DE1288337B - Temperaturmessfuehler - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Temperaturmeßfühler, insbesondere für hohe Temperaturen, in welchem in Serie geschaltete und in einer elektrisch isolierenden und thermisch resistenten Keramik eingekittete Thermoelemente vorgesehen sind, deren zur Messung dienende Lötstellen dem Wärmestrom zugewandt sind.
• Bei Wärmeprozessen mit sehr hohen Temperaturen ist es technisch außerordentlich schwierig, Temperaturmeßfühler direkt an den Ort der zu untersuchenden Temperatur zu bringen. Zur Bestimmung der Temperatur geht man daher in der Regel den Weg über die Messung der Wärmestrahlung und benutzt als Meßinstrumente beispielsweise Strahlungspyrometer, Bolometer oder Thermosäulen. Mit diesen bekannten Geräten werden insbesondere industrielle Wärmeprozesse mit Temperaturen von mehr als 12000 K gemessen. Die Messungen sind insbesondere für die Automatisierung solcher Prozesse beispielsweise mit Analog- oder Digital-Regelkreisen notwendig. Die Anwendungsbereiche der Meßgeräte liegen insbesondere in der Hüttenindustrie, der keramischen Industrie und der chemischen Industrie.
• Die bekannten Meßgeräte weisen jedoch etliche Nachteile auf. So kann mittels der optischen Strahlungspyrometer immer nur ein sehr enger Winkelbereich erfaßt werden. Die Bolometer sind mechanisch höchst anfällig und werden in der Industriepraxis daher nur ungern verwandt. Lediglich die Thermosäulen haben sich in gewissen Formen als brauchbar erwiesen. Beispielsweise wird ein solches Gerät in Form eines mit kochendem Wasser gefüllten rohrförmigen, keramischen oder metallischen Gefäßes verwandt, bei welchem der Deckel auf der einen Stirnseite, die dem zu messenden Wärmestrom ausgesetzt ist, die Meßlötstellen der in Serie geschalteten Thermoelemente enthält. Um einen Kurzschluß der Thermoelemente zu vermeiden, muß dieser Deckel aus elektrisch isolierendem Material sein.
• Dieses bekannte Gerät ist nun insbesondere deswegen mit Nachteilen behaftet, weil elektrisch isolierendes Material in der Regel auch thermisch nur schlecht leitet. Temperaturschwankungen in dem Deckel pflanzen sich daher nur langsam fort, so daß das Gerät einerseits irgendwelchen Temperaturschwankungen nur sehr träge folgen kann, andererseits aber insbesondere über die gesamte Meßfläche vorhandene Temperaturunterschiede in Form eines unerwünschten Rauschens an die nachgeschaltete Meßeinrichtung weitergibt.
• Durch die Erfindung werden die Nachteile der bekannten Meßgeräte dadurch behoben, daß auf der dem Wärmestrom zugewandten Seite des keramischen Körpers ein mit den einzelnen Thermoelementen in thermisch gut leitendem Kontakt stehender, jedoch die Thermoelemente untereinander elektrisch nicht leitend verbindender Metallüberzug vorgesehen ist.
• Auf diese Weise können sich über die Meßfläche bestehende Temperaturunterschiede schnell ausgleichen, andererseits haben jedoch die Meßlötstellen auch unmittelbaren Kontakt mit dem auftreffenden Wärmestrom.
• Nach einer zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung kann die dem Wärmestrom zugewandte Seite des keramischen Körpers durch Rippen in einzelne Oberflächenelemente unterteilt sein. Dies bringt einerseits den Vorteil der Oberflächenvergrößerung.
• Andererseits ist diese Ausbildung der Oberfläche je- doch auch für die Herstellung des erfindungsgemäßen Temperaturmeßfühlers wichtig, weil dann die Oberfläche ohne vorherige Anordnung einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht mit dem Metallüberzug versehen werden kann und dann ein Kurzschluß der Meßlötstellen untereinander dadurch verhindert werden kann, daß einfach die Rippen mittels eines Fräsers od. dgl. an den Scheitelpunkten abgeschliffen werden.
