DE102007011022B3

DE102007011022B3 - Eintauchthermoelement zum Messen hoher Temperaturen

Info

Publication number: DE102007011022B3
Application number: DE102007011022A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Kiesewetter; Eva Witz; Volkmar Melchert
Original assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Current assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2027-03-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Eintauchthermoelement, bei dem an eine Verbindungsstelle Ausgleichsleitungen angeschlossen sind. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Ausgleichsleitung zu verwenden, die eine weitere Kostensenkung ermöglicht. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Anordnung gelöst, bei der die Thermodrähte (2.1, 2.2) zu zwei Keramikträgern (3.1, 3.2) führen, auf denen Platinschichten (4.1, 4.2) angeordnet sind, die als Ausgleichsstelle dienen und auf einer Seite mit den Thermodrähten und auf einer gegenüberliegenden Seite mit Anschlussdrähten (5.1, 5.2) versehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Eintauchthermoelement, bei dem an eine Verbindungsstelle Thermodrähte angeschlossen sind.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann zur Messung von Temperaturen von mehr als 1.500 °C verwendet werden. Bevorzugtes Einsatzgebiet ist die Messung der Temperatur von Stahlschmelzen.
Mit Thermoelementen können mit einfachen Mitteln Temperaturen gemessen und elektronisch ausgewertet werden, ohne dass externe Energiequellen benötigt werden.
Thermoelemente sind Bauteile, die aus zwei unterschiedlichen und an einem Ende miteinander verbundenen Metallen oder Halbleitern bestehen. Am offenen Ende wird eine elektrische Spannung erzeugt, wenn die Verbindungsstelle und die freien Enden unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind.
Da jedes Metall und jede Legierung einen thermoelektrischen Koeffizienten besitzt, der üblicherweise relativ zu Platin angegeben wird, kann aus der Thermospannung der Metallpaarung eines Thermoelementes die an der Verbindungsstelle herrschende Temperatur berechnet werden.
Bei der Auswahl einer Materialpaarung zu Messzwecken strebt man eine hohe Thermospannung, hohe Linearität und hohe Korrosionsfestigkeit bzw. geringe Oxidation bei hohen Temperaturen an. Diese Ziele sind nicht mit einer einzigen Kombination erreichbar. Daher werden je nach Einsatzzweck unterschiedliche Materialpaarungen verwendet.
Weit verbreitete Thermoelementpaarungen bestehen aus Nickel – Chrom/Nickel (Typ K, häufigster Typ) und Platin – Platin/Rhodium (Typ S; für hohe Temperaturen). Für die Messungen hoher Temperaturen (T > 1600°C) werden auch Iridium-Iridium/Rhodium-Thermoelemente, für die Messung niedriger Temperaturen (T < -250°C) Gold/Eisen-Nickel/Chrom- oder Gold/Eisen-Gold/Silber-Thermoelemente verwendet.
Um die Kosten niedrig zu halten, werden häufig zwischen Verbindungsstelle und freien Enden Ausgleichsleitungen aus kostengünstigeren Materialien eingesetzt. Für Anwendungen zur Hochtemperaturmessung sind diese Materialien wegen ihres niedrigen Schmelzpunktes nicht geeignet. Für diese Anwendungen müssen deshalb Platindrähte verwendet werden, die zur Kostenersparnis sehr dünn ausgeführt werden. Beispielsweise werden für Thermoelemente, die zur Temperaturmessungen an Stahlschmelzen verwendet werden, Drähte von 30 ... 40 mm Länge mit Durchmessern von 50 um eingesetzt. Da diese Thermoelemente wegen des Einsatzes bei sehr hohen Temperaturen nach kurzer Zeit selbst schmelzen und deshalb nur einmalig verwendet werden können, ist eine Kostensenkung für die kostenintensiven Platin-Ausgleichsleitungen von großer Bedeutung. Eine weitere Verringerung des Drahtdurchmessers scheidet dabei wegen der dann nicht mehr ausreichenden Haltbarkeit aus.
Aus DE-AS 12 94 516 ist eine Thermoelementanordnung bekannt, welches zwei Thermodrähte besitzt, die am heißen Punkt miteinander verschmolzen sind. Der heiße Punkt ist derjenige Teil des Thermoelements, der der zu messenden Temperatur ausgesetzt ist. An den Schenkeln sind Leitungsdrähte, die zu Messinstrumenten führen, befestigt. Ein Isolier- und Schutzmantel bedeckt einen Teil der Schenkel und der Leitungen. Der Mantel besteht aus einem hitzebeständigen Metall und ist mit einem Isoliermaterial gefüllt, das die Schenkel und Leitungsdrähte innerhalb des Mantels voneinander in Abstand und isoliert hält.
