WO1989007753A1 - Ultrasonic temperature measurement and applications in optical spectroscopy and calorimetry - Google Patents

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WO1989007753A1
WO1989007753A1 PCT/CH1989/000029 CH8900029W WO8907753A1 WO 1989007753 A1 WO1989007753 A1 WO 1989007753A1 CH 8900029 W CH8900029 W CH 8900029W WO 8907753 A1 WO8907753 A1 WO 8907753A1
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ultrasound
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Oscar Oehler
Hans Melchior
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Koch High Tech Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for measuring small temperature changes in a gas, and to their applications in optical spectroscopy and calorimetry.
  • temperatures can be measured via thermal expansion (liquid thermometer, bimetallic strain gauge), the temperature dependence of the electrical resistance (resistance thermometer) or the thermal voltage at the interface of different metals (thermocouple). Further methods are based on the radiation of electromagnetic radiation (infrared radiometer, pyrometer). This measurement method is very well suited for the temperature determination of solids and liquids.
  • gas temperatures are generally measured indirectly by bringing the gas into contact with a solid-state or liquid thermometer. Because of the poor thermal conductivity of gases and the low thermal energy transfer from the gas to the thermometer, such temperature measurements are relatively sluggish.
  • the temperature of an enclosed gas can be determined via its pressure.
  • the pressure fluctuations that occur during a periodic change in gas temperature can be detected, for example, in a highly sensitive manner by means of a microphone.
  • the temperature changes that occur are generally very small because of the low thermal conductivity of gases mentioned, so that the microphone would have to be operated at a lower frequency, in the subHz range.
  • Microphones are not very suitable for such frequencies or even static measurements. It is therefore of interest to look for a method that allows a direct and quasi-static measurement of the gas temperature.
  • Another application of a direct gas temperature measurement method is calorimetry.
  • Calorimetric tests are carried out in a classic calorimeter in an aqueous environment.
  • the sample is either brought directly into the water or it is immersed in the calorimeter water in a closed vessel.
  • the latter is located in a water tank that is thermally separated from the surroundings as well as possible.
  • the calorimetric examination is based on the tracking of the temperature of this calorimeter water, to which the material to be measured releases its heat, for example by a chemical reaction. It should be noted here that the temperature distribution within the calorimeter is as homogeneous as possible and also agrees as closely as possible with that of the measured material. An agitator is advantageously used for this purpose.
  • the water is well suited as a heat transfer medium from the measured material to the thermometer: on the one hand because of its good thermal conductivity and on the other hand because of the quick accessibility of one homogeneous temperature distribution by stirring. In many cases, however, it is difficult or even impossible to place the reactor in the water bath of a calorimeter. For this reason, calimimetric measurements are often carried out in a gaseous environment, for example in air, or even in a vacuum, the measured material being placed on a base provided with temperature sensors, in the form of a plate or a crucible.
  • the differential calorimeter should be mentioned.
  • the calorimeter room must be thermally insulated from the surroundings as well as possible.
  • a cavity there are two crucibles on a plate.
  • One is the reactive, solid or liquid material to be measured and the other is an inert reference material.
  • a thermocouple is in thermal contact with the two crucibles.
  • the calorimeter cavity can be heated and may be surrounded by a heat insulation layer to shield external heat sources.
  • thermocouple a thermal voltage at the measured material contact point compared to that at the reference material, which provides information about the relative heating of the measured material.
  • thermocouple wires be used to suppress unwanted heat dissipation, because the heat conduction of metals is about 4 orders of magnitude greater than that of the air.
  • the thermal contact between the thermally poorly conductive glass rod and the thermocouple measuring point also poses problems. In general, thermal contacting of fine samples requires great effort - for example, if the thermocouple has to be vapor-deposited to ensure good thermal contact. In addition, a metallic thermal connection cannot be realized in certain cases of very fine optoelectronic components if, for example, the optical properties are disturbed by the temperature sensor.
  • optical spectroscopy and calorimetry are intended to show that there is an interest in a direct measurement of the temperature of gases. This results in the object of the invention to specify a method and to create a device which allows gas temperatures to be measured directly and applied to optical spectroscopy or calorimetry.
  • the object is achieved by measuring the temperature-related detuning of an ultrasound resonator, which is formed by two ultrasound transducers arranged opposite one another, one operated as a transmitter and the other as a receiver.
  • the object is achieved in that the temperature measurement method mentioned is used for temperature measurement in optical spectroscopy and calorimetry.
  • the physical principle of the proposed solution to the problem is based on the temperature dependence of the speed of sound. This effect is quite big.
  • the speed of sound in air changes when the temperature rises from 25 ° C to 26 ° C from 340 m / sec to 340.6 m / sec, ie by 0.6 m / sec C or by approx. 0.5% per degree change in temperature. ;
  • the speed of sound c in a gas is calculated using the following formula:
  • thermodynamic properties of air at room temperature do not differ significantly from those of an ideal gas, the measurement of variations in the speed of sound means a largely pressure-independent determination of gas temperature changes.
  • the speed of sound can be determined, for example, from the time delay between the transmission of a pulse and the return of its echo.
  • the proposed ultrasound measurement permits a largely pressure-independent determination of gas temperature changes, it can be referred to as a so-called photo-thermal measurement in the optical-spectroscopic application - in contrast to the so-called photo-acoustic method, in which the pressure fluctuations in the gas during irradiation can be determined with intensity-modulated light using a microphone.
  • the photothermal method thus has advantages over the photoacoustic method where large pressure fluctuations occur. It should be noted, however, that when the cell is closed, the photoacoustic method has a sensitivity that is approximately 50 times higher.
  • the classic calorimetric methods require good thermal contacting of the measured material.
  • the themodynamic values are determined directly from the temperature profile of the air that surrounds the measured material.
  • the ultrasound method allows the temperature of the gas that surrounds the material to be measured without causing local disturbances, such as through lead wires. It must only be required that the measurement sample and the reference sample are in a comparable ultrasound field.
  • the method presented is similar to that used to measure the optical optical absorption of thallium halides.
  • the optical losses were determined photoacoustically by bringing the measured material into a closed space and measuring the pressure changes caused by light absorption by means of a microphone (P. Hörn, A. Schmidt and P. Braunlich, Jour. Quantum Electr ., QE 19, 1169 (1983)).
  • the ultrasound method allows a local determination of temperature differences, while the entire heat released in the closed cavity is measured photoacoustically. Edge effects can thus be better eliminated if ultrasound is used.
  • the photoacoustic method requires a high tightness of the calorimeter space - especially when working at a very low frequency. With the ultrasound method is only to strive that external gas flows do not affect the calorimeter space.
  • FIG. 1 shows an overview of an ultrasound resonator device for measuring temperature fluctuations which are caused by light absorption in a gas.
  • FIG 2 is an illustration of the photothermal gas detection device with modulation and filtering means for the incident light radiation.
  • FIG. 3 shows a representation of the gas calorimeter, which is based on an ultrasound resonator and is well suited for a fluid measurement.
  • FIG. 4 illustrates a corresponding gas calorimeter for solid or liquid material to be measured.
  • FIG. 5 shows a representation of a calorimeter for examining light guides and integrated optical elements.
  • Fig.l shows the structure of the already mentioned ultrasonic device for measuring small temperature fluctuations in a gas caused by absorption of infrared radiation.
  • the method of gas temperature measurement is based on the large temperature dependence of the speed of sound of gases. This is measured by means of an ultrasound field, primarily in the form of an acoustic resonator 1.
  • the acoustic resonance builds between the pair of ultrasound transducers, consisting of the ultrasound transmitter 2 and the ultrasound receiver 3.
  • the ultrasound transmitter 2 is excited by the generator 4 at a frequency of typically several hundred kHz.
  • the signal of the generator can be sinusoidal or consist of a regular sequence of, for example, rectangular pulses.
  • a signal appears at the receiver 3, the envelope (peak-to-peak value) of which depends not only on the sensitivity of the receiver 3 and the sound absorption in the resonator room 1, but also on the tuning of the resonator 1.
  • the receiver signal is fed to a device 5 - hereinafter referred to as an analyzer.
  • This device 5 either analyzes the envelope of the received signal or determines the phase position of the signal with respect to the input signal at the transmitter 2. This analysis of the signal supplied by the receiver 3 is based, for example, on a peak-to-peak measurement, rectification with subsequent smoothing, phase detection or phase-sensitive amplification by means of a lock-in amplifier.
  • the ultrasound resonator It is advisable to operate the ultrasound resonator in a resonance flank by selecting the frequency and the length of the resonator in the case of an envelope analysis.
