DD241952A1

DD241952A1 - THERMOMETER PROTECTION TUBE WITH DEVICES FOR REDUCING MEASUREMENT ERRORS THROUGH WEATHER RADIATION

Info

Publication number: DD241952A1
Application number: DD28187385A
Authority: DD
Inventors: Peter W Schmidt
Original assignee: Ministerrat Der Ddr Amt Fuerst
Priority date: 1985-10-18
Filing date: 1985-10-18
Publication date: 1987-01-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Thermometerschutzrohr mit Vorrichtungen zur Verminderung von Messfehlern durch Waermeabstrahlung, das es gestattet, bei der Messung von hohen Temperaturen den Strahlungsanteil, der im Querschnitt des transparenten Schutzrohres vom Ort der Messung weggefuehrt wird, zu verringern. Das ist moeglich, indem erfindungsgemaess in den Querschnitt des Schutzrohres bestimmte axialsymmetrische Profilveraenderungen eingearbeitet sind, die als Strahlungssperren wirken, oder indem mindestens eine Schicht eines Materials mit stark herabgesetzter Transparenz den Querschnitt des Schutzrohres an solchen Stellen fast oder ganz ausfuellt, die dem Zweck der Erfindung moeglichst dienlich sind.The invention relates to a Thermometerschutzrohr with devices for reducing measurement errors by heat radiation, which allows, in the measurement of high temperatures, the radiation component, which is guided away in the cross section of the transparent protective tube from the location of the measurement. This is possible by the invention in the cross section of the protective tube certain axial symmetric profile changes are incorporated, which act as radiation barriers, or by at least one layer of material with greatly reduced transparency, the cross section of the protective tube in such places almost or completely filled, the purpose of the invention as possible.

Description

Field of application of the invention

In der Temperaturmeßtechnik werden seit Jahrzehnten für Thermometer Schutzrohre aus transparenten Werkstoffen (Gläser, Quarzglas, transparenten Keramiken) benutzt, wobei vor allem Quarzglas beim Bau von Hochtemperaturthermometern Bedeutung besitzt, da es im Gegensatz zu den meisten temperaturbeständigen Keramiken eine hohe Gasundurchlässigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit zeigt. Sehr reines Quarzglas besitzt eine besonders hohe Transparenz für Strahlung im sichtbaren und nahen infraroten Wellenlängenbereich. Es kann daher die im Hochtemperaturbereich auftretende Strahlung im Innern des Querschnitts sehr gut fortleiten (durch direkte Strahlung wie auch durch einfache und mehrfache Totalreflexion an den Wänden). Dies ergibt eine Wärmeabfuhr von dem im Schutzrohr befindlichen Temperaturfühler, die wesentliche Meßfehler hervorrufen kann.For decades thermometers have been using protective tubes made of transparent materials (glasses, quartz glass, transparent ceramics) in temperature measurement technology, with quartz glass being of particular importance in the construction of high-temperature thermometers since, in contrast to most temperature-resistant ceramics, they exhibit high gas impermeability and thermal shock resistance. Very pure quartz glass has a particularly high transparency for radiation in the visible and near infrared wavelengths. It can therefore very well divert the radiation occurring in the high temperature range inside the cross section (by direct radiation as well as by simple and multiple total reflection on the walls). This results in a heat dissipation from the temperature sensor located in the protective tube, which can cause significant measurement errors.

Die Anwendung der vorliegenden Erfindung erfolgt vorzugsweise auf dem Gebiet der Messung hoher Temperaturen durch Berührungsthermometer, weiterhin in der allgemeinen und chemischen Verfahrenstechnik und der Halbleiterindustrie, wo Prozesse in Hochtemperaturreaktoren mit transparenten Wänden ablaufen.The application of the present invention is preferably in the field of measurement of high temperatures by contact thermometers, further in general and chemical engineering and the semiconductor industry, where processes take place in high temperature reactors with transparent walls.

