DE102018104327B4

DE102018104327B4 - Kalorimeter

Info

Publication number: DE102018104327B4
Application number: DE102018104327.9A
Authority: DE
Inventors: Alf-Bernd Ambs
Original assignee: IKA Werke GmbH and Co KG
Current assignee: IKA Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2021-11-04
Anticipated expiration: 2038-02-27
Also published as: CN111788466A; EP3759447A1; US20210109048A1; WO2019162512A1; DE102018104327A1

Abstract

Kalorimeter (1) zur Bestimmung des Brennwerts einer Probe (4), wobei das Kalorimeter (1) einen Druckbehälter (2) und ein in dem Druckbehälter (2) angeordnetes Aufschlussbehältnis (3) zur Aufnahme der Probe (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalorimeter (1) wenigstens einen Dehnungsmessstreifen (8) aufweist, der zumindest mittelbar an dem Druckbehälter (2) angeordnet ist und mit dem eine druckbedingte Verformung des Druckbehälters (2) bestimmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kalorimeter zur Bestimmung des Brennwerts einer Probe, wobei das Kalorimeter einen Druckbehälter und ein in dem Druckbehälter angeordnetes Aufschlussbehältnis zur Aufnahme der Probe aufweist.
Derartige Kalorimeter sind aus dem Stand der Technik, zum Beispiel aus der DE 10 2007 057 463 B3 , und der Praxis in unterschiedlichen Ausführungsformen vorbekannt. Kalorimeter werden dazu benutzt, den Brennwert einer Probe zu bestimmen. Dabei wird in an sich bekannter Weise eine Probe mittels einer Zündvorrichtung des Kalorimeters innerhalb des Aufschlussbehältnisses gezündet. Hierfür wird zunächst die Probe in das Aufschlussbehältnis gegeben und dann eine Sauerstoffatmosphäre innerhalb des Aufschlussbehältnisses erzeugt. Durch Aktivierung der Zündvorrichtung wird die Probe anschließend innerhalb des Aufschlussbehältnisses verbrannt.
Die dabei entstehende Wärme wird über das Aufschlussbehältnis an eine Flüssigkeit, in der Regel Wasser, abgegeben, mit der der Druckbehälter befüllt ist und die das Aufschlussbehältnis umgibt.
In Kenntnis der Flüssigkeitsmenge, der Wärmekapazität und der Temperatur, die die Flüssigkeit im Druckbehälter durch das Verbrennen der Probe in dem Aufschlussbehältnis erhält, kann der Brennwert der Probe ermittelt werden.
Um ein Versagen der Druckbehälter zu vermeiden, werden die Druckbehälter in der Regel nach einer bestimmten Anzahl kalorimetrischer Messvorgänge geprüft und gegebenenfalls ausgetauscht, zum Beispiel falls Beschädigungen festgestellt werden sollten. So gibt es zum Beispiel Kalorimeter, bei denen die Druckbehälter nach eintausend kalorimetrischen Messvorgängen aus Sicherheitsgründen überprüft und gegebenenfalls ausgetauscht werden müssen. Dies kann die Handhabung der Kalorimeter negativ beeinflussen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kalorimeter der eingangs beschriebenen Art bereit zu stellen, dessen Handhabung vereinfacht ist und das eine bedarfsgerechte Prüfung und gegebenenfalls einen bedarfsgerechten Austausch des Druckbehälters erlaubt.
Diese Aufgabe wird bei einem Kalorimeter der eingangs genannten Art durch die Mittel und Merkmale des unabhängigen, auf ein solches Kalorimeter gerichteten Anspruchs gelöst. Insbesondere wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, dass das Kalorimeter einen Dehnungsmessstreifen aufweist, der zumindest mittelbar an dem Druckbehälter angeordnet ist und mit dem eine druckbedingte Verformung des Druckbehälters bestimmbar ist. Vorzugsweise kann mit dem wenigstens einen Dehnungsmessstreifen neben einer druckbedingten Verformung des Druckbehälters zumindest mittelbar oder indirekt auch ein innerhalb des Druckbehälters anliegender Druck bestimmt werden.
Auf diese Weise kann der Druckbehälter während einer kalorimetrischen Messung überwacht werden. Aufgrund einer druckbedingten Verformung des Druckbehälters kann zumindest mittelbar auf den in dem Druckbehälter anliegenden Druck rückgeschlossen werden. Sobald ein maximal zulässiger Druck in dem Behälter und/oder eine maximal zulässige Verformung des Behälters überschritten wurde, bei denen eine Beschädigung des Druckbehälters zu befürchten ist, kann festgestellt werden, dass eine weitere Verwendung des Druckbehälters an dem Kalorimeter unzulässig ist und eine Prüfung und gegebenenfalls ein Austausch des Druckbehälters erforderlich sind.
Gerade in diesem Zusammenhang kann es sinnvoll sein, wenn das Kalorimeter eine Abschaltvorrichtung aufweist, die eine Benutzung und/oder Weiterverwendung des Kalorimeters und insbesondere des Druckbehälters bei, insbesondere mit dem wenigstens einen Dehnungsmessstreifen, festgestellter Überlastung des Druckbehälters und/oder bei Überschreiten eines Druckgrenzwertes und/oder bei festgestellter unzulässiger Verformung des Druckbehälters verhindert. Diese Abschaltvorrichtung kann mit dem zumindest einen Dehnungsmessstreifen verbunden sein und in Abhängigkeit eines entsprechenden Signals des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens ein Sperrsignal ausgeben, das zum Beispiel eine weitere Zündung einer Zündvorrichtung des Kalorimeters unterbindet. Die Abschaltvorrichtung kann Teil einer Steuereinheit des Kalorimeters oder mit einer Steuereinheit des Kalorimeters signaltechnisch verbunden sein.
