DE4222625C2 - Akustisches Thermometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein akustisches Thermometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei derartigen akustischen Thermometern arbeitet die Aus­ werteschaltung typischerweise so, daß sie den zeitlichen Abstand von zwei Schallimpulsen bestimmt, die durch das Dispersionselement unterschiedlich beeinflußt wurden. Die­ se Abstandsbestimmung erfolgt z. B. so, daß man die Null­ durchgänge der Schallimpulse bestimmt. Dies kann aber insbe­ sondere dann, wenn sich aufeinanderfolgende Schallimpuls­ echos überlagern, zu Schwierigkeiten führen.

Aus der DE-PS 12 48 347 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem zwei Impulspaare mit variablem Zeitabstand T₀ in einen als Meßsonde wirkenden Draht mit einer Durchmesser­ stufe eingeleitet und die Echos an einem Oszilloskop beobachtet werden. Durch Variation von T₀ werden die Echos zur Überlappung gebracht und aus dem so ermittelten Wert von T₀ ein Maß für die Temperatur des Drahts gewonnen.

Ein weiteres akustisches Thermometer ist aus GB 1 246 542 bekannt. Hier wird ein Schallwandler sowohl als Schall­ generator als auch als Schallempfänger verwendet. Ein als Resonator arbeitendes Meßelement ist über einen akustischen Schalleiter und einen Koppler mit dem Schall­ wandler verbunden. Die Resonanzfrequenz des Resonators ist temperaturabhängig; die Resonanzstelle wird aufgesucht indem die Generatorfrequenz automatisch nachgeführt wird.

Eine Reihe von verschiedenen Bauformen von Ultraschall- Temperaturmeßsonden ist in der DE 27 35 908 A1 beschrieben, bei welchen ein Sensordraht von einem Hüllrohr umgeben ist und das Problem störender sich dazwischen ausbildender Materialbrücken angesprochen wird.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein akustisches Ther­ mometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so weiter­ gebildet werden, daß eine präzisere Bestimmung der Tempe­ ratur erhalten wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein akusti­ sches Thermometer gemäß Anspruch 1.

Mit der Erfindung ist es möglich, die Verzerrung der Signal­ impulse, die man an sich am Schallempfänger erhalten würde, dadurch auszuräumen, daß man entgegengesetzte Vorverzer­ rungen in der Form der erzeugten Schallimpulse vornimmt. Die am Schallempfänger erhaltenen Signalimpulse haben dann eine klare Form, die sich für eine einfache und präzise Auswertung eignet, z. B. die Form eines differenzierten Gauß- Impulses oder einer einzigen Periode einer Sinuswelle.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteran­ sprüchen angegeben.

Die Steuerung der Schallimpuls-Vorverzerrung gemäß Anspruch 2 läßt sich mit geringem apparativem Aufwand durchführen. Die die Impulsform bestimmenden Daten im Festwertspeicher können vorab für einen bestimmten Schalleiter generell oder zumin­ dest für einen bestimmten Meßbereich, in welchem das Ther­ mometer eingesetzt wird, durch Eichversuche bestimmt werden.

Bei einem akustischen Thermometer gemäß Anspruch 3 wird die Form der in die Auswerteschaltung einlaufenden Impulse zu­ sätzlich ausgewertet und man erhält so zusätzliche Informa­ tionen über die aktuelle Einwirkung von Schalleiter und Dispersionselement auf die Form der durchlaufenden Schall­ impulse, die zur Steuerung der Impuls-Vorverzerrung verwen­ det werden.

Erfolgt die Berücksichtigung dieser zusätzlichen Informatio­ nen gemäß Anspruch 4, so arbeitet der Impulsformsteuerkreis sehr rasch und hat einfachen Aufbau.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 wird erreicht, daß die Änderung der Dispersion des Schalls in der Meßstrecke in Abhängigkeit von der Temperatur möglichst groß ist.

Dies läßt sich gemäß Anspruch 6 mit mechanisch sehr einfa­ chen Mitteln erreichen.

Bei einem Thermometer gemäß Anspruch 7 hat man keine Stufen an den Abstützstellen der kreisbogenförmigen Blattfedern.

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

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines akustischen Thermometers, wobei der Sensor axial geschnitten wiedergegeben ist und für die Auswerteschaltung ein Blockschaltbild gezeigt ist;

Fig. 2-4 ähnliche Darstellungen wie Fig. 1, in denen abgewandelte akustische Thermometer wiedergege­ ben sind; und

Fig. 5 bis 7 abgewandelte Meßkammern für die akustischen Ther­ mometer gemäß den Fig. 1-4.

