-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung, die auch als akustisches Gastemperaturmessgerät und als Schallpyrometer insbesondere für Hochöfen oder Kraftwerke bekannt ist. Die Erfindung betrifft eine Dichtungseinrichtung für eine solche Vorrichtung und ein System aus einer Vielzahl von Vorrichtungen zur akustischen Temperaturmessung.
-
Für die Gewinnung von Eisen wird Eisenerz als Ausgangsstoff verwendet, das in der Natur meist als Oxid vorkommt. In großtechnischen Anlagen wie z. B. Hochöfen wird das Eisenerz durch Reduktions- und Schmelzprozessen in flüssiges Roheisen umgewandelt.
-
Für derartige Reduktions- und Schmelzprozesse sind bestimmte Temperaturen im Hochofen einzuhalten. Ein Hochofen hat prinzipiell die Form eines Kamins oder eines Schornsteins aus zwei umgekehrt aufeinander gesetzten hohlförmigen Kegelstümpfen und eine Gesamthöhe von 15 bis 75 m. Dadurch wird sowohl ein optimaler Gas/Stoffaustausch innerhalb der Einsatzstoffe als auch ein Temperaturverlauf von 200° bis 2000°C vom Gichtverschluss bis an den Boden des Hochofens ermöglicht. Innerhalb des Hochofens laufen mehrere Prozesse gleichzeitig ab, die bestimmte Temperaturen voraussetzen, wie z. B. in der Trocken- und Vorwärmezone zum Trocknen und Vorwärmen des Eisenerzes, des Koks und der Zuschlagsstoffe durch ein durchströmendes Gas, in der Reduktionszone zum Reduzieren des Eisenoxids durch Kohlenstoff und Kohlendioxid, in der Kohlungszone zum Bilden eines Eisen-Kohlenstoffgemisches und in der Schmelzzone zum Verbrennen des Koks und zum Schmelzen des Eisen-Kohlenstoffgemisches. Werden die für die Prozesse optimalen Temperaturen nicht eingehalten, verlaufen die Prozesse gar nicht oder nur unvollständig ab.
-
Es ist daher erheblich und unerlässlich, dass die innerhalb eines Hochofens und während dessen laufenden Betriebs herrschenden Temperaturen ortsgenau gemessen und damit Einfluss auf dieselben genommen werden kann. Berührungsthermometer wie z. B. Bimetallthermometer sind meist nicht für derartig hohe Temperaturen konzipiert und können die Temperatur auch nur an einem Punkt messen. Berührungslos messende Thermometer wie z. B. Strahlungsthermometer (auch Strahlungspyrometer genannt) messen die ausgestrahlte Strahlung des zu messenden Gegenstands, die im Infrarot- bzw. μm-Wellenbereich liegt. Diese Art der Temperaturmessung ist gegenüber der Temperaturmessung durch Berührung flexibler. Allerdings ist in den eingangs genannten Hochöfen mit anfallendem Schmutz und Staub insbesondere durch Koks und anderen Nebenprodukten zu rechnen, die die ausgestrahlten Wellen des zu messenden Gegenstands absorbieren und/oder filtern. Zusätzlich kann die Temperaturmessung durch direkt auf dem Temperatursensor und/oder auf einer Schutzscheibe liegenden Schmutz verfälscht werden.
-
Um diesen Nachteil zu umgehen, werden in Hochöfen meist Schallpyrometer verwendet, die anhand der Laufzeit einer ausgesandten und empfangenen Schallwelle die Temperatur bestimmen. Je höher die Temperatur des zu messenden Gases ist, desto höher ist die Schallgeschwindigkeit innerhalb dieses Gases und desto kürzer ist die Laufzeit einer Schallwelle. Typischerweise kann die Frequenz des hierfür ausgesendeten Schallsignals zwischen 100 bis 6000 Hz liegen. Bei den zuvor genannten Temperaturen von 200 bis 2000° Grad liegt die Schallgeschwindigkeit zwischen etwa 430 bis 950 m/s. Durch die Verwendung eines oder mehrerer Schallsender bzw. -quellen und/oder -empfänger ist es möglich, eine Temperaturverteilung innerhalb des Hochofens zu ermitteln.
-
Eine derartige Temperaturmessvorrichtung ist aus
JP H09-15065 A oder
DE 20 2015 106 820 U1 bekannt, die auf die Anmelderin zurückgeht. Die bekannten Vorrichtungen unterliegen wegen der extremen Einsatzbedingungen Einschränkungen mit Blick auf die Auswahl der in Frage kommenden Sensortechnik.
-
Weitere Temperaturmessvorrichtungen für ein Fluid werden in der
EP 1 080 349 B1 und der
JP H11-248554 A beschrieben. Die vorstehend beschriebenen Nachteile sind jedoch auch mit beschriebenen Temperaturmessvorrichtungen der
EP 1 080 349 B1 und der
JP H11-24855 A nicht ausgeräumt. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass auch weniger robuste Sensoren in der Vorrichtung verbaut werden können. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, eine Dichtungseinrichtung und ein System für die akustische Temperaturmessung anzugeben.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit Blick auf die Vorrichtung durch den Gegenstand des Anspruchs 1, mit Blick auf die Dichtungseinrichtung durch den Gegenstand des Anspruchs 17 und mit Blick auf das System zur akustischen Temperaturmessung durch den Gegenstand des Anspruchs 18 gelöst.