Sobald ein Druckbehälter erkannt wird, der aufgrund eines zu hohen Druckes oder aufgrund einer unzulässigen Verformung überlastet wurde, ist es möglich, einen weiteren Betrieb des Kalorimeters mit dem überlasteten Druckbehälter mithilfe der Abschaltvorrichtung und/oder der Steuereinheit des Kalorimeters zu verhindern.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Kalorimeters besteht darin, dass mit Hilfe des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens ohne großen Aufwand auch eine plastische Verformung des Druckbehälters festgestellt werden kann. Sobald eine plastische Verformung eines Druckbehälters mithilfe des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens festgestellt wird, kann festgelegt werden, dass der plastisch verformte Druckbehälter für eine weitere Verwendung in weiteren kalorimetrischen Messungen nicht mehr geeignet ist. Zuvor sollte ein plastisch verformter Druckbehälter zunächst zumindest auf seine weitere Belastbarkeit hin überprüft und gegebenenfalls sogar ausgetauscht werden.
Insgesamt bietet das erfindungsgemäße Kalorimeter damit die Möglichkeit, die Prüfung und gegebenenfalls den Austausch von Druckbehältern bedarfsgerecht durchzuführen, und nicht bereits nach einer bestimmten Anzahl kalorimetrischer Messvorgänge, obwohl eine tatsächliche Überlastung des Druckbehälters noch gar nicht stattgefunden hat.
Hierbei hat das erfindungsgemäße Kalorimeter aufgrund des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens den Vorteil, dass noch nicht einmal ein konkreter Druckgrenzwert, der nicht überschritten werden darf, vorgegeben werden muss. Sobald eine unzulässige Verformung, zum Beispiel eine plastische Verformung des Druckbehälters mithilfe des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens festgestellt wurde, sollte der Druckbehälter geprüft und gegebenenfalls ausgetauscht werden.
Hierbei kann eine, beispielsweise die bereits zuvor erwähnte, Abschaltvorrichtung und/oder eine Steuereinheit des Kalorimeters einen weiteren Betrieb des Kalorimeters mit dem unzulässig oder auch bleibend verformten Druckbehälter unterbinden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der zur Druckbestimmung verwendete wenigstens eine Dehnungsmessstreifen an einer dem Aufschlussbehältnis abgewandten Außenseite des Druckbehälters angeordnet sein. Auf diese Weise kommt der Dehnungsmessstreifen nicht direkt mit der in dem Druckbehälter bei Betrieb des Kalorimeters eingefüllten Flüssigkeit in Kontakt und muss so auch nicht in besonderem Maße vor Flüssigkeitseinwirkung geschützt sein.
Der zur Bestimmung einer Verformung des Druckbehälter und zumindest zur mittelbaren Druckbestimmung verwendete wenigstens eine Dehnungsmessstreifen kann vorzugsweise direkt an dem Druckbehälter angeordnet sein. So lässt sich eine druckbedingte Verformung des Druckbehälters besonders einfach und zuverlässig auf den wenigstens einen Dehnungsmessstreifen übertragen. Es ist aber auch möglich, dass der Dehnungsmessstreifen nicht unmittelbar an dem Druckbehälter angeordnet ist, sondern vielmehr an einer Halterung, die mit dem Druckbehälter derart verbunden ist, dass eine mechanische Belastung der Halterung, die durch eine mechanische und druckbedingte Belastung des Druckbehälters verursacht wird, auch auf den wenigstens einen zur Druckbestimmung verwendeten Dehnungsmessstreifen übertragen werden kann. Eine solche Halterung kann zum Beispiel eine Halteplatte sein.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der wenigstens eine Dehnungsmessstreifen an einer Stelle an dem Druckbehälter angeordnet ist, an dem die bevorzugt eine druckbedingte Belastung und/oder Verformung erfährt. Besonders gut geschützt kann der wenigstens eine Dehnungsmessstreifen jedoch an einer äußeren Unterseite des Druckbehälters angeordnet sein. Hier kann er möglichst nah an zum Beispiel einer Steuereinheit und/oder einer Abschaltvorrichtung des Kalorimeters angeordnet sein. Zudem ist es möglich, den wenigstens einen Dehnungsmessstreifen an der Unterseite des Druckbehälters in einem Gehäuse des Kalorimeters, das auch die Unterseite des Druckbehälters umgeben kann, unterzubringen. So kann der wenigstens eine Dehnungsmessstreifen gut geschützt vor äußeren Einflüssen sein, was das Risiko seiner Beschädigung minimieren kann.
Das Kalorimeter kann ferner eine Messschaltung aufweisen, die zur Kompensation eines Temperaturfehlers des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens eingerichtet ist, der zur Bestimmung einer Verformung des Druckbehälters und zur mittelbaren Druckbestimmung verwendet wird. Durch eine Erwärmung des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens, die bei einer kalorimetrischen Messung auftreten kann, kann der wenigstens eine Dehnungsmessstreifen einem Temperaturfehler unterliegen, der eine korrekte Bestimmung der Verformung des Druckbehälters und/oder des Drucks im Inneren des Druckbehälters verfälschen kann. Diese Messschaltung zur Temperaturkompensation kann als Wheatstone'sche Brückenschaltung ausgebildet sein. Die Messschaltung kann außer dem wenigstens einen zur Bestimmung der Verformung des Druckbehälters und zur zumindest mittelbaren Druckbestimmung verwendeten Dehnungsmessstreifen wenigstens einen weiteren Dehnungsmessstreifens aufweisen. Dieser wenigstens eine weitere Dehnungsmessstreifen kann als Temperaturkompensations-Dehnungsmessstreifen bezeichnet werden.
