DE1234819B - Thermoelement fuer die Messung von Temperaturen bis zu 2400íÒC - Google Patents

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21b-27/06

Nummer: 1234 819

Aktenzeichen: U 8458 VIII c/21 b

£234819 Anmeldetag: 10. November 1961

Auslegetag: 23. Februar 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Thermoelement für die Messung von Temperaturen bis zu 2400° C in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre, das einen ersten Schenkel aus einem reinen hochtemperaturbeständigen Material und einen zweiten Sehenkel aus reinem Kohlenstoff besitzt.

Es ist oftmals erforderlich, hohe Temperaturen in Vorrichtungen, wie z.B. Düsenmotoren oder Raketen, zu messen, wobei es notwendig oder vorteilhaft ist, die Temperaturen zu bestimmen, bei denen Konstruktionselemente unter Betriebsbedingungen versagen, oder um die Vorrichtungen wenigstens kurze Zeiten bei Temperaturen zu betreiben, bei denen die Materialien in diesen Vorrichtungen normalerweise auszufallen beginnen. Ebenfalls besitzt die Messung hoher Temperaturen in inerten oder reduzierenden Atmosphären in vielen industriellen Einrichtungen und Versuchsapparaturen größte Bedeutung. In verschiedenen Kernreaktoren und chemischen Reaktoren, die mit inerten oder reduzierenden Reaktionsgasströmen beschickt sind, hat es sich beispielsweise erforderlich erwiesen, die Reaktionstemperatur unter einem kritischen Wert zu halten, um eine Bruch des Reaktionsgefäßes und der Ausfütterung zu verhindern, da solche Brüche eine teuere Reparatur und den Ersatz von Reaktorteilen erfordern und kostspielige Abschaltungen bedingen. Es ist weiter richtig, diese Brüche zu verhindern, da das Personal durch eventuelle Explosionen und das Ausströmen von toxischen Materialien gefährdet wird. Beispielsweise in gasgekühlten Kernreaktoren ist eine Explosion und ein Ausströmen des Gases besonders gefährlich, da die Reaktoren reduzierende Gasströme bei Temperaturen bis zu 2200° C oder darüber enthalten, wobei gleichzeitig die Schwierigkeit vorliegt, Behälter mit ausreichenden Festigkeits- und Temperatureigenschaften herzustellen. Ein weiteres Gefahrenmoment liegt in dem Ausströmen von radioaktiven Materialien, deren Wahrnehmung teure Apparaturen erforderlich macht und deren Beseitigung schwierig ist.

Eine der am weitesten verbreiteten Einrichtungen zur Temperaturmessung ist das Thermoelement. Diese Einrichtung besitzt den Vorteil, daß sie relativ einfach ist und bei mäßigen Temperaturen störungsfrei arbeitet sowie fernsteuerbar ist, so daß die Temperaturmessungen an unzugänglichen Stellen und an Stellen, an denen eine Annäherung durch das Personal mit Gefahren verbunden ist, direkt und genau vorgenommen werden können. Hochtemperatur-Thermoelemente besitzen gewöhnlich zwei verschiedene Metallelemente, bei denen die eine Art der

Thermoelement für die Messung von
Temperaturen bis zu 2400° C

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,
Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

Allen Mair Eshaya, Lausanne (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 17. November 1960
(70 084)

Enden, die getrennt sind, als kalte Verbindungsstellen dienen, während die andere Art von Enden, die zusammengeschweißt, unter Druck gegeneinander gepreßt oder verschweißt sind, um die heiße Verbindungsstelle zu bilden; diese ist der zu messenden Temperatur ausgesetzt. An der heißen Verbindungsstelle wird eine elektromotorische Kraft erzeugt, die der Temperatur der heißen Verbindungsstellen entspricht. Die jeweilig erzeugte elektromotorische Kraft (EMK) wird mittels einer üblichen elektrischen Einrichtung, wie z. B. einer Wheatstoneschen Brücke, deren Zuleitungen mit den kalten Verbindungsstellen über ein Galvanometer verbunden sind, gemessen.

