DE1489267B2

DE1489267B2 - Zuleitungsdrähte für Thermoelemente

Info

Publication number: DE1489267B2
Application number: DE19651489267
Authority: DE
Inventors: Edward D. Livingston N.J. Zysk (V.St.A.)
Original assignee: Engelhard Industries Inc
Current assignee: Engelhard Industries Inc
Priority date: 1964-06-22
Filing date: 1965-06-21
Publication date: 1970-08-06
Also published as: CH445894A; GB1082023A; DE1489267A1; US3329533A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Zuleitungsdrähte für ein Thermoelement mit einem positiven Thermoelement-Schenkeldraht aus 54,5 bis 55,5 Gewichtsprozent Palladium, 30,5 bis 31,8 Gewichtsprozent Platin und 13,2 bis 14,5 Gewichtsprozent Gold und mit einem negativen Thermoelement-Schenkeldraht aus 64,5 bis 65,5 Gewichtsprozent Gold, 34,0 bis 35,2 Gewichtsprozent Palladium und 0 bis 0,99 Gewichtsprozent Platin, wobei der Zuleitungsdraht zum positiven Schenkeldraht aus 87 bis 91 Gewichtsprozent Nickel und 9 bis 13 Gewichtsprozent Chrom besteht.

Thermoelemente, die Schenkeldrähte und einen Zuleitungsdraht zum positiven Schenkeldraht mit den obengenannten Zusammensetzungen aufweisen, sind aus der USA.-Patentschrift 1 315 205 bekannt.

Bei diesen bekannten Thermoelementen, mit denen die Erfindung im Zusammenhang steht, sind zwei ungleichartige Edelmetallschenkeldrähte an ihrem einen Ende verbunden, so daß sie ein thermoelektrisches Paar an ihrer Verbindungsstelle bilden, die nachstehend als heiße Lötstelle bezeichnet wird. Die Schenkel sind normalerweise von einem Schutz- und Isoliermantel umschlossen, und das thermoelektrische Verhalten bei Temperaturveränderungen an der heißen Lötstelle wird durch ein Potentiometer gemessen, das an die freien Enden der Schenkel angeschaltet ist. Die Edelmetallschenkel sind teuer, so daß die Schenkel kurz und mit weniger teueren Zuleitungsdrähten aus unedlem Metall zwischen den freien Enden der Schenkel und dem Voltmeter verwendbar sein sollen. Es ist jedoch ein Problem, Zuleitungsdrähte aus unedlem Metall zu finden, die so zu den Schenkeldrähten passen, daß das thermoelektrische Verhalten der Schenkeldrähte am Potentiometer über den Temperaturbereich, der durch das Thermoelement gemessen werden soll, nicht verzerrt wird.

Für eine geeignete Anpassung muß der Verlauf des thermoelektrischen Verhaltens eines durch Zuleitungsdrähte gebildeten Paares innerhalb zulässiger Grenzen mit dem Verlauf des thermoelektrischen Verhaltens der Schenkeldrähte über den Bereich der Temperaturen übereinstimmen, die an den kalten Lötstellen bestehen, wenn die Temperatur der heißen Lötstelle innerhalb des durch das Thermoelement zu messenden Bereiches liegt. Als »kalte Lötstellen« werden bei der Verwendung von Zuleitungsdrähten die Verbindungen zwischen diesen und den Schenkeldrähten bezeichnet. Die Temperatur an den kalten Lötstellen wird durch die Umgebungstemperatur und die. Wärmeleitung von der heißen Lötstelle her bestimmt. Die Temperatur an den kalten Lötstellen ist deshalb niedriger als die Temperatur an der heißen Lötstelle, jedoch dieser proportional.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Zuleitungsdrähte aus unedlen Metallen für ein Paar Edelmetallschenkeldrähte des aus der USA.-Patentschrift 3 066 177 bekannten Thermoelements anzugeben, die dem thermoelektrischen Verhalten der Schenkeldrähte dieses bekannten Thermoelements über einen Temperaturbereich von 0 bis 250⁰C an den kalten Lötstellen eng angepaßt sind. Die bekannten Edelmetallschenkel eignen sich zum genauen Messen von Temperaturen in den oberen Grenzen eines Bereiches bis zu etwa 1300⁰C an der heißen Lötstelle, und es handelt sich lediglich darum, durch Versuche die richtige Länge der Edelmetallschenkel und den Umfang der Isolierung zu bestimmen, damit die Temperatur an den kalten Lötstellen innerhalb des Bereiches von 0 bis 250⁰C bei dem Temperaturbereich liegt, in welchem das Thermoelement verwendet werden soll.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei Zuleitungsdrähten für ein Thermoelement der eingangs genannten Art durch einen Zuleitungsdraht zum negativen .Schenkeldraht aus 96 bis 99 Gewichtsprozent' Kupfer und 1 bis 4 Gewichtsprozent Nickel gelöst. '.''"■■'■'.y ^