Dabei ist der wenigstens eine Temperaturkompensations-Dehnungsmessstreifen vorzugsweise derart mit dem Druckbehälter verbunden, dass eine Wärmeübertragung von dem Druckbehälter auf diesen wenigstens einen Temperaturkompensations-Dehnungsmessstreifen erfolgt, ohne dass der wenigstens eine Temperaturkompensations-Dehnungsmessstreifen eine druckbedingte Belastung und/oder Längenänderung aufgrund seines Kontaktes zu dem Druckbehälter erfährt.
Die Messschaltung kann derart ausgebildet sein, dass sie aufgrund der Anordnung der insgesamt wenigstens zwei Dehnungsmessstreifen in der Messschaltung als Messergebnis einen Wert ausgibt, der lediglich den Druck im Inneren des Druckbehälters und/oder eine mit diesem Druck einhergehende Verformung des Druckbehälters repräsentiert.
Besonders einfach lässt sich die zuvor erwähnte Messschaltung verwirklichen, wenn der zur Bestimmung der Verformung des Druckbehälters und/oder zur Druckbestimmung verwendete wenigstens eine Dehnungsmessstreifen und der wenigstens eine zweite Dehnungsmessstreifen oder Temperaturkompensations-Dehnungsmessstreifen der Messschaltung identische Dehnungsmessstreifen sind.
Neben der mechanischen Belastung, die durch die Druckänderung im Inneren des Druckbehälters hervorgerufen wird und die auf den zur Bestimmung der Verformung des Druckbehälters und/oder zur Druckbestimmung vorgesehenen wenigstens einen Dehnungsmessstreifen wirkt, unterliegt dieser erste Dehnungsmessstreifen aufgrund seiner zwangsweise auftretenden Erwärmung einem Temperaturfehler, der auch als temperaturbedingte Drift des Dehnungsmessstreifens bezeichnet werden kann. Dieser Temperaturfehler kann in einer temperaturbedingten Änderung eines elektrischen Widerstandes und/oder einer Länge des Dehnungsmessstreifens begründet sein. Dies insbesondere dann, wenn der Dehnungsmessstreifen ein elektrischer oder elektronischer Dehnungsmessstreifen ist. Grundsätzlich ist auch die Verwendung von optischen Dehnungsmessstreifen als wenigstens ein Dehnungsmessstreifens zur Bestimmung einer Verformung des Druckbehälters und/oder zur Druckbestimmung denkbar.
Über den wenigstens einen zweiten zur Temperaturkompensation verwendeten und vorzugsweise identischen Dehnungsmessstreifen, der zwar in Wärmeübertragungskontakt mit dem Druckbehälter steht, nicht jedoch so an dem Druckbehälter angeordnet ist, dass auch mechanische Belastung bei Anstieg des Drucks innerhalb des Druckbehälters auf den zweiten Dehnungsmessstreifen übertragen wird, kann der Temperaturfehler des von dem ersten Dehnungsmessstreifen ermittelten Messwerts kompensiert werden. Dies ist besonders einfach möglich, wenn die insgesamt wenigstens zwei Dehnungsmessstreifen identische Dehnungsmessstreifen sind.
Die Messschaltung kann als Brückenschaltung ausgebildet sein, in die beide Dehnungsmessstreifen integriert sind. Vorzugsweise ist die Messschaltung so ausgebildet, dass die Kompensation des Temperaturfehlers des wenigstens einen zur Druckbestimmung vorgesehenen Dehnungsmessstreifens automatisch erfolgt und ein von der Messschaltung ausgegebener Messwert direkt auf die mechanische Belastung des Druckbehälters und den Druck im Inneren des Druckbehälters rückschließen lässt.
Um eine Wärmeübertragung auf den wenigstens einen zweiten Dehnungsmessstreifen oder Temperaturkompensations-Dehnungsmessstreifen sicherzustellen, kann es besonders vorteilhaft sein, wenn das Druckbehältnis aus einem besonders wärmeleitfähigem Material, beispielsweise aus Aluminium besteht.
Zur Bestimmung der von der Probe bei Ihrer Verbrennung abgegebenen Wärmemenge kann das Kalorimeter im Inneren des Druckbehälters wenigstens einen Temperatursensor aufweisen.
Ferner ist es möglich, dass das Kalorimeter eine Steuereinheit aufweist. Diese Steuereinheit kann mit der bereits zuvor erwähnten Abschaltvorrichtung signaltechnisch verbunden sein und/oder eine solche aufweisen. Die Steuereinheit kann so ausgebildet sein, dass sie einen Betrieb des Kalorimeters bei einer mit dem wenigstens einen Dehnungsmessstreifen und/oder mit der Messschaltung detektierten unzulässigen, zum Beispiel plastischen, Verformung des Druckbehälters unterbindet.
