DE2618004A1 - Gasdruckthermometer und vorrichtung zur anwendung in einem gasdruckthermometer - Google Patents
Gasdruckthermometer und vorrichtung zur anwendung in einem gasdruckthermometerInfo
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Description
Stiko B.V.
Roden, Niederlande
Gasdruckthermometer und Vorrichtung zur
Anwendung in einem Gasdruckthermometer·
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasdruckthermometer, bestehend aus einem
Anzeige-, Aufzeichnungs- oder Regelteil und einem damit gekuppelten, verschlossenen,
ein Gas mit erhöhtem Anfangsdruck enthaltenden Messteil, der einen Behälter für das Gas, ein Bourdonrohr und ein Kapillarrohr enthält,
das den Behälter für das Gas mit dem Bourdonrohr verbindet.
Gasdruckthermometer dieser Art sind allgemein bekannt und werden z.B. in
"De Ingenieur" hG_ (1951+), Seiten 0 8k - 0 86, beschrieben und dargestellt.
Ein wesentlicher Teil des Gasdruckthermometers ist der Messteil, der wie erwähnt aus einem Behälter für das Gas, einem Bourdonrohr und einem Kapillarrohr
besteht, das den Behälter für das Gas mit dem Bourdonrohr verbindet. Der Behälter für das Gas ist zugleich Wärmeaustauschorgan und dient als
solches als Temperaturmesselement oder Fühler. Das Bourdonrohr bzw. die Bourdonfeder ist bekanntlich ein aus einem Metallrohr hergestelltes Organ.
mit flachem, z.B. ellipsenförmigem oder rechteckigem Querschnitt, das zu einer 3A-Kreisform gebogen ist oder spiralförmig oder schraubenförmigen gewunden
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sein kann. Wenn der Gasdruck in der Bourdonfeder erhöht wird, wird sich
diese zu strecken versuchen und einen kreisförmigen Querschnitt annehmen, um eine VolumenvergrÖsserung zu erlangen. Bei einer Drucksenkung wird die
Bourdonfeder die entgegengesetzte Bewegung ausführen wollen. Die Bewegung der Feder wird eine Bewegung des freien, nicht mit dem Kapillarrohr verbundenen
Endes des Rohrs verursachen. Diese Bewegung kann z.B. durch Kupplung der Bourdonfeder mit einem Anzeigeorgan, wie mit einem Zeiger, in
Kombination mit einer Skala zur Bestimmung der Grosse des die Gasdruckänderung
verursachenden Phänomens benutzt werden, m.a.W. im vorliegenden Fall zum Messen von Temperaturänderungen.
Das Kapillarrohr, das den Gasbehälter mit dem Bourdonrohr verbindet, kann
eine grosse Länge, z.B. 10-20 m , besitzen, so dass das Thermometer als
Fernthermometer ausgeführt werden kann.
Bei der Herstellung von Gasdruckthermometern, wenigstens des Messteils
solcher Thermometer, der ein Gas unter erhöhtem Druck enthält, geht-man davon
aus, dass die Wirkung möglichst annähernd auf dem Gasgesetz für ein ideales Gas beruhen sollte, angewendet auf ein bestimmtes Gewicht und ein konstantes
Volumen, also nach der Gleichung F1_ = "EOL » 'wodurch ein linearer Zusammen-
T T
1 2
1 2
hang zwischen Temperaturänderung und Druckänderung erreicht wird. Wie schon
erwähnt ist, erfährt die Bourdonfeder bei einer Aenderung des Gasdrucks
aber eine Aenderung ihres Volumens, so dass die Ausgangsbedingung für ein Gassystem mit konstantem Volumen nicht erfüllt wird und die MessGenauigkeit
beeinträchtigt wird. Ausserdem werden Aenderungen der Umgebungstemperatur
auch Aenderungen des Volumens der Bourdonfeder und des Kapillarrohrs verursachen
und auch dadurch die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Diese Beeinträchtigung der Messgenauigkeit kann dadurch vermieden werden, dass das
Volumen des Gasbehälters in bezug auf das des Kapillarrohrs und der Bourdonfeder
gross bemessen wird. Gemäss dem genannten Artikel in "De Ingenieur"
wird zur Erhaltung einer Messgenauigkeit von etwa \% bei den bekannten
Gasdruckthermometern ein Gasbehälter mit einem Volumen von 50-100 cm angewendet.
