DE3836309C2 - Gasthermometer - Google Patents

Description

Die Erfindung ein Gasthermometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiges Gasthermometer ist in der US-PS 32 99 707 beschrieben. Dieses bekannte Gasthermometer ist fest in einen Ofen eingebaut. Würde man ein derartiges Gasthermometer so kompakt aufbauen, daß es eine tragbare Meßsonde darstellt, so ergäben sich, bedingt durch die Gefahr einer unsymmetri­ schen Schallaufteilung, Schwierigkeiten der Meßsignalaus­ wertung.

Die US-PS 35 95 082 offenbart ein akustisches Gasthermometer, bei welchem nur ein einziger Meßkanal vorgesehen ist, der mit einer Schallwellen teilweise reflektierenden Unste­ tigkeit und einem reflektierenden Abschluß versehen ist. Auf diese Weise erhält man in ein- und demselben Meßkanal Schallwellen, die unterschiedliche Strecken unter der zu messenden Temperatur zurücklegen. Bei derartigen Gasther­ mometern ist die Signalauswertung aufwendiger, da die Impulsform der am Zwischenhindernis reflektierten Teilwellen weniger genau definiert ist.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein Gasthermometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so weitergebildet werden, daß es kompakte Abmessungen aufweist und somit ein von Hand von einem Einsatzort zum anderen bringbares, nicht fest zu installierendes Meßgerät sein kann, trotzdem aber von einer einzigen Schallquelle etwa gleiche Schall­ mengen über den Meßweg und den Referenzweg geführt werden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Gas­ thermometer gemäß Anspruch 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Gasthermometer hat man zwei vollständig getrennte Schallwege zum Meßvolumen, durch das Meßvolumen und vom Meßvolumen zurück. Es gibt keine Verzweigungsstelle, an welcher eine ungleiche Beugung oder Reflexion der Meß-Schallwellen und der Referenz- Schallwellen erfolgt. Derjenige Punkt, an welchem die Schallwellen vom Schallgenerator abgegeben und aufgespalten werden, liegt vor der Schalleiter-Anordnung, und Effekte, die sich dort durch Beugung oder dergleichen ergeben, betreffen gleichermaßen die Meß-Schallwellen und die Refe­ renz-Schallwellen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unter­ ansprüchen angegeben.

Mit den Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 2 bis 4 werden nachteilige Folgen von Schallreflexionen an denjenigen Enden der Schallkanäle gemindert, welche dem Schallgenerator bzw. den Schallaufnehmern benachbart sind. An diesen Kanalenden reflektierte Sekundärwellen würden sich sonst möglicherweise der für die Messung verwendeten Hauptwelle überlagern und deren Phase verfälschen. Bei einem Gasthermometer nach Anspruch 4 sind aber die Enden der Meßkanäle durch einen akustischen Sumpf abgeschlossen. Die Schallaufnehmer dienen bei der angegebenen Anordnung nach den Ansprüchen 2 und 3 als reine Druckschwankungs­ detektoren.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 wird erreicht, daß in dem Bereich zwischen beiden Reflektorwänden auch durchgängig die jeweils zu messende Temperatur herrscht, sich nicht schon in der eigentlichen Meßstrecke Temperatur­ gradienten ergeben, die das Meßergebnis verfälschen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Präzisions-Gasther­ mometer mit einer aus Rohren aufgebauten Schall­ leiteranordnung; und

Fig. 2 eine Betriebs- und Auswerteschaltung für das Gasthermometer nach Fig. 1.

Das in Fig. 1 gezeigte Gasthermometer hat ein mehrteiliges Gehäuse mit einem insgesamt mit 10 bezeichneten Gehäuseend­ abschnitt, der aus gut wärmeleitendem Material wie Kupfer oder Silber hergestellt ist. Der Gehäuseendabschnitt 10 ist über eine Schweißung oder Lötstelle fest mit dem Ende eines Gehäusehauptabschnittes 14 verbunden, der aus schlecht wärmeleitendem Material wie Edelstahl gefertigt ist. Das linke Ende des Gehäusehauptabschnittes 14 ist durch eine angeschweißte oder angelötete Stirnplatte 16 verschlossen. Die Stirnplatte 16 trägt ihrerseits eine Kappe 20 aus Blech.

