DE2618004A1

DE2618004A1 - Gasdruckthermometer und vorrichtung zur anwendung in einem gasdruckthermometer

Info

Publication number: DE2618004A1
Application number: DE19762618004
Authority: DE
Inventors: Albertus Van Der Kolk; Johannes Gerhardus Stiller
Original assignee: STIKO BV
Current assignee: STIKO BV
Priority date: 1975-04-28
Filing date: 1976-04-24
Publication date: 1976-11-11
Also published as: LU74840A1; GR59918B; AU1343676A; JPS5729657B2; JPS51134170A; CH608614A5; DE2618004B2; IN144558B; SE414673B; NO142796C; IE43098L; FI761140A; SE7604785L; US4059998A; FI60446C; FR2309847B1; CA1059783A; NL161258C; FI60446B; PT65046A

Description

Stiko B.V.

Roden, Niederlande

Gasdruckthermometer und Vorrichtung zur Anwendung in einem Gasdruckthermometer·

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasdruckthermometer, bestehend aus einem Anzeige-, Aufzeichnungs- oder Regelteil und einem damit gekuppelten, verschlossenen, ein Gas mit erhöhtem Anfangsdruck enthaltenden Messteil, der einen Behälter für das Gas, ein Bourdonrohr und ein Kapillarrohr enthält, das den Behälter für das Gas mit dem Bourdonrohr verbindet.

Gasdruckthermometer dieser Art sind allgemein bekannt und werden z.B. in "De Ingenieur" hG_ (195¹+), Seiten 0 8k - 0 86, beschrieben und dargestellt. Ein wesentlicher Teil des Gasdruckthermometers ist der Messteil, der wie erwähnt aus einem Behälter für das Gas, einem Bourdonrohr und einem Kapillarrohr besteht, das den Behälter für das Gas mit dem Bourdonrohr verbindet. Der Behälter für das Gas ist zugleich Wärmeaustauschorgan und dient als solches als Temperaturmesselement oder Fühler. Das Bourdonrohr bzw. die Bourdonfeder ist bekanntlich ein aus einem Metallrohr hergestelltes Organ. mit flachem, z.B. ellipsenförmigem oder rechteckigem Querschnitt, das zu einer 3A-Kreisform gebogen ist oder spiralförmig oder schraubenförmigen gewunden

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sein kann. Wenn der Gasdruck in der Bourdonfeder erhöht wird, wird sich diese zu strecken versuchen und einen kreisförmigen Querschnitt annehmen, um eine VolumenvergrÖsserung zu erlangen. Bei einer Drucksenkung wird die Bourdonfeder die entgegengesetzte Bewegung ausführen wollen. Die Bewegung der Feder wird eine Bewegung des freien, nicht mit dem Kapillarrohr verbundenen Endes des Rohrs verursachen. Diese Bewegung kann z.B. durch Kupplung der Bourdonfeder mit einem Anzeigeorgan, wie mit einem Zeiger, in Kombination mit einer Skala zur Bestimmung der Grosse des die Gasdruckänderung verursachenden Phänomens benutzt werden, m.a.W. im vorliegenden Fall zum Messen von Temperaturänderungen.

Das Kapillarrohr, das den Gasbehälter mit dem Bourdonrohr verbindet, kann eine grosse Länge, z.B. 10-20 m , besitzen, so dass das Thermometer als Fernthermometer ausgeführt werden kann.

Bei der Herstellung von Gasdruckthermometern, wenigstens des Messteils solcher Thermometer, der ein Gas unter erhöhtem Druck enthält, geht-man davon aus, dass die Wirkung möglichst annähernd auf dem Gasgesetz für ein ideales Gas beruhen sollte, angewendet auf ein bestimmtes Gewicht und ein konstantes Volumen, also nach der Gleichung F1_ ⁼ "EOL » 'wodurch ein linearer Zusammen-

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hang zwischen Temperaturänderung und Druckänderung erreicht wird. Wie schon erwähnt ist, erfährt die Bourdonfeder bei einer Aenderung des Gasdrucks aber eine Aenderung ihres Volumens, so dass die Ausgangsbedingung für ein Gassystem mit konstantem Volumen nicht erfüllt wird und die MessGenauigkeit beeinträchtigt wird. Ausserdem werden Aenderungen der Umgebungstemperatur auch Aenderungen des Volumens der Bourdonfeder und des Kapillarrohrs verursachen und auch dadurch die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Diese Beeinträchtigung der Messgenauigkeit kann dadurch vermieden werden, dass das Volumen des Gasbehälters in bezug auf das des Kapillarrohrs und der Bourdonfeder gross bemessen wird. Gemäss dem genannten Artikel in "De Ingenieur" wird zur Erhaltung einer Messgenauigkeit von etwa \% bei den bekannten

Gasdruckthermometern ein Gasbehälter mit einem Volumen von 50-100 cm angewendet. Hiervon ausgehend soll die Kombination des Volumens des Gasbehälters und der Menge, also des Drucks des Gases im Messteil so gewählt werden, dass der Messbereich des Thermometers über 270 nicht weniger als 100 C beträgt.

