DE1464089B1

DE1464089B1 - Thermoelement

Info

Publication number: DE1464089B1
Application number: DE19641464089D
Authority: DE
Inventors: Zysk Edward D
Original assignee: Engelhard Industries Inc
Current assignee: Engelhard Industries Inc
Priority date: 1963-04-01
Filing date: 1964-03-31
Publication date: 1970-07-09
Also published as: GB1021134A; US3296035A; FR1386937A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Thermoelement mit draht-Zuleitungsdraht-Verbindungsstellen zu erwar-Schenkel- und Zuleitungsdrähten, bei dem ein posi- tenden Temperaturen sein, wenn sich die Temperatur tiver Schenkeldraht aus 96 bis 98 Gewichtsprozent an der Meßstelle in dem Bereich befindet, in welchem Wolfram und 2 bis 4 Gewichtsprozent Rhenium mit das Thermoelement verwendet werden soll. In gewiseinem negativen Schenkeldraht aus 74 bis 80 Gewichts- 5 sem Sinne ist die Betrachtung der Zuleitungsdrähte als prozent Wolfram und 20 bis 16 Gewichtsprozent Thermopaar und der Schenkeldrähte als Thermopaar Rhenium verbunden ist. bei den an den Schenkeldraht-Zuleitungsdraht-VerThermoelemente werden dadurch gebildet, daß zwei bindungsstellen zu erwartenden Temperaturen hypoDrähte aus ungleichartigen Metallen miteinander ver- thetisch, da die Thermopaare, welche im arbeitenden bunden werden, die einen Unterschied im elektrischen io Thermoelement vorhanden sind, durch die 'Verbin-Potential haben, das sich mit der Temperatur an der dungsstellen der jeweiligen Schenkel- und Zuleitungs-Verbindungsstelle der Drähte, die als »Meßstelle« drähte gebildet werden. Bei der Erprobung wegen bezeichnet wird, verändert. einer geeigneten Anpassung werden diese hypothe-Thermoelemente, deren einer Schenkel 26°/₀ Rhe- tischen Thermopaare tatsächlich gebildet und innernium enthält, sind bereits bekannt (britische Patent- 15 halb des in Betracht gezogenen Temperaturbereichs schrift 878 083), ferner ebenfalls. eine Legierung von geprüft, da, wenn diese hypothetischen Thermopaare 75 % Wolfram und 25 °/₀ Rhenium für den Schenkel- ein ähnliches Verhalten zeigen, die entsprechenden draht (Rev. Scientific Instr., 1961, S. 43 bis 47). Wolf- Schenkel- und Zuleitungskombinationen ein ähnliches ram-Rhenium-Legierungen für die Schenkeldrähte sind Verhalten zeigen und daher zusammenpassen,
ferner aus »Neue Hütte«, 1959, Heft 4, S. 252 und 253, ao Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bekannt. Zuleitungsdrähte für Thermoelemente der eingangs Die Spannungsdifferenz des Thermoelements wird genannten Art anzugeben, durch die die Ausgangsmit einem Potentiometer oder einem anderen Instru- EMK der Schenkeldrähte nicht so weit verändert wird, ment zur Messung der EMK (elektromotorische Kraft) daß die Genauigkeit des Thermoelements beeingemessen, das an die freien Enden der Drähte ange- 25 trächtigt wird.

schlossen ist. Das Thermoelement muß natürlich aus Diese Aufgabe wird bei einem Thermoelement der Metallen hergestellt sein, die Temperaturen in dem eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der mit Bereich, in welchem das Thermoelement verwendet dem positiven Schenkel verbundene Zuleitungsdraht werden soll, standhalten. Darüber hinaus werden die aus 75 bis 85 Gewichtsprozent Nickel, 15 bis 25 GeMetalle so gewählt, daß die größte und gleichmäßigste 3° wichtsprozent Chrom, 0 bis 2 Gewichtsprozent Man-Veränderung in der Ausgangs-EMK je Grad Tempe- gan und 0 bis 0,15 Gewichtsprozent Kohlenstoff und raturveränderung innerhalb des Bereiches erhalten der mit dem negativen Schenkel verbundene Zuleiwird, in welchem das Thermoelement am genauesten tungsdraht aus 96 bis 99 Gewichtsprozent Kupfer, sein soll. 0,5 bis 3 Gewichtsprozent Nickel und 0 bis 1,5 Ge-

In vielen Fällen sind die Metalle, welche für genaue 35 wichtsprozent Mangan besteht.

