DE19537431C2 - Widerstandsthermometer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Widerstandsthermo­ meter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentan­ spruchs 1.

Die Temperaturmessung oberhalb von 1000°C ist insbesondere in der Keramikindustrie sehr wichtig und basiert meist auf Thermoelementen. Bestimmte Alternativverfahren, wie die Temperaturmessung auf Faser- oder Laserbasis, sind sehr teuer. Andere Verfahren leiden unter technischen Problemen, die ihre Anwendung erschweren, wie z. B. die Strahlungstem­ peraturmessung, bei der eine Abhängigkeit vom Emissionsver­ mögen besteht. Der Nachteil bei Thermoelementen liegt in Schwierigkeiten bei der Anwendung für eine nachvollziehbare Qualitätskontrolle infolge ungleichmäßiger Alterungsef­ fekte.

Als Widerstandsthermometer werden Geräte zur elektrischen Temperaturmessung bezeichnet, bei denen durch Messung des elektrischen Widerstandes die Temperatur ermittelt wird. Der elektrische Widerstand reiner Metalle steigt beim Er­ wärmen regelmäßig an, und zwar nimmt er bei der Erwärmung um 1°C um etwa 4% seines Wertes bei 0°C zu. Bei herkömm­ lich ausgebildeten Widerstandsthermometern mißt man den Wi­ derstand eines um Glimmer- und Quarzglas gewickelten, in einem engen Rohr aus Porzellan u. dgl. befindlichen Metall­ drahts, wobei Kupfer, Nickel, Wolfram und insbesondere Pla­ tin geeignet sind. Mit Platin-Widerstandsthermometern kann man Temperaturen bis 1000°C messen. Die für industrielle Zwecke bestimmten Widerstandsthermometer werden hauptsächlich bei Temperaturen von -200°C bis +750°C ge­ braucht. Die Messung der Widerstände erfolgt mit der Wheat­ stone'schen Brücke oder mit Kreuzspulgeräten usw.

Die vorstehend beschriebenen Widerstandsthermometer auf Me­ tallbasis sind für die Messung von Temperaturen über 1000°C nicht geeignet, da diese Werkstoffe derart hohen Temperatu­ ren nicht standhalten und Materialverformungen resultieren.

Aus der SU 310134 A ist ein Widerstandsthermometer bekannt, bei dem die Zuleitungen aus einem metallkeramischen Mate­ rial, wie Molybdändisilicid, bestehen. Der eigentliche Sen­ sorabschnitt besteht hierbei jedoch aus refraktären Metall­ oxiden. Ziel der Ausbildung der Zuleitungen aus Molybdän­ disilicid ist es, den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Zu­ leitungen an den des Materiales des Sensorabschnittes anzu­ passen, um einen konstanten elektrischen Kontakt zwischen dem Sensorabschnitt und den Zuleitungen sicherzustellen.

Aus der GB 2 157 889 A ist ein Widerstandsthermometer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 be­ kannt. Beim Gegenstand dieser Veröffentlichung ist der Sensorabschnitt als Molybdändisilicidschicht ausgebildet, die sich auf einem Substrat befindet. Der zur elektrischen Auswerteeinrichtung führende Anschlußabschnitt besteht bei dieser Ausführungsform aus zwei Metallkontakten, die im Ausführungsbeispiel aus Aluminium ausgebildet sind. Diese Art eines Widerstandsthermometers ist nicht für die Messung von Hochtemperaturen über 1000°C geeignet. Es versteht sich, daß der beim bekannten Widerstandsthermometer vorge­ sehene metallische Anschlußabschnitt bei solch hohen Tempe­ raturen schmelzen kann. Offensichtlich liegt daher dieser Veröffentlichung nicht die Erkenntnis zugrunde, die Eigen­ schaften von Molybdändisilicid für die Messung von sehr ho­ hen Temperaturen (über 1000°C) zu nutzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Widerstandsthermometer der angegebenen Art zu schaffen, das eine besonders genaue Temperaturmessung, insbesondere von Temperaturen über 1000°C, ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Widerstands­ thermometer der angegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Als Silicide werden zu den Hartstoffen zu rechnende Verbin­ dungen aus Silicium und einem Metall bezeichnet. Sie werden meist als intermetallische Verbindungen angesehen. Die Si­ licide werden als Hochtemperatur- und Keramik-Werkstoffe, für Cermets und Hartmetalle, als Halbleiter etc. verwendet. Das extrem harte und bis ca. 1700°C beständige Molybdändi­ silicid wurde bisher als Heizleiterwerkstoff und zur Her­ stellung von höchstzunderfesten Schichten zur Oberflächen­ vergütung von Hochtemperatur-Werkstoffen eingesetzt. Bei­ spielsweise ist aus der US 42 96 311 die Verwendung von Molybdändisilicid als Heizleiter bekannt. Bei einer derar­ tigen Verwendung kommt es darauf an, elektrische Energie in Wärmeenergie umzusetzen. Um die Messung von Temperatur geht es hierbei nicht.

