DE1773549C3 - Einrichtung zum Messen von Temperaturen In strömenden Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen von Temperaturen in strömenden Medien, mit einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse, dessen eines Ende eine Befestigungsvorrichtung aufweist, und mit einem darin axial verschiebbar geführten und an dem befestigungsseitigen Gehäuseende herausra^nden Tauchrohr, das an seinem freien Ende hakenförmig gekrümmt ist und einen als Thermoelement oder Halbleiter-Widerstandsthermometer ausgebildeten Temperaturfühler aufweist.

Aus der US-PS 22 34 056 ist nun eine Meßsonde des eingangs beschriebenen Aufbaues bekannt, die zum ^ft5 Messen der Temperatur von in Behältern stationär gehaltenen Medien dient. Hiermit ist jedoch die Temperaturmessung in strömenden Medien noch nicht

möglich. ...

Aus der DT-PS 11 79 383 hingegen ist eine kombinierte Meßeinrichtung zum Ermitteln der Zustandsgrößen eines strömenden Mediums bekannt, die einen vorgegebenen Ort ermöglicht

In der Kunststoffverarbeitung sind Einrichtungen zum Messen der Temperaturverteilung in einem Querschnitt eines strömenden Mediums bekannt, bei denen ein beispielsweise zwischen einer Extruderschnecke und einem nachgeschalteten Werkzeug angeordnetes ringzylindrisches Zwischenstück verwendet wird, das entweder auf einem seinen lichten Querschnitt überspannenden Steg mehrere Temperaturmeßstellen trägt oder statt dessen mehrere radial gerichtete, gerade oder hakenförmig gekrümmt ausgebildete und an ihrem Ende einen Temperaturfühler tragende Tauchrohre aufweist Jedoch bedingen diese Einrichtungen zum einen wegen der bei den einzelnen Maschinentypen unterschiedlichen Anschlußmaße jeweils entsprechend unterschiedliche Zwischenstücke und zum anderen für eine einigermaßen genaue Bestimmung des Temperaturprofils, das beispielsweise bei einem Extruder Unterschiede von 30°C und mehr aufweisen kann, eine entsprechend große Zahl von Meßstellen.

Es ist ferner von der Temperaturmessung in Ablaufkanälen eine Einrichtung bekannt, bei der ein am einen Ende einen Temperaturfühler aufweisendes Tauchrohr innerhalb eines Rohrstutzens verschoben und in diesem mittels einer Klemmschraube gehalten werden kann, wobei der Rohrstutzen beispielsweise mittels eines an ihm ausgebildeten Flansches an der Kanalwand fest angebracht wird. Die Anwendung dieser Einrichtung ist jedoch auf Messungen beschränkt, bei denen die Medien unter relativ niedrigem Druck stehen, da die Klemmschraube zwecks Verschiebung des Tauchrohres innerhalb des Rohrstutzens gelöst und demzufolge der ganze auf dem Tauchrohr lastende Druck einzig und allein von dem die Einrichtung Bedienenden aufgenommen werden muß, so daß bei höheren Drücken die einwandfreie Verschiebbarkeit nicht mehr gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Temperaturverteiiung in einem bestimmten Querschnitt eines strömenden Mediums in radialer Richtung mit nur einer Meßeinrichtung "bestimmen zu können, um so die tatsächlichen Stofftemperaturen an die die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens oder die Qualität des danach gefertigten Produktes bestimmende optimale Stofftemperatur durch geeignete Prozeßführung anpassen zu können.

Insbesondere eine Einrichtung zum Messen von Temperaturen in hochviskosen Medien, wie Kunststoffschmelzen bedingt, auch noch bei höheren Drücken und Temperaturen die genaue Bestimmung eines radialen Temperaturprofiles ermitteln zu müssen, müssen.

