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Vorrichtung zur laufenden Aufzeichnung der wahren Temperatur von industriellen
leuchtenden Flammen
Die Erfindung betrifft die Aufzeichnung der Temperatur von leuchtenden
Flammen oder von Flammen, welche durch Zusatz von Kohleteilchen oder Teilchen aus
geeigneten Metallsalzen leuchtend gemacht sind.
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Der Einfachheit halber ist nachstehend als leuchtende Flamme jede
Flamme genannt, welche feste Teilchen enthält und daher in dem sichtbaren Gebiet
ein laufendes Emissionsspektrum besitzt.
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Eine derartige Flamme hat einen beträchtlichen Emissionsfaktor für
alle Wellenlängen, welcher z. B. zwischen 0,4 und I liegt. Diese Bezeichnung kann
auf jede Flamme angewandt werden, welche in dem Empfindlichkeitsl>ereich des
Empfängers der Strahlungsenergie ein kontinuierliches Emissionsspektrum besitzt,
wie z. B. die Emis-
sioinsbänder von gewissen, in der Flamme enthaltenen
Gasen. Hieraus ergibt sich, daß die obige Bezeichnung die Mehrzahl der industriellen
Flammen einschließt, wie Flammen aus flüssigen Brennstoffen, z.R. Teeröl, Flammen
aus festen Brennstoffen, z. B. pulverisierte Kohle, und die meisten Flammen aus
gasförmigen Brennstoffen, z. B. Gaserzeugergas, Mischgas usw. Man findet diese industriellen
Flammen in Zementöfen, Gasöfen und Martinöfen. Dies betrifft ferner die Flamme des
sauren oder basischen Bessemerkonverters, obwohl es sich nicht um eine eigentliche
Heizflamme handelt.
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Die wahre Temperatur einer leuchtenden Flamme kann gemessen werden,
insbesondere mittels der Methode von Kurlbaum. Diese Methode ist jedoch im allgemeinen
nicht auf industrielle leuchtende Flammen anwendbar, weil sich die Leuchtdichte
derselben ständig ändert.
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Es sind bereits Meßvorrichtungen bekannter geworden, bei denen zwei
Pyrometer in einer Differentialschaltung angeordnet werden, wobei die eine Photozelle
von einer Leuchtdichteschwankung eines festen Meßobjektes (strahlende Oberfläche
schmelzflüssiger Metalle) beaufschlagt wird, während ein über einen Servomechanismus
geregelter Vergleichsstrahler eine zweite Photozelle beeinflußt. Bei einer solchen
Meßanordnung erfolgt die Beeinflussung der ersten Photozelle unmittelbar durch das
Meßobjekt, und ein hiervon getrennter Vergleichsstrahler steuert die zweite Photozelle.
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Das Kirchhoffsiche Gesetz ist somit nicht erfüllt, und zur Bestimmung
der wahren Flammentemperatur ist die Kenntnis des jeweiligen Absorptionskoeffizienten
des Meßobjektes erforderlich. Es muß daher ein Meßverfahren angestrebt werden, bei
dem die wahre Temperatur der Flamme direkt aus der Strahlung des Vergleichsstrahlers
ermittelt werden kann, ohne daß zunächst weitere Parametergrößen zu bestimmen sind.
Einen Weg hierzu zeigt die vorliegende neue Erfindung, welche eine Vorrichtung zur
laufenden Aufzeichnung der wahren Temperatur von industriellen leuchtenden Flammen
betrifft, wobei eine auf einer Seite der Flamme angeordnete Lichtquelle ein Pyrometer
mit Empfänger für die Strahlungsenergie mit oder ohne Farbfilter, mit welchem die
Lichtquelle durch die Flamme anvisiert wird, beeinflußt.
