-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßeinsatz für den Ofen einer
Vorrichtung zur Differentialthermoanalyse, insbesondere bei hohen Temperaturen,
mit zwei gleichartigen, gegeneinander und nach außen hin thermisch isolierten Kammern
zur Aufnahme eines Prüfkörpers und eines Vergleichskörpers, sowie mit je einem Temperaturfühler
in jeder der beiden Kammern.
-
Es sind Meßeinsätze für den Ofen einer Vorrichtung zur Differentialthermoanalyse
mit zwei Kammern zur Aufnahme des Prüf- und des Vergleichskörpers bekannt, bei denen
die Temperaturfühler mit dem Prüf- und dem Vergleichskörper in Berührung stehen.
-
Der Anwendungsbereich der bekannten Meßeinsätze ist auf verhältnismäßig
niedrige Temperaturen beschränkt, da bei höheren Temperaturen über 15000 C die Temperaturfühler
Reaktionen mit dem Material des Prüfkörpers eingehen und zudem verschiedene Streueinflüsse,
wie Konvektion u. dgl., auftreten und die Meßergebnisse verfälschen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßeinsatz für einen
Ofen einer Vorrichtung zur Differentialthermoanalyse anzugeben, der noch bei Temperaturen
bis 28000 C einwandfreie Ergebnisse liefert.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Temperaturfühler aus je
einem niederohmigen temperaturabhängigen Widerstandselement mit großer Oberfläche
bestehen, welches innerhalb der Prüfkammer bzw. der Vergleichskammer angeordnet
ist und den Prüfkörper bzw. den Vergleichskörper berührungslos umgibt.
-
Es ist vorteilhaft, daß die zwei Widerstandselemente den Prüfkörper
bzw. den Vergleichskörper zylinderförmig umgeben.
-
Vorzugsweise sind die Widerstandselemente in einer Brückenschaltung
angeordnet, in deren Diagonale ein Galvanometer eingeschaltet ist, und zwei weitere
Galvanometer parallel zu den beiden Widerstandselementen angeschlossen.
-
Es ist vorteilhaft, daß der Meßeinsatz von einer Abschirmung zur
Vermeidung von Konvektionsströmungen umgeben ist.
-
Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, daß für
Messungen im Bereich hoher Temperaturen das Gehäuse des Meßeinsatzes, die Abschirmung
und die Widerstands elemente aus Wolfram bestehen.
-
Vorzugsweise besitzt die Prüfkammer zur zusätzlichen Temperaturmessung
mittels eines Vergleichspyrometers eine Öffnung.
-
Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Meßeinsatzes werden die
genannten Schwierigkeiten vermieden, die dadurch entstehen, daß die Temperaturfühler
die Körper berühren und daß Streueinflüsse auftreten, die eine Verfälschung der
Meßergebnisse bewirken, und die Meßgenauigkeit wird gesteigert. Es wird im Gegensatz
zur punktförmigen Messung mittels Thermoelementen der integrale Mittelwert der Obertlächentemperaturen
der Körper erfaßt.
-
Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Hochtemperaturvakuumofen
zur Differentialthermoanalyse mit einem Meßeinsatz, F i g. 2 einen Meßeinsatz mit
einer Schaltung der Registriervorrichtung.
-
Der Hochtemperaturvakuumofen enthält zur kon-
tinuierlichen Erwärmung
und Abkühlung der Prüfkörper mit vorgegebener konstanter Geschwindigkeit innerhalb
eines Temperaturbereiches von 20 bis 28000 C im Vakuum Wolframheizwiderstände 12,
die aus zwei Schichten dicht beieinander liegender Spiralen bestehen.
-
Die Heizwiderständel2 werden in Parallelschaltung an Spannköpfen
von oberen und unteren wassergekühlten Stromzuleitungen 14 und 15 durch Schrauben
13 angeschlossen. Die Versorgung mit Kraftstrom erfolgt über Transformatoren aus
dem Netz.
