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Verfahren und Gerät zur Überwachung
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von Parametern Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung
von veränderlichen Parametern in einem Bereich bzw. einer Umgebung, der bzw. die
in der Regel nicht leicht zugänglich ist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf
ein Gerät zur Überwachung von solchen Parametern.
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Insbesondere in vielen Zweigen der Industrie ist es äußerst vorteilhaft,
laufend Information darüber erhalten zu können, was in einem nur schwer zugänglichen
Bereich geschieht, beispielsweise innerhalb eines Teils einer industriellen Anlage.
Gleiche oder ähnliche Probleme
treten jedoch auch auf zahlreichen
anderen Gebieten-und in anderen Situationen auf. Beispielsweise bei öfen, Dampfkesseln,
Turbinen, Rohrleitungen oder ähnlichen Anlageteilen ist es von erheblichem Nutzen,
Informationen über das Ausmaß der Korrosion der inneren Oberflächen oder über die
Ablagerungsrate von Materialien auf diesen Oberflächen erhalten zu können. Viele
industrielle Anlagen werden unter aggressiven Bedingungen betrieben, beispielsweise
bei hohen oder niedrigen Temperaturen, und zwar entweder, weil ein fester, flüssiger
oder gasförmiger Brennstoff verbrannt wird, oder infolge eines chemischen Prozesses
oder aus beiden genannten Gründen. Beispielsweise bei Öfen und Turbinen können herkömmliche
Geräte, die Korrosion oder Oberflächenablagerungen messen können, die herrschenden
hohen Temperaturen nicht aushalten, oder diese Geräte sind nicht ausreichend empfindlich,
um ausreichend aussagekräftige Ergebnisse zu liefern. Dabei kommt es auf ausreichende
Empfindlichkeit erheblich an, wenn berücksichtigt wird, daß das Stillsetzen eines
Ofens, beispielsweise wegen zu starker Korrosion, wegen der Produktionsverluste
ein äußerst kostspieliger Vorgang ist.
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Genaue Oberwachungseinrichtungen sind äußerst nützlich, wenn sie ermöglichen,
die Anlage während eines längstmöglichen Zeitraumes zu betreiben, bevor sie stillgesetzt
werden muß. Wegen des Fehlens empfindlicher Oberwachungsgeräte war es bisher in
der Regel notwendig, große Sicherheitsfaktoren zu berücksichtigen, d.h. die Anlage
häufiger stillzusetzen, als es deren tatsächlicher
Zustand erfordert,
was eine entsprechende Minderung des Nutzens und der Nutzbarkeit mit sich bringt.
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Andere Fälle sind denkbar, bei denen Ablagerungsvorgänge oder Korrosion
bei sehr niedrigen Temperaturen überwacht werden müssen, oder bei denen das Oberwachungsgerät
möglicherweise zerstörerischen atmosphärischen Bedingungen, beispielsweise hohen
Windgeschwindigkeiten, ausgesetzt ist. Solche niedrigen Temperaturen können bei
Herstellungsverfahren, beispielsweise in Kristallisationsbehältern, oder bei der
Überwachung von Eisablagerungen auf einem Flugzeug auftreten. In diesen Fällen wird
ein widerstandfähiges Gerät benötigt, was bisher nicht verfügbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Gerät
zur Überwachung eines Bereichs zu schaffen, das Informationen beispielsweise über
den Korrosionszustand oder Oberfächenablagerungen in dem Bereich liefert.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zur Überwachung von
Parametern in einem Bereich dadurch gelöst, daß in dem Bereich ein schwingungsfähiges
Element angeordnet wird, daß über eine elastisch getragene Verbindungseinrichtung
zum Element Schwingungen übertragen werden, die auf die Verbindungseinrichtung an
einer Stelle außerhalb des Bereichs aufgebracht werden,
und daß
Signale, die die Resonanz des schwingungsfähigen Elements anzeigen, erfaßt und überwacht
werden, um Änderungen der Parameter festzustellen.
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Hinsichtlich des Gerätes zur Überwachung von Parametern in einem
Bereich wird die Aufgabe gelöst durch ein schwingungsfähiges Element, das innerhalb
des Bereichs angeordnet ist, eine Verbindungseinrichtung, die das Element mit einer
Stelle außerhalb einer den Bereich begrenzenden Wand verbindet und Schwingungen
zum Element überträgt, wenn an der Stelle Schwingungen aufgebracht werden, und eine
elastische Halterung zwischen der Verbindungseinrichtung und der Wand, wobei sich
die Resonanzfrequenz des schwingungsfähigen Elementes von der der Verbindungseinrichtung
und der der Halterung unterscheidet.
