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Vorrichtung zum Messen der Temperatur strömender
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Heißgase Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur
eines in einem geschlossenen Rohr strömenden heißen Gases.
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In der Gastemperaturmeßtechnik werden Thermoelemente oder andere
Sensoren verwendet, die entweder ungeschützt oder direkt in die Gas strömung hineinragen
oder in einer Thermohülse aufgenommen werden, die in die Heißgasströmung hineinragt.
Der Nachteil dieses Meßverfahrens besteht darin, daß die von dem Sensor erfaßte
Temperatur erheblich unter der wahren Gastemperatur liegt, da entweder am thermischen
Sensor oder an der Thermohülse Wärmeverluste auftreten. Praktisch sind diese
Wärmeverluste
durch Wärmestrahlung bedingt, und es können Tem-0 peraturunterschiede von einiaen
100 C auftreten.
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Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine verbesserte Temperaturmeßvorrichtung
zu schaffen, durch welche eine genauere Bestimmung der Temperatur von strömenden
Gasen ermöglicht wird.
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Die Vorrichtung soll dabei eine einfache und preiswerte Konstruktion
aufweisen und verhindern, daß am thermischen Sensor Wärmeverluste durch Wrmestrahlung
auftreten können, so daß die Vorrichtung in eine Gas strömung einsetzbar ist und
die genaue Bestimmung der Temperatur des strömenden Gases ermöglicht.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein dünnwandiges, zylindrisches
Rohr vorgesehen ist, welches durch die Gasrohrwandung hindurch in die Heißgasströmung
eingreift.
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In das Rohr ist ein thermischer Sensor axial eingesetzt, der in dem
Rohr dichtend gehalten wird, so daß das Rohr an dem außerhalb des Gasrohres liegenden
Ende verschlossen ist. Innerhalb des dünnwandigen Rohres sind ein oder mehrere kurze,
zylindrische, dünnwandige Rohrstücke koaxial angeordnet, die den Sensor umschließen.
Ein Teil der heißen Gase wird in vorteilhafter Weise derart umgeleitet, daß die
Gase wenigstens axial entlang eines Stückes des dünnwandigen Rohres und durch den
ringförmigen Zwischenraum hindurchströmen, der sich zwischen dem Sensor und dem
innersten kleinen Rohr befindet, sowie durch die ringförmigen Zwischenräume, die
sich zwischen den kleineren Rohren und dem großen dünnwandigen Rohr befinden.
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Die kleineren Rohre sind konzentrisch zueinander und zu dem großen
Rohr angeordnet und umschließen den Sensor. Wenn die heißen Gase durch die ringförmigen
Zwischenräume hindurchströmen, dann heizen sie wenigstens das innerste kleine Rohr
und damit den Sensor auf die Temperatur der strömenden Gase auf.
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Weitere ierkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Darin zeigen: Fig.l eine senkrechte Schnittansicht eines bevorzugten Aus führungs
beispiels der Erfindung, bei welchem der Sensor senkrecht zur Richtung der Gasströmung
angeordnet ist; Fig.2 eine Ansicht in Richtung der in Fig.l eingetragenen Pfeile
2-2; Fig.3 eine Ansicht in Richtung der in Fig.l eingetragenen Pfeile 3-3; Fig.4
eine Schnittansicht entlang einer senkrecht zur Achse des Sensors gelegten Schnittebene
nach Fig.l; Fig.5 eine Ansicht entlang der in Fig.l eingezeichneten Pfeile 5-5 und
Fig.6 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsheispiel der Erfindung, bei welchem der
Sensor parallel zur Richtung der Gasströmung angeordnet ist.
