DE2758831C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen der Bildung von Ablagerungen auf einer einem Fluid ausgesetzten Oberfläche gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es besteht der Bedarf, mit einfachen Mitteln festzustellen, ob sich auf bestimmten Oberflächen in einem System Ablage­ rungen bilden, z. B. Kesselstein. Wird festgestellt, daß die Neigung zur Bildung von Ablagerungen besteht, kann man gegebenenfalls Gegenmaßnahmen ergreifen. Gefordert wird von einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Erfassen der Bildung von Ablagerungen, daß der Prüf- und Meßvorgang ein­ fach durchzuführen ist bzw. daß die dafür verbesserte Apparatur mit wirtschaftlich vertretbarem Kostenaufwand hergestellt werden kann. Das Verfahren muß so empfindlich sein, daß die Neigung zur Bildung von Ablagerungen in re­ lativ kurzer Zeit festgestellt werden kann.

Früher war es üblich, durch Augenscheinnahme Kesselstein und andere Niederschläge festzustellen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, z. B. die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit durch eine möglicherweise mit einer Ablagerung versehenen Oberfläche zu messen, oder die Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeit zu messen, die benötigt werden, um eine be­ stimmte Wärmeübertragungsgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Die bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß die Ablagerungen, die eigentlich verhindert werden sollen, zu­ nächst vorhanden sein müssen, bevor nach Feststellung der Ablagerungen Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.

In den US-PS 38 48 187 und 39 51 168 sind exakte und empfindliche Verfahren beschrieben, mit denen die beginnende oder sich abzeichnende Bildung von Ablagerungen festgestellt werden kann, anhand der Ermittlung von elektrischen Kontakt­ widerständen. Hierzu wird in das Fluid eine Testsonde mit einer Testoberfläche eingebracht. Nachteilig bei den bekannten Verfahren und den dazu eingesetzten Vorrichtungen ist es, daß bewegte Teile erforderlich sind, die für einen Langzeit­ betrieb ungeeignet sind.

Mit den bekannten Verfahren läßt sich grundsätzlich die Bildung von Ablagerungen erst dann feststellen, wenn die Ablagerungen eine beträchtliche Dicke aufweisen. Dies soll aber möglichst vermieden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglichen, die Bil­ dung von Ablagerungen auf einer einem Fluid ausgesetzten Oberfläche einfach und in relativ kurzer Zeit zu erfassen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 8 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich in relativ kurzer Zeit bereits geringe Ablagerungen erfassen. Hier­ durch läßt sich grundsätzlich die Neigung erkennen, daß sich auf einer einem Fluid ausgesetzten Oberfläche Ablage­ rungen bilden. Man kann beispielsweise zunächst die Test­ oberfläche dem Fluid aussetzen und die Bildung von Ablage­ rungen durch Erwärmen der Testoberfläche stimulieren. Dann kann man die Testoberfläche und die Bezugsoberfläche dem­ selben Fluid oder einem anderen Fluid aussetzen, um festzu­ stellen, ob die beiden Oberflächen unterschiedliche Wärme­ übertragungseigenschaften aufweisen oder nicht. Dieser Test braucht nicht in demjenigen Fluid stattzufinden, für das die Bildung von Ablagerungen auf der Testoberfläche fest­ gestellt werden soll. Wesentlich ist, daß die unterschied­ lichen Wärmeübertragungseigenschaften ermittelt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß keine beweglichen Teile benötigt werden. Die Meßvorrich­ tung gemäß der Erfindung bildet eine Wärmeübertragungsan­ ordnung, in der von einer als Heizvorrichtung ausgebildeten Wärmequelle Wärme in das Fluid übertragen wird. Das Fluid fungiert somit als Wärmesenke. Haben sich auf der Testober­ fläche Ablagerungen gebildet, so ist der Wärmeübergang zwischen Testoberfläche und dem diese Testoberfläche um­ gebenden Fluid anders als zwischen der Bezugsoberfläche und dem diese Bezugsoberfläche umgebenden Fluid. Mit der An­ zeigevorrichtung werden die Temperaturverhältnisse an den beiden Oberflächen dargestellt. Beispielsweise wird die Temperaturdifferenz mit Hilfe von Thermoelementen angezeigt. Je stärker die Ablagerungen auf der Testoberfläche ausge­ bildet sind, desto größer ist die Temperaturdifferenz.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung in Form einer Wärmeübertra­ gungsanordnung soll im folgenden vereinfacht als "thermische Brücke" bezeichnet werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Funktionsdiagramm einer erfindungsge­ mäßen thermischen Brücke;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Sonde;

Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, bei der Teile weggebrochen sind und die Komponenten der Sonde von Fig. 2 gezeigt werden;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 von Fig. 2;

Fig. 5 einen vergrößerten teilweisen Längsschnitt der Sonde von Fig. 2;

Fig. 6 ein Diagramm der mit der Sonde von Fig. 2-5 verwendeten Schaltungen;

Fig. 7 ein Diagramm anderer elektronischer Schaltungen, die mit der Sonde der Fig. 2-5 verwendet wer­ den können;

Fig. 8 weitere abgewandelte elektrische Schaltungen zur Verwendung mit der Sonde der Fig. 2-5; und

Fig. 9 eine Anwendung einer Kesselsteinsonde bei einem beispielhaft gezeigten Fluidumsystem.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Wärmeübertragungseigenschaften einer mit einem Nieder­ schlag überzogenen Fläche schnell erfaßt oder gemessen wer­ den ohne die Notwendigkeit einer genauen Steuerung der Fluidumumgebung. Und zwar wird eine neuartige Form einer thermischen Brücke vorgesehen, bei der ein Wärmestrom durch erste und zweite Wärmestromwege hindurch über erste und zweite Oberflächen zu ersten und zweiten Fluidumumgebungen fließt:
Die beiden Fluidumumgebungen sind so beschaffen, daß sie zwangsläufig eine feste Beziehung hinsichtlich der Wärmeüber­ tragungseigenschaften aufweisen. Diese feste Beziehung wird am einfachsten durch Verwendung von im wesentlichen identi­ schen Fluidumumgebungen erreicht. Anstatt daß nun im wesent­ lichen die Temperatur auf einer einzigen Oberfläche entlang eines einzigen Wärmestromweges gemessen wird, beobachtet man im wesentlichen die Temperaturdifferenz zwischen ähnlichen Orten in jedem der Wärmestromwege und führt im Endeffekt einen Vergleich oder eine Differenzmessung des Temperaturab­ falls entlang der ersten und zweiten Wärmestromwege und der ersten und zweiten Fluidumumgebungen durch. Differenzen hin­ sichtlich der thermischen Widerstände der beiden Wärmestrom­ wege, die z. B. auf Differenzen hinsichtlich der Niederschlags­ bildung beruhen, werden mittels eines solchen Vergleiches leicht erkannt.

Bei der Verwendung dieser thermischen Brücke ist es nicht notwendig, dieselben Fluidum-Parameter oder eine bekannte Beziehung derselben von einer Messung zur nächsten aufrecht­ zuerhalten. Es ist lediglich notwendig, dieselben relativen Parameter der beiden Fluidumumgebungen zur Zeit der Messung aufrechtzuerhalten. Innerhalb bestimmter Bereiche können diese Parameter von einer Messung zur nächsten variieren, ohne die Erfassung oder Messung ernstlich zu beeinträchtigen.

Eine thermische Brücke, die diesem erfindungsgemäßen Aspekt entspricht, wird in Fig. 1 in funktionsmäßiger Hinsicht ge­ zeigt, wobei eine Wärmequelle 18 einen Wärmestrom erzeugt, der über erste und zweite Wärmestromwege 20 bzw. 22 fließt, von denen jeder eine Oberfläche aufweist, die sich in Kontakt mit jeweils einer der beiden Fluidumumgebungen 24 und 26 be­ findet, welche Wärme zu einer schematisch angedeuteten Wärme­ senke 18 abführen. Bei der Wärmesenke kann es sich im Endeffekt um das Fluidum selbst handeln, welches während der Messung kontinuierlich an den Oberflächen vorbeifließen kann. Die Wärmestromwege 20 und 22 enthalten diejenigen Teile der ersten und zweiten Niederschlagsmeßelemente (Test- und Be­ zugselemente), die sich zwischen den Fluidumumgebungen 24 und 26 in Kontakt mit diesen und den Punkten 30 und 32 inner­ halb der Meßelemente befinden. Temperatursensoren befinden sich an den Punkten 30 und 32. Die Teile der Niederschlags­ meßelemente zwischen den Punkten 30 und 32 und der Wärme­ quelle 18 können für die Zwecke dieser Erörterung als Teil der Wärmequelle behandelt werden.

Man kann einen Wärmestrom von der Quelle 18 über die Wege 20 und 22 für bestimmte Zwecke in einer vorbestimmten Be­ ziehung fließen lassen, z. B. zwecks Kompensation einer Asymmetrie der Wege, wie noch beschrieben wird. Für die hier gegebene Erläuterung wird jedoch davon ausgegangen, daß die Wärmeströme über die Wege 20 und 22 von einer kon­ stanten Wärmequelle 18 mit gleicher Wärmeflußdichte erfol­ gen und daß daher der relative Temperaturabfall entlang der beiden Wege von deren relativen thermischen Widerständen be­ stimmt ist.

Es wird für die Zwecke der Erläuterung auch angenommen, daß keine thermische Leitung zwischen den beiden Wegen auftritt. Der thermische Widerstand, der zusätzlich zu dem des ersten Wärmestromweges 20 und der ersten Fluidumumgebung 24 vor­ handen ist, kann in dem einen Zweig dieser thermischen Brücke vernachlässigt werden. Ähnlich kann der thermische Widerstand, der zusätzlich zu dem zweiten Wärmestromweg 22 und der zwei­ ten Fluidumumgebung 26 vorhanden ist, in dem zweiten Zweig der thermischen Brücke vernachlässigt werden.

Solange bei der Brücke von Fig. 1 die ersten und zweiten Fluidumumgebungen 24 und 26 Wärmeübertragungseigenschaften haben, die in fester Beziehung zueinander stehen, oder im speziellen Fall die beiden Fluidumumgebungen hinsichtlich des thermischen Widerstandes identisch miteinander sind, ist es gleichgültig, wie die beiden sich ändern, wenn sie sich nur in gleicher Weise ändern. In anderen Worten ist es bei Verwendung dieser thermischen Brücke nur notwendig, daß die relativen wirksamen thermischen Übertragungseigenschaften der beiden Fluidumumgebungen von einer Messung zur nächsten konstant bleiben, wobei aber die thermischen Eigenschaften selbst sich ändern können. Diese Bedingung kann relativ leicht erhalten werden, insbesondere in zwei benachbarten Teilen des­ selben Fluidumsystems.

