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Meßsonde für den Feuchtegehalt von Härteölen
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Das Öl in Härtebädern vermag in einem gewissen Ausmaß Wasser in gelöster
Form aufzunehmen. Wirkt Wasser über die Löslichkeitsgrenze hinaus auf das Härteöl
ein, dann geht das überschüssige Wasser nicht mehr in Lösung sondern tritt in Form
mehr oder minder fein verteilter Wassertröpfchen oder auch in Form von Wasserlachen
am Boden des Behälters auf. Die Löslichkeitsgrenze hängt stark von der Temperatur
des Härteöls ab. Daher ist die Gefahr der Ausscheidung von Wassertröpfchen vor allem
in und hinter einem Ölkühler sehr groß, der in aller Regel vorhanden ist, um das
Öl rückzukühlen. Ein solcher meist mit Kühlwasser arbeitender Ölkühler stellt bereits
bei einer geringen Undichtigkeit eine zusätzliche Gefahrenquelle für das Auftreten
freien Wassers im Härteöl dar.
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Wenn bei einem Härtevorgang das Härtegut in das Härteölbad eingetaucht
wird, verdampft zumindest ein Teil des freien Wassers.
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Das hat ein starkes Aufschäumen des Härtsöls zur Folge. Der Ölschaum
ist leicht entflammbar. Außerdem hat das Aufschäumen zur Folge, daß der Ölschaum
aus dem Ölbehälter austritt. Ein in
Brand geratener Ölschaum wird
dadurch leicht in der Werkhalle ausgebreitet.
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Diesen Gefahren sollen Warngeräte vorbeugen, die einen Alarm auslösen,
sobald der Gehalt an freiem Wasser im Härteöl einen bedrohlichen Wert annimmt. Hierfür
sind mehrere Geräte mit unterschiedlicher Wirkungsweise bekannt.
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Bei einem der bekannten Geräte ist eine Meßkammer mit zwei Abteilungen
vorhanden. Das Gerät ist mit einer externen Umwälzpumpe ausgerüstet. Sie saugt aus
dem Härteölbad ständig einen kleinen Mengenstrom ab und fördert ihn in die erste
Abteilung der Meßkammer. In dieser ersten Abteilung der Meßkammer befindet sich
eine Heizkammer aus einem topfförmigen Gehäuse und einer darin untergebrachten Heizung.
Am unteren Ende der Heizkammer ist die Ölzulaufleitung angeschlossen. Die Decke
der Heizkammer ist kegelstumpfförmig ausgebildet. An die kleine Öffnung schließt
ein Steigrohr an, das in einer gewissen Höhe oberhalb der Heizkammer frei in der
ersten Abteilung der Meßkammer mündet.
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Von der Mündung des Steigrohres fällt das austretende Öl frei auf
die Meßkammer herab und fließt aus ihrer Umgebung über eine Rücklaufleitung zum
Härteölbehälter zurück. Die zweite Abteilung der Meßkammer ist parallel zur ersten
Abteilung angeordnet und wie bei kommozierenden Röhren durch zwei Verbindungsleitungen
mit der ersten Abteilung verbunden, und zwar am unteren Ende mit dem unteren Ende
der Heizkammer und am oberen Ende mit dem freien Raum der ersten Abteilung oberhalb
der Mündung des Steigrohres.
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In der zweiten Abteilung der Meßkammer befindet sich ein Schwimmer.
Dessen Höhenstellung wird berührungfrei nach außen auf einen Signalgeber übertragen.
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Bei diesem Gerät wird das von der Umwälzpumpe in die erste Abteilung
der Meßkammer, und zwar in deren Heizkammer, geförderte Öl durch die Heizung über
den Siedepunkt des Wassers hinaus erwärmt, so daß im Öl vorhandenes freies Wasser
verdampft. Durch die Dampfblasenbildung erniedrigt sich die Wichte der in der ersten
Abteilung bis zur Mündung des Steigrohres stehenden Ölsäule. Der Wichteunterschied
läßt den Flüssigkeitsspiegel in der zweiten Abteilung der Meßkammer und damit den
Schwimmer absinken. Bei einer bestimmten einstellbaren Höhenstellung des Schwimmers
löst er im Signalgeber ein Warnsignal aus.
