DE2027697A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen schnell wechselnder Temperaturen in dickwandigen Rohren - Google Patents

Description

• Xer£Shren und Vorrichtung zum Messen schnell wechselnder Temperaturen in dickwandigen Rohren Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen schnell wechselnder Temperaturen in dickwandigen Rohren, insbesondere in Geschützrohren.
• Die genaue Messung der Temperaturverteilung in dickwandigen Rohren oder Behältern in Abhängigkeit von der Zeit ist in der Technik - insbesondere im chemischen Apparatebau- für die Beurteilung der Wärmebeanspruchung von erheblicher Bedeutung. Im Geschützbau können Abnutzungs- und Erosionserscheinungen in Geschützrohren einer Klärung zugeführt und grundsätzliche Fragen der theoretischen Innenballistik, wie Energieumsatz und Wirkungsgrad, geklärt werden.
• Da sich die Wärmeleitung in sehr kurzen Zeiträumen abspielt, muß das Meßverfahren äußerst kleine Zeit-Konstanten aufweisen, Größere Zeitkonstanten würden die Ermittlung oder Errechnung der Temperatur-Verteilung als Funktion der Zeit, bzw. die Ermittlung des Wärmeflusses durch die Rohrwand sehr erschweren, wenn nicht unmöglich machen.
• Hinzu kommt, daß der Wärmefluß durch das Meßverfahren so wenig wie möglich gestört werden 8oll.
• Temperaturmessungen in dickwandigen Rohren wurden bisher mit Hilfe von Thermo-Elementen durchgeführt, die über verhältnismäßig große Bohrungen (5 bis 20 mm ) in die Rohre eingeführt wurden. Durch die großen Bohrungen wurde einerseits die mechanische Festigkeit der Rohrwand fühlbar herabgesetzt, andererseits der Wärmefluß durch die Wand stark beeinflußt.
• Da die Zeitkonstante der Thermo-Elemente im msec.-Bereich liegen, die thermischen Vorgänge an der Innenfläche des Rohresçåedoch im µsec.-Bereich ablaufen, war es mit diesen Geräten nicht moglich, exakte Werte der Temperaturverteilung und des Wärmeflusses zu erhalten. Em aus den gewonnenen Werten zu den wirklichen zeitlichen und räumlichen Werten zu kommen, war eine Rückrechnung der integral gewonnenen Werte über die Wärmeleitungsgleichungen erforderlich, die naturgemäß mit erheblichen Unsicherheits-Faktoren behaftet ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen schnell wechselnder Temperaturen in dickwandigen Rohren zu entwickeln, welche folgenden physikalischtechnischen Grundforderungen genügen: 1. Der Meßfühler muß sehr klein sein, um den Wärmefluß im Rohr so wenig wie möglich zu storen; 2. die thermische und die elektrische Zeit-Konstante des Seßfühlers darf 20 µsec nicht überschreiten; 3. die zeitliche Polge der Messungen soll kleiner als 200Rsec sein; 4. der Temperatur-Meßbereich soll zwischen 300 C und 5000 C liegen, eine Verkleinerung des Meßbereiches muß bei gleicher Genauigkeit möglich sein; 5. die Meßgenauigkeit soll mindestens 5 % betragen.
• Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein sehr feines Loch (d =( 2 mm) in die zu untersuchende Rohrwand gebohrt und die vom Grund der Bohrung ausgehende Wärme strahlung mit der der Umgebung verglichen.
• Das Loch wirkt hierbei wie ein schwarzer Strahler, dessen Strahldichte pyrometrisch gemessen werden kann. Aus der Strahldichte wiederum kann die Temperatur bestimmt werden.
• Es genügt, wenn das Loch einen Durchmesser von 1 mm hat. Die Schwächung der Wand durch ein so kleines Loch ist so gering daß praktisch keine linderung der mechanischen Bestigkeit der Rohrwand auftritt. Auch der Einfluß auf den Wärmefluß durch die Wand ist vernachlässigbar klein. Ean erhält daher eine sehr exatt-e Messung; Da es, äußerst schwierig,wenn nicht unmöglich ist, direkt an der Innenwand einen Meßfühler anzubringen, der im /Usec.-Bereich arbeitet, wird vorgeschlagen, die Bohrung nur bis zu einer Radial-Entfernung von 200 bis 300 t von der Innenwand zu führen und die Temperaturen an dieser Stelle zu messen. Die Zeitkonstantesollte dabei kleiner als 10 µsec sec sein.