Hochtemperatur-Thermoelemente am besten geeignet Rhenium ist ein teures Metall, und die Erfindung hat sind, die teuersten Metalle. Es ist daher zweckmäßig, den Vorteil der Schaffung eines Thermoelementes aus die teueren Thermoelementschenkel so kurz als mög- Rhenium-Wolfram-Legierungen mit einem guten Verlieh zu halten und weniger teuere Metallzuleitungs- halten der EMK bei Temperaturveränderungen innerdrähte zur Verbindung der Schenkel mit dem Instru- 40 halb eines Hochtemperaturbereiches, wobei jedoch ment zur Messung des Spannungsunterschiedes zu die Kosten ohne Verlust an Genauigkeit durch die verwenden. Das Auffinden von Zuleitungsdrähten, die Verwendung von dazu passenden Zuleitungsdrähten zu den Schenkeldrähten passen, ist jedoch ein Problem. aus weniger teuren Metallen niedrig gehalten werdent Passende Zuleitungsdrähte dürfen die Ausgangs- Die Verwendung von Chrom-Nickel-Legierungen EMK der Schenkeldrähte nicht so weit verzerren, daß 45 als Zuleitungsdrähte ist bei einem Thermoelement, die Genauigkeit des Thermoelements beeinträchtigt dessen Schenkeldrähte aus einer Gold-Palladiumwird. Da die Zuleitungsdrähte aus anderen Metallen Platin-Legierung und einer Gold-Palladium-Legierung als die Schenkeldrähte bestehen, bilden sie an den bestehen, bereits bekannt (USA.-Patentschrift Verbindungsstellen Thermopaare, die eine von der 3 066 177). Das bekannte Thermoelement weist jedoch Temperatur an den Verbindungsstellen abhängige 5° nur bei Temperaturen bis zu etwa 1200° C ein gleich-EMK erzeugen. Diese Verbindungen werden als mäßiges Ansprechen über den gesamten Bereich auf, Schenkeldraht-Zuleitungsdraht-Verbindungsstellen be- während beim erfindungsgemäßen Thermoelement zeichnet, und die Temperatur an diesen Verbindungs- dieser Bereich bis zu 2700° C geht,
stellen wird durch die Wärme, welche längs der Sehen- Die Erfindung wird anschließend in Verbindung mit keldrähte von der Meßstelle aus geleitet wird, und 55 der Zeichnung beschrieben.

durch die Umgebungstemperatur bestimmt. Die Das in der Zeichnung dargestellte Thermoelement

Temperatur an den Schenkeldraht-Zuleitungsdraht- mit den erfindungsgemäßen Zuleitungsdrähten hat

Verbindungsstellen ist daher, bezogen auf die Tempe- eine mit A bezeichnete Meßstelle, an welcher ein

ratur an der Meßstelle, niedriger als diese, und der thermoelektrischer Schenkeldraht 11 mit einem anderen

Betrag des Unterschiedes hängt von der Länge der 60 thermoelektrischen Schenkeldraht 12 aus einem ande-

Schenkel und von dem Ausmaß ab, mit welchem die ren Metall durch Verschweißen oder andere geeignete

Schenkeldraht-Zuleitungsdraht-Verbindungsstellen von Mittel, durch die eine gute Verbindung erzielt wird,

der Umgebung isoliert sind. verbunden ist. Das thermoelektrische Verhalten der

Für eine geeignete Anpassung soll die Ausgangs- Schenkeldrähte 11 und 12 gegen Wärme an der Meß-

