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Kernforschungsanlage Jülich
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Gesellschaft mit beschränkter Haftung Temperaturfühler zur Messung
der mittleren Temperatur in einem Strömungsquerschnitt Die Erfindung bezieht sich
auf einen Temperaturfühler zur Messung der über den Querschnitt gemittelten Temperatur
eines Fluidstroms.
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Die Erfassung der Temperatur von Fluid strömen in geschlossenen oder
offenen Kreisläufen (wie zum Beispiel der Temperatur der Verbrennungsabgase von
Heizkesseln oder der Temperatur in Wärmeaustauschkreisen etwa in einem Heliumkreislauf
eines Hochtemperaturreaktors) spielt für die Wärme- und Energiebilanz sowie Auslegungsfragen
eine wesentliche Rolle. Bisher werden zu diesem Zweck punkt-, stab- oder geradrohrförmige
Temperaturfühler verwendet, die mehr oder weniger tief in den Strömungsquerschnitt
eingebracht werden.
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Fluidströmungen, insbesondere einem intensiven Wärmeaustausch unterliegende
Strömungen, haben üblicherweise - über den Querschnitt betrachtet - keine einheitliche
Temperatur (siehe zum Beispiel Figur 4) sondern ein durch
die Vorgeschichte
stark gepragtes, oft relativ steiles Temperaturprofil, das nicht notwendigerweise
symmetrisch sein muß. Die bisher verwendeten stab- oder punktförmigen Fühler erfassen
jedoch nur die Temperatur eines relativ geringen Bereiches des durchströmten Querschnittes,
so daß der schließlich erhaltene Meßwert die wahre mittlere Temperatur nur mangelhaft
wiedergibt.
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Man hat daher bereits Meßanordnungen vorgeschlagen, die eine gewisse
Mittelung ergeben und zwar wird in der DIN-Norm 4702 von 1967 eine Meßanordnung
empfohlen, bei der über 6 gleichmäßig über den Umfang verteilte radiale, gelochte
Rohre Gas in eine Zentralkammer gesaugt wird, in der ein Thermoelement zur Erfassung
der Temperatur angeordnet ist. Ferner werden nach DIN 4702 Meßanordnungen beschrieben,
nach denen versohiedene Temperaturmessungen mit einem radial in den Querschnitt
eingefahrenen Thermoelement in unterschiedlichen nEintauchtiefen" vorgenommen werden
sollen oder aber es wird eine über den Umfang verteilte Anzahl von radial unterschiedlich
weit eingefahrenen Thermoelementen vorgesehen. Schließlich soll nach einer anderen
Meßanordnung eine gewisse Temperaturmittelung dadurch erreicht werden, daß ein stabförmiger
Temperaturfühler an einem Erümmer in den Strömungsweg gebracht wird.
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Eine weitere von J. Wolf entwickelte bekannte Anordnung wird von D.
Äckermann in einer 1972 an der Universität Stuttgart eingereichten Doktorarbeit
beschrieben: die als "Siebthermometer" bezeichnete Anordnung besteht aus einer gelochten
Metallplatte, in die radial ein bis annähernd
zum Scheibenmittelpunkt
reichendes Thermoelement isoliert eingeschoben ist. Zur Verbesserung werden einem
solchen "Siebthermoelementn auf der Zuströmseite ein oder mehrere Lochscheiben zur
Verwirbelung des Fluidstroms vorgeschaltet.
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Diese unterschiedlichen bekannten Anordnungen zur Erfassung der mittleren
Temperatur in Strömungsquerschnitten sind relativ unbefriedigend: zum einen ist
die Erfassung der Gesamtströmung mit radial über den Umfang verteilten oder nur
in einer radialen Richtung, aber mit unterschiedlicher Eintauchtiefe betriebenen
Meßfühlern mangelhaft und zum anderen bedeuten in die Strömung eingebrachte Lochscheibenserien
eine nicht unerhebliche Störung der Strömung mit einem deutlichen Druckabfall, der
bisweilen nicht zugelassen werden kann, wobei die Mittelwertbildung über die Wärmeleitfähigkeit
des Metalls eine merkliche Abweichung vom wahren Mittelwert in der Fluidströmung
ergeben kann. Ein weiterer Mangel der bekannten Anordnungen besteht darin, daß sie
einer Routineprüfung, wie sie zum Beispiel von Schornsteinfegern bei Heizkesseln
vorgenommen werden muß, wenig angepaßt sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Temperaturfühler
vorzusehen, der eine angemessene Mittelung unter Erfassung des Gesamtquerschnitts
zuläßt und zudem vorzugsweise möglichst robust, einfach in der Montage, korrosionsbeständig
und preiswert und mit geringer Wärmekapazität ausgestaltet werden kann.
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Der zu diesem Zweok entwickelte, erfindungsgemäße Temperaturfühler
der eingangs genannten Art ist zu diesem Zweck gekennzeichnet durch eine über den
durchströmten Querschnitt allgemein flächenhaft verteilte Ausbildung des temperaturempfindlichen
Elements.