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Dieses Gerät vermag nur einen Gehalt an freiem Wasser anzuzeigen,
weil nur freies Wasser eine Dampfblasenbildung ergibt, die den Wicht eunterschied
in beiden Abteilungen der Meßkammer auslöst.
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Dabei muß man noch berücksichtigen, daß das Härteöl mit steigender
Temperatur infolge der Erwärmung in der Heizkammer mehr Wasser zu lösen vermag als
bei der niedrigeren Eintrittstemperatur in die Meßkammer. Dadurch tritt erst ab
einem gewissen Gehalt an freiem Wasser die Dampfblasenbildung in der Meßkammer ein.
Die Beschränkung des Meßvermögens des Gerätes auf freies Wasser ist deshalb sehr
unbefriedigend, um nicht zu sagen gefährlich, weil beim Auftreten von freiem Wasser
im Härteölbad bereits höchste Überschäumgefahr und damit Brandgefahr besteht.
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Ein weiterer Nachteil dieses Gerätes besteht darin, daß seine Zuverlässigkeit
weitgehend davon abhängt, von welcher Stelle des Härteölbades der zu überprüfende
Mengenstrom abgesaugt wird. Falls dabei bereits vorhandene Wasserlachen am Boden
des Behälters nicht erfaßt werden, zeigt das Gerät einen geringeren oder überhaupt
keinen Gehalt an freiem Wasser an, obwohl dieser in bedrohlichem Ausmaß vorhanden
ist.
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Bei einem anderen bekannten Gerät wird durch eine Umwälzpumpe ein
konstanter Ölstrom aus dem Härteölbad abgesaugt und über eine Heizung in eine Meßkammer
gefördert. In der Meßkammer tritt der Ölstrom als freier Strahl lotrecht aufwärts
aus.
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Das zum Boden der Meßkammer zurückfallende Öl fließt über eine Abflußleitung
wieder ins Härteölbad zurück. In einem gewissen Abstand oberhalb der Austrittstelle
des freien Ölstrahls befindet sich ein Temperaturfühler. Dieser hat gegenüber der
Austrittstelle des Ölstrahls einen größeren Abstand als die Steighöhe die der Ölstrahl
erreicht, wenn im Öl freies Wasser nicht enthalten ist. Wenn hingegen das Öl freies
Wasser mitführt wird dieses in der Heizung verdampft. Dadurch steigt der freie Ölstrahl
bis zum Temperaturfühler hoch und löst dadurch ein Warnsignal aus.
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Dieses Gerät spricht ebenfalls nur auf einen Gehalt an freiem Wasser
an, der über denjenigen hinausgeht, den das Öl durch die Erwärmung in der Heizung
zusätzlich binden kann. Die Meßgenauigkeit ist dementsprechend gering. Dieses Gerät
hat noch den weiteren Nachteil, daß bereits ein vereinzelter Wassertropfen im Ö1,
der zufällig in die Meßkammer gelangt, bereits einen Wasseralarm auszulösen vermag,
obwohl der gesamte Wassergehalt noch deutlich unter der Alarmgrenze liegt. Andererseits
hängt die Zuverlässigkeit dieses Gerätes auch davon ab, von welcher Stelle der Ölstrom
abgesaugt wird.
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Bei einem weiteren bekannten Gerät wird vom Ölstrom des normalen Ölkühlkreislaufes
ein Teilstrom in einen Bypaß abgezweigt, in welchem ein zusätzlicher Ölkühler den
Teilstrom auf eine höchstzulässige Öltemperatur herunterkühlt. Hinter diesem zusätzlichen
Kühler ist im Bypaß ein Sensorelement angeordnet. Dieses arbeitet als Kondensator
und besteht im wesentlichen aus einer porösen
Goldelektrode und
aus Aluminiumoxyd als Dielektrikum. Durch die poröse Goldelektrode diffundieren
die Wassermoleküle aus dem Ölstrom in das Dielektrikum. Bei einer Änderung des Wasserdampfpartialdruckes
im Ölstrom ändert sich auch der Wasserdampfpartialdruck im Dielektrikum und damit
die Kapazität zwischen der Goldelektrode und einer Gegenelektrode hinter dem Dielektrikum.
