DE102008007740B3

DE102008007740B3 - Thermoelement aus einem oxidischen und nichtoxidischen keramischen Thermopaar

Info

Publication number: DE102008007740B3
Application number: DE102008007740A
Authority: DE
Inventors: Domenico Dr. Pavone; Ralf Abraham
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2008-02-05
Filing date: 2008-02-05
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2028-02-06

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zum Messen von hohen Temperaturen, die als Thermoelement mit zwei keramischen Halbleitern als Thermopaar gestaltet ist, wobei beide Elemente Keramikelemente sind, die aus einem Gemisch oxidischen Keramiken, ausgewählt aus der Gruppe von Alkaliometalloxiden, Aluminiumoxid, Chrom(III)-oxid, Calciumoxid, Eisen(III)-oxid, Magnesiumoxid, Siliciumdioxid, Zinn(IV)-oxid, Titan(IV)-oxid, Zirkon(IV)-oxid oder Hafniumoxid (HfO2) oder der nichtoxidischen Keramiken hergestellt sind, ausgewählt aus der Gruppe von Aluminiumnitrid, Molybdänsilicid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Borcarbid oder Bornitrid und die beiden keramischen Halbleiter in beliebiger geometrischer Anordnung montiert sein können, wobei diese bevorzugt als Thermopaar angeordnet sind, das durch eine isolierende Schicht aus Aluminiumoxid oder einem anderen geeigneten isolierenden Material voneinander getrennt ist und das nur an der Temperaturmessstelle elektrisch leitend miteinander verbunden ist, und das Thermopaar auch elektrisch leitende Drähte zur Verbindung mit einer Messeinrichtung besitzt, wobei das Thermopaar auch von einer temperaturbeständigen Schutzhülle umgeben sein kann oder an der Messspitze eine gut wärmeleitende Keramik besitzt, die mit der zu messenden Stelle in Kontakt gebracht wird und die Wärme an die Temperaturmessstelle des Thermopaares überträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Thermoelement aus einem keramischen Thermopaar zur Messung von hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise in Verbrennungs- oder Vergasungsprozessen auftreten oder wie sie beispielsweise in geschmolzenen Metallen vorliegen. Die Erfindung betrifft auch ein oder mehrere Verfahren zur Messung von hohen Temperaturen mit dem erfindungsgemäßen Thermoelement.
Thermoelemente, die sich zum Messen von höheren Temperaturen eignen, sind gewöhnlich aus Metallen gefertigt, die einen hohen Schmelzpunkt besitzen und die weitgehend inert gegenüber oxidierenden Bestandteilen der Umgebung sind. Dies sind üblicherweise Edelmetalle oder Legierungen mit Edelmetallen. Zur Messung einer Temperatur müssen zwischen zwei Metallen (oder Stoffen) elektromotorische Kräfte bestehen, die in Form einer elektrischen Spannung gemessen werden können. Ursache einer elektromotorischen Kraft ist der „Seebeck-Effekt". Der „Seebeck-Effekt" bewirkt, dass zwischen zwei Enden eines Metallstabes eine elektrische Spannung entsteht, wenn in dem Metallstab ein Temperaturgradient herrscht. Zur Messung einer bestimmten Temperatur müssen stets zwei unterschiedliche Metalle vorliegen, die bei einer bestimmten Temperatur unterschiedliche elektromotorische Kräfte besitzen. Man erhält so ein sogenanntes Thermopaar, das aus zwei unterschiedlichen Metallen oder Legierungen besteht. Diese sind zur Bildung eines Thermoelementes elektrisch durch eine Schicht eines Nichtleiters isoliert und nur an der Temperaturmessstelle elektrisch leitend verbunden.
Voraussetzung für die Eignung eines Thermopaares zur Temperaturmessung ist das Vorhandensein einer genügend großen elektromotorischen Kraft zwischen den beiden Metallen. Die elektromotorische Kraft kann nur gemessen werden, wenn die Metalle, die diese Kraft an ihrer Übergangsstelle zeigen, auch einem Temperaturgradienten unterliegen, da sich sonst die elektromotorischen Kräfte an der entgegengesetzten Seite des Metallstückes aufheben würden. Zur eigentlichen Messung werden die Metalle auf der normal temperierten Seite dann möglichst widerstandsfrei mit Messdrähten verbunden, so dass man ein der elektromotorischen Kraft entsprechendes Signal erhält. Dieses liegt in der Größenordnung einiger Mikrovolt oder Millivolt und muß zur Messung entsprechend verstärkt werden.