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Eine wesentliche Eigenschaft der Erfindung ist, daß sich im überwachten
Bereich keine leicht zerstörbaren Teile befinden und daß das erfindungsgemäße Gerät
daher unter äußerst schwierigen Bedingungen arbeiten kann. Zu den Vorteilen des
erfindungsgemäßen Gerätes gehört, daß es verhältnismäßig leicht an jedem Teil eines
Gerätes oder einer industriellen Anlage angebaut werden kann und daß es bei hohen
und niedrigen Temperaturen, bei hohen Drücken, bei hohen Durchflüssen von Gas und
Flüssigkeiten und in Atmosphären arbeiten kann, in denen es leicht zu chemischen
Ablagerungen oder zur
Korrosion von Anlageteilen kommen kann. Das
erfindungsgemäße Gerät kann bei zahlreichen verschiedenen industriellen Anlagen
eingesetzt werden und kann ununterbrochen Angaben über das Ausmaß von Ablagerungen
oder von Korrosion im Inneren eines Reaktionsbehälters oder einer Kammer liefern.
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Gerät speziell für
Anwendungen in gasförmigen Atmosphären mit hoher Temperatur entwickelt worden sind,
sind sie auch zur Messung von Ablagerungen und/oder Korrosion in Flüssigkeiten geeignet,
wenn mit chemischem Angriff gerechnet werden muß oder wenn Feststoffablagerungen
aus einer Flüssigkeit auftreten können.
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Die Erfindung ist besonders in solchen Fällen anwendbar, in denen
die Dichte der Feststoffablagerung nicht-allzu dicht bei der Dichte der Flüssigkeit
liegt. Beispielsweise ist die Erfindung geeignet zur Überwachung von Ablagerungen
in Heiß- bzw. Warmwasseranlagen.
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Die Erfindung basiert auf der Überwachung der Resonanz frequenz eines
schwingungsfähigen Elementes und auf der Auswertung dieser Information zur Messung
von beispielsweise Ablagerungen und/oder Korrosion, da sich die Resonanz frequenz
eines schwingungsfähigen Elementes ändert, wenn Korrosion auftritt und/oder wenn
Materialien auf dem Element. abgelagert werden.
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Bei dem Bereich, der überwacht wird, kann.es sich beispielsweise
um das Innere einer Kammer handeln,
wobei dann die Verbindungseinrichtung
durch eine Wand der Kammer verläuft. Alternativ kann es sich bei dem überwachten
Bereich auch um die Umgebung handeln, die vom Inneren eines Flugzeugs, eines Behälters
oder Gebäudes aus überwacht wird, wobei dann die Wand die des Flugzeugs oder dergleichen
ist.
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Das schwingungsfähige Element hat vorzugsweise längliche Form, wobei
allerdings auch Elemente mit anderen Formen benutzt werden können. Beispielsweise
kann das Element auch als Ring aus einem Material mit rechtwinkligem Querschnitt
oder als Scheibe ausgebildet sein. Wenn ein längliches Elemente zur Anwendung kommt,
wird es vorzugsweise von der Verbindungseinrichtung am oder nahe seinem einen Ende
getragen. Bei der Verbindungseinrichtung kann es. sich um eine Stange, beispielsweise
in Form eines langen Stabes, oder um ein Rohr handeln, und vorzugsweise ist mit
dem vom schwingungsfähigen Element entfernten Ende der Verbindungseinrichtung ein
Schwingungserzeuger bzw. Vibrator verbunden. Eine andere Möglichkeit besteht darin,
daß die Verbindungseinrichtung zwei Bestandteile aufweist, die auf gegenüberliegenden
Seiten der Wand der Kammer oder dergleichen angeordnet werden und magnetisch miteinander
verbunden sind. Diese Bestandteile können von -der Wand.der Kammer im Bereich eines
dünneren Wandabschnitts getrennt sein, oder die Halterung, die beispielsweise als
Membran ausgebildet ist, kann zwischen den Bestandteilen angeordnet sein. Eine weitere
vor-
teilhafte Ausführungsform für die Verbindungseinrichtung besteht
darin, daß sie eine magnetostriktive Vorrichtung ist, bei der ein an einer Stelle
auf einer Seite der Wand erzeugtes magnetisches Feld bewirkt, daß ein Bestandteil
auf der anderen Seite der Wand in Schwingungen versetzt wird.
