DE1813330A1 - Verfahren und Einrichtung zum fortlaufenden Messen der Temperatur an Metallstraengen,nsbesondere an Stahlgiessstraengen - Google Patents

Description

DEMAG Aktiengesellschaft 26. November 1968

41 Duisburg 5391/DST - Pl/Schi

Wolfgang-Reuter-Platz

Verfahren und Einrichtung zum fortlaufenden Messen der Temperatur an Metallsträngen, insbesondere an Stahlgleßsträngen_

Erfindung beschäftigt sich mit einem Verfahren und einer besonders zweckmäßigen Einrichtung zum Ausüben des Verfahrens zum fortlaufenden Messen der Temperatur an Metallsträngen, insbesonder an Stahlgießsträngen und an solchen, die aus der Gießhitze heraus einer Querschnittsreduktion unterzogen werden.

Oberflächentemperaturen können ab etwa 700° C ohne größeren Aufwand bis in den Bereich von ca. 2000° C auf dem Weg der Strahlungspyrometrie gemessen werden. Das sich im Zustand der Bewegung befindliche Meßobjekt bereitet nur insofern Schwierigkeiten als seine Oberfläche zunderbehaftet ist. Strahlungspyrometrisch gemessene Temperaturen an Metallsträngen in Walzwerksanlagen sind demnach nicht immer verzerrungsfrei wiedergegeben. In der gesamten Technik besitzt eine Einrichtung für bestimmte Zwecke bestimmte Qualitäten. Darüber hinausgehende Anforderungen an die Einrichtung liegen nicht mehr im Einsatzbereich derselben Einrichtung. Bei der Oberflächentemperaturmessung von Blech liegen die Unterschiede zum Inneren nicht so stark unterschiedlich, als daß man nicht von der Außen- auf die Innentemperatur schließen könnte. Sofern die mittlere Temperatur also im Bereich des für strahlungspyrometrische Messungen Günstigen liegt, ist der Einsatz solcher Meßverfahren zu bejahen. 009833/0808

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Unterliegt schon jedes mit Oberflächenzunder behaftete Meßobjekt einem natürlichen Zwang, ständig in kleineren Bereichen die Oberflächentemperaturen zu wechseln, sind die Verhältnisse im Inneren bei großen Kernquerschnittsflächen noch schwieriger. Diese Fälle treten in Walzwerken an Blockstraßen auf, wo in die kalten Brammen Löcher gebohrt werden, in die man speziell ausgebildete Thermoelemente führt, die später während der Erwärmung im Stoßofen erlauben, eine für den Walzprozeß wichtige unterschiedliche Erwärmung an Ober- und Unterseite durchzuführen. Hier und an anderen Strängen kommt es auf das sogenannte Temperaturprofil an, das heißt, auf den Temperatursprung von innen nach außen.

Das prägnanteste Beispiel solcher Temperaturunterschiede bietet ein Gießstrang, der in einer Metallstranggießanlage erzeugt wird und von dieser Gattung insbesondere Stahlgießstränge jeglicher chemischer Zusammensetzung, au·- legierter Stähle, also Edelstahle.

Die im Strang herrschende Temperatur bildet den Ausgangspunkt für das Lösen in der Durchlaufgießform, für das Biegen und Führen und damit das Transportieren des Stranges, für das Richten, sofern es sich um eine Bogen- bzw. Abbiege-Richtanlage handelt. Im erhöhten Maß jedoch erscheint die Wichtigkeit des Temperaturprofils beim Strangverformen;wegen der stark unterschiedlichen Temperaturen - der Zustand reicht vom festen über eine Mischzone fest/flüssig bis zum flüssigen Werkstoff - kann völlig unbedenklich eine Verformung erst dann durchgeführt werden, wenn sich der gesarate Querschnitt im Warmverformbarkeitsbereich befindet, wie beispielsweise das Material In den Warmwalzwerken.

