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.