DE1773082A1 - Verfahren zur Messung der Temperatur eines festen oder fluessigen Stoffes,insbesondere Verfahren zur Messung der Temperatur von heissem Stahl sowie Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

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^Fr';"."·"''■ _f Akte 68-10/20-59

Sf 28. März 1968 Dr.

Tlie Steel Company of Wales Limited, a British. Company, of Abbey Works, Port TaIbOt₁ .Glamorgan, South T&les

Verfahren zur Messung der Temperatur eines festen oder flüssigen Stoffes, insbesondere Verfahren zur Messung der Temperatur von heißem Stahl, sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. . .

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines festen oder flüssigen Stoffes.

Die Erfindung betrifft insbesondexst aber nicht ausschließlich, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Temperaturen im Zusammenhang mit der Herstellung von Stahl. In einer besonderen Ausführungsform die beispielhaft für die vielen Anwendungsmöglichkeiten des Gegenstand^der Erfindung ist, können das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Messung der Temperatur von Stahl-Brammen in Glühofen und von Barren, die eich auf einemWalzwerk-Bollgang befinden, verwendet werden.

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Es ist allgemein "bekannt, daß sich der Elastizitätsmodul eines Stoffes, beispielsweise eines Metalles, ändert, wenn sich die Temperatur dieses Stoffes ändert. Aufgrund dieser temperaturabhängigen Änderung des Elastizitätsmoduls ändert sich auch die Geschwindigkeit einer durch den Stoff hindurch geschickten Schaltwelle.

Yon diesen physikalischen Gegebenheiten wird beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung Gebrauch gemacht.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Messungen der Temperatur eines festen oder flüssigen Stoffes, insbesondere ein Verfahren zur Messung der Temperatur von heißem Stahl, vorzugsweise mit Temperaturen von mehr als 800⁰C, bei dem erfindungsgemäß eine Ultraschallwelle durch den Stoff hindurch geschickt und die von der Temperatur des Stoffes abhängige Geschwindigkeit der Ultraschallisä-le gemessen wird.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit kurzen Ultraschallimpulsen gearbeitet, die von einem Sender ausgesendet, nach Durchlaufen einer bestimmten Wegstrecke,die mindestens auf einem Teil ihrer Länge den zu untersuchenden Stoff durchsetzt, auf einen Empfänger auftreffen und das Zeitintervall zwischen Aussendung und Empfang eines Impulses gemessen. Es hat sich dabei als zweckmäßig erwiesen, wenn die verwendete Ultraschallwelle eine Fequenz von ca. 150 EHz besitzt.

Für bestimmte Anwendungsaarten des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es zweckmäßig sein, wenn im Reflexionsverfahren gearbeitet

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wird, wobei der Sender gleichzeitig als Empfänger dient.

Weiterhin ist es bei einer bestimmten Ausführungsform des Verfahrens vorteilhaft, wenn die den Stoff nicht durchsetzenden Teile der Wegstrecke vor und nach dem Stoff gleiche Länge haben und zusätzlich im Reflexionsverfahren das Zeitintervall zwischen Aussendung und. Empfang eines Impulses gemessen wird, der nur den ersten, vor dem Stoff liegenden Teil der Wegstrecke durchlaufen hat. Dies wird weiter unten näher ausgeführt.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei der erfindungsgemäß eine Sendersonde zur Aussendung von Ultraschallenergie, eine Empfängersonde zur Aufnahme von Ultraschallenergie und eine mit den Sonden verbundene Zeitmeßvorrichtung zur Messung der Zeit-

§&fangenen . differenz zwischen ausgesendeten und oooo Ultraschallimpulsen verwendet werden. Zweckmäßig sind die Sendersonde und die Empfangersonde so angeordnet, daß eine von der Sendersone ausgehende Ultrasehallwelle vor ihrem Auftreffen auf die Empfängersonde _r das zwischen beiden Sonden angeordnete Meßobjekt, \ d.h. den zu untersuchenden Stoff, durchläuft.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn zwischen den Ultraschall-Erzeugern der Sonden und dem Meßobjekt jeweils ein mit beiden im Kontakt stehendes Verlängerungsstück angeordnet ist, das mit einer Kühlvorrichtung versehen ist. Diese Kühlvorrichtung kann aus einem Kühlmantel, beispielsweise aus Kupfer, bestehen, innerhalb dessen das Verlängerungsstück angeordnet ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Arbeitstemperatur der Sonden unterhalb der maximalzulässigen Arbeits- : 109832/0684

temperatur gehalten werden kann.

