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Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Messung hoher
Temperaturen flüssiger oder gasförmiger Medien.
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Die ständige Uberwachung von Temperaturen über 10000 C, insbesondere
über 1500"C, in flüssigen oder gasformigen Medien, insbesondere auch strömenden
Medien, durch in das zu messende Medium eingeführte Meßfühler stößt auf große Schwierigkeiten,
da mit zunehmender Temperatur die zum Einsatz kommenden Werkstoffe der Meßfühler
thermisch versagen, weil deren Schmelzpunkte erreicht werden.
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Für Temperaturmessungen an Eisen- und Stahlschmelzen sind Meßvorrichtungen
bekannt, bei denen an der Spitze eines Meßfühlers die Warmlötstelle eines Thermoelementes,
insbesondere eines W-Mo-Thermoelements, angeordnet ist. Das Thermoelement ist -dabei
in einem Schutzrohr eingeschlossen. Um eine Aufheizung des Trägers für den Meßfühler
zu verhindern, wird dieser mit Wasser gekühlt. Um eine exakte Messung zu erhalten,
muß bei diesen bekannten Geräten die Warmlötstelle die Temperatur des zu messenden
Mediums annehmen. Die Standzeit des - Meßfühlers ist dabei gering. Derartige Meßfühler
eignen sich daher nicht für eine kontinuierliche Temperaturüberwachung über längere
Zeiträume.
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Zur kontinuierlichen Messung von hohen Temperaturen sind optische
Temperaturmeßvorrichtungen bekannt. Derartige optische Temperaturmeßvorrichtungen
sind jedoch nur an leicht zugänglichen Meßstellen verwendbar.
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Es sind weiter Meßfühler bekannt, welche bei niedrigeren Temperaturen
als der zu messenden Temperatur arbeiten. Bei diesem Meßverfahren können bei entsprechender
Anordnung Rückschlüsse auf die tatsächliche Temperatur gezogen werden. Diese Verfahren
beruhen z. B. darauf, daß durch kurzzeitiges Eintauchen des Meßfühlers in das zu
messende Medium aus seinem Temperaturanstieg während der Eintauchzeit auf die wirkliche
Temperatur geschlossen wird.
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Bei einem anderen Verfahren wird die Temperatur eines gasförmigen
Mediums dadurch ermittelt, daß eine Probe des Mediums abgesaugt und anschließend
abgekühlt wird. Aus der Abkühlungstemperatur wird dann die Temperatur des zu messenden
Mediums bestimmt.
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Es ist weiter ein kalorimetrisches Verfahren bekannt, bei dem eine
Flüssigkeit, z. B. Wasser, durch ein Röhrchen fließt, welches den zu messenden Temperaturen
ausgesetzt ist. Hierbei läßt der beim Durchfließen durch das Röhrchen entstehende
Temperaturanstieg des Wassers Rückschlüsse auf die zu messende Temperatur zu.
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Die Nachteile dieser Verfahren bestehen darin, daß der technische
Einsatz infolge der sehr speziellen laboratoriumsmäßigen Handhabung aufgroße Schwierigkeiten
stößt. Hinzu kommt, daß die Wärmeleitzahl und die Wärmeübergangszahl variieren und
meistens einen Temperaturgang besitzen, der durch Umwandlungspunkte der Werkstoffe
der Meßfühler zusätzlich kompliziert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen zu schaffen,
welche mit einfachen Mitteln die kontinuierliche Messung hoher Temperaturen ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurchgelöst, daß zwei metallische
Meßkörper mit unterschiedlicher Wärmeleitung, die eine einfache geometrische Form,
insbesondere kreisförmigen Quer-
schnitt, und eine endliche Dicke haben, mit einem
Ende dem zu messenden Medium ausgesetzt und an ihrem anderen Ende gekühlt werden
und daß die Temperaturen an den dem Medium ausgesetzten Enden und den gekühlten
Enden der Meßkörper gemessen werden und die Temperatur des Mediums entsprechend
der allgemeinen Formel Tu'li ~ T1 - T3 1 Trr - T2 - T2 - T4 lt Tu = Temperatur des
zu messenden Mediums, T = Außentemperatur des ersten Meßkörpers, T2 = Außentemperatur
des zweiten Meßkörpers, T3 = Innentemperatur des ersten Meßkörpers, T4 = Innentemperatur
des zweiten Meßkörpers, = = Längendifferenz, lt zur Anzeige gebracht wird.