  • the resonator In phase detection, the resonator is advantageously operated at the resonance maximum, ie in the area of the greatest phase change. Furthermore, the selection of an ultrasound frequency that is as high as possible is recommended because of the substantial proportionality of the envelope slope to the frequency.
  • the upper limit of the ultrasound frequency is given by the sound absorption capacity of the sample gas, which increases sharply above 100 kHz with increasing frequency. However, it is ensure that the frequency can be selected higher than is possible with commercial air-adapted ultrasonic transducers (50 kHz to 220 kHz). In the present case, the sound signal does not have to be transmitted efficiently over a distance of several meters or decimeters, as is normally desired, but only over a distance in the millimeter range.
  • the change in the resonator tuning can now be directly related to the change in the signal envelope, i.e. the quasi-direct current value or. the phase shift on the analyzer 5.
  • the linear temperature measuring range is very limited.
  • this restriction is not serious.
  • slow drift-like temperature changes can cause the resonance tuning to drift and thus change the temperature sensitivity. It is therefore necessary to look for ways to effectively counteract long-term effects.
  • the ultrasound frequency can be tracked in such a way that the resonator tuning, that is to say the peak-to-peak value at the receiver 3, remains constant.
  • the output signal of the analyzer 5 can be used as a control signal
  • a voltage-controlled generator 4 can be supplied via a suitable controller 6.
  • the temperature measuring range that can be covered is given by the operating range of the ultrasonic transducers.
  • ultrasonic transducers can sweep 2, 3 frequency ranges from 1% to 2% of the target frequency.
  • the resonator 1 is tuned not by electrical means but by means of a controller 16 and a mechanical displacement device 12 by changing the ultrasonic transducer distance.
  • the coordination is relatively complex.
  • the precision requirements for the mechanical structure are remarkable.
  • the circular quality of the ultrasound resonator 1 drops sharply if the surfaces of the ultrasound transducers 2, 3 are not exactly aligned in parallel.
  • Temperature variations in the ultrasonic resonator 1 can be achieved, for example, by light, in particular infrared radiation.
  • Small temperature fluctuations in the ultrasound resonator 1, which are caused by absorption of intensity-modulated light radiation and are therefore correlated with the light signal, can be measured, for example, by means of an analyzer 15 in the form of a lock-in amplifier.
  • the latter uses the intensity-modulated signal from the light source 7 as a reference.
  • the output signal of the analyzer 15 is the desired measured value, which provides information about the light absorption in the ultrasound resonator.
  • This signal is therefore fed to a registration device 8, for example in the form of a recorder, a voltmeter or a computer input.
  • the method described allows gas temperature changes to be measured down to the range of 10 ⁇ * degrees. More detailed information can be found in the previously mentioned articles by O. Oehler, J. Wieland and S.Friedrieh.
  • the ultrasound resonator 1 is opposed by the two ultrasound transducers 2 3 are arranged, formed.
  • the light from the source 7 passes through a window 11 into the ultrasound resonator 1 designed as a gas cuvette.
  • At least one opening 22, 22 ' is provided in the wall of the gas cuvette for exchanging the gaseous measurement material 24. If necessary, the openings are provided with flow resistances 23, 23 '. These flow resistances can valves, pipe constrictions 23 or filter plates 23 ', respectively. gas permeable membranes.
  • the ultrasonic resonator 1 To prevent undesirable temperature fluctuations in the ultrasonic resonator 1, it is advisable to surround the latter with a jacket-shaped thermal insulation 27 and / or if necessary to keep it at a constant temperature by means of a heater 28, a heater control unit 28 'and a thermal sensor 28 " it is advantageous to bring the gaseous material to be measured to the temperature of the ultrasonic resonator by heating the supply lines by means of the heating elements 38, 38 '.
  • the light source 7 is intensity-modulated, which can be achieved, for example, by switching the current on and off, or by means of a light chopper 18, which is located in the light beam 17 between the light source 7 and the ultrasound resonator 1.
  • an optical filter 11 ′ can be arranged in the light beam 17. The The insertion of such a filter is particularly indicated when the source 7 has a broadband spectrum, that is to say when the light source 7 is, for example, a thermal radiator.
  • an optical bandpass filter 11 ' can generate sufficient monochromatic radiation so that selective light absorption by gases in the cuvette is ensured.
  • the device shown in FIGS. 1 and 2 can be used for the selective detection of gases.
  • the sensitivity is not as high as that of a device based on the photoacoustic effect, but the device under discussion has a practically vanishing susceptibility to pressure fluctuations and structure-borne noise.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a calorimeter based on an ultrasound resonator 1.
  • the local temperature of a gas is measured.
  • the measurement sample itself can be the same, or it can surround a fluid measurement sample.
  • the absorption of light does not lead to a change in the gas temperature, but rather the thermal behavior of the measured material, for example a chemical reaction in a gas, an aerosol, or a liquid which is brought into the ultrasound resonator 1 has been.
  • the calorimeter device 30 again consists of the two ultrasound transducers 2, 3, which are arranged opposite one another, delimiting the ultrasound resonator 1 laterally.
  • the ultrasonic transducer used as transmitter 2 is connected to an oscillator 4 and is excited by the same.
  • the receiving ultrasound transducer 3 outputs its output signal to the analyzer 5, where the same is evaluated on the basis of an envelope or phase analysis.
  • the oscillator 4 is adjusted, for example, by means of the controller 6.
  • the local temperature distribution in the vicinity of the material 24 to be measured is not disturbed by external influences. This can be achieved on the one hand by the fact that the calorimeter room is largely closed and is therefore not influenced by external air currents. On the other hand, it must be ensured that the inside walls of the calorimeter "have a temperature that is as constant and uniform as possible. In this way, undesired convection currents within the calorimeter can be prevented.
  • the ultrasound resonator 1 It is also indicated to provide the ultrasound resonator 1 with a thermostated heater 28. In analogy to the device of FIG. 2, the same, 28, regulates the temperature of the ultrasound resonator 1 by means of the heating control device 28 ′ and the thermal sensor 28 ′′.
  • the ultrasonic transmitter 2 represents a significant heat source.
  • the ultrasonic transducers 2, 3, in particular the transmitter 2, with cooling systems 36, 36 ', for example in the form of cooling fins or pel animal elements.
  • the impedance of the ultrasonic transducers 2, 3 is slightly dependent on the operating frequency - an impedance minimum occurs in the case of resonance - the thermal load on the ultrasonic transducers 2, 3 is also slightly variable when the operating frequency changes.
  • this can be done by means of a heating control device and thermal sensors.
  • the gaseous or liquid fluid to be examined is introduced into the reaction area 31 of the ultrasonic resonator 1, for example, via valves 32, 32 'and the feed lines 33, 33'.
  • the temperature is brought up to the temperature prevailing inside the ultrasound resonator 1, for example by means of the heating elements 38, 38 'which are attached to the feed lines 33, 33' .
  • a heating element 34 is used, for example, which is operated via a feed device 34 '.
  • Fig. 4 shows a calorimeter device which is suitable for investigations on solids and liquids. The device thus has a similar area of use as the differential scanning calorimeter mentioned. In contrast to that, however, it is not the temperature of the measured material 1 that is determined directly, but rather that of the surrounding gas.
  • the material to be measured is not introduced directly into the ultrasound resonator via feed lines 33, 33 ', but is fixed mechanically in the ultrasound resonator 1.
  • the solid material to be measured 24 does not have to be placed in a crucible 23, but can be fastened directly, for example by thin holders 41, 41 'in the ultrasound resonator.
  • These brackets can, for example, be electrical feed lines that trigger the reaction in the measured material 24.
  • Liquids can be introduced into the ultrasound resonator 1, for example, via thin capillaries, which simultaneously take on the function of the holders 41, 41 '.
  • the liquid material to be measured can either be present at the capillary tips or be filled into a small pot 43.
  • the other calorimeter components such as the reference heating element 34, the heaters 28, 37, 37 'of the ultrasonic resonator 1, respectively.
  • the ultrasonic transducer 2, 3, the cooling systems 36, 36 'of the ultrasonic transducer and the thermally insulating jacket 27 of the calorimeter have already been described above.
  • 5 shows a representation of a calorimeter for examining optical components.
  • integrated-optical and optoelectronic components such as light-guiding fibers, integrated-optical light emitters, light receivers, opto-electronic light switches and connection points between optical components.
  • optical losses in optical materials and components have been calorimetrically measured in various ways. For example, as already mentioned, the optical loss in glass was determined by placing a glass rod in the optical resonator of a powerful laser and measuring the sample temperature increase during laser operation and the time constant of the temperature reduction after the laser was switched off ( TCRich and DA Pinnow, Appl. Phys. Lett.