-
Das gewünschte Tempo der Erwärmung bzw. Abkühlung kann, beispielsweise
innerhalb des Bereiches von 0,3 bis 850 C/Min., eingestellt werden, indem ein achtstufiges
Zahnradgetriebe und seine Laufgeschwindigkeit entsprechend verändert werden.
-
Es hat sich erwiesen, daß sich eine gleichmäßige Temperaturverteilung
im Arbeitsraum des Ofens am vorteilhaftesten durch spiralförmige Heizkörper erreichen
läßt, die eine äußere beheizende Schirmschicht aufweisen, da hierbei die Wärmeabfuhr
durch die gekühlten Stromzuleitungen im Vergleich zu Rohrheizkörpern wesentlich
herabgesetzt wird. Zum gleichen Zweck werden auch obere Schirme angewandt, die aus
runden Wolframplatten 20 (Fig.2) bestehen. Um optische Geräte zur Temperaturmessung
anwenden zu können, sind in der Mitte der runden Platten 20 und im Deckel des Meßeinsatzes
5 entsprechende Bohrungen 21 vorgesehen.
-
Die Seitenschirme bestehen aus inneren keramischen Halbringen 22,
die durch ein Wolframgehäuse zusammengehalten werden, dreilagigen Molybdänhalbzylindern
23 und einem äußeren Mantel 24.
-
Der Ofen wird durch eine wassergekühlte Haube 25 vakuumdicht verschlossen.
Der obere Deckel 26 der Haube 25 weist ein Fenster 27 zur Temperaturmessung durch
ein Vergleichspyrometer8 auf. Der Deckel 26 ist zur Erleichterung eines Prüfkörperwechsels
vorgesehen.
-
Zur Durchführung der Differentialthermoanalyse und von Wärmemessungen
durch einen Temperaturschreiber wird auf einem Untersatz 28 der Meßeinsatz5 aufgestellt,
der in Form einer Wolframabschirmung mit Abschrägungen29 an der unteren Kante ausgeführt
ist. Zur Erreichung einer in der Höhe gleichmäßigen Temperaturverteilung im Innenraum
unter der Voraussetzung von Konvektionsströmen eines Edelgases ist der Meßeinsatz
mit einer zylindrischen Abschirmung30 aus Wolfram umgeben.
-
Die Verbindungsleitungen von Registriermeßgeräten werden durch kegelige
Gummidichtungen 31 im unteren Teil des Ofens eingeführt. Zum Schutz gegen eine Entstehung
eines Lichtbogens sind Quarzhalbringe32 vorgesehen. Eine Kupferplatte 33 schützt
die Grundplatte des Ofens gegen übermäßige Erwärmung und wird auf den Stützen der
oberen wassergekühlten Stromzuleitungen 14 befestigt.
-
Der Ofen wird gegen übermäßige Erhitzung durch Wasserkühlung geschützt.
In ihm kann ein Unterdruck bis zu 10 -6mm Hg erzeugt werden, ebenso eine Edelgasatmosphäre
(z. B. Helium).
-
Um eine Veränderung der vorgegebenen Zusammensetzung der Prüfstoffe
zu vermeiden und die Temperaturfühler gegen die Einwirkung von Dämpfen zu schützen,
ist eine Anlage zur kontinuierlichen Reinigung des Heliums vorgesehen.
-
Im Meßeinsatz 5 erfolgt die Bestimmung der Wärmemenge, die von der
Oberfläche eines Prüfkörpers
innerhalb einer bestimmten Zeitspanne
in Abhängigkeit von seiner Temperatur und inneren Struktur aufgenommen oder abgegeben
wird. Der Meßeinsatz 5 wird auf dem Untersatz 28 derart aufgestellt, daß die Wärmeableitung
aus seinem Innenraum auf das äußerste herabgesetzt wird.
-
Es ist bekannt, daß in einem symmetrischen System, wie in dem von
den Heizkörpern 12 umgebenen Meßeinsatz5, alle mit der Änderung der chemisch-physikalischen
Eigenschaften eines Prüfkörpers 53 verknüpften Vorgänge sowohl bei einer Aufheizung
als auch bei einer Abkühlung auf Grund der thermischen Trägheit an der Oberfläche
des Prüfkörpers 53 beginnen.