Zur Befüllung des Druckbehälters mit Flüssigkeit, insbesondere mit Wasser, kann der Druckbehälter einen Zulauf aufweisen. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn der Druckbehälter außerdem einen Überlauf aufweist, in dem ein Flüssigkeitssensor angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Druckbehälter über den Zulauf mit Flüssigkeit zu füllen. Dies geschieht zumindest solange, bis der Flüssigkeitssensor im Überlauf des Druckbehälters mit Flüssigkeit in Kontakt kommt. Sobald der Flüssigkeitssensor im Überlauf des Druckbehälters Flüssigkeit detektiert, kann eine vollständigen Füllung des Druckbehälters mit Flüssigkeit angenommen werden.
Eine vollständige Befüllung des Druckbehälters mit Flüssigkeit ist einerseits für eine genaue kalorimetrische Messung und andererseits aus Sicherheitsgründen vorteilhaft. Befindet sich eine Restmenge an Luft oder Gas im Inneren des Druckbehälters, befindet sich weniger Flüssigkeit im Druckbehälter als bei einem vollständig gefüllten Druckbehälter. Die geringere Menge an Flüssigkeit in dem nur teilbefüllten Druckbehälter hat insgesamt eine geringere Wärmekapazität. Wird dies bei der kalorimetrischen Messung nicht berücksichtigt, kann eine genaue Bestimmung des Brennwerts der im Aufschlussbehältnis verbrannten Probe nicht erfolgen.
Aufgrund des bei einer kalorimetrischen Messung möglichen Druckanstiegs im Inneren des Druckbehälters und einer Komprimierbarkeit von Luft im Druckbehälter kann es zudem beim Entleeren des Druckbehälters zu Druckschlägen kommen. Diese können einerseits eine komfortable Handhabung des Kalorimeters beeinträchtigen und andererseits auch ein Sicherheitsrisiko darstellen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Kalorimeter eine Informationsausgabevorrichtung, insbesondere eine Anzeigevorrichtung, aufweist, über die Informationen bezüglich einer kalorimetrischen Messung und/oder eines Zustands des Kalorimeters, insbesondere seines Druckbehälters, ausgegeben werden können. Über diese Informationsausgabevorrichtung können zum Beispiel akustische und/oder visuelle Informationen bezüglich eines mit dem wenigstens einen Dehnungsmessstreifen und/oder mit der Messschaltung bestimmten Druckwertes, eines Temperaturwerts der Flüssigkeit im Druckbehälter, einer Verformung des Druckbehälters, einer ordnungsgemäßen Befüllung des Druckbehälters des Kalorimeters und/oder eines ermittelten Brennwerts einer Probe angezeigt werden.
Ein besonderer Aspekt bei der Verwendung eines Dehnungsmessstreifens als mittelbarer Drucksensor an dem Druckbehälter kann darin gesehen werden, dass bei einer plastischen Verformung des Druckbehälters, also bei einer Verformung, die bei Abbau des Druckes verbleibt, der Dehnungsmessstreifen aufgrund seiner mit der plastischen Verformung einhergehenden mechanischen Belastung weiterhin ein entsprechendes Signal ausgibt.
Insofern muss kein Druckgrenzwert bestimmt werden, bei dessen Überschreiten ein Austausch oder zumindest eine Überprüfung des Druckbehälters notwendig wäre. Vielmehr können gegebenenfalls auch zeitweilige Druckmaxima toleriert werden, die einen potentiellen Grenzwert zwar überschreiten, aber noch nicht zu einer plastischen Verformung des Druckbehälters führen. Insofern erlaubt das erfindungsgemäße Kalorimeter im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik und der Praxis vorbekannten Kalorimetern eine tatsächlich bedarfsgerechte Prüfung und gegebenenfalls auch einen bedarfsgerechten Austausch des Druckbehälters, für den Fall dass dieser aufgrund eines Druckanstiegs bei einer kalorimetrischen Messung überlastet wurde.
Die Verwendung des wenigstens einen zur Druckbestimmung vorgesehenen Dehnungsmessstreifens an dem Druckbehälter hat im Zusammenspiel mit dem Temperatursensor des Kalorimeters einen weiteren Vorteil. Durch Zündung und Verbrennen der Probe im Inneren des Aufschlussbehältnisses wird ein Druckanstieg im Inneren des Druckbehälters verursacht. Bei ordnungsgemäß funktionierendem Kalorimeter, also insbesondere dann, wenn ein Rührantrieb des Kalorimeters ordnungsgemäß funktioniert, ist kurz nach dem Druckanstieg auch mit einem Anstieg der Temperatur der Flüssigkeit im Inneren des Druckbehälters zu rechnen. Der Druckanstieg und damit die erfolgte Zündung der Probe kann jedenfalls mit Hilfe des wenigstens einen zur Druckbestimmung vorgesehenen Dehnungsmessstreifens an dem Druckbehälter detektiert werden. Erfolgt nun nach einer bestimmten Zeit kein Temperaturanstieg im Inneren des Druckbehälters, kann dies auf eine Fehlfunktion oder Fehlbedienung des Kalorimeters und hier insbesondere einer Umwälzvorrichtung des Kalorimeters, die einen Rührantrieb oder Magnetrührer mit einem Rührmagneten umfassen kann, hinweisen.
Erfolgt die Umwälzung der Flüssigkeit im Inneren des Druckbehälters nicht ordnungsgemäß, stellt sich an dem Temperatursensor ein Temperaturanstieg nur verspätet oder überhaupt nicht ein, obwohl mit Hilfe des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens, der zur Druckbestimmung verwendet wird, die Zündung zweifelsfrei nachgewiesen werden konnte.
