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"Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturmessung" Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperaturmessung, insbesondere
zum Messen hoher Temperaturen von Flüssigkeiten oder Gasen, wie sie beispielsweise
Schmelzen, Heißwind oder -dampf aufweisen oder in Glühöfen vorherrschen.
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Zum Messen der Temperatur von Flüssigkeiten und Gasen werden 3erührungs-Thermometer,
wie beispielsweise Flüssigkeithermometer, Widerstandsthermometer und hermoelemente
sowie Strahlungspyrometer benutzt. Für höhere Temperaturen eignen sich dabei im
wesentlichen nur Thermoelemente und Strahlungspyrometer, die jedoch in vielen Fällen
entweder keine Dauermessung erlauben oder zur exakten Temperaturmessung nicht geeignet
sind.-So besitzen Thermoelemente den Nachteil, daß sie außerordentlich empfindlich
gegen aggressive Medien sind und demzufolge stets durch ein keramisohes Mantelrohr
geschützt werden müssen. Die üblichen keramischen Schutzrohre
besitzen
jedoch, abgesehen von ihrer Stoß- und Temperaturwechsel-Empfindlichkeit, nur eine
begrenzte Haltbarkeit in aggressiven Medien, so daß sie nur für relativ kurzzeitige
Messungen geeignet sind0 Da Bestreben geht jedoch dahin, bei hohen temperaturen
verlaufende und dabei insbesondere mit Reaktionen verbundene Prozesse durch fortlaufende
Messung der Temperatur zu überwachen, was mit den herkömmlichen Meßverfahren und
-vorrichtungen oft nicht möglich ist.
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Strahlungspyrometer sind zwar zur Dauermessung beliebig hoher Temperaturen
geeignet, können jedoch grundsätzlich nicht unmittelbar an das Medium herangebracht
werden, dessen Temperatur gemessen werden soll. Infolge'der sich daraus ergebenden
Distanz zwischen Meßpunkt und Pyromet er unterliegt die Temperaturmessung einer
Reihe von Störfaktoren, die insbesondere auf den Einfluß von Rauch, Staub und Dampf
im Gasraum zwischen Medium und Pyrometer zurückgehen. So ist beispielsweise im Stahlwerk
eine exakte Temperaturmessung mit dem Strahlungspyrometer zumeist wegen der über
der Schmelze vorhandenen staubhaltigen Atmosphäre (Konverter) oder wegen der auf
der Schmelze schwimmenden Schlacke (SM-Ofen) nicht möglich.
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Zu den Berührungsthermometern zählt auch d sogenannte Gaethermometer,
bei dem ein ruhendes Meßgas in eine; Behälter mit konstante Volumen Untergebrächt
ist-.-Bringt man den Behälter mit dem Meßgas in den Meßraum, so
nimmt
das Meßgas die Meßraumtemperatur an, wobei sich infolge der Konstanthaltung des
Gasvolumens der statische Druck des Gases ändert. Anhand des gemessenen Gasdruckes
kann dann nach dem Boyle-Mariotte-Gay-Lussacschen Gesetz die Meßraumtemperatur errechnet
werden. Auch das Gasthermometer ist zur Messung hoher Temperaturen und in aggressiven
Medien, insbesondere in Schmelzen, wegen der geringen Widerstandsfähigkeit des Gasbehälters
nicht geeignet.
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Es ist auch bereits ein sogenanntes Absaugetliermoelement bekannt
geworden, das sich jedoch nur zur Temperaturmessung von Gasen eignet und aus einem
wassergekühlten Rohr mit zwei Meßblenden oder Düsen und einem eingebauten Thermoelement
besteht. Bei detn bekannten Gerät wird ein Teilstrom des zu messenden Gases durch
das wassergekühlte Rohr abgesaugt, wobei die Wirkdrücke an den beiden MeßbIenden
und die Temperatur an der vom Meßraum abgewandten Blende gemessen wartl. Aus den
drei gemessenen Werten läßt sich dann anhand der allgemeinen Gasgleichung für ideale
Gase die Temperatur an der anderen, im Meßraum liegenden Düse unter Berücksichtigung
eines im wesentlichen konstanten Korrekturfaktors berechnen.