Wenn die relativen wirksamen thermischen Übertragungseigen­ schaften der beiden Fluidumumgebungen 24 und 26 konstant sind, ist die Temperaturdifferenz an den Punkten 30 und 32 eine genaue Anzeige des Temperaturabfalls entlang des Weges 22 relativ zu dem Temperaturabfall entlang des Weges 20. Wenn die beiden Wege denselben thermischen Widerstand oder die­ selbe spezifische thermische Leitfähigkeit aufweisen, wird die in einem Meßgerät 34 angezeigte Temperaturdifferenz zwi­ schen den Punkten 30 und 32 Null sein, wenn man gleiche Wärme­ ströme von der Quelle 18 zu den beiden Wegen 20 und 22 vor­ aussetzt. Wenn andererseits eine Differenz der thermischen Widerstände der beiden Wege 20 und 22 besteht, wie sie z. B. durch eine unterschiedliche Bezugsbildung verursacht wird, bei der eine Fläche stärker als die andere überzogen wird, so wird sich bei gleichen Eingangswärmeströmen eine Differenz hinsichtlich des Temperaturabfalls entlang des ersten und zweiten Weges ergeben. Diese Differenz hängt von der Differenz der thermischen Widerstände der beiden Wege ab, die wiederum von der Differenz der Niederschlagsbildung der beiden Ober­ flächen abhängt. Die Differenz wird auf einem Meßgerät 34 angezeigt, dessen Ablesewert die Temperaturdifferenz (Δ T) an den Punkten 30 und 32 darstellt.

Diese Differenz ist unabhängig von Änderungen der Fluidum­ umgebung, wenn man eine Symmetrie der Oberflächen und eine ideale Apparatur voraussetzt. Bei sehr hohen Empfindlichkei­ ten können jedoch Asymmetrien und Apparaturmängel zu Ände­ rungen der Fluidumumgebung führen und dadurch die Messung beeinträchtigen. Nachstehend werden Methoden und Schaltungs­ anordnungen beschrieben, mit denen derartige Effekte kompen­ siert werden können, wodurch eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit erhalten wird.

Die oben beschriebene thermische Brücke kann in vielen ver­ schiedenen Formen verwendet werden, um die Erfindung in die Praxis umzusetzen. Im allgemeinen ist ein Testelement, welches eine Wärmestromweg analog z. B. dem Wärmestromweg 20 von Fig. 1 aufweist, mit einer Oberfläche in ein Fluidum eingetaucht, dessen Neigung zur Niederschlagsbildung bestimmt werden soll. Diese Oberfläche wird so eingetaucht gelassen für eine solche Zeit und unter solchen Bedingungen, daß normalerweise das Fluidum, in welches sie eingetaucht ist, in gewissem Ausmaß eine Niederschlagsbildung darauf bewirkt. Dann wird die be­ schriebene thermische Brücke verwendet, um diese evtl. Nie­ derschlagsbildung auf der Oberfläche zu messen oder zu er­ fassen. Für eine solche Messung oder Erfassung werden die Testoberfläche und die Oberfläche eines zweiten Elements, welches als Bezugselement bezeichnet werden kann und dem Wärmestromweg 22 analog ist, in im wesentlichen identische Fluidumumgebungen eingetaucht oder in Fluidumumgebungen, die bekannte relative Wärmeübertragungseigenschaften haben. Die Bezugsüberfläche weist z. Z. keinen Niederschlag auf. Die Test- und Bezugselemente haben eine bekannte Beziehung - wie etwa Identität oder Fastidentität - der Wärmeübertragungs­ eigenschaften, bevor die Testoberfläche der möglicherweise zur Niederschlagsbildung neigenden Fluidumumgebung ausgesetzt wird. Während sie eingetaucht sind, werden beide Oberflächen mittels der Quelle 18 für die Messung aufgeheizt. Die rela­ tive Wärmeübertragung entlang der Wege 20 und 22 oder genauer gesagt über die Zwischenfläche zwischen der Testoberfläche und ihrer Fluidumumgebung einerseits und zwischen der Bezugs­ oberfläche und ihrer Fluidumumgebung andererseits, werden verglichen. Dieser Vergleich ergibt die gewünschte Anzeige des Testoberflächenbelags.

Eine derartige Methode ergibt ohne zusätzliche Schritte eine Erfassung und Messung von Belag auf der Testoberfläche ver­ glichen mit dem auf der Bezugsoberfläche. Für die Erfassung oder Messung wird die thermische Brücke anfänglich justiert, und zwar vorzugsweise, während die Testoberfläche und die Bezugsoberfläche sich im selben Zustand befinden, z. B. im sauberen belagfreien Zustand, derart, daß in einem solchen Zustand das Meßgerät 34 einen ersten bekannten Ablesewert liefert, wie z. B. Null. Nach einer Niederschlagsbildung, bei der die Testoberfläche potentiell eine Niederschlagsbil­ dung bewirkenden Bedingungen ausgesetzt worden ist, während die Bezugsoberfläche nicht derartigen Bedingungen ausgesetzt worden ist oder in geringerem Maß ausgesetzt worden ist, während gesäubert worden ist oder in anderer Weise gegen Niederschlags­ bildung geschützt worden ist, wird die Differenzmessung wie­ derholt, wobei die Differenz von dem Meßgerät 34 angezeigt wird. Die Differenz zwischen dem Meßwert des Meßgeräts 34 in dieser Meßperiode und dem Meßwert während der anfäng­ lichen Meßperiode ist eine Anzeige für die Änderung der thermischen Übertragungseigenschaften der Testoberfläche an­ schließend an die Periode, während der die Brücke anfänglich justiert wurde. Somit ist das Meßergebnis ein Maß für die Niederschlagsbildung.

Eine Meßperiode kann eine Dauer von 5-15 Minuten aufweisen, wobei die Dauer lediglich dafür ausreichen muß, daß die An­ ordnung sich thermisch und elektrisch stabilisiert, während der Wärmeeingangsstrom von einem Zustand zu einem anderen verändert wird. Eine typische Niederschlagsbildungs-Periode, d. h. die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßperioden, kann in der Größenordnung von einer bis vier Stunden liegen. Die zyklisch abwechselnde Aufeinanderfolge von Meß- und Nie­ derschlagsbildungsperioden wird fortgesetzt, solange die Überwachung des Fluidumsystems erwünscht ist.

Das Verfahren und die Vorrichtung, die hier beschrieben wer­ den, können zur schnellen Bestimmung von Bedingungen ver­ wendet werden, unter denen ein anhaftender Niederschlag ab­ geschieden wird. Es ist nur notwendig, eine bestimmte Be­ dingung während der Niederschlagsbildungsperiode auszuwäh­ len und die Wirkungen der Niederschlagsbildung unter dieser Bedingung während einer nachfolgenden Meßperiode zu messen. So können z. B. dadurch, daß man die der Testoberfläche zuge­ führte Wärme oder die Temperatur oder die Zusammensetzung oder die Viskosität der überwachten Flüssigkeit während der Niederschlagsbildungsperiode auswählt, die Niederschlags­ vorgänge unter solchen besonderen Bedingungen einzeln unter­ sucht werden.

Es dürfte deutlich geworden sein, daß die Prinzipien der Er­ findung in vielen verschiedenen Apparaturen und Schaltungen verkörpert werden können, die die Funktionen der oben beschriebe­ nen thermischen Brücke ausführen. Eine große Vielfalt von Wärmequellen kann verwendet werden einschließlich gesonder­ ter interner oder externer Heizvorrichtungen, elektrische Aufheizung oder Strömungsaufheizung etwa mit Dampf oder direk­ te Widerstandsaufheizung. Eine große Vielfalt von Temperatur­ fühlern kann verwendet werden einschließlich unabhängig von den Heizvorrichtungen angeordneten Temperaturfühlern wie Thermistoren, Thermoelementen und ähnlichem.

Es können viele verschiedene Arten zur Erzielung einer unter­ schiedlichen Niederschlagsbildung auf der Testoberfläche und der Bezugsoberfläche verwendet werden. Die früheren US-Patente 38 48 187 und 39 51 161 der Anmelderin beschreiben eine An­ zahl von derartigen Methoden zur Erhöhung der Neigung zur Nie­ derschlagsbildung, bei denen die Niederschlagsrate oder das Niederschlagsbildungspotential bedeutend erhöht wird und da­ durch die Empfindlichkeit der Messung beträchtlich gesteigert wird. Derartige Methoden können ohne weiteres dazu verwendet werden, die Testoberfläche und die Bezugsoberfläche unter­ schiedlich mit Niederschlag zu überziehen und dadurch eine größere Niederschlagsbildung und eine größere Wahrscheinlich­ keit der Niederschlagsbildung auf der Testoberfläche als auf der Bezugsoberfläche hervorzurufen. Die Methoden zur unter­ schiedlichen Niederschlagsbildung schließen einen physikali­ schen Schutz der Bezugsoberfläche während der Zeit ein, wäh­ rend der die Testoberfläche den Niederschlagsbildungs-Bedin­ gungen ausgesetzt wird. So kann die Bezugsoberfläche ent­ fernbar sein oder getrennt sein von der Testoberfläche und kann von der Fluidumumgebung während der Niederschlagsbil­ dungsperiode entfernt werden. Die Bezugsoberfläche kann den Niederschlagsbildungsbedingungen zusammen mit der Testober­ fläche ausgesetzt werden, jedoch vor einer nachfolgenden Messung, nach der Niederschlagsbildungsperiode, gesäubert werden. Die Bezugsoberfläche kann mit einer Schutzschicht versehen werden. Chemische Inhibitoren können verwendet wer­ den, die auf einen Bereich in unmittelbarer Nähe der Bezugs­ oberfläche beschränkt sind. Für solche Fluidsysteme, bei denen die Niederschlagsbildung durch geringe Temperaturen erhöht wird, können Kühleinrichtungen verwendet werden, um die Temperatur der Testoberfläche unter die der Fluidumum­ gebung zu senken, während eine höhere Temperatur an der Be­ zugsoberfläche aufrechterhalten wird oder die Bezugsober­ fläche auf andere Weise gegen Niederschlagsbildung geschützt wird.

Eine weitere Methode, eine unterschiedliche Niederschlags­ bildung zu erreichen, besteht in der Zuführung von gleicher Heizleistung zu der Bezugsoberfläche und der Testoberfläche während der Niederschlagsbildung und der gleichzeitigen Ver­ wendung einer niedrigeren Fluidumtemperatur rings um die Bezugsoberfläche. Es wird dann während einer Meßperiode der Fluidumstrom erhöht oder andere Maßnahmen werden unternom­ men, um die Fluidumumgebung der Bezugsoberfläche und die der Testoberfläche einander anzugleichen.

Schließlich kann sowohl die Testoberfläche als auch die Be­ zugsoberfäche erwärmt werden, wobei jedoch die Wärmezufuhr zu der Testoberfläche einige Male höher ist als die zur Be­ zugsoberfläche.

Die Sonden können so ausgebildet sein, daß sie ein Fließen des beobachteten Fluidums entweder innerhalb oder außerhalb der Sonde vorsehen. Die letztgenannte Ausbildung wird ge­ wählt, um weitere erfindungsgemäße Aspekte zu erreichen. Eine eine externe Oberfläche aufweisende Sonde wird vorge­ zogen, weil sie leichter inspiziert und leichter chemisch ge­ reinigt werden kann.

In Fig. 2 wird eine Ausführungsform gezeigt, die vorzugs­ weise für bestimmte wäßrige Systeme wie Kühlwassersysteme verwendet wird, wobei die Sonde jedoch auch bei anderen Systemen verwendet werden kann. Die Sonde von Fig. 2 ist insbesondere zur Verwendung mit verschiedenen Justier- und Kompensationsschaltungen geeignet, die noch beschrieben wer­ den und es ermöglichen, quantitative Messungen mit sehr hohem Empfindlichkeits- und Genauigkeitsgrad durchzuführen.

