DE1489266A1 - Mantelthermoelement fuer hohe Temperaturen - Google Patents

Description

DEUTSCIIE GOLD- UND SILBER-SCHEIDEANSTALT VORMALS ROESSLER Frankfurt/Main, Weißfrauenstraese 9

Mantelthermoelement für hohe Temperaturen,

Thermoelemente werden In zunehmendem Umfang als Mantelthermoelement e auegebildet. Diese zelohnen eioh duroh geringe Durchmesser und damit duroh Biegsamkeit (gute Manipulierbarkelt) und kurze Ansprechzeit» sowie duroh ihre mechanische Festigkeit aus; sie sind daher den Üblichen ThermoelomentausfUhrungen häufig überlegen. Mantelthermoelemente mit einem PtRh-Pt-Thermopaar und mit einem PtRh-Mantol werden bis maximal 1500⁰C eingesetzte Für den Einsatz bis etwa IBOO⁰C werden normaler«

Thermo paare mit zwei PtRh-Sohenkeln verwendet, z.B. das aus dor Kombination Pt3ORh-Pt6Rh bestehende Thermopaar PtRhIS. FUr noch höhere Temperaturen kommen Thermopaare aus Wolfram und llhdniuffl oder deren Legierungen sowie aus Ir- und Rh-Legierungen in Betraoht. Diese Thermoelementwerkstoffe lassen sich grundsätzlich ebenfalls zu Mantelelementen verarbeiten, wobei zumindest bei PtRh18 keine prinzipiell grtfsseren Ilerstellungsschwierigkeiten zu erwarten sind als bei einem PtlORh-Pt-Mantelelement, Bei Mantel-Thermoelementen für Temperaturen oberhalb 1500°C ergeben sich jedoch Fehler duroh die bei diesen Temperaturen bereits hohe elektrische Leitfähigkeit der Isolierkeramik, in die die Thermodrähte eingebettet sind_P Der Isolation »widerstand zwischen den zwei Thermodrähten eines Mantel» olements von 1,5 mm Aussendurohmeseer mit AlgO.-Isolation kann auf Werte unter 50JZ m bei 1500⁰C und unter lCLrt.m bei 1700⁰C abfallen. Der mittlere Ohm»sohe Leitungswiderstand der Thermodriihte von oa. 0,3 mm Durohmesser beträgt beim PtRhlS-Thermopaar im Temperaturbereich zwischen 1500 und 1700⁰C etwa 20Jt/*% hat also dieselbe Grussenordnung wie der duroh die gut leitende Keramik gebildete Shunt-Widerstand. infolge des Nebensohlusses kommt es, auch bei kompensatorisoher Themospannungsmessung, zum Fllessen eines Thermostromes la Inneren des Elementes und damit zu einem Spannungsabfall entlauf der ThermodrahtstUoke, die Im leitenden Bereich der Keramik liegen. Ausserdem stellt

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der Mantelg der sich iu seinen thermoelektriechen Eigenschaften ▼on einen oder von beiden Thermodrähten unterooheidet, im Gebiet sehr hoherTomperatüren einen dritten Thermoelementschenkel dar. der U)>er die gutloltcnrlo Xsolierlcoramik zu den beiden Thermodrähten L parallel gesohaltot lot und deshalb die Thermospannung des ' Elemente zusätzlich beeinflussen kann. Es wird deshalb eine kfalsche Thermospannung angezeigt.

ι Oer Fehler, der duroh dio Leitfähigkeit der Isolierkeramik ent-

I steht« sollte natürlich nioht grosser sein als die zulässige Toleranz. Letztere betrügt bei Edelmetall- Thormopaaren 0,5# der zu messenden Temperatur.