-
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung in einem Prozessraum, der beispielsweise aber nicht zwangsläufig ein Hochofen ist, angegeben. Die Vorrichtung weist eine Schallerzeugereinrichtung und eine Schallempfängereinrichtung zum Aussenden und Empfangen von Schallsignalen, sowie ein Schallrohr zum Leiten der Schallsignale zum Prozessraum und umgekehrt auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch mindestens eine Dichtungseinrichtung zur Abdichtung der Schallerzeugereinrichtung und/oder der Schallempfängereinrichtung gegen die Atmosphäre im Prozessraum aus. Die Dichtungseinrichtung ist für die Schallsignale durchlässig.
-
Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Schallerzeugereinrichtung und/oder die Schallempfängereinrichtung von der Atmosphäre im Prozessraum, insbesondere von der Hochofenatmosphäre entkoppelt sind. Damit ist es möglich, im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen sensible Schallerzeugereinrichtungen und Schallempfängereinrichtungen zu verwenden, ohne dass die Gefahr besteht, dass diese durch die aggressive Atmosphäre frühzeitig zerstört oder zumindest in der Funktionsweise beeinträchtigt werden. Konkret eröffnet die Erfindung die Möglichkeit, anstelle der bisher verwendeten pneumatischen Schallerzeuger elektroakustische Schallwandler zu verwenden, ohne dass die Lebensdauer der Vorrichtung unverhältnismäßig verkürzt wird. Die Erfindung ist aber nicht auf elektroakustische Schallwandler eingeschränkt, sondern kann auch im Zusammenhang mit an sich bekannten Vorrichtungen, die auf der pneumatischen Schallerzeugung beruhen, verwendet werden, um deren Haltbarkeit zu verlängern.
-
Die Dichtungseinrichtung ist für die Schallsignale durchlässig. Damit wird erreicht, dass die von der Schallerzeugereinrichtung emittierten Schallsignale in den Prozessraum gelangen können. Umgekehrt können die aus dem Prozessraum zu empfangenden Schallsignale durch die Dichtungseinrichtung zur jeweiligen Schallempfängereinrichtung gelangen.
-
Insgesamt werden die zur Temperaturmessung eingesetzten Schallwandler vor der Prozessraumatmosphäre geschützt, ohne dass die Signalübertragung gestört wird.
-
Die Erfindung umfasst verschiedene Möglichkeiten der Zuordnung der Dichtungseinrichtung. Im einfachsten Fall dichtet die Dichtungseinrichtung sowohl die Schallerzeugereinrichtung als auch die Schallempfängereinrichtung ab. Dabei kann es sich um eine einzige Dichtungseinrichtung für beide Schallwandler handeln. Alternativ dichtet die Dichtungseinrichtung nur die Schallerzeugereinrichtung ab. Die Schallempfängereinrichtung kann entweder ausreichend robust für die Prozessraumatmosphäre sein oder anderweitig vor der Prozessraumatmosphäre geschützt sein. Ebenso ist es möglich, dass nur die Schallempfängereinrichtung durch die Dichtungseinrichtung abgedichtet ist. Die Schallerzeugereinrichtung kann ausreichend robust für die Prozessraumatmosphäre oder anderweitig geschützt sein. Es ist auch möglich, dass der Schallerzeugereinrichtung und der Schallempfängereinrichtung jeweils eine eigene Dichtungseinrichtung zur Abdichtung gegen die Atmosphäre im Prozessraum zugeordnet ist.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
So kann die Dichtungseinrichtung im Schallrohr angeordnet sein. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten.
-
Im Schallrohr kann eine einzige Dichtungseinrichtung angeordnet sein, die die Schallerzeugereinrichtung und/oder die Schallempfängereinrichtung abdichtet. Dabei kann die Dichtungseinrichtung sowohl die Schallerzeugungseinrichtung als auch die Schallempfängereinrichtung gemeinsam abdichten. Dabei bietet es sich an, wenn die Dichtungseinrichtung das gesamte Schallrohr, also den gesamten Querschnitt des Schallrohrs überdeckt und damit den Raum auf der dem Prozessraum abgewandten Seite von der Prozessraumatmosphäre abkoppelt. Die hinter der Dichtungseinrichtung angeordneten Schalleinrichtungen sind geschützt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass mit wenig Aufwand alle sensiblen Schallwandler Bauteile geschützt sind.
-
Alternativ ist es möglich, dass die einzige Dichtungseinrichtung entweder nur die Schallerzeugereinrichtung oder nur die Schallempfängereinrichtung abdichtet. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass die Schallempfängereinrichtung ein empfindliches Mikrofon umfasst, das durch die Dichtungseinrichtung vor der schädlichen Prozessraumatmosphäre geschützt ist. Die Schallerzeugereinrichtung kann beispielsweise als pneumatische Schallerzeugereinrichtung ausgeführt sein, die nicht gesondert geschützt werden muss.
