Die Erfindung betrifft eine Sonde zur Temperaturmessung mit einem Sonden¬ körper, der eine Bohrung aufweist, in die ein Thermoelement einsetzbar ist, dessen thermisch empfindliche Spitze aus dem vorderen Teil des Sondenkör¬ pers herausragt.

Derartige Sondenkörper sind bekannt. Sie sind in der Regel zylindrisch ausgebildet und verlaufen am vorderen Ende konisch. Am hinteren Ende sind sie mit einem Gewinde versehen, mit dem sie in eine Halterung einschraubbar sind. In die zylindrische Bohrung ist ein Thermoelement bekannter Bauart, vorzugsweise ein Miniatur-Mantel-Thermoelement, einge- setzt. Derartige Thermoelemente bestehen normalerweise aus zwei Adern unterschiedlicher Metalle, die in ein Isolationsmaterial eingebettet und von einer metallischen Abschirmung, dem Mantel, umgeben sind. Als Isolations¬ material dient dabei Magnesiumoxid oder Aluminiumoxid, die einen hohen Isolationswiderstand besitzen. Als Mantelmaterialien werden in der Regel rostfreie Stähle verwendet. Als Adern des Thermoelements werden üblicher¬ weise NiCr-Ni-Drähte verwendet, die am vorderen Ende miteinander ver¬ schweißt sind. Bei Temperaturen über 1200 °C kommen auch Platin-Rhodi¬ um-Platin-Thermopaare zum Einsatz.

Thermosonden mit derartigen Thermoelementen werden für viele Zwecke eingesetzt. Probleme entstehen, wenn sie zur Temperaturmessung in Reakto¬ ren und Reaktorrohren eingesetzt werden, die unter hohem Druck stehen und

bei denen eine schnelle Temperaturerfassung notwendig ist. Der hohe Druck führt dazu, daß der Sondenkörper, der stabil ausgeführt sein muß, eine große Wandstärke aufweist. Dies führt zu einer relativ trägen Temperatur¬ änderung, welche sich auf die Spitze des Thermoelements überträgt. An- lagen, in denen solche Thermosonden zum Einsatz kommen, sind beispiels¬ weise Hochdruck-Polyethylenanlagen, bei denen die Reaktion durch Ethylen- verdichtung bei Betriebsdrücken zwischen 1500 und 3500 bar betrieben wird. In einem solchen Reaktor sind ca. 40 Thermosonden im Einsatz, die das entsprechende Temperaturprofil abbilden sollen. Die Sondenkörper haben dabei in der Regel einen Durchmesser von 8 bis 10 mm. Der Durchmesser der in diese eingesetzten Thermoelemente liegt üblicherweise bei etwa 2 mm.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Thermosonden zu schaffen, die in Reaktoren mit sehr hohem Druck und sehr hoher Temperatur sowie hoher Strömungsgeschwindigkeit der Reaktanden einsetzbar sind und die trotzdem schnelle Temperaturänderungen erfassen können.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der vordere Teil des Sondenkörpers mit geringem Abstand von der Bohrung mit einem Ringspalt versehen ist. Dieser Ringspalt weist eine möglichst geringe Dicke, in der Regel 0,1 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,2 mm, auf. Die Länge des Ringspalts beträgt 5 bis 20 mm, vorzugsweise 10 bis 15 mm. Der Ringspalt kann mittels eines Laserstrahls hergestellt sein. Er kann auch dadurch hergestellt werden, daß der vordere Teil des Sondenkörpers mindestens eine stufenförmige Verringerung des Durchmessers aufweist, auf die eine Kappe aufgesetzt ist, deren Innendurchmesser im vorderen Teil größer ist als der vordere Teil des Sondenkörpers, wodurch der Ringspalt entsteht. Die Kappe kann mit dem Sondenkörper verschweißt werden.

