Temperaturmessungen an flüssigem Gußeisen. Dipl.-Ing. Möller, Frankfurt/M. Dipl.-Ing. MÖLLER, Temperaturmessungen an flüssigem Gußeisen. Die in der Meßtechnik üblichen Methoden zur Temperaturmessung bedürfen einer besonderen Ausgestaltung, wenn es sich um die Messung flüssigen Gußeisens handelt. Der erforderliche Meßbereich umfaßt etwa 1250 bis 1550° Cels. Von den Thermometern, die das wärmeempfindliche Element in unmittelbare Berührung mit dem zu messenden Medium bringen, ist bei diesen Temperaturen nur noch das thermoelektrische Pyrometer brauchbar. Textabbildung Bd. 339, S. 206 Bild 1: Strahlungspyrometer an einem Schmelzofen. Es beruht auf der Erscheinung, daß zwei an einem Ende miteinander verschweißte Stäbe verschiedenen Metalls an ihren freien Enden eine elektrische Spannung (Thermospannung) zeigen, wenn die Schweißstelle einer von den freien Enden abweichenden Temperatur ausgesetzt wird. Da der rechnerische Zusammenhang zwischen Temperatur und Thermospannung bekannt ist, kann man den Spannungsmesser für die Thermospannung gleich in Temperatureinheiten eichen. Für die Metallstäbe benutzt man einerseits Platin, andererseits eine Legierung von Platin und Rhodium. Textabbildung Bd. 339, S. 206 Bild 2: Pyropto im Schnitt. Um rasche Zerstörungen des Platinelements durch Bildung von Platin-Eisenlegierungen zu vermeiden, muß das Element in eine Schutzhülle eingebaut werden, wobei allerdings Verzögerung und Verschlechterung des Wärmeübergangs mit in Kauf genommen werden müssen. An die Schutzrohre werden nun große Anforderungen gestellt: der Werkstoff, aus dem das Rohr besteht, darf auch bei 1500° noch nicht schmelzen, muß im Gegenteil noch ausreichend fest und hart bleiben. Der Werkstoff soll weiterhin schroffe Temperaturwechsel vertragen, darf weder von flüssigem Gußeisen noch von flüssiger Schlacke angegriffen werden und muß vor allen Dingen die Wärme gut leiten. Diesen vielgestaltigen Anforderungen entsprechen nur Schutzrohre aus besonderen keramischen Massen einigermaßen, doch muß man stets infolge Verschleiß und mechanischer Zerstörung mit einem häufigen Ersatz der Schutzrohre rechnen. Für Dauermessungen in flüssigem Gußeisen sind thermoelektrische Pyrometer nicht zu verwenden. Wegen der Nachteile, die allen den Thermometern notwendig anhaften müssen, deren wärmeempfindlicher Teil mit dem flüssigen Eisen unmittelbar in Berührung kommt, hat man versucht, die strahlende Wirkung der Glutmasse zur Temperaturmessung auszunutzen; so entstanden die Strahlungspyrometer. Allen Strahlungspyrometern gemeinsam ist zunächst der Vorteil, daß die Meßgeräte mit dem flüssigen Eisen überhaupt nicht in Berührung kommen, sondern daß das Eisen aus einiger Entfernung anvisiert wird. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Anzeige stets augenblicklich ohne jede Verzögerung erfolgt. Man unterscheidet zwei auf ganz verschiedenen physikalischen Grundsätzen beruhende Pyrometer: Gesamtstrahlungspyrometer und Teilstrahlungspyrometer. Textabbildung Bd. 339, S. 207 Bild 3: Messen mit dem Pyropto. Die Wirkungsweise des Gesamtstrahlungspyrometers beruht auf folgender Grundlage: als schwarzer Körper wird in der Physik ein Körper bezeichnet, der alle auf ihn fallenden Strahlen absorbiert und keine reflektiert. Da nun das Emissionsvermögen eines solchen Körpers proportional dem Absorptionsvermögen ist, sendet ein schwarzer Körper bei Erhitzung ein Maximum von Strahlen aus. Vollständig schwarze Körper gibt es nicht, doch nähert sich der Innenraum eines glühenden Ofens dem Idealfall sehr stark, wenn alle Klappen verschlossen sind und die Beobachtung nur durch ein Schauloch erfolgt. Das Gesamtstrahlungspyrometer arbeitet nun in der Weise, daß die von einem glühenden Körper ausgehenden Strahlen durch irgendein optisches System gesammelt und auf einem kleinen, möglichst schwarzen Körper vereinigt werden. Es setzt sich dann hier die Energie der sichtbaren und unsichtbaren Strahlen zu Wärme um. Die dadurch erzeugte Temperatursteigerung wirkt auf die Schweißstelle eines kleinen Thermoelements und hat eine entsprechende Thermospannung zur Folge, die mit einem gleich in Temperatureinheiten geeichten Milli-Voltmeter gemessen wird. Damit die Schweißstelle des Thermoelements dem Idealfall eines schwarzen Körpers möglichst nahe kommt, wird sie in eine luftleere Glashülle eingeschmolzen und geschwärzt. Die Angaben eines Strahlungspyrometers sind grundsätzlich unabhängig von der Entfernung des Strahlers von der Optik, solange der Strahler ausreichend groß ist. Die Optik schneidet stets einen Kegel aus, dessen Oeffnungswinkel konstant ist. Zwar nimmt die Energie der Strahlung mit dem Quadrat der Entfernung ab, in gleichem Verhältnis aber die vom Kegel aus dem Strahler geschnittene strahlende Fläche zu, so daß die auf das Thermoelement fallende Energiemenge theoretisch konstant bleibt. Die Strahlung flüssigen