LU100366B1 - Vorrichtung und Verfahren zur akustischen Temperaturmessung sowie Anordnung einer solchen Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung in einem Prozessraum (19), insbesondere in einem Hochofen. Die Vorrichtung umfasst hierbei mehrere Schallerzeugereinrichtungen (5a) und Schallempfängereinrichtungen (5b) zum Aussenden und Empfangen von Schallsignalen, die mit Abstand zueinander am oder im Prozessraum (19) positionierbar sind. Weiterhin umfasst die Vorrichtung umfasst eine Signalsteuer- und Verarbeitungseinrichtung (17), die im Betrieb mit den Schallerzeugereinrichtungen (5a) und Schallempfängereinrichtungen (5b) elektrisch verbunden ist. Die Signalsteuer- und Verarbeitungseinrichtung (17) ist zum sequenziell und zeitlich verschachtelten Aussenden von in der Frequenz sich ändernden Sendeschallsignalen durch die Schallerzeugereinrichtung (5a) konfiguriert. Die Signalsteuer- und Verarbeitungseinrichtung (17) ist ferner zum Korrelieren der von den Schallempfängereinrichtung (5b) empfangenen Empfangsschallsignalen und den Sendeschallsignalen konfiguriert. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erfassung eines Temperaturfeldes, sowie eine Anordnung einer Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur akustischen Temperaturmessung sowie Anordnung einer solchen Vorrichtung

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist bspw. aus DE 20 2015 106 820 UI bekannt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur akustischen Temperaturmessung und eine Anordnung mit einer derartigen Vorrichtung. Für die Gewinnung von Eisen wird Eisenerz als Ausgangsstoff verwendet, das in der Natur meist als Oxid vorkommt. In großtechnischen Anlagen wie z.B. Hochöfen wird das Eisenerz durch Reduktions- und Schmelzprozesse in flüssiges Roheisen umgewandelt. Für derartige Reduktions- und Schmelzprozesse sind bestimmte Temperaturen im Hochofen einzuhalten. Ein Hochofen hat prinzipiell die Form eines Kamins oder eines Schornsteins aus zwei umgekehrt aufeinander gesetzten hohlförmigen Kegelstümpfen und eine Gesamthöhe von 15 bis 75 m. Dadurch wird sowohl ein optimaler Gas/Stoffaustausch innerhalb der Einsatzstoffe als auch ein Temperaturverlauf von 200° bis 2000°C vom Gichtverschluss bis an den Boden des Hochofens ermöglicht. Innerhalb des Hochofens laufen mehrere Prozesse gleichzeitig ab, die bestimmte Temperaturen voraussetzen, wie z.B. in derTrocken-und Vorwärmezone zum Trocknen und Vorwärmen des Eisenerzes, des Koks und der Zuschlagsstoffe durch ein durchströmendes Gas, in der Reduktionszone zum Reduzieren des Eisenoxids durch Kohlenstoff und Kohlendioxid, in der Kohlungszone zum Bilden eines Eisen-Kohlenstoffgemisches und in der Schmelzzone zum Verbrennen des Koks und zum Schmelzen des Eisen-Kohlenstoffgemisches. Werden die für die Prozesse optimalen Temperaturen nicht eingehalten, verlaufen die Prozesse gar nicht oder nur unvollständig ab.

Es ist daher erheblich und unerlässlich, dass die innerhalb eines Hochofens und während dessen laufenden Betriebs herrschenden Temperaturen ortsgenau gemessen und damit Einfluss auf dieselben genommen werden kann. Berührungsthermometer wie z.B. Bimetallthermometer sind meist nicht für derartig hohe Temperaturen konzipiert und können die Temperatur auch nur an einem Punkt messen. Berührungslos messende Thermometer wie z.B. Strahlungsthermometer (auch Strahlungspyrometer genannt) messen die ausgestrahlte Strahlung des zu messenden Gegenstands, die im Infrarot- bzw. μηι-ννθΙΙθηΙ^εΓθΐ^ liegt. Diese Art der Temperaturmessung ist gegenüber der Temperaturmessung durch Berührung flexibler. Allerdings ist in den eingangs genannten Hochöfen mit anfallendem Schmutz und Staub insbesondere durch Koks und andere Nebenprodukten zu rechnen, die die ausgestrahlten Wellen des zu messenden Gegenstands absorbieren und/oder filtern. Zusätzlich kann die Temperaturmessung durch direkt auf dem Temperatursensor und/oder auf einer Schutzscheibe liegenden Schmutz verfälscht werden.

Urn diesen Nachteil zu umgehen, werden in Hochöfen meist Schallpyrometer verwendet, die anhand der Laufzeit einer ausgesandten und empfangenen Schallwelle die Temperatur bestimmen. Je höher die Temperatur des zu messenden Gases ist, desto höher ist die Schallgeschwindigkeit innerhalb dieses Gases und desto kürzer ist die Laufzeit einer Schallwelle. Typischerweise kann die Frequenz des hierfür ausgesendeten Schallsignals zwischen 100 bis 6000 Hz liegen. Bei den zuvor genannten Temperaturen von 200 bis 2000° Grad liegt die Schallgeschwindigkeit zwischen etwa 430 bis 950 m/s. Durch die Verwendung eines oder mehrerer Schallsender bzw. -quellen und/oder -empfänger ist es möglich, eine Temperaturverteilung innerhalb des Hochofens zu ermitteln.

Eine derartige Temperaturmessvorrichtung ist aus DE 20 2015 106 820 UI bekannt, die auf die Anmelderin zurückgeht. Zur Ermittlung eines Temperaturfeldes im Hochofen sind mehrere derartiger Temperaturmessvorrichtungen in der Hochofenwand angeordnet, die als Sende-/Empfangseinheiten konzipiert sind. Dabei werden die einzelnen Sende- /Empfangseinheiten so angesteuert, dass diese sequenziell, d.h. nacheinander die Schallsignale aussenden. Wenn ein SchalIsignal abgeklungen ist, wird die nächste Sende- /Empfangseinheit angesteuert und sendet ein neues Signal aus.