Geeignet für ein Thermoelement ist beispielsweise ein Thermopaar aus Platin und einer Platin-Rhodium-Legierung. Diese zeigen auch bei erhöhter Temperatur eine genügend große elektromotorische Kraft und sind beständig gegenüber hohen Temperaturen und Oxidantien. Ein anderes häufig verwendetes Thermopaar sind die Metalle Nickel und Chrom-Nickel. Da viele Metalle oder Legierungen bei höherer Temperatur unbeständig gegen die aggressiven Stoffe der Umgebung sind, wird das Thermoelement häufig von einer Schutzhülle aus einem temperaturbeständigem Material umgeben. Diese kann beispielsweise aus kristallinem Aluminiumoxid oder Quarz bestehen. Ein Beispiel für ein geeignetes schlackebeständiges Material ist Chrom(III)-oxid im Gemisch mit Aluminiumnitrid und Siliciumcarbid. Damit lassen sich auch unter aggressiven Bedingungen Temperaturen messen, die um 1700°C und höher liegen.
Häufige Einsatzbereiche von Hochtemperaturmessgeräten, die auf den genannten Thermoelementen basieren, sind Messungen der Temperatur von geschmolzenen Metallen oder Messungen der Temperatur von Verbrennungs- oder Vergasungsprozessen. Bei diesen Prozessen werden die Thermoelemente jedoch über einen längeren Zeitraum sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Außerdem kann es mit den zu messenden flüssigen Metallen, mit Schlacke oder der reduzierenden oder oxidierenden Umgebung von hergestelltem Synthesegas zu chemischen Reaktionen kommen, bei denen die Schutzhülle und das Thermoelement zerstört werden. insbesondere geschmolzene Schlacke verhält sich gegenüber den meisten Festkörpern aggressiv und stark korrosiv. Dies führt zu einer geringen Lebensdauer der eingesetzten Materialien und damit zu erhöhten Kosten des gesamten Prozesses.
Eine wesentlich höhere Lebensdauer in den genannten Prozessen besitzen Thermoelemente aus keramischen Materialien. Diese sind erheblich temperaturbeständiger als Thermoelemente aus Metallen. Voraussetzung für die Messbarkeit einer elektromotorischen Kraft ist das Vorliegen von keramischen Halbleitern. Nur dann ist die Übertragung einer elektromotorischen Kraft möglich. Dies ist jedoch nur bei einer kleinen Auswahl von keramischen Materialien der Fall. Ein Vorteil keramischer Halbleiter ist die Tatsache, dass die elektrische Leitfähigkeit von Keramiken mit steigender Temperatur zunimmt, so dass das elektrische Signal stärker ist und die Anforderungen an die Messapparatur geringer sind.
Die EP 1746397 A1 beschreibt ein keramisches Thermopaar als Thermoelement zur Messung hoher Temperaturen. Das Thermopaar wird aus den Materialien Molybdändisilicid und Siliciumcarbid gebildet. Das Element ist so geformt, dass die beiden Keramiken nur durch kleine Stege aus isolierendem Material getrennt werden.
Die Verbindung der beiden keramischen Halbleiter erfolgt nur an der Temperaturmessstelle. Eine Anwendung des beschriebenen Thermoelementes wird nicht erwähnt. Es werden auch keine Angaben über die Temperaturbeständigkeit des Thermoelementes erbracht.
Die US 7036983 B1 beschreibt ein Thermoelement aus einem Thermopaar bestehend aus zwei Legierungen aus Rhodium und Platin mit einem jeweiligen Anteil von 6 bzw. 30 Gew.-% Platin. Das Thermoelement wird zur Messung der Temperatur in einem Kohlevergasungsprozess oder einem Reformierofen genutzt. Zur Erhöhung der Temperaturbeständigkeit ist es mit einer Schutzhülle aus einem hochtemperaturbeständigen oxidischen Material versehen. Dies kann beispielsweise Aluminiumoxid oder Magnesia sein. Dies erhöht die Lebensdauer des Thermoelementes wesentlich.