Die erfindungsgemäße Sonde ist besonders geeignet für die schnelle Tempe¬ raturerfassung in Anlageteilen, in denen sehr hohe Drücke, Temperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten auftreten. Dies ist der Fall in chemischen Reaktoren, Rührkesseln, Rohrreaktoren, Zuleitungen zu diesen Apparaten sowie Rohrleitungsverbindungen. Vorzugsweise können solche Sonden einge¬ setzt werden in Polymerisationsreaktoren sowohl in Gasphase als auch in überkritischem Medium, beispielsweise bei der Polyolefinherstellung. Auch bei der Suspensionspolymerisation in Schleifenreaktoren sind diese Sonden mit Vorteil einsetzbar.

Im allgemeinen treten dabei Druckbereiche auf von 30 bis 5000 bar, vor¬ zugsweise 50 bis 3500 bar, insbesondere 1000 bis 3500 bar, und Tempera¬ turen zwischen 20 und 1000 °C, vorzugsweise 50 bis 500 °C, insbesondere 100 bis 400 °C. Die Strömungsgeschwindigkeiten liegen zwischen 1 und 50 m/s, vorzugsweise zwischen 5 und 15 m/s.

Als Thermoelemente können Miniatur-Mantel-Thermoelemente verschiedener Bauart, vorzugsweise solche aus NiCr-Ni-Drähten verwendet werden, die am vorderen Ende miteinander verschweißt sind. Auch Platin-Rhodium-Platin- Thermopaare sowie andere bekannte Thermoelemente können hier zum Einsatz kommen. Diese Drähte des Thermoelements sind in ein elektrisch nichtleitendes Isolationsmaterial wie Magnesiumoxid oder Aluminiumoxid eingebettet und von einer metallischen Abschirmung, dem Mantel, umgeben. Am vorderen Ende sind die Thermoelemente durch eine metallische Kappe mit dem Mantel verbunden. Diese Kappe muß unempfindlich gegen die auftretenden hohen Temperaturen, Drücke und Strömungsgeschwindigkeiten sein. Vorzugsweise ist die Kappe halbkugelförmig ausgebildet.

Anstatt der Thermoelemente können auch Widerstandsthermometer oder Meβwiderstände eingesetzt werden. Von besonderem Vorteil sind hierbei

Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Meßwiderstände, beispielsweise entsprechend der DIN IEC 751. Diese Widerstandsthermometer bestehen aus einem auf Temperaturen ansprechenden Meßwiderstand in einer Schutzhülle, inneren Zuleitungen und äußeren Anschlüssen zur Verbindung mit elektri- sehen Meßinstrumenten.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung können den in der Zeich¬ nung dargestellten Ausführungsbeispielen enmommen werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Sonde bekannter Bauart, eingebaut in ein Reaktorrohr, im Schnitt; Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des vorderen Teils der in Fig. 1 dargestellten Sonde im Schnitt; Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sonde im Schnitt;

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemaßen Sonde im

Schnitt; Fig. 5 ein Diagramm der zeitlichen Abhängigkeit der Temperaturanzeige bei einer bekannten Sonde gemäß Fig. 2; Fig. 6 ein Diagramm der zeitlichen Abhängigkeit der Temperaturanzeige bei einer Sonde gemäß Fig. 4.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist eine Sonde bekannter Bauart dargestellt, die in einen Rohrreaktor eingebaut ist. Dabei ist im Sondenkörper 1 eine zylindrische Bohrung 2 vorgesehen, in die ein umman¬ teltes Thermoelement 3 eingesetzt ist, welches eine thermoempfindliche Spitze 3A aufweist. Der Sondenkörper 1 ist in der zylindrischen Ausneh¬ mung 4 eines Anschlußstücks 5 gelagert, das zwischen den Flanschen 6A und 6B eines Reaktorrohres 6 druckdicht gehaltert ist. Im Reaktorrohr 6 können bei Reaktionen beispielsweise bei der Herstellung von Polyethylen

durch Ethylenverdichtung Betriebsdrücke zwischen 500 und 5000 bar, vor¬ zugsweise zwischen 500 und 3500 bar, auftreten. Dabei kann es zu starken Temperaturanstiegen kommen, die zwischen 300 und 1000 °C liegen können. Das Anschlußstück 5 ist über Flansche 6A und 6B mit dem Verbindungs- stück 7 eines Anschlußkopfes 8 verschraubt, aus dem über den Anschlußteil 8A elektrische Leitungen zu den Anzeigegeräten führen.