Das erfindungsgemäße Kalorimeter hat einen weiteren Vorteil: Oftmals ist das Aufschlussbehältnis nur lose verschlossen, beispielsweise durch eine hülsenartige Haube, die auf eine Grundplatte des Aufschlussbehältnisses aufgesetzt wird. Ist das Aufschlussbehältnis nicht ordnungsgemäß verschlossen, kann ein Teil der in das Aufschlussbehältnis vor Zünden der Probe eingeleiteten Sauerstoffatmosphäre aus dem Aufschlussbehältnis in den Druckbehälter gelangen. Dies kann zu einem Druckanstieg führen. Vor Verbrennung der Probe kann das Aufschlussbehältnis unter Überdruck mit der Sauerstoffatmosphäre befüllt werden, zum Beispiel mit einem Druck von 30 × 10⁵ Pa. Tritt nun ein Teil der Sauerstoffatmosphäre aus dem Aufschlussbehältnis in den Druckbehälter aus, kann dieses Austreten mit Hilfe des Dehnungsmessstreifens zumindest mittelbar bestimmt werden. Nach erfolgter kalorimetrischer Messung wird der im Aufschlussbehältnis noch anliegende Überdruck durch Ausleiten der in dem Aufschlussbehältnis enthaltenen Atmosphäre auf Umgebungsdruck entspannt. Kann mit Hilfe des Dehnungsmessstreifens an dem Druckbehälter nach Ablassen des Überdrucks aus dem Aufschlussbehältnis noch ein Druck festgestellt werden, der über dem Umgebungsdruck liegt, ist zu befürchten, dass zuvor ein Teil der Sauerstoffatmosphäre aus dem Aufschlussbehältnis in den Druckbehälter gelangt ist. In Abhängigkeit davon, wie hoch dieser ermittelte Überdruck dann noch ist, sollte der Druckbehälter des Kalorimeters nicht von einem Bediener selbst, sondern nur vom beauftragten Servicepartner geöffnet werden.
Der Kernaspekt des erfindungsgemäßen Kalorimeters lässt sich wie folgt zusammenfassen: Die Erfindung befasst sich mit Verbesserungen auf dem technischen Gebiet der Kalorimetrie. Hierbei wird das erfindungsgemäße Kalorimeter vorgeschlagen, das den Druckbehälter aufweist, der mit wenigstens einem Dehnungsmessstreifen versehen ist. Dies mit dem Ziel, eine Verformung des Druckbehälters bei der Durchführung von kalorimetrischen Messungen zu bestimmen. Dies ermöglicht eine Belastung des Druckbehälters zu überwachen und außerdem zumindest mittelbar auf einen in dem Druckbehälter anliegenden Innendruck rückzuschließen.
Anhand der Zeichnung ist nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt stark schematisiert eine geschnittene Darstellung eines Kalorimeters mit einem zweiteiligen Druckbehälter und einem darin angeordneten Aufschlussbehältnis, in dem eine Probe unter Sauerstoffatmosphäre verbrannt werden kann.
Die 1 zeigt ein im Ganzen mit 1 bezeichnetes Kalorimeter zur Bestimmung des Brennwerts einer Probe 4. Das Kalorimeter 1 weist einen Druckbehälter 2 und ein in dem Druckbehälter 2 angeordnetes Aufschlussbehältnis 3 auf. Das Aufschlussbehältnis 3 dient zur Aufnahme der zu verbrennenden Probe 4.
Zum Verbrennen der Probe 4 wird das Aufschlussbehältnis 3 mit Sauerstoff befüllt, der in dem Aufschlussbehältnis 3 eine Sauerstoffatmosphäre 6 bildet. Diese Sauerstoffatmosphäre 6 kann im Verhältnis zum Umgebungsdruck einen Überdruck von zum Beispiel 30 bar aufweisen. Anschließend wird die Probe 4 mit Hilfe der Zündvorrichtung 5 entzündet. Die dabei entstehende Wärme wird über das Aufschlussbehältnis 3 an eine Flüssigkeit, nämlich an ein Wasserbad 7, im Inneren des Druckbehälters 2 angegeben. Eine Erwärmung des Wasserbads 7 wird gemessen und daraus der Brennwert der Probe 4 bestimmt.
Das Kalorimeter 1 weist einen Dehnungsmessstreifen 8 auf, der an dem Druckbehälter 2 angeordnet ist und mit dem eine druckbedingte Verformung des Druckbehälters 2 und damit indirekt ein innerhalb des Druckbehälters 2 anliegender Druck bestimmt werden können.
Die Figur zeigt deutlich, dass der Dehnungsmessstreifen 8 an einer Außenseite 9 des Druckbehälters 2 angeordnet ist. Die Außenseite 9 des Druckbehälters 2 ist dabei diejenige Seite des Druckbehälters 2, die dem Aufschlussbehältnis 3 im Inneren des Druckbehälters 2 abgewandt ist. Der Dehnungsmessstreifen 8 ist so direkt an der Außenseite 9 des Druckbehälters 2 und im vorliegenden Ausführungsbeispiel zudem an einem unteren Teil 2a des Druckbehälters 2 angeordnet, dass eine druckbedingte Formänderung des Druckbehälters 2 unmittelbar und direkt auf den Dehnungsmessstreifen 8 übertragen werden kann. Das untere Teil 2a des Druckbehälters 2 ist über einen Flansch 2b mit einem oberen Teil 2c des Druckbehälters 2 druckdicht verbunden.