Wenn auch ein vollkommen ausgeglichen verlaufendes Temperaturprofil kaum erreicht werden kann, so bildet ztinächst die Kenntnis des tatsächlichen Temperaturverlaufs Voraussetzung für weitere Maßnahmen. Beim Stranggießen hat man versucht, durch Rechnung und pyrometrische Messung die Länge des

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Sumpfes des flüssigen Strangkernes zu bestimmen. Das im Inneren gespeicherte Wärmepotentiel erfährt zwar durch den äußeren, bereits erstarrten Teil eine wesentliche Dämpfung, es kann jedoch davon ausgegangen werden, daß, wenn das innere hohe Potential fehlen würde, auch die Strangschale nicht in dem Maße aufgeheizt sein könnte. Die Größe des inneren Wärmepofentials bestimmt deshalb Übe*¹ ein "f'hersetzunpsverhMl^.nis" die Temperatur der Strnnp;S'-hale Hinzu kommt ein Faktor, der sirh nach der chemis-nen Zusammense'zung des Gießverkstof'es rirhtet worin aloO Unterschiede in der Wärme IeI^.fMhigkei* des bereits erstarrten Teils zu erblicken sind Da sich die Wärmelei· fähipkei' eines Stoffes zusätzlich mit seinem Temperatu-be^eirh ändert. wäre auch dieser Gesichtspunkt zu berlleksich⁴- igen, es sei denn, es stellt sich nach einige;* Zeit ein stationärer Zustand ein und die Temperaturmessung erfolgt an ein und derselben Stelle des Stranges.

Das pyrometrische Meßverfahren baut in seinem Wesen auf der vom erhitzten Körper ausgesandten Strahlung auf. Es mißt also die Oberflächentemperatur. Die Temperatur der unter der Zunderschicht liegenden Schicht kann davon erheblich abweichen. Die Zunderschicht kann auch ungleichmäßig dick sein. Unter der Zunderschicht können auch Hohlräume liegen. Die Oxydhäute können Je nach Bildungsbedingungen verschieden großes Strahlungsvermögen besitzen. An der Grenzschicht Oxyd-Metall herrechen besonders schwierige Bedingungen des Wärmedurchganges. Eichungen können diese Fehler nur in Grenzen ausschalten.

Andere wärmetechnische Messungen sind in hohem Maße von Fehlerquellen abhängig, weil eine gewünschte Leitung und Führung des Wärtneträgers ohne Berührung nicht stattfinden kann, bei Berührung aber in den meisten Fällen eine derartige Wärmeableitung stattfindet, daß das Meßergebnis entscheidend verfälscht wird.

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Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, das fortlaufende Messen von Temperaturen an Metallsträngen, insbesondere an Stahlgießsträngen, durchzuführen. Die besondere Schwierigkeit liegt darin, am bewegten Strang arbeiten zu müssen und außerdem darin, das Problem der Zunderschicht lösen zu müssen und schließlich besteht eine bisher unüberwindbare Schwierigkeit darin, daß das übermitteln der gemessenen Werte kaum möglich ist.

Erfindungsgemäß wird zur Beseitigung der Gesamtheit aller erwähnten Schwierigkeiten vorgeschlagen, daß an mindestens einer Stelle des Strangweges und an mindestens einer Querschnittsseite des Stranges eine am Strang abrollende Walze längere Zeit in Berührung gebracht wird und die in die Walze strömende Wärmemenge bzw. die sich einstellende Temperatur gemessen und Meßwerte fortlaufend per Draht oder drahtlos an eine Empfangsstation gegeben werden, wonach diese das Regeln in einer das Abgießen steuernden Gießspiegelregeleinrichtung und/oder das Transportieren durch die Transportmaschine und/oder das Regeln des Walzenanstellens für das Strangverformen beeinflussen. Eine solche Walze kann in mannigfacher Art in Kontakt mit dem Strang gebracht werden. Es ist möglich, damit die Zunderschicht zusammenzudrücken, um dann im direkten Kontakt mit dem Strang die Temperatur abzunehmen. Nach einer gewissen Anlaufzeit stellt sich dabei eine genau Temperatur ein, wobei keine weitere Verzögerung der Messung in Kauf genommen zu werden braucht, weil durch die drahtlose Übertragung die Meßwerte verzögerungsfrei an die sie aufnehmende Station gesendet werden können. Im Gegensatz zum Stand der Technik können also in geringerem Umfang mit Fehlern behaftete Regelgrößen herangezogen werden, um die gesamte Anlage zu steuern. Die Vorteile hinsichtlich des Abgießens, Kühlens, Transportierens und Richten« bzw. Verformens des Stranges sind beträchtlich.

