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Die Erfindung betrifft eine Messsonde zum Messen einer Temperatur in einem flüssigen Medium, insbesondere einer Metallschmelze, einer Schlacke oder dergleichen, aufweisend wenigstens ein zumindest teilweise in das flüssige Medium eintauchbares Sondengehäuse und wenigstens einen in dem Sondengehäuse aufgenommenen Temperatursensor. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Messsystem zum Messen einer Temperatur in einem flüssigen Medium, insbesondere einer Metallschmelze, einer Schlacke oder dergleichen, aufweisend wenigstens eine zumindest teilweise in das flüssige Medium eintauchbare, Funksignale aussendende Messsonde und wenigstens eine abseits des flüssigen Mediums anordbare Empfangseinheit.
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DE 1 648 293 A offenbart eine gattungsgemäße Messsonde in Form eines Wurfkörpers mit einem Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur in einer Metallschmelze. Die Messsonde weist zudem eine Sendeeinrichtung auf, die bei Überschreitung einer vorgegebenen Temperatur ein Funksignal erzeugt und drahtlos aussendet. Die Messsonde wird in die Metallschmelze hineingeworfen und sendet Funksignale aus, solange sie innerhalb der Metallschmelze funktionstüchtig bleibt.
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GB 1 096 499 A offenbart eine Messsonde zum Messen der Temperatur in einer Metallschmelze in einem metallurgischen Gefäß, ohne dass dafür ein Behandlungsprozess der Metallschmelze unterbrochen werden muss. Die Messsonde weist einen Ballastkörper auf, der gewährleistet, dass sich die Messsonde innerhalb der Metallschmelze in der Vertikalen ausrichtet. Außerdem ist die Länge der Messsonde, d. h. insbesondere der Abstand zwischen dem Ballastkörper und dem einem Messkopf eines Temperatursensors der Messsonde so bemessen, dass der Temperatursensor der Messsonde die Temperatur der Metallschmelze auf einem vorbestimmten Level misst, wobei der Level bei vertikaler Ausrichtung der Messsonde in der Metallschmelze dem Abstand zwischen dem Ballastkörper und dem Messkopf entspricht. Die Messsonde kann eine Antriebseinrichtung zum Verändern der Lage bzw. räumlichen Ausrichtung der in die Metallschmelze hineingeworfen Messsonde aufweisen.
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EP 2 538 187 A1 offenbart eine in eine Metallschmelze eintauchbare Vorrichtung zum Messen einer Temperatur in der Metallschmelze. Die Vorrichtung weist eine optische Faser auf, die für ein sicheres und wiederholtes Eintauchen der Vorrichtung in die Metallschmelze geeignet ist. Die Vorrichtung weist eine kombinierte pyrometrische Zweifarben- und Mehrfarben-Detektionstechnik auf, die in der Lage ist, eine zeitlich diskrete Temperaturmessung durchzuführen.
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DE 3 528 813 A1 offenbart einen Pyrometer zur Temperaturmessung, das aus einem allseitig geschlossenen Schutzgefäß, das ein Schutzrohr und einen Anschlusskopf mit Deckel sowie eine im Anschlusskopf vorhandene Öffnung zur Durchführung der Zuleitung, einer optischen Einrichtung, einem Sensor sowie einer Elektronik und im Anschlusskopf angeordneten Anschlussklemmen besteht. Ein von der optischen Einrichtung fokussiertes Strahlenbündel gelangt vom Boden des Schutzrohres auf den Sensor. Ein Teil des Schutzrohrs steht mit dem Messgut im innigen Kontakt.
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Gemäß dem Stand der Technik kann eine Temperaturmessung an metallurgischen Aggregaten, beispielsweise einem Blaskonverter, einem Lichtbogenofen oder dergleichen, mittels Thermoelementen an einer kabelgebundenen Lanze erfolgen. Dafür muss der metallurgische Prozess in der Regel unterbrochen werden und das Aggregat eventuell geschwenkt werden. Üblicherweise wird während eines Prozessschritts nur eine einzelne Temperaturmessung vorgenommen. Durch die zunehmende Digitalisierung (Big Data, maschinelles Lernen, Digitaler Zwilling, etc.) besteht der Bedarf an einer Vielzahl an Messwerten, um Trends, Veränderungen und Optimierungspotential zu erkennen.
