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Die Erfindung bezieht sich auf ein mehrmals verwendbares Thermoelement mit grossem Messbereich, das aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung besteht.
Rhenium enthaltende Wolframlegierungen werden in letzter Zeit häufig verwendet, da die geringe
Plastizität des ein kubisch räumlich zentriertes Kristallgitter aufweisenden Wolframs durch das ein hexagonales
Kristallgitter aufweisende Rhenium, das bessere Verformungseigenschaften besitzt, günstig beeinflusst wird. Ein
Nachteil der bisherigen Wolfram-Rhenium-Legierungen liegt jedoch darin, dass sie entweder einen verhältnismässig hohen Prozentsatz (zwischen 10 und 20%) Rhenium enthalten, was abgesehen von der Kostspieligkeit des
Rheniums auch vom Gesichtspunkte der Erniedrigung des Schmelzpunktes und der höheren Dampfspannung nachteilig ist. Andere Legierungen enthalten wieder sehr wenig (weniger als 5% o) Rhenium, jedoch können in einem solchen Fall die durch die Rheniumlegierung erzielbaren Vorteile nicht voll ausgenützt werden.
Die Patentinhaberin hat bereits vorgeschlagen, Wolfram mit 1 bis 5% Rhenium zu legieren und dieser Legierung noch andere Elemente beizumengen. Es hat sich herausgestellt, dass sich solche Legierungen insbesondere für Thermoelemente, die mehrmals verwendet werden sollen, eignen. Solche Thermoelemente müssen nicht nur den bei der Messung auftretenden Temperaturen ohne jede Beeinflussung standhalten können, so dass eine wiederholbare Messung sichergestellt ist, sondern es sollen solche Thermoelemente auch eine lange Lebensdauer und eine geringe Zeitkonstante aufweisen. Bei den bisher bekannten Thermoelementen waren nun diese Eigenschaften nicht in völlig zufriedenstellender Weise erfüllt. Insbesondere wiesen die bekannten Thermoelemente stets aus keramischem Material bestehende Bauteile auf, was zu einer grossen Wärmeträgheit des Thermoelementes führte.
Diejenigen Konstruktionen, die keinen solchen keramischen Bauteil aufweisen, wurden wieder bei Messungen über 18000C bereits nach einer einzigen Messung glasartig brüchig, so dass schon geringe Erschütterungen genügten, um das Thermoelement zu zerbrechen. Nun können aber in der Praxis bei der Messung mit Thermoelementen kleinere Erschütterungen desselben, insbesondere während des Einschiebens des Thermoelementes in den Ofen kaum vermieden werden und aus diesem Grunde waren die bisher bekannten Thermoelemente praktisch nur einmal verwendbar.
Die Erfindung besteht nun im wesentlichen darin, dass bei einem mehrmals verwendbaren Thermoelement mit grossem Messbereich, das aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung besteht, die Zahl der im Fühlerpunkt des Thermoelementes vereinigten Thermoschenkel drei bis sieben beträgt, wobei das Material wenigstens eines der Thermoschenkel ein 1 bis 5% Rhenium enthaltender Wolframdraht ist, welcher wenigstens ein oder mehrere Elemente ungerader Wertigkeit des periodischen Systems in Mengen geringer als 0, 02% per Element enthält. Mit solchen Thermoelementen ist es möglich, keramische Bauteile derselben zumindest in jenem Bereich, der den höchsten Temperaturen ausgesetzt ist, zu vermeiden, so dass die Wärmeträgheit des Thermoelementes herabgesetzt, d. h. die Zeitkonstante desselben verkleinert wird.
Es hat sich herausgestellt, dass die Zeitkonstante in erfindungsgemässer Weise ausgebildeter Thermoelemente gegenüber vergleichbaren bekannten Thermoelementen um etwa 60% kleiner ist. Wo aus konstruktiven oder sonstigen Gründen keramische Bauelemente, z. B.
Schutzrohre, unerlässlich sind, können sie bei der erfindungsgemässen Konstruktion kleiner ausgebildet werden, so dass auch in solchen Fällen gegenüber vergleichbaren bekannten Konstruktionen die Zeitkonstante herabgesetzt wird. Bei den bekannten Thermoelementen konnte das keramische Schutzrohr aus Festigkeitsgründen nicht Ideiner als etwa 3 bis 4 mm gemacht werden. Es war daher bei den bekannten Thermoelementen eine Herabsetzung des Zeitkonstantenwertes auf dem Wege einer Verringerung des Durchmessers des keramischen Schutzrohres kaum möglich.