-
Alternativ können mehrere Dichtungseinrichtungen im Schallrohr angeordnet sein, wobei eine erste Dichtungseinrichtung die Schallerzeugereinrichtung und eine zweite Dichtungseinrichtung die Schallempfängereinrichtung abdichtet. Mit anderen Worten weist jeder Schallwandler eine eigene Dichtungseinrichtung auf, die diesen vor der Prozessraumatmosphäre schützt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Dichtungseinrichtung räumlich nahe am jeweiligen Schallwandler angeordnet sein kann. Zum Beispiel kann die Dichtungseinrichtung in die Wandung des Schallrohres integriert sein und einen seitlich am Schallrohr befestigten Schallwandler schützen. Es ist auch möglich, dass die Dichtungseinrichtung den Querschnitt des Schallrohres überdeckt.
-
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Dichtungsvorrichtung eine Membran. Diese hat den Vorteil, dass sie schwingfähig ist und somit auf einfache Weise für die Übertragung der Schallsignale vom Prozessraum auf die vom Prozessraum durch die Dichtungseinrichtung getrennten Schalleinrichtungen sorgen kann.
-
Vorzugsweise ist die Dichtungseinrichtung druckbeständig. Die Druckbeständigkeit bezieht sich in besonders bevorzugter Weise auf die in einem Hochofen herrschenden Drücke. Die Druckbeständigkeit der Dichtungseinrichtung bedeutet allgemein, dass diese an sich, d. h. ohne mechanische Hilfsmittel, ausreichend stabil ist, um den auf die Druckeinrichtung wirkenden Drücken zu widerstehen.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Dichtungseinrichtung ein Stützelement zur Aufnahme mechanischer Kräfte auf. Das Stützelement nimmt die im Prozessraum herrschenden Drücke bzw. die daraus resultierenden Kräfte auf, so dass die Stabilität und damit die Sicherheit der Dichtungseinrichtung verbessert wird.
-
Bei der Ausführungsform mit Membran sind die Membran und das Stützelement in Sandwichbauweise angeordnet. Das Stützelement übernimmt in Ableitung der mechanischen Lasten ins Gehäuse. Die Membran dient im Wesentlichen nur der Signalübertragung und der Abdichtfunktion. Damit erfolgt eine Funktionstrennung, bei der das jeweilige Bauteil für die entsprechende Funktion optimiert wird. So kann die Membran dünner gestaltet sein als bei der Ausführungsform ohne Hilfsmittel.
-
Das Stützelement kann beispielsweise ein Lochblech umfassen, das parallel zur Membran angeordnet ist. Durch das Lochblech wird erreicht, dass die Schallübertragungsfunktion der Membran, also die Schwingfähigkeit der Membran zumindest lokal, d. h. im Bereich der Öffnungen des Lochblechs erhalten bleibt, so dass die Schallsignale die Membran passieren können.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Dichtungseinrichtung ein Druckausgleichsorgan zugeordnet, um im Betrieb eine Druckdifferenz zwischen dem Prozessraum einerseits und der Schallerzeugereinrichtung und/oder der Schallempfängereinrichtung anderseits auszugleichen oder zu verringern. Dadurch wird die Sicherheit gegen eine Beschädigung der Dichtungseinrichtung weiter erhöht. Ein vollständiger Druckausgleich ist nicht erforderlich. Es genügt, wenn die Druckdifferenz so weit verringert wird, dass ein der Festigkeit der Dichtungseinrichtung angemessener Überdruck eingestellt wird. Dabei kann der Überdruck entweder durch die Prozessraumatmosphäre oder durch die Messraumatmosphäre entstehen. Die Messraumatmosphäre herrscht in dem vom Prozessraum durch die Dichtungseinrichtung abgetrennten Raum und bildet die Atmosphäre, der die Schallempfängereinrichtung und/oder die Schallerzeugereinrichtung ausgesetzt sind.
-
Das Druckausgleichsorgan kann beispielsweise ein Rückschlagventil sein, das den Prozessraum mit dem Messraum verbindet und somit die Dichtungseinrichtung überbrückt.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Absperrorgan, beispielsweise in der Form eines Kugelhahns, zum Verschließen des Schallrohres vorgesehen, um die Dichtungseinrichtung von der Atmosphäre im Prozessraum abzudichten. Das Absperrorgan ermöglicht eine Wartung der Vorrichtung während des Anlagenbetriebs.
-
Vorzugsweise ist das Schallrohr an der Dichtungseinrichtung trenn- und zusammenfügbar. Damit kann die Dichtungseinrichtung einfach bei Bedarf ausgetauscht werden.
-
Die Fläche der Dichtungseinrichtung kann größer als eine Querschnittsfläche des Schallrohrs sein, wobei die Dichtungseinrichtung zwischen einer Flanschverbindung des Schallrohrs befestigt ist. Diese Ausbildung der Dichtungseinrichtung bzw. die Anordnung der Dichtungseinrichtung vereinfacht die Montage.