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Die herkömmlich zur Durchführung einer berührenden Messmethode eingesetzten Thermoelemente sind für den üblichen Temperaturbereich, der bis ca. 1800 °C reicht, wegen des in den Thermoelementen enthaltenen Platins sehr teuer und weisen je nach Größe auch eine erhebliche Trägheit auf. Die herkömmlich zur Durchführung einer optischen Messmethode eingesetzten Pyrometer brauchen einen optischen Zugang zur jeweiligen Messstelle. Daher kann beispielsweise eine Metallschmelze unterhalb einer Schlacke hinsichtlich ihrer Temperatur nicht vermessen werden. Zudem entstehen Unsicherheiten durch einen unbekannten Emissionsgrad und einen nicht optimalen Blickwinkel. Einfache herkömmliche optische Thermosensoren können zwar hohe Temperaturen messen, weisen aber eine nur sehr geringe Toleranz gegen hohe Temperaturen auf.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Messsystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, das genau und schnell lokale Temperaturen in dem flüssigen Medium messen kann und das wenigstens eine in zumindest teilweise das flüssige Medium eintauchbare und derart kostengünstig herstellbare Messsonde aufweist, dass die Messsonde auch als Einwegprodukt genutzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in der nachfolgenden Beschreibung, den abhängigen Patentansprüchen und der Figur wiedergegeben, wobei diese Ausgestaltungen jeweils für sich genommen oder in verschiedener technisch sinnvoller Kombination von wenigstens zwei dieser Ausgestaltungen miteinander einen weiterbildenden, insbesondere auch bevorzugten oder vorteilhaften, Aspekt der Erfindung darstellen können. Ausgestaltungen der Messsonde können dabei Ausgestaltungen des Messsystems entsprechen, und umgekehrt, selbst wenn im Folgenden hierauf im Einzelfall nicht explizit hingewiesen wird.
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Eine erfindungsgemäße Messsonde zum Messen einer Temperatur in einem flüssigen Medium, insbesondere einer Metallschmelze, einer Schlacke oder dergleichen, weist wenigstens ein zumindest teilweise in das flüssige Medium eintauchbares Sondengehäuse, wenigstens einen in dem Sondengehäuse aufgenommenen Temperatursensor und wenigstens eine an und/oder zumindest teilweise in dem Sondengehäuse angeordnete thermische Isoliereinheit auf, an der auf einer dem Temperatursensor gegenüberliegenden Seite eine Isolierkammer und wenigstens ein den Temperatursensor mit der Isolierkammer verbindender optischer Messkanal ausgebildet sind, wobei die Isolierkammer auf einer dem Temperatursensor gegenüberliegenden Seite zumindest teilweise durch ein in unmittelbaren Kontakt mit dem flüssigen Medium bringbares thermisches Fenster geschlossen ist, wobei der Messkanal auf das thermische Fenster gerichtet ist und wobei der Temperatursensor ein optischer Sensor ist.
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Erfindungsgemäß wird eine Messsonde für ein Messsystem zum Messen einer Temperatur in einem flüssigen Medium, insbesondere einer Metallschmelze, einer Schlacke oder dergleichen, bereitgestellt, die teilweise oder vollständig in das flüssige Medium eingetaucht werden kann. Durch die erfindungsgemäße thermische Abschirmung des optischen Temperatursensors mittels der Isoliereinheit ist die Messsonde sehr temperaturbeständig und somit dauerhaft, wodurch ein robustes Messsystem realisiert werden kann. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines optischen Temperatursensors kann die jeweilige lokale Temperatur in dem flüssigen Medium sehr genau und schnell gemessen werden.
