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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung, die auch als akustisches Gastemperaturmessgerät und als Schallpyrometer insbesondere für Hochöfen oder Kraftwerken bekannt ist. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein System aus einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Temperaturmessvorrichtungen.
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Für die Gewinnung von Eisen wird Eisenerz als Ausgangsstoff verwendet, das in der Natur meist als Oxid vorkommt. In großtechnischen Anlagen wie z. B. Hochöfen wird das Eisenerz durch Reduktions- und Schmelzprozessen in flüssiges Roheisen umgewandelt.
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Für derartige Reduktions- und Schmelzprozesse sind bestimmte Temperaturen im Hochofen einzuhalten. Ein Hochofen hat prinzipiell die Form eines Kamins oder eines Schornsteins aus zwei umgekehrt aufeinander gesetzten hohlförmigen Kegelstümpfen und eine Gesamthöhe von 15 bis 75 m. Dadurch wird sowohl ein optimaler Gas/Stoffaustausch innerhalb der Einsatzstoffe als auch ein Temperaturverlauf von 200° bis 2000°C vom Gichtverschluss bis an den Boden des Hochofens ermöglicht. Innerhalb des Hochofens laufen mehrere Prozesse gleichzeitig ab, die bestimmte Temperaturen voraussetzen, wie z. B. in der Trocken- und Vorwärmezone zum Trocknen und Vorwärmen des Eisenerzes, des Koks und der Zuschlagsstoffe durch ein durchströmendes Gas, in der Reduktionszone zum Reduzieren des Eisenoxids durch Kohlenstoff und Kohlendioxid, in der Kohlungszone zum Bilden eines Eisen-Kohlenstoffgemisches und in der Schmelzzone zum Verbrennen des Koks und zum Schmelzen des Eisen-Kohlenstoffgemisches. Werden die für die Prozesse optimalen Temperaturen nicht eingehalten, verlaufen die Prozesse gar nicht oder nur unvollständig ab.
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Es ist daher erheblich und unerlässlich, dass die innerhalb eines Hochofens und während dessen laufenden Betriebs herrschenden Temperaturen ortsgenau gemessen und damit gesteuert werden können. Berührungsthermometer wie z. B. Bimetallthermometer sind meist nicht für derartig hohe Temperaturen konzipiert und können die Temperatur auch nur an einem Punkt messen. Berührungslos messende Thermometer wie z. B. Strahlungsthermometer (auch Strahlungspyrometer genannt) messen die ausgestrahlte Strahlung des zu messenden Gegenstands, die im Infrarot- bzw. μm-Wellenbereich liegt. Diese Art der Temperaturmessung ist gegenüber der Temperaturmessung durch Berührung flexibler. Allerdings ist in den eingangs genannten Hochöfen mit anfallendem Schmutz und Staub insbesondere durch Koks und anderen Nebenprodukten zu rechnen, die die ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen des zu messenden Gegenstands absorbieren und/oder filtern. Zusätzlich kann die Temperaturmessung durch direkt auf dem Temperatursensor und/oder auf einer Schutzscheibe liegenden Schmutz verfälscht werden.
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Um diesen Nachteil zu umgehen, werden in Hochöfen meist Schallpyrometer verwendet, die anhand der Laufzeit einer ausgesandten und empfangenen Schallwelle die Temperatur bestimmen kann. Je höher die Temperatur des zu messenden Gases ist, desto höher ist die Schallgeschwindigkeit innerhalb dieses Gases und desto kürzer ist die Laufzeit einer Schallwelle. Typischerweise kann die Frequenz des hierfür ausgesendeten Schallsignals zwischen 100 bis 6000 Hz liegen. Bei den zuvor genannten Temperaturen von 200 bis 2000° Grad liegt die Schallgeschwindigkeit zwischen etwa 430 bis 950 m/s. Durch die Verwendung eines oder mehrerer Schallsender bzw. -quellen und/oder -empfänger ist es möglich, eine Temperaturverteilung innerhalb des Hochofens zu ermitteln.
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Wie auch die anderen berührungslos messenden Thermometer wird ein Schallpyrometer innerhalb eines Hochofens ebenfalls durch Schmutz und Dreck beeinträchtigt, der sich an einem Schalleingangs-/ausgangselement des Pyrometers in Form z. B. eines Horns und/oder am Schallempfänger ablagern kann.
