DE102010061834A1 - Ofen, insbesondere Tunnelofen, einer metallurgischen Anlage und Verfahren zur Messung von Temperaturen und Stoffkonzentrationen in der Ofenluft in dem Ofen - Google Patents

Ofen, insbesondere Tunnelofen, einer metallurgischen Anlage und Verfahren zur Messung von Temperaturen und Stoffkonzentrationen in der Ofenluft in dem Ofen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ofen (1), insbesondere einen Tunnelofen, einer metallurgischen Anlage, wobei der Ofen (1) eine sich in Längsrichtung (L) erstreckende Wandung (2) sowie mindestens einen Abgasabzug aufweist. Um in verbesserter Weise den Zustand des Ofens überwachen zu können, sieht die Erfindung vor, dass im Bereich der Wandung (2) und/oder im Bereich des mindestens einen Abgasabzugs mindestens ein Lichtwellenleiter (3) verlegt ist, wobei der Lichtwellenleiter (3) mit einer Auswerteeinrichtung (4) zur Erfassung der Temperatur und/oder zur Erfassung der Stoffkonzentration in der Ofenluft in Verbindung steht. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung von Temperaturen und von Stoffkonzentrationen in der Ofenluft in dem Ofen (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Ofen, insbesondere einen Tunnelofen, einer metallurgischen Anlage, wobei der Ofen eine sich in Längsrichtung erstreckende Wandung sowie mindestens einen Abgasabzug aufweist. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung von Temperaturen und von Stoffkonzentrationen in der Ofenluft in dem Ofen.
  • Öfen, insbesondere Tunnelöfen, werden insbesondere bei der Herstellung eines metallischen Guts benötigt, um das Gut, beispielsweise eine Bramme, auf eine definierte Temperatur aufzuheizen. Derartige Öfen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Um die Herstellung des metallischen. Guts in optimaler Weise vorzunehmen, muss der Ofen über seine Erstreckung eine definierte Temperaturverteilung haben, die nicht zwingend auf eine homogene, konstante Temperatur abstellen muss. Bekannt ist es, die Temperaturen an verschiedenen Punkten des Ofens zu messen und zu überwachen. Ferner muss der Ofen auch von der Befeuerung her in einem optimalen Bereich betrieben werden. Demgemäß kommt der Überwachung der Stoffkonzentrationen in der Ofenluft eine entsprechende Bedeutung zu. Auch diesbezüglich ist es bekannt, die Stoffkonzentrationen mit geeigneten Sensoren im Ofen punktuell zu überwachen.
  • Für die Temperaturermittlung sind im Stand der Technik verschiedene Möglichkeiten und Messelemente vorbeschrieben.
  • Die DE 22 61 197 A1 offenbart einen Ofen zum Wiedererwärmen von metallischen Werkstücken, wofür in dem Ofen eine Temperaturmesseinrichtung angeordnet ist. Die Temperaturmesseinrichtung weist dabei eine aufwärts gerichtete Strahlung empfangende Oberfläche auf.
  • Die Verteilung der Temperatur in einem Ofen wird in der US 4 004 138 ermittelt, wofür klassische Temperaturdetektoren eingesetzt werden. Ein Temperaturmessfühler zur Messung der Temperatur von metallischen Werkstücken in Wärmeöfen wird auch in der DE 24 56 748 A1 beschrieben. Hierbei kommt ein Thermoelement zum Einsatz, um die Temperatur zu ermitteln. Auch in der US 4 606 529 werden Temperatursensoren eingesetzt, um in einem Wärmeofen die Temperatur zu erfassen.
  • Ähnliche Lösungen offenbaren die JP 51119605 A , die JP 62089817 A und die JP 5142170 A .
  • In der DE 693 21 160 T2 wird ein Gerät zur Anzeige der Temperatur in einem Hochofen beschrieben.