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In der Fig.l der Zeichnung ist eine Schnittansicht eines Rohres oder
Schornsteines usw. 12 dargestellt, wobei an der Wandung des Rohres 12 ein mit einem
Gewinde versehener Anschluß 20 angeschweißt ist, dessen Achse senkrecht zur Rohrachse
verläuft. Dieser mit dem Gewinde versehene Anschluß 20 kann z.B. mittels der Schweißnaht
22 oder irgendeiner anderen Einrichtung am Rohr 12 befestigt sein. Koaxial zum Anschluß
20 befindet sich in der Rohrwandung eine kreisföriqp Öffnung 14, durch welche ein
langes dünnwandiges Rohr 16 in das Rohr 12 eingesetzt ist, welches an einem Gewindebolzen
18
befestigt ist, der seinerseits in den Anschluß 20 eingeschraubt ist, so daß das
zylindrische Rohr 16 in das Rohr 12 hineinragt und eine zu der durch den Pfeil 42
angedeuteten c;asströmung im wesentlichen senkrechte Lage einnimmt. In der Achse
des Rohres 16 ist ein thermischer Sensor 26 angeordnet, der z.B. von einem Thermometer,
einem Thermoelement oder einem Thermistor gebildet sein kann und von einem Gewindezapfen
und einer nicht dargestellten Dichtung gehalten ist, welcher in ein Gewinde 24 des
Gewindebolzens 18 eingeschraubt ist. Das außenliegende Ende des Rohres 16 ist also
durch den Gewindebolzen 18, die Dichtung und den Gewindezapfen 24 verschlossen,
wobei der Gewindezapfen mit der Dichtung in das Gewinde 24 eingeschraubt ist.
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Aus den Fig.l und 3 ist zu entnehmen, daß das innerhalb des Rohres
12 liegende Ende des Rohres 16 durch eine kreisförmige Scheibe 30 verschlossen ist
und daß die Leitung 16 seitlich aufgeschnitten ist, so daß eine Öffnung 32 gebildet
wird. Das Rohr 16 ist derart in das Rohr 12 eingesetzt, daß die offnung 32 direkt
izrdie Richtung der zuströmenden heissen Gase zeigt, d.h. in die dem Pfeil 42 entgegengesetzte
Richtung. Auf der Rückseite des Rohres 16 sind im Bereich der Wandung des Rohres
18 mehrere Löcher 38, 40 vorgesehen, so daß die in Richtung des Pfeiles 42 strömenden
Gase'infolge ihrer kinetischen Energie zum Teil in die öffnung 32 einströmen und
in axialer Richtung entlang der Leitung 16 strömen, wie dies durch die Pfeile 44
und 46 angedautet ist.
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Diese Gase strömen entlang der Achse des Rohres 16, und da das Ende
des Rohres 16 verschlossen ist, durch die Löcher 38 und 40 in Richtung der Pfeile
48, 49 und 50. Es ergibt sich dadurch eine kontinuierliche Strömung heißer Gase
durch die Öffnung 32 in das Rohr 16 hinein und durch die Löcher 38 und 4s aus dem
ohr 16 hinaus, wenn eine Gasströmung in wichtung des Pfeiles 42 vorhanden ist.
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Der thermische Sensor 26 ist derart angeordnet, daß sein empfindlicher
Bereich 28 zwischen der Öffnung 32 und den Löchern 38 und 40 angeordnet ist, so
daß das Thermoelement dauernd von heißen Gasen umströmt wird, wenn die Temperatur
der Gasströmung gemessen werden soll.
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Innerhalb des Rohres 16 befinden sich ein oder mehrere zylindrische,
dünnwandige Rohre 34 mit einem kleineren Durchmesser. Das oder die Rohre 34 sind
von radialen Stegen 36 oder anderen Einrichtungen gehalten. Bei dem dargestellten
bevorzugten Ausführungsbeispielder Erfindung sind der Sensor 26, die Rohre 34 und
das Rohr 16 koaxial zueinander angeordnet, wobei zwischen diesen Teilen ringförmige
Zwischenräume freigelassen sind, durch welche die heißen Gase entlang der eingezeichneten
Pfeile hindurchströmen können. Das innere Rohr 34 ist in dem in der Fig.4 gezeigten
Querschnitt deutlich zu erkennen. Die Fig.5 zeigt eine Draufsicht auf den Gewindebolzen
18 mit dem in die Öffnung 19 eingesetzten thermischen Sensor 26, wobei jedoch der
Gewindezapfen und die Dichtungspackung oder eine andere Dichtung weggelassen sind,
welche die Gewindeöffnung 24 verschließen, den thermischen Sensor in der eingesetzten
Position halten und ein Ausströmen der heißen Gase durch die Öffnung 19 verhindern.