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Die erfindungsgemäße Messsonde ist vorzugsweise insgesamt aus einfachen und kostengünstig herstellbaren Bauteilen, insbesondere Massenbauteilen, gebildet, so dass das Messsystem mit einer großen Anzahl von erfindungsgemäßen Messsonden kostengünstig hergestellt werden kann. Durch diese kostengünstige Herstellung der Messsonde kann die Messsonde insbesondere als Einwegmesssonde eingesetzt werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Messsonde können Temperaturen in schwierigen Umgebungsbedingungen, insbesondere in einer Metallschmelze, Schlacke oder dergleichen gemessen werden. Ziel ist es beispielsweise, mittels der Messsonde in einem Blaskonverter oder einem Lichtbogenofen über den gesamten Prozess Messdaten zu erhalten, optimaler Weise an verschiedenen Positionen innerhalb des flüssigen Mediums. Die erhaltenen Messdaten können dann beispielsweise die Grundlage für maschinelles Lernen oder digitale Zwillinge sein.
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Das Sondengehäuse kann teilweise oder vollständig in das flüssige Medium eintauchbar sein. Das Sondengehäuse kann unter Freilassung des thermischen Fensters auch die Isoliereinheit teilweise aufnehmen. Alternativ kann die Isoliereinheit an dem Sondengehäuse befestigt sein.
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Die Isoliereinheit ist eine thermische Isolierung, die den Temperatursensor einseitig thermisch abschirmt. Das thermische Fenster gelangt in einen unmittelbaren Kontakt mit dem flüssigen Medium. Das thermische Fenster wird hierdurch erwärmt und erzeugt eine Wärmestrahlung, die mittels des optischen Temperatursensors erfassbar ist. Dabei gelangt die Wärmestrahlung von dem thermischen Fenster über die Isolierkammer und den optischen Messkanal zu dem Temperatursensor. Der optische Messkanal kann beispielsweise durch einen rohrförmigen Hohlraum oder durch eine optische Faser gebildet sein. Der optische Messkanal kann derart ausgebildet sein, dass zum einen ein stabiles Messsignal bei hohen Temperaturen im flüssigen Medium möglich ist und zum anderen die auf den Temperatursensor auftreffende Wärmemenge so gering ist, dass die Lebensdauer des Temperatursensors möglichst lang ist.
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Dass der Messkanal auf das thermische Fenster gerichtet ist, bedeutet, dass von dem thermischen Fenster ausgehende Wärmestrahlung ohne die Verwendung weiterer optischer Mittel in den optischen Messkanal eintreten kann. Der Temperatursensor ist vorzugsweise derart angeordnet, dass er die Temperatur an einer definierten Oberfläche des thermischen Fensters misst, während eine dieser Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des thermischen Fensters in direktem Kontakt zum flüssigen Medium steht. Vorzugsweise weist das thermische Fenster eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass das thermische Fenster schnell und genau die Temperatur des in Kontakt mit dem thermischen Fenster stehenden flüssigen Mediums annimmt.
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Die Isolierkammer ist an der dem Temperatursensor abgewandten Seite der Isoliereinheit ausgebildet. Der optische Messkanal verläuft durch einen zwischen dem Temperatursensor und der Isolierkammer angeordneten Abschnitt der Isoliereinheit. Die Isolierkammer kann mit einem Schutzgas, das vorzugsweise eine geringe Dichte aufweist, befüllt sein. Das Schutzgas kann zudem Reaktionen an der dem flüssigen Medium abgewandten Oberfläche des thermischen Fensters verhindern. Alternativ kann die Isolierkammer ein Vakuum enthalten, das unter anderem ebenfalls der thermischen Abschirmung des Temperatursensors dient.