-
Vorzugsweise sind Distanzelemente, insbesondere Scheiben, in der Flanschverbindung zur Begrenzung der auf die Dichtungseinrichtung wirkenden Anpresskraft angeordnet. Auf diese Weise kann eine definierte Anpresskraft eingestellt werden, die die Dichtungseinrichtung mit der Flanschverbindung verbindet. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform überdeckt die Dichtungseinrichtung eine seitliche Öffnung des Schallrohrs. Hinter der seitlichen Öffnung des Schallrohrs kann eine Schallempfängereinrichtung oder eine Schallerzeugereinrichtung angeordnet sein.
-
Vorzugsweise sind die Schallerzeugereinrichtung und/oder die Schallempfängereinrichtung jeweils in einem druckfesten Gehäuse angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich um ein und dasselbe druckfeste Gehäuse, in dem die Schallerzeugereinrichtung und die Schallempfängereinrichtung angeordnet sind. Das druckfeste Gehäuse hat den Vorteil, dass bei einer Beschädigung der Dichtungseinrichtung eine zweite Sicherheitsbarriere gegen das Austreten der Prozessraumatmosphäre aus der Vorrichtung erreicht wird.
-
Die Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung kann eine Reinigungseinrichtung zum Entfernen von Schmutz und/oder Ablagerungen in einem Durchgang zum Prozessraum und/oder in dem Schallrohr mittels eines oder mehrerer Gasstrahlen aufweisen. Die entsprechende Reinigungseinrichtung ist in der ebenfalls auf die Anmelderin zurückgehenden
DE 20 2015 106 820 U1 näher beschrieben und hat den Vorteil, dass die Vorrichtung im Betrieb gereinigt werden kann.
-
Die Erfindung betrifft ein System zur akustischen Temperaturmessung in einem Prozessraum insbesondere in einem Hochofen, das mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zur akustischen Temperaturmessung aufweist, um eine bzw. mehrere Temperaturmessungen in einem Prozessraum zuverlässig durchzuführen und anschließend eine darauf basierende Temperaturverteilung im Raum zu erhalten.
-
Vorteilhafterweise sind mindestens eine der Temperaturmessvorrichtungen als Schallsender, um ein akustisches Signal in den Prozessraum auszusenden, und mindestens eine der Temperaturmessvorrichtungen als Schallempfänger ausgebildet, um das Signal des mindestens einen Schallsenders zu empfangen. Die Funktion des Schallsenders kann von einer Vorrichtung zur nächsten, z. B. zur benachbarten Vorrichtung, übergeben werden. Dabei können alle Vorrichtungen des Systems als Schallempfänger fungieren und das Signal des bzw. jedes Schallsenders empfangen und unterscheiden.
-
Zusätzlich kann die Vielzahl von Temperaturmessvorrichtungen auf einer gedachten Ebene angeordnet sein, vorzugsweise konzentrisch bzw. 360° Grad um den Prozessraum verteilt.
-
Im Rahmen der Erfindung wird ferner die Dichtungseinrichtung für eine Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung in einem Prozessraum, insbesondere in einem Hochofen, als solche, d. h. unabhängig von der Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung offenbart und beansprucht.
-
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher beschrieben.
-
In diesen zeigen
-
1 den Längsschnitt durch eine im Übrigen isometrisch dargestellte Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung nach einem Ausführungsbeispiel mit elektroakustischer und pneumatischer Schallerzeugung;
-
2 eine Detailansicht der Vorrichtung nach 1 im Bereich der Dichtungseinrichtung;
-
3 eine weitere Detailansicht der Vorrichtung nach 2 im Bereich der Dichtungseinrichtung;
-
4 den Längsschnitt durch eine im Übrigen isometrisch dargestellte Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel mit druckbeständiger Dichtungseinrichtung;
-
5 eine Detailansicht der Vorrichtung gemäß 4 im Bereich der Dichtungseinrichtung;
-
6 eine weitere Detailansicht der Vorrichtung nach 5 im Bereich der Dichtungseinrichtung;
-
7 eine Detailansicht einer Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einem Mikrofon bzw. Druckaufnehmer an der Seitenwand des Schallrohres; und
-
8 eine Detailansicht der Dichtungseinrichtung gemäß 7.
-
Die in den Figuren gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung werden bevorzugt zur Messung der Gastemperaturverteilung in einem Hochofen eingesetzt. Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz im Hochofen eingeschränkt. Die Erfindung und deren Ausführungsbeispiele können generell zur akustischen Temperaturmessung in Prozessräumen mit schwierigen Einsatzbedingungen eingesetzt werden.
-
Die Erfindung und deren Ausführungsbeispiele ist für das 2D-Gastemperatur-Messsystem der Anmelderin geeignet, das unter der Produktbezeichnung t-matriX für Hochöfen eingesetzt wird, ohne auf dieses spezielle Gastemperatur-Messsystem eingeschränkt zu sein. Das vorstehende genannte Messsystem misst im Hochofen die Temperaturverteilung über der Schüttung.