Erfindungsgemäß stellt Molybdändisilicid (MoSi₂) den Haupt­ bestandteil des zur Widerstandsmessung verwendeten Drahtes dar. Es wurde festgestellt, daß der Widerstand dieses Werk­ stoffes gegenüber Temperaturänderungen empfindlicher ist als der Widerstand von Platin. Andererseits ist die Emp­ findlichkeit gegenüber Materialverformung bei einem Widerstandselement auf der Grundlage von Molybdändisilicid geringer als bei Thermometern auf Platinbasis.

Es hat sich gezeigt, daß sich mit dem erfindungsgemäß aus­ gebildeten Widerstandsthermometer Temperaturen bis zu 1800°C mit einer relativ guten Genauigkeit messen lassen, da die Empfindlichkeit des Molybdändisilicid-Drahtes gegen­ über Verformungen selbst bei diesen hohen Temperaturen re­ lativ gering ist. Da darüber hinaus der Widerstand des Werkstoffs Molybdändisilicid gegenüber Temperaturänderungen besonders empfindlich ist, lassen sich Meßergebnisse mit hoher Genauigkeit erreichen.

Der erfindungsgemäß verwendete Draht sollte Molybdändisili­ cid als Hauptbestandteil enthalten, damit die gewünschten Ergebnisse erzielt werden können. Es versteht sich, daß der Draht weitere Substanzen enthalten kann, wenn diese die vorstehend aufgezeigten Eigenschaften nicht verschlechtern.

Im erfindungsgemäß ausgebildeten Widerstandsthermometer findet ein dünner Draht Verwendung, der vorzugsweise eine Dicke von 0,5-2 mm besitzt. Hierdurch wird der Widerstand möglichst hoch gehalten.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Widerstandsthermome­ ter sind Sensorabschnitt und Anschlußabschnitt in einem mechanischen und chemischen Schutz bietenden Schutzrohr angeordnet, das offen oder gekapselt sein kann. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Schutzrohr gekapselt und weist eine Gasfüllung auf. Das Rohr kann aber auch mit anderen Isoliermaterialien, beispielsweise auch Feststoffen, gefüllt sein. In jedem Falle muß der Sensor gegenüber dem Schutzrohr elektrisch isoliert sein.

Als Material für das Schutzrohr kommt vorzugsweise Keramik oder ein refraktäres Metall zur Anwen­ dung.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Widerstandsthermometer ist mit einer üblichen Meß- und Auswerteelektronik versehen, die den Widerstand des Molybdändisilicid-Drahtes mißt und die entsprechende Korrelation zur Temperatur auswertet und den gemessenen T-Wert anzeigt. Die Ausgestaltung der ent­ sprechenden Meß- und Auswerteeinrichtungen kann auf her­ kömmliche Weise erfolgen.

Vorzugsweise ist der Molybdändisilicid-Draht als Schleife ausgebildet und weist zwei parallele Abschnitte auf, an de­ ren Enden der Widerstand abgegriffen wird. Durch diese Parallelität lassen sich Störfaktoren weitgehend ausschal­ ten. Desweiteren ist der Draht vorzugsweise in Form einer bifila­ ren Wicklung ausgebildet, die die Ausschaltung von Störfak­ toren ermöglicht, wie vorstehend angedeutet.

Die erfindungsgemäß ausgebildeten Widerstandsthermometer haben ferner den Vorteil einer geringen Alterung und einer hohen Genauigkeit bei der Temperaturmessung.

Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Widerstandsthermome­ ter findet zur Temperaturmessung eine reine Widerstands­ messung am Molybdändisilicid-Draht statt, d. h. an den Draht wird keine elektrische Spannung gelegt. Aus dem je­ weils gemessenen Widerstandswert läßt sich ein zugehöriger Temperaturwert nach entsprechender Eichung berechnen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläu­ tert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Widerstandsther­ mometer;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Widerstandsther­ mometer einer geringfügig gegenüber dem der Fig. 1 abgeänderten Ausführungsform;

Fig. 3a einen Längsschnitt durch ein Widerstandsther­ mometer gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 3b einen Schnitt entlang Linie B-B' in Fig. 3a; und

Fig. 3c einen Schnitt entlang Linie A-A' in Fig. 3a.

Das in Fig. 1 dargestellte Widerstandselement weist einen dünnen Draht 1 auf, der aus Molybdändisilicid besteht oder dieses als Hauptbestandteil enthält. Der Draht 1 besitzt einen Durchmesser von 0,95 mm. Der Sensorabschnitt des Drahtes 1 befindet sich zwischen den in Fig. 1 rechts ge­ zeigten beiden Linien und hat eine Länge von 20,0 mm. Die­ ser Sensorabschnitt geht in einen in Fig. 1 links daneben gezeigten Anschlußabschnitt über, der eine Länge von 500 mm besitzt.