  • thermocouples could be attached to the material to be measured, for example by vapor deposition, but the effort would be considerable.
  • the light beam 51 is coupled into the optically conductive material to be measured 50 outside the calorimeter space 1 by means of the focusing optics 52 in the coupling area 53.
  • the light coupled out of the optical element 50 on the opposite side of the ultrasound resonator 1 in the area 54 is optionally fed to a light detector 55 after further focusing by means of the optics 52 ′.
  • the optical loss can be determined on the basis of the signal at this light detector 55.
  • the calorimetric measurement is carried out either by measuring the gas temperature in the vicinity of the optically conductive element 50 before and after switching on the optical light coupling, or by coupling the light alternately into the measured material 50 at a very low frequency.
  • a gas with good thermal conductivity such as hydrogen or helium, would have the advantage of a small cooling time constant. This could, for example, increase the modulation frequency in alternate operation of the calorimeter.

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Description

Ultxaschall-Temperaturmessung und Anwendungen in der optischen Spektroskopie und der Kalorimetrie.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mes¬ sung kleiner Temperaturveränderungen in einem Gas, sowie deren Anwendungen in der optischen Spektroskopie und der Kalorimetrie.
Es existiert eine sehr grosse Anzahl von verschiedenen Temperatur¬ messmethoden. Beispielsweise lassen sich Temperaturen über die Wärmeausdehnung (Flüssigkeitsthermometer, Bimetall-Dehnungsstrei¬ fen), der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes (Widerstandsthermometer) oder der Thermospannung an der Schnitt¬ stelle verschiedener Metalle (Thermoelement) messen. Weitere Metho¬ den beruhen auf der Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung (In¬ frarot-Radiometer, Pyrometer). Diese Messmethode eignen sich sehr gut zur Temperaturbestimmung bei Festkörpern und Flüssigkeiten.
Gastemperaturen werden in der Regel - abgesehen von der im Gas¬ thermometer realisierten Gasausdehnungsmessung - indirekt gemessen, indem das Gas mit einem Festkörper- oder Flüssigkeits-Thermometer in Kontakt gebracht wird. Wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Gasen und der niedrigen Wärmeenergieübertragung vom Gas auf das Thermometer sind solche Temperaturmessungen relativ träge.
Aufgrund des idealen Gasgesetzes lässt sich die Temperatur eines eingeschlossen Gases über dessen Druck ermitteln. Die Druckschwan¬ kungen, welche bei einer periodischen Gastemperaturänderung auftre¬ ten, lassen sich beispielsweise hochempfindlich mittels eines Mikro¬ phons erfassen. Allerdings sind die auftretenden Temperaturänderun- gen wegen der erwähnten niedrigen Wärmeleitfähigkeit von Gasen in der Regel sehr klein, sodass das Mikrophon bei tieferer Frequenz, im SubHz-Bereich, betrieben werden müsste. Mikrophone sind für solche Frequenzen oder gar statische Messungen nicht sehr geeignet. Es ist daher von Interesse, nach einem Verfahren zu suchen, das eine di- rekte und quasistatische Messung der Gastemperatur erlaubt.
Es sind verschiedene Anwendungen denkbar, in denen es erwünscht ist, kleine Tenmperaturveränderungen in einem Gas zu messen.
Beispielsweise ist es in der optischen Gasspektroskopie von Interesse, die Wechselwirkung des Strahlungsfeldes mit einem Gas zu untersu¬ chen. Ausgehend von einer periodischen Licht-, insbesondere Infra- rot-Einstrahlung, treten im Gas periodische Temperaturschwankungen auf.
An sich existieren verschiedene Vorrichtungen zur Messung der absorbierten Lichtleistung in einem Gas. Die grösste Bedeutung haben Festkörper-Strahlungssensoren, die auf den Photoeffekt beruhen. Unter Verwendung solcher Sensoren wird meistens von der sog. Extinktionsmethode gebrauch gemacht: Die Absorption des Messgutes wird aus dem Vergleich zweier Strahlen ermittelt, wobei der eine das Messgut durchdringt, der andere ungehindert zum Detektor gelangt. Im Gegensatz zu dieser indirekten Methode wird oft einer direkten Methode den Vorzug gegeben. Diese besteht darin, direkt das lichab- sorptions-bedingte Signal zu messen. Sehr gut bewährt hat sich in diesem Zusammenhang, wie bereits erwähnt, die Messung der Druck¬ schwankungen, die sich bei der Absorption von intensitätsmodulier- tem Licht in einer verschlossenen Zelle aufbaut. Dieser sog. photo¬ akustische Effekt zeichnet sich durch eine sehr hohe Empfindlichkeit aus. Da die Messung mit Hilfe eines Mikrophons erfolgt, sind akusti- sehe Störungen der Messung nicht zu verhindern. In vielen Fällen ist diese akustische Störbarkeit nicht tolerierbar.
Eine andere Anwendungsmöglichkeit einer direkten Gastemperatur- messmethode bietet die Kalorimetrie.
Kalorimetrische Untersuchungen werden im klassischen Kalorimeter in wässriger Umgebung durchgeführt. Das Messgut wird entweder direkt in das Wasser gebracht, oder es ist in einem verschlossenen Gefäss in das Kalorimeterwasser eingetaucht. Letzteres befindet sich in einem von der Umgebung thermisch möglichst gut abgetrennten Wassertank. Die kalorimetrische Untersuchung beruht auf der Ver¬ folgung der Temperatur dieses Kalorimeterwassers, an welches das Messgut seine, beispielsweise durch eine chemische Reaktion freiwer¬ dende, Wärme abgibt. Es ist dabei zu beachten, dass die Temperatur¬ verteilung innerhalb des Kalorimeters möglichst homogen ist und auch mit derjenigen des Messgutes möglichst gut übereinstimmt. Zu diesem Zweck wird vorteilhaft ein Rührwerk eingesetzt.
Das Wasser ist als Wärmeübertragungsmedium vom Messgut auf das Thermometer gut geeignet: einerseits wegen seiner guten Wärmeleit¬ fähigkeit und andererseits wegen der raschen Erreichbarkeit einer homogenen Temperaturverteilung durch Rühren. In vielen Fällen ist es aber umständlich, oder gar unmöglich den Reaktor im Wasserbad eines Kalorimeters unterzubringen. Aus diesem Grunde werden kalo¬ rimetrische Messungen oft in gasförmiger Umgebung, beispielsweise in Luft, oder gar im Vakuum durchgeführt, wobei das Messgut auf einer mit Temperatursensoren versehenen Unterlage, in Form eines Tellers oder eines Tiegels, plaziert wird. Es sei das Differential- Kalorimeter erwähnt.
Beim Gaskalorimeter stellen sich zwei Probleme: Einerseits ist für einen guten thermischen Kontaktes zwischen dem Messgut und der
Unterlage zu sorgen, andererseits muss der Kalorimeterraum von der Umgebung möglichst gut thermisch isoliert sein.
Der konstruktive Aufbau eines Gaskalorimeters, wie es beispielsweise zur Bestimmung von Schmelz- und Reaktions-Wärmen eingesetzt wird, sei am Beispiel eines Differential-Kalorimeters beschrieben:
In einem Hohlraum befinden sich auf einem Teller zwei Tiegel. Im einen befindet sich das reakionsfähige, feste oder flüssige Messgut und im anderen ein inertes Referenzgut. Ein Thermoelement steht mit den beiden Tiegeln in thermischem Kontakt. Um beispielsweise das Kalorimeter bei erhöhter konstanter Temperatur zu betreiben, oder eine lineare Temperaturrampe fahren zu können (Differential Scanning Calorimeter), ist der Kalorimeter-Hohlraum beheizbar und zur Abschirmung äusserer Wärmequellen gegebenenfalls mit einer Wärmeisolationsschicht umgeben.
Falls im Messgut - beispielsweise während des Aufheizvorganges¬ eine thermisch ausgelöste Reaktion stattfindet, tritt im Thermoele- ment an der Messgut-Kontaktstelle gegenüber derjenigen beim Refe¬ renzgut eine Thermospannung auf, die Auskunft über die relative Erwärmung des Messgutes gibt.
Oft ist es überhaupt nicht möglich, Messung in einer wässrigen Um¬ gebung durchzuführen, oder das Messgut mit einer festen, die Tem¬ peratursensoren enthaltenden, Unterlage in guten thermischen Kon¬ takt zu bringen. Ebenso ist es oft unmöglich, das Messgut vollstän- dig in einem thermisch von der Umgebung abgetrennten Volumen unterzubringen.