-
Die Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung gemäß 1 umfasst eine Schallerzeugereinrichtung 5a oder 5d und eine Schallempfängereinrichtung 5b oder 5c. Die beiden Einrichtungen 5a (5d), 5b (5c) sind allgemein Schallwandler, wobei die Schallerzeugungseinrichtung 5a oder 5d als Schallquelle fungiert, die Schallsignale erzeugt und aussendet. Die Schallempfängereinrichtung 5b oder 5c dient zur Aufnahme von Schallsignalen, die in elektrische Signale umgewandelt werden. Bei dem Beispiel gemäß 1 sind die Schallerzeugereinrichtung 5a und die Schallempfängereinrichtung 5b Teil einer elektroakustischen Einheit. Demnach handelt es sich bei der Schallerzeugereinrichtung 5a um einen Lautsprecher und bei der Schallempfängereinrichtung 5b um ein Mikrofon. Wie anhand der 7, 8 näher erläutert, ist die Erfindung nicht auf eine elektroakustische Signalerzeugung eingeschränkt, sondern umfasst beispielsweise auch die an sich bekannte pneumatische Signalerzeugung.
-
Wie in 1 und 2 weiter zu erkennen, weist die Vorrichtung ein Schallrohr 6 auf, durch das die Schallsignale von der Schallerzeugereinrichtung 5a oder 5d zum Prozessraum (nicht dargestellt) und umgekehrt vom Prozessraum zur Schallempfängereinrichtung 5b oder 5c im Betrieb geleitet werden. Das Schallrohr 6 weist einen konischen Abschnitt 6a auf, der auch als Diffusor bezeichnet werden kann. Im montierten Zustand mündet der konische Abschnitt 6a in den Prozessraum. Mit dem konischen Abschnitt 6a ist ein zylindrischer Abschnitt 6b des Schallrohres 6 verbunden, der fluchtend mit dem konischen Abschnitt 6a angeordnet ist. Der zylindrische Abschnitt 6b muss nicht zwingend zylindrisch ausgebildet sein. Andere Geometrie sind möglich. Beispielsweise kann der Abschnitt 6b, der sich an den konischen Abschnitt 6a des Schallrohrs 6 anschließt, ebenfalls konisch ausgebildet sein, sodass das Schallrohr 6 eine durchgehend konische Form aufweist.
-
Der zylindrische Abschnitt 6b kann als Verlängerung des konischen Abschnitts 6a des Schallrohres 6 angesehen werden.
-
Da der zylindrische Abschnitt 6b lösbar mit dem konischen Abschnitt 6a verbunden ist, kann der zylindrische Abschnitt 6b zusammen mit der elektroakustischen Einheit, die mit dem zylindrischen Abschnitt 6b verbunden ist, bei einer bestehenden Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung einfach nachgerüstet werden. So gesehen gehört der zylindrische Abschnitt 6b sowohl zum Schallrohr 6 als auch zur elektroakustischen Einheit.
-
Am Ende des Schallrohres 6, konkret am Ende des zylindrischen Abschnitts 6b, d. h. auf der vom Prozessraum abgewandten Seite der Vorrichtung ist ein Gehäuse 12 angeordnet. Das Gehäuse 12 ist druckfest ausgebildet. Mit anderen Worten ist das Gehäuse 12 so ausgelegt, dass die im Prozessraum herrschenden Drücke, insbesondere die im Hochofen herrschenden Drücke das Gehäuse 12 nicht zerstören. Im Gehäuse 12 ist die Schallerzeugereinrichtung 5a angeordnet und mit diesem verbunden. Die Schallempfängereinrichtung 5b ist an der Gehäuseaußenseite angeordnet (nicht dargestellt) und mit dem Gehäuse 12 verbunden, wobei die akustische Anbindung der Schallempfängereinrichtung 5b durch eine Öffnung 11 in der Gehäuseseitenwand erfolgt.
-
Das Gehäuse 12 ist zweiteilig aufgebaut. Ein anderer Aufbau des Gehäuses ist möglich.
-
Ein erstes Gehäuseteil 12a des 2-teiligen Gehäuses 12 ist topfartig ausgebildet und nimmt die Schallerzeugereinrichtung 5a, d. h. den Lautsprecher auf. Konkret weist das erste Gehäuseteil 12a einen Deckel 12c auf, der das erste Gehäuseteil 12a verschließt. Dazu weist das erste Gehäuseteil 12a einen Flansch 13 auf, mit dem der Deckel 12c verschraubt oder anderweitig befestigt ist. Der Deckel 12c weist eine mittig angeordnete Öffnung 12d auf, die im montierten Zustand mit dem Schallrohr 6 fluchtet. Mit anderen Worten ist der Mittelpunkt der Öffnung 12d bzw. der Mittelpunkt des Deckels 12c auf der Mittelachse des Schallrohrs 6 angeordnet. Die Schallerzeugereinrichtung 5a ist mit dem Deckel verschraubt bzw. anderweitig befestigt, so dass die im Betrieb wirksame schallemittierende Fläche der Schallerzeugereinrichtung 5a vor der Öffnung 12d angeordnet ist.
-
Das Gehäuse 12 weist ein zweites Gehäuseteil 12b auf, das mit dem ersten Gehäuseteil 12a verbunden ist. Konkret ist das zweite Gehäuseteil 12b als zylindrisches Rohrstück ausgebildet, das in die Öffnung 12d des Deckels 12c eingesetzt und mit diesem verbunden ist. Mit anderen Worten bildet das zylindrische zweite Gehäuseteil 12b eine axiale Verlängerung der Öffnung 12d in Richtung des Schallrohres 6. Das zweite Gehäuseteil 12b bzw. allgemein das Gehäuse 12 weist die vorstehend genannte seitliche Öffnung 11 auf, wie in den 1, 2 zu erkennen. Die seitliche Öffnung 11 bildet den Zugang für die Schallempfängereinrichtung 5b, die an der Außenseite des Gehäuses 12, konkret des zweiten Gehäuseteils 12b angeordnet und mit diesem verbunden ist.
