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Dokumentenidentifikation DE69529268T2 15.05.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 0713083
Titel Apparat und Verfahren zur Eichung einer thermischen Farbe
Anmelder Alstom Power UK Ltd., Lincoln, GB
Erfinder Smith, Michael K.D., Lincoln, Peterborough, GB;
Marriot, David G., Heighington, Lincoln, GB
Vertreter Patentanwälte Reichel und Reichel, 60322 Frankfurt
DE-Aktenzeichen 69529268
Vertragsstaaten CH, DE, FR, LI
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 31.10.1995
EP-Aktenzeichen 953077559
EP-Offenlegungsdatum 22.05.1996
EP date of grant 02.01.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.2003
IPC-Hauptklasse G01K 15/00

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft die Eichung thermischer Farben, das heißt Temperatur anzeigender Farben, die ihren Farbton fortschreitend mit einem Temperaturanstieg verändern und die allgemein dazu verwendet werden, Arbeitstemperaturen von Bauteilen sicherzustellen, die anders schwierig zu überwachen sind. Der Farbwechsel wird durch Abkühlen nicht rückgängig gemacht, so daß eine wirksame Aufzeichnung der erreichten Temperatur erzielt wird. Eine typische Anwendung für eine derartige. Farbe könnte sich zum Beispiel für jene Bauteile in einem Gasturbinenmotor anbieten, die einem heißen Gasstrom ausgesetzt sind.

Derartige Farben können je nach Hersteller und Fertigungsansatz eines Herstellers unterschiedliche charakteristische. Merkmale aufweisen. In den Fällen, in denen exakte Ergebnisse wichtig sind, ist es notwendig, jeden Fertigungssatz auf die Abhängigkeit des Farbtons von der Temperatur zu prüfen. Auf diesen Punkt bezieht sich der Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Ein Verfahren zur Eichung des Farbtons einer Farbe ist in British Standard 1041 beschrieben. Kurz, es handelt sich um ein elektrisches Widerstandsverfahren, in dem ein Teststück des Materials angestrichen wird und ein elektrischer Heizstrom hindurchgeleitet wird. Das Stück hat einen sich verjüngenden Bereich, so daß die Temperatur, die (mit Hilfe von Thermoelementen) gemessen wird, am engsten Punkt am höchsten und am breitesten Punkt am niedrigsten ist. Auf diese Weise wird ein Temperaturgradient erzeugt, entlang dessen die Farbtonänderung beobachtet werden kann und gegen den entsprechenden Temperaturveränderung aufgetragen werden kann.

Verfahren wie dieses haben zumindest den Nachteil, daß unterschiedlich geformte Teststücke für unterschiedliche Temperaturgradientenbereiche erforderlich sind.

Ein weiteres, dem Stand der Technik entsprechendes Verfahren besteht darin, ein Teststück zu nehmen und es über einen bestimmten Zeitraum in einem Ofen auf eine bestimmte Temperatur aufzuheizen, bevor es wieder herausgenommen wird. Dieses Verfahren wird dann für eine Anzahl von Teststücken mit unterschiedlichen Erwärmungszeiträumen wiederholt, um den erforderlichen Temperaturbereich abzudecken. Es ist offensichtlich, daß dieses Verfahren für einen Bereich von Temperaturen zeitaufwendig und teuer ist.

Eine Infrarot-Temperaturanalysiervorrichtung zur Eichung der Temperatur ist aus der Zusammenfassung des Japanischen Patents Nr. JP 509 36 55 bekannt, in der ein wärmeleitendes Material an einem Ende seiner Längsausdehnung erwärmt wird, um entlang dieser einen linearen thermischen Gradienten aufzubauen. Temperaturmeßwertgeber sind in Abständen zueinander entlang des Materials angeordnet, um den thermischen Gradienten zu ermitteln.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Temperatureichvorrichtung ein wärmeleitendes Teststück mit einer Wärmeflußachse, die sich von einer Wärmequelle erstreckt, und erste und zweite Temperaturmeßeinrichtungen, welche in einer Beziehung zu dem Teststück stehen, in der sie die Temperatur abtasten können, wobei die Wärmequelle so angeordnet ist, daß sie entlang der Wärmeflußachse des Teststücks zwischen der ersten und der zweiten Temperaturmeßeinrichtung einen Temperaturgradienten aufbaut, wobei