Fig. 1 zeigt ein akustisches Gasthermometer mit einem ins­ gesamt mit 10 bezeichneten Sensorstab sowie einer zugehöri­ gen Auswerteschaltung 12.

Der Sensorstab 10 hat ein Schalleiterrohr 14, dessen Innen­ durchmesser klein gegenüber der Wellenlänge von Schallwel­ len ist, die ein auf das in Fig. 1 links gelegene offene Rohrende aufgesetzter Schallgenerator 16 erzeugt. Diese Impulse sind im Grundsatz differenzierte Gauß-Impulse oder eine einzige Periode einer Sinuswelle oder andere Impuls­ formen mit zwei zur Zeitachse symmetrischen Hälften, die insgesamt einen gleichdruckfreien Impuls ergeben. Diese Schallimpulse haben aber zusätzlich eine Vorverzerrung, wie später noch genauer beschrieben wird.

Das rechte Ende des Schalleiterrohres 14 trägt einen Meßkopf 18, der aus gut wärmeleitendem Material hergestellt ist. Im Meßkopf 18 ist eine Stufenbohrung vorgesehen, deren eingangsseitiger Abschnitt 20 eine glatte Fortsetzung der Innenfläche des Schalleiterrohres 14 darstellt. Über eine neren Durchmesser aufweisender Bohrungsabschnitt 24 verbun­ den.

Der Abstand L zwischen der Ringschulter 22 und dem Boden des Bohrungsabschnittes 24 gibt eine Meßstrecke der Länge L vor.

In einem Abstand vom Schallgenerator 16, der um ein Mehrfa­ ches größer ist als die Länge L der Meßstrecke, ist an die Umfangswand des Schalleiterrohres 14 ein Mikrofongehäuse 26 dicht angeschweißt. Auch der Schallgenerator 16 und der Meßkopf 18 sind dicht mit dem Schalleiterrohr 14 verbunden, sodaß der Sensorstab 10 insgesamt gasdicht ist. Sein Inne­ res ist mit einem für den Temperatur-Arbeitsbereich des Thermometers geeigneten Arbeitsgas gefüllt, z. B. Argon oder Helium. Weitere geeignete Arbeitsgase sind z. B. Stickstoff oder auch Luft, wobei im letztgenannten Falle der Sensorstab 10 nicht dicht zu sein braucht, vielmehr mit Druckaus­ gleichsöffnungen ausgebildet ist.

Typische in der Praxis verwendete Sensorstäbe 10 haben z. B. ein Schalleiterrohr mit einem Außendurchmesser von etwa 6 mm, eine Stablänge von 20-300 cm und eine Länge L der Meßstrec­ ke von 5-30 cm.

Im Mikrofongehäuse 26 ist ein Mikrofon 28 angeordnet, das über eine Koppelöffnung 30 der Rohrwand mit dem Inneren des Schalleiterrohres 14 in Verbindung steht.

Ein Taktgeber 32 der Auswerteschaltung 12 gibt in Abständen, die beim hier betrachteten Ausführungsbeispiel typischer­ weise 1/2 bis 1/10 Sekunde betragen, Steuerimpulse auf ei­ nen steuerbaren Impulsgenerator 34. Dieser umfaßt einen Gleichspannungsgenerator 36 sowie einen nachgeschalteten steuerbaren Modulator 38.

Der Modulator 38 erzeugt unter dem Einfluß einer an ihm anliegenden Steuerspannung typische gleichsignalfreie Erregerimpulse der oben angesprochenen Art (abgeleiteter Gauß- Impuls, einzelne Sinusperiode) zur Erregung des Schallwand­ lers 16. Die Breite dieser Impulse beträgt typischerweise 0,1-1 ms.

Das Ausgangssignal des Mikrofones 28 gelangt auf einen Null­ durchgangsdetektor 40, der jeweils bei Vorliegen eines Null­ durchganges einen Ausgangsimpuls erzeugt. Diese Ausgangs­ impulse gelangen auf einen Impulsabstandsdiskriminator 42, der jeweils den Zeitpunkt, zu dem ein Signal erhalten wird, mit demjenigen Zeitpunkt vergleicht, zu dem das vorhergehende Signal erhalten wurde. Das entsprechende Impulsabstandssignal dient zur Adressierung eines Festwertspeichers 44, in welchem für die verschiedenen Impulsabstandssignale diejenigen Temperatursignale abgelegt sind, die gemäß einer früher durchgeführten Eichung zu den Impulsabstandssignalen gehören. Die entsprechenden Temperatursignale werden auf einer Anzeigeeinheit 46 dargestellt und zugleich über eine Leitung 48 für anderweitige Weiterverarbeitung bereitgestellt.