Ein Hochtemperatur-Thermoelement, das für verschiedene der obenerwähnten Einrichtungen brauchbar ist, ist das Chrom-Aluminium-Thermoelement, jedoch eignet sich dieses nicht für Temperaturmessungen über 1370° C. Ein anderes Thermoelement für die Messung hoher Temperaturen besteht aus dem Thermopaar Wolfram und Molybdän, jedoch ist dieses für Temperaturen über 1590° C nicht brauchbar. Das Thermoelement, das in den erwähnten Einrichtungen für die Messung höchster Temperaturen bisher zur Verfügung stand, ist das Platin-Platin-Rhodium-Thermoelement, jedoch ist die Anwendbarkeit dieses Thermoelements auf Temperaturen unter 1650° C beschränkt. Die aufgeführten Thermoelemente und alle anderen bisher bekannten besitzen bei hohen Temperaturen infolge der niederen

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Schmelzpunkte ihrer Elemente eine kurze Lebensdauer, oder sie sind, bedingt durch ihre Eigenschaften, sogar bei Temperaturen bis zu 1650° C relativ instabil, so daß eine häufige Eichung erforderlich ist. Die Instabilität von Thermoelementen bei 5 Temperaturen bis zu 1650° C ist durch eine Diffusion der Thermoelementkomponenten ineinander bedingt, die zu einer Heterogenisierung führt. Zum Beispiel wird Rhodium flüchtig und diffundiert in das Platin, was zu unerwünschten Instabilitäten führt. Bei Temperaturen über 1650° C nimmt dieses Problem noch zu. Diese Instabilitäten wurden auch immer in reduzierenden Atmosphären, wie sie in gasgekühlten Kernreaktoren und Düsenmotoren vorliegen, beobachtet, wobei die Thermoelemente durch die Carbidbildung in diesen Atmosphären verunreinigt werden und die Diffusion der Carbide in eines oder in beide der Elemente des Thermopaars unerwünschte Instabilitäten erzeugt. Darüber hinaus erforderten die bekannten Thermoelemente eine zeit- ao raubende Verschweißung, um ihre heißen Enden miteinander zu verbinden, und die heißen Verbindungsstellen konnten nicht leicht voneinander getrennt werden. Ebenfalls besitzen die bisher bekannten Hochtemperaturthermopaare zwei relativ weiche metallische Elemente, die sich in mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gasen nicht hinreichend selbst halten können, so daß die Thermoelemente verkürzt oder verbogen werden.

Es wurde bereits ein Versuch gemacht, um das Problem der Diffusion und Verunreinigung zu verringern, indem die Erhitzung und die Behandlung der verunreinigten Thermopaare mit Borax verlängert wurde, jedoch wurden mittels dieses Verfahrens die Thermopaarelemente nur teilweise aufgefrischt, und der einzige sichere Weg, um die Verunreinigung zu beseitigen, bestand darin, den verunreinigten Teil des Thermopaars abzuschneiden und wegzuwerfen. Ebenfalls wurden Versuche unternommen, um unübliche Thermoelementmaterialien für das Thermopaar zu verwenden, jedoch haben diese Versuche die Schwierigkeiten der Diffusion bei hohen Temperaturen nur in vergrößertem Maß bewiesen, oder es wurden zu kleine elektromotorische Kräfte erhalten, die für übliche Meßvorrichtungen über 5 Mikrovolt betragen sollen. Weitere Versuche wurden ausgeführt, um die Thermoelemente gegenüber den reduzierenden Atmosphären abzuschirmen, jedoch waren diese Abschirmungen nicht in der Lage, den hohen Temperaturen zu widerstehen, verminderten die Empfindlichkeit der Thermoelemente, waren schwierig herzustellen und waren nicht dicht oder hatten eine Diffusion von Verunreinigungen aus der Abschirmung oder der Isolation, die in der Abschirmung verwendet wurde, in die Elemente des Thermopaares zur Folge.

Die Aufgabe der Erfindung ist ein Thermoelement zu schaffen, das sich zur Messung von Temperaturen bis 2400° C eignet und bei diesen Temperaturen über längere Zeit stabil ist.

Das Thermoelement ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß als hochtemperaturbeständiges Metall Rhenium verwendet ist, und daß der der Temperatur ausgesetzte stabile elektrische Kontakt beider Schenkel durch eine lösbare Verschraubung gebildet wird, deren Teile aus reinem Graphit bestehen.

Die Verwendung von Rhenium oder Graphit in Thermoelementen ist für sich gesehen nicht neu,

doch wurden diese Elemente bisher nicht miteinander kombiniert eingesetzt. Es ist zwar bereits ein Thermoelement bekanntgeworden, dessen einer Schenkel aus Wolfram und dessen anderer Schenkel aus Rhenium besteht und die Schenkel in einer gasdichten Armatur angeordnet sind. Andererseits wurden Kombinationen von Metall und Graphit ebenfalls bereits verwendet.