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Der zur Aufrechterhaltung der gewünschten Messgenauigkeit erforderliche, grössere Inhalt des bekannten Gasbehälters ist aber ein Nachteil für die Handhabung und die Anordnungsmöglichkeiten des Thermometers. Ausserdem verursacht ein grösserer Gasbehälter durch die vergrösserte Wärmeleistung eine trägere Anzeige.

H. Brolsma gibt im Buch "Temperatuurmetingen, basiskennis Meet- en Regeltechniek", herausgegeben von Technische Uitgeverij H. Stam IJ.V. in Zusammenarbeit mit der Stiftung "Bemetel", 2. Druck, Februar 1969, Seite 20 ff., eine Uebersicht über Betriebsthermometer, deren Wirkung auf der Eigenschaft von Stoffen beruht, sich bei Erhöhung der Temperatur auszudehnen und umgekehrt. Zu dieser Kategorie sind die Gasdruckthermometer zu rechnen und weiter auch Flüssigkeitsthermometer, die als Füllflüssigkeit eine organische Flüssigkeit wie Pentan oder Quecksilber (sog. "Quecksilber-in-Stahl"-Thermometer) enthalten. Zum Druck des Füllmittels wird erwähnt, dass bei den Quecksilber-inStahl- Thermometern wegen einer kleineren Zusammendrüekbarkeit von Quecksilber ein Fulldruck bis etwa 175 kg/cm zugelassen werden kann. Bei Anwendung einer organischen Flüssigkeit als Füllflüssigkeit muss aber ein kleinerer Fülldruck als bei Quecksilber angewendet werden, nämlich von 5-50 kg/cm , weil diese Flüssigkeiten eine grössere Zusammendrüekbarkeit als Quecksilber haben. In Uebereinstimmung mit diesem Prinzip, nach dem also bei einer grösseren Zusammendrüekbarkeit des Füllmittels ein kleinerer Fulldruck oder Anfangsdruck angewendet wird, wird bei einem Gas als Füllmittel, also bei Gasdruckthermometern, ein Fülldruck von nicht mehr als 50 kg/cm eingehalten.

Auch nach dieser Veröffentlichung wird die Messgenauigkeit gefördert, wenn das Verhältnis des Volumens des Gasbehälters zu dem des Bourdonrohrs und des Kapillarrohrs gross, z.B. 50 : 1 gewählt wird; der Gasbehälter kann z.B. einen Durchmesser von 20 mm und eine Länge von 125 mm besitzen. Weiter wird bemerkt, dass der Inhalt eines Füllmittelbehälters, bei Gasdruckthermometern im allgemeinen grosser ist als bei Flüssigkeitsthermometern.

Die US Patentschrift 3.UIO.IU1 gibt eine Uebersicht über die Eigenschaften eines üblichen Gasdruckthermometers, wobei betont wird, dass das Volumen des Gasbehälters zu dem des Bourdonrohrs gross sein muss, damit bei Temperaturmessungen eine Druckänderung im Bourdonrohr erreicht wird, die gross genug

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ist, um das Rohr eine ausreichende Bewegung machen zu lassen. Der dieser Massnahme zugrunde liegende Gedanke beruht selbstverständlich auch auf dem Gasgesetz, das ja angibt, dass der Effekt einer Zustandsänderung, die ein Gas erfährt, auch von der Gasmenge abhängt. Um bei Gasdruckthermometern bei einer Aenderung der Temperatur einen ausreichenden Effekt zu erhalten, wird also nach der US Patentschrift bei den üblichen Gasdruckthermometern eine Vergrösserung der Gasmenge in einer Vergrösserung des Volumens des Gasbehälters gesucht. Es wird nun nach der US Patentschrift ein Gasdruckthermometer zur Verfugung gestellt, dessen Gasbehälter ein festes Material enthält, das bei niedrigen Temperaturen das Gas adsorbiert und bei höheren Temperaturen das Gas desorbiert, vas einen steiler ansteigenden Druck-Temperatur-Zusammenhang ergibt und wodurch auch kleinere Gasbehälter angewendet werden können, z.B. mit einem Volumen von etwa 3 cm gegen ein Volumen des Gasbehälters von etwa 65 cm bei üblichen Gasdruckthermometern. Der Gasdruck beim Thermometer nach der US Patentschrift bei etwa 15°C beträgt, in Abhängigkeit von der Art des Gases und des Adsorptionsmaterials etwa 1,8-5,6 kg/cm Ueberdruck.