Dieses Verfahren bzw. die so konfigurierte Vorrichtung hat den Nachteil, dass die Messzeiten relativ lange sind. Dies hat zur Folge, dass während der jeweiligen Messung eine Änderung der Temperatur im Hochofen stattfinden kann, die bei der Messung nicht berücksichtigt wird bzw. das Messergebnis verfälscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung in einem Prozessraum anzugeben, die dazu geeignet ist, ein

Temperaturfeld im Prozessraum zu erfassen, wobei etwaige Temperaturänderungen während der Temperaturmessung möglichst gut berücksichtigt werden sollen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde ein entsprechendes Verfahren zur akustischen Temperaturmessung in einem Prozessraum sowie eine Anordnung umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung anzugeben, die in einem Prozessraum angeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit Bliek auf das Verfahren durch den Gegenstand dés Anspruchs 11 gelost. Hinsichtlich der Anordnung wird die Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 12 gelost.

Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung in einem Prozessraum. Bei dem Prozessraum kann es sich urn einen Hochofen handeln. Andere Prozessräume, bei denen Temperaturfelder gemessen werden sollen, sind im Rahmen der Erfindung möglich. Die Vorrichtung umfasst mehrere Schallerzeugereinrichtungen und Schallempfängereinrichtungen zum Aussenden und Empfangen von Schallsignalen, die mit Abstand zueinander am Oder im Prozessraum positionierbar sind. Vorzugsweise sind eine Schallerzeugereinrichtung und eine Schallempfängereinrichtung zu einer Einheit zusammengefasst. Es handelt sich urn integrierte Sende- /Empfangseinheiten. Es ist auch möglich, die Schallempfängereinrichtungen und Schallerzeugereinrichtungen als gesonderte Messeinrichtungen auszubilden. In der Praxis haben sich die integrierten Einheiten bewährt. Die Schallerzeugereinrichtungen und Schallempfängereinrichtungen, insbesondere die integrierten Sende- und Empfängereinheiten sind vorzugsweise baugleich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit, die im Betrieb mit den Schallerzeugereinrichtungen und Schallempfängereinrichtungen elektrisch verbunden ist. Auch hier gilt, dass die verschiedenen Funktionen, konkret eine Signalerfassung und Steuer-und Verarbeitungsfunktion in einem Gerat integriert sein können. Es ist auch möglich, die Funktionen in gesonderten Geräten zu verwirklichen.

Die Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit ist zum sequenziell und zeitlich verschachtelten Aussenden von in der Frequenz sich ändernden

Sendeschallsignalen durch die Schallerzeugereinrichtung konfiguriert. Die

Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit ist ferner zum Korrelieren der von den Schallempfängereinrichtungen empfangenen Empfangsschallsignalen und den Sendeschallsignalen konfiguriert.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Gesamtmesszeit, d.h. die Messzeit signifikant verkürzt wird, die durch das Aussenden von Sendeschallsignalen durch die Schallerzeugereinrichtung bestimmt wird. Die Verkürzung der Messzeit bedeutet, dass etwaige Temperaturänderungen während der Messung weniger stark ins Gewicht fallen, da die Messauflösung erhöht wird. Die Messqualität wird dadurch verbessert.

Die Verkürzung der Messzeit wird dadurch erreicht, dass die Sendeschallsignale sequenziell und zeitlich verschachtelt ausgesendet werden. Mit anderen Worten wird ein Sendeschallsignal einer Schallerzeugereinrichtung während der Signaldauer einer anderen, insbesondere der unmittelbar vorhergehenden Schallerzeugereinrichtung ausgesandt. Die Sendeschallsignale der beiden Schallerzeugereinrichtungen sind daher sequenziell und zeitlich verschachtelt. Im Unterschied zum Stand der Technik wird also nicht gewartet, bis das vorangehende SchalIsignal vollständig abgeklungen ist, bevor das nächste Schallsignal ausgesandt wird. Dadurch wird eine signifikante Verkürzung der Messzeit erreicht.

Dabei ist es nicht erforderlich, dass jede der Schallerzeugereinrichtungen das Sendeschallsignal aussendet, während die letzte Schallerzeugereinrichtung . ebenfalls noch sendet. Für die Verkürzung der Messzeit genügt es, wenn mehrere einzelne Schallerzeugereinrichtungen sequenziell und zeitlich verschachtelt Schallsignale aussenden. Wenn andere einzelne Schallerzeugereinrichtungen nicht zeitlich verschachtelt aussenden, ändert dies nichts daran, dass die Messzeit im Vergleich zum Stand der Technik verkürzt wird. Es ist allerdings besonders vorteilhaft, wenn alle Schallerzeugereinrichtungen bzw. wenn alle Sende-/Empfangseinheiten zeitlich verschachtelt Sendeschallsignale aussenden. Mit anderen Worten sendet die letzte Schallerzeugereinrichtung bereits ein Sendeschallsignal aus, wëhrend die erste Schallerzeugereinrichtung noch sendet. Für die Identifizierung und Separierung der sequenziell und zeitlich verschachtelt ausgesandten Sendeschallsignale ist vorgesehen, dass die Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit so konfiguriert ist, dass in der Frequenz sich ändernde Sendeschallsignale durch die Schallerzeugereinrichtungen erzeugt werden. Die

Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit ist ferner zum Korrelieren der von den Schallempfängereinrichtungen empfangenen Empfangsschallsignale und der Sendeschallsignale konfiguriert.

