Luft in Schwingungen versetzt, woraus dann dynamisch oder elektrostatisch Signale elektrischer Natur abgeleitet werden. Bei einem optischen Mikrofon wird die minimale Veränderung der Wellenlänge eines Laserstrahls durch die Luftdruckunterschiede der Schallwellen detektiert. Der Lichtstrahl durchläuft dabei ein Spiegelsystem, das hoch selektiv nur einen sehr engen Bandbreitenbereich der Lichtwellen durchlässt, sodass Änderungen der Wellenlänge sehr genau messbar sind. Der große lineare Frequenzbereich macht diesen Mikrofontyp ideal für nichtdestruktive Materialuntersuchungen z.B. in der Medizintechnik. Die Produktion dieses neuen und patentierten Mikrofons wurde von Xarion gerade angefahren.“ Zitatende.
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Denkbar ist es mit einem derartigen Laser-Mikrophon auch die Temperatur in einem Heizkessel zu messen. Allerdings ist fraglich, ob diese Messung mit meterweit auseinander stehenden Spiegeln realisierbar ist. Ferner darf bezweifelt werden, dass die Verhältnisse innerhalb eines industriellen Heizkessels es zulassen, die Spiegel immer so sauber zu halten, dass der Laserstrahl verlustlos durchdringen und gespiegelt werden kann. Da in einem Heizkessel immer auch zum Teil hohe Flugasche in der Flamme vorhanden sind, werden diese Feststoffanteile ebenfalls den Laserstrahl verändern oder streuen. Dies dürfte die Messgenauigkeit des o-a. Verfahrens weiter einschränken oder ganz ausschließen. Vorgenanntes dürfte auch den Versuch unterbinden Kesseltemperaturen mit einem oder mehreren einfach oder mehrfach gespiegelter Laserstrahlen zu messen.
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In AZ 10 2015 009 121.2 ist ein Verfahren zur akustischen Temperaturmessung in oder von Gasen mittels gerichteten Schallwellen angemeldet. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der zur Temperaturmessung ausgesendeten Schall in kontrollierten, gerichteten Tönen, Intervallen, Tonfolgen, in unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden oder wellenförmiges Rauschen, z.B. durch Typhone- oder Diaphonetechniken, zur Anwendung kommt, wobei durch jeweils unterschiedliche Frequenzen an unterschiedlichen Messstrecken gleichzeitig mehrere Messungen erfolgen. Dieses Verfahren wird mit der hier angemeldeten Erfindung kombiniert.
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Ferner ist vorgesehen, die Erfindung mit einem in einer z.Zt. in Anmeldung befindlichen Verfahren zu kombinieren. Teilweise wird hier aus der Anmeldung zitiert: „... dass es erlaubt die Schwingungen einer Lautsprechermembran oder eines Piezolautsprechers direkt am Entstehungsort, der Tauchspule, der Membrane oder der Kristalloberfläche, zu erfassen und mit geeigneter Elektronik und geeigneten Rechnerverfahren auszuwerten.“
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Und weiter: „ Hierzu ist es vorgesehen, mindestens einen Laserstrahl durch mindestens eine Bohrung im Lautsprechermagnet auf die Innenseite der Tauchspule bzw. der Innenseite der Lautsprechermembran oder auf den Piezokristalls zu richten und wie zuvor schon beschrieben, zu nutzen: „Bei der Laufzeitmessung wird ein Lichtpuls ausgesandt und die Zeit zwischen Absenden und Empfangen des reflektierten Impulses gemessen. Aus der Lichtgeschwindigkeit, des Brechungsindex und der Signallaufzeit lässt sich der Abstand zwischen Quelle und Objekt ermitteln.“
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die die oben aufgeführten Nachteile nicht besitzen und die den Einsatz einer nahezu temperaturunabhängigen Membran als Mikrofon und je nach Anwendung gleichzeitig als gemeinsam oder einzeln genutzte Schallerzeugungsmembran zum Zweck einer Akustischen GAstemperatur-Messung erlauben. Weiterhin ist es von Vorteil, dass die Schwingungen der die abgesendeten Schallwellen direkt erfassbar sind und somit eine schnelle Regelung der Schallfrequenz und -amplitude erfolgen kann.