Durch die Thermoelementkombination gemäß der Erfindung wird jedoch überraschenderweise eine Anordnung erhalten, die keine gasdichte Abschirmung benötigt und deren Arbeitsbereich sich bis zu 2400° C erstreckt und damit gegenüber dem Temperaturbereich des bekannten Wo-Rh-EIements, der bis zu 2000° C geht, wesentlich erweitert ist. Darüber hinaus bilden sich bei der Kombination gemäß der Erfindung keine Metallcarbide, wie sie bei der bekannten Elementkombination Wolfram-Kohlenstoff auftreten, die dort zu einer Instabilität des Thermoelements führen, so daß das Thermoelement häufig ersetzt werden muß.

Durch die erfindungsgemäß angeordnete Verschraubung der beiden Schenkel des Thermoelements wird ferner gewährleistet, daß die stabilen Eigenschaften des Elements nicht durch eine mangelhafte Verbindung der beiden Schenkel in Frage gestellt werden.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt Thermoelemente gemäß der Erfindung in einer Einrichtung, in der diese Thermoelemente mit Vorteil angewandt werden;

Fig. 2 zeigt teilweise in Ansicht und teilweise schematisch ein in F i g. 1 dargestelltes Thermopaar sowie eine Anzeigevorrichtung hierfür;

F i g. 3 zeigt einen Teilquerschnitt durch das in F i g. 2 dargestellte Thermopaar;

F i g. 4 zeigt in graphischer Darstellung die Charakteristik eines in F i g. 3 dargestellten Thermopaars;

F i g. 5 zeigt in graphischer Darstellung die Charakteristik eines anderen Thermopaars, das dem in F i g. 3 dargestellten ähnlich ist.

In F i g. 1 ist ein gasgekühlter Reaktor 11 dargestellt, der ein übliches Spaltstoffelement, beispielsweise ein Kernspaltstoffelement 13, besitzt, welches einen geeigneten Rohrträger aufweist, der von einer Passage 15 umgeben ist, die in einem Graphitkörper 17 für den Strom eines Kühlgases, der aus einer geeigneten (nicht dargestellten) Versorgungsquelle kommt, gebildet ist. Der Deckel 19 und der Boden 21 bestehen vorteilhafterweise aus Metall und bilden einen Teil der Tragkonstruktion und des Behälters für die Reaktorteile. Kühlgas tritt zum Boden des Reaktors durch einen Einlaß 23 ein und verläßt den Reaktor durch einen Auslaß 25. Hierauf wird das Gas in einem geeigneten (nicht dargestellten) Reinigungsgerät gereinigt, die Wärme daraus abgeführt, um in einem üblichen (nicht dargestellten) Kraftgenerator Kraft zu erzeugen, und das gekühlte Gas wieder in den Reaktor durch den Einlaß 23 zurückgeleitet.

In gasgekühlten Reaktoren arbeiten die Spaltstoffelemente bei Temperaturen bis zu über 2200° C, und es ist vorteilhaft, die Temperatur in den Reaktor zu bestimmen, um ein Schmelzen oder eine Beschädigung von Teilen desselben vermeiden zu können. Es ist ebenfalls vorteilhaft, die Gastemperatur am Auslaß 25 zu bestimmen, die vorteilhafterweise etwa der Temperatur des Spaltstoffelementes entsprechen soll.

Weiter ist es vorteilhaft, die Temperatur an der Grenzschicht zwischen zwei verschiedenen Teilen, wie z. B. dem Graphitteil 17 und dem Deckel 19, die sich ebenfalls auf einer hohen Temperatur befinden, zu bestimmen, wodurch die Wärmeübergangsverhältnisse in dem Reaktor beobachtet werden können. Thermoelemente sind zum Messen von Temperaturen an den erwähnten Stellen vorteilhaft, da die an diesen Stellen entwickelten hohen Temperaturen an von diesen Stellen entfernten Orten genau gemessen werden können. Die bisher bekannten Thermoelemente haben sich jedoch für die Messung solch hoher Temperaturen sowie hoher Temperaturen in reduzierenden Atmosphären, wie sie in einem gasgekühlten Kernreaktor auftreten, als unzureichend erwiesen. Beispielsweise sind die bisher bekannten Hochtemperatur-Thermoelemente infolge der Carbidbildung derselben in reduzierender Atmosphäre instabil, wobei die Cabide in die Schenkel des Thermopaars hineindiffundieren und unerwünschte Instabilitäten hervorrufen. Es wurde ein Versuch unternommen, die Thermopaare gegenüber der reduzierenden Atmosphäre abzuschirmen, jedoch waren diese Abschirmungen nicht in der Lage, den Temperaturen ausreichend genug zu widerstehen, verminderten die Empfindlichkeit der Thermopaare, waren teuer und nicht dicht oder bewirkten die Diffusion von Verunreinigungen aus der Abschirmung in die Elemente des Thermopaars.