Beispielsweise ist es in der integrierten Optik von Interesse, die optischen Verluste, die durch Lichtabsorption im Wellenleiter bedingt sind, zu bestimmen. Eine solche Untersuchung kann niemals in wäss- riger Umgebung realisiert werden, da der Brechungsindex des Wassers die Lichtführungs- und Kopplungs-Bedingungen ändern und damit die Messung verfälschen würde. Ebenso ist es kaum möglich, das opto- elektronische Element im Kalorimeterraum eines herkömmlichen Gas¬ kalorimeters zu betreiben, da innerhalb desselben kein Platz für die Lichteinkopplungs- und Lichtauskopp lungs- Vorrichtungen vorhanden ist. Es stellt sich damit das Problem, eine kalorimetrische Messung in Luft durchzuführen, wobei das Messgut weder mit einer Unterlage in thermisch guter Verbindung steht, noch thermisch von der Umge¬ bung hinreichend abgetrennt werden kann. Als taugliche Möglichkeit kommt eine indirekte Messung des Wärmeinhaltes des Messgutes über den Wärmeverlust an die Umgebung in Frage.
Eine solche Methode wurde zur Bestimmung der optischen Verluste in Glas angewandt. Sie besteht darin, dass ein Glasstab im optischen Resonator eines leistungsstarken Lasers (P = 115 W) an dünnen Fä¬ den angeordnet wurde und die stationäre, durch die Lichtdurchstrah- hing bedingte Temperaturerhöhung .___ T, sowie die AbkühlzeitTnach Abschalten des Lasers bestimmt wurden. (T.C.Rich and D.A. Pinnow, Appl. Phys. Lett. 20, 264 (1972). Zur Messung der Temperatur des Glasprobe diente ein feines, an der Probenoberfläche angebrachtes Thermoelement. Die im Glasstab mit einem Radius von r und einer Wärmekapazität C absorbierte Lichtleistung c . berechnet sich nach:
d-. = C (TTr2) __. T/ T P • (1)
; Typischerweise ergab sich für einen Suprasil-Glasstab im optischen Resonator eines 115 W - Lasers eine Temperaturerhöhung von Δ T = 0.56 ° C und beim Abkühlen eine Zeitkonstante "_*_- 75 s.
Das Verfahren bedingte, dass zur Unterdrückung einer ungewollten Wärmeabfuhr sehr dünne Thermoelement-Drähte verwendet werden, denn die Wärmeleitung von Metallen ist um ca 4 Grössenordnungen grösser als diejenige der Luft. Weiter wirft der thermische Kontakt zwischen dem thermisch schlecht leitenden Glasstab und der Thermo- element-Messstelle Probleme auf. Allgemein fordert eine thermische Kontaktierung feiner Proben grossen Aufwand - beispielsweise wenn das Thermoelement zur Gewährleistung eines guten thermischen Kon¬ taktes aufgedampft werden muss. Zudem ist eine metallische ther¬ mische Verbindung in gewissen Fällen sehr feiner optoelektronischer Komponenten überhaupt nicht realisierbar, wenn beispielsweise die optischen Eigenschaften durch den Temperatursensor gestört würden.
Mit diesen Beispielen aus der optischen Spektroskopie und der Kalo- rimetrie soll gezeigt werden, dass ein Interesse für eine direkte Messung der Temperatur von Gasen besteht. Es resultiert daraus die Aufgabenstellung der Erfindung, ein Verfah¬ ren anzugeben und eine Vorrichtung zu schaffen, die es erlaubt, Gastemperaturen direkt zu messen und auf die optische Spektroskopie oder die Kalorimertie anzuwenden.
Die Aufgabe wird gelöst durch Messung der temperaturbedingten Verstimmung eines Ultraschallresonators, der durch zwei einander gegenüber angeordneten Ultraschallwandler, der eine als Sender, der andere als Empfänger betrieben, gebildet wird.
Weiterhin wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das erwähnte Tem¬ peraturmessverfahren zur Temperaturmessung in der optischen Spek- troskopie und der Kalorimetrie angewendet werden.
Das physikalische Prinzip der vorgeschlagene Lösung der Aufgabe beruht auf der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit. Dieser Effekt ist recht gross. So ändert sich die Schallgeschwindig¬ keit in Luft bei einer Temperaturerhöhung von 25° C auf 26° C von 340 m/sec auf 340.6 m/sec, also um 0.6 m/sec C oder um ca 0.5% pro Grad Temperaturänderung. ;
Die Schallgeschwindigkeit c in einem Gas berechnet sich nach der folgenden Formel:
c = "ψ?p7§ , wo p:Druck, (2) H= Cp/cv Verhältnis der spez. Wärmen
S Dichte des Gases
Für ein ideales Gas ergibt sich:
Figure imgf000010_0001
Auffällig ist die verschwindende Druckabhängigkeit der Schallge- schwindigkeit für ein ideales Gas.
Da die thermodynamischen Eigenschaften von Luft bei Zimmertempe¬ ratur nicht wesentlich von denjenigen eines idealen Gases abweichen, bedeutet die Messung von Schallgeschwindigkeitsvariationen eine weitgehende druckunabhängige Bestimmung von Gastemperaturände¬ rungen.
Die Schallgeschwindigkeit lässt sich beispielsweise aus der Zeitverzö¬ gerung zwischen der Aussendung eines Pulses und der Rückkehr seines Echos ermitteln. Im vorliegenden Fall wäre allerdings der elektronische Aufwand erheblich, denn aufgrund der Temperaturab¬ hängigkeit der Schallgeschwindigkeit würde die Messung einer Tem- peraturänderung von Δ, T = 0.1 mK eine Auflösung der Zeitmessung von 5.2 ps erfordern.
Wegen der hohen Flankensteilheit in der Nähe einer akustischen Resonanz, resp. der grossen Phasenabhängigkeit im Resonanzmaxi¬ mum ist es angezeigt, eine Veränderung der Schallgeschwindigkeit über die Verstimmung eines akustischen Resonators zu bestimmen.
Denkbar wäre es auch, einen Sender kontinuierlich in akustischer Resonanz zu betreiben und die Impedanzabhängigkeit desselben zu verfolgen. Man hätte sich dann allerdings mit dem Problem auseinan¬ derzusetzen, eine sehr kleine Veränderung eines grossen Signales zu messen. Eine weitere Möglichkeit zur Messung der Schallgeschwindigkeit besteht darin, zwei Ultraschallwandler zu verwenden, wobei der eine als Sender, der andere als Empfänger betrieben wird. Auf diese Me¬ thode stützt sich die vorliegende Erfindung ab.
Da die vorgeschlagene Ultraschallmessung eine weitgehende druckun- abhängige Bestimmung von Gastemperaturänderungen erlaubt, kann bei der optisch-spektroskopischen Anwendung von einer sog. photo¬ thermische Messung gesprochen werden - im Gegensatz zur sog. pho¬ toakustischen Methode, bei der die Druckschwankungen im Gas bei Bestrahlung mit intensitätsmoduliertem Licht mittels eines Mikro- phons bestimmt werden.
Es stellt sich die Frage, inwieweit eine photothermische gegenüber der photoakustischen Messung an Gasen Vorteile bringen kann.
Das Wegfallen der akustischen Störbarkeit ist sicherlich günstig. Eigene Messungen, in denen die photoakustische und die photother¬ mische Methoden miteinander verglichen worden sind, zeigen deutlich den Unterschied der beiden Methoden: Während der photoakustische Effekt verschwindet, wenn bei niedrig-frequentem Betrieb die Zelle nicht vollständig verschlossen ist, konnte beim photothermischen Si¬ gnal, das mittels Ultraschall gemessenen wurde, keine wesentliche Abhängigkeit vom Oeffnungszustand der Zelle festgestellt werden. Es sei in diesem Zusammenhang auf die folgenden Artikel von O. Oeh- ler, J. Wieland und S. Friedrich hingewiesen: "Measurement of small temperature variations in a gas by ultrasonics", Helv. Phys. Acta, 61, 885 (1988) und "Ultrasonic device for detection of IR radiation ab —
sorbed in a gas", Proc. of the Int. Conf. on Infrared Phys., Zürich 1988.
Damit bringt die photothermische Methode dort gegenüber der photo- akustischen Methode Vorteile, wo grosse Druckfluktuationen vorkom¬ men. Es ist allerdings festzuhalten, dass bei verschlossener Zelle die photoakustische Methode eine um ca. einen Faktor 50 höhere Emp¬ findlichkeit aufweist.
Es soll nun auf die andere in der Aufgabenstellung aufgeführte An¬ wendung, die Kalorimetrie, näher eingegangen werden.