Ausgehend von den bekannten Meßeinrichtungen wird die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe zur Durchführung von Messungen in hochviskosen Schmelzen durch die Kombination der Merkmale, daß

a) das Tauchrohr gegen Drehbewegungen relativ zum Gehäuse gesichert und über ein Gewinde mit einer Einstellvorrichtung verbunden ist, die am anderen Gehäuseende drehbar, jedoch axial unverschieblich angeordnet ist.

b) daß das im wesentlichen kreiszylindrische Tauchrohr auf seiner Außenfläche mit einer oder auch mehreren gleichnäßig über den Umfang verteilten

Längsnuten versehen ist, in die eine an der Gehäuseinnenwand angeordnete Nase eingreift,

c) daß das Tauchrohr aus zwei unter Verwendung eines Zwischenstückes geringer Wärmeleitfähigkeit verbundenen Teilen besteht und

d) daß das Tauchrohr im Bereich des befestigungsseitigen Gehäuseendes gegenüber dem Gehäuse im Durchmesser verringert ist und dort in einer aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellten Buchse mit geringem Spiel geführt ist,

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gelöst

Die Ausbildung der beispielsweise mittels eines am Gehäuse vorgesehenen Außengewindes oder Bajonettverschluss« an der Wand des Strömungskanals befestigten Einrichtung gewährleistet, daß das Tauch- «ihr auch bei hohen Drücken, die beispielsweise bei der Kunststoffverarbeitung in Schneckenpressen bis zu 400 at und mehr betragen können, leicht und feinfühlig durch einfaches Verdrehen der Einstellvorrichtung verschoben werden kann. Die etwa als Handrad ausgebildete Einstellvorrichtung ist dabei mittels geeigleter Formschlußverbindungen gegen eine axiale Verschiebung relativ zum Gehäuse gesichert, beispielsweise in der Weise, daß in das Gehäuse senkrecht zu dessen Längsachse eingesetzte Rundstifte tangential in eine an der Einstellvorrichtung ausgebildete Ringnut von halbkreisförmigem Querschnitt eingreifen oder daß eine von der Einstellvorrichtung und dem Gehäuse gemeinsam gebildete Ringnut kreisförmigen Querschnitts mit Kugeln gefüllt ist, die über eine beispielsweise mit einer Schraube verschließbare im Gebiuse ■vorgesehene radiale Bohrung eingebracht werden. Zweckmäßigerweise sollte dabei die beispielsweise mittels eines Gewindes oder auch mittels einer in eine Steuerkurve eingreifenden Nase vorgenommene Verbindung zwischen dem Tauchrohr und der Einstellvorrichtung so ausgelegt sein, daß das Verbindungselement eine selbsthemir.ende Wirkung besitzt, so daß eine zusätzliche Sicherung der Einstellvorrichtung gegen unbeabsichtigtes Verdrehen infolge der auf das Tauchrohr ausgeübten Druckkräfte sich erübrigt.
. Für die einwandfreie Funktion der Einrichtung ist es von erheblicher Bedeutung, daß das Tauchrohr mit möglichst kleinem Spiel geführt-wird, um so einerseits eine exakte leichtgängige Verschiebung· und anderer-,seits eine sichere· Abdichtung gegenüber dem Medium, 'dessen Temperatur gemessen werden soll —. im nachfolgenden kurz als »Betriebsmedium« bezeichnet — zu ermöglichen, wobei der letzteren Forderung um so leichter genügt-werden kann, je höher die Zähigkeit des 'Betriebsmediums ist. Sofern die Einrichtung auch bei 'höheren'Temperaturen Anwendung finden soll, muß bei der Auswahl der Materialien für die ineinandergieitenden Teile zudem beachtet werden, daß deren Wärmeausdehnung nicht zu unterschiedlich ist, um ein Verklemmen oder Verkamen des Tauchrohres infolge zu großer Spieländerung zu vermeiden. Außerdem ist von dem Material dieser Teile wie auch gegebenenfalls.. der übrigen Teile zu fordern, daß sie zi>m einen, je nach den auftretenden Drücken und Temperaturen, eine-60 ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen und daß sie sich zum anderen, soweit sie mit dem Betriebsmedium in Berührung kommen oder kommen könnten, gegenüber diesem neutral verhalten.