  • Nachteilig ist es dabei, dass es relativ aufwändig ist, insbesondere in einem sich über eine relativ große Längserstreckung ausdehnenden Tunnelofen die Temperaturen und Stoffkonzentrationen hinreichend genau zu ermitteln, da der hierfür zu treibende apparative Aufwand sehr schnell sehr groß wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ofen der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren für die Messung von Temperaturen und Stoffkonzentrationen in einem solchen Ofen zu schaffen, mit dem es möglich ist, eine genaue Messung über die Ofenerstreckung zu ermöglichen, wobei diese in apparativ einfacher Weise ausgestaltet werden soll. Damit soll es möglich werden, in verbesserter und einfacher Weise den Zustand des Ofens zu überwachen. Mit einer solchen Messung der Temperaturen soll auch auf die thermischen Belastungen der Ofenbauteile geschlossen werden können.
  • Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Wandung und/oder im Bereich des mindestens einen Abgasabzugs des Ofens mindestens ein Lichtwellenleiter verlegt ist, wobei der Lichtwellenleiter mit einer Auswerteeinrichtung zur Erfassung der Temperatur und/oder zur Erfassung der Stoffkonzentration in der Ofenluft in Verbindung steht.
  • Die Auswerteeinrichtung ist dabei gemäß einer bevorzugten Lösung zur Temperaturermittlung mittels aus dem Lichtwellenleiter austretendem, reflektiertem Licht geeignet, das an Faser-Bragg-Gittern reflektiert wird, die in den Lichtwellenleiter eingebracht sind.
  • Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteeinrichtung zur Erfassung der Stoffkonzentration mittels Nahinfrarot-spektroskopischer Signale geeignet ist, die über den Lichtwellenleiter übertragen werden.
  • In der Wandung des Ofens können gemäß einer Fortbildung mindestens zwei parallel zueinander in einem vorgegebenen Abstand verlaufende Lichtwellenleiter verlegt sein, wobei die mindestens zwei Lichtwellenleiter vorzugsweise in einer Ebene senkrecht auf die Innenseite der Wandung liegen. Hiermit wird es möglich, wie es später noch zu sehen sein wird, den Wärmestrom durch die Wandung des Ofens zu bestimmen.
  • Ferner können in einem oberen Bereich des Ofens und in einem unteren Bereich des Ofens jeweils mindestens ein Lichtwellenleiter verlegt sein. Dies ermöglicht eine verbesserte Überwachung des Ofens und der in ihm vorliegenden Temperaturverteilung, so dass regelungstechnisch Einfluss genommen werden kann, um im Ofen ein gewünschtes Temperaturprofil einhalten zu können.
  • Der mindestens eine Lichtwellenleiter kann in Bohrungen der Wandung des Ofens angeordnet sein. Er kann auch in einem ihn umgebenden Rohr angeordnet sein.
  • Das vorgeschlagene Verfahren zur Messung von Temperaturen in einem Ofen, insbesondere in einem Tunnelofen, einer metallurgischen Anlage, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass im Bereich der Wandung mindestens ein Lichtwellenleiter verlegt ist, wobei die Erfassung der Temperatur der Wandung des Ofens durch aus dem Lichtwellenleiter austretendes reflektiertes Licht erfolgt, das an Faser-Bragg-Gittern reflektiert wird, die in den Lichtwellenleiter eingebracht sind.
  • Dabei kann insbesondere vorgesehen werden, dass in der Wandung mindestens zwei parallel zueinander in einem vorgegebenen Abstand verlaufende Lichtwellenleiter verlegt sind, wobei die mindestens zwei Lichtwellenleiter vorzugsweise in einer Ebene senkrecht auf die Innenseite der Wandung liegen, wobei aus der Differenz der ermittelten Temperaturen an der Stelle der beiden Lichtwellenleiter der durch die Wandung gehende Wärmestrom ermittelt wird.
