DE2618004B2 - Gasdruckthermometer und Vorrichtung zur Anwendung in einem Gasdruckthermometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasdruckthermometer, bestehend aus einem Anzeige-, Aufzeichnungsoder Regelteil und einem daniii l'ckuppelten, verschlossenen, ein Gas mit erhöhtem Druck 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 /.. B. in »De Ingenieur« 46 (1954), Seiten O 84-O 86. beschrieben und dargestellt. Ein wesentlicher Teil des Gasdruckthcrmometers 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 Bourdonrchr verbindet. Der Behälter für das Gas isi zugleich Wärmeaustauschorgan und dient als solches als Temperalurmeßelement oder Fühler. Das Bourdonrohr bzw die Bourdonfedcr isl bekanntlich ein aus einem Metallrohr hergestelltes Organ mil flachem, /. B. ellipsenförmigem oder rech !eckigem Querschnitt, das zu einer Vi Kreisform gebogen isl oder spiralförmig oder schraubenförmig gewunden sein kam; Wenn der Ciasdruck in der Bourdonfeder erhöht wird, wird sich diese /υ strecken versuchen und einen kreisförmigen Querschnitt annehmen, um eine Volumenvergrößerung zu erlangen. Hei einer Oruikscnkung wird die Bourdonfcdcr die entgegengeset/te Bewegung ausführen wollen. Die Bewegung der Feder wird eine Hcwegung des freien, nicht mit drin K;i|ii'!.irrohr 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

ϊ Größe 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.

in 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 spezifisches Gewicht und ei" konstantes Volumen, also nach der Gleichung

wodurch ein linearer Zusammenhang zwischen Temperaturänderung und Druckänderung erreicht wird. Wie schon erwähnt ist, erfährt die Bourdonfeder bei einer Änderung des Gasdrucks aber eine Änderung ihres Volumens, so daß die Ausgangsbedingung für ein Gassystem mit konstantem Volumen nicht erfüllt wird und die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird. Außerdem werden Änderungen der Umgebungstemperatur auch Änderungen 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, icmäß dem genannten Artikel in »De Ingenieur« wird zur Erhaltung einer Meßgenauigkeit von etwa 1% bei den bekannten Gasdruckthermometern ein Gasbehälter mit einem Volumen von 50-l00cm^J angewendet. Hiervon ausgehend soll die Kombination des Volumens des Gasbehälters und der Menge, also des Drucks des Gases im Meßteil so gewählt werden, da>4 der Meßbereich des Thermometers über 270" Zeigerdrehung nicht weniger als 100⁰C beträgt.

Der zur Aufrechterhaltung der gewünschten Meßgenauigkeit erforderliche, größere Inhalt des bekannten Gasbehälters ist aber ein Nachteil für die Handhabung und die Anwendungsmöglichkeiten des Thermometers. Außerdem verursacht ein größerer Gasbehälter wegen Seiner vergrößerten Wärmekapazität eine trägere Anzeige.

H. Brolsma gibt im Buch »Tcmpcratuurmetirigen. basiskcnnis Meet- en Rcgcllechniek«, herausgegeben von Technische Uiigeverij H. Slam N.V. in Zusammenarbeit mit der Stiftung »Bemetel«, 2. Druck, Februar 1969, Seite 20 ff., eine Übersicht über ßctriebsthcrmornctcr, deren Wirkung auf der Eigenschaft von Stoffen beruht, sich bei Erhöhung der Temperatur auszudehnen und umgekehrt. 7u dieser Kategorie sind die Oasdnicktliormomcter /u rechnen und weiter auch Flüssigkeitsthermometer, die als Füllflüssigkcit eine organische Flüssigkeit wie Pcntan oder Quecksilber (sog. »Quecksilber-in-Stalilx-Thermometcr) .Inhalten, /um Druck des Füllmittels wird erwähnt, dali bei den Quecksilber in-Slahl-Thcrnmmelcrn wegen einer kleineren Zusam niendrüekbaikeit von Quecksilber cm I ülldruck bis

etwa 175 bar zugelassen werden kann. Bei Anwendung einer organischen Flüssigkeit als Füllflüssigkeit muß aber ein kleinerer Fülldruck als bei Quecksilber angewendet werden, nämlich von 5-50 bar, weil diese Flüssigkeiten eine größere Zusammendrückbarkeit als Quecksilber haben. In Obereinstimmung mit diesem Prinzip, nach dem also bei einer größeren Zusammendrückbarkeit des Füllmittels ein kleinerer Fülldruck oder Anfangsdruck angewendet wird, wird bei einem Gas als Füllmittel, also bei Gasdruckthermometern, ein Fülldruck von nicht mehr als 50 bar 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 größer ist als bei Flüssigkeitsthermometern.

