Vakuumdicht gekapselter Fühler für ein Thermoelement
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fühler für ein Thermoelement zur Messung von Temperaturen bis zu einer maximalen Temperatur mit Drähten, die in ein Schutzrohr hineingeführt und darin an einer Verbindungsstelle mit¬ einander verbunden sind.
Ein Thermoelement dient zur Messung von Temperaturen, ins- besondere hohen Temperaturen. Bei einer solchen Messung wird ausgenutzt, daß an einer Verbindungsstelle zweier elektrischer Leiter mit unterschiedlichen Austrittsarbei¬ ten, die geleistet werden müssen, um ein Elektron aus dem jeweiligen Leiter herauszulösen, eine elektrische Kontakt- Spannung auftritt. Diese Kontaktspannung entsteht durch Dif¬ fusion von Elektronen von einem Leiter in den anderen Lei¬ ter hinein und ist somit temperaturabhängig. Üblicherweise enthält ein Thermoelement Leiter aus zwei verschiedenen Ma¬ terialien, die an zwei Verbindungsstellen miteinander ver- bunden sind. Die in einer solchen Anordnung meßbare Diffe¬ renz zwischen den Kontaktspannungen an den beiden Verbin¬ dungsstellen, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen, wird als Thermospannung bezeichnet. Die Leiter weisen üb¬ licherweise Drahtform auf, bestehen aus unterschiedlichen Metallen oder Metallegierungen und sind an den Verbindungs¬ stellen miteinander verbunden, insbesondere verlötet. Die eine Verbindungsstelle wird dabei auf einer festen Refe¬ renztemperatur gehalten. Die andere Verbindungsstelle wird, insbesondere in einem Fühler, der zu messenden Temperatur ausgesetzt.
Zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen ist es üblich, die Lötstellen jeweils innerhalb eines Schutzrohres anzu-
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ordnen. Dieses Rohr kann aus einer Keramik (vgl. DE-B-20 21 044) oder aus einem Oxidkristall (vgl. DE-A-14 89 263) bestehen, freilich nur in Gestalt einer Agglomeration von kristallinen Partikeln. Im herkömmlichen Sinne sind diese Schutzrohre nicht transparent, insbesondere nicht für
Infrarotstrahlung; der Wärmeübergang an die nicht auf der Referenztemperatur befindliche Verbindungsstelle in dem Fühler geschieht ausschließlich durch Wärmeleitung durch das Schutzrohr hindurch. Dies führt zu erheblichen Zeit- Verzögerungen beim Ansprechen und macht infolge der Träg¬ heit des Vorganges eine Verfolgung rascher Temperatur¬ schwankungen unmöglich. Bei Auswahl geeigneter Materialien für die Leiter, z. B. einer Platin-Rhodium/Platin-Rhodium- Paarung (mit jeweils unterschiedlichen Legierungsanteilen in den Leitern), können Messungen bis zu ca. 1.800* C durchgeführt werden. Aus der VDI-Zeitschrift 1969, Nr. 24, S. 1706 - 1712, ist es auch bekannt, die der zu messenden Temperatur ausgesetzte Verbindungsstelle des Thermoele¬ ments in einer Atmosphäre aus inertem Schutzgas anzuord- nen.
Nachdem jetzt elektrische Heizer oder Öfen zur Verfügung stehen, mit deren Hilfe deutlich höhere Temperaturen als 1800° C im praktischen Betrieb erreicht werden können, ist es wünschenswert, Thermoelemente hierfür zur Verfügung zu haben, insbesondere auch dann, wenn bei oxidierender Atmosphäre gearbeitet wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach die Angabe eines Fühlers der eingangs genannten Art für ein Thermo¬ element, der bei einer sehr hohen maximalen Temperatur, insbesondere deutlich über 1800° C, auch in oxidierender Atmosphäre eingesetzt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß das Schutzrohr aus einer in Form eines Einkristalls
*••» vorliegenden, für Wärmestrahlung transparenten Keramik oder aus einem für Wärmestrahlung transparenten Oxidkri¬ stall mit einem Schmelzpunkt oberhalb der maximalen Tem¬ peratur besteht. Dabei ist auch gemeint, daß das Schutz¬ rohr aus der Keramik bzw. dem Oxidkristall herausgearbei¬ tet sein kann.
10 Unter einem transparenten Material wird im Sinne der Er¬ findung ein Material verstanden, welches für Wärmestrah¬ lung durchlässig ist, insbesondere ein Material, bei dem die Transmission von Wärmestrahlung deutlich gegenüber der Absorption von Wärmestrahlung überwiegt.
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Da das Material für das Schutzrohr des Fühlers für Wärme¬ strahlung, insbesondere für Strahlung im infraroten Be¬ reich, transparent ist, erfolgt eine Übertragung von Wär¬ me aus der Umgebung auf die Verbindungsstelle in dem Füh-
20 1er nicht in der Hauptsache durch Wärmeleitung, sondern vor allem durch Wärmestrahlung. Damit kann der Fühler auf Temperaturänderungen sehr schnell reagieren.
Die Drähte des Fühlers sind innerhalb des Schutzrohres 25 zweckmäßigerweise gehaltert, um die mechanischen Beanspru¬ chungen von außen zu verringern, insbesondere ein Kurz¬ schließen zu vermeiden. In weiterer Ausgestaltung sind diese Halterungen aus der gleichen Keramik wie das äußere Schutzrohr hergestellt. Beeinträchtigungen der Warmfestig- 30 keit, die sonst durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen zweier Materialien auftreten könnten, werden so vermieden.