die erste und die zweite Wärmequelle aneinander entgegengesetzten Enden des Teststücks angeordnet sind,

die erste und die zweite Temperaturmeßeinrichtung jeweils an einem Punkt zwischen dem Mittelpunkt des Teststücks und der ersten und der zweiten Wärmequelle angeordnet sind, und Steuereinrichtungen vorgesehen sind, um den Wärmeeintrag aus den Wärmequellen in die Enden der Teststücke als Antwort auf Temperaturen, die durch Temperaturmeßeinrichtungen ermittelt werden, zu steuern, um so unterschiedliche Referenzteinperaturen an jeder Temperaturmeßeinrichtung und einen daraus resul tierenden vorbestimmten Temperaturgradienten zwischen der ersten und der zweiten Temperaturmeßeinrichtung aufzubauen.

Das Teststück kann einen einheitlichen Querschnitt haben und kann zwischen der ersten und der zweiten Temperaturmeßeinrichtung in ein Isoliermaterial eingelassen sein. Das Isoliermaterial kann in einem zentralen Bereich des Teststücks zwischen den Temperaturmeßeinrichtungen ausgespart sein, so daß eine Schicht thermischer Farbe aufgebracht werden kann.

Jedes Ende des Teststücks erstreckt sich bevorzugt in einen jeweiligen Kaminbereich und endet in dem jeweiligen Kaminbereich, wobei die Wärmequellen in den jeweiligen Kaminbereichen enthalten sind.

Das Teststück kann ein steifer Metallstreifen sein, dessen Enden sich jeweils in einen Kaminbereich erstrecken und in diesem Kaminbereich enden, wobei die Wärmequellen in den entsprechenden Kaminbereichen unter den jeweiligen Enden des Teststücks angeordnet sind, die Kaminbereiche einen rechteckigen Querschnitt haben und durch ein rechteckiges Gehäuse miteinander verbunden sind, welches das Isoliermaterial umschließt. Zumindest ein Kaminbereich weist eine Öffnung auf, um das Einsetzen des Teststücks in seine Betriebsposition zu ermöglichen. Bei den Wärmequellen kann es sich um Gasbrenner handeln.

Zumindest eine Fläche des Teststücks in dem Bereich zwischen der ersten und der zweiten Temperaturmeßeinrichtung ist mit einer Beschichtung aus thermischer Farbe versehen.

Das Teststück kann mit einer thermisch ansprechenden Farbe in einem Bereich zwischen der ersten und der zweiten Temperaturmeßeinrichtung versehen sein und die Steuereinrichtungen können so angeordnet sein, daß sie die Wärmequellen steuern, um die Temperaturen beizubehalten, die durch die Temperaturmeßeinrichtung ermittelt wurden, derart daß die Temperaturen in dem mit Farbe beschichteten Bereich den Temperaturbereich umfassen, auf den die thermisch ansprechende Farbe reagiert.

Nach einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Temperatureichverfahren bereit, in dem ein sich längs erstreckendes Teststück mit einem ersten und einem zweiten Ende an einem seiner Enden erhitzt wird, um entlang eines Bereichs des Teststücks zwischen seinen Enden einen Temperaturgradienten bereitzustellen und in dem die Temperatur des Teststücks an jedem Ende des mittleren Bereichs aufgezeichnet wird,

wobei das Teststück zumindest entlang eines zentralen Bereichs des mittleren Bereichs mit einer thermischen Farbe überzogen ist, die thermische Farbe geeignet ist, mit steigender Temperatur fortschreitend und irreversibel einen Bereich von Farben anzunehmen und das Verfahren ferner die Schritte umfaßt, das Teststück an seinen beiden Enden aufzuheizen und die Erwärmung der Enden des Teststücks differentiell in Abhängigkeit der beobachteten Temperaturen zu steuern, um einen bestimmten Temperaturgradienten entlang des mittleren Bereiches bereitzustellen.

