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Vorrichtung zur Messung der Temperaturen an bewegten Oberflächen
Die
Temperaturmessung an bewegten Oberflächen, z. B. an den Oberflächen rotierender
Kalanderwalzen, Trockenzylindern von Papiermaschinen usw. oder an laufenden Papierbahnen,
ist bei der Herstellung von Papier, Zellstoff, Kunststoff usw. von großer Bedeutung.
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Solche Temperaturmessungen an Walzen können mit Hilfe von Fühlern
vorgenommen werden, welche auf der Walzenoberfläche schleifen und deren Temperatur
bzw. Thermospannung gegenüber dem Walzenmaterial gemessen wird. Diese Methode kann
nur bei langsam rotierenden glatten Walzen verwendet werden und hat den Nachteil,
daß sie zur Abnutzung der Fühler oder derWalzenoberfläche fül rt. Außerdem wird
der Meßwert durch auftretende Reibungswärme oft verfälscht.
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Eine weitere Möglichkeit ist durch ein mitrotierendes, auf elektrischem
Wege arbeitendes Thermometer gegeben, welches über rotierende Kontakte an ein Anzeige-
bzw. Registriergerät oder einen Regler angeschlossen ist. Diese Methode führt oft
zu Fehlmessungen infolge veränderlicher Übergangswiderstände an den Kontakten oder
erfordert zur Vermeidung dieser Fehler kostspielige Verstärker. Oft ist es aus konstruktiven
Gründen nicht möglich, in eine Walze einen Fühler einzubauen.
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Für Temperaturmessungen an laufenden Papier-, Kunststoffbahnen usw.
sind diese Verfahren nicht geeignet.
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Man hat auch bereits zur Messung der Oberflächentemperatur bewegter
Körper Thermometer verwendet, die nicht unmittelbar an den zu messen-
den
Körper angelegt werden. Bei einer derartigen Temperaturmeßeinrichtung erfolgt die
Messung über ein Zwischenmedium, und zwar Luft, welche in eine mit Wärmeschutzhülle
umgebene Meßkammer eingeführt wird und nach dem zu messenden Körper austritt, wobei
die Lufttemperatur von der Luftzuführungsgeschwindigkeit abhängig ist.
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Eine andere Einrichtung dieser Art befaßt sich mit der Aufheizung
eines auf die Temperatur des Meßorgans abgestellten Wärmeschutzes. Das Meßorgan
muß zu diesem Zweck von sehr geringer Wärmekapazität sein, und durch eine elektrische
Zusatzheizung ist die Schutzhülle ständig auf der Temperatur des Meßorgans zu halten.
Der Wärmeschutz besteht aus einem Stoff hoher Wärmeleitfähigkeit. Irgendwelche Unterschiede
zwischen der zu messenden Oberfläche und der Temperatur des Meßorgans werden bei
dieser Meßeinrichtung nicht berücksichtigt, sondern nur allein durch Strahlung soll
das Meßorgan von der Meßfläche unter Ausschaltung jeglicher Fehlerquellen beeinflußt
werden. Unter anderem wird durch einen besonders engen Spalt angestrebt, das Meßorgan
durch Luftwirbel, die von der sich drehenden Meßfläche mitgeführt werden, nicht
beeinflussen zu lassen. Diese auch bei kleinstmöglichem Spalt niemals- zu vermeidende
Luftschicht zwischen Meßorgan und Meßfläche wird als Fehlerquelle in Kauf genommen,
was Fehlmessungen verursacht.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Differenz zwischen der Temperatur
der Meßfläche und der Temperatur des Fühlers durch eine veränderliche, selbsttätig
in Abhängigkeit von den Meßbedingungen gesteuerte oder eine eingeeichte konstante
Korrektur vom Anzeigegerät, Registriergerät, Regler od. dgl. berücksichtigt ist.
Eingeeichte konstante Korrekturberichtigungen waren für andere Zwecke bekannt, jedoch
für vorliegende Meßvorrichtung ist diese Maßnahme noch vollkommen neu.
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Für die Steuerung der veränderlichen Korrektur werden z. B. folgende
Meßbedingungen herangezogen: Flächengeschwindigkeit, Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit,
Temperatur des Fühlers, Temperatur der Halterung (Wurzeltemperatur).
