DE1573178A1

DE1573178A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturmessung

Info

Publication number: DE1573178A1
Application number: DE19651573178
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Habil W A Fischer
Original assignee: FOERDERUNG DER EISENHUETTENTEC
Current assignee: FOERDERUNG DER EISENHUETTENTEC
Priority date: 1965-08-24
Filing date: 1965-08-24
Publication date: 1969-12-18
Also published as: US3457785A; SE331761B; DE1573178B2; FR1488746A; LU51816A1; GB1121795A; AT271944B; BE685147A

Description

"Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturmessung"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Temperaturmessung, insbesondere zum Messen hoher Temperaturen, und beruht auf der bekannten Erscheinung, daß sich in Halbleitern beim Vorhandensein eines Temperaturgefälles eine elektromotorische Kraft (EMK), die sogenannte Thermokraft, ausbildet.

Erhitzt man beispielsweise in einem Ofen einen Stab aus gesintertem öhromoxyd, in dessen Enden zwei metallische Elektroden hineinragen, in der Weise, "daß die Temperatur des einen Stabendes 1300⁰C beträgt, während die Temperatur des anderen Stabendes bei 80O⁰C liegt, so wird bei stromloser Messung aufgrund der'500⁰C betragenden Tempera« turdifferenz eine EMK von 305 mV gemessen. Herrscht an den beiden Stabenden die gleiche Temperatur, so ist die Thermospannung null, während sie in dem angegebenen Temperaturbe-

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reich, linear mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen den beiden Stabenden ansteigt, d.h„ der Temperaturkoeffizient EMK/°C ist konstant und beträgt beispielsweise für den erwähnten Temperaturbereich 0,61 mV/°0. Er läßt sich durch stromlose Messung der Thermokraft und Änderung der Temperaturdifferenz zwischen der heißeren und kälteren Elektrode für jeden Halbleiter ohne weiteres ermitteln, lei Überschußleitern, sogenannten η-Leitern; ist dabei jeweils die heißere Elektrode positiv, während bei Defektleitern, sogenannten p-Leitern, die heißere Elektrode negativ ist, da die Elektronen stets von den Bereichen hö> virer Konzentration zu Bereichen niedrigerer Konzentration wandern.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand nun darin, ausgehend von der bekannten Erscheinung der Ausbildung einer Eiermokraft in Halbleitern zwischen unterschiedlich temperierten Elektroden, ein Verfahren zur Messung von Temperaturen, insbesondere von hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise in der Schmelzmetallurgie auftreten, zu entwickeln·

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem nur die heißere zweier völlig in einem Halbleiter eingebetteter Elektroden in das Medium bzw. den Meßraum hineinragt, deesen Temperatur es festzustellen gilt, während die kältere Elektrode in einem eine geringere Temperatur be-

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dingenden Abstand von der heißeren Elektrode angeordnet ist, so daß sich eine in einer "bestimmten Beziehung zur Temperatur der heißeren Elektrode bzw_e des Mediums oder Meßraums stehende Thermospannung ausbildet·

Im einzelnen besteht das Verfahren nach der Erfindung darin, die EMK zwischen zwei gemeinsam in einem Halbleiter eingebetteten metallischen Elektroden, von denen die eine bis in den Meßraum hineinragt und die andere außerhalb des Meßraumes liegt, stromlos zu messen, durch den bekannten oder zuvor ermittelten lemperaturkoeffizienten EMK/°O für den betreffenden Halbleiter zu dividieren und zu der gemessenen Bezugstemperatur an der außerhalb des Meßraums liegenden. Elektrode zu addieren. Als Halbleiter für das Verfahren nach der Erfindung kommen in erster linie Überschußleiter (n-leiter) und Defektleiter ^-Leiter) infrage, da bei Eigenhalbleitern keine Thermokraft auftritt, sofern die Beweglichkeit der Überschuß- und der Defektelektronen gleich groß ist. Uastöohiometrie ruft stets entweder Überschußoder Defektleitung hervor. Eigenhalbleiter sind dagegen stöchiometrisch zusammengesetzt, können aber durch Zusätze von beispielsweise Oxyden zu Defekt- oder Überschußleitern gemacht werden.

