DE102020113903B3 - Thermoelement zur Messung hoher Temperaturen und Verfahren zur Drifterkennung an einem Thermoelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Thermoelement zur Messung von hohen Temperaturen mit einem Prozessanschluss und einem Schutzrohr sowie ein Verfahren zur Erkennung der Drift des Thermoelementes.Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermoelektrischen Temperaturfühler zu schaffen, der einfach und kostengünstig herstellbar ist und der zuverlässig und genau in einem weiten Temperaturbereich misst. Aufgabe der Erfindung ist weiterhin, ein Verfahren zur Erkennung der Drift des Thermoelements zu schaffen.Erfindungsgemäß besteht das Thermoelement aus einem zweiteiligen Schutzrohr und einem Referenztemperaturfühler (9), wobei das zweiteilige Schutzrohr aus einem anschlussseitigen Verstärkungsrohr (4) und einem medienseitigen Messrohrelement (5) besteht und das medienseitige Ende des Messrohrelements (5) ein Hochtemperatur-Thermopaar enthält und in Form eines kompakten Keramikrohres ausgebildet ist.Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Vergleich einer gemessenen Medientemperatur (TM) mit einer Vergleichstemperatur (TV), wobei als Vergleichstemperatur (Tv) eine Hilfstemperatur (TH) verwendet wird, wobei zwei Hilfstemperaturen (TH1, TH2) gemessen werden, die nacheinander mittels einer Heizfläche (8.2) erzeugt werden und wobei diese als Vergleichsstelle dienen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Thermoelement zur Messung von hohen Temperaturen mit einem Prozessanschluss und einem Schutzrohr sowie ein Verfahren zur Erkennung der Drift des Thermoelementes und eines vorliegenden Einbaufehlers.
• Das Thermoelement ist insbesondere für den Einsatz in Hochtemperaturöfen geeignet.
• Beim Einsatz von Hochtemperaturthermoelementen in Ofenprozessen oder ähnlichen thermischen Prozessen sind die verwendeten Materialien lange Zeit einer hohen Temperaturlast ausgesetzt. Dabei zeigt sich bei den kommerziellen verfügbaren Thermoelementen auf Platin/Platinrhodium-Basis bzw. auf der Basis von Borcarbid/Grafit, Carbid/Carbid, Carbid/Titancarbid eine Reihe von technischen Unzulänglichkeiten. Langzeitanwendungen im Bereich 2000°C bis 2200°C führen insbesondere zu thermoelektrischen Instabilitäten und Ausfällen.
• In EP 1 746 397 A1 wird ein keramisches Thermopaar mit den Thermomaterialien Molybdändisilizid und Siliziumcarbid beschrieben. Das Thermoelement ist so ausgebildet, dass die beiden Keramikschenkel nur durch Stege getrennt sind, wobei jedoch trotz minimaler Stegmaße Kontaktdiffusionen und werkstoffliche Veränderungen entstehen können.
• Insgesamt gesehen, weisen diese Thermopaare mit den genannten Materialien eine unzureichende Stabilität und eine geringe Lebensdauer auf.
• In DE 10 2008 007 740 B3 wird ein keramisches Thermoelement beschrieben, dessen beide Thermoschenkel aus einem Gemisch von oxidischen und nichtoxidischen Materialien bestehen, wobei die beiden Schenkel durch kristallines A₂O₃ isoliert werden und im Weiteren jeweils mit hochwärmeleitendem Material gearbeitet werden. Das hohe Wärmeleitvermögen dieses Thermoelementes führt gerade bei hohen Messtemperaturen zu erheblichen statisch-thermischen Fehlern, d.h. Einbaufehlern in zweistelliger Höhe.
• Neben Ausfällen und dem Auftreten höherer Einbaufehler sind bei Thermoelementen im Hochtemperatureinsatz auch Driftausfälle zu beachten.
• Die Temperaturdrift eines Thermoelementes ist eine thermoelektrische Spannungsänderung über einen definierten Zeitraum bei konstanter Temperaturlast und gleichbleibenden elektrischen Anschlusswerten und Umgebungsbedingungen.
• Die Drift hängt sowohl von den reinen Materialeigenschaften als auch von den Einsatzbedingungen am Messort ab. Zu Letzterem lassen sich drei Einflussfaktoren festhalten:
1. 1. Die Drift ist in jedem Fall von der Höhe der Temperaturbelastung, tendenziell auch von zeitlichen und örtlichen Temperaturänderungen, abhängig. Unterhalb der Raumtemperatur finden sich keine nennenswerten Drifteffekte, insbesondere weil die erforderliche Aktivierungsenergie für thermische Diffusionseffekte zu groß wäre.