Ee llioot sich »eigen, dass dor Fehlere, der bei dor Messung einer Temperatur von etwa 1700⁰C mit einem Mantelthermoelement ι von 1,5 mm Durcbmeoser auftritt,mehr als das 5-iache dos Toleranzwertes betragen kann (der Fehler lot 'lühorungsweiBo proportional zum Quadrat der Länge deo is» elektrisch gut leitenden Bereioh der Isolierkeramik in einem Temperaturgradienten liegenden ThermoeIonentstUokes). Dieser Fehler tritt bereits von Anfang an auf, etollt also keine Alterungsersoheinung dar« Da er sehr stark von der Einsatzlänge und vom Temperaturverlauf abhängt, kann er bei der Eiohung nioht berücksichtigt werden.

Eine Verringerung des von der KeramikleitfUhigkeit herrührenden Fehlere duroh Erhöhung des Isolationswiderstandee ist kaum mttglioh, da bei sehr hohen Temperaturen alle Isolatoren gute Leiter werden. Der Leitungswiderstand lässt sich bis zu einem gewissen Grade duroh Verwendung diokerer Drähte und somit dlokerer Mantelthermoelernente erniedrigen. Hierdurch gehen aber gerade die Vorteile der Mantelelemente verloren. Jedooh läset sioh auf diese Weise bei Temperaturen oberhalb etwa 1700⁰C bzw. auch bei niedrigen Temperaturen aber kleinen Temperaturgradienten (grossen Einsatzlängen) der Fehler bei Einhaltung sinnvoller Abmessungen nioht bis zur Toleranzgrenze herunterdrücken»

9 0 9 8 2 3/0495 BAD ORIGiNAL

In Mantoltheraooleinenton kann sich wtihrcnd dos Einsatzes bei hohen und sehr hohen Temperaturen oino Vorunroinigung eines oder beider ThermodrKhte dadurch ergebene das» aur, einen Thermoelementschenkel bzu. aus deia Mantel Legiorungsbestandteile verdampfen; diese können durch die Isolierkorarcüc diffundieren und eich mit dem anderen Schenkel bzw. alt beiden Theracelernentnchenkeln legieren, Die hieraus resultierende Änderung der Zusammensetzung der Thenaodrähte kann im Laufe der Zeit zu einer beträchtlichen ThermonpannungsJinderung (Alterung) führen.

Vorliegende Erfindung ermöglicht es, den durch die Leitfähigkeit dor Isolierkeraniik bei.Temperaturen oberhalb 1500⁰C in einen Mantel thermoelement (mit beliebigen Thormopa;.jr Kombinationen) auftretenden Fehler beträchtlich zu verringern und den oben geschilderten Alterungaeffokt vüllig auszuschlieesen« Dies wird dadurch erreicht_r dass jeder Einzeloohenkol aus einer Koaxialleitung mit Koramikisolation zwischen I&nenloiter und Mantel besteht, daen der Mantel im gesamten vorgesehenen Temperaturbereich die gleiche thermoelektrische Charakeristik aufweist wie der Innenleiter, dass die Innenleiter der beiden Koaxialleitungen an einem Ende miteinander verschweigst sind i».id no das aktive Mooe^Thermopaar bilden und dass die beiden H'Jntol an den der ITelsslutstelle benachbarten Enden miteinander elektrisch leitend verbunden,im Übrigen aber voneinander elektrisch laoliert sind.

In der Figur 1 ist eine beispielsweise Ausführung des erfindungsgemttsaen Mantelthermoelements dargestellt. Anstelle eines Mantel« elements mit zwei durch die Keramik voneinander und vom gemeinsamen Mantel isolierten ThermodrShten besteht das Element aus zwei voneinander isolierten Koaxial leitungen 1, deren Aussendurohmeseer zweokmttseigerweiee nicht grosser als 1,0 bis 1,5 mm sind. Mantel und Innenleiter jeder der beiden Koaxialleitungen bestehen ans ein und derselben Legierung. Die Innenleiter sind in eine UbIlohe Isollerkeramik eingebettet. Die beiden au* ver* sohledenen Legierungen (A und B) bestehenden Innenleiter «erden an einen Ende zu einer Heieslötstelle 2 verschwelest und bilden