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Der Unterschied der Wärmeleitung der beiden Meßkörper kann dadurch
bewirkt werden, daß die gekühlten Enden des Meßkörpers auf unterschiedliche Temperaturen
eingestellt werden. Es können auch bei zwei Meßkörpern unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit
die gekühlten Enden auf gleiche Temperaturen eingestellt werden.
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Weiter können mit einem einzigen Meßkörper nacheinander die Temperaturen
des dem Medium ausgesetzten Endes des Meßkörpers bei unterschiedlichen Temperaturen
des gekühlten Endes des Meßkörpers gemessen werden.
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Weiter können- zwei Meßkörper unterschiedlicher Länge aus gleichem
Material mit ihren gekühlten Enden auf die gleiche Temperatur eingestellt werden.
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Ferner können zwei rohrförmige, an dem dem zu messenden Medium ausgesetzten
Ende geschlossene Meßkörper gleicher Länge und aus gleichem Material, aber mit unterschiedlicher
Wanddicke auf ihrer gekühlten Innenseite auf gleiche Temperatur eingestellt und
die Temperaturen auf der äußeren und der inneren Mantelfläche gemessen werden.
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Eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß am Ende eines von einer Kühlflüssigkeit
durchflossenen Rohres ein Meßkörper abgedichtet befestigt ist, der mit einer Bohrung
zur Durchführung eines Thermoelements versehen ist, dessen Meßstelle mit der Außenseite
des Meßkörpers in wärmeleitender Verbindung steht, und daß ein zweites Thermoelement
mit seiner Meßstelle mit dem dem Kühlmedium ausgesetzten Ende des Meßkörpers wärmeleitend
verbunden ist.
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In einer anderen Ausführungsform sind am Ende eines von einer Kühlflüssigkeit
durchflossenen Rohres zwei nebeneinander angeordnete, gegeneinander isolierte Meßkörper
aus gleichem Material, aber unterschiedlicher Länge angeordnet und jeweils das dem
Medium ausgesetzte Ende sowie das gekühlte Ende wenigstens eines der Meßkörper mit
den Meßstellen je eines Thermoelementes wärmeleitend verbunden.
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Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß an dem
Ende eines von einer Kühlflüssigkeit durchflossenen Rohres zwei Meßköpfe aus Material
in unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit angeordnet sind und daß jeweils das dem
Medium ausgesetzte Ende sowie wenigstens das gekühlte Ende
eines
der Meßkörper mit den Meßstellen je eines Thermoelements wärmeleitend verbunden
sind.
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Die Meßköpfe können aus einer das Rohrende abdeckenden Platte vorstehen,
mit der sie wärmeleitend verbunden sind, wobei die Meßstelle je eines Thermoelements
mit den dem Medium ausgesetzten Enden der Meßkörper wärmeleitend verbunden ist und
ein weiteres Thermoelement mit der Außenseite der das Rohr abdeckenden Platte in
wärmeleitender Verbindung steht.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
in vergrößertem Maßstab dargestellt und im nachstehenden im einzelnen an Hand der
Zeichnung beschrieben.
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Die Fig. 1 bis 4 zeigen vier verschiedene Ausführungsformen von Vorrichtungen
zur Durchffihrung der Meßverfahren gemäß der Erfindung.
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In der Ausführungsform nach F i g. 1 ist auf einem Rohr b ein Meßkörper
a abdichtend befestigt der eine endliche Dicke besitzt und beispielsweise einen
Durchmesser von 8 mm und eine Höhe von 6 mm haben kann. Der Meßkörper a ist in der
Mitte mit einer Bohrung versehen, durch die die Zuleitung eines Thermoelements e
hindurchgeführt ist, dessen Meßstelle c mit der Oberseite des Meßkörpers a abdichtend
und wärmeleitend verbunden ist. Mit der Unterseite des Meßkörpers a ist die Meßstelle
d eines weiteren Thermoelements f wärmeleitend verbunden.
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Innerhalb des Rohres ist ein kleineres Rohr g angeordnet, das unterhalb
des Meßkörpers a endet und zur Zuleitung einer Kühlflüssigkeit dient. Durch die
Kühlflüssigkeit wird dem Meßkörper ständig Wärme entzogen und gleichzeitig wird
das Rohr h gekiihlt. Der Meßkörper a und die Meßstelle c nehmen also nie die wahre
Umgebungstemperatur an.