2. 2. Die Drift hängt vom Thermodrahtdurchmesser ab. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Thermodrähte unvollständig geschützt sind. Eine relative Driftaussage ergibt sich aus dem Verhältnis von möglicher Diffusionslänge der Diffusionspartner zum Drahtdurchmesser. Je größer der Durchmesser ist, umso geringer ist die Drift.
3. 3. Die Drift kann sich durch bestimmte Atmosphären verstärken oder auch verringern. Bei Vergleichsangaben zu Drifteffekten ist jeweils die genaue Atmosphärenangabe erforderlich oder die Driftuntersuchungen müssen in neutraler Atmosphäre durchgeführt werden. Wasserstoffatmosphären (bei edlen Elementen) und Schwefelgase (bei nickelbasierten Thermopaaren) können zu beachtlichen Driftwerten führen.
• Eine technologisch bedingte Driftursache liegt in der Veränderung (Interdiffusion) der Materialzusammensetzung am oder in der Nähe des Thermoknotens, welche ihren Ausgangspunkt in nicht optimalen Schweißbedingungen bei der Thermodrahtverschweißung hat. In Anbetracht der Komplexität der Driftmechanismen bzw. vielfältigen Einflussstellen können speziell bei höheren Temperaturen sichere Driftvorhersagen nicht gemacht und mathematische Korrekturmodelle nur für spezielle Applikationen entwickelt werden.
• Vorliegende Driftwerte lassen sich im Rahmen von Kalibrier- bzw. Vergleichsverfahren bestimmen. Hierzu sind klassische Prüf- und Kalibrierverfahren bekannt, bei denen der Temperaturfühler ausgebaut und separat in einem Prüfofen, einem Kalibrierbad oder ähnlichem vermessen wird.
• Neben diesen separaten Prüf- und Kalibrierverfahren werden prozessprüfbare Verfahren angewendet, bei denen eine Prüfung ohne Ausbau des Fühlers erfolgt. Hierzu sind bekannt:
• Bei einem bekannten Verfahren wird in die Thermoelementarmatur eine Minifixpunktzelle eingebaut. Mit einer Zusatzelektronik wird der Fixpunkt in separaten Messabständen mit dem vorliegenden Messwert verglichen.
• Weiterhin ist aus WO 2018/127357 A1 die sogenannte Curiepunkt - Selbstkalibrierung bekannt: Bei diesem Verfahren wird ein magnetischer Baustein in die Temperaturfühlerarmatur eingebaut. Mit einer Zusatzelektronik wird der Curiepunkt des magnetischen Elementes in kurzen Abständen mit dem vorliegenden Messwert verglichen.
• Weiterhin ist es gemäß DE 10 2006 040 135 B4 und DE 20 2009 012 292 U1 bekannt, einen separaten Prüfkanal im Thermoelement zu integrieren. Mit einem einsteckbaren Kontrollfühler kann ohne Störung des Messprozesses eine Vergleichsmessung erfolgen.
• Ferner ist in GB 1249589A eine Verbrauchsvorrichtung zum Testen eines geschmolzenen Metallbades beschrieben, welches einen feuerfesten Behälter mit einer Öffnung enthält, die durch eine im Bad schmelzbare Abschirmung verschlossen ist, und ein im Behälter angeordnetes Thermoelement aufweist. Wenn das Gerät mit einer Lanze in das Bad eingeführt wird, verschmilzt die Abschirmung, eine Probe tritt in den Behälter ein und die Badtemperatur wird gemessen.
• Aus DE 10 2017 100 267 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen Temperatursensor und ein Messelement, wobei zumindest der Temperatursensor und das Messelement in einem Sensorkopf angeordnet sind.
• In EP 0 887 632 A1 ist ein Keramik-Thermoelement zur Messung der Temperatur geschmolzenen Metalls beschrieben, bei dem zur Messung der Temperatur geschmolzenen Metalls ein Paar Wolframrheniumlegierungsstränge unterschiedlicher Zusammensetzung in ein Schutzrohr aus Keramiken wie Siliziumnitrid eingebaut ist und ein äußeres Schutzrohr aus Cermet mit Mo als Basis an der Außenseite des Schutzrohrs angeordnet ist.
• DE 20 2012 101 659 U1 beschreibt einen Messfühler zur Temperaturüberwachung, der ein Manteltemperaturmesselement, ein Schutzrohr und einen Thermometeranschlusskopf enthält. Im Schutzrohr sind mehrere komplett verschlossene Manteltemperaturmesselemente sowie ein bodenverschlossenes Leerrohr angeordnet.
• Ferner beschreibt US 2008/0317087 A1 ein Verfahren zum Kalibrieren eines Thermoelements, bei dem ein Kalibrierthermoelement verwendet wird, das aus demselben Thermoelementmaterial wie ein Detektionsthermoelement besteht. Die absolute thermoelektrische Leistung des kalibrierenden Thermoelements wird im Voraus bestimmt, wobei angenommen wird, dass das Detektionsthermoelement die gleiche elektrische Leistung aufweist. Der Innenwiderstand des detektierenden Thermoelements wird bestimmt und ein Kurzschlussstrom mit einer gemessenen Temperaturdifferenz unter Verwendung eines Operationsverstärkers gemessen.