In der Praxis zeigt es sich jedoch häufig, dass auch die Schutzhüllen aus oxidischen Materialien gegenüber den hohen Temperaturen eines Verbrennungs- oder Vergasungsprozesses nicht dauerhaft beständig sind. Diese werden durch die im Rohgas enthaltenen verflüssigten Schlacken infiltriert und so nach einiger Zeit durchlässig. Zudem können reduzierende Gase wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxid durch die Schutzhülle dringen, so dass edelmetallhaltige Thermopaare unbrauchbar werden. So können sich durch den Kontakt mit Wasserstoff Hydride und durch den Kontakt mit Kohlenmonoxid Carbide bilden. Dies führt zu einer Verfälschung des Messsignals. Viele Prozesse, in denen die genaue Messung hoher Temperaturen essentiell ist, können für den Austausch von Thermoelementen nicht ohne hohen Aufwand abgeschaltet werden. Das An- und Abfahren vieler Prozesse ist mit hohen Kosten verbunden. Der Ersatz von unbrauchbar gewordenen Thermoelementen ist teuer und führt zu hohen Kosten im laufenden Betrieb.
Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Thermoelement zur Verfügung zu stellen, das den hohen Temperaturen und der aggressiven Atmosphäre eines Kohleverbrennungs- oder vergasungsprozesses gewachsen ist und trotzdem zuverlässige Messwerte auch im oberen Temperaturbereich über 1700°C besitzt. Das Thermopaar soll sowohl ohne als auch mit einer schlackebeständigen, keramischen Schutzhülle aus einem oxidischen Material beständig sein und auch gegenüber oxidierenden oder reduzierenden Bestandteilen eines Reaktionsgases inert sein. Das Thermoelement soll sich auch für andere Messzwecke wie beispielweise für die Ermittlung der Temperatur von geschmolzenen Metallen eignen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines Thermopaares, das aus einem Gemisch von oxidischen oder nichtoxidischen Keramikmaterialien in Kombination mit einem Gemisch von oxidischen oder nichtoxidischen Keramikmaterialien besteht. Beide Gemische der Kombination können sowohl ausschließlich oxidische keramische Bestandteile als auch ausschließlich nichtoxidische keramische Bestandteile oder ein Gemisch von oxidischen und nichtoxidischen keramischen Bestandteilen enthalten. Diese können in einer Schutzhülle aus einem schlackebeständigen Material untergebracht sein oder auch ohne Schutzhülle zum Messen von hohen Temperaturen eingesetzt werden.
Oxidische und nichtoxidische keramische Materialien sind sehr temperaturresistent und sind deshalb für die Messung von heißen Stoffen gut geeignet. Als nichtoxidische Keramiken eignen sich insbesondere solche, die sehr temperaturbeständig sind. Die Kombination wird dabei so gewählt, dass eine ausreichend hohe elektromotorische Kraft vorhanden ist. Vielfach zeigen auch Thermopaare aus einer identischen Kombination von keramischen Materialien, aber in unterschiedlichen Mengenanteilen eine zur Temperaturmessung genügend große elektromotorische Kraft. Die Eignung eines Thermopaares wird durch das Vorhanden einer genügend großen elektromotorischen Kraft zwischen dem Thermopaar einerseits und einer ausreichenden Beständigkeit gegenüber den hohen Temperaturen und den aggressiven Bedingungen andererseits definiert. Die erfindungsgemäßen Thermoelemente sind in der Lage, auch Temperaturen bis über 1700°C zu messen und besitzen gegenüber Temperaturänderungen geringe Zeitkonstanten.
Geeignet für die Bildung des erfindungsgemäßen Thermopaares sind insbesondere Alkalioxide (M₂O mit M als Symbol für ein Alkalimetall), Aluminium(III)-oxid (Al₂O₃), Chrom(III)-oxid (Cr₂O₃), Calciumoxid (CaO), Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), Siliciumdioxid (SiO₂), Titan(IV)-oxid (TiO₂), Zirkonoxid (ZrO₂) und Hafniumoxid (HfO₂) als oxidische Keramiken. Geeignet als nichtoxidische Keramiken sind insbesondere Aluminiumnitrid (AlN), Molybdändisilicid (MoSi₂), Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (Si₃N₄), Borcarbid (B₄C) und Bornitrid (BN). Diese Materialien werden in geeigneter Kombination so gemischt und die Mischungen kombiniert, dass sie in keramischer Form für die Temperaturmessung in Kombination das optimale Thermopaar bilden.
