DE102005023869B4

DE102005023869B4 - Parallel-Thermopaarschaltung

Info

Publication number: DE102005023869B4
Application number: DE102005023869A
Authority: DE
Inventors: Richard W. Burnsville Phillips
Original assignee: Rosemount Aerospace Inc
Current assignee: Rosemount Aerospace Inc
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2025-05-25
Also published as: DE102005023869A1; NO20052465L; US20050259719A1; NO336819B1; FR2870596B1; NO20052465D0; FR2870596A1; US20060227849A1; US7175343B2; US7044638B2

Abstract

Parallel-Thermopaarschaltung mit einer Vielzahl von identischen, elektrisch parallel zueinander angeordneten Mehrfachelement-Thermopaarschaltungen (302A, 302B, 302C), von denen jede ein erstes Thermopaar mit einem ersten und einem zweiten Thermoelement (304A, 304B), ein zweites Thermopaar mit einem dritten und einem vierten Thermoelement (314C, 314D) und ein fünftes Thermoelement (322D) aufweist,
wobei das erste und das zweite Thermoelement (304A, 304B) sich an einer ersten Temperaturmeßstelle (308A; 308B; 308C) treffen, jeweils ein distales Ende haben und aus einem ersten bzw. zweiten Material gebildet sind;
wobei das dritte und das vierte Thermoelement (314C, 314D) sich an einer zweiten Temperaturmeßstelle (310A; 310B; 310C) treffen, dort mit dem distalen Ende des ersten Thermoelements (304A) verbunden sind, jeweils ein distales Ende haben und aus einem dritten bzw. vierten Material gebildet sind, von denen weder das dritte noch das vierte Material das Gleiche ist wie das erste oder das zweite Material;
wobei das fünfte Thermoelement (322D) ein...

Description

Die Erfindung betrifft eine Parallel-Thermopaarschaltung mit einer Vielzahl von identischen, elektrisch parallel zueinander angeordneten Mehrfachelement-Thermopaarschaltungen, von denen jede ein erstes Thermopaar mit einem ersten und einem zweiten Thermoelement, ein zweites Thermopaar mit einem dritten und einem vierten Thermoelement und ein fünftes Thermoelement aufweist, wobei das erste und das zweite Thermoelement sich an einer ersten Temperaturmeßstelle treffen, jeweils ein distales Ende haben und aus einem ersten bzw. zweiten Material gebildet sind; wobei das dritte und das vierte Thermoelement sich an einer zweiten Temperaturmeßstelle treffen, dort mit dem distalen Ende des ersten Thermoelements verbunden sind, jeweils ein distales Ende haben und aus einem dritten bzw. vierten Material gebildet sind, von denen weder das dritte noch das vierte Material das Gleiche ist wie das erste oder das zweite Material; wobei das fünfte Thermoelement ein mit dem distalen Ende des zweiten Thermolements verbundenes proximales Ende und ein distales Ende hat und aus dem vierten Material gebildet ist.
Eine Thermopaarschaltung bestehend aus einer einzelnen Mehrfachelement-Thermopaarschaltung der vorgenannten Art ist aus der DE-PS 272 448 bekannt. Bei der bekannten Thermopaarschaltung ist das erste Thermopaar ein Hauptthermoelement, dessen beide Schenkel b und a dem ersten bzw. zweiten Thermoelement des vorgenannten ersten Thermopaares entsprechen, und ist das zweite Thermopaar ein Hilfsthermoelement, dessen beide Schenkel f und d dem dritten bzw. vierten Thermoelement des zweiten Thermopaares entsprechen. Eine Verbindungsleitung c, die dem fünften Thermoelement entspricht, ist mit ihrem proximalen Ende an das distale Ende A des einen Schenkels a des Hauptthermoelements angeschlossen, und ist mit ihrem distalen Ende C an ein Strommeßgerät G angeschlossen. Zwischen die distalen Enden D und F der Schenkel d bzw. f des Hilfsthermoelements ist ein regelbarer Widerstand W geschaltet. Außerdem ist das distale Ende F des Schenkels f auch an das Strommeßgerät G angeschlossen. Bei der bekannten Thermopaarschaltung wird unterstellt, daß die an den den distalen Enden der Schenkel a und b des Hauptthermoelements entsprechenden, sogenannten kalten Lötstellen herrschende Temperatur wesentlich höher ist als die am Meßgerät herrschende Temperatur. Wenn daher beide kalte Lötstellen durch eine jeweilige Verbindungsleitung unmittelbar mit dem Meßgerät verbunden wären, würde die von dem Meßgerät angezeigte Temperatur gegenüber der an der ersten Temperaturmeßstelle entsprechenden, sogenannten warmen Lötstelle herrschenden Temperatur, die zu messen ist, um den Betrag derjenigen Temperaturdifferenz zu niedrig sein, welche