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Anordnung von Thermoelementen Die Anforderungen an Thermoelemente
hinsichtlich Meßgenauigkeit und Konstanz nehmen ständig zu, besonders wenn sie als
Steuerorgane für die Regelung von Warmbehandlungsvorgängen Verwendung finden.
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Es läßt sich in der Praxis in vielen Fällen - trotz sorgfältiger Konstruktion
der Thermoelemente und Auswahl l)ester Werltstoffe für die Isolation und die Schutzrohre
- nicht vermeiden, daß die Drähte der Thermopaare ständig Angriffen, namentlich
bei hohen Temperaturen, ausgesetzt sind, durch welche die von ihnen erzeugte Thermokraft
unkontrollierbaren Änderungen unterworfen ist. Abgesehen von der begrenzten Konstanz
der Thermokraft von Thermopaaren aus unedlen Metallen, sind in der Praxis auch zahlreiche
Fälle bekanntgeworden, die bewiesen haben, daß es nicht verhindert werden kann,
daß auch Thermopaare aus edlen Metallen Veränderungen in dieser Hinsicht ausgesetzt
sind.
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Es mußte das Problem gelöst werden, wie man auf einfachste Weise
ohne Betriebsunterbrechung feststellen kann, ob ein eingebautes Thermopaar nach
einiger Betriebszeit seine Thermospannung verändert hat oder nicht. Es ist bekannt,
daß es für die Genauigkeit der Temperaturmessung stets von erheblichem Nachteil
ist, wenn ein schon längere Zeit in Betrieb gewesenes Thermoelement zwecks Prüfung
ausgebaut wird, ganz besonders wenn der Temperaturverlauf innerhalb der Länge des
Thermoelementes während der Prüfung ein anderer ist als bei den vorangegangenen
Betriebsmessungen und wenn beim Wiedereinbau des geprüften Thermoelementes Anderungen
in der Lage (Einbautiefe) eintreten. Änderungen in der Thermospannung können aber
auch unter gleichen Betriebsbedingungen mit großen zeitlichen Unterschieden eintreten.
Da von dieser Erkenntnis aber vielfach das Gelingen oft sehr wertvoller Chargen
abhängt, hat man zur Durchführung solcher Kontrollen schon verschiedene Lösungen
vorgeschlagen.
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Die dabei beschrittenen Wege besitzen aber alle gegenüber der nun
gefundenen Möglichkeit erhebliche Nachteile.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung vonThermoelementen, bei der
in dem Thermoelement, das zur Messung, Registrierung oder Regelung bestimmter Temperaturen
dient, und zwar innerhalb des Schutzrohres, in dem sich das Thermopaar befindet,
ein vom Anschlußkopf ausgehender, bis zu der Meßstelle durchgehender Kanal vorhanden
ist, in den vorübergehend ein Kontrnll-Thermopaar eingeführt werden kann. Diese
Anordnung von Thermoelementen ist demnach gekennzeichnet durch einen vom Anschlußkopf
bis zur Meßstelle führenden Kanal, der parallel zu einem an sich bekannten, in einem
Isolierstück eingebauten Thermopaar läuft und ein in diesen Kanal
ohne Unterbrechung
der Messung vorübergehend einschiebbares Kontroll-Thermoelement.
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Das Kontroll-Thermoelement läßt sich, wenn der Deckel des Anschlußkopfes
des zu prüfenden Thermoelementes geöffnet wird, ohne Betriebsunterbrechung leicht
einschieben und wieder herausziehen und stellt sich sehr rasch auf den richtigen,
eine unmittelbare Kontrolle des zu prüfenden Thermopaares zulassenden Meßwert ein,
da die Meßstelle des Kontroll-Thermopaares dicht neben der Meßstelle des zu prüfenden
Thermoelementes liegt.