Wie bereits erwähnt, verlangen die klassischen kalorimetrischen Methoden eine gute thermische Kontaktierung des Messgutes. Im vorliegenden Fall werden die themodynamischen Grossen direkt aus dem Temperaturverlauf der Luft, die das Messgut umgibt, ermitteln. "
Zur Bestimmung des Wärmeinhaltes des Messgutes ist aber nach Formel (1) auch die Kenntnis der stationären Temperaturerhöhung Δ T des Messgutes erforderlich. Diese Bestimmung kann durch eine Eichmessung an einer Referenzprobe umgangen werden.
Die Zuverlässigkeit einer solchen Eichung setzt allerdings voraus, dass die Wärmeableitung vom Messgut an die umgebende Luft und diejenige der Referenzprobe an die Umgebung verglichen werden können. Erschwerend wäre, wenn die Oberflächenbeschaffenheit einen wesentlichen Einfluss auf die Wärmeableitung hätte - wie das etwa bei der Wärmeabstrahlung der Fall ist. Da im vorliegenden Fall aber nur sehr kleine Temperaturerhöhungen i. ~~ vorliegen , bei relativ niedriger Temperatur gemessen wird und die Abmessungen der Mess¬ zelle klein sind, kann der Strahlungsanteil des Wärmeflusses gegen¬ über dem konvektiven Anteil vernachlässigt werden. Das bedeutet aber, dass die Wärmeabgabe in erster Näherung nur von der Geome¬ trie des Messgutes resp. der Referenzprobe abhängt.
Die Ultraschallmethode erlaubt es, dass die Temperatur des Gases, welches das Messgut umgibt, ohne lokale Störungen zu verursachen, etwa durch Zuleitungsdrähte, gemessen werden kann. Es muss ledig- lieh gefordert werden, dass sich die Messprobe und die Referenzpro¬ be in einem vergleichbaren Ultraschallfeld befinden.
Die vorgestellte Methode hat eine Aehnlichkeit mit derjenigen, die zur Messung der optischen optische Absorption von Thallium-Haloge- niden verwendet wurde. In jenem Falle wurden die optischen Verlu¬ ste photoakustisch bestimmt, indem das Messgut in einen ver¬ schlossenen Raum gebracht und die durch Lichtabsorption bedingten Druckänderungen mittels eines Mikrophons gemessen wurden (P. Hörn, A.Schmid and P.Bräunlich, Jour. Quantum Electr., QE 19, 1169 (1983)). Im Gegensatz zu diesen photoakustischen Messungen erlaubt die Ultraschall-Methode eine lokale Bestimmung von Temperaturdiffe¬ renzen, während photoakustisch die gesamte im verschlossenen Hohl¬ raum freiwerdende Wärme gemessen wird. Randeffekte können damit im Fall der Verwendung von Ultraschall besser eliminiert werden. Zusätzlich verlangt die photoakustische Methode eine hohe Dichtig¬ keit des Kalorimeterraumes - vor allem wenn bei sehr niedriger Frequenz gearbeitet wird. Bei der Ultraschallmethode ist lediglich anzustreben, dass externe Gasströmuπgen den Kalorimeterraum nicht beeinflussen.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Darstellungen beschrieben:
Fig. 1 zeigt eine Uebersichts-Darstellung einer Ultraschallresona- tor-Vorrichtung zur Messung von Temperaturschwankungen, die durch Lichtabsorption in einem Gas bedingt sind.
Fig. 2 ist eine Darstellung der photothermischen Gasdetektions- vorrichtung mit Modulations- und Filtiermitteln für die einfallende Lichtstrahlung.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung des Gaskalorimeters, das auf einem Ultraschallresonator beruht und für ein fluidförmiges Mess¬ gut geeignet ist.
Fig. 4 veranschaulicht ein entsprechendes Gaskalorimeter für fe¬ stes oder flüssiges Messgut.
Fig. 5 zeigt eine Darstellung eines Kalorimeters zur Untersuchung von Lichtleitern und integriert-optischen Elementen.
Die Darstellung von Fig.l zeigt den Aufbau der bereits erwähnten Ultraschall-Vorrichtung zum Messen von kleinen, durch Absorption von Infrarotstrahlung bedingten Temperaturschwankungen in einem Gas. Die Methode der Gastemperaturmessung beruht auf der grossen Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von Gasen. Diesel¬ be wird mittels eines Ultraschallfeldes, vornehmlich in Form eines akustischen Resonators 1, gemessen. Die akustische Resonanz baut sich zwischen dem Ultraschallwandler-Paar, bestehend aus dem Ul¬ traschall-Sender 2 und dem Ultraschall-Empfänger 3, auf.
Der Ultraschall-Sender 2 wird durch den Generator 4 bei einer Fre¬ quenz von typischerweise mehreren hundert kHz angeregt. Das Signal des Generators kann sinusförmig sein oder aus einer regelmässigen Folge von beispielsweise rechteckförmigen Pulsen bestehen. Am Emp¬ fänger 3 erscheint ein Signal, dessen Enveloppe (peak-to-peak- Wert), nebst von der Empfindlichkeit des Empfängers 3 und der Schallabsorption im Resonatorraum 1, von der Abstimmung des Re¬ sonators 1 abhängt. Das Empfängersignal wird einer Vorrichtung 5 - im folgenden als Analysator bezeichnet - zugeführt. Diese Vorrich¬ tung 5 analysiert entweder die Enveloppe des empfangenen Signales oder sie bestimmt die Phasenlage des Signales bezüglich des Ein¬ gangssignales am Sender 2. Diese Analyse des vom Empfänger 3 gelieferte Signal beruht beispielsweise auf einer peak-to-peak-Mes- sung, einer Gleichrichtung mit nachfolgenden Glättung, einer Phasen¬ detektion oder einer phasenempfindlichen Verstärkung mittels eines Lock-in- Verstärkers.
Es ist angezeigt, den Ultraschallresonator durch Wahl der Frequenz und der Länge des Resonators im Fall einer Enveloppenanalyse in einer Resonanzflanke zu betreiben. Bei der Phasendetektion wird der Resonator vorteilhafterweise im Resonanzmaximum, also im Bereich der grössten Phasenänderung, betrieben. Weiterhin ist die Wahl einer möglichst hohen Ultraschall-Frequenz wegen der weitgehenden Pro¬ portionalität der Enveloppen-Steigung zur Frequenz empfehlenswert.
Die obere Limite der Ultraschall-Frequenz ist durch das Schallab- sorbtionsvermögen des Probegases, das oberhalb von 100 kHz mit zu¬ nehmender Frequenz stark ansteigt, gegeben. Es ist allerdings fest- zuhalten, dass die Frequenz höher gewählt werden kann, als dies mit kommerziellen luft-angepassten Ultraschallwandlern möglich ist (50 kHz bis 220 kHz). Im vorliegenden Fall muss nämlich das Schallsignal nicht über eine Distanz von mehreren Metern oder Dezimetern effi- zient übertragen werden, wie das bei normalerweise erwünscht ist, sondern lediglich über einen Abstand im Millimeter-Bereich.
Mit dem Betrieb des Ultraschallresonators in einer Resonanzflanke bei der Enveloppenanalyse, oder im Resonanzmaximum bei der Pha¬ sendetektion sowie der Wahl einer hohen Frequenz wird erreicht, dass sich eine - beispielsweise temperaturbedingte - Aenderung in der Abstimmung maximal auf das Ausgangssignal des Analysators 5 auswirkt.
Die Aenderung der Resonator-Abstimmung lässt sich nun direkt der Veränderung der Signal-Enveloppe, also dem Quasi-Gleichstrom-Wert resp. der Pasenverschiebung am Analysator 5 entnehmen. Es ist al- lerdings festzuhalten, dass in beiden Fällen der lineare Temperatur- Messbereich sehr beschränkt ist. Da aber nur kleine Temperatur¬ schwankungen gemessen werden sollen, ist diese Einschränkung nicht gravierend. Allerdings können langsame driftartige Temperatur- äπderungen ein Abwandern der Resonaturabstimmung und somit eine Aenderung der Temperaturempfindlichkeit bewirken. Es müssen daher nach Wegen gesucht werden grossen Langzeiteffekten wirkungsvoll entgegenzuwirken.
Beispielsweise kann die Ultraschallfrequenz derart nachgeführt wer¬ den, dass die Resonator-Abstimmung, das heisst der peak-to-peak- Wert am Empfänger 3, konstant bleibt. Zu diesem Zweck kann bei¬ spielsweise das Ausgangssignal des Analysators 5 als Steuer-Signal über einen geeigneten Regler 6 einen spannungsgesteuerten Gene¬ rator 4 zugeführt werden.