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Der Nachteil dieses Meßverfahrens liegt darin, daß es sich nur bei
staubfreien und nichtaggressiven Gasen anwenden läßt,- da der Staub zu die Messung
verfälsohenden Ansätzen im Rohr bzw. in den Blenden führen und auch die
Meßgenauigkeit
des Thermoelementes beeinträchtigen würde.
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Aggressive Gase hingegen würden unvermeidlich sowohl zu einer Beschädigung
des Rohres bzw. der Blenden als auch zu einer Zerstörung des Thermoelementes führen.
Zudem ist auch die Messung des Wirkdruckes an der in den Meßraum hineinragenden
Blende sehr schwierig. Schließlich muß das abgesaugte Gas auch aufgefangen oder
in irgendeiner Weise abgeleitet werden0 Ein besonderer Nachteil des Absaugethermoelementes
liegt jedoch darin, daß es für die Temperaturmessung von Flüssigkeiten grundsätzlich
ungeeignet. ist.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, unter
Vermeidung der zuvor beschriebenen Nachteile ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Temperaturmessung zu entwickeln, die insbesondere zum Messen hoher Temperaturen
von Flüssigkeiten, wie Eisen- und Stahlschmelzen, staubhaltigen Gasen und aggressiven
Medien geeignet sind. Die Erfindung beruht auf der bekannten Tatsache, daß zwischen
der Menge, dem Wirkdruck und dem statischen Druck einerseits sowie der Austrittstemperatur
eines Meßgases anderseits, welches durch ein mit einer oder zwei Blenden ausgestattetes
Meßrohr strömt, ein definierter Zusammenhang besteht. Dieser Zusammenhang ergibt
sich daraus, daß der Gewichtsdurchsatz G des Meßgases gleich
oder, bezogen auf Normalzustand, mit dem Druck P0 und der
Temperatur
T0
ist, wobei P der Querschnitt der Blendenöffnung, P der -statische Druck vor der
Blende, g die Temperatur, h der Wirkdruck an der Blende, # die Durchflußzahl, #
bzw. #o die Wichte des Gases in Betriebs- bzw. Normalzustand und g die Erdbeschleunigung
ist. Durch Auflösen der vorstehenden Gleichung nach T und Zusammenfassen aller konstanten
Werte zu k ergibt sich folgende Abhängigkeit: T = k # P/G2 # h (3) Für ein Meßrohr
mit zwei hintereinanderliegenden Blenden werden die Druck- und Temperaturwerte an
der kalten Blende, die außerhalb des Meßraumes liegt, mit dem Index 1, die entsprechenden
Werte- an der in den Meßraum bzw. das zu messende Medium hineinragenden heißen Blende
mit dem Index 2 und mit P3 der hinter der heißen Blende vorhandene Druck des Meßraumes
bezeichnet. Dann lautet Gleichung (3) für die heiße Blende: P2 T2 = k . G2 . h2
(4) wobei T2 die zu ermittelnde temperatur an der heißen Blende ist0 Nach den Durchflußmeßregeln
DIN 1952 ergibt sich in guter Näherung die Abhängigkeit des Wirkdrucks h2 an der
heißen
Blende von den statischen Drücken P1 vor der kalten bzw.
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P2 vor der heißen Blende und vom statischen Druck P3 hinteer der heißen
Blende wie folgt: @2 - @3 h2 = (5) 1 - m2 P1 - P3 - (1 - m1)h1 h2 = (6) 1 - m2 wobei
m1 und m2 das Öffnungsverhältnis (Öffnungsquerschnitt der Blende : Rohrquerschnitt)
der kalten Blende (ml) und der heißen Blende (m2) sind.
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Führt man den Wert für h2 aus der Gleichung- (5) in Gleichung (4)
ein, so ergibt sich folgende Gleichung, in der k@ eine Konstante ist: T2 = k' P2/G2
(P2 - P3) (7) Ausgehend von der sich aus Gleichung (7) ergsbenden Abhängigkeit der
zu ermittelnden Temperatur T2 vom wichtsdurchsatz G und den statischen Drücken P2
und P3 vor und hinter der heißen Blende, besteht das Verfahren nach der Erfindung
für den Fall, daß der Meßraumdruck konstant, beispielsweise gleich dem atmosphärischen
Druck ist, darin, daß der statische Druck P2 und der Durchsat G eines Meßgases gemessen
wird, das durch ein mit einer Blende ausgestattetes und mit dieser in den Meßraum
hineinragendes Meßrohr strömt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch in der Weise durchgeführt
werden, daß durch ein mit zwei im Abstand voneinander angeordneten Blenden ausgestattetes,
mit der einen (heißen) Blende in den Meßraum hineinragendes Rohr ein Meßgas strömt
und der Wirkdruck h1 der anderen (kalten) Blende sowie der-statische Druck P1 bzw.
