DE1573178B2

DE1573178B2 - Vorrichtung zum thermoelektrischen Messen von Temperaturen

Info

Publication number: DE1573178B2
Application number: DE19651573178
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Anton Dr.-Ing. habil. 4000 Düsseldorf Fischer
Original assignee: Gesellschaft zur Förderung der Eisenhüttentechnik mbH, 4000 Düsseldorf
Priority date: 1965-08-24
Filing date: 1965-08-24
Publication date: 1970-08-13
Also published as: AT271944B; US3457785A; DE1573178A1; BE685147A; SE331761B; GB1121795A; FR1488746A; LU51816A1

Description

1 2 .

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermo- einer bestimmten Beziehung zur Temperatur der

elektrischen Messen von Temperaturen, unter Ver- heißeren Elektrode bzw. des Mediums oder Meßraums

Wendung von Sinterkörpern aus halbleitenden Stoffen stehende Thermospannung ausbildet,

und von metallischen Leitern als Thermoelemente; sie Im einzelnen erfolgt die Temperaturmessung mit

beruht auf der bekannten Erscheinung, daß sich auch 5 einer solchen Vorrichtung in der Weise, daß die EMK

in Halbleitern beim Vorhandensein eines Temperatur- zwischen den in den Halbleiter eingebetteten beiden

gefälles eine elektromotorische Kraft (EMK), die metallischen Elektroden, von denen die eine bis in den

sogenannte Thermokraft, ausbildet. Meßraum hineinragt und die andere außerhalb des

Erhitzt man beispielsweise in einem Ofen einen Stab Meßraums liegt, stromlos gemessen, durch den beaus gesintertem Chromoxyd, in dessen Enden zwei i° kannten oder zuvor ermittelten Temperaturkoeffizienmetallische Elektroden hineinragen, in der Weise, daß ten EMK/°C für den betreffenden Halbleiter dividiert die Temperatur des einen Stabendes 1300⁰C beträgt, und zu der gemessenen Bezugstemperatur an der während die Temperatur des anderen Stabendes bei außerhalb des Meßraums liegenden Elektrode addiert 800⁰C liegt, so wird bei stromloser Messung auf Grund wird. Als Halbleiter für die Vorrichtung nach der Erder 500° C betragenden Temperaturdifferenz eine EMK 15 findung kommen in erster Linie Überschußleiter von 305 mV gemessen. Herrscht an den beiden Stab- (η-Leiter) und Defektleiter (p-Leiter) in Frage, da bei enden die gleiche Temperatur, so ist die Thermo- Eigenhalbleitern keine Thermokraft auftritt, sofern die spannung Null, während sie in dem angegebenen Tem- Beweglichkeit der Überschuß- und Defektelektronen peraturbereich mit zunehmender Temperaturdifferenz gleich groß ist. Unstöchiometrie ruft bekanntlich stets zwischen den beiden Stabenden linear anstefgt, d. h. 20 entweder Überschuß- oder Defektleitungen hervor, der Temperaturkoeffizient EMK/°C ist konstant und Eigenhalbleiter sind dagegen stöchiometrisch zubeträgt beispielsweise für den erwähnten Temperatur- sammengesetzt, können aber durch Zusätze von beibereich 0,61mV/°C. Er läßt sich durch stromlose spielsweise Oxyden in an sich bekannter Weise zu Messung der Thermokraft und Änderung der Tem- Defekt- oder Überschußleitern gemacht werden,
peraturdifferenz zwischen der heißeren und kälteren 25 Ob durch einen Oxydzusatz zu einem Eigenhalb-Elektrode für jeden Halbleiter ohne weiteres ermitteln. leiter ein Defekt- oder ein Überschußleiter entsteht, Bei Überschußleitern, sogenannten η-Leitern, ist dabei hängt von der Wertigkeit des zugesetzten Oxyds ab. jeweils die heißere Elektrode positiv, während bei So ergeben sich beispielsweise beim Chrom(lII)- oder Defektleitern, sogenannten p-Leitern, die heißere Aluminiumoxyd durch einen geringen Zusatz zwei-Elektrcde negativ ist, da die Elektronen stets von den 3° wertiger Oxyde, wie Magnesiumoxyd, Defektelek-Bereichen höherer Konzentration zu Bereichen niedri- tronen, während durch den Zusatz vierwertiger Oxyde, gerer Konzentration wandern. wie Titanoxyd, Überschußelektronen erzeugt werden.

