DE2319487C2 - Thermoelement mit Warmverbindungsstelle aus feuerfestem Metall - Google Patents

Description

Die Erfind ng bezieht sich auf ein Thermoelement mit verdrallter Warmverbindungsstelle aus feuerfesten Leiterdrähten, die mit Keramikperlen isoliert und durch eine Metallummantelung geschützt sind.

Es ist bekannt, daß ein Thermoelement einerseits aus einer Warmverbindung genannten Schweißstelle von zwei Drähten aus verschiedenen Metallen, die am Meßpunkt angeordnet sind, und andererseits aus zwei Kaltverbindungssteüen genannten, am anderen Ende dieser Drähte angeordneten Schweißstellen besteht, die in einer Bezugstemperaturumgebung angeordnet sind.

Diese beiden Verbindungsstellen sind der Sitz e'ner elektromotorischen Kraft, deren Unterschied dem der Temperatur zwischen den betrachteten Punkten proportional ist (Seebeck-Effekt).

Bei den bekannten Thermoelementen fertigt man die Warmverbindungsstelle: Eisen-Konstantan. Kupfer-Konstantan, Chrom-Alumel, Platin-Platinrhodium usw. durch einfaches Autogenverschweißen der beiden Drähte, z. B. mittels Bogenschweißung oder auch durch eine Kondensatorentladung usw., v/obei wie bei dem aus der US-PS 35 80 744 bekannten Thermoelement der eingangs genannten Art die Drähte vorher verdrallt werden Die Schweißstellen dieser Metalle haben ausreichende Duktilitätseigenschaften, damit die Ther moelemente unter guten Bedingungen die mechanischen und thermischen Belastungen aushalten, denen sie im Betrieb ausgesetzt sind.

Dies gilt jedoch nicht für Thermoelemente aus feuerfesten Metallen, insbesondere Wolframrheniumdrähten mit 5 bzw. 26% Rhenium, wie sie z. B. aus G. I. T. Fachzettschrift Für das Laboratorium, 15. Jhrg., 1971, H. 1, S. 16—18 bekannt sind, deren Schweißstelle bei einer Temperatur nahe 300O⁰C erzeugt wird, wobei derartige Kristallisationseffekte auftreten, daß diese Schweißstelle praktisch keine mechanische Festigkeit aufweist.

Man hat versucht, die Thermoelemente aus Wolframrheniumdrähten in dieser Weise mit einem Schweiß-

punkt am Ende der beiden Drähte zu schweißen, doch sind sie unmöglich zu handhaben, und im Fall von ummantelten Drähten tritt der Bruch am sprödesten Draht bereits bei sehr geringer thermischer Spannung auf.

Man hat ebenfalls versucht, diese Spannungsbelastungen durch Einfügung eines Drahtes mit geringerem Durchmesser zwischen den Thermoelementdrähten zu eliminieren. Ein anderes Mittel besteht darin, die mechanische Haltbarkeit der Drähte durch eine Verdrallung zu sichern, v/obei die Ve/sch weißung dann nur die Rolle des elektrischen Kontakts spielt. Die erste Maßnahme ist nur von Nutzen, falls die beiden Drähte gegenseitig festgehalten sind, was bei blanken Drahtpaaren nicht gesichert ist, und außerdem ist eine solche Verbindung bei ummantelten Thermoelementen nicht möglich. Die zweite Maßnahme liefert gute Resultate, wenn man sicherstellen kann, daß die Verbindungsstelle keiner Belastung ausgesetzt wird. Man hat nämlich festgestellt, daß bei den vertikal montierten ummantelten Thermoelementen, was fast immer der Fall ist. sich die Keramikperlen weniger als die Ummantelung ausdehnten und daher die Verbindungsstelle belasteten, wodurch ein Bruch eines Thermoelementdrahtes auf Höhe seines Ausgangs aus einer Isolierperle auftrat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Thermoelement der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Thermoelementdrähte aus feuerfestem Metall bei normalen Belastungen nicht brechen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Fassungselement aus edlem Metall auf die Verdrallungsstelle der Warmverbindungsstelle aufgesetzt und in der Metallummantelung festgelegt ist.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Fassungselement mittels einer feuerfesten Muffe in der Metallummantelung festgelegt. Wenn das Thermoelement einen Punkt an der Masse aufweisen soll, ist gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung das Fassungselement an einem Ende mit der Metallumtnan-

telung verschweißt.