Mit der Erfindung wird nun ein Gasdruckthermometer geschaffen, bei dem der Anfangsdruck, entgegen der herrschenden Auffassung, dass, wenn das Fullmedium in einem im allgemeinen auf Ausdehnung eines Mediums beruhenden Thermometer'eine zunehmende Zusammendrückbarkeit besitzt, niedrigere Anfangsdrucke angewendet werden sollten, einen Wert hat, über dem das Gas bei isothermischer Druckerhöhung gerade eine Verminderung der Zusammendrückbarkeit erfährt.

Beim erfindungsgemässen Gasdruckthermometer kann ohne Bedenken ein Anfangs-

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druck von z.B. "\ko kg/cm oder auch von 175 kg/cm , wie bei Quecksilber-inStahl-Thermometern, und hoher angewendet werden, ohne dass die gute Wirkung des Thermometers, z.B. die für Gasdruckthermometer für üblich gehaltene Messgenauigkeit von etwa λ% des Messberachs, beeinträchtigt wird. Der Enddruck, der bei einer Temperaturmessung im Messelement des erfindungsgemässen Gasdruckthermometers zulässig ist, hängt von der Erscheinung ab, dass das Füllgas bei hohen Temperaturen durch das Metall, aus dem das Messelement hergestellt ist, diffundieren kann, und weiter von der praktischen Erwägung, dass eine gewisse Ueberlastung des Thermometers ohne Beschädigung des Messers möglich sein soll.

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Erfindungsgemäss werden Gasdruckthermometer bevorzugt, deren Messteil Stickstoff enthält mit einem erhöhten Anfangsdruck von wenigstens 175 kg/cm und

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mit einem einem Enddruck von UOO kg/cm entsprechenden Messbereich.

Durch den sehr hohen Gasdruck im erfindungsgemässen Gasdruckthermometer genügt auch ein viel kleinerer Inhalt des Gasbehälters, was nicht nur keinen merkbaren Nachteil für die Wirkung der Bourdonfeder hat, sondern vielmehr eine solche Verbesserung der Wirkung ergibt, dass ein bedeutend kleinerer Messbereich über die Skala des Gasdruckthermoiiäers erhalten werden kann als der Mindestmessbereich von 100 C, der, wie schon erwähnt ist, bei den bekannten Gasdruckthermometem eingehalten werden muss.

Thermometer mit kleinem Mindestmessbereich sind insbesondere für Anwendung unter den bei der Herstellung und Lagerung von Konsumartikeln, wie Speise- und Genussmitteln, Getränken usw., geltenden Bedingungen von Bedeutung. Schon eine geringere Erhöhung der Temperatur kann bei dieser Art von Artikeln zum Verderben der Ware oder zu einer Verminderung der Geschmackqualität führen. Bisher verwendet man in der Praxis zur Ueberwachung der Temperatur bei dieser Art von Produkten die Quecksilber-in-Stahl-Thermometer, weil nur diese Thermometer mit einem Mindestmessbereich hergestellt werden können, der klein genug ist, um eine Temperaturüberwachung innerhalb eines schmalen Temperaturbereichs mit ausreichender Genauigkeit zu ermöglichen. Es erübrigt sich aber, näher auseinanderzusetzen, dass die Anwendung von Quecksilber enthaltenden Thermometern gerade bei Konsumartikeln wegen der latenten Gefahr einer Quecksilberverunreinigung als äusserst ungewünscht zu betrachten ist.

Bei einer Vorzugsausführungsform des erfindungsgemässen Gasdruckthermometers, im Zusammenhang mit dessen Anwendung bei Konsumartikeln, wie im vorigen beschrieben ist, hat der Anfangsdruck des Gases einen Wert, bei dem der Messbereich des Thermometers Uo°C über eine Skala von 270 beträgt. Ein solches Gasdruckthermometer eignet sich sehr gut dazu, die Quecksilber-in-Stahl-Thermometer zu ersetzen, insbesondere bei den obengenannten Konsumartikeln, was vorher nicht möglich war.