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Mit diesem Sensorelement kann der Anteil an gelöstem Wasser bestimmt
werden, und zwar bis zum Sättigungswert. Ein darüber hinausgehender Anteil an freiem
Wasser kann damit nicht angezeigt werden, der etwa durch die Kühlung des Ölstroms
im Hauptölkühler oder im Zusatzkühler entstehen kann. Das Sensorelement ist sehr
schmutzempfindlich, weil sich durch unkontrollierte Ablagerungen die Diffusionsmöglichkeit
des Wasserdampfes in nicht überschaubarem Maße verändern kann. Dadurch kann die
Meßgenauigkeit bis hin zur Meßu nfähigkeit verringert werden, ohne daß das erkennbar
ist. Außerdem können auch bei diesem Gerät bereits vereinzelte kleine Wassertröpfchen
einen Fehlalarm auslösen, wenn sie in den Bypaß gelangen, ohne daß der Wassergehalt
der übrigen Ölmenge diesem Einzelwert entspricht. Das Sensorelement ist sehr temperaturempfindlich,
weshalb neben dem Hauptölkühler noch der Zusatzkühler im Bypaß benötigt wird, der
eine Überhitzung des Sensorelementes verhindern soll. Dadurch ist dieses Meßgerät
gerätetechnisch sehr aufwendig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßsonde für den Feuchtegehalt
von Härteölen zu schaffen, mit der der Gehalt an gelöstem Wasser ebenso wie der
an freiem Wasser gemessen werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Meßsonde mit
den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Im Austauschbereich der Meßkammer steht das durch das Umwälzsystem
stetig hindurchgeförderte Öl in stetigem Wasserdampfaustausch mit der Gasatmosphäre
der Meßkammer. Der Wasserdampfpartialdruck dieser Gasatmosphäre wird durch den im
Meßraumbereich angeordneten Feuchtemesser fortlaufend gemessen. Durch diese Anordnung
wird sowohl der Anteil an gelöstem Wasser wie auch der an freiem Wasser erfaßt und
angezeigt. Da der Feuchtemesser sich außerhalb des Austauschbereiches befindet,
kann ein beliebiger Feuchtemesser verwendet werden, und zwar selbst ein solcher,
der gegen eine unmittelbare Berührung mit dem Öl empfindlich ist. Im Öl enthaltene
Verschmutzungen können sich daher auch nicht nachteilig auf den Feuchtemesser und
auf die Meßgenauigkeit der Meßsonde auswirken.
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Durch eine Ausgestaltung der Meßsonde nach Anspruch 2 wird errcicht,
daß im Austauschbereich die gleiche Temperatur wie im Ölbad herrscht. Dadurch kann
man sich Meßwertkorrekturen ersparen. Durch eine Ausgestaltung der Meßsonde nach
Anspruch 3 wird eine kompakte Bauart des Umwälzsystems erreicht und der Einbau der
Meßsonde vereinfacht und erleichtert. Außerdem wird durch diese Anordnung der im
Innenrohr zufließende Ölstrom ohne weitere Wärmeschutzmaßnahmen durch den im äußeren
Ringraum zurückfließenden Ölstrom gegen unerwünschte Wärmeverluste geschützt. Bei
einer Ausgestaltung der Meßsonde nach Anspruch 4 wird der Austauschbereich der Meßkammer
in den Bereich der Durchgangslöcher im Innenrohr gelegt. Dort wird durch den Übertritt
des Ölstroms vom Innenrohr durch die Durchgangslöcher in der Rohrwand hindurch zu
dem außen gelegenen Ringraum hin eine starke Verwirbelung des Öls erreicht. Das
bewirkt einen innigen Wasserdampfaustausch mit der darüber vorhandenen Gasatmosphäre.
