DE1248347B - Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit in einem Koerper - Google Patents

Description

DEUTSCHES WTW^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT G01k;G01p
Deutsche Kl.: 42 ο -19

Nummer: 1248 347

Aktenzeichen: E 24305 IX b/42 ο

1248347 Anmeldetag: 7. Februar 1963

Auslegetag: 24. August 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit in einem Körper oder anderer physikalischer Eigenschaften_i die sich aus dieser ableiten lassen, mit Hilfe von Ultraschallimpuleen, die in den stabförmig ausgebildeten, mindestens zwei Echos abgebende Zonen aufweisenden Körper in Längsrichtung eingekoppelt werden, worauf die Schallaufzeit an Hand des Abstandes der Echos von den beiden Echozonen ermittelt Wird. Mit einem solchen Verfahren können beispielsweise Tentperaturmessungen vorgenommen werden. Bei der herkömmlichen Messung von Temperaturen zwischen 1000 und 2000° C treten im allgemeinen Schwierigkeiten auf, die aus der Schwierigkeit in der Auffindung geeigneter temperaturbeständiger Thermoelemente resultieren, die gegen Ungenauigkeiten infolge von Temperaturgefällen im Element selbst unempfindlich sind.

Ein derartiges Verfahren ist aus der Zeitschrift »Philosophical Magazine«, 1957, 8. Folge, S. 1113 bis 1120, bekanntgeworden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das insbesondere eine vereinfachte Auswertung gestattet. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß für jede Messung nacheinander zwei Paare von Impulsen eingekoppelt werden, wobei der zeitliche Abstand Jt₁ = T₀+ δ (mit T₀ gleich dem Grundabstand zwischen den Impulsen eines Paares und δ gleich einer Abweichung) zwischen den Impulsen des einen Paares geringfügig größer als der Abstand At₂-T₀-S zwischen den Impulsen des anderen Paares gewählt ist und daß T₀ bei konstantem δ so lange variiert wird, bis für beide Impülspaare das Echo des zweiten Impulses aus der der Einkoppelzone näher liegenden Echozone sich dem Echo des ersten Impulses aus der der Eirtkoppelzone ferner liegenden Echozone überlagert und T_m die tatsächliche Laufzeit eines Impules zwischen den Echozonen wiedergibt.

Ein Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallimpulse in einem Oszillator erzeugt und anschließend einem Untersetzerzähler zugeführt werden, in dem Impulspaare mit Abständen J I_i und Δ L₂ geformt werden, und daß schließlich Impulspaare mit wechselnden Abständen über Torkreise auf den stabförmigen Körper eingekoppelt werden.

Dabei kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Körper aus Molybdän oder Rhutenium bestehen und wenigstens eine der Echozonen durch eine Kerbe gebildet sein.

Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit in einem Körper

Anmelder:

Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM),
Brüssel

■ Vertreter:
Dipl.-Ing. R. Müller-Börner
und Dipl.-Ing. H. H. Wey, Patentanwälte,
Berlin 33, Podbielskiallee 68

Als Erfinder benannt:

John Frederick William Bell, London;

Thomas Arthur John Jaques Radipole,

Weymouth, Dorset;

Ernst Alexander Thorne,

Broadstone, Dorset (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 7. Februar 1962 (4793) - -

Das Intervall zwischen den einzelnen aufeinanderfolgenden Impulspaaren ist so lang, daß es den vollständigen Verhall ermöglicht (etwa Viso Sekunde). Wenn das Intervall zwischen den Impulsen eines Paares eingestellt wird, bis es gleich der Zeit ist, die eine Schwingung für ihre Bewegung über das Zweifaches des Abstandes zwischen den auseinanderliegenden Zonen benötigt, wird das Echo infolge des zweiten Impulses aus der dem Ultraschallerzeuger nächstgelegenen Zone mit dem Echo infolge des ersten Impules aus der dem Ultraschallerzeuger fernstgelegenen Zone zum Bilden eines zusammengesetzten Echosignals kombiniert. Dann wird an dem an den Ultraschallerzeuger angrenzenden Ende der Sonde ein aus zwei Echos (einem aus jeder Zone) bestehendes zusammengesetztes Signal empfangen.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird jedoch das Zeitintervall zwischen den angelegten Impulspaaren wechselnd in der Weise verändert, daß die Impulse eines ersten angelegten Paares durch eine Verzögerung, die etwas größer ist als das Zeitintervall, und die des zweiten Paares durch eine Ver-

709 638/129

zögerung, die etwas kleiner ist als das vorerwähnte Zeitintervall, voneinander getrennt sind. Dann erscheinen an der Anzeige zwei zusammengesetzte Echosignale. Wenn T₀ das veränderbare Zeitintervall und δ die feststehende Verzögerung ist, werden wechselnde Impulspaare in Intervallen von T₀ + δ bzw. T₀ — δ übertragen. Da T₀ verändert wird, bewegen sich die Signale an der Zeitbasis in entgegengesetzten Richtungen. Geschwindigkeitsveränderungen des Schalles können also fortlaufend verfolgt werden.