Im Sensorabschnitt ist der Draht 1 schleifenförmig ausge­ bildet. Die Ausbildung ist dabei derart, daß der Draht zwei im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Abschnitte 2 aufweist, die über einen runden Abschnitt 3 miteinander verbunden sind. Dabei erstrecken sich die parallelen Ab­ schnitte 2 in Fig. 1 zuerst nach rechts und dann wieder nach links zurück, d. h. sie besitzen eine bei 20 gezeigte Krümmung. Die beiden Drahtanschlüsse des Sensorabschnittes gehen dann im Anschlußabschnitt jeweils in zwei Anschluß­ drähte 4 über. Hierbei handelt es sich um Leitungsdrähte aus Molybdändisilicid mit einem Durchmesser von 1 mm, die eine geeignete Isolierung aufweisen. Um die Anschlußdrähte 4 auf Abstand voneinander zu halten, sind entsprechende Ab­ standshalter vorgesehen. Diese Abstandshalter sind in einem Rohr 5 aus hochreinem Aluminiumoxid angeordnet, das einen Durchmesser von 10 mm besitzt und an seinen Stirnflächen vier Bohrungen aufweist, durch die sich die Anschlußdrähte 4 erstrecken.

Die vorstehend beschriebene Anordnung ist in einem Schutz­ rohr 6 angeordnet, das ebenfalls aus hochreinem Aluminiumoxid besteht. In diesem Fall ist das Rohr 6 mit ei­ ner geeigneten Gasfüllung versehen. Es kann jedoch auch mit einem Feststoff gefüllt sein, wie am vorderen Ende des Roh­ res 6 in Fig. 1 angedeutet ist.

Die Anschlußdrähte 4 sind an den Sensordraht angeschweißt.

Fig. 2 zeigt eine im wesentlichen mit Fig. 1 identische Ausführungsform, wobei diese Ausführungsform kein inneres Isolationsrohr 5 aufweist. Die vier Drahtanschlüsse sind durch zwei Saphir-Abstandshalter 7 geführt, die jeweils vier Bohrungen zur Aufnahme der Anschlußdrähte 4 aufwei­ sen, welche entsprechende Isolationshüllen 8 besitzen, die ebenfalls aus Saphir bestehen.

Die Fig. 3a-3c zeigen eine Ausführungsform eines Wi­ derstandsthermometers, das im Sensorbereich einen speziel­ len Träger 10 aus faserigem Aluminiumoxid aufweist. Dieser Träger 10 ist zylindrisch ausgebildet und weist in seinem Umfang etwa kreisförmige Ausnehmungen 11 auf, in denen Ab­ schnitte 12 des Molybdändisilicid-Drahtes 1 angeordnet sind. Wie man den Fig. 3b und 3c entnehmen kann, er­ strecken sich die Abschnitte 12 an den beiden Stirnenden des Trägers 10 in Querrichtung zu den Ausnehmungen 11 bis zur nächsten Vertiefung, laufen diese dann entlang, erstrecken sich wieder in Querrichtung und tauchen in die nächste Ver­ tiefung ein. Auf diese Weise wird eine Vielzahl von paral­ lelen Drahtabschnitten gebildet, die parallel und im glei­ chen Abstand voneinander am Umfang des Trägers 10 angeord­ net sind.

Bei dieser Ausführungsform ist der Sensorabschnitt 13 mm lang ausgebildet. Die beiden Drahtenden links vom Träger 10 in Fig. 3a gehen wiederum jeweils in zwei Anschlußdrähte 4 über, die entsprechend ausgebildet sind und entsprechende Abstandshalter 7 aufweisen wie bei der Ausführungsform der Fig. 2. Der Anschlußabschnitt ist bei dieser Ausführungs­ form 500 mm lang ausgebildet. Auch hierbei ist ein Schutz­ rohr 6 aus hochreinem Aluminiumoxid vorgesehen. Das abge­ schlossene Ende 9 des Schutzrohres 6 kann mit Aluminium­ oxidpulver gefüllt sein, um den Sensor zu lagern.

Claims (6)

1. Widerstandsthermometer mit einem aus Molybdändisilicid bestehenden oder Molybdändisilicid als Hauptbestand­ teil enthaltenden Sensorabschnitt und einem Anschluß­ abschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorab­ schnitt als Draht (1) und der Anschlußabschnitt als aus Molybdändisilicid bestehender oder Molybdändi­ silicid als Hauptbestandteil enthaltender Anschluß­ draht (4) ausgebildet ist und daß Sensorabschnitt und Anschlußabschnitt in einem Schutzrohr (6) angeordnet sind.

2. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Schutzrohr (6) gekapselt ist und eine Gasfüllung besitzt.

3. Widerstandsthermometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (1) als Schleife ausgebildet ist und zwei parallele Ab­ schnitte (2) aufweist, an deren Enden der Widerstand abgegriffen wird.

4. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (1) in Form einer bifilaren Wicklung ausgebildet ist.

5. Widerstandsthermometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (1) auf einem Trägerelement (10) angeordnet ist.

6. Widerstandsthermometer nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Trägerelement (10) zylindrisch ausgebildet ist und an seinem Umfang parallele Vertiefungen (11) aufweist, in denen Abschnitte (12) des Drahtes (1) angeordnet sind.