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Hierzu ist es vorgesehen die erforderlichen Messungen der Schalllaufzeit mit einer hochtemperaturfähigen Membran als Empfangseinheit und einer hochtemperaturfähigen Membran als Sendeeinheit, durchzuführen. Diese Kombination, Mikrofon- und Schallerzeugungsmembran, besteht z.B. im Idealfall aus einer metallischen oder keramischen Membran, die von einer oder mehreren gegenüberliegenden oder seitlich angeordneten Schall-Sendeeinheiten ausgesendeten Schallsignale erfasst, wobei die dann auf die Sende-Membran übertragenen Schallschwingungen und, nach Durchlauf durch die zu messenden Gase, auf die Membran der Empfängereinheit auftreffenden Schallschwingungen berührungslos mit einem Laserverfahren zu erfassen und mit geeigneter Elektronik und geeigneten Rechnerverfahren auszuwerten und über die Laufzeitänderung des Schalls Rückschlüsse auf die im Schallweg bestehende Temperatur ermöglicht.
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Ferner ist es vorgesehen, die vorbeschriebene Membran mittels Druckluft wie ein Typhone, Diaphon oder sie klassisch mit einer Tauchspule, dem dazugehörigen Magneten und den entsprechenden elektrischen Signalen als Schallgeberr zu betreiben wobei die Schwingengen der jeweiligen Membrane ebenfalls erfasst, ausgewertet und ggfs. zur Regelung der Schallgeber genutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mikrofon- oder Schallerzeugungsmembrane, vorzugsweise aus hitzebeständigem Stahl oder Keramik
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- Tauchspule
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- Magnet
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- Laserstrahlen, gesendet - zurückgestrahlt
- 5
- Lasersender und -empfänger mit berührungsloser Temperaturmessung
- 6
- Bohrung im Magnet
- 7
- Lichtleitfasempaar für gesendeten und reflektierten Laserstrahl
- 8
- Herkömmliches Mikrofon
- 9
- Druckluft- oder Staurohr
- 10
- Magnetventil
- 11
- Gesendete Schallwellen als Stand der Technik
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- Auf die Mikrofonmembrane ( 1 ) auftreffenden Schallwellen
- 13
- Temperaturfühler zur Fehlerkorrektur
- 14
- Sende- und Empfangstrichter
- 15
- Regler für Luftdruck und -menge für Typhone- oder Diaphonemembranen
- 16
- Anordnung eines Mikrofons wie 1
- 17
- Anordnung als Typhone- oder Diaphon wie 1
- 18
- Schallsendeeinheit mit Typhone- oder Diaphonemembranen
- 19
- Seitlich eingesetzte Mikrofonmebran zur Erfassung der Schallwellen
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Figurenliste
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- 1
zeigt die Anordnung einer Mikrofonmembran ( 1 ) mit Abtastung mittels Lasersender - Laserempfänger ( 5 ) und direkter Temperaturerfassung der Membran durch einen Temperaturfühler ( 13 )
- 2
zeigt die Anordnung einer Mikrofonmembran ( 1 ) mit Abtastung durch Lichtleitfasern ( 7 ) für den gesendeten und zurückgestrahlten Laserstrahl.
- 3
zeigt die Anordnung einer Mikrofonmembran ( 1 ), die gleichzeitig als Membran für ein Typhone- oder Diaphonverfahren ( 17 ) genutzt wird.
- 4
zeigt die Anordnung einer Messstrecke mit einseitigem Typhone- oder Diaphonsender ( 18 ) und gegenüberliegenden Hochtemperaturmikrofon ( 17 )
- 5
zeigt das bis heute meist eingesetzte Schall-Sende- und Empfangsverfahren mit Staurohr ( 9 ) und herkömmlichen Mikrofon ( 8 ).
- 6
Zeigt das bis heute meist eingesetzte Schall-Sende- und Empfangsverfahren mit Staurohr ( 9 ) und dem erfindungsgemäßen Mikrofonmembrane ( 1 ) zur Erfassung des gesendeten Schalls ( 19 ).
- 7
zeigt das Verfahren, dass es erlaubt die Mikrofonmembrane auch als Schallerzeuger zu nutzen, wobei hier die Erfassung der Membranschwingungen beispielsweise mittels Lichtleitfasern erfolgt.
- 8
zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der 7.