Es ist seit langer Zeit bekannt, daß die Schallgeschwindigkeit sich mit der Temperatur ändert. Diese Erscheinung wird insofern ausgenutzt, als man die Veränderung der Schallgeschwindigkeit in einem besonderen Werkstoff zur Temperaturanzeige verwendet. Das Verfahren nach der Erfindung kann jedoch auch zur Ermittlung anderer thermischer Eigenschaften von Werkstoffen, beispielsweise des Phasenzustandswechsels in dem Werkstoff infolge von Wärmewirkungen, verwendet werden. Die Erfindung umfaßt deshalb die Feststellung und Anzeige eines Phasenzustandswechsels in festen Stoffen durch Überwachung der Schallgeschwindigkeitsveränderungen in dem Werkstoff vor und nach der Phasenzustandsveränderung.

Zur Feststellung der Phasenzustandsveränderung in einem oder mehreren Werkstoffen kann so vorgegangen werden, daß man den Werkstoff einem Temperaturbereich aussetzt, der die Temperatur einschließt, bei der wahrscheinlich die bevorstehende Phasenzustandsveränderung eintritt, während der Werkstoff so angeordnet ist, daß er einen Teil der Bewegungsbahn einer Ultraschallschwingung bildet, wobei man die empfangenen Echos laufend überwacht.

Eine Erweiterung dieser Anordnung kann zur Anzeige von Haltepunkt-Temperaturveränderungen verwendet werden, indem man eine Anzahl voneinander abweichender Werkstoffe als Teile des Weges einer Ultraschallschwingung anordnet, wobei die Werkstoffe Phasenzustandswechselpunkte bei bekannten Temperaturwerten aufweisen, die die anzuzeigenden Temperaturwerte darstellen, während man die Haltepunkt-Geschwindigkeitsveränderungen der Schwingung infolge des jeweiligen Phasenzustandswechsels zum Anzeigen der Temperaturwerte verwendet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beispielsweise jedoch nicht beschränkend eine Ausführungsform und eine Variante der Erfindung darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Temperaturmeßgerät nach der Erfindung,

F i g. 1A ein charakteristisches Echobild,

Fig. 2 die Schallgeschwindigkeit-Temperatur-Kennlinie von Molybdän,

F i g. 3 A bis 3 D verschiedene Ausführungsformen von Temperatur-Meßsonden und

F i g. 4 eine Variante.

Gemäß F i g. 1 ist eine Temperatur-Meßsonde mit einem Ultraschallerzeuger in Form eines magnetostriktiven Körpers 1 versehen, der eine Sendespule 2 und eine Empfangsspule3 trägt. Der Körperl ist ein Nickelrohr von geringem Durchmesser, das in axialer Richtung magnetisch polarisiert ist. Das Rohr 1 ist auf einen Impedanzanpaßstab 4 aufgeschoben, der hier in einfacher verjüngter Form dargestellt ist, jedoch einen aufeinanderfolgend gestuften

Durchmesser haben kann. Der Stab 4, der aus einem Werkstoff mit geringer Dämpfung, wie beispielsweise Graphit oder Tonerde, besteht, dient zum akustischen Anpassen des Nickelrohres an die übrige Sonde. An dem Ende des Stabes 4 ist ein Draht 5 aus gegen hohe Temperaturen beständigem Material befestigt. Wesentlich ist, daß das gegen hohe Temperaturen beständige Material die Eigenschaft besitzt, daß es einer Anzahl von in übereinstimmender Weise wiederholbaren, den zu messenden Temperaturbereich einschließenden Temperaturzyklen ausgesetzt werden kann, ohne hysteresisähnliche Wirkungen zu , zeigen. Zur Verwendung in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum kann der Draht 5 aus Molybdän bestehen, das sich bis zu einer Temperatur von 1500° C verwenden läßt. Fig. 2 zeigt, daß das Molybdän in der Molybdän-Temperatur-Kennlinie eine geeignete Schallgeschwindigkeit aufweist.

Der Sendespule zugeführte Ultraschallimpulse äußern sich in einem Echosignal aus verschiedenen Abschnitten der Sonde, jedoch besonders aus der aus einem Absatz 6 in dem Draht 5 bestehenden Diskontinuität D und aus dem Ende E des Drahtes 5. Fig. IA zeigt ein typisches Bild dieser Echos. Die Verzögerungszeit zwischen den bei D und E angegebenen Echos (d. h. den Echos aus der Diskontinuität bzw. dem Ende des Drahtes) beträgt das Zweifache der Zeit, die ein Impuls benötigt, um sich von der Diskontinuität bis zu dem Stab zu bewegen, und folglich kann, sofern die Schallgeschwindigkeit in der Molybdän-Temperatur-Kennlinie der Sonde über den erforderlichen Temperaturbereich bekannt ist (F i g. 2), die Temperatur der Sonde aus der Verzögerungszeit bestimmt werden.