  • Eine alternative verfahrensgemäße Lösung stellt darauf ab, dass zur Messung von Stoffkonzentrationen in der Ofenluft vorgesehen wird, dass im Bereich der Wandung und/oder im Bereich des Abgasabzugs mindestens ein Lichtwellenleiter verlegt ist, wobei die Erfassung der Stoffkonzentration der Ofenluft durch Auswertung Nahinfrarot-spektroskopischer Signale erfolgt, die über den Lichtwellenleiter übertragen werden.
  • Die Lichtwellenleiter bestehen aus einer Grundfaser, die mit oder ohne Hüllrohr in vorher erstellten Bohrungen und Kanälen in der Ofenwandung verlegt werden. Die Messfaser des Lichtwellenleiters kann Temperaturen bis zu 600°C im Dauerbetrieb widerstehen. Dabei sind Spitzenlasten bis zu 900°C möglich, die die Messfaser aushalten kann.
  • Durch die Einbringung von Lichtwellenleitern in die Wandungen bzw. in das Feuerfestmaterial und den Abgasabzug eines Tunnelofens können also Temperaturen und Stoffkonzentrationen mittels Faser-Bragg-Gittern oder der Raman-Spektroskopie ermittelt werden.
  • Die Temperaturmessung erfolgt mit Interrogatoren zur Temperaturmessung beim Faser-Bragg-Verfahren.
  • Die Stoffkonzentrationsmessung erfolgt mittels der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR-Spektroskopie). Für die NIR-Spektroskopie sind Messgeräte bekannt, die handelsüblich sind, beispielsweise das System „SpectroBAY” der Firma Bayer Technology Services. Mit derartigen Geräten kann der Anteil an O-H- und C-H-Bindungen in der Ofenluft in einfacher Weise ermittelt werden. Beispielsweise lässt sich in einfacher Weise hiermit der CO-Gehalt anhand des zweiten Obertons bei einer Wellenlänge von 1.500 bis 1.650 nm nachweisen.
  • Innerhalb der Schichten des Feuerfestmaterials des Tunnelofens können eine oder mehrere Lagen von Lichtwellenleitern eingebettet werden. Hiermit können Temperaturen und – daraus abgeleitet – Temperaturdifferenzen bzw. Wärmeströme und Wärmestromdichten berechnet und zur Regelung des Ofens genutzt werden. Hierbei wird ein Temperaturprofil bzw. ein Profil von Wärmestromdichten über die Tunneloberfläche erstellt. Ebenfalls können dynamische Änderungen bedingt durch den Einfluss von heißen Brammen im Ofen erfasst werden, insbesondere auf ihrem Weg durch den Ofen.
  • Des weiteren kann eine Beurteilung des Verschleißzustandes des Feuerfestmaterials des Ofens erfolgen. Das Konzept ermöglicht eine Darstellung der thermischen Belastung der Bauteile über ihre Oberfläche und die Verteilung von Energieverlusten im jeweiligen Betriebszustand.
  • In vorteilhafter Weise können Temperaturspitzen im Ofen durch die Erfassung der Temperatur über die Länge des Ofens und eine hierauf aufbauende Regelung vermieden werden.
  • Hierdurch wird die Temperaturhomogenität des metallischen Guts, insbesondere der Bramme, erhöht und die Zunderbildung vermindert.
  • Dieser vorteilhafte Effekt kann weiter gesteigert werden, indem eine Zonenaufteilung für die Brennerregelung verfeinert wird, wobei es sogar möglich ist, eine Einzelbrenner-Regelung über die Länge des Ofens zu implementieren.
  • Zusätzlich kann durch das Verlegen der Lichtwellenfasern an unterschiedlichen Stellen des Ofens eine redundante Datenerfassung erfolgen, um auf diese Weise Messfehler zu erkennen.
  • Weiterhin können Temperatur-Unterschiede zwischen dem oberen und unteren Teil des Ofens erfasst werden. Diese Information kann dazu genutzt werden, um die Temperaturberechnung eines Prozessmodells anzupassen oder – falls Brenner im unteren Teil des Ofens vorhanden sind – die Unterschiede in der Temperaturverteilung durch eine entsprechende Regelung der Brenner auszugleichen.