Es sind Halbleiterkörper der verschiedensten Zu- Außer den genannten kommen noch eine Reihe an-

sammensetzung und Ausbildung für thermoelektrische derer Halbleiter in Frage, beispielsweise die oxydischen

Einrichtungen und auch durch Sintern hergestellte, 35 Verbindungen des 2-3- bzw. 4-2-Spinell-Typs wie

thermoelektrische Legierungen aus den verschieden- MgO · Al₂O₃, ZnO · AI₃O₃, MgO · Cr₂O₃, NiO · Cr₂O₃,

sten Metallen und einem Chalkogen bekannt. CdO · Cr₂O₃ und 2MgO · TiO₂, 2CaO · TiO₂. Da die

Ferner sind auch bereits Temperaturmeßvorrich- Leitfähigkeit von oxydischen Eigenhalbleitern unablungen mit Thermoelementen aus gesinterten Halb- hängig vom Sauerstoffpartialdruck ist, bei oxydischen teiterkörpern bekannt, doch haften diesen Vorrich- 40 η-Leitern die Leitfähigkeit j sdoch mit dem Sauerstofftungen Nachteile hauptsächlich hinsichtlich ihres Auf- partialdruck abnimmt, während bei oxydischen p-Leibaues und ihrer Verwendbarkeit für bestimmte Meß- tern die Leitfähigkeit zunimmt, werden die vorgenannzwecke, insbesondere für die Messung hoher Tempe- ten Halbleiter besonders dann bevorzugt, wenn an den raturen, wie sie in Stahlwerken beispielsweise bei der Elektroden unterschiedliche Sauerstoffpartialdrücke Messung von Stahlschmelzen u. dgl. auftreten, an. 45 auftreten. An dem Spinell MgO · Cr₂O₃ konnte näm-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in lieh festgestellt werden, daß seine Thermokraft von ihrem Aufbau besonders zweckmäßige und vielseitig 0,61 mV/°C selbst dann unverändert blieb, wenn einsetzbare Vorrichtung zum Messen insbesondere zwischen den Elektroden ein Unterschied des Sauerhoher Temperaturen, wie sie beispielsweise in der stoffpartialdrucks von bis zu 10⁵ Atmosphären, d. h. Schmelzmetallurgie auftreten, zu schaffen. 5° beispielsweise an der kälteren Elektrode 1 und an der

Diese Aufgabe findet ihre Lösung, ausgehend von heißeren Elektrode 10~⁵ Atmosphären herrschten,
einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art, gemäß Unter den für die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Erfindung dadurch, daß in einen Sinterkörper aus Frage kommenden Halbleitern haben sich insbesondere halbleitendem Stoff zwei metallische Leiter eingebettet solche Stoffe als besonders vorteilhaft erwiesen, die sind, von denen der eine sich bis zum vorderen Ende 55 einen spezifischen Widerstand von 10¹⁰ bis 10² Ohm · des Sinterkörpers erstreckt (heißere Elektrode), wäh- cm im Temperaturbereich zwischen der Bezugstemperend der andere im Abstand davon endet (kältere ratur an der kälteren Elektrode und der zu messenden Elektrode) und der Schenkel eines im Sinterkörper ein- Temperatur besitzen. Da beispielsweise mit 1 % B°^r gebetteten Thermoelementes ist, und daß zwischen die verunreinigtes Silizium ein Defektleiter ist, der im von den metallischen Leitern gebildeten beiden Elek- ^6o Temperaturbereich von 200 bis —200°C einen spezitreden ein Röhrenvoltmeter und zwischen die beiden fischen Widerstand von etwa 10* Ohm ■ cm besitzt, Schenkel des Thermoelementes ein Millivoltmeter läßt sich das Verfahren nach der Erfindung nicht nur geschaltet ist. Bei dieser Vorrichtung ragt also nur die zur Messung hoher Temperaturen, sondern auch zur heißere der beiden Elektroden in das Medium bzw. den Tieftemperaturmessung benutzen.
Meßraum hinein, dessen Temperatur es festzustellen ⁶5 Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Temperaturgilt, während die kältere Elektrode in einem eine ge- messung wird nachfolgend an Hand eines in der ringere Temperatur bedingenden Abstand von der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher heißeren Elektrode angeordnet ist, so daß sich eine in erläutert. In der Zeichnung zeigt