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P2 vor der kalten bzw. der heißen Blende gemessen wird, Bei diesem
Meßverfahren wird davon ausgegangen, daß der Gewichtsdurchsatz an der kalten Blende
gleich dem Gewichtedurchsatz an der heißen Blende ist. Demzufolge- ergibt sich aus
Gleichung (2) für die Austrittstemperatur T2 an der heißen Blende folgende Abhängigkeit:
T2 = c # @1/h1 # h2, (9) wobei c eine Zusammenfassung aller Konstanten und wegen
des geringen Unterschieds von P1 und P2 das Verhältnis P2/P1 = 1 gesetzt ist, Setzt
man in die vorstehende Gleichung für h2 die Werte aus den Gleichungen (5) oder (6)
ein, so ergibt sich bei Zusammenfassung aller konstanten Werte zu c' die folgende
Abhängigkeit für die Meßgasaustrittstemperatur T2 an der heißen Blende.
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T2 = c' @@/h1 (P2 - P3) (10) oder T2 = c' T1/h1 [P1 - P3 - (1 - m1)h1].
(11) Bei konstantem Druck P3 hinter derheißen Blende kann dem nach durch Messen
des Wirkdrucks h1 und der Meßgastemperatur T1 an der kalten Blende sowie des statischen
Drucks P1 vor der kalten bzw. P2 vor der heißen Blenden in gesuchte Temperatur T2
ermittelt werden. ausgehend davon, daß nach den vorstehenden Gleichungen bei konstanter
Meßgaseintrittstemperatur T1 und konstantem Gegendruck P3 die gesuchte Temperatur
T2 nach den obigen Gleichungen nur noch von zwei Variablen abhängt, Läßt sich das
erfindungsgemäße Verfahren mit besonderem Vorteil dadurch vereinfachen, daß durch
Regelung der Durchfluß@ mange jeweils eine der variablen Größen (G, P1, P2, h1,
h2) konstant gehalten wird. Demzufolge braucht stets nur eine der Variablen, zOBo
bei konstantem h1 nur P2 nach Gleichung (10) oder P1 nach Gleichung (11) gemessen
zu werden. Nach vorheriger Aufnahme einer Eichkurve wird dann die zu.ermittelnde
Temperatur direkt aus der Druckanzeige auf einer Temperaturskala abgelesen.
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Wird das Meßgas nach dem Durchtritt durch die heiße Blende bei sich
ständig änderndem Gegendruck P3 in den Meßraum, beisptelsweise in eine Schmelze,
eingeleitet-oder
hat es beim Verlassen des Meßrohres einen sich
ändernden Gegendruck P3 zu zur überwinden, so ergibt sich für die Abhängigkeit der
Meßraumtemperatur eine zusätzliche Variable in Gestalt des Gegendrucks P3. Diese
Variable kann jedoch nach den angegebenen Gleichungen (10), (11j berücksichtigt
oder dadurch ausgeschaltet werden, daß nach einem weiteren Merkmal der Erfindung
das durch das Meßrohr strömende Gas mit Schallgeschwindigkeit aus der heißen Blende
austritt.
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Die Schallgeschwindigkeit muß dabei auch noch bei dem höchsten vorkommenden
Gegendruck im Meßraum gewährleistet sein, so daß die Schallgeschwindigkeit bei allen
darunterliegenden Drücken gegeben ist. Dies ist bei einem Meßrohr mit nur einer
Blende der Fall, wenn P2 größer ist als das 1,9-fache des Gegendrucks im Meßraum.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können verschiedene
Meßrohre verwandt werden, die sich im wesentliahen nur durch die Anzahl der Blenden
sowie die Art und den Ort für die Messung der variablen Größen voneinander unterscheiden.
Im allgemeinen sind jedoch die in den Figo 1 bis 3 der Zeichnung dargestellten Meßrohre
zu bevorzugen.