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In einer Ausgestaltungsform des methodischen Vorgehens gemäß der Erfindung wird an einer Mehrzahl von Meßstellen gemessen und deren Meßwerte werden einer Recheneinrichtung zugeführt, in der ein Vergleich mit fixen Daten des Gießwerkstoffes und der Anlage stattfindet, wonach mit den erhaltenen Endresultaten Einflüsse auf das Abgießen und/oder Transportieren und/oder Kühlen und/oder Verformen ausgeübt werden. Das Verwerten der erhaltenen Meßwerte in derart datenverarbeitenden Einrichtungen gestattet, den Komplex der einzelnen Einflußgrößen besser zu behandeln als dies bisher geschieht.

Es ist ferner vorteilhaft, daß die Meßwerte mehrerer Meßstellen an eine einzige zentrale Empfängerstation übertragen werden. Die jeweilig richtigste Meßgröße laßt sich leichter ermitteln und kann als selektiver Wert dazu dienen, Hauptdaten, wie beispielsweise die Gießgeschwindigkeit, entscheidend zu regulieren.

Eine besonders zweckmäßige Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gestattet die Erfindung nunmehr derart vorzusehen, indem im Walzeninneren Temperaturfühler angeordnet sind, die entweder Über eine Leitstrecke mit einem mit der Walze umlaufenden Sender verbunden sind oder deren Meßwerte direkt über mit dem Temperaturfühler verbundene Energiespeicher an Sender gebbar sind, wobei die Sender zusammen mit in der Steuerzentrale der Anlage angeordneten Empfängern eine Ubertragungsstrecke innerhalb eines Anlagengebäudes bilden. Eine solche Einrichtung überbrückt nunmehr die bisherige Schwie rigkeit der Meßwertübertragung ganz einfach, indem praktisch zwei Hauptgruppen der Bauteile geschaffen sind, diejenige der Meß- und Senderstation und die zweite der Empfängerstation und der angeschlossenen Regelorgane. Während bekanntlicherweise die zweite Gruppe weitaus aufwendiger ist, ergibt sich beim Erfindungsgegenstand der Vorteil, daß die erste Gruppe aus einer minimalen Einheit besteht, die an be-

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liebiger Stelle derartiger Stränge untergebracht werden kann« ohne andere Einrichtungen zu stören, die an und für sich selbständig arbeiten. Die bisherige Anordnung von Stützwalzengerüsten, Treib- und RichtwalzengerUsten oder dergleichen, wird deshalb in keiner Weise beeinträchtigt.

Besonders günstige, und vor allen Dingen msßtechnisch interessante Stellen, die für den Ablauf des gesamten Gießvorganges wesentliche Aufschlüsse über das Verhalten der Temperaturen ergeben, lassen sich aufgruna der Erfindung nunmehr meßtechnisch leichter behandeln. Es ist deshalb nach der weiteren Erfindung vorgesehen, jeweils hinter der Durchlaufgießform, vor der Transportmasehine und vor einer Strangverformungseinheit vorgesehene Meßwalzen mit Einzelsendern anzuordnen.

Im Prinzip erfolgt die Stromversorgung eines in der Walze befindlichen Senders durch eingebaute Batterien, die beispielsweise aus aufladbaren Zellen bestehen können. Nach einem zusätzlichen Erfindungsmerkmal ist jedoch vorgesehen, eine drahtlose Stromversorgung sämtlicher in den Meßwalzen vorhandener Energiespeicher zur Speisung der Sender einzubauen.

Um das Abwandern größerer Wärmemengen, die der Wärmemessung zugrundegelegt werden sollen, zu vermeiden, werden ferner Meßwalzen vorgeschlagen, die aus Werkstoffen stark unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit bestehen, wobei Temperaturfühler in Werkstoffen hoher Leitfähigkeit eingebettet sind. Die zu messende Wärmemenge bzw. die daraus entstehende Temperatur mißt ein Temperaturfühler deshalb im vollen Wärmestrom.