In einer weiteren Ausbildung ist das Schutzrohr evakuiert
und vakuumdicht verschlossen. Einer Korrosion der Drähte und der Verbindungsstelle wird so vorgebeugt.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Atmosphäre innerhalb des Schutzrohres inert. Sie besteht z. B. aus Argon, Helium oder einem anderen inerten Gas. Auch so sind die Drähte und die Verbindungsstelle des Fühlers vor Korrosion geschützt.
Als geeignete Werkstoffe, die sowohl die erforderliche
Temperaturfestigkeit aufweisen als auch im Infrarotbereich des elektromagnetischen Wellenspektrums die erforderliche Durchlässigkeit besitzen, kommen z. B. Saphir (Al^O,)- oder Zirkonoxid (Zr02)-Einkristalle in Frage. Diese Werk- stoffe weisen neben einer hohen Korrosionsbeständigkeit eine gute mechanische Festigkeit auf und bieten dem Durch¬ gang der Wärmestrahlung kein nennenswertes Hindernis. Aus den genannten Werkstoffen Saphir und Zirkonoxid lassen sich ohne besondere Schwierigkeiten Einkristalle der be- nötigten Größe züchten, die gegebenenfalls mittels geeig¬ neter Verfahren, z. B. durch Ultraschallbohren und ähnli¬ che Ultraschallzerspanungsverfahren, formgebend bearbei¬ tet werden können.
Als Materialien für die Leiter, insbesondere die Drähte, bieten sich vorteilhaft Legierungen aus Platin oder Wolf¬ ram einerseits und Rhodium oder Rhenium andererseits an. Ein Thermoelement enthaltend Drähte aus Platin/Rhodium eignet sich für die Messung von Temperaturen bis minde- stens 1800° C, Drähte aus Wolfram/Rhenium auch für deut¬ lich höhere Temperaturen. Kombinationen von Drähten aus Legierungen mit von Draht zu Draht verschiedenen Metallen oder Metallegierungen sind ebenfalls möglich.
Die Drähte sind günstigerweise durch einen Verschlußdek- kel in das Schutzrohr hineingeführt. Der Verschlußdeckel schließt das Schutzrohr ab und ist aus einem hitzebestäπ- digen Material gefertigt.
Die maximale Temperatur liegt vorzugsweise oberhalb von 1800° C, insbesondere im Bereich bis ca. 2200° C.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung im Axiallängsschnitt dargestellt.
Für den Einsatz in Hochtemperaturöfen bei Temperaturen bis zu 2200° C in unterschiedlichen Atmosphären umfaßt der dargestellte gekapselte Fühler zwei Drähte 1, 2 aus Pla- tin/Rhodium-Legierungen oder Wolfram/Rhenium-Legierungen verschiedener Zusammensetzung. Die Drähte 1, 2 sind an ei¬ ner Verbindungsstelle 3 miteinander verlötet. Eine weite¬ re, nicht gezeigte Verbindungsstelle bildet einen ebenfalls nicht gezeigten Referenz-Fühler, der mit dem dargestellten Fühler 1, 2 und einem nicht gezeigten Meßgerät für die Ther- mospannuπg das Thermoelement bildet. Die Drähte 1, 2 sind in einer Halterung 4 gehaltert, und diese Halterung 4 wie¬ derum ist in einem endseitig geschlossenen Schutzrohr 5 ge¬ halten. Halterung 4 und Schutzrohr 5 bestehen jeweils aus einem für Wärmestrahlung transparenten Material, z. B. aus Aluminiumoxid (A120,). Sie sind aus einem Einkristall (Sa¬ phir) dieses Stoffes herausgearbeitet. Das Schutzrohr 5 ist an seinem oberen Ende mit einem Deckel 6 aus einem hochtemperaraturbeständigen, nicht notwendigerweise für Wärmestrahlung besonders durchlässigen Stoff vakuumdicht verschlossen. Die Drähte 1, 2 si-d durch vakuumdicht ver¬ schlossene Bohrungen im Deckel 6 nach außen geführt. Der eine Draht 1 führt zur Verbindungsstelle im Referenz-Füh-
1er. Der andere Draht 2 ist zu einem hier nicht gezeigten Meßgerät, z. B. zu einem Drehspulgalvanometer, geführt, in dem die durch die Einwirkung der Wärme auf die gezeigte Verbindungsstelle 3 erzeugte Thermospannung gemessen wird.
Die Halterung 4 ist am Deckel 6 angelötet. Der Deckel 6 ist ebenfalls durch Löten mit dem Schutzrohr 5 verbunden. Als Lötmaterial werden vorzugsweise Glaslote verwendet, aber auch die Verwendung von keramischen Loten oder Kle- bern ist möglich. Die Verwendung dieser Lote bewirkt, daß die Durchführungen der Drähte 1, 2 durch den Deckel 6 va¬ kuumdicht und elektrisch isoliert sind. Das Schutzrohr 5 ist evakuiert, oder es besitzt eine Atmosphäre aus einem inerten Gas, vorzugsweise unter Unterdruck.
Der dargestellte Fühler ist infolge des gewählten Aufbaus keiner Korrosion ausgesetzt und unterliegt damit nur mini¬ malem Verschleiß. Aufgrund der Beschaffenheit des Schutz¬ rohres 5 ist eine Langzeit-Temperaturbeständigkeit des Fühlers gewährleistet. Durch die Wahl des für Wärmestrah¬ lung transparenten Materials für das Schutzrohr 5 spricht der Fühler sehr schnell auf Temperaturänderungen an.