Temperaturfühler mit einem elektrischen Messelement für die berührungsfreie Temperaturmessung an rotierenden Gegenständen
Eines der schwierigsten Probleme der Messtechnik ist die berührungsfreie Messung der Oberflächentemperatur von Kalander- oder Walzwerkswalzen aus Stahl oder Grauguss. Hierbei soll die mit verschiedenen Nachteilen behaftete Möglichkeit der Temperaturmessung mittels in dicht unter der Walzenoberfläche angeordneten Bohrungen liegenden Thermofühlern oder die Messung mittels Bi-Metallelementen ausser Betracht bleiben.
Die Messung mittels ausserhalb der Walze angeordneten Temperaturfühlern ist, will man konstante und reproduzierbare Werte erhalten, durch Strahlungsmessung allein nicht möglich, so dass man die Wirkung der Wärmeleitung der an der Walzenoberfläche haftenden Grenzschicht zu Hilfe nehmen muss. Die Infrarotstrahlung zeigt bereits - zumindest im Bereich der langwei- ligen Strahlung - eine ganz begrenzte Wirkung und ist auch nicht mit optischen Pyrometern zu messen, da einerseits die zu messende Temperatur hierfür viel zu niedrig ist, andererseits die Farbe und das Reflektionsvermögen von Stahl- oder Graugusswalzen sich ständig ändern. Die Strahlungszahl ist auch bei dunkel angelaufenen Walzen meist unter 1 und stark schwankend. Ferner fälschen die an den Kalanderwalzen nicht zu vermeidenden, aufsteigenden Dämpfe und Gase die Infrarotmessung erheblich.
Da ausserdem die Strahlung sich mit der 4. Potenz der absoluten Temperatur ändert, verdichten sich die Werte des Skalenendes erheblich, so dass gerade im Messbereich die Ablesegenauigkeit schlecht ist. Als einzige Möglichkeit einer brauchbaren berührungsfreien Temperaturmessung verbleibt somit ausser durch Wärmeübertragung der Luftgrenzschicht nur noch ein kleiner Anteil der Wirkung der kurzwelligen Strahlung.
Berührungsfreie Fühler mit Thermoelementen oder Widerstandsgebern, die mit derartigen Mischwerten aus Strahlung und Konvektion arbeiten, sind mehrfach bekannt. Bei einer Ausführung liegt das Messelement im Brennpunkt eines kleinen Spiegels, bei einer anderen Ausführung in der von der Grenzluftschicht durchwirbelten Fühlerkammer. Wegen der verhältnismässig grossen Masse der Fühlerfassung haben sich aber diese Konstruktionen nicht bewährt, da sich hierdurch eine erhebliche Wärmeträgheit ergibt, durch die die Messspannung zeitlich hinter dem Istwert stark zurückbleibt und dadurch die schon wegen der erforderlichen Vorhaltezeit schwierige Regelung völlig versagt.
Auch die bekannten Isolierungen in der Umgebung des Messfühlers vergrössern die Trägheit, da sie in jedem Falle die Masse vergrössern. Ausserdem erreicht die Messspannung, da kein direkter Wärmekontakt mit der Walze besteht, nur einen Teil des Sollwertes, weswegen genormte Masswerke nicht verwendet werden können.
Zur Vermeidung der Trägheit ist es ferner bekannt geworden, dünne Widerstands drähte oder Thermoelemente dicht an der Walzenoberfläche zu spannen, doch sind auch derartige Anordnungen wegen der mit der Zeit entstehenden Längung des Drahtes und der Empfindlichkeit gegen Reissen (durch Verschmutzung und Korrosion) in der Praxis nicht brauchbar.
Zweck der Erfindung ist es, einen Messfühler zu schaffen, der zwar einen Mischwert aus Strahlung und Konvektion ergibt, dessen Trägheit aber bei grosser Stabilität äusserst gering ist und der vor allem eine stärker linearisierte Kennlinie ergibt. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das Messelement auf einem, die Infra-Strahlung und die Lufttemperatur aufnehmenden Wärmeleitblech aufgebracht ist, wobei zwischen dem Wärmeleitblech mit seinem Träger und dem Ge- rätehalter ein Wärmestaukörper angeordnet ist, dessen Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die des Wärmeleitbleches.