• Allen genannten Verfahren ist gemein, dass am Thermoelementfühler die Installation von mechanischen Hilfs- und Zusatzelementen und zum Teil eine umfangreiche Zusatzelektronik erforderlich ist. Die Unterbringung mechanischer Hilfs- und Zusatzelemente im thermoelektrischen Fühler führt in der Regel zu einer Vergrößerung des Durchmessers des thermoelektrischen Temperaturfühlers bzw. verhindert eine sonst mögliche Reduzierung des Fühlerdurchmessers im Sinne einer Dynamikverbesserung. Weiterhin begrenzen die eingesetzten Fixpunktmaterialien und Magnetwerkstoffe die maximale Einsatztemperatur der Temperaturfühler.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen thermoelektrischen Temperaturfühler zu schaffen, der einfach und kostengünstig herstellbar ist und der zuverlässig und genau in einem weiten Temperaturbereich misst. Aufgabe der Erfindung ist weiterhin, ein Verfahren zur Erkennung der Drift des Thermoelements zu schaffen.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Temperaturfühler, der die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und mit einem Verfahren mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Das Thermoelement weist ein zweiteiliges Schutzrohr und einen Referenztemperaturfühler auf. Das zweiteilige Schutzrohr besteht aus einem anschlussseitigen Verstärkungsrohr und einem medienseitigen Messrohrelement. Das medienseitige Ende des Messrohrelements enthält ein Hochtemperatur-Thermopaar, das in einem kompakten Keramikrohr eingesteckt ist, wobei ein Ende des Messrohrelementes in ein keramisch, elektrisch isolierendes Formteil ragt, welches sich im Verstärkungsrohr befindet und wobei am Formteil beheizbare metallische Flächen angeordnet sind, an denen nach außen führende Anschlussleitungen befestigt sind.
• Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung eines konzentrisch aufgebauten Thermoelementes mit einem keramisch basierten Hochtemperatur-Thermopaar befindet sich als erster Thermoleiter ein im Inneren des Messrohrelementes verlaufender Thermodraht und als zweiter Thermoleiter dient die äußere Hülse der Messrohrspitze. Dabei bestehen die Hülse und der Boden des Messrohrelementes aus thermoelektrischer Keramik. Der im Inneren verlaufende Thermodraht ist am Boden der Messspitze elektrisch leitend befestigt, wobei die Verbindungsstelle einen Thermoknoten darstellt.
• Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass im Messrohrelement zwei isolierte metallische Thermodrähte verlaufen, die am medienseitigen Ende des Messrohrelementes elektrisch leitend verbunden sind und so einen Thermoknoten bilden. Die Thermodrähte sind isoliert. Als metallische Thermodrähte kommen im Hochtemperaturbereich folgende Thermopaare zum Einsatz:
• 85 Pt 1r vs. 100Pd
• Platinel 1
• Platinel 2
• Pt 0.1 Mo vs. Pt 5 Mo
• Ir 50 Rn vs. Ir
• Ir 60 Rn vs. Ir
• W-Re-Paar A, C, D, G
• Mo 41 Re vs. Mo
• Mo 5 Re vs. Mo 41 Re.
• Erfindungsgemäß ist im Formteil ein kleines elektrisches Heizelement einzubauen, an dem nach außen führende Anschlussleitungen befestigt sind. Eine Erwärmung durch das Heizelement erfüllt den Effekt einer thermischen Gegenheizung und vermindert den statisch-thermischen Fehler. Die Heiztemperatur bzw. die Temperatur des Formteils wird mit einem Temperaturfühler, vorzugsweise einem dünnen Mantelthermoelement, gemessen. Das Messrohrelement mit dem Formteil ist in einem keramischen Verstärkungsrohr kippfest und ausrutschsicher befestigt. Das Messrohrelement mit dem integrierten Thermopaar reicht damit nicht bis in den Anschlusskopf oder zum Prozessanschluss, sondern nimmt nur ca. die vordere Hälfte des Thermoelement-Schutzrohraufbaus ein. Die thermoelektrische Auswertung der Temperatursignale erfolgt bei Thermoelementmesseinrichtungen, bei denen die Vergleichsstelle nicht im Eispunkt liegt, nach dem sogenannten CJC-Verfahren. Danach wird die von 0°C verschiedene Vergleichsstellentemperatur T_v mit einem zusätzlichen Temperatursensor ermittelt und die Gesamtthermospannung der Medientemperatur T_M im Hochtemperaturofen nach der Beziehung $${\text{U}}_{\text{M}}\left({\text{T}}_{\text{M}}\right)=\text{U}\left({\text{T}}_{\text{M}}-{\text{T}}_{\text{v}}\right)+\text{U}\left({\text{T}}_{\text{v}}\right)$$