Hiervon ausgehend soll die Kombination des Volumens des Gasbehälters und der Menge, also des Drucks des Gases im Messteil so gewählt werden, dass
der Messbereich des Thermometers über 270 nicht weniger als 100 C beträgt.
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-ο-
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Der zur Aufrechterhaltung der gewünschten Messgenauigkeit erforderliche,
grössere Inhalt des bekannten Gasbehälters ist aber ein Nachteil für die
Handhabung und die Anordnungsmöglichkeiten des Thermometers. Ausserdem verursacht
ein grösserer Gasbehälter durch die vergrösserte Wärmeleistung eine
trägere Anzeige.
H. Brolsma gibt im Buch "Temperatuurmetingen, basiskennis Meet- en Regeltechniek",
herausgegeben von Technische Uitgeverij H. Stam IJ.V. in Zusammenarbeit
mit der Stiftung "Bemetel", 2. Druck, Februar 1969, Seite 20 ff., eine
Uebersicht über Betriebsthermometer, deren Wirkung auf der Eigenschaft von Stoffen beruht, sich bei Erhöhung der Temperatur auszudehnen und umgekehrt.
Zu dieser Kategorie sind die Gasdruckthermometer zu rechnen und weiter auch
Flüssigkeitsthermometer, die als Füllflüssigkeit eine organische Flüssigkeit
wie Pentan oder Quecksilber (sog. "Quecksilber-in-Stahl"-Thermometer) enthalten.
Zum Druck des Füllmittels wird erwähnt, dass bei den Quecksilber-inStahl- Thermometern wegen einer kleineren Zusammendrüekbarkeit von Quecksilber
ein Fulldruck bis etwa 175 kg/cm zugelassen werden kann. Bei Anwendung
einer organischen Flüssigkeit als Füllflüssigkeit muss aber ein kleinerer
Fülldruck als bei Quecksilber angewendet werden, nämlich von 5-50 kg/cm ,
weil diese Flüssigkeiten eine grössere Zusammendrüekbarkeit als Quecksilber
haben. In Uebereinstimmung mit diesem Prinzip, nach dem also bei einer
grösseren Zusammendrüekbarkeit des Füllmittels ein kleinerer Fulldruck oder
Anfangsdruck angewendet wird, wird bei einem Gas als Füllmittel, also bei Gasdruckthermometern, ein Fülldruck von nicht mehr als 50 kg/cm eingehalten.
Auch nach dieser Veröffentlichung wird die Messgenauigkeit gefördert, wenn
das Verhältnis des Volumens des Gasbehälters zu dem des Bourdonrohrs und des Kapillarrohrs gross, z.B. 50 : 1 gewählt wird; der Gasbehälter kann z.B.
einen Durchmesser von 20 mm und eine Länge von 125 mm besitzen. Weiter wird bemerkt, dass der Inhalt eines Füllmittelbehälters, bei Gasdruckthermometern
im allgemeinen grosser ist als bei Flüssigkeitsthermometern.