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Dabei wird zugleich auf die Gasatmosphäre eine gewisse Umwälzbewegung
durch die näher zum Meßraumbereich hin gelegenen Durchgangslöcher
übertragen.
Dadurch wiederum wird eine Änderung des Wasserdampfpartialdruckes im Austauschbereich
schneller bis zum Feuchtemesser im Meßraumbereich weitergegeben. Durch eine Ausgestaltung
der Meßsonde nach Anspruch 5 wird eine sehr einfach aufgebaute und kompakte Umwälzpumpe
geschaffen, die sich z. B. leicht in einem als Zuleitung dienenden Rohr unterbringen
läßt. Eine Schneckenpumpe mit einzelnen Wendelstücken ist außerdem sehr unempfindlich
gegen Verschmutzungen, die im Öl enthalten sind. Die Herstellung der Wendelstücke
aus aufgeschnittenen und axial auseinandergezogenen Kreisringscheib en ist sehr
einfach und billig. Bei einer Ausgestaltung der Meßsonde nach Anspruch 6 wird eine
Änderung des Wasserdampfpartialdruckes im Austauschbereich noch schneller an den
Feuchtemesser weitergegeben als bei einer Umwälzung der Gasatmosphäre allein durch
den Ölstrom. Durch eine Weiterbildung der Meßsonde nach Anspruch 7 wird der Wasserdampfaustausch
im Austauschbereich zwischen der Gasatmosphäre und dem hindurchgeförderten Ölstrom
verstärkt. Durch eine Ausgestaltung der Meßsonde nach Anspruch 8 wird eine ebenso
einfache und billige wie kompakte Ausführung beider Pumpen erreicht. Mit einer Ausgestaltung
nach Anspruch 9 kann auch die relative Feuchte des Härteöls gemessen werden.
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Außerdem läßt sich dadurch der Alarmpunkt mit der Öltemperatur gleitend
mitführen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Schaubild
eines Härteölbades mit einer Meßsonde gemäß der Erfindung und mit einer Meß- und
Überwachungseinrichtung; Fig. 2 einen Längsschnitt der Meßsonde; Fig 3 einen Querschnitt
der Meßsonde in Höhe ihrer Meßkammer.
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Das aus Fig. 1 ersichtliche Ölbad 10 weist einen Behälter 11 für das
Härteöl 12 und eine Kühlkammer 13 auf. Der Flüssigkeitsspiegel des Härteöls 12 ist
mit 14 bezeichnet. Am Deckel 15 des Behärters 11 ist eine Meßsonde 16 befestigt,
die zum Teil in das Härteöl 12 eintaucht. Die Meßsonde 16 ist mittels einer mehradrigen
Verbindungsleitung 17 an eine Meß- und Überwachungseinrichtung 18 angeschlossen.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist am Deckel 15 des Ölbehälters 11
in ein Durchgangsloch ein Schutzrohr 19 eingeschweißt, das abwärts bis unterhalb
des Flüssigkeitsspiegels 14 reicht und aufwärts sich über den Deckel 15 hinauserstreckt.
Am oberen Ende des Schutzrohres 17 ist ein Flansch 20 angeschweißt, an welchem die
Meßsonde 15 befestigt wird.
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Die Meßsonde 15 weist eine Meßkammer 21 und ein Umwälzsystem 22 auf.
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-Die Meßkammer 21 weist ein quaderförmiges Gehäuse 23 auf, das aus
entsprechenden Blechzuschnitten zusammengeschweißt ist. In seinem Boden 24 und in
seiner Decke 25 ist je ein kreisrundes Durchgangsloch vorhanden. Ebenso ist in einer
Seitenwand 26 (Fig. 3) ein kreisrundes Durchgangsloch 27 vorhanden. Im Durchgangsloch
des Bodens 24 ist ein Rohr 28 eingeschweißt, dessen Länge so bemessen ist, daß es
sich von dem auf dem Flansch 21 aufliegenden
Boden 24 aus durch
das Schutzrohr 19 hindurch bis unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 14 erstreckt.