Durch die Korrelation kann eine Impulsantwort erzeugt werden, aus der die Laufzeit des jeweiligen Signals und damit die Pfadtemperatur berechnet werden kann. Insbesondere handelt es sich um eine Kreuzkorrelation zwischen dem Sendeschallsignal und dem Empfangsschallsignal. Die Kreuzkorrelation ist eine aus der Nachrichtentechnik bekannte Methodik zur Signalanalyse und beschrelbt die Korrelation, also die Verbindung, von zwei unterschiedlichen Signalen zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten. Im Falie von zwei identischen Signalen zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten spricht man von einer Autokreuzkorrelation. Mit anderen Worten beschreibt die Autokreuzkorrelation die Korrelation eines Signals mit sich selbst zu einem früheren Zeitpunkt, beziehungsweise die Ähnlichkeit eines Signais mit sich selbst. Die Korrelation der Signale hat generell den Vorteil, dass die große Anzahl von unabhängig ausgesendeten Sendeschallsignalen auf der Seite der Schallempfängereinrichtung störungsfrei unterschieden und damit entkoppelt werden können, um das Sendesignal mit einer maximalen Sicherheit von einem Störsignal zu unterscheiden. Störungen ergeben sich beispielsweise aufgrund von Hintergrundgeräuschen im Prozessraum. Durch die Korrelation kann somit die jeweilige Laufzeit des Signals und damit die entsprechende Temperatur sehr präzise bestimmt werden.

Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Signalform eingeschränkt. Periodisch sich ändernde Sendeschallsignale sind bevorzugt.

Akustische Temperaturmessung hat den Vorteil, dass die Gastemperatur ohne Strahlungsanteil erfasst wird. Die akustische Temperaturmessung ist unempfindlich gegenüber staubbeladener, korrosiver sowie aggressiver Atmosphère. Die Messung erfolgt verzögerungs- und driftfrei. Die akustische Gastemperaturmessung unterliegt praktisch keiner Alterung.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit zur Erzeugung linearer oder logarithmisch oder exponentiell veränderlicher Sendeschallsignale konfiguriert. Bei den Sendeschallsignalen handelt es sich um sogenannte Sweeps, die sinusförmig verlaufen. Die sinusförmigen Schallsignale sind ineinander verschachtelt. Man spricht daher auch von sogenannten interleaved sweeps. Die Verschachtelung bedeutet, dass eine Schallerzeugereinrichtung bereits sendet, während eine vorangehende Schallerzeugereinrïchtung ebenfalls noch sendet. Die Schallsignale überlagern sich. Auch hier gilt, dass nicht jedes Sendeschallsignal in das vorangegangene Sendeschallsignal verschachtelt sein muss. Es genügt, wenn mehrere Sendeschallsignale zeitlich verschachtelt sind.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Signalerfassungs- und

Verarbeitungseinheit zur Erzeugung orthogonaler Sendeschallsignale konfiguriert. Orthogonale Sendeschallsignale erlauben ein verschachteltes Oder auch gleichzeitiges Aussenden der Messsignale. Aufgrund der Charakteristik der Sendeschallsignale ist ein späteres Separieren der einzelnen Messsignale möglich.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Signalerfassungs- und

Verarbeitungseinheit zur Erzeugung von Sendeschallsignalen in der Form von Barker Codes konfiguriert. Der Barker Code ist ein Binärcode, der verschachtelt, getrennt Oder auch gleichzeitig gesendet werden kann. Das gleichzeitige Senden setzt voraus, dass die Messsignale orthogonal sind.

Es ist im Rahmen der vorliegenden Anmeldung weiterhin denkbar, dass die voran beschriebenen Sendeschallsignale, beispielsweise in der Form von interleaved sweeps, orthogonalen Signalen oder Barker Codes auf sogenannten vor-Ort Endstufen hinterlegt sind. Die Endstufe enthâlt hierbei nur ein digitales Signal, während das Sendeschallsignal abgespielt wird. Alternativ ist es ebenso denkbar, dass die Sendeschallsignale direkt aus der Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit ausgesendet werden. Die Endstufe kann vorzugsweise an der Sende- und Empfangseinheit angeordnet sein. Beispielhaft kann die Endstufe an der Sende- und Empfangseinheit in einem Klemmkasten verbaut sein.

Weitere bevorzugte Ausführungen betreffen die Schallerzeugereinrichtung und die Schallempfängereinrichtung. Die Schallerzeugereinrichtung und die Schallempfängereinrichtung können als integrierte Sende- und Empfangseinheit ausgebildet sein.

Vorzugsweise weisen die Schallerzeugereinrichtungen und Schallempfängereinrichtungen jeweils mindestens eine Dichtungseinrichtung zur Abdichtung gegen die Atmosphäre im Prozessraum auf, wobei die

Dichtungseinrichtung für die Schallsignale durchlëssig ist. Dies hat den Vorteil, dass die Schallerzeugereinrichtung und/oder die Schallempfëngereinrichtung von der Atmosphère im Prozessraum, insbesondere von der Hochofenatmosphäre entkoppelt sind. Damit ist es möglich, im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen sensible Schallerzeugereinrichtungen und Schallempfëngereinrichtungen zu verwenden, ohne dass die Gefahr besteht, dass diese durch die aggressive Atmosphère frühzeitig zerstört oder zumindest in der Funktionsweise beeintrèchtigt werden. Konkret eröffnet die Ausführung die Möglichkeit, anstelle der bisher verwendeten pneumatischen Schallerzeuger elektroakustische Schallwandler zu verwenden, ohne dass die Lebensdauer der Vorrichtung unverhèltnismèßig verkürzt wird. Die Ausführung ist aber generell nicht auf elektroakustische Schallwandler eingeschrënkt.