Bei der erfindungsgemässen Konstruktion ist es hingegen möglich, im Bereiche des Messpunktes des Thermoelementes die schlechtleitenden keramischen Bauteile vollkommen zu vermeiden, da die nötige Stabilität des Thermoelementes durch die guten Festigkeitseigenschaften der in erfindungsgemässer Weise verwendeten Thermoschenkel sichergestellt wird. Es kann daher auch ohne keramische Stützteile ein allein von den Thermoschenkeln gebildeter selbsttragender Thermoelementteil vorgesehen sein.
Der Messbereich des erfindungsgemässen Thermoelementes ist ausserordentlich gross und es können solche Thermoelemente bis 2600 C verwendet werden. Innerhalb des gesamten Messbereiches ist die Zeitkonstante infolge der kleinen Wärmekapazität des Thermoelementes und der hohen Wärmeleitfähigkeit der Thermoschenkel bzw. der Vermeidung von schlecht wärmeleitenden Bauteilen sehr gering, was für die Messung nur kurz dauernder thermischer Vorgänge von Wichtigkeit ist.
Vor allem aber hat es sich herausgestellt, dass das erfindungsgemässe Thermoelement eine lange Lebensdauer aufweist und ohne weiteres eine mehrmalige Verwendung zulässt, ohne dass die Schenkel des Thermoelementes zum Brüchigwerden neigen.
Es ist sogar möglich, die Thermoelementschenkel mit einer Kraft, die einige Kilopond beträgt, vorzuspannen, so dass Durchbiegungen des Fühlerpunktes des Thermoelementes auch bei sehr grosser Länge desselben (1 m und mehr) vernachlässigbar klein sind, so dass die Messstelle des Thermoelementes bei festgehaltenem Thermoelement sich im Laufe der Zeit nicht ändert, was für die Überwachung langdauernder Vorgänge von Wichtigkeit ist.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Zahl der im Fühlerpunkt vereinigten Drähte 4 bis 7, und auf wenigstens 3 Drähten, sind, vorzugsweise in zyklischer Reihenfolge Verspannungsdrähte angeordnet.
Dadurch wird die Stabilität des Thermoelementes noch weiter erhöht.
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In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Thermoelementes schematisch dargestellt. Fig. l zeigt ein drei Schenkel aufweisendes Thermoelement in Draufsicht, während Fig. 2 ein vier Schenkel aufweisendes Thermoelement zeigt, das in einem Wolframrohr eingespannt ist. Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform eines mit vier Schenkeln versehenen Thermoelementes, während Fig. 4 ein mit einem Wolframschutzrohr mit Metalloxydglasur versehenes Thermoelement zeigt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. l sind im Fühlerpunkt--l--des Thermoelementes drei Schenkel zusammengefasst, von welchen zwei Schenkel--2--zur Ableitung der Thermospannung dienen, während der dritte Schenkel --3-- ein Befestigungselement bildet, welches z. B. um einen aus Ofenkeramik hergestellten Zylinder gewickelt ist, auf dessen äussere Oberfläche ein Widerstandsdraht aufgewickelt wird, durch welchen Strom hindurchgeleitet wird, der den Zylinder erwärmt. Der Schenkel--3-- des Thermoelementes kann auch an eine der Windungen des Widerstandsdrahtes angeschlossen werden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind Thermoschenkel --2a, 2b-- aus identischem Material
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- des Thermoelementes frei liegt. Eine solche Konstruktion kann auch dazu verwendet werden, die im Fühlerpunkt--l--auftretende Temperatur mittels der Thermoschenkelpaare--2a, 2b-doppelt zu messen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind vier Thermoschenkel vorgesehen, die miteinander im Fühlerpunkt - l-verbunden sind und von diesem Fühlerpunkt-l-divergieren. Drei dieser Thermoschenkel, nämlich die Thermoschenkel --2-- bestehen aus einander identischem Material, während der vierte Thermoschenkel (nämlich der Thermoschenkel-5--) aus davon abweichendem Material, zweckmässig einem negativen Material, besteht. Die Schenkel--2, 5-laufen zu einem Keramikstab--6--, in welchem sie gehaltert sind. Sie sind untereinander durch Wickeldrähte --7-- aus stets dem gleichen Material miteinander verbunden, so dass sich eine Versteifung derKonstruktion ergibt.
