Titel: | Elektrische Meßgeräte für Dampfbetriebe. |
Autor: | G. Quaink |
Fundstelle: | Band 338, Jahrgang 1923, S. 141 |
Download: | XML |
Elektrische Meßgeräte für
Dampfbetriebe.
Von G. Quaink.
QUAINK, Elektrische Meßgeräte für Dampfbetriebe.
Es liegt im Wesen eines technischen Betriebes, in den durch irgendwelche
Vorgänge Energie einer Form in andere Form umgesetzt wird, daß die Umsetzung auf
möglichst wirtschaftlichem Weg erfolgt. Wenn der Träger der Ausgangsenergie einem
beschränkten Vorrat entnommen werden muß, gewinnen alle Maßnahmen, die darauf
abzielen, den Wirkungsgrad zu erhöhen, an Bedeutung. Die Kosten für geeignete
Einrichtungen solcher Art machen sich in kürzester Frist bezahlt durch die erzielten
Ersparnisse an Betriebsstoff. So ist es bei der Kohle: Es ist zu immer zwingenderer
Notwendigkeit geworden, ihren Heizwert möglichst vollkommen auszunutzen, und auch in
Zukunft wird sich – solange wir überhaupt auf Kohle als Wärmequelle angewiesen sind
– im Gang dieser Entwickelung nichts ändern.
Um Kohle zu sparen, sind richtig konstruierte und gebaute Feuerungs- und
Kesselanlagen notwendig; sie allein gewährleisten aber noch nicht, daß das Mögliche
wirklich erreicht wird. Erst durch fortlaufende Betriebskontrolle – beispielsweise
bei Dampfkraftanlagen durch Ueberwachung der Feuerung, der Speisewassertemperatur,
des Kondensators, der Dampftemperatur und der Dampfverteilung – ist es möglich, auch
aus einer zweckmäßig gebauten Anlage alles das herauszuholen, was sie überhaupt
hergeben kann. Und hier tritt die Meßtechnik in ihre Rechte. Die Meßeinrichtungen
müssen so gebaut sein, daß sie den Einflüssen des Betriebes standhalten; die
messenden Teile sollen, ohne daß sie stören, dort untergebracht sein, wo die Messung
zweckmäßig ist, die anzeigenden Teile sich aber dort befinden, wo das Ergebnis
gebraucht wird, und dieses muß unmittelbar, ohne Umrechnung und ohne Verzögerung,
aus der Anzeige ersichtlich sein. Nur dann, wenn die Messung gewissermaßen
selbsttätig erfolgt, wenn es nur eines Blickes auf das Anzeigegerät bedarf, um das
Ergebnis abzulesen, wird in einem Betrieb, wo es noch manch anderes zu tun gibt als
zu messen, von einer Meßeinrichtung dauernd Gebrauch gemacht werden. Diesen
Forderungen genügen, wie kaum andere, elektrische Meßeinrichtungen, ja, manche
Messungen, z.B. die sehr hoher Temperaturen, sind überhaupt nur mit Hilfe der
Elektrizität auszuführen.
Für die Wärme Wirtschaft sind naturgemäß in erster Linie solche Instrumente, mit
denen Temperaturen gemessen werden, wichtig, von den elektrischen Meßgeräten die
Widerstandsthermometer und die Thermoelemente. Bei jenen ist es der elektrische
Leitungswiderstand eines dünnen Metalldrahtes, der sich mit der Temperatur
gesetzmäßig und eindeutig verändert und dadurch den Strom einer Stromquelle in
meßbarer Weise beeinflußt, bei diesen entsteht unmittelbar ein elektrischer Strom,
wenn man zwei Leiter aus verschiedenen und für diese Zwecke geeignetem Material
durch Verlöten oder Verschweißen in innige Berührung bringt und die Berührungsstelle
erwärmt. Die Stromstärke entspricht dem Temperaturunterschied zwischen der
Berührungsstelle dieser Leiter und ihren kalten Enden. In beiden Fällen ist es
möglich, die Skala eines geeignet in den Stromkreis geschalteten Strommessers nach
Graden Celsius zu eichen. Da der temperaturempfindliche Teil der Meßanordnung mit
den übrigen Teilen und dem Meßgerät nur durch eine Doppelleitung, die allerdings