• Um einen echten Temperaturvergleich, zu bekommen, wird die Strahlung aus der Bohrung und die der Umgebung abwechselnd einem Detektor zugeführt, was den zusätzlichen Vorteil der Erzeugung von Wechselstrom hat, welcher mit bekannten elektronischen Verstärkern verstärkt werden kann.
• Zur Durchführung dieses Verfahrens wird die aus der Bohrung kommende Wärmestrahlung vor Eintritt- in den Detektor moduliert. Der Detektor erhält dann abwechselnd die vom Lochgrund ausgehende Wärmestrahlung und' die Temperaturetrahlung der Blende.
• Die Abstrahlung der von dem Loch ausgehenden Energie kann noch verstärkt werden, wenn die Bohrung an ihrem Ende konisch ausgebildet und der Boden der bohrung geschwärzt wird. Auf diese Weise wird das Emissionsvermögen der Bohrung dem Idealfall stark angenähert.
• Das bis jetzt beschriebene Verfahren gestattet nur, die zeitlichen Temperaturänderungen an einer Stelle der Wandung aufzunehmen. Diese Angaben reichen aus, um Rückschlüsse auf die Vorgänge im Innern des Rohres treffen zu können. Wenn es sich indessen darum handelt, die~Beanspruchungen der Wand durch Wärmespannungen kennen zu lernen, muß der Wärmefluß durch die Wand ermittelt, d. h. 65 JUß die radiale Temperaturverteilung der Wand als Funktion der Zeit mit derselben Meßgeschwindigkeit ermittelt werden.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach einem weiteren Gedanken der Erfindung vorgeschlagen, mehrere in verschiedene Tiefen reichende Bohrungen nebeneinander in die Wand einzubringen und die aus den einzelnen Bohrungen kommenden Wärme strahlen nacheinander dem IR-Detektor zuzuführen. Zwischen je zwei Übertragungen ist dabei jeweils eine Pause einzulegen, d. h., der Strahlungsweg ist zu unterbrechen, damit während dieser Pausen die von der Umgebung ausgesandten Strahlen dem Detektor zugeleitet werden.
• Das Verfahren wird erleichtert, wenn die einzelnen Bohrungen unter verschiedenen Winkeln in die Wand eingebracht werden, derart, daß die Achsen der Bohrungen sich in einem Punkt außerhalb der Wand schneiden. Die aus den Bohrungen kommenden Wärmestrahlen können in diesem Fall von einem im Schnittpunkt rotierenden Spiegel nach einander abgetastet und einem Detektor zugeleitet werden.
• In den Abbildungen sind mehrere Vorrichtungen zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung zur Messung der Temperaturstrahlung einer Bohrung; Fig. 2 einen Achsnormalschnitt des Rohres mit Bohrung; Fig. 3 einen Axialschnitt durch die Rohrwand mit mehreren, in verschiedene Tiefen geführten Bohrungen und dazu gehörender Meßeinrichtung; Fig. 4 eine Einrichtung zum Eichen des Meßgerät es im Schnitt mit schematischer Darstellung des elektrischen Teils.