Die Ultraschall-Erzeuger können an die Verlängsstücke mit Hilfe von -tf'ett angekoppelt sein. Das Meßobjekt und die Verlängsstücke können in direktem Kontakt miteinander stehen. Es kann aber auch zwischen dem Meßobjekt und den Verlängerungsstücken eine Kupplung angeordnet sein, die aus einem Material besteht, das bei der an dieser Stelle herrschenden Arbeitstemperatur erweicht ohne zu Schmelzen.

Die Ultraschallerzeuger können mit Hilfe eines mit Gewinde durch den Montageflansch der Sonde geführten Halterungsstabes gehalten sein.

An. dem, dem Meßobjekt benachbarten Ende der Verlängerungsstücke kann zweckmäßig eine kreisringförmige Scheibe aus feuerfestem Material angeordnet sein. Auf diese Weise wird der Kühlmantel vor der, von dem zu untersuchenden Stoff ausgehenden Wärme besser geschützt.

Zur Erzeugung der Ultraschallenergie wird die Sendersonde in

Trigger

bekannter Weise mit einem Sender und einem es zur Aussendung von Impulsen verbunden. Als Zeitmeßvorrichtung kann ein

Oszillograph dienen, der mit der Sendersonde und der Empfängersonde und einem Zeitgeber verbunden ist, wobei die Schaltung in bekannter Weise derart ist, daß die Größe der Zeitdifferenz zwischen der Aussendung und dem Empfang eines Impulses auf dem Oszillographenbildschirm ablesbar ist.

Aus der gemessen Zeitdifferenz und der durch die Impulse zurückgelegten Wegstrecke kann die Schallgeschwindigkeit in dem untersuchten Stoff bei der dort herrschenden Temperatur bestimmt

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werden. Dabei ist die durch, die Impulse zurückgelegte Wegstrecke gleich dem Abstand zwischen der Sendersonde und der Empfängersonde.

Im folgenden wird anhand der beigefügten Figuren ein Ausführungsbeispiel für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung näher erläutert.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein j&sführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Figur 2 zeigt die Skizze eines Oszillographenbildes bei einem Meßobjekt niedriger Temperatur.

Figur 3 zeigt die Skizze eines Oszillographenbildes bei dem gleichen Meßobjekt, bei höherer Temperatur.

In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 war das Meßobjekt 10 ein Flußeisen-Barren, von ca. 5,1 cm (2") Durchmesser und ungefähr 38,1 cm (15") Länge. Das Meßobjekt war in einem Ofen 11 auf voneinander getrennt angeordneten Unterstützungsblöcken montiert. Der Ofen 11 war ein Molybdän-Höhrenofen von ca. 7»6 cm (3") in dem Durchmesser und ca. 76,2 cm (30") Länge.

Zur Aufnahme des Temperaturgradienten wurden entlang dem Meßobjekt in gewissen Abständen Permoelemente angeordnet.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist das Meßobjekt 10 etwa zentralliegend in dem zylindrischen Innenraum 13 des Ofens 11 angeordnet* Weiterhin sind in dem Ofen an der einen Seite» eine Senderaonde 14 und an der anderen Seite eine Empfängersonde 15 ■ angeordnet. Sowohl die Sendersonde 14, als auch die Kmpfänger- ■onde 15 tnthalten ein metallenes Verlängerungsstück 16, das

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axial in dem zylindrischen Innenraum 13 des Ofens 11 angeordnet ' ist. Das innere Ende jedes der Verlängerungsstücke 16 steht in Berührung mit dem Heßobjekt 10, während das äußere Ende der Verlängerungsstücke 16 aus dem Ofen 11 herausragt. Weiterhin ist jedes der Verlängerungsstücke 16 von einem zylindrischen Kühlmantel 17 umgeben, aus dem es am inneren Ende 18 herausragt. Vor dem inneren Ende 18 des Kühlsantels 17 ist eine kreisringförmige Scheibe 19 aus feuerfestem Material angeordnet. Der Kühlmantel 17 erstreckt sich über nahezu die ganze Länge der J) Verlängerungsstücke 16 und endet außerhalb des Ofens 11. Das

äußere Ende des Kühlffymtels 17 ist mit einer Waswerzuführungs-'leitung 20 versehen, die sich innerhalb des Kühlmantels 17 bis dicht vor sein inneres Ende 18 erstreckt. Eine Wasserabführungsleitung 21 ist so angeordnet, daß das in dem Kühlmantel 17 zirkulierende Wasser von einem Punkt in der Hähe des äußeren Endes des Kühlmantels aus_rin sie eintreten kann.