zwischen den kalten Lötstellen und dem Meßgerät besteht. Dieser Fehler wird bei der bekannten Thermopaarschaltung mit Hilfe des Hilfsthermoelements und des regelbaren Widerstandes beseitigt, der mit den distalen Enden D und F verbunden ist, die beide die Temperatur des Meßgerätes besitzen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine aus mehreren einzelnen Mehrfachelement-Thermopaarschaltungen der eingangs genannten Art bestehende Thermopaarschaltung bereit zu stellen, um die Temperatur an mehreren ersten Temperaturmeßstellen messen zu können, die von den distalen Enden des dritten, vierten und fünften Thermoelements relativ weit entfernt sind.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Schaffung einer Parallel-Thermopaarschaltung mit einer Vielzahl von identischen, elektrisch parallel zueinander angeordneten Mehrfachelement-Thermopaarschaltungen, von denen jede ein erstes Thermopaar mit einem ersten und einem zweiten Thermoelement, ein zweites Thermopaar mit einem dritten und einem vierten Thermoelement und ein fünftes Thermoelement aufweist, wobei das erste und das zweite Thermoelement sich an einer ersten Temperaturmeßstelle treffen, jeweils ein distales Ende haben und aus einem ersten bzw. zweiten Material gebildet sind; wobei das dritte und das vierte Thermoelement sich an einer zweiten Temperaturmeßstelle treffen, dort mit dem distalen Ende des ersten Thermoelements verbunden sind, jeweils ein distales Ende haben und aus einem dritten bzw. vierten Material gebildet sind, von denen weder das dritte noch das vierte Material das Gleiche ist wie das erste oder das zweite Material; wobei das fünfte Thermoelement ein mit dem distalen Ende des zweiten Thermoelements verbundenes proximales Ende und ein distales Ende hat und aus dem vierten Material gebildet ist; wobei die dritten Thermoelemente an ihrem distalen Ende mit einem ersten elektrischen Anschluß verbunden sind, die vierten Thermoelemente an ihrem distalen Ende mit einem zweiten elektrischen Anschluß verbunden sind und die fünften Thermoelemente an ihrem distalen Ende mit einem dritten elektrischen Anschluß verbunden sind; und wobei in Betrieb ein erster meßbarer Spannungsunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Anschluß und ein zweiter meßbarer Spannungsunterschied zwischen dem zweiten und dem dritten elektrischen Anschluß vorhanden ist, und diese Spannungsunterschiede jeweils zur Bestimmung der Durchschnittstemperatur der ersten bzw. zweiten Temperaturmeßstellen dienen.
Mit einer solchen Parallel-Thermopaarschaltung kann man die Temperatur an mehreren Stellen messen, die alle der gleichen Wärmequelle zugeordnet sind. Ein Anwendungsbeispiel einer solchen Parallel-Thermopaarschaltung ist ein Gasturbinentriebwerk, bei dem man mehrere Temperatursonden in Umfangsrichtung um einen heißen Abschnitt des Triebwerks herum haben will.
Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen
1 eine Parallel-Thermopaarschaltung nach der Erfindung;
2 eine einzelne Mehrfachelement-Thermopaarschaltung, die einer von drei identischen Mehrfachelement-Thermopaarschaltungen entspricht, die in der in 1 dargestellten Parallel-Thermopaarschaltung verwendet werden;
3a eine perspektivische Ansicht einer Verbindungsanordnung mit einer einzelnen Mehrfachelement-Thermopaarschaltung gemäß 2;
3b eine Teilquerschnittsansicht einer Thermopaarsonde mit einer Verbindungsanordnung gemäß 3a;
4a–4d Querschnittsansichten von verschiedenen Ausführungsformen einer Verbindungsanordnung mit jeweils einer einzelnen Mehrfachelement-Thermopaarschaltung nach 2;
5 eine einzelne Mehrfachelement-Thermopaarschaltung gemäß 2 bei Anwendung in einem Gasturbinentriebwerk, um die Gastemperatur zu messen.
1 zeigt eine Parallel-Thermopaarschaltung 300 nach der Erfindung.
Die Parallel-Thermopaarschaltung 300 hat eine Vielzahl von identischen Mehrfachelement-Thermopaarschaltungen 302A, 302B, 302C, die elektrisch parallel zueinander angeordnet sind, wobei jede in Übereinstimmung mit der Mehrfachelement-Thermopaarschaltung 100 der 2 ist. Wie in 1 zu sehen ist, hat die Parallel-Thermopaarschaltung 300 drei erste Temperaturmeßstellen 308A, 308B, 308C, die durch den Zusammenschluß von drei ersten Thermoelementen 304A mit drei zweiten Thermoelementen 304B gebildet sind, um die Temperaturen T2, T2' bzw. T2''' zu messen.