Die Erfindung beansprucht auch Verfahren zur Messung hoher Temperaturen. Dies können Kohlevergasungsprozesse, Verbrennungsprozesse, Reformierprozesse, chemische Prozesse oder Crackprozesse sein. Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zur Messung der Temperatur von geschmolzenen Metallen mit dem erfindungsgemäßen Thermoelement. Die Erfindung beansprucht letztlich jedes Verfahren zur Messung hoher Temperaturen, das mit dem erfindungsgemäßen Thermoelement aus geführt werden kann.
Beansprucht wird insbesondere eine Vorrichtung zur Messung von hohen Temperaturen durch Bildung eines Thermopaares, wobei

• dieses Thermopaar aus zwei keramischen Materialien besteht, die durch ein isolierendes Material voneinander getrennt sind und nur an der Temperaturmessstelle miteinander in Kontakt gebracht werden, und
• die beiden keramischen Materialien mit einem leitenden Material verbunden sind, mit denen die am Thermopaar entstehende elektromotorische Kraft an ein Messgerät zur Verstärkung des Signals geleitet wird, wodurch dieses verstärkt wird und zur Erfassung der Messgröße entgegengenommen wird,

• ein Gemisch der oxidischen oder nichtoxidischen Materialien aus der Gruppe der Verbindungen Alkalioxid (M₂O mit M als Alkalimetall), Aluminium(III)-oxid (Al₂O₃), Chrom(III)-oxid (Cr₂O₃), Calciumoxid (CaO), Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), Siliciumdioxid (SiO₂), Titan(IV)-oxid (TiO₂), Zirkonoxid (ZrO₂) und Hafniumoxid (HfO₂) und der nichtoxidischen Materialien Aluminiumnitrid (AlN), Molybdändisilicid (MoSi₂), Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (Si₃N₄), Borcarbid (B₄C) und Bornitrid (BN) zu einer Keramik geformt wird, und
• dass es sich bei dem isolierenden Material zwischen den Keramiken um kristallines Aluminiumoxid, Siliciumdioxid oder Magnesiumoxid handelt, wobei
• die Temperaturmessstelle mit einer hochwärmeleitfähigen Keramik verbunden ist, die sich zum verlustarmen Übertragen der Wärme an die Berührungsstelle des Thermopaares und damit zur Messung der Temperatur durch Kontakt mit dem zu messenden Material eignet.

Ein Beispiel für ein geeignetes keramisches Material für ein Thermopaar ist ein Gemisch aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Alkalioxid (M₂O, mit M als Symbol für ein Alkalimetall), Chrom(III)-oxid (Cr₂O₃), Siliciumdioxid (SiO₂) und Zirkondioxid (ZrO₂). Das erste keramische Gemisch besteht dabei aus 20 Massenprozent Aluminiumoxid, 5 Massenprozent Alkalimetalloxid, 40 Massenprozent Chrom(III)-oxid, 5 Massenprozent Siliciumdioxid und 30 Massenprozent Zirkondioxid. Das zweite keramische Gemisch besteht aus 6 Massenprozent Aluminiumoxid, 12 Massenprozent Alkalimetalloxid, 77 Massenprozent Chrom(III)-oxid und 5 Massenprozent Siliciumdioxid. Aus beiden Gemischen kann mit gängigen Methoden ein keramisches Material hergestellt werden. Diese ergeben in Kombination ein erfindungsgemäßes Thermopaar.
Die das Thermopaar bildenden keramischen Halbleiter sind nur an der Temperaturmessstelle leitend verbunden. Die hierzu notwendige Berührungsstelle braucht nur eine kleine Fläche zu besitzen, kann aber zur Erhöhung der mechanischen Beständigkeit auch von größerer Fläche sein. Der restliche Flächenanteil der keramischen Thermopaare ist gegeneinander isoliert. Auf diese Weise kann sich eine höhere Potentialdifferenz und damit eine höhere elektromotorische Kraft ausbilden. Geeignete Stoffe für die Herstellung des isolierenden Materials sind solche, die eine genügend große Potentialdifferenz zwischen dem keramischen Thermopaar zulassen und gleichzeitig den hohen Temperaturen und einer Schlacke zu widerstehen vermögen. Dies ist erfindungsgemäß kristallines Aluminiumoxid, kristallines Siliciumdioxid oder kristallines Magnesiumoxid.