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βο das eigentliche Themopaar (Me β β themopaar). Die beiden anderen freien von Mantel isolierten Enden der Innenleiter dienen als Kaltlotstellen oder können duroh normale Ausgleichs-* leitungen verlängert werden. Die an die HeisslÖteteile grenzenden Enden der beiden jeweils aus den gleichen Legierungen A und D wie die zugehörigen Theraodrähte bestehenden Mäntel Bussen elektrisch leitend verbunden,z.B. verschwelest,sein. Die beiden Mäntel bilden dann ein zweites Theraopaar, das den Messtheraopaar elektrisch parallel geschaltet ist und das die glelohe Thermospannungsoharakeristik aufweist. Das aus den Innenleitern bestehende Messtheraopaar ist also von eines Absohirmthermopaar uageben. Obgleich jeder Mantel aus der gleiohen Legierung bestehen muss <- wie der von iha umhüllte Thermodraht - genügt es, für den Mantel ein Ausgangsaateria1 geringerer Reinheit zu verwenden. Ib Idealfall, d.h. bei sehr guter Isolation zwisohen den beiden Koaxialleitungen, 1st der Verlauf des elektrischen Potentials im Mantel und la zugehörigen Theraodraht der gleiche, so dass auoh bei sohleohtea Isolationaver-Bügen der Isollerkeraaik kein Theraostroa la Inneren des Elementes flieset. Ia Noraalfall, d.h. bei Existenz eines Nebensohlusses zwischen den beiden Mänteln stellt sloh in jedes Sohenkel ein geringer Potentialuntersohied Δ U zwisohen Mantel und Theraodraht ein. Dieser Potentialuntersohied ist jedoch ua aehr als eine Orössenordnung kleiner als die den Isolationsfehler eines konventionellen Mantelelenenteβ aitbestlaaende Theraospannung Δ Ε zwisohen beiden Schenkeln. Der Isolationsfehler ist bela konventionellen Eleaent proportional Δ E, beia erfindungsgeaässen Theraoeleaent jedooh proportional^ U. Der von der Keraalkleit?- fähigkeit herrührende Theraospannungsfehler wird daher duroh die a-, vorgeschlagene Theraoeleaentausführung ua mindestens eine Grttssen-2 Ordnung verringert. (Der Proportionalitätsfaktor bei ΔE bzw. Δ U oo 1st belB neuen Thermoelement ausserdea kleiner als bela konvenco tionellen Theraoeleaent). Grundsätzlich 1st ein· Isolation zwl- ^ sehen den beiden Koaxialsohenkeln nur in de« TeilstUok des Thereo- ^ eleaentes erforderlich, das sioh auf so hohen Temperaturen beer» findet, dass eine nennenswerte Leitfähigkeit der Isolierkeraaik besteht, d.h. etwa oberhalb 1300⁰C bis 1400°C, In manchen Fällen

kann solion eine ausreichende Isolation swisohen beiden HMn te In daduroh erzeugt werden, dass man beide Schenkel voneinander räualioh getrennt ans der beissesten Zone herausfuhrt. Ia allgeaeinen soll aber eine Isolierschicht den Mantel uageben, z.B. eine duroh Flauspritzen aufgetragene AlgO.-Sohioht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die beiden Sohenkel evtl. nur la Bereich oberhalb, z.B. 1300⁰C, duroh Isolierperlen oder -rtihrohen voneinander zu trennen. Die geeignete Isolations-■ethode ergibt sioh aus den jeweils vorliegenden Anwendungebedingungen.

In den Abbildungen 2 bis 5 sind weitere beispielsweise Ausführungen des erflndungegeaässen Thermoelementes dargestellt. Die . * Ausführung naoh Figur 2 unterscheidet sioh von der Ausführung naoh Figur 1 daduroh, dass die die heisse Lötstelle bildenden Innenleiter in Innenraum der Koaxialleitung**«, einer Heisslötstelle 3 versQhweisst sind.