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Bei Temperaturmessungen oder -regelungen, bei denen es auf hohe Genauigkeit
ankommt, namentlich wenn es sich um höhere Arbeitstemperaturen handelt, werden bekanntlich
in der Regel Platinrhodium-Platin-Thermopaare verwendet, deren Drähte nur 0,35 oder
0,5 mm, höchstens 0,6 mm, stark sind und deshalb nur eine geringe mechanische Festigkeit
besitzen. Sie sind normalerweise in einem keramischen Isolierstab mit zwei Längskanälen
untergebracht, der gleichzeitig der elektrischen Isolation und der mechanischen
Sicherheit dient.
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Ein derartiger Isolierstab läßt allerdings im Schutzrohr nicht genügend
freien Raum, um das Kontroll-Thermoelement einschieben zu können. Es ist deshalb
erforderlich, in ihm zusätzlich einen Kanal für das Kontroll-Thermoelement vorzusehen.
Das kann dadurch erreicht werden, daß man für das Betriebsmeßelement einen keramischen
Isolierstab mit drei Längskanälen verwendet, wobei zwei dieser Kanäle mit kleinem
Durchmesser die dünnen Drähte des eingebauten Thermopaares aufnehmen und der dritte
mit größerem Durchmesser für das Einschieben des Kontroll-Thermoelementes vorgesehen
ist. Der Querschnitt derEinschieböffnung für das Kontroll-Thermoelement ist nicht
auf die Kreisform beschränkt, selbstverständlich
kann der Querschnitt
dieses Kanals auch ein Rechteck oder eine andere zweckentsprechende Form haben.
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Ist das zu kontrollierende Thermoelement mit einem Thermopaar aus
unedlen Metallen ausgerüstet, so handelt es sich in der Regel um stärkere Drähte,
die auch noch bei den für die zulässigen höchsten Meßtemperaturen gute mechanische
Festigkeit besitzen.
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In diesem Falle ist es nicht nötig, zum Einschieben des Kontroll-Thermoelementes
einen besonders isolierten Kanal zu schaffen. Es genügt, die beiden Drähte des eingebauten
Thermopaares - sobald wenigstens einer der Drähte mit keramischen Röhrchen isoliert
ist - so anzuordnen, daß zwischen ihnen und dem Schutzrohr genügend Zwischenraum
bleibt, um das Kontroll-Thermoelement in dem auf diese Art entstandenen Kanal einschieben
zu können.
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Wenn für das Betriebsmeßelement ein keramischer Isolierstab mit zwei
engen und einem weiten Kanal in Frage kommt, verwendet man als Kontroll-Thermoelement
am besten eines der bekannten rohrförmigen Thermoelemente, z.B. das folgende: Der
eine Schenkel des Kontroll-Thermopaares ist rohrförmig ausgebildet und unten verschlossen,
während der andere Schenkel von einem in diesem Rohr angeordneten, mit einem Boden
verschweißten, isolierten Draht gebildet wird.
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Wenn besonders hohe Konstanz und Meßgenauigkeit erforderlich ist,
werden für die Schenkel des Kontroll-Thermopaares am besten Platinrhodium und Platin
verwendet, eine Kombination, die fürThermoelemente bereits bekannt ist. Am besten
wird dann für den rohrförmig ausgebildeten Schenkel wegen seiner geringen Anfälligkeit
die Platinrhodium-Legierung und für den anderen Schenkel, nämlich den im Rohr angeordneten
Draht, Platin gewählt. Es können aber auch für beide 5 Schenkel Platinrhodium-Legierungen
mit unterschiedlichen Rhodium-Gehalten Verwendung finden, wobei der rohrförmige
Schenkel zweckmäßig aus der Legierung mit dem höheren Rhodium-Gehalt besteht. Über
den mit dem Boden des Platinrhodium-Rohres verschweißten Draht sind in bekannter
Weise Röhrchen aus geeignetem Isolierstoff, z. B. Thermoelement-Porzellan oder Sintertonerde,
geschoben.
