DE19611463A1 - Meßvorrichtung für ein gasförmiges Medium - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung für ein gasförmiges Medium nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Derartige Meßvorrichtungen werden z. B. zum Prüfen des in einem Kamin strömenden Gases verwendet, wobei insbesondere mittels der Sonde sowohl eine Temperaturerfassung des Gasstroms erfolgt, als auch eine Gasprobe entnommen werden kann.

Kritisch für die Funktionsweise einer solchen gattungsgemäßen Meßvorrichtung ist die Ansprechzeit für die Temperaturerfassung: Aufgrund von Normvorgaben hat die Tem­ peraturerfassung innerhalb eines vorbestimmten Zeitrahmens zu erfolgen, wobei derzeit vorgeschrieben ist, daß 98% der (tatsächlichen) Endtemperatur in weniger als 100 sec. er­ reicht sein muß.

Marktübliche Gasentnahmesonden, die eine solche Tempera­ turerfassung ermöglichen, erreichen - konstruktionsbedingt - diese Vorgabe nur mit Mühe: Die konventionelle Meßvor­ richtung ist nämlich mit einem langgestreckten, einen vor­ bestimmten Abstand aus einem Sondenrohr herausragenden Man­ telthermoelement zur Temperaturerfassung versehen, welches, durch am Meßkopf gebildete, mechanische Schutzbügel, nur eine stark lageabhängige und strömungsbeeinflußte Meßwerterfassung ermöglicht. Zudem besteht bei dieser be­ kannten Technologie die Gefahr, daß durch endseitige Berüh­ rung zwischen Thermoelement und Sondenrohr die Rohrtempera­ tur das Meßergebnis verfälscht, und auch eindringendes Kon­ densat bzw. sich im Sondenrohr sammelnde Flüssigkeit ver­ schlechtert zusätzlich Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Messung.

Darüber hinaus ist es natürlich wünschenswert, den für eine Temperaturmessung erforderlichen Zeitraum im Interesse ei­ ner Beschleunigung des Arbeitsverfahrens ohne Genauigkeits­ nachteile zu verkürzen, wobei i. ü. mit einer Verkürzung des entsprechenden gesetzlichen Normwertes für die An­ stiegszeit zukünftig zu rechnen sein könnte.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine ein­ gangs beschriebene, gattungsgemäße Meßvorrichtung für ein gasförmiges Medium, die eine zum temporären Einbringen in das gasförmige Medium im Endbereich eines Trägerelements vorgesehene, drahtförmige, thermoelektrische Sensoreinheit aufweist, dahingehend zu verbessern, daß sowohl die Meßge­ nauigkeit erhöht wird, als auch die zur Messung benötigte Zeit verringert werden kann und eine lageunabhängige Mes­ sung möglich ist.

Die Aufgabe wird durch die Meßvorrichtung nach dem Patent­ anspruch 1 gelöst.

Vorteilhaft erlaubt dabei die erfindungsgemäß U-förmig als Haken gebogene Sensoreinheit das Einführen in einen Kamin­ schacht od. dgl. unabhängig von einer Drehposition, so daß insoweit der Bedienungskomfort erheblich verbessert ist.

Darüber hinaus haben praktische Messungen gezeigt, daß die tatsächliche Anstiegszeit einer im erfindungsgemäßen Sinne gebogenen Sensoreinheit bis zum Erreichen bis 98%-Wertes der Endtemperatur stets unter 50 sec. liegt.

In diesem Zusammenhang ist mit der "U-Form" jegliche zwei­ schenklige, mit einem dazwischenliegenden Biegeabschnitt versehene Hakenform zu verstehen, die zwischen den das "U" ausbildenden Schenkeln einen vorbestimmten Winkel bestimmt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen beschrieben.

So ist besonders bevorzugt der Winkel zwischen dem freien Ende und dem hinlaufenden Abschnitt spitzwinklig, so daß ein über die Parallelstellung der Abschnitte hinaus in Schließrichtung gebogener Haken entsteht. Vorteilhaft kann so eine mechanisch stabile Anordnung mit hoher Meßwert­ genauigkeit erzielt werden.

Bevorzugt ist ferner das Trägerelement als zylindrischer bzw. rohrförmiger, endseitig offener Körper ausgebildet, der - neben dem Halten des Thermoelements - auch das Ab­ saugen einer zusätzlichen, zu analysierenden Gasmenge ge­ stattet. Eine bevorzugte Befestigung der Sensoreinheit im Inneren dieses rohrförmigen Körpers erfolgt durch an der Innenwand des Rohres anliegende, mäanderförmige Bögen des Thermoelements, womit nicht nur vorteilhaft eine lageunab­ hängige Befestigung der Sensoreinheit relativ zum Träger erreicht werden kann, sondern zudem eine potentielle Beein­ flussung des Temperatur-Meßwerts durch im Rohr ggf. vorhan­ denes Kondensat od. dgl. verringert ist.