Die Dichtungseinrichtung ist für die Schallsignale durchlëssig. Damit wird erreicht, dass die von der Schallerzeugereinrichtung emittierten Schallsignale in den Prozessraum gelangen können. Umgekehrt können die aus dem Prozessraum zu empfangenden Schallsignale durch die Dichtungseinrichtung zur jeweiligen Schallempfëngereinrichtung gelangen. Insgesamt werden die zur Temperaturmessung eingesetzten Schallwandler vor der Prozessraumatmosphëre geschützt, ohne dass die Signalübertragung gestort wird. Die Ausführung umfasst verschiedene Möglichkeiten der Zuordnung der Dichtungseinrichtung. Im einfachsten Fall dichtet die Dichtungseinrichtung sowohl die Schallerzeugereinrichtung als auch die Schallempfëngereinrichtung ab. Dabei kann es sich urn eine einzige Dichtungseinrichtung für beide Schallwandler handeln. Alternativ dichtet die Dichtungseinrichtung nur die Schallerzeugereinrichtung ab. Die Schallempfëngereinrichtung kann entweder ausreichend robust für die Prozessraumatmosphëre sein oder anderweitig vor der Prozessraumatmosphëre geschützt sein. Ebenso ist es möglich, dass nur die Schallempfëngereinrichtung durch die Dichtungseinrichtung abgedichtet ist. Die Schallerzeugereinrichtung kann ausreichend robust für die Prozessraumatmosphëre oder anderweitig geschützt sein. Es ist auch möglich, dass der Schallerzeugereinrichtung und der Schallempfëngereinrichtung jeweils eine eigene Dichtungseinrichtung zur Abdichtung gegen die Atmosphère im Prozessraum zugeordnet ist.

Im Schallrohr kann eine einzige Dichtungseinrichtung angeordnet sein, die die Schallerzeugereinrichtung und/oder die Schallempfëngereinrichtung abdichtet. Dabei karm die Dichtungseinrichtung sowohl die Schallerzeugungse/nricbtung als auch die Schallempfängereinrichtung gemeinsam abdichten. Dabei bietet es sich an, wenn die Dichtungseinrichtung das gesamte Schallrohr, also den gesamten Querschnitt des Schallrohrs überdeckt und damit den Raum auf der dem Prozessraum abgewandten Seite von der Prozessraumatmosphäre abkoppelt. Die hinter der Dichtungseinrichtung angeordneten Schalleinrichtungen sind geschützt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass mit wenig Aufwand alle sensiblen Schallwandler-Bauteile geschützt sind.

Alternativ ist es möglich, dass die einzige Dichtungseinrichtung entweder nur die Schallerzeugereinrichtung Oder nur die Schaliempfängereinrichtung abdichtet. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass die Schallempfängereinrichtüng ein empfindliches Mikrofon umfasst, das durch die Dichtungseinrichtung vor der schädlichen Prozessraumatmosphäre geschützt ist.

Alternativ können mehrere Dichtungseinrichtungen im Schallrohr angeordnet sein, wobei eine erste Dichtungseinrichtung die Schallerzeugereinrichtung und eine zweite Dichtungseinrichtung die Schallempfängereinrichtung abdichtet. Mit anderen Worten weist jeder Schallwandler eine eigene Dichtungseinrichtung auf, die diesen vor der Prozessraumatmosphäre schützt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Dichtungseinrichtung räumlich nahe am jeweiligen Schallwandler angeordnet sein kann. Zum Beispiel kann die Dichtungseinrichtung in die Wandung des Schallrohres integriert sein und einen seitlich am Schallrohr befestigten Schallwandler schützen. Es ist auch möglich, dass die Dichtungseinrichtung den Querschnitt des Schallrohres überdeckt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Dichtungs-vorrichtung eine Membran. Diese hat den Vorteil, dass sie schwingfähig ist und somit auf einfache Weise für die Clbertragung der Schallsignale vom Prozessraum auf die vom Prozessraum durch die Dichtungseinrichtung getrennten Schalleinrichtungen sorgen kann.

Vorzugsweise ist die Dichtungseinrichtung druckbeständig. Die Druckbeständigkeit bezieht sich in besonders bevorzugter Weise auf die in einem Hochofen herrschenden Drücke. Die Druckbeständigkeit der Dichtungseinrichtung bedeutet allgemein, dass diese an sich, d.h. ohne mechanische Hilfsmittel, ausreichend stabil ist, urn den auf die Druckeinrichtung wirkenden Drücken zu widerstehen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Dichtungseinrichtung ein Stützelement zur Aufnahme mechanischer Kräfte auf. Das Stützelement nimmt die im Prozessraum herrschenden Drücke bzw. die daraus resultierenden Kräfte auf, so dass die Stabilität und damit die Sicherheit der Dichtungseinrichtung verbessert wird.

Bei der Ausführungsform mit Membran sind die Membran und das Stützelement in Sandwichbauweise angeordnet. Das Stützelement übernimmt die Ableitung der mechanischen Lasten ins Gehäuse. Die Membran dient im Wesentlichen nur der Signalübertragung und der Abdichtfunktion. Damit erfolgt eine Funktionstrennung, bei der das jeweilige Bauteil für die entsprechende Funktion optimiert wird. So kann die Membran dünner gestaltet sein als bei der Ausführungsform ohne Hilfsmittel.

Das Stützelement kann beispielsweise ein Lochblech umfassen, das parallel zur Membran angeordnet ist. Durch das Lochblech wird erreicht, dass die Schall-übertragungsfunktion der Membran, also die Schwingfähigkeit der Membran zumindest lokal, d.h. im Bereich der Öffnungen des Lochblechs erhalten bleibt, so dass die Schallsignale die Membran passieren können.

Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In diesem zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Messaufbaus zur Erfassung eines Temperaturfeldes in einem Hochofen nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel und Für 2 einen Längsschnitt durch eine Sende-/Empfangseinheit, die für. den Messaufbau nach Fig. 1 bzw. allgemein für Erfindung geeignet ist.

Die akustische Gastemperaturmessung, auch als Schallpyrometrie bezeichnet, ist ein berührungsloses Messverfahren, das auf der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit basiert, wonach die Quadratwurzel der absoluten Temperatur proportional zur Schallgeschwindigkeit ist. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung misst die Schalllaufzeit zwischen einem Sender und einem Empfänger, wobei die Entfernung zwischen der Sende-und Empfangseinheit bekannt ist. Der integrale Temperaturmittelwert ergibt sich aus der Schalllaufzeit und der bekannten Strecke zwischen Sender und Empfänger.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung ist dazu geeignet, in einem Prozessraum 19, beispielsweise in einem Hochofen ein 2-dimensionates Temperaturfeld zu erfassen. Die Erfindung ist nicht auf Hochofen eingeschränkt sondern kann auch bei anderen Prozessräumen eingesetzt werden.

Die Vorrichtung umfasst mehrere Schallerzeugereinrichtungen 5a und mehrere Schallempfängereinrichtungen 5b. Die Schallerzeugereinrichtungen 5a und die Schallempfängereinrichtungen 5b sind in einer Einheit integriert. Es handelt sich dabei urn baugleiche Sende-/Empfangseinheiten. Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung sind die Schallerzeugereinrichtungen 5a und die Schallempfängereinrichtungen 5b bzw. die integrierten Sende-/Empfangseinheiten auf dem Umfang des Prozessraumes bzw. des Hochofens verteilt angeordnet. Beispielsweise sind 8 Sende-/Empfangseinheiten vorgesehen. Es ist möglich mehr oder weniger als 8 Einheiten auf dem Umfang anzuordnen.

An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung einerseits als solche, d.h. unabhängig von der Montage im Prozessraum beansprucht wird. Es handelt sich also urn ein System mit mehreren Schallerzeugereinrichtungen 5a und mehreren Schallempfängereinrichtungen 5b, die mit Abstand zueinander am oder im Prozessraum 19 positionierbar sind. Außerdem wird im Rahmen der Erfindung die Anordnung umfassend den Prozessraum 19 und die installierte Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung beansprucht. Fig. 1 zeigt die installierte Vorrichtung bzw. einen Teil davon.

Die Vorrichtung umfasst ferner eine Signalerfassungseinheit 17. Diese ist, mit Fig. 1 dargestellt, im Betrieb mit den Schallerzeugereinrichtungen 5a und Schallempfängereinrichtungen 5b elektrisch verbunden, sodass die Schallerzeugereinrichtungen 5a angesteuert und Signale der Schallempfängereinrichtungen 5b verarbeitet werden können. Bei dem Beispiel gemäß Fig. 1 ist die Signalerfassungseinheit 17 als ein Schaltschrank ausgebildet. Die Vorrichtung umfasst bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 weiterhin eine Signalverarbeitungseinheit 18, die mit der Signalerfassungseinheit 17 verbunden ist. Die Verbindung zwischen Signalerfassungseinheit 17 und Signalverarbeitungseinheit 18 erfolgt liber ein Netzwerk zur Weiterleitung von Daten. Das erfasste Temperaturfeld ist in der Signalverarbeitungseinheit 18, bspw. auf einem Bildschirm, dargestellt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist die Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit 17, 18 so konfiguriert, dass durch Ansteuern der

Schallerzeugereinrichtungen 5a sequenziell und zeitlich verschachtelte Sendeschallsignale erzeugt werden, deren Frequenz sich ändert, insbesondere sich kontinuierlich ändert. Die Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit 17, 18 ist weiterhin so konfiguriert, dass die Sendeschallsignale und die von der Schallempfängereinrichtung 5b empfangenen Empfangsschallsignale miteinander korreliert werden können.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit N Schallempfängereinrichtungen 5a funktioniert wie folgt:

Die Messung der Schalllaufzeit von einer Schallerzeugereinrichtung 5a zu den restlichen N-l Schallempfängereinrichtungeh 5b (z.B. 9, bei einer Anlage mit 10 Systemen) benötigt eine Zeit von ca. 2-3 Sekunden. Dieser Zeitraum dient dazu, urn zur Herstellung eines ausreichenden S/N (signal to noise, d.h. Störabstand) durch das Sendesignal für eine längeren Zeitraum Energie bereitzustellen. Im vorliegenden Fall wird dies durch einen Sweep, d.h. durch einen in der Frequenz ansteigenden Sinuston, der ca. 2 Sekunden andauert und mit sehr hohem Pegel von der Schallerzeugereinrichtung 5a abgestrahlt wird, erreicht.

Bei einer Messung, wie im Stand der Technik, aller N Strecken würden also N*2 Sekunden benötigt, bis das Temperaturfeld untersucht ist. In diesem Zeitraum ist allerdings damit zu rechnen, dass die Temperaturverteilung deutlichen Veränderungen unterworfen ist.

Mit Hilfe der Interleaved Sweep Messtechnik wird hingegen dieser Vorgang erheblich beschleunigt. Hierzu werden die Signale der N Schallerzeugereinrichtung 5a mit einem geringen Zeitversatz At direkt nacheinander gestartet und an alien Schallempfängereinrichtungen 5b gleichzeitig aufgezeichnet. Der Zeitversatz beträgt von 20ms bis 100ms, insbesondere von 30ms bis 70ms, insbesondere von 40ms bis 60ms. Bei dem Beispiel beträgt der Zeitversatz ca. 50ms. Die vorstehenden Werte sind für die Temperaturmessung im Hochofen vorteilhaft. Die Erfindung ist aber nicht auf diesen Zeitversatz eingeschränkt. Generell sollte für die Bestimmung des optimalen Zeitversatzes die Lange der Impulsantwort vor dem Auftreten der nichtlinearen Peaks und die Abklingzeit des Impulses beachtet werden. Die Lange der Impulsantwort bestimmt hierbei die Unterbringung aller Sweeps innerhalb dieser Zeit und ist damit auch abhängig von der Anzahl der Schallerzeugereinrichtungen 5a. Des Weiteren bestimmt die Abklingzeit des Impulses einen Mindestabstand, damit die versetzten Impulse sich nicht gegenseitig verdecken.