Wenn die Impulse paarweise gesendet werden und die Verzögerungszeit zwischen den Impulsen und somit zwischen dem Einführen der Schwingungen so eingestellt wird, daß sie nahe der Echoverzögerungszeit zwischen D und E liegt, dann kombiniert sich das Echo E der ersten Schwingung aus dem Ende des Molybdändrahtes 5 mit dem Echo infolge der zweiten Schwingung aus der Diskontinuität 6, so daß ein großes zusammengesetztes Signal entsteht, dessen Amplitude eine Funktion der Impulsverzögerungszeit ist. In der Praxis kann es jedoch Schwierigkeiten bei der Feststellung der Spitzenamplitude der Anzeige geben, so daß man zur genaueren Messung der Verzögerungszeit die Übertragung der Impulse in zwei Paaren vorzieht. Das Intervall zwischen den Impulsen des ersten Impulspaares ist T₀ +δ, wobei T₀ gleich dem Zweifachen der von der Schallschwingung für ihre Bewegung von D nach E benötigten Zeit und δ eine Abweichung ist, während die Verzögerung zwischen den Impulsen des zweiten Impulspaares T₀ — δ beträgt. T₀ ist über den Bereich von etwa 64 bis 512 μβ veränderbar, während δ auf etwa 4 μβ festgelegt ist. Somit können die Echos auf einem Oszilloskop als zwei zusammengesetzte, gegeneinander versetzte Echosignale durch + δ bzw. — δ über einer Zeitbasis angezeigt werden. Unter Voraussetzung der richtigen Wahl des Wertes von δ kann die Schallgeschwindigkeit und somit die Temperatur an einem einzigen Punkt, an dem sich die Signale schneiden (Fig. 1), abgelesen werden. Der Schnittpunkt zwischen den Signalen liefert eine bequem ermittelbare Anzeige der Schallgeschwindigkeit und somit der nach F i g. 1 schematisch angezeigten Temperatur.

Claims (1)