Die am besten für das Fassungselemeni geeigneten Stoffe sind Niob und Rhenium, d. h. feuerfeste Metalle, deren Schmelzpunkt höher als die Bet-iebsternperatur des Thermoelements liegt. Sie bilden mit den Leiterdrähten unterhalb dieser Betriebstemperatur keine Eutektika und weisen gleichzeitig eine große Dukiilitat auf, die den Einfassungsvorgang im Kalten und eine ausreichende Warmduktilität zuläßt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 einen schematischen Teillängsschnitt eines bekannten Thermoele.iients zur Erläuterung des üblichen Bruchs der Warmverbindungsstelle:

Fig.2 einen schema.ischen Teillängsschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Thermoelements gemäß der Erfindung;

F i g. 3 einen Querschnitt durch das Thermoelement in Fig.2;

F i g. 4 einen schematischen Längsschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindun y

Fig. 5 einen Gesamtlängsschnitt eines auf einem Rohrstück montierten Thermoelements; und

F i g. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Eichkurve von Thermoelementdrähten.

Fig. 1 zeigt ein ummanteltes Thermoelement 1. das normalerweise vertikal verwendet wird, mit einer Warmverbindungsstelle Z Die Keramikperlen 3 dehnen sich weniger als die metallische Ummantelung 4 aus, gleiten darin und beanspruchen die Warmverbindungsstelle 2, die häufig am Punkt 5 bricht.

In Fig.2 hat das Thermoelement 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine verdrallte Warmverbindungsstelle 2. auf die ein Fassungselement 6 aus feuerfestem edlem Metall aufgesetzt ist. das als Verstrebung zwischen der letzten Keramikperle 3 und dem die metallische Ummantelung 4 abschließenden verschweißten Ende 7 bildet. So ist die Warmverbindungsstel'e 2 den möglicherweise infolge der Ausdehnungsunterschiede zwischen den Perlen Ϊ und der Ummantelung 4 existierenden Spannungen entzogen. Wenn das Thermoelement mit einem Anschluß an die Masse der Ummantelung 4 verwendet wird (Fig.2), erfüllt die Verschweißung des Fassungselements 6 mit dem Urrmantelungsende 7 sehr g·. t diese Bedingung.

F i g. 3 ist ein Querschnitt des Thermoelements 1 nach Fig.2 durch die Perlen 3. Sie zeigt die übliche Anordnung der beiden Leiterdrähte 8 und 9

F i g. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Thermoelement 1 von der MetalluTimanteliing 4 isoliert sein muß Hierbei ist die Warmverbindungsstelle 2 von einem Fassungselement 6 geringeren Querschnitts eingefaßt, das in eine Keramikmuffe 10 eingeschoben ist, die dem Innendurchmesser der Metallummantelung 4 angepaßt ist. Die Muffe 10 dient als Abstützung zwischen den Perlen 3 und dem die Abdichtung des Thermoelements sichernden ver schweißten Ende 7. So entziehen das ( assungselement 6 und die Muffe 10 die Warmverbindungsstelle 2 jeder

Tabelle I

Beanspruchung, und du Muffe schafft die Bedingung der erforderlichen Isolation. Die /ur Herstellung des Fussungselemenis b verwendeten Metalle sind in diesem Beispiel: Niob und Rhenium. Diese Metalle weisen den Vorteil auf. einen Schmelzpunkt über der Betriebstemperatur des Thermoelements zu haben und unterha^|L> dieser Temperatur keine Eutektika mit den Leiterdrähten zu bilden. Sie haben eine große Duktilität, wodurch gleichzeitig das Aufsetzen in den Preßsitz bei Kälte und eine ausreichende Warmdukiilität gesichert sind: Niob ermöglicht Betriebstemperaturen bis zu 2000C und Rhenium bis zu 3000 C.

Um nicht eine Metallummantelung 4 aus feuerfestem edlem Metall großer Länge zu benötigen, ist gemäß einem w. eiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung auch ein Anschluß dieser Ummantelung an eine Zwischen kapsel 12 in feiler Verbindung mit einem Rohr 14, ζ. Β aus rostfreiem Stahl, vorgesehen (F i g. 5).

Die rohrförmige Ummantelung 4 und das Rohr 54 werden mit Halbelementen 12a Lw. 12öder Kapsel 12 an Hartlötpunkten 12c bzw. I2d vei schweißt. Aussparungen wie 13. die mit einem Antibenetzstoff gefüllt sind, hindern in uekannter Weise ein evtl. Kriechen des Hartlötmittels bei hohen Temperaturen.

D.c Verbindung 15 zwischen den Drähten 8, 9 des Thermoelements und den Meßkompensationsdrähten 16,18 erfolgt in der Kapsel 12. Keramikperlen 17 und 19 isolieren und halten d^;e Drähte sowie die Verbindungsstelle.