  • Durch das Einbringen zweier Lichtwellenleiter (Faserleitungen) in Wärmeflussrichtung parallel zueinander und in verschiedenen Abständen zur Innenseite der Ofenwandung ist es möglich, Temperaturdifferenzen in einer Richtung senkrecht auf die Ofeninnenwand zu ermitteln und damit die Wärmestromdichte der Wände des Ofens zu bestimmen. Der so bestimmbare Temperaturgradient gibt also die lokale Wärmestromdichte an. Dies kann zu Diagnosezwecken genutzt werden, d. h. bei zu hoher ermittelter Wärmestromdichte kann gezielt das Isoliermaterial in dem betreffenden Bereich erneuert werden.
  • Ferner ermöglicht die Kenntnis der Wandwärmestromdichte eine Beschreibung der Wandwärmeverluste. Da alle anderen Energieverluste des Ofens (Abgasverluste, Rollenverluste etc.) per Messung bestimmt werden können, ermöglicht somit die Kenntnis der Wandwärmeverluste die vollständige messtechnische Beschreibung der Verluste.
  • Auch dies kann zu Diagnosezwecken genutzt werden. Falls die messtechnische Energiebilanz nicht aufgeht, kann man so auf zusätzliche Verluste schließen. Hiermit kann das Ziel erreicht werden, frühzeitig den Verschleiß des Isoliermaterials zu erkennen. Vorhandene Schäden und das Erreichen der Endlebensdauer des Isoliermaterials kann so für die Zukunft abgeschätzt werden und ein rechtzeitiger Austausch, d. h. knapp vor Erreichen der Endlebensdauer geplant bzw. vorgenommen werden.
  • Zur Überwachung der umweltrelevanten Gase des Ofens kann die vorgeschlagene Messung der Stoffkonzentrationen in der Ofenluft, d. h. der Gaszusammensetzung mittels der Lichtwellenleiter, genutzt werden. Bei zu hohen Werten der relevanten Stoffkonzentrationen können die Ofenparameter entsprechend angepasst werden.
  • Der Lichtwellenleiter kann jedenfalls abschnittsweise auch mäanderförmig in der Ofenwandung verlegt sein. Hierdurch kann die Oberfläche der Wandung flächig hinsichtlich der Temperaturverteilung überwacht werden. Demgemäß wird damit die Bestimmung von Temperaturprofilen über die Oberfläche der Ofenwandung möglich.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung der Seitenansicht eines Tunnelofens,
  • 2 den Schnitt A-B gemäß 1 durch den Tunnelofen,
  • 3 einen Ausschnitt der Wandung des Tunnelofens, gesehen in Längsrichtung des Ofens, und
  • 4 einen anderen Ausschnitt der Wandung des Tunnelofens, gesehen in Längsrichtung des Ofens.
  • In den 1 und 2 ist ein Tunnelofen 1 zu sehen, in dem in an sich bekannter Weise metallisches Gut gefördert wird, um dieses auf eine gewünschte Temperatur zu erhitzen. In 1 ist eine Bramme 6 angedeutet. Der Ofen 1 erstreckt sich in eine Längsrichtung L. Der Ofen 1 weist eine Wandung 2 auf, die mit einer entsprechenden Isolierwirkung ausgestattet ist, um die Hitze im Ofen 1 zu halten.
  • Zur Erfassung von Temperaturen und von Stoffkonzentrationen im Ofengas sind in der Wandung bzw. an die Wandung angrenzend Lichtwellenleiter 3 verlegt, die schematisch in den 1 und 2 dargestellt sind. Der skizzierte Lichtwellenleiter 3 verläuft im Beispielsfall der 1 und 2 in Längsrichtung L in der Ofenwandung 2. Nicht dargestellt ist, dass auch im Bereich eines (nichtdargestellten) Abgasabzugs Lichtwellenleiter 3 angeordnet sind.