EMK eines Thermopaares, das durch die Schenkel- 65 stelle A wird durch ein Potentiometer 13 oder ein

drähte gebildet wird, im wesentlichen die gleiche wie anderes Instrument zur Messung des Unterschiedes im

die Ausgangs-EMK eines durch die Zuleitungsdrähte elektrischen Potential gemessen. Wie erwähnt, sind

gebildeten Thermopaares bei den an den Schenkel- die Schenkeldrähte 11 und 12 so kurz als möglich ge-

halten und mit dem Potentiometer 13 durch Zuleitungsdrähte 14 und 15 aus einem weniger teuren Metall verbunden.

Wie gezeigt, sind die Zuleitungsdrähte 14 und 15 mit den Schenkeldrähten 11 und 12 bei B und C verbunden, welches die Schenkeldraht-Zuleitungsdraht-Verbindungsstellen sind. Da die Schenkel- und Zuleitungsdrähte aus verschiedenen Metallen sind, bilden sie Thermopaare, deren Ausgangs-EMK durch die Temperatur an den Verbindungsstellen B und C be- ίο stimmt wird. Damit die Zuleitungsdrähte zu den Schenkeldrähten passen, soll die Ausgangs-EMK der Zuleitungsdraht- und Schenkeldraht-Thermopaare an den Verbindungsstellen B und C über den an diesen Verbindungsstellen zu erwartenden Temperaturbereich möglichst gleich sein.

Der positive thermoelektrische Schenkeldraht besteht aus einer Legierung aus 96 bis 98 % Wolfram und 2 bis 4% Rhenium. Der andere oder negative Schenkeldraht besteht aus einer Legierung aus 74 bis 80% Wolfram und 20 bis 26% Rhenium. Alle hier gegebenen Prozentsätze der Bestandteile der beschrieberfen Legierungen sind als Gewichtsprozente zu verstehen.

Bevorzugte Legierungen zur Verwendung für die Schenkeldrähte sind 97% Wolfram und 3 % Rhenium für den positiven Schenkel bzw. 75% Wolfram und 25 % Rhenium für den negativen Schenkel, jedoch sind die nachfolgend näher beschriebenen Zuleitungsdrähte mit Schenkeldrähten verwendbar, deren Anteile an Wolfram und Rhenium innerhalb der im vorangehenden Absatz angegebenen Bereiche verändert werden können.

Außerdem werden in der Praxis manchmal feine Spuren von Materialien, wie Thoriumoxyd, Kalium, Aluminium oder Silicium den Legierungen der Schenkeldrähte zugesetzt, um das Kornwachstum zu verzögern und dadurch die Lebensdauer der Drähte bei den hohen Temperaturen, denen sie ausgesetzt sind, zu erhöhen. Durch den Einschluß solcher Materialien werden die thermoelektrischen Eigenschaften der vorangehend beschriebenen Schenkeldrahtlegierungen nicht so weit verändert, daß die Präzision herabgesetzt wird, mit welcher die Wolfram-Rhenium-Thermopaare verwendet werden. "

Thermoelemente, bei denen der eine Schenkel zu 100 % aus Wolfram besteht und der andere aus 74 oder 75% Wolfram und 25 oder 26% Rhenium, setzen im Betrieb infolge der Rekristallisation und des Kornwachstums des Wolframschenkels rasch aus. Es wurde ein Thermopaar mit 95% Wolfram und 5% Rhenium für den einen Schenkel und 75% Wolfram sowie 25 % Rhenium für den anderen Schenkel geprüft, wobei festgestellt wurde, daß sich ein erfolgreicher Hochtemperaturbetrieb für wesentlich längere Zeiträume als bei Thermopaaren erzielen läßt, die aus Wolfram und 75% Wolfram mit 25% Rhenium bestehen. Jedoch ergibt ein Thermopaar mit 100 % Wolfram und 75% Wolfram mit 25% Rhenium bei Temperaturen um 2000⁰C herum und höher ein besseres EMK-Verhalten.