Zur mechanischen Stabilisierung im Endbereich sind am rohr­ förmigen Körper endseitig dünne Stege - weiter bevorzugt einstückig - in der Art eines Bügels angeformt, die zwar für einen guten mechanischen Schutz der thermoelektrischen Meßspitze sorgen, andererseits aber den Gasstrom nicht in einer Weise beeinflussen bzw. ablenken, daß dies eine Meß­ werterfassung bzw. Meßgenauigkeit der Sensoreinheit nach­ teilig beeinträchtigen könnte.

Besonders bevorzugt wurde gemäß einer Weiterbildung die Sensoreinheit vor einer Montage in der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung einer Wärmebehandlung bei erhöhter Tempera­ tur unterzogen. Auf diese Weise konnte sichergestellt wer­ den, daß biegungsbedingte mechanische Spannungen weitgehend ausgeglichen wurden und ihrerseits keinen Einfluß auf Meß­ genauigkeit und -zuverlässigkeit besitzen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen sowie der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Meß­ vorrichtung gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 2 eine geschnittene Detailansicht der Meßspitze der Ausführungsform gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine gegenüber der Darstellung der Fig. 2 um 90° gedrehte, äußere Detailansicht der Meß­ spitze;

Fig. 4 eine Seitenansicht des vorderen Sondenrohres einer aus dem Stand der Technik bekannten Ga­ sentnahmesonde; und

Fig. 5 eine Schnittansicht des Meßkopfes der bekannten Sonde nach Fig. 4.

Die im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 als Gasentnahmesonde ausgebildete, erfindungsgemäße Meßvorrich­ tung für Kamine od. dgl. weist einen zylindrischen Sonden­ körper bzw. Sondengriff 10 auf, aus dem sich axial ein aus rostfreiem Stahl gebildetes Sondenrohr 12 erstreckt.

Am dem Sondengriff 10 entgegengesetzten Ende mündet das Sondenrohr 12 in eine Meßspitze 14, an welcher der Mantel des Sondenrohres 12 - in der Darstellung gemäß Fig. 1 und Fig. 2 beidseitig - aufgebrochen ist und lediglich ca. 2 mm breite, einstückig das Sondenrohr 12 beidseits fort­ setzende, endseitig zu einer Spitze zusammengebogene Stegabschnitte 16 beläßt. Fig. 3 zeigt in der gegenüber der Fig. 1 um 90° gedrehten Seitenansicht die zulaufende Form dieser durch die Stegabschnitte 16 ausgebildeten Spitze.

Die Stegabschnitte 16 umschließen ein in der Fig. 2 im De­ tail gezeigtes Mantelthermoelement 18, welches sich entlang des Sondenrohres 12 in dessen umschlossenen Innenraum er­ streckt, im Bereich der Meßspitze 14 zum Ausformen von Bö­ gen 20, die an die Innenwand des Sondenrohres 12 angreifen, mäanderartig geformt ist und endseitig eine hakenartig ge­ bogene Thermoelementspitze 22 mit einem Bogenabschnitt 24 im Scheitelbereich sowie einem rückwärts in Richtung auf den Sondengriff 10 gebogenen Endabschnitt 26 ausbildet. Das einen Außendurchmesser von etwa 1 mm aufweisende Man­ telthermoelement 18 ist dabei im Bereich der Thermoelement­ spitze 22 scheitelseitig mit einem Biegeradius von etwa 5 mm um einen Winkel von etwa 190° zu dem in Fig. 2 gezeigten Haken gebogen, wobei der Endabschnitt 26 eine vom Scheitel­ punkt der Thermoelementspitze 22 gemessene, freie Länge von etwa 9 mm beschreibt. Bezogen auf einen Ansatz der Ausbrü­ che 13 im Sondenrohr 12 im Bereich der Meßspitze 14 (d. h. Ansatz der Stegabschnitte 16) wird so eine freie Länge des Mantelthermoelements 18, gemessen bis zum Scheitelpunkt der Thermoelementspitze, von etwa 12 mm freigelegt, und die Länge der Stegabschnitte 16 bis zur gemeinsamen Spitze mißt etwa 16 mm.