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Auf Grund des Temperaturgefälles über die Höhe des Meßkörpers a kann
jedoch die wahre Umgebungstemperatur ermittelt werden, und zwar auf Grund folgender
Überlegungen: Die vom Gas dem Meßkörper zugeführte Wärmemenge beträgt: Q'1 = a1F'(Tu-T1)ct.
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Hierin bedeutet tr, die Wärmeübergangszahl, F' die Querschnittsfläche
für die durch Konvektion zugeführte Wärme.
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Tu die Temperatur der Umgebung.
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T1 die Außentemperatur des Meßkörpers, c eine Rechnungskonstante,
t die Zeit.
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Zur Erhaltung des Temperaturgleichgewichtes ist es notwendig, daß
diese Wärmemenge auch abgeführt wird. Das kann durch Wärmeleitung und Strahlung
erfolgen, Da bei den vorliegenden Temperaturen die Strahlung zu vernachlässigen
ist, darf man für die abgeleitete Wärmemenge schreiben: F Q1 = #1 (T1-T3) ct. l
Hierin bedeutet #1 die Wärmeleitzahl, Fedie Querschnittsfläche für die Wärmeleitung,
7; die Innentemperatur des Meßkörpers, I die Länge des Wärmeleitweges (= des Meßkörpers).
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Nach dem oben Gesagten muß Q'1=Q1 sein.
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Andert man in einem zweiten Meßvorgang die Temperatur am inneren
Ende des Meßkörpers von T3 auf T4. so wird sich die Temperatur am äußeren Ende von
T1 auf T2 verändern. die entsprechenden Wärmemengen seien mit Q2, und Q2 bezeichnet.
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Auch hier muß Q2, = Q2 sein.
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Man kann daher auch die Quotienten gleichsetzen Q; = Ql Q2 Q2 Auf
Grund der obigen Formeln erhält man dann #1 F/l(T1 - T3)ct a1 F'(Tu-T1) ct = α2F'(Tu-T2)
ct 012 F' (Tu - B2) ct 4 F #2 F/l (T2 - T4) ct bzw. a1(Tu-T1) #1(T1-T3) = . a2(Tu-T2)
#2(T2-T4) Unter Voraussetzung, daß a1 = a2 und #1 = #2 ist, ergibt sich daraus die
Bestimmungsformel für Tu - fiT3 Tu - T2 T2 - T4 Die Bestimmung der Umgebungstemperatur
ist somit eindeutig durch vier am Meßkörper abgegriffene Temperaturen bestimmbar;
da die Temperaturwerte in den Thermoelementen bereits als elektrische Spannungswerte
anfallen, ist es leicht, die Umgebungstemperatur instrumentell ablesbar zu machen.
Die Daten der Meßkörper können beispielsweise in elektriscien Rechenanlagen unmittelbar
weiterverarbeitet werden. Als Ergebnis der elektrischen Verarbeitung kann die gemessene
Temperatur dabei unmittelbar abgelasen werden. Bei diskontinuierlichem Betrieb mit
einem Meßkörper können die gemessenen Temperaturdifferenzen leicht aufgespeichert
und nach Vorliegen beider Temperaturdifferenzen auf einem Anzeigegerät sichtbar
gemacht werden. Bei Verwendung von zwei Meßkörpern nebeneinander, wie in F i g.
4 dargestellt, ist eine kontinuierliche Ablesung der Umgebungstemperatur möglich,
da hier beide Temperaturgefälle gleichzeitig gemessen werden. Die vorstehenden theoretischen
Erörterungen gelten für die Anordnung nach F i g. 4 sinngemäß.
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In der Ausführungsform nach F i g. 2 sind am Ende des Rohres b innerhalb
des Rohres nebeneinander zwei Meßkörper a1 und a2 angebracht, die durch eine Isolierschicht
ii gegeneinander und gegen das Rohr isoliert sind. Die beiden Meßkörper a1 und a2
sind aus gleichem Material, haben aber eine unterschiedliche Länge, so daß bei gleicher
Temperatur des unteren Endes unterschiedliche Temperaturgefälle auftreten. Mit den
dem Medium ausgesetzten Enden der beiden Meßkörper al und a2 sind jeweils die Meßstellen
c1 und c2 zweier Thermoelemente e1 und e2 wärmeleitend verbunden. Ein weiteres Thermoelement
f ist in der dargestellten Ausführungsform mit dem inneren Ende des Meßkörpers a2
mit seiner Meßstellen wärmeleitend verbunden. Da angenommen werden kann, daß auf
Grund der Kühlung die unteren Enden beider Meßkörper die gleiche Temperatur
haben,
genügt eine Meßstelle zum Abgriff der Temperatur des inneren Endes der Meßkörper.
