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Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur eines an einer Wand vorbeifließenden
Stoffstromes Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Elrtitxlung der Grenzschicht-Temperatur-
eines an einer Wand vorbeiströmenden Stoffstromes, insbesondere eines solchen mit
geringer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise eines plastifizierten Kunst stoffes.
Die Vorrichtung soll vorzugsweise bei der Messung der Massetemperatur in Extrudern,
illsbesondere in der Schneckenzonej eingesetzt werden können.
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Es ist bekannt, Thermoelemente oder andere geeignete Meßwertgeber
in die Wand, beispielsweise in die Zylinderwand eines Extruders, einzubauen. Die
Meßwerte werden trotz der den Meßwertgeber umgebenden Isolierungen durch die Temperatur
des umgebenden Wandbereichs, die verschieden von der Temperatur des strömenden Gutes
ist, verfälscht0 Der Fehler der Meßergebnisse entsteht dadurch, daß beispielsweise
bei plastifizierten Kunststoffen infolge ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit der Wärmeübergang
zwischen Stoffstrom und Meßwertgeber verhältnismäßig klein gegenüber der Wärmeleitung
zwischen Meßwertgeber und umgebender Wand sein kann. Mit Hilfe derart angeordneter
Meßwertgeber kann man bestimmte ArDeitsbedingungen, z. B. die Heizung oder Kühlung
gewisser Wandbereiche, über empirisch ermittelte Sollwerte regeln0 Eine Messung
der tatsächlichen Temperatur des strö melden Gutes ist bei einer solchen Anordnung
Jedoch im allgemeinen nicht möglich.
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Auch Vorrichtungen mit Thermoelementen oder ähnlichen Meßwertgebern
zur Messung der Temperatur von strömenden Massen geringer Wärmeleitfähigkeit sind
bereits bekannt. Solche TemperaturfUhler ragen mehr oder weniger weit in die strUmende
Masse hinein oder sind quer zum Massenfluß angeordnet. In Jedem Falle können sie
an
Stellen an denen eine Grenzschichttemperaturmessung durchgeftihrt werden soll, nicht
eingesetzt werden. Außerdem storen sie den Strungsfluß. Auch ist ihre mechanische
Haltbarkeit, insbesondere in hochviskosen Massen, nicht immer zufriedenstellend.
Schließlich sind sie in Vorrichtungen mit bewegten Werkzeugteilen, beispielsweise
im Zylinder von Extrudern im Bereich der Extruderschnekke, nicht verwendbar, da
sie hier durch die Extruderschnecke abgeschert werden wUrden.
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Zu diesen bekannten, in den Massestrom hineinragenden Temperaturfühlern
gehört auch eine AusführungsformJ welche zwei Thermoelemente enthält, von denen
eines an der Spitze des Meßfühlers und das andere in einer bestimmten Entfernung
vom ersten an einem Halter angeordnet ist. Der Schaft des Halters ist zwischen diesem
zweiten Thermoelement und der Wand beheizbar, so daß der WärmeabfluB über den Schaft
kompensiert werden kann. Daudr1ch soll eine genauere Messung ermöglicht werden.
Auch bei diesem Meßgerät werden die oben beschriebenen Nachteile nicht vermieden.
Es ist insbesondere auch nicht zur Messung der Grenzschichttemperatur der Masse
in unmittelbarer Nähe der Wand geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Temperatur insbesondere
der Grenzschicht eines an einer Wand vorbeifließenden Stoffstromes genau und schnell
zu messen, ohne daß die Strdmung gestört wird, und ohne daß die Temperaturmessung
von der in der beheizten oder gekühlten Wand herrschenden räumlichen Temperaturverteilung
beeinflußt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine in eine Bohrung der
Wand einzusetzende Meßvorrichtung gelöst, die sich dadurch auszeichnet, daß der
die Temperatur des an der Wand vorbeifließenden Stoffstromes messende Meßwertgeber
innerhalb eines heiz- und/oder kühlbaren Zwischenstückes in oder an einer dUnnen
Platte aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist und daß sich zwischen
der mit dem Meßwertgeber verbundenen dünnen Platte und dem
Zwiscllensttlck
sowie zwischen dem Zwischensttick und dem Außenmantel der Meßvorrichtung Je eine
thermische Isolierung befinden und die dem Stoffstrom zugewendeuten Flächen der
dUnnen Platte, des Zwischenstücks und der Isolierungen mit der Wandoberfläche fluchten,
und daß weiterhin ftr die Optimierung der Temperaturdifferenz zwischen dem Meßwertgeber
und dem ZwischenstUok durch Regulierung der Heizung und/oder KUnlung mindestens
ein weiterer Meßwertgeber bzw. ein Thermoelement am ZwischenstUck angeordnet ist.