In F i g. 2 ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, die ein nicht abgeschirmtes Graphit-Rhenium-Thermopaar 31 aufweist, das sich überraschenderweise bei hohen Temperaturen in einem reduzierenden Gasstrom stabil erwiesen hat, das einfach herzustellen, relativ wartungsfrei und dauerhaft ist, sowie leicht wiederholt zusammengesetzt und auseinandergenommen werden kann. Zu diesem Zweck besitzt das Thermopaar 31 einen länglichen Rheniumdraht 33 mit einem kalten ersten freien Ende 35 und einem zweiten Ende 37, sowie einen parallelen länglichen, im wesentlichen aus reinem Graphit bestehenden Stab 39 mit einem ersten freien kalten Ende 41 und einem zweiten Ende 43, das mit Einrichtungen 45 versehen ist, um dieses zweite Ende in einem Druckkontakt mit dem anderen Teil des Thermopaars zu halten.

Der Rheniumdraht 33 ist metallisch und besitzt einen Schmelzpunkt von 3167 + 50° C. Er bildet nicht leicht Carbide, ist relativ weich und leicht zu bearbeiten und behält im wesentlichen seine Eigenschäften stabil bei, sogar nachdem er wiederholt hohen und niederen Temperaturen in einer reduzierenden oder in einer inerten Atmosphäre ausgesetzt wurde. Ein aus 99,9% reinem Rhenium bestehender Draht ist zu einem vernünftigen Preis handelsüblich erhältlich in Form von kalt gezogenen, wärmebehandelten Drähten, mit beispielsweise 0,508 mm Durchmesser.

Der Graphitstab 39 ist nicht metallisch und besitzt einen Schmelzpunkt von 3652 ± 97° C, ist relativ steif, um den Rheniumdraht 33 in schnellströmenden Gasen zu halten, ist leicht zu bearbeiten und behält diese Eigenschaften in stabiler Weise, sogar nachdem er wiederholt hohen und niederen Temperaturen in einer reduzierenden oder einer inerten Atmosphäre ausgesetzt ist, bei. Üblicher Graphit ist billig handelsüblich in fast jeder Größe oder Abmessung erhältlich. Alle Verunreinigungen werden

aus dem Graphit ausgetrieben, indem dieser auf hohe Temperaturen unterhalb seines Schmelzpunktes erhitzt wird, was den Graphit im wesentlichen rein und stabil macht.

Der Stab 39 ist dick genug, um den Rheniumdraht 33 an der Stelle, an der die Temperaturen gemessen werden sollen, zu halten. Beispielsweise kann der Stab etwa 6,35 mm dick und 30,48 cm lang sein, jedoch sind dünnere oder dickere Abmessungen möglich, und der Stab kann länger oder kürzer sein. Eine normale keramische Isolation 51 trennt den Draht 33 von dem Stab 39 und schließt das Loch 53, in dem sich das Thermopaar 31 befindet, ab.

Einrichtungen 45 auf dem Stab 39, die das Ende 37 des Drahtes 33 in reibendem Druckkontakt mit dem Ende 43 des Stabes 39 halten, weisen eine Verbindungskappe 55 mit einem Innengewinde 57 auf. Das Innengewinde 57 greift in das Gewinde 59, das sich auf dem Ende 43 des Stabes 39 befindet, so daß eine Grenzfläche 61 zwischen dem Stab 39 und der Kappe 55 gebildet wird. Ein Absatz 63 neben dem Absatz 65 des Stabes 39 bildet eine Grenze 67 zwischen dem Stab 39 der Kappe 55 und einem Loch 69. Der Draht 33 paßt dicht in das Loch 69 und ist zwischen den Grenzschichten 61 und 67 des Stabes 39 und der Kappe 55 eingesetzt, um auf diese Weise einen guten Kontakt zwischen dem Stab 39 und dem Draht 33 zu bilden, so daß im wesentlichen kein Abfall des elektrischen Widerstandes auftritt.

Das Ende 35 des Drahtes 33 ist mit der Leitung 71 einer üblichen Brücke 73 und das Ende 41 des Stabes 39 mit der anderen Leitung 75 der Brücke 73 verbunden. Eine zweckmäßige Brücke 73 besteht aus einer üblichen Wheatstoneschen Brückenschaltung, mittels der die an den Enden 35 und 41 entsprechend der Temperatur der Enden 37 und 43 des Drahtes 33 und des Stabes 39 auftretende EMK gemessen wird.