-
Das zweite Gehäuseteil 12b weist einen Flansch 8 auf, der mit dem Schallrohr 6, konkret mit dem zylindrischen Abschnitt 6b des Schallrohres 6 verbunden, insbesondere verschraubt ist. Der zylindrische Abschnitt 6b weist einen entsprechenden Flansch 8 auf. Mit anderen Worten ist ein erstes Ende des zylindrischen zweiten Gehäuseteils 12b mit dem Deckel 12c des ersten Gehäuseteils 12a und ein zweites Ende des zweiten Gehäuseteils mit dem Schallrohr, konkret mit dem zylindrischen Abschnitt 6b des Schallrohrs 6 verbunden.
-
Das Gehäuse 12, die im bzw. am Gehäuse 12 angeordnete Schallerzeugereinrichtung 5a bzw. Schallempfängereinrichtung 5b und der zylindrische Abschnitt 6b bilden zusammen die elektroakustische Einheit, die als Ganzes handhabbar ist und mit dem Schallrohr 6, konkret mit dem konischen Abschnitt 6a verbunden werden kann.
-
Die elektroakustische Einheit kann auch an bestehenden Vorrichtungen zur akustischen Temperaturmessung nachgerüstet werden.
-
Wie in den 1, 2 gut zu erkennen, weist die Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung eine Dichtungseinrichtung 1 auf. Die Dichtungseinrichtung 1 dient dazu, die Schallerzeugereinrichtung 5a und die Schallempfängereinrichtung 5b gegen die Atmosphäre im Prozessraum abzudichten. Die Dichtungseinrichtung 1 ist allgemein ein scheibenförmiges Dichtelement, das den Durchtritt von Gasen aus dem Prozessraum, insbesondere Gichtgas, verhindert und ausreichend flexibel ist, um Schallsignale zu übertragen. Die Größe des Dichtelements hängt davon ab, ob die Querschnittsfläche des Schallrohrs 6 oder eine seitliche Öffnung im Schallrohr 6 überspannt wird. Ein Beispiel für die Abdeckung einer seitliche Öffnung ist in den 7, 8 gezeigt.
-
Die Dichtungseinrichtung 1 ist bei dem Beispiel gemäß den 1, 2 konkret als schalldurchlässige Membran ausgebildet. Die Membran 2 ist so flexibel, dass diese eine Übertragung der Schallsignale in den Prozessraum bzw. aus dem Prozessraum ermöglicht. Gleichzeitig ist die Membran 2 so druckstabil, dass diese den im Prozessraum herrschenden Drücken widerstehen kann.
-
Wie in 1, 2 dargestellt, ist die Dichtungseinrichtung 1 im Schallrohr 6 angeordnet.
-
Konkret überspannt die Dichtungseinrichtung 1 den gesamten Querschnitt des Schallrohres 6. Dabei grenzt die Dichtungseinrichtung 1 einen Messraum 16 vom Prozessraum mit den zu messenden Temperaturen ab. Der Messraum 16 und der Prozessraum sind also entkoppelt, so dass die im Prozessraum befindlichen aggressiven Gase und Stoffe nicht in den Messraum 16 gelangen können. Sowohl die Schallempfängereinrichtung 5b als auch die Schallerzeugereinrichtung 5a sind im Messraum 16 angeordnet. Mit anderen Worten dichtet die Dichtungseinrichtung 1 sowohl die Schallerzeugereinrichtung 5a als auch die Schallempfängereinrichtung 5b ab.
-
Die Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel eingeschränkt. Es ist auch möglich, dass nur die Schallerzeugereinrichtung 5a durch die Dichtungseinrichtung 1 abgedichtet ist. Die Schallempfängereinrichtung kann außerhalb des Messraumes angeordnet sein, wenn beispielsweise ein Mikrofon verwendet wird, das den Einsatzbedingungen im Hochofen als solches genügt. Umgekehrt gilt das Gleiche für die Schallerzeugereinrichtung 5a. Die in den 1, 2 dargestellte Ausführung hat den Vorteil, dass sowohl die Schallerzeugereinrichtung 5a als auch die Schallempfängereinrichtung 5b im Wesentlichen unabhängig von der aggressiven Atmosphäre im Prozessraum gewählt werden können. Dieser Vorteil kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn, wie in den 1, 2, eine elektroakustische Einheit zur Temperaturmessung verwendet wird.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, 2 weist die Dichtungseinrichtung 1 ein Stützelement 3 auf, das bei dem Beispiel gemäß 1, 2 als Lochblech ausgebildet ist. Das Lochblech ist parallel zur Membran 2 angeordnet und dient dazu, die auf die Membran 2 wirkenden mechanischen Lasten in das Gehäuse 12 abzuleiten. Die Schallübertragungsfunktion der Membran 2 wird dadurch gewährleistet, dass die Schwingfähigkeit der Membran 2 durch die im Lochblech vorgesehenen Öffnungen zumindest lokal erhalten bleibt. Dies reicht für die Übertragung der Schallsignale aus.