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Die elastische Halterung kann auf zahlreiche verschiedene Weisen
realisiert werden Wie bereits angedeutet wurde, kann die Halterung eine Membran
sein, beispielsweise aus rostfreiem Stahl. Eine weitere günstige Ausbildungsmöglichkeit
für die Halterung besteht darin, daß diese ein Balg ist. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, die Halterung als Nut oder Bohrung in der Wand der Kammer auszubilden,
in der die Verbindungseinrichtung in Form einer Stange oder eines Rohres mit Gleitsitz
sitzen kann. Insbesondere wenn die Verbindungseinrichtung länglich ist, kann es
sinnvoll sein, zusätzlich zur elastischen Halterung eine weitere elastische Halterung
vorzusehen, beispielsweise in Form eines elastischen Sternes, die mit der ersten
Halterung verbunden ist oder auch nicht Wenn gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Verbindungseinrichtung beispielsweise von einem elektrisch angetriebenen Schwingungserzeuger
in Schwingungen versetzt wird, kann die Resonanz des schwingungsfähigen Elementes
festgestellt werden, indem mittels einer Detektoreinrichtung
ermittelt
wird, wann die Energiezufuhr zum Schwingungserzeuger ihren Kleinstwert hat. Wenn
beispielsweise die Speisespannung konstant gehalten wird, liegt Resonanz dann vor,
wenn der Schwingungserzeuger seine geringste Stromaufnahme hat.
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Temperaturänderungen, die die Resonanz frequenz des schwingungsfähigen
Elementes beeinflussen können, können beispielsweise mit Hilfe von Thermoelementen
oder anderen Temperaturmeßvorrichtungen ausgeglichen werden, die in das schwingungsfähige
Element oder die Verbindungseinrichtung eingesetzt sind. Vorzugsweise ist eine solche
Temperaturmeßvorrichtung am schwingungsfähigen Element selber angebracht. Alternativ
kann ein derartiger Ausgleich dadurch vermieden werden, daß mit einem schwingungsfähigen
Element gearbeitet wird, das zumindest aus zwei verschiedenen Metallen besteht,
die in solcher Beziehung stehen, daß die Resonanz frequenz des Elementes im wesentlichen
unabhängig von der Temperatur ist.
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Die Frequenz der auf die Verbindungseinrichtung aufgebrachten Schwingungen
steht selbstverständlich in Beziehung zur Resonanz frequenz des schwingungsfähigen
Elementes. Die Dimensionen des schwingungsfähigen Elementes werden daher unter Berücksichtigung
des gewünschten oder verfügbaren Frequenzbereichs des Schwingungserzeugers gewählt.
In der Regel liegt die Frequenz der aufgegebenen
Schwingungen normalerweise
im Bereich von 0,01 bis 10 kHz und vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 3 kHz. Frequenzen,
die starke Harmonische der Frequenz der Spannungsquelle des Schwingungserzeugers
sind, sollten vermieden werden.
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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gerätes werden im folgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine ausschnittsweise
Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines Schnitts senkrecht
zur Längsachse einer zylindrischen Kammer, in und an der die Überwachungseinheit
angeordnet ist; Fig. 2 eine ausschnittsweise Darstellung des Gerätes gemäß Fig.
1 bei Betrachtung in Achsrichtung der Kammer; und Fig. 3 eine Fig. 1 entsprechende
Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Zunächst wird auf die Fig. 1 und 2 eingegangen Darin-ist ein Teil
einer Wand 10 eines geschlossenen Reaktionsbehälters bzw. einer Kammer dargestellt.
Diese Wand 10 hat beim dargestellten Ausführungsbeispiel kreisförmigen Querschnitt.
Die erfindungsgemäße Überwachungseinheit ist auf der Außenseite der Kammerwand montiert
und umfaßt ein Gehäuse 12, das an der Kammerwand angeschweißt, angeschraubt oder
auf andere Weise befestigt sein kann. Im Gehäuse 12 ist ein elektromechanischer
Schwingungserzeuger bzw. Vibrator 14 befestigt, von dem in Richtung zur Kammerwand
eine Kupplungs- bzw. Verbindungsstange 16 ausgeht, bei der es sich um eine massive
Stange oder um ein Rohr handeln kann. Die Verbindungsstange 16 geht durch eine in
der Kammerwand 10 ausgebildete Öffnung 18-, die einen etwas größeren Durch messer
als die Verbindungsstange hat. In der Kammer ist am Ende der Verbindungsstange 16
eine Zunge 20 befestigt, die nach Art eines einseitig eingespannten Armes an ihrem
einen Ende getragen wird. Die Zunge 20 kann beispielsweise wander Verbindungsstange
16 angeschweißt sein. Die Höhe und Stellung der Zunge 20 innerhalb der Kammer hängen
von den speziellen Betriebsbedingungen und der Strömungsrichtung innerhalb der Kammer
ab, sofern in dieser eine Strömung erfolgt. Die Verbindungsstange 16 ist an der
Kammerwand 10 über eine Membran 22 abgestützt, die mittels einer Klemmplatte 24
in der Wand befestigt ist. Die Membran 22 kann beispielsweise eine kreisförmige
Scheibe sein, die in ihrer Mitte eine geeignete öffnung aufweist,
die
eine mechanisch feste Verbindung mit der Verbindungsstange 16 ermöglicht. Außerdem
kann die Membran 22 mit der Verbindungsstange verschweißt sein.