Characteristic of the known technical solutions

In den industriell gefertigten Thermometern mit Schutzrohren aus Quarzglas werden verschiedene Methoden zur Verminderung von Meßfehlern durch Wärmeabstrahlung im Querschnitt des Rohres benutzt. Bekannt geworden ist z. B. in der BRD-AS 1902316 eine Schwärzung der Oberfläche des Rohres um den Meßfühler herum oder auch ein Aufrauhen der Rohroberflächen, um eine Totalreflexion der Strahlung an den Schutzrohrwänden und damit eine effektive Auskopplung von Strahlungsenergie aus der Meßzone des Thermometers zu verringern. Wie sich jedoch bei einer detaillierten Betrachtung der Wärmeströme zeigt, können mit den verbleibenden Effekten noch andere nicht akzeptable systematische Meßfehler auftreten.In the industrially manufactured thermometers with protective tubes made of quartz glass, various methods are used to reduce measurement errors due to heat radiation in the cross section of the tube. Has become known z. B. in the Federal Republic of Germany 1902316, a blackening of the surface of the tube around the probe around or a roughening of the tube surfaces in order to reduce a total reflection of the radiation to the protective tube walls and thus an effective coupling of radiant energy from the measuring zone of the thermometer. However, as shown by a detailed look at the heat flows, other unacceptable systematic errors may occur with the remaining effects.

Diese resultieren z.T. daraus, daß Temperaturgradienten in der heißen Zone des zu untersuchenden technischen Gerätes bei höheren Temperaturen einen Transport von Wärmeenergie durch Strahlung innerhalb des Schutzrohrquerschnittes bewirken, der größer ist als durch Wärmeleitung. Aufrauhen oder Schwärzen der Schutzrohrwand vergrößert jedoch die Emission von Strahlung und damit entsprechende Meßfehler. Auch wird der direkten Ausbreitung der Strahlung nicht entgegengewirkt, so daß immer noch ein bestimmter Anteil der Strahlungsenergie bis zum kalten Anschlußende des Thermometers gelangt und dort eventuell eine unerwünschte Erwärmung verursacht.These result z.T. from the fact that temperature gradients in the hot zone of the technical device to be examined at higher temperatures cause a transport of heat energy by radiation within the protective tube cross-section, which is greater than by heat conduction. Roughening or blackening of the protective tube wall, however, increases the emission of radiation and thus corresponding measurement errors. Also, the direct propagation of the radiation is not counteracted, so that still reaches a certain proportion of the radiation energy to the cold terminal end of the thermometer and possibly causes an undesirable heating.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, Fehlerquellen bei der Temperaturmessung mit Hochtemperaturthermometern, die durch Abstrahlung im Querschnitt des transparenten Schutzrohres verursacht werden, zu vermindern, so daß besonders bei Präzisionsmessungen eine Verringerung des systematischen Meßfehlers und eine Erhöhung des Gebrauchswertes der Thermometer gegeben ist. Speziell soll der Energieaustausch durch direkte Strahlung in der heißen Zone des Thermometers verringert werden. Damit sinken die sogenannten Wärmeableitfehler.The aim of the invention is to reduce sources of error in the temperature measurement with high temperature thermometers, which are caused by radiation in the cross section of the transparent protective tube, so that there is a reduction of the systematic measurement error and an increase in the practical value of the thermometer, especially in precision measurements. Specifically, the energy exchange should be reduced by direct radiation in the hot zone of the thermometer. This reduces the so-called heat dissipation errors.

Für das Thermometer kann eine geringere Einbaulänge benutzt werden, oder die Länge bzw. Ausdehnung des zu messenden homogenen Temperaturbereiches kann vermindert werden. Dadurch wird Material gespart und die mechanische Empfindlichkeit des Thermometers verringert. Maßnahmen zur Kühlung des Thermometeranschlußkopfes können eingespart oder reduziert werden. Die vollständige Aufrauhung der Schutzrohrwand entfällt, wodurch die Verunreinigungs- und Entglasungsgefahr verringert wird.For the thermometer, a smaller installation length can be used, or the length or extent of the homogeneous temperature range to be measured can be reduced. This saves material and reduces the mechanical sensitivity of the thermometer. Measures for cooling the thermometer connection head can be saved or reduced. The complete roughening of the protective tube wall is eliminated, which reduces the risk of contamination and devitrification.