  

  ermittelt, wobei U_v die der Vergleichstemperatur zuordenbare Thermospannung ist.
• Die längenmäßige Begrenzung der kostenintensiven Thermopaar-Materialien bringt Kostenvorteile.
  Wenn die Thermospannungsermittlung nach dem CJC-Verfahren erfolgt, ist eine sorgfältige Messung der Vergleichstemperatur erforderlich bzw. ein spezielles thermisches Management an der Vergleichsstelle erforderlich. Hierbei muss realisiert werden, dass
• a) die separat ermittelte Vergleichsstellentemperatur exakt der Temperatur an beiden Übergangs-(Verbindungs-)stellen vom Thermopaar zur neutralen Anschlussleitung entspricht. Ein Differenzbetrag führt zu einem Messfehler;
• b) die Temperaturen der Übergangsstellen beider Thermoschenkel des Thermopaares zu den neutralen Anschlussleitern exakt gleich sind, da sonst auch Messfehler entstehen.
• Bei dem konzentrisch aufgebauten Thermoelement ist das gegenüber dem Messrohrelement kostengünstigere Verstärkungsrohr in einem metallischen Thermometerhalsrohr des Gesamtthermoelementes verankert, wobei an einem Halsrohr ein vakuumdruckdichter Flansch oder ein anderer vakuumdichter Prozessanschluss angeschweißt werden kann, um auch den Einsatz in besonderen Atmosphären zu ermöglichen. Unterhalb des Anschlusssockels im Anschlusskopf ist weiterhin ein Verguss eingebracht, der auch den Thermoelement-Innenraum hermetisch gegenüber der Außenatmosphäre abdichtet. Anflanschung und Vakuumdichtung sind bei allen Ausführungen prinzipiell gleich.
• Mit dem erfindungsgemäßen Mess- und Kontrollverfahren erfolgen Vergleiche gemessener Medientemperaturen mit verschiedenen Vergleichstemperaturen, wobei zwei Hilfstemperaturen als Vergleichsposition im Berechnungsverfahren gemessen werden, die nacheinander mittels eines Heizelementes erzeugt und von einem Zusatztemperaturfühler erfasst werden.
• Damit wird ein thermoelektrischer Fühler geschaffen, dessen Drift in einem Online-Verfahren bestimmt werden kann, ohne dass am bzw. im eingesetzten Fühler mechanische Veränderungen vorgenommen oder Zusatzelemente eingebaut werden müssen.
• Das Hochtemperaturthermoelement und das Driftkontrollverfahren sind bei Temperaturen über 2000°C ausfallfrei einsetzbar.
• Die zur Vergleichsmessung verwendete Vergleichsstelle befindet sich etwa mittig im Thermoelementschutzrohr. Da diese auch beheizt werden kann, sind verschiedene Vergleichstemperaturen einstellbar.
• Die Erfindung wird im Folgenden an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
• 1 eine Ansicht des Thermoelements,
• 2 einen Schnitt durch ein Thermoelement, bei dem das Hochtemperatur-Thermopaar aus einem Thermodraht und einer elektrisch leitenden keramischen Hülse besteht,
• 3 ein Thermoelement, bei dem das medienseitige Messrohrelement zwei Thermodrähte enthält,
• 4 ein Diagramm in dem zur Ermittlung des Driftverhaltens die gemessenen Spannungen als Funktionen der Temperatur dargestellt sind,
• 5 ein Schaltbild für eine Ausführung, bei der die Verbindungsstellen des Thermopaares zu Anschlussleitungen Thermoknoten bilden und
• 6 einen Schnitt durch eine Ausführung mit drei Mantelthermodrahtkombinationen.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt die Gesamtansicht des Hochtemperaturthermoelements. An seiner Oberseite, die sich außerhalb des Messmediums befindet, sind der Anschlusskopf 1 mit dem Halsrohr 2 angeordnet. An einem Flansch 3 ist das Thermoelement mit einem Behälter bzw. einem Ofen, in dem sich das Messmedium befindet, verbunden. Das Thermoelement enthält ein zweiteiliges Schutzrohr. Das zweiteilige Schutzrohr besteht aus einem anschlussseitigen Verstärkungsrohr 4 und einem medienseitigen Messrohrelement 5.
• Wie aus 2 ersichtlich ist, enthält das medienseitige Messrohrelement 5 ein Hochtemperatur-Thermopaar, welches aus einem Thermodraht 6 und der elektrisch leitenden keramischen Hülse 5.1 besteht, wobei der Thermodraht 6 mit dem ebenfalls elektrisch leitenden keramischen Boden 5.2 elektrisch leitend verbunden ist, so dass ein Thermoknoten 7 gebildet wird. Die elektrisch leitende keramische Hülse 5.1 ist mit einer nach außen führenden Anschlussleitung verbunden.
• Im Verstärkungsrohr 4 befindet sich ein keramisches, elektrisch nichtleitendes Formteil 8. Das Formteil 8 besitzt einen größeren Außendurchmesser als das Messrohrelement 5. Ein Ende des Messrohrelements 5 ragt in das keramische Formteil 8 und ist dort befestigt. Im Formteil 8 befindet sich weiterhin ein Referenztemperaturfühler 9. Das Formteil 8 enthält beheizbare metallische Anschlussflächen 8.2, an denen nach außen führende Anschlussleitungen befestigt sind. Die Erwärmung der metallischen Anschlussflächen 8.2 erfüllt den Effekt einer thermischen Gegenheizung und vermindert den statisch-thermischen Fehler. Das Formteil 8 besitzt einen Bund 8.1, der fest am Verstärkungsrohr 4 anliegt und das Formteil 8 im Verstärkungsrohr 4 fixiert. Das Messrohrelement 5 mit dem integrierten Thermopaar 6 reicht damit nicht bis in den Anschlusskopf 1, sondern nimmt nur ca. die vordere Hälfte des Thermoelement-Schutzrohraufbaus ein. Die damit einhergehende Begrenzung der kostenintensiven Thermopaarmaterialien bringt Kostenvorteile.
• In 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei dem das medienseitige Messrohrelement 5 zwei mittels Isolation 11 elektrisch isolierte Thermodrähte 6.1, 6.2 enthält, die am medienseitigen Ende des Messrohrelementes 5 elektrisch leitend verbunden sind und einen Thermoknoten 7 bilden.
• 4 erläutert die Ermittlung des Driftverhaltens. In einem Diagramm sind die gemessenen Spannungen als Funktionen der Temperatur ersichtlich.
• Die standardisierte thermoelektrische Temperaturmessung nach den geltenden DIN- und/oder den EN-Normungsvorschriften beruht darauf, dass der Thermospannungswert U eine Funktion der Temperaturdifferenz zwischen der zu messenden Medientemperatur T_M und einer Vergleichsstellentemperatur T_v ist. Nach DIN EN 60584 soll der Eispunkt (0°C) als Vergleichsstellentemperatur verwendet werden. Da dies bei einer Reihe von Messaufgaben nicht vorliegt, wird als Vergleichsstellentemperatur eine von 0° C verschiedene Temperatur T_v, d.h. eine sogenannte Hilfstemperatur T_H, gewählt.
• Dazu muss eine mathematische Korrektur durchgeführt werden. Dies erfolgt gemäß der Beziehung $$\text{U }\left({\text{T}}_{\text{M}}\right)=\text{U }\left({\text{T}}_{\text{M}}-{\text{T}}_{\text{H}}\right)+\text{U }\left({\text{T}}_{\text{H}}-{\text{T}}_{\text{V}}\right)$$