Die US Patentschrift 3.UIO.IU1 gibt eine Uebersicht über die Eigenschaften
eines üblichen Gasdruckthermometers, wobei betont wird, dass das Volumen
des Gasbehälters zu dem des Bourdonrohrs gross sein muss, damit bei Temperaturmessungen
eine Druckänderung im Bourdonrohr erreicht wird, die gross genug
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ist, um das Rohr eine ausreichende Bewegung machen zu lassen. Der dieser
Massnahme zugrunde liegende Gedanke beruht selbstverständlich auch auf dem Gasgesetz, das ja angibt, dass der Effekt einer Zustandsänderung, die ein
Gas erfährt, auch von der Gasmenge abhängt. Um bei Gasdruckthermometern bei einer Aenderung der Temperatur einen ausreichenden Effekt zu erhalten, wird
also nach der US Patentschrift bei den üblichen Gasdruckthermometern eine Vergrösserung der Gasmenge in einer Vergrösserung des Volumens des Gasbehälters
gesucht. Es wird nun nach der US Patentschrift ein Gasdruckthermometer zur Verfugung gestellt, dessen Gasbehälter ein festes Material enthält,
das bei niedrigen Temperaturen das Gas adsorbiert und bei höheren Temperaturen das Gas desorbiert, vas einen steiler ansteigenden Druck-Temperatur-Zusammenhang
ergibt und wodurch auch kleinere Gasbehälter angewendet werden können, z.B. mit einem Volumen von etwa 3 cm gegen ein Volumen des Gasbehälters von
etwa 65 cm bei üblichen Gasdruckthermometern. Der Gasdruck beim Thermometer
nach der US Patentschrift bei etwa 15°C beträgt, in Abhängigkeit von der Art
des Gases und des Adsorptionsmaterials etwa 1,8-5,6 kg/cm Ueberdruck.
Mit der Erfindung wird nun ein Gasdruckthermometer geschaffen, bei dem der
Anfangsdruck, entgegen der herrschenden Auffassung, dass, wenn das Fullmedium
in einem im allgemeinen auf Ausdehnung eines Mediums beruhenden Thermometer'eine zunehmende Zusammendrückbarkeit besitzt, niedrigere Anfangsdrucke angewendet werden sollten, einen Wert hat, über dem das Gas bei isothermischer
Druckerhöhung gerade eine Verminderung der Zusammendrückbarkeit erfährt.
Beim erfindungsgemässen Gasdruckthermometer kann ohne Bedenken ein Anfangs-
2 2
druck von z.B. "\ko kg/cm oder auch von 175 kg/cm , wie bei Quecksilber-inStahl-Thermometern,
und hoher angewendet werden, ohne dass die gute Wirkung des Thermometers, z.B. die für Gasdruckthermometer für üblich gehaltene
Messgenauigkeit von etwa λ% des Messberachs, beeinträchtigt wird. Der Enddruck,
der bei einer Temperaturmessung im Messelement des erfindungsgemässen
Gasdruckthermometers zulässig ist, hängt von der Erscheinung ab, dass das Füllgas bei hohen Temperaturen durch das Metall, aus dem das Messelement
hergestellt ist, diffundieren kann, und weiter von der praktischen Erwägung, dass eine gewisse Ueberlastung des Thermometers ohne Beschädigung des Messers
möglich sein soll.
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Erfindungsgemäss werden Gasdruckthermometer bevorzugt, deren Messteil Stickstoff
enthält mit einem erhöhten Anfangsdruck von wenigstens 175 kg/cm und
ο
mit einem einem Enddruck von UOO kg/cm entsprechenden Messbereich.
mit einem einem Enddruck von UOO kg/cm entsprechenden Messbereich.
Durch den sehr hohen Gasdruck im erfindungsgemässen Gasdruckthermometer
genügt auch ein viel kleinerer Inhalt des Gasbehälters, was nicht nur keinen merkbaren Nachteil für die Wirkung der Bourdonfeder hat, sondern vielmehr
eine solche Verbesserung der Wirkung ergibt, dass ein bedeutend kleinerer Messbereich über die Skala des Gasdruckthermoiiäers erhalten werden kann als
der Mindestmessbereich von 100 C, der, wie schon erwähnt ist, bei den bekannten
Gasdruckthermometem eingehalten werden muss.