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Das Kennzeichnende der neuen Vorrichtung nach der Erfindung wird
darin gesehen, daß ein dem ersten Pyrometer gleiches zweites Pyrometer, welches
für alle Temperaturen die gleiche Kennlinie wie dieses hat, hinter der Lichtquelle
angeordnet ist und diese unmittelbar anvisiert, wobei die beiden Pyrometer in an
sich bekannter Weise mittels eines Differentialmeßgerätes gegeneinandergeschaltet
sind, welches einen die Lichtstärke der Lichtquelle regelnden - Servomechanismus
so steuert, daß die resultierende Potentialdifferenz Null wird, und weiter gekennzeichnet
-durch in an sich bekannter Weise an den Stromkreis der Pyrometer angeschlossene
Vorrichtungen zur Registrierung der Leuchtdichteschwankungen oder des die Lichtquelle
durchfließenden elektrischen Stroms.
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Durch die Kombination der erfinderischen Merkmale wird eine neue
Meßvorrichtung für industrielle Flammen geschaffen, welche sich durch gute Meßempfindlichkeit
und betriebssichere Arbeitsweise auszeichnet.
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Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird der Empfänger
für die Strahlungsenergie durch eine Sperrschichtphotozelle gebildet.
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Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung enthält der Speisestromkreis
der Lichtquelle eine Vorrichtung zur Veränderung der Spannung zur Ermöglichung der
Benutzung von industriellem Wechselstrom.
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-Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beispielshalber erläutert.
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Fig. I zeigt das Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig.
2 zeigt in einem Axialschnitt eines der beiden in dieser Vorrichtung benutzten Pyrometer-Fërnrohre;
Fig. 3- zeigt die gleiche Vorrichtung wie Fig. I, kombiniert mit einer Vorrichtung
zur Messung der Undurbhsichtigkeitsschwankungen, wobei die Anordnung gegenüber der
Flamme eines Thomaskonverters zur Überwachung des Arbeitsganges an geordnet ist.
-Gemäß Fig. I liegen beiderseits und praktisch im gleichen Abstand von einer leuchtenden
Flamme I eine durch eine elektrische Speziallampe mit Wolframband gebildete Lichtquelle
2 und ein Meßpyrometer 3, welches vorzugsweise eine elektrische Photqzelle enthält.
Von der anderen Seite der Lichtquelle in bezug auf die Flamme ist auf die Lichtquelle
ein zweites Pyrometer 4 gerichtet, welches dem ersten gleicht, d. h. eine Photozelle
aufweist, welche für alle Temperaturen eine der Photozelle des ersten Pyrometers
gleiche Kennlinie hat.
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Mit dem Fernrohr des Meßpyrometers 3 wird die Lampe 2 durch die Flamme
anvisiert, während das Fernrohr des zweiten, des sogenannten Gegenpyrometers, die
Lampe unmittelbar anvisiert. Diese beiden Pyrometer-Fernrohre sind über einen festen
Widerstand 5 gegeneinandergeschaltet. Diese Differentialschaltung ist so ausgebildet,
daß jede Störung der Abgleichung zwischen den Ausgangs-- strömen der beiden Zellen
infolge der Schwankung der Flammentemperatur und der Abweichung derselben von der
Leuchttemperatur der Lampe eine Potentialdifferenz an den Klemmen des festen Widerstandes
5 erzeugt. Die Potentialdifferenz wird an die Klemmen eines elektronischen Meßverstärkers
6 angelegt, welcher am Ausgang eine Wechselspannung liefert, deren Phase dem Sinn
der Störung der .Abgleichung entspricht. Diese Spannung wird an die Meßphase eines-Zweiphasenmotors
7 angelegt, welcher sich in der einen oder der anderen Richtung drehen kann und
die Abgleichung dadurch wiederherstellt, daß er die Leuchttemperatur der Lampe 2
in dem gleichen Sinne wie die Flammentemperatur ändert. Der
Motor
7 ist mechanisch mit einem Teil verbunden, welcher die Speisestromstärke der Lampe
verändert, z. B. einem Spartransformator 8, und zwar über ein geeignetes Untersetzungsgetriebe
9, welches z. B. eine Untersetzung von 1 :400 ergibt.