Zum Schutz des Thermopaares kann die Spitze des Thermoelementes mit einer gut wärmeleitfähigen und schlackebeständigen Keramik verbunden sein. Diese überträgt die Wärme an die eigentliche Temperaturmessstelle, die dadurch mit den aggressiven Bedingungen des zu messenden Mediums nicht in Kontakt kommt. Geeignete Keramiken für diesen Zweck sind Aluminiumnitrid oder Siliciumcarbid. Diese wird von dem zu messenden Medium, z. B. dem geschmolzenen Metall oder den geschmolzenen Schlacken, umflossen und überträgt die Wärme möglichst verlustfrei an die Temperaturmessstelle. Dadurch wird das Thermopaar nicht den aggressiven Bedingungen des zu messenden Mediums ausgesetzt. Das wärmeleitende Material kann beliebig geartet sein.
Bei besonders aggressiven Messbedingungen, wie sie beispielsweise in geschmolzenen Schlacken vorkommen, kann die gut wärmeleitfähige Keramik auch mit einer weiteren Schutzhülle verbunden sein, die gegen die aggressiven Außenbedingungen schützt. Geeignete Schutzmaterialien für diesen Zweck sind beispielsweise Keramiken aus Chrom(III)-oxid, Siliciumcarbid und Aluminiumnitrid.
Das erfindungsgemäße Thermoelement kann eine beliebige Geometrie besitzen. Es kann sehr einfach aus zwei Streifen oder Quadern der betreffenden Materialien aufgebaut sein. Es kann aber auch als Messzelle, mit einem zentrischen Stab aus dem einen Material und einer Hülse aus dem zweiten Material gefertigt sein. Es kann schließlich auch als Füllelement einer beliebig gearteten Schutzhülse aus einem hitzebeständigen und schlackeresistenten oxidischen Material geartet sein.
Als Herstellungsprozess für das erfindungsgemäße Thermoelement eignen sich alle Prozesse, mit denen sich die Thermopaare in die gewünschte Form bringen lassen und mit denen eine Verbindung der beiden Keramiken an der Temperaturmessstelle erfolgen kann. Dies kann ein Sinterprozess oder ein Pressverfahren sein. Es können aber auch Schmelz- oder Gießverfahren eingesetzt werden, insofern die Materialien mit diesen Verfahren verarbeitet werden können. Schließlich können auch Klebetechniken eingesetzt werden. Der Kleber kann vorteilhaft keramischer Natur sein und sollte elektrisch leitend sein. Zur Verarbeitung oder Verbindung der genannten Materialien können letztlich alle Stoffe eingesetzt werden, die sich dazu eignen.
Zum verbesserten Schutz des Thermoelementes vor den äußeren Bedingungen kann dieses auch mit einer Schutzhülle umgeben sein. Dies können beispielsweise Schutzhüllen aus kristallinem Chrom(III)-oxid, oder Chrom(III)-oxid im Gemisch mit Siliciumcarbid und Aluminiumnitrid oder auch hochtemperaturbeständigen Metallen sein. Ein Beispiel für eine geeignete Schutzhülle bestehend aus einem Saphirmaterial lehrt die US 7036983 B2 . Ein Beispiel für eine Schutzhülle aus einer hochtemperaturbeständigen Metalllegierung lehrt die US 5005986 A . Die Schutzhülle zur Umhüllung des erfindungsgemäßen Thermopaares kann beliebig geartet sein. Entscheidend ist, dass sie das Thermoelement vor den aggressiven äußeren, zu messenden Bedingungen schützt.
Beansprucht wird auch ein Verfahren zur Messung von hohen Temperaturen mit dem erfindungsgemäßen Thermoelement. Der zu messende Prozess kann beispielsweise eine Verbrennungsprozess von Kohle, festen kohlenstoffhaltigen oder flüssigen Brennstoffen sein. Die Brennstoffe können beliebig geartet sein. Es kann sich bei dem zu messenden Prozess auch um einen Reformierprozess zur Herstellung von Synthesegas handeln. Schließlich kann es sich bei dem zu messenden Prozess auch um einen Kohlevergasungsprozess zur Herstellung von Synthesegas handeln. Die Messeinrichtung kann sich in den zu messenden Prozessen an beliebiger Stelle befinden. Sie kann sich in einem Kohlevergasungsprozess beispielsweise in dem eigentlichen Vergasungsreaktor zur Messung der Vergasungstemperatur befinden. Sie kann sich aber auch in der Kühlungseinrichtung oder in Einrichtung zur Rauchgasreinigung befinden. Es ist auch möglich, chemische Produktionsprozesse, die bei hohen Temperaturen ablaufen, mit dem erfindungsgemäßen Thermoelement zu messen.