Das durch die vorgenannten Teile gebildete Gehäuse ist insgesamt stabförmig; vom Gehäusehauptabschnitt 14 ist der größte Teil weggebrochen.

Die Stirnplatte 16 hat seitliche Stufenbohrungen 22, 24 sowie eine mittige Stufenbohrung 38.

Auf die Bodenflächen der Stufenbohrungen 24, 26, 38 sind Dämmstücke 78, 80, 82 aufgesetzt, die aus schallabsorbieren­ dem Material gefertigt sind, z. B. aus porösem Kunststoff­ material.

Der Gehäusehauptabschnitt 14 besteht aus vier Rohrstücken 144, 146, 148 und 150, die zusammen eine Schalleiteranordnung vorgeben. Die Rohrstücke 144, 146 geben einen Meßweg vor, der sich um die Strecke L weiter in den auf Meßtemperatur befindlichen Gehäuseabschnitt 10 hinein erstreckt als die Rohre 148, 150.

In der Praxis haben die Rohre 144 bis 150 verglichen mit der Schallwellenlänge sehr kleinen Durchmesser (lichte Weite 1 bis 2 mm), so daß man im Inneren dieser Rohre eine einmodige Schallausbreitung hat. Die vier Rohrstücke haben ferner exakt gleichen Querschnitt, so daß der Schall in ihnen auch exakt gleiche Dispersions- und Dämpfungs­ verhältnisse vorfindet.

Zwei Reflektorwandteile 66a, 66b sind unter +45° bzw. -45° zur Längsachse der Rohrstücke 144, 146 angestellt und bilden zusammen einen akustischen 180°-Umlenkspiegel. Ähnlichen liegen zwei Reflektorwandabschnitte 68a und 68b unter +45° bzw. -45° angestellt vor den freien Enden der Rohrstücke 148 und 150 und bilden wieder zusammen einen akustischen 180°-Umlenkspiegel.

Unter Abstand von der freien Stirnfläche der Dämmstücke 78, 80, 82 münden in die hinter den Enden der Rohrstücke gelegenen Kammern der Stirnplatte 16 von der Seite her Öffnungen 152, 154 und 156 aus. Über die Öffnungen 152 und 154 sind Mikrophone 26, 28 akustisch ans Ende der Rohr­ stücke 144 und 150 angekoppelt. Diese Mikrophone wirken somit als Druckdetektoren, die an durch einen Sumpf abge­ schlossene Schalleiter angeschlossen sind. Ähnlich ist ein Schallgenerator 40 über die Öffnung 156 als Druck­ schwankungsgenerator an die ebenfalls durch einen akusti­ schen Sumpf abgeschlossenen Enden der Rohrstücke 146 und 148 angekoppelt.

Der gesamte dichte Innenraum des Thermometergehäuses ist mit einem Arbeitsgas gefüllt, welches im Hinblick auf den jeweils vorgesehenen Temperaturmeßbereich gewählt ist. Für nur mäßig tiefe Temperaturen bis hin zu sehr hohen Temperaturen von einigen 100 oder 1000°C wird als Arbeitsgas Krypton oder Xenon verwendet. Für Messungen bei sehr niederen Temperaturen dient Helium. Der Druck des Arbeitsgases ist so eingestellt, daß man in der Mitte des in Aussicht genommene Temperaturbereiches etwa atmos­ phärischen Druck im Gehäuseinneren hat.

Das oben beschriebene Gasthermometer arbeitet grob gesprochen folgendermaßen:

Der Schallgenerator 40 erzeugt ein Schallwellenfeld, von dem die eine Hälfte in das Rohrstück 148 gelangt. Dieser Teil des Schallwellenfeldes kommt nach Reflexion an den Reflektorwandteilen 68a und 68b in das zum Mikrophon 28 führende Rohrstück 150.