Der als Thermoelement oder Halbleiter-Wider- <>.s Standsthermometer ausgebildete Temperaturfühler wird mittels eines neutralen Klebers, Kittes, Lotes od. dsl. elektrisch und gegebenenfalls auch thermisch isoliert am freien, in das Betriebsmedium hineinragende Ende des Tauchrohres dicht und auch bei höheren Temperaturen der mechanischen Beanspruchung standhaltend angeordnet, wobei die isolierten elektrischen Zuleitungen durch das Tauchrohr und durch einen am anderen Ende vorgesehenen, eine entsprechende Durchbrechung aufweisenden Verschlußpfropfen oder -deckel hindurch zu einem Anzeigeinstrument geführt werden.

Eine wesentliche Voraussetzung für die axiale Verschiebbarkeit des Tauchrohres mittels der Einstellvorrichtung ist, daß das Tauchrohr innerhalb des Gehäuses gegen Verdrehen gesichert ist, was etwa in der Weise geschehen kann, daß das auf einem Teil seiner Länge mit einem von der Kreisform abweichenden, beispielsweise quadratischen. Querschnitt ausgebildete Tauchrohr in einem Gehäuse, das einen dazu korrespondierenden lichten Querschnitt aufweist, geführt ist. Vorteilhafter im Hinblick auf eine rationelle Fertigung ist es jedoch, wenn statt dessen in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung das im wesentlichen kreiszylindrische Tauchrohr auf seiner Außenfläche mit einer, gegebenenfalls aber auch mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten Längsnuten versehen wird, in die eine an der Gehäuseinnenwand, gegebenenfalls lösbar, angeordnete Nase, beispielsweise ein Gewindestift, eingreift. Darüber hinaus ermöglicht es eine derartige Ausbildung aber auch, das Tauchrohr nach Herausschrauben des Gewindestiftes um bestimmte, durch den Nutenabstand festgelegte Winkel gegenüber dem Gehäuse zu verdrehen, was dann von Bedeutung ■st, wenn der Temperaturfühler nicht innerhalb der Achse des Taucrirohres angeordnet ist.

Vielfach wird es sich aus Gründen der mechanischen Festigkeit oder auch der chemischen Neutralität als zweckmäßig erweisen, das Tauchrohr aus Metall, beispielsweise aus Stahl, zu fertigen. Um auch in diesen Fällen durch Wärmeaustausch mit der Umgebung bedingte Meßfehler möglichst klein zu halten, ist es vorteilhaft, das Tauchrohr gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung aus zwei Teilen herzustellen, die miteinander unter Einschaltung eines Zwischsnstükkes geringer Wärmeleitfähigkeit durch Kleben, Schrauben od. dgl, verbunden werden.

Ebenfalls im Sinne einer Erhöhung der Meßgenauigkeit wirkt es sich aus, wenn das Tauchrohr.in weiterer Ausgestaltung der Erfindung im Bereich des befestigungsseitigen Gehäuseendes im Durchmesser verringert wird'und dort in einer Buchse mit geringem Spiel geführt wird. Abgesehen von der Verringerung der abgeführten Wärmemenge infolge einer Verkleinerung des wärmeleitenden Querschnittes bietet diese Maßnahme noch den weiteren Vorteil, daß damit zum einen auch die mechanische Beanspruchung des Tauchrohres auf Biegung und Druck verringert wird und zum anderen auch der für die einwandfreie Verschiebbarkeit des Tauchrohres im Gehäuse unerläßliche Ringspalt im Durchmesser kleiner wird, was an sicn bereits eine verbesserte Abdichtung gewährleistet, außerdem aber die Möglichkeit noch kleinerer Spaltbreiten bei gleichen, für die Verschiebung erforderlichen Kräften eröffnet. Um im letzteren Fälle, d. h. bei sehr kleinem Spiel gegenüber der Buchse, unerwünschte Wärmebrükken zu vermeiden, kann die Buchse aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden.