Explanation of the essence of the invention

In bekannt gewordenen Thermometern, bei denen das Schutzrohr aus transparentem Material ganz oderteilweise oberflächlich geschwärzt oder aufgerauht wurde, wirkt ein Stück des Schutzrohres in der heißen Zone bezüglich der Wärmestrahlung, die durch einen beliebigen Querschnitt des Rohres dringt, annähernd wie ein Hohlraumstrahler. Setzt man zwei solcher Rohrstücke mit wenig unterschiedlicher Temperatur aufeinander, erfolgt der Wärmeaustausch zwischen diesen beiden „Hohlraumstrahlern" durch Strahlung und durch Leitung. Bei etwa 1000°C ist die durch Strahlung transportierte Energie selbst bei kleinen Temperaturdifferenzen z. B. in Quarzglas um ein mehrfaches höher als die durch Leitung transportierte. Selbst bei einer vollständig aufgerauhten Oberfläche des Schutzrohres werden durch direkte Abstrahlung durch das transparente Rohr zum kalten Rohrende hin (wo dieser Strahlungsanteil absorbiert wird oder austritt) so große Wärmemengen transportiert, daß nicht vernachlässigbare systematische Meßfehler auftreten können. Gemäß dem Ziel der Erfindung müssen entweder diese Wärmeströme verringert oder ihr Austausch verhindert werden. Ersteres kann dadurch bewirkt werden, daß die Emissivität der Hohlraumstrahler in der heißen Zone möglichst niedrig gehalten wird und letzteres, indem man den Strahlungsfluß effektiv unterbindende Mittel in den Strahlengang (in diesem Fall den Querschnitt der Schutzrohrwand) bringt. Erfindungsgemäß soll dies geschehen, indem zwischen den auf die Meßtemperatur erwärmten Teilen des Thermometers und kälteren Teilen im Querschnitt der Schutzrohrwand mindestens eine Schicht eines möglichst stark reflektierenden oder absorbierenden Materials angeordnet ist, die einen Weitertransport von Strahlung unterbindet oder verringert.In known thermometers, in which the protective tube made of transparent material has been totally or partially superficially blackened or roughened, a piece of the protective tube acts in the hot zone with respect to the heat radiation which penetrates through an arbitrary cross-section of the tube, almost like a cavity radiator. If one places two such pieces of pipe with little different temperature on each other, the heat exchange between these two "cavity radiators" by radiation and by conduction.At about 1000 ° C, the energy transported by radiation, even at small temperature differences, for example in quartz glass by a multiple Even with a fully roughened surface of the protective tube, by direct radiation through the transparent tube to the cold tube end (where this portion of the radiation is absorbed or released), such large quantities of heat are transported that non-negligible systematic measurement errors may occur The aim of the invention is either to reduce these heat flows or to prevent their replacement, the first of which can be achieved by keeping the emissivity of the cavity radiators in the hot zone as low as possible, and the latter by controlling the radiation flow effectively eliminating means in the beam path (in this case, the cross section of the protective tube wall) brings. According to the invention this is done by at least one layer of highly reflective or absorbent material is disposed between the heated to the measuring temperature parts of the thermometer and colder parts in the cross section of the protective tube wall, which prevents or reduces the further transport of radiation.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß der Schutzrohrquerschnitt an dem entsprechenden Ort des Schutzrohres konstruktiv so gestaltet ist, daß hier ankommende Strahlung den Rohrquerschnitt verläßt. Dies wird durch eine entsprechende Formgebung des Rohres bewirkt. Bei gleichzeitiger Verhinderung der Totalreflexion an der Rohrwand (z.B. durch Aufrauhen) wird so der Abstrahlung effektiv entgegengewirkt, wenn sich die Strahlungssperre noch im heißen Teil des Thermometers befindet. Eine analoge Strahlungssperre im kalten Teil verhindert die unzulässige Erwärmung des Anschlußkopfes. Für Strahlungssperren, die an den Teilen des Thermometerschutzrohres angebracht werden, welche nicht in beliebige Vorrichtungen eingeführt werden müssen, kann eine konstruktive Ausführung benutzt werden, die den Außendurchmesser des Schutzrohres verändert. Dabei ist über eine bestimmte Länge die Form der Schutzrohrwand bei gleicher oder annähernd gleicher Wanddicke axialsymmetrisch so geändert, daß wie in Fig. 1 gezeigt der Innendurchmesser dieses veränderten Rohrstückes größer ist als der Außendurchmesser der angrenzenden unveränderten Rohrstücke. Fig. 2 zeigt eine weitere, jedoch nicht so günstige Variante, bei der der Außendurchmesser des geänderten Rohrstückes kleiner ist als der Innendurchmesser des unveränderten Schutzrohres. Wesentlich ist vor allem die Relation der Durchmesser, während die Länge des geänderten Rohrstückes von untergeordneter Bedeutung ist. Damit die Strahlung jedoch nicht durch Totalreflexion durch die Durchmesserveränderung gelangen kann, ist es notwendig, die konvex gekrümmten Wandteile . aufzurauhen. *Another solution according to the invention is that the protective tube cross-section at the corresponding location of the protective tube is structurally designed so that incoming radiation leaves the tube cross-section. This is effected by a corresponding shaping of the tube. At the same time preventing total reflection on the pipe wall (e.g., by roughening), the radiation is effectively counteracted when the radiation barrier is still in the hot part of the thermometer. An analog radiation barrier in the cold part prevents excessive heating of the connection head. For radiation barriers, which are attached to the parts of the thermometer protection tube, which need not be introduced into any devices, a structural design can be used, which changes the outer diameter of the protective tube. In this case, over a certain length, the shape of the protective tube wall with the same or approximately the same wall thickness axially symmetrically changed so that as shown in Fig. 1, the inner diameter of this modified pipe section is greater than the outer diameter of the adjacent unchanged pipe sections. Fig. 2 shows a further, but not so cheap variant, in which the outer diameter of the changed pipe section is smaller than the inner diameter of the unchanged protective tube. Especially important is the relation of the diameter, while the length of the changed pipe section is of minor importance. However, so that the radiation can not reach by total reflection through the change in diameter, it is necessary, the convex curved wall parts. roughen. *