Das Thermopaar kann auf beliebige Art und Weise eingesetzt werden. Es kann sowohl als solches mit einer leitfähigen Verbindungsstelle an der Temperaturmessstelle als auch in einer hitze- und schlackebeständigen Schutzhülle verwendet werden. Es kann auch ohne leitfähige Verbindungsstelle eingesetzt werden, wenn das zu messende Medium eine ausreichende Leitfähigkeit besitzt. Die Signalübertragung erfolgt dann durch die elektrische Leitfähigkeit des zu messenden Mediums. Dies kann beispielsweise bei geschmolzenen Metallen oder bei leitfähiger flüssiger Schlacke der Fall sein. Es ist auch möglich, in die Apparatur, die das Thermoelement enthält, ein weiteres Thermopaar mit bekannter Thermoelementpaarung zur Kalibrierung zu integrieren.
Das erfindungsgemäße Thermoelement ist hochtemperaturbeständig und unempfindlich gegenüber den chemischen Einflüssen von zu messenden Materialien oder Gasen. Es ist in der Lage, auch Temperaturen bis über 1700°C zu messen und besitzt gegenüber Temperaturänderungen geringe Zeitkonstanten. Damit ist es für Messungen hoher Temperaturen und insbesondere für Messungen von Temperaturen bis 1700°C hervorragend geeignet.
Die Ausgestaltung eines Thermoelementes wird anhand von sechs Zeichnungen genauer erläutert, wobei die Vorrichtung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. 1 bis 5 zeigen verschiedene Thermoelemente in der Seitenansicht. 6 zeigt ein Thermoelement mit einer Umhüllung aus einem hochtemperatur- und schlackebeständigen Material.
1 zeigt ein Thermoelement mit zwei keramischen Halbleitern (1, 2) als Thermopaar. Dies Thermopaar ist auf dem größten Teil der berührenden Fläche mit einer Schicht eines isolierenden Materials (3) voneinander getrennt. Nur an der Spitze, der eigentlichen Temperaturmessstelle (1a), besteht eine stromleitende Verbindung. Die keramischen Elemente des Thermopaares sind über stromleitende Drähte (4, 5) mit dem Messgerät verbunden.
2 zeigt das gleiche Thermopaar (1,2) mit einer Spitze aus einem gut wärmeleitenden und schlackebeständigen keramischen Material (6). Die eigentliche Temperaturmessstelle wird von diesem Material mit der zu messenden Position wärmeleitend verbunden. Die Spitze (6) wird zum Messen an die zu messende Stelle gehalten.
3 zeigt ein Thermoelement aus zwei keramischen Halbleitern (1, 2) mit einer fingerförmig zulaufenden Messspitze. Die Wärme wird an das zweite Paarstück (2) weitergeleitet. An der Spitze besteht eine stromleitende Verbindung (1a). Die beiden keramischen Halbleiter des Thermopaares werden auf der größten Fläche durch, Stege oder keramische Gießmasse eines isolierenden Materials (3), beispielsweise Aluminiumoxid oder Magnesia voneinander getrennt. Der übrige Trennungsraum (3a) bleibt frei. Die keramischen Elemente des Thermopaares sind über stromleitende Drähte (4, 5) mit dem Messgerät verbunden.
4 zeigt das gleiche Thermoelement mit einer Isolierung (3), die die beiden keramischen Halbleiter des Thermopaares bis auf die Berührungsstelle (1a) vollständig voneinander isoliert.
5 zeigt ein Thermoelement, das ein keulenförmiges keramisches Halbleiterelement mit einer kugelförmigen Spitze (1b) besitzt. Die kugelförmige Spitze wird von einer fingerförmigen Hülse bedeckt (2b). Die Fortführung der des inneren keramischen Halbleiters wird von der äußeren Hülse des anderen Halbleiters durch einige Stege (3) voneinander isoliert. Auf diese Weise erhält man ein Thermoelement mit einer größeren Meßfläche. Die Enden der beiden Thermopaarelemente werden durch Drähte (4, 5) elektrisch leitend mit einer Messeinrichtung verbunden.