Gemäß Fig. 2, 3, 4 und 5 besteht der Sondenmantel 64 aus einem langgestreckten Hohlrohr aus dünnwandigem wärmeleiten­ dem Material wie etwa rostfreiem Stahl und ist an seinem Stromaufwärtsende 66 stromlinienförmig ausgebildet, um die Störung der Strömung gering zu halten, und weist eine ge­ nügende Länge auf, um die Test- und Bezugsheizvorrichtungen und die Temperaturfühler in axialem Abstand voneinander zu halten. Ein ringförmiger Umfangsbereich 68 des Mantels 64 wird als Bezugsoberfläche verwendet und ein ähnlicher ring­ förmiger Umfangsbereich 70, der stromabwärts von dem Bereich 68 liegt, wird als Testoberfläche verwendet. Innerhalb des Mantels 64 und in fester Beziehung zu diesem ist eine elektri­ sche Patronenheizvorrichtung angeordnet, die von der im US- Patent 28 31 951 beschriebenen Art sein kann und voneinander beabstandete und unabhängig aktivierte Widerstandsheizungs- Drahtspulen 72 und 74 aufweist, die innerhalb eines zylindri­ schen metallischen Rohres 76 befestigt sind. Heizstromleitun­ gen 78 verbinden die Heizspulen mit externen Heizleistungs­ stufen, die noch beschrieben werden.

Um die Merkmale der in Fig. 1 gezeigten thermischen Brücke bei der Ausführungsform von Fig. 2, 3, 4 und 5 zu ver­ wirklichen, ist es erwünscht, die Temperaturdifferenz zwi­ schen der Bezugsoberfläche 68 und der Testoberfläche 70 zu messen. Wie schon erwähnt wurde, können viele verschiedene Arten von Temperaturfühlern verwendet werden. So kann man übliche Thermoelemente, Thermistoren oder andere temperatur­ empfindliche Vorrichtungen an der Testoberfläche und der Be­ zugsoberfläche innerhalb oder außerhalb derselben befestigen, oder sogar innerhalb der Heizpatrone selbst, um die gewünsch­ te Messung der Temperaturdifferenz durchzuführen.

Es sei daran erinnert, daß die bei der beschriebenen thermi­ schen Brücke durchgeführte Messung keine Temperaturmessung an einem bestimmten Punkt erfordert, sondern lediglich die Messung einer Temperaturdifferenz erfordert. Da nur eine Temperaturdifferenz gemessen werden muß, kann man diese Differenz an den Oberflächen 68 und 70 einfach dadurch mes­ sen, daß man ein einziges Thermoelementpaar mit diesen Ober­ flächen verbindet, d. h. ein Draht wird mit der Oberfläche 68 und der andere Draht mit der Oberfläche 70 verbunden unter der Voraussetzung, daß die Drähte thermoelektrisch verschie­ den sind von dem Material des elektrisch leitenden Mantels der Sonde. Wenn eine Temperaturdifferenz zwischen den Be­ reichen 68 und 70 besteht, entsteht ein thermoelektrischer Potentialgradient entlang der Sonde zwischen diesen Bereichen. Daher erscheint eine Spannung zwischen den beiden mit der Testoberfläche bzw. der Bezugsoberfläche verbundenen Dräh­ ten, die ein Maß für die Temperaturdifferenz ist.

Die Verbindung solcher Thermoelementdrähte, die relativ zu dem Sondenmantel, jedoch nicht relativ zueinander thermo­ elektrisch unähnlich sind, mit dem Äußeren des Probenman­ tels oder die Verbindung anderer Temperaturfühler mit dem Äußeren des Probenmantels ist unerwünscht, weil dadurch die Struktur der Strömung entlang dem Äußeren des Mantels gestört werden kann und die Säuberung der Sonde erschwert wird. Bei der in Fig. 2, 3, 4 und 5 beschriebenen Sonde wird die Temperaturdifferenz zwischen der Testoberfläche und der Bezugsoberfläche dadurch gemessen, daß thermoelektrische Drähte mit dem Inneren des Sondenmantels verbunden werden. Die hier gezeigte Art der Verbindung der thermoelektrischen Drähte ergibt auch einen guten Wärmeströmungsweg, nämlich einen Weg geringen thermischen Widerstandes, von den Heiz­ vorrichtungen zu der Testoberfläche bzw. der Bezugsoberfläche und zu den thermoelektrisch unähnlichen Verbindungsdrähten.

Um die Thermoelementdrähte zu verbinden, werden erste und zweite wärmeleitende Abstandshülsen 80 und 82 auf dem Heiz­ rohr 76 über den jeweiligen Heizspulen angebracht. Diese Hülsen 80 und 82 sitzen in festem Preßsitz auf dem Heizrohr und befinden sich in eng angepaßter fester Anlage mit dem Inneren des Sondenmantels. Die Hülsen können aus 1020-1040 Weicheisen, Kupfer oder einem anderen Material mit guter thermischer Leitfähigkeit und thermoelektrischen Eigenschaf­ ten bestehen, die verschieden sind von dem Material der Thermo­ elementdrähte. Alle Thermoelementdrähte bestehen aus demselben Material wie z. B. aus Konstantan.

Wie man in Fig. 3 und 4 sehen kann, hat jede Hülse eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten in Längsrich­ tung verlaufenden Nuten oder Schlitzen, die zusammen mit dem Sondenmantel 64 eine Vielzahl von Durchgängen bilden, welche sich in Längsrichtung der Hülsen erstrecken. Die Nuten der Hülse 82 sind mit den Bezugszeichen 84 a, 84 b, 84 c, 84 d, 84 e und 84 f bezeichnet, und ähnliche Längsnuten 86 a, 86 b, 86 c, 86 d, 86 e und 86 f sind in der Hülse 82 ausgebildet. Zum Abfühlen der Temperaturdifferenz zwischen der Bezugsober­ fläche und der Testoberfläche sind die thermoelektrischen Drähte an den Hülsen befestigt. An der Hülse 80 ist eine Mehrzahl von elektrisch isolierten thermoelektrischen Dräh­ ten befestigt, wie etwa Konstantandrähte 82 a, 82 b und 82 c, die mit ihren abisolierten Spitzen wie der Spitze 90 an der Hülse befestigt sind, und zwar an in Umfangsrichtung beab­ standeten Punkten rings um die Hülse. Die Hülse 82 ist mit einer ähnlichen Gruppe von isolierten thermoelektrischen Drähten versehen, die abisolierte Spitzen aufweisen, wie die Spitze 91, welche an der Hülse an in Umfangsrichtung beabstandeten Punkten befestigt sind.

Die Drähte sind mit ihren Spitzen z. B. durch Schweißen oder Löten an jeder Hülse befestigt, und zwar in Umfangsrichtung beabstandet voneinander, um eine Temperaturdifferenzmessung an Punkten zu ermöglichen, die rings um die Umfänge der Test- und Bezugsoberflächen beabstandet voneinander sind. So sind in dem gezeigten Beispiel an jeder Hülse je drei Thermoelement-Verbindungsstellen vorgesehen. Für jede Hülse sind die von der Hülse entfernten Enden der drei zugeordneten thermoelektrischen Drähte elektrisch und thermisch mitein­ ander verbunden, wie noch beschrieben wird, um eine Tempera­ turdifferenz zu ermitteln, die die Differenz zwischen Tempe­ raturdurchschnittswerten von in Umfangsrichtung beabstande­ ten Teilen der Test- und Bezugsbereiche darstellt.

Die Hülse 82, die mit der Hülse 80 identisch ist, weist eben­ falls drei elektrisch isolierte thermoelektrische Konstantan­ drähte 86 a, 86 b und 86 c auf, die in jedem zweiten der sechs Schlitze untergebracht sind und mit ihren abisolierten Enden in den Umfangsschlitz 98 umgebogen sind und an diesen ange­ schweißt sind, wie bei 91 für den Draht 96 c gezeigt ist.

Um die Wärmeleitung zu den Hülsen und damit zu den mit diesen verbundenen thermoelektrischen Drähten von der äußeren Ober­ fläche des Sondenmantels zu vergrößern, ist der Mantel mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Löchern wie mit den Löchern 100 a, 100 b und 100 c versehen. In dem be­ schriebenen Beispiel befinden sich die wirksamen Thermoele­ mentverbindungen an den Test- und Bezugsoberflächen zwischen dem Stahlmantel und den Konstantandrähten, obwohl die mecha­ nischen Verbindungen zwischen den Drähten und den Hülsen be­ stehen, die sich in gutem thermischen Kontakt mit dem Mantel befinden und einen Teil des thermoelektrischen Kreises bilden.

Die Löcher befinden sich in Ausrichtung mit solchen Be­ reichen der darunter liegenden Hülsen, die von den darin befindlichen Nuten entfernt sind. Nach dem Zusammenbau können diese Löcher dazu benutzt werden, Lötmaterial ein­ zuführen, um die Hülse und den äußeren Mantel gut zusammen­ zufügen. Alternativ können die Löcher weggelassen werden und das Lötmaterial kann vor dem Zusammenbau der Hülsen mit dem Mantel in den Nuten placiert werden. Ein darauf­ folgendes Erhitzen läßt dann das Lötmaterial in die Zwi­ schenräume zwischen dem Mantel und der Hülse fließen. Wenn es als notwendig oder erwünscht erachtet wird, den Wärme­ übergang von der äußeren Oberfläche des Mantels 64 zu der messenden Thermoelementverbindung zu verbessern, wird der Mantel auf die Abstandshülsen und gegen diese aufgeschmiedet, wobei sicherzustellen ist, daß dieses Aufschmieden ohne wesentliche Störung der gewünschten Strömungseigenschaften der glatten und ununterbrochenen äußeren Oberflächen des Mantels erfolgt. Vorzugsweise wird das Aufschmieden des Mantels auf die Hülse vor dem Löten durchgeführt.

Man sieht somit, daß die Patronenheizvorrichtung mit ihren beiden getrennten Heizspulen fest an den beiden Abstands­ hülsen fixiert ist, die im Preßsitz darauf sitzen und daß die Hülsen durch Schmieden und/oder Löten innerhalb des Sondenmantels an diesem befestigt sind, wodurch eine feste kompakte Sonde entsteht, die keine bewegten Teile aufweist. Die Heizvorrichtung 72 und die Thermoelementverbindungen der Bezugsoberfläche sind symmetrisch innerhalb der ring­ förmigen Bezugsoberfläche und in Umfangsrichtung rings um dieselbe angeordnet, wobei die Bezugsoberfläche von dem ringsum verlaufenden Abschnitt 68 des Sondenmantels ge­ bildet wird. Die Heizvorrichtung 74 und die zugeordneten thermoelektrischen Drahtverbindungen sind innerhalb des ringförmigen die Testoberfläche bildenden Bereichs 70 des Sondenmantels und rings um diesen Bereich angeordnet. Die Bezugs- und Testabschnitte der Sonde sind um einen Ab­ stand voneinander entfernt, der dazu ausreicht, eine ge­ nügende thermische Isolierung zwischen ihnen sicherzustellen. Falls erwünscht, kann eine zusätzliche thermische Isolierung zwischen den Bezugs- und Testoberflächen vorgesehen werden.