Der überstreichbare Temperatur-Messbereich ist durch den Operati¬ onsbereich der Ultraschallwandler gegeben. Typischerweise lassen sich mit Ultraschall-Wandlern 2, 3 Frequenzbereiche von 1% bis 2% der Sollfrequenz überstreichen.
Ein beliebig grosser Temperaturbereich lässt sich hingegen erreichen, wenn der Resonator 1 nicht elektrisch, sondern mittels eines Reglers 16 und einer mechanischen Verschiebe- Vorrichtung 12 durch Ver¬ änderung der Ultraschall-Wandler-Abstandes abgestimmt wird. Es ist allerdings festzuhalten, dass in diesem Falle die Abstimmung verhält- nismässig aufwendig ist. Insbesondere sind die Präzisions-Anforderung an den mechanischen Aufbau beachtlich. Beispielsweise fällt die Kreisgüte des Ultraschallresonators 1 stark ab, wenn die Oberflä¬ chen der Ultraschall-Wandler 2, 3 nicht genau parallel justiert sind.
Denkbar ist auch eine Kombination beider Abstimmungsarten des Ultraschall-Resonators, also der mechanischen und der elektrischen Abstimmung. In Fig. 1 ist diese Situation eingezeichnet. Bei- spielsweise kann die Grobabstimmung mechanisch mit Hilfe des ent¬ sprechenden Reglers 16 und der Verschiebe- Vorrichtung 12 vorge¬ nommen werden, während die Feinabstimmung elektrisch mittels des Reglers 6 und des spannungskontrollierten Oszillators 4 bewerkstel¬ ligt wird.
Aus dem Ausgangs-Signal des Analysators 5, resp. aus der Regelgrös- se, kann auf die Schallgeschwindigkeit und damit auf die Temperatur des Gases im Ultraschallresonator 1 geschlossen werden. Das Aus- gangssignal des Analysators 5 wird daher in einem Registriergerät 8 festgehalten.
Temperatur-Variationen im Ultraschallresonator 1 können beispiels¬ weise durch Licht- 17, insbesondere Infrarot-Einstrahlung, erreicht werden. Kleine Temperatur-Schwankungen im Ultraschallresonator 1, welche durch Absorption von intensitäsmodulierter Lichtstrahlung bewirkt werden und demzufolge mit dem Lichtsignal korreliert sind, sind beispielsweise mittels eines Analysators 15 in Form eines Lock- in-Verstärkers messbar. Letzterer verwendet als Referenz das inten- sitäts-modulierte Signal der Lichtquelle 7. Das Ausgangssignal des Analysators 15 ist der gesuchte Messwert, der über die Lichtabsorp¬ tion im Ultraschallresonator Auskunft gibt. Dieses Signal wird daher einem Registriergerät 8, beispielsweise in Form eines Schreibers, eines Voltmeters oder eines Rechnereinganges zugeführt. Das be¬ schriebene Verfahren erlaubt es, Gastemperatur-Aenderungen bis in den Bereich von 10~* Grad zu messen. Genauere Angaben sind in den vorgängig erwähnten Artikeln von O. Oehler, J. Wieland und S.Fried- rieh festgehalten.
Es scheint zunächst wenig sinnvoll, einerseits das Ausgangssignal des Analysators 5 zur weiteren Analyse im Lock-in-Verstärker 15 zu verwenden, andererseits dieses Signal beispielsweise mittels des Reg¬ lers 6 auf festem Wert zu halten. Es ist aber naheliegend, mit Hilfe des Reglers 6 langsame Drifterscheinungen zu kompensieren, sodass dem Lock-in-Verstärker 15 die Messung der raschen, mit der Licht¬ quelle synchronen Signale zukommt.
Fig. 2 zeigt eine detaillierte Darstellung einer Vorrichtung zur Mes¬ sung des photothermischen Effektes. Der Ultraschallresonators 1 wird durch die beiden Ultraschallwandler 2,3, die einander gegenüber angeordnet sind, gebildet. Das Licht der Quelle 7 gelangt durch ein Fenster 11 in den als Gasküvette ausgebildeten Ultraschallresonator 1. Zum Austausch des gasförmigen Messgutes 24 ist mindestens eine Oeffnung 22, 22' in der Wandung der Gasküvette vorhanden. Gegebe- nenfalls sind die Oeffnungen mit Strömungswiderständen 23, 23' versehen. Diese Strömungswiderstände können Ventile, Rohrverengun¬ gen 23 oder Filterplatten 23', resp. gaspermeable Membranen sein. Es ist festzuhalten, dass diesen Strömungs widerständen 23, 23' keine akustisch dämmende Wirkung zukommen muss - im Gegensatz zu photoakustischen Messungen bei tiefer Frequenz, wo eine gute aku¬ stische Abtrennung der Zelle von der Aussenwelt unumgänglich ist. Es muss lediglich erreicht werden, wie bereits erwähnt worden ist, dass sich äussere Temperaturfluktuationen nicht auf den Ultraschall¬ resonator 1 auswirken können. Auf das Lichteintrittsfenster 11 könnte verzichtet werden, falls gewährleistet ist, dass die Oeffnung im Ultraschallresonator keine wesentliche gaszirkulations-bedingten Temperaturfluktuationen bewirkt.
Zur Verhinderung von unerwünschten Temperaturfluktuationen im Ultraschallresonator 1 ist es empfehlenswert, denselben mit einer mantelförmigen Wärmeisolation 27 zu umgeben und/oder gegebenen¬ falls mittels einer Heizung 28, einem Heizungssteuergerät 28' und einem Thermosensors 28" auf konstanter Temperatur zu halten. Eben- so kann es Vorteile bringen, das gasförmige Messgut durch beheizung der Zuleitungen mittels der Heizelemente 38, 38' auf die Temperatur des Ultraschallresonators zu bringen.
Die Lichtquelle 7 ist intensitätsmoduliert, was beispielsweise durch Ein- und Aus-Schalten des Stromes , oder mittels eines Lichtchop- pers 18, der sich im Lichtstrahl 17 zwischen der Lichtquelle 7 und dem Ultraschallresonator 1 befindet, erreicht werden. Zusätzlich kann im Lichtstrahl 17 ein optisches Filter 11' angeordnet sein. Die Einfügung eines solchen Filters ist vor allem dann angezeigt, wenn die Quelle 7 ein breitbandiges Spektrum aufweist, also wenn bei¬ spielsweise die Lichtquelle 7 ein thermischer Strahler ist. In diesem Falle kann ein optisches Bandpass-Filter 11' hinreichend monochro¬ matische Strahlung erzeugen, sodass eine selektive Lichtabsorption durch Gase in der Küvette gewährleistet ist.
Falls die Wellenlänge des im Ultraschallresonator 1 durch das Fen- ster 11 einfallende Licht in einen spektralen Bereich fällt, wo Gase selektiv absorbieren, kann die in Fig.l und Fig. 2 dargestellte Vor¬ richtung zum selektiven Nachweis von Gasen verwendet werden. Die Empfindlichkeit ist zwar nicht derart hoch, wie bei einer auf dem photoakustischen Effekt basierenden Vorrichtung, hingegen weist die besprochene Vorrichtung eine praktisch verschwindende Störanfällig¬ keit gegenüber Druckfluktuationen und Körperschall auf.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform eines auf einem Ultraschallre- sonator 1 beruhenden Kalorimeters dargestellt. In Analogie zu der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, wird die lokale Temperatur eines Gases gemessen. Dasselbe kann die Messprobe selbst sein, oder eine fluidförmige Messprobe umgeben. Im Unterschied zur Vorrichtung von Fig. 1 führt aber nicht die Absorption von Licht zu einer Aen- derung der Gastemperatur, sondern das thermische Verhalten des Messgutes, beispielsweise eine chemische Reaktion in einem Gas, einem Aerosol, oder einer Flüssigkeit die in den Ultraschallresonator 1 gebracht worden ist. Die Kalorimeter-Vorrichtung 30 besteht wie¬ derum aus den beiden Ultraschallwandlern 2, 3, welche, den Ultra- schallresonator 1 seitlich begrenzend, einander gegenüber angeordnet sind. Der als Sender 2 eingesetzte Ultraschallwandler steht mit einem Oszillator 4 in Verbindung und wird von demselben angeregt. Der empfangende Ultraschallwandler 3 gibt sein Ausgangssignal an den Analysator 5 ab, wo dasselbe aufgrund einer Enveloppen- oder Pha¬ sen-Analyse ausgewertet wird. Die Abstimmung des Oszillators 4 wird beispielsweise mittels des Reglers 6 nachgestellt. In Bezug auf die Funktionsweise des Temperatrmessverfahrens sei auf die Beschreibung von Fig. 1 hingewiesen.