Die Parallel-Thermopaarschaltung 300 hat auch drei zweite Temperaturmeßstellen 310A, 310B, 310C, um die Übergangstemperaturen T1, T1' bzw. T1'' zu messen. Alle dritten Thermoelemente 314C sind mit einem ersten elektrischen Anschluß 328A verbunden; alle vierten Thermoelemente 314D sind mit einem zweiten elektrischen Anschluß 328B verbunden; und alle fünften Thermoelemente 322D sind mit einem dritten elektrischen Anschluß 328C verbunden.
In Betrieb stellt der Spannungsunterschied E1 zwischen dem ersten Anschluß 328A und dem zweiten Anschluß 328B einen Durchschnittswert der Temperaturen T1, T1', T1'' dar. Analog stellt der Spannungsunterschied E2 zwischen dem zweiten Anschluß 328B und dritten Anschluß 328C einen Durchschnittswert der Temperaturen T2, T2', T2'' dar. Damit die Spannungsunterschiede E1 und E2 die Durchschnittstemperaturen reflektieren, sollten jedoch die Schleifenwiderstandswege für die Parallel-Schaltung gleich sein, und die verschiedenen Thermoelemente sollten damit in jeder der Mehrfachelement-Thermopaarschaltungen 302A, 302B, 302C wiederholt werden.
Es versteht sich, daß die Parallel-Thermopaarschaltung 300 einer Thermopaarschaltung entspricht, die drei Mehrfachelement-Thermopaarschaltungen umfaßt, die sich die elektrischen Anschlüsse 328A, 328B und 328C teilen. Es versteht sich ferner, daß während 1 eine Mehrfach-Thermopaarschaltung, die drei Mehrfachelement-Thermopaarschaltungen hat, zeigt, eine andere Anzahl wie 2, 4, 5, usw., von Mehrfachelement-Thermopaarschaltungen ebenfalls parallel geschaltet sein kann.
2 zeigt eine einzelne Mehrfachelement-Thermopaarschaltung 100, wie sie zusammen mit zwei weiteren bei der Parallel-Thermopaarschaltung 300 verwendet wird. Die Thermopaarschaltung 100 entspricht einer Thermopaaranordnung, die zwei Thermopaare 102, 112 mit gemeinsamen Bauteilen umfaßt.
Die Thermopaarschaltung 100 enthält ein Hauptthermopaar 102, das ein erstes Thermoelement 104A und ein zweites Thermoelement 104B umfaßt. Vorzugsweise bestehen das erste und das zweite Thermoelement jeweils aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung. Zum Beispiel kann das erste Thermoelement 104A (positiv) aus einer Platin-Rhodium-Legierung und das zweite Thermoelement 104B (negativ) aus Platin sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind das erste und das zweite Thermoelement Teil einer ab Lager lieferbaren Typ-R-Thermopaarsonde. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel gehören das erste und das zweite Thermoelement zu einem nicht mit einem Buchstaben bezeichneten Thermopaar. Ein Beispiel dafür kann darin bestehen, daß das erste Thermoelement aus Platin und das zweite aus Palladium gebildet ist. Bei einem noch weiteren Ausführungsbeispiel sind das erste und das zweite Thermoelement auf einem thermisch leitenden und elektrisch nicht-leitenden Substrat abgelagert und werden von diesem getragen. Egal, wie das erste und das zweite Thermoelement angewendet werden, sie sind vorzugsweise weniger als 30 cm lang und noch besser weniger als 20 cm lang.
Das erste und das zweite Thermoelement 104A, 104B treffen sich an ihren jeweiligen proximalen Enden 106A, 106B an einer ersten Temperaturmeßstelle 108. Die zu ermittelnde Temperatur kann in Betrieb eine sehr hohe unbekannte Temperatur T2 sein. Die distalen Enden 110A, 110E des ersten bzw. zweiten Thermoelements 104A, 104B sind voneinander beabstandet und sind vorzugsweise beide auf der gleichen Übergangstemperatur T1.
Die Thermopaarschaltung 100 enthält auch ein Hilfsthermopaar 112, das ein drittes Thermoelement 114C und ein viertes Thermoelement 114D umfaßt. Es ist somit festzuhalten, daß weder das dritte noch das vierte Thermoelement 114C, 114D aus dem gleichen Material wie das erste Thermoelement 104A gebildet ist. Ferner ist weder das dritte noch das vierte Thermoelement aus dem gleichen Material wie das zweite Thermoelement 104B gebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind das dritte und vierte Thermoelement 114c, 114d Teil eines Thermotyps aus unedlem Metall (z.B. Typ-K oder Typ-T). Somit kann das dritte Thermoelement 114C (positiv) aus einem KP-Material und das vierte Thermoelement 114D (negativ) aus einem KN-Material in einer Typ-K-Anwendung sein.