Der Erfindung liegt der Vorschlag eines sieh träger-Organs zugrunde. Es versteht slch_s daß damit Eigen· helten verbunden sind, wobei eine Meßstelle am Meßfühler-

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Träger stets vom Strang wegwandert und den Strang verhältnismäßig kurzzeitig berührt. Eine solche mit der Bewegung des Stranges unlösbar verbundene Eigenheit kann zusätzliche Berücksichtigung finden, durch eine besonders geschickte Ausbildung der Meßwalze selber. Danach ist nach einem weiteren Erfindungsmerkmal vorgesehen, mehrere auf den Umfang der Meßwalze in einer Radialebene angeordnete Temperaturfühler zu verteilen, deren Zuleitungen zum Sender in Abhängigkeit der Walzenstellung zum Strang derart einschaltbar sind, daß jeweils nur diejenige Meßstelle ihren Meßwert imstande ist an den Sender weiterzugeben, deren Temperatufühler sich in nächster Nähe des Stranges befindet. Ein derart ausgebildetes Meßorgan besitzt zwei große Vorzüge. Die Meßfühler selber sind einer gro'er. Beanspruchung ausgesetzt, so daß sie, wenn sie nur kurze Zeit in der direkten Berührung mit dem Meßobjekt stehen, zwar die Temperatur fühlen können, jedoch nachher selbst so weit abkühlen, daß keine Gefahr der Zerstörung besteht. Andererseits besteht Jedoch eine Beeinträchtigung des Pühlens der Temperatur deshalb nicht, weil Jeweils eine weitere MeSstelle, die nachfolgt, den vorher gemessenen Meßwert Ubernirant. In diesem Sinne besteht also eine Aufteilung der Wärmebelastung zwischen mehreren Temperaturfühlern und eine Aufteilung der Meßarbeit auf die vorhandene Anzahl der Temperaturfühler.

Gemäß einen zusätzlichen Merkmal der Erfindung kann die Schaltung einer Vielzahl an der Meßwalze vorhandener Temperaturfühler folgendermaßen vorgenoonen werden:

Jeweils am Umfang der Meflwalze benachbarte Temperaturfühler stehen in Form einer Differenz- und/oder Kompensationsschaltung miteinander in Verbindung« so daß der eretgemeasene Wert bereite durch den nachfolgenden Temperaturfühler erfaßbar 1st.

Di· Einleitung der Wftrmeeenge, die die Temperatur bestimmt, wird ferner dadurch erleichtert, daß die Meßwalze mit VorsprUngen, wie Steckbolzen, Rippen oder dergleichen, versehen ist. ■.

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In der Zeichnung sind AusfUhrimgsbelspiele der Erfindung schematisch dargestellt und im folgenden näher erläutert, wobei weitere wesentliche Merkmale der Erfindung genauer beschrieben sind.

Fig. 1 zeigt im vertikalen Querschnitt einen senkrechten Gießstrang mit angesetzter Meßwalze.

Fig. 2 stellt einen vertikalen Querschnitt durch einen gebogenen Gießstrang mit angesetzter Meßwalze dar.

Fig. 3 1st ein Cuersehnitt durch die-Meßwalze, die an einen Gießstrang gesetzt ist«

Fig. 4 stellt eine Kompensationsschaltung der Meßfühler dar, wie sie in der Meßwalze nach den Fig. 1 bis 3 eingebaut sein kann.

Gemäß Fig. 1 wird der Gießstrang 1 in einer Durchlaufgießform 2 gebildet, in der er so weit erstarrt, daß er eine Strangschale 3 aufweist. Die Strangsehale 3 verstärkt sich bei gewöhnlichem Abkühlverfahren, wie es derzeit in Stranggießanlagen angewendet wird, etwa gleichmäßig bis zur sogenannten Sumpfspitze 4, ab welcher der Stang 1 als durcherstarrt angenommen wird, Der innere, noch flüssige Teil des Stranges 1 bis zur Sumpfspitze 4, der Strangkern 5# weist demnach stets eine höhere Temperatur auf als der übrige Teil, so daß vom Strangkern 5 Wärme in großer Menge durch die Strangschale 3 befördert werden muß. Ab einer bestimmten Stelle des Stranges, d. h. im Bereich der Sumpfspitze 4, läßt der Warmestrom soweit nach, daß er gegenüber den vorhergehenden Stellen als vermindert betrachtet werden kann. Nach der Sumpfspitze 4 befindet sich der Gießstrang 1 im Warmverformbarkeitsbereich, in dem unbedenklich eine Verformung vorgenommen werden kann. Um die erforderlichen Meßwerte der Temperatur zu erhalten, ist nunmehr Im Bereich der