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Das Zwischenstück besitzt in besonders vorteilhaften AusfUhrungarormen,
die sich dadurch auszeichnen, daß sie geringe Durchmesser haben können, in axialer
Richtung eine vorzugsweise verengte Verllingerig, welche von einer Heizspirale umgeben
ist, die zur Beheizung des gesamten Zwischenstücks dient, wenn die Meßvorrlchtung
in einer Wand sitzt, die kUhler ist als der zu messende Stoffe Falls die Meßvorrichtung
in einer Wand angeordnet werden soll, deren Temperatur höher ist als die des zu
messenden Stoffes, kann die VerlSngerung des Zwischenstücks mit einer Kühleinrichtung,
beispielsweise einem Peltoneloment, verbunden sein.
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Bei einer weiteren Abwandlung der Meßvorrichtung kann eX zweckmäßig
sein, das ZwischenstUck mit einem Rohrsystem außzurUsten oder zu verbinden, durch
welches Heiz- oder KWhlmittel strSmen.
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Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausführungsform herausgestellt,
die sowohl das vorerwähnte Rohrsystem enthält, als auch eine elektrische Heizspirale
für die Beheizung des Zwischenstückes besitzt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es zweckmäßig sein, unabhängig
von dem Meßwertgeber zwei Thenmoelemente zur Erfassung der Temperaturdifferenz zwischen
Meßstelle und Zwischenstück zu benutzen, von denen eines an oder in der deren Platte
und das andere an einer geeigneten Stelle des Zwischenstücks angeordnet
ist.
Diese Anordnung vereinfacht die Schaltung zur Regelung der Heizung und KUhlung.
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Ausfuhrungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden an Hand
der schematischen Zeichnungen beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine beheizbare MeBvorrichtung
Fig. 2 einen Schnitt durch eine heiz- und kühlbare Meßvorrlchtung.
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Ein Meßwertgeberi, beispielsweise ein Thermoelement, ist möglichst
nahe an dem strömenden Stoff vorteilhaiterweise an einer dünnen Platte 4 angebracht.
Dabei füllt die Lötstelle des Thermoelementes 1 eine Bohrung in der dünnen Platte
4 vollständig aus. Diese dünne Platte 4 besteht aus einem Material hoher Wäneleitfähigkeit
und ist beispielsweise aus Silber. Die dünne Platte 4 ist in eine innere Isolierung
6 eingebettet, welche von dem Zwischenstück 5 umgeben ist.
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Das Zwischenstück 5 besitzt eine Verlängerung 15, welche bei dem dargestellten
Ausftihrungsbeispiel von einer Heizspirale 9 umgeben ist und durch diese erwärmt
werden kann. Außerhalb des Zwischenstückes 5 und der Heizspirale 9 befindet sich
eine äußere Isolierung 7, und diese ist in einem Außenmantel 8 der Meßvorrichtung
angeordnet. Die Isolierungen 6 und 7 bestehen zweckmäßigerweise aus einem Silikon-Glasfaser-tlaterial.
Die Zuleitungen zu der Heizspirale 9 sind mit 12 bezeichnet. Der Außenmantel 8 ist
mittels eines Schraubgewindes 13 in die Wand 10 eingeschraubt.
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Zwischen.dem Meßwertgeber 1 und den verschiedenen Punkten der umgebenden
Wand 10 besteht ein räwnliches Wäxnefälle, welches von in der Wand angeordneten
Heiz- undjoder KUhleinrichtungen abhdngig ist. Um eine Beeinflussung des durch den
Meßwertgeber 1 ermittelten Wertes durch dieses Wärmegefälle zu vermeiden, wird das
die Meßstelle umgebende Zwischenstück 5 durch die Heizspirale 9 möglichst auf dieselbe
Temperatur erwärmt, die in der Meßstelle vorliegt. FUr die Steuerung der Hcizspirale
9 ist daher am Zwischenstück 5 noch ein zweiter
Meßwertgeber 2 angeordnet.
Durch das Zusammenwirken der Meßwertgeber 1 und 2 wird mittels einer nicht dargestellten
Schalteinrichtung erreicht, daß die Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Meßwertgebern
ein Optimum erreicht.
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Dieses Optimum ist normalerweise der Wert Null. Konstruktive Gesichtspunkte
bei der Gestaltung der Meßvorrichtung können es jedoch erforderlich machen, daß
der Meßwertgeber 2 an einer Stelle angeordnet werden muß, die eine geringe Temperaturdifferenz
zwischen den Meßwertgebern 1 und 2 erfordert. Diese Temperaturdifferenz ist ein
empirisch zu ermit-telnder Sollwert, welcher bei ausgeführten Vorrichtungen weniger
als ca. 10 C betragen hat und in einem weiten Meßbereich konstant blieb.