-
Zur Bestimmung der den sich auf der Oberfläche des Prüfkörpers 53
ab spielenden Vorgang kennzeichnenden Temperatur wird der integrale Mittelwert der
Temperatur des Raumes gemessen, der durch die Oberfläche des Prüfkörpers 53 bzw.
des Vergleichskörpers 68 und die abschirmenden Innenwände des Meßeinsatzes 5 begrenzt
wird. Diese Messung wird von Temperaturfühlern aus einem niederohmigen Wolframwiderstandselement
54 mit großer Oberfläche ausgeführt, die den Prüfkörper 53 bzw. den Vergleichskörper
68 zylinderförmig umgeben.
-
Die Widerstandselemente 54 sind in einerBrückenschaltung angeordnet.
-
Es ist versuchsmäßig festgestellt worden, daß der absolute Meßfehler
der niederohmigen Widerstandselemente 54 wesentlich kleiner als der von Thermoelementen
ist, hauptsächlich im Bereich von hohen Temperaturen. Damit die gemessene Temperatur
möglichst wenig von der auf der Oberfläche des Prüfkörpers herrschenden tatsächlichen
Temperatur abweicht, ist der Meßeinsatz 5 massiv ausgeführt und wird durch die Abschirmung
30 geschützt. Zum gleichen Zweck wird auch eine Wärmeisolierhülle 55 aus schwerschmelzenden
Oxyden vorgesehen. Zur Aufnahme von Temperaturdifferenz-Zeitkurven, die ein Maß
für die Wärmeinhaltänderung des Prüfkörpers liefern, sowie zur Ausschaltung des
Einflusses des Wärmeaustausches mit Bauteilen, die nicht zum Prüfkörper gehören,
werden alle Elemente des Meßeinsatzes 5 symmetrisch in bezug auf die Oberfläche
des Heizkörpers 12 des Ofens angeordnet. Zum gleichen Zweck wird der Innenraum des
Meßeinsatzes 5 durch Wärmeisolierungswände 56 in eine Prüfkammer 57 und eine gleich
große Vergleichskammer58 geteilt. Der Meßeinsatz5 wird im Arbeitsraum des Ofens
so angeordnet, daß den Kammern 57, 58 die gleiche Wärme pro Zeiteinheit zugeführt
wird. Die Einhaltung dieser Bedingung wird bei einer Erwärmung und Abkühlung ohne
Prüfkörper nachgeprüft, indem das Gleichgewicht der Brückenzweige der WiderstandselementeS4
zur Temperaturdifferenzmessung kontrolliert wird. Innerhalb jeder Kammer wird die
gleiche Anzahl von konstruktiven Elementen mit den gleichen wärmephysikalischen
Eigenschaften untergebracht. Hierzu gehören ein Tiegel 59 mit Deckel, die niederohmigen
Widerstandselemente 54, eine zusätzliche Trennwand 60 in der Prüfkammer 57 zum Schutz
gegen Einwirkungen des Prüfkörperdampfes auf die Widerstandselemente 54. Zum Ausgleich
der wärmephysikalischen Eigenschaften beider Kammern wird in der Vergleichskammer
58 eine Trennwand 60' vorgesehen. Zum gleichen Zweck wird in der Prüfkammer 57 zusätzlich
eine Wolframmasse 61 in Form einer Grundplatte. für den Tiegel
59 angeordnet, um
den Wolframvergleichskörper 68 in der Kammer 58 auszugleichen.
-
Die Widerstandselemente 54 in den Kammern 57, 58 bilden zusammen
mit einem Meßwiderstandsdraht 62 eine elektrische Brücke. Durch ein in die Brückendiagonale
eingeschaltetes Galvanometer 63 wird die Temperaturdifferenz-Zeit-Kurve auf einer
umlaufenden mit lichtempfindlichem Papier überzogenen Trommel 64 aufgenommen. Wenn
jeder der Kammern 57, 58 die gleiche Wärme zugeführt wird, kann das System des Meßeinsatzes
5 in jedem Zeitpunkt durch folgende Beziehung gekennzeichnet werden: m AY = , m0#Cp0
V1, wobei m#Cp/m0#Cp0 das Verhältnis der spezinfischen Wärme des Prüfkörpers 53
zur spezifischen Wärme aller in den Kammern 57, 58 untergebrachten konstruktiven
Elemente und S7/Vl das Verhältnis der Differenz zwischen den integralen Mittelwerten
der Geschwindigkeiten der Temperaturänderung in den Kammern 57 und 58 zum integralen
Mittelwert der Geschwindigkeit der Temperaturänderung in der Kammer 57 sind.