Besonders vorteilhaft ist die Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit 17, 18 so konfiguriert, dass der Zeitversatz so bemessen ist, dass typischerweise auftretende nichtlineare Peaks aus der Impulsantwort eliminiert werden. Bei dem vorliegenden Anwendungsfall im Hochofen treten derartige nichtlineare Peaks nach ca. 500ms bis 600ms auftreten. Bei 10 Sende-/Empfangseinheiten bestimmt sich daher an der Zeitversatz von 50ms so, dass das letzte Sendeschallsignal gesendet wird, bevor die nichtlinearen Peaks auftreten.

Jedenfalls sollte idealerweise der Gesamtversatz kleiner als die Laufzeit eines Signals sein. Der Gesamtversatz ist wie bereits erwähnt von der Lange der Impulsantwort eines einzelnen Signals abhängig, da nur innerhalb eines eingeschränkten Zeitbereiches die gesuchten Impulse auffindbar sind.

Dabei wird darauf hingewiesen, dass die Vorrichtung auch dann funktioniert und zu einer Verkürzung der Messzeit führt, wenn einzelne Schallerzeugungseinrichtungen 5a nach Abklingen eines Sendesignals senden und somit nicht erfindungsgemäß arbeiten, solange andere Schallerzeugungseinrichtungen 5a erfindungsgemäß arbeiten.

Das Sweep Signal kann exponentiell Oder logarithmisch oder linear ansteigen Oder abfallend sein. Es ist hierbei anzumerken, dass sich bei einer Änderung der Sweep-Rate andere Bedingungen für den Zeitversatz und die daraus resultierende Platzierung der Impulse in der Gesamtimpulsantwort ergeben.

Es ist auch möglich andere Anregungssignale bzw. Sendeschallsignale zu verwenden, die eine Korrelation zwischen dem Sendeschallsignal und dem Empfangsschallsignal ermöglichen. Nach der an sich bekannten Kreuzkorrelation zwischen Empfangssignal und Sendesignal kann dann die Impulsantwort jeder Teilstrecke durch angepasste Fensterung freigestellt und ausgewertet werden. Die resultierende Gesamtmesszeit reduziert sich daher erheblich, so dass eine deutliche Verbesserung der Qualität des Temperaturprofils erreicht werden kann.

Bei den Schallerzeugereinrichtungen 5a und Schallempfängereinrichtungen 5b bzw. integrierten Sende-/Empfangseinheiten können besonders bevorzugt elektroakustische Schallerzeuger eingesetzt werden. Die Erfindung ist aber nicht hierauf eingeschränkt.

Die Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung gemäß Fig. 2 umfasst eine Schallerzeugereinrichtung 5a und eine SchaHempfängereinrichtung 5b. Die beiden Einrichtungen 5a, 5b sind allgemein Schallwandler, wobei die Schallerzeugungs-einrichtung 5a als Schallquelle fungiert, die Schallsignale erzeugt und aussendet. Die Schallempfängereinrichtung 5b dient zur Aufnahme von Schallsignalen, die in elektrische Signale umgewandelt werden. Bei dem Beispiel gemäß Fig. 2 sind die Schallerzeugereinrichtung 5a und die Schallempfängereinrichtung 5b Teil einer elektroakustischen Einheit. Demnach handelt es sich bei der Schallerzeugereinrichtung 5a um einen Lautsprecher und bei der Schallempfängereinrichtung 5b um ein Mikrofon.

Wie in Fig. 1 und 2 weiter zu erkennen, weist die Vorrichtung ein Schallrohr 6 auf, durch das die Schallsignale von der Schallerzeugereinrichtung 5a oder 5d zum Prozessraum 19 und umgekehrt vom Prozessraum 19 zur Schall-empfängereinrichtung 5b oder 5c im Betrieb geleitet werden. Das Schallrohr 6 mündet in den Prozessraum 19.

Am Ende des Schallrohres 6, d.h. auf der vom Prozessraum abgewandten Seite der Vorrichtung ist ein Gehäuse 12 angeordnet. Das Gehäuse 12 ist druckfest ausgebildet. Mit anderen Worten ist das Gehäuse 12 so ausgelegt, dass die im Prozessraum herrschenden Drücke, insbesondere die im Hochofen herrschenden Drücke das Gehäuse 12 nicht zerstören. Im Gehäuse 12 ist die

Schallerzeugereinrichtung 5a angeordnet und mit diesem verbunden. Die Schallempfängereinrichtung 5b ist an der Gehäuseaußenseite angeordnet (nicht dargestellt) und mit dem Gehäuse 12 verbunden, wobei die akustische Anbindung der Schallempfängereinrichtung 5b durch eine Öffnung 11 in der

Gehäuseseitenwand erfolgt.

Das Gehäuse 12 ist zweiteilig aufgebaut. Ein anderer Aufbau des Gehäuses ist möglich.