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Diese Isolierröhrchen haben einen möglichst geringen Durchmesser,
um große Massen zu vermeiden und dadurch die Anzeigegeschwindigkeit zu erhöhen,
d. h. die für das Einstellen auf die vorherrschende Meßtemperatur erforderliche
Zeit zu verringern. Die Isolierung erfolgt so, daß die Röhrchen nur geringen Abstand
zur Wandung des Platinrhodium-Rohres haben, um seiner - mit Rücksicht auf Verbilligung
und zur Erzielung einer kurzen Einstellzeit - geringen Wandung eine zusätzliche
mechanische Verstärkung zu bieten.
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Bei öfterem Einschieben und Entfernen des rohrförmigen Kontroll-Thermoel
ementes können in manchen Fällen Verschmutzungen und Beschädigungen des Rohres vielleicht
nicht immer vermieden werden. Wenn das Rohr einen Schenkel des Thermopaares bildet,
kann dann gegebenenfalls die Meßgenauigkeit durch Verunreinigungen oder Beschädigungen
mehr oder weniger stark beeinträchtigt werden. In den Fällen, in denen die bekannte
Rohrform- für das Kontroll-Thermoelement beibehalten werden soll, empfiehlt sich
die Anwendung eines Schutzrohres, in dessen Innerem, wie üblich, das Thermopaar
angeordnet ist. Für den Aufbau eines derartigen Kontroll-Thermoelementes eignen
sich besonders gut als Schutzrohr ein unten verschlossenes Rohr aus einem gegenüber
Platin preisgünstigeren Edelmetall oder einer preisgünstigeren
Edelmetallegierung,
insbesondere Palladium oder Palladiumlegierung, und als Thermopaar zwei im Innern
dieses Schutzrohres isoliert angeordnete Drähte, deren in Kontakt zu bringenden
Enden im Boden des Palladiumrohres eingeschweißt sind. Als Thermopaar wird in diesem
Falle vorzugsweise wieder die bekannte Kombination Platinrhodium und Platin gewählt.
Da Palladium und Palladiumlegierungen an sich preisgünstiger sind als Platin und
außerdem auch das spezifische Gewicht des Palladiums niedriger ist als das des Platins,
ergibt sich für dieses Thermoelement ein erheblich niedrigerer Gesamtpreis als für
das vorher beschriebene Kontroll-Thermoelement. Trotzdem wird auch diese Ausführungsform
allen an sie gestellten Anforderungen gerecht. Außerdem ist zu beachten, daß bei
der Anwendung eines Palladium-Schutzrohres die Möglichkeit der Verunreinigung und
der Beschädigung auf das Schutzrohr übergeht; das Schutzrohr kann aber Verunreinigungen
aufnehmen und bei Beschädigung repariert werden, ohne daß die Thermokraft des Elementes
sich ändert.
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Die hier beschriebenen rohrförmigen Kontroll-Thermoelemente können
selbstverständlich auch zum Einschieben in an eingebauten Thermoelementen vorhandene
Kanäle verwendet werden, die keinen kreisförmigen Querschnitt haben. Auch soll die
rohrförmige Ausbildung des Kontroll-Thermoelementes nicht nur darauf beschränkt
bleiben, daß die Thermoschenkel aus Edelmetallen bestehen; je nach Anforderung,
insbesondere je nach Temperaturbereich, kommen auch die üblichen gebräuchlichen
Unedelmetalle in Frage, wie Nickel gegen Nickel-Chrom, Eisen gegen Konstantan u.
a. m. Neben metallischen Schutzrohren können auch geschlossene oder offene Schutzrohre
oder das Kontroll-Thermopaar enthaltende Isolierstäbe aus dem üblichen keramischen
oder oxydkeramischen Material verschiedener Art als Bestandteil des einzuschiebenden
Kontroll-Thermoelementes Verwendung finden. Selbstverständlich können auch nicht
rohrförmige Thermoelemente als Kontrollpaar dienen, z. B. zwei nebeneinander angeordnete
Thermoschenkel in Steatitröhrchen ohne Schutzrohr. aber mit Haltestegen, od. dgl.