-
Die Registrierung der die Änderung der chemischphysikalischen Eigenschaften
an der Oberfläche des Prüfkörpers 53 kennzeichnenden Temperatur erfolgt durch ein
Galvanometer 65 auf der mit lichtempfindlichem Papier überzogenen Trommel 64. Das
Galvanometer 65 ist parallel an das Widerstandselement 54 der Kammer 57 geschaltet.
Ganz analog wird an das Widerstandselement54 in der Kammer 58 ein weiteres Galvanometer
66 geschaltet, durch das auf der Trommel 64 die Temperatur registriert wird, die
die äußeren Wärmeeintlüsse kennzeichnet, welche die Umwandlungen an der Oberfläche
des Prüfkörpers bewirken.
-
Um die Genauigkeit der Messungen zu erhöhen, wird eine zusätzliche
Überwachung der Temperatur in der Kammer 57 durch das Vergleichspyrometer 8 angewendet.
Die gemessene Temperatur wird auf der Trommel64 durch einen Lichts chreib er 67
registriert.
-
Die Eichung der Galvanometer 65 und 66 erfolgt mit Hilfe von Temperaturdifferenz-Zeit-Kurven,
die bei der Erwärmung und Abkühlung von Vergleichsstoffen hauptsächlich Temperaturen
des Schmelz-und Erstarrungsbeginns von reinen Metallen aufgenommen wurden.
-
Als Bezugslinien für die Ablesung der Temperaturen der durch die
Galvanometer 65 und 66 aufgenommenen Temperaturzeitkurven dienen zwei Nulllinien,
die der Kühlwassertemperatur der Stromzuleitungen 14, 15 und der Haube 25 vor der
Einschaltung-der Heizung entsprechen.
-
Ein besonderes Merkmal des kontaktlosen Verfahrens zur Bestimmung
von Temperaturbereichen, in welchen eine Phasenumwandlung vorzugsweise von Legierungen
(von der Art fester Lösungen, eutektoiden, eutektischen und andere Legierungen3
stattfindet, liegt darin, daß der Umwandlungsbeginn nach den Erwärmungs-Temperaturkurven
und der Umwandlungsschluß nach den Abkühlungs-Temperaturkurven festgestellt wird.
-
Die Behebung verschiedener konstruktiver Mängel und die Kompensation
des Einflusses des störenden Wärmeaustausches auf den Verlauf der Temperaturkurven,
wobei
in jedem Zeitpunkt die Bedingung m.C = mO CpO AV gilt, ist eine notwendige, jedoch
nicht ausreichende Vorausstzung für eine genaue Bestimmung der Wärmemenge nach der
Fläche, die durch die Temperaturdifferenz-Zeit-Kurve begrenzt wird, da hierbei die
Druck- und Temperaturabhängigkeit des Streugrades der gemessenen Wärme nicht berücksichtigt
wird.
-
Um eine ausreichend genaue Bestimmung der durch den Prüfkörper 53
aufgenommenen Wärmemenge nach der Temperaturdifferenz-Zeit-Kurve zu ermöglichen,
werden neben den Temperatureichkurven auch Eichkurven für die Wärmefühlbarkeit des
Meß- und Registriersystems aufgenommen, die temperaturabhängig sind.
-
Die Wärmefühlbarkeit qs ist bei p, V = const: qs = wo, wobei qS =
QIS (cal/mm2), Q ist die bekannte der Vergleichskammer 58 zugeführte Wärmemenge
in cal, und S ist die Fläche in mm2, die durch die Temperaturdifferenz-Zeit-Kurve
auf dem Thermogramm begrenzt wird und der zugeführten Wärmemenge Q bei bestimmtem
Druck und Temperatur entspricht.