An einer Unterseite des unteren Teils 2a des Druckbehälters 2 ist der Dehnungsmessstreifen 8 gut geschützt und innerhalb eines nur stark schematisiert angedeuteten Gehäuses 1a des Kalorimeters 1 angeordnet.
Das Kalorimeter 1 weist eine Messschaltung 10 auf, die Teil eines Druckmesssystems ist. Mit Hilfe der Messschaltung 10 kann ein Temperaturfehler des zur Bestimmung einer Formänderung des Druckbehälters 2 und damit zur Druckbestimmung verwendeten Dehnungsmessstreifens 8 kompensiert werden.
Die Messschaltung 10 umfasst den zur Druckbestimmung vorgesehenen Dehnungsmessstreifen 8 und einen zweiten Dehnungsmessstreifen 11, der einer Kompensation des Temperaturfehlers dient und daher auch als Temperaturkompensations-Dehnungsmessstreifen 11 bezeichnet werden kann. Der zweite Dehnungsmessstreifen 11 ist dabei derart mit dem Druckbehälter 2 verbunden, dass eine Wärmeübertragung von dem Druckbehälter 2 auf diesen zweiten Dehnungsmessstreifen 11 erfolgt, ohne dass der zweite Dehnungsmessstreifen 11 eine druckbedingte Belastung und/oder Längenänderung erfährt.
Die Messschaltung 10 ist zur Ausgabe eines Messwerts eingerichtet, der den Druck im Druckbehälter 2 repräsentiert. Die beiden Dehnungsmessstreifen 8 und 11 sind identische Dehnungsmessstreifen, sodass die wärmebedingte Änderung der Eigenschaften des Dehnungsmessstreifens 8 und eine potenziell damit verbundene Verfälschung des von ihm ermittelten Druckmesswertes durch den identisch reagierenden Dehnungsmessstreifen 11 und seine isoliert betrachtete wärmebedingte Veränderung besonders einfach kompensiert werden können.
Um eine Übertragung der Temperatur von dem Druckbehälter 2 auf den zweiten Dehnungsmessstreifen 11 zu gewährleisten, ist der Druckbehälter 2 aus einem gut wärmeleitfähigen Material, z.B. aus Aluminium hergestellt. Ziel bei der Gestaltung des Druckbehälters 2 ist es, dass die beiden zwangsweise an unterschiedlichen Stellen angeordneten Dehnungsmessstreifen 8 und 11 der Messschaltung 10 in gleicher Weise erwärmt werden. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Druckbehälter 2 aus dem gut wärmeleitfähigen Material, z.B. aus Aluminium besteht. So kann eine homogene Erwärmung der beiden unterschiedlichen Stellen, an denen die beiden Dehnungsmessstreifen 8 und 11 angeordnet sind, erzielt werden. Dies kann eine Genauigkeit der Temperaturkompensation bei der Bestimmung der Verformung des Druckbehälters 2 und/oder bei der Druckbestimmung des im Druckbehälters 2 anliegenden Druckes unter Verwendung des Dehnungsmessstreifens 8 begünstigen.
Darüber hinaus weist das Kalorimeter 1 einen innerhalb des Druckbehälters 2 angeordneten Temperatursensor 14 auf. Mit Hilfe dieses Temperatursensors 14 können die Erwärmung des Wasserbades 7 innerhalb des Druckbehälters 2 bei Verbrennen der Probe 4 gemessen und die kalorimetrische Messung durchgeführt werden.
Die Messschaltung 10 des Kalorimeters 1 kann derart mit einer Steuereinheit 18 des Kalorimeters 1 verbunden sein, dass die Steuereinheit 18 einen Betrieb des Kalorimeters 1 bei einer mit dem wenigstens einen Dehnungsmessstreifen 8 und/oder mit der Messschaltung 10 detektierten plastischen Verformung des Druckbehälters 2 unterbindet. Zu diesem Zweck umfasst die Steuereinheit 18 eine Abschaltvorrichtung 18a, die das Kalorimeter 1 bei detektierter Überlastung des Druckbehälters 2 deaktiviert und eine weitere Verwendung des Kalorimeters 1 mit demselben Druckbehälter 2 unterbindet.
Der Druckbehälter 2 des Kalorimeters 1 weist einen Zulauf 12 auf. Über diesen Zulauf 12 wird der Druckbehälter 2 mit Flüssigkeit, hier mit dem Wasserbad 7 befüllt. Über einen Überlauf 13, der an dem Zulauf 12 gegenüberliegenden oberen Ende des Druckbehälters 2 vorgesehen ist, kann die in den Druckbehälter 2 eingefüllte Flüssigkeit bei vollständiger Befüllung des Druckbehälters 2 wieder austreten.
Im Überlauf 13 ist ein Flüssigkeitssensor 13a angeordnet. Im Zulauf 12 ist ein weiterer Flüssigkeitssensor 12a vorgesehen. Mit Hilfe der beiden Flüssigkeitssensoren 12a und 13a kann festgestellt werden, wenn eine Befüllung des Druckbehälters 2 mit Flüssigkeit beginnt. Sobald der im Zulauf 12 angeordnete Flüssigkeitssensor 12a mit Flüssigkeit in Kontakt kommt, gibt er ein entsprechendes Signal aus. Dieses kann z.B. von der bereits zuvor erwähnten Steuereinheit 18 verarbeitet werden. Nach und nach füllt sich dann der Druckbehälter 2 mit Flüssigkeit. Dies wird solange fortgesetzt, bis der im Überlauf 13 des Druckbehälters 2 angeordnete Flüssigkeitssensor 13a mit Flüssigkeit in Kontakt gelangt und ebenfalls ein entsprechendes Signal ausgibt, das von der Steuereinheit 18 des Kalorimeters 1 entsprechend verarbeitet werden kann. Sobald der zweite Flüssigkeitssensor 13a im Überlauf 13 des Druckbehälters 2 mit Flüssigkeit in Kontakt gelangt, kann auf eine ordnungsgemäße und vollständige Befüllung des Kalorimeters 1 mit Flüssigkeit rückgeschlossen werden.