• In die Rohrwand 1 ist eine sehr feine Bohrung 2 eingebracht. Die Bohrung ist an ihrem Ende43 konisch verengt, sodaß sie an ihrem GrundeSlJ etwa auf den halben Durchmesser gebracht ist. Der Grund der Bohrung hat von der Innenseite der Wand einen sehr kleinen Abstand. Dadurch kann die Temperatur der Innenwand praktisch ungeschwächt aufgenommen werden, ohne den im Innern des Rohres vorhandenen hochgespannten Gasen die Möglichkeit zum Ausströmen aus der Bohrung zu geben. Vor der Außenseite der Wand 1 ist eine rotierende Lochblende 4 so angeordnet, daß die in der Nähe des Randes angebrachten Löcher 44 bei einer Stellung der Lochblende koaxial zur Bohrung 2 stehen. Der Antrieb der Lochblende kann in an sich bekannter Weise erfolgen; von einer Darstellung des Antriebsmotors ist daher abgesehen worden. In einem gewissen Abstand von der rotierenden Lochblende 4 ist gleichachsig zur Bohrung 2 eine weitere, in Achsrichtung verschiebbare Lochblende 8 angeordnet. Hinter dieser Lochblende befindet sich eine Sammellinse, an die sich unter Zwischenschaltung einer weiteren gekühlten Lochblende 41 ein ebenfalls gekühlter IR-Detektor 7 anschließt. Alle Teile, die Lochblende 8, die Sammellinse 5, die Lochblende 41 und der Detektor 7 sind gleichachsig zur Bohrung 2 angeordnet.
• Vor Inbetriebnahme wird der Bohrungsgrund51 geschwärzt. Im Betrieb werden von diesem geschwärzten Teil, der als schwarzer Strahler wirkt, Wärmestrahlen emittiert. Diese Strahlen werden von der rotierenden Lochblende 4 moduliert und gelangen abwechselnd mit den von den geschlossenen Teilen der Lochblende ausgesandten Strahlen zur Sammellinse 5, die sie unmittelbar vor dem Detektor 7 fokussiert und dem Detektor zuleitet. Um die Einwirkung äußerer Strahlen auf das Meßergebnis so klein wie möglich zu halten, ist vor der Linse 5 die axial verschiebbare Lochblende 8 angeordnet, die nur den Kern der aus dem Lochgrund kommenden Strahlung bis zur Linse durchtreten läßt.
• Die von dem Detektor ausgehenden elektrischen Signale werden in an sich bekannter Weise verstärkt und einem Oszillographen zugeleitet, aus dessen Wiedergabe Rückschlüsse auf die Temperaturänderungen am Grund der Bohrung gezogen werden können.
• Soll der gesamte, in einer Rohrwand auftretende Wärmefluß festgestellt werden, so werden die Bohrungen gemäß Figur 3 ausgeführt.
• In diesem Fall sind die Bohrungen 20 bis 25 unter verschiedenen Winkeln in die Wand eingebracht, jedoch so, daß sich die Achsen sämtlicher Bohrungen in einem Punkt 19 schneiden. Die einzelnen Bohrungen werden ebenfalls am Ende verengt und am Grund geschwärzt, wie es bei der Einzelbohrung nach Pigur 1 bereits ausgeführt wurde.
• Sie werden in verschiedene Tiefen geführt, wobei sich die Abstände des Bohrgrundes 10 bis 15 von einer Bohrung zur nächsten vergrößern.
• Es ist nicht erforderlich, daß die Abstände 10 bis 15 in gleichem Maß zunehmen. Vielmehr kann es zweckmäßig sein, sie nach einer Exponential- oder cos-Funktion zunehmen zu lassen. Die Bohrungen nehmen daher, von der ersten Bohrung 20 angefangen bis zur Bohrvng 25 an Tiefe ab. Senkrecht zu der durch die Achsen der Bohrlöcher bestimmten Ebene ist ein Spiegel 9 angeordnet, der um eine durch Punkt 19 gehende, ebenfalls senkrecht zur Ebene der Achsen der Bohrlöcher stehende Achse rotiert.
• Etwa parallel zur Rohrachse ist das aus Linse 5 und IR-Detektor 7 bestehende Aufnahmegerät angeordnet. Wenn sich der Spiegel 9 dreht, werden nacheinander die aus den einzelnen Bohrungen 20 bis 25 kommenden Wärmestrahlen der Linse 5 zugeleitet und gelangen von da zum Detektor, der sie in der bereits beschriebenen Weise in Form elektrischer Signale an den Oszillographen weitergibt.
• Durch die schnelle Rotation des Spiegels 9 gelangen in rascher Folge abwechselnd Wärmestrahlen aus den Bohrungen 20 bis 25 nacheinander zum Detektor.