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In allen beschriebenen Fällen besteht die Möglichkeit, in das eingebaute
Thermoelement leicht ein geeignetes zweites Thermoelement vorübergehend einschieben
und damit ohne Betriebsunterbrechung eine einwandfreie Kontrolle des eingebauten
Thermoelementes durchführen zu können. Da die Meßstelle des zu prüfenden Elementes
und die des eingeschobenen Kontrollp aares unmittelbar nebeneinanderliegen, stellt
sich das Kontrollpaar sehr rasch auf den richtigen Meßwert ein, und das Ergebnis
der Kontrollmessung liegt in kürzester Zeit vor, ohne daß das zu prüfende Thermoelement
außer Betrieb genommen wird, wodurch außerdem in der Regel erhebliche Veränderungen
seiner Thermokraft eintreten, die wiederum Meßfehler hervorrufen und die durchgeführte
Prüfung illusorisch machen würden.
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An Hand der Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsformen der Anordnungen
von Thermoelementen gemäß der Erfindung wiedergeben, soll der Erfindungsgegenstand
näher erläutert werden.
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Fig. 1 stellt einen Schnitt durch ein eingebautes Betriebsmeßelement
dar. Es sind nur die Teile wiedergegeben, die für den Erfindungsgedanken wichtig
sind und zwar der Isolierstab 11 in dem Schutzrohr 12, die Kanäle 13 und 14 mit
kleinem Durchmesser für die beiden Schenkel des zu prüfenden Thermopaares und der
Kanal 15 mit einem Durchmesser, der so groß ist,
daß das Kontroll-Thermoelement
bequem in ihn hineingeschoben werden kann.
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Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß der Isolierstab wie in Fig.
1 einen kreisförmigen Querschnitt hat. So zeigt Fig. 2 den Schnitt durch ein Thermoelement,
bei dem der Isolierstab 21 einen ovalen Querschnitt hat; die zwei kleinen Kanäle
23 und 24 nehmen die Drähte des eingebauten Thermopaares auf.
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Wie aus Fig. 3 hervorgeht, kann der Querschnitt des Isolierstabes
31 mit den kleinen Kanälen 33 und 34 auch halbkreisförmig sein. In beiden Fällen
ist der Gesamtumfang des Isolierstabes 21 bzw. 31 entsprechend klein gehalten, und
im Schutzrohr 22 bzw.
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32 bleibt so viel Zwischenraum frei, daß sich ein Kanal 25 bzw. 35
ergibt, in den das Kontroll-Thermoelement eingeschoben werden kann. Es sind auch
noch andere Ausführungsarten des Isolierstabes denkbar, die alle zu dem Ziel führen,
einerseits die beiden Drähte des zu prüfenden Thermopaares elektrisch zu isolieren
und mechanisch zu schützen und andererseits im Schutzrohr genügend Zwischenraum
zu lassen, um das Kontroll-Thermoelement einschieben zu können.
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Wenn ein keramischer Isolierstab mit zwei engen und einem weiten
Kanal, wie er in Fig. 1 wiedergegeben ist, in Frage kommt, ist es, wie bereits erwähnt,
besonders zweckmäßig, ein Kontroll-Thermoelement in der bekannten Rohrform zu verwenden.
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Fig. 4 gibt das Unterteil eines derartigen Rohrelementes wieder.
Der als Rohr ausgebildete Platinrhodium-Schenkel 41 ist unten halbkugelförmig verschlossen.
Der den Gegenschenkel des Thermopaares bildende Platindraht 42 ist mit dem Boden
43 des Platinrhodium-Rohres 41 an der Stelle 44 verschweißt. Die Isolation 45 dient
zur Isolierung des Drahtes 42 gegen das Rohr 41 und gleichzeitig zur Verstärkung
des Rohres 41.