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Um die Gastemperatur mit Hilfe des thermischen Sensors 26 messen zu
können, ist es notwendig, daß eine innige Berührung zwischen den heißen Gasen und
der Meßfläche 28 des thermischen Sensors 26 hergestellt wird. Es ist außerdem wichtig,
daß eine Wärmestrahlung oder ein anderer Wärmeverlust des thermischen Sensors verhindert
wird, der dann auftritt, wenn die den Sensor umgebenden Flächen eine niedrigere
Temperatur aufweisen. Dieser durch Strahlung auftretende Wärmeverlust wird dadurch
verhindert, daß der thermische Sensor innerhalb des oder der Rohre 34 angeordnet
wird, welche von der heißen Gasströmung umspült werden, indem
die
Gase an den Innen- und Außenflächen entlangströmen.
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Das Rohr 16 besitzt zwangsläufig nicht die Temperatur der Gase, da
eine Wärmeabstrahlung zu den kälteren angrenzenden Bereichen erfolgt. Es ist deshalb
notwendig, daß wenigstens ein inneres Rohr, z.B. das Rohr 34, vorgesehen ist, bei
welchem keine Wärmestrahlung nach außen zu kälteren Bereichen erfolgt, weil das
Rohr von dem Rohr 16 umschlossen ist. Obwohl das Rohr 16 nicht genau die Gastemperatur
besitzt, liegt seine Temperatur näher an der tatsächlichen Gastemperatur als die
Temperatur der Außenwandung des Rohres 12. Da das innere Rohr 34 von der Strömung
der heißen Gase an seiner Innenfläche und seiner Außenfläche umspült wird und durch
die nahezu eine gleiche hohe Temperatur aufweisenden Flächen der Leitung 16 an einer
Wärmeabstrahlung gehindert wird, wird eine erhebliche Verringerung der Wärmestrahlung
der Meßfläche 28 des thermischen Sensors erreicht, welche auf eine Temperatur gebracht
und auf dieser Temperatur gehalten wird, die sehr nahe an der Gas temperatur der
über die Meßfläche strömenden heißen Gase liegt. Um den durch die niedrigeren Temperaturen
der angrenzenden Bereiche bedingten Fehler bei der Temperaturmessung durch den Sensor
weiter zu verringern, können in den; Rohr 16 zusätzliche Rohre vorzugsweise konzentrisch
angeordnet sein, die das Rohr 34 umschließen.
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Bei einer Vorrichtung, die gemäß dem in der Fig.l gezeigten Ausführungsbeispiel
ausgebildet ist, ist es sehr wichtig, die Strömungsgeschwindigkeit des durch die
zwischen den Rohren befindlichen Zwischenräume hindurchströmenden Gases auf einem
Wert zu halten, der etwa im Bereich von drei Metern pro Sekunde bis 15 Metern pro
Sekunde liegt (10 bis 50 feet per second), vorzugsweise im Bereich von drei Metern
pro Sekunde bis 6 Metern pro Sekunde (10 bis 20 feet per second). Bei einer zu kleinen
Strömungsgeschwindigkeit
ist nicht gewährleistet, daß die Oberflächen
der Rohre die tatsächliche Temperatur der Gase erreichen.
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Wenn andererseits die physikalische Strömungsgeschwindigkeit zu groß
ist, dann ist die effektive ro 0101ekulargeschwindigkeit größer als die wahre Molekulargeschwindigkeit
bei der entsprechenden herrschenden Gastemperatur, so daß die Meßfläche 28 eine
Temperatur mißt, die über der wahren Gas temperatur liegt. Es wurde jedoch festgestellt,
daß bei einer idealen Gasströmungsgeschwindigkeit von etwa 6 Metern pro Sekunde
(20 feet per second) durch die Rohrleitung 16 die in Schornsteinen und Rohren herrschende
Temperatur der Gasströmung mit sehr großer Genauigkeit gemessen werden kann.
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Während bei dem dargestellten und beschriebenen System die kinetische
Energie der Gasströmung ausgenutzt wird, um dafür zu sorgen, daß die Gase durch
die verengten,ringförmigen Zwischenräume hindurchströmen, sei erwähnt, daß auch
andere Einrichtungen zur Erzeugung einer Heißgasströmung durch die ringförmigen
Zwischenräume Verwendung finden können, wie z.B. ein Ejektor, eine Pumpe oder andere
an sich bekannte Einrichtungen.