Die Halbelemente 12a und 12i> sind an ihren Flanschschultern 12ebzw. 12/"verschweißt. Nach dieser Verschweißung ist die Kapsel 12 dicht und wird unter Heliumdruck gesetzt.

Die Tabelle 1 führt beispielsweise die Reaktionsbeginntemperaturen zwischen einigen feuerfesten Metallen, die für die Drähte, die Fassupgselemente oder die Metallummantelungen vei wendbar sind, und den feuerfesten Oxy<Jer, der Isolationsperlen auf.

Die Tabelle Il zeigt beispielsweise das chemische Verhalten der feuerfesten Metalle in Luft. Wasserstoff. Stickstoff. Kohlenstoff. Kohlenoxyd und Kohlendioxyd.

In dieser Tabelle bedeuten:

T: = Reaktionsbeginntemperatur

Ti = Oxydationsverstärkungstemperatur

Ti = Maximaiabsorptionstemperatur

P = gebildeter Stoff.

Die Tabelle III gibt beispielsweise die möglichen Temperaturen c'er Thermoelemente als Funktion der Unijjebungsatmospbäre einerseits und der Verträglichkeiten zwischen feuorfesten Metallen und feuerfesten G<yJen andererseits an. Die Drähte 8 und 9 des im Beispiel verwendeten Thermoelements sind WRe 5% und WRe 25%.

F i g. 6 zeigt eine Eichkurve, die für Temperaturen bis 2250⁰C die elektromotorische Kraft in mV an den Anschlüssen vin Thermoelementen mit Drähten aus WRe 5% und WRe 26% umgibt.

	5%	ALO	T	Th Oj	ZrO,	C"	13ε C)	C	MgO	C	fir o2
W	26%
WRu		2000	°c	23COT	2100		2100		2000"		2300T
W Re			T			C		T		C
Re	1800	2300T				230OT
Ta	1900	1900 C	1600	1600	1800

I «helle II

Rc

I nil

Mantel

CO2. N2)

/,

•lon (

W

W

1(1(1 C

0C

2ΠΙ) (

Rc

\V. ThO,

CC

7.

700

ΛΙ,Ο,

ΛΙ,Ο

dl KI

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"inn

0C

Re

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wo,

Nb

Ta

Rc. O

°C

(il. f),

"C

oder

0C

11.

/,

keine

keine

0C

400

"C

0C

UO2 (He. Vakuum)

Reaktion

0C

Ta Il

0C

0C

C (Hc, Vakuum,

/'

17000C

1900"

°C

0C

W. ThO,

0C

O2

T1

1200-C

1200'

keine

öC

W. Re

CO,

5000C

500'

Reaktion

2300

P

Reaktion

12000C

1200'

bis.20()0"C"

2300

ί

H,

Ζ",

6000C

1100'

keime

600

α) CO;

/'

2500'C

360°C

400"

Reaktion

* I Ol ΙΩΙ

2300

Hierzu 2 I

1100 C

2300

Tabelle ΐίί

W N,

2300

Thermoelement-Kombination

soo°c

W

Ta N,

Draht. Isolierstoff.

W, C

, HcO

(2000C

WC

Ta

TaC

Unigelningsmilicii

0C 1600

5C I "00

1C 500

1C 1200

'C 1100

:C 400

3latt Zeichnungen

W. HcO.

Mo,

oder

W. BeO.

Mo,

1900

1900

600

1900

.1900

1900

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Thermoelement mit verdrallter Warmverbindungsstelle aus feuerfesten Leiterdrähten, die mit Keramikperlen isoliert und durch eine Metallummantelung geschützt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fassungselement (6) aus edlem Metall auf die Verdrallungsstelle der Warmverbin dungsstelle (2) aufgesetzt und in der Metallummante-Iung (4) festgelegt ist.

2. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fassungselement (6) in der Metallummantelung (4) mittels einer feuerfesten Muffe (10) festgelegt ist.

3. Thermoelement nach den Ansprüchen 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Fassungselement (6) mit einem Ende mit der Metallummantelung (4) verschwelt ist.

4. Thermoelement nach den Ansprüchen 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fassungselement (6) aus Niob besteht.

5. Thermoelement nach den Ansprüchen 1 —3. dadurch gekennzeichnet, daß das Fassungselement (6) aus Rhenium besteht.

6. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallummantelung (4) mit einer Zwischenkapsel (12) fest verbunden ist, die zum Schutz der Verbindungsstelle (15) zwischen den Leiterdrähten (8, 9) der Warmverbindungsstelle (2) und Kompensationsdrähten (16,18) dient.

7. Thermoelement nich Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel (12) abgedichtet und unter Heliumdruck gesetzt ist.