  

  
  mit T_M = Medientemperatur
  T_H = Temperatur der hilfsweise gewählten Vergleichsstelle
  T_v = Vergleichsstellentemperatur im Standardfall T_v = 0°C
  U = thermoelektrisches Signal bezogen auf die Temperatur T.
• Die Erfindung beruht auf der thermoelektrischen Messwertbestimmung bei Durchführung einer Doppelmessung mit zwei Hilfstemperaturen T_H1 und T_H2 .
• Die Hilfstemperaturen werden nacheinander mittels eines Heizelementes, das sich nahe der Übergangs-/Verbindungsstelle von Hochtemperaturelement zu neutralen Verbindungsleitern befindet, nach vorgegebenen Regime- bzw. Kontrollmanagement der Heizelektronik eingestellt und gleichzeitig vom Messsystem erfasst. Im Messwerterfassungssystem, d.h. in der Regel in einem Computer oder in einem Controller, werden für eine Messung folgende Werte ermittelt: $${\text{U}}_{\text{1}}=\text{U}\left({\text{T}}_{\text{M}}-{\text{T}}_{\text{H1}}\right)$$

  

  $${\text{U}}_{\text{2}}=\text{U}\left({\text{T}}_{\text{M}}-{\text{T}}_{\text{H2}}\right).$$

  
• Im Rahmen der Messungen 1 und 2 werden auch gleichzeitig die beiden VergleichstemperaturenT_H1 und T_H2 über den zusätzlichen Temperaturfühler erfasst und ihre nach Normtabelle zugehörigen Thermospannungswerte U_H1 und U_H2 bestimmt.
• Die Driftkontrolle erfolgt über den Vergleich der Differenzwerte ΔU = U₁ - U₂ und einer theoretischen Wertedifferenz ΔX, wobei ΔX sich über die Ermittlung der Spannungswerte bei den beiden Hilfstemperaturen ergibt mit $$\Delta \text{X}={\text{U}}_{\text{H1}}\left({\text{T}}_{\text{H1}}\right)-{\text{U}}_{\text{H2}}\left({\text{T}}_{\text{H2}}\right).$$