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Bei der erfindungsgemäßen Temperaturmeß anordnung wird keine Heizluft
als Zwischenmedium verwendet, und kein Meßzylinder rollt auf der vorbewegten Meßfläche
ab, während die bei der schon erwähnten Einrichtung durch die Luftwirbel oder besser
gesagt durch die Grenzluftschicht des rotierenden Zylinders sich ergebenden Störungsfaktoren
in vorliegender Erfindung als tatsächlich vorhanden zur Feststellung der wahren
Temperatur am Meßgerät Berücksichtigung finden. Es wird nämlich neben der Strahlung
noch die Wärmeleitung und Konvektion, d. h. unter anderem die Temperatur der Grenzluftschicht
zur Messung dadurch ausgenutzt, daß die Differenz für die Korrekturberichtigung
durch die Temperatur der Grenzluftschicht mitbestimmt wird. Durch diese Grenzluftschicht
ergibt sich nämlich um den rotierenden Zylinder ein stationäres Temperaturfeld derart,
daß jedem Punkt in der Nähe des Zylinders eine bestimmte Lufttemperatur zugeordnet
ist. Das Temperaturfeld um einen Zylinder gegebener Abmessungen ist im wesentlichen
eine Funl;tion der Oberflächentemperatur des Zylinders, der Raumtemperatur in größerem
Abstand von dem Zylinder, des Abstandes von der Oberfläche und der Geschwindigkeit
der rotierenden Oberfläche. Ein Thermometer, welches die Lufttemperatur an einem
Punkt dieses Temperaturfeldes mißt, erfaßt somit all diese Funktionen, und bei deren
Kenntnis läßt sich die gesuchte Oberflächentemperatur exakt ermitteln.
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Der Erfindungsgegenstand gestattet somit die Ermittlung der Lufttemperatur
an einer Stelle in der Nähe der Oberfläche sowie der einzelnen Einflußgrößen, und
diese Meßwerte werden kombiniert, so daß das Meßgerät unabhängig von den Meßbedingungen
die wahre Oberflächentemperatur angibt.
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In einem besonders einfachen Spezialfall, beispielsweise bei geringem
Temperaturmeßbereich oder bei wenig schwankenden Funktionswerten, kann man mit einer
für die Praxis ausreichenden Genauigkeit eine eingeeichte Konstante einsetzen.
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In solchen Fällen braucht die Meßanordnung zu der gemessenen Lufttemperatur
lediglich eine konstante Korrektur zu addieren.
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Die Messung der Fühlertemperatur kann im Rahmen der Erfindung mit
einem Thermoelement erfolgen und die Anzeige des Meßgerätes durch ein zweites Thermoelement,
welches die Temperaturdifferenz zwischen dem Fühler und der Halterung mißt und wobei
unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Differenz zwischen Anzeigeorgan od. dgl.
und Meßfläche die Anzeige des Meßgerätes derart beeinflußt wird, daß das Meßinstrument
die Temperatur der Meßfläche anzeigt.
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Das Temperaturmeßgerät kann aus einem drei Lötstellen aufweisenden
Thermoelement bestehen, wobei eine Lötstelle die Temperatur des Fühlers, die zweite
die Temperatur der den Wärmeschutz -umgebenden Halterung und die dritte Lötstelle
eine konstante Temperatur aufweist.
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Das Material der Thermoelementenschenkel ist zweckmäßig so zu wählen,
daß bei einer Abweichung der Temperatur der Wärmeschutzhalterung von derjenigen
des Meßfühlers die Anzeige des Meßgerätes derart korrigiert wird, daß diese der
wahren Temperatur der Fläche entspricht.
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Bei mit einer heizbaren Schicht umgebenes Fühler kann die Trägheit
der heizbaren Schicht durch Wärmeisolation so vergrößert werden, daß die Temperaturen
mehrerer Fühlerheizungen über Umschalter mit einem Regler regelbar sind.
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Die Unteransprüche sollen nur in Verbindung mjt dem Hauptanspruch
Geltung besitzen.
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Die Zeichnung zeigt drei beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
in schematischen Darstellungen.
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In Abb. I ist die zu messende bewegte Oberfläche mit I bezeichnet.
In kurzem Abstand von z. B.
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I mm ist ein Fühler 2 vorgesehen, der von einem an sich bekannten
Wärmeschutz 3 umgeben ist, der
sich innerhalb einer Halterung 4
befindet. Zwischen dem Fühler 2 und der Halterung ist eine elektrisch leitende Verbindungsbrücke
5 vorgesehen. Von dem im Fühler 2 befindlichen Ende 6 dieser Verbindungsbrücke 5
führt eine Leitung 7 zu einer kalten Lötstelle 8 und von hier aus ein Leitungsstück
g zu einem Meßinstrument 10, das über die Leitung II mit dem Ende 12 der Verbindungsbrücke
5 in der Halterung 4 verbunden ist.
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Die Temperatur des Fühlers 2 wird somit mit einem Thermoelement gemessen,
welches drei Lötstellen 6, I2 und 8 aufweist bzw. sich aus drei Schenkeln 5, 7 und
9/II zusammensetzt. Die eine Lötstelle, 6, nimmt die Temperatur des Meßfühlers 2
an. Die zweite Lötstelle, 12, die Temperatur der Wärmeschutzhalterung 4, und die
dritte kalte Lötstelle besitzt wie üblich eine konstante Bezugstemperatur.