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Es ist überraschend, dass trotz der Anwendung sehr hoher Anfangsdrucke im

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Messteil von wenigstens 175 kg/cm oder höher, wobei zu erwarten wäre, dass ein Gas bestimmt nicht mehr als ein ideales Gas zu betrachten ist, wobei also grosse Abweichungen vom Gasgesetz, auf dem die Wirkung der Gasdruckthermometer beruht, zu erwarten wären, dennoch erfindungsgemäss Gasdruckthermometer geschaffen werden, die ganz zuverlässig und wiederholbar funktionieren mit einer Messgenauigkeit von weniger als 1$ des Messbereiches, wie nachstehend nachgewbsen werden wird.

Die Anwendung eines hohen Gasdrucks hat auch eine grosse Stellkraft der Bourdonfeder zur Folge, so dass das erfindungsgemässe Gasdruckthermometer ausser als Anzeigethermometer, das auch als Fernthermometer ausgeführt sein kann, auch dazu geeignet ist, als Aufζeichnungsthermometer oder als Regelthermometer ausgeführt zu werden.

Die Konstruktion... des Gasdruckthermometers und des dabei angewendeten Messelements genäss der Erfindung entspricht der der bekannten Vorrichtungen, wie d:-;se s.E. in der schon genannten Veröffentlichung in "De Ingenieur'¹ hc_ (195*0 j Seiten 0 Qk - 0 86, worauf der Kürze halber verwiesen wird, beschrieben sind. Dies gilt auch für die als Gasfüllung zu verwendenden Gase, wofür man vorzugsweise, wegen der Zugänglichkeit dieses Stoffes, Stickstoff verwendet, die Füllungsweise, die Einstellung und Eichung der Gasdruckthermometer sowie erwünsentenfalls, im Hinblick auf die Messgenauigkeit, die Verwirklichung einer näheren Kompensation der Bourdonfeder für die Aenderung des Volumens durch Erwärmung oder Abkühlung wahrend einer Messung oder durch Aenderungen der Umgebungstemperatur, mittels eines Bimetalls.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung mit einem Behälter für Gas, einem Bourdonrohr und einem Kapillarrohr, das den Behälter für Gas und das Bourdonrohr verbindet, wobei das Bourdonrohr aus einem gehärteten, chrom-molybdanlegierten Stahl hergestellt ist, der 0,25-0,30$ C, 0,15-0,35$ Si, 0,50-0,70$ Mn, weniger als 0,030$ P,weniger als 0,020$ S, 0,9-1,2$ Cr und 0,15-0,25$ Mo enthält.

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Die Härtung dieses Materials kann durch Abschrecken von etwa 850 C ab in OeI oder von etwa 830° C ab in Wasser erfolgen, wobei das Material wenigstens etwa 15 Minuten auf der Härtungstemperatur gehalten wird, und durch anschliessendes Anlassen durch Erhitzung während wenigstens § Stunde bei Temperaturen bis etwa UOO°C. Vorzugsweise wird gehärtet durch Erhitzung während 20 Minuten bei 880°C in neutraler Atmosphäre, Abschrecken in OeI und Anlassen während 60 Minuten bei 35O°C in neutraler Atmosphäre. Mit einer aus diesem Material hergestellten Bourdonfeder kann ein Federweg von etwa 50 mm errecht werden, wie dieser in einem Gasdruckthermometer mit einem Messbereich von ko kg/cm über eine Skala von 2TO und einem Anfangsdruck·

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von etwa 330 kg/cm auftritt, während eine solche Bourdonfeder weiter noch

bei einem Gasdruck bis etwa 600 kg/cm vollkommen genügt. Es hat sich herausgestellt, dass durch Anwendung eines hohen Gasdrucks und des im vorigen beschriebenen Materials zur Herstellung der Bourdonfeder gut funktionierende Gasdruckthermometer mit einem Volumen des Gasbehälters von nicht mehr als etwa 1 cm erhalten werden können. Bei solchen kleinen Gasbehältern sind die Anwendungsmöglichkeiten von Gasdruckthermometern im allgemeinen bedeutend erweitert, während solche kleinen Behälter ein schnelles Ansprechen des Messers selbstverständlich bedeutend fördern.

Zur Erläuterung der Erfindung wurden mit dem nachstehend beschriebenen, erfindungsgemässen Gasdruckthermometer Temperaturmessungen durchgeführt.