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Eine derartige, aus dem Stand der Technik bekannte Temperaturmessvorrichtung ist aus der Druckschrift
JPH0915065 bekannt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung der eingangs genannten Art in vorteilhafter Weise weiterzubilden, insbesondere dahingehend, dass Schmutz und Dreck automatisch entfernt und die Vorrichtung somit gereinigt wird. Ebenso soll der zeitliche Aufwand für die Reinigung der Messvorrichtung gering gehalten und die Reinigung effizient und effektiv durchgeführt werden.
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Die zuvor genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist vorgesehen, dass eine Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung in einem Prozessraum, insbesondere in einem Hochöfen, mit einer Schallerzeuger/empfängereinrichtung zum Aussenden und Empfangen von Schall bereitgestellt wird, die eine Reinigungseinrichtung zum Entfernen von Schmutz und/oder Ablagerungen in einem Durchgang zum Prozesszaum und/oder in der Schallerzeuger/empfängereinrichtung mittels eines oder mehreren Gasstrahlen aufweist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass der Schmutz an sensiblen und häufig anzutreffenden Stellen gereinigt werden kann, ohne die Anlage stilllegen und die Vorrichtung aus der Anlage herausmontieren zu müssen. Durch das verwendete Gas im Gasstrahl ist mit keiner bzw. kaum einer Beeinträchtigung des laufenden Anlagenbetriebs zu rechnen. Hierzu kann Stickstoff und/oder ein anderes inertes und/oder Korrosion verhinderndes/hemmendes Gas verwendet werden. Auf Grund der hohen Temperatur in einem Hochofen wird die Vorrichtung nicht direkt innerhalb des Hochofens angeordnet, sondern ist über einen Durchgang oder eine Bohrung mit dem Inneren des Hochofens verbunden. In diesem Durchgang kann sich der Schmutz ablagern, der mittels der Reinigungseinrichtung entfernt werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Vorrichtung ein an der Schallerzeuger/empfängereinrichtung angeordnetes Horn aufweisen. Dadurch kann der ausgesendete Schall des Schallerzeugers besser an den Luftwiderstand angepasst werden und starke Reflexionen verhindert werden. Die Reinigungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist hierbei derart ausgebildet, um etwaigen Schmutz aus dem Horn bzw. am Hornausgang zu entfernen.
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Vorteilhafterweise ist die Reinigungseinrichtung mit mindestens einem sich in den Durchgang, insbesondere mindestens bis zum Hornausgang, erstreckendes Spühlrohr ausgebildet, dessen Ende mindestens eine Düse aufweist und insbesondere im Bereich des Hornausgangs angeordnet ist. Durch diese einfache Ausgestaltung der Reinigungseinrichtung steht ein effektives, aber auch kostengünstig herstellbares Mittel zur Verfügung. Hierbei können mehrere Spühlrohre verschiedener Länge verwendet werden. Dadurch sind die Düsen der Spühlrohr voneinander beabstandet und können den Durchgang zum Prozessraum gleichmäßig von Schmutz und Ablagerungen befreien. Da sich die Ablagerungen meist am Boden des Durchgangs befinden, kann ebenfalls das mindestens eine Spühlrohr am Boden angeordnet und geführt werden, um den Schmutz effektiv zu entfernen bzw. wegzublasen. Die Düse ist vorzugsweise derart angeordnet und ausgerichtet, dass der Schmutz und die Ablagerungen aus dem Durchgang bzw. Bohrung zurück in den Prozessraum geblasen werden. Zwar kann eines der Spühlrohre auch eine Düse aufweisen, die zwischen der Hornausseite und der Durchgangsinnenseite angeorndet ist; allerdings ist die nicht unbedingt nötig, da der Schmutz in der Regel nicht auf die Außenseite des Horns gelangt. Dies liegt darin, dass der Hornausgang mit der Innenseite des Durchgangs vorzugsweise bündig abschließt bzw. der Querschnitt des Hornausgangs dem des Durchgangs entspricht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Horn eine senkrecht vom Rand des Hornausgangs verlaufende Nut auf, in der die Reinigungseinrichtung, insbesondere das mindestens eine Spühlrohr, angeordnet sind. Dadurch werden komplizierte Anpassungen und/oder Konstruktionen des Horns mit der Reinigungseinrichtung vermieden, und das Horn kann trotzdem passgenau in einen Seitenschacht bzw. Durchgang/Bohrung des Hochofens eingesetzt werden.