Ob durch einen Oxydzusatz zu einem Eigenhalbleiter ein Defekt- oder ein Überschußleiter entsteht, hängt von der Wertigkeit des zugesetzten Oxyds ab. So ergeben

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sich beispielsweise beim Chrom (III)- oder Aluminiumoxyd durch einen geringen Zusatz zweiwertiger Oxyde, wie Magnesiumoxyd, Defektelektronen, während durch den Zusatz vierwertiger Oxyde, wie Titanoxyd, Überschußelektronen erzeugt werden. Außer den genannten kommen noch eine Reihe anderer Halbleiter infrage, beispielsweise die oxydischen Verbindüngen des 2-3- bzw. 4-2- Spinell-Typs wie MgOeAl₂O,, ZnO-Al₂O-, MgO-Cr₂O-, WiO-Cr₂O-, CdO-Cr₂O, und 2MgO-TiO₂, 2CaO-TiO₂. Da die leitfähigkeit von oxydischen Eigenhalbleitern unabhängig vom Sauerstoffpartialdruck ist, bei oxydischen η-Leitern die leitfähigkeit jedoch mit dem Sauer stoff partialdruck abnimmt, während bei oxydischen p-Leitern die Leitfähigkeit zunimmt, werden die vorgenannten Halbleiter besonders dann bevorzugt, wenn an den Elektroden unterschiedliche Sauerstoff partialdrücke auftreten«, An dem Spinell MgO-Cr₂O, konnte nämlich festgestellt werden, daß seine Thermokraft von 0,61 mV/°C selbst dann unverändert blieb, wenn zwischen den Elektroden ein Unterschied des Sauerstoffpartialdrucks von bis zu 10 Atmosphären, d.h. beispielsweise an der kälteren Elektrode 1 und an der heißeren Elektrode 10"^ Atmosphären herrschten.

Die Bezugstemperatur an der kälteren Elektrode kann erfindungsgemäß sowohl thermoelektrisch als auch optisch gemessen werden. Während diese Messung ganz entfällt, wenn nach einem anderen Merkmal der Erfindung die Tempera-

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tür der kälteren Elektrode konstant gehalten wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung besteht aus einem beispielsweise stabförmigen Sinterkörper aus halbleitendem Stoff, in dem zwei metallische Leiter eingebettet sind, von denen der eine (heißere Elektrode) sich bis zum vorderen, d_oh„ in das zu messende Medium bzw₀ den Meßraum hineinragende Ende des Sinterkörpers erstreckt, während der andere Leiter (kältere Elektrode) im Abstand davon endet und gleichzeitig der Schenkel eines im Sinterkörper eingebetteten Thermoelementes ist, wobei zwischen die beiden Leiter (Elektroden) ein" Höhrenvoltmeter und zwischen die Schenkel des Thermoelementes ein Millivoltmeter geschaltet ist₀ Der Sinterkörper kann jedoch anstelle eines Thermoelementes erfindungsgemäß auch eine bis in den Bereich der kelteren Elektrode reichende Bohrung aufweisen, so daß es möglich ist, die Bezugstemperatur der kälteren Elektrode mit einem Pyrometer zu messen,,

Unter den für das erfindungsgemäße Verfahren infrage kommenden Halbleitern haben sich insbesondere solche Stoffe als besonders vorteilhaft erwiesen, die einen spezi-

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fischen Widerstand von 10 bis 10 Ohm»cm im Temperaturbereich zwischen der Bezugstemperatur an der kälteren Elektrode und der zu messenden Temperatur besitzen» Da beispielsweise mit 1$ Bor verunreinigtes Silizium ein Defektleiter ist, der im Temperaturbereich von 200⁰C bis -200⁰O einen

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spezifischen Widerstand von etwa 1(T Ohm»cm "besitzt, läßt sich das Verfahren nach der Erfindung nicht nur zur Messung hoher Temperaturen, sondern auch zur Tieftemperaturmessung "benutzen ο

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Temperaturmessung des näheren erläutert ο In der Zeichnung zeigt«

Figo 1^ eine Vorrichtung zur Temperaturmessung nach der Erfindung,

Figo 2 eine Vorrichtung zur Ermittlung des Temperaturkoeffizienten von Halbleitern,

Figo 3 und 4 die Abhängigkeit der EMK von der Temperaturdifferenz zwischen heißerer und kälterer Elektrode für verschiedene Halbleiter.