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Die technische Daten des Gasdruckthermometers waren: Ausführung als Zeigerthermometer mit im Abstand angeordneten Fühler

Messbereich minimal zulässige Temperatur maximal zulässige Temperatur Durchmesser des Gehäuses Durchmesser der Skala Einteilung Abmessungen des Fühlers Material des Fühlers Abmessungen des Kapillarrohrs Material des Kapillarrohrs Gasfüllung Anfangsdruck der Gasfüllung Genauigkeit der Anzeige

0 120 C

O⁰C

120°C

112 mm 7^ mm IK/s. d.

0 12 χ IU5 mm rostsicherer Stahl 0 2,5 χ 1890 mm rostsicherer Stahl Stickstoff 12 MPa etwa Λ% der vollen Skala

rostsicherer Stahl vom im vorigen beschriebenen Typ, gehärtet durch Erhitzung während 20 Minuten bei 88Ο C in neutraler Atmosphäre, Abschrecken in OeI und Anlassen während 60 Minuten bei 350 C in neutraler Atmosphäre.

Mit diesem Messer wurden Temperaturmessungen in einem Wasserbad durchgeführt, dessen allmählich auf 100 C erhöht und dann wieder herabgesetzt wurde. Dabei wurden die in nachstehender Tabelle angegebenen Messwerte aufgezeichnet:

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TABELLE

ί	Umgebungs- temp.oc	°C	vor Ueberlastung	vor	nach	2C	nach	)	K	Ueberlastung	0	32	vor	)	K
wirkliche Temp.	20	20	Klopfen	Klopfen	Koirektur	,0		65	Korrektur	Klopfen	nach	15
	30	Korrektur	K	K	vor	,65		3	K	Klopfen
	ko	+ 0,i+5		Klopfen	,6	nach	1	+ 0,55		6
	60	+ 0,35			,2	Klopfoi	0		+ 0,	3
	80	+ 0,Uo	+ 0,15	0	,1	K	2	+ 0,8 i		1
	100			- 0	,3	0,	1	+ 0,5	+ o,	1
Ö (U	8o			+ 0	,1	- o,	0	+ 0,3	+ o,	1
+3 •Η	6o			+ 0	,3	- o,	3	0,0	+ 0,	2
M	ko			+ 1	,1	+ 0,	1	- 0,1	- o,	3
	30			+ 0	,3	+ 1,	2	- 0,1	- o,
	20			- 0	,3	+ 0,	1	+ 0,2	+ o,	H
	0			- 0	,2	0,			+ o,	0
	- 0,35	+ 0,15	+ 0	0,	+ 0,1
len			- 0	+ o,	- o.U	+ 0,
		- 0	- o,		0,
		- 0	- o,
		- o,

wirkliche Temperatur = angegebener Wert + Korrektur

Aus diesen Messungen geht hervor, aass die Genauigkeit des Instruments weniger ist als etwa λ%.

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Claims

Ansprüche

/ 1. JGasdruckthermometer, bestehend aus einem Anzeige-, Aufzeichnungs- oder Regelteil und einem damit gekuppelten, verschlossenen, ein Gas mit erhöhtem Anfangsdruck enthaltenden Messteil, der einen Behälter für Gas, ein Bourdonrohr und ein Kapillarrohr enthält, das den Behälter für das Gas mit dem Bourdonrohr verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der erhöhte Anfangsdruck einen Wert hat, über dem das Gas bei isothermischer Druckerhöhung eine Verminderung der Zusammendruckbarkext erfährt.
2. Gasdruckthermometer nach Anspruch 1, dessen Messteil Stickstoff mit erhöhtem Anfangsdruck enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangs-

druck wenigstens 175/cm beträgt und der Messbereich einem Enddruck von

UOO kg/cm entspricht.
3. Gasdruckthermometer nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangsdruck des Gases einen ¥ert hat, bei dem der Messbereich des Thermometers Uo°C über eine Skala von 270 ist.

U. Vorrichtung mit einem behälter für Gas, einem Bourdonrohr und einem Kapillarrohr, das den Behälter für das Gas und das Bourdonrohr verbindet, zur Anwendung als Messteil im Gasdruckthermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bourdonrohr aus einem gehärteten, chrommolybdänlegierten Stahl hergestellt ist, der 0,25-0,30$ C₅ 0,15-0,35/* Si, 0,50-0,70/, Mn, weniger als 0,030$ P₉ weniger als 0,020$ S, 0,9-1,2$ Cr und 0,15-0,25$ Mo enthält.

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