Der in das Anschlußstück 5 eingesetzte Sondenkörper 1 ragt mit seinem vorderen Ende 1A in das Reaktorrohr 6. Sein Aufbau ist dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel zu entnehmen. An seinem vorderen Ende ist der zylindrische Sondenkörper 1, der einen Außendurchmesser von 9 mm hat, in Form eines Kegelstumpfs 1A ausgebildet. Der Winkel zur Mittel¬ achse beträgt dabei 30°. Der äußere Durchmesser der Spitze liegt bei 5 mm. Zentral im Sondenkörper 1 verläuft eine Bohrung 2 mit einem Durch- messer von 2,2 mm. In diese Bohrung ist ein ummanteltes Thermoelement 3 in NiCr-Ni-Ausführung mit einer Spitze 3A eingesetzt. Der Sondenkörper 1 ist an einer Stelle 9 ringförmig mit dem Anschlußstück 5 verschweißt.

Die Spitze des Thermoelements 3A ragt in der Regel bis in die Mitte des Gasstroms, um die genaue Betriebstemperatur zu erfassen. Bei dieser be¬ kannten Ausführungsform des Sondenkörpers gemäß Fig. 2 tritt als Folge von dessen thermischer Trägheit eine erhebliche Verzögerung der Anzeige der jeweils herrschenden Temperator auf.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des Sondenkörpers, der erfindungsgemäß an seinem vorderen Ende mit einem Ringspalt 10 versehen ist. Dieser Ringspalt hatte bei einer speziellen Ausführungsform eine Länge von 15 mm und eine Spaltbreite von 0,2 mm. Die Bohrung 2 für das ummantelte Thermoelement 3 hatte einen Durchmesser von 1,5 mm, und der innerhalb des Ringspalts 10 liegende zylindrische Teil IB des Sondenkörpers 1 hatte

einen Durchmesser von 3,2 mm. In Abweichung von der Ausführungsform nach Fig. 2 war der innerhalb des Ringspalts liegende Teil des Sondenkör¬ pers 1 an der Spitze gegenüber dem Ende des kegelförmigen Teils 1A mit einem zylindrischen Teil IB um 2 mm verlängert. Das vordere Ende dieses Teils IB wurde durch eine außen halbkugelförmige Schweißung 16 ver¬ schlossen. Zur drucksicheren Halterung des Mantelthermoelements 3 in der Bohrung 2 wurde diese Bohrung nach Einsetzen des Mantelthermoelements 3 durch Hämmern oder Walzen verdichtet, wodurch im allgemeinen eine Kaltverschweißung entsteht. Der Ringspalt 10 wurde durch einen Laserstrahl eingeschnitten.

Eine weitere und besonders günstig herstellbare Ausführungsform der erfin¬ dungsgemaßen Thermosonde ist in Fig. 4 dargestellt. Dort ist der Sonden¬ körper 1, der in dem dargestellten Beispiel einen Durchmesser von 9 mm aufweist, mit einem stufenförmigen Absatz 11 versehen, dessen Durchmesser 7 mm beträgt und der 20 mm lang ist. Danach ist ein weiterer stufenförmi¬ ger Absatz 12 vorgesehen, dessen Durchmesser 6 mm beträgt und der 9 mm lang ist. An diesen Absatz schließt sich ein bis zur Spitze verlaufender Absatz 13 mit einem Durchmesser von 3,2 mm an. Die Bohrung 2 hat einen Durchmesser von 1,5 mm für ein Mantelthermoelement mit diesem Durchmesser.