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Es ist aber selbstverständlich möglich, ein weiteres Thermoelement
auch noch am unteren Ende des Meßkörpers al zu befestigen. Auf diese Weise lassen
sich Temperaturdifferenzen feststellen, die dann bei der Messung kompensiert werden
können.
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Statt zweier Meßkörper aus gleichem Material, aber mit unterschiedlicher
Länge könnten bei der Anordnung nach F i g. 2 auch zwei Meßkörpergleicher Länge,
aber aus Material unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.
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Die Herstellung von Meßkörpern unterschiedlicher Länge, aber aus
gleichem Material könnte schließlich dadurch erfolgen, daß in einem das Rohr b abschließenden
Stopfen mittels eines Hohlbohrers Körper unterschiedlicher Länge freigebohrt werden,
wobei der Ringspalt dann zweckmäßig mit einem Isoliermaterial gefüllt wird.
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Die Temperaturbestimmung bei der Vorrichtung nach F i g. 2 ergibt
sich nach folgendem Rechnungsgang: Wenn die beiden Meßköpfe das Längenverhältnis
n haben, dann erhält man unter Beibehaltung der obigen Bezeichnungen folgende Formeln
für die Wärmemengen: Q'1 = = a1 F (Tu-T1) ct, Q2 = a2 F(Tu-T2) ct, Q1 = #1/@@ F
(T1-T3) ct, Q2.= F(T2-T3)ct.
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Hier wird die Temperatur am inneren Ende der Meßköpfe konstant auf
T3 gehalten.
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Bildet man wie oben das Verhältnis der Wärmemengen, so erhält man:
oder a1 (Tu-T1) #1 (T1-T3) = a2 (Tu-T2) n#2(T2-T3) Unter der Voraussetzung, daß
al = a2 und A1 = ist, ergibt sich die Bestimmungsgleichung für Tu zu: Tu-T1 = T1-T3
. 1 Tu-T2 T2-T3 n Für die meisten Fälle der Hochtemperaturmessung wird die hier
gemachte Vernachlässigung von Änderungen der thermischen Stofikonstanten zulässig
sein, d. h., die Messung wird trotzdem mit der verlangten Genauigkeit durchführbar
sein.
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Falls diese Vernachlässigung nicht zulässig ist, kann man im zweiten
Falle die Innentemperatur auf einen anderen Wert einstellen. Bezeichnet man die
hierbei
geänderten Größen mit +, so erhält man die Formeln für die Wärmemengen Q;+=
a1+ F (Tu-T1+) ct Q;+= a2+ F (Tu-T2+) ct #1+ Q1+ = F(T1+-T3+) ct nl #2+ Q2+ = F
(T2+ - T3+) ct l und aus der Gleichsetzung der Verhältnisse a1+ (Tu - T1+) ~ Ä1+(T1+-T3+)
a2+(Tu-T2+) - n#2+(T2+-T3+).
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Um nunmehr zu einer Bestimmungsgleichung für die Umgebungstemperatur
zu kommen, müssen die thermischen Konstanten nicht mehr als konstant angenommen
werden, sondern es muß nur a1 a1+ = a2 a2+ und #1 = #1+ = #2 #2+ sein.
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Man erhält dann durch Division die Bestimmungsgleichung Tu-T1 Tu-T2+
T1-T3 T2+-T3+ . = .
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Tu-T2 Tu-T1+ T2 T3 T1+- T3+ Bei der Ausführungsform nach F i g. 3
ist das Rohr b durch eine Platte h abgeschlossen, in die zwei Meßköpfe al und a2
eingesetzt sind. Die Meßköpfe bestehen aus Materialien verschiedener Wärmeleitfähigkeit.
Sie sind wiederum in Achsrichtung durchbohrt zur Durchführung der Thermoelemente
el und e2, die mit ihrer Meßstelle cl und c2 wärmeleitend mit dem dem Medium ausgesetzten
Ende der Meßköpfe al und a2 verbunden sind.