Der andere Teil des Schallfeldes gelangt über das Rohrstück 146 und die Reflektorwandteile 66a und 66b und das Rohrstück 144 zum Mikrophon 26. Der geometrische Wegunterschied zwischen demjenigen Teil des Schallwellenfeldes, der zum Mikrophon 26 geführt wird, und demjenigen Teil des Schall­ wellenfeldes, der zum Mikrophon 28 geführt wird, beträgt 2 L. Der Weg 2 L wird durch solches Arbeitsgas hindurch­ bewegt, welches sich auf der zu messenden Temperatur befindet. Aufgrund der Herstellung des Gehäuseendabschnittes 10 aus gut wärmeleitendem Material ist gewährleistet, daß auf der Wegstrecke 2 L keine Temperaturdifferenzen vor­ liegen. Der Phasenunterschied der an den Mikrophonen 26 und 28 ankommenden Teile des vom Schallgenerator 40 erzeug­ ten Schallfeldes hängt nun (abgesehen von einem geometrie­ bedingten, unveränderlichen Grundbeitrag) eindeutig von der Temperatur des im Gehäuseendabschnitt 10 befindlichen Arbeitsgases ab, also der Temperatur einer Flüssigkeit oder eines Gases, dem der Gehäuseendabschnitt 10 ausgesetzt ist, oder der Temperatur eines zu messenden Körpers, gegen welche der Gehäuseendabschnitt 10 gedrückt wird.

Die Umsetzung dieses Phasenunterschiedes in eine Temperatur­ anzeige besorgt eine Betriebs/Auswerteschaltung 92, die auf eine LCD-Anzeige 96 arbeitet und später unter Bezug­ nahme auf Fig. 2 noch genauer beschrieben wird.

Da zum Führen des Schalls auf dem Meßweg und dem Referenz­ weg die vier kleinen identischen Querschnitt aufweisenden Rohrstücke 144 bis 150 verwendet werden und die freien Enden dieser Rohrstücke durch einen akustischen Sumpf abgeschlossen sind, hat man eine sehr gute Entkopplung von Meßweg und Referenzweg und eine hervorragende Unter­ drückung von Störwellen. Auch solche Störwellen, die durch noch verbleibende Diskontinuitäten in der Schalleiteranord­ nung erzeugt werden, werden sehr wirkungsvoll abgeschwächt, da diese Störwellen etwa um den Faktor 100 stärker durch die Rohrstücke gedämpft werden als die Hauptwelle. Da die Rohrstücke 144 bis 150 nur kleinen Durchmesser auf­ weisen, baut das Gasthermometer auch in transversaler Richtung klein.

Fig. 2 zeigt eine Betriebs- und Auswerteschaltung für das Gasthermometer nach Fig. 1, die nur einen einzigen Signalverarbeitungskanal aufweist.

Ein Schwingquarz 108, der typischerweise mit einer Frequenz von 32768 Hz arbeitet, ist an einen Frequenzteiler 110 angeschlossen. Über einen niederfrequenten Ausgang des Frequenzteilers 110 wird ein elektronischer Umschalter 158 angesteuert. Auf diese Weise wird abwechselnd das Ausgangssignal des Mikrophones 26 und des Mikrophones 28 auf den Eingang eines Vorverstärkers 122 gegeben und über ein breitbandiges Vorfilter 124 auf den einen Eingang eines Mischkreises 114 geführt.

Der Frequenzteiler 110 ist mit einem Tonfrequenz-Ausgang (50 Hz bis 10 kHz) mit einem Leistungsverstärker 112 ver­ bunden, der auf den Schallgenerator 40 arbeitet. Weitere Ausgänge des Frequenzteilers 110 stellen Modulationssignale F_m1 bzw. F_m2 bereit, mit welchen die zweite Eingangs­ klemme des Mischkreises 114 und eine entsprechende Eingangs­ klemme eines weiteren Mischkreises 116 beaufschlagt sind. Der erste Eingang des Mischkreises 116 erhält über ein schmalbandiges Hauptfilter 126 das Ausgangssignal des Mischkreises 114. Sein Ausgang ist mit einem Tiefpaßfilter 128 verbunden.