Hierbei kann ein Widerstand unter Zwischenschaltung einer nichtleitenden Schicht direkt auf dem Wärmeleitblech aufgedampft sein.
Zur Erzielung einer geringen Masse kann das die Strahlung und Konvektionswärme der Grenzluftschicht aufnehmende Wärmeleitblech aus einem dünnen Silberblech von etwa 0,1 bis 0,5 mm oder aus einem Isolier stoff, z. B. einem Glimmerplättchen bestehen. Der Messfühler kann ferner so ausgebildet sein, dass er sich im Gerätehalter zwecks Feineinstellung an der Walze leicht verschieben lässt, wobei zweckmässig der Gerätehalter mit der Schiebehülse und den Anschlussklemmen vom vorderen Fühlelement durch die erwähnte Wärmestaustrecke getrennt ist und das Messelement daher durch Wärmeabfluss oder durch Wärmezufluss nicht beeinflusst werden kann.
Ferner ist es möglich, Messelemente in Reihe zu schalten, da wegen der berührungsfreien Messung ein Messelement allein niemals die volle Sollspannung abgeben kann. Die hierdurch verdoppelte Messspannung liegt dann in jedem Falle über dem Sollwert, und es wird daher, um genormte Messwerke verwenden zu können, zweckmässig der Überschuss an Messspannung durch einen Abgleichwiderstand oder bei der Widerstandsmessung durch einen Brückenabgleich reduziert.
Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sollen anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen ganzen Tem peratur-Fühler, bei dem ein Wärmeleitblech mittels eines dünnwandigen Röhrchens am Wärmestaukörper befestigt ist,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Haltemuffe nach der Schnitt-Linie 2 in Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt durch den Wärmestaukörper nach der Schnitt-Linie 3 in Fig. 1,
Fig. 4 eine Ansicht aus Richtung 4 in Fig. 1,
Fig. 5 und 6 zwei verschiedene Schnitte durch einen Fiihler, bei dem der Träger des Wärmeleitbleches selbst als Wärmestaustrecke ausgebildet ist,
Fig. 7 eine Ansicht aus Richtung 7 in Fig. 5 gegen die Rückseite des Wärmeleitblechs,
Fig. 8 einen Schnitt nach der Schnitt-Linie 8 in Fig. 6 und
Fig.
9 die Zeitkurven des erfindungsgemässen Temperaturfühlers und eines Fühlers bisheriger Bauart.
Wie die Fig. 1 bis 4 eines Ausführungsbeispieles zeigen, sind zwei Messelemente 5 und 6 mit ihren Schweissstellen 7 zwecks guter Aufnahme der Wärmestrahlung und der Temperatur der Grenzluftschicht der zu messenden Walze 8 an zwei als Wärmeleitbleche wirkenden, dünnen Silberfolien 9 angelötet. Zum Schutz der zu messenden Walzenoberfläche sind die Silberfolien an einem dünnwandigen, topfförmigen Fühlerträger 10 aus einem hitzebeständigen Kunststoff befestigt, zweckmässigerweise mittels durchgesteckten Lappen 12 oder durch Kleben. Durch den etwas vorstehenden Schutzkragen 11 entsteht eine Kammer niedriger Höhe, in der die mitgerissene Grenzluftschicht stark durchwirbelt wird und ihre Temperatur an die Silberfolien 9 abgibt.
Der Fühlerträger 10 ist an seiner Rückseite, z. B. durch eine Versickung über ein dünnwandiges Röhrchen 13 mit dem Wärmestaukörper 14 verbunden, der am Temperaturfühler mit dessen Halterung g befestigt ist.
Im dargestellten Beispiel besteht die Halterung aus einstellbaren Schwenkhebeln 15 mit einer Spannmuffe 16, in der eine, am vorderen Ende durch den Wärmestaukörper 14 verschlossene Schieberöhre 18 verschieblich ist. Durch Zurückdrehen einer Verschraubung oder durch Druck auf die Schere 17 der Spannmuffe wird die Spannung derart vermindert, dass sich die Schieberöhre mit dem Fühlerträger zur Einstellung eines Abstandes von etwa 1 mm von der zu messenden Walze einstellen lässt.
Im Wärmestaukörper 14 befinden sich Bohrungen 19 für den Durchtritt der Messelementleitungen 5 und 6, sowie Gewindelöcher 20 für das Einschrauben von 4 Schraubkontakten oder Steckerhülsen 21, wenn die Verbindung der Messleitung 22 mit dem Temperaturfühler durch einen Stecker 23 mit den Steckerstiften 24 erfolgen soll. Im letzteren Falle sind jedoch zur Vermeidung von Fehlerspannungen rhodinierte Kontakte zu verwenden.
Zweckmässig wird bei der Thermospannungsmessung die Reihenschaltung der beiden Messelemente 5 und 6 erst im Geräteschrank vorgenommen, so dass die Messleitung 22 aus vier Ausgleichsleitungen besteht. Dadurch wird ein Thermostat für die Konstanthaltung der Temperatur an der kalten Lötstelle in den meisten Fällen entbehrlich.
Bei den Ausführungsvarianten gemäss den Fig. 5 bis 8 ist das Messelement, in diesem Falle ein Messwiderstand 25, auf einem grossflächigen Wärmeleitblech 26 aufgebracht und mit dem Stecker durch Leitungen 27 verbunden. Ein derartiger Messwiderstand kann als Mäanderband auf dem Wärmeleitblech 26 aufgedampft sein.
Zwecks Erzielung eines guten Wärmeüberganges von der Grenzluftschicht auf das Wärmeleitblech wird letzteres mit Zirkulationsschlitzen oder mit nach aussen gedrückten Buckeln 29 versehen, durch die eine gute Durchwirbelung der Grenzluftschicht zwischen Wärmeleitblech und Messgegenstand bewirkt wird.
Die Befestigung des Wärmeleitbleches am Wärmestaukörper 14 erfolgt dergestalt, dass dieser zwecks Verringerung der Masse in einen stark verjüngten Teil 30 übergeht, an dessen Ende das Wärmeleitblech mittels Schräubchen oder durch Verklebung unmittelbar befestigt ist. Der verjüngte Teil 30 ist ausserdem durch einen Schlitz 31 geschwächt und enthält Bohrungen 32 für die Durchführung der Zuleitungen 27.
Die übrige Ausgestaltung und Befestigung des Temperaturfühlers kann in beliebiger Weise erfolgen.
Wesentlich ist es, dass der vordere Teil des eigentlichen Messelementes und dessen Träger mit den Ab. standsstücken 13 oder Verjüngung 30 von möglichst geringer Masse und vom Gerät und dessen Halterung durch eine wärmeisolierende Staustrecke getrennt sind. Dadurch gelangt der Fühler rascher auf die maximale Temperatur als die Temperaturänderung beim Aufheizen oder Abkühlen der Walze, d. h. der Temperaturfühler arbeitet mit Bezug auf die Walzenerwärmung trägheitslos. Auch die Linearität der Temperaturkurve des Fühlers und die Geschwindigkeit seines Aufheizens werden verbessert. So zeigt Fig. 9 die TemperaturkurveI des vorbeschriebenen Fühlers und die Kurve II eines Fühlers des gleichen Typs in bisheriger Bauart, die an eine bereits auf 150"C konstanter Temperatur aufgeheizte Stahlwalze angelegt wurden.
Danach erreichte der neue Fühler bereits nach 41/2 Minuten 1500 C und nach 16 Minuten seinen konstanten Maximalwert (der wegen der Reihenschaltung von zwei Messelementen um den Wert Tx über dem Sollwert liegt). Der Uberschusswert Tx wird durch einen Abgleichwiderstand reduziert. Beim Fühler bisheriger Bauart erfolgte dagegen der Temperaturanstieg nach Kurve II wesentlich langsamer, wobei der stationäre Zustand erst nach 2 Stunden erreicht wurde.