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Die Abmessungen und Materialien der Verbindungsstange 16, der Zunge
20 und der Membran.22 hängen von den speziellen Einsatzbedingungen ab, unter denen
sie benutzt werden. Bei zahlreichen Anwendungsfällen ist rostfreier Stahl ein geeignetes
Material für diese Teile. Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß sich die Resonanz
frequenz der Zunge 20 von der Resonanz frequenz der Verbindungsstange 16 und der
Membran 22 unterscheidet, damit die der Resonanzfrequenz der Zunge entsprechenden
Ausgangssignale nicht von Signalen von der Verbindungsstange 16 oder der Membran
22 überdeckt oder verfälscht werden.
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Im Betrieb wird der Vibrator 14 von einer nicht dargestellten, äußeren
elektrischen Quelle mit Energie versorgt, so daß er Schwingungen, beispielsweise
in der Größenordnung von 1 kHz zur Zunge 20 überträgt. Durch geeignete Maßnahmen
kann für Druckausgleich auf den beiden Seiten der Membran 22 gesorgt werden, damit
diese unbelastet arbeiten kann. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden,
daß eine Verbindung zwischen dem Inneren der Kammer und dem Inneren des Gehäuses
12 geschaffen wird. Alternativ kann das Innere des Gehäuses 12 beispielsweise mit
einer eigenen Inertgasversorgung, beispielsweise einer Stickstoffquelle, versehen
sein, wobei
dann ein Ausgleichsregler dazu dient, den Druck im
Gehäuse 12 im Gleichgewicht mit dem Druck in der Reaktionskammer zu halten.
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Ferner kann die Membran 22 bei Bedarf auch gekühlt werden, damit
sie auf einer geeigneten Betriebstemperatur unterhalb der in der Reaktionskammer
herrschenden Temperatur gehalten wird. Dazu kann beispielsweise mit Kühl luft oder
kühlendem Inertgas gearbeitet werden.
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Wenn das Material der Zunge 20 korrodiert oder wenn Materialien auf
der Oberfläche der Zunge 20 abgelagert werden, ändert sich die Resonanzfrequenz
der Zunge. Die Resonanz frequenz der Zunge 20 hängt von vier Einflußgrößen ab, nämlich
ihrer Masse, ihrem Elastizitätsmodul, ihren Abmessungen und ihrer Temperatur. Die
durch die Temperatur hervorgerufenen Änderungen können ausgeglichen werden, und
die in erfindunsgemäßer Weise festgestellten Änderunder Resonanz frequenz sind im
wesentlichen auf Änderungen der Masse, des Elastizitätsmoduls oder der Abmessungen
der Zunge 20 zurückzuführen.
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Um Temperaturschwankungen auszugleichen, die Änderungen der Resonanz
frequenz der Zunge 20 hervorrufen können, können nicht dargestellte Thermoelemente
in der Zunge oder in der Verbindungsstange 16 vorgesehen sein.
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Die Verbindungsstange 16 eignet sich insbesondere dann
zur
Anbringung der Thermoelemente, wenn diese hohl ist.
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Die Ausgangssignale der Thermoelemente können zu Signalen umgewandelt
werden, die die Temperaturänderungen wiedergeben und solche Beträge haben7 daß sie
die Änderungen des Resonanzfrequenzsignals ausgleichen, die allein auf den Temperatureinfluß
zurückzuführen sind.