  • Der Lichtwellenleiter 3 ist mit einer Auswerteeinrichtung 4 verbunden, in der vom Lichtwellenleiter 3 rückgesendetes Licht ausgewertet werden kann. Hiermit ist es möglich, die Temperatur und die Stoffkonzentration in der Ofenluft zu erfassen.
  • Im Falle der Temperaturmessung erfasst die Auswerteeinrichtung 4 aus dem Lichtwellenleiter 3 austretendes reflektiertes Licht, das an sog. Faser-Bragg-Gittern reflektiert wird, die in den Lichtwellenleiter 3 eingebracht sind.
  • Zur Erfassung der Stoffkonzentration werden Nahinfrarot-spektroskopischer Signale in der Auswerteeinrichtung 4 ausgewertet, die über den Lichtwellenleiter 3 übertragen werden.
  • Hierzu sei auf folgende an sich bekannte Technologie hingewiesen:
    Faser-Bragg-Gitter sind in den Lichtwellenleiter 3 eingeschriebene optische Interferenzfilter. Wellenlängen, die innerhalb der Filterbandbreite liegen, werden reflektiert. Ein Interferenzfilter ist ein optischer Filter aus dünnen Schichten auf einem Träger, im vorliegenden Falle der Lichtleitfaser (Lichtwellenleiter). Dieser Filter lässt optische, elektromagnetische Wellen bestimmter Wellenlängen durch, aber reflektiert dicht benachbarte Wellenlängen. Diese Selektivität beruht auf Interferenzen zwischen dem direkten und dem mehrfach reflektierten Licht.
  • Die einzelnen Schichten werden mittels UV-Licht (z. B. eines Excimerlasers mit λ = 248 nm) in die Glasfaser eingeschrieben. In dem Faserkern entsteht eine periodische Modulation der Brechzahl, mit hohen und niedrigen Brechzahlbereichen, die das Licht einer bestimmten Wellenlänge zurück reflektiert (Bandsperre). Die Mittenwellenlänge der Filterbandbreite in Monomodefasern ergibt sich durch die sog. Bragg-Bedingung.
  • Der Kern der Lichtleitfaser ist aus aufeinanderfolgenden Abschnitten der Länge λ/4 zusammengesetzt, die sich im Brechungsindex unterscheiden. An jeder Grenzfläche wird ein Teil der eingespeisten Amplitude reflektiert.
  • Auf diese Weise sind mittels der Lichtwellenleiter-Technologie Sensoren für Temperatur und Dehnung anhand der sich ändernden reflektierten Wellenlänge realisierbar, wie sie vorliegend genutzt werden.
  • Bei der Raman-Spektroskopie wird die zu untersuchende Materie mit monochromatischem Licht, üblicherweise aus einem Laser, bestrahlt. Im Spektrum des an der Probe gestreuten Lichts werden neben der eingestrahlten Frequenz (Rayleigh-Streuung) noch weitere Frequenzen beobachtet. Die Frequenzunterschiede zum eingestrahlten Licht entsprechen den für das Material charakteristischen Energien von Rotations-, Schwingungs-, Phonon- oder Spin-Flip-Prozessen. Aus dem erhaltenen Spektrum lassen sich, ähnlich dem Spektrum der Infrarotspektroskopie, Rückschlüsse auf die untersuchte Substanz ziehen. Dieser Effekt wird vorliegend genutzt, um die Stoffkonzentrationen im Ofengas zu ermitteln.
  • Der Grund für den beschriebenen Effekt liegt in einer Wechselwirkung des Lichtes mit der Materie, dem sogenannten Raman-Effekt, bei dem Energie vom Licht auf die Materie übertragen wird bzw. Energie von der Materie auf das Licht. Da die Wellenlänge des Lichts, d. h. seine Farbe, von der Energie des Lichtes abhängt, bewirkt dieser Energieübertrag eine Verschiebung der Wellenlänge des gestreuten Lichtes gegenüber dem eingestrahlten Licht, die sogenannte Raman-Verschiebung.