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In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es
zur Erleichterung dieser Schaltung zweckmaßig sein, neben dem die Temperatur messenden
Meßwertgeber 1 einen weiteren Meßwertgeber 3 anzuordnen und die beiden Meßwertgeber
2 und 3 für die Regelung der Heizleistung über die Heizspirale 9 zu benutzen.
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Die dem Stoffstrom zugewendeten Flächen der dünnen Platte 4, des Zwischenstückes
5, der Isolierschichten 6 und 7 sowie des Außenmantels 8 fluchten mit der Wandoberfläche
11, Hierdurch wird ein Wärmefluß zwischen der Meßstelle und den benachbarten Teilen
der Wandoberfläche verhindert und zugleich eine Störung der Strömung in der Grenzschicht
vermieden.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, welche
in einer Wand angeordnet werden kann, deren Temperatur im wesentlichen niedriger
als die des an ihr entlangströmenden Stoffes ist0 Eirre Ausfühzxulgsfo-rm, bei der
das Zwischenstück wechselweise beheizt und gekühlt werden kann, ist in der schematischen
Zeichnung Fig. 2 dargestellt.
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Durch ein zentrisches Rohr i4 wird das Heiz- bzw. Kühlmedium dem Zwischenstück
5
zugeleitet und über den Ringraum zwischen den zentrisch angeordneten Rohren 14 und
16 wieder abgefUhrt. Die Regelung der Beheizung oder Kühlung des Zwischenstücks
5 erfolgt wiederum über den Meßwertgeber 2, und die Temperatur-.
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differenz zwischen den beiden Meßwertgebern 1 und 2 kann mittels einer
nicht dargestellten, bekannten Schalteinrichtung auf einen von der konstruktiven
Gestaltung abhängigen Sollwert eingestellt werden, der auch Null sein kann. Auch
hier kann es zweckmäßig sein, neben dem die Temperatur messenden Meßwertgeber 1
einen weiteren Meßwertgeber 3 anzuordnen, der zusamnen mit dem Meßwertgeber 2 die
Beheizung oder Kühlung des Zwischenstücks 5 regelt.
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Der Betrieb der Vorrichtung gemaß Fig. 2 kann in erfindungsgemäßer
Weise dadurch erfolgen, daß das Rohrsystem 14, 16 von einem Kinilmittel, z. B. Luft,
mit konstantem Durchsatz durchströmt wird. Dabei ist die Eintrittstemperatur dieses
KUhlmittels grundsätzlich niedriger als die an-der Meßstelle und vorzugsweise konstant.
Durch die dieser Kühlung entgegenwirkende Beheizung des Zwischenstücks 5, die gegebenenfalls
auch das Kühlmittel beeinflussen kann, läßt sich das gewünschte' Optimum der Temperaturdifferenz
leicht und schnell einstellen.
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Auf diese Weise können Temperaturen des Stoffstromes und auch plötzliche
Temperaturänderungen desselben in einfacher Weise gemessen werden, wobei die Temperatur
des Stoffstromes entweder höher oder niedriger als die der Umgebung sein kann.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann Jede Beeinflussung des
Meßwertes durch das schwer zu erfassende Wärmegefälle in der Wand 10 dadurch verhindert
werden, daß Wärme strömungen in die oder aus der Meßstelle durch Beheizung oder
Kühlung des Zwischenstücks 5 ausgeglichen werden. Sie kann infolge ihrer gedrängten
Bauweise mit ausreichender Festigkeit ausgeführt werden, so daß sie selbst bei Strömungen
mit hohem Druck verwendet werden kann. Der Außendurchmesser des Außenmantels 8 braucht
nur wenige Millimeter zu betragen, ohne daß
eine Beeinflussung der
Meßstelle 1 durch die benachbarte Wand eintritt. Die mit dem Meßwertgeber 1 verbundene
dünne Platte 4 schUtzt nicht nur den Meßwertgeber 1 vor mechanischer Beschädigung,
sondern trägt auch wegen ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit dazu bei, daß die Temperaturänderungen
des Stoffstromes schnell an den Meßwertgeber übertragen werden. Auch das Zwischenstück
5 besteht vorzugEaJelse aus einem Material hoher Wanneleitfähigkeit. Auf Grund dieser
Vorteile eignet sich die Meßvorrichtung sehr gut zum Messen der Temperatur des plastifizierten
Kunststoffes in Extrudern und kann insbesondere auch die Temperatur dieses Kunststoffes
in der Schneckenzone des Extruders ermit-.
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teln. Ihre Verwendung ist Jedoch nicht auf dieses Gebiet beschränkt.
Sie kann beispielsweise auch in Rohrleitungen oder in angeströmte Flächen eingesetzt
werden.