Auf diesen Sondenkörper 1 ist eine Kappe 14 aufgesetzt, deren Außen¬ durchmesser gleich dem Außendurchmesser des Sondenkörpers 1, in diesem Falle also 9 mm, ist. Auf ihrer Innenseite ist die Kappe 14 mit stufenförmi¬ gen Ausnehmungen versehen, die dem Durchmesser der Stufen 11, 12, 13 des Sondenkörpers 1 entsprechen. In den Bereichen 11 und 12 liegen beide Teile genau aufeinander. Im Bereich 13 des Sondenkörpers 1 ist der Durch¬ messer der Ausnehmung der Kappe 14 um 0,4 mm größer als der Durch- messer des Sondenkörpers, so daß der gewünschte zylindrische Spalt 10 mit

einer Spaltbreite von 0,2 mm entsteht. Der vordere Teil 13 des Sondenkör¬ pers 1 überragt das konisch ausgebildete Ende 14A der Kappe 14 um 3 mm. Die Kappe 14 ist über eine Schweißnaht 15 auf dem Sondenkörper 1 befestigt. Der vordere Teil 14A der Kappe 14 ist konisch verjüngt und endet in einer senkrecht zur Längsachse der Sonde verlaufenden Kante 14B, die einen Außendurchmesser von 5,2 mm aufweist. Das vordere Ende des Sondenkörpers 1 ist durch eine aufgeschweißte Kappe 16 verschlossen.

Im Falle sehr hoher Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums, dessen Temperatur gemessen werden soll, könnte es dazu kommen, daß die aus der Kappe 14 herausragende Spitze des Sondenkörpers 1 verbogen wird und zur Anlage an den vorderen Teil 14A der Kappe 14 kommt. Dies würde die Wirkung des erfindungsgemäßen Spalts 10 verringern. Um dies zu vermei¬ den, kann gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung die senkrecht zur Achse der Sonde verlaufende Kante 14B der Kappe 14 nach der Monta¬ ge mit mehreren, vorzugsweise drei oder vier im wesentlichen kegelförmigen Körnungen parallel zur Längsachse der Sonde versehen werden, die so stark sind, daß deren Ränder zur Anlage an den Sondenkörper 1 im Bereich 14B führen. Dadurch tritt zwar eine geringfügig größere Wärmeleitung zwischen dem Sondenkörper 1 und der Kappe 14 auf. Dies kann im Hinblick auf die höhere Stabilität der erfindungsgemaßen Sonde bei hohen Strömungsgeschwin¬ digkeiten des zu messenden Mediums jedoch hingenommen werden.

Die mit einer herkömmlichen Sonde auftretende Verzögerung der Tempe- raturanzeige ist in Fig. 5 dargestellt. Dabei wurde die Sonde zunächst in ein Ölbad mit einer Temperatur von 20 °C eingetaucht, um den Ausgangswert festzulegen. Danach wurde die Sonde in ein Ölbad mit 200 °C eingetaucht und die Verzögerungszeit gemessen. Aus der in Fig. 5 dargestellten Kurve läßt sich entnehmen, daß die Zeitkonstante r, die 63% des Endwerts ent-

spricht, nach 7,7 Sekunden erreicht wurde. Erst nach 17,4 Sekunden war ein Temperaturwert von 90% des Endwerts erreicht.

Das in Fig. 6 dargestellte Diagramm zeigt die mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Sonde erzielten Ergebnisse. Hier lag die Zeitkonstante r bei 2,45 Sekunden. 90% des Endwerts wurden bereits nach 5,1 Sekunden erreicht. Die sogenannte Einschwingzeit, bei der 95% des Endwerts erreicht wird, liegt bei dieser Ausführungsform unter 10 Sekunden.

Aus dem Vergleich beider Diagramme ergibt sich die ganz erheblich schnel¬ lere Erfassung von Temperaturänderungen durch die erfindungsgemaße Sonde verglichen mit herkömmlichen Sonden.