Das Rohr 28 bildet das Außenrohr des Umwälzsystems 22. Koaxial zum Rohr 28 ist in
seinem Inneren ein zweites Rohr 29 angeordnet, das in das Durchgangsloch der Decke
25 eingeschraubt oder eingeschweißt ist. Das Rohr 29 dient als Innenrohr des Umwälzsystems
22. Es erstreckt sich von der Decke 25 des Gehäuses 23 durch das Außen rohr 28 hindurch
und ragt nach unten um ein gewisses Maß aus dem Außenrohr 28 heraus.
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Das Umwälzsystem 22 weist neben den beiden Rohren 28 und 29 noch eine
Umwälzpumpe 31 auf. Diese Umwälzpumpe 31 ist als Schneckenpumpe ausgebildet und
im Innenrohr 29 angeordnet. Sie weist eine Pumpenwelle 32 auf, die sich vom unteren
Ende des Innen rohres 29 aufwärts durch das Durchgangsloch in der Decke 25 des Gehäuses
23 hindurch bis zu einer Wellenkupplung 33 eines Elektromotors 34 hin erstreckt,
der oberhalb der Meßkammer 23 angeordnet und über Abstandshülsen an deren Decke
25 angeflanscht ist. Die Pumpenwelle 32 ist am unteren Ende und am oberen Ende des
Innenrohres 29 in je einem Wellen lager gelagert. Auf der Pumpenwelle 32 sind mehrere
Wendelstücke 35 befestigt. Diese werden aus kreisringförmigen Blechen hergestellt,
die an einer Stelle radial aufgetrennt sind und die mit in axialer Richtung auseinandergezogenen
Enden mit der Pumpenwelle verbunden sind.
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Der Innenraum des quaderförmigen Gehäuses 23 bildet den Meßraumbereich
36 der Meßkammer 21, In diesem Meßraumbereich 36 ist ein Feuchtemesser 37 angeordnet,
der durch das Durchgangsloch 27 in der Seitenwand 26 in das Gehäuse 23 eingeführt
ist.
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Er ist mittels einer am Gehäuse 26 angeschweißten Gewindemuffe 38
und einer darin eingeschraubten Überwurfschraube 39
festgeklemmt.
Der Feuchtemesser 37 ist ein herkömmlicher Feuchtemesser, beispielsweise in der
bekannten Lithiumchlorid-Ausführung.
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In einem Längenabschnitt des Innenrohres 29,der einerseits oberhalb
des Flüssigkeitsspiegels 14 des Härteöls 12 gelegen ist und der andererseits in
einer gewissen Entfernung unterhalb des Meßraumbereiches 36 gelegen ist, sind mehrere
Reihen Durchgangslöcher 41 und 42 vorhanden. Durch die vom Meßraumbereich 36 weiter
entfernten und damit unten gelegenen Durchgangslöcher 42 tritt das durch die Umwälzpumpe
31 im Innenrohr 29 hochgeförderte Härteöl nach außen in den Ringraum 43 zwischen
dem Innen rohr 29 und dem Außenrohr 28 über und fällt im Ringraum 43 wieder in den
Ölbehälter 11 zurück. Die Gase der oberhalb des durch die Durchgangslöcher 42 abfließenden
Härteölstromes im Innenrohr 29 vorhandenen Gasatmosphäre können durch die dem Meßraumbereich
36 näher und damit oben gelegenen Durchgangslöcher 41 ebenfalls in den Ringraum
43 hinüberströmen, nachdem sie durch den Härteölstrom in Bewegung gesetzt wurden.
Die im Ringraum 43 aufwärts strömenden Gase gelangen in den als Meßraumbereich 36
dienenden Innenraum des Gehäuses 23 und von dort durch weitere Durchgangslöcher
44 im Innen rohr 29 in dieses zurück. Der Bereich der Durchgangslöcher 41 und 42
bildet den Austauschbereich 45 der Meßkammer 21. Zur Unterstützung der Umwälzung
der Gasatmosphäre zwischen dem Austauschbereich 45 und dem Meßraumbereich 36 ist
eine zweite Umwälzpumpe 46 vorhanden, Diese ist ebenfalls als Schneckenpumpe ausgebildet.