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Ein drittes Thermoelement f ist durch eine Bohrung in der Platte
Ii geführt und mit seiner Meßstelle d mit der Oberseite der Platteh wärmeleitend
verbunden. Für die Platte h wird ein Material guter Wärmeleitfähigkeit verwendet,
damit die Meßstelle d etwa die Temperatur an der Unterseite der Platte h annimmt.
Die Anbringung der Meßstelle d auf der Oberseite der Platten ist notwendig, damit
eindeutige Meßergebnisse erreicht werden, die anderenfalls durch den Durchgang der
Wärme durch die Platte h verfälscht werden könnten.
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Es wäre selbstverständlich auch möglich, die Meßköpfe al und a2 2
isoliert durch die Platte h zu führen und die Meßstellen des zweiten Thermoelements
an der Unterseite der Meßköpfe al 1 und a2 2 anzubringen.
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Der Rechnungsgang für diese Ausführungsform entspricht im wesentlichen
dem vorstehend angegebenen Rechnungsgang für die Ausführungsform nach F i g. 2.
Auch mit diesem Meßkopf ist eine kontinuierliche Temperaturmessung möglich.
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Bei den Ausführungsformen nach den F i g. 3 und 4 können durch eine
Änderung der Femperaturen der unteren Enden der Meßköpfe zwischen zwei Werten noch
Fehler zweiter Ordnung. z. B.
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Tc:mp rraturabhängigkei t des Verhältnisses der Wärmeübergangszahl
u. dgl., erkannt und beriicksichtigt werden.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 könnten statt der geometrisch
gleichen Hohlzylinder verschiedenen Materials auch am äußeren Ende geschlossenc
Hohlzylinder gleichen Materials und gleieher äußerer Abmessungen verwendet werden,
deren Wandstärken jedoch verschieden sind. Das Kühlmittel kann dann in geeigneter
Weise in die Hohlzylinder eingeleitet werden. Es wird dann nicht der Temperaturgradient
in Zylinderachsrichtung, sondern in radialer Richtung ausgenutzt.
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Statt der beschriebenen Zylinder könnten als Meßköpfe auch naers
geformte Körper eingesetzt werden.
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Es empfiehlt sich dabei solche geometrischen Formen zu verwenden,
die der Rechnung bezüglich der Wärmevorgänge noch zugänglich sind. In Frage kommen
hie insbesondere Vollzylinder, Hohlzyloinder, Kugeln bzw. Kugelabschnitte, Kegel
u. dgl.
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Die Kühlung des inneren Endes des Meßkopfes kann statt durch eine
Flüssigkeit selbstverständlich auch durch ein Gas durchgeführt werden, beispielsweise
Luft. Darüber hinaus ist auch eine elektrische Kühlung unter Verwendung des Peltier-Effektes
möglich.
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Weller kann die Messung des Temperaturgefalles nicht nur durch Thermoelemente
erfolgen, sondern auch nut Meßanordnungen, welche auf einer Länge Volumen- oder
Widerstandsänderung beruhen die zu einer Temperaturmessung ausgenutzt werden können.
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Um die Oberfläche der Meßkörper zu sehtitzen, können diese an ihrer
Oberfläche veredelt werden Patentansprücl1e : Verfahren zur Messung Hoher Temperaturen
flüssiger oder gasförmiger Medien, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß
zwei metallische Meßkörper mit unterschiedlicher Wärmeleitung, die eine einfache
geometrische Form, isnbesondere kreisförmigen Querschnitt und eine endliche Dicke
haben, mit einem Ende dem zu messenden Medium ausgesetzt und an ihrem anderen Ende
gekühlt werden und daß die Temperaturen an den dem Medium ausgesetzten Enden und
den gekühlten Enden der Meßkörper gemessen werden und die Temperatur des Mediums
entsprechend der allgemeinen Formel Tu-T1 = T1-T3.1 Tu - T2 T2 - T4 n Tu = Temperatur
des zu messenden Mediums, T1 = Außentemperatur des ersten Meßkörpers, T2 = Außentemperatur
des zweiten Meßkörpers, T3 = Innentemperatur des ersten Meßkörpers, T4 = Innentemperatur
des zweiten Meßkörpers, = = Längendifferenz, tur Anzeige gebracht wird.