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In Verbindung mit der Überwachungseinheit wird eine geeignete elektrische
Steuervorrichtung benutzt. Die Resonanz der Zunge wird durch Überwachung des Speisestroms
des Vibrators 14 festgestellt. Bei Resonanz hat der Speisestrom ein Minimum, und
mit dem erfindungsgemäßen Gerät ist es wie mit allen mechanischen Systemen mit hohem
Gütefaktor möglich, sehr kleine Änderungen der Resonanzfrequenz festzustellen. Die
Empfindichkeit des erfindungsgemäßen Gerätes ist daher extrem hoch, und sehr kleine
Änderungen der Masse, des Elastizitätsmoduls oder der Abmessungen der Zunge 20 können
festgestellt werden. Durch Verwendung einer Meßbrücke können die kleinen Änderungen
des Speisestroms des Vibrators 14 verstärkt und dann beispielsweise an einem Meßgerät
dargestellt werden. Die Resonanz frequenz ist dann die Frequenz beim Minimum des
Speisestroms. Vorzugsweise wird zuvor die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von
der Temperatur bestimmt, so daß dann entsprechende Korrekturen für die Temperaturschwankungen
entweder rechnerisch oder durch direkten elektrischen Ausgleich, wie er vorstehend
beschrieben wurde, ausgeführt werden können.
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In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die weitgehend
mit der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 übereinstimmt, bei der jedoch die
elastische Halterung für die Verbindungsstange 16 als Balg 26 aus rostfreiem Stahl
ausgebildet ist, der an einer Stelle 28 an der Verbindungsstange und mit-tels einer
Platte 30 an der Kammerwand 10 befestigt ist.
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Wenn eine Eichung erfolgt ist, kann das erfindungsgemäße Gerät direkt
zur Bestimmung der Resonanzfrequenz benutzt werden. In der Regel wird das Gerät
jedoch zur Überwachung von Änderungen der Resonanzfrequenz oder von Änderungen der
Änderungsrate benutzt. Wenn das erfindungsgemäße Gerät zur Überwachung von Korrosion
oder Ablagerungen benutzt wird, ist in der Regel eine bestimmte Korrosionsrate oder
Ablagerungsrate zulässig, während Änderungen dieser Rate, insbesondere eine Erhöhung
dieser Rate, wesenfliche Änderungen des Anlagenzustandes oder der Prozeßbedingungen
anzeigen können,-die Beachtung erfordern.
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Eine deutliche Änderung der Resonanzfrequenz kann beispielsweise eine
Versprödung der Zunge anzeigen, die den Elastizitätsmodul ändert. Da in vielen Fällen
das Material der Zunge so gewählt ist,daß es dem Material von gefährdeten Anlageteilen
entspricht, ist die Korrosion oder Versprödung der Zunge in solchen Situationen
eine direkte Anzeige für eine ähnliche Beschädigung oder die Gefahr einer ähnlichen
Beschädigung der Anlage.
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Das erfindungsgemäße Gerät kann in ein vollautomatisches System zur
Überwachung von Änderungen der Korrosion oder von Oberflächenablagerungen auf der
Zunge eingefügt werden. Bei einem vollautomatischen System kann die Resonanz frequenz
mit Hilfe von Phasenwinkeldetektoren festgestellt werden, da der Phasenwinkel zwischen
dem Vibratorstrom und der Vibratorspannung gegen Null geht, wenn die Zunge abgestimmt
ist. Eine elektronische Zusatzeinrichtung kann dazu dienen, das System dauernd automatisch
abzustimmen und Frequenzänderungen aufzuzeichnen, beispielsweise mittels eines Streifenblattschreibers
oder eines Meßwertdruckers. Die Zusatzeinrichtung kann ferner einen Kreis aufweisen,
der automatisch unerwünschte Frequenzänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen
korrigiert.
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Obwohl sich die vorstehende Beschreibung hauptsächlich mit der Anwendung
des Überwachungsgerätes zur Überwachung der Korrosion und der Ablagerungsrate von
Materialien in einer industriellen Anlage befaßt, hat das erfindungsgemäße Prinzip
ein wesentlich weiteres Anwendungsfeld. Beispielsweise kann die Oberwachungseinheit
zur Feststellung der Ablagerung von Kesselstein in industriellen Heiß- bzw. Warmwasseranlagen
benutzt werden. Es ist verhältnismäßig einfach, die Grundbestandteile der Überwachungseinheit,
d.h. die Zunge, die Verbindungsstange und die Membran, jeweils an einer geeigneten
Stelle von mehreren Warmwasseranlagen anzu-
bringen und dann die
Ablagerungsrate von Kesselstein in den einzelnen Warmwasseranlagen von Zeit zu Zeit
mittels eines tragbaren Vibrators und einer tragbaren eleKtronischen Einrichtung
zu überprüfen, die jeweils mit den installierten Bestandteilen der einzelnen Uberwachungseinheiten
verbunden werden.
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L e e r s e i t e