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Diese Untersetzung ist wegen des geringen Drehmoments des Zweiphasenmotors
erforderlich und gibt der Anordnung die richtige Trägheit. Der aus dem Netz gespeiste
Spartransformator liefert eine veränderliche Spannung, welche an die Klemmen eines
Transformators 10 zur Erniedrigung der Spannung angelegt wird. Dieser speist die
Wolframbandlampe mit einer veränderlichen Spannung. Bei dieser Anordnung folgt die
Lampe genau den Schwankungen der Flamme trotz ihrer Speisung mit Wechselstrom.
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An den Klemmen eines jeden der beiden Pyrometer liegt ein Belastungswiderstand,
welcher für das Meßpyrometer ein fester Widerstand II und für das Gegenpyrometer
ein regelbarer Widerstand 12 ist.
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Die Eichung des Gerätes erfolgt ohne Flamme, indem der regelbare
Widerstand 12 auf einen solchen Wert eingestellt wird, daß die Abgleichung für einen
willkürlich gewählten Ausgangswert des Meßpyrometers 3 erzielt wird, welcher einer
zwischen den zu messenden äußersten Temperaturen liegenden Eichtemperatur entspricht.
Hierfür speist ein Trockenelement 13 dauernd eine Spannungsteilerschaltung I4, welche
eine Spannung liefert, welche auf den von dem Meßpyrometer 3 gelieferten Wert eingestellt
ist, welcher der für die Eichung gewählten Temperatur entspricht. Ein Umschalter
15 gestattet die Einschaltung des Eichkreises an Stelle des Kreises des Gegenpyrometers
4. Der Servomotor 7 spricht dann an und bringt die Lampe 2 auf eine solche Temperatur,
daß die Ausgangsgröße des Meßpyrometers 3 der gewählten Eiohtemperatur entspricht.
Nach Wiedereinschaltung des Gegenpyrometers 4 zeigt jede Störung der Abgleichung
eine auf dem optischen Wege erfolgte Veränderung an, z. B. durch Rauch, Spritzer
auf den Objektiven usw. Der hierdurch hervorgerufene Fehler wird dadurch ausgeglichen,
daß der Belastungswiderstand 12 des Gegenpyrometers verstellt wird, bis die Abgleichung
wiederhergestellt ist. Das Gerät berücksichtigt dann die neuen Betriebsbedingungen.
Das Meßpyrometer 3 ist mit einem elektronischen Registriergerät I6 verbunden, welches
die Ausgangsspannung dieses Fernrohrs und somit die Flammentemperatur aufzeichnet.
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Zur Verwirklichung der Vorrichtung mit dem obigen grundsätzlichen
Aufbau wird zweckmäßig als Lichtquelle eine Projektionslaterne benutzt, welche eine
mit niedriger Wechselspannung gespeiste Lampe mit einem Wolframband enthält. Die
Laterne ist mit einem kreisförmigen Objektiv versehen, dessen möglichst großer Nutzdurchmesser
von dem Fernrohr des Gegenpvrometers unter einem Raumwinkel gesehen wird, welcher
größer als der des Feldes dieses Ferurobres ist. Ferner ist die Brennweite dieses
Objektivs so bemessen. daß es von dem Glühfaden der Lampe ein reelles Bild ergibt,
dessen Abmessungen so groß sind, daß es von dem Pyrometer-Fernrohr unter einem Raumwinkel
gesehen wird, der größer als der Raumwinkel des Feldes desselben ist. Schließlich
liegt die Blende der Vorderlinse des Gegenpyrometers vollständig in dem von dem
Objektiv der Laterne entworfenen, voll belichteten Feld. Der vordere Teil dieses
Objektivs ist zweckmäßig mit einem Schutzglas und einem zylindrischen Rohr zur Abschirmung
gegen Spritzer und die seitliche Strahlung der Flamme versehen.