An dem Sondenmantel ist eine geeignete Armatur vorgesehen wie das Außengewinde 102, welches mit einem ein Innengewinde aufweisenden Armaturteil 104 zusammenwirkt, welches an einem in Fig. 2 nicht gezeigten System befestigt ist, dessen Fluidum hinsichtlich seiner Neigung, Niederschläge zu bil­ den, gemessen werden soll.

An dem äußeren Ende der Sonde ist ein Gehäuse 106 befestigt, welches elektronische Komponenten wie einen Vorverstärker 108, eine Steckeraufnahme 110 zur Aufnahme von Heiz- und Meß­ leistungskabeln und eine Steckeraufnahme 112 zur Verbindung der thermoelektrischen Leitungen und der Vorverstärker­ leitungen mit äußeren Schaltungen, die noch beschrieben wer­ den.

Man sieht, daß die in Fig. 2-5 dargestellte Sonde alle Elemente der in Fig. 1 gezeigten thermischen Brücke enthält mit Ausnahme des Meßgeräts und Schaltern, die außerhalb der Sonde vorgesehen sind und mit deren Heizvorrichtung und den thermoelektrischen Drähten verbunden sind. Die drei (oder mehr) thermoelektrischen Drähte einer Hülse, wie die Drähte 92 a, 92 b, 92 c sind innerhalb des Gehäuses 106 miteinander verbunden, und entsprechend sind die drei (oder mehr) thermo­ elektrischen Drähte 96 a, 96 b und 96 c der Testoberflächen­ hülse innerhalb des Gehäuses 106 miteinander verbunden, so daß zwei Signale bereitgestellt werden, die der Testober­ fläche bzw. der Bezugsoberfläche zugeordnet sind und jedes Signal einen Durchschnittswert von Temperaturen darstellt, die an in Umfangsrichtung beabstandeten Punkten rings um die Testoberfläche bzw. die Bezugsoberfläche abgetastet worden sind.

Die beschriebene Sonde bildet eine thermische Brücke der in Fig. 1 dargestellten Art. Sie hat eine Wärmequelle in Form der Heizspulen 72 und 74, einen ersten Wärmestromweg über die Hülse 82 und den Testbereich 70 des Mantels 74 und einen zweiten Wärmestromweg über die Hülse 80 und den Be­ zugsbereich 68 des Mantels. Beide Wärmestromwege sind in Kontakt mit den untereinander identischen oder fast identi­ schen Fluidumumgebungen, die durch die Strömung desselben Fluidums an der Sonde vorbei und um diese herum in Richtung der Pfeile 116 gebildet werden.

Es werden in den Zeichnungen verschiedene elektrische Schal­ tungen für die Sonde der Fig. 2-5 gezeigt, wobei nur einige der verschiedenen Möglichkeiten der Kompensation, der Messung und der Steuerung gezeigt werden. Die Schal­ tung von Fig. 6 enthält eine einstellbare Kompensation hinsichtlich thermischer Asymmetrie. Die Sonde wird schema­ tisch gezeigt einschließlich ihres Mantels 64, der Bezugs­ oberfläche 68, der Testoberfläche 70, der Bezugs- und Test­ heizvorrichtungen 72 und 74 und der thermoelektrischen Be­ zugs- und Testübergangsstellen 90 und 91, wobei alle diese Teile die in Fig. 2-5 im einzelnen gezeigten Teile sche­ matisch andeuten sollen.

Heizenergie wird von einer nicht gezeigten Energiequelle über einen Transformator 118 bezogen, dessen Sekundärwin­ dung 119 mit dem Arm 120 eines Widerstandsteilers 122 ver­ bunden ist, dessen Enden mit je einem von zwei miteinander gekoppelten Schaltern 124 und 126 verbunden sind. Die Schal­ ter 124 und 126 sind über Leitungen 128 und 130 mit den ent­ gegengesetzten Enden von Heizvorrichtungen 72 und 74 verbun­ den, die selbst miteinander verbunden sind und deren Verbin­ dungspunkt mit dem anderen Ende der Sekundärwindung des Transformators 18 verbunden ist. Die Leitungen 128 und 130 von den Enden der Heizdrähte sind ferner mit gekoppelten Schaltern 132 und 134 verbunden, die mit dem bewegbaren Ab­ griff 136 bzw. mit einem Ende 138 einer Sekundärwindung 139 eines Transformators 140 verbunden sind, dessen Primärwin­ dung mit einer zweiten Quelle elektrischer Energie (nicht gezeigt) verbunden ist.

Die drei thermoelektrischen Drähte werden in Fig. 6 durch den Draht 96 dargestellt und werden an der Klemme 97 in einer gemeinsamen isothermen Verbindungsbox 142 miteinander verbunden. In ähnlicher Weise werden die drei thermoelektri­ schen Drähte, die in Fig. 6 durch die Leitung 92 dargestellt sind, an der Klemme 99 in der Verbindungsbox 142 miteinander verbunden. Übliche Kupferdrähte 144 und 146 verbinden diese Thermoelementklemmen mit den Eingängen eines Differentialver­ stärkers 148.

Der Verstärker 148 erzeugt ein Ausgangssignal, welches zu der Differenz zwischen den beiden gemittelten thermoelektrisch erzeugten Spannungen an seinen beiden Eingängen proportional ist, wobei diese Differenz dargestellt werden kann von ϑ _t - ϑ _r , wobei ϑ _t die Temperatur der Testoberfläche von ϑ _r die Temperatur der Bezugsoberfläche ist.

Ein Potentiometer 150 zur Nullpunkteinstellung enthält einen variablen Widerstand, der mit Potentialen entgegengesetzter Polarität beaufschlagt wird und dessen Ausgang zu dem Tempe­ raturdifferenzsignal vom Verstärker 148 in einem Widerstands- Summiernetzwerk 152, 154 hinzuaddiert wird, dessen Ausgangs­ signal einem geeigneten Anzeige-Meßgerät oder einer anderen Anzeige-, Verarbeitungs- oder Aufzeichnungseinrichtung 156 zugeführt wird.

Ein Meßstrom wird beiden Heizvorrichtungen 72 und 74 von dem Transformator 118 über die Schalter 124 und 126 zuge­ führt, wenn diese geschlossen sind, und ein Niederschlags­ bildungsstrom, der nur die Testoberfläche aufheizt, wird der Heizspule 74 von dem Transformator 140 zugeführt, wenn die Schalter 132 und 134 geschlossen sind. Das Meßgerät 156 gibt die an den Oberflächen 68 und 70 während einer Meßperiode ermittelten Temperaturdifferenzen wieder.

In jeder Apparatur existieren gewisse Asymmetrien, da es praktisch nicht möglich ist, eine Sonde herzustellen, bei der die Testoberfläche 68, die Hülse 80, die thermoelektri­ sche Verbindung 90 und die Heizvorrichtung 72, wobei alle diese Elemente miteinander verbunden sind und thermisch, physikalisch und elektrisch zusammenwirken, exakt gleich ausgebildet sind wie die Testoberfläche 70, die Hülse 80, die thermoelektrische Verbindung 91 und die Heizvorrichtung 74. Die Test- und Bezugsteile sind auch dann asymmetrisch, wenn bei der Herstellung äußerste Sorgfalt darauf verwandt wird, die Bezugs- und Testteile genau identisch herzustellen. Solche Asymmetrien zwischen Bezugs- und Testteilen der Sonde verursachen Veränderungen der vom Meßgerät während einer Mes­ sung gelieferten Meßwerte, d. h. der abgefühlten Temperatur­ differenz, wobei diese Änderungen von Änderung der Fluidum­ umgebung verursacht werden.

Jedoch wurde gefunden, daß, wenn die Eingangswärmeströme zu den Test- und Bezugsflächen im sauberen Zustand des­ selben variiert werden, es einen Punkt in der Beziehung zwischen den Eingangswärmeströmen gibt, bei dem die ge­ messene Temperaturdifferenz wenig oder keine Änderung über einen beträchtlichen Variationsbereich der Fluidumumgebung zeigt.

Es wurde gefunden, daß die beschriebene Vorrichtung in einer anfänglichen Meßperiode auf folgende Weise abgeglichen oder justiert werden kann, wobei beide Oberflächen sich in sau­ berem überzugsfreiem Zustand befinden. Die Schalter 132 und 134 sind offen. Die Schalter 124 und 126 sind geschlossen, und die Sonde ist in ein geeignetes Fluidum eingetaucht, welches nicht das Fluidum zu sein braucht, dessen Ablage­ rungsneigung gemessen werden soll. Es wird eine Anfangsstel­ lung des Arms 120 des Widerstandsteilers 122 gewählt, und die Fluidumumgebung wird variiert. Für diesen Justiervorgang wird die Fluidumumgebung am einfachsten dadurch geändert, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidums an der Sonde vorbei verändert wird, obwohl man auch andere Eigenschaften der Fluidumumgebung variieren kann. Die Strömungsgeschwin­ digkeit wird durch irgendwelche üblichen Mittel (nicht ge­ zeigt) variiert wie etwa ein einstellbares Steuerventil. Die von dem Meßgerät 156 wiedergegebene Temperaturdifferenz wird beobachtet, während die Fluidumumgebung variiert wird. Wenn die Temperaturdifferenz sich bei einer bestimmten Stel­ lung des Arms 120 ändert, während die Fluidumumgebung variiert wird, wird der Arm verschoben, um die relativen Heizeingangs­ signale für die beiden Heizvorrichtungen zu ändern, und die Fluidumumgebung (Fluidumgeschwindigkeit) wird wieder variiert, während man die gemessene Temperaturdifferenz beobachtet. Es wird durch diese Ausprobiermethode eine Stellung des Arms 120 gefunden, bei der der vom Meßgerät 156 gelieferte Wert nicht schwankt oder nur in minimalem Ausmaß schwankt, wenn die Fluidumumgebung variiert wird. Diese Einstellung des Arms 120, mit der den beiden Oberflächen Heizeingänge in be­ stimmtem Verhältnis zugeführt werden, wird dann bei allen mit dieser Sonde durchgeführten Messungen verwendet. In der Praxis wird diese Justierung nach vollendeter Herstellung der Sonde in der Fabrik durchgeführt, und die Einstellung des Wärmezufuhrverhältnisses kann dann fixiert werden oder fest in die jeweilige Sonde eingebaut werden und bildet ein für die einzelne Sonde charakteristisches Merkmal. Wenn man z. B. das Wärmezufuhrverhältnis für die Heizvorrichtungen einer be­ stimmten Sonde gemäß der vorstehenden Methode bestimmt hat, können feste Widerstände in den Heizkreisen eingebaut werden, um diese Asymmetrie-Kompensation sicherzustellen, und der variable Widerstandsteiler 122 kann weggelassen werden.