  • Bei der bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt eingesetzten Nahinfrarot-Spektroskopie (abgekürzt „NIRS” oder „NIR”) handelt es sich um eine chemische Analysentechnik auf Basis der Spektroskopie im Bereich des kurzwelligen Infrarotlichts. Sie ist mit der IR-Spektroskopie verwandt.
  • Mit Hilfe von Infrarotstrahlung werden kovalente Molekülbindungen in organischen Verbindungen angeregt, was vorliegend genutzt wird. Die Detektion findet im nahen Infrarot (760 bis 2500 nm) statt. Dort kommt es zu Oberton- bzw. Kombinationsschwingungen der Grundschwingung im mittleren Infrarot. Es gilt das sog. Lambert-Beersche Gesetz.
  • Die Oberton- und Kombinationsbanden werden bei der Analyse von Proben nicht direkt interpretiert, sondern mit Hilfe von statistischen Verfahren ausgewertet. Für quantitative Bestimmungen werden vorher Datensätze mit bekanntem Gehalt des interessierenden Stoffes erstellt.
  • Auf Grund der höheren Energie des nahinfraroten Lichts im Vergleich zum mittleren Infrarot und der geringeren Absorptionskoeffizienten gibt es eine größere Eindringtiefe und damit eine einfachere Handhabung (größere Schichtdicken: Millimeter statt Mikrometer).
  • In 3 ist zu sehen, dass in der Wandung 2 des Ofens 1 zwei Lichtwellenleiter 3' und 3'' parallel zueinander verlegt sind, die sich in Längsrichtung L des Ofens erstreckt. Dabei sind die beiden Lichtwellenleiter 3', 3'' in einem Abstand a zueinander angeordnet. Errichtet man das Lot auf der Innenseite 5 der Ofenwandung 2, liegen die beiden Lichtwellenleiter 3', 3'' – wie in 3 zu sehen – in einer Ebene. Durch Messung der Temperaturen in den beiden Lichtwellenleitern 3', 3'' kann somit ein Temperaturgradient ermittelt werden, über den auf den Zustand der Isolation der Ofenwandung und insbesondere auf den Zustand der Feuerfestschicht im Ofen geschlossen werden kann.
  • Eine andere Anordnung der Lichtwellenleiter 3 ist in 4 zu sehen, wo ein anderer Teil der Wandung 2 des Ofens 1 skizziert ist. Die Wandung 2 besteht aus einer innliegenden Schicht aus Feuerfestmaterial 7, die auf einer Ausmauerung 8 aufgebracht ist. Von außen ist die Wandung 2 in einem Metallgehäuse 9 angeordnet. Die Lichtwellenleiter 4 befinden sich in Bohrungen in der Ausmauerung 8.
  • Die Lichtwellenleiter 3 bestehen hier wie auch in den anderen Ausführungsbeispielen aus einer Grundfaser, die eine Dicke im Bereich zwischen ca. 100 bis 150 μm aufweist. Sofern der Lichtwellenleiter in einem Hüllrohr angeordnet ist, weist dieses zumeist einen Durchmesser von ca. 800 bis 2.000 μm auf.
  • Nicht näher dargestellt ist eine weitere Möglichkeit, nach der der Lichtwellenleiter 3 in eine Nut in der Wandung 2 eingelegt wird, die dann wieder verschlossen wird.
  • Der Lichtwellenleiter 3 kann gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung auch mäanderförmig in der Wandung 2 verlegt werden, so dass die Fläche bezüglich der Temperaturentwicklung gut überwacht werden kann.
  • Die als Bestandteil des Temperatursensors bzw. Sensors für die Stoffzusammensetzung der Ofenluft fungierende Glasfaser ist also mit der Auswerteeinheit 4 verbunden. Mittels der Auswerteeinheit 4 wird zunächst Laserlicht erzeugt, das in den Lichtwellenleiter 3 eingespeist wird.