Konstruktiv ist das Mantelthermoelement 18 aus zwei Drähten unterschiedlichen Werkstoffs - im beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel Ni einerseits, und NiCr andererseits - rea­ lisiert und von einem rost-, säure- und hitzebeständigen, rohrförmigen Stahlmantel des Durchmessers von etwa 1 mm um­ schlossen. Im Inneren des Stahlmantels sind die Drähte aus Ni bzw. NiCr durch eine Füllung aus MgO gegeneinander und gegenüber dem Stahlmantel elektrisch isoliert. Zur Reali­ sierung des Thermoelements sind beide Drähte (Seelen) un­ terschiedlichen Werkstoffs endseitig - d. h. im Bereich des freien Endes des Endabschnitts 26 - entlang einer Länge von etwa 2 bis 3 mm (impuls-) verschweißt, wobei diese endseitige Schweißstelle vom Stahlmantel umschlossen ist, der seinerseits endseitig durch ein nicht-auftragendes Schweißverfahren verschlossen ist. Im Inneren des Stahl­ mantels am Endabschnitt 26 im Bereich der Verschweißung beider Seelen ist zudem die MgO-Isolierung entfernt.

In durch die Figuren nicht dargestellter Weise erstreckt sich das Mantelthermoelement 18 i. w. geradlinig durch das Sondenrohr 12 bis zum Sondengriff 10, wo der Ni-Draht bzw. der NiCr-Draht als Pole des Thermoelements durch am Griff 10 gebildete Leitungsansätze 28 aus dem Griff 10 herausgeführt und, mit Ummantelungen 30 versehen, als Ka­ bel 32 bis zu einem endseitigen, zwei-poligen elektrischen Steckanschluß 34 geführt werden. Mit diesem wird eine ex­ terne Auswertung der durch das Mantelthermoelement 18 ge­ nerierten, temperaturabhängigen Spannungssignale durch eine entsprechend anschließbare Auswerteinheit ermöglicht.

Die in Fig. 1 dargestellte Gasentnahmesonde gestattet - über das thermoelektrisch erfolgende Temperaturerfassen hinaus - das Entnehmen von Gasproben durch die Meß­ spitze 14 dergestalt, daß ein Gasschlauch bzw. eine Gaslei­ tung 36, die über einen (mit einer Überwurfmutter 38 versehenen) Anschlußstutzen mit dem Sondenkörper 10 und - durch diesen hindurch - mit dem Sondenrohr 12 verbunden ist, das Absaugen einer Gasprobe durch die endseitig offene Meßspitze 14 ermöglicht. Die Gasleitung 36 ist über einen Biege- bzw. Knickschutz 40 mit dem Sondenkörper 10 verbun­ den; am dem Sondenkörper 10 entgegengesetzten Ende des Gas­ schlauches 36 wäre dann eine geeignete, in den Figuren nicht gezeigte Gasanalyseeinheit anzuschließen.

Zur Befestigung bzw. Führung der erfindungsgemäßen Meßvor­ richtung in einer Prüfbohrung eines Kaminrohres od. dgl. ist zudem auf das Sondenrohr 12 ein konusförmiges Führungselement 42 mit mantelseitigem Außengewinde 44 und Feststellschraube 46 aufgeschoben, womit das Führungsele­ ment 42 in einer vorbestimmten Position axial am Sondenrohr 12 festgelegt werden kann.

Im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist die in den Fig. 4 und 5 dargestellte bekannte Meßvorrichtung aus dem Stand der Technik eine Reihe von Nachteilen auf: So ist zum einen das herkömmliche Mantelthermoelement 18 ein lang­ gestreckter Draht, der - wie in der Fig. 5 im Detail ge­ zeigt - lediglich einen vorbestimmten Abstand aus dem of­ fenen Ende des Sondenrohres 12 herausragt. Durch diese Aus­ bildung unterliegt jedoch die Temperaturerfassung durch das Thermoelement im Bereich der Meßspitze 14 erheblichen Be­ einträchtigungen bzw. lageabhängigen Beeinflussungen, denn die Ausbildung des herkömmlichen Sondenkopfes mit Stegab­ schnitten 48 bzw. umlaufendem, zylindrischem Endstück 50 verursacht Verwirbelungen und Inhomogenitäten im Kamin­ strom, wodurch eine Temperaturmessung stark (dreh-) lageabhängig wird. Zudem kann es durch Berührungen des Mantelthermoelements im Bereich des Endabschnitts mit dem Sondenrohr zu unerwünschter Wärmebeeinflussung durch das Sondenrohr kommen.