Thermometer mit kleinem Mindestmessbereich sind insbesondere für Anwendung
unter den bei der Herstellung und Lagerung von Konsumartikeln, wie Speise- und Genussmitteln, Getränken usw., geltenden Bedingungen von Bedeutung.
Schon eine geringere Erhöhung der Temperatur kann bei dieser Art von Artikeln zum Verderben der Ware oder zu einer Verminderung der Geschmackqualität
führen. Bisher verwendet man in der Praxis zur Ueberwachung der Temperatur bei dieser Art von Produkten die Quecksilber-in-Stahl-Thermometer, weil nur
diese Thermometer mit einem Mindestmessbereich hergestellt werden können, der klein genug ist, um eine Temperaturüberwachung innerhalb eines schmalen
Temperaturbereichs mit ausreichender Genauigkeit zu ermöglichen. Es erübrigt sich aber, näher auseinanderzusetzen, dass die Anwendung von Quecksilber
enthaltenden Thermometern gerade bei Konsumartikeln wegen der latenten Gefahr
einer Quecksilberverunreinigung als äusserst ungewünscht zu betrachten ist.
Bei einer Vorzugsausführungsform des erfindungsgemässen Gasdruckthermometers,
im Zusammenhang mit dessen Anwendung bei Konsumartikeln, wie im vorigen beschrieben ist, hat der Anfangsdruck des Gases einen Wert, bei dem der
Messbereich des Thermometers Uo°C über eine Skala von 270 beträgt. Ein solches
Gasdruckthermometer eignet sich sehr gut dazu, die Quecksilber-in-Stahl-Thermometer
zu ersetzen, insbesondere bei den obengenannten Konsumartikeln, was vorher nicht möglich war.
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Es ist überraschend, dass trotz der Anwendung sehr hoher Anfangsdrucke im
2
Messteil von wenigstens 175 kg/cm oder höher, wobei zu erwarten wäre, dass ein Gas bestimmt nicht mehr als ein ideales Gas zu betrachten ist, wobei also grosse Abweichungen vom Gasgesetz, auf dem die Wirkung der Gasdruckthermometer beruht, zu erwarten wären, dennoch erfindungsgemäss Gasdruckthermometer geschaffen werden, die ganz zuverlässig und wiederholbar funktionieren mit einer Messgenauigkeit von weniger als 1$ des Messbereiches, wie nachstehend nachgewbsen werden wird.
Messteil von wenigstens 175 kg/cm oder höher, wobei zu erwarten wäre, dass ein Gas bestimmt nicht mehr als ein ideales Gas zu betrachten ist, wobei also grosse Abweichungen vom Gasgesetz, auf dem die Wirkung der Gasdruckthermometer beruht, zu erwarten wären, dennoch erfindungsgemäss Gasdruckthermometer geschaffen werden, die ganz zuverlässig und wiederholbar funktionieren mit einer Messgenauigkeit von weniger als 1$ des Messbereiches, wie nachstehend nachgewbsen werden wird.
Die Anwendung eines hohen Gasdrucks hat auch eine grosse Stellkraft der
Bourdonfeder zur Folge, so dass das erfindungsgemässe Gasdruckthermometer
ausser als Anzeigethermometer, das auch als Fernthermometer ausgeführt sein kann, auch dazu geeignet ist, als Aufζeichnungsthermometer oder als Regelthermometer
ausgeführt zu werden.