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Als ebenfalls vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass die Reinigungseinrichtung ein Gaszuleitungsrohr aufweist, dessen Ende mindestens eine in die Schallerzeuger/empfängereinrichtung gerichtete Düse aufweist. Dabei ist das Gaszuleitungsrohr derart ausgebildet, dass der Schallerzeuger und/oder -empfänger von Schmutz und Dreck befreit und gereinigt werden und störungsfrei arbeiten kann. Alternativ oder zusätzlich kann durch das über das Gaszuleitungsrohrs in die Schallerzeuger/empfängereinrichtung geleitete Gas eine inerte und nicht-korrosive Atmosphäre erzeugt werden, um die Schallerzeuger/empfängereinrichtung und dessen Bauteile vor den korrosiven Gasen des Prozessraums, insbesondere des Hochofens, zu schützen.
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Des Weiteren weist vorteilhafterweise die Schallerzeuger/empfängereinrichtung einen pneumatischen Schallerzeuger auf. Im Vergleich zu membrangesteuerten Schallerzeugern/quellen sind keine hitzeempfindlichen Kleinbauteile notwendig. Stattdessen wird die Schall- bzw. Druckwelle durch ein unter Druck stehendem Gas erzeugt. Alternativ oder zusätzlich können andere Schallerzeuger für die bzw. in der Schallerzeuger/empfängereinrichtung verwendet werden, wie z. B. andere Membranophone, Aerophone und Elektrophone.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Schallerzeuger ein elektrisch gesteuertes Ventil zum Erzeugen einer pneumatischen Druckwelle auf. Das Ventil ist mit einem unter Druck stehendem Rohr verbunden und kann geöffnet werden, um eine Schall- bzw. Druckwelle in die Schallerzeuger/empfängereinrichtung zu leiten. Diese Art der Steuerung ist präzise und gegen hohe Temperaturen so gut wie nicht störungsanfällig.
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Vorteilhafterweise weist die Schallerzeuger/empfängereinrichtung ein Mikrofon, Druckaufnehmer oder einen anderen Schallsensor auf. Dadurch können sowohl die in der Schallerzeuger/empfängereinrichtung erzeugten als auch die darin empfangenen Schallwellen detektiert und dessen Laufzeit und somit die Temperatur in dem Hochofen berechnet und gemessen werden. Während ein Sensor entsprechende Messsignale der empfangenen Schallwellen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt, kann in einer alternativen Ausführungsform der empfangene Schalldruck aus der Vorrichtung herausgeleitet werden und außerhalb gemessen und analysiert werden.
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Als vorteilhaft hat sich ebenfalls erwiesen, wenn die Schallerzeuger/empfängereinrichtung einen Sende/Empfangskörper mit einem kegelförmigen Hohlraum aufweist. Dadurch wird eine Richtfunktion als auch eine Wellenimpedanzanpassungsfunktion der erzeugten und empfangenen Schallwellen erzielt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Horn mittels eines Flansches an dem Sende/Empfangskörper befestigt und fluchtet mit dem kegelförmigen Hohlraum. Durch die fluchtende Form bzw. Anordnung ist eine bessere Wellenleitung ohne Dämpfung und Reflexion der Schallwellen möglich.
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Vorteilhafterweise ist das Horn trichterförmig, insbesondere kegelförmig, ausgebildet, um eine sich gleichmäßig ausbreitende Schallwelle zu erzeugen.
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Die Schallerzeuger/empfängereinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann einen oder mehrere Schallerzeuger und einen oder mehrere Schallempfänger aufweisen.
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An diesem Punkt wird auf die Möglichkeit hingewiesen, dass in einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform die auf Schall basierende Temperaturmessvorrichtung eine Reinigungseinrichtung bzw. Gaszuführung zum Erzeugen einer inerten Atmosphäre innerhalb der Schallerzeuger/empfängereinrichtung aufweist, anstelle oder insbesondere mit einer Reinigungseinrichtung zum Entfernen von Schmutz und/oder Ablagerungen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die zuvor genannten Merkmale der Vorrichtung als Zusätze oder Alternativen für die erfindungsgemäße Vorrichtung dienen. Daher sind die genannten Ausführungsformen auch miteinander kombinierbar.
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Um eine bzw. mehrere Temperaturmessungen in einem Prozessraum zuverlässig durchzuführen und anschließend eine darauf basierende Temperaturverteilung im Raum zu erhalten, betrifft die vorliegende Erfindung ebenfalls ein System zur akustischen Temperaturmessung in einem Prozessraum, insbesondere in einem Hochofen, mit einer Vielzahl von zuvor genannten erfindungsgemäßen Temperaturmessvorrichtungen.