  • Die von der Lichtwellenleitfaser 3 gesammelten Daten werden mittels des Erfassungssystems in Temperaturen umgerechnet und den verschiedenen Messorten zugeordnet. Die Auswertung erfolgt bevorzugt nach dem bereits genannten Faser-Bragg-Gitter-Verfahren (oder auch Faser-Bragg-Grating-Verfahren – FBG-Verfahren). Hierbei werden – wie oben bereits generell erläutert – geeignete Lichtwellenleiter verwendet, die Messstellen mit einer periodischen Variation des Brechungsindexes bzw. Gitters mit solchen Variationen eingeprägt bekommen. Diese periodische Variation des Brechungsindexes führt dazu, dass der Lichtwellenleiter in Abhängigkeit der Periodizität für bestimmte Wellenlängen an den Messstellen einen dielektrischen Spiegel darstellt. Durch eine Temperaturänderung an einem Punkt wird die Bragg-Wellenlänge verändert, wobei genau diese reflektiert wird. Licht, das die Bragg-Bedingung nicht erfüllt, wird durch das Bragg-Gitter nicht wesentlich beeinflusst.
  • Die verschiedenen Signale der unterschiedlichen Messstellen können dann aufgrund von Laufzeitunterschieden voneinander unterschieden werden. Der detailierte Aufbau solcher Faser-Bragg-Gitter sowie die entsprechenden Auswerteeinheiten sind allgemein bekannt. Die Genauigkeit der Ortsauflösung ist durch die Anzahl der eingeprägten Messstellen gegeben. Die Größe einer Messstelle kann beispielsweise im Bereich von 1 mm bis 5 mm liegen.
  • Die FBG-Sensoren besitzen also eine permanente Modulation der Brechzahl. Die Längenabmessungen des Gitters betragen wenige Millimeter. Tritt das Laserlicht auf das Gitter, erfolgt eine Reflexion, die maximal wird, wenn der Gitterabstand mit der Laserwellenlänge übereinstimmt. Äußere Einflüsse auf das Fasergitter, wie Temperatur oder Dehnung, verändern die Gitterkonstante, so dass sich die Bragg-Wellenlänge des reflektierten Lichts verschiebt.
  • Alternativ kann zur Messung der Temperatur auch das „Optical-Frequency-Domain-Reflectometry”-Verfahren (OFDR-Verfahren) oder das „Optical-Time-Domain-Reflectometry”-Verfahren (OTDR-Verfahren) eingesetzt werden. Diese Verfahren basieren auf dem Prinzip der faseroptischen Ramanrückstreuung, wobei ausgenutzt wird, dass eine Temperaturveränderung am Punkt eines Lichtleiters eine Veränderung der Ramanrückstreuung des Lichtwellenleitermaterials verursacht.
  • Mittels der Auswerteeinheit (z. B. einem Raman-Reflektometer) können dann die Temperaturwerte entlang einer Faser ortsaufgelöst bestimmt werden, wobei bei diesem Verfahren über eine bestimmte Länge des Leiters gemittelt wird. Diese Länge beträgt ca. einige Zentimeter. Die verschiedenen Messstellen werden wiederum durch Laufzeitunterschiede voneinander getrennt. Der Aufbau solcher Systeme zur Auswertung nach den genannten Verfahren ist allgemein bekannt, ebenso wie die nötigen Laser, die das Laserlicht innerhalb des Lichtwellenleiters 3 erzeugen.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Ofen
    2
    Wandung
    3
    Lichtwellenleiter
    3'
    Lichtwellenleiter
    3''
    Lichtwellenleiter
    4
    Auswerteeinrichtung
    5
    Innenseite
    6
    Bramme
    7
    Feuerfestmaterial
    8
    Ausmauerung
    9
    Metallgehäuse
    L
    Längsrichtung
    a
    Abstand
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 2261197 A1 [0004]
    • US 4004138 [0005]
    • DE 2456748 A1 [0005]
    • US 4606529 [0005]
    • JP 51119605 A [0006]
    • JP 62089817 A [0006]
    • JP 5142170 A [0006]
    • DE 69321160 T2 [0007]

Claims (10)

  1. Ofen (1), insbesondere Tunnelofen, einer metallurgischen Anlage, wobei der Ofen (1) eine sich in Längsrichtung (L) erstreckende Wandung (2) sowie mindestens einen Abgasabzug aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Wandung (2) und/oder im Bereich des mindestens einen Abgasabzugs mindestens ein Lichtwellenleiter (3) verlegt ist, wobei der Lichtwellenleiter (3) mit einer Auswerteeinrichtung (4) zur Erfassung der Temperatur und/oder zur Erfassung der Stoffkonzentration in der Ofenluft in Verbindung steht.