Am äußeren Ende des Kühlmantels 17 ist ein das Verlängerungsstück 16 überragendes kastenförmiges Zwischenstück 22 angeordnet, ) das an seiner Außenseite einen Montageflansch 23 trägt. Der Montageflansch 23 ist mit einem Paar diametral angeordneter Bohrungen 24 versehen, die in Anordnung und Durchmesser an mit dem Ofen 11 fest verbundene Montagestifte 25 angepaßt sind. Die Montagestifte 25 sind an ihrem äußeren Ende mit gewinden versehen, zur Aufnahme von Sicherungsmuttern 26. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, werden beim Anziehen der Sicherungsmuttern 26 die j Verlängerungsstücke 16 gegen das Meßob^ekt IO gedrückt. Daa kastenförmige Zwischenstück 22 enthält einen Ultraschall-Erseuger 30 bekannter Bauart. Die Ultraschall-Erzeuger 30 sind mit Hilf·

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eines mit Gewinde durch, den Montageflansch 23 geführten Halterungsstabes 27 gehalt'ert. Mit Hilfe des Ivlontageflansch.es 23 wird der Ultraschall-Erzeuger 30 gegen das äußere Ende des Verlängerungs Stückes 16 gedruckt. Die Kupplung zwischen dem Ultraschall-Erzeuger 30 und dem äußeren Ende des Verlängerungsstückes 16 besteht aus Fett.

Wie aus Figur 1 ersichtlich, sind sowohl die Sendersonde 14 als auch die Empfängersonde 15 in ihren Einzelteilen analog aufgebaut.

Die Sendersonde 14 ist mit einem nicht dargestellten Sender und einer Trigger-Einheit zur Erzeugung von Impulsen und mit einem Oszillographen verbunden. Die Schaltung ist dabei in bekannter Weise so, daß die Sendersonde 14 durch den genannten Impulsgeber zur Aussendung von Impulsen von Ultraschallenergie angeregt wird. Diese Impulse laufen durch das Verlängerungsstück 16, das Me£objekt 10 und das entsprechende Verlängerungsstück der Empfangersonde 15 in den Empfänger selbst. Das vom Empfänger aufgenommene Signal wird verstärkt und zusätzlich dem Oszillographen zugeführt. Zur Messung des Zeitlichen Abstandes zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Impuls wird ein Zeitgeber mit der Schaltung verbunden.

In den Figuren 2 und 3 ist skizzenhaft das jeweils auf dem Bildschirm des Oszillographen erscheinende Diagramm dargestellt. Dabei stellt Figur 2 das Diagramm des Meßobjektes vor dem JInheizen dar, während in Figur 2 das Diagramm nach dem Aaiheizen des Meßobjektes dargestellt ist. Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich, wird beim Anheizen des Meßobjektes der Zeitliche

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Abstand zwischen dem ausgesendeten Signal 30 und dem empfangenen Signal 31 größer. Die Größe der jeweiligen Zeitdifferenz kann mit Hilfe der eingeblendeten Zeitskala 22 bequem abgelesen werden.

Die Wegstrecke, die von den Ultraschallimpulsen von einer Sonde zur anderen zurückgelegt wird, setzt sich zusammen aus, dem durch das Meßobjekt 10 zurückgelegten Weg und dem durch die Verlängerungsstücke 16 zurückgelegten Weg· Um die Zeit festzustellen, die die Impulse brauchen um die Verlängerungsstücke 16 zu durchlaufen, kann ein Vergleichsversuch durähgeführt werden, bei dem im Reflexionsverfahren gearbeitet wird. Da zweckmäßiger Weise die Verlängerungsstücke 16 gleiche Länge aufweisen, genügt esa, die Zeit zu messen, die der Impuls braucht, um das erste Verlängerungsstück 16 zu durchlaufen. Zu diesem Zweck wird die Empfängersonde 15 abgetrennt und die Sendersonde 14- zur Aussendung und zum Empfang der Impulse verwendet. Es wird nun von der Sendersonde 14 ein Impuls ausgesendet, durchläuft das Verlängerungsstück 16 und wird am Ende des Verlängerungsstückes 16 reflektiert. Er läuft in die Sendersonde 14 zurück und das so empfangene Signal wird gleichfalls auf dem Bildschirm des Oszillographen sichtbar gemacht. Das gemessene Zeitintervall zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Impuls entspricht in diesem Falle der Zeit, die der Impuls brauchte, um eine Wegstrecke zurückzulegen, die zweimal der Länge des Verlängerungsstückes 16 entspricht. Diese Zeit wird von der imDurchgangs-

auch verfahren gemessenen Zeit, bei dem die Impulse att£*dae Meßobjekt durchliefen, abgezogen. Auf diese Weise wird die Zeit erhalten, die die Impulse brauchten, um das Meßobjeit zu durchlaufen·

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Zusammen mit der bekannten Länge des Meßobjektes kann hieraus die Schallgeschwindigkeit in dem untersuchten Stoff bestimmt werden.