Die Thermoelemente 114C, 114D treffen sich an ihrem jeweiligen proximalen Ende 116C bzw. 116D an einer zweiten Temperaturmeßstelle 120, an der die Temperatur auf der zuvor erwähnten Übergangstemperatur T1 sein kann. Die distalen Enden 118C, 118D des dritten bzw. vierten Thermoelements 114C, 114D sind mit einem ersten bzw. zweiten elektrischen Anschluß 128A, 128B verbunden. Die elektrischen Anschlüsse 128A, 128B sind voneinander beabstandet und beide vorzugsweise auf irgendeiner bekannten Bezugstemperatur T0.
In Betrieb haben die elektrischen Anschlüsse 128A, 128B zwischen sich einen ersten Spannungsunterschied E1, der den Temperaturunterschied T1-T0 reflektiert. Daher ist das Hilfsthermopaar 112 so konfiguriert, daß es Informationen zum Ermitteln der Übergangstemperatur T1 bei der gegebenen Bezugstemperatur T0 aus folgenden Gleichungen liefert. E1 = SCD(T1-T0); (Gleichung 1)oder
wobei S_CD der mittlere relative Seebeck-Koeffizient der Materialien "C" und "D" zwischen den Temperaturen T0 und T1 ist, die in diesem Fall dem dritten Thermoelement 114C bzw. vierten Thermoelement 114D entsprechen.
Die Thermopaarschaltung 100 enthält auch ein fünftes Thermoelement 122D, das die gleiche Länge wie das vierte Thermoelement 114D hat und aus dem gleichen Material wie das vierte Thermoelement 114D gebildet ist. Somit ist das fünfte Thermoelement 122D aus einem Material gebildet, das verschieden von dem des zweiten Thermoelements 104B ist. Das fünfte Thermoelement 122D hat ein proximales Ende 124D, das mit dem zweiten Thermoelement 104B an der Stelle 130 verbunden ist, und ein distales Ende 126D, das mit einem dritten elektrischen Anschluß 128C verbunden ist.
In Betrieb haben der zweite elektrische Anschluß 1288 und der dritte elektrische Anschluß 128C zwischen sich einen zweiten Spannungsunterschied E2, der den Temperaturunterschied T2-T1 reflektiert. Daher ist das Hauptthermopaar 102 so konfiguriert, daß es Informationen liefert, die dazu beitragen, die unbekannte Temperatur T2 gemäß den folgenden Gleichungen zu ermitteln: E2 = SAB(T2-T1) + SDD(T1-T0); (Gleichung 3)und wenn S_DD = 0 ist, dann ist E2 = SAB(T2-T1), (Gleichung 4)und
wobei S_AB der mittlere relative Seebeck-Koeffizient der Materialien "A" und "B" zwischen den Temperaturen T1 und T2 ist, die in diesem Fall dem ersten Thermoelement 104A bzw. dem zweiten Thermoelement 104B entsprechen, und S_DD der mittlere relative Seebeck-Koeffizient ist, um dem vierten Thermoelement 114D bzw. dem fünften Thermoelement 122D Rechnung zu tragen. Das vierte Thermoelement 114D und das fünfte Thermoelement 122D, die als Verlängerungsdrähte dienen, müssen jedoch thermo-elektrisch nicht mit dem Hauptthermopaar 102 zusammenpassen, vorausgesetzt, sie haben beide die gleiche Zusammensetzung, wodurch die Annahme, daß S_DD tatsächlich Null ist, gerechtfertigt ist.

In Wirklichkeit ist die Berechnung komplizierter als beschrieben, da der relative Seebeck-Koeffizient eine Funktion der Temperatur ist. Wenn man jedoch eine Thermopaaranordnung aus standardmäßigen Thermopaarmaterialien baut, wie zum Beispiel solche, die in ASTM E230 beschrieben sind, kann man in der Industrie akzeptierte E(T)-Gleichungen und zugehörige Toleranzen verwenden. Ein Beispiel, bei der ein Typ R(Pt-13Rh vs. PT) Heißabschnitt-Thermopaar und eine Typ-K-Verlängerung verwendet werden, ist in der unten stehenden Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 Nominelle Ausgabe für ein Typ R-Thermopaar mit Typ K-Verlängerung

T0 (°C)	T1 (°C)	T2 (°C)	E1 (mV)	E2 (mV)
20	150	900	5,340	8,164
		1000		9,465
		1100		10,809
		1200		12,187
		1300		13,588
	200	900	7,340	7,736
		1000		9,037
		1100		10,381
		1200		11,759
		1300		13,160
	250	900	9,355	7,282
		1000		8,583
		1100		9,927
		1200		11,305
		1300		12,706

Somit kann man nach dem Erfassen der Spannungen E1 und E2 bekannte Gleichungen und/oder Tabellen wie die vorliegende verwenden, um, je nach Bedarf, zu rechnen und/oder zu interpolieren, um die Temperaturen T1 und T2 abzuschätzen.