Eine weitere Verbesserung der Meßgenauigkeit läßt sich schließlich noch dadurch erzielen, daß das Tauchrohr im Bereiche seines freien Endes hakenförmig

gekrümmt ausgebildet wird, wobei die Anordnung so gewählt wird, daß der abgewinkelte Teil des Tauchrohres annähernd parallel zu den Stromlinien verläuft und der am äußersten Ende des Hakens angeordnete Temperaturfühler von dem Betriebsmedium als erstes s angeströmt wird, so daß auch bei stark ausgeprägtem Temperaturprofil sich wenigstens der Temperaturfühler und ein daran anschließender mehr oder weniger langer Teil des Hakens auf gleicher oder doch nahezu gleicher Temperatur befinden und demzufolge eine durch ι ο Wärmeleitung bedingte Verfälschung des Meßergebnisses infolge des praktisch nicht vorhandenen Temperaturgefälles vermieden wird. Dabei sollte der mit den Stromlinien zusammenfallende Bereich des Hakens um so langer ausgebildet werden, je größer die Temperatur unterschiede in dem Betriebsmedium sind, wobei als obere Grenze für die Hakenlänge zu beachten ist, daß das Tauchrohr noch durch die in der Kanalwand dafür vorgesehene Bohrung hindurchführbar sein muß.

Da dif Abdichtung zwischen dem Gehäuse und der Kanalwand mittels sich mehr oder weniger stark zusammendrückender Dichtungsringe aus dafür geeignetem Material erfolgt, wird das Tauchrohr im Bereich der Einstellvorrichtung zweckmäßigerweise mit einer die Richtung des Hakens anzeigenden Markierung versehen, um bei an der Kanalwand befestigtem bzw. in diese eingeschraubtem Gehäuse die tatsächliche Stellung des Hakens im Strömungskanal erkennen zu können, die dann gegebenenfalls — wie vorstehend bereits erläutert — nach Lösen des in der Gehäusewand vorgesehenen Gewindestiftes durch Verdrehen des Tauchrohres korrigiert werden kann.

Eine unbedingte Voraussetzung für reproduzierbare Messungen ist die eindeutige Zuordnung zwischen Meßstelle und Meßgröße, was einfach und dennoch sehr genau möglich ist, wenn das Tauchrohr und die Einstellvorrichtung mit einer die Eintauchtiefe des Temperaturfühlers, beispielsweise nach Art einer Mikrometerschraube, anzeigenden Markierung versehen werden.

Selbstverständlich ist das Verschieben des Tauchrohres im Kanalquerschnitt insbesondere dann mit der gebotenen Vorsicht vorzunehmen, wenn der Tempera turfühler in die Nähe der Kanalwand kommt, um ein Verbiegen oder eine Beschädigung des Fühlers durch gewaltsames Anpressen gegen die Kanalwand zu vermeiden. Dazu erweist es sich als zweckmäßig, die jeweils zulässigen Endstellungen des Tauchrohres, die nach dem Einbau der Meßvorrichtung leicht durch einmaliges vorsichtiges Verschieben des Tauchrohres über deir ganzen Strömungsquerschnitt bestimmt werden können, der die Eintauchtiefe anzeigenden Markierung deutlich sichtbar zuzuordnen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt und wird an Hand dieses im folgenden noch näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Temperatur

meßeinrichtung mit verschiebbarem hakenförmigem Tauchrohrund

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Strömungskanal mit darin eingeschraubter, in der Ansicht dargestellter Temperaturmeßeinrichtung.