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Sind die Temperaturen der Halterung 4 und des Fühlers 2 einander
gleich, so ist der Temperaturgradient in der Umgebung des Zylinders gleich Null,
und es fließt über die Halterung 4 keine Wärme ab. Die Temperatur des Fühlers ist
dann gleich derjenigen der Außenfläche und wird praktisch vom Thermoelement 7/9
gemessen. Liegt die Temperatur der Halterung 4 tiefer als die Fühlertemperatur,
so verursacht ein Wärmestrom einen Temperaturabfall zwischen Fühler 2 und Meßfläche
I sowie einen Temperaturabfall zwischen Fühler 2 und II alterung 4. Das Anzeigeinstrument
zeigt die Temperatur des Fiihlers 2 an, vermehrt um einen der Temperaturdifferenz
zwischen Fühler 2 und Halterung 4 proportionalen Korrekturbetrag.
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Bei geeigneter Wahl des Materials der Schenkel 5, 7, 9 und II entspricht
die Anzeige des Meßinstrumentes 10 der Temperatur der Meßfläche I. So können beispielsweise
die Verbindungsstücke 5 aus Eisen, dile Leitung 7 aus Konstantan und die Leitungen
g und I I aus Kupfer bestehen. Es sind daneben auch folgende Materialien heranziehbar:
Nickel, Platin, Nickelchrom, Platinrhodium sowie alle Werkstoffe, welche zur Herstellung
von Thermoelementen geeignet sind.
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In vielen praktischen Fällen ist die thermische Trägheit der zu messenden
Fläche so groß, daß mit Fühlern hoher Trägheit gearbeitet werden kann.
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Dort ist es möglich, bei Verwendung von Fühlern mit Wurzelheizung
durch Wärmeisolierung der heizbaren Schicht die Trägheit des Fühlers ohne Einbuße
an Meßgenauigkeit so zu erhöhen, daß mit einem Regler die Heizung mehrerer Fühler
geregelt werden kann.
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Ein solches Gerät zeigt Abb. 2. Mit 2a ist ein Fühler bezeichnet,
in dem ein Thermometer I3 eingesetzt ist. Der Fühler ist mit einem Wärmeschutz 3a
umgeben, um den innerhalb einer Halterung 4a Heizspiralen I4, 14a eingebaut sind.
Darum befindet sich wieder ein Wärmeschutz 3o mit einer Halterung 4. Zwischen dem
Fühler 2a und der Halterung 4a befindet sich eine Verbindungsbrücke 5a, deren Leitungen
I5, I6 über einen automatischen Umschalter I7 an einen Regler I8 angeschlossen sind.
Die Heizspiralen I4, 14a stehen über Verbindungsleitungen 19 und 20, Leitungen 2I,
22, Umschalter 23 und eine Stromquelle 24 ebenfalls mit dem Regler I8 in Verbindung.
Der Regler I8 bringt die Temperatur der heizbaren Schicht in kurzer Zeit auf die
Temperatur des Fühlers 2a. Dann werden durch die Umschalter die mit diesen in Verbindung
stehenden nächsten Fühler angeschlossen. Während des Umlaufs des Umschalters werden
beliebige weitere unter Umständen angeschlossene Fühler eingeregelt. Inzwischen
findet eine Abkühlung der heizbaren Schicht des ersten Fühlers statt, diese ist
jedoch so gering, daß keine nennenswerte Verringerung der Meßgenauigkeit verursacht
wird. Nach einem Umlauf des Umschalters wiederholt sich das Spiel.
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Bei dieser Einrichtung wird die Differenz zwischen der Temperatur
des Fühlers 2a und der Temperatur der heizbaren Schicht unter Verwendung eines Reglers
I8 für mehrere Fühler durch automatische Umschalter I7, 23 selbsttätig annähernd
gleich Null gehalten.
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Die Differenz zwischen der Temperatur der Meßfläche und der Temperatur
des Fühlers kann auch durch eine konstante Korrektur von einem Anzeigeinstrument
berücksichtigt werden, so z. B. bei der Messung mit einem Widerstandsthermometer
durch einen konstanten Korrekturwiderstand in der Meßleitung. Eine solche Meßvorrichtung
zeigt Abb. 3.
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Im Abstand von der Meßfläche I ist innerhalb der Halterung 4 in den
Fühler 25 ein Widerstandsthermometer 26 eingesetzt. Die Leitung 27 steht über einen
Leitungsabgleichwiderstand 28 und die Leitung 29 über einen Korrekturwiderstand
30 mit einem Widerstandsmeßgerät 3I in Verbindung.
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Dieses kann z. B. - gemäß Zeichnung aus einem Kreuzspulgerät oder
aus einem T-Spulgerät, einer Brückenschaltung oder einem Kompensationsgerät bestehen,
wie sie bei Temperaturmessungen mit Widerstandsthermometern üblich sind.
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Der Wärmeschutz 3 besitzt eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit und
der Fühler 25 ebenso wie die Fühler 2, 2a bei den übrigen Ausführungsformen eine
hohe Wärmeleitfähigkeit.