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Sumpfspitze 4-die Meßwalze 6 angesetzt, die den Strang berührt und sich mit dessen Geschwindigkeit umdreht. Die Meßwalze 6 besitzt mehrere Temperativfilhler 7» die sämtlich über Leitungen 8 an einen Sender· 9 angeschlossen sind, der die Meßwerte fortlaufend oder im Takt an ein weiter nicht dargestelltes Empfangsgerät sendet. Der Sender 9 dreht sich demnach mit der Walze 6 und bedarf keines Leitungsanschlusses an irgendwelche andersgeartete Empfangseinrichtungen.

Das in Fig. 1 gezeigte AusfUhrungsbeispiel der Anordnung einer Meßwalze beinhaltet, daß nur an der Stelle 10 im Bereich der Sumpfspitze 4 die Meßwalze 6 mit dem Strang 1 in Berührung steht. Es können jedoch mehrere solcher Meßwalzen vorgesehen sein, wobei diese auch an verschiedenen Querschnittsseiten 11 und 12 des Stranges anzusetzen sind. In den Fig. 1 und 2 ist dargestellt, daß jeweils im Bereich der Sumpfspitze 4, gleichgültig ob Senkrecht- oder Bogenanlage, eine Meßwalze 6 angesetzt werden kann. Ein solches Beispiel dient jeweils speziell für die nachfolgende Verformung, die im Bereich der Sumpfspitze 4 oder danach vorgenommen werden soll. Die Erfindung eignet sich deshalb vorzüglich in ihrer Kombination mit Strangverformungsgerüsten JeglicherArt. Die von der weiter nicht dargestellten Empfangseinrichtung aufgenommenen Wert dienen also beispielsweise zur Steuerung der Anstellbewegung der Verfomungswalzen eines VerformungsgerUstes bzw. einer Hochverformungseinheit, wie beispielsweise einer Streckverformungsmaschine.

Gemäß Fig. 3 sind nunmehr die Temperaturfühler 7 im Walzeninneren 13 angeordnet, wobei diese aus Thermoelementen bestehen. Der eine Anschluß 14 der Temperaturfühler 7 liegt an einem gemeinsamen Kontaktring 15» so daß von diesem stets der Temperaturhöchstwert, der an der BerUhrungsstelle 10 gemessen wird, abnehmbar ist.

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Die Meßwalze 6 kann jedoch auch so gestaltet sein, daß der Sender 9 die Meßwerte der Temperaturfühler 7 nur dann erhält, wenn der Kontaktring 15 sich mit dem betreffenden Temperaturfühler 7 gerade einer Kontakteinrichtung 16 gegen-Uberbefindet, v/obei diese dem Strangberührungspunkt 10 gegenUber angeordnet ist. Die anderen,, bereits in den Fig. 1 und 2 bezeichneten Zuleitungen 8 sind an einen weiteren Kontaktring 17 geführt, der sowohl die Verbindung zur Energiequelle l8 als auch zum Sender 9 herstellt.

Eine diesbezügliche Schaltung geht aus Fig. 4 hervor, die als Kompensationsschaltung ausgeführt ist. Sowohl die Zuleitungen 8 als auch die Zuleitungen 14 von den Temperaturfühlern 7 sind an einen Kompensationswiderstand 19 geführt, über den ein Strom der Energiequelle l8 fließt. Die Energiequelle l8 speist ferner einen Verstärker 20, der seine Ausgangssignale an den Sender 9 weitergibt. Der Kompcnsationswiderstand 19 ist so geschaltet, daß bei seiner richtigen Einstellung kein Strom im Temperaturfühlerkreis zu fließen braucht, so daß also am Widerstand 19 selbst sofort die von den Temperaturfühlern 7 angezeigte Temperatur bei entsprechender Eichung des Gerätes abgelesen werden kann.