Die US Patentschrift 34 10 141 gibt eine Übersicht 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 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 Änderung der Temperatur · inen ausreichenden Effekt zu erhalten, wird also nach der US-Patentschrift bei den üblichen Gasdruckthermorrj» ern eine Vergrößerung der Gasmenge durch Vergrößerung des Volumens des Gasbehälters zu erreichen versucht. Es wird nun nach der US Patentschrift ein Gasdruckthermometer zur Verfügung gestellt, dessen Gasbehälter ein festes Material enthält, das bei niedrigen Temperaturen das Gas adsorbiert und bei höheren Temperaturen das Gas desorbiert, was einen steiler ansteigenden Druck-Temperatur-Zusammenhang ergibt und wodurch auch kleinere Gasbehälter angewendet werden können, z. B. mit einem Volumen von etwa 3 cm¹ im Vergleich zu einem Volumen des Gasbehälters von etwa 65 cm^J bei üblichen Gasdruckthermometern. Der Gasdruck beim Thermometer nach der US Patentschrift beträgt bei etwa 15"C, in Abhängigkeit von der Art des Gases und des Adsorptionsmaterials etwa 1,8 — 5.6 bar Überdruck.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Gasdruckthermometer mit einem verkleinerten Fühlervolumen und gleichzeitiger Spreizung der Anzeigeskala zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einem Gasdruckthermometer der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erhöhte Druck des Gases bei Zimmertemperatur einen Wert hat, der bei isothermischer Erhöhung eine Verminderung der Zusammendrückbarkcil des Gases zur Folge hat. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn bei Verwendung von Stickstoff der Druck bei Zimmertemperatur wenigstens 175 bar beträgt und der Meßbereich einem Enddruck von 400 bar entspricht.

llei dem crfindiingsgcmäß hohen Gasdruck ha; sich ein Bourdonrohr als besonders geeignet erwiesen, das aus einem gehärteten, chrommolybdiinlegicrtcn Stahl hergestellt im, der 0.21-0,30% Γ. 0,1 ^r>- OJWo 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. Bei einem Gasdruckthermometer mit einem solchen Bourdonrohr kann der Druck bei Zimmertemperatur etwa 330 bar betragen und der Meßbereich 40°C über eine Skala von 270° umfassen.

Mit der Erfindung wird ein Gasdruckthermometer geschaffen, bei dem der Anfangsdruck, entgegen der herrschenden Auffassung daß, wenn das Füllmecilum in

in einem im allgemeinen auf Ausdehnung eines Mediums beruhenden Thermometers eine zunehmende Zusammendrückbarkeit besitzt, niedrigere Anfangsdrucke angewendet werden sollten, einen Wert hat, über dem das Gas bei isothermischei Druckerhöhung gerade eine

ι ι Verminderung der Zusammendrückbarkeit erfährt.

Beim erfindung.sgemäßen Gasdruckthermometer kann ohne Bedenken ein Anfangsdruck von z. B. 140 bar oder auch von 175 bar, wie bei Quecksilber-in-Stahl-Thermometern, und höher angewendet werden, ohne

2(i daß die gute Wirkung des Thermometers, z. B. die für Gasdruckthermometer für üblich gehaltene Meßgenauigkeit von etwa 1% des Meßbereichs, beeinträchtigt wird. Der Enddruck, der bei einer Temperaturmessung im Meßelement des erfindungsgemäßen Gasdruckther-

j-j mometers 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 Überlastung des Thermo-

JIi meters ohne Beschädigung des Meßgerätes möglich sein soll.

Du^rch den sehr hohen Gasdruck im erfindungsgemäßen Gasdruckthermometer genügt auch ein viel kleinerer Inhalt des Gasbehälters, was nicht nur keinen

ji 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 Gasdruckthermometers erhalten werden kann als der Mindestmeßbereich von

4» 100°C, der. wie schon erwähnt ist, bei den bekannten Gasdruckthermometern eingehalten werden muß.

Thermometer mit kleinem Mindestmeßbereich sind insbesondere für Anwendung unter den bei der Herstellung und Lagerung von Konsumartikeln, wie

i) Speise- und Genußmitteln, Getränken usw., gehenden 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

,υ verwendet man in der Praxis zur Überwachung der Temperatur bei dieser Art von Produkten die Quecksilbcr-in-Stahl-Thcrmometer, 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

Wi wegen der latenten Gefahr einer Quecksilbervcrunreinigting als äußerst unerwünsch! zu betrachten ist.

Bei einer Vorzugsausführungsform des erfindungsgemäßen Gasdruckthermometers, im /.usammcnhang mit dessen Anwendung bei KoitMimartikcln. wie im vorigen

ι,, beschrieben ist. hat der Anfangsdruck des Gases einen Wert, bei dem der Meßbereich des Thermometers 40"C über eine Skala von 2/0 beträgt. Ein solches Gasdruckthcrmomctcr eigret sieh sehr gut dazu, die

Quecksilber-in-Stahl-Thermometer zu ersetzen, insbesondere bei den obengenannten Konsumartikeln, was vorher nicht möglich war.

Es ist überraschend, daß trotz der Anwendung sehr hoher Anfangsdrucke im Meßteil von i. B. 175 bar 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 \ on weniger a\s 1⁰Zo des Meßbereiches.

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 Aur'zeichnungsthermometer oder als Regelthermometer ausgeführt zu werden.

Die Konstruktion des Gasdruckthermometers und des dabei angewendeten MeiJeJements gemäß der Erfindung entspricht der der bekannter Vorrichtungen, wie diese z. B. in der schon genannten Veröffentlichung in »De Ingenieur« 46 (1954), Seiten O 84-0 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, für die Füllungsweise, die Einstellung und Eichung der Gasdruckthermometer sowie erwünschtenfalls, im Hinblick auf die Meßgenauigkeit, die Verwirklichung einer näheren Kompensation der Bourdonfeder für die Änderung des Volumens durch Erwärmung oder Abkühlung während einer Messung oder durch Änderungen der Umgebungstemperatur, mittels eines Bimetalls.

Die Härtung dieses Materials kann durch Abschrekken von etwa 850'C ab in öl oder von etwa 83O⁰C ab in Wasser erfolgen, wobei das Material wenigstens etwa 15 Minuten auf der Härtungstemperatur gehalten wird, und durch anschließendes Anlassen durch Erhitzung

κι während wenigstens 1/2 Stunde bei Temperaturen bis etwa 400" C. Vorzugsweise wird gehärtet durch Erhitzung während 20 Minuten bei 880'C in neutraler Atmosphäre, Abschrecken in Öl und Anlassen während 60 Minuten bei 350°C in neutraler Atmosphäre. Mit

ι-: einer aus diesem Material hergestellten Bourdonfeder kann ein Federweg von etwa 50 rr.m erreicht werden, wie dieser in einem Gasdruckthermometer mit einem Meßbereich von 40"-C über eine Skala von 270° und einem Anfangsdruck von etwa 330 bar auftritt, während

2ü eine solche Bourdonfeder weiter noch bei einem Gasdruck bis etwa 600 bar 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 cm³ 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.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gasdruckthermometer, bestehend aus einem Anzeige-, Aufzeichnungs- oder Regelteil und einem damit gekuppelten, verschlossenen, ein Gas mit erhöhtem Druck enthaltenden Meßteil, der einen Behälter für Gas, ein Bourdonrohr und ein Kapillarrohr enthält, das den Rehälter für das Gas mit dem Bourdonrohr \erbindet, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Druck des Gases bei Zimmertemperatur einen Wert hat, der bei isothermischer Erhöhung eine Verminderung der Zusammendrückbarkeit des Gases zur Foige hat.

2. Gasdruckthermometer nach Anspruch 1, dessen Meßteil Stickstoff mit erhöhtem Anfangsdruck enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck bei Zimmertemperatur wenigstens 175 bar beträgt und der Meßbereich einem Enddruck von 400 bar entspricht.

3. 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 - 030% C, 0,15 - 035% Si, 0,50 - 0,70% Mn, weniger als 0.030% P, weniger als 0,020% S, 03- U% Crund 0,15-0.25% Mo enthält.

4. Gasdruckthermometer mit einem Bourdonrohr nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Gases bei Zimmertemperatur etwa 330 bar beträgt und der Meßbereich des Thermometers 40° C über eine Skala von 270° umfaßt.