  
• Sind die Thermoelemente noch unbelastet und driftfrei, ergibt sich ΔU = ΔX.
• Weisen die Thermoelemente Drifterscheinungen auf, weichen die gedrifteten Messwerte U₁* und U₂* und damit auch ihre Differenz ΔU vom Normwert ab.
• Die rechnerisch bereitgestellten und damit driftfreien Werte U_H1 und U_H2 führen zu einem fehlerfreien ΔX-Wert. Die Drift ist über eine Abweichung der subtrahierten Differenz ΔU - ΔX ≠ 0 erkennbar.
• Im Rahmen des Kontrollverfahrens wird die Vergleichsstelle auf unterschiedliche Temperaturen gebracht, so dass diese zum Zeitpunkt des Messens als Vergleichstemperatur exakt bereit stehen. Im vorliegenden Fall dieses Hochtemperaturelementes wird dies durch die heizbare Metallschicht, zum Beispiel einer Platinschicht, realisiert. Das Heizelement wird über eine Heizelektronik angesteuert.
• Über einen zusätzlichen Temperaturfühler, der vorteilhafterweise als Mantelthermoelement ausgebildet ist und dessen Messspitze zum Beispiel im keramischen Formteil 8 untergebracht ist, wird die Heiztemperatur des Heizelementes ermittelt. Sie ist gleichbedeutend mit der hilfsweise verwendeten Vergleichsstellentemperatur T_H, da die Metallschicht thermisch mit der Übergangsstelle der Thermopaarschenkel zu deren Verlängerungsdrähten verbunden ist. Der zusätzliche Temperaturfühler kann auch als Thermoelement, dessen Thermoknoten direkt mit der Übergangsstelle vom Hochtemperaturelement zum neutralen Verbindungsleiter verbunden ist, ausgebildet sein.
• Die Driftkontrolle kann online zu beliebigen Zeitpunkten erfolgen. Jedoch sollte im Zeitraum der vorgenommenen Temperaturänderung in der Heizschicht, wobei Abkühlung oder Erhitzung hier zunächst gleichwertig sind, eine Konstanz oder annähernde Konstanz der Ofentemperatur bzw. der Temperatur des zu messenden technologischen Prozesses vorliegen. Kleine auftretende Temperaturabweichungen können bei bekannter Spannung-Temperaturgradienten-Funktion nachkorrigiert werden.
• Vorteilhaft ist die Driftkontrolle in einem abgeschlossenen Driftkontrollverfahren am Anfang des zu messenden bzw. zu überwachenden thermischen Prozesses, da nachfolgend die Drift gleich korrigiert werden kann.
• Zunächst wird der thermische Prozess, d.h. im Allgemeinen die Ofenheizung, ohne aktives Heizelement bis zur Erreichung der Endtemperatur angefahren.
• Beim Erreichen der Endtemperatur werden im Rahmen einer ersten Messung folgende Messdaten in einen Messcomputer oder in eine Messelektronik übernommen:

TM -

Ofen-/ Medientemperatur

U1 -

Thermospannungswert dieser ersten Messung

TH1 -

hilfsweise erste Vergleichsstellentemperatur ohne Erhitzung; daraus wird U_H1 rechnerisch ermittelt

dU/dT -

thermoelektrischer Spannungsgradient bei der Temperatur T_M (liegt als Tabelle vor); wird zur Korrektur verwendet falls T_M sich leicht ändert.