• Dieses Abschleifen erübrigt sich jedoch dann, wenn man, wie es nach einer weiteren zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung vorgesehen ist, die Meßlötstellen mit einer elektrisch isolierenden, vorzugsweise als Kitt dienenden Schicht überzieht und darauf dann den Metallüberzug anbringt. In diesem Fall kann die Metalloberfläche ununterbrochen bleiben, woraus sich in vorteilhafter Weise ein schneller Temperaturausgleich über die ganze Meßfläche ergibt.
• Der erfindungsgemäße Temperaturmeßfühler weist gegenüber den bekannten Geräten eine ganz erhebliche Empfindlichkeitssteigerung auf, da durch den Metallüberzug die thermische Kontaktfläche der Meßlötstellen mit dem zu untersuchenden Wärmestrom ganz erheblich vergrößert wird und damit der Wärmeübergang begünstigt wird. Überdies bringt die metallische Oberfläche auch den keramischen Körper selbst mit dem Wärmestrom in bessere thermische Verbindung.
• Als weitere, höchst erwünschte Folge der erfindungsgemäßen Ausbildung des Meßkörpers ergibt sich eine bedeutende Erhöhung der mechanischen Festigkeit, wie leicht einzusehen ist.
• Der erfindungsgemäße Temperaturmeßfühler kann im Gegensatz zur nur beschränkten Einsatzfähigkeit der bekannten Meßgeräte in sehr weiten Bereichen der Industrie eingesetzt werden. So kann er beispielsweise in Hochleistungs-Kesselstaubfeuerungen zur dauernden Kontrolle und Steuerung des Temperaturbereichs verwendet werden. Ferner kann er als Brennwächter Verwendung finden. Er gibt mit minimaler Verzögerung Informationen über die Veränderung der Menge oder des Heizwertes des Brennstoffes, reagiert auf die Veränderung der zugeführten Verbrennungsluft und kann umgekehrt wieder steuernd auf diese einwirken. Bei Verwendung mehrerer Meßfühler kann sogar das Bewegungsbild eines Verbrennungsfeldes oder des Flammenkernes im Detail untersucht werden, so daß mittelbar auf diese Weise die bisher üblichen Fernseheinrichtungen ersetzt werden können. In der Hüttenindustrie können die Meßfühler in den verschiedensten Arten von Schmelzöfen eingesetzt werden und beispielsweise die kontinuierliche Verfolgung der Temperatur einer Schmelze oder auch der Schlacke übernehmen. In der keramischen Industrie können Rotationsöfen für die Herstellung von Kalk, Zement u. dgl. gesteuert werden, und auch in der chemischen Industrie kann der Temperaturbereich selbst in aggressiven Medien ohne weiteres kontrolliert und gegebenenfalls gesteuert werden.
• Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt Fig. 1 die Ansicht der mit dem zu messenden Wärmestrom in Berührung stehenden Seite des Temperaturmeßfühlers, F i g. 2 ein Detail der F i g. 1, F i g. 3 einen Detailschnitt durch die Scheibe gemäß F i g. 1 mit Thermoelementen auf der dem Wärmestrom zugewandten Seite und Fig. 4 die dieser Seite gegenüberliegende Rückseite.
• In F i g. 1 ist der Temperaturmeßfühler ohne Thermoelemente in Form eines scheibenförmigen Körpersl dargestellt, der beispielsweise aus einer gebrannten oder gesinterten Masse bestehen kann, wodurch sich ein erhöhter Widerstand gegen plötzliche Temperaturwechsel ergibt. Die dem zu messenden Wärmestrom 12 zugewandte Seite, die Oberfläche 2, ist mit erhabenen Rippen 4 versehen, die z. B. Parallelogrammfelder 5 bilden. Die Rippen 4 können verschiedenartige Profile aufweisen, sie können beispielsweise konisch oder gewölbt verlaufen. Die Profilgebung wirkt wesentlich auf die sich ergebende Festigkeit des Körpers 1. Die Thermoelemente (F i g. 3, 4) sind auf der Oberfläche in den Feldern 5 mit einem Kitt 9 befestigt, der z. B. aus einer Mischung von Äthylsilicat und Methyläthoxysiloxan und einem Füllmittel besteht. Es können entweder die ganzen Thermoelemente oder aber nur ihre Ausführungen 11 in den Öffnungen 8 des Körpers 1 eingekittet sein.