Für die Genauigkeit dieser Messmethode ist es wesentlich, dass die lokale Temperaturverteilung in der Umgebung des Messgutes 24 nicht durch äussere Einflüsse gestört wird. Das kann einerseits dadurch erreicht werden, dass der Kalorimeterraum weitgehend abgeschlossen ist und damit nicht unter dem Einfluss äusserer Luftströmungen steht. Andererseits ist dafür zu sorgen, dass die Innenwandungen des Kalorimeters "eine möglicht konstante und gleichmässige Temperatur aufweisen. Damit können unerwünschte Konvektionsströmungen inner¬ halb des Kalorimeters verhindert werden. Zu diesem Zweck ist es empfehlenswert, den Ultraschallresonator 1 sowie die Ultraschall¬ wandler 2, 3 mit einer mantelförmigen Wärmeisolation 27 zu umge¬ ben.
Weiter ist es angezeigt, den Ultraschallresonator 1 mit einer thermo- statisierten Heizung 28 zu versehen. In Analogie zur Vorrichtung von Fig. 2, regelt dieselbe, 28, mittels der Heizungssteuergerät 28' und des Thermosensors 28" die Temperatur des Ultraschallresonators 1.
Der Ultraschallsender 2 stellt eine massgebende Wärmequelle dar. Um stationäre thermische Verhältnisse zu schaffen ist es daher an¬ gebracht, die Ultraschallwandler 2, 3, insbesondere den Sender 2, mit Kühlungen 36, 36', beispielsweise in Form von Kühlrippen oder Pel- tier-Elementen, zu versehen. Da die Impedanz der Ultraschallwandler 2, 3 leicht von der Betriebsfrequenz abhängt - bei Resonanz tritt ein Impedanz-Minimum auf - ist auch die thermische Belastung der Ul¬ traschallwandler 2, 3 bei Veränderung der Betriebsfrequenz leicht variabel. Um eine gleichmässige Temperatur der Ultraschallwandler zu gewährleisten, ist es daher vorteilhaft, die Wandler mittels der Heizelemente 37, 37' derart zu beheizen, dass die Wärmezufuhr an den Ultraschallwandlern 2, 3 konstant ist. In Analogie zu der Hei¬ zung 28 des Ultraschallresonators 1 kann das mittels eines Heizungs- Steuergerätes und Thermosensoren geschehen.
Das zu untersuchende gaseförmige oder flüssige Fluid wird beispiels- weise über Ventile 32, 32' und die Zuleitungen 33, 33' in das Reakti¬ onsgebiet 31 des Ultraschallresonators 1 eingegeben. Um eine Wär¬ mezufuhr über das Fluid zu verhindern, wird dasselbe -gegebenenfalls, beispiels mittels den Heizelementen 38, 38', die an den Zuleitungen 33, 33' angebracht sind, vorgängig auf die Temperatur, die im Innern des Ultraschallresonators 1 herrscht, gebracht.
Es wurde vorgängig bereits darauf hingewiesen, dass die Eichung des Kalorimeters sehr wichtig ist, da die Temperatur des Messgutes 24 nicht direkt bestimmt wird. Dazu dient beispielsweise ein Heizelement 34, das über ein Speisegerät 34' betrieben wird.
Es ist festzuhalten, dass kalorimetrische Untersuchung von Gasen und Aerosolen mittels der beschriebenen Vorrichtung eine Ausnahme darstellen dürfte, da die Schallgeschwindigkeit nicht nur von der Gastemperatur, sondern auch wesentlich von der Gasart abhängig ist. Es wird daher nicht nur die Wärmetönung der Gasreaktion, son¬ dern auch die Gaszusammensetzung im Reaktorraum gemessen. Fig. 4 zeigt eine Kalorimeter-Vorrichtung, die für Untersuchungen an Festkörpern und Flüssigkeiten geeignet ist. Die Vorrichtung hat damit einen ähnlichen Einsatzbereich, wie das erwähnte Differential Scanning Kalorimeter. Im Gegensatz aber zu jenem wird nicht die Temperatur des Messgutes 1 direkt bestimmt, sondern vielmehr dieje¬ nige des umgebenden Gases.
Der Aufbau der Vorrichtung ist sehr ähnlich wie derjenige, die im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben worden ist. Im Gegensatz aber zur vorangehenden Beschreibung wird das Messgut nicht direkt über Zuleitungen 33, 33' in den Ultraschallresonator eingeleitet, sondern ist mechanisch im Ultraschallresonator 1 fixiert. Gegenüber dem Differential-Kalorimeter muss aber das feste Messgut 24 nicht in einen Tiegel 23 gegeben werden, sondern kann direkt, beispielsweise durch dünne Halterungen 41, 41' im Ultraschallresonator befestigt sein. Diese Halterungen können beispielsweise elektrische Zuleitungen sein, welche die Reaktion im Messgut 24 auslösen.
Flüssigkeiten können beispielsweise über dünne Kapillaren, die gleichzeitig die Funktion der Halterungen 41, 41' übernehmen, in den Ultraschallresonator 1 eingebracht werden. Das flüssige Messgut kann entweder an den Kapillarspitzen vorhanden sein, oder sich in einem kleinen Topf 43 eingefüllt sein.
Die übrigen Kalorimeterkomponenten, wie das Referenz-Heizelement 34, die Heizungen 28, 37, 37' des Ultraschallresonators 1, resp. der Ultraschallwandler 2, 3, die Kühlungen 36, 36' der Ultraschallwandler und der thermisch isolierende Mantel 27 des Kalorimeters wurde bereits vorgängig beschrieben. Fig. 5 zeigt eine Darstellung eines Kalorimeters zur Untersuchung von optischen Komponenten. An sich besteht ein grosses Interesse für kalorimetrische Messungen an integriert-optischen und optoelek¬ tronische Komponenten, wie lichtleitenden Fasern, integriert-opti¬ schen Lichtemittern, Lichtempfängern, opto-elektronischen Licht¬ schaltern und Verbindungsstellen zwischen optischen Komponenten. Nur anhand thermischer Untersuchungen ist es möglich, die im opti- sehen Material aufgetretene Lichtabsorption von ungewollter Licht¬ streuung und Lichtauskopplung zu unterscheiden. Die absorbierte Lichtleistung wird in kalorimetrisch messbare Wärme umgesetzt, während das ungewollt ausgekoppelte Licht kalorimetrisch nicht in Erscheinung tritt. Eine Optimierung der optischen Komponenten erfordert eine genaue Kenntnis der Herkunft der Verluste. Aus die¬ sem Grunde wurde verschiedentlich die optischen Verluste in opti¬ schen Materialien und Komponenten, wie etwa Glasfasern, kalorime¬ trisch gemessen. Beispielsweise wurde, wie bereits erwähnt, der opti¬ schen Verlust in Glas dadurch bestimmt, dass ein Glasstab in den optischen Resonator eines leistungsstarken Lasers gebracht und die Probentemperaturerhöhung während des Laserbetriebes, sowie die Zeitkonstante der Temperaturerniedrigung nach Ausschalten des La¬ sers, gemessen wurden (T.C.Rich and D.A. Pinnow, Appl. Phys. Lett." 20, 264 (1972). Weiter wurde, wie ebenfalls bereits erwähnt wurde, die optische Absorption von Thallium-Halogeniden photoakustisch bestimmt, indem das Messgut in einen verschlossenen Raum gebracht und die durch Lichtabsorption bedingten Druckänderungen mittels eines Mikrophons gemessen wurden (P. Hörn, A.Schmid and P.Bräun¬ lich, Jour. Quantum Electr., QE 19, 1169 (1983)).
Wie bereits erwähnt, können kalorimetrische Messungen an optischen Komponenten unter Betrieb nicht im Wasser vorgenommen werden. Die wässrige Umgebung würde die Lichtführung, bedingt durch den Brechungsindex des Wassers, wesentlich verändern oder gar verun¬ möglichen. Es ist daher notwendig, die Messungen in einem Gaska¬ lorimeter vorzunehmen. Bei Verwendung eines herkömmlichen Diffe¬ rential-Kalorimeters ergeben sich bei der Lösung des Problems der Lichteinkopplung und der Schaffung eines guten thermischen Kontak¬ tes zwischen Probe und Festkörper-Temperatursensor grosse techni¬ sche Schwierigkeiten. An sich könnten Thermoelemente beispielswei¬ se durch Aufdampfen auf dem Messgut angebracht werden, doch wäre der Aufwand beträchtlich.