In Betracht gezogene Druckschriften:

"Messen und Regeln im Eisenhüttenwesen", VDI-Zeitschrift 108 (I966, Nr. 3I - Nov., Seite 1564ff).

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   1. Verfahren zum fortlaufenden Messen der Temperatur an Metallsträngen, insbesondere an Stahlgießsträngen und an solchen, die aus der Gießhitze heraus einer Querschnittsreduktion unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet,

   daß an mindestens einer Stelle des Strangweges und an mindestens einer Querschnittsseite des Stranges eine am Strang abrollende Walze längere Zeit in Berührung gebracht wird und die in die Walze strömende Wärmemenge bzw. die sich einstellende Temperatur gemessen und Meßwerte fortlaufend per Draht oder drahtlos an eine Empfangsstation gegeben werden, wonach diese das Regeln in einer das Abgießen steuernden Gießspiegelregeleinrichtung und/oder das Transportieren durch die Transportmaschine und/oder das Regeln des Walzenanetellens für das Strangverformen beeinflussen.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß an einer Mehrzahl von Meßstellen gemessen und deren Meßwerte einer Recheneinrichtung zugeführt werden, in der ein Vergleich mit fixen Daten des OieQwerkstoffes und der Anlage stattfindet, wonach mit den erhaltenen Endresultaten Einflüsse auf das Abgießen und/oder Transportieren und/oder Kühlen und/oder Verformen ausgeübt werden.

   3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Meßwerte mehrerer Meßstellen an eine einzige

   zentrale Empfängerstation übertragen werden. 0098 33/0808

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   4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3,

   gekennzeichnet durch

   im Walzeninneren (13) angeordnete Temperaturfühler (7), die entweder über eine Leitstrecke (8,14) mit einem mit der Walze (6) umlaufenden Sender (9) verbunden sind oder deren Meßwerte direkt über mit dem Temperaturfühler (7) verbundene Energiespeicher (18) an Sender (9) gebbar sind» wobei die Sender (9) zusammen mit in der Steuerzentrale der Anlage angeordneten Empfängern eine Übertragungsstrecke innerhalb eines Anlagengebäudes bilden.

   5. Einrichtung nach Anspruch 4,
   gekennzeichnet durch

   jeweils hinter-der Durehlaufgießform (2), vor der Transportmaschine und vor einer Strangverformungseinheit vorgesehene Meßwalzen (6) mit Einzelsendern (9).

   6. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, gekennzeichnet durch

   eine drahtlose Stromversorgung sämtlicher in den Meßwalzen (6) vorhandener Energiespeicher (l8) zur Speisung der Sender (9).

   7. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, gekennzeichnet durch Meßwalzen (6), die aus Werkstoffen stark unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit bestehen, wobei Temperaturfühler (7) in Werkstoffen hoher Wärmeleitfähigkeit eingebettet sind.

   8. Einrichtung nach den Ansprüchen 4,5 und 7 gekennzeichnet durch

   mehrere auf dem Umfang der Meßwalze (6) verteilt in einer Radialebene angeordnete Temperaturfühler (7),

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   deren Zuleitungen (8,l4) zum Sender (9) in Abhängigkeit der Walzenstellung zum Strang (1) derart einschaltbar sind, daß jeweils nur diejenige Meßstelle ihren Meßwert imstande ist, an den Sender weiterzugeben, deren Temperaturfühler (7) sich in nächster Nähe (10) des Stranges (1) befindet.

   9· Einrichtung nach den Ansprüchen K und 8, dadurch gekennzeichnet,

   daß jeweils am Umfang der Meßwalze (6) benachbarte Temperaturfühler (7) in Form einer Differenz- und/ oder Kompensationsschaltung (Fig. 4) miteinander in Verbindung stehen, so daß der erstgemessene Wert bereits durch den nachfolgenden Temperaturfühler (7) erfaßt ist.

   10. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Meßwalze (6) mit Vorsprüngen, wie Steckbolzen, Rippen oder dergleichen, versehen ist.

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