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Ein zeitlicher Versatz und fertigungstechnisch bedingte Abweichungen der gemessenen Temperaturen von den realen Temperaturen lassen sich durch eine Kalibrierung in einer definierten Umgebung rechnerisch aufheben.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das thermische Fenster zumindest teilweise aus Wolfram hergestellt. Wolfram weist eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf, so dass das thermische Fenster schnell die Temperatur des mit dem thermischen Fenster in unmittelbarem Kontakt stehenden flüssigen Mediums annehmen kann. Hierdurch kann eine schnelle und genaue Messung einer lokalen Temperatur in dem flüssigen Medium erfolgen. Zudem weist Wolfram einen hohen Schmelzpunkt auf, was die Messsonde sehr robust macht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine dem Temperatursensor zugewandte Rückseite des thermischen Fensters mattiert. Hierdurch weist die Rückseite des thermischen Fensters eine relativ große Fläche auf, die die Wärmestrahlung abgibt. Die Mattierung der Rückseite des thermischen Fensters kann durch eine raue Rückseite realisiert sein. Die Rückseite des thermischen Fensters kann einen definierten Emissionsgrad aufweisen, beispielsweise einen niedrigen Emissionsgrad von 0,2.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Messsonde wenigstens eine in dem Sondengehäuse aufgenommene, mit dem Temperatursensor verbundene Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, Messignale des Temperatursensors in Sendesignale umzuwandeln, und wenigstens eine in dem Sondengehäuse aufgenommene, mit der Auswerteeinheit verbundene Sendeeinheit auf, die eingerichtet ist, die von der Auswerteeinheit erzeugten Sendesignale als Funksignale auszusenden. Der Temperatursensor kann über wenigstens ein Kabel mit der Auswerteeinheit verbunden sein, um die Messsignale an die Auswerteeinheit übertragen zu können. Alternativ kann der Temperatursensor kabellos mit der Auswerteeinheit verbunden sein. Die Auswerteeinheit kann über wenigstens ein Kabel mit der Sendeeinheit verbunden sein, um die Sendesignale an die Sendeeinheit übertragen zu können. Alternativ kann die Auswerteeinheit kabellos mit der Sendeeinheit verbunden sein. Die Auswerteeinheit kann wenigstens einen Mikrocomputer aufweisen, der zur Auswertung und/oder Verarbeitung der Messsignale eingerichtet ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit eingerichtet, aus den Messsignalen einen Temperaturgradienten zu ermitteln. Der Temperaturgradient kann beispielsweise als bestimmte Kurve mit deutlich niedriger Datenrate als genaues Ergebnis übertragen und von der Sendeeinheit gesendet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Messsystem zum Messen einer Temperatur in einem flüssigen Medium, insbesondere einer Metallschmelze, einer Schlacke oder dergleichen, weist wenigstens eine zumindest teilweise in das flüssige Medium eintauchbare, Funksignale aussendende Messsonde und wenigstens eine abseits des flüssigen Mediums anordbare Empfangseinheit auf, wobei die Messsonde nach einer der oben genannten Ausgestaltungen oder einer Kombination von wenigstens zwei dieser Ausgestaltungen miteinander ausgebildet ist.
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Mit dem Messsystem sind die oben mit Bezug auf die Messsonde genannten Vorteile entsprechend verbunden. Das Messsystem kann zwei oder mehr Messsonden aufweisen, die in das flüssige Medium eintauchbar sind, um lokale Temperaturen des flüssigen Mediums an mehreren Stellen messen zu können. Die Empfangseinheit kann eine Auswerteelektronik aufweisen, um die Funksignale der Messsonde bzw. der Messsonden auswerten zu können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Messsystem wenigstens zwei jeweils zumindest teilweise in das flüssige Medium eintauchbare, jeweils Funksignale aussendende Messsonden und wenigstens eine mit der Empfangseinheit verbundene Datenverarbeitungseinheit auf, die eingerichtet ist, die Funksignale der Messsonden kumulativ auszuwerten. Hierbei können die Temperaturdaten der Messsonden miteinander gekoppelt werden, um eine Auswertung der Messdaten aller Messsonden mit der Datenverarbeitungseinheit realisieren zu können.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Figur anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert, wobei die nachfolgend erläuterten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in unterschiedlicher technisch sinnvoller Kombination miteinander einen vorteilhaften oder weiterbildenden Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt
- 1: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Messsystem.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Messsystem 1 zum Messen einer Temperatur in einem flüssigen Medium 2 in Form einer Metallschmelze, die mit einer Schlacke 3 bedeckt ist.