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Als temperaturempfindliches Element können Widerstandsdrähte mit entsprechend
temperaturabhängigem elektrischen Widerstand oder gegebenenfalls Bimetallstreifen
dienen, insbesondere wird jedoch ein flüssigkeits- oder gasgefülltes Röhrchen als
Temperaturfühler verwendet. Die Flächenverteilung solcher temperaturempfindlichen
Elemente kann zum Beispiel mäanderförmig oder insbesondere spiralförmig gewählt
werden, wobei nach Möglichkeit eine Anpassung der Flächendichte des Fühlers an die
wahre Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Strömungsquersohnittes vorgenommen
werden sollte. Das heißt, Querschnittsbereiche mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit
sollten mit entsprechend erhöhten Meßfühleranteilen "belegt" werden (sofern die
Geschwindigkeitsverteilung bekannt ist).
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Bei einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung hat das
Temperaturfühlerröhrchen einen längsovalen Querschnitt (mit der großen Aohse parallel
zur Leitungsaohse), wodurch die Wärmeaustauschfläche des Fühlers bei gleichem Strömungswiderstand
erhöht wird.
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Üblicherweise wird der Mittelwerterfassung eine Blächenbelegung des
Fühlers genügen, die nur einen unbedeutenden Strömungswiderstand ergibt. Man kann
jedoch auch eine so enge Wicklung vorsehen, daß durch den Fühler selbst eine
das
Geschwindigkeitsprofil der Strömung egalisierende Wirkung gegeben ist.
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Zur Verbesserung der Korrosionsfestigkeit wird man für den Meßfühler
vorzugsweise Röhrchen aus Niokelbasiswerkstoff oder etwa V2A -Stahl verwenden. Die
Werkstoffwahl hängt selbstverständlich von den Eigenschaften des strömenden Medium
ab und kann vom Fachmann angemessen getroffen werden.
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Die (möglichst geringe) Wärmekapazität der Spiralrohrfühler hängt
von ihrer Wandstärke ab, die im Hinblick auf ein möglichst empfindliches Ansprechen
des Fühlers -sowie auf eine unter den gegebenen Bedingungen ausreichende mechanische
Festigkeit optimiert werden soll.
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Gegebenenfalls können zur Versteifung zwischen den Spiralbahnen Traversen
vorgesehen werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Meßfühlers werden
aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervorgehen; es zeigen
schematisch: Pigur 1 und 2 zwei unterschiedliche Meßfühleranordnungen im Strömangsquerschnitt;
Figur 3 ein einfaches, leicht einbaubares emperaturmeßgerCt gemäß der Erfindung;
Figur
4 zeigt mit einem Thermoelement in bekannter Weise ermittelte Temperaturen in einer
Abgasströmung.
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Wie aus Figur 1 und 2 ersichtlich ist, kann der Temperaturmeßfühler
1 spiralförmig oder mäanderförmig im Querschnitt einer Rohrleitung 2 für einen Fluidstrom
vorgesehen werden.
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Die damit ermittelte Größe kann über einen Meßwertuinformer auf einen
Msßwertanzeiger und gegebenenfalls ein Regelgerät gegeben werden, die von konventioneller
Art sein können und hier daher nur angedeutet sind.
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Figur 3 zeigt als Temperaturmeßfühler ein gasgefülltes Röhrchen 1,
das spiralförmig gebogen im Querschnitt des Rohres 2 vorgesehen ist, dessen lichter
Querschnitt mit dem Fluidströmungsquerschnitt identisch ist. Das Rohr 2 hat einen
etwa über den halben Umfang reichenden Schlitz 3, der so breit ist, daß das Spiralröhrchen
1 ungehindert eingebracht werden kann. Der Schlitz 3 wird durch eine Manschette
abgedichtet, deren oberer Teil 4 als Halterung für das Spiralröhrchen wirkt. Die
aus zwei Halbschalen bestehende Manschette hat auf der einen Seite ein Scharnier
5 und auf der gegenüberliegenden Seite einen als Kastenverschluß ausgebildeten federnden
Verschluß 6. Auf diese Weise kann der Meßfühler einfach und rasch ein-und ausgebaut
werden. Der nach dem Ausbau im Rohr verbleibende Schlitz kann mit einer Blindmanschette
verschlossen werden. Die untere Halbschale der Manschette könnte auch durch eine
Zugfeder ersetzt werden. Zwischen Manschette und Rohr befindet sich ein dünnes,
Fläohendichtmaterial
7, das den zu erwartenden Temperaturen standhält.
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Das Spiralröhrchen ist durch die obere Halbschale gasdicht durchgeführt
und an ein Manometer 8 angeschlossen, das die Druckänderung des Gases infolge der
Temperaturänderung anzeigt. Diese Druckskala wird in üblicher Weise in eine Temperaturskala
umgeeicht.
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L e e r s e i t e