• Obgleich schon durch die verschiedene Stellung der Bohrungen bei rotierendem Spiegel ein regelmäßiger Wechsel der den Detektor erreichenden Wärmestrahlen gesichert ist, besteht die Möglichkeit, daß sich die von zwei aufeinanderfolgenden Bohrungen beispielsweise 21, 22 kommenden Strahlen an ihren Rändern etwas miteinander vermischen und dadurch die Klarheit des Meßergebnisses beeinträchtigen. Um auch derartige Beeinträchtigungen des Meßergebnisses zu vermeiden, wird nach einem weiteren Gedanken der Erfindung zwischen den Bohrungen und dem rotierenden Spiegel 9 eine feststehende Zylinderwandblende so angeordnet, daß die Achse des Zylinders mit der Rotationsachse des Spiegels zusammenfällt. Dieser Ausschnitt aus einer Zylinderwand enthält eine Reihe von Bohrungen 30 bis 34, die jeweils einer Bohrung zugeordnet sind, d. h. zur Bohrung 20 gehört das Loch 30, zur Bohrung 21 das Loch 31 usw..
• Durch diese Zylinder-Lochblende wird eine- enge Zusammenfassung der von den Bohrungen ausgehenden Strahlenbündel erreicht, die Verwischungen ausschließt. Es wird weiterhin durch die zwischen den Löchern 30 bis 34 vorhandenen Zwischenräume ein jeweiliges Absinken der vom Detektor aufgenommenen Strahlung erreicht, d. h., auch hier werden die Wärmestrahlen moduliert, nur mit dem Unterschied, daß je zwei aufeinander folgende Bohrloch-Strahlungen selbst wieder in der Größe voneinander abweichen.
• Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung zum Eichen des Temperaturstrahl-Meßgerätes besteht im wesentlichen aus einem durch elektrische Heizspiralen 39 beheizten, nach außen isolierten Ofen 29 und einem daran angeschlossenen Gehäuse 45 zur Aufnahme der optoelektronischen Geräte. In dem Raum 29 befindet sich ein Stahlblock 49, in dem gleichachsig zueinander Bohrungen 2 und 6 von einander gegenüberliegenden Seiten eingebracht sind. Die Bohrungen sind soweit durchgeführt, daß zwischen ihnen eine dünne Materialwand stehen bleibt. Beide Bohrungen sind kegelig ausgebildet. Die kegelige Wand und die Grundfläche der Bohrung 2 sind geschwärzt, während in die Bohrung 6 ein dünnes Thermo-Element 16 eingeführt ist. Gleichachsig zu den Bohrungen sind in der Wand Öffnungen 50 und 51 angebracht. In dem Gehäuse 45 sind gleichachsig zur Bohrung 2 eine axial verschiebbare Lochblende 8, eine Linse 5 und der gekühlte Detektor 7 untergebracht. Vor dem Detektor ist in an sich bekannter Weise eine gekühlte Lochblende 41 angeordnet. Unmittelbar hinter der Öffnung 50 befindet sich die rotierende Lochblende 4 mit Antriebsmotor 40. Die Anordnung dieses Aggregates ist so getroffen, daß die Bohrungen 44 beim Umlaufen der Lochblende durch die Achse der Bohrung 2 hindurchgehen.
• Unmittelbar hinter der rotierenden Lochblende 4 taucht ein zweites Thermo-Element 17 in das Gehäuse ein, um die dort herrschende Temperatur aufzunehmen. Vom Thermo-Element 16 führen zwei Leitungen 26 und 36 zu einem Anzeigegerät 46. Vom Thermo-Element 17 führen zwei Leitungen 27 und 37 zum gleichen Meßgerät. Das Meßgerät 46 zeigt demnach jeweils den Unterschied zwischen der im Grund der Bohrung 6 herrschenden Temperatur und der Temperatur im Gehäuse 45 an. Vom Detektor 47 führen zwei Leitungen 28, 38 zu einem elektrischen Verstärker 18 von dem die elektrischen Signale an den Oszillographen 48 weitergegeben werden. Durch Vergleich der Anzeigen des Meßgerätes 46 und des Oszillographen 48 kann eine Eichung des Oszillographen vorgenommen werden.