• Die gesamte Oberfläche, also die eingekitteten Thermoelemente, die Felder 5 und die Rippen 4 werden dann mit einem Metallüberzug versehen, beispielsweise aus nichtrostendem Stahl oder Aluminium, z. B. durch Aufspritzen. Dadurch werden einerseits die Festigkeit und die Widerstandsfähigkeit des Körpers gegen Abrieb erhöht. Andererseits wirkt aber der entstandene metallische Überzug 10 ausgleichend auf schnelle Temperaturschwankungen. Die Ausgleichswirkung gegenüber dem Rauschen wird beeinflußt einerseits durch die Dicke des metallischen Überzugs 10 und andererseits durch die Dicke des Kittes 9, insbesondere wenn die ganze Oberfläche 2 mit dem in diesem Fall auch elektrisch isolierend wirkenden Kitt überzogen ist.
• Es wurde schon darauf hingewiesen, daß es bei einer die ganze Oberfläche elektrisch isolierenden Kittschicht nicht notwendig ist, den metallischen Überzug 10 von den Scheitelpunkten der Rippen 4 abzuschleifen. Lediglich wenn der Kitt nur zwischen dem Thermoelement und der Oberfläche oder nur in den Durchführungen vorgesehen ist, muß der metallische Überzug 10 von den Scheiteln der Rippen 4 entfernt werden, damit es zu keiner leitenden Verbindung zwischen den einzelnen Meßlötstellen durch den metallischen Überzug 10 kommt.
• Die Ausführungen 11 der Thermoelemente gehen durch zwei Öffnungen 8 des Körpers 1 hindurch und treten bei der Austrittsöffnung 3 aus. Hier sind sie in Serie mit den Ausführungen 11 der benachbarten Thermoelemente verbunden, wodurch die kalte Lötstelle 7 gebildet wird. Die Ausführungen 11 der Thermoelemente sind zweckmäßigerweise in den (5ffnungen 8 der Rückseite 3 des Scheibenkörpers (F i g. 4) ebenfalls mit einem Kitt 9 befestigt.
• Da die bei dem Scheibenkörper zu verwendenden Massen in der Regel sehr hygroskopisch sind, ist es zweckmäßig, die Wasserfestigkeit der rückseitigen Oberfläche 3 durch einen Silicon- oder ähnlichen Überzug zu erhöhen.
• Zweckmäßigerweise wird der Scheibenkörper 1 zur Fertigstellung des Temperaturmeßfühlers in einen Metallring eingesetzt, der einerseits den Scheibenkörper 1 verfestigt und andererseits als Dichtelement dient, wenn der Scheibenkörper 1 in einen rohrförmigen Körper eingesetzt wird.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Temperaturmeßfühler, insbesondere für hohe Temperaturen, in welchem in Serie geschaltete und in einer elektrisch isolierenden und thermisch resistenten Keramik eingekittete Thermoelemente vorgesehen sind, deren zur Messung dienende Lötstellen dem Wärmestrom zugewandt sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Wärmestrom (12) zugewandten Seite des keramischen Körpers (1) ein mit den einzelnen Thermoelementen (6, 11) in thermisch gut leitendem Kontakt stehender, jedoch die Thermoelemente (6, 11) untereinander elektrisch nicht leitend verbindender Metallüberzug (10) vorgesehen ist.
2. 2. Temperaturmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Wärmestrom (12) zugewandte Seite (2) des keramischen Körpers (1) durch Rippen (4) in einzelne Oberflächenelemente (5) unterteilt ist.
3. 3. Temperaturmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Metallüberzug (10) und Thermoelement (6) eine elektrisch isolierende, vorzugsweise als Kitt dienende Schicht (9) vorgesehen ist.