• Nach der Messdatenübernahme der ersten Messung erfolgt ein Beheizen der Metallschicht. Liegen stabile thermische Verhältnisse vor, erfolgt entsprechend der ersten Messung eine zweite Messung, sowie die Übernahme dieser Daten und eine Driftwertüberprüfung gemäß ΔU - ΔX.
• Danach bzw. nach Abschluss eines eventuellen Driftkorrekturvorganges startet die normale Ofentemperaturmessung mit dem Thermoelement.
• Wird über ein entsprechendes thermisches Management von Medium-Regler und Thermoelement-Heizung die Gleichheit von Mediumtemperatur und Vergleichsstellentemperatur (=Heiztemperatur) an zwei Temperaturpunkten herbeigeführt, können damit auch die Einbaufehler-Einflüsse bestimmt werden.
• 5 zeigt ein Schaltbild für eine Ausführung, bei der die Verbindungsstellen des Thermopaares 6 zu den neutralen Anschlussleitungen 6.1.1, 6.1.2, 6.2.1 und 6.2.2 Thermoknoten 7.1 und 7.2 bilden. Die Verbindungsstellen der Thermodrähte 6.1 und 6.2 - oder zumindest eine Verbindungsstelle - entsprechen gleichzeitig den Thermoknoten 7.1 und 7.2 der Hilfsthermoelemente (Knoten-Übergangs- Element) zur Bestimmung der Temperatur der Übergangsstellen. Das Knoten- Übergangs- Element besteht in diesem Fall aus einem Thermoschenkel, der identisch mit einem neutralen Anschlussleiter 6.1.1 und 6.1.2 ist, sowie einem parallel zum Anschlussleiter verlaufenden zweiten Thermoleiter 6.2.1 und 6.2.2, dessen Ende ebenfalls mit der Übergangsstelle oder nahe der Übergangsstelle verschweißt ist und mit der Elektronik zur Ermittlung der Vergleichsstellentemperatur X1 verbunden ist. Über die neutralen Anschlussleiter 6.1.2 und 6.2.2 wird in der Elektronik zur Ermittlung der Messstellentemperatur X2 die Messtemperatur des Thermoelementes 6 gemessen, wobei die in der Elektronik zur Ermittlung der Vergleichsstellentemperatur X1 ermittelten Vergleichstemperaturen berücksichtigt werden.
• In 6 ist eine weitere Ausführung dargestellt, die ein thermoelektrisches Heiz- und Anschlussmodul bildet, welches die thermoelektrische Temperaturermittlung nach dem CJC-Verfahren und damit den Einsatz längenverkürzter Thermopaare ermöglicht. Weiterhin wird damit eine exakte Bestimmung der Temperatur der Übergangsstelle von den Thermoschenkeln 6.1 und 6.2 des Thermopaares 6 zu neutralen Anschlussleitern ermöglicht und darüber hinaus die Realisierung verschiedener Temperaturen an der Übergangsstelle und damit in der Vergleichsstelle gestattet.
• Die konstruktive Gestaltung erfolgt in Form eines sechsadrigen, d. h. eines dreifach ausgeführten Mantelthermoelementes. Im Mantelthermoelement sind in einem Mantel 10 sechs Thermodrähte angeordnet, wobei jeweils zwei Drähte eine Mantel-Thermodrahtkombination 13, 14, 15 bilden. Die Thermodrähte sind gegeneinander durch eine Isolation 11 elektrisch isoliert. Dabei ist eine erste Thermodrahtkombination 13 zur Messung der Temperatur einer ÜbergangsVerbindungsstelle 18 eines Thermoelementes als Knoten-Übergangs-Element ausgebildet. Die Übergangsverbindungsstellen 18 befinden sich in einem elektrisch und thermisch isolierenden Isolierelement 16. Von einem der Knoten 18 gehen zwei Thermodrähte aus, die ein Knotenübergangselement 17 bilden. Ein Thermodraht dieser ersten Mantel-Thermodraht-Kombination 13 ist weitergeführt zum Eingangsteil der CJC-Elektronik X₃ und wird somit zum neutralen Verbindungsleiter des Thermoelementes. Ein Thermodraht der zweiten Mantel-Thermodraht-Kombination 14, der materialgleich zu dem weitergeführten Thermodraht der ersten Mantel-Thermodraht-Kombination 13 ist, ist als neutraler Verbindungsleiter zwischen der zweiten Übergangsstelle 18 des Thermoelementes und dem Eingangsteil der CJC-Elektronik X₃ angeordnet. Der verbleibende zweite Draht der zweiten Mantel-Thermodraht-Kombination 14 verbindet das Heizelement 12 mit der Heizelektronik X₄.
• Ein Draht der dritten Mantel-Thermodraht-Kombination 15, der materialgleich zum zweiten Draht der zweiten Mantel-Thermodraht-Kombination 14 ist, verbindet ebenfalls das Heizelement 12 mit der Heizelektronik X₄.
• Das Heizelement 12 kann als Widerstandsheizer oder als Peltier-Heizelement ausgebildet sein.
• Bezugszeichenliste

1

Anschlusskopf

2

Halsrohr

3

Flansch

4

Verstärkungsrohr

5

Messrohrelement

5.1

Hülse

5.2

Boden

6

Thermodraht

6.1

erster Thermodraht

6.1.1

Thermoleitung von 7.1

6.1.2

neutrale Anschlussleitung von 7.1

6.2

zweiter Thermodraht

6.2.1

Thermoleitung von 7.2

6.2.2

neutrale Anschlussleitung von 7.2

7

Thermoknoten

7.1

Thermoknoten des ersten Vergleichsstellenthermoelementes und Übergangsstelle 1

7.2

Thermoknoten des zweiten Vergleichsstellenthermoelementes und Übergangsstelle 2

8

Formteil

8.1

Bund am Formteil

8.2

metallische Anschlussfläche

9

Referenztemperaturfühler

10

Mantel des 3-fach Mantelthermoelements

11

Isolation

12

Heizelement

13

erste Manteldrahtkombination

14

zweite Manteldrahtkombination

15

dritte Manteldrahtkombination

16

elektr. und therm. Isolierelement

17

Knotenübergangselement (Referenzfühler)