Die Konstruktion... des Gasdruckthermometers und des dabei angewendeten Messelements
genäss der Erfindung entspricht der der bekannten Vorrichtungen, wie d:-;se s.E. in der schon genannten Veröffentlichung in "De Ingenieur'1 hc_
(195*0 j Seiten 0 Qk - 0 86, worauf der Kürze halber verwiesen wird, beschrieben
sind. Dies gilt auch für die als Gasfüllung zu verwendenden Gase, wofür man vorzugsweise, wegen der Zugänglichkeit dieses Stoffes, Stickstoff verwendet,
die Füllungsweise, die Einstellung und Eichung der Gasdruckthermometer
sowie erwünsentenfalls, im Hinblick auf die Messgenauigkeit, die Verwirklichung
einer näheren Kompensation der Bourdonfeder für die Aenderung des Volumens durch Erwärmung oder Abkühlung wahrend einer Messung oder durch
Aenderungen der Umgebungstemperatur, mittels eines Bimetalls.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung mit einem Behälter
für Gas, einem Bourdonrohr und einem Kapillarrohr, das den Behälter für Gas und das Bourdonrohr verbindet, wobei das Bourdonrohr aus einem gehärteten,
chrom-molybdanlegierten Stahl hergestellt ist, der 0,25-0,30$ C, 0,15-0,35$ Si,
0,50-0,70$ Mn, weniger als 0,030$ P,weniger als 0,020$ S, 0,9-1,2$ Cr und
0,15-0,25$ Mo enthält.
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Die Härtung dieses Materials kann durch Abschrecken von etwa 850 C ab in
OeI oder von etwa 830° C ab in Wasser erfolgen, wobei das Material wenigstens
etwa 15 Minuten auf der Härtungstemperatur gehalten wird, und durch anschliessendes
Anlassen durch Erhitzung während wenigstens § Stunde bei Temperaturen bis etwa UOO°C. Vorzugsweise wird gehärtet durch Erhitzung
während 20 Minuten bei 880°C in neutraler Atmosphäre, Abschrecken in OeI
und Anlassen während 60 Minuten bei 35O°C in neutraler Atmosphäre. Mit einer
aus diesem Material hergestellten Bourdonfeder kann ein Federweg von etwa 50 mm errecht werden, wie dieser in einem Gasdruckthermometer mit einem
Messbereich von ko kg/cm über eine Skala von 2TO und einem Anfangsdruck·
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von etwa 330 kg/cm auftritt, während eine solche Bourdonfeder weiter noch
von etwa 330 kg/cm auftritt, während eine solche Bourdonfeder weiter noch
bei einem Gasdruck bis etwa 600 kg/cm vollkommen genügt. Es hat sich herausgestellt,
dass durch Anwendung eines hohen Gasdrucks und des im vorigen beschriebenen Materials zur Herstellung der Bourdonfeder gut funktionierende
Gasdruckthermometer mit einem Volumen des Gasbehälters von nicht mehr als
etwa 1 cm erhalten werden können. Bei solchen kleinen Gasbehältern sind die Anwendungsmöglichkeiten von Gasdruckthermometern im allgemeinen bedeutend
erweitert, während solche kleinen Behälter ein schnelles Ansprechen des Messers selbstverständlich bedeutend fördern.
Zur Erläuterung der Erfindung wurden mit dem nachstehend beschriebenen,
erfindungsgemässen Gasdruckthermometer Temperaturmessungen durchgeführt.
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Die technische Daten des Gasdruckthermometers waren: Ausführung als Zeigerthermometer mit im Abstand angeordneten Fühler
Messbereich minimal zulässige Temperatur
maximal zulässige Temperatur Durchmesser des Gehäuses Durchmesser der Skala Einteilung
Abmessungen des Fühlers Material des Fühlers Abmessungen des Kapillarrohrs Material des Kapillarrohrs
Gasfüllung Anfangsdruck der Gasfüllung Genauigkeit der Anzeige
0 120 C
O0C
120°C
112 mm 7^ mm IK/s. d.
0 12 χ IU5 mm
rostsicherer Stahl 0 2,5 χ 1890 mm rostsicherer Stahl Stickstoff 12 MPa etwa Λ% der vollen Skala
rostsicherer Stahl vom im vorigen beschriebenen Typ, gehärtet durch
Erhitzung während 20 Minuten bei 88Ο C in neutraler Atmosphäre, Abschrecken
in OeI und Anlassen während 60 Minuten bei 350 C in neutraler Atmosphäre.