Das Kalorimeter 1 weist ferner eine Informationsausgabevorrichtung 19 auf. Diese kann als optische Anzeigevorrichtung und/oder als akustische Signaleinrichtung ausgebildet sein. Über diese Informationsausgabevorrichtung 19 kann beispielsweise ein mit dem Dehnungsmessstreifen 8 und/oder mit der Messschaltung 10 bestimmter Druckwert, ein Temperaturwert und/oder eine ordnungsgemäße Befüllung des Druckbehälters 2 an einen Benutzer ausgegeben werden. Die Ausgabe weiterer Informationen, die für den Benutzer des Kalorimeters 1 von Interesse sein könnten, ist selbstverständlich ebenfalls möglich.
Über eine Sauerstoffbefüllvorrichtung 15, die hier stark schematisiert nur als Zu- und Ableitung dargestellt ist, kann das Aufschlussbehältnis 3 zur Herstellung der Sauerstoffatmosphäre 6 mit Sauerstoff befüllt werden. Dies geschieht beispielsweise mit einem Druck von 30 × 10⁵ Pa. Sobald der Druckbehälter 2 vollständig mit Flüssigkeit, insbesondere mit Wasser, und das Aufschlussbehältnis 3 mit der Sauerstoffatmosphäre 6 befüllt sind, wird die Probe 4 mit Hilfe der Zündvorrichtung 5 in Brand gesetzt.
Um die von der Probe 4 über das Aufschlussbehältnis 3 an das Wasserbad 7 in dem Druckbehälter 2 abgegebene Wärme möglichst schnell gleichmäßig im Wasserbad und damit im Inneren des Druckbehälters 2 zu verteilen, ist das Kalorimeter 1 mit einer Rührvorrichtung ausgestattet. Diese Rührvorrichtung umfasst einen außerhalb des Druckbehälters 2 vorgesehenen Rührantrieb 17. Ein magnetisch mit dem Rührantrieb 17 gekoppeltes Rührelement 16 ist im Inneren des Druckbehälters 2 angeordnet und sorgt bei Betrieb der Rührvorrichtung 17 für eine entsprechende Umwälzung des Wasserbades 7 und damit für eine möglichst homogene Verteilung der Wärme im Inneren des Druckbehälters 2. Über den Temperatursensor 14 können dann die von der Probe 4 bei ihrer Verbrennung abgegebene Wärme und die damit verbundene Erhöhung der Temperatur des Wasserbads 7 festgestellt und die kalorimetrische Messung durchgeführt werden.
Mit Hilfe der Messschaltung 10 und der beiden Dehnungsmessstreifen 8 und 11 kann zumindest mittelbar ein entsprechender Druckanstieg festgestellt werden, der auf eine ordnungsgemäße Zündung der Probe 4 im Inneren des Aufschlussbehältnis 3 hindeutet. Unterbleibt jedoch ein Temperaturanstieg im Wasserbad 7, der mit Hilfe des Temperatursensors 14 detektiert werden sollte, kann dies darauf hinweisen, dass die Rührvorrichtung 17 nicht ordnungsgemäß funktioniert oder auch dass das magnetisch gekoppelte Rührelement 16 nicht ordnungsgemäß in das Innere des Druckbehälters 2 eingelegt wurde, also die Umwälzung des Wasserbads 7 nicht wie vorgesehen erfolgt.
Kann mit Hilfe des Dehnungsmessstreifens 8 bzw. mit Hilfe der Messschaltung 10 nach Ablassen der Atmosphäre aus dem Aufschlussbehältnis 3 immer noch ein auf den Druckbehälter 2 wirkender Druck festgestellt werden, der größer als der Umgebungsdruck ist, spricht dies ebenfalls für eine Fehlfunktion des Kalorimeters 1. Hier ist es möglich, dass z.B. das Aufschlussbehältnis 3 bei Befüllen mit Sauerstoffatmosphäre 6 über die Sauerstoffbefüllvorrichtung 15 nicht ordnungsgemäß geschlossen war und möglicher Weise Sauerstoff aus dem Ausflussbehältnis 3 in das Innere des Druckbehälters 2 gelangt ist. Ist der in dem Druckbehälter 2 anliegende Druck zu hoch, gibt das Kalorimeter 1 über seine Informationsausgabevorrichtung 19 eine entsprechende Information an einen Benutzer aus, dass ein Öffnen des Druckbehälters 2 aufgrund des noch vorhandenen Überdrucks nicht erfolgen sollte oder darf. Entsprechende Informationen können über die Informationsausgabevorrichtung 19 ausgegeben werden, wenn mit Hilfe der Messschaltung 10 und insbesondere des Dehnungsmessstreifens 8 eine plastische Verformung des Druckbehälters 2 festgestellt werden konnte. Dann sollte der Druckbehälter 2 geprüft und gegebenenfalls ausgetauscht werden.