Der Nulldurchgangsdetektor 40 und der Impulsabstandsdiskri­ minator 42 sind mit Startklemmen S versehen, die über einen Verzögerungskreis 50 ebenfalls das Ausgangssignal des Takt­ gebers 32 erhalten. Die Periode des Verzögerungskreises 50 ist so gewählt, daß das Ausgangssignal des Mikrofones 28, welches durch den vom Schallgenerator 16 zum Meßkopf 18 laufenden Schallimpuls erzeugt wird, bei der Auswertung unterdrückt wird.

An den Ausgang des Mikrofones 28 ist ferner ein Impulsform­ speicher 52 angeschlossen. Er läßt sich über ein ODER-Glied 54 durch das Ausgangssignal des Verzögerungskreises 50 und durch das über einen weiteren Verzögerungskreis 56 erhalte­ ne Ausgangssignal des Nulldurchgangsdetektors 40 starten. Die Periode des Verzögerungskreises 56 ist im Hinblick auf die Länge der Meßstrecke L und den Arbeits-Temperaturbe­ reich des Thermometers gewählt.

Der Impulsformspeicher 52 arbeitet grob gesprochen so, daß er die einlaufenden Signale in regelmäßigen Abständen sampled und eine vorgegebene Anzahl aufeinanderfolgender Signale speichert, z. B. in der Praxis etwa 10 Stützstellen.

An den Ausgang des Impulsformspeichers 52 ist ein Rechen­ kreis 58 angeschlossen, der ferner mit einem Sollform- Festwertspeicher 60 zusammenarbeitet.

Der Rechenkreis 58 arbeitet grob gesprochen so, daß er die vom Impulsformspeicher 52 abgegebene Istsignalform mit der Sollsignalform vergleicht und für jede der Stützstellen ein Korrektursignal berechnet, durch welche die Istsignal­ form unter Berücksichtigung der impulsverzerrenden Eigen­ schaften der Schalleiteranordnung zwischen Schallgenerator 16 und Mikrofon 28 auf die Sollsignalform gebracht wird. Mit diesen Korrektursignalen, die im Abstand der Stützstellen entsprechenden kurzen Zeitabständen auf die Steuerklemmen des Modulator 38 gegeben werden, wird der vom Schallgenerator 16 abgegebene Schallimpuls so vorverzerrt, daß man am Ausgang des Mikrofones 28 die Sollsignalform erhält. Letztere ist so gewählt, daß sich die Signalverarbeitung in den Schalt­ kreisen 40 und 42, insbesondere 40, mit hoher Präzision durchführen läßt.

In Abwandlung dieser Arbeitsweise kann der Rechenkreis 58 auch so arbeiten, daß er eine Fourier-Transformation des Eingangssignales durchführt oder das Eingangssignal unter Berücksichtigung der bekannten Impulsverzerrung zurückfal­ tet. Diese Impulsverzerrung ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 überwiegend auf dem Weg der einzelnen Druck­ impulse im langen und engen Schaltleiter 14 zurückzuführen.

Die Schaltkreise 52, 58 und 60 bilden somit zusammen einen Impulsform-Steuerkreis 62, der als Teil einer Regelschleife arbeitet, die ferner den Impulsgenerator 34, den Schallgenera­ tor 16, das Mikrofon 28 und die zwischen letzteren liegende akustische Meßstrecke umfaßt.

Zur Synchronisation ist eine Steuerklemme S1 des Rechen­ kreises 58 mit dem Ausgang des Taktgebers 32 verbunden, um den Modulator 38 mit den Korrektursignalen zu beauf­ schlagen, während der Gleichspannungsgenerator 36 durch den Taktgeber 32 angesteuert wird.

Eine zweite Steuerklemme S2 des Rechenkreises 58 erhält das Ausgangssignal des Verzögerungskreises 50. Bei Erhalt dieses Signales leitet der Rechenkreis 58 einen neuen Zy­ klus zum Vergleich zwischen Ist-Signalform und Soll-Signal­ form und zum Berechnen neuer Korrektursignale ein.

Eine weitere Steuerklemme S3 ist mit dem Ausgangssignal des Verzögerungskreises 56 beaufschlagt. Bei Erhalt dieses Signales weiß der Rechenkreis 58, daß die nun nachfolgend zu bearbeitende Ist-Impulsform zu einem Schallimpuls gehört, der die Meßstrecke L durchlaufen hat.