In der Vorrichtung nach Fig. 5 wird die Einkopplung des Licht¬ strahles 51 in das optisch leitende Messgut 50 ausserhalb des Kalo¬ rimeterraumes 1 mittels der fokussierenden Optik 52 im Einkopp- lungsbereich 53 vorgenommen. Das auf der gegenüberliegenden Seite des Ultraschallresonators 1 im Bereich 54 aus dem optischen Element 50 ausgekoppelte Licht wird gegebenenfalls nach einer weiteren Fo- kussierung mittels der Optik 52' einem Lichtdetektor 55 zugeführt. Anhand des Signales an diesem Lichtdetektor 55 lässt sich der opti- sehe Verlust bestimmen.
Die übrigen Komponenten des Kalorimeters wurden im Zusammenhang mit den Fig. 3, 4, und 5 eingehend beschrieben, sodass darauf nicht mehr eingegangen werden muss.
Die kalorimetrische Messung wird entweder vorgenommen, indem die Gastemperatur in den Umgebung des optisch leitenden Elementes 50 vor und nach Einschalten der optischen Lichteinkopplung gemessen wird, oder indem das Licht alternierend bei sehr tiefer Frequenz in das Messgut 50 eingekoppelt wird. Bis anhin wurde vorausgesetzt, dass sich Luft im Kalorimeterraum befindet. Es ist aber auch denkbar, dass ein anderes Gas verwendet wird. Insbesondere brächte ein Gas mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Wasserstoff oder Helium, den Vorteil einer kleinen Abkühl- Zeitkonstanten. Damit könnte beispielsweise die Modulationsfrequenz im alternierenden Betrieb des Kalorimeters erhöht werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Untersuchung eines Messgutes in gasförmi¬ ger Umgebung, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgut thermisch bestimmt wird aufgrund der Temperaturabhän¬ gigkeit des Ultraschallfeldes fn einem Gas und diese tem¬ peraturabhängige Aenderung eines Ultraschallfeldes zur Bestimmung der vom Messgut an die gasförmige Umgebung abgegebene, resp. durch das Messgut von der gasförmigen Umgebung aufgenommene, Wärme herangezogen wird.
10
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturabhängige Aenderung des Ultraschallfeldes über die Abstimmung eines Ultraschallresonators gemessen wird.
15
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallresonator durch zwei einander gegenüberlie¬ gende Ultraschallwandler, wobei der eine als Sender, der andere als Empfänger betrieben wird, gemessen wird. 20
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Abstimmung des Ultraschallresonators auf¬ grund der Amplituden-Veränderung des in einer Flanke 25 einer Resonanz betriebenen Ultraschallresonators oder aufgrund der Phasen-Veränderung zwischen ausgesendetem und empfangenen Ultraschall in dem in Resonanznähe betriebenen Ultraschallresonator gemessen wird.
5
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, Regelmittel vorhanden sind, welche die Abstimmung des Ultraschallresonators kontrollieren.
10
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgut gasförmig ist und durch Einstrahlung von Licht in das Ultraschallfeld eine photo¬ thermische Gasanalyse durchgeführt wird. 15
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass intensϊtätsmoduliertes und gegebenenfalls monochromati¬ sches Licht auf das Messgut im Ultraschallfeld gestrahlt 20 wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel vorhanden sind, welche den Austausch des gasför- 25 migen Messgutes erlauben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgut kalorimetrisch unter- 30 sucht wird. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzlich Wärmequelle im Ultraschallfeld als Wärme¬ referenz herangezogen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgut ein gasförmiges oder flüssiges Fluid oder ein Fluidgemisch ist und das Fluids oder dessen Komponenten vor oder während der kalorime¬ trischen Messung über mindestens eine Zuleitung in das 10 Ultraschallfeld gebracht werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgut ein Festkörper ist und 15 im Ultraschallfeld angebracht ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgut während der kalorime- 20 trischen Untersuchung kontinuierlich oder alternierend von aussen mit Energie versorgt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass 25 das Messgut lichtleitendes Element ist und mit Energie in Form von Licht versorgt werden kann.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass 30 das Messgut eine nicht verschwindende elektrische Leitfä¬ higkeit besitzt und mit elektrischer Energie versorgt wer¬ den kann. 16. Vorrichtung zur Untersuchung eines Messgutes (24, 50) in gasförmiger Umgebung, bestehend aus einem abgetrennten Raum und Temperaturmessmitteln zur Bestimmung der vom Messgut (20, 50) an das umgebende Gas abgegebene, resp. vom Messgut durch das umgebende Gas aufgenommene, Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmess- 5 mittel zwei an der Berandung des Kalorimeterraumes (21) einander gegenüber angeordnete Ultraschallwandler (2,3) sind, wobei der eine (2), als Sender betrieben, mit einem Oszillator (4) und der andere (3), als Empfänger betrieben, mit einem Analysator (5) verbunden ist. 10
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (2,3) in derartigen Abstand angeordnet sind, dass sie einen akustischen Resonator bilden.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallempfänger (3) mit einem Analysator
(5) verbunden ist, der Amplituden-Veränderung des Ultra¬ schallsignales, oder der Phasen-Veränderung bezüglich des am Ultraschallsender (2) angelegten Signales aufnimmt. 10
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysator (5) über einer Regler
(6) mit dem Oszillator (4) verbunden ist und/oder über einen Regler (16) mit der mechanischen Verschiebevorrich- 15 tung (12) zur Verschiebung eines der beiden Ultraschall¬ wandler (2,3) in Verbindung steht. 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der abgetrennte, das Ultraschallfeld enthaltende, Raum mit einer gegebenenfalls fensterbedeck¬ ten (11) Oeffnung, versehen ist und Mittel (22, 22', 23, 23') zum Austausch des Gases vorhanden sind. 5
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltelement zum Ein- und Aus-Schalten des Stromes der Lichtquelle (7) vorhanden ist, oder sich im 10 Lichtstrahl (17) zwischen der Lichtquelle (7) und dem Ultraschallresonator (1) ein Lichtchopper (18) befindet und/oder im Lichtstrahl (17) ein optisches Filter (11') angeordnet ist.
15
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wandung des Ultraschallresonators mindestens eine Oeffnung (22, 22') vorhanden ist und diese Oeffnun- gen gegebenenfalls mit Strömungswiderständen (23, 23') in 20 Form von Ventilen, Rohrverengungen (23) oder Filterplat¬ ten (23'), resp. gaspermeable Membranen versehen sind.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch 25 gekennzeichnet, dass Mittel (34, 34', 41, 41', 52, 52') vor¬ handen sind, welche es erlauben, Energie in den abge¬ schlossenen, das Ultraschallfeld enthaltenden, Raum ein- oder auszukoppeln.
30
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass im Kalorimeterraum (21) zwischen den Ultraschall¬ wandlern (2,3) zusätzlich ein Referenzheizelement (34) angebracht ist, das seinerseits mit einem Speisegerät (34') verbunden ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 oder 24, da¬ durch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zuleitung (33, 5 33') vorhanden ist, die das Messgut in Form eines gasför¬ migen oder flüssigen Fluids oder dessen Komponenten in den Kalorimeterraum (21) einzuführen gestatten.
10
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 oder 24, da¬ durch gekennzeichnet, dass mindestens eine Halterung (41, 41') vorhanden ist, das Messgut in Form eines Festkörpers oder einer eingeschlossenen Flüssigkeit i Kalorimeterraum
(21) fixieren. 15
27. Vorrichtung nach Anspruch 26 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fokussleroptik (52, 52') vorhanden ist, welche gestattet, Licht in das Messgut in Form eines 20 lichtleitenden Elementes (50) einzukoppeln und gegebenen¬ falls auszukoppeln.
28. Vorrichtung nach den Ansprüchen 16 bis 27, dadurch ge- 25 kennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, bestehend aus einem Heizelement (28), einem Heizungssteuergerät (28') und einem Thermosensor (28"), die es gestatten, die Be- randungen des Kalorimeterraumes auf konstanter Tempe¬ ratur zu halten, oder dessen Temperatur in vorgeschriebe- 30 ner Weise zu ändern. 29. Vorrichtung nach den Ansprüchen 16 bis 27 dadurch ge¬ kennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, bestehend aus Heizelementen (37, 37'), einem Heizungssteuergerät und Thermosensoren und gegebenenfalls Kühlungen (36, 36'), die es gestatten, mindestens einen der Ultraschallwandler (2, 3) auf konstanter Temperatur zu halten, oder dessen Temperatur in vorgeschriebener Weise zu ändern.
30. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 10 16 bis 22 zur selektiven Detektion von Gasen.
31. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüchen
16 bis 19 und 22 zur kalorimetrischen Untersuchung von 15 Lichtleitern.
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