Die Bestimmung ~der Temperatur des Stoffes aus der Schallgeschwindigkeit kann durch Eichung der Vorrichtung mit Hilfe eines Meßobjektes bekannter Temperatur oder durch Berechnung nach bekannten Formeln erfolgen.

Patentansprüche

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Claims (3)

- ίο - Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung der Temperatur eines festen oder flüssigen Stoffes, insbesondere Verfahren zur Messung der Temperatur von heißem Stahl, vorzugsweise mit Temperaturen von mehr als 800⁰C, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ultra-

.. ,..welle durch den Stoff hindurchgeschickt und die von der Temperatur des Stoffes abhängige Geschwindigkeit der Ultraschallwelle gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

mit kurzen Ultraschallimpulsen gearbeitet wird, die von einem Sender ausgesendet, nach Durchlaufen einer bestimmten Wegstrecke die mindestens auf einen Teil ihrer Länge den zu untersuchenden Stoff durchsetzt auf einem Empfänger auftreffen und daß das Zeitintervall zwischen Aussendung und Empfang eines Impulses gemessen wird.

3» Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Ultraschallwelle eine Fequenz von ca. 150 Kitz, besitzt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ■ im ßeflexionsverfahren gearbeitet wird, wobei der Sender gleichzeitig als Empfänger dient.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, daifarch gekennzeichnet, daß die den Stoff nicht durchsetzenden Teile der Wegstrecke vor und nach dem Stoff gleiche länge haben und zusätzlich im ßeflexionsverfahren das Zeitintervall zwischen Aussetzung und Empfang eines Impulses gemessen wird, der nur

den ersten, vor dem Stoff liegenden Teil der Wegstrecke durch-

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laufen hat.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5r gekennzeichnet durch eine Sendersonde (14) zur Aussendung von Ultraschallenergie, eine Empfangersonde (15) zur Aufnahme von Ultraschallenergie und eine mit den Sonden verbundene Zeitmeßvorrichtung zur Messung der Zeitdifferenz zwischen ausgesendeten und empfangenen Ultraschallimpulsen*

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet> daß Sendersonde (14) und Empfängersonde(15) so angeordnet sind, daß eine von der Sendersonde (14) ausgehende Ultraschall- -ä welle vor ihrem Auftreffen auf die Empfängersonde (15)»das zwischen beiden Sonden angeordnete, zu untersuchende Heßobjekt durchläuft*

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6_t dadurch gekennzeichnet daß zwischen dem Ultraschall-Erzeuger (30? der Sonden (14, 15) und dem Meßobjekt (10) jeweils ein, mit beiden im Kontakt stehendes Verlängerungsstück (16) angeordnet ist, das mit einer Kühlvorrichtung (17) versehen ist.

9· Vorrichtung nach Anspruch 8» dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung aus einem Kühlmantel (17) besteht, innerhalb dessen das Verlängerungsstück (16) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Erzeuger (30) an die Verlängerungsstücke (Xj) mit Hilfe von Fett angekoppelt sind.

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31« Vorrichtung naoli einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch p-elzennzeiglinei;_t daß das i.ießobjekt (20) und die Verlängerungsstücke (16) in direktem Kontakt miteinander stehen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet_t daß zwischen dem keßobjekt(lO) und den Verlängerungsstücken. (16) eine Kupplung angeordnet ist, die aus einem Llaterial bestellt, d.as bei der an dieser Dtelle herrschenden .arbeit st einp er atur erweicht, ohne au schmelzen.

1.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet _f daß die Ultraschall-iirseuger (50) mit Hilfe eines mit Gewinde durch den L'ontagef laiisch (23) der ßonde geführten iialtermigsstabes (27) gehaltert sind.

14-» Vorrichtung; nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet_t daß an dem dem jueßobjekt (10) benachbarten Ende der Verlängerungsstücke (16) Jeweils eine kreisringförmige iicliei.be (19) aus ieueri'estem material angeordnet ist»

15« Vorrichtung nach ein ein der Ansprüche 6 bis 14·, dadurch

⁽^^e '^eiidersoiide (14-) mit einem ü end er

und einem Trigger zur Aussendung von Impulsen von Ultraschall -Jita er gie verbunden ist.

α) 16» Vorrichtung nach einem der .ansprüche 6 bis 15, dadurch

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3 Zeitmeßvorrichtung ein Oszillograph dient, der mit der ßenderacmde (H) und der Euipfimgersonde

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