Gußeisens an freier Luft z.B. in der Abstichrinne weicht nun von der Strahlung eines schwarzen Körpers sehr stark ab. Die anzuwendenden Korrekturwerte unterliegen starken Streuungen, deren Ursachen und Ausmaße noch nicht geklärt sind. Man hat versucht, diese Schwierigkeit auf folgende Weise zu umgehen: in den Vorherd eines Kupolofens wird ein einseitig geschlossenes Rohr aus hochfeuerfester Masse so eingebaut, daß es allseitig in das flüssige Gußeisen eintaucht. Das Strahlungspyrometer wird so eingestellt, daß durch das Rohr hindurch der glühende Boden des Rohres anvisiert wird. Das Rohrinnere strahlt etwa wie ein schwarzer Körper, so daß die Messung theoretisch einigermaßen richtig ausfällt. Beim praktischen Gebrauch jedoch werden die Glührohre vielfach durch Verschleiß und den schroffen Temperaturwechsel zerstört, so daß dieses Verfahren keine allzugroße Verbreitung gefunden hat. Will man dagegen die Innentemperatur von Glühöfen, Schmelzöfen und dergleichen dauernd überwachen oder aufzeichnen, so eignet sich dazu ein Gesamtstrahlungspyrometer sehr gut. Das Bild 1 zeigt den Anbau mehrerer Strahlungspyrometer an einem Schmelzofen. Die Temperatur wird an einem gemeinsamen Anzeiggerät abgelesen, das durch Umschalter mit den einzelnen Meßstellen verbunden werden kann. Die ganze Anlage wurde von der Hartmann & Braun A.-G. geliefert. Statt des Anzeiggeräts kann man auch ein Schreibgerät verwenden und damit den Temperaturverlauf über längere Zeitstrecken hin aufzeichnen. Bei einem Teilstrahlungspyrometer wird folgendes Meßverfahren angewandt: die Helligkeit eines glühenden Körpers steht mit seiner Temperatur im bestimmten gesetzmäßigen Zusammenhang. Durch fotometrischen Vergleich der Lichtstärken bei einer bestimmten Wellenlänge lassen sich also die Temperaturen glühender Körper vergleichen. Man kann diesen Vergleich der Lichtstärken auf zwei verschiedene Arten vornehmen. Man nimmt eine konstante bekannte Vergleichlichtquelle und schwächt die vom Prüfling ausgehende Strahlung soweit, bis die Helligkeit übereinstimmt. Der Grad der Schwächung ist dann ein Maß für die Temperatur des Prüflings (Prinzip von Wanner). Man kann aber auch die Vergleichslichtquelle so einregeln, daß ihre Helligkeit mit der Helligkeit des Prüflings übereinstimmt (Prinzip von Holborn und Kurlbaum). In der Praxis haben sich fast nur Geräte der zweiten Art bewährt. Als Vergleichslichtquelle wird der Glühfaden einer elektrischen Lampe genommen. Durch Aendern der Fadenspannung wird die Lampe so eingeregelt, daß der Glühfaden auf dem Bild der gleichzeitig betrachteten strahlenden Fläche verschwindet. Die Fadenspannung ist ein Maß für die Temperatur des Fadens und damit für die Temperatur der strahlenden Fläche. Die Fadenspannung mißt man mit einem kleinen Spannungsmesser, der gleich in Temperatureinheiten geeicht wird. Ein Beispiel für solch ein optisches Pyrometer ist das Pyropto von Hartmann & Braun (Bild 2.) Textabbildung Bd. 339, S. 208 Bild 4: Meßstelle am ausfließenden Eisen. Es besteht aus einem Fernrohr, durch das die glühende Masse betrachtet wird. Im Innern des Fernrohrs zwischen Objektivlinse und Okularlinse ist eine Glühlampe eingebaut. Blickt man durch das Fernrohr, so erscheint der Lampenfaden vor dem glühenden Körper. Die Glühlampe wird von einem Sammler gespeist, der im Handgriff des Geräts untergebracht ist. Ueber dem Fernrohr liegt die Skala des Spannungsmessers, um das Fernrohr herumgreifend der Regelwiderstand für die Glühlampe. Wie das Bild 3 zeigt, schaut man durch das Fernrohr auf die glühende Masse und dreht die Rändelscheibe soweit, bis der Glühfaden der Lampe in dem Bild der glühenden Masse gerade verschwindet. Dann schaut man kurz auf und liest die Temperatur ab (Bild 3). Am besten wird die Temperatur des flüssigen Gußeisens in der Weise bestimmt, daß man den aus der Abstichrinne abfließenden Eisenstrahl von rückwärts unmittelbar unter der Rinne anvisiert (Bild 4). Das Eisen ist dort noch vollständig blank, hat sich an der Oberfläche noch nicht nennenswert abgekühlt und entwickelt auch noch nicht Kieselsäuredämpfe, die an allen anderen Stellen des Eisenstrahls aufsteigen und die Lichtemission abschwächen. Da im höheren Temperaturbereich der optisch wirksame Teil der Strahlung sehr stark zunimmt, ergibt ein Helligkeitsfehler von 10 % bei der Einstellung nur einen Temperaturfehler von 1 bis 2 %. Ein solcher Helligkeitsfehler von 10 % ist bei einem einigermaßen geübten Beobachter ganz ausgeschlossen. Man soll sich allerdings nicht auf die absolute Richtigkeit der gemessenen Werte verlassen. Darauf kommt es aber auch im Betrieb nicht an, sondern man will die relativen Temperaturschwankungen ganz genau kennen, die das flüssige Gußeisen an den einzelnen Tagen und bei den einzelnen Abstichen zeigt. Dazu sind die optischen Pyrometer heute schon ein unentbehrliches Hilfsmittel geworden.