sachgemäß und sorgfältig verlegt sein muß, verbunden zu werden braucht, kann man ihn
dort anbringen, wo es für die Temperaturbeobachtung am zweckmäßigsten ist. Das
Anzeigegerät stellt man aber da auf, wo die Anzeige unmittelbar verwertet werden
kann, also z.B. am Heizerstand oder im Zimmer eines Betriebsbeamten. Die Möglichkeit
einer Fernanzeige mit einem so einfachen Mittel wie der Verlegung einer
Schwachstromleitung ist einer der größten Vorzüge der elektrischen Meßmethoden. Dazu
kommt noch, daß es durchaus nicht nötig ist, jeder Meßstelle ein eigenes
Anzeigegerät zuzuordnen. Sowohl die Widerstandsthermometer als auch die
Thermoelemente lassen sich so gleichmäßig herstellen, daß man für mehrere
Wärmemesser derselben Gattung ein einziges Anzeigegerät benutzen kann. Wenn es sich
darum handelt, Wärmeverluste in einer Anlage oder einem ihrer Teile festzustellen,
ist es nötig, die Temperatur an mindestens zwei Stellen der Anlage zu messen. So
gibt die Temperaturdifferenz des Dampfes zwischen dem Austritt aus dem Kessel und
dem Eintritt in die Kraftmaschine den Wärmeverlust, der durch mangelhafte Isolation
der Rohrleitungen entsteht. Die Temperatur des Kesselspeisewassers mißt man
zweckmäßigerweise an mehr als zwei Stellen, z.B. vor und hinter dem Wasserreiniger
oder Verdampfer, die des Zusatzwassers hinter diesen Stellen, am Eingang in den
Speisewasser-Hauptbehälter, dann vor dem Eintritt in jeden Kessel und schließlich
beim Austritt aus dem Wärmefang. Es ist aber nicht immer nötig, die Temperaturen an
all diesen Stellen zum selben Zeitpunkt zu messen, sondern es genügt oft, die
Messungen kurz nacheinander vorzunehmen, weil sich die Temperaturverhältnisse in
einem Kesselhausbetrieb innerhalb einiger Minuten nicht nennenswert ändern. Man
führt dann von den
einzelnen Thermometern an den verschiedenen Meßstellen Leitungen zum
gemeinschaftlichen Meßgerät und schaltet dieses mit Hilfe eines Tastenumschalters
einfach durch Drücken der zu der betreffenden Meßstelle gehörigen Taste in den
Stromkreis dieses Thermometers (Bild 1). Will man
andererseits die Temperaturen verschiedener Stellen dauernd miteinander vergleichen,
so ordnet man die Meßgeräte an einer gemeinsamen Tafel übereinander an. Besonders
eignen sich für diese Zwecke Profilinstrumente (s. Bild
12). Die Zeigerausschläge geben dann den Temperaturverlauf übersichtlich
und mit einem Blick erkennbar an.
Textabbildung Bd. 338, S. 142
Bild 1.Tastenumschalter mit Temperaturmesser.
Umgekehrt lassen sich mehrere Meßgeräte an dasselbe Thermometer anschließen. Das ist
besonders wichtig, wenn die Angaben der Thermometer registriert werden sollen. Ein
Meßgerät dient dann als Anzeigegerät, z.B. für den Heizer, das andere als
Registrier- oder als Kontrollinstrument für den Betriebsleiter. Endlich kann auch
das Registrierinstrument so ausgebildet sein, daß es die Angaben mehrerer
Wärmemesser selbsttätig auf einem ablaufenden Papierstreifen aufzeichnet. Diese
Geräte, wenn als „Mehrfarbenschreiber“ (Bild
2) ausgeführt, sind so konstruiert, daß sie bis zu sechs Kurven, und zwar in
verschiedenen Farben, niederschreiben Das Aufzeichnen der betriebswichtigen
Wärmevorgänge gibt nicht nur sichere Unterlagen für die Kontrolle des Personals,
sondern auch Hinweise für etwa an der Anlage auftretende Mängel oder für mögliche
Verbesserungen der Wirtschaftlichkeit des Betriebes.
Textabbildung Bd. 338, S. 142
Bild 2.Mehrfarbenschreiber.
Textabbildung Bd. 338, S. 142
Bild 3.Widerstandsthermometer für Messungen im Rauchgas.