-
Alternativ zu der Ausgestaltung der Dichtungseinrichtung 1 mit dem Stützelement 3, ist es auch möglich, die Dichtungseinrichtung 1 nur durch die Membran 2 zu verwirklichen, wie in den 4 bis 6 dargestellt. In diesem Fall ist das Material der Membran 2 so zu wählen, dass die auf die Membran 2 wirkenden Drücke ohne weitere Hilfsmittel in das Gehäuse 12 eingeleitet werden können. Im Übrigen ist das Ausführungsbeispiel gemäß den 5, 6 baugleich zum Ausführungsbeispiel gemäß den 1, 2. Die im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, 2 beschriebenen weiteren Merkmale werden entsprechend im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 5, 6 ebenfalls offenbart.
-
Die Befestigung der Dichtungseinrichtung 1 am Schallrohr 6 bzw. am Gehäuse 12 wird nachfolgend anhand des Ausführungsbeispiels gemäß 1 beschrieben. Das weitere Ausführungsbeispiel gemäß 4–6 ist entsprechend aufgebaut.
-
Wie in 3 gut zu erkennen, ist die Fläche der Dichtungseinrichtung 1 größer als die Querschnittsfläche des Schallrohrs 6. Dadurch kann die Dichtungseinrichtung 1 zwischen die beiden Flansche 8 des Schallrohrs 6 und des Gehäuses 12, konkret des zylindrischen zweiten Gehäuseteils 12b eingespannt werden. Konkret wird die Membran 2 zusammen mit dem Stützelement 3 in der Form der Lochplatte zwischen das Schallrohr 6 und den zweiten Gehäuseteil 12b eingespannt. Die Dichtigkeit wird durch Dichtungsringe 10 im Bereich der Dichtungseinrichtung 1 erreicht, die beidseitig an der Dichtungseinrichtung 1 bzw. am Lochblech und an der Membran 2 anliegen und durch die Flansche 8 verpresst werden. Für eine definierte Anpresskraft sind zwischen den Flanschen 8 Distanzelemente, konkret Distanzringe 9 angeordnet, die in Abhängigkeit von der Wandstärke der Dichtungseinrichtung 1 und der gewünschten Anpresskraft gewählt sind. Dies liegt im Ermessen des Fachmanns.
-
Eine weitere Verbesserung mit Blick auf die Sicherheit gegen Beschädigung der Dichtungseinrichtung 1 besteht darin, ein Druckausgleichsorgan (nicht dargestellt) vorzusehen, das der Dichtungseinrichtung 1 zugeordnet ist. Das Druckausgleichsorgan hat die Funktion, im Betrieb eine Druckdifferenz zwischen dem Prozessraum und dem Messraum 16 auszugleichen oder zu verringern. Der zumindest teilweise Druckausgleich zwischen dem Messraum 16 und dem Prozessraum bzw. der im Messraum 16 herrschenden Messatmosphäre und der Prozessraumatmosphäre verringert die auf die Membran 2 wirkenden mechanischen Lasten. Dabei kommt es nicht darauf an, dass ein vollständiger Druckausgleich realisiert wird, da die Membran 2 so ausgelegt ist, dass diese einen gewissen Überdruck aushält.
-
Konkret wird der Druckausgleich wie folgt realisiert. Der Messraum 16 weist eine Gaszufuhr auf, über die beispielsweise ein Stickstoffstrom kontinuierlich dem Messraum 16 zugeführt werden kann. Dadurch kann der Druck im Messraum 16 an den Druck im Prozessraum angeglichen werden. Um eine übermäßige Druckerhöhung im Messraum 16 zu verhindern, ist ein Druckausgleichsorgan zwischen dem Messraum 16 und dem Prozessraum, beispielsweise in der Form eines Rückschlagventils vorgesehen. Das Rückschlagventil öffnet bereits bei geringen Drücken. Das Rückschlagventil überbrückt die Dichtungseinrichtung, so dass das dem Messraum 16 zugeführte Gas, insbesondere Stickstoff durch das Rückschlagventil in das Schallrohr und damit in den Prozessraum geleitet wird. Insgesamt wird dadurch erreicht, dass im Messraum 16 annähernd der gleiche Druck wie im Prozessraum herrscht.
-
Zusammengefasst kann also die Dichtungseinrichtung 1 und/oder 100 als Membran 2 ohne mechanisches Stützelement oder als Membran 2 mit einem mechanischen Stützelement ausgeführt sein. Im letzteren Fall werden die mechanischen Lasten durch das Stützelement aufgenommen. Die Membran 2 dient dann lediglich dazu, die korrosiven Stoffe bzw. allgemein die aggressive Atmosphäre des Prozessraums von der elektroakustischen Einheit fernzuhalten. Sowohl die Ausführung nur mit der Membran 2 als auch die Ausführung mit dem Stützelement können jeweils mit dem Druckausgleichsorgan kombiniert sein.