Im Ergebnis führt die Verwendung des in den Fig. 4 und 5 gezeigten, herkömmlichen Geräts zu ungenauen bzw. nicht einheitlichen Meßergebnissen; zudem sorgen die konstrukti­ ven Verhältnisse für eine Ansprechzeit (t 98) im Bereich von etwa 100 sec.

Im Betrieb führt eine Bedienperson die in der Fig. 1 darge­ stellte und zusätzlich mit einer elektrischen Auswertein­ heit (für die Temperaturmessung) über den Steckanschluß 34 bzw. einer Gasanalyseeinheit an der Gasleitung 36 verbun­ dene erfindungsgemäß verbesserte Meßvorrichtung mit der Meßspitze 14 in eine an einem Kaminrohr vorgesehene Prüfbohrung ein, wobei das konusförmige Führungselement 42 zur Festlegung in der Prüfbohrung dient. Die Bedienperson stellt durch Ein- oder Ausschieben des Sondenrohres in das Kaminrohr die optimale Position des Kamin-Kernstroms fest und legt die Meßspitze 14 in diesen Kernstrom.

Das Mantelthermoelement 18 ermöglicht daraufhin die normge­ rechte Erfassung der Temperatur des Kernstroms in einer An­ sprechzeit (t 98), die stets kleiner als 50 sec. beträgt: Der 98%-Wert der tatsächlichen Endtemperatur wird durch Auswertung der vom Thermoelement generierten Thermospannung stets in weniger als 50 sec. erreicht.

Darüber hinaus findet dann entsprechend dem Einsatzzweck eine Analyse der ebenfalls über die Meßspitze 14 und den Gasschlauch 36 abgezogenen Gasmenge statt.

Im Gegensatz zum vorstehend beschriebenen, gattungsbilden­ den Stand der Technik ermöglicht dabei die erfindungsgemäße Ausbildung der Meßspitze 14 bzw. die endseitige Formung des Thermoelementes, daß eine Drehposition der erfindungsgemäßen Gasentnahmesonde relativ zur Strömungs­ richtung des Gases im Kamin auf den gemessenen Temperatur­ wert praktisch ohne Einfluß bleibt: Im praktischen Einsatz hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, daß die Bedien­ person die Gasentnahmesonde nicht mehr in einem vorbestimm­ ten Winkel zur Stromrichtung ausrichten muß, um den ge­ wünschten (korrekten) Meßwert zu ermitteln; vielmehr kann die Person nunmehr - im Gegensatz zum eingangs beschriebe­ nen, gattungsbildenden Stand der Technik - das Meßgerät in beliebiger Weise gedreht einführen. Darüber hinaus hat sich herausgestellt, daß die erfindungsgemäß durch die Stegab­ schnitte 16 endseitig ausgebildete Spitze auf den Gasfluß im Kaminrohr ohne praktisch relevante Nachteile, wie etwa nachteilige Strömungswirkungen, bleibt. Gleichzeitig stellt aber diese Spitze einen optimalen Schutz gegen mechanische Beschädigungen, für die im praktischen Einsatz stets Gefahr besteht, dar.

Vorteilhaft wird zudem durch die erfindungsgemäßen, mäan­ derartigen Biegungen wirksam vermieden, daß Wasser und Kon­ densat, das sich im Inneren des Sondenrohres 12 bei länge­ rem Gebrauch sammeln kann, an die temperaturempfindliche - und allein den Temperaturmeßwert bestimmende - Meßspitze der Vorrichtung gelangen kann. Hierdurch wird die Meßgenau­ igkeit und die Beeinflußbarkeit bzw. Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse deutlich verbessert. Außerdem sorgen die mä­ anderartigen Biegungen für eine stets optimale Lage bzw. Befestigung im Inneren des Sondenrohres 12.