In Betrieb wird die heiße Verbindungsstelle 81 des Thermopaars 31 einer hohen Temperatur, wie in F i g. 1 dargestellt ist, ausgesetzt, wobei mehrere gleiche Thermoelemente 31 in dem Reaktorll dem mit hoher Geschwindigkeit strömenden reduzierenden heißen Gasstrom an der Stelle 83, dem mit hoher Geschwindigkeit strömenden reduzierenden kalten Gasstrom an der Stelle 84, der hohen reduzierenden Gastemperatur in dem Brennstoffelement 13 und der hohen reduzierenden oder inerten Gastemperaturen an den Grenzflächen der zwei verschiedenen Teile 17 und 19 ausgesetzt sind. Die kalten Verbindungen 85 der Thermopaare befinden sich auf einer niedrigen Normaltemperatur, die geringer als die der heißen Verbindungsstelle81 ist, d.h. auf 22,22° C, und eine elektromotorische Kraft wird in den kalten Verbindungsstellen 85 entsprechend der Temperatur der heißen Verbindungsstellen erzeugt, und die thermische Energie wird in eine EMK umgewandelt, die als Temperaturanzeige mittels einer Skala 87 auf dem Galvanometer 89, das mit der Wheatstoneschen Brücke 73 verbunden ist, angezeigt wird.

In den graphischen Darstellungen der F i g. 4 und 5 werden die Meßergebnisse von Thermoelementen, die denen entsprechen, die oben beschrieben wurden, bei sehr hohen Temperaturen wiedergegeben. Es ist dabei die elektromotorische Kraft in Abhängigkeit von der Temperatur aufgetragen. Wie dargestellt, nimmt die EMK, die von dem Ther-

Claims (3)

mopaar erzeugt wird, zu, wenn die Temperatur an der heißen Verbindungsstelle von etwa 765 bis 1550° C ansteigt. Die EMK nimmt jedoch ab, wenn die Temperatur an der heißen Verbindungsstelle oberhalb 1800° C beträgt. Die übliche Verwendung erstreckt sich bis etwa 1550°C, d.h., die EMK nimmt zu, wenn die Temperatur der heißen Verbindungsstelle zunimmt. Es wird betont, daß der beschriebene gasgekühlte Reaktor 11 von üblicher Bauweise ist und daß er im Inneren eine inerte oder reduzierende Atmosphäre erzeugt, beispielsweise durch Anwesenheit eines reduzierenden oder inerten Kühlglases, wie z. B. CO2 oder CO oder Helium. Die Anwendung des Thermoelements gemäß der Erfindung ist selbstverständlich nicht auf einen gasgekühlten Kernreaktor beschränkt, sondern es kann auf zahlreiche andere Arten zur Messung hoher Temperaturen in Anwesenheit einer reduzierenden Atmosphäre verwendet werden, wie z.B. in dem Auspuff einer Düsenmaschine oder, wenn eine inerte Atmosphäre vorliegt, in einer Hochtemperatur-Versuchsanlage. Der Gegenstand der Erfindung ermöglicht hohe Temperaturen in einem gasgekühlten Reaktor oder in anderen Einrichtungen zu messen, die mit bisher bekannten Thermoelementen nicht gemessen werden konnten. Darüber hinaus haben Versuchsergebnisse gezeigt, daß das Thermopaar nach dieser Erfindung einfach, stabil, dauerhaft, leicht zusammenzufügen und auseinanderzunehmen ist, und in heißen reduzierenden oder inerten, mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gasen bei Temperaturen von 765 bis 1550° C und gut über 1800° C ohne Umhüllung, ohne Beschädigung und ohne wesentliches Diffun- dieren eines Thermoelementmaterials in das andere verwendet werden kann. Patentansprüche:

1. Thermoelement für die Messung von Temperaturen bis zu 2400° C in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre, das einen ersten Schenkel aus einem reinen hochtemperaturbeständigen Material und einen zweiten Schenkel aus reinem Kohlenstoff besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß als hochtemperaturbeständiges Metall Rhenium verwendet ist, und daß der der Temperatur ausgesetzte elektrische Kontakt beider Schenkel durch eine lösbare Verschraubung gebildet wird, deren Teile aus reinem Graphit bestehen.

2. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kugel auf den Graphitschenkel aufgeschraubt ist und daß der Rheniumschenkel zwischen diesen beiden Teilen eingeklemmt ist.

3. Thermoelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitschenkel relativ stark und selbsttragend und der Rheniumschenkel relativ dünn ausgebildet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 422407, 592 886, 694270, 970487;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1008 931;

deutsche Patentanmeldung S 22739IX / 42 i (bekanntgemacht am 13.12.1951);

Zeitschrift »Physical Review«, 1956, Vol.102, S. 46 bis 57.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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