Wenn die Einbaubedingungen des Thermometers eine Änderung des Außen- oder Innendurchmessers des Schutzrohres nicht zulassen, ist die Wanddicke des Schutzrohres über eine begrenzte Länge in axialer Richtung auf mindestens die Hälfte zu reduzieren. Auf diesem Stück des Schutzrohres ist ebenfalls die Form der Wand so gestaltet, daß wie in Fig. 3 über eine bestimmte Länge der Innendurchmesser mindestens gleich dem Außendurchmesser benachbarter Wandteile ist oder wie in Fig. 4 der Außendurchmesser höchstens genauso groß wie der Innendurchmesser angrenzender Wandbereiche ist. Eine besonders einfache Bauart einer solchen Strahlungssperre besteht, wie in Fig. 5 gezeigt; aus mindestens 3 um den gesamten Schutzrohrumfang angebrachten Rillen in der Wand, die mindestens eine Tiefe von der halben Wanddicke haben und alternierend innen und außen liegen. Diese Rille können sowohl durch thermische Formgebung des Schutzrohres als auch durch Schleifen oder andere abtragende Bearbeitung hergestellt werden. Auch bei diesen Varianten ist es notwendig, mindestens eine Schutzrohrwand im Bereich der Strahlungssperre aufzurauhen. Eine Verbesserung der Eigenschaften ist weiterhin zu erzielen, wenn Wandkrümmungen zu den Strahlungssperren einen Anstellwinkel besitzen, der die Totalreflexion nicht zuläßt.If the installation conditions of the thermometer do not allow a change in the outer or inner diameter of the thermowell, the wall thickness of the thermowell over a limited length in the axial direction must be reduced to at least half. On this piece of the protective tube, the shape of the wall is also designed so that as in Fig. 3 over a certain length of the inner diameter is at least equal to the outer diameter of adjacent wall portions or as in Fig. 4, the outer diameter is at most equal to the inner diameter of adjacent wall portions , A particularly simple type of such a radiation barrier exists, as shown in Figure 5; from at least 3 grooves in the wall, which are mounted around the entire circumference of the protective tube and at least have a depth of half the wall thickness and are located alternately inside and outside. These grooves can be made both by thermal shaping of the protective tube and by grinding or other abrasive machining. Even with these variants, it is necessary to roughen at least one protective tube wall in the area of the radiation barrier. An improvement of the properties can be further achieved if wall curvatures to the radiation barriers have an angle of attack that does not permit total reflection.