Das dritte Thermoelement 114C, das vierte Thermoelement 114D und fünfte Thermoelement 122D haben vorzugsweise Leiter, wie zum Beispiel einen 20 AWG-Draht, die einzeln isoliert und als flexibles Mehrfachdrahtkabel 140 gebündelt sind, das sich zwischen ihren proximalen und distalen Enden erstreckt. Und da das vierte und das fünfte Thermoelement aus dem gleichen Material gebildet sind, hat das Mehrfachdrahtkabel einen ersten und einen zweiten identischen Leiter und einen dritten Leiter, der aus einem anderen Material gebildet ist, das zum Bilden eines Thermopaares (z.B. Typ-K oder Typ-T) mit einem der beiden identischen Leiter geeignet ist.
Die Länge des dritten Thermoelements 114C, vierten Thermoelements 114D und fünften Thermoelements 122D, die als Verlängerungsdrähte dienen, liegt vorzugsweise irgendwo zwischen weniger als 20 cm und mehreren Metern. Die sich ergebende Thermopaaranordnung ist somit zum Messen einer hohen unbekannten Temperatur T2 durch Durchführen von zwei Spannungsmessungen geeignet, wobei ein Hauptthermopaar 102 über sein erstes Thermoelement 104A in Kaskade mit einem Hilfsthermopaar 112, das konfiguriert ist, um eine Übergangstemperatur T1 zu messen, geschaltet ist.
Die Thermopaaranordnung kann somit verwendet werden, um Temperaturen mit dem Hauptthermopaar 102, das in der Nähe der aggressiven Umgebung ist, und dem Hilfsthermopaar, das sich von einem Schenkel des Hauptthermopaares aus zu einer entfernten Stelle, wo die elektrischen Anschlüsse 128A, 128B und 128C angeordnet sind, erstreckt, verwendet werden. Dies erlaubt einen, ohne Weiteres verfügbare Verlängerungsdrähte und Anschlüsse aus unedlem Metall zu verwenden, was Kostenvorteile erbringt, wenn man ein Hauptthermopaar aus Edelmetall verwendet. Eine solche Verlängerung aus unedlem Metall erlaubt einen auch Hauptthermopaare aus Edelmetall, die nicht mit einem Buchstaben gekennzeichnet sind, in Situationen zu verwenden, wo zusammenpassende Leitungsdrähte und Anschlüsse nicht verfügbar sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind sowohl die zweite Temperaturmeßstelle 120 als auch die Stelle 130, an der sich das zweite Thermoelement 104B und das fünfte Thermoelement 122D treffen, auf der gleichen Übergangstemperatur T1. Dazu können die Stellen 120, 130 einfach nahe beieinander angeordnet sein, um sicherzustellen, daß sie die gleiche Übergangstemperatur T1 erfahren. Bei einem anderen Ausführungsbeispielspiel ist außer, daß sie einfach nahe beieinander sind, eine Verbindungsanordnung 132 vorgesehen, die Teile von einem der oder mehreren der ersten bis fünften Thermoelemente abstützt. Vorzugsweise ist die Verbindungsanordnung derart, daß die beiden Stellen 120, 130 elektrisch voneinander isoliert sind, daß sie aber dennoch in thermischer Verbindung zueinander stehen, so daß sie eine gemeinsame Temperatur T1 erfahren können.
Die elektrischen Anschlüsse 128A, 128B und 128C, an denen die distalen Enden des dritten Thermoelements 114C, des vierten Thermoelements 114D und des fünften Thermoelements 122D liegen, sind alle vorzugsweise auf der gleichen, bekannten Bezugstemperatur T0. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Anschlüsse auf einem Endstreifen 134 montiert. Die Temperatur des Endstreifens 134 kann temperaturgesteuert sein, um den Endstreifen auf einer vorbestimmten Bezugstemperatur T0 zu halten. Als Alternative oder zusätzlich kann ein Hilfsthermometer verwendet werden, um die Temperatur an den Anschlüssen zu messen, und der Ausgang dieses Thermometers wird als Bezugstemperatur T0 in den oben genannten Gleichungen verwendet, um die Temperatur T2 an der ersten Temperaturmeßstelle 108 zu bestimmen.
In Betrieb liefern die elektrischen Anschlüsse 128A, 128B und 128C die Spannungsunterschiede E1 und E2 zu einer zusätzlichen elektrischen Schaltung, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist. Diese zusätzliche Schaltung kann, u.a., den Spannungsunterschied abfühlen und ihn in analoge und/oder digitale Signale umwandeln, von denen mindestens ein Signal vorzugsweise Informationen trägt, die proportional zu der Temperatur T2 für eine weitere Verarbeitung sind. Somit kann ein dieser Schaltung zugeordneter Prozessor konfiguriert sein, um einen Spannungsunterschied E1 zu nutzen, um die Übergangstemperatur T1 und von dieser die Temperatur T2 zu bestimmen. Die Temperatur T2, die dann als eine Funktion der Zeit bestimmt wird, kann dann dazu verwendet werden, eine Echtzeitsteuerung der Ausrüstung, die diese Temperatur erzeugt, bereitzustellen.