Wenn man auf diese Weise das Wärmezufuhrverhältnis justiert hat, wird die Temperaturdifferenz im allgemeinen nicht gleich Null sein, aber das Meßgerät 156 kann dadurch auf Null ge­ bracht werden, daß man das Potentiometer 150 verstellt, um dann Signal ϑ _t - ϑ _r am Ausgang des Differenzverstärkers 148 zu erhöhen oder zu verringern, bis der Meßwert des Meßgeräts 156 gleich Null ist. Nun ist die Sonde einschließlich ihrer Schaltungen kompensiert und hinsichtlich des Nullpunkts justiert im sauberen und überzugsfreien Zustand der beiden Oberflächen. Die Schalter 124 und 126 werden geöffnet, und, während die Sonde mit ihren Test- und Bezugsoberflächen in eine Flüssigkeit, deren Ablagerungsneigung gemessen werden soll, eingetaucht wird, werden die Überzugsbildungsschalter 132 und 134 geschlossen, um die Testoberfläche 70 über die Heizvorrichtung 74 auf eine Temperatur aufzuheizen, die durch die Einstellung des variablen Arms 136 der Sekundär­ windung 138 des Transformators 140 gesteuert wird. Die Temperatur der Testoberfläche 70 während der Ablagerungsperiode wird so gewählt, daß es sich um die Temperatur handelt, bei der die gewünschte Erfassung und Messung der Ablagerungsnei­ gung der Flüssigkeit durchgeführt werden soll. Falls er­ wünscht, kann die Temperatur der Testoberfläche während der Ablagerungsperiode durch zusätzliche Thermoelemente oder Thermistoren (in Fig. 6 nicht gezeigt) gemessen werden, wie noch beschrieben wird. Während der Ablagerungsperiode bleibt die Bezugsoberfläche 68 in der Nähe der Temperatur des umgebenden Fluidums, welches die Sonde umströmt, und er­ hält somit während der Ablagerungsperiode keine Ablagerungen oder, wenn sie Ablagerungen erhält, sind diese Ablagerungen beträchtlich geringer. Natürlich können andere Methoden zur Verursachung unterschiedlicher Ablagerungen verwendet wer­ den, wie erwähnt wurde.

Nach der Ablagerungsperiode, die z. B. ein bis vier Stunden dauern kann, werden die Schalter 132 und 134 geöffnet und die Schalter 124 und 126 werden wieder geschlossen, um die justierte Meßwärme zuzuführen. Zu dieser Zeit werden keine weiteren Einstellungen vorgenommen. Der Meßwert des Meßge­ räts 156 wird notiert, nachdem die Sonde und die zugeordnete Schaltung sich thermisch stabilisiert haben. Diese Stabili­ sierungsperiode wird mindestens teilweise deswegen benötigt, weil die Wärmeströmung zu den Test- und Bezugsoberflächen geändert worden ist. Der Meßwert des Meßgeräts relativ zu dem der anfänglichen Meßperiode erhaltenen Meßwert, der mittels des Potentiometers 150 auf Null gestellt wurde, ist ein Maß für die Wärmeübertragungseigenschaften der Testober­ fläche 70 bezüglich der Wärmeübertragungseigenschaften der Bezugsoberfläche 68. Der Meßwert ist unabhängig von den im wesentlichen identischen Fluidumumgebungen, in welche die beiden Oberflächen eingetaucht sind, und ist ein Maß für die Ablagerungen, die auf der Testoberfläche 70 während der Ablagerungsperiode angesammelt worden sind, und zwar im wesentlichen unabhängig von der Sondenasymmetrie.

Im allgemeinen werden die Dauer der Ablagerungsperiode und die Bedingung verstärkter Ablagerung auf der Testoberfläche (durch Erhöhung der Temperatur derselben mittels der Heiz­ vorrichtung 74) so gewählt, daß auf der Bezugsoberfläche 68 sich wenig oder keine Ablagerung ergibt, während eine be­ trächtlich größere Wahrscheinlichkeit dafür besteht, daß Ab­ lagerungen sich auf der Testoberfläche 70 ansammeln. Es sind viele Methoden einschließlich der oben erörterten verfügbar, um eine Differenz der Ablagerung auf der Testoberfläche und der Bezugsoberfläche während der Ablagerungsperiode sicher­ zustellen. Zum Beispiel kann die Bezugsoberfläche 68 vor der Ab­ lagerungsperiode mit einer Schutzhülle versehen werden. Alter­ nativ kann die Sonde vor der zweiten Meßperiode entfernt wer­ den, um die Bezugsoberfläche 68 von allen Ablagerungen, die sich möglicherweise angesammelt haben, zu säubern.

Die in Fig. 6 dargestellte Schaltung ergibt bei Benutzung mit der Sonde der Fig. 2-5 eine Apparatur hoher Empfind­ lichkeit und guter Zuverlässigkeit, die hinsichtlich gewis­ ser Sondenasymmetrien kompensiert ist. Es ist jedoch gefun­ den worden, daß eine zusätzliche Kompensation des Null­ punkts einer Sonde hoher Empfindlichkeit eine weitere Er­ höhung dieser Empfindlichkeit zur Folge hat. Auch mit der oben beschriebenen Justierung des Wärmezufuhrverhältnisses können Änderungen der Fluidumumgebung einer Sonde sehr hoher Empfindlichkeit noch eine gewisse Schwankung des Meßwerts des Meßgeräts 156 verursachen. So kann die beschriebene Sonde, obwohl sie bedeutend besser und empfindlicher ist als bekannte Anordnungen, eine unerwünschte Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der Fluidumumgebung aufweisen, wenn sie zur Durchführung von Messungen hoher Präzision und Empfindlichkeit verwendet wird. Man wird verstehen, daß eine hohe Empfindlichkeit für Ablagerungen bei den beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen erwünscht ist, weil die Chance, Abhilfemaßnahmen vor dem Auftreten von Schäden treffen zu können, umso größer ist, je früher der Kesselstein entdeckt wird und je kleiner die Kesselsteinmenge ist, die entdeckt werden kann.

Eine zusätzliche Kompensation hinsichtlich solcher Änderungen der Fluidumumgebung kann in beträchtlichem Maß in der in Fig. 7 gezeigten Weise erreicht werden. Bei dieser Anordnung wird eine Kompensation durch ein Signal bewirkt, welches die Temperaturdifferenz zwischen der Bezugsoberfläche und einer dritten Oberfläche darstellt, die unterschiedlich aufgeheizt oder nicht aufgeheizt oder indirekt aufgeheizt wird. In Fig. 7 ist eine Sonde schematisch dargestellt, die ähnlich der Sonde von Fig. 2-5 ist. Ein Sondenmantel 160 hat eine Be­ zugsoberfläche 162, eine Testoberfläche 164, eine zur Ab­ tastung der Bezugstemperatur dienende thermoelektrische Konstanten-Stahl-Übergangsstelle 166, eine zur Messung der Testtemperatur dienende thermoelektrische Konstantan-Stahl- Übergangsstelle 168 und Bezugs- und Testheizvorrichtungen 170 und 172, wobei alle diese Elemente so verbunden sind und so arbeiten wie die vergleichbaren Elemente der Sonde der Fig. 2-5. Diese Sonde hat jedoch eine zusätzliche thermo­ elektrische Übergangsstelle 174 in einem geringer und indirekt geheizten Bereich 176 des Sondenmantels 160, und zwar strom­ aufwärts von der Testoberfläche und von der Bezugsoberfläche. Die Arbeitsweise und die Steuerung der Heizvorrichtungen 170 und 172 dieser Sonde verlaufen genauso wie bei der Sonde der Fig. 2-5 und der Schaltung der Fig. 6. Die Übergangsstel­ len 166 und 168 der Bezugs- und Testflächen sind mit einem Differentialverstärker 180 verbunden, dessen Ausgang ϑ _t - ϑ _r in einem Widerstands-Summiernetzwerk 182 kombiniert wird mit einem selektiv variablen Verschiebungssignal, welches von einem Potentiometer 184 abgeleitet wird ebenso wie in der vorher beschriebenen Schaltung.

Bei der Anordnung von Fig. 7 hat jedoch der stromaufwärts gelegene Bereich 176 des Probenmantels, der als Fluidumum­ gebungsbereich bezeichnet werden kann, eine Temperatur rela­ tiv zu der Temperatur der Bezugsoberfläche, die von einer thermoelektrischen Übergangsstelle 174 abgefühlt wird. Die Drähte von den beiden Übergangsstellen 166 und 174 werden als Eingangssignale einem zweiten Differentialverstärker 186 zugeführt. Dabei bezeichnet ϑ _r die Temperatur an der Bezugsoberfläche, und ϑ _a bezeichnet die abgefühlte Temperatur an der Fluidumumgebungsoberfläche 176, die sich auf einer von der Bezugsoberfläche verschiedenen Temperatur befindet, da die erste nur indirekt geheizt wird und die letztere direkt geheizt wird. Daher zeigt das Ausgangssignal des Verstärkers 186 die Differenz zwischen diesen beiden unterschiedlich ge­ heizten Oberflächen, d. h. ϑ _r - ϑ _a , an, was als Fluidumum­ gebungssignal bezeichnet werden kann. Eine Funktion dieses Fluidumumgebungssignals wird bei der hier vorliegenden Kom­ pensation verwendet.

Das Fluidumumgebungssignal wird einem invertierenden Ver­ stärker 188 zugeführt. Die Ausgänge einander entgegenge­ setzter Polarität der Verstärker 186 und 188 werden den entgegengesetzten Enden eines Widerstandsteilers 190 zu­ geführt, der einen bewegbaren Abgriff 192 aufweist. Der Abgriff 192 ist so verbunden, daß er ein Eingangssignal zu einem Widerstands-Netzwerk 193 liefert, dem ein zweites Eingangssignal von dem Potentiometer 194 zugeführt wird, welches eine Spannung von selektiv variabler Größe und Polarität liefert, die von einem Widerstand 195 abgenommen wird, dessen Enden mit positiven und negativen Potential­ quellen verbunden sind. Das Ausgangssignal des Summiernetz­ werks 193 wird mit dem Ausgangssignal des Summiernetzwerks 182 in einem dritten Summiernetzwerk 196 kombiniert, und das Ausgangssignal des letzteren wird einem Meßgerät 197 zuge­ führt, um einen kompensierten Meßwert der Temperaturdifferenz zwischen der Testoberfläche und der Bezugsoberfläche zu lie­ fern.

Die Einstellung des Potentiometerarms 192 für die Fluidumum­ gebungs-Kompensation wird empirisch bestimmt, wobei die Ober­ flächen sich in sauberem überzugsfreiem Zustand befinden. Wäh­ rend den Heizvorrichtungen Meßenergie zugeführt wird und die Sonde in ein Fluidum eingetaucht ist, welches nicht notwen­ digerweise das zu messende Fluidum sein muß, diesem vorzugs­ weise jedoch ähnlich ist, wird die Geschwindigkeit des vor­ beiströmenden Fluidums vom Normalwert relativ zur konstanten Meßgeschwindigkeit beträchtlich verringert. Zum Beispiel kann man normalerweise mit der beschriebenen Sonde bei Fluidumge­ schwindigkeiten in der Größenordnung von 100 cm pro Sekunde messen. Diese Geschwindigkeit wird bei dieser empirischen Bestimmung auf die Hälfte herabgesetzt, und eine evtl. Ände­ rung des Meßwerts des Meßgeräts wird notiert. Dann wird die Geschwindigkeit auf die normalerweise bei der Messung verwen­ dete Größe zurückgebracht, und der Arm 192 wird in einer oder anderen Richtung verschoben. Die Geschwindigkeit wird wieder im selben Ausmaß wie vorher verringert, z. B. auf 50 cm pro Sekunde, und die Meßwertveränderung, die von dem Geschwindig­ keitsabfall bei dieser neuen Position des Arms 192 verur­ sacht wird, wird notiert. Wenn die Meßwertänderung größer ist als die vorhergehende Meßwertänderung, wird der Arm 192 in der anderen Richtung bewegt. Wenn sie geringer, jedoch noch bedeutsam ist, wird der Arm 192 erneut in derselben Richtung bewegt. Wieder wird die Geschwindigkeit auf die Meßbedingung zurückgebracht, der Meßwert wird notiert, der Arm 192 wird in der einen oder der anderen Richtung in der oben genannten Weise bewegt, und die Geschwindigkeit wird wieder verringert. Wieder wird die Änderung des Meßwerts notiert und mit der frü­ heren Änderung des Meßwerts verglichen. Diese Prozedur wird wiederholt, bis eine Einstellung des Arms 192 gefunden wird, bei der eine beträchtliche Veränderung der Fluidgeschwindig­ keit eine nur geringe oder keine Änderung des Meßwerts verur­ sacht. Nun ist die Sonde bezüglich der Wirkungen von Geschwin­ digkeitsänderungen kompensiert, und diese Position des Arms 192 wird fixiert und bleibt während der nachfolgenden Messung konstant. Falls notwendig, wird die nun vorliegende Position des Meßgeräts zurück auf Null einjustiert, indem man in das Summiernetzwerk 193 mittels des Potentiometers 194 ein Justier­ signal einführt, oder das Potentiometer 184 kann für diesen Zweck verwendet werden, wobei dann das Potentiometer 194 weggelassen wird.