Sie weist ähnlich wie die Umwälzpumpe 31 für das Härteöl ein Wendelstück auf, das
auf der Pumpenwelle 32 der Umwälzpumpe 31 befestigt ist. Die Förderrichtung der
zweiten Umwälzpumpe 46 ist entgegengesetzt der Förderrichtung der Umwälzpumpe 31,
so daß im Innenrohr 29
der von unten heraufgeförderte Härteölstrom
und der von oben heruntergeförderte Strom der Gasatmosphäre im Austauschbereich
45 aufeinandertreffen und gemeinsam durch die Durchgangslöcher 42 bzw. 41 in den
Ringraum 43 überströmen. Die im Innenrohr 29 dem Härteölstrom entgegen strömende
Gasatmosphäre verhindert, daß der Härteölstrom zu sehr in die Höhe sprudelt.
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Durch die Entfernung zwischen den Durchgangslöchern 41 und 42 einerseits
und dem Meßraumbereich 36 im Innenraum des Gehäuses 23 andererseits ist gewährleistet,
daß auch im Ringraum 43 keine Teilchen des Härteölstroms in den Meßraumbereich 36
gelangen.
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Das Gehäuse 23 der Meßkammer 21 ist auf der Außenseite mit einer Wärmedämmung
47 versehen. Diese verhindert, daß vor allem im Meßraumbereich der Meßkammer 21
mehr Wärme nach außen entweicht, als durch den Härteölstrom in den Austauschbereich
45 herangeführt und von der Gasatmosphäre in den Meßraumbereich 36 übergeführt wird.
Dadurch wird vermieden, daß aus der Gasatmosphäre im Meßraumbereich 36 ein Teil
des Wasserdampfgehaltes kondensiert und dadurch das Meßergebnis verfälscht wird.
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In der Decke 25 des Gehäuses 23 ist ein weiteres Durchgangsloch vorhanden.
Durch dieses Durchgangsloch ist ein Temperaturfühler 48, z. B. in Form eines Widerstandsthermometers,
durch den Meßraumbereich 36 hindurch bis zum Austauschbereich 45 hin eingeführt.
Dieser Temperaturfühler 48 mißt die Temperatur des Härteölstromes im Austauschbereich
45.
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Durch den Feuchtemesser 37 wird ständig der Feuchtegehalt, d. h.
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der Taupunkt, der Gasatmosphäre in der Meßkammer 21 gemessen.
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Der Meßwert von 0 ... 400 C Taupunkt wird in ein entsprechendes Meßsignal
umgewandelt, das der Meß- und Überwachungseinrichtung 18
zugeführt
wird. Als Führungsgröße für den Alarmpunkt dient die Härteöltemperatur im Austauschbereich
45. Sie wird durch 0 den Temperaturfühler 48 gemessen. Dieser Meßwert von 20 ...
50 C wird ebenfalls als entsprechendes Meßsignal an die Meß- und Überwachungseinrichtung
48 weitergeleitet. Die beiden Meßsignale werden in der Überwachungseinrichtung 48
zusammengeführt.
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Diese ist so ausgelegt, daß bei einer Öltemperatur von 20 . 500 C
der Alarmpunkt von 0 ... 300 C Taupunkt gleitend mitgeführt wird. Oberhalb von 500
C Öltemperatur bleibt der maximale Alarmpunkt auf 300 C Taupunkt eingestellt. Damit
liegt der Alarmpunkt immer mindestens 200 C unterhalb der Öltemperatur. Hierdurch
ist gewährleistet, daß auch ohne Kenntnis der maximalen Löslichkeitsgrenze des Öls
auf jeden Fall Alarm erfolgt, bevor gefährliches freies Wasser im Ölbad auftritt.