3a zeigt eine perspektivische schematische Ansicht einer Verbindungsanordnung 400, die Teil einer Thermopaarsondenanordnung sein kann, die an dem distalen Ende eines Thermopaa res, das in 3b zu sehen ist, befestigt ist. Die Verbindungsanordnung 400 kann eine Außenseite haben, die aus dem gleichen Material wie der äußere Mantel des Thermopaares hergestellt ist und kann fortlaufend damit hergestellt werden. Die Verbindungsanordnung 400 hat vorzugsweise einen hohlzylindrischen Körper 412 aus Metall, nimmt ein erstes Thermoelement 404A und ein zweites Thermoelement 404B auf, und hat ein drittes Thermoelement 414C, viertes Thermoelement 414D und ein fünftes Thermoelement 422D, die aus ihm austreten. Ein Material 404, in das mindestens Teile einiger der Thermoelemente ragen, ist in dem zylindrischen Körper vorhanden. Die zweite Temperaturmeßstelle 420, wo sich das dritte Thermoelement 414C und das vierte Thermoelement 414D treffen, und eine Stelle 430, an der sich das zweite Thermoelement 404B und das fünfte Thermoelement 422D treffen, sind auch der Verbindungsanordnung zugeordnet.
3b zeigt eine Thermopaarsonde 450 mit einem Thermopaar 412, das einen äußeren zylindrischen Mantel 440 und ein Abschlußstück 442, das aus dem gleichen Material an dem proximalen Ende der Sonde 450 gebildet ist, hat. In dem zylindrischen Mantel 440 befinden sich das erste Thermoelement 404A und das zweite Thermoelement 404B, von denen jedes vorzugsweise aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung, wie oben beschrieben, hergestellt ist. Der Mantel 440 und das Abschlußstück 442 sind vorzugsweise aus Materialien hergestellt, die sehr ähnlich dem der Thermoelemente sind, die sie einschließen. Wenn somit das erste Thermoelement 404A eine Platin-Rhodium-Legierung ist, und das zweite Thermoelement Platin ist, können der Mantel und das Abschlußstück zum Beispiel aus einer Platin-Legierung hergestellt sein. Vorzugsweise sind der Mantel und das Abschlußstück aus einer mit Zirkonoxid oder Yttriumoxid oder dergl. verstärkten Oxiddispersion, um zu verhindern, daß sich unter einer hohen Temperaturbelastung große Körner darin bilden.
Das erste und das zweite Thermoelement 404A, 404B, die sich an der ersten Temperaturmeßstelle 408 in der Nähe des Abschlußstückes 442 treffen, sind in ein elektrisch nicht-leitendes und thermisch isolierendes Material 444, wie zum Beispiel hochreines Magnesiumoxid oder Aluminiumoxid eingebettet. Das Isoliermaterial 444 sollte auf die hohen Temperaturen, denen die Sonde 450 wahrscheinlich ausgesetzt sein wird, nicht reagieren, um dadurch eine Verunreinigung innerhalb der Sonde zu vermeiden. Eine Basiskappe 446 ist mit Öffnungen 448 versehen, durch welche die distalen Teile des ersten und zweiten Thermoelements 404A, 404B in die Verbindungsanordnung 400 austreten. Die Verbindungsanordnung 400 kann verschieden ausgeführt sein, wie sich aus der folgenden Beschreibung ergibt.
4a zeigt einen vertikalen Querschnitt einer Ausführungsform einer Verbindungsanordnung 520. Die Verbindungsanordnung 520 hat einen scheibenförmigen Stopfen 524, der in dem Hohlraum 526, der von der zylindrischen Wand 502 der Anordnung begrenzt wird, angeordnet ist. Der Stopfen besteht vorzugsweise aus einem Keramik- oder Glasmaterial mit einem hohen spezifischen Widerstand für eine elektrische Isolation und einer hohen Wärmeleitfähigkeit, um eine Temperaturvergleichmäßigung innerhalb der Verbindungsanordnung zu fördern. Drei Löcher 528 sind in dem Stopfen 524 gebildet, um Stifte 530A, 530B, 530C aufzunehmen. Die Stifte 530A, 530B, 530C sind lösbar mit Sockeln 532A, 532B bzw. 532C verbunden. Eine zweite Temperaturmeßstelle 534 und die Stelle 536, an der sich das zweite Thermoelement 504B und das fünfte Thermoelement 522D treffen, sind beide an der stromaufwärtigen Seite 538 der Verbindungsanordnung 520, und somit wären diese Stellen innerhalb einer Sonde. Es versteht sich daher, daß der Stift 530A und der Sockel 532A vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das dritte Thermoelement 514C hergestellt sind, während die Stifte 530B und 530C und die Sockel 532B und 532C vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das vierte Thermoelement 514D und fünfte Thermoelement 522D hergestellt sind.