Mit diesem Messer wurden Temperaturmessungen in einem Wasserbad durchgeführt,
dessen allmählich auf 100 C erhöht und dann wieder herabgesetzt wurde. Dabei
wurden die in nachstehender Tabelle angegebenen Messwerte aufgezeichnet:
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ί | Umgebungs- temp.oc |
°C | vor Ueberlastung | vor | nach | 2C | nach | ) | K | Ueberlastung | 0 | 32 | vor | ) | K |
wirkliche Temp. |
20 | 20 | Klopfen | Klopfen | Koirektur | ,0 | 65 | Korrektur | Klopfen | nach | 15 | ||||
30 | Korrektur | K | K | vor | ,65 | 3 | K | Klopfen | |||||||
ko | + 0,i+5 | Klopfen | ,6 | nach | 1 | + 0,55 | 6 | ||||||||
60 | + 0,35 | ,2 | Klopfoi | 0 | + 0, | 3 | |||||||||
80 | + 0,Uo | + 0,15 | 0 | ,1 | K | 2 | + 0,8 i | 1 | |||||||
100 | - 0 | ,3 | 0, | 1 | + 0,5 | + o, | 1 | ||||||||
Ö (U |
8o | + 0 | ,1 | - o, | 0 | + 0,3 | + o, | 1 | |||||||
+3 •Η |
6o | + 0 | ,3 | - o, | 3 | 0,0 | + 0, | 2 | |||||||
M | ko | + 1 | ,1 | + 0, | 1 | - 0,1 | - o, | 3 | |||||||
30 | + 0 | ,3 | + 1, | 2 | - 0,1 | - o, | |||||||||
20 | - 0 | ,3 | + 0, | 1 | + 0,2 | + o, | H | ||||||||
0 | - 0 | ,2 | 0, | + o, | 0 | ||||||||||
- 0,35 | + 0,15 | + 0 | 0, | + 0,1 | |||||||||||
len | - 0 | + o, | - o.U | + 0, | |||||||||||
- 0 | - o, | 0, | |||||||||||||
- 0 | - o, | ||||||||||||||
- o, | |||||||||||||||
wirkliche Temperatur = angegebener Wert + Korrektur
Aus diesen Messungen geht hervor, aass die Genauigkeit des Instruments weniger
ist als etwa λ%.
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Claims (3)
- Ansprüche/ 1. JGasdruckthermometer, bestehend aus einem Anzeige-, Aufzeichnungs- oder Regelteil und einem damit gekuppelten, verschlossenen, ein Gas mit erhöhtem Anfangsdruck enthaltenden Messteil, der einen Behälter für Gas, ein Bourdonrohr und ein Kapillarrohr enthält, das den Behälter für das Gas mit dem Bourdonrohr verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der erhöhte Anfangsdruck einen Wert hat, über dem das Gas bei isothermischer Druckerhöhung eine Verminderung der Zusammendruckbarkext erfährt.
- 2. Gasdruckthermometer nach Anspruch 1, dessen Messteil Stickstoff mit erhöhtem Anfangsdruck enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangs-druck wenigstens 175/cm beträgt und der Messbereich einem Enddruck vonUOO kg/cm entspricht.
- 3. Gasdruckthermometer nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangsdruck des Gases einen ¥ert hat, bei dem der Messbereich des Thermometers Uo°C über eine Skala von 270 ist.U. Vorrichtung mit einem behälter für Gas, einem Bourdonrohr und einem Kapillarrohr, das den Behälter für das Gas und das Bourdonrohr verbindet, zur Anwendung als Messteil im Gasdruckthermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bourdonrohr aus einem gehärteten, chrommolybdänlegierten Stahl hergestellt ist, der 0,25-0,30$ C5 0,15-0,35/* Si, 0,50-0,70/, Mn, weniger als 0,030$ P9 weniger als 0,020$ S, 0,9-1,2$ Cr und 0,15-0,25$ Mo enthält.609846/0319
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