Zur empirischen Einstellung des Arms 192 wird die Fluidumum­ gebung variiert, und der Arm 192 wird eingestellt, bis ein Meßwert erhalten wird, der keine Schwankung aufweist, wenn die Fluidumumgebung variiert wird. In der Tat wird die empi­ rische Bestimmung dadurch erhalten, daß eine Wärmeübertra­ gungseigenschaft der Fluidumumgebung variiert wird. Wie je­ doch vorher erwähnt wurde, ist eine der Eigenschaften, die besonders leicht variiert werden können, die Strömungsge­ schwindigkeit. Es ist daher diese besondere Fluidumeigen­ schaft, nämlich die Strömungsgeschwindigkeit, die bei der empirischen Bestimmung variiert wird, obwohl die Bestimmung auch durch Variation anderer Fluidumumgebungseigenschaften durchgeführt werden kann, die die Wärmeübertragungseigen­ schaften der Fluidumumgebung beeinflussen.

Die beschriebene thermische Brücke weist eine beträchtlich erhöhte Empfindlichkeit auf und ist hinsichtlich ungünstiger Einflüsse der Fluidumumgebung kompensiert. Ferner läßt sich die Arbeitsweise der Brücke durch Verwendung von elektrischen Präzisionsschaltungen und genau geregelten Spannungsversor­ gungen verbessern. Jedoch kann eine weitere Verbesserung durch eine Regelschleife und eine Stabilisierung der Fluidum­ umgebung erreicht werden. So kann, wie auch in Fig. 7 ge­ zeigt wird, das Fluidumumgebungssignal ϑ _r - ϑ _a , welches am Ausgang des Verstärkers 186 während einer Meßperiode erzeugt wird, einem Differenzverstärker 198 zugeführt werden, dessen zweites Eingangssignal eine einstellbare Spannung ist, die von einem Potentiometer 199 abgeleitet wird, dessen entgegen­ gesetzte Enden mit Potentialen entgegengesetzter Polarität beaufschlagt werden. Der Verstärker 198 erzeugt ein Rückkopp­ lungssignal, welches das abgetastete Fluidumumgebungssignal j _r - ϑ _a darstellt, um eine Steuerstufe 200 zu betätigen, die ein Strömungsventil 201 steuert, welches mehr oder weniger geöffnet wird, um die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidums in Abhängigkeit von Änderungen der Fluidumumgebung zu erhöhen oder zu vermindern. Die Art dieser Steuerung der Fluidumum­ gebung kann auf viele verschiedene Arten variieren. So kann man statt der Einstellung der Geschwindigkeit entsprechend dem Ausgangssignal des Verstärkers 198 die Viskosität, die Temperatur oder andere Parameter, welche die Wärmeübertragungs­ eigenschaften der Fluidumumgebung beeinflussen, einstellen in Abhängigkeit von der abgefühlten Temperaturdifferenz zwischen der erwärmten Bezugsoberfläche 162 und der nicht erwärmten Oberfläche 176 während der Meßperiode.

Die oben beschriebenen Kompensations- und Justierschaltungen sorgen zwar für eine Kompensation der Asymmetrie der Sonde und auch für eine Kompensation der Nullpunkteinstellung bei sauberen Sondenoberflächen hinsichtlich einer Änderung der Fluidumumgebung, wodurch eine verbesserte Empfindlichkeit der Messung und gleichzeitig eine verstärkte Unempfindlich­ keit gegenüber Fluidumumgebungsänderungen erhalten werden; jedoch wurde gefunden, daß wenn z. B. die Testoberfläche Ab­ lagerungen aufweist, die einen Meßwert in der Größenordnung der Hälfte der vollen Skala erzeugt, der Meßwert immer noch schwankt, wenn die Fluidumumgebung sich ändert, auch wenn der Niederschlag sich nicht ändert. Somit führt bei sehr hohen Empfindlichkeiten der Apparatur eine Veränderung der Fluidumumgebung während einer Messung zu einer Änderung der gemessenen Temperaturdifferenz der überzogenen oder teilweise überzogenen Sonde. Diese Wirkung einer Änderung der Fluidum­ umgebung auf eine überzogene Oberfläche kann mittels der in Fig. 8 gezeigten Schaltung minimal gemacht werden. Fig. 8 zeigt im wesentlichen dieselbe Sonde, wie sie vorher beschrie­ ben wurde, mit gewissen Abwandlungen der Heiz- und Meßschal­ tung. Diese Figur enthält eine Darstellung sowohl der vorher beschriebenen Nullpunktkompensation hinsichtlich Umgebungs­ änderungen und zeigt auch Schaltungen zur Kompensation einer eine Ablagerung aufweisenden Sonde auf der Basis des Produkts des Ablagerungsmeßwerts ϑ _t - ϑ _r und eines die Fluidumumgebung repräsentierenden Meßwerts j _r - ϑ _a .

Bei der Anordnung von Fig. 8 umfließt, wie durch den Pfeil 203 angedeutet wird, das Fluidum einen aus rostfreiem Stahl bestehenden Sondenmantel 202 mit einer Testoberfläche 204 und einer Bezugsoberfläche 206 und einer stromaufwärts lie­ genden Fluidumumgebungsoberfläche 208. Thermoelektrische Übergänge 210 und 212 sind in Abstandshülsen nahe der Test­ oberfläche bzw. der Bezugsoberfläche angebracht. Heizvor­ richtungen 214 und 216 für die Testoberfläche bzw. die Be­ zugsoberfläche sind nahe diesen Oberflächen in der vorher beschriebenen Weise angeordnet. Ein dritter einzelner thermo­ elektrischer Konstantandraht-Stahl-Übergang 215 ist an der Fluidumumgebungsoberfläche 208 vorgesehen, und ein thermo­ elektrischer Zweidraht-Übergang 217 enthaltend Chrom- und Aluminiumdrähte 218 a und 218 b ist nahe der Oberfläche 208 befestigt, um eine absolute Temperaturmessung zu liefern. Konstantandrähte 220 und 221 von den Übergängen 210 und 212 werden in einer isothermen Verbindungsbox 222 mit üblichen elektrischen Leitungen wie mit Kupferdrähten 223 und 224 ver­ bunden, welche Eingangssignale einem Differenzverstärker 226 zuführen, dessen Ausgangssignal das Signal ϑ _t - ϑ _r ist, wel­ ches proportional zu der Temperaturdifferenz an der Testober­ fläche und der Bezugsoberfläche ist. Die Leitung 221, die mit dem thermoelektrischen Übergang 212 verbunden ist, und eine Leitung 227 von dem thermoelektrischen Übergang 215 sind in der Verbindungsbox 222 mit Kupferdrähten 224 und 228 verbunden, die einem zweiten Differentialverstärker 229 Eingangssignale zuführen, dessen Ausgangssignal die Temperaturdifferenz an den Übergängen 212 und 215, bezeich­ net durch die Größe ϑ _r - ϑ _a , darstellt. Die absolute Tempe­ ratur am Übergang 217 wird von den thermoelektrischen Dräh­ ten 218 a, 218 b über die Verbindungsbox 222 zwecks Verbin­ dung mit Kupferdrähten 232 und 233 als erste und zweite Eingänge einem Verstärker 234 zugeführt. Der Ausgang die­ ses Verstärkers wird in einem Summiernetzwerk 235 dem Aus­ gangssignal eines Verstärkers 236 hinzuaddiert, der seine Eingänge über Leitungen 237 und 238 von einem Bezugsther­ mistor 240 erhält, der dazu verwendet wird, die Temperatur der isothermen Verbindungsbox 222 zu messen, in der alle thermoelektrischen Drähte mit üblichen Kupferdrähten ver­ bunden werden.

Das Ausgangssignal des Summiernetzwerks 235 ist proportional der absoluten Temperatur der Fluidumumgebungsoberfläche 208 und wird in einem Summiernetzwerk 244 mit dem Ausgangssignal ϑ _t - ϑ _r des Verstärkers 226 und mit dem Ausgangssignal ϑ _r - ϑ _a des Verstärkers 229 kombiniert, die dem Netzwerk 244 über nicht gezeigte Leitungen zugeführt werden. Das Summiernetz­ werk 244 erzeugt ein Signal ϑ _T , welches die absolute Tempe­ ratur der Testoberfläche darstellt. Diese Temperatur der Oberfläche 204 ist die Summe der Temperatur der Oberfläche 208 und der beiden Temperaturdifferenzen zwischen den Ober­ flächen 208 und 206 und zwischen den Oberflächen 206 und 204. Das Signal von dem Summiernetzwerk 244 wird in einer Steuer­ stufe 246 für die Testoberflächentemperatur mit einer vorbestimmten Testoberflächentemperatur verglichen, die in der Steuerstufe 246 mittels eines Einstellknopfes 248 ein­ gestellt worden ist. Die Steuerstufe 246 erhält elektrische Energie über Leitungen 250 und 251 und erzeugt ein Ausgangs­ signal über einen Ablagerungsperiodenschalter 253 zu der Test­ oberflächen-Heizvorrichtung 214. Somit wird nur während der Ablagerungsperiode die der Heizvorrichtung 214 zugeführte Energie in einer geschlossenen Regelschleife gesteuert und bei einer durch den Einstellknopf 248 gewählten Tempe­ ratur gehalten.

Meßenergie wird beiden Heizvorrichtungen 214 und 216 über die gekoppelten Schalter 254 und 256 zugeführt, die mit entgegengesetzten Enden einer Spule 258 verbunden sind, welche über einen verstellbaren Angriff 260 aktiviert wird, der wiederum mit einem Abgriff 262 einer Spule 264 ver­ bunden ist, die über Eingangsleitungen 250 und 251 akti­ viert wird.