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Vorteilhafterweise sind mindestens eine der Temperaturmessvorrichtungen als Schallsender, um ein akustisches Signal in den Prozessraum auszusenden, und mindestens eine der Temperaturmessvorrichtungen als Schallempfänger ausgebildet, um das Signal des mindestens einen Schallsenders zu empfangen. Die Funktion des Schallsenders kann von einer Vorrichtung zur nächsten, z. B. zur benachbarten Vorrichtung, übergeben werden. Dabei können alle Vorrichtungen des Systems als Schallempfänger fungieren und das Signal des bzw. jedes Schallsenders empfangen und unterscheiden.
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Zusätzlich kann die Vielzahl von Temperaturmessvorrichtungen auf einer Bedachten Ebene angeordnet sein, vorzugsweise konzentrisch bzw. 360° Grad um den Prozessraum verteilt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung;
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2 einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1 entlang seiner Längsachse;
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3 eine weitere perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1;
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4 eine Rückansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1;
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5 eine partielle Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1;
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6 eine Ansicht auf den Querschnitt A-A der erfindungsgemäßen Vorrichtung angezeigt in 4;
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7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Medienzuführung von oben;
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8 eine weitere perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Tragevorrichtung aus 7;
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9 eine weitere perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1; und
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10 eine weitere perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 9, wobei die Vorrichtung in einem Durchgang zu einem Prozessraum eingesetzt ist.
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Die in den 1 bis 6, 9 und 10 gezeigten Temperaturmessvorrichtungen 1 als bevorzugte Ausführungsform sind untereinander identisch und weisen eine Medienzuführung von unten auf. Das heißt, dass die Vorrichtung 1 mit dem Gas zur Erzeugung der Schallwelle als auch dem Gas zur Reinigung durch entsprechende an seiner Unterseite angeordnete Rohre beliefert wird. Die in den 7 und 8 gezeigten Messvorrichtungen 1 unterscheiden sich in einer Medienzuführung von oben, sind aber ansonsten identisch zu den Vorrichtungen aus den 1 bis 6, 9 und 10.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur akustischen Temperaturmessung, die eine Schallerzeuger/empfängereinrichtung (nicht sichtbar) und ein Horn bzw. Diffusor 3 aufweist. Das Horn bzw. Diffusor 3 ist mittels eines Flansches 15 an die Schallerzeuger/empfängereinrichtung befestigt. Ein Klemmenkasten 17 ist hinter dem Flansch 15 angeordnet und verdeckt dabei die Schallerzeuger/empängereinrichtung. Der Klemmenkasten 17 dient dazu, verschiedene elektrische Kontakte und/oder pneumatische Leitungen von außen mit der Vorrichtung, insbesondere mit dem Schallerzeuger und/oder -empänger, herzustellen bzw. zu verbinden. Unterhalb und außerhalb des Horns 3 ist mindestens ein erstes Spühlrohr 6 als Teil der Reinigungseinrichtung 4 angeordnet, das sich aus einer Bohrung des Flansches 15 durch eine Nut 8 am Horn 3 über den Hornausgang 5 erstreckt. Am Ende des Spühlrohrs 6 ist mindestens eine Düse 7 ausgebildet, um etwaigen Schmutz und Dreck aus einem Durchgang/Bohrung zum Prozessraum, z. B. einem Hochofen, insbesondere aus dem Horn, herauszublasen. Durch die Anordnung des Spühlrohrs 6 außerhalb des Horns 3 wird die Wellenwiderstandsanpassung durch das Horn 3 nicht beeinträchtigt. Die Nut 8 erlaubt eine formgenaue Anpassung des Horns 3 in einem dafür vorgesehen Schacht bzw. Durchgang zum Hochofen. In der 1 wird ebenfalls gezeigt, dass zwei aus dem Flansch erstreckende Rohre ausgebildet sind, wobei das eine Rohr Teil des ersten Spühlrohrs 6 und das anderer Rohr Teil eines zweiten Spühlrohrs 16 ist. Das zweite Spühlrohr 16, dass in der 1 hauptsächlich durch das erste Spühlrohr 6 visuell verdeckt wird, ist in seiner Länge kürzer als das erste Spühlrohr 6. Die Düse des zweiten Spühlrohrs 16 ist somit im Bereich des Hornausgangs 5 angeordnet. Unterhalb des Klemmenkastens 17 ist ein Gasverteilungssystem 12 mit verschiedenen Leitungen ausgebildet und angeordnet, dass vorteilhafterweise auch Stromleitungen aufweist. Das Verteilungssystem 12 versorgt die Vorrichtung 1, insbesondere die Reinigungseinrichtung 4 und die Schallerzeuger/empfängereinrichtung 2, mit notwendiger Druckluft, inertem Gas.