Die Edelmetallschenkeldrähte des aus der USA.-Patentschrift 3 066 177 bekannten Thermoelements, mit welchen die erfindungsgemäßen Zuleitungsdrähte verwendet werden können, haben folgende Zusammensetzung:

positiver Schenkel

Palladium etwa 54,5 bis 55,5 %

Platin etwa 30,5 bis 31,8%

Gold etwa 13,2 bis 14,5%

zo negativer Schenkel

Gold .... j etwa 64,5 bis 65,5%

Palladium etwa 34,0 bis 35,2 %

Platin 0 bis etwa 0,99 %

Alle für die Metalle angegebenen Prozentsätze sind Gewichtsprozentsätze.

Für die Zwecke der Erfindung kann die Zusammensetzung der Schenkeldrähte in den vorangehend angegebenen Bereichen verändert werden. Um die enge Anpassung zwischen den Schenkel- und den erfindungsgemäßen Zuleitungsdrähten sicherzustellen, müssen die Zusammensetzungen der positiven und negativen Schenkeldrähte so zueinander eingestellt werden, daß die Schenkel nach dem Verbinden ein thermoelekirisches Verhalten zeigen, das dem Verhalten eines Schenkels aus 55 % Palladium, 31 % Platin, 14 % Gold verbunden mit einem Schenkel aus 65% Gold, 35% Palladium, wie in der untenstehenden Tabelle I angegeben, ähnlich ist.

Aus der USA.-Patentschrift 1315 205 ist einThermoelement mit einem positiven Schenkeldraht aus einer Nickel-Chrom-Legierung (10% Chrom) und einem negativen Schenkeldraht aus einer Nickel-Aluminium-Legierung, deren Aluminiumgehalt etwa 2% beträgt (vgl. S. 1, rechte Spalte, Zeilen 70 bis 72 und Zeilen 88 bis 89), bekannt. Der Zuleitungsdraht für den positiven Schenkel besteht bei diesem bekannten Thermoelement aus einer Kupfer-Nickel-Legierung (weniger . als 1 % Nickel) und der Zuleituhgsdraht zu dem negativen Schenkel aus einer Kupfer-Nickel-Legierung (40% Nickel; vgl. insbesondere S. 1, rechte Spalte, Zeilen 91 bis 97). Das in dieser Patentschrift beschrie-. bene Thermoelement unterscheidet sich grundlegend von dem Edelmetallschenkel aufweisenden Thermoelement mit'den erfindungsgemäßen Zuleitungsdrähten, das bis zu Temperaturen bis zu 1300° C verwendbar ist. Das aus der USA.-Patentschrift 1 315 205 bekannte Thermoelement würde bei derartig hohen Temperaturen versagen.

Bei der in der USA.-Patentschrift 2 677 712 beschriebenen Thermosäule bestehen die Schenkeldrähte aus einer Kupfer-Nickel-Legierung bzw. einer Nickel-Chrom-Legierung (vgl. Spalte 2, Absatz 1), also nicht wie bei dem Thermoelement, auf das sich die Erfindung bezieht, aus Edelmetallegierungen.

Die erfindungsgemäßen Zuleitungsdrähte ermöglichen auf einfachere Weise die Herstellung von vorteilhaften Thermoelementen, mit denen sich die Tem-

peraturen in einem gegebenen Bereich verzerrungsfrei messen lassen.

Hinsichtlich der Normen, nach welchen die Eignung der Anpassung der Zuleitungsdrähte. für die vorgenannten Schenkeldrähte bestimmt werden kann, kann eine Abweichung von ±0,025 Millivolt zwischen dem thermoelektrischen Verhalten eines durch die Schenkeldrähte gebildeten Paares und eines durch die Zuleitungsdrähte gebildeten Paares bei den an den kalten Lötstellen zu erwartenden Temperaturen als eine sehr enge Anpassung betrachtet werden. Durch eine Abweichung bis zu etwa ±0,100 Millivolt wird die Genauigkeit des Thermoelements nicht wesentlich beeinträchtigt.