Der Abgriff 262 wird so eingestellt, daß während der Meß­ periode die gewünschte Wärmemenge zugeführt wird. Der Arm 260 wird in derselben Weise, wie das für die Einstellung des Arms 120 der Fig. 6 beschrieben wurde, so eingestellt, daß das gewählte Verhältnis der den beiden Heizvorrichtungen zugeführten Energie zwecks Kompensierung der Sondenasymmetrie gewährleistet wird. Der Arm 260 kann in der vorher erwähn­ ten Weise in der Fabrik während der Fertigung der Sonde ein­ gestellt und fixiert werden, oder seine Funktion wird von festen Widerständen übernommen.

Für sehr präzise Messungen ist eine entsprechend präzise Regelung der Spannungsversorgungen erforderlich. Um jedoch eine teuere Regelung der hohen Leistung für Heizzwecke zu vermeiden, werden die Temperaturdifferenzmeßwerte hinsicht­ lich Spannungsänderungen kompensiert. Das Temperaturdifferenz­ signal ϑ _t - ϑ _r wird durch ein Leistungssignal W dividiert, welches proportional zum Quadrat der Heizspannnung ist. Das Signal W wird von einer Quadrierungsstufe 270 geliefert, die einen Eingang von dem Arm 262 erhält und einen Ausgang zu einem Dividierer 272 liefert, der ferner das Temperatur­ differenzsignal ϑ _t - ϑ _r erhält und das letztere durch W dividiert, um das spannungskompensierte Signal S ₁ zu er­ zeugen.

Das Leistungssignal W wird ferner einem zweiten Dividierer 274 zugeführt, der das Signal ϑ _r -ϑ _a von dem Verstärker 229 erhält und dieses Signal W dividiert, um das spannungskom­ pensierte Fluidumumgebungssignal FE zu liefern. Falls die Eingangsspannung schwanken sollte, ändern sich die der Test­ oberfläche und der Bezugsoberfläche zugeführten Wärmemengen, und ein zusätzlicher Faktor wird von den Dividierern 272 und 274 mit den Temperaturdifferenzsignalen kombiniert, um eine Kompensation hinsichtlich der Wirkungen solcher Spannungs­ schwankungen zu erreichen.

Eine bei sauberen Oberflächen vorgenommene Nullpunktjustie­ rung hinsichtlich der Fluidumumgebung wird in der in Verbin­ dung mit den Spannungsteilern 190 und 192 von Fig. 7 be­ schriebenen Weise sichergestellt. Somit wird das Fluidumum­ gebungssignal FE vom Dividierer 274 über Leitungen (nicht ge­ zeigt) zu einem Ende eines Widerstandes 276 geführt, im Ver­ stärker 278 invertiert und dem anderen Ende des Widerstands zugeführt. Der Abgriff 279 wird eingestellt, wie das im Zu­ sammenhang mit dem Abgriff 192 von Fig. 6 beschrieben wurde, um eine minimale Änderung des Meßwerts des Meßgeräts bei sich ändernder Fluidumumgebung zu erhalten. Somit wird ein Fluidum­ umgebungs-Kompensationssignal k (FE) von dem Arm 279 zu dem spannungskompensierten Kesselsteinsignal S ₁ in einem Summier­ netzwerk 280 hinzuaddiert, um ein hinsichtlich der Fluidum­ umgebung kompensiertes Kesselsteinsignal S₂ zu erhalten.

Ein Justiersignal wird von dem bewegbaren Abgriff 282 eines Widerstands 284 abgenommen, dessen entgegensetzte Enden mit positiven und negativen Potentialen beaufschlagt werden. Dieses Justiersignal wird im Summiernetzwerk 286 dem Signal S ₂ hinzuaddiert, um ein justiertes Kesselsteinsignal S ₃ zu erzeugen, welches eines Nullablesewert am Meßgerät 290 er­ gibt.

Um das justierte Kesselsteinsignal S ₃ hinsichtlich Änderungen zu kompensieren, die auf Änderungen der Fluidumumgebung bei eine Kesselsteinbildung aufweisender Sonde beruhen, wird das Fluidumumgebungssignal FE von dem Dividierer 274 in einem Multiplizierer 292 mit dem Kesselsteinsignal S₃ multipliziert, um das Signal S ₃ (FE) für eine zusätzliche Kompensation zu erzeugen. Wenn kein Kesselstein aufgetreten ist, ist S ₃ gleich Null, und diese Kompensation ist gleich Null. Der Ausgang des Multiplizierers 292 wird direkt und über einen inver­ tierenden Verstärker 294 den entgegengesetzten Enden eines Widerstands 296 zugeführt, der einen verschiebbaren Abgriff 298 aufweist. Das Signal am Abgriff 298 wird einem Summier­ netzwerk 300 zugeführt, um zu dem Kesselsteinsignal S ₃ am Ausgang des Summiernetzwerks 286 hinzuaddiert zu werden. Das kombinierte Signal S ₄ von dem Summiernetzwerk 300 ist das endgültige Signal, welches dem Meßgerät 300 zugeführt wird und welches hinsichtlich Spannungsänderungen, Sonden­ asymmetrie, Fluidumumgebungsänderungen, welche die Sonde im mit Ablagerungen versehenen Zustand beeinflussen, und Fluidum­ umgebungsänderungen, die die saubere Sonde beeinflussen, kom­ pensiert ist.

Der Arm 298 wird empirisch einjustiert, und zwar in einer Weise, wie sie im wesentlichen bei der Justierung des Arms 192 in Verbindung mit Fig. 7 und dem Arm 279 von Fig. 8 beschrieben wurde, wobei sich jedoch die Sonde in einem mit Ablagerungen versehenen Zustand befindet. Ein derartiger mit Ablagerungen versehener Zustand ist äquivalent z. B. einem Zustand, der einen Ablesewert entsprechend der Hälfte der vollen Skala des Meßgeräts ergibt. Der Arm 298 wird an­ fänglich in eine mittlere Stellung an dem Widerstand 296 ge­ bracht, die Standard-Meßwärme wird zugeführt, und die Ge­ schwindigkeit des Fluidums, in welches die Sonde eingetaucht ist, wird auf eine vorgewählte normale Meßgeschwindigkeit gesteuert. Diese Geschwindigkeit wird dann beträchtlich her­ abgesetzt, z. B. auf etwa die Hälfte des ursprünglichen Wer­ tes, und eine evtl. Änderung des Ablesewerts des Meßgeräts wird notiert. Dann wird der Arm 298 in eine andere Stellung verschoben, und die Geschwindigkeit wird auf ihren normalen Wert zurückgebracht und dann wieder herabgesetzt. Die durch diese Geschwindigkeitsänderung verursachte Änderung des Ab­ lesewerts wird wieder notiert. Wenn diese Änderung geringer ist als die zuerst notierte Änderung, ist der Arm 298 in der richtigen Richtung bewegt worden. Wenn die zweite Änderung größer ist, ist der Arm in der falschen Richtung bewegt wor­ den. Es wird dann der Arm 298 wieder bewegt, die Geschwindig­ keit wird auf den normalen Wert zurückgebracht und dann ver­ mindert, und eine dritte Ablesewertänderung wird notiert. Diese Ausprobiermethode bei der Einstellung des Arms 298 wird fortgesetzt, bis eine Stellung des Arms 298 erreicht wird, bei der eine große Änderung der Geschwindigkeit der Fluidumumgebung nur eine geringe oder keine Änderung des ab­ gelesenen Meßwerts verursacht. Damit ist der Arm 298 in eine Stellung gebracht worden, bei der die abgelesenen Meßwerte bei Ablagerungen aufweisender Sonde hinsichtlich möglicher Änderungen der Fluidumumgebung kompensiert sind. Dadurch ist eine noch größere Unempfindlichkeit der Sonde gegenüber Än­ derungen der Fluidumumgebung erreicht worden.

Man sieht, daß die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen keine Messung von Temperaturen (sondern nur von Temperatur­ differenzen) oder von Durchflußraten erfordern und daß eine verbesserte Messung von Ablagerungen und eine erhöhte Empfindlichkeit durch verschiedene Merkmale und Kompensations­ maßnahmen erreicht wird. Erstens schafft die Verwendung der beschriebenen thermischen Brücke eine wesentliche Verbesse­ rung hinsichtlich der Unabhängigkeit von der Fluidumumgebung. Zweitens wird durch Justierung des Wärmezufuhrverhältnisses die thermische Asymmetrie kompensiert. Drittens wird eine Kompensierung hinsichtlich der Fluidumumgebung für die Null­ punkteinstellung vorgesehen. Viertens wird eine Kompensier­ rung hinsichtlich Kesselstein und Fluidumumgebung für einen Zustand mit Kesselsteinbildung vorgesehen. Fünftens wird eine Regelung der Fluidumumgebung vorgesehen. Jedes der vor­ genannten Merkmale zwei bis fünf kann für sich allein oder in Verbindung mit einem oder mehreren der anderen Merkmale verwendet werden, um die Arbeitsweise der beschriebenen thermischen Brücke zu verbessern.

Das Meßgerät kann in Graden Temperaturdifferenz geeicht werden oder, indem man die Temperaturdifferenz durch die während der Meßperiode auftretende Wärmestromdichte in Watt pro cm² dividiert, kann das Meßgerät in Grad cm²/Watt, also in Einheiten des thermischen Widerstands, geeicht werden.

Fig. 9 veranschaulicht die beispielsweise Anwendung der Sonde der Fig. 2-5 bei einem Kühlwassersystem 340, dessen Kesselsteinbildungstendenz gemessen werden soll. Für eine solche typische Anwendung der Sonde wird Wasser von dem Kühlsystem durch eine Leitung 342 abgezogen und, während es durch eine Heizvorrichtung 344 fließt, erwärmt, um seine Temperatur auf einen Wert anzuheben, bei dem die Ablagerungs­ neigung gemessen werden soll. Diese Temperatur kann z. B. die Temperatur des Kühlwassers nahe einer Oberfläche der Wärmeaustauscherelemente sein, die in Kontakt mit dem Kühl­ wasser stehen und von diesem gekühlt werden. Allgemein ist die Bildung von Ablagerungen an derartigen heißen Wärmeaus­ tauscherflächen am größten. Das erwärmte Wasser aus dem System fließt durch ein Verteilerventil 346 und von dort über eine Leitung 348 zu einer Leitung 352. Das erwärmte Wassser fließt dann über die lange gerade Leitung 352 durch eine T-Armatur 354, deren einer Arm mit der Leitung 352 verbunden ist. Die T-Armatur hat einen Ausgangsarm 356, über den Wasser aus der Leitung 352 in einen Behälter 358 abgegeben wird, von wo es entweder aus dem System entfernt oder in das System re­ zirkuliert werden kann. Das andere Ende der T-Armatur dient dazu, eine Sonde wie die in Fig. 2-5 gezeigte Sonde auf­ zunehmen, wobei deren Mantel durch die T-Armatur hindurch in die lange gerade Rohrleitung 352 zwischen der T-Armatur und dem Ventil 346 eingeführt wird. Das Sondengehäuse 106 (siehe auch Fig. 6) ist entfernbar an dem freien Ende der T-Armatur angebracht und steht von dieser vor. Die gesamte Sonde kann mittels dieser Verbindung in das Fluidsystem ein­ gesetzt und von diesem entfernt werden.