Die Vorrichtung und das Verfahren zur Eichung einer thermischen Farbe werden im folgenden beispielhaft in bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, welche einen schematischen Schnitt zeigt.

Ein Teststück 6 ist ein Metallstreifen, gewöhnlich 5 Millimeter dick, 15 Millimeter breit (Abmessungen nicht dargestellt) und 100 Millimeter lang. Der Streifen wird zwischen zwei Kaminbereichen 1 und 2 gehalten, welche einen rechteckigen Querschnitt haben und durch ein Gehäuse 5, das ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt hat, verbunden sind. Die Innenwände des Kamins haben Öffnungen 11, durch die das Teststück in die Kamine 1 und 2 hineinragt. Die entgegengesetzten Flächen jedes Kamins weisen ebenfalls eine Öffnung 12 auf, durch die das Teststück eingeführt werden kann.

In jedem Kamin befindet sich eine Wärmequelle 3 oder 4, die durch einen Gasbrenner gesteuert wird, wobei die Steuereinrichtung mit 10 bezeichnet ist.

Bei differentieller Steuerung des Brenners wird eine Temperaturdifferenz zwischen den Thermoelementen 8 und 9 angelegt, indem die Wärme dazu gebracht wird, vom linken Ende des Teststücks zum rechten Ende zu wandern. Wenn senkrecht zum Teststück kein Wärmeverlust auftritt und der Querschnitt konstant ist, liegt ein linearer Temperaturgradient zwischen den Thermoelementen vor.

Die Messung der Temperatur des Teststücks erfolgt durch zwei Thermoelemente 8 und 9, die an jeweils einem Ende des Untersuchungsbereichs und genau in dem Gehäuse 5 angeordnet sind. Das Gehäuse ist auf allen Flächen mit einer dicken Wand aus Isoliermaterial ausgekleidet, welches im zentralen Untersuchungsbereich ausgespart ist, um, wenn notwendig, Raum für den Durchtritt von Gas zu erlauben.

Ein komplett linearer Temperaturgradient entlang der Wärmeflußachse erfordert absolut Null Wärmeverlust über die Seiten und Kanten des Teststücks im Untersuchungsbereich, so daß der gesamte Wärmeeintrag am "heißen Ende" über das "kalte Ende", abgeführt wird. Er erfordert ebenfalls einen konstanten Querschnitt des Teststücks entlang der Wärmeflußachse. Ein gewisser Grad an Wärmeverlust kann durch einen entsprechenden abnehmende Querschnittsgradienten kompensiert werden.

Die ideale Anordnung zur Bereitstellung eines Wärmeverlusts von Null ist daher eine solche, in der die Isolierung 7 über den gesamten Untersuchungsbereich in Kontakt mit dem Teststück 6 steht. Ein Hohlraum 13 und eine dicke Isolierwand 7 sind jedoch eine gute Näherung der idealen Anordnung.

Im Betrieb wird das Teststück auf einer oder beiden Seiten über den zentralen Bereich zwischen den Thermoelementen angestrichen. Die Brenner werden dann angestellt wobei sie von ihren jeweiligen Thermoelementen gesteuert werden, bis sich die Temperatur über einen bestimmten Zeitraum stabilisiert hat. Dann wird die Platte entfernt, eine lineare Temperaturskala festgelegt, um sie in Übereinstimmung mit den Referenztempera turen bei 8 und 9 zu bringen, um so einen Farbtonbereich uns die jeweiligen entsprechenden Temperaturen bereitzustellen.

