DE1648319A1 - Akustischer Temperaturmesser - Google Patents

Description

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67 110 ffl/Schm 4. Dez. 1967 ·,

United Kingdom Atomic Energy Authority

11, Charles II 8-fcreet, London, SWL, England

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 54 647/66 vom 6. Dez. 1967 beansprucht.

Akustischer Temperaturmesaer

Die Erfindung bezieht sich auf akustische Temperaturmessung /acoustic thermometry/. Der Ausdruck "Schall" /sonic/, wie er nachfolgend verwendet wird, gilt für Energie von Schall-, Unterschall- und Überschau- bzw. Ultraschallfrequenz.

Miäls enthält ein akustische!* 'l'emperaturmesser bzw. eine akustische Teiiiperaturineüvorrichtunfe einen Temperaturfühler

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/temperature sensor/ in Form eines YoIl- "haw. Festkörpers, dessen natürliche Vibrationsfrequenz von seiner Temperatur abhängig ist. Der Fühler schließt eine"akustische Übertragungsleitung ab, welche eine Länge von bis zu 20 Fuß (610 cm) aufweisen und in Form eines flexiblen Drahtes mit einem Durchmesser von nur einigen wenigen Tausendstel Zoll ausgebildet sein oder auch ein Stab mit einem Durchmesser von bis 1/4 Zoll (6,35 mm) sein kann, ■^as Verfahren zur Temperaturmessung beruht erfindungsgemäß darauf, einen Stoß oder Ausbruch von Schwingungen /a burst of CBCillations/, beispielsweise 30 bis 4-0, bei einer kontrollierten Frequenz mittels eines magnetostriktiven /magnetostrictive/ oder eines anderen elektroakustischen Wandlers in die Leitung hinein zu schicken /to launch/ und das vom fühlerabgeschlossenen Ende /sensor terminated end/ der Leitung zurückkehrende Echo in ein elektrisches Signal umzuwandlen und dieses Signal an einem Oszillakop darzustellen bzw. sichtbar zu machen, Wenn die Frequenz der Schwingungen in dem Stoß mit der Resonanzfrequenz des Fühlers koinzidiert bzw. zusammenfällt, v/eist das Rückechosignal /return echo signal/ eine Anzahl gut zu unterscheidender bzw. genau abgegrenzter Charakteristiken auf. Die Frequenz der Schwingungen kann sehr präzis auf die Resonanzfrequenz eiü_tä3tt.llt werde.., und zwar dadurch, daß das Echosignal beobachtet wird, während die Oszillator-Kontrolle eingerollt wird, uha souit ka.-in .-.-iirch Yerv/enden euer Ausnutzen vorheriger Kaliorierun^

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/calibration/ die Temperatur herausgefunden bzw. ermittelt werden. Ss sei darauf hingewiesen, daß die auf diese V/eise gemessene Temperatur eine solche des Fühlers allein ist und vom Ternperaturprofil der Leitung völlig unabhängig ist. Die Auswahl .des Materials und die Größe bsw. die Abmessung der Komponenten wird im allgemeinen so getroffen hzw. vorgesehen, daß der Umgebung und der Temperatur, in welcher die Vorrichtung verwendet werden soll, Rechnung getragen wird.

Eine AuöιUhrungsform der Erfindung wird nunmehr anhand uer sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 schematisch die Hauptteile eines akustischen Temperaturmessers /acoustic thermometer/, während

die
Fig. 2a, 2b und 2c Darstellungen von Sehallsehwingungen oder -wellen /sonic oscillations or waves/ wieder-

geben;
Fig. 2a ist ein Beispiel eines Schallwellenstoßes, wie er nach dem Temperaturfühler /temperature sensor/

übertragen wird,
Fig. 2b ist eine Darstellung des reflektierten Schos, wie es am Transmitter bzw. Geber erscheint, wenn

die Frequenz etwa 10$ F al schab Stimmung /off resonance/

aufweist, während
-^¹Ig. 2c ^as »flektierte Echo ue± Hesonanz wiedergibt.