Während das dargestellte Ausführungsbeispiel ein Sondenrohr eines Außendurchmessers von 8 mm aufwies, sind die erfin­ dungsgemäßen Vorteile - mit in der Form identischer Aus­ bildung des Mantelthermoelementes im Bereich der Meßspitze 14 - auch für andere Sondenrohrdurchmesser, beispielsweise 10 mm, ohne Änderungen realisierbar. Darüber hinaus ist die vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Formgebung des gewählten Ni/Nicr-Mantelthermoelementes auch für beliebige weitere Thermoelemente bzw. Thermo-Werkstoffkombinationen geeignet. Je nach Einsatzzweck bzw. vorgesehenem Tempera­ turbereich wären dann Eisen-Konstantan oder CrNi-Konstan­ tan-Elemente für niedrigere Temperaturen bis etwa 800° und Platin-basierte Thermoelemente für Höchsttemperaturen bis etwa 1.600°C geeignet und einzusetzen. Das vorstehend be­ schriebene Ausführungsbeispiel mit Ni/Nicr-Thermoelement ermöglicht einen Temperaturerfassungsbereich zwischen etwa minus 200°C und plus 1.100°C.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das Mantelthermoelement nach dem Biegen in die erfindungs­ gemäße Form durch ein spezielles Glühverfahren behandelt, um (durch das Biegen entstandene) mechanische Spannungen zu beseitigen und daraus resultierende Meßwertverfälschungen bzw. -ungenauigkeiten zu überwinden. Durch ein solches Glühverfahren wird nämlich ein künstlicher Alterungsprozeß durchgeführt, der von Anfang an für die erfindungsgemäße Meßvorrichtung ein enges Genauigkeitstoleranzband und eine große Langzeitstabilität ermöglicht.

Gemäß dieser bevorzugten Weiterbildung wird das in der be­ schriebene Weise aufgebaute und gebogene Mantelthermoele­ ment in die erfindungsgemäß vorgegebene Form gebracht und dann eine vorbestimmte Zeit, bevorzugt etwa sechs bis acht­ zehn Stunden, bei einer Temperatur zwischen etwa 300 und 500°C geglüht, um die gewünschte mechanische Entspannung herbeizuführen. Die Meßgenauigkeit der Vorrichtung wird durch diese Maßnahme deutlich verbessert.

Claims (9)

1. Meßvorrichtung für ein gasförmiges Medium, insbeson­ dere den Gasstrom eines Kamins, mit einer zum temporä­ ren Einbringen in das gasförmige Medium im Endbereich eines Trägerelements (12) vorgesehenen, drahtförmigen thermoelektrischen Sensoreinheit (18), die eine einem erfaßten Temperaturwert des gasförmigen Mediums ent­ sprechende elektrische Spannung bereitstellt und mit einem Eingriffsabschnitt (14) im Endbereich des Trä­ gerelements (12) freiliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (18) im Bereich des Eingriffsab­ schnitts (14) im wesentlichen U-förmig als Haken (24, 28) gebogen ausgebildet ist und der Scheitel (24) des Hakens das äußere Ende des Eingriffsabschnitts (14) markiert.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Scheitel (24) des Hakens zwischen einem hinlaufenden, am Trägerelement (12) festgelegten Ab­ schnitt und einem rücklaufenden, freien Ende (26) der drahtförmigen Sensoreinheit (18) liegt, wobei der hin­ laufende Abschnitt und das freie Ende (26) einen spitzen Winkel bezogen auf eine Symmetrie-Längsachse des Trägerelements (12) einschließen.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die drahtförmige Sensoreinheit (18) eine Dicke zwischen etwa 0,5 und 3 mm aufweist und im Be­ reich des Eingriffsabschnitts (14) mit einem Biegera­ dius zwischen etwa 3 mm und etwa 8 mm gebogen ist.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Trägerelement als im we­ sentlichen rohrförmiger, zum Eingriffsabschnitt (14) hin offener Körper (12) ausgebildet ist und die draht­ förmige Sensoreinheit (18) im Inneren des rohrförmigen Körpers (12) mindestens einen, die Innenwand des Kör­ pers (12) berührenden, zusätzlichen Bogenabschnitt (20) aufweist.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der rohrförmige Körper (12) endseitig im Be­ reich des Eingriffsabschnitts (14) durch eine Mehrzahl von Stegen (16) fortgesetzt wird, die sich über den Eingriffsabschnitt (14) der Sensoreinheit (18) hinaus erstrecken.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Paar von einstückig mit dem rohrförmigen Körper (12) gebildeten, streifenförmigen Stegen (16), die, sich endseitig berührend und den Eingriffsabschnitt (14) der Sensoreinheit (18) bügelartig umschließend, ausgebildet sind.

7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die drahtförmige Sensorein­ heit als gebogenes Mantelthermoelement (18) realisiert ist, das vor einer Montage in die Meßvorrichtung einer Wärmebehandlung zur mechanischen Spannungsverminderung unterzogen worden ist.

8. Meßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Mantelthermoelement Seelen aus Ni bzw. NiCr aufweist und im gebogenen Zustand bei einer Tem­ peratur zwischen etwa 200 und etwa 400°C wärmebehan­ delt ist.

9. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (12) zum zusätzlichen Absaugen einer Probe des gasförmigen Me­ diums ausgebildet ist.