4b zeigt einen vertikalen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform einer Verbindungsanordnung 540. Die Verbindungsanordnung 540 hat auch einen scheibenförmigen Stopfen 524 von der Art, die bei der oben beschriebenen Verbindungsanordnung 520 zu sehen ist. Zwei Löcher 548 sind in dem Stopfen 524 gebildet, um Stifte 550A, 550B aufzunehmen. Die Stifte 550A, 550B sind lösbar mit Sockeln 532A, 532B bzw. 532C verbunden. Die zweite Temperaturmeßstelle 554 und die Stelle 556, an der sich das zweite Thermoelement 504B und das fünfte Thermoelement 522D treffen, sind beide auf der stromabwärtigen Seite 558 der Verbindungsanordnung 540, und somit wären diese Stellen außerhalb einer Sonde. Es versteht sich daher, daß der Stift 550A und der Sockel 552A vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das erste Thermoelement 504A hergestellt sind, während der Stift 550B und der Sockel 552B vorzugsweise alle aus dem gleichen Material wie das zweite Thermoelement 504B hergestellt sind.
4c zeigt einen vertikalen Querschnitt einer Verbindungsanordnung 560, die einen massiven Kern 562 hat, der aus einem elektrisch isolierenden Vergußmaterial, wie zum Beispiel einem Hochtemperaturzement hergestellt ist. Die Temperaturmeßstelle 564 ist in diesen Kern eingebettet, genauso wie eine zweite Stelle 566, an der sich das zweite Thermoelement 504B und das fünfte Thermoelement 522D treffen. Bei dieser Ausführungsform ist der stromabwärtige Teil eines jeden Thermoelements 514C, 514D und 522D permanent an dem Kern 562 befestigt, wobei die drei stromabwärtigen Teile an ihren freien Enden in einer Anschlußlitzenanordnung 568 enden. Wie dem Fachmann bekannt, kann die Anschlußlitzenanordnung 568 mit einem anderen Kabel, ziemlich genauso wie bei der unten beschriebenen Verbindungsanordnung 580 zu sehen ist, verbunden sein. Es versteht sich, daß ein solches Kabel und jegliche Verbindungsstücke zwischen der Anschlußlitzenanordnung und dem Kabel aus dem gleichen Material wie die Thermoelemente, mit denen sie verbunden sind, hergestellt sind.
4d zeigt einen vertikalen Querschnitt einer noch weiteren Verbindungsanordnung 580, die wieder einen massiven Kern 582 hat, der aus einem elektrisch isolierenden Vergußmaterial, wie zum Beispiel einem Hochtemperaturzement, hergestellt ist. Die Temperaturmeßstelle 584 ist in diesen Kern eingebettet, genauso wie eine zweite Stelle 586, an der sich das zweite Thermoelement 504B und das fünfte Thermoelement 522D treffen. Bei dieser Ausführungsform ist das stromabwärtige Ende 588 der Verbindungsanordnung 580 mit einer Verbinderanordnung 590 versehen, die erste Verbinder 592A, 592B, 592C umfasst, an denen das dritte Thermoelement 514C, das vierte Thermoelement 514D bzw. das fünfte Thermoelement 522D enden. Die ersten Verbinder 592A, 592B und 592C sind so konfiguriert und bemessen, daß sie mit komplementären zweiten Verbindern 594A, 594B bzw. 594C zusammenpassen, die Teil eines Kabels 596 sind, um dadurch das dritte Thermoelement 514C, das vierte Thermoelement 514D und das fünfte Thermoelement 522D fortzusetzen. Es versteht sich, daß die Verbinder aus dem gleichen Material wie die Thermoelemente sind, mit denen sie verbunden sind.
5 zeigt einen Teilquerschnitt eines Gasturbinentriebwerks 600, bei dem eine Thermopaarsonde 602 zumindest teilweise in ein rohrförmiges Gehäuse 604 eingebaut ist. Das Turbinentriebwerk 600 hat einen äußeren Gebläsebereich 610, einen inneren Gebläsebereich 612 und einen Abgasbereich 614, der auf irgendeiner zeitveränderlichen Temperatur T2 ist. Eine Leitschaufel 616, die sich in den Gasweg 614 erstreckt, ist mit einem Luftstromloch 618 versehen, das mit dem heißen Gas in Verbindung steht. Die Sonde 602 ist mit einer Verbindungsanordnung 626 versehen und hat eine Spitze 606, die sich in das Luftstromloch 618 erstreckt.