• - Patentansprüche -

Claims (13)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Messen schnell wechselnder Temperaturen in dickwandigen Rohren, insbesondere Geschützrohren, dadurch gekennzeichnet, daß eine sehr feine Bohrung in die Wand eingebracht und die vom Grund der Bohrung ausgehende Wärmestrahlung mit der der Umgebung verglichen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strahlungen abwechsElnd einem IR-Detektor zugeführt und die von der Zelle abgegebenen elektrischen Signale kontinuierlich aufgenommen werden.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Bohrung kommende Wärmestrahlung vor Eintritt in den Detektor moduliert wird, derart, daß in regelmäßigem Wechsel die aus der Bohrung kommende Wärmestrahlung und die Wärmestrahlung der Umgebung dem Detektor zugeführt werden.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung nach dem Ende zu kegelig auf etwa den halben Durchmesser ausläuft und der Boden des Endstückes geschwärzt wird.
5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, angewandt auf eine Messung in verschiedenen Tiefen der Wand, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in verschiedene Tiefen reichende Bohrungen nebeneinander in die Wand eingebracht und die aus den einzelnen Bohrungen kommenden Wärmestrahlen nacheinander mit jeweiliger Unterbrechung dem IR-Detektor zugeführt werden.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bohrungen unter verschiedenen Winkeln in die Wand eingebracht werden, derart, daß die Achsen der einzelnen Bohrungen sich in einem Punkt außerhalb der Wand schneiden und daß die aus den Bohrungen kommenden Wärme strahlen von einem, um den Schnittpunkt rotierenden Spiegel nacheinander dem IR-Detektor zugeleitet werden.
7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, bestehend aus einem die Wärmestrahlen in elektrische Signale umwandelnden Detektor mit gekühlter Blende, einer die Wärme strahlen aufnehmenden und im Detektor fokussierenden Linse und einem die elektrischen Signale anzeigenden Oszillographen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Bohrung und der Linse eine mit hoher Drehzahl umlaufende Modulationsscheibe angeordnet ist, welche die aus der Bohrung kommenden Wärmestrahlen in regelmäßigen Abständen kurzfristig unterbricht.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsscheibe als rotierende Lochblende ausgebildet ist.
9. 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Linse eine verschiebbare Zusatzblende angeordnet ist.
10. 10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor dem IR-Detektor in ansich bekannter Weise eine weitere gekühlte Blende angeordnet ist.
11. 11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ien Ansprüchen 5 und 6, gekennzeichnet durch einen um den Schnittpunkt der Lochachsen rotierenden Spiegel, welcher so angeordnet ist, daß -je nach der Stellung des Spiegels - die aus den Bohrungen austretenden Wärme strahlen nacheinander dem IR-Detektor zugeführt werden.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine als Teil eines Zylindermantels ausgebildete, zwischen den Mündungen der Bohrungen und dem Spiegel angeordnete feststehende Blende mit Durchtrittsöffnungen für die aus den Bohrungen kommenden Wärmestrahlen.
13. 13. Verfahren zum Eichen der Vorrichtungen nach den Ansprüchen 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in einem nach außen isolierten, elektrisch beheizten Ofen ein Metallblock angeordnet wird, in den gleichachsig zwei große und gleich tiefe Bohrungen von einander gegenüber liegenden Seiten eingebracht werden, daß eine dieser Bohrungen am Ende geschwärzt wird und die von der Bohrung ausgesandten Wärmestrahlen unter Zwischenschaltung einer von einem regelbaren Motor angetriebenen umlaufenden Lochblende und einer weiteren, verschiebbaren festen Lochblende über eine Linse einem IR-Detektor zugeführt werden, worauf die von diesem ausgehenden elektrischen Signale über einen elektrischen Verstärker einem Oszillographen zugeleitet werden, während die andere der Bohrungen über ein Thermo-Element mit einem Meßgerät verbunden wird, dem die Vergleichswärme durch ein zweites Thermo-Element zugeführt wird, das in den Raum hinter der rotierenden Lochblende hineinreicht.

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