-
Der Verlauf derWärmefühlbarkeit-Eichkurven des Meßsystems bei der
Erwärmung, Abkühlung oder bei konstanter Temperatur wird mit Hilfe von Temperaturdifferenz-Zeit-Kurven
bestimmt, die auf den Thermogrammen bestimmte Wärmemengen wiedergeben, die in der
Kammer 58 durch den im leeren Tiegel 59 untergebrachten, als Vergleichsstrahler
68 ausgebildeten Vergleichskörper ausgestrahlt werden, wenn in der Kammer 57 kein
Prüfkörper vorhanden ist.
-
Die durch den Vergleichsstrahler 68 innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls
erzeugte Wärmemenge wird nach der von ihm verbrauchten Leistung durch eine Potentiometerschaltung
69 oder unmittelbar durch ein Wattmeter 70 gemessen. Gleichzeitig mit der Einschaltung
des Vergleichsstrahlers 68 werden auf das Thermogramm durch den Lichtschreiber 67
die Kennmarken aufgetragen.
-
Die die Phasenumwandlung eines Stoffes betreffende Wärmemenge wird
nach dem Ausplanimetrieren der Fläche unter dem entsprechenden kennzeichnenden Abschnitt
der Temperaturdifferenz-Zeit-Kurve nach folgender Formel bestimmt AH = q.S/m(cal/g),
wobei qs die der mittleren Temperatur des gemessenen Vorganges entsprechende Wärmefühlbarkeit,
S die der gemessenen Wärmemenge äquivalente, durch die Temperaturdifferenzkurve
begrenzte Fläche ist.
-
Da die vorliegende Erfindung zur kontaktlosen Wärmemessung mit einem
Temperaturschreiber im wesentlichen den Beginn eines sich auf der Oberfläche des
Prüfkörpers 53 abspielenden Vorganges durch die Oberfläche des den Prüfkörper 53
umgebenden Wärmefühlers aufnimmt, erfolgt die Aufstellung von Eichkurven für die
Aufnahme von Temperaturkurven und für das Strahlungspyrometer, indem Vergleichsstoffe
benutzt werden, sowie die Bestimmung der Temperaturgrenzen von Phasenübergängen
verschiedener Legierungen nach den Eichkurven derart, daß die Punkte benutzt werden,
in denen die kennzeichnenden Abschnitte der Temperaturdifferenzkurve beginnen, wobei
die Thermo-
gramme sowohl für die Abkühlung als auch für die Erwärmung ausgewertet
werden sollen.
-
Bei chemisch reinen Elementen, bei denen eine Unterkühlung nicht
beobachtet wird, fallen die Punkte für den Beginn der Kristallisation und der Schmelzung
auf der Temperatur-Zeit-Kurve unabhängig von der Geschwindigkeit der Temperaturänderung
im Bereich von 4 bis 850 C zusammen.
-
Die Meßergebnisse haben bestätigt, daß eine unmittelbare Registrierung
der integralen Mittelwerte der Temperatur der Räume erfolgt, die durch die Tiegeloberfläche
und die inneren Isolationswände des Meßeinsatzes 5 begrenzt werden und in denen
eine Temperatur herrscht, deren Abweichung von der auf der Prüfkörperoberfläche
herrschenden Temperatur innerhalb des zulässigen Fehlerbereiches liegt.
-
Mit der Zunahme von Druck und Temperatur nimmt auch der Wärmeübergang
und folglich die Zerstreuung der Wärme erheblich zu, die die Prüfkörperoberfläche
infolge des Wärmeaustausches mit dem Umgebungsmedium aufnimmt oder abgibt und die
gemessen wird. Dieser Umstand wird berücksichtigt, indem für bestimmte Parameter
der Prüfkörperbehandlung und für bestimmte Kennwerte des Meß- und Registriersystems
Eichkurven für die Wärmefühlbarkeit aufgestellt werden.