Die Erfindung befasst sich mit Verbesserungen auf dem technischen Gebiet der Kalorimetrie. Hierbei wird insbesondere ein Kalorimeter 1 vorgeschlagen, das einen Druckbehälter 2 aufweist, der mit wenigstens einem Dehnungsmessstreifen 8 versehen ist. Dies mit dem Ziel, eine Verformung des Druckbehälters 2 bei der Durchführung von kalorimetrischen Messungen zu messen und so zumindest mittelbar auf einen in dem Druckbehälter 2 anliegenden Innendruck rückzuschließen.
Bezugszeichenliste

1: Kalorimeter
1a: Gehäuse von 1
2: Druckbehälter
2a: unteres Teil von 2
2b: Flansch
2c: oberes Teil von 2
3: Ausflussbehältnis
4: Probe
5: Zündvorrichtung
6: Sauerstoffatmosphäre in 3
7: Wasserbad in 2
8: erster Dehnungsmessstreifen
9: Außenseite von 2
10: Messschaltung/Druckmesssystem
11: Temperaturkompensations-Dehnungsmessstreifen
12: Zulauf
12a: Flüssigkeitssensor in 12
13: Überlauf
13a: Flüssigkeitssensor in 13
14: Temperatursensor in 2
15: Sauerstoffbefüllvorrichtung
16: Rührelement
17: Rührantrieb
18: Steuereinheit
18a: Abschaltvorrichtung
19: Informationsausgabevorrichtung

Claims

Kalorimeter (1) zur Bestimmung des Brennwerts einer Probe (4), wobei das Kalorimeter (1) einen Druckbehälter (2) und ein in dem Druckbehälter (2) angeordnetes Aufschlussbehältnis (3) zur Aufnahme der Probe (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalorimeter (1) wenigstens einen Dehnungsmessstreifen (8) aufweist, der zumindest mittelbar an dem Druckbehälter (2) angeordnet ist und mit dem eine druckbedingte Verformung des Druckbehälters (2) bestimmbar ist.
Kalorimeter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalorimeter (1) eine Abschaltvorrichtung (18a) aufweist, die eine Benutzung und/oder Weiterverwendung des Kalorimeters (1), insbesondere des Druckbehälters (2), bei, insbesondere mit dem wenigstens einen Dehnungsmessstreifen (8), festgestellter Überlastung des Druckbehälters (2) und/oder bei Überschreiten eines Druckgrenzwertes und/oder bei festgestellter unzulässiger Verformung des Druckbehälters (2) verhindert.
Kalorimeter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dehnungsmessstreifen (8) an einer dem Aufschlussbehältnis (3) abgewandten Außenseite (9) des Druckbehälters (2) angeordnet ist.
Kalorimeter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dehnungsmessstreifen (8) direkt an dem Druckbehälter (2) angeordnet ist oder dass der Dehnungsmessstreifen (8) an einer an dem Druckbehälter (2) angeordneten Halterung, insbesondere einer Halteplatte angeordnet ist.
Kalorimeter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalorimeter (1) eine Messschaltung (10) aufweist, mit der ein Temperaturfehler des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens (8) kompensierbar ist.
Kalorimeter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (10) den wenigstens einen Dehnungsmessstreifen (8) und wenigstens einen zweiten Dehnungsmessstreifen (11), insbesondere einen Temperaturkompensations-Dehnungsmessstreifen (11), umfasst, wobei der wenigstens eine zweite Dehnungsmessstreifen (11) derart mit dem Druckbehälter (2) verbunden ist, dass eine Wärmeübertragung von dem Druckbehälter (2) auf diesen wenigstens einen zweiten Dehnungsmessstreifen (11) erfolgt, ohne dass der wenigstens eine zweite Dehnungsmessstreifen (11) eine druckbedingte Belastung und/oder Längenänderung erfährt.
Kalorimeter (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (10) zur Ausgabe eines Messwertes eingerichtet ist, der den Druck im Druckbehälter (2) repräsentiert und/oder dass der wenigstens eine Dehnungsmessstreifen (8) und der wenigstens eine zweite Dehnungsmessstreifen (11) identische Dehnungsmessstreifen sind.
Kalorimeter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (2) aus einem gut wärmeleitfähigen Material, insbesondere aus Aluminium besteht.
Kalorimeter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalorimeter (1) wenigstens einen innerhalb des Druckbehälters (2) angeordneten Temperatursensor (14) aufweist.
Kalorimeter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalorimeter (1) eine Steuereinheit (18) aufweist, die einen Betrieb des Kalorimeters (1) bei einer mit dem wenigstens einen Dehnungsmessstreifen (8) und/oder mit der Messschaltung (10) detektierten unzulässigen, insbesondere plastischen, Verformung des Druckbehälters (2) unterbindet.
Kalorimeter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (2) einen Zulauf (12), über den der Druckbehälter (2) mit Flüssigkeit, insbesondere mit Wasser (7), befüllbar ist, und einen Überlauf (13) aufweist, wobei zumindest im Überlauf (13) ein Flüssigkeitssensor (13a) oder im Überlauf (13) und im Zulauf (12) jeweils ein Flüssigkeitssensor (12a,13a) angeordnet ist/sind.
Kalorimeter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalorimeter (1) eine Informationsausgabevorrichtung (19), insbesondere eine Anzeigevorrichtung, aufweist, über die Informationen bezüglich einer kalorimetrischen Messung und/oder eines Zustands des Kalorimeters (1), insbesondere seines Druckbehälters (2), ausgebbar ist.