Ein erstes Gehäuseteil 12a des zweiteiligen Gehäuses 12 ist topfartig ausgebildet und nimmt die Schallerzeugereinrichtung 5a, d.h. den Lautsprecher auf. Konkret weist das erste Gehëuseteil 12a einen Deckel 12c auf, der das erste Gehëuseteil 12a verschließt. Dazu weist das erste Gehëuseteil 12a einen Flansch 13 auf, mit dem der Deckel 12c verschraubt Oder anderweitig befestigt ist. Der Deckel 12c weist eine mittig angeordnete Öffnung 12d auf, die im montierten Zustand mit dem Schallrohr 6 fluchtet. Mit anderen Worten ist der Mittelpunkt der Öffnung 12d bzw. der Mittelpunkt des Deckels 12c auf der Mittelachse des Schallrohrs 6 angeordnet. Die Schallerzeugereinrichtung 5a ist mit dem Deckel verschraubt bzw. anderweitig befestigt, so dass die im Betrieb wirksame schallemittierende Fläche der Schallerzeugereinrichtung 5a vor der Öffnung 12d angeordnet ist.

Das Gehäuse 12 weist ein zweites Gehëuseteil 12b auf, das mit dem ersten Gehëuseteil 12a verbunden ist. Konkret ist das zweite Gehëuseteil 12b als zylindrisches Rohrstück ausgebildet, das in die Öffnung 12d des Deckels 12c eingesetzt und mit diesem verbunden ist. Mit anderen Worten bildet das zylindrische zweite Gehäuseteil 12b eine axiale Verlängerung der Öffnung 12d in Richtung des Schallrohres 6. Das zweite Gehëuseteil 12b bzw. allgemein das Gehäuse 12 weist die vorstehend genannte seitliche Öffnung 11 auf, wie in den Fig. 1, 2 zu erkennen. Die seitliche Öffnung 11 bildet den Zugang für die Schallempfängereinrichtung 5b, die an der Außenseite des Gehäuses 12, konkret des zweiten Gehëuseteils 12b angeordnet und mit diesem verbunden ist.

Das zweite Gehëuseteil 12b weist einen Flansch 8 auf, der mit dem Schallrohr 6, konkret mit einem zylindrischen Abschnitt 6b des Schallrohres 6 verbunden, insbesondere verschraubt ist. Der zylindrische Abschnitt 6b weist einen entsprechenden Flansch 8 auf. Mit anderen Worten ist ein erstes Ende des zylindrischen zweiten Gehëuseteils 12b mit dem Deckel 12c des ersten Gehäuseteils 12a und ein zweites Ende des zweiten Gehëuseteils mit dem Schallrohr, konkret mit dem zylindrischen Abschnitt 6b des Schallrohrs 6 verbunden.

Auf der Prozessraumseite der Dichtungseinrichtung 1 ist eine Absperreinheit in Form eines Kugelhahns 7 vorgesehen. Hierdurch kann das Schallrohr 6 verschlossen werden und die Dichtungseinrichtung 1 von der Atmosphere im Prozessraum abgekoppelt werden.

Das Gehäuse 12, die im bzw. am Gehäuse 12 angeordnete Schallerzeugereinrichtung 5a bzw. Schallempfängereinrichtung 5b und der zylindrische Abschnitt 6b bilden zusammen die elektroakustische Einheit, die als Ganzes handhabbar ist und mit dem konischen Schallrohr 6 verbunden werden kann bzw. verbunden ist.

Die elektroakustische Einheit kann auch an bestehenden Vorrichtungen zur akustischen Temperaturmessung nachgerüstet werden.

Wie in den Fig. 1, 2 gut zu erkennen, weist die Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung eine Dichtungseinrichtung 1 auf. Die Dichtungseinrichtung 1 dient dazu, die Schallerzeugereinrichtung 5a und die Schallempfängereinrich-tung 5b gegen die Atmosphäre im Prozessraum abzudichten. Die Dichtungseinrichtung 1 ist allgemein ein scheibenförmiges Dichtelement, das den Durchtritt von Gasen aus dem Prozessraum, insbesondere Gichtgas, verhindert und ausreichend flexibel ist, urn Schallsignale zu übertragen. Die Größe des Dichtelements hangt davon ab, ob die Querschnittsfläche des Schallrohrs 6 oder eine seitliche Öffnung im Schallrohr 6 überspannt wird.

Die Dichtungseinrichtung 1 ist bei dem Beispiel gemäß den Fig. 1, 2 konkret als schalidurchlässige Membran 2 ausgebildet. Die Membran 2 ist so flexibel, dass diese eine Übertragung der Schallsignale in den Prozessraum 19 bzw. aus dem Prozessraum 19 ermöglicht. Gleichzeitig ist die Membran 2 so druckstabil, dass diese den im Prozessraum herrschenden Drücken widerstehen kann.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Dichtungseinrichtung 1 im Schallrohr 6 angeordnet. Da die Querschnittsfläche der Dichtungseinrichtung .1 größer als jene des Schallrohrs 6 ausgebildet ist, kann die Dichtungseinrichtung 1 zwischen den beiden Flanschen 8 des Schallrohrs 6 und des zylindrischen zweiten Gehäuseteils 12b eingespannt werden. Hierzu sind Dichtungsringe 10 vorgesehen, weiche durch die Flansche 8 verpresst werden. Urn eine definierte Anpresskraft zu gewährleisten sind zwischen den Flanschen 8 zusätzliche Distanzelemente 9, im speziellen Distanzringe, angeordnet.

Konkret überspannt die Dichtungseinrichtung 1 den gesamten Querschnitt des Schallrohres 6. Dabei grenzt die Dichtungseinrichtung 1 einen Messraum 16 vom Prozessraum 19 mit den zu messenden Temperaturen ab. Der Messraum 16 und der Prozessraum 19 sind also entkoppelt, so dass die im Prozessraum 19 befindlichen aggressiven Gase und Stoffe nicht in den Messraum 16 gelangen können. Sowohl die Schallempfängereinrichtung 5b als auch die Schallerzeugereinrichtung 5a sind im Messraum 16 angeordnet. Mit anderen Worten dichtet die Dichtungseinrichtung 1 sowohl die Schallerzeugereinrichtung 5a als auch die Schallempfängereinrichtung 5b ab.