3 . 4

F i g. 1 eine Vorrichtung zur Temperaturmessung Die Temperatur T₂ der kälteren Elektrode wird

nach der Erfindung, dabei am Millivoltmeter 9 abgelesen, während sich der

F i g. 2 eine Vorrichtung zur Ermittlung des Tem- Wert Δ T an Hand der am Röhrenvoltmeter 10 ab-

peraturkoeffizienten von Halbleitern und gelesenen EMK aus den F i g. 3 und 4 entsprechenden

F i g. 3 und 4 die Abhängigkeit der EMK von der 5 Diagrammen für den betreffenden Halbleiter ablesen

Temperaturdifferenz zwischen heißerer und kälterer läßt.

Elektrode für verschiedene Halbleiter. Mit einer der F i g. 1 entsprechenden Vorrichtung

In einem stabförmigen Sinterkörper 5 aus halb- wurde die Temperatur im Innern eines mit einem

leitendem Stoff sind zwei metallische Leiter 6 und 7 Korundrohr ausgekleideten Tammannofens gemessen,

eingebettet, von denen sich der eine bis zum vorderen io Dabei ragte ein Meßstab aus gesintertem stabilisiertem

Ende des Sinterkörpers 5 erstreckt und die heißere Zirkonoxyd, in den ein durchgehender metallischer

Elektrode bildet, während der andere metallische Leiter aus Pt-Rh-Draht (heißere Elektrode) eingesintert

Leiter im Abstand davon endet und demzufolge die sowie in eine Bohrung ein Pt-Rh-18-Thermoelement

kältere Elektrode ist. Die kältere Elektrode 7 stellt bis zum Boden der Bohrung eingeführt war, in das

gleichzeitig den einen Schenkel eines Thermoelementes 15 Ofeninnere hinein. Zwischen die Schenkel des Thermo-

dar, wobei zwischen diesen und dem anderen Sehen- elementes war ein Millivoltmeter und zwischen die

kel 8 ein Millivoltmeter 9 geschaltet ist. Weiterhin beiden Elektroden ein Röhrenvoltmeter geschaltet,

ist zwischen die beiden Elektroden 6 und 7 für die Dabei wurde zwischen dem durchgehenden Leiter

stromlose Messung der EMK ein Röhrenvoltmeter 10 _> (heißere Elektrode) und dem aus dergleichen Legierung

geschaltet. ' 20 bestehenden Schenkel (kältere Elektrode) des Thermo-

Die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung zur Ermitt- elementes eine Thermospannung (EMK) von 392 mV lung des Temperaturkoeffizienten EMK/⁰ C besteht gemessen, während am Millivoltmeter 9 eine Bezugsaus einem stabförmigen Halbleiter 11, in den im Ab- temperatur T₂ von 930⁰C abgelesen wurde. Der Temstand voneinander die beiden Elektroden 12 und 13 peraturkoeffizient EMK/°C des stabilisierten Zirkoneingebettet sind, die zusammen mit den Schenkeln 14 25 oxyds war zuvor mit 0,45 mV/⁰C ermittelt worden. Die und 15 sowie den beiden Millivoltmetern 16 und 17 je Ofentemperatur konnte auf Grund der obsn anein Thermoelement bilden. Die beiden Elektroden 12, gegebenen Gleichung ohne weiteres errechnet werden 13 sind über ein Röhrenvoltmeter 18 zur stromlosen und ergab sich zu:
Messung der EMK miteinander verbunden.

Herrscht an dem einen Ende des Stabes 11 die Tem- 30 392

peratur T₁ und an dem anderen Stabende die Tem- ^i ⁼ 930 + ~q^j"
peratur T₂, wobei T₁ größer als T₂ ist, so ergibt sich

daraus ein Potentialunterschied, der mittels des Roh- ~ 930 + 870

renvoltmeters 18 gemessen wird und dessen Stärke ₌ 18000⁰C
von dem Temperaturgefälle zwischen der Elektrode 12 35
und der Elektrode 13 bzw. der Temperaturdifferenz

(T₁ — T₂) abhängig ist. Vergleichsmessungen der Ofentemperatur T₁ mit

Durch Veränderung von T₁ und/oder T₂ kann die einem Thermoelement ergaben mit einer Abweichung jeder Temperaturdifferenz entsprechende EMK ge- von ±5°C Übereinstimmung mit dem durch die ermessen werden. Trägt man die für das Chrom(III)- 40 findungsgemäße Vorrichtung bestimmten Wert für die oxyd gemessene Thermospannung (EMK) gegen die Temperatur T₁.