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Wie dies bereits ausgeführt wurde, ist die Strömungsgeschwindigkeit
von erheblicher Bedeutung. Diese Strömungsgeschwindigkeit durch die Rohrleitung
16 ist von der Strömungsgeschwindigkeit der durch das Rohr 12 hindurchströmenden
Gase abhängig. Es ist möglich, die Gasströmung durch das Rohr 16 dadurch zu verändern,
daß entweder der Durchmesser der Löcher 38 und 40 entsprechend eingestellt oder
die Rohrleitung 16 so gedreht wird , daß nur ein Teil der Öffnung 32 in Richtung
der zugeführten Gasströmung zeigt, oder daß beide Maßnahmen durchgeführt werden.
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Obwohl mehrere, z.B. zwei Löcher 38 und 40, gezeigt sind,
kann
natürlich auch eine einzige Öffnung oder ein geeigneter Bereich verwendet werden.
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In der Fig.6 ist ein weiteres hevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt, bei welchem der Sensor in das Rohr ader die Leitung parallel
zur Gasströmungsrichtung eingesetzt ist. Das Rohr oder die Leitung 60 besitzt einen
nach oben gerichteten Teil 62, der in einen im rechten Winkel abgebogenen Teil 64
einmündet. Wie bei dem in der Fig.l gezeigten Ausführungsbeispiel ist etwa in der
Mitte des gekrümmten Teiles ein mit einem Gewinde versehener Anschluß 20A an dem
Rohrteil angeschweißt, wobei die Achse des Anschlusses vorzugsweise in der Achse
des nach oben greifenden Rohrteiles 62 liegt.
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Der mit dem Gewinde versehene Anschluß 20A ist an dem Rohrteil 64
mit Hilfe der Schweißnaht 22 oder einer anderen Einrichtung befestigt. Der gekrümmte
Rohrteil weist eine kreisförmige Öffnung 14 auf, die konzentrisch zum Anschluß 20A
angeordnet ist, durch welchen der Sensor 10A eingesetzt werden kann, welcher in
dem Anschluß 20A mit Hilfe des Gewindebolzens 18 gehalten wird. Das zylindrische
Rohr 16 ist an dem C,ewindebolzen 18 befestigt und durch die Öffnung 14 in dem Rohrteil
62 eingesetzt, wobei das offene Ende des Rohres 16stromauf der Gasströmung 66 entgegengerichtet
ist.
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Die durch die Pfeile 66 angedeutete und im Rohrteil 62 nach oben gerichtete
Gasströmung 66 gelangt in das innere Rohr 34 der Sensoreinrichtung lOA, welches
die Sensorfläche 28 des Sensors 26 umschließt. Der Sensor 26 wird innerhalb des
Gewindebolzens 18 mit Hilfe einer Dichtung und eines nicht dargestellten Gewindezapfens
gehalten, welcher in den Gewindeteil 24 eingeschraubt ist, wie dies an sich bekannt
ist. In dem Rohr 16 sind ein oder mehrere Löcher 80 vorgesehen, so daß die gemäß
den Pfeilen 72,74 und 76 in das Rohr einströmenden Gase durch die ringförmigen,
den Sensor
umgebendenZwischenräume hindurchströmen und gemäß dem
Pfeil 78 durch das Loch 80 nach außen strömen. Die Größe des Loches oder der Löcher
80 ist in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit der Gase 66 gewählt, so
daß hinter der tNeßfläche 28 des Sensors und den Rohren 24 eine optimale Gasströmungsgeschwindigkeit
erzielt wird.
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Wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Gase 66 zu klein ist, um einen
optimalen Gasdurchsatz durch die ringförmigen Zwischenräume zu gewährleisten, dann
können Saugeinrichtungen oder andere Einrichtungen vorgesehen sein, welche die Gase
mit einer optimalen Gasströmungsgeschwindigkeit durch diese Zwischenräume und hinter
den Sensor saugen.
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Während es bevorzugt ist, daß die Achse des Rohres 16 mit der Achse
des Rohrteiles 62 zusammenfällt, müssen die Achsen nicht koaxial zueinander sein,
oder die Achse des Rohres 16 muß nicht genau parallel zur Achse der Leitung oder
des Rohrteiles 62 verlaufen. Es sollte jedoch ein genügend großer Querschnittsteil
des Rohrendes 16 der ankommenden Gasströmung 66 entgegengerichtet sein, damit ein
genügend großer Druck erzeugt wird, der gewährleistet, daß hinter dem Sensor eine
optimale Strömungsgeschwindigkeit vorhanden ist.