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Jedes in der obigen Vorrichtung benutzte Pyrometer-Fernrohr 2 besitzt
einen äußeren doppelwandigen Mantel I7 für den Umlauf eines Kühlmittels.
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Er ist vorn auf der Seite der Flamme mit einem Schutzglas I8 versehen,
welches die Strahlung absorbiert, auf welche die Zelle nicht anspricht, wodurch
eine zu starke Erwärmung derselben vermieden wird. Dieses Schutzglas ist seinerseits
gegen Spritzer und die seitliche Strahlung der Flamme durch ein zylindrisches Rohr
19 geschützt.
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Hinter dem Schutzglas liegt eine das Objektiv bildende abgeblendete
Konvergenzlinse 20, auf welche eine gewisse Zahl von Blenden 21 folgen, welche die
Störreflexionen innerhalb des geschwärzten Rohres noch weiter abschwächen sollen.
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Auf der am weitesten rückwärts liegenden Blende bildet sich ein von
dem Objektiv des Fernrohrs entworfenes reelles Bild des Glühfadens der Lampe. Hinter
dieser Blende ist in einer geeigneten Entfernung eine Photozelle22 angeordnet, welche
vorzugsweise eine Sperrschichtzelle ist, auf deren empfindliche Seite der von der
Blende durchgelassene Lichtfluß fällt.
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An dem Hinterende des Fernrohrs befindet sich ein Drehkopf 23, welcher
eine feste Mattscheibe 24 und wenigstens eine elektrische Photozelle 22 enthält,
vor welcher wenigstens ein Farbfilter 25 liegt.
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Durch Verdrehung des Drehkopfes kann entweder eine Zelle in den Lichtfluß
eingeschaltet werden, oder eine Ausnehmung 26 zur Scharfeinstellung und zur Ausrichtung
der optischen Achsen der beiden Systeme mittels der Mattscheibe 24. Diese Vorrichtung
gestattet gegebenenfalls die Wahl des für den betreffenden Fall am besten geeigneten
Lichtwellenlängenbereiches. Die gerade benutzte Zelle des Drehkopfes wird durch
ein System mit Kontaktlamellen 27 selbsttätig in den Meß- und Regelkreis eingeschaltet.
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Die obige Vorrichtung kann zahlreiche Anwendungen entweder allein
oder mit anderen Registriergeräten kombiniert finden. So zeigt z. B.
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Fig. 3 einen Thomaskonverter 28, dessen Flamme I mittels der Kombination
der obigen Vorrichtung mit einer Vorrichtung zur Messung der Undurchsichtigkeitsschwankungen
untersucht wird.
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Das Registriergerät 29, welches übrigens durch zwei Registriergeräte
mit synchronisiertem Papierablauf ersetzt werden kann, registriert gleichzeitig
die wahre Temperatur und die Undurchsichtigkeit.
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Der Undurchsichtigkeitsmesser enthält eine Lampe 30, welche in der
Nähe der Lampe 2 liegt und
einem einen Spartransformator3I und einenTransformator
32 zur Spannungssenkung enthaltenden elektrischen Stromkreis angehört. Auf der anderen
Seite der Flamme ist ein mit einer Photozelle versehenes Pyrometer 33 mit einem
Registriergerät verbunden und steuert den Zeiger 34 des doppelten Registriergerätes,
während der andere Zeiger 35 von der ersten Vorrichtung betätigt wird. Diese Anordnung
kann in gewissen Fällen zweckmäßig sein, da das Endsignal keine genaue Angabe über
Flammentemperatur und somit über die Badtemperatur liefert. Die Kenntnis dieser
Temperatur ist jedoch für den Abstich sehr wichtig und gestattet außerdem die noch
genauere Bestimmung des Augenblicks des Kippens.
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Eine weitere Anwendung der Vorrichtung zur laufenden Aufzeichnung
der wahren Temperatur einer leuchtenden Flamme besteht darin, diese mit einem die
Flamme unmittelbar anvisierenden Hilfspyrometer zu kombinieren. Man erhält so eine
Vorrichtung zur Messung des Absorptionsfaktors für jede Wellenlänge.