Die Eigenschaften und die enge Anpassung der erfindungsgemäßen Zuleitungsdrähte an die vorgenannten Schenkeldrähte sind durch die folgende Tabelle I gezeigt. Für die in der Tabelle I zusammengefaßten Versuche wurden die Zuleitungsdrähte und die Schenkeldrähte als gesonderte Paare hergestellt und über deu gleichen Temperaturbereich geprüft. Während des Versuchs wurde die Bezugsverbindungsstelle, d. h. die Verbindungsstelle der Prüfdrähte mit dem Potentiometer, auf einer konstanten Temperatur von O⁰C gehalten.

\ Tabelle I

EMK in Millivolt bei 0 ° C an der Bezugsverbindungsstelle

Tem peratur	Positiver Schenkel Pd 55%, Pt 31 °/o. Au 14% gegenüber dem negativen Schenkel Au 65¹Y₀, Pd 35 °/₀	Positive Zuleitung Ni 90%, Cr 10% gegenüber der negativen Zuleitung Cu 98%, Ni 2%	Unterschied
0°C	0	0	0
10° C	0,310	0,309	+0,001
20° C	0,630	0,629	+0,004
30° C	0,940	0,952	-0,012
4O⁰C	1,260	1,277	-0,017
50°C	1,580	1,605	-0,025
60° C	1,920	1,939	-0,019
... 70° C	2,260	2,276	-0,016
80° C	2,610	2,614	-0,004
90°C	2,960	2,958	+0,002
100° C	3,310	3,305	+0,005
150° C	5,150	5,066	+0,084
200° C	7,150	6,891	+0,259
250° C	9,220	8,747	+0,473

leitungsdraht und aus einer Legierung aus etwa 94% Nickel, 3% Mangan, 2% Aluminium und 1% Silicium für den negativen Zuleitungsdraht. Die durch die erfindungsgemäßen Zuleitungen verbesserte Anpassung ergibt sich durch den Vergleich der Zahlen in der vorstehenden Tabelle I mit den Zahlen in der folgenden Tabelle II, welche das thermoelektrische Verhalten eines Paares mit den vorstehend genannten Legierungszusammensetzungen des Paares zeigt, das durch die ίο vorgenannten Edelmetallschenkel gebildet wird. Ebenso wie bei den in Tabelle I angegebenen Versuchen wurde die Bezugsverbindungsstelle für diese Versuche auf einer Temperatur von 0° C gehalten.

¹S. Tabellen

EMK in Millivolt Bezugsverbindungsstelle bei 0°C

Bisher bestanden die Zuleitungsdrähte, welche bei dem aus USA.-Patentschrift 3 066199 bekannten Thermoelement mit den vorgenannten Schenkeln verwendet wurden, aus Drähten einer Legierung aus etwa 90 ⁰/₀ Nickel und 10% Chrom für den positiven Zu

	Positiver	Positive	T TnterschifH
	Schenkel	Zuleitung
	Pd 55%, Pt 31 »/o,	Ni 90 Vo, Cr 10 Vo
Tempe	Au 14 »/ο	gegenüber
ratur	gegenüber	der negativen
	negativer	Zuleitung	0,259
	Schenkel	Ni 94 o/o, Mn 3 »/ο,	0,439-
	Au 65 Vo, Pd 35 %>	Al 2 o/o, SiI »/ο	0,788
30° C	0,940	1,199	0,985
50° C	1,580	2,019	0,983
100⁰C	3,310	4,098	0,936
150° C	5,150	6,135
200° C	7,150	8,133
250° C	9,220	10,156

Claims

Patentansprüche:

1. Zuleitungsdrähte für ein Thermoelement mit einem positiven Thermoelement-Schenkeldraht aus 54,5 bis 55,5 Gewichtsprozent Palladium, 30,5 bis 31,8 Gewichtsprozent Platin und 13,2 bis 14,5 Gewichtsprozent Gold und mit einem negativen Thermoelement-Schenkeldraht aus 64,5 bis 65,5 Gewichtsprozent Gold, 34,0 bis 35,2 Gewichtsprozent Palladium und 0 bis 0,99 Gewichtsprozent Platin, wobei der Zuleitungsdraht zum positiven Schenkeldraht aus 87 bis 91 Gewichtsprozent Nikkei und 9 bis 13 Gewichtsprozent Chrom besteht, gekennzeichnetdurch einen Zuleitungsdraht zum negativen Schenkeldraht aus 96 bis 99 Gewichtsprozent Kupfer und 1 bis 4 Gewichtsprozent Nickel.

2. Zuleitungsdrähte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuleitungsdraht zum positiven Schenkeldraht aus etwa 90 Gewichtsprozent Nickel und etwa 10 Gewichtsprozent Chrom und der Zuleitungsdraht zum negativen Schenkeldraht aus etwa 98 Gewichtsprozent Kupfer und etwa 2 Gewichtsprozent Nickel besteht.