Temperaturdifferenz Δ T (T₁ — T₂) in einem Koordi- Bei einem anderen Versuch wurde ein aus dem natensystem auf, so ergibt sich eine Gerade gemäß Spinell MgO · Cr₂O₃ gesinterter und entsprechend F i g. 3. Ähnliche Diagramme lassen sich unter Be- F i g. 1 mit zwei Elektroden und einem Thermonutzung der Vorrichtung nach F i g. 2 beispielsweise 45 element ausgestatteter Meßstab in eine Weicheisenauch für stabilisiertes Zirkonoxyd sowie den Spinell schmelze eingetaucht. Die Bezugstemperatur T₂ be-MgO · Cr₂O₃ aufstellen (F i g. 4). Handelt es sich bei trug in diesem Falle 1200°C und die am Röhrenvoltder Abhängigkeit der Thermospannung von der Tem- meter 10 abgelesene EMK 287 mV, so daß sich die peraturdifferenz um eine lineare Funktion, dann stellt Temperatur der Schmelze T₁ unter Berücksichtigung der Temperaturkoeffizient EMK/⁰C eine Konstante 50 des zuvor mit 0,61 mV/°C bestimmten Temperaturdar und läßt sich an Hand der gewonnenen Meßdaten koeffizienten des Spinells zu 167O⁰C ergab. Vergleichsohne weiteres ermitteln. Bei konstantem Temperatur- messungen mit einem Tauchthermoelement ergaben koeffizienten ergibt sich die Temperatur des Meß- eine mit dem errechneten Wert übereinstimmende raumes bzw. des Medium nach der Gleichung Temperatur bei einer Fehlerabweichung von ±50°C.

55 Die Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich

j _ j, _| EM_Kgem._ besonders gut zur Messung sehr hoher Temperaturen

¹ ~ ² EMK/⁰ C ' unter Verwendung hochfeuerfester Halbleiter auf

oxydischer Grundlage. Sie ist in besonderem Maße zur

Die Temperatur T₂ kann am Millivoltmeter 9 und kontinuierlichen Temperaturmessung von Metall-,

die Thermospannung EMK_gem. am Röhrenvoltmeter 60 insbesondere von Eisen- und Stahlschmelzen geeignet,

10 abgelesen werden, während der Temperaturkoeffi- wobei der vordere Teil des Meßstabes mit der heißeren

zientEMK/°C aus den entsprechenden Meßkurven Elektrode in die Schmelze eintaucht, so daß sich die

(vgl. F i g. 3, 4) bekannt ist. Bei nicht linearer Abhän- Temperaturveränderung der Schmelze während eines

gigkeit zwischen Temperaturdifferenz Δ T und der ganzen Verfahrensschrittes verfolgen läßt. Selbst wenn Thermospannung ergibt sich die zu messende Tempe- 65 dabei ein Teil des Stabes abgeschmolzen wird, leidet

ratur nach der Gleichung: die Temperaturmessung darunter nicht, da die Thermospannung unabhängig von der Länge der Elek-

T₁ = T₂ + Δ T. troden und deren Abstand ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum thermoelektrischen Messen von Temperaturen, insbesondere zum Messen hoher Temperaturen, unter Verwendung von Sinterkörpern aus halbleitenden Stoffen und metallischen Leitern als Thermoelement, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Sinterkörper (5) aus halbleitendem Stoff 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, und daß zwischen die von den metallischen Leitern (6, 7) gebildeten beiden Elektroden ein Röhrenvoltmeter (10) und zwischen die beiden Schenkel (7, 8) des Thermoelementes ein Millivoltmeter (9) geschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper (5) aus einem halbleitenden Stoff mit einem spezifischen Widerstand von 10¹⁰ bis 10² Ohm · cm im Temperaturbereich zwischen der Bezugstemperatur und der zu messenden Temperatur hergestellt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen