Verfahren und Vorrichtung zur Fernmessung von Temperaturen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fernmessung von Temperaturen, bei dem die zur Messung er forderliche WÏrme bezw. Eälte einem tempe- raturempfindlichen Element zugeführt wird.
Die Erfindung betrifft im weiteren eine Vorrichtung zur Ausf hrung des Verfahrens ge mäss der Erfindung.
Es ist bekannt, bei der Fernmessung von Temperaturen einen wärmeleitenden Metall- k¯rper zu verwenden, der zwischen dem Ge genstand, dessen Temperatur gemessen werden soll, und dem Beobachtungspunkt, z. B. dem Thermometer oder dem Thermoelement, angeordnet ist. Durch diesen Metallkörper fliesst dann ein stetiger Wärmestrom, der. abgesehen von den etwaigen Strahlungsver- lusten, das temperaturempfindliche Element auf die gleiche Temperatur wie diejenige des zu messenden Gegenstandes bringt. Bei Tem peraturänderungen des Gegenstandes soll durch eine Ab- oder Zunahme des flieBenden
Wärmestromes auch eine Abnahme oder Zu nahme der Temperatur im Messpunkt erreicht werden.
Die Trägheit der Übertragung einer derartigen Änderung ist aber sehr gross, was den Nachteil dieses bekannten Verfahrens bildet.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine erhebliche Herabsetzung dieses Nachteils.
Das Verfahren gemäss der Erfindung besteht darin, daB eine an beiden Enden geschlossene Leitung verwendet wird, die am Ort, dessen Temperatur gemessen werden soll und beim temperaturempfindlichen Element endigt, und da? sich in dieser Leitung ein Staff befindet, der die Temperatur an beiden Enden mindestens angenähert gleich hÏlt, indem an dem Ende mit der gröBeren Temperatur ein Teil dieses Stoffes verdampft, zum andern Ende str¯mt und dort kondensiert.
Die Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich aus dadurch, da? eine an beiden Enden ge schlossene Leitung vorgesehen ist, die an jedem Ende ein Gefäss bildet, dass jedes Ge fäss eine Flüssigkeitsmenge enthält, ferner, dass a? das eine Gefäss sich am Ort befindet, dessen Temperatur gemessen werden soll, wÏhrend im andern Gefäss das temperatur- empfindliehe Element mindestens hineinragt, und da? wenigstens vom einen Gefäss aus die Flüssigkeit, die dort bei mit Flüssigkeit gefülltem Gefäss kondensiert, nach dem ändern Gefäss abfliessen kann.
In der Zeichnung sind drei Ausfiihrungs- beispiele der Vorrichtung gemäss der Erfindung dargestellt, wobei das Verfahren beispielsweise erläutert wird.
In Fig. 1 ist eine Temperaturmessvorrich tung an einen Schmelzofen angebaut.
Fig. 2 zeigt eine derartige Vorrichtung mit einem Eühlkasten und
Fig. 3 bei einem Flüssigkeitskondensator.
In Fig. l ist der Schmelzofen mit 10 bezeichnet, dessen Schmelzgut bei 11 angedeutet ist. Die Temperaturmessanlage besteht aus einer langen, engen, an beiden Enden geschlossenen Leitung 12, mit einem umgebogenen Ende 13 in unmittelbarer Berührung mit der Ofenladung und mit einer schalenförmigen Erweiterung 14 für das Thermo- meter 15 am andern Ende. Die Leitung bildet an beiden Enden die beiden Gefässe 13 und 14. Im Gefϯ 13 befindet sich die Flüssig- keit, die durch die WÏrme der Ofenladung 11 regelmäBig zur Verdampfung gebracht wird.
Dieser Dampf bewegt sich durch den zwischen den beiden Gefässen befindlichen Leitungsteil, kommt mit dem Gefäss 14 und dem in dasselbe hineinragenden Thermometer 15 in Berührung, und erhitzt es bis zu einer Temperatur, die im vorliegenden Fall der jenigen der Ofenladung 11 mindestens an nähernd entspricht. Die dazu erforderliche Warme wird. durch Kondensation des Dampfes zu einer Flüssigkeit im GefÏ? l geliefert, die sich im GefäB 14 ansammelt. Trotz etwaiger Isolierung können immer noch ge- ringeWarmeverluste eintreten, so dass sogar bei gleichbleibender Temperatur ein ununterbro- chener, wenn auch geringer Dampfstrom, durch den Leitungsteil 12 stattfindet.
Nachdem das Gefäss 14 mit einer bestimmten Flüss, igkeitsmenge gefüllt worden ist, wird die weitere Menge kondensierenden Dampfes in diesem Gefäss 14 als Flüssigkeit durch den Leitungsteil 12 nach dem Gefäss 13 zurückfliessen. Dazu liegt das Gefäss 14 h¯her als das Gefäss 13. Der Leitungsteil 12 steigt hier gegen das Gefäss 14, das dem Thermometer zugeordnet ist, an. Eine Temperatur zunahme der Ofenladung 11 verursacht eine schnellere Verdampfung der Flüssigkeit im GefÏ 13 und folglich einen stärkeren Dampfstrom durch den Leitungsteil 12 und je Zeiteinheit mehr kondensierenden Dampf in Gefäss 14. Die Temperatur wird hier also steigen.
Wenn hingegen die Ofentemperatur absinkt, so wird in einem Augenblick der Dampfdruck der Flüssigkeit im GefÏ ¯ 13 geringer, als er im Gefäss 14 ist. Es verdampft Flüssigkeit aus dem Gefäss 14, dessen Temperatur absinkt, wobei der Dampf im Gefäss 13 kondensiert. Dies findet natürlich nur statt, solange es noch Flüssigkeit im Gefäss 14 gibt. Der Inhalt dieses Gefässes kann daher der Zeitdauer der zu erwartenden zeitlichen Temperaturabfälle, dem Ma¯e der Wärmeausstrahlung und der Verdampfungs- wärme der verwendeten Flüssigkeit sowie der Wärmekapazität des Gefässes angepasst werden. Das Gefäss 13 befindet sich am Ort, dessen Temperatur gemessen werden soll.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, die zum Messen von Temperaturen, die niedriger als die der Umgebungstemperatur sind, geeignet ist, wie dies z. B. bei einem guhl- kasten der Fall ist.
Das Gefäss 25 liegt in diesem Falle niedriger als das Gefäss 24, weil die niedrigste Temperatur und also im allgemeinen die Kondensation des Dampfes im Gefäss 24 stattfindet. Der Flüssigkeitsüberschuss in diesem Gefässe fliesst dann dureh den Leitungsteil zwischen den beiden Gefässen nach dem Gefϯ 25 zur ck. Der Leitungsteil 22 sinkt gegen das Gefäss 25 ab und ist durch die Wa. nd 20 des Kühlkastens hindurchgef hrt, und das Gefäss 24 befindet sich in der Nähe der Eühlschlange 21. Ausserhalb des Kühl- kastens ist der Dcitungsteil 22 mit einem Isoliermantel 23 isoliert, um eine unrichtige Temperaturmessung wegen Wärmestrahlung unterwegs zu verh ten.
Statt eines Thermo meters kann im vorliegenden Fall ein Thermoelement in der Flüssigkeit 26 untergebracht werden, so dass die Messanlage z. B. zum Ein-und Ausschalten der Motorpumpe f r die Kiihlanlage benutzt werden kann.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, díe sowohl zur Messung von hoheren als auch von niedrigeren Temperaturen als diejenigen der Umgebung geeignet ist. In diesem Falle mu? nämlich die Kondensationswirkung in den beiden Gefässen auftreten können, und es muss in den beiden Gefässen die Flüssigkeit nach dem andern Gefϯ überlaufen können.
In einem Satz von Eondensatorrohren 30 befindet sich eines der beiden mit Fliissigkeit gef llten Gefϯe 32, das durch Vermittlung eines waagrechtenLeitungsteHs31 mit dem Ïndern Gefϯ 33 verbunden ist. Im Ïndern Gefäss ist das Thermoelement 34 untergebracht. Wenn die Temperatur des Kondensators 30 h¯her als die der Umgebung ist, so wird die Flüssigkeit im Gefäss 32 regelmässig verdampfen und der Dampf bewegt sich durch den Leitungsteil 31 nach dem Gefäss 33. Das Zur ckflie¯en als Fl ssigkeit durch den Leitungsteil 31 erfolgt beim Erreichen des höchsten Pegels im Gefässe 33.
Wenn hingegen die Temperatur des Kondensators niedriger als die der Umgebung des Gefässes 33 ist. so wird sich der Dampfstrom durch das Rohr 31 aus dem Gefäss 33 nach dem Gefäss 32 bewegen, die Flüssigkeit tritt ber die Schwelle des Gefässes 32 und fliesst in umgekehrter Richtung zurück.
Bei den beschriebenen Beispielen erfolgt der Wärmetransport also durch die Ver dampfungs-bezw. Kondensationswärme des Flüssigkeitsdampfes. Dieser Dampf und der Dampfdruck können sieh viel schnellor durch ein Rohr fortpflanzen, als sich die molekulare Wärmebewegung in einem Metallkorper fortpflanzen kann. Dies macht es möglich, den Abstand zwischen dem Ort, des sen Temperatur gemessen werden soll, und dem Ort, an dem sich das temperaturemp- findliche Organ befindet, wesentlich zu vergrössern.
Auch TemperaturÏnderungen am
Ort, dessen Temperatur zu messen ist, wer den schneller übertragen, weil eine Änderung dieser Temperatur unmittelbar eine Änderung des Dampfdruckes im diesem Ort zugeord neten Gefäss zur Folge hat, so da¯ im andern
Gefäss sofort Kondensation oder Verdamp- fung auftritt, bei der Wärme frei wird bezw. entzogen wird. Das beschriebene Verfahren ist daher besonders geeignet zur Verwendung zusammen mit einem Thermostaben, wo die
Geschwindigkeit der Temperaturänderungen eine wichtige Rolle spielt.
Bei Anwendung des Verfahrens wird selbstverständlich eine Flüssigkeit verwen det, die bei der zu messenden Temperatur bezw. dem zu messenden Temperaturbereich einen hinreichenden Dampfdruck hat, um m einen Dampftransport durch den Leitungs- teil zwischen den beiden Gefässen mit ange messener Geschwindigkeit möglich zu machen. Falls z. B. angenommen wird, daB der Str¯mungswiderstand eines Dampfes im verwendeten Leitungsteil zwischen den Gefässen etwa 1 mm Quecksilberdruck beträgt, so'sind also Fl ssigkeiten, die bei dieser Temperatur einen Dampfdruak von 10 mm Quecks bersÏule haben, bereits vorzüglieh verwendbar, weil der Strömungswiderstand im Leitungs- teil klein in bezug auf den herrschenden Dampfdruck ist.
Ein grösserer Dampfdruck der benutzten Fl ssigkeit ist nat rlich unbe- denklich, solange es aus Herstellungserwä- gungen nicht zu schwierig wird, ein geschlos- senes Rohrsystem herzustellen. Ausserdem darf bei der betreffenden Temperatur der Dampfdruck nicht dem kritischen Dampf druck entsprechen, weil sich dann keine Flüssigkeit und Gasphase mehr unterschei- den lassen.
Als Fl ssigkeit sind praktisch sämtliche einfachen Stoffe brauchbar, deren Dampfdruck bei der herrschenden Temperatur den genannten Anforderungen entspricht. Ausnahmsweise sind dazu auch Flüssigkeits- gemische brauchbar, sofern die Siedepunkte nicht zu weit auseinanderliegen oder bei der herrschenden Temperatur keine ehemisehe Reaktion stattfindet. ZweckmäBig soll ver mieden werden, da¯ sich im Wärmeübertra- gungssystem neben der Flüssigkeit und dem Dampf noah Fremdgase befinden oder aus dieser Flüssigkeit wÏhrend des Betriebes frei werden. Diese Fremdgase konnten näm- lich örtlich den Druck des Flüssigkeits dampfes unzulässig ändern. Für niedrige Temperaturen kommt z. B.
Kohlensäure, schweflige SÏure oder Ammoniak in Betracht, bei mittleren Temperaturen flüchtige Flüssigkeiten, wie z. B. Alkohol und ¯ther, und bei hohen Temperaturen flüssige Me- talle, wie z. B. Quecksilber, Kalium oder Natrium und Salze wie Diphenyloxyd oder Zinkchlorid.
Bei den Beispielen sind ein oder beide Gefässe mit einer sogenannten Flüssigkeits- . schwelle ausgebildet, so dass immer eine bestimmte Menge Flüssigkeit in jedem Gefäss zurüekbleibt. Wenn die Temperatur des zu messenden Gegenstandes ansteigt, so verdampft dort eine grosse Menge Flüssigkeit und transportiert mehr Wärme nach der Messstelle, wo alsommehr Fliissigkeit kondensiert und wieder zum erstgenannten Gefäss zurückfliesst. Wenn hingegen die Temperatur des zu messenden Gegenstandes absinkt, so nimmt die Dampfspannung des mit ihm verbundenen Gefässes ab, so dass nunmehr die Flüssigkeitsmenge im andern Gefäss verdampfen wird und sich in entgegengesetzter Richtung bewegt.
Dieses Verdampfen verbraucht aber Wärme, die dem Gefäss und dem temperaturempfindliehen Element entzogen wird, so da? auch die Temperatur im Be obachtungspunkt augenblieklich absinkt.
Temperaturfälle werden also ebenfalls schnell registriert, und es braucht nicht gewartet zu werden, bis durch. etwaige Wärmeabgabe an die Umgebung diese Temperatur abgenommen hat. Die erfindungsgemÏ?e Vorrichtung eignet sich daher besonders für einen Thermostat zusammen mit einem Regelmechanismus.
Method and device for remote measurement of temperatures.
The present invention relates to a method for remote measurement of temperatures, in which the heat required for measuring he or. Ealten is fed to a temperature-sensitive element.
The invention also relates to a device for carrying out the method according to the invention.
It is known to use a thermally conductive metal body for the remote measurement of temperatures, the object between the Ge, the temperature of which is to be measured, and the observation point, z. B. the thermometer or the thermocouple is arranged. A steady flow of heat then flows through this metal body, the. apart from any radiation losses, brings the temperature-sensitive element to the same temperature as that of the object to be measured. When the temperature of the object changes, a decrease or increase in the flowing
Heat flow, a decrease or increase in temperature can also be achieved at the measuring point.
However, the inertia of the transmission of such a change is very great, which is the disadvantage of this known method.
The present invention enables this disadvantage to be reduced significantly.
The method according to the invention consists in using a line which is closed at both ends and which ends at the location whose temperature is to be measured and at the temperature-sensitive element, and there? there is a staff in this line that keeps the temperature at least approximately the same at both ends, in that part of this substance evaporates at the end with the higher temperature, flows to the other end and condenses there.
The device for carrying out the method according to the invention is characterized in that? a line closed at both ends is provided, which forms a vessel at each end that each vessel contains an amount of liquid, further that a? the one vessel is at the place whose temperature is to be measured, while in the other vessel the temperature-sensitive element at least protrudes, and there? at least from one vessel the liquid, which condenses there when the vessel is filled with liquid, can flow off to the other vessel.
The drawing shows three exemplary embodiments of the device according to the invention, the method being explained by way of example.
In Fig. 1, a Temperaturmessvorrich device is grown on a melting furnace.
Fig. 2 shows such a device with an Eühlkasten and
3 for a liquid condenser.
In FIG. 1, the melting furnace is designated by 10, the melt material of which is indicated at 11. The temperature measuring system consists of a long, narrow line 12 closed at both ends, with a bent end 13 in direct contact with the furnace charge and with a bowl-shaped extension 14 for the thermometer 15 at the other end. The line forms the two vessels 13 and 14 at both ends. In the vessel 13 is the liquid that is regularly made to evaporate by the heat of the furnace charge 11.
This steam moves through the line part located between the two vessels, comes into contact with the vessel 14 and the thermometer 15 protruding into the same, and heats it up to a temperature which in the present case corresponds to that of the furnace charge 11 at least approximately. The heat required for this is. by condensation of the vapor to a liquid in the vessel? l delivered, which collects in the vessel 14. Despite any insulation, slight heat losses can still occur, so that an uninterrupted, albeit small, steam flow through the line part 12 takes place even at a constant temperature.
After the vessel 14 has been filled with a certain amount of liquid, the further amount of condensing vapor in this vessel 14 will flow back as a liquid through the line part 12 to the vessel 13. For this purpose, the vessel 14 is higher than the vessel 13. The line part 12 rises here against the vessel 14 that is assigned to the thermometer. An increase in temperature of the furnace charge 11 causes faster evaporation of the liquid in the vessel 13 and consequently a stronger vapor flow through the line part 12 and more condensing vapor per unit of time in the vessel 14. The temperature will therefore rise here.
If, on the other hand, the oven temperature drops, the vapor pressure of the liquid in the vessel 13 is lower than it is in the vessel 14 in an instant. Liquid evaporates from the vessel 14, the temperature of which drops, with the vapor condensing in the vessel 13. Of course, this only takes place as long as there is still liquid in the vessel 14. The contents of this vessel can therefore be adapted to the duration of the expected drop in temperature, the amount of heat radiation and the evaporation heat of the liquid used, and the heat capacity of the vessel. The vessel 13 is at the location whose temperature is to be measured.
Fig. 2 shows an embodiment which is suitable for measuring temperatures which are lower than the ambient temperature, as is e.g. B. is the case with a waste box.
In this case, the vessel 25 is lower than the vessel 24 because the lowest temperature and therefore generally the condensation of the steam takes place in the vessel 24. The excess liquid in this vessel then flows back through the line part between the two vessels to the vessel 25. The pipe part 22 sinks towards the vessel 25 and is passed through the wall 20 of the cooling box, and the vessel 24 is located in the vicinity of the cooling coil 21. Outside the cooling box, the pipe part 22 is insulated with an insulating jacket 23, to prevent incorrect temperature measurement due to thermal radiation on the way.
Instead of a thermometer, a thermocouple can be accommodated in the liquid 26 in the present case, so that the measuring system z. B. can be used to switch the motor pump for the cooling system on and off.
FIG. 3 shows an embodiment which is suitable for measuring both higher and lower temperatures than those of the surroundings. In this case must namely, the condensation effect can occur in the two vessels, and the liquid must be able to overflow into the two vessels after the other vessel.
One of the two liquid-filled vessels 32 is located in a set of condenser tubes 30 and is connected to the other vessel 33 by means of a horizontal conduit 31. The thermocouple 34 is housed in the other vessel. If the temperature of the condenser 30 is higher than that of the surroundings, the liquid in the vessel 32 will evaporate regularly and the vapor moves through the line part 31 to the vessel 33. The flowing back as liquid through the line part 31 occurs when the highest level is reached in vessel 33.
If, on the other hand, the temperature of the condenser is lower than that of the surroundings of the vessel 33. so the steam flow will move through the pipe 31 from the vessel 33 to the vessel 32, the liquid passes over the threshold of the vessel 32 and flows back in the opposite direction.
In the examples described, the heat is transported through the Ver evaporation or. Heat of condensation of liquid vapor. This steam and the steam pressure can propagate through a pipe much faster than the molecular movement of heat can propagate in a metal body. This makes it possible to significantly increase the distance between the place where the temperature is to be measured and the place where the temperature-sensitive organ is located.
Temperature changes on
The place where the temperature is to be measured, who transfer the faster, because a change in this temperature results in an immediate change in the vapor pressure in the vessel assigned to that place, so in the other
Condensation or evaporation occurs immediately in the vessel, which releases heat or is withdrawn. The method described is therefore particularly suitable for use in conjunction with a thermal stick, where the
Speed of temperature changes plays an important role.
When using the method, of course, a liquid is used that BEZW at the temperature to be measured. the temperature range to be measured has a sufficient vapor pressure to enable vapor transport through the pipe section between the two vessels at an appropriate speed. If z. If, for example, it is assumed that the flow resistance of a steam in the line part used between the vessels is about 1 mm mercury pressure, then liquids that have a vapor pressure of 10 mm mercury at this temperature are already extremely useful because the The flow resistance in the line part is small in relation to the prevailing vapor pressure.
A higher vapor pressure of the liquid used is of course harmless, as long as manufacturing considerations do not make it too difficult to produce a closed pipe system. In addition, at the temperature in question, the vapor pressure must not correspond to the critical vapor pressure, because then it is no longer possible to differentiate between liquid and gas phase.
Practically all simple substances can be used as the liquid whose vapor pressure at the prevailing temperature meets the requirements mentioned. As an exception, liquid mixtures can also be used for this purpose, provided the boiling points are not too far apart or no previous reaction takes place at the prevailing temperature. It is advisable to avoid foreign gases in the heat transfer system in addition to the liquid and the vapor, or foreign gases being released from this liquid during operation. These foreign gases could locally change the pressure of the liquid vapor in an impermissible manner. For low temperatures z. B.
Carbonic acid, sulphurous acid or ammonia into consideration, at medium temperatures volatile liquids such. B. alcohol and ¯ther, and at high temperatures liquid metals such as. B. mercury, potassium or sodium and salts such as diphenyloxide or zinc chloride.
In the examples, one or both vessels with a so-called liquid. threshold so that a certain amount of liquid always remains in each vessel. When the temperature of the object to be measured rises, a large amount of liquid evaporates there and transports more heat to the measuring point, where more liquid condenses and flows back to the first-mentioned vessel. If, on the other hand, the temperature of the object to be measured falls, the vapor tension of the vessel connected to it decreases, so that now the amount of liquid in the other vessel will evaporate and move in the opposite direction.
But this evaporation consumes heat, which is withdrawn from the vessel and the temperature-sensitive element, so there? the temperature at the observation point also drops immediately.
Temperature drops are also registered quickly and there is no need to wait until through. any heat dissipation to the environment has decreased this temperature. The device according to the invention is therefore particularly suitable for a thermostat together with a control mechanism.