Ausführungsbeispiel ' . - -Embodiment '. - -

An dem erfindungsgemäßen Schutzrohr 1 für Hochtemperaturwiderstandsthermometer aus transparentem Material sind, wie in Fig.6 gezeigt, die Strahlungssperren 2 und 4 angebracht. Die Strahlungssperre 2 hat hierbei eine Ausführung, die den Gesamtaußendurchmesser des Schutzrohres nicht übersteigt, da sie sich direkt oberhalb des Meßfühlers 3 befindet. Für diese Strahlungssperre wird daher eine Ausführung entsprechend den Fig. 3 oder 5 benutzt. Die Aufrauhung der Schutzrohrwand wird dabei nur im Bereich dieser Strahlungssperre vorgenommen. Mit dieser Strahlungssperre wird der Anteil an Strahlung, der von den Teilen des Schutzrohres um den Meßfühler ausgeht und durch Totalreflexion innerhalb des Schutzrohrquerschnittes in kalte Thermometerteile gelangen kann, wesentlich reduziert. Der dazugehörige systematische Meßfehler, der durch diesen Energieverlust des Meßfühlers entstünde, verringert sich also.On the protective tube 1 according to the invention for high-temperature resistance thermometers made of transparent material, as shown in Figure 6, the radiation barriers 2 and 4 are attached. The radiation barrier 2 in this case has an embodiment which does not exceed the overall outer diameter of the protective tube, since it is located directly above the sensor 3. For this radiation barrier, therefore, an embodiment according to FIG. 3 or 5 is used. The roughening of the protective tube wall is made only in the area of this radiation barrier. With this radiation barrier, the proportion of radiation that emanates from the parts of the protective tube to the probe and can be achieved by total reflection within the protective tube cross-section in cold Thermometerteile significantly reduced. The associated systematic measurement error, which would result from this energy loss of the probe, thus decreases.