Das Thermoelement, dessen einer Schenkel aus 96 bis 98 % Wolfram und 2 bis 4% Rhenium, vorzugsweise 97% Wolfram und 3% Rhenium, besteht, während der andere Schenkel aus 75% Wolfram und 25 % Rhenium besteht, hat Vorteile gegenüber Thermopaaren mit einem Schenkel entweder aus 100% Wolfram oder aus 95% Wolfram und 5% Rhenium und dem anderen Schenkel aus 75% Wolfram und 25% Rhenium. Der Schenkel aus 95% Wolfram und 3% Rhenium, besonders wenn er Spurenbeträge von Kornwachstum-Inhibitoren, wie vorangehend beschrieben, enthält, hat eine viel längere nutzbare Lebensdauer als der Schenkel aus 100% Wolfram und zeigt bei Versuchen häufig eine größere physikalische Hochtemperatur-Stabilität als der Schenkel aus 95% Wolfram und 5 % Rhenium.

Das EMK-Verhalten eines Thermopaares mit demeinen Schenkel aus 97% Wolfram und 3% Rhenium und dem anderen Schenkel aus 75% Wolfram und 25% Rhenium ist besser als dasjenige eines Thermopaares mit einem Schenkel aus 100 % Wolfram und dem anderen Schenkel aus 75% Wolfram und 25% Rhe-, nium bei Temperaturen unter etwa 2150° C und nahezu ebenso gut bei höheren Temperaturen. Seine EMK ist wesentlich höher als bei dem Thermopaar mit einem Schenkel aus 95 % Wolfram und 5 % Rhenium bei allen Betriebstemperaturen oberhalb 1400° C. Vergleichende EMK-Messungen sind in der nachfolgenden Tabelle I gegeben.

TabeUe I EMK in Millivolt

Meßstellentemperatur	Wund	97% W — 3% Re und	95% W — 5% Re und	95% W — 5% Re und
⁰C*)	74% W —26% Re	75 %W —25% Re	75 %W —25% Re	74 %W — 26% Re
0	0	0	0	0
100	0,356	1,071	1,38	1,414
200	1,033	2,450	3,01	2,982
300	2,030	4,060	4,81	4,735
400	3,330	5,830	6,69	6,613
500	4,848	7,710	8,61	8,546
600	6,548	9 651	10,56	10,495
700	8,395	11,639	12,50	12,422
800	10,386	13,641	14,39	14,327
900	12,431	15,637	16,30	• 16,213
1000	14,527	17,613	18,15	18,077

*)" Die Bezugsverbindungsstelle am Meßinstrument wurde auf 0°C gehalten.

Tabelle I (Fortsetzung)

MeßsteUentemperatur	Wund	97VoW-3% Re und	95% W — 5°/oRe und	95«/oW—5% Re und
ο C*)	740/0 W — 26 «/ο Re	75'Vo W — 25% Re	75«/*-W — 25«/oRe	74«/oW — 26°/» Re
1100	16,965	19,580	19,96	19,902
1200	18,847	21,540	21,72	21,652
1300	20,954	23,461	23,46	23,321
1400	23,005	25,292	24,05	24,936
1500	24,918	27,034	26,60	26,484
1600	26,758	28,689	28,07	27,890
1700	28,569	30,250	29,47	29,213
1800	30,352	31,720	30,78	30,489
1900	31,112	33,142	32,05	31,747
2000	33,835	34,500	33,23	32,978
2100	35,524	35,781	34,38	34,174
2200	37,145	36,960	35,44	35,289
2300	38,325	37,996	36,39	36,529
2400		38,840	37,18

*) Die Bezugsverbmdungsstelle am Meßinstrument »urde auf 0° C gehalten.