Damit die Vorzüge der elektrischen Temperaturmessung auch voll ausgenutzt werden
können, ist es notwendig, daß alle zur Messung dienenden Geräte zweckmäßig gebaut
sind, namentlich nach der Richtung hin, daß sie den Einflüssen des Betriebes
standhalten. Der dünne Platindraht eines Widerstandsthermometers ist vor
mechanischen und chemischen Einflüssen dadurch geschützt, daß er in Quarzglas
eingeschmolzen ist. Außerdem erhält das Thermometer noch eine Bewehrung, deren Form
und Material sich nach dem Verwendungszweck des Instrumentes richtet, die aber immer
so ausgeführt ist. daß der Meßdraht die Temperatur der Meßstelle schnell und sicher
annimmt (Bild 3). Mit Widerstandsthermometern können
Temperaturen bis 800 Grad Celsius gemessen werden. Es wäre aber zwecklos, das
Anzeigegerät so zu bauen, daß es die Temperaturen innerhalb dieses ganzen Gebietes
anzeigt. Vielmehr wird man einen kleineren Meßbereich daraus auswählen und danach
das Anzeigegerät bauen. Als Stromquelle verwendet man Elemente oder Akkumulatoren.
Der Stromverbrauch ist ganz gering und die Stromquelle stellt an die Wartung keine
großen Ansprüche. Es genügt, von Zeit zu Zeit ihre Spannung zu kontrollieren, wozu
das Anzeigegerät selbst benutzt werden kann, und die Akkumulatoren neu
aufzuladen.
Textabbildung Bd. 338, S. 142
Bild 4.Wasserdichter Umschalter für Widerstandsthermometer.
Auch bei den Thermoelementen ist die richtige Wahl der Bewehrung von großem Einfluß,
oft sogar ausschlaggebend für die Brauchbarkeit des Gerätes. Nur die Kupferrohr –
Konstantan – Elemente brauchen häufig keinen besonderen Schutz, da das außenliegende
Kupferrohr an sich genügend Schutz gewährt. Je nachdem zum Bau der Thermoelemente
verwendeten Material ist die noch meßbare Höchsttemperatur verschieden. Für
Kupfer-Konstantan liegt sie bei etwa 500 Grad C, für Eisen-Konstantan bei etwa 800
Grad C und für Nickel-Nickelchrom bei 1100 Grad. Ist die zu messende Temperatur noch
höher, so muß man Edelmetalle (z.B. Platin-Platinrhodium) verwenden. Mit solchen
Thermoelementen aus Edelmetallen kann man Temperaturen bis zu 1600 Grad C
messen.
Textabbildung Bd. 338, S. 142
Bild 5.Glühfadenpyrometer, schematisch dargestellt.
Bei allen Thermoelementen darf nicht übersehen werden, daß sie nicht absolute
Temperaturen, sondern den Temperaturunterschied zwischen
der Lötbzw. Schweißstelle und den kalten Enden angeben. Man muß also darauf achten,
daß die Temperaturen an der Stelle, wo das Thermoelement an die normale Leitung
angeschlossen wird, hinreichend gleichmäßig und nicht zu hoch sind. Wo dies nicht
ohne weiteres der Fall ist, muß das Thermoelement durch sogenannte
„Kompensationsleitungen“ künstlich so weit verlängert werden, daß an der
Stelle, wo die Kompensationsleitung mit der normalen Leitung verbunden ist,
gleichmäßige Temperatur herrscht.
Textabbildung Bd. 338, S. 143
Bild 6.Ardometer, schematisch dargestellt.
Wie die Wärmemesser selbst, so lassen sich auch die Anzeigegeräte und Umschalter
derart bauen, daß sie den Fährnissen des oft rauhen Betriebes standhalten; sie
werden in wasser- und staubdichte Gehäuse gekapselt, wenn sie in feuchten oder
staubigen Räumen stehen sollen (s. Bild 4 und 8).
Textabbildung Bd. 338, S. 143
Bild 7.Kondensatorprüfer nach Patent Dr. P. Müller.
Die Widerstandsthermometer und Thermoelemente reichen aus für sehr viele
Temperaturmessungen; in Dampfbetrieben z.B. eignen sie sich zum Messen der
Temperaturen des Kesselspeisewassers, des Kühlwassers, des Dampfes und der
Rauchgase, auch für Temperaturmessungen an Maschinenteilen, z.B. an Lagern oder in
Transformatoren. Schwieriger wäre es jedoch, mit diesen Instrumenten die
Verbrennungstemperatur des Heizmaterials zu messen. Hier ist es vorteilhafter, zur
Messung die Strahlung zu benutzen, die von dem verbrennenden Heizmaterial ausgeht
und mit seiner Temperatur in gesetzmäßigem Zusammenhang steht, wenn es in einem ganz
oder nahezu abgeschlossenen Hohlraum brennt. Mit dem von Siemens & Halske
ausgeführten Glühfadenpyrometer nach Holborn und Kurlbaum (Bild 5) z.B. vergleicht man die Helligkeit des glühenden Körpers, dessen
Temperatur gemessen werden soll, mit der Helligkeit eines durch einen elektrischen
Strom erhitzten Glühfadens. Der Beobachter verändert die Stärke des die Lampe
speisenden Stromes, bis der Faden im Instrument ebenso hell erscheint wie das von
einer Sammellinse entworfene Bild des glühenden Körpers. Die Stärke des Meßstromes
gibt dann ein Maß für die Temperatur des Körpers. Objektive Anzeige liefert das
Siemenssche „Ardometer“ (Bild 6.) Eine
Glaslinse vereinigt die gesamte, auf die Linse auftreffende Strahlungsenergie auf
einem Vakuum-Thermoelement, das sich infolgedessen erwärmt; den Thermostrom, der
dabei entsteht, leitet man zu einem Anzeigeinstrument und gegebenenfalls auch zu
einem Schreibgerät. Das Ardometer ermöglicht also Fernanzeige und selbsttätige
Registrierung des Meßergebnisses.