Die Impulse entstehen in einem Oszillator 8 und werden über eine Reihe von Binär-Zähleinrichtungen 9, die zur Auswahl der Zählfaktoren 16, 32 oder 64 einstellbar sind, geformt und ausgezählt, so daß sie Impulspaare von geeigneter Frequenz ergeben. Die Impulspaare gehen durch eine Anzahl von Toren 10, aus denen sie als wechselnd durch T0+ö und T0 — δ getrennte Paare austreten. Die Impulspaare werden der Sendespule 2 über eine Steuereinrichtung 11 für die Impulsbreite zugeführt, wobei man ein wie in Fig. IA dargestelltes Echobild erhält, das von der Empfangsspule 3 aufgenommen und an einem Oszilloskop angezeigt wird. Fig. IA veranschaulicht eine typische Anzeige. Die mit D und E angegebenen Echos sind die Echos, die aus der Diskontinuität D bzw. dem freien Ende E des Drahtes 5 empfangen werden. Als Auswirkung bewegt sich die Ultraschallschwingung in beiden Richtungen axial zu der Sonde, wobei die von dem freien Ende des Nickelrohres 1 aufgenommenen Echos durch ein am Ende des Rohres 1 befestigtes Plastilinpolster gedämpft werden. Da die Schallgeschwindigkeit-Temperatur-Kennlinie von Molybdän linear verläuft, kann die Wahl einer geeigneten Frequenz durch Verstellen einer unmittelbar in Temperaturwerten geeichten Rundskala erfolgen. Fig. 3 A bis 3D zeigen verschiedene Sondenformen, die alle die EchosD und E aus axial auf ihrer Länge auseinanderliegenden Zonen erzeugen können. Gemäß Fig. 3A bis 3C erhält man das EchoD aus der aus der Verbindung zwischen dem Einführrohr und dem Molybdändraht gebildeten Diskontinuität. So springt gemäß Fig. 3A der Molybdändraht 7 in das Ende eines dünnwandigen Einführrohrs 13 aus Tonerde zurück. Der Draht mit einem Durchmesser von 1 mm wird mittels Kitt an dem Ende des Rohres (Durchmesser etwa 2 mm) befestigt, in dem er sich koaxial erstreckt. Somit dient das Rohr zum Schutz des Drahtes vor der Atmosphäre, in der die Temperaturmessung erfolgt. Beim Betrieb v/erden Echos aus der Diskontinuität D zwischen dem Rohr 13 und dem Draht 7 und aus dem freien Ende des Drahtes 7 empfangen. Die in F i g. 3 B und 3 C dargestellten Sonden sind ebenfalls zur Erzeugung von Echos D und E aus der Diskontinuität zwischen dem Draht 7 und dem Sondeneinführrohr 13 eingerichtet und zeigen andere Mittel zur Befestigung des Drahtes in dem Rohr. so In den Temperaturbereichen, für die das vorstehend beschriebene Meßverfahren besonders zweckmäßig ist, kann es Schwierigkeiten geben bei der Herstellung passender verkitteter Verbindungen zwischen den beiden Teilen der Sonde. Zur Behebung dieser Schwierigkeiten kann eine Sonde der in Fig. 3D gezeigten Form verwendet werden, bei der der der hohen Temperatur ausgesetzte Abschnitt der Sonde homogen ist und aus einem Stück besteht. Zum Erhalten eines Echos D hat man in dem Draht 7 einfach einen Knick K hergestellt, der flach genug ist, um Ultraschallschwingungen zu dem freien EndeE des Drahtes 7 hindurchzulasssen, von wo man, wie aus dem an dem Knick K gebildeten Absatz, Echos erhält. Obwohl gemäß den vorstehenden Ausführungen Molybdän als Werkstoff für die Sonde gewählt wurde, ist auch Rhenium ein sehr geeigneter Werkstoff. Obwohl der Neutronenabsorptionsquerschnitt von Rhenium seine Brauchbarkeit für Kernreaktor-Temperatur-Meßsonden verringert, hat es einen höheren Schmelzpunkt, der den Arbeitsbereich der Sonde erweitert. Fig. 4 zeigt eine Variante der Sonde zur Bestimmung von Haltepunkt-Temperaturveränderungen unter Ausnutzung der Veränderungen in der Schallgeschwindigkeit infolge eines Phasenzustandswechsels bestimmter Werkstoffe. Der Abschnitt 7 der Sonde hat einen etwas größeren Durchmesser als der entsprechende Abschnitt in F i g. 1 und 3, um das Anbringen von Vertiefungen in aufeinanderfolgenden Abschnitten der Länge der Sonde zu ermöglichen, die mit Einsätzen la, 7b, 7c aus verschiedenen Werkstoffen ausgefüllt werden, die auf Grund ihrer Eigenschaft, daß sie bei bekannten und unterschiedlichen Temperaturen einen Phasenzustandswechsel zeigen, gewählt worden sind. Das Echobild der Sonde enthält charakteristische Echos aus jedem der Einsätze 7a, lb, Ic in ihrer festen Phase. Wenn diese Einsätze ihre verschiedenen Schmelzpunkte erreichen und in den Zustand der flüssigen Phase übergehen, wird die Veränderung in den jeweiligen charakteristischen Echos auf dem Oszilloskop angezeigt, so daß dadurch eine Anzeige der Temperatur erfolgt. Aus dem Vorstehenden ist klar, daß die in F i g. 4 dargestellte Sonde als ein Instrument zur Feststellung des Phasenzustandswechsels verwendet werden kann, bei dem das Auftreten eines Phasenzustandswechsels in einem gegebenen Werkstoff bestimmt werden kann. Als Variante der vorstehend beschriebenen Anzeigemöglichkeit kann eine Digitalableseeinrichtung verwendet werden. Zu diesem Zweck weist der Zählkreis einen Ausgang auf, der einem Teilerkreis (-104) zugeführt wird, der ein Tor steuert, durch das ein 100-kHz-Oszillator einer Zähleinrichtung Impulse zuführt. Sofern ein geeigneter Auszählwert gewählt worden ist, der bei maximaler Höhe auf dem Oszilloskop zwei zusammengesetzte Signale ergibt, ist die Verzögerung zwischen den durch das Tor geleiteten Impulsen proportional der Impulsfrequenz am Ausgang des Zählkreises, so daß die Zähleinrichtung eine Digitalanzeige der gezählten Impulse liefert. Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit in einem Körper oder anderer physikalischer Eigenschaften, die sich aus dieser ableiten lassen, mit Hilfe von Ultraschallimpulsen, die in den stabförmig ausgebildeten, mindestens zwei Echos abgebende Zonen aufweisenden Körper in Längsrichtung eingekoppelt werden, worauf die Schallaufzeit an Hand des Abstandes der Echos von den beiden Echozonen ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Messung nacheinander zwei Paare von Impulsen eingekoppelt werden, wobei der zeitliche Abstand Ji₁ = T₀+δ (mit T₀ gleich dem Grundabstand zwischen den Impulsen eines Paares und ö gleich einer Abweichung) zwischen den Impulsen des einen Paares geringfügig größer als der Abstand At₂ = T₀-δ zwischen den Impulsen des anderen Paares gewählt ist und daß T₀ bei konstantem δ so lange variiert wird, bis für beide