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In Fig, 1 ist ein in den Meßraum 4 hineinragendes gerades Meßrohr
dargestellt, welches mit einer unmittelbar am Rohrende als Innenflansch angeordneten
Blende 6 (heiße Blende) und einer zweiten Blende 7 (kalte Blende)
im
Abstand von der ersten ausgestattet ist. Das in das Meßrohr 5 mit der Temperatur
T1 und dem Druck P1 in Pfeilrichtung eintretende Meßgas strömt zunächst durch die
kalte Blende 7 und gelangt durch die heiße Blende 6 in den Meßraum 4 mit dem konstanten
Druck P3. Dabei kann durch Messen des Wirkdrucks h1 an der kalten Blende 7 mittels
eines Wirkdruckmessers und des statischen Drucks P2 zwischen den beiden Blenden
bzwo des statischen Drucks P1 vor der kalten Blende 7 die unbekannte Temperatur
T2 an der heißen Blende 6 entsprechend den Gleichungen (10), (11) ermittelt werden.
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Die kalte Blende 7 kann bei dieser Vorrichtung, auch durch einen Gasmengenmesser
ersetzt werden, so daß in diesem Falle lediglich noch der statische Druck P2 vor
der heißen Blende 6 gemessen zu werden braucht und sich die gesuchte temperatur
T2 aus Gleichung (7) ergibt.
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Ist der im Meßraum 4 herrschende Gegendruck P3 veränderlich, wie
beispielsweise bei der-Temperaturmessung in einem Hochofenwinderhitzer oder einer
Stahlschmelze während des Frischens, dann muß der statische Druck P2 vor der heißen
Blende so hoch gewählt werden, daß bei jedem Gegendruck im Meßraum 4 das Meßgas
mit Schallgeschwindigkeit aus der heißen Blende 6 austritt. Nur bei Erfüllung dieser
Voraussetzung ist das erfindungsgemäße Meßverfahren unabhängig von dem im Meßraum
4 herrschenden Gegendruck.
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Wird das Meßrohr in einen Meßraum mit extrem hoher
Temperatur
oder einem aggressiven Medium eingeführt, verwendet man nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung zweckmäßigerweise anstelle der heißen Blende 6 eine langgestreckts
zylindrische Düse, wobei infolge Verschleiß möglicherweise auftretende Längenänderungen
der Düse durch Ultraschall festgestellt und bei der Temperaturermittlung berücksichtigt
werden können. Als zylindrische Düse kann dabei beispielsweise eine Kapillare aus
feuerfestem Material verwandt werden, die in eine feuerfeste Vergußmasse eingebettet
ist, so daß ein Verschleiß im wesentlichen nur an der Stirnfläche der Kapillare
stattfindet.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten U-förmigen Meßrohr 8 ist im Innern
des einen Schenkels eine Blende 9 (kalte Blende) und etwa im Scheitelpunkt der Krümmung
eine zweite Blende 10 (heiße Blende) angeordnet. Der Vordere Teil des U-förmigen
Meßrohrs 8 ragt in einen Meßraum 16 hilleill, wobei die an der Blendenöffnung herrschende
Temperatur T2 der Meßrauntemperatur entspricht bzw in einem bestimmten, durch Eichversuche
feststellbaren Verhältnis zu dieser Temperatur steht. Der Wirkdruck h1 des in Pfeilrichtung
durch das U-förmige Meßrohr 8 strömenden Meßgases wird mit einem Wirkdruckmesser
an der kalten Blende 9 und der statische Druck P2 mittels -eines hinter der kalten
Blende 9 angeordneten Manometers gemessen. Aufgrund der MeBwerte für h1 und P2 und
unter Berücksichtigung der bekannten Meßgastemperatur
T1 vor der
kalten Blende 9 bzw. des dem Außendruck entsprechenden Druckes P3 hinter der heißen
Blende ergibt sich die gesuchte Temperatur T2 aus Gleichung (10).
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Mißt man anstelle des statischen Drucke P2 hinter der kalten Blende
9 den statischen Druck P1 vor der kalten Blende 9, dann ergibt sich die gesuchte
Temperatur T2 aus der Gleichung (11). Schließlich kann aber auch die kalte @ Blende
9 durch einen Gasmengenmesser ersetzt werden, so daß sich die gesuchte Meßraumtemperatur
nach Gleichung (7) ohne weiteres aus dem Gasgewichtsdurchsatz G und dem statischen
Druck P2 zwischen dem Gasmengenmesser und der Blende 10 ergibt.