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In Fig. 1 enthält die Temperaturmeßvorrichtmig eine elektronische "bzw. Elektroneneinheit /electronic unit/ 1 zum Erzeugen von Stößen /bursts/ elektrischer Oszillationen bzw. · Schwingungen, deren Frequenz über den Bereich von 50 bis 100 kHz pro Sekunde veränderbar ist, einen Wandler /transcUcer/ 2 zum Empfangen dieser Schwingungen und zum Ablaufenlassen bzw. Lenken /launching/ entsprechender akustischer Schwingungen oder Wellen in eine Sonde /probe / 3 und ein Oszilloskop /.oscilloscope/ 4. ^ie Sonde weist einen magnetostriktiven Draht /magnetostrictive wire/ 5, auf welchen die G-eber/Empfänger-Spule 6 des Wandlers 2 aufgewickelt ist, eine akustisch angepaßte /matched/ Übertragungsleitung 7 sowie eine Resonatoreinheit 8 auf, welche die

Leitung abschließt bzw. abspannt. Die Fx^equenz der Schwingungen in jedem Stoß wie auch die Dauer des Stoßes ist durch die Bedienungsperson regelbar. Die resultierenden und entsprechenden Stöße in den Draht 5 hinein erzeugter Schallwellen wandern axial längs des Drahtes in beiden Richtungen. Diejenigen, welche rückwärts wandern, d.h. in Fig. 1 nach links gesehen, werden mittels eines massiven Endblocks bzw. -kaatens /massive terminal block/ 9 reflektiert, welcher den polarisierenden Magnet enthalten kann, und zwar in einer Distanz f von der Spule 6 angeordnet. Diejenigen, welche vorwärts wandern, werden somit durch die vom Block 9 reflektierten Wellen verstärkt, und die zwei, überlagert, werden in eine Übertragungsleitung 7 über die angepaßte Verbindung /matched junction/ zwischen dem Draht 5 und der Leitung 7 eingebracht bzw. übermittelt /injected/. Die Spule 6 ist außerdem mit einem Oszilloskop 4 verbunden, um Echos sichtbar zu

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machen, die an einer Kathodenstrahlröhre /cathode ray tube/ empfangen werden.

Die Übertragungsleitung 7 verbindet den Draht 5 mit der Reτ sonatoreinheit /resonator unit/ 8. Diese letztere besteht aus einem Stück Material und schließt einen Koppler /coupler/ ein, der einen hohen akustischen Impedansbereich /impedence/ region/ 10 an seiner Verbindung mit der Übertragungsleitung bildet. Dieser Bereich 10 ist eine - Länge einer Leitung mit

hoher Impedanz und grenzt an eine jPLänge aus Material mit niedriger Impedanz, welche den Effektivtemperaturfühler bzw. den eigentlichen Temperatursensor /actual temperatur sensor/ bildet. Die Echosignale, die zum Wandler zurückkehren, bestehen aus den Signalen von der Verbindung /junction/ sowie von der Resonatoreinheit her.

Im FaIsehäbstimmungszustand /off resonance condition/ ist die Kontribution bzw. Beisteuerung, welche die Resonatoreinheit 8 gegenüber dem Echosignal leistet, gering, und das Eoho ist fast ein Gegenstück bzw.Bachbild oder Abbild /replica/ des übertragenen fcssw. übermittelten Signale, wie durch einen Vergleich des übertragenen Signals gemäß Fig. 2a mit dem Echo

' gemäß Pig. 2b, welches empfangen wird, wenn das übertragene

Signal etwa 10J< falsohabgestimmt ist /off resonance/, zu er- _: kennen ist. Wenn die Frequena des übertragenen Signals der

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Resonanzfrequenz entspricht, sind beide Beisteuerungen bzw. Anteile von Bedeutung bzw. von besonderer Prägung /significance/ und vergleichbarer Größe /magnitude/. Wie in S¹Ig. 2c dargestellt ist, sind drei gut unterscheidbare bzw. deutlich voneinander abgegrenzte Bereiche für das Echo bei Resonanz vorhanden, welche mit A, B und C bezeichnet sind. Die Bereiche A und B weisen sich kreuzende Exponentialberandungen /crossing exponential envelopes/ mit einer Phasendifferenz zwischen den beiden Bereichen auf. Wie aus den IPign. 2b und 2c zu erkennen ist, tritt der Phasenunterschied sehr rasch bzw. rapide nahe der Resonanz auf. Der Bereich C zeigt das Exponentialdekrement des im Resonator gespeicherten Signals.