  2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) zur Temperaturermittlung mittels aus dem Lichtwellenleiter (3) austretendem reflektiertem Licht geeignet ist, das an Faser-Bragg-Gittern reflektiert wird, die in den Lichtwellenleiter (3) eingebracht sind auszuwerten.
  3. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) zur Erfassung der Stoffkonzentration mittels Nahinfrarot-spektroskopischer Signale geeignet ist, die über den Lichtwellenleiter (3) übertragen werden.
  4. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wandung (2) mindestens zwei parallel zueinander in einem vorgegebenen Abstand (a) verlaufende Lichtwellenleiter (3', 3'') verlegt sind, wobei die mindestens zwei Lichtwellenleiter (3', 3'') vorzugsweise in einer Ebene senkrecht auf die Innenseite (5) der Wandung (2) liegen.
  5. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem oberen Bereich des Ofens (1) und in einem unteren Bereich des Ofens (1) jeweils mindestens ein Lichtwellenleiter (3) verlegt ist.
  6. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Lichtwellenleiter (3) in Bohrungen der Wandung (2) des Ofens (1) angeordnet ist.
  7. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (3) in einem diesen umgebenden Rohr angeordnet ist.
  8. Verfahren zur Messung von Temperaturen in einem Ofen (1), insbesondere in einem Tunnelofen, einer metallurgischen Anlage, wobei der Ofen (1) eine sich in Längsrichtung (L) erstreckende Wandung (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Wandung (2) mindestens ein Lichtwellenleiter (3) verlegt ist, wobei die Erfassung der Temperatur der Wandung (2) des Ofens (1) durch aus dem Lichtwellenleiter (3) austretendes reflektiertes Licht erfolgt, das an Faser-Bragg-Gittern reflektiert wird, die in den Lichtwellenleiter (3) eingebracht sind.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wandung (2) mindestens zwei parallel zueinander in einem vorgegebenen Abstand (a) verlaufende Lichtwellenleiter (3', 3'') verlegt sind, wobei die mindestens zwei Lichtwellenleiter (3', 3'') vorzugsweise in einer Ebene senkrecht auf die Innenseite (5) der Wandung (2) liegen, wobei aus der Differenz der ermittelten Temperaturen an der Stelle der beiden Lichtwellenleiter (3', 3'') der durch die Wandung (2) gehende Wärmestrom ermittelt wird.
  10. Verfahren zur Messung von Stoffkonzentrationen in der Ofenluft in einem Ofen (1), insbesondere in einem Tunnelofen, einer metallurgischen Anlage, wobei der Ofen (1) eine sich in Längsrichtung (L) erstreckende Wandung (2) und mindestens einen Abgasabzug aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Wandung (2) und/oder im Bereich des Abgasabzugs mindestens ein Lichtwellenleiter (3) verlegt ist, wobei die Erfassung der Stoffkonzentration der Ofenluft durch Auswertung Nahinfrarot-spektroskopischer Signale erfolgt, die über den Lichtwellenleiter (3) übertragen werden.
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