Gemäß Fig. 1 ist innerhalb des am einen Ende ein Außengewinde 2 und am anderen Ende einen zum Ansetzen eines Einschraubwerkzeuges vorgesehenen Außensechskant 3 aufweisenden, im wesentlichen zylindrischen Gehäuses 1 ein zwei Teile 4 und 5 aufweisendes Tauchrohr von kreiszylindrischem Querschnitt angeordnet, dessen hinteres Teil 4 so bemessen ist, daß es im Gehäuse 1 mit geringem Spiel geführt ist. Über ein Außengewinde 6 ist das Teil 4 mit einer als Handrad ausgebildeten Einstellvorrichtung 7, die im Gehäuse I drehbar, jedoch infolge der tangential eingesetzten Rundstifte 8 axial unverschiebbar gelagert ist, verbunden und mittels dieser axial verschiebbar. Das gegenüber dem Teil 4 im Durchmesser verringerte Teil 5 ist mit dem ersteren über ein aus einer Mischung eines Duroplasten mit Asbest hergestelltes Zwischenstück 9 mittels Araldit, einem Zweikomponentenkleber auf Epoxydharzbasis, verbunden und am befestigungsseitigen Gehäuseende in einer aus dem gleichen Material hergestellten Buchse tO geführt, die in ein mit dem Gehäuse ebenfalls durch Kleben verbundenes becherförmiges Gehäuse 11 eingesetzt und gegebenenfalls auch mit diesem verklebt ist. An dem aus dem Gehäuse 1 herausragenden Ende ist das Teil 5 hakenförmig abgebogen und an seiner äußersten Spitze mittels Araldit mit einem Thermoelement 12 versehen, dessen isolierte Zuleitungsdrähte durch das Innere des Tauchrohres und durch nicht gezeigte Durchbrechungen des am anderen Ende angeordneten Verschlußdek- kels 13 zu einem ebenfalls nicht gezeigten Anzeigeinstrument geführt sind. Gleichfalls nicht dargestellt ist die auf dem Teil 4 angebrachte Markierung für die Bestimmung der Eintauchtiefe des Tauchrohres sowie die Markierung für die Angabe der Hakenrichtung, die entweder ebenfalls auf dem Teil 4 oder aber auch auf dem Verschlußdeckel 13, der dann in das Teil 4 orientiert einzusetzen ist, angebracht sein kann, so daß man die Möglichkeit hat, den Haken gegenüber der Strömung des Betriebsmediums mehr oder weniger genau auszurichten, indem das Tauchrohr nach Lösen des im Gehäuse 1 radial angeordneten und in die in dem Teil 4 ausgebildeten Längsnuten 14 eingreifenden Gewindestiftes 15 um ein durch den Abstand der einzelnen Nuten 14 bestimmten Winkel verdreht wird.

In der F i g. 2, in der für dieselben Teile wie m F i g. 1 auch dieselben Bezugszeichen verwendet wurden, ist das in der Ansicht gezeigte Gehäuse 1 mittels des Außengewindes 2 unter Verwendung eines Dichtungsringes 16 in die in der Kanalwand 17 dafür vorgesehene Bohrung eingeschraubt und das Tauchrohr so ausgerichtet daß der Haken mit dem an der Spitze angeordneten Thermoelement 12 stromaufwärts zeigt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Messen von Temperaturen in strömenden Medien, mit einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse, dessen eines Ende eine Befestigungsvorrichtung aufweist, und mit einem darin axial verschiebbar geführten und an dem befestigungsseitigen Gehäuseende herausragenden Tauchrohr, das an seinem freien Ende hakenförmig ι ο gekrümmt ist und einen als Thermoelement oder Halbleiter-Widerstandsthermometer ausgebildeten Temperaturfühler aufweist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale zur Durchführung von Messungen in hochviskosen Schmelzen, daß

a) das Tauchrohr (4, 5) gegen Drehbewegungen relativ zum Gehäuse (1) gesichert und über ein Gewinde (6) mit einer Einstellvorrichtung (7) verbunden ist, die am anderen Gehäuseende drehbar, jedoch axial unverschieblich angeordnet ist,

b) daß das im wesentlichen kreiszylindrische Tauchrohr (4, 5) auf seiner Außenfläche mit einer oder auch mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten Längsnuten (14) versehen ist.

in die eine an der Gehäuseinnenwand angeordnete Nase (15) eingreift

c) daß das Tauchrohr (4, 5) aus zwei unter Verwendung eines Zwischenstückes (9) geringer Wärmeleitfähigkeit verbundenen Teilen (4,

5) besteht und

d) daß das Tauchrohr (4, S) im Bereich des befestigungsseitigen Gehäuseendes gegenüber dem Gehäuse (1) im Durchmesser verringert ist und dort in einer aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit hefgestellten Buchse (10)-: mit geringem Spiel geführt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchrohr (4, 5) im Bereich der

* Einstellvorrichtung (7) "mit einer die Richtung des * Hakens anzeigenden Markierung versehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchrohr (4, 5) und die Einstellvorrichtung (7) mit einer die Eintauchtiefe des Temperaturfühlers (12), beispielsweise nach Art einer Mikrometerschraube, anzeigenden Markierung versehen sind.