Bei der Ausführung naoh Figur 3 sind die Innenleiter auf einer Grundplatte h aufgesohweisst, die Koaxialleitungen sind alt einer I Isollersohioht 5 aas Aluainiuaoxyd versehen.

Bei der Ausführung naoh Figur h sind die beiden Sohenkel duroh IsolierrOhrohen 6 voneinander getrennt, die Jeweils über die Koaxialleitungen geschoben sind. Die in den Figuren 2 bis % dargestellten Ausfuhrungen können bei Bedarf auoh duroh ein gerneinsane s Schutzrohr oder duroh einen gemeinsamen Mantel gesohUtzt werden.

Vie in Figur 5 dargestellt 1st, können die beiden Koaxialsohenkel

fest in eine von einem gemeinsamen Mantel 7 umgebene und elektrisch to
οisolierende Keramikmasse eingebettet werden, so dass ein gegen ^äussere Einflüsse besonders gut gesohtitstes Doppelaantel-Therao- ^element entsteht, das in seinem tfusseren Aufbau dea konventionellen --Mantelelement gleloht, dessen beide Sohenkel Jedoch statt aus ^aassiven Drähten aus Koaxial leitungen von oa. 1,0 bis 1,5 am ^ J£ bestehen. Der Aussendurohmesser eines so lohen Doppe lmantelr»Thermoeleaentes beträgt maximal etwa 6 aa. _{BArk Α}

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Der Aufbau des neuen Theraoeleaentes erlaubt es, das Schutzrohr oder den zusätzlichen geaelnsaaen Hantel nur Über ein kurzes TeilstUok des Koaxial-Theraopaares zu ziehen (Flg. 5)· Auf diese Weise ist es auglioh, nur den in der heissesten Zone (z.D. oberhalb 1300⁰C) liegenden Teil des Eleaentes zusätslioh zu sohUtzen. Die Abdichtung des Aussennantels aa kühleren Ende kann duroh Zusohnelzen alt einer Keraaikaasse 9 erfolgen, deren Schmelzpunkt unter dea der verwendeten Isolierkeraaik liegt.

Da Theraodraht und zugehöriger Mantel aus identischen Legierungen bestehen, ist eine Verunreinigung des Theraodrahtes duroh LeglerungsDestandtelle des Mantels nloht aehr attglloh. Die erfindungsgeattssen Theraoeleaente weisen daher eine bessere seitliche Konstanz auf als die konventionellen Theraoeleaente.

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Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Thermoelement für boh· Temperaturen, dadurob gekennzeichnet, daee jeder Einseleohenkel aus einer Koaxialleitung Mit Keramikisolation zwischen Innenleiter und Mantel besteht, daee der Mantel la gesamten vorgesehenen Temperaturbereich die gleiohe theraoelektrisohe Charakteristik aufweist wider Innenleiter, dass die Innenleiter der beiden Koaxial» leitungen an einem Ende alte inander verschwelest sind und so das aktire Mess-Thermopaar bilden und dass die beiden Mäntel an den der HeisslOtstelle benachbarten Enden miteinander elektrisch leitend rerbunden, la Übrigen aber voneinander elektrisch isoliert sind.
2. 2. Thermoelement naoh Anepruoh I₉ dadurch gekennzeichnet, dass Innenleiter und Mantel jedes Elnzelsohenkels aus der glelohen Legierung bestehen.
3. 3. Thermoelement naoh Anepruoh 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mäntel der Einzelsohenkel alt einer bei hohen Temperaturen nooh Isolierenden Deoksohioht bzw. mit einem isolierenden OxydfiIm überzogen sind.

   Frankfurt/Main, 24.3.1965
   Sohn/Bi

   90982 3/04 9

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