6 zeigt ein Thermoelement, das zum Schutz vor korrosiven Gasen mit einer temperatur- und schlackebeständigen Schutzhülle (7) versehen ist. Diese kann beispielsweise aus Saphir, aus kristallinem Chrom(III)-oxid, oder Chrom(III)-oxid im Gemisch mit Siliciumcarbid und Aluminiumnitrid bestehen. Diese Schutzhülle ist hier als Beispiel in die Wand (8) eines Kohlevergasungsreaktors integriert. Auf der Reaktionsseite des Vergasungsreaktors strömt heißes Synthesegas vorbei, dessen Temperatur bestimmt werden soll. Das Thermoelement im Inneren der Schutzhülle gleicht dem stabförmigen Thermoelement in 1. An der Rückseite des stabförmigen Halbleiters sind stromleitende Drähte (4, 5) angebracht, die mit der Messeinrichtung verbunden sind.

1: Keramischer Halbleiter als erstes Element des Thermopaares
1a: Elektrisch leitende Verbindungsstelle, Temperaturmessstelle
1b: Kugelförmige Spitze des ersten Element des Thermopaares
2: Keramischer Halbleiter als zweites Element des Thermopaares
2b: Fingerförmige Hülle als zweites Element des Thermopaares
3: Isolierende Schicht
3a: Isolierender Zwischenraum
4: Elektrisch leitende Verbindung des ersten Halbleiterelementes
5: Elektrisch leitende Verbindung des zweiten Halbleiterelementes
6: Hochwärmeleitfähige und schlackebeständige Keramik
7: Schutzhülle
8: Wand eines Kohlevergasungsreaktors

Claims

Vorrichtung zur Messung von hohen Temperaturen durch Bildung eines Thermopaares, wobei • dieses Thermopaar aus zwei keramischen Materialien besteht, die durch ein isolierendes Material voneinander getrennt sind und nur an der Temperaturmessstelle miteinander in Kontakt gebracht werden, und • die beiden keramischen Materialien mit einem leitenden Material verbunden sind, mit denen die am Thermopaar entstehende elektromotorische Kraft an ein Messgerät zur Verstärkung des Signals geleitet wird, wodurch dieses verstärkt wird und zur Erfassung der Messgröße entgegengenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass • ein Gemisch der oxidischen oder nichtoxidischen Materialien aus der Gruppe der Verbindungen Alkalioxid (M₂O mit M als Alkalimetall), Aluminium(III)-oxid (Al₂O₃), Chrom(III)-oxid (Cr₂O₃), Calciumoxid (CaO), Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), Siliciumdioxid (SiO₂), Titan(IV)-oxid (TiO₂), Zirkonoxid (ZrO₂) und Hafniumoxid (HfO₂) und der nichtoxidischen Materialien Aluminiumnitrid (AlN), Molybdändisilicid (MoSi₂), Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (Si₃N₄), Borcarbid (B₄C) und Bornitrid (BN) zu einer Keramik geformt wird, und • dass es sich bei dem isolierenden Material zwischen den Keramiken um kristallines Aluminiumoxid, Siliciumdioxid oder Magnesiumoxid handelt, wobei • die Temperaturmessstelle mit einer hochwärmeleitfähigen Keramik verbunden ist, die sich zum verlustarmen Übertragen der Wärme an die Berührungsstelle des Thermopaares und damit zur Messung der Temperatur durch Kontakt mit dem zu messenden Material eignet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der hochwärmeleitfähigen Keramik um Aluminiumnitrid oder Siliciumcarbid handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermopaar zum Schutz mit einer Schutzhülle umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle aus Saphir oder kristallinem Aluminiumoxid besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle aus einem hochtemperaturbeständigen Metall besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle aus kristallinem Chrom(III)-oxid oder Chrom(III)-oxid im Gemisch mit Siliciumcarbid und Aluminiumnitrid besteht.
Verfahren zur Messung hoher Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Messen der Temperatur von heißen Gasen, wie sie typischerweise bei Kohleverbrennungen oder Kohlevergasungen auftreten, genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Messung von hohen Temperaturen zum Messen der Temperatur von geschmolzenen Metallen genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Messung von hohen Temperaturen bei chemischen Prozessen genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Messung von hohen Temperaturen bei Reformierprozessen genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung mit der Vorrichtung zur Messung von hohen Temperaturen bis zu einer Temperatur von 1700°C durchgeführt wird.