Da die durch die Laufstrecke bedingte Verformung der Druck­ impulse unterschiedlich sein kann für solche am Mikrofon 28 erhaltene Schallimpulse, die an der Ringschulter 22 re­ flektiert wurde, und solche Schallimpulse, die am Boden des Bohrungsabschnittes 24 reflektiert wurden, kann der Rechenkreis 58 aus den für diese einzelnen Impulsformen erhaltenen Korrektursignalen ein gewichtetes Korrektursig­ nal so zusammensetzen, daß man für beide Arten von Schall­ impulsen eine nahe bei der Soll-Impulsform liegende Ist­ impulsform erhält.

In Abwandlung kann man den Rechenkreis 58 auch so program­ mieren, daß er nur die eine der beiden Schallimpulssorten bei der Berechnung der Korrektursignale berücksichtigt. Sind z. B. die von der Ringschulter 22 reflektierten Druck­ impulse verhältnismäßig stark und wenig verformt, während die vom Boden des Bohrungsabschnittes 24 reflektierten Schallimpulse stark verzerrt und schwächer sind, so kann der Rechenkreis 58 auch so arbeiten, daß er nur diese schwieriger auszuwertenden zweiten Schallimpulse bei der Berechnung der Korrektursignale berücksichtigt.

Hat man einen Meßkopf 18, der mehrere Reflexionsstellen enthält, so kann an die Steuerklemme S3 auch ein Zähler angeschlossen sein. Der Rechenkreis 58 weiß dann für jede auszuwertende Ist-Impulsform, von welcher der Reflexions­ stellen der gerade ausgewertete Schallimpuls stammt, und er kann wieder die verschiedenen Sätze von Korrektursig­ nalen gewichtet zusammensetzen oder nur den Korrektursig­ nalsatz für den oder die am schwierigsten auszuwertenden Schallimpuls berücksichtigen.

Das akustische Gasthermometer nach Fig. 2 entspricht im wesentlichen demjenigen nach Fig. 1, nur erfüllt hier ein Schallwandler 16 zugleich die Funktion des Senders und des Empfängers. Vor den Eingang des Nulldurchgangsdetektors 40 ist ein Sperrkreis 64 vorgesehen, der durch das Aus­ gangssignal des Taktgebers 32 in die Sperrstellung gesteu­ ert wird. Auf diese Weise wird das Sendesignal von der Auswerteschaltung ferngehalten.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist beim Ende des Schalleiterrohres 14, unmittelbar vor dem Meßkopf 18, ein weiteres Mikrofon 66 über eine Koppelöffnung 30 an das Schalleiterrohr 14 angeschlossen. Es ist mit dem Eingang des Impulsformspeichers 52 verbunden. Das Mikrofon 28 ist nur mit dem Eingang des Nulldurchgangsdetektors 40 verbun­ den.

Damit erfolgt die Ansteuerung des Modulators 38 insgesamt so, daß man in der Nachbarschaft der Ringschulter 22 die gewünschte in der Regel scharfe Sollimpulsform erhält. Man hat dort also eine scharfe Reflexion, was sich ebenfalls auf die Meßverhältnisse günstig auswirkt.

Bei dem vereinfachten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist umfaßt der Steuerkreis 62 allein einen Festwertspeicher 60, in welchem ein, vorzugsweise verschiedene zuvor experimentell ermittelte Korrektursignalsätze abgelegt sind. Der Festwert­ speicher 60 kann (wie gestrichelt angedeutet) durch das Ausgangssignal des Impulsabstandsdiskriminators 42 (oder auch durch das Ausgangssignal des Festwertspeichers 44) adressiert werden, um aus den verschiedenen Sätzen von Korrektursignalen einen Satz auszuwählen, und gibt bei Erhalt eines Taktimpulses an seiner Startklemme S wieder die Korrektursignale auf den Modulator 38 ab.

Fig. 5 zeigt einen Meßkopf 18, der für jeden einlaufenden Schallimpuls drei Meßechos erzeugt, von denen das erste an der Ringschulter 22, das zweite an einer weiteren Ringschul­ ter 70 und das dritte weiterhin vom Boden eines hintersten, kleinsten Bohrungsabschnittes 72 erhalten wird.

Die unter der betreffenden Temperatur zurückgelegten Wege brauchen nicht gleich groß zu sein: so kann die Strecke zwischen den beiden Ringschultern 22, 70, die in der Zeich­ nung mit M bezeichnet ist, größer, gleich oder kleiner als die Strecke L sein, die zwischen der Ringschulter 70 und dem Boden des Bohrungsabschnittes 72 liegt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist der Bohrungsab­ schnitt 24 vom Bohrungsabschnitt 20 durch eine Lochblende 74 getrennt. Die beiden Bohrungsabschnitte 20 und 24 haben aber gleichen Durchmesser.