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2 zeigt einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1 entlang seiner Längsachse; insbesondere wird die Schallerzeuger/empfängereinrichtung 2 mit einem daran angeordneten Mikrofon, Druckaufnehmer bzw. Sensor 13 und einem Gaszuleitungsrohr 9, unter anderem zur Erschaffung einer inerten Atmosphäre in der Schallerzeuger/empfängereinrichtung 2, mit einer auf den Sensor 13 gerichteten Düse 10 gezeigt. Zusätzlich weist die Schallerzeuger/empfängereinrichtung 2 einen Schallerzeuger auf (in der Figur nicht erkennbar). Die Schallerzeuger/empfängereinrichtung 2 weist einen trichterförmigen Hohlkörper 14 auf, dessen äußerer Rand im Wesentlichen mit dem Innenrand des Flansches 15 und dem Innenrand des Horns 3 fluchtet, um eine gleichmäßige Schallwellenführung zu gewährleisten. Der Schallsensor 13 ist in einem Durchbruch an einer Außenseite der Schallerzeuger/empfängereinrichtung 2 angeordnet. Das Gaszuleitungsrohr 9 ist in einem entsprechenden dem Sensor 13 gegenüberliegenden Durchbruch angeordnet. Der Sensor 13 ist in dem Klemmenkasten 17 untergebracht und somit von äußeren Einwirkungen geschützt.
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3 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 aus 1; aufgrund der anderen Seitenansicht der Vorrichtung 1 ist die zylinderförmige Schallerzeuger/empfängereinrichtung 2 sichtbar. Hierbei liegen das Horn 3 und die Schallerzeuger/empfängereinrichtung 2 auf einer selben Symmetrieachse. Zusätzlich weist das Horn 3 an seiner Oberseite des Hornausgangs 5 eine zweite Nut 11 für ein Thermoelement (nicht dargestellt) auf.
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4 zeigt eine Rückansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1, in der das Horn durch den Flansch 15 und die Schallerzeuger/empfängereinrichtung 2 verdeckt ist.
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5 eine partielle Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 aus 1. Das erste Spühlrohr 6 verläuft im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse des Horns 3.
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6 eine Ansicht auf den in 4 angezeigten Querschnitt A-A durch den Klemmenkasten 17 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.
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Wie bereits zuvor erwähnt, zeigen 7 und 8 perspektivische Ansichten einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer Medienzuführung von oben.
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9 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 aus 1 mit einem stabförmigen Thermoelement 18, das oberhalb des Horns 3 angeordnet ist und durch eine zweite Nut 11 am Hornausgang 5 verläuft. Das Thermoelement 18 kann Temperaturen im Durchgang zum Prozessraum messen. Dabei erstreckt sich das Thermoelement 18 über den Rand des Hornausgangs 5.
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10 zeigt die Vorrichtung 1 aus 9, wobei die Vorrichtung 1 in einen zylinderförmigen Durchgang 19 zu einem Prozessraum angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung (Schallhorn)
- 2
- Schallerzeuger/empfängereinrichtung
- 3
- Horn bzw. Diffusor zur Einkopplung von Signalen 4 Reinigungseinrichtung bzw. Gaszuführung für inerte Atmosphäre
- 5
- Hornausgang bzw. Diffusorausgang
- 6
- Erstes Spühlrohr
- 7
- Düse des ersten Spühlrohrs
- 8
- Nut des Horns bzw. Öffnung zur Durchführung von Spühlrohren
- 9
- Gaszuleitungsrohr
- 10
- Düse des Gaszuleitungsrohr
- 11
- Zweite Nut
- 12
- Gasverteilungssystem
- 13
- Schallsensor
- 14
- Hohlraum
- 15
- Flansch
- 16
- Zweites Spühlrohr
- 17
- Klemmenkasten
- 18
- Thermoelement
- 19
- Durchgang/Bohrung zum Prozessraum/Hochofen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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