Die Schaltkreise 114, 116 und 122 bis 128 bilden zusammen eine Signalformschaltung 118, deren Ausgangssignal auf den Eingang eines weiteren elektronischen Umschalters 160 gegeben wird. Dieser wird durch das gleiche Ausgangssignal des Frequenzteilers 110 angesteuert wie der Umschalter 158. Auf diese Weise wird das Ausgangssignal des Tiefpaß­ filters 128 abwechselnd auf einen ersten Signalspeicher 162 bzw. einen zweiten Signalspeicher 164 gegeben. Die Frequenz, mit welcher die Umschalter 158, 160 typischer­ weise in der Praxis umgeschaltet werden, kann etwa 2 Hz betragen. Die Auswertung der in den Signalspeichern 162 und 164 gespeicherten Signale, welche dem Laufzeitunter­ schied zwischen Meßstrecke und Referenzstrecke zugeordnet sind, erfolgt durch einen Phasendifferenzmeßkreis 130. Dessen Ausgangssignal gelangt auf einen Analog/Digital­ wandler 132, durch welchen ein Festwertspeicher 134 adres­ siert wird. In diesem sind die Temperaturwerte abgelegt, die zu einem gegebenen Phasenunterschied gehören. Die aus dem Festwertspeicher 134 ausgelesenen Temperaturwerte werden von der LCD-Anzeige 96 angezeigt.

Dadurch, daß man für die Signalaufbereitung nur eine einzige Signalformschaltung 118 verwendet, werden Phasenfehler bei der Signalformung automatisch mitkompensiert. Dies ermöglicht es, die Signalformschaltung 118 aus preiswerten Standard-Komponenten aufzubauen. Präzise Abstimmarbeiten der Elektronik brauchen nicht durchgeführt zu werden.

Claims (6)

1. Gasthermometer mit

• a) einem ein Schallfeld erzeugenden Schallgenerator (40);
• b) zwei Schallaufnehmern (26, 28);
• c) einer mit einem Arbeitsgas gefüllten dichten Schall­ leiteranordnung zum Verbinden der Schallaufnehmer (26, 28) mit dem Schallgenerator (40), welche umfaßt:
• ca) einen Speise-Schallkanal, der zu einem mit der zu messenden Temperatur beaufschlagten Meßvolumen (10) führt,
• cb) zwei gleich lange vom Meßvolumen (10) zu jeweils einem der Schallaufnehmer (26, 28) führende Rückführ-Schalleiterstücke (144, 150) und
• cc) zwei unterschiedliche Länge aufweisende Meß­ schalleiterstücke, die sich durch das Meß­ volumen (10) erstrecken und jeweils einen der Rückführ-Schalleiterabschnitte mit dem Speise-Schallkanal verbinden; und
• d) einer mit den Ausgangssignalen der Schallaufnehmer (26, 28) beaufschlagten Phasendifferenz-Meßschaltung (118, 120, 130),

dadurch gekennzeichnet, daß

• e) der Speise-Schallkanal durch zwei getrennte Speise- Schalleiterstücke (146, 148) gebildet ist; und
• f) die Schalleiterstücke Rohrstücke (144-150) mit verglichen mit der Schallwellenlänge kleinem Durchmesser sind.

2. Gasthermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallgenerator (40) über eine seitliche kleine Wandöffnung (156) mit einer Kammer (38) eines dicht mit den Speise-Schalleiterstücken (146, 148) und den Rückführ- Schalleiterstücken (144, 150) verbundenen Gehäuses (16) verbunden ist, an welche die Speise-Schalleiter­ stücke angeschlossen sind.

3. Gasthermometer nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schallaufnehmer (26, 28) über seit­ liche kleine Wandöffnungen (152, 154) mit Kammern (22, 24) des Gehäuses (16) verbunden sind, die mit den Rückführ-Schalleiterstücken (144, 150) in Verbindung stehen.

4. Gasthermometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß hinter den mit dem Gehäuse (16) verbunde­ nen Enden der Schalleiterstücke (144-150) Schallabsorber (78-82) angeordnet sind.

5. Gasthermometer nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßvolumen (10) aus gut wärme­ leitendem Material wie Kupfer oder Silber hergestellt ist.