Die Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel eingeschränkt. Es ist auch möglich, dass nur die Schallerzeugereinrichtung 5a durch die Dichtungseinrichtung 1 abgedichtet ist. Die Schallempfängereinrichtung 5b kann außerhalb des Messraumes angeordnet sein, wenn beispielsweise ein Mikrofon verwendet wird, das den Einsatzbedingungen im Hochofen als solches genügt. Umgekehrt gilt das Gleiche für die Schallerzeugereinrichtung 5a. Die in den Fig. 1, 2 dargestellte Ausführung hat den Vorteil, dass sowohl die Schallerzeugereinrichtung 5a als auch die Schallempfängereinrichtung 5b im Wesentlichen unabhängig von der aggressiven Atmosphère im Prozessraum gewählt werden können. Dieser Vorteil kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn, wie in den Fig. 1, 2, eine elektro-akustische Einheit zur Temperaturmessung verwendet wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 weist die Dichtungseinrichtung 1 ein Stützelement 3 auf, das bei dem Beispiel gemäß Fig. 2 als Lochblech ausgebildet ist. Das Lochblech ist parallel zur Membran 2 angeordnet und dient dazu, die auf die Membran 2 wirkenden mechanischen Lasten in das Gehäuse 12 abzuleiten. Die Schallübertragungsfunktion der Membran 2 wird dadurch gewährleistet, dass die Schwingfähigkeit der Membran 2 durch die im Lochblech vorgesehenen Öffnungen zumindest lokal erhalten bleibt. Dies reicht für die Übertragung der Schallsignale aus.

Bezuqszeichenliste 1 Dichtungseinrichtung 2 Membran 3 Stützelement 5 a,d Schallerzeugereinrichtung 5 b,c Schallempfängereinrichtung 6 Schallrohr 6b zylindrischer Abschnitt 7 Kugelhahn 8 Flansch 9 Distanzelement 10 Dichtungsring 11 seitliche Öffnung 12 Gehäuse 12a erstes Gehäuseteil . 12b zweites Gehäuseteil 12c Deckel 12d Öffnung 13 Flansch 16 Messraum 17 Signalerfassungseinheit 18 Signalverarbeitungseinheit 19 Prozessraum

Claims (12)

1. Vorrichtung zur akustischen Temperaturmessung in einem Prozessraum (19), insbesondere in einem Hochofen, umfassend - mehrere Schallerzeugereinrichtungen (5a) und Schallempfängereinrichtungen (5b) zum Aussenden und Empfangen von Schallsignalen, die mît Abstand zueinander am oder im Prozessraum (19) positionierbar sind, und - eine Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit (17,18), die im Betrieb mit den Schallerzeugereinrichtungen (5a) und Schallempfängereinrichtungen (5b) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit (17,18) - zum sequentiell und zeitlich verschachtelten Aussenden von in der Frequenz sich ändernden Sendeschallsignale durch die Schallerzeugereinrichtungen (5a) und - zum Korrelieren der von den Schallempfängereinrichtungen (5b) empfangenen Empfangsschallsignalen mit den Sendeschallsignalen konfiguriert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch ldadurch gekennzeichnet, dass die Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit (17,18) zur Erzeugung linear oder logarithmisch oder exponentiell veränderlicher Sendeschallsignale konfiguriert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch ldadurch gekennzeichnet, dass die Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit (17,18) zur Erzeugung orthogonaler Sendeschallsignale konfiguriert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit (17,18) zur Erzeugung von Sendeschallsignale in der Form von Barker Codes konfiguriert ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeugereinrichtungen (5a) und Schallempfängereinrichtungen (5b) jeweils mindestens eine Dichtungseinrichtung (1) zur Abdichtung gegen die Atmosphäre im Prozessraum (19) aufweisen, wobei die Dichtungseinrichtung (1) für die Schallsignale durchlässig ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeugereinrichtungen (5a) und Schallempfangereinrichtungen (5b) jeweils ein Schallrohr (6) aufweisen und die Dichtungseinrichttmg (1) im Schallrohr (6) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 Oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (1) eine Membran (2) umfasst.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (1) druckbeständig, insbesondere bezogen auf die in einem Hochofen herrschenden Drücke druckbeständig ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (1) ein Stützelement (3) zur Aufnahme mechanischer Kräfte aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (3) ein Lochblech umfasst, das parallel zur Membran (2) angeordnet ist.

11. Verfahren zur akustischen Temperaturmessung in einem Prozessraum (19), insbesondere in einem Hochofen, umfassend - mehrere Schallerzeugereinrichtungen (5a) und Schallempfangereinrichtungen (5b), die mit Abstand zueinander am Oder im Prozessraum (19) positioniert sind und Schallsignale aussenden und empfangen, und - eine Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit (17,18), die mit den Schallerzeugereinrichtungen (5a) und Schallempfangereinrichtungen (5b) elektrisch verbunden ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeugereinrichtungen (5a) durch die Signalerfassungs- und Verarbeitungseinheit (17,18) angesteuert werden und sequentiell und zeitlich verschachtelte Sendeschallsignale aussenden, die sich in der Frequenz ändern, wobei die von den Schallempfängereinrichtungen (5b) empfangenen Empfangsschallsignalen und die Sendeschallsignalen korreliert werden.

12. Anordnung umfassend eine Vorrichtung zur Erfassung eines Temperaturfeldes in einem Prozessraum (19) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung in Öffnungen in der Wandung des Prozessraum (19) montiert ist, die in den Prozessraum (19) münden.