Textabbildung Bd. 338, S. 143
Bild 8.Wasserdichtes zum Kondensatorprüfer.
Textabbildung Bd. 338, S. 143
Bild 9.Anzeigeinstrument des elektrischen Rauchgasprüfers.
In den bisher besprochenen Formen dienen die elektrischen Meßgeräte zur reinen
Temperaturmessung. Sie eignen sich aber auch zur Beobachtung einer Reihe von
Vorgängen oder Zuständen, die für die Wärmewirtschaft wichtig sind. So entstehen
Wärmeverluste, wenn sich das Vakuum im Kondensator einer Dampf-Kraftmaschine
verschlechtert. Der Temperaturunterschied zwischen Dampf und Kühlwasser gibt einen
sehr klaren Ueberblick über das Arbeiten des Kondensators. Zwei elektrische
Widerstandsthermometer, von denen eines im Kondensatorraum, das andere im
Zuleitungsrohr des Kühlwassers eingebaut ist (Bild
7), geben bei geeigneter Schaltung am Anzeigeinstrument (Bild 8) unmittelbar den Temperaturunterschied an.
Uebersteigt er den garantierten Mindestwert um mehr als 3 bis 5 Grad C, so ist das
ein sicheres Zeichen dafür, daß die Kondensatorröhren gereinigt werden müssen
oder daß der Kondensator undicht ist. Außer der Möglichkeit der Fernanzeige ist ein
besonderer Vorzug des elektrischen Kondensatorprüfers, daß er sich den
Betriebsverhältnissen im Sommer und Winter, hohen und tiefen Kühlwassertemperaturen,
anpaßt.
Textabbildung Bd. 338, S. 144
Bild 10.Gesamtanordnung des elektrischen Rauchgasprüfers.
Textabbildung Bd. 338, S. 144
Bild 11.Meßanordnung des elektrischen Rauchgasprüfers.
Textabbildung Bd. 338, S. 144
Bild 12.Gemeinsames CO2-Anzeige-Instrument für 9 Kessel, mit Tastenschalter und
Profilinstrument.
Ein anderer überaus wichtiger, aber in manchen Betrieben recht wunder Punkt ist die
Regelung des Feuers. Brennt das Feuer mit zu großem Luftüberschuß, so werden durch
die miterwärmte überschüssige Luft sehr beträchtliche Wärmemengen nutzlos durch den
Kamin entführt. Der Kohlensäuregehalt der Rauchgase läßt ein Urteil darüber zu, ob
die Luftzufuhr richtig geregelt wird. Wenn von manchen Seiten der Wert der Messung
des Kohlensäuregehaltes angezweifelt wurde, so liegt das daran, daß die bisher
üblichen Meßmethoden, z.B. chemische, nicht den Erfordernissen des Betriebes
entsprechen, daß die Geräte leicht zerbrechliche Teile enthalten, daß die Messung
besonderen Arbeitsaufwand und geschultes Personal erfordert, daß das Meßergebnis
erst nach Ablauf einer geraumen Zeit, wenn sich die Verhältnisse schon wieder
geändert haben können, gewonnen wird. Beim elektrischen Rauchgasprüfer von Siemens
& Halske genügt ein Blick auf das in der Nähe des Heizerstandes aufgestellte
Anzeigegerät (Bild 9), die Kohlensäuremenge, die
im Rauchgas enthalten ist, festzustellen.
Das Meßverfahren gründet sich darauf, daß die Kohlensäure ein geringeres
Wärmeleitvermögen besitzt als die übrigen Hauptbestandteile des Rauchgases.