Bei der Ausbildungsform nach Fig. 4 ist ein Schutzrohr--8--vorgesehen, welches mit einer Metalloxydglasur versehen ist.
Dieses Schutzrohr umgibt den Fühlerpunkt--l--sowie die Thermoschenkel--2--, von welchem nur zwei dargestellt sind. Die Thermoschenkel laufen in ähnlicher Weise wie in Fig. 3 zu einem Keramikkörper - -6--, welcher ebenfalls im aus Wolfram oder Molybdän bestehenden Schutzrohr --8-- untergebracht ist.
Die Aussenfläche des Schutzrohres ist zweckmässig geriffelt und mit einer Metalloxydglasur versehen. Das Schutzrohr --8-- weist eine grosse Wärmebeständigkeit auf und sitzt in einem Stahlrohr --9-- üblicher Bauart, an dessen Ende ein in üblicher Weise ausgebildeter Vakuumschaft--10--angeschlossen ist.
Solche Thermoelemente weisen eine sehr grosse Stabilität auf, da die im Fühlerpunkt zu den Drähten des Thermoelementes zulaufenden zusätzlichen Schenkel die Stabilität wesentlich verbessern. Diese zusätzlichen Schenkel können passiv sein, jedoch auch zur Stromzuleitung (etwa zum Zwecke der Vorwärmung des Fühlerpunktes wie bei der Konstruktion nach Fig. 2) herangezogen werden. Bei der Konstruktion nach Fig. 2 ist es möglich, den Fühlerpunkt im Raum aufgespannt schwebend zu halten, während bei den übrigen Ausführungsformen die nötige Stabilität durch die zusätzlichen Schenkel gesichert wird. In allen Fällen ergibt sich eine geringe Zeitkonstante, da ja der Fühlerpunkt im wesentlichen frei liegt und nicht wie bei den bekannten Konstruktionen von irgendwelchen verhältnismässig schlecht wärmeleitenden Bauteilen gestützt ist.
Im Falle eines Schenkeldurchmessers von 0, 5 mm ist die Zeitkonstante bei der Ausführungsform nach Fig. l etwa 1 sec, bei jener nach Fig. 2 etwa 10 sec. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 beträgt sie etwa 4 sec, kann jedoch durch eine Inertgasfüllung, z. B. mit Wasserstoff des Schutzrohres-8-, gesteigert werden. Die Ausführungsform nach Fig. 4 weist eine besonders hohe Beanspruchungsfestigkeit auf. Sie kann sogar in geschmolzenen Stahl eingetaucht und in dieser Lage gehalten werden, wobei die Konstruktion in reduzierender Atmosphäre bis etwa 24000C verwendbar bleibt.
Das äussere Schutzrohr--8--kann ebenfalls mit einem Rheniumgehalt, etwa mit einem solchen zwischen 0, 01 und 1% ausgebildet werden, wodurch sich die Festigkeitseigenschaften des Schutzrohres--8-gegenüber solchen bekannter Konstruktionen ebenfalls verbessern. Dieser Rheniumzusatz für das Schutzrohr --8-- erleichtert auch die Aufbringung einer Metalloxydglasur, welche die Verwendung des Thermoelementes auch in einer oxydierenden Atmosphäre begünstigt. Stets ist es jedoch zweckmässig, im inneren des Schutzrohres eine Schutzgasatmosphäre aus einem Inertgas zum Schutze der Thermoschenkeln aufrechtzuerhalten. Zwecks Aufrechterhaltung dieser Inertgasfüllung des Schutzrohres --8-- ist dieses vakuumdicht zu verschliessen.
Es hat sich durch Versuche herausgestellt, dass bei einer Konstruktion, bei welcher dieser Abschluss durch eine Glaseinschmelzung bewirkt wurde, der Korrosionsschutz auf der Innenfläche des Schutzrohres und die Thermoschenkel auch nach 300-maligem Eintauchen des Thermoelementes in geschmolzenes Eisen noch gut verwendbar waren.