Beim Meßkopf 18 nach Fig. 7 wird der hintere Bohrungsab­ schnitt 24 seitlich durch zwei thermisch verformbare Seiten­ wände begrenzt, nämlich durch zwei Blattfedern 76, 78, die kreisbogenförmig vorgespannt im Meßkopf 18 sitzen. Dabei gehen die eingangsseitigen Enden der Blattfedern 76, 78 im wesentlichen glatt in den Bohrungsabschnitt 20 über.

Durch die Blattfedern 76, 78, deren Durchbiegung in Fig. 7 schon überhöht dargestellt ist, erhält man eine "glei­ tende", über einen längeren Wegstreckenbereich gestreckte Reflexion. Die reflektierten Teilwellen überlagern sich und bilden einen gegenüber dem einlaufenden Schallimpuls ge­ streckten Echoimpuls mit von der Form der Blattfedern 76, 78 abhängiger Kontur und Phasenlage. Die Form der Blattfedern 72, 74 hängt ihrerseits von der Temperatur ab, unter welcher sich der Meßkopf 18 befindet, da die Blattfedern aus einem Material gefertigt sind, das einen vom Material des Meßkopfes 18 verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat.

Claims (10)

1. Akustisches Thermometer mit einem Schallimpulse erzeugen­ den Schallgenerator (16), mit einem mit der zu messenden Temperatur beaufschlagbaren, temperaturabhängig arbeitenden Dispersionselement (24; 76, 78), mit einem Schallempfänger (28), mit einem Schalleiter (14), über welchen der Schall­ generator (16) und der Schallempfänger (28) an das Dispersi­ onselement (24; 76, 78) angeschlossen sind, und mit einer an den Schallempfänger (28) angeschlossenen Auswerteschaltung (12), dadurch gekennzeichnet, daß der Schallgenerator (16) über einen Modulator (38) mit einer Spannungsquelle (36) verbunden ist, wobei der Modulator (38) ein sich zeitlich so änderndes Ausgangssignal bereitstellt, daß man am Schallempfänger (28) unter Berücksichtigung der durch den Schalleiter (14) an den Schallimpulsen bewirkten Verzerrung Ausgangs-Signalimpulse erhält, die einfach auswertbare Form haben, insbesondere scharfe Nulldurchgänge aufweisen.

2. Thermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (38) durch einen Festwertspeicher (60) gesteuert wird, der durch einen Taktgeber (32) zum Auslesen aktiviert wird.

3. Thermometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteschaltung (12) einen Impuls­ formsteuerkreis (52, 58) enthält, der die Istform der Aus­ gangsimpulse des Schallempfängers (28) mit einer Sollform vergleicht und ein der Abweichung zugeordnetes Fehlersignal bereitstellt.

4. Thermometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal zur Adressierung verschiedener Felder des Festwertspeichers (60) verwendet wird.

5. Thermometer nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Dispersionselement (24; 76, 78) thermisch ver­ formbare Teile (76, 78) einer Meßkammer (24) aufweist.

6. Thermometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch verformbaren Teile (76, 78) zwei kreisbogen­ förmig vorgespannte Blattfedern sind, die einander gegenüberliegen und deren Enden an der Meßkammer (24) abgestützt sind, so daß sie eine temperaturabhängige Ver­ jüngung des akustisch wirksamen Meßkammerquerschnittes bilden, wobei diese Blattfedern (76, 78) aus einem Material gefertigt sind, welches vom Material der Meßkammer (24) abweichenden, vorzugsweise größeren thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten aufweist.

7. Thermometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der kreisbogenförmig vorgespannten Blatt­ federn (76, 78) bündig in der Wand der Meßkammer (24) sit­ zen.

8. Thermometer nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßkammer (24) mindestens zwei in Fort­ pflanzungsrichtung der Schallimpulse beabstandete Reflexions­ mittel aufweist und die Auswerteschaltung (12) einen Impulsab­ standsdiskriminator (42) enthält, der den zeitlichen Ab­ stand der von den verschiedenen Reflektoren erhaltenen Schallimpulse bestimmt.

9. Thermometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Impulsabstandsdiskriminator (42) ein Null­ durchgangsdetektor (40) vorgeschaltet ist.

10. Thermometer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Impulsabstandsdiskri­ minators (42) zum Adressieren eines Festwertspeichers (44) verwendet wird, der den verschiedenen Impulsabständen zuge­ ordnete Temperatursignale enthält.