DE1573178C - Vorrichtung zum thermoelektrischen Messen von Temperaturen - Google Patents

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 800° C liegt, so wird bei stromloser Messung auf Grund wird. Als Halbleiter für die Vorrichtung nach der Erder 500⁰C 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 ansteigt, d. h. 2° 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 0,61 mV/°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(IIl)- 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-SpineIl-Typs wie

thermoelektrische Legierungen aus den verschieden- MgO · Al₂O₃, ZnO · Al₂O₃, 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 jsdoch 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 l°/₀Bor gebetteten Thermoelementes ist, und daß zwischen die verunreinigtes Silizium ein Defektleiter ist, der im von den metallischen Leitern gebildeten beiden Elek- 6° Temperaturbereich von 200 bis —200⁰C einen spezitrcden 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

F i g. 1 eine Vorrichtung zur Temperaturmessung nach der Erfindung,

F i g. 2 eine Vorrichtung zur Ermittlung des Temperaturkoeffizienten von Halbleitern und

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

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

Die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung zur Ermittlung des Temperaturkoeffizienten EMK/⁰ C besteht aus einem stabförmigen Halbleiter 11, in den im Abstand voneinander die beiden Elektroden 12 und 13 eingebettet sind, die zusammen mit den Schenkeln 14 und 15 sowie den beiden Millivoltmetern 16 und 17 je ein Thermoelement bilden. 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 Temperatur T₁ und an dem anderen Stabende die Temperatur T₂, wobei T₁ größer als T₂ ist, so ergibt sich daraus ein Potentialunterschied, der mittels des Röhrenvoltmeters 18 gemessen wird und dessen Stärke von dem Temperaturgefälle zwischen der Elektrode 12 und der Elektrode 13 bzw. der Temperaturdifferenz (T₁ — T₂) abhängig ist.

Durch Veränderung von T₁ und/oder T₂ kann die jeder Temperaturdifferenz entsprechende EMK gemessen werden. Trägt man die für das Chrom(III)-oxyd gemessene Thermospannung (EMK) gegen die Temperaturdifferenz Δ T (T₁ — T₂) in einem Koordinatensystem auf, so ergibt sich eine Gerade gemäß F i g. 3. Ähnliche Diagramme lassen sich unter Benutzung der Vorrichtung nach F i g. 2 beispielsweise auch für stabilisiertes Zirkonoxyd sowie den Spinell MgO · Cr₂O₃ aufstellen (F i g. 4). Handelt es sich bei der Abhängigkeit der Thermospannung von der Temperaturdifferenz um eine lineare Funktion, dann stellt der Temperaturkoeffizient EMK/° C eine Konstante dar und läßt sich an Hand der gewonnenen Meßdaten ohne weiteres ermitteln. Bei konstantem Temperaturkoeffizienten ergibt sich die Temperatur des Meßraumes bzw. des Medium nach der Gleichung

55 Die Temperatur T₂ der kälteren Elektrode wird dabei am Millivoltmeter 9 abgelesen, während sich der Wert Δ T an Hand der am Röhrenvoltmeter 10 abgelesenen EMK aus den F i g. 3 und 4 entsprechenden Diagrammen für den betreffenden Halbleiter ablesen läßt.

Mit einer der F i g. 1 entsprechenden Vorrichtung wurde die Temperatur im Innern eines mit einem Korundrohr ausgekleideten Tammannofens gemessen. Dabei ragte ein Meßstab aus gesintertem stabilisiertem 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. 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 930° C abgelesen wurde. Der Temperaturkoeffizient EM K/⁰C des stabilisierten Zirkonoxyds war zuvor mit 0,45 mV/° C ermittelt worden. Die Ofentemperatur konnte auf Grund der obsn angegebenen Gleichung ohne weiteres errechnet werden und ergab sich zu:

T₁ = 930 + -

392

T — T -4- -^E~?_Ü?J_
^{1 2}^ EMK/⁰ C '

Die Temperatur T₂ kann am Millivoltmeter 9 und die Thermospannung EMK_gera. am Röhrenvoltmeter 10 abgelesen werden, während der Temperaturkoeffizient EMK/° C aus den entsprechenden Meßkurven (vgl. F i g. 3, 4) bekannt ist. Bei nicht linearer Abhängigkeit zwischen Temperaturdifferenz Δ T und der Thermospannung ergibt sich die zu messende Temperatur nach der Gleichung:

T₁ = T₂ + Δ Τ.

0,45
= 930 + 870
= 18000°C

Vergleichsmessungen der Ofentemperatur T₁ mit einem Thermoelement ergaben mit einer Abweichung von ±5^OC Übereinstimmung mit dem durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bestimmten Wert für die Temperatur T₁.

Bei einem anderen Versuch wurde ein aus dem Spinell MgO · Cr₂O₃ gesinterter und entsprechend F i g. 1 mit zwei Elektroden und einem Thermoelement ausgestatteter Meßstab in eine Weicheisenschmelze eingetaucht. Die Bezugstemperatur T₂ betrug in diesem Falle 1200⁰C und die am Röhrenvoltmeter 10 abgelesene EMK 287 mV, so daß sich die Temperatur der Schmelze T₁ unter Berücksichtigung des zuvor mit 0,61 mV/°C bestimmten Temperaturkoeffizienten des Spinells zu 1670⁰C ergab. Vergleichsmessungen mit einem Tauchthermoelement ergaben eine mit dem errechneten Wert übereinstimmende Temperatur bei einer Fehlerabweichung von ±50° C.

Die Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich besonders gut zur Messung sehr hoher Temperaturen unter Verwendung hochfeuerfester Halbleiter auf oxydischer Grundlage. Sie ist in besonderem Maße zur kontinuierlichen Temperaturmessung von Metall-, insbesondere von Eisen- und Stahlschmelzen 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 darunter nicht, da die Thermospannung unabhängig von der Länge der Elektroden und deren Abstand ist.

Claims (2)

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