Das Thermopaar mit einem Schenkeldraht aus 97% Wolfram und 3% Rhenium sowie einem Schenkeldraht aus 75% Wolfram und 25% Rhenium ergibt große und gleichmäßige Veränderungen in der EMK bei einer Temperaturveränderung an der Meßstelle A innerhalb eines Bereiches von 0 bis etwa 2700⁰C. Dieses Thermoelement wird als das beste der Thermopaare in der Tabelle I zur Verwendung bei den höheren Temperaturen in diesem Bereich betrachtet. Bei den höheren Temperaturen sollen die Thermopaare gegen Oxydation geschützt sein. Ein geeigneter Schutz gegen Oxydation läßt sich dadurch erzielen, daß das Thermopäar mit einer Atmosphäre aus Wasserstoff, Helium, Argon und Stickstoff-Wasserstoff-Gemischen umgeben wird. Ein gutes Vakuum ist ebenfalls zweckmäßig.

Erfindungsgemäß ist der -negative Zuleitungsdraht für den negativen Schenkeldraht aus 74 bis 80 °/₀ Wolfram und 20 bis 26 % Rhenium ein legierter Zuleitungsdraht aus 96 bis 99% Kupfer, 0,5 bis 3% Nickel und 0 bis 1,5% Mangan. Ein geeigneter in der Praxis verwendeter negativer Zuleitungsdraht ist ein legierter Draht mit 98,8% Kupfer, 0,8% Nickel und 0,4% Mangan. Der Zuleitungsdraht für den Schenkel aus 96 bis 98% Wolfram und 2 bis 4% Rhenium ist ein legierter Draht aus 75 bis 85% Nickel, 15 bis 25% Chrom, 0 bis 2% Mangan und 0 bis 0,15 % Kohlenstoff, und ein besonderer in der Praxis verwendeter legierter Draht enthält etwa 80% Nickel und 20% Chrom.

Bei der üblichen Anordnung liegen die Schenkeldraht-Zuleitungsdraht-Verbindungsstelleni? und C nahe beieinander und haben den gleichen Abstand von der Meßstelle A. Die Temperatur an beiden Verbindungsstellen!? und C ist daher im wesentlichen die gleiche. Wie vorangehend erläutert, wird der Unterschied zwischen den Temperaturen an der Meßstelle A und an den Schenkeldraht-Zuleitungsdraht-Verbindungsstellen B und C durch den Abstand der letzteren von der Meßstelle A und durch das Ausmaß bestimmt, mit welchem die Verbindungsstellen B und C von der Umgebung isoliert sind. Der Temperaturbereich an den Verbindungsstellen B und C, wenn sich die Meßstelle A innerhalb des Temperaturbereiches befindet, für dessen Messung das Thermoelement bestimmt ist, kann daher dadurch eingestellt und festgelegt werden, daß die Länge der Schenkel und die Isolierung der Sehenkeldraht-Zuleitungsdraht-Verbindungsstellen verändert wird. Hieraus ergibt sich, daß eine ausgedehnte Experimentier- und Versuchsarbeit erforderlich ist, um Zuleitungsdrahtkombinationen herauszufinden, welche den Schenkeldrahtkombinationen über einen Temperaturbereich eng angepaßt sind. Wenn Zuleitungskombinationen gefunden werden, welche der Schenkeldrahtkombination über einen Temperaturbereich angepaßt sind, dessen Erstreckung annähernd gleich dem Temperaturbereich ist, denen die Sehenkel· draht-Zuleitungsdraht-Verbindungsstellen ausgesetzt werden, kann es zweckmäßig sein, den an den Schenkeldraht-Zuleitungsdraht-Verbindungsstellen wirksamen Bereich durch die vorangehend beschriebene Einstellung zu verschieben, um die beste Anpassung zu erzielen. Wenn die Meßstelle A Temperaturen in einem Bereich bis zu etwa 2700⁰C ausgesetzt wird, für dessen Messung das mit den erfindungsgemäßen Zuleitungs*· drähten versehene Thermoelement bestimmt ist, ist der Abstand der Schenkeldraht-Zuleitungsdraht-Verbindungsstellen B und C von der Meßstelle A so bemessen und die Isolierung so beschaffen, daß eine entsprechend niedrigere Temperatur innerhalb des Bereiches von 0 bis etwa 200⁰C erhalten wird. In der nachfolgend gegebenen Tabelle II erstreckt sich der Meßbereich auf 300⁰C, jedoch genügt gewöhnlich eine enge Anpassung über einen Bereich von 200⁰C.