-
Auf der Prozessraumseite der Dichtungseinrichtung 1 ist ein Absperrorgan, beispielsweise in der Form eines Kugelhahns 7 vorgesehen, mit dessen Hilfe das Schallrohr 6 verschlossen werden kann, so dass die Dichtungseinrichtung 1 und die dahinterliegende elektroakustische Einheit von der Atmosphäre im Prozessraum abgekoppelt sind. Dadurch werden Wartungsarbeiten vereinfacht.
-
Wie anhand der 7, 8 dargestellt, kann die Erfindung auf pneumatische Schallerzeugereinrichtungen 5d angewandt werden.
-
Bei der pneumatischen Schallerzeugungseinrichtung 5d wird das akustische Messsignal durch einen Gasstrom, beispielsweise durch einen Stickstoff-Gasstrom erzeugt, der durch eine Gaszuleitung ins Schallrohr 6 geleitet wird.
-
Die pneumatischen Schallerzeugungseinrichtung 5d ist in den 1, 2 zusätzlich zur elektroakustischen Einheit gezeigt. In der Praxis wird nur eine der beiden Schallerzeugungsmöglichkeiten, d. h. entweder nur die pneumatische oder nur die elektroakustische Schallerzeugung eingesetzt.
-
Bei der pneumatischen Schallerzeugnungseinrichtung 5d ist ein Magnetventil einer Sende-Empfangseinheit geöffnet, so dass das Gas durch die dann als Sender arbeitende Einheit strömt. Dadurch stellt sich ein Rauschen ein, das senderseitig von einem Mikrofon aufgenommen und als Referenzsignal aufgezeichnet wird. Das Mikrofon ist ausgehend von der Gaszuleitung der Schallerzeugungseinrichtung 5d, die in Richtung des Prozessraumes hinter der Öffnung 5c in der Seitenwand des Schallrohrs 6 angeordnet. Das Mikrofon bzw. allgemein die Schallempfängereinrichtung 5c ist durch die seitliche Öffnung 11 zugänglich. Die seitliche Öffnung 11 ist durch die Dichtungseinrichtung 100 überspannt und schützt die dahinter angeordneten Bauteile. Dabei kann es sich, wie in den 7, 8 dargestellt, bei der Dichtungseinrichtung 100 um eine einfache Membran 2 oder um die Sandwichkonstruktion aus Stützelement und Membran 2 handeln.
-
Die Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung weist ferner eine Reinigungseinrichtung
15 zum Entfernen von Schmutz und/oder Ablagerungen mittels eines oder mehreren Gasstrahlen auf. Eine derartige Reinigungseinrichtung ist in der eingangs genannten
DE 20 2015 106 820 U1 näher beschrieben, auf die hier vollumfänglich Bezug genommen wird.
-
Das System zur akustischen Temperaturmessung besteht aus baugleichen, miteinander vernetzten Vorrichtungen nach der Erfindung bzw. den vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen, die als Sende- und Empfangseinheiten fungieren und über den Umfang des Hochofens verteilt sind. Sie sind außerhalb des Ofenraums angebracht und deshalb jederzeit zugänglich. Das System nutzt das Prinzip der Schallpyrometrie – der von der Temperatur abhängigen Schallausbreitung in gasförmigen Medien. Dabei wird die Laufzeit eines Schallsignals zwischen den Sende- und Empfangseinheiten gemessen. Aus den einzelnen, integralen Laufzeiten ermittelt eine Tomografiesoftware des Systems die Temperaturverteilung in der Messebene. So wird die Temperatur über der Schüttung zweidimensional über den gesamten Ofenraum erfasst.
-
Das System misst die Gastemperatur unbeeinflusst von Strahlungsanteilen in der stark staubbeladenen Hochofenatmosphäre. Abgesehen von der 2D-Analyse weist das System im Vergleich mit herkömmlichen Temperaturmesssystemen eine Vielzahl von Vorteilen auf: Es sind keine Einbauten im Inneren des Hochofens erforderlich. Da die Sende- und Empfangseinheiten auf Stutzen außerhalb des Ofenraums montiert werden und lediglich eine Bohrung in der Ausmauerung erforderlich ist, ist die Wartung des Systems auch bei laufendem Ofenbetrieb möglich.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Dichtungseinrichtung
- 2
- Membran
- 3
- Stützelement
- 4
- frei
- 5a
- elektroakustische Schallerzeugereinrichtung/Lautsprecher
- 5b, 5c
- Schallempfängereinrichtung/Mikrofon
- 5d
- pneumatische Schallerzeugereinrichtung
- 6
- Schallrohr
- 6a
- konischer Abschnitt
- 6b
- zylindrischer Abschnitt
- 7
- Kugelhahn
- 8
- Flansch
- 9
- Distanzelement
- 10
- Dichtungsring
- 11
- seitliche Öffnung
- 12
- Gehäuse
- 12a
- 1. Gehäuseteil
- 12b
- 2. Gehäuseteil
- 12c
- Deckel
- 12d
- Öffnung
- 13
- Flansch
- 14
- frei
- 15
- Reinigungseinrichtung
- 16
- Messraum
- 100
- Alternative Membranposition nur für das Mikrofon an Position 5c