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Das Messsystem 1 weist eine zumindest teilweise in das flüssige Medium 2 eintauchbare, Funksignale 4 aussendende Messsonde 5 und eine abseits des flüssigen Mediums 2 angeordnete Empfangseinheit 6 auf. Die Funksignale können beispielsweise mit einer Frequenz von 2,4 GHz kabellos an die Empfangseinheit 6 übertragen werden.
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Die Messsonde 5 weist ein zumindest teilweise in das flüssige Medium eintauchbares Sondengehäuse 7 und einen in dem Sondengehäuse 7 aufgenommenen optischen Temperatursensor 8 in Form eines Infrarotsensors auf. Zudem weist die Messsonde 5 eine in dem Sondengehäuse 7 aufgenommene, mit dem Temperatursensor 8 über einen Messumformer 9 verbundene Auswerteeinheit 10 auf, die eingerichtet ist, Messignale des Temperatursensors 8 in Sendesignale umzuwandeln. Darüber hinaus weist die Messsonde 5 eine in dem Sondengehäuse 7 aufgenommene, mit der Auswerteeinheit 10 verbundene Sendeeinheit 11 auf, die eingerichtet ist, die von der Auswerteeinheit 10 erzeugten Sendesignale als Funksignale 4 auszusenden. Die Auswerteeinheit 10 kann eingerichtet sein, aus den Messsignalen des Temperatursensors 8 einen Temperaturgradienten zu ermitteln.
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Die Messsonde 5 weist zudem eine an dem Sondengehäuse 7 angeordnete thermische Isoliereinheit 12 auf, an der auf einer dem Temperatursensor 8 gegenüberliegenden Seite eine Isolierkammer 13 und ein den Temperatursensor 8 mit der Isolierkammer 13 verbindender optischer Messkanal 14 ausgebildet sind.
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Die Isolierkammer 13 ist auf einer dem Temperatursensor 8 gegenüberliegenden Seite durch ein in unmittelbaren Kontakt mit dem flüssigen Medium 2 stehendes thermisches Fenster 15 geschlossen. Der Messkanal 14 ist auf das thermische Fenster 15 gerichtet. Das thermische Fenster 15 ist aus Wolfram hergestellt. Eine dem Temperatursensor 8 zugewandte Rückseite 16 des thermischen Fensters 15 ist mattiert.
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Das Messsystem 1 kann wenigstens zwei jeweils zumindest teilweise in das flüssige Medium 2 eintauchbare, jeweils Funksignale 4 aussendende Messsonden 5 aufweisen, von denen in 1 lediglich eine Messsonde 5 gezeigt ist. Zudem kann das Messsystem 1 eine mit der Empfangseinheit 6 verbundene, nicht gezeigte Datenverarbeitungseinheit aufweisen, die eingerichtet sein kann, die Funksignale 4 der Messsonden 5 kumulativ auszuwerten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messsystem
- 2
- flüssiges Medium
- 3
- Schlacke
- 4
- Funksignal
- 5
- Messsonde
- 6
- Empfangseinheit
- 7
- Sondengehäuse
- 8
- Temperatursensor
- 9
- Messumformer
- 10
- Auswerteeinheit
- 11
- Sendeeinheit
- 12
- Isoliereinheit
- 13
- Isolierkammer
- 14
- Messkanal
- 15
- thermisches Fenster
- 16
- Rückseite von 15
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1648293 A [0002]
- GB 1096499 A [0003]
- EP 2538187 A1 [0004]
- DE 3528813 A1 [0005]