Ferner ist in DE-OS 25 55 441 eine Anordnung beschrieben, bei der einem Messschaltkreis in geeigneter Weise der durch ein Thermoelement erzeugten Spannung eine bestimmte Temperatur zugeordnet werden kann. Hierbei werden Temperaturänderungen an der Vergleichsstelle kompensiert, indem ein kompensierender Referenzwi derstand in Form eines temperaturempfindlichen Widerstandsmaterials auf einer gedruckten Schaltkreisplatte vorgesehen ist, die ihrerseits gegen eine isothermische Platte in solcher Weise anliegt, dass der Widerstand sich mit der isothermischen Platte in Kontakt befindet und dabei jeweils die Anschlussklemmen umgibt.
Für den Einsatz bei sehr hohen Temperaturen sind diese Anordnungen nicht geeignet.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignete Anordnung zu schaffen, die eine Kostensenkung gegenüber bekannten Anordnungen ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Ausgleichsleitung, welche die in die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung führen kurze Thermodrähte zu zwei Keramikträgern, auf denen Platinschichten angeordnet sind, die auf einer Seite mit den Ausgleichsleitungen und auf der gegenüberliegenden Seite mit Anschlussdrähten versehen sind.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass sehr kurze Ausgleichsleitungen verwendet werden können, die beispielsweise nur eine Länge von 5 ... 10 mm aufweisen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sehen vor, dass die Anordnung der Keramikträger mit den Platinschichten und die Verbindungsstelle sowie die Anschlussdrähte in einem an der Vorderseite verschlossenem Schutzrohr angeordnet sind. Die Platinschichten können abgedeckt sein und wirken als preiswerte Hochtemperaturausgleichsleitung, da die Schichte nur 1 μm dick sein kann.
Besonders geeignet sind Schutzrohre aus Quarz oder Aluminiumoxid.
Eine zweckmäßige Ausführung sieht vor, dass das Schutzrohr in einem Gehäuse angeordnet ist, in dem es mit einem Verguss befestigt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1 eine Schnittdarstellung der Thermoelementanordnung und
2 einen Schnitt durch die Gesamtmessanordnung.
1 erläutert die Thermoelementanordnung. Die Verbindungsstelle 1 besteht aus einer PtRh6/PtRh30 – Anordnung mit den daran angeschlossenen Ausgleichsleitungen 2.1 und 2.2. Die Ausgleichsleitungen 2.1 und 2.2 weisen eine Länge von 5 ... 10 mm auf und führen zu den Platinschichten 4.1 und 4.2. Die Platinschichten 4.1 und 4.2 sind als dünne Schichten von ca. 1 μm Dicke auf die Keramikträger 3.1 und 3.2 aufgedampft. Als Keramikträger 3.1 und 3.2 dienen ca. 1 ... 2 mm dicke und 30 ... 40 mm lange Keramikstreifen. Auf der kalten Seite sind die Platinschichten 4.1 und 4.2 mit preisgünstigen Anschlussdrähten 5.1 und 5.2 verbunden, die aus Nickel, Silber oder einem anderen Material bestehen.
In 2 ist die gesamte Messanordnung dargestellt. Die in der Beschreibung von 1 erläuterte Thermoelementanordnung ist von einem Schutzrohr 6 aus Quarz oder Aluminiumoxid umgeben, welches in einem Gehäuse 7 angeordnet ist. Im Gehäuse 7 sind die Bauteile in einem Verguss 8, der beispielsweise aus einer Schutzzementschicht besteht, befestigt. Die Anschlussdrähte 5.1 und 5.2 verbinden die Platinschichten 4.1 und 4.2 mit den Anschlussstiften 9.1 und 9.2.

1: Verbindungsstelle
2: Ausgleichsleitung
3: Keramikträger
4: Platinschicht
5: Anschlussdraht
6: Schutzrohr
7: Gehäuse
8: Verguss
9: Kontaktstift

Claims

Eintauchthermoelement, bei dem an eine Verbindungsstelle (1) Thermodrähte (2.1, 2.2) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermodrähte (2.1, 2.2) zu zwei Keramikträgern (3.1, 3.2) führen, auf denen Platinschichten (4.1, 4.2) angeordnet sind, die als Ausgleichsstelle dienen und auf einer Seite mit den Thermodrähten (2.1, 2.2) und auf einer gegenüberliegenden Seite mit Anschlussdrähten (5.1, 5.2) versehen sind.
Eintauchthermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle (1), die Thermodrähte (2.1, 2.2) und die Keramikträger (3.1, 3.2) in einem an der Vorderseite verschlossenem Schutzrohr (6) angeordnet sind.
Eintauchthermoelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzrohr (6) aus Quarz oder Aluminiumoxid besteht.
Eintauchthermoelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzrohr (6) in einem Gehäuse (7) angeordnet ist, in dem es mit einem Verguss (8) befestigt ist.