Infolgedessen wird ein elektrisch geheizter Draht in einem kohlensäurehaltigen Gas
wärmer, als ein gleicher und von gleichem Strom geheizter Draht in Luft. Der
Temperaturunterschied wiederum hat eine verschiedene Leitfähigkeit für den
elektrischen Strom zur Folge, und dadurch wird der Kohlensäuregehalt auf mittelbarem
Wege einer elektrischen Messung zugänglich. Bild 10
zeigt die Anordnung der Anlage. Das Rauchgas wird aus dem Fuchs mit Hilfe einer
Wasserstrahlpumpe durch zwei Meßkammern (Bild 11), in
denen dünne Platindrähte ausgespannt sind, gesaugt. In einem zweiten Paare von
Kammern, die gewöhnliche, trockene Luft enthalten, befinden sich zwei den ersten
ganz gleiche Vergleichsdrähte; durch die Drähte fließt Strom aus ein und derselben
Stromquelle (einer Akkumulatorenbatterie). Durch Brückenschaltung wird der
Widerstandsunterschied mit Hilfe eines Strommessers gemessen, dessen Skala jedoch
nach Prozent des Kohlensäuregehaltes geeicht ist (s. Bild
9). Auch beim elektrischen Rauchgasprüfer kann man mehrere Meßstellen an
ein gemeinsames Anzeigegerät mit Druckknopf-Umschalter anschließen (Bild 12).
Textabbildung Bd. 338, S. 144
Bild 13.Anzeige-Instrument am Heizerstand, für CO2-Gehalt, Abgas- und
Ueberhitzer-Temperatur.
Unter Umständen (bei Planrostfeuerungen und bei Verfeuerung von Braunkohle) sind im
Rauchgas unverbrannte Gase (Kohlenoxyd und Wasserstoff) enthalten. Die Anzeige des
Kohlensäuregehaltes allein läßt dann keinen ganz sicheren Schluß darauf zu, ob das
Feuer mit richtigem Luftüberschuß brennt. In solchen Fällen läßt sich dem
eigentlichen Rauchgasprüfer, dem Kohlensäuremesser, als Zusatzgerät ein elektrischer
Kohlenoxyd- und Wasserstoffmesser angliedern. Das Anzeigegerät gibt ebenso wie das
des CO2-Messers den Gehalt an CO oder H2 unmittelbar
in Prozenten an (s. Bild 9). Für den Heizer ergibt
sich als einfache und leicht faßliche Richtschnur für seine Maßnahmen: kein oder
doch möglichst geringer Kohlenoxyd-, aber möglichst hoher Kohlensäure-Gehalt! Daß
die Angaben des elektrischen Rauchgasprüfers ebenso wie die der elektrischen
Thermometer durch selbsttätige Schreibapparate aufgezeichnet werden können, erhöht
ihren Wert für die wärmewirtschaftliche Betriebskontrolle.
Wie einfach und übersichtlich sich die Betriebsüberwachung eines Dampfkessels bei
Verwendung elektrischer Meßgeräte gestalten läßt, zeigt Bild 13; die drei Meßgeräte am Heizerstand zeigen gleichzeitig den
Kohlensäuregehalt der Rauchgase, ihre Temperatur und die Ueberhitzertemperatur
an.
Die leicht durchführbahre Fernanzeige und die Verwendbarkeit von Registrierapparaten
sind es, die elektrisch betriebenen Geräten auch dort Eingang verschafft haben,
wo die Messung selbst auf rein mechanischem Wege vorgenommen wird. So gibt die Menge
des dem Kessel zugeführten Speisewassers zusammen mit dem Gewicht der verfeuerten
Kohle die Verdampfungsziffer einer Kesselanlage. Die Wassermesser, unter denen
Kesselspeise-Heißwassermesser Erwähnung verdienen, werden am Messerkopf mit einem
Kontaktwerk versehen, mit dessen Hilfe die Umdrehungen des Meßwerkes auf den
Fernregistrierapparat übertragen werden. Auch die durch eine bestimmte Rohrleitung
fließende Dampfmenge, die durch Venturimesser angegeben wird, läßt sich auf
elektrische Registrier- und Zählapparate übertragen und durch sie aufzeichnen.
Die vorstehenden Ausführungen können nur in großen Zügen ein Bild von der
vielseitigen Verwendbarkeit elektrischer Meßeinrichtungen für wärmewirtschaftliche
Zwecke geben. Es ist aber daraus zu ersehen, daß mit ihrer Hilfe, auch wenn eine
größere Zahl von Messungen dauernd auszuführen ist, der Betrieb nicht belastet, daß
er im Gegenteil infolge der Anzeige am gehörigen Ort entlastet und so seine
Wirtschaftlichkeit in doppelter Hinsicht gehoben wird.