In dem stabförmigen Sinterkörper 5 aus halbleitendem Stoff sind zwei metallische Leiter 6 und 7 eingebettet, von denen sich der eine bis zum vorderen Ende des Sinterkörpers 5 erstreckt und die heißere Elektrode bildet, während der andere metallische Leiter im Abstand davon endet und demzufolge die kältere Elektrode ist₀ Die kältere Elektrode 7 stellt gleichzeitig den einen Schenkel eines Thermoelementes dar, wobei zwischen diesen und dem anderen Schenkel 8 ein Millivoltmeter 9 geschaltet ist* Weiterhin

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ist zwischen die beiden Elektroden 6 und 7 für die stromlose Messung der EHK ein Röhrenvoltmeter 10 geschaltet.

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung zur Ermittlung des Temperaturkoeffizienten EMK/°C besteht aus einem stabförmige!!. Halbleiter 11, in den im Abstand voneinander die beiden Elektroden 12 und 13 eingebettet sind, die zusammen mit den Schenkeln H und 15 sowie den beiden Millivoltmetern 16 und 17 je ein Thermoelement bilden_e Die beiden Elektroden 12, 13 sind über ein Röhrenvoltmeter 18 zur stromlosen Messung der EMK miteinander verbunden.

Herrscht an dem einen Ende des Stabes 11 die Tem- " peratur T.. und an dem anderen Stabende die Temperatur T₂, wobei T| größer als T₂ ist, so ergibt sich daraus ein Po tentialunterschied, der mittels des Röhrenvoltmeters 18 ge messen wird und dessen Stärke von dem Temperaturgefälle zwischen der Elektrode 12 und der Elektrode 13 bzw. der Temperaturdifferenz (T₁ - Tg) abhängig ist.

Durch Veränderung von T- und/oder Tg kann die jeder Temperaturdifferenz entsprechende SMK gemessen werden. Trägt man die für das Chrom(lIl)0xyd gemessene Thermospan- nung (EMK) gegen die Temperaturdifferenz Λ T (T₁ -T₂) in einem Koordinatensystem auf, so gibt sich eine Gerade gemäß Fig. 3· .Ähnliche Diagramme lassen sich unter Benutzung der Vorrichtung nach Fig. 2 beispielsweise auch für stabi lisiertes Zirkonoxyd sowie den Spinell MgO·Cr₂O, aufstellen

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(Fig. 4)β Handelt es sich bei der Abhängigkeit der Thermospannung von der Temperaturdifferenz um eine lineare Punktion, dann stellt der Temperaturkoeffizient EMK/°C eine Kon-» etante dar und läßt sich anhand der gewonnenen Meßdaten ohne weiteres ermitteln. Bei konstantem Temperaturkoeffizienten ergibt sich die Temperatur des Meßraumes bzw_o des Medium nach der Gleichung

EMK

T, - T

'2

EMK/^UC

Die Temperatur ^2 kann am Millivoltmeter 9 und

die Thermospannung EMK„_ am Röhrenvoltmeter 10 abgelesen

gem ο

werden, während der Temperaturkoeffizient EMK/°C aus den entsprechenden Meßkurven (vgl· Pig. 3, 4) bekannt ist· Bei nicht linearer Abhängigkeit zwischen Temperaturdifferenz A. 5D und der Thermospannung ergibt sich die zu messende Temperatur nach der Gleichung:

T₁ * T₂ + Δ T.

Die Temperatur T« der kälteren Elektrode wird dabei am Millivoltmeter 9 abgelesen, während sich der Wert 2\ T anhand der am Röhrenvoltmeter 10 abgelesenen EMK aus den Pig. 3 und 4 entsprechenden Diagrammen für den betreffenden Halbleiter ablesen läßt-r

Mit einer der Pig. 1 entsprechenden Vorrichtung wurde die Temperatur im Innern eines mit einem Korundrohr ausgekleideten Tammannofens gemessen. Dabei ragte ein Meß-

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stab aus gesintertem stabilisierten Zirkonoxyd, in den ein durchgehender metallischer Leiter aus Pt-Rh-Draht (heißere Elektrode) eingesintert sowie in eine Bohrung ein Pt-Rh-18-Thermoelement bis zum Boden der Bohrung eingeführt war, in das Ofeninnere hinein_o Zwischen die Schenkel des !Thermoelementes war ein Millivoltmeter und zwischen die beiden Elektroden ein Röhrenvoltmeter geschaltet. Dabei wurde zwischen dem durchgehenden leiter (heißere Elektrode) und dem aus der gleichen Legierung bestehenden Schenkel (kältere Elektrode) des Thermoelementes eine Thermospannung (EMK) von 392 mV gemessen, während am Millivoltmeter 9 eine.Bezugstemperatur T₂ von 93O⁰C abgelesen wurde. Der Temperaturkoeffizient EMK/^oC des stabilisierten Zirkonoxyds war zuvor mit 0,45 mV/°C ermittelt worden«, Die Ofentemperatur konnte aufgrund der oben angegebenen Gleichung ohne weiteres errechnet werden und ergab sich zu:

T₁ a 930 ■*
= 930 + 870 = 1800°0

Yergleichsmessungen der Ofentemperatur T₁ mit einem Thermoelement ergaben mit einer Abweichung von £ 5⁰C Übereinstimmung mit dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Wert für die Temperatur T_1o

Bei einem anderen Versuch wurde ein aus dem Spinell MgOeGr₂O₅ gesinterter und entsprechend Iig_o 1 mit

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zwei Elektroden und einem Thermoelement ausgestatteter Meßstab in eine Weicheisenschmelze eingetaucht» Die Bezugstemperatur T₂ betrug in diesem 3PaIIe 1200⁰C und die am Röhrenvoltmeter 10 abgelesene EMK 28? mV, so daß sich die Temperatur der Schmelze T^ unter Berücksichtigung des zuvor mit 0,61 mV/°C bestimmten Temperaturkoeffizienten des Spinells zu 167O⁰O ergab» Vergleichsmessungen mit einem Tauchthermoelement ergaben eine mit dem errechneten Wert übereinstimmende Temperatur bei einer Fehlerabweichung von + 5°C.

Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich besonders gut zur Messung sehr hoher Temperaturen unter Verwendung hochfeuerfester Halbleiter auf oxydischer Grundlage, Es ist in besonderem Maße" zur kontinuierlichen Temperaturmessung von Metall-, insbesondere von Eisen- und Stahl-Bohmelaen geeignet, wobei der vordere Teil des Meßstabes mit der heißeren Elektrode in die Schmelze eintaucht, so daß sich die Temperaturveränderung der Schmelze während eines ganzen VerfahrensSchrittes verfolgen läßt. Selbst wenn dabei ein Teil des Stabes abgeschmolzen wird, leidet die Temperaturmessung nach der Erfindung darunter nicht, da die Thermospannung unabhängig von der Länge der Elektroden und deren Abstand ist«

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Claims

Gesellschaft zur Förderung der Eisenhüttentechnik mbH, Düsseldorf, Breite Straße 27 Patentansprücheι

1. Verfahren zur Temperaturmessung, insbesondere zum Messen hoher Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß die SIiK zwisohen zwei gemeinsam in einem Halbleiter eingebetteten metallischen Elektroden, von denen die eine bis in den Meßraum hineinragt (heißere Elektrode) und die andere außerhalb des Meßraumes liegt (kältere Elektrode), stromlos gemessen, durch den Temperaturkoeffizienten EMK/°C für den betreffenden Halbleiter dividiert und zu der gemessenen Bezugstemperatur der kälteren Elektrode addiert wird.

^v 2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugstemperatur der kälteren Elektrode thermoelektrisch gemessen wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennz e^i c h η e t _t daß die Bezugstemperatur der kälteren Elektrode optisch gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Bezugstemperatur der kälteren Elektrode konstant gehalten wird.

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SAD

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch einen Sinterkörper (5) aus halbleitendem Stoff, in dem zwei ' metallische leiter (6, 7) eingebettet sind, von denen der eine (6) sich bis zum vorderen Ende des Sinterkörpers (5) erstreckt (heißere Elektrode) während der andere (7) im Abstand davon endet (kältere Elektrode) und der Schenkel eines im Sinterkörper eingebetteten Thermoelementes (7> 8) ist, wobei zwischen die beiden Elektroden (6, 7) ein Röhrenvoltmeter (10) und zwischen die beiden Schenkel (7> 8) des Thermoelementes ein Millivoltmeter (9) geschaltet ist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper eine bis in den Bereich der kälteren Elektrode reichende Bohrung aufweist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Sinterkörper (5) aus einem halbleitenden Stoff mit einem spezifischen Wider-

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stand von 10 bis 10 0hm«.cm im Temperaturbereich zwischen der Bezugstemperatur und der zu messenden Temperatur hergestellt isto

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