Das Ventil 346 ist ferner mit einer Quelle 360 frischen Wassers, wie etwa Leitungswasser, verbunden und kann zwi­ schen einer ersten (Ablagerungs-) Position, in der es eine Wasserströmung von der Heizvorrichtung 344 zur Leitung 348 gestattet und das Strömen von frischem Wasser von der Quelle 360 blockiert, und einer zweiten (Meß-) Position geschaltet werden, in der Wasser von der Frischwassserquelle 360 zur Leitung 348 fließen kann, während die Wasserströmung von der Heizvorrichtung 344 blockiert wird.

Die Sonde wird in die T-Armatur eingesetzt, wobei das Ventil 346 sich in seiner Meßposition befindet und die Strömung von der Heizvorrichtung 344 blockiert und eine Strömung von rela­ tiv kühlem Wasser von der Frischwasserquelle 360 hindurch­ läßt. Die verschiedenen Justiervorgänge, wie sie in Verbin­ dung mit Fig. 8 beschrieben wurden, werden an der Sonde während einer anfänglichen Meßperiode durchgeführt, wobei die beiden Sondenheizvorrichtungen mit einer gewählten Meß­ wärme aktiviert werden, um eine Bezugsoberflächen- und Test­ oberflächentemperatur zu erzeugen, die höher ist als die Temperatur des umgebenden Fluidums. Nach dieser anfänglichen Justierung in der Meßperiode wird das Ventil 346 in seine Ablagerungsposition gebracht, um den Fluß von frischem Wasser zu unterbrechen und Wasser von der Heizvorrichtung 344 zu der Sonde zu leiten. Die Heizvorrichtung 344 wird so einge­ stellt, daß sie das zu messende Wasser aus dem Kühlsystem auf die gewünschte Temperatur bringt, nämlich die Temperatur, bei der die Ablagerungsneigung gemessen werden soll. Das auf­ geheizte Wasser fließt an der Sonde vorbei, die sich nun in ihrer Ablagerungsperiode befindet, zu dem Behälter 358. In der Ablagerungsperiode der Sonde wird die Meßwärme von der Heizvorrichtung entfernt, und nur die Bezugsoberflächen-Heiz­ vorrichtung wird aktiviert, wie das in Verbindung mit Fig. 6, 7 oder 8 beschrieben wurde. Diese Ablagerungs­ periode kann wie schon erwähnt wurde, eine Dauer von einer bis zu mehreren Stunden haben. Am Ende dieser Periode wird die Sondenschaltung zurück in den Meßzustand geschaltet. Die Ablagerungs-Heizleistung wird entfernt, die Meßleistung wird zugeführt zwecks Erwärmung sowohl der Bezugsoberfläche als auch der Testoberfläche, und das Ventil 346 wird wieder betätigt, um die Strömung aus dem Kühlwassersystem zu unter­ brechen und frisches Wasser bei der Temperatur der Quelle 360, die in der Größenordnung von 60°F bis 70°F liegen kann, über die Sonde und in den Behälter 356 zu leiten. Diese zyklische Umschaltung zwischen Ablagerungs- und Meßzustand, also das Umschalten der Sondenheizschaltungen und des Ventils 346 kann manuell durchgeführt werden. Für eine Langzeitar­ beitsweise kann für diese einfachen repetitiven Schalt­ funktionen eine automatische Taktsteuerung verwendet werden.

Während die Sonde sich wieder in ihrem Meßzustand befindet, wird eine zweite Messung durchgeführt, und der Ablesewert des Meßgeräts oder des Aufzeichnungsgeräts 360, welches mit der Sondenschaltung zur Wiedergabe oder Aufzeichnung der Ablagerungsmessung verbunden ist, erzeugt eine Anzeige der Ablagerungsneigung des Kühlwassersystems. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei der gezeigten Anwendung die Sonde in dem zu messenden Fluidum, nämlich dem Wasser des Kühlsystems 340, nur während der Ablagerungsperioden arbeitet, während in den Meßperioden ein anderes Fluidum, nämlich Leitungs­ wasser verwendet wird. Das Leitungswasser ist kühler als das erwärmte Wasser aus dem Kühlsystem 340, und daher kann ein größerer Wärmefluß über die Test- und Bezugsoberflächen geleitet werden, um eine erhöhte Empfindlichkeit zu erreichen. Das Meßperiodenfluidum kann so gewählt werden, daß es andere Eigenschaften aufweist, die für die Meßperiode erwünscht sind. Die erwünschte niedrigere Fluidumtemperatur während der Meß­ periode kann alternativ in der Weise vorgesehen werden, daß die Heizvorrichtung 344 lediglich abgeschaltet wird, ohne daß eine zweite Fluidumquelle verwendet wird; in diesem Fall wird das Ventil 346 weggelassen.

Bei einem automatischen Betrieb des beschriebenen Systems kann man z. B. eine Messung alle ein oder zwei Stunden durch­ führen, so daß eine große Anzahl von Messungen gemacht und gemittelt werden können und Änderungen der Meßwerte genauer bestimmt werden können. Eine solche Änderung bedeutet dann eine Änderung der Ablagerungstendenz des beobachteten Fluidum­ systems.

Bei vielen Systemen erfolgt die Bildung von Ablagerungen sehr langsam, und schädliche Auswirkungen können erst nach sehr langen Zeitspannen auftreten. Die beschriebene Erfin­ dung kann jedoch dazu verwendet werden, eine wirksame Über­ wachung der Ablagerungstendenz über derartig lange Zeit­ spannen durchzuführen und weit vor dem Schädlichwerden der Ablagerungen derartige Änderungen hinsichtlich der gemesse­ nen Ablagerungen zu entdecken, was dann dafür ausreichend sein wird, Abhilfemaßnahmen zu ergreifen. Die entdeckten Ab­ lagerungsänderungen können in einem Steuersystem verwendet werden, welches automatisch einen Alarm auslöst und zusätz­ lich genügend früh Abhilfemaßnahmen trifft, wie etwa die automatische Hinzufügung von zusätzlichen Inhibitoren zu dem System.

Um eine Kompensation hinsichtlich Änderungen der Fluidumum­ gebung zwischen der Testoberfläche und der Bezugsoberfläche während einer Messung durchzuführen, kann die Sonde mit zwei Bezugsoberflächen versehen werden, die symmetrisch in gleichen axialen Abständen stromaufwärts bzw. stromab­ wärts von der Testoberfläche angeordnet sind. Die den beiden Bezugsoberflächen zugeführten Heizleistungen sind gleich, und die gemessenen Temperaturen der beiden Bezugsoberflächen zugeführten Heizleistungen sind gleich, und die gemessenen Temperaturen der beiden Bezugsoberflächen werden gemittelt, um hinsichtlich möglicher axialer Asymmetrien der Fluidum­ umgebung zu kompensieren und um hinsichtlich eines möglichen axialen Gradienten der Fluidumtemperatur zu kompensieren.

Bei einer Art der Anwendung der beschriebenen Erfindung wird die Ansammlung von Ablagerungen auf gekühlten Flächen gemes­ sen. Bei einer solchen Anwendung werden die Bezugsoberfläche und die Testoberfläche nur während der Meßperiode gekühlt statt erwärmt. Die Fluidumumgebung kann ein heißes geo­ thermisches Fluidum sein, wodurch Wärme von der Fluidumum­ gebung zu den gekühlten Test- und Bezugsoberflächen strömt.

Man sieht, daß ein Umkehren der Richtung der Wärmeströmung - bei einer Anwendung für eine gekühlte Oberfläche - in der thermischen Brücke von Fig. 1, wobei das Kästchen 18 eine Wärmesenke und das Kästchen 28 eine Wärmequelle ist, keine der wesentlichen Eigenschaften der thermischen Brücke ver­ ändert, wie etwa auch eine Polaritätsumkehr der Spannung an einer elektrischen Brücke deren prinzipielle Arbeitsweise nicht ändert.

Claims (12)

1. Verfahren zum Erfassen der Bildung von Ablagerungen auf einer einem Fluid ausgesetzten Oberfläche, bei dem eine Testoberfläche dem Fluid ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß außerdem eine Bezugsoberfläche dem Fluid ausgesetzt wird,
daß zwischem dem Fluid einerseits und den Oberflächen andererseits, falls noch nicht vorhanden, eine Temperatur­ differenz geschaffen wird, und daß die Wärmeübertragungen zwischen den Oberflächen und dem Fluid bestimmt und mit­ einander verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß veranlaßt wird, daß die Oberflächen vor deren Ein­ tauchen in das Fluid im wesentlichen dieselben thermi­ schen Eigenschaften haben.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeströme der Testoberfläche und der Bezugsober­ fläche zugeführt werden und die Temperaturen dieser Ober­ flächen miteinander verglichen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß voneinander verschiedene Wärmeströme der Testoberfläche und der Bezugsoberfläche zugeführt werden, um einander gleiche Temperaturen auf diesen Oberflächen aufrechtzuer­ halten, und daß die den Oberflächen jeweils zugeführten Wärmeströme miteinander verglichen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung des Fluids zur Bildung von Ablagerungen auf der Testoberfläche gegenüber der Neigung des Fluids zur Bildung von Ablagerungen auf der Bezugsoberfläche dadurch variiert wird, daß verschiedene Temperaturen auf der Testoberfläche und auf der Bezugsoberfläche geschaffen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsoberfläche gegen Ablagerungen aus dem Fluid geschützt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Testoberfläche ein erster Wärmestrom zugeführt wird, um die Ablagerungsneigung zu erhöhen, und daß dann zweite Wärmeströme sowohl der Testoberfläche als auch der Bezugs­ oberfläche zugeführt werden.

8. Vorrichtung zum Erfassen der Bildung von Ablage­ rungen auf einer einem Fluid ausgesetzten Oberfläche, mit einem dem Fluid ausgesetzten Test-Wärmeübertragungsele­ ment (70, 82, 98), gekennzeichnet durch

• - ein Bezugs-Wärmeübertragungselement (68, 80, 94),
• - eine Heizvorrichtung (72, 74), mit der den beiden Wärme­ übertragungselementen in einem vorbestimmten Verhältnis Wärme zuführbar ist,
• - eine Einrichtung (66), mit der die beiden Wärmeübertra­ gungselemente einem Fluid ausgesetzt werden, und
• - eine Anzeigevorrichtung (90, 91, 156) zum Anzeigen der Temperaturverhältnisse der beiden Wärmeübertragungs­ elemente.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden Wärmeübertragungselemente verschiedenen Fluidumgebungen ausgesetzt sind, die die gleichen Wärme­ übertragungseigenschaften aufweisen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (120, 136) zur Einstellung des Verhältnisses der den Wärmeübertragungs­ elementen zugeführten Wärmemengen vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (72, 74) eine Einrichtung (118, 138) zum unterschiedlichen Erwärmen der Wärmeübertragungselemente aufweist, um unterschied­ liche Wärmeübertragungseigenschaften der Elemente, wenn sich diese im gleichen Zustand befinden, kompensieren.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß thermoelektrische Elemente (90, 91) vorgesehen sind, die die Wärmeübertragungselemente miteinander verbinden, daß die Anzeigevorrichtung (156) zur Anzeige der Temperaturverhältnisse einen ersten und einen zweiten Draht (92, 96) aufweist, die mit dem Test- bzw. mit dem Bezugs­ wärmeübertragungselement verbunden sind, und daß die Drähte aus einem Material bestehen, das andere thermoelektrische Eigenschaften besitzt als die die Wärmeübertragungselemente verbindenden thermoelektrischen Elemente.