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Ragt das U-förmige Meßrohr 8 mit der heißen Blende 10 nur so weit
in den Meßraum 16 hinein, daß die heiße Blende 10 an einen Wirkdruckmesser angeschlossen
werden kann (in der Zeichnung nicht dargestellt), dann läßt sich die gesuchte Temperatur
T2 anhand von Gleichung (9) &hne weiteres aus der Messung der beiden Wirkdrücke
h1 an der kalten Blende 9 und h2 an der heißen Blende 10 bestimmen.
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Hierbei können sämtliche anderen Druckmessungen entfallen.
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Bei dem in Fig, 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem einen
Schenkel eines einseitig geschloesenen Meßrchre 11 ein zweites Rohr 12 engeordnet,
dessen im Meßrohr 11 liegendes Ende als Blende 13 (heiße Blende) ausgebildet ist,
Das geschlossene Ende des Meßrohrs11 4 § rragt
in einen Meßraum
14 hinein. Im anderen Schenkel des Meßrohrs 11 ist eine zweite Blende 15 (kalte
Blende) angeordnet, durch die das Meßgas in Pfeilrichtung in den Ringraum zwischen
Meßrohr 11 und Rohr 12 eintritt, den es dann über die heiße Blende 13 und das Innere
des Rohres 12 verläßt. Durch Messen des Wirkdrucks h1 an der kalten Blende 15, des
statischen Drucks P2 im Ringraum zwischen den Rohren 11, 12 oder des statischen
Drucks P1 vor der kalten Blende 15 analog dem Beispiel nach Fig. 2 kann die Temperatur
T2 an der heißen Blende 13 aus den Gleichungen (10), (11) ermittelt werden. Ebenso
kann auch wie in dem Beispiel gemäß Sigo 2 die kalte Blende 15 durch einen Gasmengenmesser
ersetzt werden, so daß sich die gesuchte Temperatur, da P3 konstant ist, aus dem
Gasgewichtsdurchsatz G und dem Ringraumdruck P2 nach Gleichung (7) ergibt.
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Sind X1 und P3 konstant oder strömt das Meßgas bei veränderlichem
P3 mit Schallgeschwindigkeit in den Meßraum, dann kann durch ständige Regulierung
mittels eines vor den kalten Blenden 7, 9, 15 bzw. den entsprechend angeordneten
Gasmengenmessern vorgeschalteten Regelventils jeweils eine der beiden in jeder der
Gleichungen (7), (9), (10) und (11) enthaltenen Variablen konstant gehalten werden,
so daß die gesuchte Temperatur T2 an der Meßstelle für die verbleibende Variable
bei entsprechender Eichung des betreffenden Druck- bzw0 Gasmengenmessers direkt
abgelesen
werden kann. Daraus ergibt sich eine außerordentliche
Vereinfachung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens, da das Ablesen und die Berücksichtigung
zweier Meßwerte entfällt und die Steuerung des Regelventils von der Meßstelle für
die konstant zu haltende Variable aus unschwer automatisch erfolgen kann0 Ist P3
nicht konstant, so muß das Meßgas die heißen Blenden 6, 10, 13 entweder mit Schallgeschwindigkeit
verlassen oder der Gegendruck P3 muß mittels eines Manometers gemessen und nach
den Gleichungen (10), (11) berücksichtigt werden0 Da die Temperatur T2 an den heißen
Blenden 6, 10, 13 geringfügig von der Temperatur der Meßräume 4, 16, 14 abweichen
kann, empfiehlt sich eine vorherige Eichung der Meßvorrichtung. In jedem Falle besteht
für nicht zu schnelle Temperaturänderungen zwischen der Meßraumtemperatur und der
Meßgastemperatur T2 an der heißen Blende ein eindeutiger Zusammenhang, der im wesentlichen
vom Wärmeaustausch zwischen Meßraum und Meßgas, doho vom Werkstoff des Meßrohres
und dessen Dimensionierung, abhängig ist.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten
Ausführungsbeispiele beschränkt; es sind vielmehr eine Reihe von Abwandlungsmöglichkeiten
gegeben, die jedoch sämtlich auf das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip der
Temperaturmessung über den sich in Abhängigkeit
von der Temperatur
anderen Druck eines in den Meßraum oder durch diesen strömenden Gases zurückzuführen
sind0