Die Vorrichtung kann dazu verwendet werden, Farben zur Verwendung bei Gasturbinen zu eichen, wobei das fragliche Bauteil Temperaturen von 1200ºC erreichen kann. Die Eichvorrichtung muß daher geeignet sein, einen Temperaturgradienten zu erreichen, der sich von einer Temperatur von 1200ºC und nach unten bis zu sage 600ºC erstreckt. Ausgewählte kleinere Bereiche können ebenfalls auf Farben angewendet werden, die feinere Unterscheidungen ermöglichen, zum Beispiel bei denen ein Farbwechsel mit einer Temperaturveränderung von zum Beispiel 20ºC auftritt. Die eingestellten Temperaturen, die bei 8 und 9 erforderlich sind, werden in die Steuereinrichtungen 10 eingegeben, die wiederum die Brenner 3 und 4 steuern, damit diese Temperaturen erreicht werden.

Es hat sich herausgestellt, daß das Material des Teststücks in einigen Fällen Einfluß auf den Farbton der Farbe hat. Ein Material, zum Beispiel Nimonic 75, kann daher ausgewählt werden, um das Material der Turbinenbauteile zu simulieren.

Auch kann der Farbton der Farbe durch das Arbeitsgas in der Turbine beeinflußt werden (Verbrennungsprodukte im Abgas) Dieser Faktor sollte berücksichtigt werden, wenn das Teststück in Gegenwart des Abgases, das langsam durch den Raum 13 gepumpt wird, erhitzt wird.

Bei der beiliegenden Darstellung handelt es sich lediglich um eine schematische und es sollte klar sein, daß die Thermoelemente nicht wie gezeigt vor dem Einsetzen des Teststücks angebracht werden. Eine abschließende Wand des Gehäuses 5 kann zusammen mit seiner Isolierwand entfernt werden, um nach dem Einsetzen des Teststücks einen Zugang zu erlauben.

Die Vorteile der beschriebenen Ausführungsform sind folgende:

1. Größere Genauigkeit. Teststück, Farbe und Thermoelemente haben dieselbe Temperatur, so daß es weniger Ursachen für Fehler gibt und ferner das lineare Temperaturprofil senkrecht zum Wärmefluß steht.

2. Es ist nur ein Teststück für einen ganzen Temperaturbereich erforderlich.

3. Eine relativ schnelles und billiges Verfahren.

4. Mit geringen Veränderungen der Ausstattung ist es möglich, das Teststück mit einer Gasumgebung zu versehen, vergleichbar mit der, der das tatsächliche Bauteil im Betrieb ausgesetzt ist. Wenn aus irgendwelchem Grund die Farbe durch ein solches Gas anders als durch die normale Luftumgebung beeinflußt wird, kann diese Fehlerursache auf eine solche Weise eliminiert werden.


Anspruch[de]

1. Temperatursteuervorrichtung, aufweisend:

ein wärmeleitendes Teststück (6) mit einer Wärmeflußachse, die sich von einer Wärmequelle (3, 4) erstreckt und erste und zweite Temperaturmeßeinrichtungen (8, 9), die in einer Temperaturmeßbeziehung zu dem Teststück stehen, wobei die Wärmequelle so angeordnet ist, daß ein Temperaturgradient entlang der Wärmeflußachse des Teststücks zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturmeßeinrichtung aufgebaut wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Wärmequelle (3, 4) an einander entgegengesetzten Enden des Teststücks angeordnet sind,

die erste und die zweite Temperaturmeßeinrichtung (8, 9) an Punkten zwischen einem Mittelpunkt des Teststücks und der ersten und der zweiten Wärmequelle angeordnet sind, und Steuereinrichtungen (10) vorgesehen sind, um die Wärmezufuhr aus den Wärmequellen in die Enden des Teststücks als Antwort auf die Temperaturen, die von den Temperaturmeßeinrichtungen gemessen werden, zu steuern, wobei an jeder Temperaturmeßeinrichtung eine unterschiedliche Temperatur und zwischen der ersten und der zweiten Temperaturmeßeinrichtung ein resultierender Temperaturgradient eingestellt wird.

2. Temperatursteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Teststück (6) einen einheitlichen Querschnitt hat.

3. Temperatursteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Teststück (6) zwischen der ersten und der zweiten Temperaturmeßeinrichtung von Isoliermaterial (7) umgeben ist.

4. Temperatursteuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial (7) in einem zentralen Bereich des Teststücks zwischen den Temperaturmeßein richtungen (8, 9), der mit einer thermischen Farbe beschichtet werden soll um das Teststück (6) herum ausgespart ist.

5. Temperatursteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich jedes Ende des Teststücks (6) in jeweils einen Kaminbereich (1, 2) erstreckt und in dem jeweiligen Kaminbereich endet, und die Wärmequellen (3, 4) in den jeweiligen Kaminbereichen angeordnet sind.

6. Vorrichtung zur Einstellung der Temperatur nach Anspruch 3 oder. Anspruch 4, wobei es sich bei dem Teststück um einen steifen Metallstreifen handelt und sich jedes Ende des Teststück (6) in einen Kaminbereich (1, 2) erstreckt und in dem Kaminbereich endet, wobei die Wärmequellen (3, 4) in den jeweiligen Kaminbereichen unter den Enden des Teststücks enthalten sind, die Kaminbereiche einen rechteckigen Querschnitt haben und durch ein rechteckiges Gehäuse (5) verbunden sind, das das Isoliermaterial (7) umgibt und zumindest ein Kaminbereich eine Öffnung (12) aufweist, um ein Einsetzen des Teststücks in seine Betriebsposition zu erlauben.

7. Vorrichtung zur Einstellung der Temperatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei den Wärmequellen um Gasbrenner (3, 4) handelt.

8. Vorrichtung zur Einstellung der Temperatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Fläche des Teststücks im Bereich des Teststücks zwischen der ersten Temperaturmeßeinrichtung und der zweiten Temperaturmeßeinrichtung (8, 9) mit einer Beschichtung aus thermischer Farbe versehen ist.

9. Vorrichtung zur Eichung einer thermischen Farbe, aufweisend eine Temperatursteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Teststück (6) in einem Bereich zwischen der ersten und zweiten Temperaturmeßeinrichtung (8, 9) mit einer thermisch ansprechenden Farbe beschichtet ist und die Steuervorrichtung so eingerichtet ist, daß sie die Wärmequellen (3, 4) so steuert, daß die Temperaturen, die durch die Temperaturmeßeinrichtungen gemessen werden, beibehalten werden, derart daß die Temperaturen in dem mit Farbe überzogenen Bereich den Temperaturbereich umfassen, auf den die thermisch ansprechende Farbe reagiert.

10. Verfahren zur Temperatureichung, in dem ein sich in Längsrichtung erstreckendes Teststück, das ein erstes und ein zweites Ende aufweist, an einem seiner Enden erhitzt wird, so daß ein Temperaturgradient über einen Bereich zwischen den beiden Enden des Teststücks bereitgestellt wird, und in dem die Temperatur des Teststücks an jedem der Enden des Zwischenbereiches beobachtet wird, dadurch gekennzeichnet daß das Teststück mit einer thermischen Farbe über zumindest einen zentralen Bereich des Zwischenbereichs beschichtet wird, wobei die thermische Farbe geeignet ist, mit steigender Temperatur fortschreitend und irreversibel Farbtöne eines Bereichs anzunehmen, wobei das Verfahren ferner die Schritte beinhaltet, das Teststück an beiden seiner Enden aufzuheizen und die Erwärmung der Enden des Teststücks in Abhängigkeit von den beobachteten Temperaturen zu steuern, um einen bestimmten Temperaturgradienten über den Zwischenbereich bereitzustellen.







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