Das distale Ende 622 der Sonde 602 erstreckt sich in die Zelle 624 oder einen anderen allgemeinen Bereich, in dem das Turbinentriebwerk 600 angeordnet ist. Eine Verbindungsanordnung 626, die mit der Sonde 602 verbunden ist, ist in der Zelle 624 angeordnet und der Übergangstemperatur T1 der Zelle 624 aus gesetzt aber gegen das heiße Turbinengas durch die verschiedenen Turbinenstrukturen abgeschirmt. Ein flexibles Kabel 628 verbindet dann die Verbindungsanordnung 626 mit der nötigen elektrischen Schaltung, um die Spannungen zu erfassen und die Temperaturen T1 und T2 zu ermitteln.

Claims

Parallel-Thermopaarschaltung mit einer Vielzahl von identischen, elektrisch parallel zueinander angeordneten Mehrfachelement-Thermopaarschaltungen (302A, 302B, 302C), von denen jede ein erstes Thermopaar mit einem ersten und einem zweiten Thermoelement (304A, 304B), ein zweites Thermopaar mit einem dritten und einem vierten Thermoelement (314C, 314D) und ein fünftes Thermoelement (322D) aufweist, wobei das erste und das zweite Thermoelement (304A, 304B) sich an einer ersten Temperaturmeßstelle (308A; 308B; 308C) treffen, jeweils ein distales Ende haben und aus einem ersten bzw. zweiten Material gebildet sind; wobei das dritte und das vierte Thermoelement (314C, 314D) sich an einer zweiten Temperaturmeßstelle (310A; 310B; 310C) treffen, dort mit dem distalen Ende des ersten Thermoelements (304A) verbunden sind, jeweils ein distales Ende haben und aus einem dritten bzw. vierten Material gebildet sind, von denen weder das dritte noch das vierte Material das Gleiche ist wie das erste oder das zweite Material; wobei das fünfte Thermoelement (322D) ein mit dem distalen Ende des zweiten Thermoelements (304B) verbundenes proximales Ende und ein distales Ende hat und aus dem vierten Material gebildet ist; wobei die dritten Thermoelemente (314C) an ihrem distalen Ende mit einem ersten elektrischen Anschluß verbunden sind, die vierten Thermoelemente (314D) an ihrem distalen Ende mit einem zweiten elektrischen Anschluß verbunden sind, und die fünften Thermoelemente (322D) an ihrem distalen Ende mit einem dritten elektrischen Anschluß verbunden sind; wobei in Betrieb ein erster meßbarer Spannungsunterschied (E1) zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Anschluß und ein zweiter meßbarer Spannungsunterschied (E2) zwischen dem zweiten und dritten elektrischen Anschluß vorhanden sind; und diese Spannungsunterschiede (E1, E2) jeweils zur Bestimmung der Durchschnittstemperatur der ersten bzw. zweiten Temperaturmeßstellen (308A; 308B; 308C; 310A; 310B; 310C) dienen.
Parallel-Thermopaarschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das erste als auch das zweite Material ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung ist.
Parallel-Thermopaarschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mehrfachelement-Thermopaarschaltung (302A, 302B, 302C) eine Verbindungsanordnung (400, 520, 540, 560, 580, 626) und eine Thermopaarsonde (450, 602) aufweist, die mit der Verbindungsanordnung (400, 520, 540, 560, 580, 626) verbunden ist und das erste Thermopaar oder zumindest einen Teil davon aufnimmt.
Parallel-Thermopaarschaltung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Mehrfachdrahtkabel (568, 596, 628), das mindestens Teile des dritten, vierten und fünften Thermoelements (514C, 514D, 522D) enthält.
Parallel-Thermopaarschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsanordnung (520) einen elektrisch nicht-leitenden Stopfen (524) umfaßt, durch den das dritte (514C), vierte (514D) und fünfte (522D) Thermoelement hindurchgehen, wobei die zweite Temperaturmeßstelle (534) auf einer stromaufwärtigen Seite des Stopfens (524) angeordnet ist.
Parallel-Thermopaarschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsanordnung (540) einen elektrisch nicht-leitenden Stopfen (524) umfaßt, durch den das erste (504A) und zweite (504B) Thermoelement hindurchgehen, wobei die zweite Temperaturmeßstelle (554) an einer stromabwärtigen Seite des Stopfens (524) angeordnet ist.
Parallel-Thermopaarschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsanordnung (560, 580) ein elektrisch isolierendes Vergußmaterial (562, 582) umfaßt, wobei die zweite Temperaturmeßstelle (564, 584) in das elektrisch isolierende Vergußmaterial (562, 582) eingebettet ist.
Parallel-Thermopaarschaltung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Anschlußlitzenanordnung (568, 596), die auf einer stromabwärtigen Seite des Vergußmaterials (562, 582) vorgesehen ist.