Da das Schutzrohr nicht mehr vollständig aufgerauht ist, läßt es sich besser reinigen, und die Entglasungsgefahr ist kleiner. Da das Schutzrohr auch noch oberhalb der Strahlungssperre 2 Strahlung emittiert und durch Totalreflexion fortführt, wird der Gefahr einer unzulässigen Erwärmung des Thermometeranschlußkopfes 5 durch diese Strahlung vorgebeugt, indem direkt unterhalb des Anschlußkopfes 5 die ebenfalls außen aufgerauhte Strahlungssperre 4 angebracht ist. Da dieser Teil des Schutzrohres nicht mehr in die Meßvorrichtung eingeführt wird, kann eine besonders einfache konstruktive Ausführung nach Fig. 1 benutzt werden. Ein günstiger Nebeneffekt dieser Strahlungssperre ist dadurch gegeben, daß die austretende Strahlung als leuchtender Ring sichtbar ist, so daß eine sofortige grobe Indikation der im Inneren der Meßvorrichtung herrschenden Temperatur möglich ist.Since the protective tube is no longer completely roughened, it is easier to clean, and the risk of devitrification is smaller. Since the protective tube also emits radiation above the radiation barrier 2 and continues by total reflection, the risk of impermissible heating of the thermometer connection head 5 is prevented by this radiation by the radiation barrier 4, which is also roughened on the outside, is mounted directly underneath the connection head 5. Since this part of the protective tube is no longer introduced into the measuring device, a particularly simple structural design of FIG. 1 can be used. A beneficial side effect of this radiation barrier is given by the fact that the emerging radiation is visible as a luminous ring, so that an immediate rough indication of the temperature prevailing inside the measuring device is possible.

AnstellederStrahlungssperren2und4in Fig. 6, deren Wirkung auf der speziellen Profilierung und Aufrauhung des Schutzrohres beruht, kann eine Ausführung benutzt werden, die auf der örtlich stark herabgesetzten Transparenz des Schutzrohres beruht, das in diesem Fall einen konstanten Querschnitt haben kann. Dabei ist im Schutzrohr an den entsprechenden Orten mindestens eine Schicht aus einem Material mit stark herabgesetzter Transparenz so angebracht, daß der Querschnitt des Rohres fast oder ganz davon ausgefüllt ist. In Schutzrohren aus Quarzglas kann dieses Material aus Quarzglas bestehen, welches durch eine Beimengung von Silber stark getrübt ist. Dieses dotierte Quarzglas besitzt praktisch den gleichen Ausdehungskoeffizienten und dieselben chemischen Eigenschaften wie reines Quarzglas, so daß sich keine Bruchgefährdungen des Schutzrohres ergibt.Instead of the radiation barriers 2 and 4 in FIG. 6, the effect of which is based on the special profiling and roughening of the protective tube, it is possible to use a design which is based on the locally greatly reduced transparency of the protective tube, which in this case can have a constant cross section. In this case, at least one layer of a material with greatly reduced transparency is mounted in the protective tube at the corresponding locations so that the cross section of the tube is almost or completely filled. In quartz glass protective tubes, this material may consist of quartz glass, which is heavily clouded by the addition of silver. This doped quartz glass has virtually the same coefficient of expansion and the same chemical properties as pure quartz glass, so that there is no risk of breakage of the protective tube.

Claims

Invention claims:

1. Thermometer protective tube with devices for reducing measurement errors by heat radiation, preferably made of transparent materials in which radiant energy can be coupled by multiple total reflection within the protective tube cross-section, this radiation energy loss is reduced by between the hot measuring zone and not at this temperature parts of the protective tube wall radial symmetrical cross-sectional changes are provided with limited length, characterized in that the outer diameter of the modified protective tube cross-section at most as large as the inner diameter of the

is large as the outer diameter of the adjacent unchanged pipe sections.

2. thermometer protective tube with devices for reducing measurement errors due to heat radiation within the protective tube cross-section, characterized in that between the hot measuring zone and not at their temperature parts of the protective tube, the protective tube consists of at least one layer of a material with greatly reduced transparency.

3. thermometer protective tube according to claim 1, characterized in that the thickness of the protective tube wall over a certain length is reduced to at least half and the radially symmetrical cross-sectional changes of claim 1 are mounted on this area so that the maximum Schutzrohraußendurchmesser not exceeded and the minimum Schutzrohrinnenendurchmesser not is fallen short of.

4. thermometer protective tube according to claim 1 and 3, characterized in that the surfaces of the convex portions of the tube curvature, which are located in the radiation barriers, are designed to reduce reflection.

5. thermometer protective tube according to claim 2, characterized in that the layer with reduced transparency consists of quartz glass with a silver doping in disperse and dissolved state of matter.

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