18

Übergangsverbindungsstelle

T

Temperatur

TM

Medientemperatur

U

Thermospannungswert

U1

Thermospannungswert der ersten Messung

U2

Thermospannungswert der zweiten Messung U_M

UM

Thermospannungsmesswert

UH1

Thermospannung an der ersten Vergleichsstelle

UH2

Thermospannung an der zweiten Vergleichsstelle

TH1

Temperatur der ersten Vergleichsstelle

TH2

Temperatur der zweiten Vergleichsstelle

X1

Elektronik zur Ermittlung der Vergleichsstellentemperatur

X2

Elektronik zur Ermittlung der Messtemperatur unter Berücksichtigung von X1

X3

Steuereinheit und CJC-Elektronik

X4

Heizelektronik

X5

Vergleichsstellenelektronik

Claims (8)

1. Thermoelement zur Messung von hohen Temperaturen mit einem Prozessanschluss (1) und einem Schutzrohr, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement ein zweiteiliges Schutzrohr und einen Referenztemperaturfühler (9) aufweist, wobei das zweiteilige Schutzrohr aus einem anschlussseitigen Verstärkungsrohr (4) und einem medienseitigen Messrohrelement (5) besteht und das medienseitige Ende des Messrohrelements (5) ein Hochtemperatur-Thermopaar enthält und in Form eines kompakten Keramikrohres ausgebildet ist, wobei ein Ende des Messrohrelementes (5) in ein keramisches elektrisch isolierendes Formteil (8) ragt, welches sich im Verstärkungsrohr (4) befindet, wobei am Formteil (8) beheizbare metallische Flächen (8.2) angeordnet sind, an denen nach außen führende Anschlussleitungen befestigt sind.
2. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Inneren des Messrohrelementes (5) verlaufendes Thermopaar (6) einen ersten Thermoleiter des Hochtemperatur-Thermopaares darstellt und als zweiter Thermoleiter die äußere Hülse (5.1) des Messrohrelementes (5) dient, wobei die Hülse (5.1) und der Boden (5.2) des Messrohrelementes (5) aus einer thermoelektrischen Keramik bestehen und ein im Inneren verlaufender Thermodraht (6.1, 6.2) am Boden (5.2) des Messrohrelementes (5) elektrisch leitend befestigt ist und einen Thermoknoten (7) darstellt.
3. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Messrohrelementes (5) zwei Thermodrähte (6.1, 6.2) verlaufen, die am Ende des Messrohrelementes (5) elektrisch leitend verbunden sind und einen Thermoknoten (7) bilden.
4. Thermoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenztemperaturfühler (9) ein Mantelthermoelement angeordnet ist.
5. Thermoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstellen des Thermopaares (6) zu den neutralen Anschlussleitungen (6.1.1, 6.1.2, 6.2.1, 6.2.2) an Vergleichsstellen Vergleichsstellenthermoknoten (7.1, 7.2) zur Bestimmung der Temperatur an der Übergangsstelle bilden.
6. Verfahren zur Drifterkennung an einem Thermoelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 durch Vergleich einer gemessenen Medientemperatur (T_M) mit einer Vergleichstemperatur (T_v), wobei als Vergleichstemperatur (T_v) eine Hilfstemperatur verwendet wird, wobei an Vergleichsstellen zwei Hilfstemperaturen (T_H1, T_H2) gemessen werden, die nacheinander mittels einer Heizfläche (8.2) erzeugt werden, wobei die Heizfläche (8.2) als Vergleichsstelle dient und die Hilfstemperaturen (T_H1, T_H2) nacheinander mittels der Heizfläche (8.2) nach vorgegebenen Regime einer Heizelektronik (X₄) eingestellt werden und eine Driftkontrolle über den Vergleich der Differenz der Thermospannung U₁ = U(T_M - T_H1) der ersten Messung und der Thermospannung U₂ = U(T_M-T_H2) der zweiten Messung ΔU = U₁ - U₂ und einer theoretischen Wertedifferenz ΔX erfolgt, wobei ΔX sich über die Ermittlung der Spannungswerte (U_H1,U_H2) bei den beiden Hilfstemperaturen ergibt mit $$\Delta \text{X}={\text{U}}_{\text{H1}}\left({\text{T}}_{\text{H1}}\right)-{\text{U}}_{\text{H2}}\left({\text{T}}_{\text{H2}}\right).$$

   
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermoelektrische Auswertung der Vergleichsstellentemperatur (T_v) mit einem zusätzlichen Temperatursensor erfolgt und die Gesamtthermospannung U_M der Medientemperatur (T_M) nach der Beziehung $${\text{U}}_{\text{M}}\left({\text{T}}_{\text{M}}\right)=\text{U}\left({\text{T}}_{\text{M}}-{\text{T}}_{\text{v}}\right)+\text{U}\left({\text{T}}_{\text{v}}\right)$$

   

   ermittelt wird, wobei U_v die der Vergleichstemperatur (T_v) zuordenbare Thermospannung ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einstellen der Vergleichsstellentemperatur (T_v) auf die Medientemperatur (T_M) der Einbaufehler ermittelt wird.

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