.Bins geeignete Anpassung zwischen den Schenkel- und Zuleitungsdrähten ist eine, bei welcher die Veränderung in der Ausgangs-EMK der Schenkel je Grad Temperaturveränderung nicht um mehr als etwa 10% von der Veränderung in der Ausgangs-EMK der Zuleitungsdrähte bei der gleichen Temperaturveränderung abweicht, wenn die Temperaturveränderung von einer Temperatur ausgeht, bei welcher die Ausgangs-EMK die gleichen sind.

In der nachstehenden Tabelle II ist ein Beispiel für die enge Anpassung der erfindungsgemäßen Zuleitung an die Schenkeldrähte durch einen Vergleich der Ausgangs-EMK des Schenkeldraht-Thermopaares mit der Ausgangs-EMK des Zuleitungsdraht-Thermopaares dargestellt.

Tabelle II
EMK in Millivolt

	Schenkeldrähte	Zuleitungsdrähte	Differenz
Tempe ratur ⁰C	97 %W— 3% Re und 75% W— 25% Re	80% Ni — 20% Cr und 98,8% Cu 0,8 % Ni- 0,4% Mn	0
0	0	0	0,005
10	0,095	0,100	0,011
20	0,192	0,203	0,013
30	0,290	0,303	0,018
40	0,391	0,409	0,020
50	0,493	0,513	0,032
60	0,599	0,631	0,027
70	0,709	0,736	0,022
80	0,824	0,846	0,018
90	0,943	0,961	0,003
100	1,071	1,074	- 0,019
150	1,740	1,721	- 0,104
200	2,450	2,346	- 0,246
250	3,230	2,984	- 0,439
300	4,060	3,621

Claims

Patentansprüche:

1. Thermoelement mit Schenkel- und Zuleitungsdrähten, bei dem ein positiver Schenkeldraht aus 96 bis 98 Gewichtsprozent Wolfram und 2 bis 4 Ge-

wichtsprozent Rhenium mit einem negat Schenkeldraht aus 74 bis 80 Gewichtspro Wolfram und 20 bis 26 Gewichtsprozent Rhen verbunden ist, dadurchgekennzeichn daß der mit dem positiven Schenkel verbunc Zuleitungsdraht aus 75 bis 85 Gewichtspro: Nickel, 15 bis 25 Gewichtsprozent Chrom, 0 2 Gewichtsprozent Mangan und 0 bis 0,15 wichtsprozent Kohlenstoff und der mit dem n< ίο tiven Schenkel verbundene Zuleitungsdraht 96 bis 99 Gewichtsprozent Kupfer, 0,5 bis 3 wichtsprozent Nickel und 0 bis 1,5 Gewichtsi zent Mangan besteht.

2. Thermoelement nach Anspruch 1, dadu gekennzeichnet, daß der mit dem negativen Sch kel verbundene Zuleitungsdraht aus 98,8 Gewicl prozent Kupfer, etwa 0,8 Gewichtsprozent Nie und etwa 0,4 Gewichtsprozent Mangan besteht.

3. Thermoelement nach Anspruch 1, dadu gekennzeichnet, daß der mit dem positiven Sch kel verbundene Zuleitungsdraht aus 77 bis 82 ( wichtsprozent Nickel, 18 bis 23 Gewichtsprozi Chrom, 0 bis 2 Gewichtsprozent Mangan unc bis 0,15 Gewichtsprozent Kohlenstoff besteht.

4. Thermoelement nach Anspruch 1, dadui gekennzeichnet, daß der mit dem positiven Sehen] verbundene Zuleitungsdraht aus etwa 80 Gewich prozent Nickel und etwa 20 Gewichtsproze Chrom besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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