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Es ergibt sich nämlich aus bekannten Formeln, daß der Absorptionsfaktor
einer Flamme für eine gegebene Wellenlänge gleich dem Quotienten aus der Leuchtdichte
der Flamme und der Leuchtdichte des schwarzen Körpers bei der Temperatur der Flamme
ist. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Ausgangsgröße liefert, welche der
Leuchtdichte des schwarzen Körpers bei der Temperatur der Flamme proportional ist,
genügt zur Bestimmung des Emissionsvermögens oder des Emissionsfaktors die Bestimmung
der Leuchtdichte der Flamme mittels eines die Flamme unmittelbar anvisierenden Hilfspyrometers.
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Wenn man at für eine Wellenlänge A in Abhängigkeit von der Zeit aufnehmen
will, kann man die erfindungsgemäße Vorrichtung zur kontinuierlichen Aufzeichnung
in Verbindung mit einem Hi lfspyroineter und einem Differentialvoltmeter benutzen,
welches elektronisch die Division zur Erhaltung des gewünschten Quotienten ausführt.
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Wenn man einfach laufend Angaben ohne Aufzeichnung zu erhalten wünscht,
kann man hierfür unter Benutzung von Magnetfeldern das Prinzip der Tangentenbussole
verwenden. Die Ausgangsströme eines Pyrometers der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und des Hilfspyrometers speisen zwei Solenoide, deren Achsen rechtwinklig zueinander
liegen und welche zwei in der gleichen Ebene liegende, senkrecht zueinander gerichtete
Magnetfelder erzeugen. Zwischen diesen Spulen ist ein an einem torsionslosen Faden
aufgehängter und gegen äußere Felder abgeschirmter Magnet angeordnet. Dieser mit
einem Zeiger starr verbundene Magnet stellt sich unter der Einwirkung dieser zueinander
senkrechten Felder ein und dreht sich um einen Winkel, dessen Tangens dem Verhältnis
dieser beiden Felder proportional ist. Da die beiden Spulen gleich sind, kann man
die Skala unmittelbar in Werten von o bis I teilen, wobei natürlich die Messung
nur bei Flammen vorgenommen werden kann, welche genügend leuchten, (1.h. deren Absorptionsfaktor
z.B. zwischen o,4 und I liegt.
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Die obige Vorrichtung zur Messung des Wertes a kann z.;B. für Martinöfen
benutzt werden. Es ist nämlich im allgemeinen zweckmäßig, daß die Flamme der Martinöfen
möglichst leuchtend ist, und die gleichzeitige Messung der wahren Temperatur und
des Absorptionsfaktors gestattet die Herstellung der maximalen Strahlung.
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PATENTANSPRSCHE: I. Vorrichtung zur laufenden Aufzeichnung der wahren
Temperatur von industriellen leuchtenden Flammen mit einer auf einer Seite der Flamme
angeordneten Lichtquelle und einem Pyrometer mit Empfänger für die Strahlungsenergie
mit oder ohne Farbfilter, mit welchem die Lichtquelle durch die Flamme anvisiert
wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem ersten Pyrometer gleiches zweites Pyrometer,
welches für alle Temperaturen die gleiche Kennlinie wie dieses hat, hinter der Lichtquelle
angeordnet ist und diese unmittelbar anvisiert, wobei die beiden Pyrometer in an
sich bekannter Weise mittels eines Differentia] meßgeräts gegeneinandergeschaltet
sind, welches einen die Lichtstärke der Lichtquelle regelnden Servomechanismus so
steuert, daß die resultierende Potentialdifferenz Null wird, und weiter gekennzeichnet
durch in an sich bekannter Weise an den Stromkreis der Pyrometer angeschlossene
Vorrichtungen zur Registrierung der Leuchtdichteschwankungen oder des die Lichtquelle
durchfließenden elektrischen Stroms.