Die Merkmale, die zur Resonanzanzeige verwendet werden können, sind die Nullquote /null portion/ der Kreuzung /cross over/ zwischen den deichen A und B oder die maximale Amplitude des Bereiches C. Die Null ist ein Phasenereignis /phase phenomena/, welches für die Präzisionseinstellung /precision setting/ einer automatischen Einheit verwendet werden könnte, während der Ampli- tudeneffekt für die allgemeine Lokation des Resonanzbereiches verwendet werden könnte. Das Verfahren würde dann darin bestehen, durch den Frequenzbereich hindurch glatt bzw, gleichförmig abzutasten /to scan smoothly/, bis ein scharfer Anstieg in der Amplitude aufträte, und dann die Frequenz auf diesen Wert ;

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/about this value/ einzuregeln, bie der Ifuilpunkt ermittelt we're. Die Temperatur, die Jener Frequenz ■ entspräche, könnte dann an einer vorher präparierten Karte abgelesen werden. Alternativ könnte die Frequenz als Datum bzw. Angabe /data/ in eine Systeuikontrolle /system control/, als Temperaturbegriff /temperature term/, eingegeben werden. Die Angabe, die in Form einer Frequenz besteht, kann ohne Entartung /degeneration/ über jede geeignete Verbindung /link/ übertragen werden und kann leicht in digitale Information zur Registrierung bzw. Aufzeichnung /recording/ oder Verwendung in der Kontrolle bzw. Steuerung eines Systems umgewandelt werden.

Um ausreichende Empfindlichkeit zur genauen Resonanzermittlung zu erreichen, sollte die akustische Kopplung bzw. Verbindung zwischen dem Bereich hoher Impedanz und dem Material mit niedriger Impedanz eingeregelt werden, derart, daß die inneren akustischen Energieverluste innerhalb des Materials mit niedriger Impedanz (d.h. des Fühlers) in etwa bzw. nahezu j den Verlusten an der Kopplung entsprechen bzw. gleichkommen, : bei der Temperatur, bei welcher der Fühler verwendet werden soll. Wenn diese Einstellung bzw« Einregelung vorgenommen worden ist, dann läßt sich erkennen, daß das Q (bzw. der Faktor Q) des Fühlers so hoch ist wie es brauchbar bzw. sinnvoll verwendet werden kann, und der Resonanzzustand /resonant condition/ kann scharf bzw. exakt angezeigt bzw. angegeben werden.

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Die Erfindung betrifft auch. Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungaform und besieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfinduugs:nieriaac.le die im einzelnen — odor in Kombination — in 'der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   1o Akustischer Temperaturmesser, dadurch gekennzeichnet» daß er sich zusammensetzt aus einem Temperatursensor in der Form eines festen Körpers, dessen natürliche Yibrationsfrequenz temperaturabhängig ist, aus einem sonischen Energiewandler, der so angeordnet ist, daß er Stöße von Schwingungen von vorbestimmter Frequenz erzeugt und sie' über eine akustische Leitung nach dem Sensor überträgt·, aus einer Kopplung, die einen Bereich hoher akustischer Impedanz zwischen der Leitung und dem Sensor bildet, derart, daß Echos der übertragenen Oszillationen in Übereinstimmung mit der Annäherung des Eesonanzzustandes des Sensors variiert v/erden, und aus Mitteln zum Ableiten eines Temperaturmaßes von der Frequenz, bei welcher die Resonanz des Sensors auftritt_e

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2. 2. Verfahren zur Durchführung akustischer Temperaturmessung, dadurch gekennzeichnet, daß es darauf beruht, άε.8 der

   Temperatur, die gemessen werden soll, ein fester Körper ausgesetzt wird, dessen natürliche Vibrationsfrequenz temperaturabhängig ist, daß Stöße akustischer Schwingungen in eine Leitung geschickt werden, die über einen Bereich hoher Impedanz mit dem Körper verbunden ist, daß die Frequenz der Schwingungen in jedem Stoß eingeregelt wird, bis Resonanz des Körpers ermittelt ist, und daß eine Messung dieser Frequenz dafür verwendet wird, die Temperatur des Körpers zu bestimmen.)

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